Грунтовые воды

 

 Грунто́вая вода́ — гравитационная вода первого от поверхности Земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Имеет свободную водную поверхность и обычно над ней отсутствует сплошная кровля из водонепроницаемых пород.

Грунтовые воды оказывают  разрушающее влияние на бетон и другие строительные материалы.

При возведении сооружений грунтовые воды исследуют на агрессивность. Различают следующие типы агрессивности.

• Общекислотная. Водородный показатель воды меньше 6. Повышается растворимость карбоната кальция. В зависимости от марки цемента и значений pH агрессивность воды различна: при pH < 4 наибольшая, при pH = 6,5 — наименьшая.
• Выщелачивающая. Вода содержит более 0,4—1,5 мг экв. гидрокарбоната. Проявляется в растворении карбоната кальция и выносе из бетона гидроксида кальция. Степень агрессивности воды определяется растворимостью карбоната кальция. Вынос гидроксида кальция увеличивается в присутствии хлорида магния, который вступает в обменную реакцию с гидроксидом кальция, образуя хорошо растворимый хлорид кальция.
• Магнезиальная. Вода содержит более 750 мг/л магния двухвалентного. Предел допустимой концентрации ионов магния зависит от марки цемента, условий, конструкции сооружения, содержания сульфатных ионов и изменяется в широких пределах: от 1,0 до 2,5 %.
• Сульфатная. Вода содержит свыше 67890 мг/л сульфатных ионов. Присутствующие в воде в больших концентрациях сульфатные ионы, проникая в бетон, при кристаллизации образуют кристаллогидрат сульфата кальция, являющийся причиной вспучивания и разрушения бетона.
• Углекислотная. Вода содержит свыше 3—4 мг/л углекислоты. Растворение карбоната кальция под воздействием растворённого диоксида углерода с образованием легкорастворимого гидрокарбоната кальция провоцирует процесс разрушения бетона.

Количество воды в грунте зависит от:

1) количества атмосферных  осадков; 

2) рельефа местности; 

3) интенсивности испарения  воды;

4) водопроницаемости грунта;

5) гранулометрического состава,  обусловливающего большую или  меньшую поверхность частиц грунта.

Исследование грунтовых  вод заключается в определении  скорости и направлении грунтового потока, определении химического  состава воды и стационарных наблюдений за режимом грунтовых вод.

На основании результатов  пробных откачек, определяющих приток воды и понижение уровня, составляются диаграммы и карта депрессии  в горизонталях, рассчитывается скорость движения грунтовых вод.

По нескольким скважинам, расположенным по треугольникам, а  на малой площади по трем таким  скважинам, общее направление потока грунтовых вод определяется графически, пользуясь отметками уровней  воды, отмеченных одновременно в скважинах. При наблюдениях на значительной площади отметки уровней воды многих скважин наносятся на план для вычерчивания горизонталей, по которым определяется общее направление  потока. В ответственных случаях  рекомендуются длительные исследования грунтовых вод, для чего требуется  наблюдение колебаний их уровня по временам года от атмосферных осадков. Для этой цели назначаются две-три  скважины, из которых две должны быть по линии стока.

Наблюдения грунтовых  вод идут попутно с метеорологическими наблюдениями атмосферных осадков  и измерениями уровня воды в ближайшем  открытом водоеме.

Продолжительность выливания  каждого сосуда указанной емкости  не должна отличаться более, чем на 5—10%.

Вычисления сводятся к  следующему: пусть объем мерных сосудов  — продолжительность выливания  площадь фильтрующего коэфициент фильтрации данного грунта при напорном градиенте  будет равен:

Грунтовая вода, проходя  в грунте, поглощает и содержит углекислоту, хлористые, марганцевые, сернокислые соединения, железо и  различные органические вещества.

Такая грунтовая вода разрушающе действует на сооружения, и потому присутствие вредных примесей в  воде должно быть обнаружено химическим исследованием и прежде всего  в полевых условиях.

Грунтовые воды и  их режим.Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли стабильного водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или верхней трещиноватой части коренных пород, залегающего на первом от поверхности, выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения водопроницаемых пород. Верхняя граница зоны насыщения называется уровнем или зеркалом грунтовых вод. Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом, мощность которого определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. Она изменяется в пространстве и во времени. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, местами за счет инфильтрации вод рек и других поверхностных водоемов. По гидравлическим свойствам  грунтовые воды безнапорные со свободной  поверхностью. Уровень воды в буровых  скважинах и колодцах, вскрывающих  грунтовые воды, устанавливается  на высоте, соответствующей верхней  границе их свободной поверхности. Выше уровня грунтовых вод располагается  капиллярная кайма. Движение грунтовых вод  подчиняется силе тяжести и осуществляется в виде потоков по сообщающимся порам  или трещинам. Зеркало грунтовых вод до известной степени повторяет рельеф поверхности, и грунтовые потоки движутся от повышенных участков (начиная от водораздела грунтовых вод) к пониженным участкам (оврагам, рекам, озерам, морям), где происходит их разгрузка в виде нисходящих источников (родников) или скрытым субаквальным рассредоточенным способом (например, под водами русел рек, дном озер и морей). Такие области называются областями разгрузки или дренирования (франц. "дренаж" - сток). Грунтовый поток, направленный к местам разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной. Течение грунтовой воды называется фильтрацией. Она зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) градиента, а также от водопроницаемости горных пород. Движение грунтовых вод  через относительно мелкие поры и  неширокие трещины происходит в  виде отдельных струек и называется ламинарным (параллельно-струйчатым) и  только в галечниках, сильно трещиноватых и закарстованных породах приобретает местами турбулентный характер. Скорость движения воды V, по линейному закону А. Дарси, пропорциональна коэффициенту проницаемости (коэффициенту фильтрации) К и гидравлическому градиенту J: V=KJ, где J=h (разница высот) /е (пройденное расстояние). Скорость движения воды в  песках от 0,5 до 1-5 м/сут, в галечниках значительно увеличивается. Особенно большая скорость потока грунтовых вод местами наблюдается в крупных подземных карстовых каналах и пещерах. Расход грунтовых вод (Q) прямо пропорционален гидравлическому градиенту (J) и площади поперечного сечения (F): Q = KJF, или Q=VF. Режим грунтовых вод. Зеркало  грунтовых вод, количество и качество их изменяются во времени. Это тесно  связано с меняющимся количеством  инфильтрующихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков (включая и снеговой покров) уровень грунтовых вод повышается, а в маловодные годы понижается. При таких колебаниях некоторые слои пород то заполняются водой, то осушаются. В результате периодически появляется зона переменного насыщения, находящаяся над зоной постоянного насыщения . Вместе с колебанием уровня грунтовых вод изменяется дебит (франц. "дебит" - расход) источников, а иногда и химический состав. В режиме грунтовых вод  определенное значение имеет также  их взаимодействие с поверхностными водотоками и другими водоемами. Направленность процессов взаимодействия во всех случаях определяется соотношением уровней подземных и поверхностных  вод, что связано с рядом факторов, среди которых важнейшее значение имеют климатические условия. В  районах с влажным и умеренным  климатом реки, как правило, дренируют  подземные воды, уровень которых  имеет наклон к реке, но во время  половодья и паводков происходит отток воды из реки и повышение  уровня грунтовых вод . В этом случае реки выступают  в качестве временного дополнительного  источника питания подземных  вод, в результате происходит сокращение или полное прекращение разгрузки  грунтовых вод в бортах долины реки. После спада паводка уровень  грунтовых вод, стремясь к равновесию, постепенно снижается и приобретает  свой обычный уклон к реке. В  районах с аридным климатом, где  количество атмосферных осадков  очень мало, уровень грунтовых  вод нередко понижается от реки. В этих условиях происходит инфильтрация воды из рек, пополняющая подземные  воды. Такая инфильтрация имеет место  из рек Амударьи и Сырдарьи при  пересечении ими степных районов. В аридных областях могут формироваться  линзы пресных вод под такырами и вблизи каналов. При изучении режима грунтовых  вод важно знать: 1) высотное положение  их уровня и уменьшение его во времени  и по площади; 2) дебит источников; 3) количество выпадающих атмосферных  осадков; 4) изменение уровня воды в  поверхностных водоемах и реках, с которыми связаны грунтовые  воды. Изучение этих вопросов и систематические замеры уровня грунтовой воды в колодцах и специальных буровых скважинах производятся на многочисленных режимных гидрогеологических станциях. По результатам этих замеров, соответствующих определенному времени, строятся карты гидроизогипс (греч. "изос" - равный, "гипсос" - высота), на которых отражаются линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. По карте гидроизогипс можно определить направление грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и зависимость его уклона от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта. Изучение режима грунтовых вод имеет большое значение при решении ряда важнейших народнохозяйственных задач. К ним относятся питьевое и промышленное водоснабжение, мелиорация земель, строительство гидростанций и других крупных промышленных сооружений. Во всех случаях необходим точный прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и по площади. Межпластовые ненапорные воды. Эти безнапорные воды располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми пластами. Обычно они встречаются на приподнятых междуречных массивах в условиях расчлененного рельефа (местной гидрографической сети) и выходят в виде нисходящих источников в береговых склонах оврагов, рек и других поверхностных водоемов .

   Свойства грунтов. Особенные условия существования грунтовых вод в толщах рыхлых пород заставляют нас прежде всего остановиться на некоторых физических свойствах этих грунтов. Среди этих свойств особенное значение имеют: пористость пород, их влагоемкость, капиллярные свойства и водопроницаемость.

Пористость грунтов. Отношение пустот в грунте к объему всего сухого грунта называют пористостью грунта. Пористость обычно выражается в процентах. Определить ее можно так: сосуд объемом в 1 л нужно наполнить сухим песком. Затем осторожно из мензурки приливать воду в сосуд с песком до полного насыщения всего песка   влагой. Допустим, что для этого требовалось 250 см³ воды. Отношение 250/1000=0,25, или 25%, как раз и будет определять пористость   взятого   нами   песка.

Пористость различных  рыхлых пород далеко не одинакова. Так, у крупного речного песка пористость выражается приблизительно 15—25%, у  гравия — 35%, у глины — 50—55%, у  торфяного грунта — 80% и т. д.

Влагоемкость грунтов. От пористости пород в значительной степени зависит и их влагоемкость, т. е. способность породы удерживать в себе то или другое количество воды. Наименьшей влагоемкостью отличаются плотные каменные породы, а наибольшей — обломочные рыхлые породы, что хорошо видно из приведенной таблицы.

Капиллярные свойства грунтов. Огромную роль в жизни грунтовых вод играют размеры и форма тех зерен (или частичек), из которых состоит обломочная порода. Чем крупнее зерна, тем крупнее просветы между ними, и наоборот (рис. 98). А размеры просветов определяют капиллярные свойства породы.

Из физики известно, что  высота поднятия воды в капиллярной  трубке обратно пропорциональна  диаметру трубки. Так, для трубки диаметром  в 1 мм высота поднятия воды (при 15° С) равна 0,29 см, при диаметре 0,1 мм — 29 см, при диаметре 0,01 мм — 2 м.

Опыты, производившиеся над  различными грунтами (рис. 99), показали, что высота поднятия воды в грунтах  зависит от размеров зерна (или, точнее, от размеров тех просветов, которые  между этими зернами образуются). Так, высота поднятия воды в обломочных породах, диаметр зерна которых  колеблется от 1 до 0,5 мм, равна 1,31 см, для зерен диаметром 0,2—0,1 мм — 4,82 см, для зерен диаметром 0,1—0,05 мм — 10,5 см и т. д.

Различное состояние  воды в грунтах. Вода в грунтах может находиться в трех основных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Твердая вода может находиться только при температурах ниже 0°. Она

неподвижна и в данном случае нас мало интересует. Гораздо важнее жидкая и газообразная вода, которая находится в движении.

Жидкая вода в грунтах  может быть в виде пленочной и  гравитационной.

Пленочная вода, как мы уже имели случай упоминать, обволакивает каждую частичку грунта. Толщина водяной пленки зависит от влажности породы, но имеет предел, который определяется величиной молекулярных сил. (Минимальная толщина пленки равна диаметру молекулы воды). Пленочная вода движется, как и жидкость, но передвижение ее не зависит от сил тяжести. Пленочная вода удерживается каждой частицей грунта с большой силой и может быть удалена только с трудом (например, путем испарения).

Гравитационная  вода в отличие от пленочной не попадает в радиус эффективного действия молекулярных сил, а движется вниз под влиянием сил тяжести через поры, находящиеся между зернами (или частичками) породы. Скорость передвижения гравитационной воды во много раз превосходит скорость движения пленочной воды. Гравитационная вода движется в сторону накло-на поверхности водоупорного пласта и только под влиянием гидростатического давления может иметь и восходящее движение.

Само собой разумеется, что гравитационная вода представляет для нас наибольший интерес, ибо  она как раз и составляет главную  массу подземных потоков, озер, источников и колодцев.

Газообразная вода может  находиться только в порах грунта (в просветах между зернами  породы). В тех случаях, когда водяные  пары насыщают «подземную атмосферу», упругость водяных паров в  просветах и порах влажной  породы будет зависеть только от температуры. Последнее обстоятельство имеет  большое значение в процессе увлажнения грунта путем   конденсации  водяных   паров,   поступающих   из   воздуха.

Согласно наблюдениям, производившимся  в окрестностях Одессы проф. А. Ф. Лебедевым, почва указанным путем получает в год от 15 до 25% общего количества выпадающих здесь атмосферных осадков. Эта величина настолько значительна, что заслуживает большого внимания. В пустынях и полупустынях ночью условия конденсации паров в почве особенно благоприятны. Таким образом, было доказано, что значительная часть грунтовых вод образуется не только из атмосферных осадков, но также и путем непосредственной конденсации в грунте водяных паров из воздуха.

Как бы переходом между  жидкой и газообразной водой в  грунтах является вода гигроскопическая. Гигроскопическая вода окружает каждую частицу породы не сплошным слоем изолированных  молекул.

В тех случаях, когда водяных  молекул бывает много, они сливаются  в сплошную пленку, толщина которой  равна диаметру одной молекулы.. Это так называемая максимальная гигроскопичность, которая наблюдается при относительной влажности «подземной атмосферы» в 100%. Переход водяного пара в гигроскопическую воду сопровождается выделением тепла. Гигроскопическая вода перемещается из одних слоев грунта а другие, только переходя в парообразное состояние.

Парообразная и гигроскопическая вода особенный интерес представляет для почвоведения.

Происхождение грунтовых  вод. Человек с давних пор широко использовал грунтовые воды в хозяйственных целях, а потому, естественно, очень давно стал задумываться над их происхождением. Первые «теории» происхождения грунтовых вод носили чисто фантастический характер. Говорилось, например, что земля «родит» воду, что в земле существуют особые неиссякаемые озера, откуда вода выходит на поверхность. Существовало даже и такое мнение, что вода океанов проникает в грунт материков и дает грунтовую воду. Последний взгляд пользовался особенно широким распространением и держался в науке почти до начала XVIII в.

Наряду с фантастическими  гипотезами существовали объяснения, приближающиеся к истине. Так, по мнению Аристотеля, дождевые и снеговые воды частью испаряются, частью впитываются  горными породами и образуют источники. Еще ближе к истине подходил римлянин Марк Витрувий Поллин, который говорил, что грунтовые воды образуются повсюду из вод атмосферных осадков. Однако только в начале XVIII в. эти объяснения стали проникать в европейскую науку.

В конце XVII в. (1686 г.) французский физик Мариотт впервые, на основании тщательных наблюдений, сумел доказать, что грунтовые воды происходят из атмосферных осадков, просачивающихся в землю. Выводы Мариотта, дополненные и уточненные последующими исследователями, все прочнее и прочнее входили в науку и в настоящее время упрощенно могут быть выражены в следующем виде. Вода, падающая на сушу в виде атмосферных осадков, частью стекает в ручьи и реки, частью испаряется и частью просачивается в грунт. Вода, проникшая в грунт, доходит до водоупорного слоя, и здесь ее движение вглубь прекращается. Накопляясь на поверхности водоупорного слоя, она обильно пропитывает вышележащие породы и образует так называемый водоносный слой. Эта теория, объясняющая происхождение грунтовых вод путем просачивания в глубь земли вод атмосферных осадков, носит название инфильтрационной.

Однако указанный способ происхождения грунтовых вод  нельзя считать единственным. Трудами  наших русских ученых (А. Ф. Лебедев  и другие) было доказано, что подземные  воды могут получаться еще путем  конденсации водяных паров непосредственно  в толще грунтов. Грунтовая вода, образованная путем конденсации  водяных паров атмосферы непосредственно  в грунтах, носит название конденсационной.

Зеркало грунтовых  вод. Мы уже говорили о том, что подземные воды, достигнув водоупорного слоя, прекращают свое движение вглубь и, собираясь на поверхности водоупорного слоя, образуют так называемый водоносный слой или водоносный горизонт. Водоносный слой снизу ограничен поверхностью водоупорного слоя, форма которой может быть весьма различна (рис, 101). Верхняя поверхность водоносного слоя обычно бывает плоская и носит название «зеркала» грунтовых вод. Это «зеркало» мы имеем возможность видеть в любом колодце.