Застройщики не приступают к работам нулевого цикла без проведения гидрогеологических изысканий. Сюрпризы не нужны никому. Поэтому любые постройки на земле предваряются изучением того, что происходит под ней. Что делать, если на вашем объекте высокий уровень подземных вод? Отвечают эксперты группы компаний «КС» и «ВММоторсервис».
Что такое подземные воды
Подземные воды — это расположенные под земной поверхностью в верхней части земной коры водяные ресурсы, занимающие в геологических пластах и почвах пустоты. Запасы подземных вод постоянно пополняются за счет дождей, талого снега и прочей воды, которая проникает сквозь песок, дорожные трещины и почву, песок.
Физическое состояние подземных вод может быть:
- жидким;
- твердым;
- газообразным.
Под землей вода может переходить из одного состояния в другое и принимает участие в общем круговороте. Описанием и исследованием того, каков механизм подобных превращений жидкости занимается гидрогеология.
Выделяется три основных зоны залегания подземных вод:
- верхняя или свободного обмена;
- средняя или замедленного водообмена;
- нижняя, трудно поддающаяся превращению.
20 % мировых запасов пресной воды, а также около 1% от всей гидросферы Земли, с учетом ледников и всей океанической воды, составляют подземные воды. География подземных вод обширна. Если посмотреть на карту распределения объемов подземных вод в РФ, крупнейшим источником является Западно-Сибирский артезианский бассейн, имеющий площадь около трех миллионов км², водоносные слои в котором образовались еще в мезозойской эре. Подземные воды залегают на всей территории РФ, являясь важнейшим источником питания рек. Основная их часть напрямую связана с речным стоком и котловинами озер. Объем ресурсов подземных вод России составляет 787,5 км³/год, а статические запасы насчитывают порядка 28 тысяч км³.
Подземные воды играют важную роль в функционировании всего природного комплекса, так как:
- участвуют в гидрологическом цикле Земли;
- обеспечивают людей, животный и растительный мир влагой и питьевой водой;
- пополняют водоемы;
- выходят на поверхность в виде родников и источников, зачастую минеральных или горячих;
- растворяют различные вещества в породах и переносят их;
- служат для отопления зданий, теплиц и энергетических установок в виде водяного пара и горячей воды гейзеров;
- вымывают в растворимых горных породах пустоты и пещеры;
- могут послужить причиной селей и оползней.
Виды подземных вод
В соответствии с характеристиками подземные воды подразделяют на следующие виды:
- Капиллярная — вода, перемещающаяся под действием капиллярных сил по расщелинам и каналам. Она может быть: подвешенной, стыковой и поднятой. Поднятая вода располагается выше свободной и формирует капиллярную зону, что способствует засолению почв.
- Свободная — вода, находящаяся в полостях и трещинах горных пород и почв.
- Гигроскопическая — это вода, покрывающая минеральные частицы более толстой пленкой, при этом перемещается жидкость после перехода в газообразную форму.
- Лед — твердое состояние воды при низких температурах, представляющее собой большие скопления кристаллических частиц.
- Пленочная — такая вода обладает очень тонкой пленкой, обволакивающей минеральные частицы, и перемещается туда, где более тонкая пленка.
- Кристаллизационная — это вода, молекулы которой входят в минералы, удаляются при дегидратации либо переходят в другое состояние.
Объемы водных ресурсов, находящихся под землей, составляют порядка 60 миллионов км³ и учитываются как полезное ископаемое.
По условиям расположения подземные воды можно отобразить в виде следующего списка:
- почвенные;
- верховодка;
- грунтовые;
- артезианские;
- минеральные.
Почвенные воды располагаются под верхним слоем земной коры. Они заполняют трещины и поры и трещины, перемещаясь под действием силы тяжести. Для этого вида воды характерна небольшая глубина залегания, что позволяет ей пропитывать плодородный слой почв, распределяясь на большие площади. Восполнение происходит за счет дождевых вод через песок и грунт в процессе инфильтрационного просачивания. Это длительный процесс, в течение которого происходит насыщение воды органическими веществами.
Верховодка — это временная концентрация гравитационных вод в зонах аэрации пород и почв. В этом случае формирование подземных вод происходит за счет паводков, атмосферных осадков и таяния снегов.
Она может также образовываться как результат внутрипочвенных испарений из искусственных водоемов. Для водоснабжения верховодка обычно не используется и обладает следующими свойствами:
- сезонной неустойчивостью;
- ограниченным объемом расширения;
- резкими изменениями уровня.
Грунтовые — это воды водоносного горизонта, первого от поверхности земли. В основном они образуются просачиванием через почву после атмосферных осадков, а также из озер, рек и прочих водоемов.
Даже в условиях вечной мерзлоты за полярным кругом грунтовые воды подпитывают моря. Это безнапорная свободная вода, всегда остающаяся на уровне вскрытия. Грунтовые воды распространяются и подпитываются в одной области. Уровни воды сильно различаются в течение сезона в зависимости от температуры грунта и атмосферных осадков. Грунтовая вода необходима для народного хозяйства в качестве источника водоснабжения для населенных пунктов и промышленных предприятий.
Межпластовые или артезианские запасы подземных вод располагаются между верхними и нижними водоупорными слоями. Они отличаются отсутствием источников подпитки. Вода, находясь под давлением плотных слоев грунта, выходит на поверхность в виде родников и источников. Подобные подземные запасы глубокого залегания используются для обеспечения водой жилых, сельскохозяйственных и промышленных объектов. Межпластовые воды могут быть напорными и безнапорными.
Минеральные водяные месторождения отличаются постоянным химическим составом, который зависит от типа источника и формируется в течение нескольких лет под воздействием ряда факторов. Минеральные воды содержат особые биоактивные и органические вещества, вследствие чего обладают лечебными свойствами и часто используется в медицинских целях. Подобная вода добывается при помощи каптажей — комплекса инженерных сооружений.
Минеральная вода различается по:
- уровню минерализации;
- химическому составу;
- способу применения.
Подземные воды в разных районах планеты обладают неодинаковым химическим составом. В зависимости от того, сколько соли содержится в воде, выделяют:
- пресные подземные воды, где содержится менее одного грамма солей на литр объема;
- слабоминерализованные воды с содержанием не более 35 грамм солей на литр жидкости;
- минерализованные воды в составе которых порядка 50 грамм солей на один литр.
Классификация пресных подземных вод по степени общей жесткости отражена в следующей таблице:
Значение подземных вод
Подземные воды имеют большое значение для развития человеческого общества и используются в разных сферах жизни: как в быту, так и в промышленном производстве. В основном подземные источники используются для обеспечения питьевого водоснабжения. Это также постоянный источник питания для озер и рек. Подобные родники снабжают влагой и питательными веществами растения, принимают участие в формировании рельефа. В некоторых случаях, при близком нахождении от поверхности, они могут вызывать процессы заболачивания.
Значение подземных вод для человека:
- являются пресным источником водоснабжения;
- используются в сельском хозяйстве для орошения;
- необходимы для жизнедеятельности представителей флоры и фауны;
- широко применяются в промышленности: при производстве сахара и соли, различных напитков, химических веществ, в бумажной и текстильной промышленности;
- минеральные используются для лечебных целей в медицине;
- выступают источником химического сырья;
- высокотермальные воды с температурой от 50 до 100 градусов по Цельсию применяются для нужд отопления и горячего водоснабжения, например, в Новой Зеландии, Италии и Австралии.
Для правильного использования подземных вод в промышленности, необходимо знать их уровень жесткости, так как, например, повышенное содержание солей кальция и магния негативно воздействует на паровые котлы и иное промышленное оборудование.
Таким образом, значение подземных вод для природы и жизни человека велико. Запасы этого природного ресурса позволяют человечеству существовать и развиваться.
Что способствует возникновению подземных вод
Подземные воды имеют ряд отличий от поверхностных вод, но, как и поверхностные, являются составной частью непрерывного круговорота воды в природе. Большая часть подземных вод образуется в результате выпадения осадков и поверхностных стоков. Вода проникает в поверхность Земли после дождей, при таянии снегов и льда, через дно водоемов. Затем она проникает ниже поверхности в почву. При этом вода фильтруется, проходя многочисленные слои различных пород.
Через разные грунты просачивание воды происходит с разной скоростью. Чем пропускная способность породы ниже, тем больше над ней скапливается воды. Именно в таких местах происходит формирование водоносного слоя, или иначе — горизонта. Чаще всего подобных слоев образуется несколько.
Водоносный горизонт — это водопроницаемый пласт, насыщенный водой, которая находится в постоянном движении за счет гидравлической связи и перепада давления во всем пласте, который сверху и снизу ограничен водонепроницаемыми породами.
После насыщения почвенной зоны, вода просачивается еще ниже. Зона насыщения располагается в месте, где все пустоты заполнены водой. Также существует зона аэрации, в которой пространство частично занято воздухом, а частично — водой.
Подземные воды продолжают свой спуск ниже, пока не достигают горной породы, происходит глубокое просачивание. Здесь вода накапливается в трещинах и порах, образуя водоносный горизонт. Процесс осаждения, увеличивающий объемы подземных вод, называется подпиткой. В тропическом климате подобная подпитка происходит во время сезона дождей, а в умеренном — в зимний период. Обычно в водоносные горизонты попадает от 10 до 20 процентов выпадающих осадков.
В природе происходит постоянное движение подземных вод. Однако, по сравнению с поверхностными водами, это очень медленный процесс. Скорость передвижения зависит от объема водоносного горизонта и пропускной способности. Естественный отток грунтовых вод осуществляется через русла рек и источники, когда вблизи земной поверхности давление грунтовых вод выше атмосферного. Вблизи уровня грунтовых вод время круговорота воды составляет обычно меньше года, тогда как в глубоких водоносных горизонтах процесс циркуляции длится тысячи лет.
Выделяют следующие классы подземных вод:
- Инфильтрационные. Формируются из наземных атмосферных вод, их восполнение происходит за счет процесса инфильтрации, то есть просачивания вглубь земли дождевых и талых атмосферных осадков.
- Конденсационные. Формируются в результате процесса конденсации водяных паров воздуха, наблюдающегося в трещинах горных пород.
- Седиментогенные. Подземные соленые воды высокой минерализации, накапливающиеся в глубоких слоях осадочных горных пород.
- Магматогенные. Формируются прямо из магмы, их накопление наблюдается в процессе извержения вулканов, а также при выделении из магматических тел, находящихся на глубине.
- Метаморфогенные. Образуются путем метаморфизма минеральных масс, состоящих из кристаллизационной воды либо газо-жидких компонентов.
Примеры подземных вод
Выходы подземных вод весьма многочисленны и разнообразны. На земную поверхность могут проступать: грунтовые, трещинные, межпластовые, карстовые, межмерзлотные, надмерзлотные и подмерзлотные воды. Наибольшее количество воды создают источники, связанные с карстовыми и трещинными породами.
В зонах активного вулканизма подземные воды образуют:
- Береговые термы, отличающиеся высокой минерализацией, расположенные вблизи берегов океанов или морей.
- Фумаролы — вулканические воды в виде парогазовых струй либо выделений газов из трещин и каналов в жерлах, а также на внутренних стенках и внешних склонах вулканов.
- Гейзеры — это родники, с определенной периодичностью выбрасывающие пар и воду. Подобное извержение происходит в результате давления, после которого канал гейзера открывается, и вода с паром выходят в виде фонтана с температурой до 185°С.
На Земле не так много регионов с действующими гейзерами, это: Исландия, Камчатка, Северная Америка, Новая Зеландия и Япония.
Родники — это естественный выход подземных вод на земную поверхность.
В строении родников различают:
- жерло — место изливания воды;
- родниковую воронку, иногда образующую небольшой водоем, изливающийся дальше;
- ключ, дающий начало ручьям и рекам.
Родники принято классифицировать по ряду признаков.
Например, по гидравлическим особенностям разделяют: ненапорные родники, которые подпитываются грунтовыми водами, и выходящие на склонах напорные. Их можно наблюдать в зонах разломов, на склонах артезианских бассейнов, а также речных долин.
Закон Дарси
Перейдем к практической части, для получения цифровых значений и расчета перемещения подземных вод используют специальную формулу. В 1856 году инженер-гидравлик Анри Дарси установил линейную зависимость, существующую между скоростью фильтрации V и силами сопротивления. Формулировка основного закона движения подземных вод гласит:
где Q — объемный расход жидкости через фильтр длиной L и площадью поперечного сечения F;
ΔH — разность напоров;
ΔH/L — гидравлический уклон;
Kф — коэффициент фильтрации: скорость фильтрации при гидравлическом уклоне, равном единице.
Расчеты движения подземных вод проводят для условий жесткого режима фильтрации. При таких условиях движение воды бывает ламинарное и турбулентное. В реальных условиях оно может быть смешанным.
- Ламинарное – движение параллельными струями, наиболее характерное для движения подземных вод;
- Турбулентное – движение происходит не сплошным потоком, а струйками, которые движутся в разных направлениях. Характерно для горных пород, где вода движется по крупным пустотам, а также в зоне вокруг фильтра водозаборных скважин во время откачки воды.
Пределы применимости закона Дарси
На практике отмечены случаи несоответствия закону Дарси. Исходя из этого выделены верхний и нижний пределы применимости закона:
- верхний выполняется для максимально водопроницаемых пород при достижении критической скорости фильтрации;
- нижний наступает при низких скоростях фильтрации в глинистых и крупнообломочных горных породах.
Помимо этого следует учитывать, что в закарстованных, крупнообломочных и сильно трещиноватых породах скорости движения подземных вод могут быть достаточно большими, а режим потока становится турбулентным.
В подобных ситуациях вместо формулы Дарси используется нелинейный закон Шези–Краснопольского:
где К’ф – коэффициент турбулентной фильтрации, который определяют опытным путем.
Согласно формуле, при турбулентном движении скорость фильтрации пропорциональна
напорному градиенту в степени ½.
Применить данные уравнения без должного опыта просто невозможно. С расчетом на вашем объекте помогут специалисты группы компаний «КС» и «ВММоторсервис»! Просто заполните форму обратной связи, и мы вам перезвоним в ближайшее время!
КАК ОБУЗДАТЬ СТИХИЮ?
Для осушения территории под строительство и укрощения подземных вод используют различные методы. Это и закрытый дренаж, и открытая система канав. Чаще всего осушение требует не только умелых рук и лопаты, но и специализированной техники. С ее помощью можно проводить дренирование участка, понижать уровень грунтовых вод иглофильтрами, эжекторными установками, вакуумными насосами или мотопомпами.
Зачастую приходится строить не на самом подходящем участке, где влияние подземных вод велико. При этом возникают сложности с заливкой и герметизацией фундамента. Более чем десятилетний опыт работ по водопонижению дает нам основания утверждать, что невыполнимых задач не существует. Наши специалисты оценят обстановку на участке и подберут наиболее подходящее решение, которое будет учитывать все сложности.
Группа компаний «КС» и «ВММоторсервис»:
- производит насосное оборудование, иглофильтры и комплектующие;
- предоставляет в аренду системы водопонижения Борей, Varisco;
- выполняет водопонижение грунтовых вод с глубиной залегания до 16 метров;
- на основе представленных гидрогеологических исследований разрабатывает проект работ по водопонижению.
Позвоните по номеру телефона, указанному на сайте, или заполните форму обратной связи, чтобы мы могли предложить наиболее эффективное решение и проконсультировать по всем возникающим вопросам.
Закажите бесплатную консультацию
Прежде чем говорить об основных законах движения подземных вод, стоит определиться с их динамикой и понять, что же это такое.
Динамика подземных вод — наука, изучающая движение как природных, так и искусственных потоков воды в горных породах земной коры. Подземные реки находятся всегда в движении и напрямую влияют на поведение грунтов, их дренажей, и, как следствие, на прочность фундамента будущего или уже построенного здания. Таким образом, основной закон движения подземных вод определяет успех строительства.
Важный аспект, который обязательно учитывают профессионалы — особенности процессов фильтрации, то есть движения сплошной массы грунтовых вод, нефти или газа в пористых породах.
Может происходить в разных режимах: жестком и упругом.
- При жестком режиме в неглубоко расположенных фильтрационных потоках со свободной или напорной поверхностью незначительные изменения водопроницаемости горных пород и плотности воды не учитывают.
- При упругом режиме в глубокозалегающих водоносных горизонтах изменяются плотность воды и пористость водоносной породы.
Для ряда почв характерна инфильтрация — частичное заполнение пор воздухом или паром при движении воды. Явление встречается в поверхностных зонах.
Само движение подземных вод также разделяют на типы:
- Установившееся. Характеризуется постоянной скоростью и напором, его параметры неизменны во времени. Иногда поток настолько мал, что им допустимо пренебречь при строительстве.
- Неустановившееся. Наоборот, изменяет свои параметры времени, места и ряда других показателей.
- Напорное. Характеризуется нахождением под постоянным давлением, за счет него и происходит движение.
- Безнапорное. Обладает свободной поверхностью, давление в этом случае равняется атмосферному.
КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ
Коэффициент фильтрации или водопроницаемость грунта – это скорость прохождения жидкости через почву с гидравлическим градиентом, равняющимся единице. Этот показатель характеризует способность различных грунтов пропускать воду под влиянием силы тяжести. Ориентируясь на данные геологоразведки, специалисты принимают решение о возможности возведения объекта на участке.
Водопроницаемость грунта имеет огромное значение при строительстве дорог и зданий, а также ландшафтных работах. Несмотря на то что средние значения коэффициента фильтрации известны, на каждом объекте необходимо выявлять эти показатели. Для этого используют один из трех методов:
- опытные откачки в полевых условиях;
- фильтрационные приборы в лабораториях;
- эмпирические формулы, учитывающие состав и пористость почвы.
Коэффициент фильтрации некоторых пород:
Для детального определения коэффициента фильтрации используют расчетный, полевой и лабораторный методы.
Расчетные методы чаще применяют для песка и гравия, дают приблизительные значения. Допустимы на начальных стадиях исследования, но целиком полагаться на результаты не стоит.
Скорость фильтрации находят по формуле:
v = КфI
Где V – это скорость, Кф — коэффициент фильтрации, а I — гидравлический градиент.
Следует помнить, что в расчетах указано значение движения воды по всему сечению грунта, однако на практике существуют поры и трещины, поэтому расчетная скорость неизбежно отличается от действительной.
Лабораторные методы предполагают вычисление скорости грунта по взятому образцу. При этом для экспериментальной части используют специальные приборы, создающие постоянный и переменный напор.
При полевом методе все расчеты проводятся на месте, с помощью специальной измерительной техники и геодезических изысканий. Подобные расчеты считаются самыми достоверными, однако более трудоемкими и дорогими.
Если вы уже получили данные геологоразведки и планируете приступить к нулевому этапу работ, обращайтесь к экспертам в вопросах водопонижения на строительных площадках.
