Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

солончаков, болот и орошаемых массивов.

Исходя из соотношения количества атмосферных осадков и испарения,

а также условий оттока вод территорию России можно разделить на две основных зоны: грунтовые воды выщелачивания и фунтовые воды континентального засоления. 294

Грунтовые воды зоны выщелачивания формируются под влиянием растворения и интенсивного химического выноса вещества в процессе выветривания горных пород. Общая минерализация грунтовых вод выщелачивания колеблется от нескольких десятков мг/л на севере до 1000

мг/л и более на юге. Преимущественно это пресные гидрокарбонатно-

кальциевые (в тундре — гидрокарбонатно-кремнеземные) воды.

Распространены они в северных и центральных областях России (тундра,

тайга, лесостепь), т. е. в районах избыточного увлажнения, с преобладанием подземного стока над испарением. Воды этого типа встречаются и в горных условиях, там, где интенсивная трещиноватость скальных пород и рельеф способствуют подземному стоку вод и развитию процессов выщелачивания.

Грунтовые воды континентального засоления развиты на территории сухих степей и полупустынь. В этих районах испарение преобладает над осадками, благоприятные условия для развития подземного стока обычно отсутствуют. Грунтовые воды преимущественно солоноватые и соленые, по химическому составу — сульфатные, сульфатно-хлоридные и хлоридные.

Засолению вод способствует широкое развитие на этих территориях засоленных морских осадков и засоленных почв.

Артезианские подземные воды на территории России связаны с крупными геологическими структурами и занимают большие площади.

Наиболее крупные артезианские бассейны установлены в Западной Сибири,

Якутии и т. д. В артезианских бассейнах сосредоточены огромные естественные запасы пресных, а также минеральных, промышленных и термальных вод, имеющих важное народно-хозяйственное значение.

Выделяют артезианские бассейны в пределах платформ земной коры и

горных районов. В пределах платформ расположены самые крупные артезианские бассейны, содержащие огромные естественные | запасы подземных вод разной степени и характера минерализации. Для платформенных структур характерно мощное развитие осадочных от-

ложений, залегающих на кристаллическом фундаменте. Артезианские бассейны горных областей менее крупные по площади, чем бассейны платформенных типов. Распространены они преимущественно в предгорьях

имежгорных впадинах, а также вне горных районов в мелких синклинальных складчатых структурах. Водовмещающими породами в межгорных впадинах

ипредгорных районах являются коренные горные породы и мощная толща песчано-галечниковых накоплений. Породы водообильны. Несмотря на сравнительно небольшие размеры межгорных артезианских бассейнов (не более 80 тыс. км2), их отличает значительная глубина, поэтому запасы подземных вод велики, а роль в водоснабжении городов и населенных пунктов существенна.

ГЛАВА 19

ОХРАНА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Производственная и другая деятельность человека оказывают большое влияние на окружающую среду, в том числе на подземные воды. В связи с этим возникло новое направление в гидрогеологии —-техногенная гидрогеология. Важнейшими задачами в этом направлении является охрана подземных вод от истощения и загрязнения.

Под истощением запасов подземных вод следует понимать их сработку в процессе водоотбора без восполнения. Признаком истощения является прогрессирующее снижение динамических уровней эксплуатируемого водоносного горизонта, часто при постоянном расходе.

В отличие от обычных процессов формирования депрессионной воронки падение уровней при истощении запасов с течением времени не только не уменьшается, но нередко и увеличивается.

Причина истощения запасов подземных вод заключается в чрезмерном

отборе подземных вод крупными водозаборами в условиях недостаточной обеспеченности питанием эксплуатируемого водоносного горизонта.

Под влиянием длительной эксплуатации водозаборов подземных вод вокруг них образуются огромные депрессионные воронки, так называемые районные депрессии, с наибольшим понижением в центре.

Истощению подземных вод способствует также неконтролируемый бесхозяйственный самоизлив артезианских вод из скважин, достигающий многих тысяч кубических метров в сутки.

Для борьбы с истощением пресных подземных вод при их эксплу-

атации предусматривают разнообразные меры, в том числе:

•регулирование режима водозабора подземных вод;

•более рациональное размещение водозаборов по площади;

•введение кранового режима эксплуатации самоизливающихся

скважин.

В последние годы для предотвращения истощения подземных вод все чаще применяют искусственное пополнение их запасов. Этот метод, по мнению ученых, даже при интенсивном отборе подземных вод позволит более рационально осуществлять охрану окружающей среды. Под загрязнением подземных вод понимают такие изменения их качества,

которые приводят к превышению допустимых концентраций отдельных компонентов и общей минерализации воды и делают ее непригодной для использования.

Основными источниками загрязнения подземных вод являются бассейны бытовых и промышленных стоков, участки складирования отходов,

загрязненные воды поверхностных водоемов, неисправная канализационная сеть, избыточное применение удобрений и ядохимикатов.

К естественным источникам загрязнения относят сильно минера-

лизованные подземные или морские воды, которые могут внедряться в продуктивный пресный водоносный горизонт при эксплуатации водозаборных сооружений.

Грунтовые воды и в особенности верховодка более всего подвержены загрязнению, так как они не защищены сверху толщей водоупорных пород от проникновения загрязняющих веществ. Артезианские воды загрязняются в значительно меньшей мере, преимущественно при сбросе сточных вод через систему поглощающих скважин.

При отсутствии водонепроницаемых покровных пород интенсивно загрязняются трещинные и карстовые воды. Очищающая способность трещиноватых и закарстованных пород значительно хуже, чем пород с высокой сорбционной емкостью (суглинки и пр.), поэтому в них загрязненные растворы распространяются на большие расстояния.

Наиболее часто при эксплуатации сооружений водоснабжения и канализации встречается химическое и бактериальное загрязнение подземных вод. Значительно реже наблюдается радиоактивное механическое и тепловое загрязнение.

Химическое загрязнение — наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы,

нафтеновые кислоты, ядохимикаты и др.) и неорганическим (соли, кислоты,

щелочи), токсичным (мышьяк, соли цинка, ртути, свинца и др.) и

нетоксичным. Вредные химические вещества при фильтрации в пласте сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок и т. д., однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Наибольшего распространения (до 10 км и более) очаг химического загрязнения достигает в сильно проницаемых фунтах и при значительных уклонах подземного потока, т. е. при хорошем оттоке подземных вод.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в подземных водах патогенных бактерий. Этот вид зафязнения носит временный характер. Его интенсивность зависит от величины начального зафяз-нения,

водопроницаемости фунтов и времени выживания бактерий.

Весьма опасно содержание в подземных водах, даже при очень малых

концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы,

обладающие повышенной способностью к передвижению в 1 подземных водах (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Радиоактивные элементы могут проникать в подземные воды как в результате их взаимодействия с радиоактивными горными породами, так и при выпадении на поверхности земли радиоактивных продуктов и отходов. Механическое загрязнение характеризуется попаданием в подземные воды механических примесей,

содержащихся в сточных водах (песок, шлак и др.), преимущественно по крупным трещинам и пустотам.

Механические примеси могут значительно ухудшать органолептиче-

ские показатели подземных вод.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры подземных вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими сточными водами, при их закачивании через поглощающие скважины.

Меры борьбы с загрязнением подземных вод. Для предотвращения загрязнения подземных вод разрабатывают инженерные мероприятия,

включающие очистку сточных вод, создание безотходных производств,

экранирование чаш бассейнов, перехват профильтровавшихся стоков дренажем и др.

При выборе мест заложения водозаборов последние должны рас-

полагаться выше по потоку подземных вод относительно возможных участков загрязнения. Водозаборы не следует размещать близко к реке или к морю во избежание подтока загрязненных речных или соленых морских вод.

Не рекомендуется размещать водозаборы вблизи промышленных предприятий и сельскохозяйственных территорий со значительными утечками сточных вод.

Важнейшими мерами предупреждения загрязнения вод в районе водозаборов является устройство вокруг них зон санитарной охраны.

Зоны санитарной охраны, т. е. территории с особым режимом,

исключающие возможность загрязнения и ухудшения качества подземных вод, устанавливают вокруг всех водозаборов, эксплуатирующих подземные воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Состоят они из двух поясов.

Мероприятия по предупреждению загрязнения подземных вод должны быть распространены на весь эксплуатируемый водоносный горизонт.

Проекты зон санитарной охраны согласовываются с органами санитарного надзора и утверждаются соответствующими организациями.

При изучении геологических процессов особое внимание следует уделять причинам их возникновения, развитию во времени, количественной оценке, выбору мероприятий, устраняющих их вредное влияние на строительство и нормальную работу зданий и сооружений.

ГЛАВА 20 ,

ПРОЦЕСС ВЫВЕТРИВАНИЯ

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава горных пород, происходящие под воздействием различных агентов,

действующих на поверхности земли, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание вод, кислот, щелочей, углекислоты,

действие ветра, организмов и т. д.

Процесс выветривания воздействует не только на природные тела

(минералы, горные породы), а также и на искусственно созданные строительные материалы и сооружения.

Главной особенностью процесса выветривания является постепенное и постоянное разрушение верхних слоев литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав,

вследствие чего ухудшаются их строительные свойства или они полностью разрушаются.

Интенсивность проявления выветривания зависит от многих причин —

«мощи» агентов выветривания, состава пород, геологического строения

местности и т. д. Наиболее сильно выветривание проявляется у поверхности земли, куда облегчен доступ агентам выветривания Глубина проникновения в толщу земли агентов выветривания зависит от степени трещиноватости пород, раскрытия и глубины трещин Наиболее глубоко они проникают при наличии тектонических трещин и разломов Область активного современного выветривания достигает глубины 5—10 м. Проникновению агентов способствует инженерная деятельность человека (проходка тоннелей, шахт и т. д.).

Интенсивность выветривания находится в зависимости от состава пород. Разрушению способствуют разнозернистость и крупнозерни-стость пород, качество природного цемента, например, песчаник с глинистым цементом разрушается значительно легче и быстрее, чем песчаник с кремнеземистым цементом.

Воздействие на земную поверхность, на толщи скальных горных пород процесса выветривания приводит к образованию коры выветривания, которая состоит из видоизмененных выветриванием горных пород или продуктов их разрушения (рис. 73). Продукты выветривания горных пород, остающиеся на месте их образования, носят название элювия. Всегда видно, как элювий постепенно переходит в свою «материнскую» породу. По составу он представляет собой смесь об-300

ломков этой породы и глинистого материала. Нескальные породы,

забегающие на дневной поверхности, также имеют кору выветривания, но она в большинстве случаев не имеет четкой зональности. Верхняя часть коры обычно бывает представлена песчано-пылевато-глинистой массой, а нижняя

— обломочным материалом. В карбонатных грунтах, например, известняках,

зональность коры выветривания проявляется более четко.

Виды выветривания.

Процесс выветривания протекает при одновременном участии многих агентов, но роль их при этом далеко неодинакова. По интенсивности воздействия тех или иных агентов выветривания и характеру изменений горных пород принято выделять три вида выветривания: физическое,

химическое и биологическое {органическое)

Физическое выветривание выражается преимущественно в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур,

замерзания воды, механической силы ветра и ударов песчинок, переносимых ветром, кристаллизации солей в капиллярах, давления, которые возникает в процессе роста корней растений и т. д.

Большую роль в этом разрушении играют температурные явления.

В условиях земной поверхности, особенно в пустынях, суточные колебания температур довольно значительны. Так, летом в дневное время породы нагреваются до + 80 °С, а ночью их температура снижается до + 20 "С. Кроме попеременного нагревания и охлаждения разрушительное действие оказывает также неравномерное нагревание

пород, что связано с различными тепловыми свойствами, окраской и

размером минералов, которые составляют горные породы. На контактах отдельных минералов образуются микротрещины и порода постепенно распадается на отдельные блоки и обломки различной формы.

Особенно подвержены температурному выветриванию крупнозер-

нистые полиминеральные породы. Это объясняется тем, что минералы имеют различные коэффициенты линейного и объемного расширения и при нагревании на контактах между зернами создаются большие напряжения различной направленности, которые приводят к разрушению менее прочных минералов. При колебаниях температур в этих породах происходит разрушение кристаллизационных связей между зернами.

Разрушение пород еще более усиливается, если в их микротрещины проникает вода, которая при замерзании увеличивается в объеме на 9—11 %

и развивает большое боковое давление. Трещины расширяются и углубляются. Это явление носит название морозного выветривания.

Многие породы разрушаются при переменном намокании и высу-

шивании. Примером могут служить мергели-трескуны из района Ново-

российска. Эти мергели на поверхности земли быстро превращаются из массивной породы в скопление мелких обломков.

Значительное разрушительное действие оказывает ветер своей ме-

ханической силой и ударным действием песчинок.

Физическое выветривание воздействует и на искусственные стро-

ительные материалы. Особенно интенсивно выветриваются наружные части зданий и сооружений. Физическое выветривание преобладает в местностях с сухим резко континентальным (пустыни) или холодным климатом (горные районы, арктический пояс). Типичным примером являются пустыни и северные территории нашей страны (см. рис. 73).

Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами в этом процессе являются вода, кислород,

углекислота и органические кислоты.

В породах кроме растворения протекают реакции обмена, замещения,

окисления, гидратация и дегидратация. Одновременно с разрушением первичных минералов, например полевых шпатов, в граните образуются новые, вторичные минералы. Так образуются многие растворимые (хлориды,

карбонаты, сульфаты) и нерастворимые минералы типа глинистых образований (гидрослюды, мономориллонит, каолинит и др.).

Простейшим видом химического выветривания является растворение в воде. Легко растворяются каменная соль, гипс. Разрушительное действие оказывает процесс гидратации. Примером может служить переход ангидрита в гипс CaSO4 + 2Н2О = CaSO4 ■ 2Н2О. Этот процесс сопровождается резким увеличением объема (до 50—60 %), что вызывает разрушительное давление гипса на окружающие породы. В присутствии воды происходит также окисление. Например, минерал пирит, который часто присутствует в различных породах, превращается в гидрат оксида железа с одновременным образованием серной кислоты, которая, в свою очередь, весьма разрушительно действует на многие минералы:

При химическом выветривании значительное воздействие на породы оказывает вода, содержащая в своем составе углекислоту. В результате этого полевые шпаты превращаются в глинистые образования

Интенсивность химического выветривания зависит от площади ,

воздействия воды и растворов, их температуры, а также степени :

устойчивости минералов в отношении агентов выветривания. Наиболее устойчивыми являются минералы кварц, мусковит, корунд; менее устойчивы

— кальцит, доломит и др. Интенсивности химического выветривания способствует дробление пород в результате механического выветривания.