§ 1. Подземные воды

Изучением подземных вод занимается гидрогеология. Подземными водами называют все виды вод, находящихся ниже поверхности земли или дна рек и водоемов.

Подземные воды в толще горных пород могут находиться в виде пара, гигроскопической, капиллярной или свободной капиллярно-1 жидкой воды; в твердом состоянии (лед). Вода входит в состав неко­торых минералов.

По происхождению подземные воды разделяют на вадозные, образуемые за счет накопления в грунте атмосферных осадков; ювенильные, образующиеся за счет конденсации паров воды, выде­ляемой магмой; реликтовые (ископаемые) воды, т. е. воды, остав­шиеся в толще пород со времени древних исторических эпох. В прак­тической деятельности человека играют роль только вадозные воды, поэтому только они и будут предметом нашего дальнейшего изучения.

Количество, условия образования и режим подземных вод в зна­чительной степени зависят от количества и характера выпадающих атмосферных осадков, но при этом большую роль играют вид и свой­ства горных пород. Одни породы — водопроницаемые — способны по трещинам и порам пропускать воду, другие практи­чески не пропускают воду и потому называются водоупорами.

Участки земли, где вода проникает в грунт, называют областью питания, а места, где вода выходит на поверх­ность, — областью дренажа или разгрузки.

Подземные воды делят на две существенно отличающиеся группы: безнапорные и напорные. К первым относят почвен­ные, верховодку, болотные, воды деятельного слоя вечной мерзлоты, карстовые, грунтовые и другие воды.

Вода в почве является следствием выпадающих дождей или снеготаяния. Верховодкой называют ближайшие к поверхности воды, имеющие ограниченное по площади распространение и не по­стоянные во времени, это воды зоны аэрации. Верховодка чаще всего появляется весной в связи с переходом от холодного периода к те­плому или осенью, после обильных дождей. Болотные воды встре­чаются в торфяниках и илах. К карстовым относятся воды, находя­щиеся в трещинах и пустотах таких пород, как известняк, мергель, гипс, доломит и др., которые образовались благодаря химической суффозии. Карстовые воды могут образовывать подземные озера и реки; в них наблюдается повышенное содержание карбонатных и других солей.

Из всех названных видов вод грунтовые воды представляют наи­больший интерес.

Г р у н т о в ы м и называют воды первого от поверхности постоянного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое, Питание грунтовые воды получают путем инфильтрации атмосферных осадков а также вод рек, озер и водоемов. Они имеют свободную поверхность - зеркало, которое существует длительное время и за­нимает либо горизонтальное либо слегка наклонное поло­жение, в большинстве случаев совпадающее с направлением наклона рельефа.

При наклонном положении зеркала грунтовых вод послед­ние приобретают характер грунтового потока, который перемещается в сторону более низких отметок, например к

реке, и тем самым питает реку.

Если уровень в реке поднимается, тогда наоборот, воды реки начинают поступать в грунт, и грунтовый поток меняет направление движения (рис.6 ).

Скорость движения грунтового потока зависит от уклона его поверхности и от водопроницаемости грунтов. Последняя опреде­ляется коэффициентом фильтрации К.

Коэффициент фильтрации подвержен значительным колебаниям, примерная величина его у различных пород приведена в табл. 3.

Коэффициент фильтрации грунта можно определить по эмпири­ческим формулам, лабораторным способом и на основе полевых испытаний.

Для предварительной (приближенной) оценки водопроницаемости преимущественно сыпучих пород существует ряд формул, в которых фильтрационные свойства грунта ставятся в зависимость от их гранулометрического состава. Приведем одну из таких наиболее простых формул

Здесь d — диаметр господствующих в породе частиц, меньше которых в ней будет не более 10%.

Подсчитаем К, взяв для примера крупный песок, у которого d = 0,5 мм

Подсчет К по эмпирическим формулам, даже если эти формулы, учитывают такие факторы, как пористость породы, степень ее однородности и температуру воды, обычно не обеспечивает нужной последующих расчетов точности. Несколько лучшие результат: получают на основе лабораторных исследований.

Лабораторный способ определения К основан на пропускам (фильтрации) воды через грунт, помещенный в стеклянный сосуд с известным сечением; при этом фиксируют гидравлический градиент (напор), расход профильтрованной воды и продолжительность опыта.

Лабораторные определения коэффициента фильтрации более достоверны, чем по формулам, но и они не могут воссоздать

естественные условия залегания грунта. В частности, в лабораторных исследованиях испытанию подвергается грунт, структурно нарушенный,

не естественной плотности, на контакте грунта со стенками сосуда может быть существенно иная скорость фильтрации воды Все это и другие факторы искажают результаты исследований.

Наиболее надежно К определяют на основе специальных полевых испытаний.

Уровень грунтовых вод подвержен колебаниям: сезонным и единовременным, связанным с изменением условий питания (засуха, дожди). Водообильность грунтовых вод небольшая; при интенсивном откачивании воды из скважины или колодца она быстро иссякает. Грунтовые воды широко используют для водоснабжения особенно в сельской местности.

К безнапорным относят также межпластовые воды, располагающиеся ниже уровня грунтовых вод, в нижележащих водоносных горизонтах. Питание межпластовых вод происходит только с тех участков, где они выходят на поверхность.

Напорные — артезианские воды образуются лишь при определенных условиях. Чаще такие условия создаются в складчатых областях при мульдообразном или моноклинальном залегании пластов и обязательно при наличии двух водоупорных. На рис. показаны возможные условия образования напорных вод.

Область питания П водоносного пласта находится выше области разгрузки. Линия, соединяющая эти области, называется пьезометрическим горизонтом. Если в какой-нибудь пониженной точке водоносный пласт вскрыть скважиной, то в силу гидростатического давления вода в скважине установится на уровне, близком к пьезометрическому, или даже может фонтанировать. Величина напора будет зависеть от разности высот Д Н водоносного пласта и пьезометрического уровня.

Напорные артезианские воды характеризуются высокой водообильностью, которая зависит от мощности и выдержанности пласта и от площади питания. На конкретном участке может наблюдаться несколько напорных водоносных слоев.

Артезианские воды широко распространены по территории Союза ССР и используются для хозяйственных и бытовых нужд.

Из других видов напорных вод могут быть названы межмерзлот­ные и подмерзлотные, свойственные условиям вечной мерзлоты.

При изучении подземных вод для строительства важное значение имеют их физические и химические свойства.

Характеристиками физических свойств воды являются: темпе­ратура, цвет, прозрачность, вкус, запах, электропроводность, ра­диоактивность.

Наиболее важная из названных характеристик — температура воды, так как она является косвенной характеристикой происхожде­ния и условий циркуляции воды и, кроме того, с изменением темпе­ратуры воды меняется ее растворяющая способность. С повышением температуры растворимость минералов и горных пород обычно растет, растворимость газов, наоборот, падает.

Деление подземных вод по температурному состоянию:

Холодные ...........до 20°

Теплые.............20—37°

Горячие ............37—42°

Очень горячие.........42—100⁹

Перегретые...........более 100°

Холодные подземные воды обычно приурочены к районам распро­странения вечной мерзлоты и к высокогорным областям, покрытым вечным снегом. Подземные воды с высокой температурой встре­чаются на больших глубинах и в вулканических областях. В средней полосе температура грунтовых вод обычно держится на уровне 5—20°.

Температуру воды в открытых бассейнах и источниках измеряют ртутным термометром с градуировкой через 0,5 или 0,2° или электрическими термометрами (полупроводниковые термисторы). В скважинах и колодцах температуру измеряют специальными «ленивым: термометрами. Для того чтобы обычный термометр сделать ленивым нужно его корпус, особенно шарик с ртутью, поместить в кожу из плохо проводящего тепло материала и пространство между стенками кожуха и термометром заполнить войлоком, ватой или мелкой крошкой пробки, оставив открытой шкалу термометра.

При измерениях температуры воды необходимо указать так температуру воздуха, состояние погоды и, конечно, дату.

Для измерений температуры воды применяются также термометры максимума и термометры минимума.

Другие физические показатели состояния воды обычно оцениваю¹ или приближенно или применяют методы, рекомендуемые соответствующими ГОСТ.

При использовании воды на хозяйственно-питьевые нужды оценивается ее санитарное состояние. Эта оценка должна установит степень загрязнения подземных вод сточными водами и пригодности ее для питья. Вода должна быть прозрачной, бесцветной, не запаха и неприятного привкуса, не содержать болезнетворных бактерий (кишечная палочка), больше определенной нормы растворимых веществ.

Важной характеристикой грунтовых вод является их химизм. Знание химизма важно потому, что подземная вода может содержать ионы некоторых химических элементов и растворов и в связи с этим разрушать подземные (подводные) части сооружений, т. е. быть агрессивной по отношению к бетону или металлу.

Недоучет воздействия агрессивных подземных вод на железо бетонные части сооружения может привести к выщелачиванию бетона, образованию пустот, раковин и в конечном счете к полному разрушению сооружения. Зная агрессивность воды, можно подбором состава бетона, использованием определенных марок цемента и применением защитных покрытий избежать разрушающего действий¹ агрессивной воды.

Агрессивность воды определяется на основе химических анализов. В зависимости от содержащихся в воде ионов агрессивность воды может быть кислотной, щелочной, углекислой, сульфатной, магнезиальной.

Кислотная агрессивность определяется концентрацией в воде водородного иона.

В химически чистой (дистиллированной) воде на каждый 10 000 000 молекул приходится один ион водорода, т. е. его концентрация составляет 10"⁷. Упрощенно это записывают так: рН = 7, Вода, содержащая такую концентрацию иона водорода, является нейтральной. Если концентрация иона водорода возрастает (рН < 7), то вода приобретает кислотные свойства, а при рН = 0 становится нормальным раствором кислоты. При уменьшении концентрации водородного иона (рН > 7) у воды появляются нежелательные щелочные свойства (рис. 8), они ведут к выщелачиванию бетона.

Показатель концентрации водородного иона рН имеет большое значение не только при строительстве сооружений, но и в химии, биологии, медицине, сельском хозяйстве.

Углекислая, сульфатная и магнезиальная агрессивность воды порождаются соответствующими ионами: свободной углекислоты СО₂, сульфата SО4 и магния Мg’’. Степень агрессивности воды в этом слу­чае оценивается по соответствующим строительным нормам (СН), на основе которых определяется и коррозионная активность под­земных вод и грунтов.

Другим важным свойством воды является ее жесткость, обусло­вленная присутствием в воде солей щелочно-земельных метал­лов кальция и магния. Жесткость воды особенно важно знать, если она предназначается для промыш­ленного использования в паровых установках. При использовании жесткой воды на стенках и трубах

паровых котлов образуется плохо проводящий тепло и трудно уда­ляемый налет — накипь.

Различают временную и постоянную жесткость. Временная жест­кость создается двууглекислыми солями кальция и магния; после кипячения вода делается мягкой, а названные соли разрушаются и выпадают в осадок. Постоянная жесткость после кипячения не устраняется.

Жесткость воды выражается в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг* экв/л). Наилучшей для питья считается вода с общей жест­костью около 5 мг* экв/л.