Инженерная геология и ее роль в строительстве (стр. 5 из 6)
Верховодка.
Верховодка — это ненапорные подземные воды зоны аэрации, залегающие на небольшой глубине от поверхности Земли выше уровня грунтовых вод и имеющие ограниченное распространение.
Если в толще водопроницаемых пород залегает линзаводонепроницаемых пород, то проникающие сверху осадки, достигая линзы, задерживаются, скапливаются, образуя самостоятельный водоносный горизонт — верховодку. Верховодка обычно насыщает различные пористые породы. Она встречается также в верхней части коры выветривания скальных пород. Кроме того, верховодка распространена в районах многолетней мерзлоты, где она в зимнее время полностью перемерзает. Мощность пород, насыщенных верховодкой, обычно невелика (в среднем 14-1,0 м), местами она достигает 2-5 м.
Заметное влияние на формирование верховодки оказывает характер рельефа. Так на склонах, особенно крутых, где благоприятны условия для поверхностного стока и неудовлетворительны для инфильтрации, верховодка не формируется. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах, особенно в понижениях микрорельефа (западинах, степных блюдцах и т.п.). На территориях больших городов образованию верховодки способствуют также многочисленные понижения, ямы, старые котлованы.
Ввиду незначительной мощности и распространения водоупорных линз верховодка образует лишь временное скопление воды, которое исчезает в засушливое время года. Поэтому вода верховодки используется лишь для водоснабжения отдельных хозяйств сельской местности или снабжения мелких предприятий.
Качество вод верховодки различно. В районах избыточного увлажнения они слабо минерализованы, в засушливых районах — сильно минерализованы. На территориях городов воды верховодки, вследствие неглубокого залегания от поверхности, сильно загрязняются.
При строительных работах воды верховодки являются неблагоприятным фактором и для устранения вредного влияния верховодки применяется дренаж-осушение.
При инженерно-геологических изысканиях следует учитывать следующие особенности:
1)верховодка может образовываться даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков, например, когда в толщу суглинков обильно поступает вода, но из-за их низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхней части толщи может образоваться верховодка, которая затем, через некоторое время, рассасывается;
2)в сухое время года верховодка не всегда обнаруживается при изысканиях, поэтому, чтобы предотвратить ее внезапное появление в период строительства, следует выполнять вероятностный инженерно-геологический прогноз ее появления, в том числе, с привлечением методов имитационного моделирования особенно на просадочных (лессовых, протаивающих многолетнемерзлых) и набухающих глинистых грунтах.
8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу
Линейный закон фильтрации.
Движение подземных вод в пористых породах (пески, супеси, суглинки) неглубокого залегания имеет параллельно-струйчатый или ламинарный характер, т.е. без разрывов и пульсации, [плавным изменением скорости и подчиняется закону Дарси, экспериментально установленному им в 1856 г. IОсновной закон фильтрации — закон Дарси выражается формулой:
Q=KфF
= KфFi,где Q—расход воды (количество фильтрующейся воды в единицу
времени), м3/сут;
Kф— постоянная величина для данной породы, характеризующая ее водопроницаемость; эта величина называется коэффициентом фильтрации, м/сут;
F— площадь поперечного сечения потока, м2;
ΔH — разность уровней в двух рассматриваемых сечениях, м;
l — длина пути фильтрации, м;
i — гидравлический уклон.
Разделив обе части уравнения на Fи назвав
— скоростью фильтрации V, м/сут, получим:V=Кфi.
Это уравнение показывает, что по линейному закону скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.
Если принять i = 1, то получим V=Кф, т.е. при гидравлически градиенте, равном единице, коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации.
Формула позволяет определить так называемую кажущуюся скорость фильтрации. Так как вода течет лишь через часа сечения F, равную площади пор и трещин породы, то для определения действительной скорости фильтрации V, м/сут, следует учесть пористость п, выраженную в долях единицы и корректировать расчет: для песков и крупнообломочных пород Vд=V/n;для глинистых —
Vд=V/nакт,
где nакт — актив пористость в долях единицы.
Нелинейный закон фильтрации.
В крупнообломочных, сильно трещиноватых скальных породах неглубокого залегания при наличии крупных пустот трещин значительной протяженности движение водного потока имеет вихревой или турбулентный вид. Оно характеризуем вихреобразностыо, пульсацией и перемешиванием отдельных струй воды.
Нелинейный закон фильтрации выражается форм>~: А.А. Краснопольского:
V=Kк
,где Кк—коэффициент, определяемый опытным путем в поле, м/сут;
i— гидравлический уклон.
Методы определения коэффициента фильтрации.
К основным фильтрационным параметрам пород относят коэффициент фильтрации, а также коэффициенты водопроводимости, пьезопроводности и уровнепроводности.
Во всех уравнениях определения движения подземных вод основной расчетной величиной, количественно характеризующей фильтрационные свойства пород, является коэффициент фильтрации Кфм/сут. На его величину, а следовательно, и на пень водопроницаемости рыхлых пород оказывают влияние:
диаметр пор — с уменьшением диаметра пор уменьшается коэффициент фильтрации;
количество глинистых частиц — с увеличением количества глинистых частиц, особенно монтмориллонита, Кфуменьшается;
характер обменных катионов — при наличии двухвалентных катионов (Са2+, Мg2+) водопроницаемость и Кф возрастают, а в присутствии одновалентных катионов (Nа+, К+) — уменьшаются. Влияние Nа+, уменьшающее Кфсуглинков в десятки и сотни раз, используется на практике для сокращения потерь воды из водохранилищ.
Определение коэффициента фильтрации методом инфилътрациииз шурфа. Существует несколько способов для выполнения этой работы (методы А.К. Болдырева, Н.С. Нестерова, Н.К.Гиринского, Н.Н. Веригина, Н.Н. Биндемана и др.). Наиболее простым является метод А.К. Болдырева. Он применяется для определения Кфв грунтах, не насыщенных водой. Метод заключается в следующем. В сухом грунте вырывается шурф, не доходящий до уровня грунтовых вод. Из градуированных судов, поставленных у бровки шурфа, по трубке наливается вода на дно шурфа так, чтобы уровень воды в приямке на дне шурфа оставался все время постоянным - около 10 см. Для наблюдения за уровнем воды на дне шурфа устанавливается рейка. Через каждые 10-30 мин ведут замеры расхода воды на фильтрацию по шкалам сосудов. Опыт проводят до стабилизации расхода воды (в песках 10-20 ч, в суглинках 24-48 ч).
Определив значение установившегося (стабилизировавшаяся) расхода Qуст, м3/сут, и разделив его на площадь дна шурфа F, м2,получают среднюю скорость инфильтрации из шурфа м/сут, равную
Vуст =
.Коэффициент фильтрации определяется еще и следующий методами: 1) полевыми работами - откачками; 2) лаборатории ми методами с использованием специальных приборов; 3) эмпирическим формулам.
Определение коэффициента фильтрации откачкой воды из скважин.Определения Кфоткачкой воды из скважин дают наиболее точные данные для расчета коэффициента фильтрации. Откачки разделяются на откачки из одиночных скважин и кустовые.I Откачка из одиночной скважины позволяет предварительно Вшить водообильность изучаемых пород. Произвести точный расчет коэффициента фильтрации по данным откачек из одной скважины нельзя, т.к. неизвестна величина радиуса влияния, следующий пункт входящая в расчетные формулы. Кустовые откачки проводятся на специально выбритых опытных участках при глубине залегания водоносного горизонта не более 100 м. Опытный куст состоит из центральнной (опытной) скважины и ряда наблюдательных, располагаемых по одному или нескольких лучам в случае неоднородности водоносного пласта. При четырех лучевой системе расположения скважин один луч проводится о направление потока подземных вод, второй — против направления потока подземных вод третий и четвертый — в направлениях, перпендикулярных к ним. При двухлучевой системе применяются один или два луча, состоящие из двух-трех наблюдательных скважин. Один из лучей проводится вниз по течению подземных вод, второй перпендикулярно направлению потока, Расстояние наблюдательных скважин от центральной рекомендуется применять равным 5; 10; 20; 40; 80 м.