Бесплатный фрагмент - Основы гидрогеологии и инженерной геологии

Кимкина В. М.

Основы гидрогеологии и инженерной геологии

Содержание

Введение: 3

Круговорот воды в природе. Происхождение подземных вод. 4

Физические свойства и химический, газовый и бактериальный составы подземных вод 7

Грунтовые воды и воды зоны аэрации. 11

Артезианские воды.. 13

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах. 16

Подземные воды в областях развития многолетней мерзлоты. 19

Минеральные, промышленные и термальные воды. 22

Основы динамики подземных вод. 23

Условия обводненности месторождений полезных ископаемых. 30

Горные породы как грунты и их физические свойства. 33

Физико-геологические и инженерно- геологические процессы и явления. 48

Гидрогеологические исследования. 88

Инженерно-геологические исследования. 91

Охрана окружающей среды. 93

Используемая литература 96

Введение:

Гидрогеология — это наука о подземных водах, их ресурсах, запасах, составе, закономерностях распространения, хозяйственном значении и влиянии на человека.

Разделы гидрогеологии:

— общая гидрогеология — занимается изучением типов водоносных горизонтов, и их особенностей, а также химическим и физическим составом питьевой воды.

— Динамика подземных вод — изучает законы движения воды в различных условиях.

— Методика гидрогеологических исследований — занимается методиками изучения гидрогеологических условий, установлением месторождений подземных вод, определением их запасов и качества.

Задачи гидрогеологии:

— Изучение различных типов водоносных горизонтов, с целью выделения перспективных.

— Разработка методов поиска и разведки месторождений питьевой воды в различных условиях.

— Разработка способов оценки пригодности подземных вод.

Инженерная геология — это отрасль геологии, изучающая горные породы, как основание для строительства сооружений, составляет прогнозы устойчивости сооружений и взаимосвязь с окружающей средой.

Критерии устойчивости:

— Осадка фундамента

— Просадка грунта (только в лессовых группах)

— Несущая способность грунта

Разделы инженерной геологии:

— Грунтоведение — занимается изучением физико-механических свойств грунтов и способами их искусственного улучшения.

— Инженерная геодинамика — занимается взаимными деятельности человека, экзогенных и эндогенных процессов и разработкой мер борьбы с этими процессами.

— Методика инженерно-геологических исследований.

Раздел I Основы гидрогеологии

Круговорот воды в природе. Происхождение подземных вод.

Общие сведения о гидросфере Земли.

1. Круговорот воды в природе.

Различают:

а) большой кругооборот воды

б) малый кругооборот воды

в) внутренний кругооборот воды

Большой кругооборот воды происходит между океаном и сушей. Малый кругооборот воды происходит над океанами и морями. Внутренний кругооборот воды происходит над материками.

2. Атмосферные осадки.

Делятся на 2 типа:

а) образующийся непосредственно на поверхности горных пород (гололед, роса, иней)

б) выпадающие на поверхность из облаков

Транспирация — это процесс испарения влаги растениями.

3. Поверхностный и подземный сток.

Под поверхностным стоком понимают перемещение воды в процессе ее круговорота по поверхности земли.

Под подземным стоком — процесс перемещения воды, в толще земной коры.

Пример. Чтобы определить расход воды в сутки Q (л/сек, м3/сут), в том или ином сечении, необходимо знать среднюю V движения Н2О в реке υ (м/сек), и площадь сечения водного потока F (м2)

Q = υ ∙ F

4. Виды воды в горных породах

— связанная вода — содержится в горных породах в различных видах и формах, и удерживается внутри минералов и на их поверхности, силами, значительно превышающими силу тяжести.

— а) химически связанная вода — принимает участие в строении кристаллических решетки минералов, временно исключается из кругооборота.

— б) физически связанная вода — находится на поверхности минералов, содержится в тонкодисперсных глинистых породах и удерживается силами, имеющими электрическую природу.

б) капиллярная вода — заполняет капиллярные поры, стыки и трещины и удерживается силами поверхностного натяжения (II — чем уже, тем лучше держит).

в) свободная (гравитационная) — это капиллярно-жидкая вода, заполняющая поры и трещины в горных породах. Движение ее происходит под действием силы тяжести.

г) вода в твердом состоянии — в виде кристаллов, прослоек, линз льда.

5. Происхождение подземных вод

— инфильтрационные — образуются в результате просачивания с поверхности земли осадков и поверхностных вод в пустоты горных пород.

— конденсационные — образуются при конденсации водяного пара, перемещающегося под влиянием сил упругости, из атмосферы в горные породы.

— седиментационные (ископаемые) — увлечены в земные недра, при осадкообразовании в виде остаточных р-ров, либо отжаты при уплотнении горных пород.

— воды магматического и метаморфического происхождения — образуются при извержении и застывании магмы, а также выделяются при метаморфизации минералов и горных пород.

Контрольные вопросы:

— Гидрогеология и ее разделы.

— Инженерная геология и ее разделы.

— Виды круговоротов воды.

— Атмосферные осадки, испарение, транспирация.

— Виды воды в горных породах.

— Происхождение подземных вод.

Физические свойства и химический, газовый и бактериальный составы подземных вод

I. Физические свойства подземных вод

1. Температура подземных вод колеблется в широких пределах и зависит от глубины залегания, геологического строения, климата и т. д. Питьевая вода имеет t0 = 5—15oC. Классификация:

а) переохлажденные воды (t0 ниже 00С)

б) холодные (ниже +200С)

в) термальные (+20+1000С)

г) перегретые (от 100 до 3750С) — паровые гейзеры.

2. Цвет подземных вод — цвет зависит от содержания химических и органических веществ. Органические примеси придают воде бурую либо желтоватую окраску. H2S и закислые соединения Fe — зеленовато-голубой цвет. Цвет оценивается по патиново-кобальтовой Pt-Co шкале в градусах.

3. Прозрачность — это способность воды, пропускать через себя цветовые лучи. Зависит от содержания механических примесей и органических веществ.

Выделяют: прозрачные, слегка мутные воды, мутные, очень мутные.

— Вкус — воде придают растворенные в ней минеральные вещества, газы и примеси.

— Запах — в подземных водах отсутствует. Однако при активной деятельности некоторых бактерий, вода может иметь H2S-ный, болотный затхлый, и другие запахи.

— Плотность воды — зависит от минерализации. С увеличением ρ увелич. минерализации (сумма солей).

— Сжимаемость — незначительна, и характеризуется коэффициентом сжимаемости который равен β = [2,7 — 5] ∙ 10—5 Па.

— Вязкость — характеризует внутреннее сопротивление частиц жидкости ее движению. Количественно выражается коэффициентами динамической и кинетической вязкости.

— Электропроводность — зависит от количества растворенных в ней солей.

Пресные воды обладают низкой электропроводностью, дистиллированная вода — изолятор.

II. Химический состав подземных вод (из 87—70 растворяет).

1. Неорганические минеральные вещества.

Свойства подземных вод определяются количеством и соотношением, содержащихся в них в растворенном виде солей, присутствующих в виде ионов-катионов и анионов. Наиболее широко распространены Cl, HCO3, CO3, SO4, Na, H, Ca, Mg. Их называют главными, они определяют тип воды.

2. Органические вещества и микрофлора.

Органические примеси в подземных водах могут встречаться на небольших глубинах залегания. Их количество оценивается по окисляемости. В питьевой Н2О окисляемость не должна превышать 10 мг/л HMnO4.

Основные показатели химических свойств воды.

— Жесткость воды — обусловлена присутствием в воде, солей Ca и Mg. Различают:

общую жесткость — все соли Ca и Mg;

карбонатную — наличие в воде бикарбонатов Ca и Mg;

постоянная — остающаяся в воде после удаления бикарбонатов.

Классификация по ОЖ:

— очень мягкая вода (Ж <1,5 миллимоль/л)

— мягкая (Ж = 1,5—3 ммоль/л)

— умеренно жесткая (Ж = 3—6 ммоль/л)

— жесткая (Ж = 6—9 ммоль/л)

— очень жесткая (Ж> 9 ммоль/л).

2. Щелочность — определяется наличием в воде гидрата, бикарбоната, карбоната Na и других солей слабых кислот.

3. Окислительно-восстановительный потенциал Eh — характеризует интенсивность окисляющего и восстановительного действия элемента с переменной валентностью.

4. Водородный показатель pH — это (ℓgH+ = — ℓg) pH = — ℓg [H+] — десятичный ℓog концентрации Н, взятый с обратным знаком.

Классификация:

а) очень кислая Н2О (pH <5)

б) кислая (pH = 5—7)

в) нейтральная (pH = 7)

г) щелочная (pH = 7—9)

д) высоко щелочная (pH> 9)

5.Минерализация — это сумма всех минеральных веществ, содержащихся в воде.

Классификация:

а) ультрапресная М <0,2 г/л

б) пресная М = 0,2—1 (питьевая) г/л

в) солоноватая М = 1—3 г/л

г) сильно солоноватая М = 3—10 г/л

д) соленая М = 10—15 г/л

е) слабые рассолы М = 50—100 г/л

ж) крепкие рассолы М> 100 г/л

6. Агрессивные свойства подземных вод — оцениваются по отношению к бетону и железобетонным конструкциям.

а) сульфатная SO4 агрессивность — вода агрессивная при наличии в воде SO4> 250 г/л, и одновременном содержанием С /> 1000 мг/л

б) углекислая — устанавливается по содержанию свободного диоксида С, агрессивна, если его <30 мг/л

в) агрессивность выщелачивания — зависит от бикарбонатной щелочности, если ее <1,5 мг-экв/л, происходит выливание извести из бетона

г) общекислотная агрессивность — обусловлена низким значением рН. При рН <7 и устранимой Ж <8,6 мг-экв/л, вода агрессивна.

д) магнезиальная — определяется наличием Mg, агрессивна, если Mg> 1000 мг/л

е) кислородная — определяется наличием в воде О2, и проявляется по соотношению к металлическим предметам.

7. Бактериальные свойства — обусловлены наличием микроорганизмов в подземных водах, среди которых особое значение имеют бактерии — возбудители опасных болезней (брюшной тиф, холера). Присутствие бактерий в водах определяется специальным бактериологическим анализом. О бактериологическом загрязнении воды судят по колититру- объем воды в см3, в котором содержится 1 кишечная палочка и по количеству — числу кишечных палочек в 1 литре Н2О.

8. Газовый состав — обусловлен наличием в воде в растворенном состоянии и в виде свободных (спонтанных) газов. При уменьшении плотности растворенные газы могут переходить в свободные.

В подземных водах присутствуют газы:

1) атмосферного генезиса

2) биогенного генезиса

3) радиогенного генезиса

Наиболее распространенные в подземных водах — О2, СО2, H2S, H2, CH4, тяжелые углеводороды и инертные газы.

Контрольные вопросы:

— Что относится к физическим свойствам.

— химический состав подземных вод.

— Основные показатели химических свойств воды.

— Оценка качества воды.

— Бактериальные свойства подземных вод.

— Газовый состав подземных вод.

Грунтовые воды и воды зоны аэрации.

Верхняя часть земной коры, в зависимости от степени насыщения водой, делится на 2 зоны:

а) верхнюю зону аэрации — она расположена между поверхностью грунтовых вод и уровнем земли, содержит в порах воздух, через нее наблюдается просачивания атмосферных осадков;

б) нижнюю зону насыщения — где циркулируют подземные воды

1 — зона аэрации

2 — водоупор

3 — водоносный горизонт

4 — мощность водного горизонта

5 — уровень грунтовых вод

6 — верховодка

7 — г/г скважина

8 — родник

9 — депрессионная воронка

Водоносный горизонт — это толща горных пород, насыщенных водой, залегающих на водоупоре.

Верховодкой называют временное скопление подземных вод в зоне аэрации.

Водоупором для верховодки служат линзы глин и суглинков она имеет сезонный характер, плохое качество воды, практического значения в водоснабжении не имеет.

Грунтовые воды — к ним относятся воды 1-го от поверхности, постоянно действующего водоносного горизонта, залегающего на относительно выдержанном водоупоре и имеющего свободную поверхность (не перекрыта водоупором).

Особенности грунтовых вод

— Это воды со свободной поверхностью, давление на них с поверхности равно атмосферному, поэтому при вскрытии скважины уровень воды остается на той же отметке, где был встречен первоначально.

— Питание осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. Область питания совпадает с областью распространения.

— Неглубокое залегание грунтовых вод приводит к естественному вскрытию их балками, оврагами и речными доменами в виде ключей.

— Близкое залегание к поверхности и отсутствие водонепроницаемых экранов, вызывает загрязнение подземных вод органикой и промышленными отходами.

— Близкое залегание к поверхности, вызывает резкие колебания элементов режима (t0, уровень, химический состав).

На картах, поверхность грунтовых вод, отображается в виде гидроизогипс — это линии, соединяющие одинаковые отметки уровня грунтовых вод. Они обладают следующими свойствами:

— не пересекаются

— не прерываются

— не соприкасаются

Контрольные вопросы:

— Дайте определения зоны аэрации и насыщения, водоносного горизонта и комплекса, верховодки, грунтовых вод.

— Схема грунтовых вод.

— Особенности грунтовых вод.

— Отображение на картах грунтовых вод.

Артезианские воды

1 — водоносный пласт

2 — водоупорные породы

3 — уровень воды

а — область питания и создания напора

б — область напора

в — область разгрузки

h1-h2 — пьезометрический напор в I и II

сечениях

m — мощность артезианского горизонта

Артезианскими водами называются межпластовые подземные воды, ограниченные сверху и снизу водоупорными породами, при вскрытии которых скважиной, уровень устанавливается выше кровли водоносного пласта.

Уровень артезианских вод называется пьезометрическим.

Особенности артезианских вод.

— Межпластовое залегание горизонтов и комплексов артезианских вод, каждый из которых сверху и снизу ограничен водоупорами.

— Область распространения артезианских вод не совпадает с областями напора и питания и бывает удалена от последней.

— При вскрытии артезианских вод скважиной, появившийся уровень всегда выше установившегося.

— Режим артезианских вод отмечается большим постоянством по сравнению с другими типами вод.

— Артезианские воды отличаются большей защищенностью от загрязнения и лучшим качеством воды.

Среди природных емкостей артезианских вод основными являются: артезианские бассейны и артезианские склоны.

Артезианский бассейн — это совокупность напорных горизонтов и комплексов, залегающих в синклинальных структурах, где движение подземных вод происходит под гидростатическим напором.

Артезианские склоны — это своеобразные бассейны напорных вод, встречающиеся в краевых частях предгорных прогибов, межгорных впадин и на склонах морских акваторий, где имеется моноклинальное залегание и выслеживание водовмещающих отложений.

а — область питания

б — область разгрузки

На картах артезианские воды отображаются с помощью пьезоизогипс, либо гидроизопьез — это линии, соединяющие одинаковый абсолют отметки напоров.

Межпластовые безнапорные воды.

Обычно эти воды приурочены к слоистым осадочным толщам, слагающим приподнятые междуречные массивы. Уровень этих вод располагается ниже кровли первого водоупора, т.е. водопроницаемый слой, не имеет полного заполнения.

По условиям передвижения и характеру напоров, эти воды аналогичны грунтовым. Однако область питания не совпадает с областью распространения.

Источники

Источником (родником, ключом) называют естественный выход подземных вод на поверхность. t0 в родниках колеблется от 00—1000С и выше. Минерализация — от простых до рассолов.

По характеру выхода на поверхность различают:

1) нисходящие источники ○↓ — питаются верховодкой и грунтовыми водами, приурочены к осадочным породам. Выходят в долинах рек, балках, оврагах.

2) восходящие источники ○↑ — образуются при выходе на поверхность напорных вод. Являются очагами разрушения артезианских, трещинно-жильных, межмерзлотных и подмерзлотных вод.

Контрольные вопросы:

— Схема и определение артезианских вод.

— Особенности артезианских вод.

— Определение артезианского склона и бассейна.

— Межпластовые безнапорные воды.

— Источники

— Отображение артезианских вод на картах.

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах.

Трещинные воды — это подземные воды, залегающие и циркулирующие в трещиноватых магматических, метаморфических и плотных осадочных горных породах. Они могут быть напорные и безнапорные.

Трещины бывают:

— литогенетические — в процессе формирования пород

— тектонические — в результате движения земной коры

— экзогенные — в процессе выветривания.

Для образования водоносного горизонта в трещиноватых горных породах, необходимы следующие условия:

— наличие трещин, достаточно широких, чтобы пропускать воду (> 1 мм)

— трещины должны образовывать взаимосвязанную систему, имеющую общую направленность от области питания до области разгрузки

— трещины должны быть заполнены крупнозернистым материалом, пропускающим воду.

Особенности водоносного горизонта трещиноватых пород.

1) относительно малая водообщность горных пород

2) питание в основном осуществляется за счет атмосферных осадков и поверхностных вод

3) наблюдается неоднородность в обводнении пород, в связи с неровным распространением трещиноватости, что затрудняет поисково-разведочные работы

4) данные воды, если они грунтовые, еще более чувствительны к загрязнению с поверхности и колебаниям элементов режима

5) напорные воды в крупных тектонических трещинах называются жильными и являются наиболее благоприятными для водоснабжения.

2. Карстовые воды — это подземные воды, залегающие и циркулирующие в трещинах, пустотах, пещерах, образующиеся в результате растворения и выщелачивания известняков, доломитов, гипсов, ангидритов, солей и др. карстующихся пород.

Особенности карстовых вод.

— Тесная и активная связь с атмосферными осадками и поверхностными водами.

— Значительные колебания элементов режима подземных вод в течение года (минерализация, температура, химический состав, Н).

— Легкая возможность загрязнения, в том числе и поверхностными загрязнителями.

— Зависимость минерализации подземных вод от скорости круговорота воды: очень часто встречаются горько-соленые воды и рассолы, в связи с большей растворимости пород.

Контрольные вопросы:

— Виды трещин по происхождению.

— Какие условия необходимы для образования трещиноватого водоносного горизонта.

— Особенности водоносного горизонта трещинных пород.

— Карстовые воды и их особенности.

Подземные воды в областях развития многолетней мерзлоты

I — деятельный слой, замерзающий зимой и оттаивающий летом, мощностью от нескольких см до 5 м

II — слой вечномерзлых пород

III — слой талых горных пород, в которых циркулируют подземные воды

1 — деятельный слой

2 — талик — это участок незамерзших пород, соединяющий деятельный слой с подмерзлотными водами

3 — межмерзлотный водоносный горизонт

4 — вечномерзлые породы, ЗВМ

5 — подмерзлотные воды

Многолетнемерзлыми (вечно мерзлыми) — называются горные породы, содержащие в порах, пустотах и трещинах лед и имеющие отрицательную или нулевую температуру в течение многих лет и веков.

Особенности:

— существование воды во всех трех фазах;

— взаимосвязь всех фаз между собой и с вмещающими талыми и мерзлыми породами;

— превращение хорошо проницаемых в талом состоянии пород при цементации льдом в водоупоры;

— по характеру вмещающих воду горных пород, зона мерзлоты делится:

а) надмерзлотные

б) межмерзлотные

в) внутримерзлотные

г) подмерзлотные

д) воды сквозных таликовых зон

Криогенные явления.

Криогенные явления — это явления, происходящие в верхней части земной коры под действием низких температур. К ним относятся:

— Наледи — образуются при замерзании воды и изливе ее на поверхность.

— Гидролакколиты — это многолетние наледи высотой до 30 м, d = 80 м.

— Бугры пучения — возникают при замерзании рыхлых обводненных пород.

— Термокарст — является результатом неравномерного проседания или провала почвы и подстилающих ее при таянии подземного льда.

— Соллифлюкция — движение со склонов оттаявшей массы горных пород.