Гидрогеология. 
Инженерная геология и горные породы

Гидрогеология — наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движений подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породами, поверхностными водами и атмосферой.

Подземные воды — это воды, которые находятся в толще земной коры, заполняя различные пустоты горных пород: поры, трещины и т. п. Подземные воды являются составной частью гидросферы, они находятся в тесной связи с атмосферными осадками, водами рек, озер, морей, различных искусственных водоемов и водотоков (водохранилищ, прудов, каналов).

Горные породы как коллекторы подземных вод характеризуются следующими основными физическими свойствами: плотность, пористость и гранулометрический состав.

Плотность горной породы — это отношение ее массы к объему. Различают плотность сухой породы и плотность породы при естественной влажности. Порода состоит из скелета и представляет собой частицы собственно породы, и различных пустот между этими частицами. Такие пустоты заполняются воздухом, водой или льдом. Плотность такой породы всегда меньше плотности его скелета. Все пустоты в породах называют порами, они и определяют пористость породы.

По их размеру подразделяют нанекапиллярную (диаметром более 1 мм), капиллярную (от 0,0002 до 1 мм) и субкапилярную (менее 0,0002 мм). Количественно пористость определяется отношением объема пустот к объему всей породы.

По характеру связи с частицами породы, степени обводненности этих частиц и способу перемещения подземные воды делятся на несколько видов: гигроскопическая вода, пленочная вода, капиллярная вода и гравитационная вода.

Наличие гигроскопической воды обусловлено способностью породы впитывать водяной пар. Такая вода образуется за счет того, что водяной пар обволакивает долю породы слоем в одну молекулу. Молекулы гигроскопической воды достаточно тесно связаны с частицами горной породы благодаря електромолекулярным силам, которые возникают между молекулами воды и породы.

Гигроскопическая вода, будучи тесно связанным с породой, находится под большим давлением и поэтому не может свободно перемещаться.

Пленочная вода, как и гигроскопическая, удерживается на поверхности частиц горной породы благодаря електромолекулярным силам, которые возникают между молекулами воды и породы. В отличие от гигроскопической, пленочная вода обволакивает частицы породы сплошным слоем в несколько рядов молекул. Она находится только в жидком состоянии и способна перемещаться в породе с одной частицы на другую в направлении от более влажных участков к более сухим.

Капиллярная вода — это вода, которая заполняет частично или полностью капиллярные пустоты породы и удерживается силами поверхностного натяжения. Капиллярная вода масс разновидности: капиллярно-подвешенная вода, капиллярно-подпертая. Она играет важную роль в насыщении почвы водой, питании грунтовых вод и питании растений. Капиллярная вода через поверхность почвы или листьев растений испаряется, способствуя процессам круговорота воды в природе. Это своего рода связующее звено между водами литосферы, биосферы и атмосферы.

Гравитационная вода — это вода в жидком состоянии, которая заполняет все пустоты породы и подчинена только силам гравитации, т. е. земному притяжению. Гравитационные подземные воды передают гидростатическое давление, благодаря которому при определенных геологических условиях могут подниматься вверх по закону сообщающихся сосудов. Ее называют еще свободной водой.

По состоянию, в котором находится вода в горных породах, рассматривают отдельно воду в твердом состоянии и парообразную воду. Кроме того, выделяют еще кристаллизационную и химически связанную воду.

Пористость горных пород, их гранулометрический состав и виды воды, которая в них содержится, определяют влажность и основные водные свойства пород: влагоемкость, водоотдачу, дефицит влаги и водопроницаемость.

Классификация подземных вод по условиям залегания. Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны: верхнюю — зону аэрации и нижнюю — зону насыщения.

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зоны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь частично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом.

Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мерзлоты.

Верховодка образуется на линзе водоупорных пород, распространена локально, залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В условиях континентального климата умеренного пояса она появляется весной после снеготаяния, иногда осенью.

Грунтовые воды — воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, на первом водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Мощность водоносного горизонта — это расстояние по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. В водоносных слоях грунтовые воды передвигаются от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем, т. е. в соответствии с уклоном водоносного пласта.

Скорость их движения (v) прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации водоносной породы (k), который зависит от водопроницаемости и определяется по таблице, и уклону подземного потока (i), и вычисляется по формуле Дарси:

v=k*i (см/с или м/сут.).

Области распространения и питания грунтовых вод совпадают, поэтому мощность и водообилие их подвержены колебаниям, зависящим от изменений климатических и метеорологических условий, а их режиму и свойствам присуши зональные черты. Зональность грунтовых вод проявляется в глубине их залегания от поверхности и соответственно в их чистоте и температуре, а также химическом составе и степени их минерализации.

Температура грунтовых вод в сглаженном виде повторяет годовой ход температуры воздуха, но максимумы и минимумы температуры запаздывают, и тем больше, чем глубже залегают грунтовые воды. Чистота грунтовых вод определяется глубиной их залегания от поверхности — чем глубже, тем чище.

Межпластовые воды — это воды, заключенные между двумя водоупорными пластами, из которых нижний называется водоупорным ложем, а верхний — водоупорной кровлей. Они залегают глубже и поэтому чище, чем грунтовые. Области распространения и питания их не совпадают, в связи с чем режим вод меньше зависит от метеоусловий и у них более постоянный уровень. Атмосферное питание эти воды получают лишь в местах выхода водоносного пласта на поверхность. Они могут быть напорные и ненапорные. Ненапорные воды не полностью насыщают водоносный пласт, имеют свободную поверхность и стекают как грунтовые по уклону ложа. Напорные воды залегают в вогнутых тектонических структурах, насыщают весь водоносный слой и обладают гидростатическим напором. Вскрытые скважинами, они могут изливаться на поверхность или даже фонтанировать. Такие воды называют артезианскими. Как и грунтовые воды, межпластовые могут иметь разный химический состав и степень минерализации, которая увеличивается с глубиной.

По условиям образования выделяются несколько типов подземных вод: 1) инфильтрационные; 2) конденсационные; 3) седиментогенные; 4) магматогенные, или ювенильные; 5) метаморфогенные, или возрожденные.

Инфильтрационные подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание в глубь Земли дождевых и талых атмосферных осадков. В ряде случаев в питании подземных вод принимают участие воды, фильтрующиеся из рек, озер, водохранилищ и из каналов.

Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров, находящихся в различных зонах аэрации, и взаимосвязанных с ними водяных паров атмосферного воздуха. Конденсация водяных паров имеет существенное значение для пустынных районов с малым количеством атмосферных осадков, где периодически возникают небольшие тонкие линзы пресных конденсационных вод, налегающих на соленые воды.

Седиментогенные подземные воды — это высокоминерализованные (соленые) подземные воды в глубоких слоях осадочных горных пород. Происхождение таких вод, большинство исследователей связывают с захоронением вод морского генезиса, сильно измененных под влиянием давления и температуры. Они могут быть образованы одновременно с морским осадконакоплением, в этом случае их называют сингенетическими. Другой вариант их происхождения может быть связан с проникновением вод морских бассейнов в ранее сформированные породы, также в последующем захороненные новыми отложениями. Такие воды называют эпигенетическими.

Магматогенные подземные воды, образующиеся непосредственно из магмы, Э. Зюссом (1902) были названы ювенильными. Поступление таких вод происходит, с одной стороны, при извержении вулканов, с другой — из магматических тел, расположенных на глубине, в которых первоначально может содержаться до 7−10% воды. В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается, по разломам и тектоническим трещинам поднимается вверх, поступает в земную кору и местами выходит на поверхность.

Метаморфогенные подземные воды (возрожденные, или дегидратационные) образуются при метаморфизме минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду или газово-жидкие включения. Под влиянием температуры и давления происходят процессы дегидратации. Если они протекают длительно, то приводят к образованию капельножидкой воды, вступающей в общий геологический круговорот подземных вод Всеволожский В. А. Основы гидрогеологии. М.:Изд-во МГУ, 1991, 351 с.

Движение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических уровней (напоров). Воды двигаются от мест с высокими уровнями к местам с низкими уровнями.

Отношение разности напоров к длине пути фильтрации называется гидравлическим (напорным) градиентом. Чем градиент выше, тем больше скорость движения.

I = ДH/l,.

где ДG = H1-H2 — разность напоров (H);

l — длина пути фильтрации.

Фильтрация в полностью водонасыщенных водах при ламинарном (параллельном, спокойном, без завихрений) движении воды подчиняется закону Дарси.

Q = КфFI,.

где Q — расход воды (кол-во фильтрующей воды через поперечное сечение F в единицу времени);

Кф — коэффициент фильтрации;

F — площадь поперечного сечения потока воды (водоносного пласта);

I — Гидравлический градиент.

Введем понятие скорость фильтрации (v) — отношение расхода воды к площади поперечного сечения потока (v = Q/F). Таким образом сформулировать закон Дарси можно как «Скорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту» .

v = КфI.

Коэффициент фильтрации можно таким образом можно выразить как скорость фильтрации при напорном градиенте равном единице.

Скорость фильтрации воды по представленной выше формуле не отвечает действительной скорости движения воды в породе. Это связано с тем что вода двигается не по всему сечению, а только через его часть, равную площади пор и трещин породы. Действительную скорость движения воды (vд) определить можно как.

vд = v/n,.

где n — пористость породы, выраженная в долях единицы.

Коэффициент фильтрации определяется в основном геометрией пор, а также свойствами самой воды и пр.

Точное значение коэффициента фильтрации определяют лабораторным путем, полевым путем и расчетным методом (для песков и гравелистых пород) Приближенная оценка для решения не требующих высокой точности задач (простые инженерные задачи) возможна по табличным данным.

Оценка качества питьевой воды. При оценке подземных вод водоснабжения пользуются ГОСТами. В этой связи питьевая вода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру от 4 до 15 °C, не иметь неприятного вкуса и запаха, не содержать болезнетворных бактерий и солей тяжелых металлов. Сухой остаток в воде не должен превышать 1 г/л. жесткость должна быть менее 7 мг-экв/л. Совершенно не допускается в питьевой воде присутствие аммиака и азотистой кислоты, указывающих на фекальную загрязненность. Питьевая вода может содержать не более 0,1 мг/л свинца, 0,05 мг/л мышьяка, 1,5 мг/л фтора, 3 мг/л меди, 5 мг/л цинка, 1 мг/л железа 0,6 мг/л урана, 0,005 мг/л ртути. В воде не должны присутствовать болезнетворные бактерии брюшного тифа, холеры и другая недопустимая патогенная флора. Бактериальное загрязнение оценивается по «коли-титру», который должен быть не менее 300 мл и «коли-индексу», который должен быть не более 3.

Оценка качества технической воды. Вода, предназначен для промышленных целей, должна быть прозрачной, без запаха и мягкой. Вода для питания котлов должна иметь сухой остаток не более 0,3 г/л, содержать хлора мене 200 мг/л, жесткость должна быть не более 3 мг-экв/л.

Агрессивность подземных вод по отношению к бетону. Бетонные сооружения, находясь в соприкосновении с подземными или поверхностными водами, часто разрушаются некоторые химическими соединениями, содержащимися в воде. Это разрешающее действие естественных вод называется агрессивной способностью вод. В целях увеличения срока службы сооружений необходимо определить степень агрессивности воды.

Сульфатная агрессивность. При повышенном содержании сульфатов происходит кристаллизация в бетоне гипса Са5О4−2Н2О с увеличением объема в 2 раза и образование «цементной бациллы», с увеличенная объема в 2,5 раза. Все это приводит к разрушению бетона.

Магнезиальная агрессивность ведет к разрушению бетона при проникновении в тело бетона воды с повышенным содержанием. При содержании иона более 2000 мг/л вода агрессивна по отношению к бетонным сооружениям в песчаных породах, а при содержании иона свыше 5000 мг/л вода становится агрессивной в суглинках, Карбонатная (углекислая) агрессивность проявляется преимущественно в песчаных породах. Карбонатная агрессия возникает [результате действия агрессивной углекислоты СО2. В процессе взаимодействия с водой из цемента выделяется свободная известь С03, которая реагирует со свободной углекислотой СО2 Реакция идет по схеме:

СаС03 + СО2'+ Н20 = Са (НСО3)2.

Образующийся бикарбонат кальция является растворимым и легко выносится из бетона. Максимальным содержанием агрессивен СО7 является 3 мг/л, при менее опасных породах — 8,3 мг/л.

Кислородная агрессивность вызывается содержащимся в воде кислородом и проявляется преимущественно по отношению к металлическим конструкциям.

При совместном присутствии кислорода с углекислотой агресси вное действие кислорода повышается Шульгин Д. И. «Инженерная геология для строителей железных дорог» М, Желдориздат, 2002 г. — 514с.