Инженерная геология

Гидрохимические карты  отображают изменения минерализации, химических типов подземных вод, их жесткости, агрессивности и т. д. Цель составления таких карт – оценка качества подземных вод для питьевого и хозяйственного водоснабжения, выявления возможного отрицательного влияния на инженерные сооружения.

 

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Передвижение воды в  горных породах во многом зависит  от свойств самих горных пород  и насыщения их водой.

Как известно, движение воды может быть ламинарным и турбулентным. Ламинарное движение воды подчиняется основному закону фильтрации. Он установлен на основе опытов фильтрации воды в песках и сформулирован французским инженером Дарси. Этот закон является универсальным для расчета движения воды в горных породах. Свободная вода перемещается в горных породах по общим закономерностям движения жидкости. В нескальных породах движение жидкости происходит по типу ламинарного течения. Общее количество воды, фильтрующееся через поперечное сечение породы в единицу времени, прямо пропорционально размерам этого сечения, падению напора и обратно пропорционально длине фильтрации на данном участке:

Q=k_фDHA/l,

где Q – количество воды, протекающее в единицу времени; k_ф – коэффициент фильтрации; DH – падение напора на длине пути фильтрации; l – длина пути фильтрации потока; A – площадь поперечного сечения потока.

Отношение падения напора на длину фильтрации называют гидравлическим уклоном (гидравлическим градиентом) I=DH/l. Если принять площадь поперечного сечения за единицу, то удельный расход воды

q=Q/A=k_фI

Отношение Q/A получило название скорости движения воды в грунтах. Тогда

v=Q/A=k_фI.

Действительная скорость движения воды в порах грунта может  быть получена путем отнесения расхода воды к сумме площади отверстий (пор), по которым движется вода:

v’=Q/An=q/n=k_фI/n,

где v’ – скорость движения воды в порах грунта.

Однородные подземные  потоки в плане подразделяются на плоские и радиальные. Плоским называется поток грунтовых вод, у которого струйки воды параллельны. Плоский поток образуется при движении воды к реке или из оросительного канала в сторону оврага, радиальный направлен по радиусу к скважине при откачке воды или по радиусу от нее при нагнетании.

Простой формой движения потока подземных  вод у нескольких пород является установившееся равномерное движение, которое имеет место при равномерном уклоне водоупорного слоя и постоянном сечении потока  (рис. 4.3). Расходы воды

Q=k_фBh(H₂-H₁)/l, где В – ширина потока.

Если водоупорное ложе имеет неравномерный уклон или совсем его не имеет, то установившееся движение будет неравномерным и продольное сечение потока приобретает криволинейное очертание (рис. 4.4). Кривая депрессии в данном случае рассматривается как линия пересечения поверхности воды в потоке с продольной вертикальной плоскостью.

Рассмотрим уравнение  плоского потока для установившегося  неравномерного движения. В точке с координатами х и у оно имеет вид

y²-h₀²=2Qx/(Bk_ф).

 

 

 

 

Это уравнение позволяет определить расход подземного плоского потока и  расход свободного природного потока воды к горизонтальным выработкам (водосборные каналы, штольни и др.). При радиальном потоке подземных вод линии движения не параллельны и могут быть сходящимися или расходящимися. Это имеет место при движении подземных вод к водосборному колодцу (рис. 4.5).

При установившемся движении и отсутствии подпитки воды сверху и снизу объем просачивающейся воды в колодец равен объему воды, проходящей через поверхность цилиндрической формы, концентрическую с поверхностью колодца (рис. 4.6).

Уравнение движения радиального  потока

y²-y₁²=Q(lnx-lnx₁)/(pk_ф).

Рассмотрев две точки  с известными значениями х и у (первая у стенки колодца – х=r₀, y=h₀ – и вторая, где уровень воды неподвижен, – x=R, y=H) и переведя натуральные логарифмы в десятичные, определим дебит колодца

Q=1,366k_ф(H²-h₀²)/(lgR-lgr₀).

Аналогично можно выявить  закономерность притока напорных вод. Рассмотрим два основных случая.

Первый – при откачке воды из колодца в небольших объемах (уровень ее в нем будет выше кровли водоносного горизонта). Такой колодец называется артезианским (рис. 4.6,а). Приток воды в данном случае происходит по цилиндрической поверхности высотой, равной толщине водоносного слоя. Дебит колодца определяется по формуле

Q=2pMk_ф(H-h₀)/(lgR-lgr₀).

Второй — при значительной откачке воды (уровень ее в колодце  опустится ниже уровня водоносного  горизонта, рис. 4.6,б). Такой колодец  называется грунтово-артезианским. В данном случае происходит снижение напора в пределах водоупорной кровли, поэтому для определения водопритока к артезианскому колодцу можно использовать выражение

Q=1,366k_ф(2H-М)-h₀²/(lgR-lgr₀).

 

РАСЧЕТ ПРИТОКА  ВОДЫ В СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОТЛОВАНЫ

Строительные котлованы могут иметь в плане различную конфигурацию и различные размеры. Среди них можно выделить два основных случая, имеющих наибольшее распространение: с отношением длины котлована к его ширине менее 10:1 и с отношением этих сторон более 10:1. В первом случае котлован рассматривается как условный большой колодец, во втором — как канава больших размеров. Расчет дебита в последнем случае практически ничем не отличается от расчета водопритока в обычную горизонтальную выработку, при этом надо учесть его двусторонний характер. Окончательный выбор метода расчета осушения котлована зависит от конкретных инженерно-геологических условий. Здесь могут быть выделены следующие основные случаи.

1. Толща грунтов водоносного  горизонта прорезается котлованом, подошва которого входит в водонепроницаемые грунты (рис. 4.7,а). В этом  случае водоприток  можно определить по формуле

Q=k_фL(h₁+h₂)(H₁-H₂),

где L – длина дрены.

2. Котлован прорезает всю толщу  водоносных горизонтов и упирается  в водоупорный слой  (рис. 4.7,б). Водоприток можно рассчитать как приток воды к большому колодцу.

 

3. Водоносный горизонт  не полностью прорезается котлованом, в этом случае котлован надо рассматривать как колодец больших размеров c притоком воды через стенки и дно (рис. 4.7,в). Здесь важно выдержать условие, согласно которому напор на дно котлована должен быть меньше массы грунта с учетом взвешивающего действия воды. Если это не будет соблюдено, котлован размоется водой и станет непригодным для возведения зданий и сооружений. Тогда следует осуществить глубинный отлив с помощью системы водопонизительных скважин. Водоприток можно рассчитать по формуле притока к большому колодцу.

Важной характеристикой  водопроницаемости грунтов является коэффициент фильтрации. Существующие методы определения этой характеристики можно подразделить на расчетные, лабораторные и полевые. Расчетным путем коэффициент фильтрации определяется по эмпирическим формулам в зависимости от гранулометрического состава, пористости и др. В качестве примера приведем формулу для определения коэффициента фильтрации песков (по Н. Н. Маслову):

k_ф=1000d₁₀²,

где d₁₀ – диаметр частиц, меньше которого в песке содержится 10%.

В лабораторных условиях опыты проводятся на образцах двух типов: необжатых давлением и находящихся под определенным давлением. Сущность опытов заключается в следующем: испытываемую породу помещают в цилиндрический сосуд, через нее под напором пропускают воду и замеряют расход Q, время t и гидравлический градиент I. По результатам опытов коэффициент фильтрации определяют по формулам (4.2) и (4.3): для песчаных грунтов – в приборе Тима-Каменского, для глинистых – в приборе типа ПВГ. Как правило, образцы глинистых грунтов испытывают под нагрузкой с ненарушенной структурой.

Полевые методы определения  коэффициентов фильтрации можно разделить на две группы: первая базируется на изучении зависимости между расходом грунтового потока и понижением уровня воды в толще грунта путем откачки воды из центральной выработки и наблюдением за уровнем ее в скважинах; вторая группа основывается на установлении истинной скорости фильтрации воды в грунте по порам в зависимости от действующего градиента.

Коэффициенты фильтрации зависят от особенностей породы, коэффициентов пористости и изменяются от 5-10^-4 м/сут. для практически водонепроницаемых пород (глины и др.) до 50-500 м/сут. для хорошо водопроницаемых пород (пески средней крупности и т. д.).

 

ЛЕКЦИЯ 6.     ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

СЕЙСМИЧЕСКИЕ  ЯВЛЕНИЯ

Сейсмические явления (землетрясения) порождаются сильными и внезапными нарушениями сплошности, разрывами и разломами, а также смещениями в земной коре. По своей природе они подразделяются на денудационные, вулканические, тектонические и техногенные.

Денудационные происходят на определенной глубине от земной поверхности и обусловлены разрушением природных сводов в подземных пустотах; распространяются на небольшие расстояния и характеризуются незначительными колебательными движениями земной коры. Вулканические имеют место при извержении вулканов и обусловлены обрушением кровли, стенок больших пустот, образующихся при выходе извергающейся лавы. Распространяются так же на небольшие расстояния, но интенсивность их колебательных движений больше. Тектонические возникают вследствие тектонических процессов земной коры, некоторые отличаются большой разрушительной силой и распространяются на большие площади. Такие колебательные движения рассматриваются как основной вид землетрясений. Техногенные, или инженерные, происходят в результате инженерной деятельности человека; к ним относятся ядерные и обычные подземные взрывы, создание глубоких подземных водохранилищ и связанное с ним быстрое заполнение горных ущелий водой и т. д.

Гипоцентром называется центр очага землетрясения в недрах Земли (1-700 км. Наиболее сейсмической является глубина от 30 до 60 км. Эпицентром называется проекция гипоцентра на земную поверхность. Если эпицентр располагается на дне моря или океана, то такие землетрясения называются моретрясением, они порождают на поверхности пологие волны – цунами. Цунами перемещаются на сотни и тысячи километров со скоростью 500-1000 км/ч и более.  
При подходе к берегу высота этих волн увеличивается до 15-20 м.

При землетрясениях возникает  давление на горные породы, которое  вызывает продольные и поперечные колебания земной коры. Продольные волны обусловливают расширение и сжатие пород в направлении их движения. Перпендикулярно продольным распространяются поперечные волны, они в породах вызывают деформацию сдвига. Скорость распространения поперечных волн значительно меньше, чем продольных.

Обычно землетрясения продолжаются в течение нескольких секунд, реже – несколько минут. Силу землетрясения измеряют в баллах. Каждому баллу соответствует определенная величина ускорения, мм/с². В России используется шкала, состоящая из 12 баллов. Так 9 баллам соответствует ускорение 500-1000 мм/с².

Для учета сейсмических явлений при проектировании и  возведении зданий и сооружений произведено  сейсмическое районирование территории нашей страны. Выделены зоны с проявлением землетрясений определенной балльности и на этой основе составлена сейсмическая карта. В этой карте учтена сейсмичность со средними грунтовыми условиями – песчано-глинистыми отложениями и уровнем стояния грунтовых вод на глубине 6 м и более. В конкретных условиях инженерно-геологических условий данной местности расчетная балльность строительной площадки должна быть уточнена.

Влияние землетрясений  на здания и сооружения должны учитываться  при 7 баллах и более. Для этого  рассчитывается особое силовое воздействие, которое называется сейсмической нагрузкой.

 

ПРОЦЕССЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ И ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ВЕТРА

Процессом выветривания называют разрушение и изменение химико-минералогического состава горных пород под воздействием колебания температуры, замерзания воды в пустотах и трещинах горных пород, а также под влиянием углекислоты, кислорода и различных организмов и растений (рис. 5.3).

               

Климат существенно  определяет тип выветривания. Осадками выветривания горных пород является элювий – остаточные продукты выветривания горных пород. Они обладают неоднородностью состава и крупностью слагающихся частиц (рис. 5.4). Элювиальные грунты как основания ЗиС имеют некоторые особенности: устройство котлованов и неизбежное появление в них производственных и бытовых вод способствуют активизации химических процессов и могут обусловить неравномерные деформации.

Эоловыми называются континентальные отложения и формы рельефа, обусловленные ветром. В результате разрушительной деятельности ветра происходит дефляция (выдувание) тонких частиц пород и коррозии – механическая обработка поверхности горных пород с помощью переносимых твердых частиц пород. Совместные действия дефляции и коррозии разрушают не только мягкие, но и твердые породы. Эоловые песчаные отложения образуются по берегам морей, озер, рек и в пустынях в виде вытянутых валов нанесенного песка – дюн и барханов. Пылеватые и глинистые частицы оседают из воздуха в тех областях, где сила ветра ослабевает. Они образуют структуру с вертикальными порами. Эоловые пылевато-глинистые отложения, содержащие 30-80% пылеватых и 10-20% глинистых частиц, обладают ярко выраженной макропористостью. При увлажнении и под нагрузкой они обладают просадочными свойствами. По своим свойствам эоловые пылевато-глинистые отложения относятся к лёссовым породам.