Глава 2. Химический состав подземных вод

Химический состав подземных вод обычно меняется в зависимости от времени года (за исключением глубоких артезианских бассейнов).

Подземные воды обычно используются для целей питьевого, технического водоснабжения и ирригации. В строительстве знание химизма подземных вод необходимо для определения степени их агрессивности по отношению к тем или иным строительным материалам (например, к бетону), а в гидротехническом строительстве, также и к горным породам и минералам.

Реакция воды оценивается по показателю концентрации в воде водородного иона. Любая природная вода содержит какое-то количество диссоциированных водородных ионов Н⁺ и гидроксил-ионов ОН ^- :

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН ^–

В нейтральной воде количество ионов Н=ОН. На каждые 10 миллионов молекул Н₂О приходится один ион Н⁺.

Таким образом, концентрация ионов Н⁺ для абсолютно чистой нейтральной воды составляет 10^-7. Эта величина обозначается рН: рН=7 – нейтральная вода; рН<7 – кислая вода; рН>7 – щелочная вода (рН=0 – кислота в нормальном растворе; следовательно, чем меньше рН, тем более кислая и агрессивная вода).

Жесткость воды обусловлена присутствием солей Ca и Mg. Жесткость измеряется в градусах или в миллиграмм-эквивалентах на литр. За единицу жесткости принимают 1 мг-экв Са, то есть 20,04 мг Са на 1л воды.

Содержание свободной углекислоты (СО^-) в воде должно соответствовать равновесию содержащихся в воде соединений HCO₃ и CaCO₃. Если в воде избыток ионов СО ^-, то при соприкосновении такой воды с материалом, содержащим CaCO₃, например – бетон, горные породы и минералы (известняк, кальцит) происходит растворение CaCO₃. Та часть свободной углекислоты, которая расходуется на эту реакцию, называется агрессивной углекислотой.

Содержание сульфат – иона SO₄^2- в количестве свыше 200мг/л, делает воду агрессивной по отношению к бетону (сульфатная агрессивность). В порах бетона образуются кристаллы гипса (CaSO₄^.2H₂O) или так называемой цементной бациллы (сульфоалюминий кальция) из извести, входящей в состав бетона. При образовании (росте) этих кристаллов бетон разрушается, так как их объем больше объема первоначального материала соответственно в 2 и 2,5 раза.

Наличие органических соединений, вкус, цвет и так далее – определяется для питьевой и технической воды.

Глава 3. Законы движения подземных вод

Большинство задач инженерной геологии (гидрогеологии), связано с необходимостью установить степень водоносности того или иного пласта (горизонта).

Введем понятие расход потока (или его дебит): расходом (дебитом) потока называется объем воды, проходящий через некоторое сечение в единицу времени. Единицы измерения величины дебита: л/сек, м³/сек.

,

где w – площадь сечения пласта;

v – скорость фильтрации (по всему сечению пласта).

Очевидно, что скорость v не является истинной, поскольку мы ее отнесли ко всему сечению пласта, а вода течет только по пустотам (порам) между частицами грунта.

Истинная скорость потока

,

где n – пористость; при этом v_o всегда больше, чем v.

§ 1. Связь расхода и напора подземного потока

Рассмотрим гидравлический режим напорного подземного потока.

Рис. 6.10. Гидравлические элементы напорного подземного потока.

Поток движется в водоносном пласте В (сложенном песчано-гравийным грунтом), перекрытом и подстилающимся водоупорными пластами А и С (см. рис. 6.10). На расстоянии L друг от друга в водоносный пласт заложены трубы (на практике это обычно буровые скважины). Эти трубы называются пьезометрическими или просто пьезометрами. Под напором вода заполняет трубы и поднимается на некоторую высоту (уровень) Н₁ и Н₂; эти уровни называются пьезометрическими.

Действующий напор Н = Н₁ - Н₂ (очевидно, что при Н₁ = Н₂ движения воды не будет).

Расход q зависит от отношения действующего напора Н к длине пласта (пути фильтрации L).

Это отношение =j – гидравлический градиент (в рассматриваемых на рис.6.10 условиях, j = tg α).

Таким образом, градиент j по величине совпадает с уклоном пьезометрической поверхности водоносного пласта (α – уклон пьезометрической поверхности).

В природных условиях, гидравлический градиент по длине пласта постоянно меняется, что связано с изменениями уклона, ширины пласта, водопроницаемости грунта на разных участках пласта и др.