Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Вопросы для самоконтроля 1. Как называют процесс разрушения горных пород движущейся водой? 2. Какие отложения формируются вследствие движения ледников? 3. Как принято называть кратковременные горные потоки поверхностных вод, которые несут огромное количество обломочного материала? 137,00 136,00 143,40 б І І а 1 2 3 Рис. 3.32. Схема развития оползня в районе с. Червоный Шлях: а – план; б – разрез по І-І; 1 – овраг разгрузки грунтовых вод; 2 – водопровод; 3 – границы оползня 2 – водопровод; 3 – границы формирования оползня І-І 82 4. Какие методы борьбы с оползнями относятся к активным? 5. Какое название носят продукты выветривания, которые остались на месте их образования? 6. Как называются песчаные холмы, образованные ветром на берегу моря? 7. Дайте определение разрушению морских берегов волнами прибоя. 8. Какое название имеет поверхность, где произошел отрыв и смещение массы грунта на склоне? 9. Как называют часть волноподобной террасы от уреза воды до береговой стенки? 10. Какие продукты смывания дождевыми и талыми водам откладываются в нижней части склона и около его подножья? 11. Какой след оставляют временные потоки на склонах? 12. Как принято называть процесс вынесения из грунта мельчайших и мелких минеральных частиц вместе с фильтрующейся подземной водой? 13. Как называются смещения масс грунта на склонах под влиянием сил веса? 14. Какие методы борьбы с оползнями относятся к пассивным? 15. Какое название носит минерал, отложенный рекою в пределах долины или в дельте? 16. В каком месте откладывается дельтовый аллювий? 17. Назовите продукты селевых потоков, которые образовались у подножья гор. 18. Как принято называть песчаные холмы, образованные ветром в пустыне? 19. Какое название носит минерал, который переносится ветром, выпадает и со временем накапливается? 20. Как называется процесс разрушения морских берегов волнами прибоя? 21. Вследствие какого разрывного движения земной коры образовалось озеро Байкал? 22. Какие отложения формируются вследствие движения ледника? 23. К каким отложениям относится ленточная глина? 24. Как называется процесс превращения осадочных пород в породы скального типа? 25. Какое природное явление называют ледником? 26. Дайте определение процесса, связанного с воздействием движущихся под- земных вод, что приводит к растворению скальных грунтов и образованию пустот. 27. Как называют процесс переноса мелких частиц ветром? 28. Какое название носят насыщенные водой грунты, которые при опреде- ленных условиях переходят в текучее состояние? 83 ЛЕКЦИЯ 4 ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить законы фильтрации, методы определения дебитов совершенного и несовершенного колодцев, траншей, котлованов и взаимодействие водозаборов 4.1. Круговорот воды в природе Вода – одно из наиболее распространенных веществ на земном шаре. Она является составной частью большинства оболочек Земли. Вода, которая входит в состав живых организмов, является неотъемлемой частью биосферы. В виде пара, жидкости и в твердом состоянии мы можем найти ее в литосфере и атмо- сфере. Но обычно основная масса воды сосредоточена в гидросфере. Как видно из таблицы 4.1, в атмосфере одновременно находится около 14 тыс. км 3 воды. С поверхности земного шара ежегодно испаряется и возвра- щается на него в виде осадков 510 – 520 тыс. км 3 воды, то есть в среднем каж- дые 10 суток вся вода в атмосфере заменяется. Этот переход воды из одной сферы в другую и называется круговоротом. Испаряясь с поверхности океанов, морей, озер, рек, суши и растительного покрова (этот процесс называется транспирацией) под действием солнечных лучей или других факторов, вода переходит в атмосферу в виде пара. Далее в процессе перемещения воздушных масс пар переносится, а при определенных условиях сгущается и выпадает на землю в виде дождя, снега, града и др. Осадки также могут образовываться непосредственно на поверхности земли вследствие снижения температуры воздуха до точки росы (роса, иней, изморозь и т. п.). Количество осадков, измеряемое толщиной слоя воды, которая выпала в мм, очень неравномерно распределено на земном шаре. Так некоторые районы Непала и Индии получают по 12000 – 16000 мм (иногда до 20000 мм) в год, а пустыня Атаками в Чили – всего лишь 1 – 7 мм в год. Лишь около 20 % выпавшей с осадками воды, идет в стоки, 20 % инфильтруется в толщу горных пород, а 60 % возвращается в атмосферу, испаряясь. С этой точки зрения интересно наблюдать так называемые «сухие» дожди в районах с жарким климатом, когда дождевая вода испаряется раньше, чем капли достигнут поверхности земли. Прежде всего необходимо выделить, какие круговороты осуществляет вода. Большимназывается круговорот, при котором часть водного пара, обра- зованного в результате испарения воды морей и океанов, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков и стекает снова в моря и океаны в виде поверх- ностного и подземного стоков. При малом круговороте часть воды, испарив- шаяся с поверхности морей и океанов, выпадает здесь же в виде осадков. Внутренний (материковый) круговорот обеспечивается водой, которая испа- ряется из рек, озер, суши и там же выпадает в виде осадков (рис.4.1). 84 Таблица 4.1 Распределение воды в гидросфере Часть гидросферы Объем воды, тыс. км 3 Часть от общего объема, % Мировой океан 1 370 323 93,96 Подземные воды, 60 000 4,12 в том числе в зоне активного обмена 4 000 0,27 Ледники 24 000 1,65 Озера 280* 0,019 Грунтовая влага 85** 0,006 Пар атмосферы 14 0,001 Речные воды 1,2 0,0001 Всего 1454703 ≈100 * в т.ч. около 5 тыс. км 3 воды в водохранилищах; ** в т.ч. около 2 тыс. км 3 воды в оросительных системах. Как было сказано выше, часть воды инфильтруется в толщу горных пород и достигает уровня подземных вод. На пониженных местностях подземные воды выходят на поверхность в виде источников, болот. Таким образом, в общий круговорот включаются и подземные воды. Рис. 4.1. Схема круговорота воды в природе Перенос ветром Испар ен ие Оса дк и Поверхностный сток Подземный сток Перенос ветром 85 4.2. Происхождение и формирование подземных вод Оценить запасы подземных вод довольно сложно, поэтому, по данным разных ученых, их количество может значительно колебаться. Например, Н.А. Плотников оценивает запасы подземных вод в 100 млн км 3 . Большинство исследователей сходятся на величине около 60 млн км 3 Конечно, человечество давно стремилось выяснить происхождение под- земных вод. Поскольку процесс инфильтрации распространен почти всюду, то одной из первых теорий их происхождения стала инфильтрационная. Впер- вые она появилась в I в. до н. э. (в работах Марка Витрувия Поллио). Значи- тельное распространение она получила в XVII – XVIII в. благодаря изысканиям Б. Палисси, Э. Мариотта, М.В. Ломоносова и других ученых того времени. Однако еще раньше, в IV в. до н. э., древнегреческий философ Аристо- тель высказал мысль, что, хотя источником всех вод на Земле есть атмосфера, питание рек происходит двояким путем: во-первых, за счет дождевых вод, во-вторых, главным образом водами, которые образуются в многочисленных земных холодных пустотах путем конденсации в них паров воздуха, поступаю- щего из атмосферы. Итак, Аристотель стал основоположником конденсаци- онной теории. В XIX в. эту теорию развивал О. Фольгер, тем не менее широкое распространение она приобрела лишь после широкомасштабных эксперимен- тов и наблюдений, проведенных А.Ф. Лебедевым в 1907 – 1919 гг. По теории Фольгера, атмосферный воздух проникает в поры грунта и, сталкиваясь с холодной поверхностью частиц, отдает им часть своей влаги. Лебедев А.Ф. же доказал, что происходит миграция не атмосферного воздуха, а лишь водяного пара за счет разности его упругости в атмосферном и в грунтовом воздухе. Современными исследованиями установлено, что основным видом пита- ния подземных вод, которые находятся в зоне активного водообмена, является инфильтрация осадков, поскольку за счет конденсации грунт получает лишь несколько десятков миллиметров воды в год. В последние годы почти все ученые рассматривают конденсационную теорию совместно с инфильтрационной, поскольку влага в этих видах питания имеет атмосферное происхождение. Между тем, эти теории не могут объяснить происхождения высокоминерализованных вод и рассолов в глубоких пластах осадочных толщ. По этой причине возникла так называемая седиментацион- ная теория происхождения подземных вод. Согласно этой теории, высоко- минерализованные воды в породах – это остаточные (реликтовые) воды старин- ных морей, которые образовалось одновременно с отложениями осадков в морских бассейнах и в настоящее время сохранили свой состав в неизменном виде. Эта теория имеет еще название реликтовой. В 1902 г. известный австрийский геолог Э. Зюсс предложил ювенильную теорию происхождения подземных вод. В соответствии с этой теорией, образо- вание подземных вод происходит за счет выделения пара из магмы, который, конденсируясь, поднимается по глубоким тектоническим трещинам и разломам и появляется на поверхности в виде минеральных источников. Исследования 86 показывают, что в магме находится 0,5 – 8 % (а в некоторых случаях до 15 %) воды. По данным голландского ученого Ф. Кюэнена, ежегодно из недр Земли поступает около 0,4 км 3 ювенильных вод. Однако, принимая во внимание неко- торые теории формирования Земли как планеты, можно сделать предполо- жение, что почти все воды имеют ювенильное происхождение. Исключение составляет вода, которая образуется за счет потока космических частиц. При этом протоны захватывают в верхних пластах атмосферы электроны и превра- щаются в атомы водорода, которые вступают в реакцию с кислородом и обра- зуют воду. По данным Л.С. Абрамова, таким образом получается около 1,5 км 3 воды в год, выпадающей в виде осадков на Землю. С другой стороны, под действием космического излучения молекулы воды, которые попали в высокие слои атмосферы, распадаются на ионы и частично теряются в открытом космосе, преодолевая силу тяготения Земли. Наибольший интерес, конечно, вызывают воды, которые находятся в верхних пластах земной коры, так как именно с ними приходится иметь дело строителям. Накопление подземных вод можно представить как динамический процесс их образования под действием силы тяжести, капиллярных и молеку- лярных сил вблизи поверхности Земли. Так, во время наводнения речные воды просачиваются в аллювиальные отложения и вызывают подъем уровня грунто- вых вод. Таким образом появляются пресные подземные воды. Во время мелиорации земель возникают пласты пресных вод, которые плавают сверху соленых, а результатом растворения пластов соли является появление соленых и рассольных вод. Накопление вод может происходить и другим путем. Формирование химического состава подземных вод – это продолжитель- ный физико-химический процесс их преобразования, который проходит на разной глубине, в условиях разных температур и давления, испарения, сопро- вождается конденсацией и другими явлениями. 4.3. Виды воды в порах горных пород Поры и трещины горных пород всегда содержат воду в газообразном, жидком или твердом состоянии. Существуют разнообразные классификации видов воды в горных породах. В инженерной геологии принята классификация, которая была предло- жена А.Ф. Лебедевым (1930), а потом уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характера физико- химического взаимодействия воды с минеральными частицами пород. Таким образом, имеем современный вариант классификации А.Ф. Лебедева: 1. Вода в состоянии пара (водный пар) 2. Свободная вода: - гравитационная; - капиллярная. 87 3. Физически связанная вода: - крепкосвязанная – адсорбированная (гигроскопическая) вода; - слабосвязанная (пленочная) вода. 4. Вода в твердом состоянии (лед). 5. Вода в кристаллической решетке минералов (химически связанная): - конституционная; - кристаллизационная; - цеолитная. Водяной пар заполняет поры песчано-глинистых и крупнообломочных пород, а также трещины и пустоты скальных пород. Здесь воздух обычно насы- щен парами воды, то есть имеет относительную влажность 100 % или близкую к тому. Под влиянием изменения температуры и давления пар может конден- сироваться и, наоборот, жидкая вода превращаться в пар. Пар перемещается из мест с более высокой температурой в места с более низкой температурой, где упругость водных паров меньше. В связи с этим зимой движение пара направ- лено к верхним слоям горных пород, а летом – наоборот, вглубь земли. Тем самым пар воды в порах пород находится в постоянном динамическом равно- весии с другими видами воды и с паром воды в атмосфере. Свободная гравитационнаявода – это подземная жидкость, которая движется в порах и трещинах горных пород под действием силы гравитации. Гравитационная вода имеет все свойства, которые присущи обычной воде: спо- собность растворять, передавать гидростатическое давление, во время движе- ния вызывать гидродинамические силы, которые влияют на минеральные частицы пород. Гидростатическое давление воды, которая находится в порах породы, уменьшает массу ее скелета соответственно закону Архимеда, а также создает давление на подошву фундаментов сооружений, построенных ниже уровня грунтовых вод. Свободная капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты и тончай- шие трещины в породах. Она поднимается от уровня грунтовых вод вверх по капиллярным пустотам под действием силы поверхностного натяжения на гра- нице раздела воды и воздуха, образуя выше уровня подземных вод зону капил- лярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой. Высота капиллярного поднятия воды достигает в песках 0,15 – 1,0 м, в суглинках 2 – 4 м, в глинах 5 – 20 м. В определенных условиях вода может заполнять капилляры, не имея непосредственной связи с уровнем подземных вод. Такие воды, в отличие от капиллярно поднятых, называются капиллярно подвешен- ными. Физически связанная вода может быть крепко связанной (гигроско- пической) и слабо связанной (пленочной). Гигроскопической водой называют ту, которая образовалась в процессе конденсации водяного пара путем адсор- бирования ее минеральными частицами. Гигроскопическая вода не подлежит влиянию силы гравитации, не передает гидростатического давления, не имеет способности растворять вещества. Она имеет плотность до 1,7 т/м 3 и не замер- 88 зает при температуре до минус 78 ºС. При нагревании породы до температуры 105 ºС гигроскопическая вода полностью удаляется. Различают неполную и максимальную гигроскопичность. При макси- мальной гигроскопичности вода покрывает всю поверхность частиц тонкой пленкой толщиной до 0,008 мкм. Последние исследования дали возможность выделить два слоя крепко связанной воды. Первый, который непосредственно прилегает к частице породы, обычно наблюдается при влажности, близкой к неполной гигроскопичности. Второй – (неподвижный по мнению Б.В. Деряги- на) имеет толщину 1 – 3 молекулы, состоит из ориентированных молекул, а при увлажнении выделяет теплоту. По своим свойствам эта вода близка к твердому телу. Этот слой воды имеет четко выраженную границу, которая отделяет его от следующего «верхнего» слоя также крепко связанной воды. Его толщина составляет несколько молекул, ориентация которых менее соблюдена, а тепло при увлажнении не выделяется. Этот слой еще называют сольватным, или осмотическим, что соответствует влажности породы, равной максимальной гигроскопичности. Максимальная гигроскопичность обусловлена величиной минеральных частиц, из которых состоит горная порода, и составляет в песках – до 1%, в суглинках – до 7%, в глинах – до 21% массы частиц. Гигроскопи- ческую воду не могут усваивать растения (рис.4.2). Пленочная вода, как и гигроскопическая, покрывает поверхности мине- ральных частиц глинистых пород пленкой толщиной 0,25 – 0,5 мкм. Эта вода также может быть отделена от частиц только путем высушивания. Образова- ние пленочной воды не сопровождается выделением теплоты увлажнения. Она может перемещаться от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной пленки независимо от действия силы гравитации. Скорость движения ее зависит от температуры, а способность растворять существенно снижена, причем пленочная вода замерзает при температуре ниже нуля, а гидростатического давления передавать не может. В классификации А.Ф. Лебедева гигроскопическая вода вместе с пле- ночной называется молекулярной водой. Самое большое количество такой воды, которое удерживается горной породой, называется максимальной моле- кулярной влагоемкостью. Она составляет в песках 1 – 7 %, в супесях 9 |