83

вающие свои просадочные свойства при замачивании, мерзлые грунты, проявляющиепросадочностьприоттаивании, иводонасыщенныепесчаные рыхлые грунты, проявляющие просадочность при встряхивании (вибрации).

К группе физико-механических свойств можно отнести и сопротивление одноосному сжатию, рассмотренное в предыдущем разделе.

Значительно реже определяют такие характеристики скальных грунтов, как сопротивление сколу, растяжению, изгибу, кручению.

ЧАСТЬ VI. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Глава 1. Виды подземных вод

Кподземнымотносятводы, которыенаходятсявпорах, трещинах илипустотахгорныхпородигрунтов, обладающихводоотдачей, тоесть, содержащаяся в них вода является свободной, способной перемещаться (см. рис. 6.1). Подземные воды и все, что с ними связано, изучает геологическая наука гидрогеология.

Посвоемупроисхождениюподземныеводыподразделяютсянатри группы:

1.Остаточныеподземныеводыэто– водыбывшихморскихводоемов, которыенаходилисьвдонныхморскихосадкахисохранилисьвних послеотступленияморяинакоплениясверхуновыхосадков. Остаточные водыхарактеризуютсяповышеннойминерализацией(рассолы) изалегают на очень больших глубинах.

2.Ювенильныеподземныеводыобразовалисьприконденсациивыделяемыхмагмойпаровводы. Впроцессепроникновениявверхниегоризонты земной коры, часто смешиваются с водами другого происхождения, образуятакназываемыеминеральныеводы, обычновысокотемпературные.

3.Инфильтрационные подземные воды образуются в результате

инфильтрации (просачивания) выпадающих на земную поверхность осадков вглубь Земли.

В строительной практике с первыми двумя группами подземных водобычноневстречаются, аводытретьейгруппывстречаютсяповсеместно: в любом, даже самом засушливом районе Земли, с определенной глубины неизбежно присутствие подземных вод. Даже если там весьма редкиосадки, водыобразуютсязасчетконденсацииводяныхпароватмосферы при суточных перепадах температуры.

84

Рис. 6.1. Схема круговорота воды в природе и гидрогеологических условий верхней части земной коры: а – зона аэрации (инфильтрации, просачивания); б – зона насыщения; У.Г.В. – уровень грунтовых вод.

Гидрогеологияверхнюючастьземнойкорыделитнадвезоны: зону аэрации и зону насыщения.

Зона аэрации распространяется от поверхности Земли до уровня грунтовых вод. Здесь происходит вертикальное просачивание, или инфильтрация, атмосфернойвлагииливодводоемовиводотоковдоуровня грунтовых вод (УГВ).

В зоне аэрации только часть пор (пустот) заполнена водой. Мощностьэтойзоныопределяетсяглубинойзалеганиягрунтовыхводизависит от рельефа и климата. В засушливых степях и пустынях мощность зоныаэрациидостигает30-40м, автундрезаполярнымкругомпрактически равна нулю.

Вода в зоне аэрации находится в следующих состояниях (см. рис.

6.2):

а) водяной пар;

б) гигроскопическаяводанаходитсянаповерхностичастицгрунта в виде отдельных молекул. Образуется в результате смачивания или поглощенияпара. Гигроскопическаяводанеможетпередвигатьсяиможет только превращаться в пар;

в) пленочнаяводаввидепленокразличнойтолщиныобволакивает частицыгрунта. Можетперемещатьсясчастицыначастицу, направление перемещения не зависит от силы тяжести.

г) свободная вода находитсялибо вкапиллярно-подвешенном состоянии, либомедленнопродвигаетсявниз(просачивается, инфильтрует-

85

ся). Есливзонеаэрацииимеютсянебольшиелинзыилипрослойкиводоупорныхгрунтов(глина, суглинок), свободнаяводаскапливаетсянаних, образуя так называемую верховодку (см. рис. 6.3).

Рис. 6.2. Схема видов воды в грунтах: 1 – частицы грунта; 2 – молекулы воды в виде пара; а – частицы с неполной гигроскопичностью;

б – частицы с максимальной гигроскопичностью; в, г – частицы с пленочной водой (вода движется от частицы г к частице в, окруженной более тонкой пленкой воды); д – частица с гравитационной водой

Неглубокоезалеганиеиотсутствиесверхузащитноговодоупорного слоя обуславливает сезонный характер верховодки и ее полную зависимость от климатических условий. Также, к верховодке вполне можно отнестииповерхностныеводы, скапливающиесявпочвеинизинах(втом числе – обычные лужи), которые образуются в период избыточного увлажнения(например, послепродолжительныхдождейилитаянияснегов).

86

Рис. 6.3. Верховодка а над линзой водоупорных пород б в зоне аэрации.

Само название - зона насыщения говорит о том, что в этой зоне вся толща грунтов находится в состоянии полного водонасыщения. Все поры, трещины, пустоты в грунте заполнены водой.

Взоненасыщенияинфильтрационныеводыделятсянаследующие типы: грунтовыеводы, трещинныеводы, карстовыеводы, напорные(артезианские) воды.

Грунтовыеводы– этоводыпервогоотповерхностипостоянносуществующего водоносного горизонта в пористых водопроницаемых породах (песок, гравий, галечник). Снизу горизонт ограничен слоем водоупорныхпород, сверху– уровнемгрунтовыхвод. Иногдавместотермина уровеньгрунтовыхводупотребляюттерминызеркалоилискатертьгрунтовых вод. Непосредственно над УГВ возникает капиллярная оболочка (иликайма). Мощностькапиллярнойоболочкивразличныхгрунтахразлична: внесвязныхгрунтах(песках) онасоставляетоколо0,5м, всвязных грунтах – до 1-2м, в глинах, теоретически, может достигать 6-12м (см.

рис. 6.4).

Характерные особенности грунтовых вод:

-онибезнапорные(тоесть, имеютсвободнуюповерхностьводы);

-область их питания совпадает с областью распространения, (горизонт не имеет водоупорной кровли, где вода просачивается, там она и находится);

-режим грунтовых вод зависит от географических условий местности(метеорологическихфакторов). Поэтомуколебанияуровнягрунтовых вод носят сезонный характер.

-грунтовые воды связаны с поверхностными водами. Они либо питают поверхностныеводы, либо питаются за их счет(иногда– обаварианта одновременно или поочередно в разные сезоны).

87

Рис. 6.4. Схема залегания грунтовых вод: 1 – грунтовые воды; 2 – водоупор; 3

–уровень грунтовых вод; 4 – зона капиллярного поднятия.

Впериод весеннего паводка происходит так называемый подпор грунтовыхводрусловымиводамирек, тоесть, грунтовыеводыпитаются засчетповерхностных. Послеокончанияпаводкаиустановленияуровня вод в поверхностном водотоке (реке), грунтовые воды питают воды поверхностные (см. рис. 6.5).

Рис. 6.5. Различные случаи соотношения поверхностных и грунтовых вод:

а– грунтовые воды питают реку; б – грунтовые воды питаются из реки;

1– положение уровня Г.В. в обычных условиях (до подпора);2 – положение уровня Г.В. после подпора их паводковыми водами;3 – уровень реки в межень;

4 – уровень реки в половодье.

С точки зрения строительства, соотношение поверхностных вод (рек) игрунтовыхособоважно, потомучтоэрозионнаясеть(долинырек, овраги и т.п.) одновременно является природной дренажной сетью (от слова «дренаж» – разгрузка), определяющей положение УГВ (см. рис. 6.6).

88

Поверхностьгоризонтагрунтовыхвод(УГВ), какправило, повторяет рельеф поверхности Земли. Например, УГВ в берегах реки так же опускается в сторону русла, как и сами береговые склоны.

Рис. 6.6. Положение уровня грунтовых вод в зависимости от степени их дренирования: а – при глубоком врезе эрозионной сети; б – при неглубоком врезе эрозионной сети; 1 – положение уровня грунтовых вод до дренирования; 2 – положение уровня грунтовых вод после дренирования.

Однакоиногдаэтосоответствиенарушается, и, вотдельныхслучаях, поверхностьводоносногогоризонтаможетбытьнаправленавсторону, противоположнуюуклонуповерхности. Этовязаносособенностями геологического строения (наличием водоупорного слоя с особыми элементами залегания).

Знание режима грунтовых вод исключительно важно для строительства. Еслипроводитьизысканиястройплощадкивзасушливыйпериод, УГВбудетназначительнойглубине; можноспроектироватьсооружениебезучетавлияниягрунтовыхвод. Апристроительстве, вдождливый период, в котловане может «неожиданно» появиться вода.

Трещинныеводы - эторазновидностьгрунтовыхвод, обладающая рядомособенностей, связанныхсосредой, вкоторойнаходятсяэтиводы. Грунтовыеводыциркулируютвпорахкрупнообломочныхгрунтов(галька, гравий, песок), атрещинныеводыприуроченыктрещинамвскальных горных породах.

В обломочных грунтах поры сообщаются между собой в различныхнаправленияхиобразуютравномернуюсетьходов, покоторымгрунтовые воды циркулируют во всем объеме грунта.

Трещинывгорныхпородах, обычно, необразуютсплошныхсообщающихсяходов, поэтомутрещинныеводыобразуютвгорныхпородах водоносныегоризонты, формакоторыхзависитоттипатрещиноватости и формы тектонических структур. В связи с этим, характеристика водопроницаемости трещиноватых пород изменяется и в вертикальном и в горизонтальном направлениях.

89

Карстовые воды. Когда подземные воды движутся в трещинах легкорастворимых горных пород (гипс, известняк), то они со временем образуют карстовые пустоты – каналы крупных размеров, вследствие растворенияпородыдвижущимисяводами. Процессрастворенияпроисходит неравномерно, поэтому образуется сложная система подземных полостей, пещер и каналов. Воды в этих полостях называются карстовыми. При наличии мощной и широко распространенной толщи закарстованных горных пород, может образоваться сложная многоярусная сеть карстовых пещер протяженностью во многие десятки километров (Кунгурская пещерав России, Мамонтовапещера в США). Иногда в пещерах образуются подземные озера, а по каналам текут карстовые реки.

Таккаккарстовыеканалыимеютбольшоесечение, поглощаемыес поверхности атмосферные осадки передвигаются по ним очень быстро. Поэтомудлякарстовыхводхарактернырезкиеколебанияуровня: резкое повышение в период обильных осадков и такое же резкое истощение в засушливый период.

Напорными (артезианскими) называются воды, приуроченные к

водоносному пласту, который заключен между двумя водоупорными пластами(см. рис. 6.7). Ихобразованиесвязаностектоническимиструктурами (чаще всего с тектоническими впадинами – синеклизами, синклинальными складками и с разрывными нарушениями).

Рис. 6.7. Схема залегания артезианских вод: 1 – область питания; 2 – водоносный слой; 3 – водонепроницаемые слои; 4 – самоизливающаяся скважина; 5 – скважина, в которой напорная вода не изливается; 6 – пьезометрический уровень напорных вод.

Напорные воды водоносного пласта испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней вобластяхпитания и выхода (разгрузки) пласта. Прямая линия, соединяющая эти уровни, называетсялиниейпьезометрическогоуровня. Есливскрытьтакойводоносный слой буровой скважиной, то вода поднимется по скважине выше

90

кровли пласта(до линии пьезометрического уровня), а внекоторыхслучаях – будет фонтанировать.

Элементы напорного (артезианского) горизонта:

−область питания это площадь, в пределах которой происходит инфильтрация атмосферных осадков. Просочившаяся вода идет на формированиеилипополнениезапасовводыартезианскогогоризонта. Часто напорные воды формируются за счет грунтовых вод.

−областьразгрузкиэтоучасток, гдеартезианскаяводавыходитна поверхностьввидевосходящихключей. Иногдаобластьразгрузкиартезианских вод является областью питания грунтовых вод.

Область питания напорных вод не совпадает с областью их разгрузки.

Артезианскиеводы, вотличиеотводгрунтовых, обычнозалегают набольшихглубинахиимеютколоссальныеплощадираспространения. В глубоких и обширных артезианских бассейнах с относительно малой областью питания водообмен происходит крайне медленно. В глубоких частяхбассейнанакапливаются«старые» водыповышеннойминерализации. Так образовались и знаменитые минеральные воды – Нарзан, Боржоми и т.п. Если же область питания велика по сравнению с площадью распространения, водообменпроисходитинтенсивно, артезианскиеводы пресные (например, в Подмосковье).

Умногихартезианскихбассейновнетвидимойобластиразгрузки, но при этом существует интенсивный водообмен (см. рис. 6.8, 6.9). Это обычно связано с дренированием горизонта артезианских вод речной долиной и имеет большое значение для искусственного водохранилища на этой реке.

Рис. 6.8. Схема питания артезианских вод грунтовыми.