Материал: геолог и я

Межпластовые подземные воды – это более глубокие водоносные горизонты между водоупорами. В редких случаях они бывают ненапорными, но обычно обладают напором. Напорные межпластовые воды называются артезианскими. Геологические структуры синклинального типа, содержащие несколько водоносных горизонтов и занимающие большие площади, называются артезианскими бассейнами. Слой или слои ГП, содержащие в порах и (или) трещинах свободную воду, называются водоносным горизонтом. Поверхность, ограничивающая ненапорный водоносный горизонт сверху, называется зеркало; при наклонном положении его подземные воды образуют поток. Нижней границей водоносного горизонта является водонепроницаемый слой (водоупор); обычно это глинистая или массивная скальная порода. Каждый горизонт характеризуется областями питания, распространения и разгрузки или дренирования (для артезианских вод последняя может отсутствовать).

ПВ имеют большое значение. Они широко используются для водоснабжения, в различных областях промышленности, энергетики, медицины и др. Не менее важно, что ПВ влияют на все геологические процессы, в том числе опасные. Примером служат прорывы ПВ и плывунов в котлованы и другие выработки, оползни, пучение при промерзании, наледи и др. Охрана ПВ от истощения и загрязнения – важнейшая задача экологии.

13.Закономерности движения подземных вод. Закон фильтрации, коэффициент фильтрации: смысл, область использования, примерные значения. Определение расхода потока и притока к водозабором. Движение подземных вод.

Основной закономерностью является закон Дарси, который можно записать также в объемной форме:

Q = k*A*I.(1)

С использованием зависимости (1) решаются разнообразные задачи – определение расхода потока, дебита скважин, притока воды в котлованы и к водозаборам и др.

Например, определим расход потока Q, т.е. объем воды, переносимый им в единицу времени. Пусть вода фильтрует на расстояние L в слое шириной В (см. рис. 4.1). Подставляя в формулу для Q выражения A = (H + h)B/2 и I = (H – -h)/L, получаем нужную формулу:

Q = k*(H^2 – h^2)B/2L.(2)

При решении практических задач используют удельный расход – расход в единицу времени на единицу ширины потока, то есть Q1= k (H^2– h^2)/2L.

Рассмотрим определение притока к водозаборам. Они могут быть горизонтальными (канава, водосборная галерея) и вертикальными (скважина, колодец). Если водозабор вскрывает водоносный слой на всю его мощность, он называется совершенным; в противном случае – несовершенным.

Откачка воды сопровождается понижением уровня воды в скважине, распространяющимся на некоторое расстояние – радиус влияния R. Вокруг скважины образуется депрессионная воронка.

Примерные значения радиуса влияния: для гравия 1км, крупного песка 0,5 км, мелкого 100…200м, для суглинка 50 м.

Определим приток к совершенному горизонтальному водозабору – канаве, пройденной вдоль потока, с шириной 2а и длиной L (рис. 5.3).Рассматриваем установившийся режим, когда с каждой стороны поток фильтрует через поперечное сечение A = y L при градиенте напора I = dy/dx. Подставляя эти выражения в формулу (1), разделяя переменные, интегрируя и разрешая относительно q, получаем:

Q = k L (H^2– h^2)/ (R – a).

Поскольку a<<R, поправка на полуширину практического значения не имеет и можно принять

Q = k L (H^2– h^2)/ R и соответственно Q1 = k (H^2– h^2)/R.

В таком виде формула непосредственно следует из (2) при замене B на L и удвоении притока.

Точно также получается решение для вертикального водозабора – скважины диаметром 2а. Согласно схеме на рис.5.3, в этом случае площадь будет A = 2π xy. Проводя далее решение аналогично предыдущему, получаем формулу Дюпюи:

Q = πk(H^2– h^2)/(lnR – lna). Для напорных подземных вод порядок вывода формул расхода

аналогичен.

Рис. 5.3. Схема к определению притока к горизонтальному водозабору:

1 – УГВ; 2 – кривая депрессии; 3 - водоупор

Подземные воды находятся в постоянном движении. Подземные воды передвигаются в основном путем инфильтрации и фильтрации.

Под инфильтрацией понимают движение воды при частичном заполнении пор воздухом либо водяными парами.

При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор (трещин) водой. Масса этой движущей воды создает фильтрационный поток.

Фильтрационные потоки различают по характеру движения (установившийся и неустановившийся), гидравлическому состоянию (безнапорные, напорные и напорно-безнапорные). Движение потоков в основном ламинарное (параллельным) , в крупных трещинах и пустотах может быть турбулентным (завихряющемся). В плане фильтрационные потоки можно рассматривать как плоские и радиальные (сходящиеся (например к колодцу) и расходящиеся).

Гравитационная вода заполняет открытые поры и трещины в грунтах, перемещаясь под действием силы тяжести. Для большинства грунтов закон этого движения, или фильтрации воды, имеет вид:

V = Q/A = k I,

где V – скорость фильтрации (фиктивная), м сутки;

Q – расход воды в единицу времени, м3/с;

А – площадь поперечного сечения;

I = (H – h)/L – гидравлический градиент, т.е. разность напоров на единицу пути фильтрации (рис.4.1);

k – коэффициент фильтрации, т.е. скорость фильтрации при единичном градиенте.

Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунта и изменяется в широких пределах. Определяется экспериментально в полевых и лабораторных условиях. Примерные значения составляют (м/сутки): суглинки меньше 0,05; супеси 0,05…0,5; пески от пылеватого до крупного 0,5…50; гравий, галечник 50…500. Глины с коэффициентом фильтрации менее 0,001 можно считать практически водонепроницаемыми.

14. Экзогенные геологические процессы. Выветривание, его виды. Эллювий как результат выветривания, особенности и строительная оценка.

Экзогенные процессы – это проявление взаимодействия геосфер: ЗК, гидросферы, атмосферы и биосферы. Действие разнообразных факторов заключается в разрушении, преобразовании ГП, переносе продуктов разрушения и их отложении, что в конечном счете приводит к выравниванию земной поверхности.

Наиболее общим процессом является выветривание – разрушение и преобразование минералов и ГП под действием различных факторов. В зависимости от природы ведущих из них различают выветривание физическое, химическое и биологическое (органическое). Накопление продуктов выветривания образует элювий – неоднородную по составу обломков толщу пород, измененных по сравнению с исходной (материнской) породой. Элювий и почва (результат главным образом органического выветривания) составляют кору выветривания.

В геологической работе ветра наиболее очевидной составляющей является перенос им песчаных и пылеватых частиц, приобретающий иногда характер стихийных бедствий (пыльные, песчаные, черные бури). В то же время ветер производит и разрушительную работу, основные составляющие которой дефляция (выдувание) и корразия (обтачивание). В результате создаются эоловые, или аэральные формы рельефа – котловины выдувания, разнообразные очертания скал (останцы), дюны, барханы. Основные виды эоловых отложений – пески и лессы. Выделяют грядовые и бугристые пески, закрепленные растительностью и утратившие подвижность и подвижные - дюны и барханы. Лессы представляют собой маловлажные макропористые глинистые породы с преобладанием в составе пылеватых фракций, относительно прочные в природном состоянии, но разупрочняющиеся при замачивании и дающие большие по величине и быстро протекающие осадки (просадки).

Исходя из условий образования, элювиальные отложения представлены крупнообломочными, песчаными и глинистыми породами и характеризуются следующими свойствами:

- обломки имеют неокатанную, угловатую форму (щебень, дресва, хрящ); поверхность песчаных частиц шероховатая, что связано с отсутствием переноса материала;

- слоистость отсутствует, имеет место постепенный переход одной зоны в другую

- неоднородность механического состава;

- минералогический состав элювия связан с подстилающей материнской породой;

- наибольшее распространение и мощность элювия характерны для невысоких плоских водоразделов и отрицательных форм рельефа (понижений), где слабо проявляется денудация;

- нижняя граница элювия обычно неровная из-за разнообразия влияющих на выветривание факторов.

Возможность использования элювия в качестве основания сооружения зависит от мощности и вида грунта, его состава и состояния, а также от действующих нагрузок. Здания и сооружения с умеренными нагрузками успешно возводятся на элювиальных грунтах, особенно в районах широкого их распространения (Урал, Дальний восток). С другой стороны, для тяжелонагруженных особо ответственных сооружений (плотины, опоры мостов и др.) может потребоваться полное удаление выветрелых пород.

15. Геологическая деятельность атмосферных вод. Плоскостная эрозия и делювиальные отложения, их особенности. Глубинная эрозия (размыв). Оврагообразование и селевые потоки. Пролювиальные отложения, их особенност.

Поверхностные воды подразделяются на временные (сток атмосферных осадков) и постоянные – реки. Выпадающие на землю осадки частично инфильтруют в почву и затем в породы, частично испаряются. Наибольшую же геологическую работу производит часть осадков, стекающая на поверхности в направлении ее уклона. Разрушительная работа текущей воды называется эрозией. Выделяют плоскостную эрозию или смыв и глубинную – размыв. Речная эрозия проявляется как донная и боковая – размыв дна и берегов реки. Смыв проявляется на поверхности ровных пологих склонов и приводит к накоплению у их подножья делювиальных отложений – обычно пылеватых супесей и суглинков часто с включениями полуокатанных обломков. Следствием развития глубинной эрозии являются оврагообразование и селевые потоки (сели). Развитие оврага может начаться с рытвины, повреждения почвы и т.п. В легко размываемых грунтах он быстро углубляется и удлиняется в сторону вершины (регрессивная эрозия). Рост оврага продолжается, пока не будет выработан профиль равновесия, соответствующий данному базису эрозии. В устье оврага выносимый и отлагаемый потоками материал образует конус выноса.

Сели характерны для горных районов. При сильных дождях или интенсивном снеготаянии сбегающие с гор потоки воды захватывают обломочный материал и образуют мощные водо-, или грязекаменные потоки, представляющие опасность для сооружений. Накапливающиеся у подножья гор отложения (мощностью до 100м) селей называются пролювиальными или пролювием; к нему относятся также отложения конусов выноса оврагов. Под пролювием понимают отложения временных горных потоков в виде несортированного или плохо сортированного валунно-галечно-щебневатого материала. Пролювиальные отложения весьма сильно развиты у подножья гор; здесь каждое, даже небольшое, ущелье имеет свой «конус» выносов. Сливаясь вместе, эти выносы обычно образуют подгорные равнинные полосы, нередко значительной величины, как, например, вдоль Копетдага в Средней Азии.

Таким образом, характерным признаком, позволяющим отличать пролювиальные отложения от других аналогичных по строению наносов, является конусо- или веерообразная форма слагаемых пролювием накоплений. По механическому составу пролювий весьма неоднороден. Вблизи горных хребтов, как правило, в нем преобладает грубый хрящевато-щебенчатый материал; по мере же удаления от подножия гор щебневатые наносы делаются мельче и постепенно переходят в пески и суглинки нередко лёссовидного облика.

16.Геологическая работа рек. Строение речных долин . Аллювиальные отложения, их виды. Свойства и строительная оценка.

Большая часть стока атмосферных осадков попадает в постоянные поверхностные водотоки – реки. Один из важнейших экзогенных процессов формирования рельефа земной поверхности – деятельность рек в трех ее составляющих – разрушение ГП, перенос, отложение. Результатом главным образом эрозионной работы являются речные долины – извилистые углубления в земной поверхности с уклоном в сторону устья. В своем развитии река или отдельные ее участки проходят ряд стадий с преобладанием размыва, переноса и отложения аллювия, что отражается в строении речной долины. По мере приближения к профилю равновесия донная эрозия сменяется боковой, появляются излучины русла (меандры), старицы, долина расширяется. В зависимости от условий образования аллювиальные отложения подразделяются на русловые, пойменные, старичные и дельтовые, со своими особенностями состава и строения. Вообще же для аллювия характерны значительная изменчивость состава, невыдержанность отложений в плане и по глубине.

Русловые отложения залегают в нижних горизонтах, причем наибольшая их мощность может оказаться в стороне от современного русла. Это связано с изменениями положения русла в долине, его меандрированием, наличием рукавов. Пойменные отложения составляют верхние горизонты, а старичные представляют отложения стариц, залегая в виде линз.

Русловой аллювий представляет собой наиболее крупные обломки – валуны, гальку, гравий, песок; в равнинных реках последний преобладает. Вследствие частых изменений направления и скорости течения потока для руслового аллювия характерны выклинивание и смена отложений на малых расстояниях, косая слоистость. При достаточной мощности русловой аллювий – а наибольшая толща его может быть и в стороне от современного русла - является хорошим основанием опор мостов. Часто используется также как строительный материал – заполнитель бетона и др.

Пойменный аллювий отлагается на пойме во время паводков. Это мелкие и пылеватые пески, супеси, суглинки, часто обогащенные органикой. Характеризуются тонкой горизонтальной слоистостью, значительной пористостью. Могут включать погребенные почвы, указывающие на перерывы в осадконакоплении.

Старичный аллювий отлагается в старицах – старых отделившихся от русла рукавах и излучинах рек. Для них характерны периодические затопления, заболачивание. В результате старичный аллювий представлен иловатыми песками, илами и глинистыми породами, а также торфом. Это слабые водонасыщенные, сильносжимаемые грунты.

Дельтовый аллювий образуется в устьях рек; представлен мелко- песчаными и глинистыми грунтами, илами. Залегает наклонными слоями с постепенным уменьшением мощности в сторону бассейна.

17.Геологическая деятельность морей и океанов. Морские отложения, их распространения, классификация, свойства и строительная оценка. Геологическая работа озер. Озерные отложения, виды, строительная оценка.

Геологическая работа морей наиболее масштабна в силу их распространенности (71% земной поверхности). Разрушительная работа морских волн – абразия – нагляднее всего выступает в зоне прибоя, но их действие проявляется также в абразии морского дна шельфа. В связи с трансгрессиями и регрессиями моря это приводит к образованию надводных и подводных абразионных террас. Факторами разрушения и переноса являются также приливно-отливные явления и морские течения, поверхностные и глубинные. В итоге создаются пляжи, береговые валы, бары, лагуны и др.

Морские отложения представляют почти все типы ОГП. В прибрежной (литоральной) зоне отлагаются обломочные породы – галька, гравий, песок. В неритовой зоне (шельф до глубины 200м) – разнообразные илы, песчано-глинистые, карбонатные породы (известняки, мергель); на континентальном склоне и глубже накапливаются отложения илов, кремнистых пород, красных глин. В целом коренные морские отложения отличаются значительным распространением в плане и по глубине, однородностью, цементацией и значительной прочностью. В то же время некоторые их разности содержат включения минералов, легко выветривающихся при вскрытии пород различными выработками.