Основы геологии. Контрольная работа по дисциплине Основы инженерной геологии и гидрогеологии

• Название: Контрольная работа по дисциплине Основы инженерной геологии и гидрогеологии
• Дата: 13.12.2022
• Размер: 1.04 Mb.
• Имя файла: Основы геологии.doc
• Тип: Контрольная работа; #842975
• страница: 3 из 4

4 Типы водоносных горизонтов

Типы водоносных горизонтов

Водоносный горизонт - это слой грунта, который содержит в порах или трещинах значительное количество воды. Отметим, что вода может двигаться через водоносный горизонт, причем относительно быстро.

Водоупором называется слой, который практически не пропускает через себя воду. При этом водоупорный слой может как содержать в себе воду (например, глина), так и не содержать ее совсем (например, монолитный скальный грунт).

Полупроницаемым слоем называется такой, через который возможно медленное движение воды. Однако, если такие отложения залегают на больших горизонтальных площадях, они часто также пропускают через себя значительные количества воды и должны учитываться в гидрогеологических прогнозах. Типы водоносных горизонтов изображены на рис. 1.

Водоносный горизонт можно рассматривать как подземную емкость (резервуар). Вода попадает туда либо естественным путем - инфильтрующиеся атмосферные осадки, разгрузка из выше- или нижележащих горизонтов, рек, озер, либо искусственным, через нагнетательные скважины. Вода покидает такой резервуар также либо естественным путем - сток в реки, озера, другие слои, на поверхность (источники), либо искусственным, через откачивающие скважины (см.рис.1).

Напорный горизонт (пласт), часто называемый артезианским, ограничен сверху и снизу водонепроницаемыми отложениями. Если такой водоносный горизонт вскрывается буровой скважиной, вода в ней поднимается вверх и иногда может даже изливаться на земную поверхность- Уровень воды в скважинах, вскрывающих напорный водоносный горизонт, соответствует некой воображаемой поверхности, которая называется пьезометрической, или напорной.

Безнапорный пласт - это водоносный горизонт, в котором отсутствует верхний водоупор. Если буровая скважина вскрывает такой горизонт, вода в ней не поднимается.

Грунтовым горизонтом называют безнапорный или напорно-безнапорный пласт, который залегает на первом от поверхности водоупорном слое, распространенном на всей изучаемой площади. Такой водонепроницаемый пласт обычно называют региональным водоупором.

Выше грунтового горизонта находится зона аэрации - зона, где заполнены водой не все поры или трещины. Вода в ней удерживается капиллярными силами. Через зону аэрации происходит инфильтрация атмосферных осадков.

Особой разновидностью безнапорного водоносного горизонта является верховодка. Это вода, залегающая в зоне аэрации на ограниченных по площади (метры, десятки метров) непроницаемых или полупроницаемых отложениях.

Водно-физические свойства грунтов

Любой грунт состоит из твердых, обычно минеральных частиц и пустот. Если объем этих пустот в общем объеме грунта V обозначить V’, то величина, равная их отношению, будет характеризовать степень пустотности грунта

n = V’/ V <1.

Величина n называется общей пористостью. Она измеряется в долях единицы или в процентах. Очевидно, что чем больше пористость породы, тем больше в ней может поместиться воды, тем больше ее влагоемкость.

Однако для характеристики грунтов по отношению к воде важна не только величина общей пористости, но и размер самих пор. Так, в глинах, сложенных частицами размером меньше 5*10^-6 м, общая пористость достигает 0.45 и более, однако воду они почти не пропускают. Водa удерживается на поверхности частиц молекулярными силами. Пески, чья пористость обычно не превышает 0.30 - 0.33, напротив, очень хорошо пропускают через себя воду.

Способность удерживать воду является важной водно-физической характеристикой грунтов; Если извлечь образец из водоносного горизонта, часть воды через какое-то время вытечет из него, а часть останется в порах. Будем считать, что объем исходного образца был единичным. Тогда первая называется гравитационной водоотдачей (S), вторая -максимальной молекулярной влагоемкостью (п'). Как и пористость, S и п' измеряются в процентах или долях единицы. По величине гравитационной водоотдачи можно судить о том объеме пoрового пространства, через который, реально может двигаться вода (активная пористость)

S = п - п'.

Влагоемкость и водоотдача характеризуют емкостные свойства грунтов.

Другой и также очень важной водно-физической характеристикой грунта является его способность пропускать через себя воду. Она оценивается коэффициентом фильтрации k. Последний представляет собой коэффициент пропорциональности между расходом потока Q через образец грунта длиной L, площадью поперечного сечения F и разностью давлений ΔН на концах этого образца

Q=kFДH / L.

Размерность k соответствует размерности скорости. При единичном перепаде давления коэффициент k численно равен расходу воды. Коэффициент фильтрации зависит от свойств не только породы, но и жидкости. Hо так как физические свойства пресных вод практически не отличаются, этим обычно пренебрегают. Пресными называют воды, содержащие в 1 л не более одного грамма растворенных солей.

В подземной гидродинамике вместо системных единиц давления принято использовать напор в метрах.водного столба. Давление столба воды высотой 10 м приблизительно соответствует 1 атм или 1 кг на квадратный сантиметр, или 100 кПа.

Зависимость (1) называется законом Дарси, по имени французского гидродинамика, открывшего этот закон.

Реальные грунты редко бывают сложены чистыми песками или глинами. Как правило, в их строении принимают участие гравийные, песчаные, илистые и глинистые частицы, иногда галька и даже валуны. В зависимости от относительного содержания тех или иных частиц выделяют пески чистые, глинистые, различные категории суглинков (много глинистых частиц) и супесей (много песчаных частиц). Хорошо известно, что кроме того встречаются и скальные грунты, в которых вода содержится в основном в трещинах.

В табл.1 приведены характерные значения пористости п, коэффициента фильтрации k и гравитационной водоотдачи S некоторых типичных не сильно уплотненных грунтов. Разность n-S отвечает максимальной молекулярной влагоемкости. Таблица 1

Грунт______________ __ n k, м/сут S

Песчаник__________ 0.25 1,0 1.0

Глина____________ 0,45 <0.001 0.05

Суглинок____________ 0.40 0.01 0.10

Супесь_____________ 0.40 0.05 0.20

Песок мелкий глинистый 0.35 0.1 0.30

Песок среднезернистый 0.33 1.0 0,32

Песок крупнозернистый 0.30 5.0 0.29

Гравий______________ 0.25 10.0 0.24

Какова же реальная скорость движения подземных вод? Разделим обе части уравнения (1) на сечение потока. Тогда в левой части получится его скорость v

V = kH/L. (2)

Если вспомнить, что перепады уровней подземной воды в природе как правило не превышают нескольких метров на километр, становится очевидным, что скорость ее движения незначительна. Так, в песке

с k=1 м/сут (табл.1, песок среднезернистый) и перепадом уровней 1 м на 1 км скорость движения воды составит 1 мм/сут. Однако, поделив расход на всю площадь сечения, мы посчитали, что вода движется через весь объем породы. А на самом деле мы знаем, что вода движется через объем, равный активной пористости.

Правильно ли делить расход на всю площадь сечения? Если нас интересует лишь расход воды, неважно, через какое сечение он пришел к скважине - мы все равно получим нужный объем. А вот если нас интересует скорость распространения загрязнения, очевидно, необходимо определить истинную скорость движения воды. Так, в нашем примере, поделив скорость на гравитационную водоотдачу. определим, что истинная скорость V' будет равна

V= v/S = 0,001 / 0,32 = 0,003125

или около трех миллиметров в сутки.

Скорость, определенную по зависимости (2), называют скоростью Дарси. чтобы отличить ее от истинной скорости.

Если изучается распространение загрязнений в подземной гидросфере, необходимо также оценить сорбционную емкость грунтов. Поверхность илистых и глинистых частиц обычно заряжена отрицательно, и за счет электростатического притяжения удерживает некоторое количество положительно заряженных ионов (катионов). Обычно это количество измеряется в миллиграмм-эквивалентах на сто граммов породы и называется сорбционной емкостью грунта.

Если в грунт, содержащий такие частицы, попадает загрязнитель, также представленный катионами, в некоторых случаях начинается процесс обмена катионов между сорбционной емкостью и раствором. Направление и интенсивность этого процесса зависят, с одной стороны, от конкретных ионов и их концентраций, а с другой стороны - от минерального состава глинистых частиц. Сорбционная емкость глин, например, меняется от 5 - 10 до нескольких сотен миллиграмм-эквивалентов на 100 г сухой породы в зависимости от их минерального состава, Песчаные частицы практически не сорбируют катионы.

Свойства водоносных горизонтов

Для решения задач управления водными ресурсами наиболее важными свойствами водоносного горизонта являются водопроводимость и емкость. Если изучается распространение загрязнений в подземной гидросфере, необходимо оценить сорбционную емкость пласта в целом, а также способность пласта к рассеиванию загрязнителя.

Водопроводимость зависит от коэффициента фильтрации и площади сечения пласта. Понятно, что для напорного пласта эта величина постоянна во времени, так как постоянна его мощность(расстояние от верхнего до нижнего водоупора). Единицей измерения проводимости как раз и служит произведение коэффициента фильтрации и мощности. Мощность безнапорного горизонта не является постоянной во времени, и это необходимо учитывать в расчетах.

Емкость пласта - это безразмерный коэффициент, определяющий изменение объема воды в нем вследствие изменения напора (уровня воды). Физический смысл этого коэффициента также различен для напорных и безнапорных водоносных горизонтов. Для напорного пласта этот коэффициент характеризует, главным образом, упругие свойства грунта. Для того, чтобы понять, почему это так, представим артезианский пласт, из которого ведется откачка воды. Вследствие этого водоотбора давление в пласте падает (снижается его пьезометрическая, или напорная, поверхность вблизи откачивающей скважины). Возможно ли в этом случае изменение объема воды в порах?

Известно, что сама вода практически несжимаема, и, значит, ее объем от давления не зависит. Некоторое изменение пористости возможно за счет того, что деформация грунта под влиянием давления была упругой и после уменьшения давления объем грунта увеличился в соответствии с законом Гука. В этом случае выделится некоторое дополнительное количество воды, которое называют упругой водоотдачей. Так как эта величина мала, в практических расчетах ею часто пренебрегают.

Емкость безнапорного пласта отвечает изменению объема воды в нем вследствие падения или подъема ее уровня и напрямую зависит от гравитационной водоотдачи. Представим, что откачка воды ведется из безнапорного горизонта. Понятно, что если уровень воды упал на:один метр, а гравитационная водоотдача составляет 20% от объема грунта, то содержание воды в элементе пласта объемом: 1 м³ уменьшилось на 0.2 м³, или на 200 л. Таким образом, емкость безнапорного пласта достаточно велика и пренебрегать ею в практических расчетах нельзя.

Так как значительная часть объема откачиваемой воды формируется за счет изменения емкости, влияние откачки распространяется не так широко, как при откачке из напорного пласта (конечно, при условии, что все остальные параметры горизонта примерно равны).

Сорбционную емкость пласта в целом можно оценить, зная его состав и строение. Так как скорости движения воды малы, обычно предполагается, что равновесие реакции сорбции наступает мгновенно. Для математического описания процесса сорбции использован коэффициент распределения = отношение концентраций вещества в жидкой и твердой фазах.

Несколько сложнее оценить способность пласта рассеивать загрязнитель. Эта способность связана, прежде всего, с неоднородностями реального грунта. Главными процессами, приводящими к рассеиванию загрязнителя, являются гидродисперсия и обмен в так называемой двойной среде.

Гидродисперсия возникает из-за неоднородностей поля скоростей двигающейся жидкости, которые, в свою очередь, обусловлены неоднородностью грунта (различные размеры частиц, слагающих грунт, слоистость и т.д.). На рис. 2 показано влияние гидродисперсии на перенос некоторого условного объема загрязненной воды. Так, рис. 2, а - перенос без рассеивания. Белой стрелкой показано направление движения воды. заштрихованным квадратом - загрязненная область в начальный и конечный моменты времени. Влияние гидродинамической дисперсии показано на рис. 2, б. Из рисунка понятно, что размер области рассеивания пропорционален пройденному расстоянию.

Другими словами, гидродисперсия - это макроскопическое проявление всей суммы перемещений отдельных микроскопических частиц загрязнителя.

При расчетах принято разделять продольную гидродисперсию (рассеивание в направлении движения воды) и поперечную (перпендикулярно движению воды). Поперечная гидродисперсия заметно меньше продольной, как правило, на порядок и более.

Двойная среда подразумевает наличие некоторого неподвижного или малоподвижного объема воды в рассматриваемом грунте. Это, например, может быть вода, удерживаемая молекулярными силами (в объеме, равном максимальной молекулярной влагоемкости), вода в прослоях грунта с низкой водопроводимостью (например, в линзах глин внутри слоя песка) и т.п. Между подвижным и малоподвижным объемами воды происходит обмен растворенным веществом (например, за счет диффузии), который также приводит к его рассеиванию в масштабах всего пласта.

Несмотря на то, что гидродисперсия и обмен в двойной среде с физической точки зрения являются разными процессами, при моделировании (математическом описании процесса распространения загрязнения), как правило используют какой-либо один из них.

ПОНЯТИЕ ОБ ОБЛАСТЯХ ПИТАНИЯ, ДВИЖЕНИЯ И РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Питание подземных вод происходит в основном за счет атмосфер­ной влаги и поверхностных вод. Различают внешнюю и внутрен­нюю области питания.

Внешняя область находится за пределами границ распространения изучаемого водоносного горизонта. Скап­ливающиеся там воды поверхностным или подземным путем по­ступают на рассматриваемую территорию и частично, а иногда полностью проникают в водоносный горизонт. Поглощение поверх­ностных вод происходит под руслом реки, если уровень подзем­ных вод располагается глубже него, а подрусловые отложения являются водопроницаемыми.

Перетекание подземных вод из внешней области питания во внутреннюю может быть открытым (на участках выхода горизон­тов на поверхность) и закрытым (на участках перекрытия кон­тактирующих горизонтов водопроницаемыми или водоупорными породами). Сам характер перетекания может быть в плане очаго­вым (источник, тектоническая зона), линейным (по контуру кон­такта река—горизонт), площадным (на участке взаимодействия водоносных горизонтов между собой).

Внутренняя область питания водоносных горизонтов распо­ложена в пределах их выхода на поверхность. Во внутренней области питания следует выделять области, зоны и очаги погло­щения, где происходят непосредственная инфильтрация и инфлюация атмосферных и поверхностных вод. В большинстве районов отмечается площадной характер поглощения атмосферных вод, которое заметно усиливается на участках карстования пород и открытых тектонических нарушений. Поглощение поверхностных вод носит линейный характер и чаще всего связано с подъемом воды в реках, озерах, морях, ведущим к повышению уровня под­земных вод и сопровождающимся образованием зоны подпора. Эта зона прослеживается от контура поглощения на расстояние нескольких сотен метров, иногда пер­вых километров.

Область поглощения атмосферных вод занимает обычно наибо­лее высокое гипсометрическое положение и является областью создания напора инфильтрационного происхождения. От нее дви­жение подземных вод направлено в область разгрузки, от повы­шенных участков рельефа к пониженным. Движение охватывает весь объем воды в водоносных отложениях до кровли региональ­ного водоупора. Глубина ее залегания обычно не превышает 300—400 м, но в отдельных структурах возрастает до нескольких километров. Скорость движения с глубиной быстро падает. Осо­бенно резко она уменьшается при появлении водоупорных слоев — глинистых, глинисто-карбонатных и других. В области пи­тания распространены грунтовые воды. При их погружении под водоупорные слои образуются напорные артезианские воды. В тех случаях, когда уровень напорных вод устанавливается выше по­верхности земли, скважины могут фонтанировать.

Питание водоносных горизонтов происходит не только за счет атмосферных и поверхностных вод, но и в результате перелива подземных вод из других горизонтов. Широко проявляется пере­лив грунтовых вод в артезианские (в областях питания), артези­анских вод в грунтовые (в областях разгрузки), а также перелив из одного горизонта в другой на участках “гидрогеологических окон”.

Область разгрузки характеризуется выходами водоносных пород с минимальными гипсометрическими и пьезометрическими отметками. Разгрузка подземных вод может быть открытой в виде источников—выходов подземных вод на поверхность и скры­той — при стоке в реки, испарении с поверхности грунтовых вод, переливе в другой водоносный горизонт. В зависимости от геоло­гических условий и характера вскрытия водоносного горизонта эрозионной сетью разгрузка может быть сосредоточенной и рас­сеянной. В верхней части гидрогеологического разреза, распола­гающейся выше первого от поверхности регионального водоупора, распределение давления в водоносных пластах контролируется преимущественно гравитационными факторами (различие отметок области питания и разгрузки).