2 Практическая работа №1

Карты гидроизогипс,

их роль при проектировании и строительстве

2.1 Теоретическая часть Грунтовые воды

1. Особенности формирования и залегания грунтовых вод

Для построения гидрогеологических карт необходимы сведения о подземных водах. Особое внимание со стороны строителей вызывают грунтовые воды, поскольку они содержатся в больших объёмах в верхних горизонтах горных пород. Попадая в сферу строительной деятельности человека, они всегда создают проблемы и требуют тщательного изучения.

Каждый водоносный горизонт грунтовых вод имеет ряд характеристик:

а) область питания. Для грунтовых вод характерны несколько видов питания, причём на различных участках своего распространения грунтовые воды могут использовать различные источники питания:

• инфильтрация (просачивание) атмосферных осадков – дождя, росы, тающего снега и т. д. является основным источником питания грунтовых вод. Величина инфильтрации находится в прямой зависимости от характера осадков, их интенсивности, а так же от водопроницаемости почвы и горных пород зоны аэрации. Из-за неравномерного распределения количества атмосферных осадков в течение года (внутригодовые колебания) или на протяжении нескольких лет (многолетние колебания) меняется величина инфильтрации. Это является одной из главных причин колебания уровня грунтовых вод;

• перетоки из нижележащих напорных горизонтов через слабоводопроницаемые слои (лёгкие супеси и суглинки);

• трещинные воды по зонам тектонических разломов;

• поверхностные водоёмы и водотоки (реки, озёра, пруды, водохранилища и т. д.). Их связь с грунтовыми водами может быть различной (рисунок 3). В районах с влажным умеренным климатом зеркало грунтовых вод, как правило, имеет уклон к реке, и речные воды подпитываются грунтовыми – речные долины дренируют грунтовые воды (рисунок 3.1).

В районах с засушливым климатом, а так же в других районах после окончания паводка, уровни грунтовых вод нередко понижаются по направлению от реки в сторону её берегов, где речные воды расходуются на питание грунтовых вод (рисунок 3.2).

В горных районах с одного склона речной долины в русло реки могут поступать грунтовые воды, а на противоположном берегу поглощаются речные воды (рисунок 3.3).

Рисунок 3 Схема связи грунтовых и речных вод:

А) в поперечном разрезе; б) в плане.

• искусственные области питания грунтовых вод на массивах орошения, вблизи каналов и водохранилищ и др. дополнительно создаются при проведении различных инженерных и водохозяйственных мероприятий.

Понижение уровня грунтовых вод ведёт к уменьшению мощности водоносного горизонта и осушению части пласта. С подъёмом уровня грунтовых вод пласт испытывает обильное водонасыщение и происходит увеличение мощности водоносного пласта.

б) область распространения грунтовых вод практически совпадает с областью их питания;

в) область разгрузки всегда приурочена к наименьшим отметкам их уровней (абсолютных или относительных) и характеризуется большим разнообразием:

• источники, пластовые высачивания и другие водопроявления на поверхности земли. Если источник действует на дневной поверхности, его называют открытым, а при выходе грунтовых вод под дном водоёмов - закрытыми.

• эрозионные источники возникают в результате врезания эрозионной сети в толщу водоносных пород. При этом различают совершенный вид дренирования, когда эрозионная сеть вскрывает весь водоносный комплекс и несовершенный, вскрывающий только его часть.

• переливы или перетоки в нижележащие водоносные горизонты характерны для грунтовых вод водораздельных участков междуречий, проходящих по самым высоким отметкам их поверхности.

• искусственные очаги и области разгрузки грунтовых вод создаются в результате инженерной и хозяйственной деятельности человека (дренирование, водоотбор грунтовых вод из колодцев и скважин и др.).

• путём испарения разгрузка грунтовых вод может осуществляться при залегании грунтовых вод на глубине, не превышающей 3 метров, т. е. меньше критической. Глубже 3 метров испарение практически равно нулю.

2.1.2 Режим грунтовых вод, наблюдения за режимом

Грунтовые воды, залегающие сравнительно недалеко от поверхности земли, могут существенно осложнить как производство строительных работ, так и эксплуатацию сооружений, поэтому для инженеров-строителей чрезвычайно важными являются сведения о режиме подземных вод.

Режим подземных вод – это изменение во времени уровня грунтовых вод, их состава и расхода. Для получения таких сведений перед проектированием зданий и крупных сооружений специально создают стационарные гидрогеологические станции. Они ведут СТАЦИОНАРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ - круглогодичные наблюдения за режимом подземных вод, которые заключаются в длительных (не менее 3 месяцев) периодических (через каждые 3-10 дней) замерах положения УГВ в скважинах и расхода родников, если таковые имеются.

Каждое измерение должно производиться «на одну дату» - за максимально короткий период времени, в течение которого не было существенных изменений уровня грунтовых вод. После продолжительных и ливневых дождей обязательно проводятся внеочередные наблюдения. При этом не менее 4 раз в год (посезонно) отбираются пробы воды для химического анализа.

Для стационарных наблюдений используются буровые скважины, расположенные по ствóрам (пробуренные вдоль прямой линии) или по сетке (нескольким параллельным створам). Расстояние между ними выбирают в зависимости от сложности геологических и гидрогеологических условий.

Абсолютные отметки уровня воды в скважинах измеряется от верха репера (колышка), расположенного сбоку от устья. Отметка этой точки устанавливается нивелированием (от абсолютного нуля, за который в России принят средний уровень Балтийского моря. Он соответствует нулевой отметке Крондштадтского футштока).

Если нивелирование не производилось, за исходную точку можно взять любую плоскость сравнения 0 ­ 0. Это позволит измерить превышения одной точки над другой или относительную высоту.

Для измерения используют рейку, шнур или другие предметы, не изменяющие свои параметры при намокании.

Часто бывает трудно визуально установить момент соприкосновения этих предметов с водой в скважине, а значит и момент начала отсчёта. Поэтому они должны быть снабжены сигнальными приспособлениями – поплавками, хлопушками, свистками, электросигнализацией (рисунок 4):

Рисунок 4 Приспособления для измерения уровня подземных вод:

а) поплавок;

б) хлопушка: 1 - деревянная пробка; 2 - парафин; 3 – цилиндр;

в) свисток: 1 – тросик; 2 – «голос»; 3 – колокол;

г) дисковый уровнемер Симонова: 1 – диск; 2 – стойка; 3 – тонкая проволока

с поплавком;

д) световой уровнемер Симонова: 1 – трубка; 2 – верхняя крышка; 3 – нижняя часть

трубки с целлулоидным шариком, всплывающим в воде и замыкающим цепь

Для непрерывного измерения в наиболее ответственных ситуациях применяют самопишущие приборы.

Результаты наблюдений изображают в виде графиков, где на ось ординат наносят отметки УГВ, а на ось абсцисс – время замеров. При этом всегда обращают внимание на характер взаимосвязи грунтовых вод с открытыми водоёмами. Если имеются необходимые данные, тщательно изучают рельеф подошвы водоносного горизонта (ложа грунтовых вод), т. к. он существенно влияет на условия залегания и расположения зеркала грунтовых вод. От него зависит возникновение наклонного быстротока и выход родников на земную поверхность, иногда создаётся подпор.

На тех же графиках отмечают данные об интенсивности атмосферных осадков, температуре воздуха, атмосферном давлении, уровне воды в ближайших водоёмах и др. Из-за возможности быстрого изменения УГВ (например, после ливня) полученные сведения действительны в течение короткого времени.

2.1.3 Общие сведения о картах гидроизогипс

При проектировании тех или иных сооружений инженерам-строителям всегда необходимы сведения о характере поверхности грунтовых вод. Зеркало (поверхность) грунтовых вод носит сложный характер. Его можно изобразить на плане или на карте с помощью системы линий, соединяющих точки с одинаковыми отметками уровня грунтовых вод. Для построения гидрогеологических карт используют результаты гидрогеологических и гидрометрических съёмок, данные бурения и результаты опытных работ, а так же данные стационарных наблюдений с использованием фондовых материалов и точной топоосновы.

Если при документации результатов использовали абсолютные отметки УГВ, то линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод называют ГИДРОИЗОГИПСАМИ (от «гидор» - вода, «изос» - равный, «гипсос» - высота). Карта гидроизогипс - это совокупность таких линий. Они аналогичны горизонталям рельефа местности и, подобно им, отражают рельеф зеркала грунтовых вод.

Карты гидроизогипс позволяют определить глубину залегания грунтовых вод в любой точке участка, если известны отметки поверхности земли и отметки УГВ (абсолютные или относительные). Такие карты помогают выявить характер соотношения зеркала грунтовых вод с рельефом, определить взаимосвязь подземных вод с поверхностными. Они позволяют установить мощность водоносного слоя, если известны высотные отметки кровли и подошвы водоносного горизонта и выделить участки наиболее и наименее благоприятные для строительства в пределах района. Кроме того, карты, составляемые посезонно дают хорошее представление о динамике подземных вод.

При детальных гидрогеологических исследованиях, проводимых на территории городов, крупных промышленных площадок и т. п., составляют сразу несколько карт гидроизогипс, соответствующих наиболее высокому и наиболее низкому положению зеркала грунтовых вод и др.

Гидрогеологические карты подразделяют по детальности и целевому назначению. Для крупных территорий с целью выявления общих закономерностей распространения грунтовых вод отстраивают обзорные или мелкомасштабные карты (мельче 1:500 000). Для перспективного планирования необходимы специальные - среднемасштабные карты (от 1:200 000 до 1:50 000) и крупномасштабные карты (от 1:25 000 до 1:10 000). Они используются при обработке материалов инженерно-геологических изысканий и для решения целого ряда задач при проектировании инженерных сооружений.

Гидрогеологические карты строились, обычно, методом ручной линейной интерполяции. Предполагается, что между смежными опорными точками (скважинами) существует линейная зависимость и неизменность значений, установленных на определенную дату.

В настоящее время всё большее распространение получают компьютерные методы построения таких карт, но в учебных целях строятся упрощённые варианты гидрогеологических карт масштаба 1:1000.

Важнейшим этапом при построении гидрогеологических карт является выбор сечения (шага) изолиний: оно должно, как правило, отвечать масштабу строящейся карты:

Масштабы	Рекомендуемые сечения, м
1:200 000	20-25
1:100 000	10
1:50 000	5
1:25 000	2,5
1:10 000	1
1:5000	0,5

В учебных целях, для отстраиваемых крупномасштабных карт (1:1000) сечение изолиний обычно принимают 1 м (при необходимости отражения деталей зеркала грунтовых вод доводят сечение до 0,5 м).

Карта гидроизогипс строится на точной топографической основе того же масштаба. В учебных целях для создания упрощённой топографической основы будут использованы абсолютные отметки поверхности земли (устьев скважин, служащих для измерения УГВ) (таблица 1).