Изучение природной геологической обстановки местности

Высокой вязкостью обладает магма кислого состава (комковатая лава) - взрывные извержения, эксплозивный вулканизм (Св. Елена в 1980 г).

Продукты извержения - расплав и твердый материал.

Расплав: магма кристаллизуется на поверхности > риолит или базальт

магма кристаллизуется под водой > обсидиан.

Твердые: пирокластический материал, тонкий пепел в результате консолидации > вулканический туф, крупный материал > вулканические брекчии.

Типы вулканизма.

1. Вулканические островные дуги (Япония). Сближаются две океанических плиты (магма базальтового состава).

2. Океаническая кора и литосферная плита (плита Наска и Южно-Американская плита) - субдукция океанической под континентальную, плавление нижней континентальной плиты - кислый состав магмы.

3. Граница между двумя дивергентными (удаляющимися плитами) - СОХ. Магма основного состава.

4. Континентальные рифты - граница между Африканской и Сомалийской плитой (Восточно-Африканский рифт). Вулканизм базальтового состава.

5. Вулканизм горячих точек - представляет плюмы (или струи) горячего твердого вещества, поднимающегося из глубины мантии, базальтовый состав (Архипелаги Гавайские острова).

Вулканы центрального типа - трубкообразный подводящий канал, по которому магма поднимается из мантии.

3 типа центральных вулканов:

- стратовулканы - перемежение пирокластического и лавового материала (Фудзияма, Св. Елены, верхние 400 м разрушены за счет взрывного эксплозивного извержения);

- щитовые - Мауна Лоа, Гавайи диаметр 120 км;

- вулканические (шлаковые конусы - только пирокластический материал, диаметр менее 4 км.

Трещинные извержения - цепь вулканов образует плато базальтов площадью до 100 тыс. км2 (Деккан, Индия).

СОХ - срединно-океанический хребет, цепь подводных вулканов.



2. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ

2.1 Классификация грунтов Гост 25100-95

Грунт - горные породы, почвы, техногенные образования, являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Различают грунты: скальные - монолиты или трещиноватые массивы, рыхлые (нескальные) - крупнообломочные, песчаные и глинистые породы.

Грунты могут служить:

- материалом оснований сооружений,

- материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин),

- средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

Классы грунтов

Природные скальные грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными).

Природные дисперсные - грунты с механическими и водноколлоидными структурными связями.

Природные мерзлые - грунты с криогенными структурными связями.

Техногенные (скальные, дисперсные и мерзлые) - грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека.

Термины и определения

Грунт скальный, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа (прочность на одноосное сжатие Rс>5 Мпа).

Грунт полускальный - грунт, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа (прочность на одноосное сжатие Rс?5 Мпа).

Грунт дисперсный - грунт, состоящий из отдельных зерен разного размера, слабосвязанных друг с другом - результат выветривания скальных грунтов, транспортировки продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.

2.2 Физические свойства грунтов

Плотность (объемный вес) - один из наиболее важных показателей: масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогии. У дисперсных грунтов с0=1,3-2,0 г /см3, с0=2,5-3,3 г /см3 у скальных.

с0=m/V,

где, m - масса с естественной влажностью, V - объем грунта ненарушенного сложения.

Плотность частиц грунта (удельный вес) - отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, сs=2,2-3,2 г /см3.

сs=(m-mв)/V-Vпор,

где, mв - масса воды, Vпор - объем пор.

Естественная влажность (W) - все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при tє=105є-107є в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы.

Удельный вес (г) - отношение веса грунта и воды, содержащейся в порах, к объему грунта.

Пористость (n) - отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30-60 %, но чаще в расчетах используется величина приведенной пористости - коэффициент пористости (е) - отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц.

Физические значения плотности применяются:

1. для характеристики физических свойств породы как основания или строительного материала.

2. для расчетов при динамических нагрузках.

2.3 Водно-физические свойства грунтов

Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость.

Природная влажность - отношение массы воды, содержащейся в в порах породы, к массе сухой породы, W, д.е.

W=(m-m1)/m1,

где m - масса грунта вместе с содержащейся в ней водой, m1 - масса высушенного грунта, г.

Полная влагоемкость - максимальное содержание воды, содержащееся в породе, Wп, д.е.

Wп,=n/сd,

где, n - пористость грунта, сd - плотность сухого грунта.

Коэффициент водонасыщения грунта (степень влажности) - степень заполнения объема пор водой, Sr, д.е.

Sr=W·сs/eсw,



где, W - природная влажность грунта, д.е.; е - коэффициент пористости; сs - плотность частиц грунта, г/см3; сw - плотность воды, 1 г/см3.

Критерий физического состояния глинистых грунтов (Jp; JL)

Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты - глины, суглинки и супеси.

Пластичность - способность пород изменять под действием внешних сил (давление) свою форму без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после того как действие внешней силы прекратилось - характеристика определяемая деформируемость.

Чтобы выразить пределы влажности, при которых грунты обладают пластичностью, вводят понятие верхнего и нижнего предела пластичности.

WL - граница текучести соответствует такой влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём).

Wp - граница раскатывания соответствует такой влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём). Определение характерных влажностей WL и Wp для глинистых грунтов является кропотливым лабораторным процессом и требует определенных навыков и даже профессиональной подготовки.

Число пластичности Jp=WL-Wp.

Показатель текучести JL=(W-Wp)/(WL-Wp).

Таблица 6 Зависимость расчетного сопротивления R глинистых

Твердое состояние	Пластичное состояние	Текучее состояние
JL < 0	0 < JL < 1	JL ? 1
R ? 4 кг/см2 = 0,4 МПа	R ? 0,2 МПа	R ? 0 (строить практически невозможно)



2.4 Деформационные свойства

Деформационные свойства - характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы.

Сжимаемость - способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа зависит:

- от гранулометрического состава,

- минералогического состава,

- структуры и текстуры пород.

2.5 Прочностные свойства

Прочность грунтов - характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические и определяются только при разрушении грунта.

Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, ф, МПа.

Ф=Рtgц+С,

где, ф - предельное сдвигающее напряжение, Мпа; Р - нормальное давление, МПа, tgц - коэффициент внутреннего трения; ц - угол внутреннего трения, град., С - сцепление, МПа.

Величины ц и С - параметры зависимости сопротивления грунта сдвигу, и применяются для расчета прочности и устойчивости массива грунтов.

Для скальных грунтов прочность характеризует предел прочности на одноосное сжатие Rс (МПа).

2.6 Классификационные показатели глинистых грунтов

По содержанию глинистых частиц (<0,005 мм) все дисперсные грунты можно разделить:

Глины - >30 %;

Суглинки - 10-30 %;

Супесь - 10-2 %;

Песок - <2 %.

Таблица 7 По показателю текучести IL глинистые грунты подразделяются

Разновидность глинистых грунтов	Показатель текучести, IL
Супесь: - твердая - пластичная - текучая	<0 0-1 >1
Суглинки и глины: - твердые - полутвердые - тугопластичные - мягкопластичные - текучепластичные - текучие	<0 0-0,25 0,25-0,50 0,50-0,75 0,75-1,00 >1,00

Таблица 8 По числу пластичности IP глинистые грунты подразделяются

Разновидность глинистых грунтов	Число пластичности, IP
Супесь	1-7
Суглинок	7-17
Глина	>17



Примечание: Илы подразделяются по значениям числа пластичности, указанным в таблице, на супесчаные, суглинистые и глинистые.

Набухание - способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки).

Набухание зависит:

- от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава,

- от химического состава воды, взаимодействующей с породой. Бентонитовая глина V увеличивается на 80 %, каолиновая - 25 %.

Таблица 9 По относительной деформации набухания без нагрузки еsw глинистые грунты подразделяются

Разновидность глинистых грунтов	Относительная деформация набухания без нагрузки еsw
Ненабухающий Слабонабухающий Средненабухающий Сильнонабухающий	<0,04 0,04-0,08 0,08-0,12 >0,12

Просадочность - свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании.

Лессы - пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05-0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость > 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями.

По относительной деформации просадочности еsl глинистые грунты разделяются: просадочные еsl ? 0,01 и непросадочные еsl <0,01.



Таблица 10 По относительной деформации пучения еfh грунты подразделяются

Разновидность грунтов	Относительная деформация пучения еfh	Наименование грунтов
Практически не пучинистый	<0,01	Глины, суглинки, супеси твердые IL ?0. Пески гравелистые, крупные, средней крупности; пески мелкие и пылеватые при коэффициенте водонасыщения Sr?0,6, а также пески мелкие и пылеватые, содержащие менее 15 % по массе частиц мельче 0,05 мм (независимо от Sr); Крупнообломочные грунты с заполнителем до 10 %.
Слабопучинистый	0,01-0,035	Глинистые при 0<Iр <0,25. Пески пылеватые и мелкие при 0,6<Sr <0,8. Крупнообломочные грунты с заполнителем (глинистым, песком пылеватым и мелким) от 10 до 30 % по массе.
Среднепучинистый	0,035-0,07	Глинистые при 0,25<Iр <0,5. Пески пылеватые и мелкие при 0,8<Sr <0,95. Крупнообломочные с заполнителем (глинистым, песком пылеватым или мелким) более 30 % по массе.
Сильнопучинистый и чрезмернопучинистый	>0,07	Глины и суглинки при Iр>0,5 (мягко- и текучепластичные, текучие). Супеси пластичные (Iр>0,5) и текучие. Пески пылеватые и мелкие водонасыщенные Sr>0,95

Усадка грунта - уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности.

Размокание - способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности.

Коррозионные свойства глин - разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов, расположенных в глинистых грунтах, возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов (трамваи в городах).

Ил - водонасыщенный современный или древний осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато- глинистых масс, богатых органикой. Илы практически не держат нагрузки, выдавливаются, при динамическом воздействии разжижаются.

Замена на другой грунт, прорезка слоя ила сваями и опора на прочный грунт, наброска камня, намыв слоя песка.

Заторфованные грунты - песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты с органикой в виде разложившихся растительных остатков. Степень разложения: Rр от 0-15 % , Rр от 16-30 % , Rр от 31-50 %, Rр от>50 %.

Торф - высокая влажность, сильная сжимаемость, дает неравномерные осадки. Прорезка сваями, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин.

2.7 Классификационные показатели обломочных грунтов

Гранулометрический состав - количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.

Степень неоднородности гранулометрического состава Cu - показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле:

Cu=d60/d10,

где d60, d10 - диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.



Таблица 11 Классификация обломочных грунтов по гранулометрическому составу

Разновидности крупнообломочных и песчаных грунтов	Распределение частиц по крупности, % от массы воздушно-сухого грунта
Крупнообломочные
Валунный грунт (при преобладании неокатанных частиц - глыбовый) Галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц - щебенистый) Гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц - дресвяный)	Масса частиц крупнее 200 мм > 50 % Масса частиц крупнее 10 мм >50 % Масса частиц крупнее 2 мм > 50 %
Пески
Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый	Масса частиц крупнее 2 мм >25 % Масса частиц крупнее 0,5 мм > 50 % Масса частиц крупнее 0,25 мм > 50 % Масса частиц крупнее 0,1 мм ? 75% Масса частиц крупнее 0,1 мм < 75 %

Примечания. Для установления наименования грунта последовательно суммируются проценты содержания частиц: сначала - крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм и т.д. При наличии в крупнообломочном грунте песчаного заполнителя более 40 % или глинистого более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта, добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Например, дресва с заполнителем суглинком полутвердым.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты разделяются на: насыщенные водой Sr?0,8; средней степени насыщения 0,8>Sr>0,5;малой степени насыщения Sr<0,5.

По степени неоднородности Сu крупнообломочные и песчаные грунты: однородные Сu < 3; неоднородные Сu>3.

По коэффициенту выветрелости крупнообломочных грунтов: невыветрелые 0 ?Кws<0,5; слабовыветрелые 0,5?Кws<0,7; сильновыветрелые 0,75?Кws?1.



Таблица 12 Классификация песков по коэффициенту пористости (е)

Зерновой состав	Разновидности песков
	Плотные	Средней плотности	Рыхлые
Гравелистые, крупные и средней крупности Мелкие Пылеватые	е<0,55 е<0,60 е<0,60	0,55<е<0,70 0,60<е<0,75 0,60<е<0,80	е>0,70 е>0,75 е>0,80

2.8 Классификационные показатели скальных грунтов

Прочность - свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами.

По пределу прочности на одноосное сжатие Rс, в водонасыщенном состоянии грунты подразделяются:

- очень прочные, Rс>120 МПа;

- прочные, 120>Rс>50 МПа;

- средней прочности, 50>Rс>15 МПа;

- малопрочные, 15>Rс>5 МПа;

- пониженной прочности, 5>Rс>3 МПа;

- низкой прочности, 3>Rс>1 МПа;

- очень низкой прочности, Rс<1.

Выветривание - совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, Кws,д.е.

Кws = с/с0,

где, с - плотность выветрелого, с0 - плотность монолитного грунта.

По коэффициенту выветрелости скальные грунты подразделяются

невыветрелые (монолитные) Кws =1,0

слабовыветрелые 1?Кws>0,9,

выветрелые 0,9?Кws>0,8,

сильновыветрелые (рухляки) Кws<0,8.

Размягчаемость - уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости Кsof, д.е., отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

По коэффициенту размягчаемости грунты подразделяются:

- неразмягчаемые Кsof>0,75;

- размягчаемые Кsof<0,75.



3. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

3.1 Классификация подземных вод

Гидрогеология - наука о происхождении, движении, развитии и распространении подземных вод в земной коре.

Задачи, решаемые гидрогеологией:

1) Вопросы питьевого и технического водоснабжения.

2) Защита от влияния подземных вод на производственные процессы (котлованы, шахты) и строительные конструкции.

Гидрогеология состоит из нескольких дисциплин: общая гидрогеология, динамика подземных вод, гидрогеохимия, методика гидрогеологических исследований, гидрогеология МПИ, региональная гидрогеология, палеогидрогеология.

Происходит т.н. круговорот воды в природе - большой и малый.

Qатм осадков=Qподз.+Qповерх.+Qиспарен.,

Вода в горных породах породах существует в двух основных видах - связанная и свободная.

Связанная вода подразделяется:

Кристаллизационная вода находится в кристаллической решетке минералов (потеря молекул воды приводит к изменениям свойств: гипс минус 1 молекула = алебастр минус еще одна молекула воды = ангидрит).

Цеалитная вода занимает свободное пространство в кристаллической решетке (SiO2 - кварц, а с nН2О - опал).

Конституционная вода в виде иона ОН-.

Свободная вода подразделяется:

1. Водяной пар - он занимает все поры, свободные от жидкой воды. Он образуется из всех других форм почвенной воды, путем испарения и вновь переходит в нее путем конденсации. Ее количествово не превышает 0,001 % от веса породы.

2. Гигроскопичная - это вода, поглощаемая коллоидными оболочками частиц грунта (породы), отделить можно только нагреванием.

3. Пленочная вода - т.н. слабосвязанная вода, окружающая набухшую частицу грунта (породы) в виде оболочки (свойство влагоемкости - способность горных пород удерживать часть воды в капельножидком состоянии).

4. Капиллярная вода - защемленная или связанная с капиллярами между отдельными гранулами или частицами ГП.

5. Гравитационная - свободная вода, ясно из названия. Движется, в отличие от предыдущих, под влиянием гравитационных сил (силы тяжести).

6. Лед - в твердом состоянии (в условиях многолетней мерзлоты).

В зависимости от заполнения пор пород свободной гравитационной водой выделяют: зону насыщения и зону аэрации.

Первые три типа воды относятся к промежуточному слою между атмосферой и подземной гидросферой - зоне аэрации (от 0 до 30-40 м, иногда 100-200 м) и регулируют водообмен атмосферных вод и вод зоны насыщения.

Между этими зонами - капиллярная подзона (окаймляет зону насыщения).

Отметим, что в случае, когда мы рассматриваем воду как полезное ископаемое - главное это свободная (гравитационная) вода. Все остальные несущественны и играют основную роль при характеристике физико-механических свойств грунтов.

Основные гидрогеологические понятия

1. Водопроницаемые породы - горные породы, пропускающие через себя воду, могут составлять и зону аэрации, и зону насыщения.

2. Водоупорные породы - это микропористые горные породы, задерживающие фильтрацию воды, не пропускающие ее (глины).

3. Водоносные породы - это горные породы , дающие возможность движения воды в порах и пустотах (инфильтрация).

4. Водоносный горизонт - водоносные породы, насыщенные водой и образующие по площади и мощности выдержанный пласт.

5. Уровень грунтовых вод - это граница между зоной аэрации и зоной насыщения (граница появления подземных вод в земной коре).

Главные водно-физические свойства горных пород

Пористость - обуславливает возможность присутствия подземных вод в земной коре - отношение объема пор к объему грунта.

При гидрогеологической оценке горных пород различают скважность и пористость. Под скважностью понимают наличие в них пустот, независимо от их размеров и формы (трещины, карст). Пористость - это вид скважности, который обусловлен порами, т.е. мелкими промежутками между частицами породы.

Влагоемкость - способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды (численно может быть равна пористости). По степени влагоемкости горные породы подразделяются на три категории

- весьма влагоемкие (торф, глины, суглинки),

- слабовлагоемкие (мергели, рыхлые песчаники, мелкие пески),

- невлагоемкие (изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, крупный песок).

Водоотдача - характеризуется количеством гравитационной воды, которое можно получить из 1 м3 породы путем свободного стока. Это, так называемая, удельная водоотдача. Водоотдачу можно охарактеризовать и коэффициентом водоотдачи (м) - отношение количества воды, которое может отдать порода к общему количеству воды в породе.

Водопроницаемость - способность горных пород пропускать через себя воду. Степень водопроницаемости не определяется величиной пористости, а зависит от размера пор (пустот). Пример: глины имеют пористость порядка 60 %, однако непроницаемы, а песок, с пористостью 30 % - хорошо водопроницаем.

По степени водопроницаемости горные породы подразделяют на четыре группы:

- хорошо водопроницаемые (галечник, гравий, крупнозернистый песок, карст),

- водопроницаемые (трещиноватые скальные породы, пески),

- слабопроницаемые (пылеватые пески, супеси, суглинки, лессы, торф),

- непроницаемые (водоупорные) - монолитные породы, глины.

Вода состоит из 11,1 % водорода и 88,8 % кислорода. Однако в воде присутствуют микроэлементы, газы, микроорганизмы, присутствие которых влияет на качество воды. То есть, в одном случае она полезна для здоровья, в другом не совместима с жизнью.

Основные физические свойства ПВ (органолептические), которые определяются при гидрогеологических исследованиях: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах.

Температура - колеблется в широких пределах, от близкой к Оє (многолетняя мерзлота) до нагретых паров (вулканы) +120є. Наиболее вкусная и освежающая вода имеет tє 7-11єС. На курортах - минеральные воды имеют tє>20є (лучше всего, полезнее 35-37є). Температура воды влияет на химический состав. Повышение tє увеличивает скорость физико-химических процессов, а значит и растворение горных пород под влиянием подземных вод. Однако, растворимость Nа и К солей (NаCl и КСl) с повышением tє растет, а вот сульфатно-кальциевых (СаSO4) - уменьшается. Поэтому холодные воды чаще кальциевые, а теплые и горячие - натриевые.

Цвет - характеризует качество воды. Химически чистая вода бесцветна. Окраску придают механические примеси.

Желтоватый цвет - болотного происхождения (гуминовые вещества).

Изумрудный оттенок дают сероводородные воды, вследствие окисления Н2S и образования коллоидальной мути.

Красивый голубой цвет воды - присутствие гидрокарбонатов.

Прозрачность - через столб воды высотой 30см виден печатный текст.

Вкус - зависит от состава растворенных в ней веществ. Например, соленый вкус вызывается хлористым натрием (поваренная соль), горький - сульфатом магния, ржавый - солями железа, сладковатый - много органики; вяжущий вкус - вызывают соединения меди; приятный освежающий вкус - наличие свободной углекислоты.

Запах - говорит о наличии газов биохимического происхождения (сероводород и пр.) или о присутствии гниющих органических остатков (для определения - слегка нагревают). Различают затхлый, тухлый, болотный запахи.

Химический состав - вода, несмотря на кажущуюся простоту, является сложным соединением. В природе не существует воды, тем более, подземной, которая не содержала бы в составе солей и газов. Часть из них присутствует в виде элементарных и сложных ионов (катионов и анионов), а часть в виде молекул и сложных веществ.

Важнейшими ионами, определяющими минерализацию (химический состав) воды являются: анионы - Сl-, SO4--- и НСО3-, катионы - Na+, Са++, Мg++. Общая сумма ионов - есть общая минерализация.

Рудничные воды, например в месторождениях полезных ископаемых, часто обогащены ионами Zn, Cu, Pb, Mn, Al и т.д.

В молекулярном и коллоидальном состоянии в подземных водах содержатся органические вещества и кремнекислота - SiO2·Н2О. В коллоидальном состоянии могут находиться так же гидроокись [Fe(OН)3] и окись железа (Fe2O3·4Н2О), окись алюминия (Al2O3xН2О).

В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: двуокись углерода (СО2), сероводород (Н2S), азот (N2), метан (СН4), кислород (О2). Иногда повышенные содержания радиоактивных веществ. Все особенности химического состава подземных вод определяются геологическими условиями, климатическими факторами.

Все подземные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСO3-), сульфатные (SO4---) и хлоридные (Сl-).

Каждый класс, по преобладающему катиону, делится на три группы (Са++, Na+, Мg++).

Различают:

- мягкие щелочные воды, приуроченные как правило к магматическим горным породам, где НСО3>Са+Мg,

- жесткие воды (осадочные), где НСО3<Са+Мg или НСО3+SО4> Са+Мg,

- воды высокой минерализации с преобладанием ионов хлора Cl>Na

Cl>Na+Mg; Cl<Na+Mg (глубокого континентального залегания),

- кислые воды рудных месторождений НСО3-=0

Формула Курлова - запись химического состава воды в виде псевдодроби: в числителе анионы (мг-экв %), в знаменателе - катионы (мг-экв %) в убывающем порядке с содержанием > 10 %-экв.

Дополнительно: перед дробью - содержание газов и компонентов, придающих воде специфические свойства (СО2, Н2S, Вг, V, радиоактивность) и общая минерализация М (г/л). После дроби рН, Т (°С), дебит (Q) скважины или источника (м3/сут).

В названии воды участвуют 1) анионы и 2) катионы, содержание которых более 20 %-экв. Название дается сначала по анионам, потом по катионам по возрастающему содержанию.

СО2 1,2 М 4,5 рН, Т, Q (л/с),

Углекислая, слабосолоноватая сульфатно-гидрокарбонатная магниево-кальциевая.

В случае формулы вещественно-химического состава природных вод - в формулу Курлова записываются все элементы независимо от содержания (более 1 %), микроэлементы содержания которых определены в долях %, а также редкие и радиоактивные элементы записываются перед дробью (мг/л, мкг/л).

Существуют полный и сокращенный анализы воды.

Кроме перечисленных есть и другие показатели, характеризующие воду. В первую очередь это бактериологическое загрязнение, т.е. наличие кишечной палочки. Наличие их характеризуется, т.н. коли-тестом - количествово кишечных палочек на 1 л воды. Обычно вода безвредная, если коли-тест не более 2-3. Понятие «коли-титр» - количество воды, содержащие 1 кишечную палочку (норма более 300 мл).

Качество воды ухудшается за счет обогащения органическими веществами (распад веществ животного и растительного происхождения). Их определяют при прокаливании сухого остатка воды. Органические вещества способны окисляться. Таким образом, об их количестве можно судить по их окисляемости, т.е. по количеству кислорода, которое требуется на их окисление. Обычно окисляемость характеризуют количеством израсходованного перманганата калия (марганцовки), выраженном в мг на 1 л воды.

Существуют и общие, прямые химические признаки, определяемые при исследовании воды, которые указывают на загрязнение воды.

Хлор-ион (Сl-) - сточные и фекальные воды. Норма - менее 35 мг/л.

Нитратный ион (NO3-) - нитраты. Допустим в очень незначительных количествах (< 10 мг/л) Чаще всего имеют органическое происхождение - является признаком древнего загрязнения.

Нитрит ион (NO2-) - нитриты, указывает на свежее загрязнение воды фекальными отбросами и пр. (наличие следов).

Аммоний (NН4+) - показатель биологического загрязнения.

Калий (К+) - содержание более 10 мг/л указывает на загрязнение.

Cr+6, Ra, Rd, фенольные соединения не допускаются.

Токсичные элементы, мг/л (Pb 0,01, Cu 1, As 0,05, U 1,7, Zn 5, Fe 0,3, F 1,5).

Жесткость воды - свойство, обусловленное наличием в ней растворенных соединений Са++ и Мg++, и способностью их образовывать плотный нерастворимый осадок при кипячении (плотная корка в котлах). Это свойство отчетливо выявляется при растворении в воде мыла: чем вода жестче, тем больше мыла требуется для появления пены. Жесткие воды непригодны для многих производств - бумажного, сахарного, кожевенного, для водки («мягкая вода» - менее 7 мг-экв). Выражается в мг-экв, (1 мг-экв - в 1 л воды 20,4 мг Са++ и 12,6 мг Мg++.

Концентрация водородных ионов (рН). Этот показатель важен для правильного определения химического состава воды. При нейтральной реакции рН=7, при кислой рН <7,0, при щелочной рН>7,0. Определяют лакмусовой бумажкой (допустимо 6,5-8,0)

Общая минерализация воды (очень важный показатель) - это сумма ионов, молекул и различных соединений, содержащихся в воде. Величина ее определяется по сухому остатку, полученному после выпаривания воды. Хорошая питьевая вода должна содержать не более 0,5 г на 1 л.

Таблица 13 Градация вод по общей минерализации (упрощенная схема)

Общая минерализация г/л	Характеристика	Химический состав
< 0,2 0,2-0,5 0,5-1,0	Ультрапресные Пресные С относительно повышенной минерализацией	(HCO3-) (HCO3-, SO4--)
1,0-35	Солоноватые, соленые, повышенной солености	(SO4--, Сl- ); (Сl-)
> 35	Переходные и рассолы	(Сl-)

Агрессивность подземных вод - свойство подземных вод разрушать горные породы и стройматериалы, в результате соприкосновения.

По отношению к бетону различают агрессивности: углекислая, выщелачивающая, общекислотная, сульфатная, магнезиальная.

1. Углекислая агрессия проявляется при содержании в воде Н2СО3 высокой концентрации.

СаСО3 (карбонат)+Н2О+СО2=Са(НСО3)2(бикарбонат) =Са2+ +Н2СО3

Показатель агрессивная углекислота - то количество Н2СО3, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение карбоната кальция (карбонатные породы - известняки, мергели). Растворение карбоната кальция в воде, содержащей свободную углекислоту, выражается уравнением:

СаСO3+Н2СO3 = Са+++2НСO3-,

Этот процесс обратим, и до конца не доходит, т.е. часть содержавшейся в растворе угольной кислоты остается в растворе в свободном состоянии. Каждому определенному содержанию в воде НСО3-, находящейся в равновесном состоянии с твердым СаСO3 будет отвечать определенное содержание свободной углекислоты. Это количество свободной углекислоты, отвечающее состоянию равновесия, называется равновесной углекислотой. Если содержание свободной углекислоты в воде будет больше, чем необходимо для равновесия, то при соприкосновении такой воды с СаСO3 будет происходить растворение последнего. Та часть свободной углекислоты, которая при этом израсходуется на реакцию с СаСO3, называется агрессивной углекислотой. Это очень важный показатель, т.к. фундаменты из бетона, цемент, составляющая бетона - это карбонаты (СаСO3). Измеряется в мг/л.

2. Выщелачивающая агрессия - определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО3, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО3. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами.

3. Общекислотная агрессия - зависит от рН, особенно активна кислая среда (рН<5) - активный растворитель для вмещающих пород (солей, карбонатов), опасна для железобетонных конструкций.

4. Сульфатная агрессия определяется наличием в водах иона SO42-. Соли серной кислоты обладают опасным свойством притягивать к себе nH2O. Переход ангидрида в гипс дает увеличение объема в 2 раза. Соединение алюмосиликатов с водами обеспечивает образование соли в результате гидратации на цементе образуется соль Деваля, или цементная бацилла (наросты, вспучивание, крошится бетон).

5. Магнезиальная агрессия - определяется наличием ионов Mg++, которые легко вступают в соединения, образуя соли, легко растворимые в воде (железные конструкции).

Свободный кислород, рН, SO4-- - приводят к активному действию воды на железные конструкции - коррозия и растворение металлов.

Меры борьбы: общекислотная агрессивность - подщелачивание (при малых движениях подземных вод), сульфатная - специальные виды цемента. Применяются другие материалы - чугун, пластмассы, гидроизоляция.

По г. Екатеринбургу на сегодняшний день в результате проведения мониторинга пригодными для питья считаются три источника (Амундсена - Окружная, и два источника в районе Калиновки в направлении г. Березовского). Основными критериями для определения вероятности пригодности воды источника для питья являются: удаление от автодорог не менее 100 м, отсутствие выше по потоку источников загрязнения (кладбища, могильники, туалеты, выгребные ямы, очистные сооружения, трассы коммуникаций, фермы и т.п.).

Классификации подземных вод

I. По степени заполнения пористого пространства принято делить на две зоны, неравномерные по мощности (рис.17):

Зона аэрации - это промежуточный слой между атмосферой и подземной гидросферой, пустоты, трещины и поры проницаемых пород не всегда и не везде заполнены водой. Здесь происходит вертикальное просачивание атмосферной влаги или поверхностных вод, и могут возникать скопления только временных или сезонных вод:

- почвенные воды - значение для питания растений,

- верховодка.

Зона насыщения - здесь породы заполнены водами, которые подразделяются по гидродинамическому признаку:

- безнапорные (грунтовые)

- напорные (артезианские).

Рис. 17 Классификация подземных вод по степени заполнения пористого пространства

II. По условиям залегания подземные воды подразделяют на:

- поровые воды (собственно поровые и пластово-поровые);

- трещинные воды (пластово-трещинные, трещинные, трещинно-жильные);

- карстовые (трещинно-карстовые);

- воды зоны многолетней мерзлоты (надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные).

III. По литолого-стратиграфическому типу (по возрасту и типу пород).

Верховодка - это временный водоносный горизонт, возникающий наиболее близко к земной поверхности в зоне аэрации на небольших по площади водоупорных слоях (линзах) при условии обильного питания подземных вод.

Особенности: площадь верходводки редко превышает 300 м2. В деревнях большая часть колодцев - верховодка. Летом, как правило, испаряются или инфильтруются на глубину, зимой промерзает.

Вторая особенность верховодки - легко загрязняема бытовыми отходами. В северных и умеренных широтах, воды верховодки обычно пресные, ультрапресные или слабоминерализованные, с повышенным содержанием органики (из-за близкого расположения к поверхности земли) и железа. На юге, где преобладает испарение, она высокоминерализованная (Сl, Nа).

К верховодке относятся и болотные воды. Часто верховодка и способствует образованию болот.

Воды зоны насыщения.

Безнапорные (грунтовые) воды (воды со свободной поверхностью) - это свободные гравитационные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, заключенных в рыхлых четвертичных отложениях или в верхней части коренных пород и развитого на первом от поверхности региональном водоупорном слое. Обычно они не имеют кровли из водонепроницаемых пород.

Уровень воды в колодцах или скважинах в них, устанавливаются на высоте, соответствующей верхней границе или свободной поверхности грунтовых вод (рис. можно тот же) - называется также зеркалом грунтовых вод (поверхность раздела между зоной аэрации и зоной насыщения). У грунтовых вод показывается одной линией. Обычно поверхность (зеркало) грунтовых вод повторяет рельеф земной поверхности.

Водонепроницаемые породы, подстилающие водоносный горизонт, называется водоупорным ложем или водоупором.

Водоносный горизонт имеет строгую, четкую нижнюю границу, в отличии от верхней, которая может колебаться в зависимости условий питания по сезонам - опускается в периоды зимней и летней межени и поднимается в периоды снеготаяния и сезонов затяжных дождей (паводок).

Особенности грунтовых водоносных горизонтов:

- грунтовые воды имеют свободную поверхность (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному);

- при вскрытии грунтовых вод искусственными выработками уровень воды устанавливается на той же самой глубине, на которой появляется;

- питание грунтовых вод происходит по всей площади их распространения за счет атмосферных осадков, за счет инфильтрации вод из рек и водоемов, поступление подземных напорных вод из более глубоких горизонтов;

- дренирование (разгрузка) грунтовых вод осуществляется в основном эрозионной сетью на участках пересечения уровня грунтовых вод с понижениями рельефа, на которых образуются выходы подземных вод на поверхность в виде источников, родников, а также под водой (подводная, подрусловая разгрузка). Иногда, когда склон сложен слабопроницаемыми делювиальными отложениями, разгрузка может принять рассредоточенный характер, смачивая склоны долины на значительные расстояния, образуя заболоченности.

- тесная взаимосвязь с речными водами, которые могут являться областью дренирования, а также областью питания в период паводков (высокого стояния воды).

По условиям залегания безнапорные (грунтовые воды) образуют: грунтовые потоки, бассейны и межпластовые безнапорные воды.

Грунтовые потоки - движение грунтовых вод по уклону от области питания к области дренажа. Зеркало грунтовых вод имеет уклон от участков с большим гидростатическим напором к меньшим. Гидростатический напор (H) - расстояние от уровня грунтовых вод в данной точке до нулевой плоскости выравнивания (уровень мирового океана или абсолютная отметка грунтовых вод ). Напорный градиент I=H1-H2/L

Грунтовый бассейн возникает в случае образования водоупорным ложем мульды (впадины). Часто грунтовый бассейн бывает частью грунтового потока.

Межпластовые безнапорные воды. Иногда часть грунтовых вод может перекрываться водоупором, но полностью пласт водой не заполнен.

Для грунтовых вод характерен неустановившийся режим (резкие колебания уровня грунтовых вод в зависимости от времени года, значительное влияние температуры воздуха на температуру грунтовых вод, в отличие от глубоко залегающих подземных вод, и изменения химического состава (минерализации) в период межени и паводка).

Гидроизогипсы - линии равных абсолютных отметок подземных вод, строятся при одновременном замере уровней в колодцах и скважинах и проводятся, как правило, через 0,5, 1, 2, 5, 10 м. Карты гидроизогипс в частности, позволяют выявить взаимосвязь поверхностных и подземных вод.

Зональность грунтовых вод

При продвижении с севера на юг увеличивается глубина залегания грунтовых вод и повышается степень их минерализации. В северных широтах, областях повышенного увлажнения грунтовые воды залегают близ поверхности земли, зачастую сливаясь с поверхностными водами и образуя болота. Минерализация всего лишь порядка 0,2-0,5 г/л. В средних широтах глубина залегания грунтовых вод увеличивается до 3-10 м. Воды пресные (менее 1 г/л). В степях, лесостепях - до 30 м (2-3 г/л). В аридном климате (пустынях) уровень грунтовых вод - до 70 м и более (более 10 г/л).

По комплексам пород вмещающих грунтовые воды выделяются такие основные типы - грунтовые воды аллювиальных (Q) отложений, грунтовые воды ледниковых отложений (Q) - таяние ледников, грунтовые воды горных областей и пр.

Артезианские (напорные) воды - это подземные воды, залегающие в водоносных пластах (горизонтах) между водоупорными слоями, находящиеся в первично сжатом состоянии и, соответственно, имеющие напор. В отличие от грунтовых (безнапорных) вод артезианские воды ограничены водоупорной кровлей пласта. (Первая артезианская скважина была пробурена в Париже в долине р. Сена (Артезия) в XIII веке). При вскрытии этих вод скважинами и колодцами, уровень воды поднимается выше кровли водоносного пласта, и могут изливаться на поверхность или фонтанировать.

Особенности артезианских вод:

- залегают глубже грунтовых вод;

- приурочены к водоносным горизонтам, ограниченным слоями водоупорных пород. Расстояние между кровлей и подошвой - мощность;

- область питания, как правило, не совпадает с областью их распространения;

- находятся в первично сжатом состоянии и при вскрытии их искусственными выработками образуют напор. Повышение (высота) уровня воды от кровли водоносного горизонта до установившегося уровня воды (в выработке) - пьезометрический напор. Установившийся уровень называют пьезометрическим уровнем;

- характеризуются стабильным режимом в отличие от грунтовых вод;

- образует сложную водонапорную систему (до 10 горизонтов).

По условиям залегания различают:

- артезианские бассейны,

- артезианские склоны,

- субартезианские склоны.

Артезианские бассейны - определяются синклинальным залеганием пластов и геологическими структурами (мульды, впадины), образующими понижения в рельефе водоносного горизонта.

В каждом артезианском бассейне можно выделить: область питания; область развития напора; область разгрузки.

Область питания - область, в которой артезианский водоносный горизонт выходит на поверхность, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и принципиально не отличаются от грунтовых вод. По мере погружения под водоупорные породы воды приобретают упругий режим и становятся напорными.

Область развития напора. При вскрытии (искусственными выработками) под влиянием упругого режима вода поднимается вверх на высоту пьезометрического напора. Установившийся уровень воды - пьезометрический уровень.

Область разгрузки (дренажа) - область выхода артезианского бассейна на поверхность земли или под толщу аллювиальных или делювиальных отложений (разъяснить) на абсолютных отметках ниже абсолютных отметок области питания в виде восходящих источников.

Высотное положение области питания и области разгрузки контролирует положение пьезометрического уровня данного водоносного горизонта.

Линии, соединяющие равные абсолютные отметки пьезометрических уровней - гидроизопьезы. Карты гидроизопьез помогают определить направление движения потока.

Режим артезианских вод по мере удаления от области питания становится все более постоянным во времени.

От строения артезианского бассейна, соотношения области питания и всей площади распространения зависит и химический состав этих вод. Если область питания достаточно велика, то наибольший объем в этой системе занимают пресные воды (происходит интенсивный водообмен). В крупных впадинах, область питания относительно невелика и здесь происходит накопление древних вод повышенной минерализации, вплоть до рассолов.

Наиболее типичные примеры крупнейших артезианских бассейнов.

Московский (300 тыс. кв. км), расположенный в пределах Подмосковной котловины (крупная синклинальная структура). Основной водоносный комплекс - С1-2.

Днепровско-Донецкий - Pg, K, J (350 тыс. км2).

Западносибирский - Mz, К (3 млн. км2).

Трещинные воды - это подземные воды, приуроченные к трещиноватым скальным породам различным по генезису. Как правило, это безнапорные или слабо напорные воды. Эти воды перемещаются по системе сопряженных трещин различных размеров, образовавшихся в горных породах под воздействием климата, тектоники, рельефа. В зависимости от этих причин образования трещинных зон выделяют: трещинные воды коры выветривания, трещинные воды контактных зон и тектонических нарушений, а также воды лито-генетических трещин.

Характер движения трещиноватых подземных вод. Как ни парадоксально, но оно ближе к ламинарному типу. Это важно, т.к. влияет на расчет параметров водоносного горизонта (водопритоки, дебиты и пр.).

Распространение - горно-складчатый Урал и Предуралье (частично).

Карстовые воды. Карст - это геологическое явление, связанное с воздействием воды (атмосферной и подземной) на определенные типы горных пород (известняки, доломиты, глины, соли) и приводящие их к постепенному растворению и разрушению. Вследствие этого процесса на поверхности образуются воронки, понижения, провалы, а под поверхностью земли пустоты, пещеры, огромные полости. В зависимости от горных пород подверженных выщелачиванию (растворению) выделяют карбонатный, гипсовый (сульфатный) и соляный карст. Карст развивается в растворимых породах при циркуляции в них воды, обладающей агрессивными свойствами и имеющей достаточную скорость движения.

Карстовые воды (трещинно-карстовые) - это воды карстующихся массивов горных пород, приуроченные к различному роду пустотам, образовавшимся в результате выщелачивающего действия поверхностных и подземных вод. Главная особенность карстовых вод - это быстрое поглощение поверхностных вод, резкие колебания уровней подземных карстовых вод и очень интенсивное их движение. Карстовые воды по скорости изменения уровня можно сравнить с горными реками, уровень которых, правда, вырастает на несколько метров в течение минут.

Кроме того, часто происходит питание и за счет поверхностных водотоков, рек - так называемые «суходолы» (реки попросту пропадают под землей). Таким образом, под землей образуются целые подземные реки.

Реки Серьга, Ивдель исчезают в зоне известняков и в незакарстованных областях появляется вновь.

Скорость потока воды и значительные по размерам пустоты очень часто приводили к авариям при бурении скважин (буровые колонны проваливались, обрывались и терялись).

На севере области в районе г. Ивделя существуют огромные запасы карстовых вод в толщах закарстованных известняков, которые могли бы легко обеспечить питьевой водой всю Свердловскую область. Вопрос: как транспортировать? Помимо северных районов Уральского региона, карстующиеся известняки, и, как следствие, карстовые воды, получили большое распространение в Красноуфимском районе.

Химический состав карстовых вод разнообразен и отражает состав вмещающих пород. Наряду с пресными водами верхней зоны (гидрокарбонатно-кальциевые или магниево-кальциевые), обычно появляющиеся на поверхности в виде мощных источников, встречаются сульфатно-кальциевые. Например, такие воды как Кисловодск, Мацеста.

Для строительства важно - карстовые воды большей частью агрессивны к бетону.

Подземные воды области многолетней (вечной) мерзлоты.

Многолетняя или «вечная» мерзлота - это состояние горных пород, слагающих верхние слои земной коры, которое проявляется в отрицательной температуре и продолжается непрерывно не менее 1 года до тысячелетий и десятков тысячелетий. Распространены в Европе, Азии, Северной Америке, Гренландия, Антарктида (в России - 11 млн. км2, более 60 % территории).

Мерзлота, наблюдаемая в поверхностных частях земной коры, разделяется: кратковременная, сезонная, многолетняя «вечная», существующая более одного года.

Причины вечной мерзлоты - климатические особенности севера - низкие tє, малое испарение, реликты геологического прошлого - оледенение Земли.

Подземные воды многолетней мерзлоты обычно подразделяют:

Надмерзлотные воды, залегающие над толщей сплошного распространения многолетней мерзлоты. Многолетнемерзлая толща служит как бы водоупором. Межмерзлотные воды, заключенные внутри толщи вечной мерзлоты. Подмерзлотные воды, залегающие ниже многолетней мерзлоты (кровля). Все эти воды, так или иначе, связаны между собой.

Надмерзлотные - находятся неглубоко 0,5-1,0 м, в пределах т.н. «деятельного слоя», т.е. той части мерзлых пород, которые оттаивают в летний период. Зимой они могут промораживаться, т.е. превращаться в лед полностью, частично или вообще не промораживаться. Воды пресные по составу, характеризуются малыми запасами, непостоянным режимом, часто загрязнены органикой, безнапорные.

К этому же типу относятся воды несквозных таликов - под руслами рек, озер, в присклоновых участках долин (связано с тепловым действием водоемов), существуют также под уровнем моря в районах выхода древних речных долин в зонах шельфа.

Межмерзлотные - могут быть как в жидкой фазе (вода) так и в твердой (лед), т.е. законсервированной. В отличие от надмерзлотных вод, для которых характерна сезонная смена фаз состояния, эти находятся в более устойчивом состоянии. Смена фаз происходит в более длительных периодах (сотен лет и тысячелетий). Большая часть этих вод все-таки находится в жидком состоянии и отличается подвижностью. Нередко напорные.

Происхождение обусловлено тремя факторами: сквозные талики (под руслами рек), область развития вод повышенной минерализации (tє=-8є-9є)

Область развития радиоактивных элементов (распад U, Ra).

Подмерзлотные - здесь могут быть и трещинные и трещинно-карстовые и артезианские. Обычно, на глубоком севере - на значительных глубинах - 200 и более метров. Они всегда в жидкой фазе и обладают напором - скважины.

Минеральные воды - называются воды, обладающие биологически активными свойствами и оказывающие физиологическое воздействие на человеческий организм, вследствие повышенного содержания химических компонентов, органических веществ, газов или вследствие повышенной температуры они широко применяются в курортно-санаторном деле и относятся к лечебным. Воды с общей минерализацией более 1 г/л называют минеральными, если же не имеют лечебного значения, то минерализованными. Воды с общей минерализацией более 35 г/л - рассолы. 1,0-5 г/л - столовые воды, 5-15 г/л - слабоминерализованные, 15-35 г/л - высокой минерализации.

Все эти воды (1-35 г/л) пригодны для питья только в случае, когда преобладающим является ион НСО3.

Промышленные рудничные воды - воды, содержащие химические элементы и соли (NaCl) в концентрациях, удобных для их извлечения (Cu, Zn, J, B, Br). (В свое время Дегтярка: содержание меди в воде до 265 мг/л. Откачивали около 2 млн. м3 в год, получали до 400 тонн меди).