Основы гидрогеологии

1. Основы гидрогеологии

к.б.н., доцент Васильева Дарья Игоревна
Доцент кафедры Строительной механики, инженерной
геологии, оснований и фундаментов АСА СамГТУ

2. ГИДРОГЕОЛОГИЯ

Инженерная геология
ГИДРОГЕОЛОГИЯ
Воды, находящиеся в верхней части
земной коры и залегающие ниже
поверхности земли - подземные.
Исследованием подземных вод
занимается гидрогеология.
В природе наблюдается малый и большой
круговорот воды.
Малый круговорот происходит по схеме –
море-атмосфера-море; большой круговорот:
море – атмосфера – суша - море.

3. Образование грунтовых вод

Инженерная геология
Образование грунтовых вод
Осадки, выпавшие на сушу, делятся на три
части:
1) испарение,
2) сток и
3) просачивание (инфильтрация) в почву.

4. Происхождение подземных вод

Инженерная геология
Происхождение подземных вод
Теории происхождения подземных вод:
инфильтрационная и конденсационная.
Инфильтрационная - образование п. в. просачиванием
(инфильтрацией) вглубь Земли атмосферных осадков и
поверхностных вод.
Конденсационная – конденсация водяных паров в порах и
трещинах.
Седиментогенные - морского происхождения, образовавшиеся
одновременно с накоплением морских осадков.
Ювенильные - (лат. «ювенилис» — юный) в областях недавней
вулканической деятельности (обладают повышенной
температурой, содержат необычные для поверхностных условий
соединения и газовые компоненты).

5. Классификация подземных вод

Инженерная геология
Классификация подземных вод

6. Классификация подземных вод по условиям залегания

Инженерная геология
Классификация подземных вод по условиям
залегания
В геологическом разрезе по условиям залегания
можно выделить следующие подземные воды:
1) почвенные воды, находящиеся в почвенном слое,
2) верховодка образуется над местным водоупором
весной или за счет техногенной утечки воды,
3) грунтовые воды на первом от поверхности
водоупоре, безнапорные, могут быть загрязнены,
4) межпластовые (ненапорные и напорныеартезианские) воды.

7.

Инженерная геология
Условия залегания подземных вод:
1 - водопроницаемые; 2 - водоупорные породы; 3-уровень
грунтовой воды; 4 - уровень напорной воды; 5 - буровые
скважины

8.

Инженерная геология
Верхняя часть земной коры в
зависимости от степени насыщения
водой пор горных пород делится на две
зоны:
верхнюю — зона аэрации (наблюдается
просачивание атмосферных осадков в
сторону зоны насыщения, поры грунтов
частично заполнены водой.
и нижнюю — зона насыщения.
Зона насыщения расположена ниже
уровня грунтовых вод.

9.

Инженерная геология
Верховодка — это временное скопление
подземных вод в зоне аэрации.
Образуется над локальными водоупорами
(линзы глин, суглинков в песке) в период
обильного снеготаяния, дождей.
Для нее характерно:
временный, чаще сезонный характер,
небольшая площадь распространения,
малая мощность и безнапорность.
Верховодка представляют значительную
опасность для строительства, не всегда
обнаруживается.

10.

Инженерная геология
Грунтовые воды - постоянные во времени и
значительные по площади распространения,
залегающие на первом от поверхности
«выдержанном» водоупоре.
Имеют свободную поверхность -зеркало (в
разрезе –уровень УГВ).
Водоупор - ложе,
расстояние от водоупора до УПВ— мощность
водоносного слоя.
Грунтовые воды и верховодка безнапорны.

11.

Инженерная геология
Питание грунтовых вод происходит за
счет атмосферных осадков, поступления
воды из поверхностных водоемов и рек.
Потоки выходящие на поверхность -
образуют родники.
По степени минерализации преимущественно пресные, реже
солоноватые и соленые, состав
гидрокарбонатно-кальциевый
сульфатный и сульфатно-хлоридный.

12.

Инженерная геология
Межпластовые подземные воды
располагаются в водоносных
горизонтах между водоупорами.
Они бывают:
ненапорными и
напорными (артезианскими).

13.

Инженерная геология
Межпластовые напорные
(артезианские) залегают между
двумя водоупорными слоями и
обладающие гидростатическим
напором.
При вскрытии напорного водоносного
пласта скважинами вода
поднимается выше его водоупорной
кровли, а при сильном напоре может
самоизливаться на поверхность.

14.

Инженерная геология
Залегают на большой глубине и
приурочены к синклинальным
(прогнутым) геологическим
структурам.
Величина напора вод
характеризуется пьезометрическим
уровнем (устанавливается в скв.
при вскрытии напорных вод).

15.

Инженерная геология
Наиболее перспективный самый
верхний напорный горизонт, где
обычно залегают
слабоминерализованные (пресные)
воды.
Артезианские воды:
практически не загрязнены,
обладают значительной
водообильностью и широко
используются для водоснабжения.

16. Свойства и состав подземных вод

Инженерная геология
Свойства и состав подземных вод
По температуре п.в.
подразделяются на :
холодные (температура от 0
до 20 °С),
теплые, или субтермальные
(20—37 °С),
термальные (37—100 °С),
перегретые (свыше 100 °С).

17.

Инженерная геология
Суммарное содержание
растворенных в воде минеральных
веществ называют общей
минерализацией.
Определяяется по сухому остатку
(в мг/л или г/л), который
получается после выпаривания
определенного объема воды при
температуре 105—110 °С.

18.

Инженерная геология
По содержанию сухого остатка они
подразделяются на:
ультрапресные – содержание сухого
остатка до 0,2г/л;
пресные – 0,2-1,0 г/л;
слабосолоноватые – 1,0-3,0 г/л;
сильносолоноватые – 3,0-10,0 г/л;
соленые – 10,0-50,0 г/л;
рассолы – более 50 г/л

19.

Инженерная геология
Хозяйственно-питьевые воды - для
хозяйственно-питьевых целей.
Пресные подземные воды —источник
питьевого водоснабжения.
Источником хозяйственно-питьевого
водоснабжения являются подземные
воды зоны интенсивного водообмена.
Технические —воды, которые
используют в различных отраслях
промышленности и сельского хозяйства.

20.

Инженерная геология
Промышленные воды
содержат в растворе
полезные элементы (бром,
йод и др.) в количестве,
имеющем промышленное
сырьевое значение (в зоне
весьма замедленного
водообмена).

21.

Инженерная геология
Минеральными - имеют
повышенное содержание
биологически активных
микрокомпонентов, газов,
радиоактивных элементов и т. д.
Термальные подземные воды
имеют температуру более 37 0С.

22. Виды подземных вод

Инженерная геология
Виды подземных вод
В зависимости от состояния в грунтах
выделяют следующие виды воды:
1) Парообразная вода - водяной пар в
порах грунта с относительной влажностью
W=100%, движение происходит в сторону
падения температуры. Таким путем летом
в подпольях может быть накопление
влаги.

23. 2) Прочносвязанная (адсорбированная, гигроскопическая) вода.

Инженерная геология
2) Прочносвязанная (адсорбированная,
гигроскопическая) вода.
Это слой до 10-15 молекул Н2О толщиной 0,1
микрона, покрывающий грунтовые (глинистые)
частицы, не растворяет соли, неэлектропроводна,
не замерзает при 0оС, а при отрицательных
температурах около минус 100оС, имеет высокую
вязкость, удаляется при Т≥105о.
Содержание прочносвязанной воды зависит в
основном от количества глинистых частиц:
в песках – 1-2%, в суглинках – 5-10 %, в глинах –
10-25%, в высокодисперсных
монтмориллонитовых глинах – до 30 %.

24. 3) Рыхлосвязанная (пленочная) вода

Инженерная геология
3) Рыхлосвязанная (пленочная) вода
удерживается электрическими силами до
Р=70000g, имеет плотность=1,0, температуру
замерзания минус 1-3-5оС, слабо растворяет соли,
перетекает от толстых к тонким пленкам.
Обладает большим расклинивающим действием
(Рраскл), вызывает набухание глинистых грунтов
при увеличении толщины пленок этой связанной
воды, при ее удалении (сушке) происходит усадка
глинистого грунта, обеспечивает пластичность
глин.
Для определения количества пленочной влаги
разработаны специальные методы (центрифуги,
влагоемких сред, высоких колонн).

25. 4) Свободная вода –

Инженерная геология
4) Свободная вода –
капиллярная и гравитационная.
Капиллярная вода удерживается в порах
капиллярными силами, перемещается за счет
разности капиллярных давлений, растворяет
соли, замерзает при температуре ниже 0ºС.
Высота капиллярного поднятия в глинах
достигает 3-4 м, в песках – несколько дм.
Гравитационная вода перемещается под
действием силы тяжести (разности напоров).

26.

Инженерная геология
5) Вода в твердом состоянии (лед), замерзает
сначала свободная вода, а затем
последовательно все остальные виды воды.
6) Кристаллизационная вода участвует в
построении кристаллической решетки
минералов (гипс CaSO4∙2H2O).
Химически связанная вода входит в состав
минералов (лимонит Fe2O3·nH2O, опал
SiO2∙H2O, гидроксид CaО·Н2O).
Эти формы влаги удаляются при Т>100оС.

27.

Инженерная геология
Подземные воды
ухудшают механические свойства
рыхлых и глинистых пород,
могут выступать в роли агрессивной
среды по отношению к строительным
материалам,
вызывают растворение многих горных
пород (гипс, известняк и др.) с
образованием пустот и т. д.

28. Водные свойства горных пород

Инженерная геология
Водные свойства горных пород
Важнейшими свойствами горных
пород по отношению к воде
являются:
влагоемкость,
водоотдача и
водопроницаемость.

29.

Инженерная геология
Влагоемкость -способность грунтов
вмещать и удерживать определенное
количество воды.
Породы подразделяют на:
влагоемкие (торф, суглинки, глины),
слабовлагоемкие (мергель, мел,
рыхлые песчаники, пылеватые пески,
лёсс) и
невлагоемкие, не удерживающие в себе
воду (галечник, гравий, песок).

30.

Инженерная геология
Водоотдача — способность
водонасыщенных пород отдавать
гравитационную воду в виде
свободного стока.
Характеризуется коэффициентом
водоотдачи, т. е. отношение объема
свободно извлекаемой (или вытекающей)
из породы воды (VB) к объему осушенной
части породы (Vп)

31.

Инженерная геология
Водопроницаемость —
способность грунтов
пропускать через себя воду под
действием напора.
зависит от:
Напора воды;
состава грунта, особенностей его
сложения,
свойств фильтрующей воды (вязкости).

32.

Инженерная геология
Характеризуется коэффициентом
фильтрации Кф (м/сут, м/с, см/с):
1) водопроницаемые — Кф > 1 м/сут (галечник,
гравий, песок, трещиноватые скальные породы),
слабоводопроницаемые — Кф =1 -0,001 м/сут
(глинистые пески, суглинки, лесс, торф, мергели,
слабо трещиноватые скальные породы)
водонепроницаемые — Кф < 0,001 м/сут (глины,
монолитные, нетрещиноватые скальные
породы).

33.

Инженерная геология
Различают два вида горных пород:
водоносные горизонты;
водоупоры - непроницаемые для
воды горизонты.
Водоносные горизонты – слои
горных пород, насыщенные
водой свободного вида.

34.

Инженерная геология
Водоупоры – слои
непроницаемых пород,
практически не пропускающие
через себя воду (плотные
глины, нетрещиноватые
скальные породы,
вечномерзлые породы).

35. Агрессивность подземных вод

Инженерная геология
Агрессивность подземных вод
Подземная вода,
разрушающая бетон и
металл, считается
агрессивной.

36.

Инженерная геология
Для выражения активной реакции подземных
вод (рН) служит логарифм концентрации ионов
водорода, взятый с обратным знаком,
т. е.
рН = - lg(H+).
Boдa с нейтральной реакцией - рН =
7,
кислой рН < 7,
щелочной рН > 7.
Наилучшими питьевыми качествами обладает
вода при рН = 6,5-8,5.
Наибольшему разъеданию подвергаются
металлические конструкции под влиянием
сильно кислых (рН < 4,5) и сильно щелочных вод
(рН > 9,0).

37.

Инженерная геология
Коррозии способствует:
повышение температуры
подземных вод,
увеличение скорости их
движения,
электрические токи.

38.

Инженерная геология
Способы борьбы с агрессивностью п.в.:
1) применение сульфатостойких цементов;
2) гидроизоляция подземных частей зданий
и сооружений от агрессивной воды;
3) применение дренажей (понижение уровня
подземных вод и устранение контакта
зданий и сооружений с подземными водами).

39. Динамика подземных вод

Инженерная геология
Динамика подземных вод
Подземные воды в большинстве случаев
находятся в движении.
Потоки грунтовых вод могут быть плоскими,
радиально расходящимися и сходящимися,
криволинейными.
Направление потока грунтовых вод можно
определить методом трех скважин или по
карте гидроизогипс – линий с равными
абсолютными отметками зеркала грунтовых
вод (аналогично горизонталям рельефа).

40.

Инженерная геология
Карта гидроизогипс позволяет решить
следующие вопросы:
1) определить направление и уклон
грунтовых вод,
2) установить связь грунтовых и
поверхностных вод,
3) выбрать площадку для строительства и
дренажа.

41.

Инженерная геология
Скорость движения (фильтрации) подземных вод
характеризуется законом Дарси (1856 г.), который проводил
свои опыты в трубке, заполненной песком и установил, что
«Количество воды Q, прошедшее через какое-либо сечение F
в единицу времени, пропорционально площади сечения и
гидравлическому градиенту I, равному разности напоров ΔH
= Н1 –Н2, отнесенной к длине пути L»:
Q = КфF ΔH / L = КфF I,
где Q – расход воды или количество фильтрующей воды в
единицу времени, м3/ сут;
Кф – коэффициент фильтрации, м/сут;
F – площадь поперечного сечения потока, м2;
ΔH – разность напоров, м;
L – длина пути фильтрации, м.

42.

Инженерная геология
По этой же формуле можно определить приток
воды к реке.
Закон Дарси действует только при ламинарном
движении грунтовых вод в суглинках, песках,
галечниках, где турбулентный (вихревой)
характер наблюдается редко.
Разделив обе части уравнения на площадь F и
обозначив
Q/F=V – скорость фильтрации, м/сутки,
получаем:
V=KфI, при I=1,0,
Кф= V м/сутки.

43.

Инженерная геология
Расход потока грунтовых вод и расчеты
притока воды к различным
выработкам (водозаборам)
Расход – количество воды через 1-цу
площади за 1-цу времени
(F=1 м2, t=сутки, мин, сек).

44.

Инженерная геология
1. Расход плоского равномерного потока с
постоянной мощностью h при наклонном
водоупоре определяется по формуле:
Q=KфВh(H1-H2)/L,
где В – ширина потока,
Н1-Н2 – разность напора,
L –расстояние.

45.

Инженерная геология
2. Расход потока при горизонтальном
водоупоре. Расход на 1-цу ширины
называется единичным расходом:
q=Q/B.
Его величина по закону Дарси равна q=KhI, где
I – гидравлический уклон.
Уравнение Дюпюи.
Q=KB(h12-h22)/2L.

46.

Инженерная геология
Расчет притока воды к траншее (канаве).
Они могут быть совершенные (дошедшие
до водоупора) и недошедшие до
водоупора
производится по формуле для
двустороннего притока:
Q=КфL(H2 – h2)/L,
где L – длина канавы.

47. Борьба с грунтовыми водами, виды дренажей

Инженерная геология
Борьба с грунтовыми водами,
виды дренажей
При разработке котлованов и при подтоплении
городских территорий применяют:
А. Открытый водоотлив,
Б. Горизонтальный дренаж в виде
горизонтальных открытых и закрытых канав
(траншей) глубиной до 5-6 м. Могут быть также
дренажные прорези глубиной до 10-15 м и более,
пройденные вдоль или поперек склона,
заполненные дренажным материалом и
вскрывающие водоносный слой. В дренажный
материал помещают перфорированные трубы.

48.

Инженерная геология
В. Подземные водосборные галереи чаще
используют для осушения оползневых склонов.
Г. Вертикальный дренаж включает:
а) Водопонизительные скважины, вокруг
которых при откачке воды образуются
депрессионные воронки;
б) Иглофильтры, из которых откачивают воду
насосами или применяют электроосмос. Их
располагают рядами по периметру котлована;
в) Поглощающие скважины-колодцы. Может
быть их засорение грязной фильтрующей
водой.

49.

Инженерная геология
Виды дренажей зависят от решаемых задач:
1. При близком расположении грунтовых вод
применяют горизонтальный
систематический дренаж, включающий
дрены, дренажный коллектор и смотровой
колодец;
2. Систематический дренаж вертикального
типа, в котором вместо дрен применяют
вертикальные поглощающие скважины,
спускающие воду вниз в поглощающий слой;

50.

Инженерная геология
3. Головной дренаж – горизонтальная дрена,
перехватывающая грунтовые воды выше по
течению грунтовых вод;
4. Береговые дренажи у водохранилищ и рек,
аналогичны береговым головным дренажам для
перехвата грунтовых вод, идущих от реки или
водохранилища;
5. Кольцевой дренаж для защиты отдельных
зданий и небольших участков;
6. Пластовый дренаж для защиты отдельных
зданий;

51.

Инженерная геология
7. Вентиляционный дренаж в грунтах –
под фундаментами зданий укладывают
дырчатые трубы, через которые постоянно
движется воздух. В трубы можно
поместить сухой хлористый кальций
(предложил И.М.Литвинов для осушения
лессовых грунтов).

52. Вопросы к Лекции 5

Инженерная геология
Вопросы к Лекции 5
1) Как образуются и классифицируются подземные
воды?
2) Какие важнейшие водные свойства горных
пород?
3) Как подземные воды могут влиять на свойства
горных пород и строительные конструкции?
4) Как проводится борьба с негативным
воздействием подземных вод?