А. Б. Фадеев

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ И ГИДРОГЕОЛОГИЯ

		ш
уш
1

1834

Санкт-Петербург 2004

Инженерная геологин и гидрогеология. Учебное пособие для студентов строительных специальностей / А. Б. Фадеев; СПбГАСУ. СПб., 2004.- 144 с.

Приведены сведения об истории и строении Земли, геологических процессах, составе и законах движения подземных вод, разновидностях и свойствах грунтов, инженерно-геологических изысканиях, охране природной среды.

Табл. 13, Ил. 60. Виблиогр. 6 назв.

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В. Н. Парамонов (СПбГУПС);

канд. техн. наук В. Л. Лукин (ООО «Подземстройреконструкция»)

Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.

© Л. Б. Фадеев, 2004

© Санкт-Петербургский государственный

архитектурно-строительный

университет, 2004

Введение

( лово геология состоит из двух греческих корней: «гео» - земля, ■■щи ос» - знание. Геология в настоящее время объединяет целый ряд наук, изучающих Землю, ее состав, строение, свойства и протекаю­щие в се недрах и на ее поверхности процессы. Так, геохимия изуча-ci вещественный состав Земли, геодинамика - процессы в недрах и на поверхности Земли, минералогия и петрография - минералы и горные породы, слагающие земную кору, геофизика - физические свойства Земли. Можно перечислить еще целый ряд наук, рассмат­ривающих Землю как источник различных благ для человека.

Инженерная геология изучает Землю как строительный объект, как основание зданий и сооружений, как вместилище тоннелей и дру­гих подземных сооружений.

При освоении новых территорий перед инженерной геологией выдвигается пять основных задач:

а) изучение свойств грунтов, примыкающих к сооружению и вли­яющих на его конструкцию, строительство и эксплуатацию:

б) выявление процессов и явлений, способных создать угрозу или усложнить эксплуатацию возводимых сооружений;

в) обеспечение водоснабжения;

г) снабжение строительства местными стройматериалами;

д) охрана природной среды от разрушения и загрязнения.

Значение инженерной геологии для промышленного, гражданс­кого, дорожного строительства, мосто- и тоннелестроения трудно переоценить. Незнание законов инженерной геологии приводит к крупным потерям.

Так, при строительстве Воркуты и Норильска - первенцев отечественного массового строительства на вечной мерзлоте - пер­воначально жилые и промышленные здания воздвигались по стан­дартным проектам. Оттаивание мерзлых грунтов под зданиями выз­вало большие неравномерные осадки фундаментов, в результате чего многие здания пришли в негодность.

На мысе Пицунда (Черноморское побережье Кавказа) был выст­роен на самом берегу комплекс высотных пансионатов с набережной и пляжами. Однако вскоре после завершения строительства случился

1

шторм, который смыл пляж, набережную и обнажил сваи у зданий, приведя комплекс в угрожающее состояние. Запоздалый инженерно-геологический анализ выявил причины этой неприятности. Море все­гда смывало пляжи мыса Пицунда, но их непрерывно пополняла гра­вием впадавшая рядом в море река Бзыбь, которая несла обломочный материал с гор. Незадолго до упомянутой неприятности местная стро­ительная организация начала черпать гравий из поймы р. Бзыбь выше по течению. Поступление гравия к пляжам прекратилось, динамичес­кое природное равновесие было нарушено, и природа сурово наказала незадачливых строителей за проявленное невежество.

Здесь уместно вспомнить слова Френсиса Бекона, известного философа XVII в.: «Чтобы управлять природой, нужно изучить ее законы».

Инженерно-геологические условия Петербурга отличаются ис­ключительной сложностью. Грунты слабые, водонасыщенные, силь­но деформирующиеся под нагрузкой. Исаакиевский собор получил неравномерную осадку до 1 м и серьезные повреждения. Осадки та­кого же порядка получили ряд девятиэтажных домов на Васильевс­ком Острове.

При строительстве метро в 1974 году тоннель в районе станции «Площадь мужества» пересекал древнюю долину, заполненную плы­вунными грунтами. Недостаточно надежная технология проходки при­вела к прорыву плывуна в тоннель, затоплению его на значительном протяжении, просадкам поверхности и разрушению нескольких зда­ний. Ликвидация последствий аварии потребовала значительных уси­лий. Ошибочная конструкция обделки тоннеля привела к повторению аварии в том же месте уже в процессе эксплуатации в 1995 году.

Городу постоянно грозят наводнения, поэтому строятся защит­ные сооружения.

Инженерная геология широко использует методы и результаты других геологических наук: ее особенностью является тесная связь с механикой, физикой, физической и коллоидной химией. Инженерная геология является основой при изучении других дисциплин геотех­нического цикла: механики грунтов, оснований и фундаментов и др.

В развитии и формировании отечественной инженерной геоло­гии четко выделяются три этапа.

ч

Первый этап - с середины XIX века до 1917 года. Бурное разви­тие капитализма в России сопровождалось интенсивным развитием железнодорожной сети, промышленных предприятий, портовых со­оружений. Крупные геологи: И. В. Мушкетов, В. А. Обручев - стали привлекаться к решению вопросов, связанных со строительством

м'агг(лш iv плппг г/-опо плп * * *-ч r*<r^r\ г> П Arrnrj mi^i. nonnr iq т^тдгопип

/IWJlV'-JMllJl/V pVI , IVUIJUJIUU, 1UWVIVU. 1 lU/llJIlJinVU UvpUUIV 1 IJ \JJiri 1\Ч*ЦГ'П,

посвященные инженерно-геологическим проблемам.

Второй этап - с 1917 года до Великой Отечественной войны. Многочисленные стройки первых пятилеток, их грандиозные по тому времени масштабы привели к возрастанию роли и ответствен­ности инженерно-геологических исследований. В результате инже­нерная геология сформировалась как самостоятельная наука и хо­зяйственная отрасль, появились специализированные геологичес­кие организации и кафедры в вузах. Из строек того времени, спо­собствовавших формированию инженерной геологии, необходимо отметить Свирьстрой, Днепрогэс, систему каналов Волго-Бапта, начало освоения районов вечной мерзлоты. С этим этапом разви­тия отечественной инженерной геологии связаны имена Ф. П. Са-варенского, И. В. Попова, Г. К Каменского, Н. Н. Маслова. В те же годы за рубежом выходят капитальные труды К. Терцаги, который вполне заслуженно считается одним из основателей инженерной геологии и механики грунтов.

Третий, современный, этап развития отечественной инженерной геологии начался с 1945 года. Этот этап характеризуется постоян­ным усложнением сооружаемых объектов и условий строительства. Осуществляется ряд крупнейших в мире проектов, таких как каскад электростанций на Волге и реках Сибири, Останкинская телевизион­ная башня. Началось интенсивное освоение районов вечной мерзло­ты, широкое гидромелиоративное строительство в засушливых и пе­реувлажненных районах, наконец, строительство БАМ с десятками мостов и тоннелей. В Петербурге на смену четырех-пяти этажной застройке пришло многоэтажное жилое строительство, началось ос­воение подземного пространства, ведется строительство защитных сооружений от наводнений.

Инженерно-геологическими исследованиями занимается широ­кая сеть изыскательских и исследовательских организаций:

3

изыскательские отделы проектных институтов, территориальные организации инженерно-геологических изысканий, кафедры вузов.

Инженерная геология является единственной геологической дис­циплиной, изучаемой студентами строительных вузов. Она включает сведения из нескольких геологических наук и распадается на пять относительно самостоятельных частей. Это общая геология, гидро­геология, грунтоведение, инженерно-геологические процессы и яв­ления, инженерно-геологические исследования и охрана природной среды.

Рекомендуемая литература

Основная

1. Ананьев В. П., Потапов А. Д. Инженерная геология: Учеб. 2-е изд., перераб.и доп. - М.: Высшая школа, 2000.

2. ПешковскийА. М, Перескокова Т. М. Инженерная геология. М.: Высшая шко­ла. 1971.

Дополнительная

3. Маслов Н. К, Котов М. Ф Инженерная геология. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.

4. Справочник по инженерной геологии / Под ред. Н. В.Чуринова. М.: Недра, 1974.

5. Шарай В. 11, Викарук Л. Н. Лабораторные работы по общей инженерной геологии. Минск: Вышейша школа, 1971.

6. ГОСТ25100-95. Грунты. Классификация. М., 1995.

Раздел I. Основы общей геологии

1. Строение и состав Земли и литосферы

1.1. Форма и размеры Земли

Земля по форме близка к шару, слегка сдавленному у полюсов. Полярный радиус Земли - 6357 км, экваториальный - 6378 км. Сред­ний радиус составляет 6370 км. Площадь поверхности Земли - 510 млн км2, из них на сушу приходится 29 %. Объем Земли - 1,081012 км3, масса - 5,98-lO^ttfСамая высокая точка Земли - гора Джомолунгма (Эверест) - расположена на уровне 8,9 км над уровнем моря, самая глубокая океаническая впадина у Филиппинских островов - на 11,6 км ниже уровня моря. Таким образом, перепад высот, так же, как разница между полярным и экватори&чьным радиусами, составляет около 20 км -всего около 1/300 радиуса. Средняя плотность Земли - 5,52 г/см3.

1.2. Происхождение Земли

О происхождении Земли и других планет Солнечной системы было высказано немало гипотез. По гипотезе А. И. Фесенкова и Г. В. Войт-кевича из Солнца произошел выброс материи под действием тех или иных причин (взрыв, близкий пролет кометы), и из этой материи об­разовались планеты. Аргументами в пользу этой современной гипо­тезы является единство химического состава Солнца, планет и пада­ющих на Землю метеоритов, одинаковый возраст Земли и метеори­тов. Очевидно, часть выброшенного из Солнца материала еще про­должает вращаться вокруг Солнца в виде метеоритов.

1.3. Методы познания строения и состава недр Земли

Методы познания строения и состава недр Земли зависят от ее глубины. До глубин порядка 1-2 км человек проник в недра горными выработками. До глубин порядка 10-12 км бурятся геологические скважины с отбором образцов пород. Изучение более глубоких зон возможно лишь геофизическими методами, из которых наибольшую информацию о Земле дали сейсмические исследования.

При динамическом воздействии в точке А (рис. 1) от нее распро­страняются два типа волн: продольные и поперечные. Продольные

3

Рис. 1. Сейсмическое просвечивание Земли: Р - продольные волны; 5- поперечные волны

волны способны проходить через твердые и жидкие среды, а попе­речные - только через твердые. Кроме того, при проходе через грани-iry двух сред с различной плотностью и упругостью происходит пре­ломление волны - изменяется направление ее распространения. Ана­лиз сейсмического «просвечивания» Земли позволил установить на­личие в ней нескольких слоев с различными свойствами, пропускаю­щих как продольные, так и поперечные сейсмические волны, и цент­ральной части, пропускающей только продольные волны, то есть близ­кой по свойствам к жидкости.

1.4. Геосферы

Земля состоит из нескольких сферических оболочек, обладаю­щих характерными свойствами (рис. 2).

+1000 г-------,

+300

-6370км'

Рис. 2. Геосферы: / - ионосфера; 2 - стратосфера; 3 - тропосфера; 4 - гидросфера; 5 - литосфера; 6 - мантия; 7 - ядро; 8 - атмосфера

4

Ядро - центральная часть Земли радиусом 2900 км - характе­ризуется высокой плотностью (9,7-13 г/см3), не пропускает по­перечных волн. Относительно состояния вещества в ядре единого мнения у ученых нет. Возможно, это действительно жидкая масса, но, может быть, при давлении 0,35 млн МПа и температуре 8600°

няет свои физические свойства.

Мантия - промежуточная геосфера, играющая большую роль в жизни самой верхней твердой оболочки Земли - литосферы. Мантия сложена породами, обогащенными тяжелыми элементами (железом, никелем) и имеющими повышенную плотность (от 3,4 до 5,6 г/см3). Тем­пература на верхней границе мантии составляет около 1000°, однако мантия по своим динамическим свойствам - твердое тело, через нее бес­препятственно проходят поперечные волны. В то же время в мангии раз­виваются длительные, медленные, еще мало изученные потоки, приво­дящие к вертикальным и горизонтальным движениям отдельных участ­ков поверхности Земли. Породы мантии по свойствам можно уподобить льду, твердому при ударе и пластичному под длительной нагрузкой.

Литосфера (земная кора) - твердая каменная оболочка. Средняя плотность пород литосферы составляет 2,7-2,8 г/см3. Граница разде­ла между литосферой и мантией носит название «поверхность Мохо-ровичича» по имени ученого, открывшего ее. На этой границе проис­ходит скачкообразное изменение скорости распространения продоль­ных волн: от 6 км/с в коре до 8 км/с в мантии.

На поверхности литосферы выделяют следующие основные эле­менты: материк, материковый шельф, материковый склон, ложе оке­ана, океанические впадины (рис. 3).

Шельф - это продолжение материка под водой. Шельфовые уча­стки в прошлые геологические эпохи переживали периоды конти­нентального развития, т. е. были сушей, поэтому геологическое стро­ение шельфа близко к строению прилегающих участков суши. Зона шельфа составляет ~7,5 % площади морей и океанов.

Верхняя часть материковых и шельфовых участков литосферы представлена осадочным слоем. Толщина слоя осадочных пород мо­жет достигать в горных районах 10-15 км, хотя местами эти породы могут отсутствовать.

5

Рис. 3. Рельеф литосферы: Ш - шельф; С - материковый склон; Л - ложе океана; В - океаническая впадина

Под слоем осадочных пород лежит гранитный слой, глубина ниж­ней границы которого под гористыми участками материков может достигать 60 км и более. Под дном океанов гранитный слой тонкий или отсутствует.

Нижним слоем литосферы является базальтовый.

Средняя толщина материковых участков литосферы составляет 40-50 км, толщина океанических участков - 10-20 км.

Самые верхние слои литосферы представляют интерес для стро­ительства.

Гидросфера - водная оболочка Земли. В нее входит вода морей и океанов, рек, озер и подземные воды. Поверхность морей и океанов составляет 7 % поверхности Земли; их средняя глубина - 3,7 км.

Атмосфера - газовая оболочка Земли до высоты -1000 км. В пределах атмосферы выделяют тропосферу - до высоты 10-13 км, выше - стратосферу и ионосферу.

Геологическая работа процессов, протекающих в гидросфере и атмосфере, формирует современный облик поверхности Земли и мо­жет существенно влиять на возводимые сооружения.

Согласно новейшей теории мобилизма жесткие глыбы матери­ков как бы плавают в более тяжелой пластичной мантии. Теория мо­билизма утверждает, что раньше существовал единый материк - Гон-двана. В мезозойской эре под действием пока еще неизвестных нам

5

сил I ондвана распалась на современные материки: Америку, Афри­ку, Евразию, Австралию. Медленный дрейф материков, продолжаю­щийся и поныне, удается наблюдать современными методами.

1.5. Геотермия

Земля имеет два источника тепля: солнечную радиацию, от кото-

рой поступает 99,5 % энергии, и энергию радиоактивного распада в недрах. Влияние двух источников тепла обусловливает сложный теп­ловой режим приповерхностного слоя литосферы (рис. 4).

Температура в самом верхнем слое до глубины 12-15 м зависит от сезонных колебаний. Ниже до глубины 20-40 м следует зона по­стоянной температуры пород, равной среднегодовой температуре наружного воздуха (в Петербурге +5°, в Воркуте -3°).

Ниже идет зона нарастающих температур. Средняя скорость нарас­тания температуры с глубиной {геотермический градиент) составляет 1 ° на 33 м; в районах вулканической деятельности градиент составля­ет 1 ° на 5-7 м. В районах суши, где среднегодовая температура воздуха ниже нуля, температура пород до определенной глубины будет также постоянно отрицательной - это районы вечной мерзлоты.

1.6. Минералы

Основные слагающие химические элементы содержатся в поро­дах литосферы в следующих количествах:

3' !

3

Рис. 4. Температура пород по глубине: / -слой сезонного промерзания и оттаивания: 1+2- слой сезонных колебаний температу­ры; 3 - слой постоянных температур; 4 -рост температуры с глубиной; л - летний график; з - зимний график; справа - уме­ренный климат; слева - холодный климат

I 1

О - 46,8 %, Si - 27,3 %, Al - 8,7 %, Fe - 5,1 %, Ca - 3,6 %, Na -2,6 %, К - 2,6 %, Mg - 2,1 %, прочие - 1 %. Элементы существуют в земной коре в виде минералов. Минералы - это природные тела, име­ющие определенный химический состав и физические свойства, об­разующиеся в результате физико-химических процессов, протекаю­щих в земной коре.

Среди этих процессов выделяют:

1) магматизм - минералы образуются при застывании магмы;

2) внешние процессы - минералы образуются на поверхности Земли в ходе разрушения пород и накопления осадков;

3) метаморфизм - минералы образуются в результате перерож­дения других минералов под воздействием высоких температур, дав­лений и растворов.

Абсолютное большинство минералов - твердые, хотя есть жид­кие (вода, нефть) и газообразные (аргон, горючие газы) минералы.

Всего выявлено несколько тысяч минералов, но лишь 20-30 ми­нералов встречаются часто, входят в состав главнейших горных по­род, и их называют породообразующими.

Минералы могут иметь кристаллическую структуру или быть аморфными. В кристаллическом веществе атомы элементов распо­ложены в пространственных решетках. Кристаллы анизотропны по механическим и физическим свойствам.

Каждый минерал обладает определенным набором физических свойств, по которым он может быть определен визуально: цвет, из­лом, спайность, твердость, плотность.

Цвет минералов разнообразный. Для некоторых минералов цвет -характерный признак: киноварь всегда красная, сера - желтая. Одна­ко у многих светлоокрашенных минералов цвет может сильно ме­няться от примесей. Например, кварц может быть бесцветным (гор­ный хрусталь), голубым (аметист), черным (марион), то есть цвет не всегда является постоянным признаком. Более постоянным является цвет в черте, проведенной минералом по сколу фарфора.

Излом - вид поверхности при разламывании. Он может быть ров­ный, зернистый, раковистый, занозистый, землистый.

Спайность - способность кристалла раскалываться по опреде­ленным направлениям с образованием ровных блестящих плоскостей.

6

Кристалл может иметь несколько направлений спайности. Различа­ют весьма совершенную (слюда), совершенную (кальцит), несовер­шенную (апатит) спайности или отсутствие спайности (кварц).

Твердость - контактная прочность минерала, сопротивляемость царапанию. В минералогии пользуются шкалой относительной твер­дости Мооса. В шкале Мооса каждый последующий минерал делает царапину на предыдущем. Конкретный исследуемый минерал может иметь твердость, равную твердости одного из минералов шкалы или в промежутке между ними.

Шкала Мооса

Относительная твердость	Минерал
1	Тальк
2	Гипс
3	Кальцит
4	Флюорит
5	Апатит
6	Ортоклаз
7	Кварц
8	Топаз
9	Корунд
10	Алмаз

Ориентировочно твердость неизвестного материала может быть определена с помощью обиходных предметов. Например, твердость ногтя составляет ~ 2,5, медной монеты ~ 4, стального ножа ~ 6.

По плотности минералы делят на легкие (< 2,5 г/см3), средние (2,5-4,0) и тяжелые (> 4,0).

породообразующие минералы разделяются на 5 классов:

кварц и первичные силикаты;

простые соли;

окислы и гидроокислы;

вторичные силикаты;

органические.

Первичные силикаты — это сложные соли кремниевой кислоты. Они образуются только из расплавленной магмы, поэтому минералы -первичные силикаты характерны для магматических пород. Кварц наи­более устойчив против выветривания, благодаря чему он широко пред­ставлен как в осадочных, так и в метаморфических породах.

7

К основным минералам этого класса относятся кварц, полевые шпаты, слюды, пироксен, амфибол, оливин. Общим для минералов этого класса является присутствие в их составе кремнезема Si02, ко­личество которого изменяется от 100 % (кварц) до 35-40 % в минера­лах, обогащенных железом и магнием (оливин - 2(MgFe)0-SiO,). Увеличение содержания железа и магния в первичных силикатах со­провождается увеличением плотности, более темной окраской. Боль­шинство первичных силикатов обладает довольно высокой твердо­стью в интервале 5-7 по шкале Мооса. Минералы этого класса не растворимы в воде, не реагируют с соляной кислотой.

Простые соли. Основными минералами этого класса являются кальцит СаСО,, доломит CaMg(CO,)2, гипс CaS04-2H,0, ангидрит CaSO„ галитг4с1.

Эти минералы образуются преимущественно в результате вне­шних процессов. Им свойственна относительно невысокая твердость (1,5-3,5), хотя прочность может быть достаточно высокой. Все пере­численные минералы в той или иной степени растворимы в воде: доломит и кальцит — слабо, гипс - средне, а галит - сильно раство­рим. Ангидрит способен при поглощении воды переходить в гипс с увеличением объема до 30 %. Минералы этого класса встречаются среди осадочных пород либо в виде мощных толщ мономинераль­ных пород, либо в виде минеральных примесей в грунтах.

Кальцит в виде мрамора часто встречается в метаморфизован-ных толщах.

Окислы и гидроокислы. Наиболее распространенными минера­лами этого класса являются лимонит Fe.O -пН.О, боксит А1,0,пН,О, халцедон Si02-nH20. Эти минералы образуются в результате проте­кания внешних процессов и встречаются исключительно в осадоч­ных породах, реже в виде самостоятельных слоев, чаще в виде мине­ральных примесей.

Вторичные силикаты - это целый ряд глинистых минералов, об­разующихся в результате химического разложения первичных силика­тов под воздействием агентов выветривания. Наиболее характерны­ми представителями глинистых минералов являются каолинит и мон­тмориллонит; широко распространен ряд минералов, объединяемых под общим названием гидрослюды и обладающих свойствами,

8

промежуточными между свойствами каолинита и монтмориллонита. Всем глинистым минералам свойственны тонкокристаллическая структура и дисперсная текстура. Размер кристаллов менее 1 мкм, благодаря чему суммарная поверхность частиц велика (5-10 м2 у 1 см3 глины) и физико-химические процессы на этой поверхности при ув­лажнении глинистых минералов чрезвычайно активны Эти процес­сы определяют специфические механические свойства глин.

Все глинистые минералы размягчаются при увлажнении, при этом монтмориллонит благодаря пакетному строению кристаллов жадно втягивает в себя воду, развивая под нагрузкой давление набухания до 1,0 МПа, а без нагрузки увеличиваясь в объеме в несколько раз.

Глинистые минералы исключительно широко представлены в осадочных породах.

Органические минералы образуются в результате гумификации (разложения) и углефикации остатков растительных организмов. Ис­ходным материалом является клетчатка (волокнистая масса малораз-ложившегося торфа). Продуктами гумификации и углефикации является гумус (сложный комплекс минерально-органических соеди­нений), каменный уголь, горючие газы.

1.7. Горные породы

Горная порода - это моно- или полиминеральный агрегат опреде­ленного происхождения, обладающий относительно определенным минеральным составом и представленный в земной коре телами значительных размеров и определенной формы.

По происхождению горные породы делятся на три класса:

I - магматические, образовавшиеся из расплавленной магмы;

II - осадочные, образовавшиеся в результате отложения продук­тов разрушения горных пород, продуктов жизнедеятельности организ­мов или осадков из растворов;

III - метаморфические, образовавшиеся в результате изменения магматических или осадочных пород под действием внутренних про­цессов земной коры.

Характерными визуальными признаками горных пород являют­ся структура и текстура. Структура характеризует размеры, форму и количественное соотношение составных частей: минералов, зерен.

8

Текстура характеризует пространственное расположение составных частей в объеме.

1.7.1. Магматические породы

Характерные формы залегания магматических пород изображе­ны на рис. 5. К ним относятся батолит, лакколит, жила (дайка), силл, покров. Магматические породы, сформировавшиеся на значительных глубинах в условиях медленного охлаждения (батолит, лакколит), называются глубинными; породы, сформировавшиеся на поверхнос­ти или на малых глубинах в условиях быстрого охлаждения (покров, силл), называются излившимися.

±±±1,±а.<-^ + +_±_±_±^_±_±_

Рис. 5. Магматические тела: / - силл: 2 - покров; 3 - жила; 4 - вулкан; 5 - батолит; 6 - лакколит; 7 - осадочные породы

Глубинным породам свойственны кристаллическая структура, массивная (однородная) текстура, излившимся - скрытокристалли-ческая, стекловатая (аморфная) структура, шлаковая (макропористая), порфировая (крупные кристаллы тугоплавких минералов окружены нераскристаллизованной массой) текстуры.

По содержанию кремнезема в валовом составе магматические породы делятся на кислые, средние, основные и ультраосновные. С

9

уменьшением содержания Si02 и увеличением доли темноцветных минералов растет плотность пород и окраска темнеет. Классифика­ция магматических пород по составу и условиям образования дается в таблице.

Классификация магматических пород

Состав			Породы
Химический	Минеральный	Глубинные	Излившиеся
			Древние	Молодые
Кислые: Si02 > 69 %	Кварц, полевые шпаты, слюда	Гранит	Кварцевый порфир	Липарит
Средние: Si02 = 65-52 %	Полевой шпат, роговая обманка, биотит, авгит	Сиенит, диорит	Ортоклазовый порфир	Трахит, андезит
Основные: Si02 = 52-40 %	Плагиоклазы, авгит, оливин	Габбро	Диабаз	Базальт
Ультраосновные: Si02 < 40 %	Авгит, оливин, рудные минералы	Пироксенит, перидотит, дунит	-	-

Глубинным и древним излившимся породам свойственна малая пористость (доли процента). Значительной пористостью могут обла­дать молодые излившиеся породы (базальт, пемза).

Все магматические породы в невыветренпом состоянии облада­ют высокими прочностными свойствами, малой сжимаемостью. Глу­бинные породы обладают высокой устойчивостью против выветри­вания и представляют собой ценный строительный и облицовочный материал. Из излившихся пород в качестве строительных материа­лов используются диабаз и базальт; нераскристаллизованная орток-лазовая масса в кислых и средних излившихся породах легко разру­шается при выветривании.

1.7.2. Осадочные породы

Осадочные породы в земной коре занимают всего ~5 % объема, однако покрывают более 90 % земной поверхности. Образуются осадочные породы в результате отложения осадков на дне морей, рек, озер, на поверхности суши.

10

Среди осадочных пород выделяют обломочные, хемогенные, органогенные. Характерные структуры для обломочных пород - об­ломочная (несцементированные обломки), кошломератовая (сцементированныеокатанные обломки), брекчиевля (сцементирован­ные угловатые обломки); для органогенных волокнистая (торф); для хемогенных-зернистокристалличс(.к,1)1 (соли), оолитовая (ооли­товые известняки). Характерные текстуры слоистая, полосчатая, ленточная (тонкослоистая).

Пористость осадочных пород разная, нередко очень высокая: у илов -0,7-0,8,глин-0,4-0,5, песков-0,35-0,4, песчаников -0,1-0,15. Поры могут быть заполнены водой, газом.

Обломочные породы состоят из обломков различной крупности (таблица).

Классификация обломочных порол

Название обломков	Размер обломков, мм	Рыхлые породы		Сцементированные породы
Грубые		Обломки угловатые	Обломки окатанные	Обломки угловатые	Обломки окатанные
	>200	Глыбы	Валуны	Брекчия	Конгломерат
	200-40	Щебень	Галька
	40-2	Дресва	Гравий
Песчаные	2-0,05	Песчаные		Песчаник
Пылсватые	0,05-0,005	Пылеватые		Алевролит
Глинистые	< 0,005	Глинистые		Аргиллит

Глинистые частицы в составе пород играют особую роль, они придают породам характерные свойства: размягчаемость в воде, сжи­маемость под нагрузкой и пр. В зависимости от содержания глинистых частиц рыхлые песчано-глинистые породы (грунты) разделяются на типы (таблица):

Содержание глинистых частиц, %	Наименование фунта
<3	Песок
3-10	Супесь
10-30	Суглинок
>30	Глина

Пески и грубообломочные грунты обладают хорошими строитель­ными свойствами: малой сжимаемостью, высоким углом внутреннего

10

трения, а сцементированные их разновидности могут по прочностным показателям приближаться к магматическим породам. Глинистые и пылеватые грунты - в основном на таких грунтах стоит Петербург -обладают сложными в строительном отношении свойствами.

Песок, гравий - ценные строительные материалы, глина - сырье для керамической промышленности и огнеупоров.

Среди обломочных пород выделяют группу вулканических по­род, образовавшихся из вулканических обломков и вулканического пепла. Из них наиболее известны туфы, пористые, легкие, прочные прекрасный строительный и облицовочный материал.

Хемогенные (химические) осадочные породы выпадают из раст­воров на дне морей и лагун. При выпадении углекислого кальция образуются хемогенные известняки, при высыхании лагун (типа за­лива Кара-Богаз-Гол) образуются залежи каменной соли, гипса.

Хемогенные известняки - прочные, устойчивые против выветри­вания, применяются в строительстве в виде щебня, для буговой клад­ки. Глинистые известняки (мергели) - сырье для цементной промыш­ленности.

Гипсы и загипсованные грунты опасны для строительства ввиду высокой растворимости гипса.

Органогенные породы образуются из остатков растительных и живых организмов. Опока, диатомит, трепел, состоящие или содержа­щие в себе кремнистые остатки водорослей и микроорганизмов, -пористые, не реагирующие с соляной кислотой породы. Они исполь­зуются как легкие наполнители теплоизоляционных бетонов.

Известняк-ракушечник, коралловый известняк, мел состоят из карбонатных скелетов моллюсков, кораллов и микроорганизмов. Они реагируют с соляной кислотой. Известняк-ракушечник используется в строительстве как штучный камень и облицовочный материал.

Торф состоит из гумифицированных остатков растений, часто встречается при строительстве на увлажненных территориях. Ввиду высокой пористости (до 0,9) торф обладает сильной сжимаемостью.

Гумус - сложный комплекс органо-минеральных соединений, об­разовавшихся в результате жизнедеятельности организмов. Гумус обладает свойствами гелеобразователя, способен связывать и прочно удерживать воду.

11

Осадочные породы залегают в виде слоев (пластов). Тонкий слой называют пропластком. Если слой имеет небольшие размеры в плане и по краям выклинивается, то его называют линзой. Морские осадки обычно имеют слои выдержанной мощности на больших площадях. Континентальные осадки, например речные отложения, - имеют ча­стое чередование ограниченных по площади слоев (рис. 6).

Рис. 6. Невыдержанное залегание континентальных осадочных пород

1.7.3. Метаморфические породы

Метаморфические породы образуются в результате изменения магматических и осадочных пород под воздействием высоких тем­ператур, газов и растворов на границе с горячей внедрившейся маг­мой (контактный метаморфизм), или под воздействием высоких все­сторонних давлений и температуры (региональный метаморфизм). Характерные метаморфические переходы:

кварцевый песок, песчаник —> кварцит;

глина —> филлит, гнейс;

гранит -> гнейс;

известняк —> мрамор;

перидотит -> серпентинит.

Метаморфическим породам свойственны малая пористость, кристаллическая или скрьпокристаллическая структура сланцевая и плойчатая текстуры. Они обладают обычно высокими прочностными свойствами. Однако многие разновидности метаморфических пород вследствие сланцеватой текстуры малоустойчивы против выветривания.

11

2. Процессы внутренней динамики

2.1. Виды движении земной коры

Как уже отмечалось, в отношении кратковременных нагрузок при прохождении сейсмических волн породы литосферы и материал ман­тии ведут себя как твердые тела. В длительные же периоды времени материал мантии проявляет вязкопластические свойства и напоми­нает собой гудрон и лед, твердые при кратковременных нагрузках и пластичные - при длительных.

На вязком материале мантии дрейфуют материки. Благодаря пока еще неведомым нам потокам в мантии поверхность литосферы ис­пытывает непрерывные вертикальные и горизонтальные движения, более активные в одних областях, менее активные - в других. Дви­жения земной коры и связанные с ними явления называются текто­ническими процессами.

По характеру движений на поверхности материков выделяют два типа территорий: геосинклинали и платформы.

I еосинклинали - значительные по площади вытянутые участки земной коры с замкнутым циклом развития, включающем вертикаль­ные перемещения значительной амплитуды (до 10-12 км). На пер­вом этапе развития геосинклинали развивается интенсивный и дли­тельный прогиб земной коры под действием нисходящего потока в вязкопластичном материале мантии. Этот прогиб заполняется глубо­ким морем, и в нем накапливаются огромные толщи осадочных по­род (рис. 7, а). На втором этапе развития происходит подъем цент­ральной части геосинклинальной области, сопровождаемый актив­ной вулканической деятельностью - образованием разрывов и высо­ких складчатых гор (рис. 7, б).

Современная геосинклиналь в стадии накопления осадков - Сре­диземное море, в заключительной стадии горообразования - Кавказ, Альпы. Урал - древняя геосинклинальная область, завершившая цикл своего развития. После окончания цикла геосинклинального разви­тия территория вступает в платформенный этап развития.

Платформа - обширная территория, имеющая древний складча­тый метаморфизованный фундамент и испытывающая плавные зна­копеременные вертикальные движения амплитудой до 1-2 км. При

12

/t t t

J. r

Рис. 7. Этапы развития геосинклинали: а - осадконакопление; б - горообразование

опусканиях платформы заливаются мелкими континентальными мо­рями и на складчатом фундаменте накапливаются толщи спокойно залегающих осадков относительно небольшой (до 1-2 км) мощнос­ти. При поднятиях платформы оказываются в континентальных ус­ловиях, при опусканиях заливаются шельфовыми морями. Пример типичной платформы - Русская или Восточно-Европейская, ограни­ченная с востока Уралом, с юга - Кавказом, с запада - Карпатами. Шельфовые моря - Балтийское, Северное, Желтое.

Наличие нескольких ярусов морских отложений на Русской плат­форме свидетельствует о неоднократном опускании ее ниже уровня моря. Участки платформ, на которых кристаллический фундамент, не покрытый отложениями платформенного типа, выходит на повер­хность, называются щитами. Примеры щитов - Балтийский (начи­нается к северу от линии Выборг-Приозерск, включает в себя Каре­лию, Скандинавию, Кольский полуостров); Украинский (включает в себя юг Украины). На гранитах Украинского щита расположена гид­роэлектростанция - Днепрогэс.

Новейшие колебательные движения земной коры происходят на глазах человека. Например, Херсонес в Крыму испытал погружение в море, а сейчас опять поднялся на поверхность. Петербург опуска­ется со скоростью 1 мм/год, Одесса - со скоростью 5,1 мм/год. Баку за последние 800 лет испытал опускание и новое поднятие на 16 м. Русло реки Конго прослеживается на дне Атлантического океана на расстоянии 130 км от берега Африки до глубин 2000 м.

Учет новейших движений земной коры имеет существенное значение при строительстве долговременных сооружений: плотин, тоннелей.

12

2.2. Формы нарушенного залегания пород

Тектонические движения вызывают деформации первоначально­го залегания пород. Эти деформации могут быть без нарушения сплошности, могут быть и разрывными.

Моноклиналь - наклонное залегание слоев пород (рис. 8). Поло­жение слоя в пространстве характеризуегея углом падения а, рав­ным величине двугранного угла между горизонтальной плоскостью и плоскостью слоя, и азимутом падения (3 - углом между направле­нием на север и проекцией направления падения на горизонтальную плоскость. Азимут падения отсчитывается от направления на север по часовой стрелке.

Рис. 8. Моноклинное залегание пород

Простиранием слоя называется линия пересечения слоя с гори­зонтальной плоскостью. Азимут простирания на 90° меньше азиму­та падения.

Складка- вытянутый в одном направлении перегиб слоев (рис. 9). Складка, обращенная перегибом вверх, называется антиклиналь пе­регибом вниз - синклиналь. У складки выделяют замок (место пере­гиба) и крылья.

Характерные разрывные формы (рис. 10) - сброс, взброс; ком­бинации двух сбросов: горст, грабен.

Амплитуда перемещений пород вдоль разрывного нарушения может составлять от нескольких сантиметров до 1-2 километров и более. Пример гигантского горста, образовавшегося на втором этапе развития геосинклинали, - Уральский хребет, гигантский грабен -ложе озера Байкал.

13

Рис. 9. Складчатое залегание: А - антиклиналь; С - синклиналь

в г

Рис. 10. Разрывные формы: а - сброс; б - взброс; в - горст; г - грабен

Со складками, а особенно с разрывными формами, связана со­путствующая трещиноватость, местами превращающая породу в мел­кодробленую массу. Такие зоны дробления при проходке тоннелей имеют малую устойчивость, часто с ними связаны обильные прито­ки подземных вод.

2.3. Сейсмические явления

Разрывные нарушения в земной коре происходят под действием тектонических сил. Появление разрыва и каждый дополнительный сдвиг по нему сопровождаются разгрузкой окружающего массива и выделением накопленной упругой энергии в виде сейсмических волн, распространяющихся от очага (гипоцентра).

Некоторые хорошо изученные разломы в земной коре, например разлом Сан-Андреас в Калифорнии (США), регулярно являются источниками землетрясений.

Распространяющиеся от гипоцентра Г (рис. 11) волны имеют сферический фронт. Проекция гипоцентра на дневную поверхность называется эпицентром.

13

Рис. 11. Схема землетрясения: Г-гипоцентр; Э- эпицентр; Р - продольная полна: S - поверхностная волна

По глубине расположения гипоцентра землетрясения разделяют на поверхностные (менее 10 км), коровые (10-80 км) и глубокие (80-700 км). Наиболее разрушительными являются поверхностные и ко­ровые землетрясения.

От эпицентра в радиальных направлениях распространяется целая серия волн. Первыми движутся с максимальной скоростью (6-8 км/с) продольные волны (Р), имеющие высокую частоту, небольшую амп­литуду и служащие как бы предвестником основного носителя сейс­мической энергии - поверхностных волн. Поверхностные волны S (см. рис. 11) имеют большую амплитуду, слабо затухают с расстоя­нием, имеют низкую частоту, близкую к резонансным частотам зда­ний и сооружений. Скорость их распространения примерно в два раза ниже, чем продольных волн (3-4 км/с).

Мерой мощности землетрясения в очаге является магнитуда -десятичный логарифм амплитуды колебаний на расстоянии 100 км от эпицентра, выраженной в мкм. Девятибалльную шкалу магнитуд называют шкалой Рихтера.

Для практических целей более важным показателем является ин­тенсивность идущей сейсмической волны в данной точке, которая может быть охарактеризована амплитудой колебаний (мм) или уско­рением колебаний (мм/с2).

По принятой в России шкале землетрясения делятся на 12 бал­лов (таблица).

Землетрясения обычно происходят на границах литосферных плит, в геосинклинальных областях с активной тектонической дея­тельностью.

14

Сейсмическая шкала

Балл	Амплитуда, мм	Ускорение, мм/с2	Характер воздействия
1	-	-	Неощутимое землетрясение
2	-	-	Едва ощутимое землетрясение
3	-	-	Слабое сотрясение
4	-	< 120	Заметное сотрясение
5	0,5-1	120-250	Пробуждение
6	1-2,0	250-500	Испуг
7	2-4	500-1000	Повреждения зданий
8	4-8	1000-2000	Массовое повреждение зданий
9	8-16	2000-4000	Всеобщее разрушение зданий
10	16-32	4000	Катастрофа
11	-	-	Изменение рельефа
12	-	-	-

На основании многолетних сейсмических наблюдений состав­ляются карты сейсмического районирования, определяющие зоны ожидаемой интенсивности колебаний.

Уровень сейсмичности 5 баллов и менее не принимается во вни­мание при строительстве. При 6 баллах специальных противосейс-мических мер не принимается, но повышаются требования к каче­ству выполнения строительных работ. При ожидаемой сейсмичнос­ти 7-9 баллов здания и сооружения должны рассчитываться на сейс­мические нагрузки.

Опасность представляет горизонтальная знакопеременная компо­нента сейсмического ускорения, составляющая при 8-балльном зем­летрясении 10-20 % от земного ускорения. При резонансной раскачке сооружения возникают наиболее серьезные повреждения. При дей­ствии горизонтальной сейсмической силы склоны и откосы как бы увеличивают свою крутизну и снижается их устойчивость. Рыхлые водонасыщенные грунты могут разжижаться.

Тоннели относятся к сейсмоустойчивым сооружениям, и колеба­ния ниже 9 баллов, а в скальных породах - ниже 10 баллов для них не представляют существенной угрозы. Исключение составляют при-портальные участки, которые могут быть захвачены поверхностным оползнем.

15

В зону повышенной сейсмичности (6 баллов и более) попадает около 30 % территории СНГ. Сейсмические районы СНГ тянутся поло­сой вдоль южной и восточной границ: Карпаты, Крым, Кавказ, Сред­няя Азия, Тянь-Шань, Алтай, Забайкалье, Приморье, Курильские ос­трова, Камчатка.

П—. -----„„„„,,„,", „,„„,,„„..„, ________АГ гГ~_

пуп uyivji'iAawMui'i vp^An^ri nnivn^Honvvin j^ivuiui рлииши iV vjcui-

лов локальные грунтовые условия могут существенно изменять уро­вень фактической сейсмичности. Скальные грунты в основании со­оружения снижают уровень сейсмичности на 1 балл, а рыхлые об­водненные грунты повышают на 1-2 балла, поэтому, кроме мелко­масштабных карт сейсмического районирования, составляются круп­номасштабные карты сейсмического микрорайонирования, отража­ющие не только ожидаемую среднюю интенсивность, но и местные грунтовые и геоморфологические условия.

Грозным проявлением подводных землетрясений являются цу­нами морские волны, распространяющиеся по поверхности морей и океанов со скоростью 400-600 км/ч. Для судов в океане эти волны совершенно незаметны, так как имеют пологую форму. На мелково­дье волны удваивают высоту до 10-15 м и обрушиваются на берег внезапно, принося большие разрушения. Цунами неоднократно на­носили большой ущерб прибрежным странам Тихого океана. От цу­нами сильно пострадал в пятидесятых годах прошлого века город Севсрокурильск.

2.4. Вулканизм

Вулканы представляют собой наиболее эффектное проявление внутреннего динамизма Земли. В отдельных местах на границе коры и мантии возникают изолированные очаги сильного разогрева и пла­вления пород. Периодические изливы насыщенной газами магмы называются извержениями.

Типичный вулкан состоит из конусообразной горы, сложенной продуктами извержений, конусообразного углубления на вершине -кратера и жерла - канала, по которому поступает магма. Всего на Земле около 500 действующих вулканов. В России вулканы имеются на Камчатке и Курильских островах.

15

По характеру извержений выделяют три типа вулканов:

тип Везувия. Извержение начинается с толчков, идет серия взры­вов с выбросом вулканических бомб (раскаленных камней), пепла, потом истекает лава. Большинство вулканов (в том числе Ключевс­кая сопка) принадлежат к этому типу;

Гавайский тип. Широкий плоский кратер при извержениях спо­койно заполняется лавой, которая постепенно переливается через края;

тип Кракатау. Остров такого наименования существовал в Зондс­ком проливе между Явой и Суматрой. В 1883 году произошел гигантс­кий вулканический взрыв, уничтоживший остров и несколько десятков тысяч человек в его окрестностях. В атмосферу было выброшено не­сколько кубических километров твердого материала. Сила взрыва была подобна силе взрыва множества самых мощных атомных бомб. Пепел ог взрыва витал в верхних слоях атмосферы несколько лет, а на палубах кораблей, находившихся на расстоянии 200 км от вулкана, выпало 1,5 м пепла. Волны цунами от взрыва дважды обогнули земной шар.

Тип вулканической деятельности зависит от состава магмы: кис­лые магмы вязкие, ультраосновные - жидкие.

3. Процессы внешней динамики (денудационные)

Денудация - это совокупность процессов разрушения горных пород на поверхности Земли, переноса продуктов разрушения и на­копления их в понижениях рельефа. Денудационные процессы вклю­чают выветривание, разрушающую и аккумуляционную деятельнос­ти водных потоков, морей, водоемов, ветра, ледников.

Внутренние процессы - подъемы и опускания земной коры, го­рообразование - создают предпосылки для развития денудационных процессов, определяют их характер. Деятельность человека во мно­гих случаях может усилить естественные геологические процессы или вызвать их к жизни.

3.1. Выветривание

Выветривание - это процесс изменения горных пород под дейст­вием агентов: атмосферы, солнечной радиации, воды, а также растительных и живых организмов.

16

Различают три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое.

Процессы физического выветривания:

а) высушивание. При обнажении влажных аргиллитов, алевро­литов, мергелей, глин и других глинистых пород подсыхающая на их

,v^P^ ..чд вильни jrMCimiiiuviо uuD^mv., рачлрсскивас ся, шелушится и распадается на мелкие частицы;

б) размокание. Водопроницаемые песчано-глинистые и пылева-тые породы при замачивании способны существенно снижать свою связность. При обнажении неводостойких пород, например при от­копке в них котлована, они способны разуплотняться, терять связ­ность в поверхностных слоях в течение одного дождливого сезона;

в) растрескивание. При нагревании-охлаждении происходит ра­стрескивание пород за счет внутренних напряжений, возникающих при изменении температурных полей и неравномерном расширении-сжатии. В полиминеральных кристаллических породах внутренние напряжения возникают при равномерном нагревании-охлаждении за счет различного коэффициента линейного расширения зерен различ­ных минералов;

г) морозное выветривание. Происходит оно при замерзании в тре­щинах воды, сопровождающемся увеличением в объеме на 11 %. Раз­вивающиеся при этом силы активно разрушают породу. В районах с су­ровыми зимами это наиболее активный фактор выветривания.

Процессы химического выветривания:

а) растворение. Подземными и поверхностными водами легко растворяются соли натрия и калия, довольно сильно растворим гипс, заметно растворим кальцит. При выносе растворимых компонентов структура и связность грунтов изменяется, возможно возникновение полостей (карстовые явления);

б) гидратация. Некоторые минералы способны поглощать воду и включать ее в состав собственных кристаллических решеток. Наи­более часто встречаемый из таких минералов ангидрит, поглощая воду, переходит в гипс. При этом объем увеличивается до 60 %, что оказы­вает давление на окружающие породы и может быть причиной по­вреждения сооружений;

16

в) окисление. Это наиболее характерный процесс химического выветривания. Например, окисление пирита

4FeS + 702 = 2Fe,0, + 4S02

Переход железа из молекул минералов в гидраты и гидроокислы придает породам зоны выветривания бурый цвет.

Значительную роль в окислительных процессах играет углекис­лота. Например, глинизация полевого шпата происходит следующим путем:

K(AlSi,Os) + С02+ пН20 -> Al4[Si4O10] • (ОН)8 + К2С02 + 4Si02• nH20

Кислород и углекислота, растворенные в грунтовых водах, мо­гут достигать значительных глубин;

г) биологическое выветривание. Это есть по существу комбинация физических и химических процессов. Корни растений расширяют тре­щины; отмирая, корни оставляют пустоты в грунтах. Кроты и черви роют ходы, изменяющие структуру фунтов. Наконец, разлагающиеся орга­низмы выделяют массу химически активных веществ: углекислоту гу­мусовые кислоты. Проникая в глубь пород по тектоническим трещинам с атмосферными водами, они вызывают во влажных тропических райо­нах проникновение процессов выветривания на глубину до 300 м.

Устойчивыми конечными продуктами выветривания являются глины, боксит (окись алюминия), лимонит (гидроокись железа).

При выветривании гранита, наиболее распространенной магма­тической породы, характерна последовательность переходов: моно­лит -> глыбы -» дресва —> песок. Более устойчивые кварцевые час­тицы при этом сохраняются в виде песка, а слюда и полевой шпат переходят в глину.

Слой выветрелых пород, лежащих на месте своего образования, называется элювий.

Наиболее глубокой стадии выветривания в массиве с горизонталь­ной поверхностью (рис. 12) достигают самые верхние слои элювия. Накопившиеся продукты выветривания замедляют дальнейшее раз­витие этого процесса, однако, если они удаляются, например скаты­ваются с крутого откоса или сняты при строительстве, то процесс выветривания активизируется.

17

Рис. 12. Развитие выветривания: / - элювий; 2 - исходные породы

Устойчивыми против выветривания (в строительных масштабах времени) являются глубинные магматические породы, известняки, песчаники на кремнистом и карбонатном цементе; неустойчивы гли­нистые породы, сланцеватые метаморфические породы, полевошпа­товые излившиеся породы.

В качестве мер борьбы с выветриванием применяются отвод поверхностных вод, покрытие пород непроницаемыми для агентов выветривания покрытиями (глина, набрызг-бетон).

3.2. Геологическая работа ветра

Первое проявление геологической работы ветра - выдувание малосвязных пород. Ветер умеренной силы 8-12 м/с поднимает вверх массу пылеватых частиц, ветер 15-18 м/с несет песок, ветер 20 м/с может сорвать крышу. Ветер 50-60 м/с - а такой силы в районе Ново­российска нередко достигает знаменитый норд-ост - уже способен нести гравий, вырывать с корнем деревья. Во время пыльных бурь 1969 года в южном черноземье на громадных территориях был сдут пахотный слой толщиной 30 см. В Казахстане установлено наличие гигантских ложбин длиной до 150 км, шириной 2-10 км и глубиной до 140 м, выдутых ветрами и вытянутых вдоль господствующего на­правления ветров.

17

Легче всего выдуваются слабые разновидности грунтов, не укрепленные растительностью, на побережьях морей, в пустынях. Если в массиве слабых пород встречается более устойчивое включе­ние, например тело магматических пород, то на выдуваемой поверх­ности образуются так называемые останцы (рис. 13), которые посте-

носит название корразии. Корразия проявляется и на искусственных сооружениях. После сильных песчаных бурь в Средней Азии стекла домов нередко становятся матовыми, непрозрачными.

Песчаные частицы под действием ветра скачкообразно пере­мещаются и прекращают движение в зоне относительного зати­шья. Массы перемежающихся песчаных частиц образуют своеоб­разные формы, называемые в пустынях барханами, а на побере­жьях морей - дюнами. Типичный бархан (дюна) имеет в плане серповидную форму (рис. 14), пологий наветренный и крутой под­ветренный склоны.

Рис. 13. Образование останца

а

б

Рис. 14. Ьархан: «•• профиль; 6- вид в плане

18

Дюнный рельеф характерен для побережья Финского залива в районе Сестрорецка - Зеленогорска. Вблизи г. Лиепая (Литва) есть дюна высотой 70 м, на месте которой 200 лет назад было селение. В Средней Азии, на Ближнем и Среднем Востоке есть целые города, захороненные новейшими ветровыми отложениями.

1/"лггЧ1Лтт1Д ПО/Ч/-П 1ЮПЙП1/Г> Г> П»/ЛТ1 Itdn tv п г* w у-ч i » п о о Г» * I п о тгл-г

'vv 1 j шЩпу nv/v,i\ii и^р^дки и v I uiiiiiDiA ^>ari\j п CI Л OClC-IJiilUlVy 1

автомобильные и железные дороги. Лучшими способами борьбы с ветровой эрозией являются облесение территорий, засев кустарни­ками, травами, сохранение естественного растительного покрова,

Более древние эоловые (ветровые) отложения пылеватого соста­ва —лессы - покрывают чехлом толщиной от 10-20 до 200-300 м гро­мадные территории. Лессы обладают специфическими свойствами и будут подробно рассматриваться далее.

3.3. Геологическая работа атмосферных вод

На поверхность материков ежегодно в виде дождя и снега выпа­дает до 112 тыс. км3 воды. Выпавшие атмосферные воды образуют временные водотоки, а снег - лавины.

Выпадая на наклонные участки поверхности земли, вода увлека­ете собой мелкие частицы и вызывает плоскостной смыв. Поток воды постепенно разделяется на отдельные струи, которые вызывают струй­ную эрозию. Это ведет к образованию промоин.

Обводнение поверхностных слоев на склонах ведет к активиза­ции оползней, осыпей и других движений грунта под действием сил тяжести. Материал, переместившийся по склону под действием воды и гравитации, называется делювием (рис. 15). В отличие от элювия делювий по минеральному составу отличается от подстилающих по­род. Гранулометрический состав делювия неоднородный: супеси, суглинки, пески с включением щебня и более крупных обломков. Мощность делювия возрастает к основанию склонов, достигая иног­да десятков метров. Для делювия характерна склонность к оползням.

У подножья гор широкой каймой в виде смыкающихся конусов выноса скапливается материал, приносимый потоками и называемый пролювием. Пролювиальный материал рыхлый, существенно слоис­тый. В периоды несильных дождей откладываются слои мелкозер­нистого песчано-глинистого материала. В периоды сильных дождей,

18

Рис. 15. Схема образования наносов на склоне: О - элювий; Д - делювий; П -пролювий; 1 - атмосферные осадки; 2 -плоскостной смыв; 3 - коренные поро­ды; 4 - контакт коренных пород и повер­хностных отложений

когда с гор сходят грязекаменные потоки (с^ели), откладываются слои крупнообломочные.

Отдельные струи, объединяясь в руньи, потоки, приобретают значительную разрушающую силу, способную вызвать образование оврага. Условиями для образования оврага являются наличие легко размываемых грунтов, отсутствие растительности, которая затрудня­ет объединение малых струй, ливневый характер выпадения осад­ков. Особенно склонны к оврагообразованию лессовые грунты.

У оврага (рис. 16) выделяют устье, леже, вершину. Овраг растет вершиной вверх. Этот процесс называется пятящейся эрозией. Если овраг вскрывает водоносный горизонт, то в нем образуется постоян­ный водоток. Предельной отметкой, до которой может углубляться дно оврага, является уровень реки или о^ера, куда впадает водоток. Этот уровень называется базисом эрозии Когда овраг разовьется до такой степени, что его ложе станет пологим и его активный размыв

Рис. 16. Развитие оврага: / - вершина; 2 - ло<е; 3 - устье; 4 - базис эрозии

19

прекратится, рост оврага стабилизируется, его борта выполаскивают­ся, зарастают. Овраг превращается в балку (рис. 17). Если базис эро­зии опускается, например при падении уровня воды в реке, рост ов­рага может возобновиться.

а б

Рис. 17. Поперечный профиль: а - овраг; б - балка

Длина оврагов может достигать многих километров, глубина -30-40 м, скорость роста в легко размываемых грунтах - 40 м в год.

У устья оврагов в виде конуса выноса накапливается овражный аллювий.

В качестве мер борьбы с образованием и развитием оврагов при­меняются отвод вод нагорными каналами, посадка деревьев и кустар­ников на склонах и вокруг оврагов.

В горных долинах в периоды затяжных и обильных дождей или быстрого таяния снега и ледников возникают сели - грязекаменные потоки, несущие массу обломочного материала. Характерный меха­низм образования селя таков: на некотором участке долины с горной рекой происходит оползень намокшего элювиально-делювиального склона. Оползень запруживает реку, потом происходит прорыв опол­зневой плотины и масса воды и грунта устремляется вниз по долине, увлекая за собой все новый материал. При скорости 6-8 м/с сель сме­тает все встречающиеся на его пути сооружения. В местностях у под­ножья высоких гор селевые потоки нередко приносят большие раз­рушения. В 1929 г. сель снес половину Алма-Аты и оставил после себя 1,5 млн т каменных обломков.

На селеопасных территориях выделяют три характерных участка (рис. 18): зону водосбора, канал стока район конуса выноса. Селеобразо­

20

Рис. 18. Селеопасная территория: / - зона водосбора; 2 - канал стока; 3 - район конуса выноса

ванию способствует вырубка горных лесов; это, во-первых, увеличивает сток, во-вторых, лишает обломочный материал корневой связности.

В качестве мер борьбы с селями применяются лесонасаждения в области водосбора и канала стока, плотины в устьевой части канала стока, защитные дамбы в районе конуса выноса.

В шестидесятых годах прошлого столетия в районе урочища Медео была построена методом направленного взрыва 100-мстровая плотина для защиты Алма-Аты от селей. В 1972 г. давно ожидавшийся сель прошел и заполнил долину, не дойдя до верха плотины на несколько мегров. Город был спасен. После спуска воды плотина была наращена на 50 м.

Селевые конусы выноса у подножья гор образуют отложения пролювия.

Обрушение с горного склона снежно-каменной массы называет­ся лавиной. В зимнее время в снежной массе идет непрерывный про­цесс испарения снега из нижних, более теплых, слоев и конденсация его в верхних, более холодных, слоях. Снежный покров как бы само­подтачивается. Как только прочность нижних слоев становится недостаточной, происходит срыв снежной массы. Смешанный с воз­духом снег как на воздушной подушке устремляется вниз со скорос­тью до 400 км/ч, увлекая с собой обломочный материал, вырывая деревья. Сила удара лавин может достигать 600 кН/м2.

Меры борьбы с лавинами - планируемый спуск лавин путем обст­рела склонов, сооружение оградительных лавиноотбойных стенок, галерей над дорогами.

20

3.4. Геологическая работа рек

Временные потоки атмосферных вод, стоки из болот, источники подземных вод образуют постоянные водотоки - реки. Площадь, с ко­торой река собирает воду, называется бассейном реки (рис. 19), грани­ца между бассейном соседних рек - водоразделом. Река вызывает раз­мыв, растворение пород русла (эрозию), перенос продуктов и переот­ложение обломков. В растворенном виде вода переносит до 30 % мате­риала; эта часть почти полностью попадает с речной водой в море.

Море

Рис. 19. Бассейны двух рек и водораздел

Река в своем развитии проходит несколько этапов. После быст­рого поднятия тектоническими процессами какого-либо участка суши на крутом склоне формируется река. Большая скорость движения воды вызывает активный износ дна - донную эрозию. Образуется узкая глубокая долина с каменистым дном. По мере опускания устьевой части реки скорость течения замедляется. На дне начинает выпадать приносимый материал, донная эрозия прекращается. Наибольшее зна­чение приобретает боковая эрозия - разработка долины в ширину. В реке появляются отмели, косы, излучины. Река стареет. Новые тектонические движения могут существенно изменить судьбу реки. Подъем базиса эрозии или опускание верховья снижают скорость движения воды, ускоряют старение реки. Напротив, поднятие верхо­

21

вьев активизирует процессы донной эрозии, русло реки вновь очи­щается от осадков, река омолаживается.

В долине реки выделяют русло - непосредственное место водо­тока, пойму - прирусловые горизонтальные участки, заливаемые в половодье, и террасы, образующиеся за счет неоднократных колеба­ний уровня реки относительно базиса эрозии (рис. 20).Террасы в ко­ренных породах называются эрозионными, в собственных отложе­ниях реки - аккумулятивными. Древнее русло Волги в некоторых местах захоронено под 100-метровой толщей наносов.

Рис. 20. Профиль речной долины: 1 — русло; 2 - пойма; 3 - эрозионные террасы; 4 - аккумулятивные террасы

Стареющие реки с пологим руслом начинают меандрировать -образовывать за счет боковой эрозии полузамкнутые излучины ме­андры (рис. 21). Спрямленные меандры образуют озерца - старицы.

Большие реки меридионального на­правления имеют асимметричные долины с крутым правым и более пологим левым берегом. Это происходит благодаря пре­имущественному развитию эрозии право­го берега за счет сил кориолисова ускоре­ния, прижимающего струи воды у рек, те­кущих на север, к восточному берегу, а у рек, текущих на юг, - к западному.

Береговая эрозия нередко причиняет ущерб дорогам и другим сооружениям, расположенным вблизи берегов. Защита от береговой эрозии осуще­ствляется защитными дамбами, стенками, укладкой на берега же­лезобетонных плит, заключением рек в железобетонное русло.

Рис. 21. Равнинная река: / - меандр; 2 - старица

21

Речные отложения называются аллювием. Различают три вида речного аллювия: русловый, пойменный и старичный. Русловый ал­лювий, залегающий в русле реки и выстилающий нижнюю часть пойменных отложений, обычно представляет собой крупнозернис­тый материал: галечник, крупнозернистые пески. Мелкие фракции вымываются из руслового аллювия током воды

Пойменный аллювий откладывается в периоды паводка в отно­сительно спокойной воде и представляет собой самые произвольные чередования тонкозернистых песков, суглинков, супесей; обычно обогащен органическим материалом, а на заболоченных участках в пойменном аллювии может присутствовать и торф.

Старицы заполняются водой лишь в периоды половодий, и там отлагаются самые тонкозернистые разности, образующие водонасы-щенные иловатые отложения старинного аллювия.

Для аллювиальных отложений характерны косая слоистость, ча­стое выклинивание и чередование слоев.

В долинах рек ведется самое разнообразное строительство: на­бережные, дороги, портовые сооружения, элеваторы и пр. В целом русловый крупнозернистый аллювий представляет собой неплохое основание, в том числе и для мостовых опор. Древний пойменный аллювий также может быть надежным основанием. Молодой аллю­вий, особенно иловатый, старичный, заторфованный, обладает высо­кой сжимаемостью, гам возможны линзы илов или пылеватых пес­ков с плывунными свойствами.

3.5. Геологическая работа моря

Геологическая работа моря заключается в разрушении пород в полосе прибоя (морская абразия) и переотложении этих, а также при­носимых реками с материков продуктов разрушения.

Морская абразия

Если вследствие тектонических процессов прибрежная часть материка опускается, то море наступает на континент, происходит трансгрессия моря. Характер текущего и прошлых тектонических движений определяет профиль морского берега (рис. 22).

Живая сила прибоя вызывает разрушение пород в волноприбой-ной нише У. Береговой уступ 2 циклически обрушается и пополняет

22

Рис. 22. Морская абразия: / - иолноприбойная ниша; 2 - береговой уступ; 3 - пляж; 4 - морская терраса; 5 - морские отложения

обломочным материалом пляж 3. На пляже материал измельчается прибоем, и в то же время пляж служит волногасителем, снижающим силу удара волн в волноприбойную нишу. Береговая полоса находит­ся в динамическом равновесии: береговой уступ питает материалом пляжную полосу, а пляжная полоса ослабляет процесс разрушения берега. Любое вмешательство в это динамическое равновесие может иметь неожиданные последствия. Отбор гравия с пляжа для строи­тельства приведет к усилению береговой абразии.

Берегоукрепительные мероприятия прекращают поступление материала на пляж, море быстро истирает пляжный материал и с силь­но возросшей активностью начинает воздействовать на берег.

Наличие надводных или подводных морских террас свиде­тельствует о тектонических поднятиях или опусканиях береговой полосы. Если благодаря господствующему направлению ветров вол­ны подходят к берегу не под прямым, а под острым углом, то пляж­ный материал перемещается вдоль пляжа.

Скорость береговой абразии под Одессой составляет 1-2 м в год, в районе Сочи - до 4 м, а на глинистых берегах Азовского моря она порой достигает 20 м.

В качестве мер борьбы с береговой абразией применяются вол-ноприбойные стенки, волноломы, снижающие силу удара волн о бе­рег (рис. 23), буны, препятствующие продольному перемещению пляжного материала (рис. 24).

При устройстве берегоукрепительных сооружений, рассчитанных на существование пляжа, необходимо пополнять пляж специально

22

Рис. 23. Защита от береговой абразии: / - волнолом; 2 - волноприбойная стенка

\ \ X1

4

Рис. 24. Защита берега: / - господствующее направление ветра; 2 - буна; 3 - пляж; 4 - берег

доставляемым обломочным материалом. Угловатый щебень, за­везенный с осени на пляжи Сочи, за время зимних штормов перераба­тывается в окатанный гравий.

Морские отложения

При постепенном опускании суши и трансгрессии моря осадки будут отлагаться в определенной последовательности. Проход полосы прибоя даст отложение слоя галечникового материала, который при цементации превратится в конгломерат. В прибрежной полосе моря поверх галечника будут откладываться песчаные частицы, приноси­мые реками. Реки выносят в море огромное количество материала: Амударья приносит в Аральское море ежегодно 44 млн м3, а Хуанхэ в Желтое море - 900 млн м3. Дальше от берега и соответственно выше в толще осадков будут откладываться алевритовые (пылеватые) и гли­нистые частицы. Так образуются морские осадки континентального происхождения (терригенные). Если море регрессирует (отступает), то более крупнозернистые слои будут лежать выше тонкозернистых.

На более глубоких участках шельфа происходит отложение хе-могенных и органогенных известняков. Пресные воды рек приносят

23

с собой растворенный бикарбонат кальция, растения отнимают у него часть углекислоты, а образующийся карбонат кальция выпадает в осадок:

Са(НС03)2 = ^СаСОэ + ТС02

Примесь глинистых частиц в известняковом материале приво­дит к образованию мергелей. Существуют другие виды морских от­ложений, но именно песчано-глинистые терригенные осадки и изве­стняки образуют толщи мощностью до нескольких километров.

Древние морские осадки, претерпевшие длительную историю уплотнения (коренные породы) и существующие сейчас в континен­тальных условиях, представляют собой, как правило, плотные мало-сжимаемые породы. Исключение могут составлять древние глины, обнаженные денудационными процессами и разуплотнившиеся.

Молодые современные морские отложения, не прошедшие эта­па уплотнения, представляют собой, как правило, водонасыщенные илы глинистого или известнякового состава. Строительные свойства илов очень сложные.

3.6. Озера и болота

Озера представляют собой малые модели моря. По берегам озер также идет волновая абразия, а под водой отлагаются осадки. Харак­терным озерным осадком являются тонкослоистые ленточные гли­ны: летом откладывается более грубозернистый материал, зимой -более тонкозернистый, глинистый. Бывают также мергели, мел, тре­пел озерного происхождения.

Молодые озерные осадки обладают плохими строительными свойствами.

Озерная береговая абразия, несомненно, гораздо слабее морской, но она приобретает большое значение при создании искусственных озер (водохранилищ) на слабых неводоустойчивых грунтах. В отдель­ные годы Цимлянское водохранилище съедало до 25-50 м земли. Разумеется, этот процесс затухающий, так как по мере выполажива-ния дна в прибрежной части интенсивность размыва затухает.

Озера с плоскими низкими берегами склонны к заболачиванию. От берега образуется плавающий ковер растений - сплавина; погру­

23

женные под воду части сплавины образуют торф. На дне водоема скапливается озерный гнилостный ил - сапропель (рис. 25). Так, пу­тем заболачивания озер, образуются низовые болота. Воды здесь бо­гаты минеральными солями, приносимыми реками и ручьями, рас­тительность пышная. Торф имеет высокую зольность.

Рис. 25. Низовое болото: / - сплавина; 2 - сапропелевый ил

Другой вид болот - верховые. Они образуются в местных пони­жениях на возвышенных частях рельефа (рис. 26), питаются только атмосферными водами. Верховые болота возможны только в гумид-ном климате, где выпадение осадков превышает испарение. В верхо­вых болотах минерализация воды слабая, произрастает главным об­разом мох-сфагнум. Торфы верховых болот малозольные. Верховые болота являются аккумуляторами влаги, питающими реки. При осу­шении верховых болот, то есть при устройстве комплексных мероп­риятий, способствующих быстрому стоку атмосферных вод, реки приобретают неустойчивый режим: быстрый сток, паводок при вы­падении дождей, таянии снегов и падение уровня воды в сухие пери­оды года. Повышается опасность размыва берегов рек, оврагообра-зования на склонах.

Особый вид болот - болота на вечной мерзлоте. Все горизон­тальные участки на вечной мерзлоте заболочены, поскольку испаре­

Рис. 26. Верховое болото

24

ние там ничтожно, а инфильтрация вод в грунт отсутствует. Разуме­ется, глубина болот там не превышает мощности сезонно-талого слоя.

По глубине болота делятся на мелкие (до 2 м), средние (2-4 м) и глубокие (более 4 м).

Болотные отложения представляют собой крайне неблагоприят-

HOC Основание ДЛЯ сооружении, lupiybi имелл илиамаьгаиъ I d Ди ju /й

и более, болотный ил - сапропель - жидкотекуч и при передаче на него нагрузки будет просто вытекать из-под фундамента.

При ведении промышленно-гражданского строительства на заболоченной территории прежде всего болото осушается (дрениру­ется). На мелких болотах под фундаментом здания делается вытор-фовка - удаление болотных отложений - и отсыпается песчаная по­душка, лежащая на минеральном дне болота. На глубоких болотах сооружаются свайные фундаменты, опирающиеся на плотные слои грунта. При строительстве автомобильных и железных дорог насыпь сажают на минеральное дно болот.

3.7. Геологическая работа ледников

В настоящее время горные и материковые ледники занимают 10 % территории суши, в том числе горные ледники составляют лишь 1,5 %, а основная масса льда находится в материковых ледниках Антаркти­ды, Гренландии, северных островов. В прошлые геологические эпохи ледники неоднократно разрастались на поверхности Земли в связи с циклическими похолоданиями климата. На Русской равнине за после­дние 240 тыс. лет произошли три крупных оледенения, причем в од­ном из них льды достигали широты Днепропетровска. Из района Пе­тербурга льды отступили 12-16 тыс. лет тому назад. Толщина ледово­го покрова, как и в районах современного оледенения, достигала не­скольких километров (4 км в Антарктиде, 2 км в Гренландии).

Профиль материкового оледенения изображен на рис. 27. Выпа­дающий снег, проходя последовательные стадии уплотнения (фирн, глетчер), превращается в лед и под действием собственного веса на­чинает медленно расползаться, опускаясь в более теплые зоны, где происходит его таяние. Если конец ледника опускается на морское дно, то такой ледник называется шельфовым. Откалывающиеся глы­бы шельфовых ледников образуют айсберги.

24

Рис. 27. Материковое оледенение: I - ледяной купол; 2 - шельфовый ледник; 3 - айсберг

Денудационно-аккумуляционная работа ледников Толща льда оказывает громадное давление на поверхность Зем­ли: ледник километровой толщины давит с силой 900 тонн на каж­дый квадратный метр. При движении эта масса подобна гигантскому рашпилю. Ледник задирает поверхность Земли (процесс называется «экзарация»), обломки вмерзают в него, и в ледовой массе оказыва­ется большое количество обломочного материала. Этот разнородный материал называется мореной. По расположению в ледовом потоке выделяют (рис. 28) боковые морены /, донную 2, срединную 3, ко­нечную морену 4. Ледники могут переносить вмороженный матери­ал на сотни и тысячи километров. Под Киевом можно найти валуны скандинавского происхождения.

Рис. 28. Ледник и морены

После таяния льда обломочный материал образует вал или слой моренных отложений мощностью до нескольких десятков метров.

В концевой части ледника, где происходит его таяние, значитель­ной оказывается роль талых ледниковых вод. Вода способна перено­

25

сить обломочный материал, причем, чем он мельче, - тем дальше. За валом конечной морены образуются обширные пологоволнистые пес­чаные равнины - зандровые поля (полесья). Дальше всего относятся водой мелкие частицы, поэтому при отступлении ледника в нижней части зандровых отложений оказываются более крупнозернистые

лении ледника положение меняется на обратное: внизу мелкие час­тицы, выше по разрезу - более крупные.

В потоках воды под телом ледника отлагаются вытянутые, срав­нительно узкие валы песка с прослоями гравия - озы. Там же под ледником под куполообразными протаяниями образуются хаотичес­ки расположенные холмы отсортированного материала - камы. Имен­но такими образованиями представлена холмистость Карельского перешейка.

Если ледник отступает, то на равнинах за его краем остается масса ледниковых озер, в которых происходит накопление озерного мате­риала - ленточных глин.

Строительные ceoitcmea ледниковых отложений

Ледниковые отложения подразделяются на собственно леднико­вые - моренные; водно-ледниковые - камы, озы, зандровые отложе­ния; озерно-ледниковые.

Моренные и водно-ледниковые отложения обладают плотным сложением, достаточно высоким коэффициентом фильтрации, что обусловливает их хорошие строительные свойства. Сооружения на этих грунтах имеют малые осадки при давлениях по подошве фунда­ментов (до 0,6-0,8 МПа). Известные помехи при откопке котлованов, а также и в отношении неравномерности осадок могут представить крупные валуны. При буровых работах нередко крупные валуны оши­бочно принимают за скальное основание. Моренные грунты при про­мерзании проявляют сильную пучинистость.

Озерно-ледниковые отложения обладают всеми недостатками ленточных глин: низкой прочностью, большой сжимаемостью.

Песчано-гравийные ледниковые отложения являются сырьем для получения строительного песка и гравия, а в условиях естественного залегания нередко являются аккумуляторами подземных вод.

25

4. Геоморфология

4.1. Элементы и формы рельефа

Рельеф - это совокупность всех форм земной поверхности: возвы­шений, равнин и углублений. Рельеф состоит из совокупности форм И зл смен то в

К элементам рельефа относят поверхности, линии, точки, состав­ляющие ту или иную форму рельефа. Поверхности могут быть горизонтальными, наклонными, выпуклыми, вогнутыми. Важными элементами являются линии: водораздельная, водосливная (тальвег), подошвенная, бровка. Выделяются следующие характерные точки: вершина, перевал, дно, устье долины, оврага).

Формы рельефа могут быть положительные и отрицательные.

Основные положительные формы рельефа:

гора - изолированная возвышенность с крутыми склонами и отно­сительной высотой более 200 м;

нагорье - обширная возвышенность, состоящая из системы гор­ных хребтов и вершин (например, Памир);

плоскогорье, плато - нагорная равнина с хорошо выраженными или обрывистыми склонами;

холм, курган (искусственный холм), бугор - мелкие формы рельефа;

конус выноса - невысокая конусообразная возвышенность в ус­тье водотока.

Отрицательные формы рельефа:

котловина - понижение значительной глубины с крутыми скло­нами;

долина - вытянутое углубление, имеющее уклон в одном направлении;

ущелье, каньон - долины с крутыми и вертикальными склонами;

овраг - долина временного водотока с крутыми склонами;

балка - мелкая долина с пологими заросшими склонами.

Формы рельефа по происхождению бывают:

образованные внутренними процессами (в результате тектони­ческой или вулканической деятельности);

образованные внешними процессами (в результате деятельнос­ти текучих вод, моря, ледников и пр.).

26

Под влиянием внутренних и внешних процессов рельеф нахо­дится в постоянном развитии.

Формы рельефа, образовавшиеся в результате уноса части материала, называются денудационными (речные долины, морские террасы и др.), а образовавшиеся в результате накопления - аккуму­лятивными (конус выноса и др.).

По размеру форм рельефа выделяют мельчайшие (несколько сантиметров), очень мелкие (1-2 м), мелкие (несколько метров), сред­ние (десятки метров), крупные (сотни метров). Мелкие формы (буг­ры, карстовые воронки, промоины) образуют микрорельеф, средние формы (овраги, террасы) - мезорельеф.

4.2. Типы рельефа

Определенные сочетания форм рельефа, закономерно повторя­ющиеся на обширной территории и имеющие сходное происхожде­ние, геологическое строение и историю образуют тип рельефа. Вы­деляют три типа рельефа: равнинный, холмистый, горный.

Равнинный тип характеризуется плавными колебаниями высот до 200 м. По отношению к уровню моря выделяют отрицательные (/? < 0), низменные (h = 0-200 м), возвышенные (h = 200-500 м) и нагорные (h > 500 м) равнины. По степени расчленения выделяют рав­нины плоские (уклон до 5 м/км), мелкорасчлененные (уклон 5-10 м/км), глубокорасчлененные (10-100 м/км).

Горный рельеф составляют крупные с высотой более 200 м возвышенности и понижения. Горы могут иметь различное проис­хождение: тектоническое (Кавказский хребет), вулканическое (Ара­рат, Ключевская сопка), эрозионное (Аю-Даг в Крыму).

По высоте выделяют горы низкие, средневысокие и высокие. У низких гор высотой до 700-800 м пологие склоны, осыпи отсутству­ют. В средневысоких горах высотой от 700 до 2000 м (Урал) наблю­даются осыпи, курумы. Высоким горам с отметками вершин более 2000 м свойственны осыпи, сели, курумы, снежные лавины.

26

5. Геологическая хронология и картирование

5.1. Определение возраста горных пород

Установление возраста пород представляет значительный инте­рес в геологии. По возрасту могут быть идентифицированы различ­ные выходы одного слоя осадочных пород, в определенной степени спрогнозированы свойства пород, расшифрована геологическая ис­тория района и сделан прогноз ее дальнейшего развития.

Возраст породы может быть оценен по относительной и абсолютной шкале. Для установления относительного возраста можно воспользовать­ся стратиграфическим или палеонтологическим методами.

Стратиграфический метод основан на том, что при ненарушен­ном залегании осадочных пород вышележащий слой всегда будет моложе нижележащего. При нарушенном залегании эта закономер­ность может быть на отдельных участках нарушена, что порой зат­рудняет возможность использования стратиграфического метода.

Палеонтологический метод основан на установлении возраста по ос­таткам живых организмов. История жизни на Земле хорошо изучена при­чем некоторые организмы получали в определенные геологические пери­оды глобальное распространение, а потом полностью вымирали. Найден­ный остаток такого организма - обычно раковина моллюска - позволяет достаточно точно определить относительный возраст осадочной породы.

Абсолютный возраст пород устанавливается по учету продуктов распада радиоактивных элементов: урана, тория и ряда других.

Для определения возраста молодых пород, а также археологичес­ких находок, используется радиоуглеродный метод. В воздухе атмос­феры под воздействием космического излучения всегда содержится некоторое количество радиоактивного изотопа углерода С14 с перио­дом полураспада 5568 лет. Попав в той же пропорции в состав расти­тельных или живых организмов, радиоактивный углерод начинает рас­падаться, и по его фактическому содержанию можно достаточно точ­но определить отрезки времени, измеряемые тысячелетиями.

5.2. Геохронология

Установленный возраст Земли и Солнечной системы составляет около 5 млрд лет. На первом, планетарном, этапе жизни Земли проис­

27

ходила консолидация первичного вещества, его гравитационная диф­ференциация, формирование земной коры. Затем в течение 2-3 млрд лет зарождалась жизнь, появились простейшие организмы. Лишь с палеозойской эры начинается бурный расцвет жизни на Земле, и с это­го времени в осадочных породах земной коры начинают встречаться обильные остатки животных и растений. Человек существует на Зем­ле в масштабах геологического времени совсем недавно.

Геохронологическая шкала (таблица) отражает историю разви­тия Земли и органической жизни на ней.

Геохронологическая шкала

Эра, млн лет	Период	Тектонические движения и формы жизни
Кайнозой (Kz), 70	Четвертичный (Q) 1-2 млн лет	Появление человека, современный животный и растительный мир
	Неоген (Ng)	Образование гор Кавказа, Альп, Гималаев. Окончательное вымирание мезозойской флоры
	Палеоген (Pg)	Расцвет млекопитающих, покрытосеменных растений
Мезозой (Mz), 225	Мел (К)	Вымирание рептилий, развитие млекопитающих
	Юра (J)	Расцвет рептилий, появление птиц
	Триас(Т)	Разделение материков. Развитие рептилий, появление первых млекопитающих
Палеозой (Pz), 570	Пермь (Р)	Образование гор Урала. Вымирание амфибий, появление рептилий, хвойных растений
	Карбон (С)	Расцвет амфибий, хвощей, папоротников
	Девон (D)	Образование гор Алтая. Появление наземных четвероногих, хвощей
	Силур (S)	Появление панцирных рыб, акул, папоротников
	Ордовик (О)	Первые наземные животные, моллюски
	Кембрий(Е)	Трилобиты, простейшие наземные растения
Протерозой (Prz). 2600	-	Появление водорослей, бактерий
Архей (Аг), 3500	-	Формирование фундамента Русской платформы. Примитивные формы органической жизни
Планетарная стадия. 5000	-	Формирование литосферы. Органической жизни нет

28

Геологическая история Земли делится на шесть эр, эры разделя­ются на периоды, каждый период на три (четвертичный период - на четыре) эпохи. Отложения той или иной эры образуют группу пород, периодам соответствуют системы пород, эпохам соответствуют от­делы пород.

5.3. Геологическое картирование

Геологическая карта - это проекция геологических струкгур на горизонтальную плоскость. Основываясь на данных, изображенных на геологической карте, возможно предвидеть состав и строение зем­ной коры в заглубленных частях, недоступных непосредственному наблюдению.

Горные породы разделяют на два класса: коренные породы и чет­вертичные отложения. К коренным породам относят все магмати­ческие и метаморфические породы, а также осадочные породы, об­разовавшиеся ранее четвертичного периода. Обычно это плотные породы, являющиеся надежным основанием объектов строительства. Молодые четвертичные породы, отложившиеся за последние 1-2 млн пет, в течение которых контуры морей и континентов мало измени­лись, - это обычно континентальные отложения, редко - осадки мел­ководных морей, дисперсные или малосвязные. Мощность четвер­тичных отложений обычно невелика, но они покрывают коренные породы почти сплошным чехлом, и именно четвертичные породы, как правило, являются основанием сооружений.

Геологические карты составляют отдельно для четвертичных от­ложений и коренных пород, причем в последнем случае четвертич­ные отложения мысленно удаляются.

На картах изображается расположение в плане пород различно­го состава и возраста; на картах четвертичных отложений указывает­ся еще и происхождение пород. Условные обозначения различных пород на геологических картах приведены на рис. 29.

Возраст пород обозначается индексом периода. Так, например, Т, обозначает породу нижнего (раннего) отдела триасовой системы. Для обозначения происхождения четвертичных пород используются следующие индексы: е - элювиальное, d- делювиальное, а - аллю­виальное, / - озерное, g - ледниковое, ео - эоловое (ветровое), т -

28

		щ
	1			2
О О	о	О		. V . V ' ■
	5			6
т~			//
			, /
х_			л-	tf -
	9			10

11

А Л Л

12

Рис. 29. Условные обозначения пород: / - почвенно-растительный слой; 2 - торф; 3 - песок; 4 - плывун; 5 - галечник; 6 - супесь; 7 - суглинок; 8 - глина; 9 - известняк; 10- мергель; 11 - гранит; 12 - диорит

морское и др. Например, обозначение lgQ4 соответствует озерно-лед-никовым верхнечетвертичным осадкам.

Карта сопровождается геологическими разрезами - проекциями! геологических структур на вертикальную плоскость.

Раздел И. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

6. Виды и свойства подземных вод

6.1. Круговорот воды в природе

лидросфсра сидсржт I,zj млрд kivt воды, из которых У/ /о — соленые воды морей и океанов. Основная масса пресных вод (87 %) лежит в виде материковых и горных ледников. Из остающихся 4,7 млн км3 90 % составляют подземные воды.

Годовое испарение с поверхности Земли - и соответственно ко­личество выпадающих осадков - составляет 511 тыс. км3 в год. Вы­падающие осадки пополняют подземные воды, подземные воды пи­тают реки, реки восполняют потери на испарение морей и океанов -этот замкнутый цикл образует большой круговорот воды в природе.

С глубиной количество пустот в породах уменьшается, так что подземные воды развиты до относительно небольших глубин, изме­ряемых сотнями метров или первыми километрами. Основной ис­точник подземных вод - инфильтрация осадков. Некоторая доля под­земных вод образуется за счет конденсации водяного пара, проника­ющего в поры грунта из атмосферы. Воды земной коры также посто­янно в небольшом количестве пополняются ювенильными водами, выделяющимися в районах вулканической деятельности из расплав­ленной магмы.

Количество воды, инфильтрирующейся с поверхности, опреде­ляется рельефом, климатом, составом пород, растительностью, дея­тельностью человека. Гористый рельеф способствует быстрому сто­ку. Наличие растительности оказывает сложное влияние на процесс инфильтрации: с одной стороны, растительность препятствует стоку и таким образом способствует инфильтрации, с другой стороны, за­державшаяся на листве влага испаряется, не дойдя до земли. В целом растительность активизирует круговорот воды: ускоряя испарение, способствует увеличению выпадающих осадков.

Очень сложен гидрогеологический режим городов. Асфальтиро­вание улиц многократно уменьшает инфильтрацию атмосферных вод, увеличивает мгновенный сток ее во время дождей. Город становится

29

сильно зависимым от состояния ливневой канализации, и в случае ее неисправностей возникает опасность затоплений. Города, как прави­ло, в больших количествах потребляют подземные воды глубоких горизонтов, истощая их. Например, в Лондоне и Петербурге напоры подземных вод раньше соответствовали уровню моря, а сейчас на 60-90 м ниже его. Одновременно с этим в самые верхние грунтовые слои поступает много воды за счет утечек городских водоводов.

6.2. Водные свойства пород

Вода в грунте может находиться в связанном и свободном состоянии. Поверхность твердой частицы обладает свободными активными молекулярными связями, которые притягивают к себе молекулы воды, и прочно удерживает от передвижения водяную оболочку толщиной в несколько десятков молекул. Несвязанная, способная перемещаться под действием сил тяжести, вода называется свободной или гравитационной. Термин «подземная вода» подразумевает именно свободную воду.

Подземные воды заполняют пустоты между твердыми частица­ми: в обломочных грунтах - это поры между зернами, в скальных породах - трещины. В карбонатных, сульфатных породах могут су­ществовать большие полости выщелачивания (карстовые), в которых также может скапливаться вода. Поры в грунте могут быть замкну­тые, не сообщающиеся между собой, находящаяся в них вода не мо­жет перемещаться, поэтому к подземным водам относится только вода открытых, сообщающихся, пор.

Поры занимают значительную часть объема пород, %:

гравий - 35-37; песчаник - 10-24;

песок-30-37; известняк - 3-30;

глина - 43-49; мел - до 45;

лесс-45-55; туф-55-60;

торф - 75-90; гранит, мрамор - 1-4.

Характерное распределение влаги в верхних слоях земной коры показано на рис. 30. Уровень воды в наблюдательной скважине соот­ветствует уровню подземных вод - УПВ (международное обозначе­ние WL). Обозначение УГВ (уровень грунтовых вод) - синоним обо­значения УПВ. Ниже УПВ поры пород полностью заполнены водой.

30

5

WL

1

6

0

1.0

Sr

Рис. 30. Подземная вода: / - УКП при опускании УПВ; 2 - степень влажности грунта при этом; 3 - УКП при подъеме УПВ; 4 - степень влажности фунта при этом; 5 - скважина: б - водоупорный слой

Выше УПВ породы увлажнены за счет капиллярного поднятия. Высота капиллярного поднятия существенно зависит от направления перемещения УПВ: если УПВ понижается (идет дренирование толщи), то высота капиллярного поднятия больше, чем в случае поднятия УПВ (обводнение толщи).

Кроме того, при дренировании толщи грунт выше уровня капиллярного поднятия (УКП) содержит максимальное возможное количество связанной воды, тогда как при обводнении сухой толщи грунт выше УКП может быть сухим.

Комплекс водных свойств пород характеризуется рядом показателей.

Влажность w - отношение веса воды в образце к весу высушен­ного образца.

Степень влажности Sr характеризует степень заполнения пор во­дой и равна отношению фактической влажности w к максимально возможной w .

При 5. < 0,5 породы относят к маловлажным, при Sr = 0,5-0,8 -к влажным, при Sr> 0,8- к водонасыщенным. Для сухого песка5.= 0, для сухой на вид глины .S = 0,3-0,4, так как вода сохраняется в закры­тых порах.

Влагоемкость - способность породы вмещать и удерживать в себе

sat

30

воду. Различают очень влагоемкие породы (суглинок, торф, глина), слабо влагоемкие (глинистый песок, мел, мергель, лесс) и невлаго­емкие (гравий, песок).

Водоотдача - способность водонасыщенных пород отдавать гра­витационную воду. Удельная водоотдача характеризуется количеством воды, вытекающей из 1 м3 водонасыщснной породы. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы (гравий, песок), в которых водоотдача составляет 250-430 л/м3. Они отдают почти всю содержащуюся в них воду. В глинах вся вода является связанной, и во­доотдача глины практически равна нулю.

Водопроницаемость пород, это их способность пропускать воду. Чем крупнее зерна породы или шире трещины в ней - тем больше ее водопроницаемость, причем пористость пород совсем не характеризует водопроницаемость: глина с пористостью 50-55 % практически водонепроницаема.

Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтра­ции &ф, м/с (м/сут). Характерные величины коэффициента фильтра­ции составляют, м/сут: глины - менее 0,001; суглинки - 0,01-0,1; су­песи - 0,1-0,5; пески - 0,5 - 50; галечники - 50-200.

По степени водопроницаемости грунты подразделяют согласно таблице.

Разновидность грунтов	Коэффициент фильтрации м/сут
11еводопронинаемый	<0,005
Слабонодопроницаемый	0.005-0,30
Водопроницаемый	0,30-3
Сильноводопроницаемый	3-30
Очень сильноводопроницаемый	>30

Непроницаемые грунты называют водоупорами, водонасыщен-ный слой проницаемого грунта - водоносным горизонтом.

Глины относятся к непроницаемым грунтам, суглинки и супе­си - к полупроницаемымщески и галечники - проницаемым.

Водопроницаемость кристаллических и сцементированных по­род определяется их трещиноватостью и может изменяться в широ­ких пределах. Коэффициент фильтрации дисперсных грунтов может быть приближенно определен по формуле k = 1500^1О2, м/сут (d]0 -руководящий диаметр частиц, мм).

31

6.3. Физические свойства и состав подземных вод

Даже дождевая влага не является химически чистой водой. Нап­ример, в районе Киева на каждый км2 в год выпадает 2,5 т NaCl, а в Причерноморье - 10 т. Под землей вода может дополнительно обогащаться различными минеральными и органическими вещества­ми, которые придают воде определенные физические и химические свойства.

Основными физическими свойствами природных вод являются температура, цвет, прозрачность, вкус и запах.

Температура воды может колебаться в значительных пределах, но чаще всего в полосе умеренного климата она имеет величину 7-10°.

Чистая вода бесцветна. Желтоватый оттенок свидетельствует о примеси болотных вод. Прозрачность зависит от наличия мелких коллоидных частиц.

Вкус воды связан с растворенными солями: NaCl дает соленый вкус, MgS04 - горький и т. д.

Запах зависит от присутствия растворенных газов биохимичес­кого происхождения (сероводород и др.).

Химический состав вод определяется наличием растворенных газов (02, С02, СН4, H,S и др.) и солей, главным образом хлоридов, сульфатов и карбонатов. Подземные воды, близкие к поверхности, нередко бывают загрязнены органическими примесями (болезнетвор­ные бактерии, органические соединения из канализационных систем и др.). Такие воды неприятны на вкус к опасны для здоровья.

Вода для питья должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь запаха и быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1 г/л, не допускается присутствие вредных для здоровья химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетвор­ных бактерий.

Бактериальная зараженность воды характеризуется присутствием в ней безвредных кишечных палочек Коли и измеряется так называемым коли-факторам, равным количеству палочек Коли в 1 см1 воды. При вели­чине кол и-факгора менее 0,1 вода считается здоровой, при величине 0,1 -10 - приемлемой, более 10 - нездоровой. Вероятность присутствия бо­лезнетворных бактерий пропорциональна коли-фактору.

31

Присутствие солей может намного превышать 1 г/л. По содержа­нию солей воды разделяют на пресные (до 1 г/л), солоноватые (1-10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (> 50 г/л).

По преобладающему аниону подземные воды разделяются натри класса: гидрокарбонатные (НСО,), сульфатные (S04), хлоридные (О). По преобладающему аниону каждый класс разделяется на три груп­пы: кальциевые (Са), магниевые (Mg), натриевые (Na).

Мерой химической активности растворенной соли является со­держание ее ионов в 1 л воды, выраженное в миллиграмм-эквивален-« ( тах (мг-экв/л). 1 мг-экв равен атомному весу иона, выраженному в миллиграммах, Например, 1 мг-экв катиона Са"" равен 40 мг, 1 мг-экв . аниона S04 равен^мг.

Для того, чтобы определить наименование воды, необходимо результат химического анализа (мг/л) перевести в миллиграмм-эквивалентную форму (мг-экв/л), затем пересчитать долю каждого катиона и аниона в % (процент-эквивалент) и выразить формулой химического состава, к примеру, такого вида:

HCO380SO4lSC15 ' ~Ca70Mg20NalO '

М 0,5 означает общее содержание солей в г/л. В числителе и знаменателе этой формулы записаны анионы и катионы в порядке убывания их процент-эквивалентного содержания. По этой формуле вода называется так: пресная, гидрокарбонатная кальциевая.

Присутствие солей придает воде такие свойства, как жесткость и агрессивность.

Жесткость определяется наличием в воде катионов Са^* и Mg"*. Жесткая вода плохо мылится, дает накипь на паровых котлах и непри­годна в ряде других технологических процессов.

Жесткость принято выражать в миллиграмм-эквивалентах жест­кости на литр (мг-экв ж/л). 1 мг-экв жесткости равен атомному веса катиона, выраженному в миллиграммах и деленному на валентность (20 мг Са^ или 12,6 мг Mg+4). По жесткости воду разделяют на мяг­кую (< 3 мг-экв ж/л), средней жесткости (3-6), жесткую (6-9) и очень жесткую (>9 мг-экв ж/л). Наилучшим качеством обладает вода с жест­костью до 7 мг-экв ж/л.

32

Различают два вида жесткости: временную и постоянную. Вре­менная жесткость обусловлена присутствием бикарбонатов, прежде всего Са(НСО,)2. Она устраняется кипячением, при этом СаСО. вы­падает в осадок и вода становится мягкой:

Са(НСО,)2 -> iCaCO, + Н20 + ТСО,

Постоянная жесткость обусловлена присутствием сульфатов, хлоридов (CaS04, MgCl и др.) и кипячением не устраняется.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном действии растворенных в воде веществ на строительные материалы, в частности на портландцемент. По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

а) общекислотную агрессивность, которая оценивается показа­телем рН;

б) сульфатную агрессивность, которая определяется содержанием иона S04. При содержании более 200 мг/л вода становится агрессивной.

Степень воздействия воды на бетон определяется не только агрес­сивностью воды, но и коэффициентом фильтрации пород. В грунтах с малым коэффициентом фильтрации циркуляция пород затруднена, и даже при наличии агрессивности воздействие ее на сооружения невелико. В глинах даже при кислотности рН = 5 защиты бетонных фундаментов не требуется, тогда как в фильтрующем песке при рН < 7 требуется принятие специальных мер защиты. Для борьбы с разру­шением фундаментов агрессивными водами применяют специальные виды цементов, например сульфатостойкий, гидроизоляцию подзем­ных частей зданий, понижение уровня грунтовых вод.

7. Классификация подземных вод

Толщи осадочных пород в верхней части литосферы представля­ют собой чередование фильтрующих и водоупорных слоев (рис. 31).

Подземные воды, залегающие непосредственно над первым сверху водоупором, называются грунтовыми, толща пород над зер­калом грунтовых вод называется зоной аэрации. Временные скопле­ния подземных вод в зоне аэрации называются верховодкой, воды, залегающие между двумя водоупорными слоями, называются меж-пластовыми, если межпластовая вода имеет уровень ниже верхнего водоупора, то она называется безнапорной. Если вода полностью за-

33

Осадки

НИ

Песок (водоносный слой)_

Глина

(первый водо-

Песок

(водоносный слой)_

Глина

(второй водо-упор)

Верховодка \

Рис. 31. Разновидности подземных вод

полняет межпластовое пространство и ее напор на контакте с верх­ним водоупором больше нуля, то - напорной или артезианской.

7.1. Верховодка

Верховодка образуется над, случайными водоупорами, имеющими ограниченное распространение по площади. Например, над линзой глин, залегающей в толще безводных песков, в периоды выпадения осадков может скапливаться верховодка. Если верхняя часть безводной толщи сложена менее проницаемым фунтом, то в дождливый период в нем также может скопиться верховодка. Верховодка образуется весной из талых вод над неполностью оттаявшим мерзлым грунтом.

Наличие верховодки и ее уровень зависят от времени года. В су­хой сезон она может вообще исчезать. Уровень верховодки может иметь даже суточные колебания.

Источником верховодки могут быть не только атмосферные воды, но и утечки в системах водопровода и канализации. Наблюдениями в ряде городов установлено, что в город по водопроводу поступает на| 20-30 % воды больше, чем выходит стоков. Разница, нередко в виде нечистых и агрессивных вод, питает верховодку.

33

Верховодка может местами смыкаться с горизонтом грунтовых вод, образуя местное временное повышение уровня грунтовых вод. Общими чертами верховодки разного происхождения являются вре­менный, непостоянный характер, ограниченная площадь распрост­ранения.

Цо ПТЛШЛР D ГМ1 I_ I D ЛЛиЛООПШ! Г* ЛЛШ /Mi'a 1 ТТЛ П пллтп о i KiMro ПП^О П Г Ч Г\

особенно когда ее появление является неожиданным. Если разведоч­ное бурение производилось на строительной площадке в сухой се­зон, то верховодка дождливого сезона может быть не выявлена, что создает вероятность затопления строительного котлована. Замачива­ние основания здания на лессовых грунтах верховодкой может выз­вать его неравномерное оседание и повреждение здания, что часто и случается в южных городах.

7.2. Грунтовые воды

' Грунтовые воды имеют значительные площади распространения и относительно постоянный уровень. Свободная поверхность грун­товых вод называется зеркалом. Положение зеркала в сглаженной форме повторяет рельеф местности. Глубина уровня грунтовых вод от поверхности различна: от 1 м на севере до 50 м на юге. Грунтовые воды безнапорные, но в отдельных местах под линзами глин могут сформироваться местные напоры. Расстояние по вертикали от под­стилающего водоупора до зеркала называется мощностью водонос­ного слоя,

Питание грунтовых вод происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также за счет поверхностных водоемов, рек. Грунтовая вода открыта для проникновения в нее поверхностных вод, она может легко загрязняться промышленными и бытовыми водами. Грунтовые воды находятся в непрерывном движении от повышен­ных частей рельефа к пониженным. В понижениях подстилающего водоупора они могут образовать застойный бассейн.

По характеру питания и условиям залегания выделяют следую­щие зональные типы грунтовых вод:

грунтовые воды речных долин. Речные долины представляют со­бой, как правило, корытообразные углубления в водоупорных поро­дах (рис. 32). Долины заполнены хорошо фильтрующим аллювиаль-

34

Рис. 32. Речная долина: / - зеркало грунтовых вод в половодье; 2 - зеркало грунтовых вод в межень; А - аллювий; К - коренные породы

ным песчано-гравийным материалом с прослоями глин. Грунтовые воды речных долин обильны, питание их происходит за счет реки и окружающих территорий. В аллювиальных отложениях речных до­лин часто устраивают водозаборы.

Обычно река служит дреной для окружающих массивов. Однако в засушливых районах, например, в Средней Азии, наоборот, реки питают грунтовые воды окружающих территорий. Во время высоко­го уровня воды (половодья) реки умеренных климатических зон так­же могут стать источником питания окружающих территорий;

грунтовые воды водоразделов. Они имеют единственный ис­точник питания - атмосферные воды. Грунтовые воды водораздель­ных территорий питают верховья рек и в значительной степени определяют их режим. При наличии на этих территориях леднико­вых отложений, имеющих сложную ст^ктуру^ с чередованием гли­нистых и песчано-гравийных слоев, последние часто являются акку­муляторами хороших, слабоминерализованных вод;

грунтовые воды горных областей. В горных районах обычно выпадает много осадков, но инфильтрация их на склонах мала, про­исходит их быстрый сток. Грунтовые воды скапливаются в межгор­ных впадинах, в отложениях предгорных равнин. Таковы, например, подземные воды Ферганской долины. Воды имеют обычно хорошие качества и используются для водоснабжения;

грунтовые воды пустынь и полупустынь. Эти воды обычно име­ют далекую область питания, залегают глубоко и значительно мине­рализованы. Запасы их могут быть довольно большие, но вследствие минерализации зачастую они не пригодны для питья.

34

7.3. Напорные воды

Характерное условие для скопления межпластовых напорных (ар­тезианских) вод - синклинальное залегание слоя фильтрующих по­род под водоупором (рис. 33). Если напор межпластовой воды пре­вышает уровень дневной поверхности грунта, то пробуренная сква­жина будет фонтанировать.

Рис. 33. Артезианский бассейн: I - водоупор; 2 - проницаемый слой; 3 - скважина; 4 - область питания; 5 - поверхность напоров; 6 - область стока

Размеры артезианских бассейнов могут быть разные: от разме­ров одной горной долины, до таких гигантских, как Днепро-Донец­кий с площадью 350 тыс. км, т. е. больше Англии.

У больших артезианских бассейнов выделяют область питания 4 и область стока 6. Разность высот этих областей обеспечивает цир­куляцию межпластовой воды. Артезианские воды, прошедшие боль­шой путь фильтрации и не имеющие прямой связи с загрязненными поверхностными водами, обычно обладают высокими качествами и интенсивно используются для водоснабжения. Если перепад высот на краях артезианского бассейна отсутствует, то воды в нем будут застойными, с повышенной минерализацией.

7.4. Трещинные и карстовые воды

Воды этого типа скапливаются в трещинах, разломах коренных пород и карстовых пустотах карбонатных пород. Вследствие неравно­

35

мерного распределения крупных разломов и полостей в массиве, воды этого типа также характеризуются неравномерным распределением. При встрече забоем тоннеля крупного разлома или карстовой полос­ти могут случиться катастрофические притоки воды.

8. Движение подземных вод

8.1. Режим грунтовых вод

Грунтовые воды являются ближайшим к поверхности горизон­том подземных вод, и именно с ними чаще всего приходится иметь дело при строительстве или организации водоснабжения.

Режим грунтовых вод - это закономерные изменения во време­ни их уровня, температуры и состава. Режим грунтовых вод опре­деляется: метеорологическими, гидрологическими и техногенны­ми факторами.

Благодаря метеорологическим факторам (выпадение дождей, снеготаяние, испарение) уровень грунтовых вод в средней полосе колеблется в течение года приблизительно в пределах 1 м с максиму­мом в мае и минимумом в феврале. Последнее обстоятельство объяс­няется отсутствием поступлений атмосферных вод и продолжающим­ся стоком в зимнее время. Метеорологические факторы являются определяющими для грунтовых вод водораздельных территорий.

Гидрологическими факторами являются колебания уровня в ре­ках, водохранилищах. Например, поданным наблюдений 1932 г., при подъеме воды в Волге на 13,6 м уровень подземных вод на расстоя­нии 1 км поднялся на 7 м. Подъем УПВ в Петербурге во время навод­нений сопровождается массовыми затоплениями подвалов и полу­подвальных этажей зданий.

Прокладка оросительных каналов в засушливых районах при ненадежной гидроизоляции их ложа приводит к подъему УПВ на прилегающих территориях, что не только сопровождается непродук­тивными потерями воды, но и нередко ведет к засолению почв.

К числу техногенных факторов относят те виды человеческой деятельности, которые могут отразиться на режиме грунтовых вод. Например, откопка строительного котлована и откачка воды из него приведут к снижению УПВ на окружающей территории. Сброс про-

36

мышленных вод или утечки водоводов могут повысить уровень под­земных вод вплоть до заболачивания территории.

Наблюдения за уровнем грунтовых вод ведутся в колодцах или скважинах. При проходке инженерно-геологических разведочных выработок (шурфов, скважин) отмечают глубину появления воды и

CC уСТаНОБИБШИИСЯ СТаТИЧССКИИ урОВСНЬ. ДоЛГОВрСМСНПЫе р8Ж"М-

иые наблюдения ведутся в специально оборудованных скважинах. Наблюдательная скважина обсаживается перфорированной трубой. Уровень воды в скважине измеряется различного вида устройствами, опускаемыми в нее на тросе (хлопушка, электрический контакт), или датчиками давления, опускаемыми под воду, которые постоянно вы­рабатывают сигнал, пропорциональный столбу воды над ними.

Положение зеркала грунтовых вод на территории изображается в виде карт гидроизогипс - линий равного уровня, аналогичных гори­зонталям при изображении рельефа. Направление потока грунтовых вод в каждой точке перпендикулярно гидроизогипсе и направлено вниз по уклону. Гидроизогипсы строят на топографический основе, что позволяет по карте определить глубину зеркала грунтовых вод от поверхности и рационально планировать размещение объектов.

Линии равных напоров артезианских вод называются гидроизо-пьезами.

Для определения направления и скорости движения подземных вод в скважину запускается вещество, самые малые концентрации которого могут быть легко замечены в воде: соль, флуоресцентная краска, радиоактивные изотопы. По моменту появления в окружаю­щих скважинах вещества вычисляют скорость воды.

8.2. Расчет притоков подземных вод

Напором грунтовых вод в точке называется высота данной точки над некоторым уровнем, принимаемым за ноль, плюс высота столба грунтовых вод над данной точкой. Из этого определения очевидно, что напор грунтовой воды в точках, расположенных на одной верти­кали, одинаков. Таким образом, разница напоров в сечениях ААщ ВВ, (рис. 34) будет равна разнице УПВ в этих сечениях dH.

Закон ламинарной фильтрации, установленный французским ученым Дарси, связывает скорость фильтрации v, перепад напоров

в

между рассматриваемыми сечениями dH, коэффициент фильтрации &ф и дли­ну пути фильтрации dl:

dl

Рис. 34. Фильтрация грунтовых вод

v = k.dHldl, или иначе: v = к J,

Ф Ф

где / = &HIAI - градиент напора.

Объем воды, проносимой в единицу времени потоком с площадью попереч­ного сечения F (расход потока), опреде­лится любым из выражений

Q = Fv = k/I= k^FdHldl.

Если из скважины или колодца, заг­лубленных ниже уровня грунтовых вод, производить откачку, то зер­кало грунтовых вод искривится, образуя депрессиопную воронку. Саму выработку при этом называют совершенной дреной, если она проре­зает весь водоносный горизонт и доходит до водоупорного слоя, и не­совершенной дреной, если она не доходит до водоупора. Радиус деп-рессионной воронки называют радиусом влияния дрены; он состав­ляет -1000 м в гравии, -300 м в песках и -50 м в суглинках.

Приток воды в совершенный колодец (скважину) Уравнение расхода воды через цилиндрическое сечение осесим-метричного потока (рис. 35) имеет вид

Q = k^2nry-dy/dr,

где dy - перепад напора на элементарном отрезке пути фильтрации dr; 2пгу - пло­щадь цилиндрического сечения потока.

Разделяя переменные, получим

Q drlr = 2nk^y dy.

Интегрируя левую часть дифференциального уравнения в пре­делах от радиуса колодца rQ до радиуса депрессионной воронки R, а^йввую часть - в пределах от h до Н, находим выражение для при­тока в колодец (формулу Дюпюи):

Q = тс ЦП- - /г) / HR /г0)=\ ,366 ЦП - /г2) / \g(R I г0).

37

R

Рис. 35. Схема к расчету притока в совершенный колодец

Приток воды в несовершенный колодец Расчет- притока в несовершенный колодец (рис. 36) сводится к расчету притока условного совершенного колодца в водоносном го­ризонте мощностью, равной мощности активного слоя Н= 4/3 Р.

Приток воды в колодец с непроницаемыми стенками и с фильт­рующим дном (рис. 37) определяется по формуле

Q = 2knS.

,__г-,_, __L"D—1

Рис. 36. Несовершенный колодец Рис. 37. Колодец с фильтрующим дном

Приток воды к совершенной траншее В отличие от ранее рассмотренных осесимметричных потоков поток,грунтовых вод к линейным дренам будет плоским, то есть ли­нии тока (и изогипсы зеркала) в плане будут параллельными.

37

Расход потока через сечение высотой у в слое единичной толщи­ны (рис. 38) /«

б = V dyldx.

Рис. 38. Совершенная траншея

Интегрирование дифференциального уравнения по х от 0 до R, а по у от h до Я приводит к формуле

e=^(/p-A2)/(2j?).

Данная формула определяет приток на 1 ног. м траншеи с одной стороны.

Приток воды к несовершенной траншее

Приток воды в несовершенную тран­шею <2Н составляет часть притока в услов­ную совершешгую траншею в том же во­доносном горизонте, пропорциональную заглублению траншеи в водоносный гори­зонт tlH (рис. 39).

Q = k.t (Н - h2) I (2RH). Рис. 39. Несовершенная траншея ^" Ф 4

Приток воды в строительный котлован Приток воды в котлован, в том числе и отличающийся по форме в плане от круглого, определяется по формулам для совершенного

38

и несовершенного колодца эквивалентного радиуса. При этом экви­валентный радиус вычисляется по формуле

r3=<m,a, z^yjfr-

где А - площадь котлована.

о 1 \ /т . i "ж' (ж '• . ж л1. ..'.'ж х . ,ж' .ж.-, жг.л. .... . ж • .. ,. -ж

С».*^. .'их . к; tin JNiuniui 1уд 1ШДЛ.1НЛО!Л ВОД

Подземные воды могут быть использованы для водоснабжения. Скважины, траншеи, устроенные с целью получения воды, называ-ютвя водозаборами.

Высокий уровень грунтовых вод может являться помехой при строительстве: вызывать большие притоки в строительные котлова­ны, приводить к размоканию и потере связности грунтов. Напорные воды под водоупорным дном котлована могут вызвать его прорыв и внезапное затопление. Скважины, траншеи и прочие выработки, име­ющие целью снижение уровня или напора подземных вод, называ­ются дренажными или водопонизительными.

Нагорная канава предназначается для улавливания поверхност­ных вод и отвода их в сторону от охраняемого объекта, например оползневого склона (рис. 40). Нагорная канава устраивается со сто­роны возвышенной части рельефа и должна иметь продольный ук­лон для быстрого стока воды.

Рис. 40. Защита склона: 1 - оползень; 2 - нагорная канава

Система открытых или специально оборудованных и закрытых траншей (рис. 41) называется горизонтальным дренажом. Горизон­тальный дренаж устраивается на сельскохозяйственных угодьях, под дорожным покрытием улиц и дорог при высоком УПВ.

38

Рис. 41.1 Ъризонтальный дренаж: а - открытый; б - закрытый

Открытый водоотлив применяет­ся при умеренных притоках в котлова­ны. На дне котлована (рис. 42) отрыва­ется углубление - водоприемник, из которого насосом откачивается вода.

Нри необходимости значительно­го снижения уровня грунтовых вод и полного осушения толщи до откоп­ки котлована применяется вертикаль­ный дренаж. В грунт погружаются трубы, имеющие в нижней части пер-

Рис. 42. Открытый водоотлив: / - водосборник; 2 - насос; 3 - водоунор

форацию для пропуска воды, - иглофильтры. При глубине погруже­ния до 5-7 м иглофильтры могут быть объединены в одну систему и подключены к вакуум-насосу для откачки воды (рис. 43).

При устройстве дренажа расстояние между соседними дренами должно быть меньше двух радиусов влияния.

При наличии напорных вод под водоупорным дном котлована необходимо делать проверку невозможности прорыва вод в котло­ван, что обеспечивается при условии

mZH/2,

где т - толщина водоупорного дна котлована до водоносного слоя, м; Н - напор воды в водоносном слое, м; 2 - коэффициент, отражающий тот факт, что плотность грунтов приблизительно в два раза больше плотности воды.

39

Рис. 43. Вертикальный дренаж: / - котлован; 2 - иглофильтр; 3 - водоупор

8.4. Влияние гидрогеологической обстановки на проходку и эксплуатацию тоннелей

Строительство тоннелей ниже уровня грунтовых вод увеличива­ет его стоимость в среднем на 20 %, однако значительная водообиль-ность может не только привести к значительно большему удорожа­нию, но и создать непосредственную опасность при проходке.

Призабойная, еще не облицованная, часть тоннеля во время про­ходки является дреной. Приток воды в тоннель в количестве 100 л/с сильно снижает производительность, затрудняет работы. Приток 500— 1000 л/с способен остановить проходку обычными методами и тре­бует применения специальных мероприятий: проходки передовой дренажной выработки или бурения передовых дренажных скважин. Опыт тоннелестроения знает притоки до 10 тыс. л/с. Удаление воды из тоннеля особенно затрудняется, если проходка ведется с уклоном вниз, когда вода самотеком не уходит из тоннеля. Дренирование ок­ружающих пород тоннелем приводит к снижению УПВ, пересыха­нию окружающих источников и нарушению водоснабжения из дан­ного водоносного горизонта.

Притоки воды в тоннель могут происходить:

из трещин и разломов в сильно разрушенных породах;

7!

очень пористых пород: песчаников, выветренных пород, особен­но вблизи контакта с менее проницаемыми породами;

карстовых полостей. Особенно опасна внезапная встреча круп­ной обводненной трещины или карстовой полости, что может выз­вать катастрофический приток в забой.

В действующие тоннели значительных притоков воды не допус кается, поэтому обделка тоннелей делается водонепроницаемой. В этом случае после проходки тоннеля уровень подземных вод мо­жет восстановиться, но при этом давление воды создает значитель­ную нагрузку на обделку, что вынуждает делать ее более прочной и соответственно дорогой; для снижения давления воды может быть устроен заобделочный дренаж с выводом воды за пределы тоннеля за обделкой или с перепуском воды в канаву в тоннеле.

Для уменьшения притока воды применяется цементация масси­ва, нагнетание синтетических смол.

9. Гидрогеологические исследования

Гидрогеологические исследования должны установить: наличие и состав водоносных горизонтов в зоне строительства; наличие водоупорных слоев;

направление и скорость движения подземных вод, характерис­тики водопроницаемости пород; ожидаемые водопритоки;

размеры депрессионной воронки в районе строительства; влияние водопонижения на работу водозаборов в районе стро­ительства;

состав и свойства воды;

возможность использования вод для водоснабжения.

Первым этапом гидрогеологических исследований является изу­чение архивных материалов всех организаций, проводивших гидрогеологические работы на данной территории, а также ознаком­ление с Кадастром подземных вод, который представляет собой спе­циальный перечень всех водопунктов страны (скважин, колодцев, ис­точников), составляемый территориальными организациями Мини­стерства геологии. На основе этих материалов, а также опубликован­ных работ составляется карта водопроявлений.

40

Если этих материалов недостаточно, то следующим этапом исследований является гидрогеологическая съемка - площадное об­следование всех водопроявлений и водопункгов с нанесением их на карту. Для осуществления съемки вся территория покрывается се­тью маршрутов, привязанных, главным образом, к пониженным час-

_________.. /„„„...„, „„„„„.л

1ЛМ [эсль^фа. ^дилпгим, UDpoi tij.

По материалам архивных данных и результатам съемок составляется карта фактического материала. Изучение ее позволяет установить необходимость разведочного бурения, при котором уста­навливают геологическое строение толщи и напор в каждом водо­носном горизонте.

На скважинах организуют опытные работы и стационарные на­блюдения. Если скважина одиночная, то производятся опытные от­качки при трех разных понижениях воды в скважине и строится гра­фик зависимости дебита от понижения. По приведенным ранее фор­мулам рассчитывается коэффициент фильтрации. Предпочтительным является проведение кустовых откачек. Для этого требуется не ме­нее трех скважин, из которых поочередно производятся откачки, а в двух других ведутся наблюдения за уровнем воды. Результаты кусто­вых откачек позволяют более точно рассчитать величину коэффици­ента фильтрации.

В поверхностных слоях грунта коэффициент фильтра­ции может быть определен ме­тодом пробных наливов воды в шурфы (рис. 44).

В опытном шурфе устанав­ливается кольцо, нижняя часть которого немного заглубляется в

грунт. Затем в кольцо заливает- Риа 44 0nPe*e™ проницаемости rj методом пробного налива

ся вода, и уровень ее поддержи­вается постоянным (5-10 см) и одинаковым как в пределах кольца, так и вне его. Количество воды, добавляемой в кольцо для под­держания постоянного уровня, фиксируется. Наличие воды за преде­лами кольца обеспечивает строго вертикальное движение воды, филь­трующейся вниз из кольца, и постоянное сечение ее потока при вели­

41

чине градиента напора / = 1 м/м. Расчет величины коэффициента фильтрации производится по формуле

где Q - расход воды за период времени V, А - площадь кольца.

Качество воды, ее пригодность для примышленного и бытового водоснабжения оценивается по результатам химического анализа.

При проектировании водоснабжения за счет подземных вод не­обходимо оценить их запасы. Запасы делятся на статические и динамические,

Статические запасы равны полному запасу гравитационной воды в водоносном пласте:

Q =kV,

где К - объем обводненной породы; кв - коэффициент водоотдачи.

Динамические запасы (м3/год) определяются количеством воды, ежегодно поступающей в водоносный слой:

Q = ЮООаЛИ,

где а - коэффициент инфильтрации осадков; N - количество осадков, мм/год; А - площадь водосбора, км2.

По точности подсчета разведанных запасов подземных вод их делят на четыре категории: А, В, С, и С2. Запасы категории А разве­даны с детальностью, обеспечивающей полное выяснение геологи­ческого строения толщи, режима вод и условий восполнения запа­сов. Запасы категории В рассчитаны по выявленным основным осо­бенностям строения толщи, режима и питания подземных вод. Запа­сы С, соответствуют изученности толщи и подземных вод в общих чертах, а запасы С2 устанавливаются на основании общих гидрогео­логических данных, подтвержденных опробованием в отдельных точках, либо по аналогии с разведанными участками.

41