4 Практическая работа №3
Карты гидроизопьез,
их роль при проектировании и строительстве
4.1 Теоретическая часть
Напорные воды
4.1.1 Особенности формирования и залегания горизонтов напорных вод
В классификации подземных вод по условиям залегания в земной коре выделяют межпластовые воды. Они содержатся в водопроницаемых горных породах, перекрытых сверху и подстилаемых снизу водоупорами - слоями водонепроницаемых или относительно водонепроницаемых пород (глин, лёссовых суглинков).
Находясь в таких условиях, подземные воды полностью насыщают водоносный горизонт от его нижней границы (подошвы) до верхней границы (кровли). Они не имеют свободного выхода на поверхность, поэтому обладают избыточным давлением или напором, являются напорными.
При вскрытии напорного водоносного пласта скважинами вода поднимается выше его водоупорной кровли. При сильном напоре и низких абсолютных отметках земной поверхности она может самоизливаться на поверхность с высотой фонтанирования до нескольких десятков метров (рисунок 18). Такое свойство подземных вод впервые было отмечено в 1126 г. на юге Франции в провинции Артуа (древнее латинское название – Артезия), поэтому напорные подземные воды, а так же вскрывающие их выработки часто называют АРТЕЗИÁНСКИМИ.
Рисунок 18 Артезианский склон:
1 – водоносные напорные пласты; 2 – водоупорные породы;
3,4 - пьезометрические уровни; h1, h2 – высота напора воды
Артезианские воды, обычно, залегают на большой глубине и приурочены к прогибам слоёв земной коры. Наиболее благоприятные условия для создания гидростатического напора наблюдаются в межгорных прогибах, на склонах морских и океанических впадин и т.д., где широко распространены моноклинали, синклинали и синклиналеподобные погружения (мýльды). В них формируются артезианские склоны.
Совокупность нескольких напорных водоносных горизонтов или один горизонт с очень большой площадью распространения (сотни тысяч кв. км) называют артезианским бассейном (в геологическом разрезе Западной Сибири выделяют пять артезианских бассейнов).
В каждом артезианском бассейне выделяются различные по гидрогеологическим условиям составные части (рисунок 19):
Рисунок 19 Артезианский бассейн:
а – область питания напорных вод; б – область напора; в – область разгрузки;
1 – уровень грунтовых вод; 2 – пьезометрический уровень напорных вод;
3 – водоносный напорный пласт; 4 – водоупоры; 5 – скважины;
Н – величина пьезометрического напора
область питания располагается на участках с наивысшими гипсометрическими отметками, где водоносные породы артезианского бассейна выходят на поверхность земли. Здесь происходит инфильтрация атмосферных осадков и поверхностных вод в водоносный горизонт. На всей остальной обширной площади область питания перекрыта верхним водоупором, поэтому область питания не совпадает с областью распространения водоносного горизонта.
Основные области питания и создания напора приурочены к горным сооружениям, обрамляющим бассейн, внутренние (закрытые) – к холмисто-водораздельным пространствам, низкогорным сооружениям, мелкосопочнику.
Существует несколько видов областей питания и создания напора. Они могут быть открытыми и закрытыми. Открытые, обычно, представлены площадью, где идет современное инфильтрационное питание, поглощение речного стока. Закрытые области питания более разнообразны: перелив по зонам тектонических разрывов, контакт с другим водоносным горизонтом, поступление воды из выше- или ниже расположенных водоносных горизонтов и мн. др.
Подземные воды области питания не обладают напором, имеют непосредственную связь с атмосферой, часто дренируются местной гидрографической сетью.
область напора - основная площадь развития артезианского бассейна, в пределах которой уровень подземных вод залегает выше кровли водоносных комплексов и горизонтов. Этот уровень называется напорным или пьезометрическим (от итал. «пиéзо» - давлю, «мéтрео» - меряю), а расстояние от кровли водоносного горизонта до данного уровня – напором.
Напор артезианских вод обеспечивается постоянным гидростатическим давлением. Оно вызвано перепадом высотных отметок области питания и области разгрузки, подобно сообщающимся сосудам. В случае формирования гидростатического напора происходит передача давления на кровлю водоносного горизонта при изменении его мощности и, следовательно, массы вышележащих пород.
Кроме того, действуют упругие свойства воды и вмещающих её горных пород (упругий режим напорных вод) и др. Напор такого типа называется гидростатическим или пьезометрическим.
Пьезометрические уровни выражаются в абсолютных отметках. Уровень может быть положительным и отрицательным; в первом случае он залегает выше поверхности земли, во втором – ниже.
Необходимо отметить, что эти понятия являются условными, так как положительный уровень может перейти в отрицательный (при интенсивной эксплуатации напорного горизонта), а отрицательный – в положительный (при улучшении питания горизонта, например искусственным путём с помощью нагнетательных или водопоглощающих скважин).
Разное положение уровней напорных водоносных горизонтов определяет различные способы отбора воды из артезианских скважин:
при отрицательном уровне воду извлекают насосами;
при положительном пьезометрическом уровне необходимо установить величину самоизлива (фонтанирования) над устьем скважины. Это делается с помощью манометра при герметично закрытом устье или наращиванием обсадных труб. Только после этого скважину обустраивают для отбора воды.
Высота столба воды, отсчитываемая в метрах от кровли водоносного пласта, называется напором над кровлей водоносного пласта h (рисунок 20). К абсолютным отметкам кровли водоносного горизонта прибавляют величины напоров или из абсолютной отметки поверхности вычитают отметку пьезометрического уровня.
Рисунок 20 Графическое изображение напорности подземных вод:
Н – пьезометрический напор от плоскости сравнения 0-0;
НП - пьезометрический напор от подошвы водоносного пласта;
h – напор над кровлей пласта
Истинное значение напорности выражает пьезометрический напор Н, который отсчитывается от плоскости сравнения 0-0 (уровень моря) до пьезометрического уровня. Этот метод измерения является предпочтительным. Иногда высота пьезометрического напора отсчитывается от подошвы напорного водоносного пласта Нп.
На всём протяжении области напора воды находятся под постоянным действием пьезометрического напора. Из-за перепада отметок, по мере приближения к осевой части синклинального прогиба он возрастает. Под отрицательными формами рельефа наблюдается пьезометрические минимумы. В платформенных условиях пьезометрическая поверхность повторяет в общих чертах форму современного рельефа.
Искусственное понижение напорного уровня может быть вызвано длительной откачкой воды эксплуатационными скважинами.
область разгрузки - область выхода напорных вод на поверхность земли. Она располагается в местах с минимальными абсолютными отметками рельефа (долины рек, озёрные впадины, побережья морей).
Выделяют открытые и закрытые области разгрузки. К открытым областям можно отнести:
естественные выходы (источники, гейзеры, наледи, термокарстовые озера и т.п.);
искусственные выходы – эксплуатационные и другие скважины, колодцы.
Закрытые области разгрузки встречаются на дне морей, в русле рек или под аллювиальными отложениями.
Разгрузка проявляется:
в виде восходящих источников (грифонов, концентрированных струй и др.);
в отложениях речных долин;
путем подземного перелива по зонам тектонических разломов в другой водоносный горизонт;
перетеканием через относительно проницаемые породы кровли или подошвы.
Иногда напорные воды в области разгрузки смешиваются с грунтовыми и становятся ненапорными.
Прямая линия, соединяющая уровень области питания напорных вод с уровнем их разгрузки, называется линией пьезометрического уровня. Она полностью совпадает с областью распространения напора.
Общее направление движения артезианских вод наблюдается от области питания к области разгрузки
Артезианские подземные воды имеют чрезвычайно большое народно-хозяйственное значение, т.к. они обильны и не загрязнены. Поэтому, если химический состав вод соответствует требованиям гостов, то они используются для водоснабжения городов, населенных пунктов, промышленных предприятий, железнодорожных станций и т.п.
Их недостатком является большая глубина залегания водоносных горизонтов.
Кроме межпластовых вод под избыточным напором или давлением могут находиться трещинные, карстовые, межмерзлотные и особенно подмерзлотные воды. Они обладают напором, независимо от структурной приуроченности, т. к. не имеют свободного выхода на поверхность.