Инженерно-геологические процессы и явления, связанные деятельностью подземных вод. Методы борьбы с карстовыми и суффозионными процессами.
Подземные воды производят как разрушительную, так и созидательную геологическую работу. Разрушительная деятельность связана с растворением и механическим размывом горных пород и проявляется в карстовых процессах и суффозии, а также в образовании оплывин[6], оползней[7] по бортам речных долин, озерных и морских впадин. Созидательная деятельность проявляется в образовании натечных форм в виде сталактитов и сталагмитов, а также корок различной мощности, образующихся при осаждении из подземных вод растворенных в них минеральных веществ.
Карст– процесс растворения или выщелачивания трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются как отрицательные формы рельефа на поверхности Земли, так и различные полости, каналы и пещеры в глубине.
К поверхностным карстовым формам относятся:
1) карры – углубления в виде рытвин и борозд глубиной от нескольких сантиметров до 1–2 м (рис. 41);
2) поноры – вертикальные или наклонные отверстия (трещины) на поверхности карстующих горных пород, по которой вглубь уходят дождевые, талые снеговые, проточные воды. Поноры обычны на дне карстовых воронок, карстовых промоин или в руслах исчезающих рек;
3) карстовая воронка (русск.) – впадина конической или чашеобразной формы глубиной от 2–3 до 15–17 м при ширине по верхнему краю от нескольких до десятков метров.
а) воронки поверхностного выщелачивания, связанные с растворяющей деятельностью атмосферных вод;
б) воронки провальные, образующиеся путем обрушения сводов подземных карстовых полостей
4) карстовые котловины – крупные формы поверхностного карстового рельефа, на дне которых могут развиваться карстовые воронки;
5) полья – наиболее крупные карстовые формы (хорошо известны в Югославии и других районах);
6) карстовые колодцы и шахты – крупные провалы, достигающие местами глубин свыше 1000 м и являющиеся как бы переходными к подземным карстовым формам.
К подземным карстовым формам относятся различные каналы и пещеры. Самыми крупными подземными формами являются карстовые пещеры – системы горизонтальных или наклонных каналов, часто сложно ветвящихся и образующих огромные залы или гроты.
Суффозия (от лат. suffosio – подкапывание) – вынос мелких минеральных частиц породы, фильтрующейся через нее водой. Этот процесс отличается от карста тем, что суффозия является преимущественно физическим процессом и частицы породы не претерпевают дальнейшего разрушения.
Суффозия приводит к проседанию вышележащей толщи и образованию западин диаметром до 10 и даже 100 метров, а также пещер. Одним из необходимых условий суффозии является наличие в породе как крупных частиц, образующих неподвижный каркас, так и вымывающихся мелких.
Суффозионные формы – отрицательные формы рельефа, образующиеся за счет процессов выщелачивания и вымывания частиц пород субстрата подземными водами и последующего обрушения кровли образующихся пустот.
С деятельностью подземных и поверхностных вод и другими факторами часто связаны разнообразные смещения горных пород, развивающиеся на крутых береговых склонах оврагов, долин рек, озер и морей. Характер и величина смещений бывают различными. Среди них наблюдаются:
1. Мелкие смещения, захватывающие только поверхностную часть склона, почвенный слой и часть подстилающей выветрившейся породы, которые под влиянием сильного переувлажнения атмосферными осадками начинают медленно передвигаться вниз. Такие смещения называются оплывинами, или сплывами.
2. Крупные смещения земляных масс по склону, захватывающие различные горные породы, слагающие склон и распространяющиеся на большую глубину. Такие смещения называются оползнями.
3. Внезапные обрушения огромных масс горных пород, сопровождающиеся опрокидыванием сорвавшегося массива и его дроблением, называются обвалами. Наиболее значительные проявления их наблюдаются в молодых горных районах. В таких районах вода подготавливает возможность движения пород, ослабляет в них прочность.
в борьбе с суффозией могут мероприятия, направленные на устранение условий:
1. Закрепление грунтов. Это может быть цементация, силикатизация.
2. Заполнение полостей, в которые выносятся частицы грунта, устойчивым к суффозии материалом.
Выбор мероприятий по защите зданий и сооружений, возводимых в карстовых районах, осуществляется в зависимости от условий развития и характера проявления карста, от назначения и конструктивных особенностей проектируемого объекта.
планировка и отвод воды, которая может застаиваться в пониженных местах рельефа
-засыпка карстовых грунтов водонепроницаемыми материалами
стройство дренажных систем, перехват движения грунтовых вод
-глинизация, цементация, бетонизация трещин для уменьшения водопроницаемости
Инженерные методы борьбы, которые относятся ко второму способу, называют активными. Это набор комплексных мер, направленных на то, чтобы заполнить ниши и прорехи, которые есть под землёй, а также расколы в карбонатных породах раствором цемента или бетона.
Используют и метод, который может защитить строения большого значения — изоляция режима гидрогеологии путём исключения водного отбора.
Третий способ предотвращения разрушительных последствий вышеупомянутых процессов включает в себя создание уникальной индивидуальной конструкции фундамента и самого сооружения. Например, цельные железобетонные фундаменты в форме сплошных плит.
Конструкции таких строений должны быть с повышенной пространственной жесткостью
Источник
Геологическая деятельность подземных вод
К подземным водам относятся все воды, находящиеся в земной коре, независимо от их агрегатного состояния. Подземные воды тесно взаимодействуют с атмосферными и поверхностными водами и вследствие этого участвуют в общем круговороте воды в природе (рис. 1.14). Подземные воды формируются главным образом в результате просачивания атмосферных осадков (инфильтрационные воды), а также путем конденсации водяного пара, проникающего с воздухом в трещиноватые и пористые горные породы (часто в пустынях над солеными грунтовыми водами возникают линзы пресных вод). Кроме того, существуют погребенные, или реликтовые, воды, сохранившиеся от древних морских бассейнов и захороненные при накоплении мощных толщ осадков, а также термальные воды, образующиеся на последних стадиях магматических процессов, которые называют магматогенными, или ювенильными, подземными водами. Существуют и метаморфогенные подземные воды, называемые возрожденными или дегидратационными, образующиеся при метаморфизме осадочных пород или минеральных масс, содержащих в значительных количествах кристаллизационную воду или газово-жидкие включения (например, при дегидратации гипса выделяется вода, а сам он переходит в ангидрит).
Рис. 1.14. Гидрогеологический цикл и различные виды его изменения под воздействием деятельности человека
Виды воды в горных породах. Вода в горных породах находится в разных формах: в виде пара (содержится в воздухе, который заполняет пустоты, поры, трещины горных пород); прочносвязанная, или гигроскопическая, вода (обволакивает мельчайшие частицы породы тонкой пленкой молекул парообразной воды путем адсорбции (поглощения), прочно удерживаемой силами молекулярного или электростатического притяжения); слабосвязанная, или пленочная, вода (образуется вторым слоем на поверхности частиц горных пород, уже имеющих адсорбированную воду); капиллярная вода (частично или полностью заполняет тонкие капиллярные поры и трещинки в горных породах, удерживаемая в них силами поверхностного натяжения); гравитационная вода (свободно перемещаемая под действием силы тяжести вода в порах, трещинах и пустотах горных пород); вода в твердом состоянии (находится в виде отдельных кристаллов, линз и прослоев чистого льда в горных породах); кристаллизационная вода (химически связанная форма воды, которая входит в кристаллическую решетку отдельных минералов – гипс содержит до 21% кристаллизационной воды, мирабилит – до 56%, лимонит – до 40% и т.д.). Перечисленные формы воды тесно связаны с разными типами пор и трещин.
Важным свойством горных пород является их водопроницаемость— способность пропускать через себя воду. В горных породах наиболее активно может двигаться гравитационная вода, которая перемещается по наиболее крупным порам и трещинам. С учетом возможности ее движения выделяют водопроницаемые и водонепроницаемые породы. К первым относятся пески, галечники, трещиноватые известняки и другие породы, к водонепроницаемым — глины и массивные кристаллические породы.
Водопроницаемая порода, содержащая воду, называется водоносным горизонтом, или коллектором, водонепроницаемая порода — водоупорным горизонтом. Водоупорная порода, перекрывающая водоупорный горизонт сверху, называется кровлей, а подстилающая снизу — его подошвой.
Типы подземных вод. Гравитационная вода, заполняющая поры коллектора, может находиться под давлением, и тогда говорят о напорных водах, или напорных водоносных горизонтах. Если давление отсутствует, то водоносные горизонты называются ненапорными. В этом случае вода может двигаться только под действием собственной тяжести. Вода, находящаяся под давлением, способна подниматься на высоту, уравновешивающую это давление (эффект сообщающихся сосудов). Абсолютная высота подъема напорной воды называется пьезометрическим уровнем.Как правило, величина давления в водоносном горизонте обусловлена относительно высоким положением области питания горизонта. Если вскрыть такой горизонт с помощью бурения, то вода в буровой скважине поднимется до уровня, на котором расположена область питания. Такие воды получили название артезианских (по названию провинции Артуа на северо-западе Франции, где такая скважина была впервые пробурена) (рис. 1.15)
Рис. 1.15. Схема артезианских скважин
Тектонический прогиб, в геологической структуре которого находится один или обычно несколько напорных водоносных горизонтов, называется артезианским бассейном. Примером может служить Подмосковный артезианский бассейн, в кавернозных известняках каменноугольного возраста которого имеются три напорных водоносных горизонта пресной воды высокого качества, разделенных водоупорными глинами.
Верхний горизонт подземных вод называется горизонтом грунтовых вод. Этот горизонт имеет только подстилающий водоупорный слой и формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, которые задерживаются на водоупоре. Поэтому зеркало (верхний уровень) грунтовых вод располагается на разной глубине в зависимости от рельефа местности и количества выпадающих атмосферных осадков.
Над горизонтом грунтовых вод в период дождей или таяния снега из-за медленной фильтрации дождевых или весенних талых вод может возникнуть «висячий» (без водоупора) маломощный горизонт так называемой верховодки (рис. 1.16).Этот горизонт существует непродолжительное время в определенные сезоны года.
Подземные воды, приуроченные к системе водоносных горизонтов, разделенных слоями водоупорных пород, называются межпластовыми, или просто пластовыми. Как отмечалось ранее, они могут быть напорными и безнапорными. В горных странах существуют трещинные воды, приуроченные к трещиноватым участкам кристаллических массивов, а также ювенильные воды, связанные с поствулканическими процессами. Источники этих вод, обогащенных разнообразными минеральными соединениями и часто обладающих повышенной радиоактивностью, как, например, источники района Минеральных Вод на Северном Кавказе, используются в лечебно-бальнеологических целях.
Рис. 1.16. Схема расположения подземных вод: 1 – почвенные воды, 2 – верховодка, 3 – грунтовые воды, 4 – межпластовые воды, 5 – трещинные воды
В тех местах, где водоносные горизонты выходят на поверхность, образуются источники.Среди них различают источники грунтовых и безнапорных межпластовых вод, которые называются нисходящими,и источники напорных вод, называющиеся восходящими.
Геологическая деятельность подземных вод заключается в растворении горных пород, формировании подземных форм рельефа и отложении минералов (рис. 1.17).
Рис. 1.17. Типы строения коренных пород, благоприятные для возникновения родников (Р): 1 – глинистые породы, 2 – песчаники, 3 – известняки, 4 – алевриты, 5 – магматические породы; а–е – различные структурные обстановки
Химический состав подземных вод.Подземные воды представляют собой природные растворы различных минеральных солей и некоторых органических соединений. Интегрированным показателем содержания минеральных веществ служит общая минерализация вод — сумма растворимых веществ, выраженная в миллиграммах на литр (мг/л) или граммах на литр (г/л). Среди растворенных веществ преобладают соли распространенных кислот натрия, кальция, магния. Эти соли определяют главные показатели химизма вод: жесткость, соленость и щелочность
Жесткость водопределяется главным образом присутствием бикарбонатов кальция СаНСО3, сульфатов и хлоридов. Мягкие воды содержат до 0,25 г/л солей, жесткие воды — более 0,25 г/л
Соленость вод связана с содержанием сульфатов и хлоридов кальция, магния, натрия — CaSO4, MgSO4, Na2SO4, CaCl2, MgCl2, NaCl. Щелочность водзависит главным образом от бикарбоната натрия NaHCO3, а иногда даже Na2CO3 — соды. По содержанию преобладающих в воде анионов выделяют три типа вод: гидрокарбонатные, содержащие соли угольной кислоты; сульфатные, содержащие соли серной кислоты, а также промежуточные воды: гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные и др. По содержанию катионов выделяют воды: кальциевые, магниевые и натриевые, а также смешанные кальциево-магниевые, кальциево-магниево-натриевые и др.
Химический состав и температура подземных вод закономерно меняются по мере возрастания глубины их залегания. В зоне активного водообмена, где воды движутся от областей питания к областям разгрузки и выходят в виде источников, происходит быстрое обновление подземных вод за счет большого количества атмосферных осадков. Такие воды характеризуются невысокой минерализацией и обладают гидрокарбонатно-кальциевым и реже гидрокарбонатно-сульфатным составами. В зоне слабого или замедленного водообмена, которая располагается глубже, обновление воды затягивается на сотни и тысячи лет. Постепенно их минерализация увеличивается, и состав становится гидрокарбонатно-сульфатным, сульфатным и хлоридно-сульфатным. На самых больших глубинах артезианских бассейнов покоятся воды весьма слабого водообмена, повышенной солености и рассолы, сохранившиеся с далеких геологических эпох. В Московском артезианском бассейне пресные воды встречаются до глубин 200–300 м, в Днепровско-Донецком – до 500 м. Ниже располагается зона солоноватых и слабосоленых вод. На глубине 40–600 м в Московском артезианском бассейне буровыми скважинами вскрыты девонские отложения, насыщенные сульфатными и кальциево-натриевыми водами с минерализацией 4,5 г/л, используемые в лечебных целях. По мере увеличения глубины минерализация возрастает и в хлоридно-натриевых рассолах наблюдается увеличение количества ионов кальция. В самых погруженных частях артезианских бассейнов встречаются хлоридно-кальциевые или хлоридно-кальциево-магниево-натриевые рассолы, имеющие большое значение для нефтяной геологии. В артезианских бассейнах Западной Сибири, Иркутска в подземных водах, расположенных над нефтяными и рудными месторождениями, встречены воды с большим содержанием йода, брома, метана и других элементов, которые являются ценным сырьем и служат объектом промышленной добычи.
Пресные воды содержат солей менее 0,5 г/л, соленые — от 1 до 3 г/л, рассолы — более 50 г/л. Химическая классификация подземных вод приведена в таблице 1.1.
Источник
