Контрольная работа по дисциплине "Геодезия"

В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

  Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80-100 м).  

Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и отличаются значительными колебаниями уровня подземных вод во времени. Площади их питания совпадают с площадями распространения. Глубина залегания трещинно-грунтовых вод возрастает от долин к водоразделам (от нескольких метров до 80 м и более). Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород.

Трещинно-грунтовые воды обычно расположены в зоне активного водообмена, поэтому в большинстве случаев они пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава.

Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещиноватыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Для трещинно- жильных вод характерен напорный режим. Как правило, они отличаются значительной водообильностью, нередко разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники, которые используют для водоснабжения. Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

При строительстве подземных водопроводно-канализационных сооружений (трубопроводы, тоннели и др.) в горно-складчатых областях необходимо принимать меры, предотвращающие внезапный прорыв водообильных трещинно-жильных вод.

Карстовые воды. Подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения, называют карстовыми или трещинно-карстовыми.

Подземные воды вечной мерзлоты. Подземные воды в районах многолетней мерзлоты контактируют или непосредственно содержатся в толще многолетнемерзлых пород. Подземные воды подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.

Надмерзлотные воды - воды, подстилающим водоупором для них служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод.

Межмерзлотные воды – содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). В жидкой фазе обычно напорные. Имеют связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами.

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора может достигать до сотен метров. Используются в водоснабжении.

Подземные воды не связаны с веществом минералов и горных пород. Они могут быть в парообразном, жидком и твердом состояниях, а также в виде льда. Чем выше температура и ниже давление, тем больше паров может содержать воздух, заполняющий пустоты горных пород. При понижении температуры пары переходят в жидкую воду. Соответственно сказанному можно выделить несколько типов таких вод: гигроскопическая, пленочная, капиллярная, гравитационная.

Пленочная – в виде воды, образующей вокруг частицы породы сплошную пленку. Минимальная толщина пленки может быть равна сечению молекулы воды. Пленочная вода передвигается от частицы с толстой пленкой к частице с более тонкой пленкой в любом направлении, преодолевая гравитационные силы. 

 

 

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.

Движение жидкости в порах нескальных пород в основном происходит по типу ламинарного. Количество воды, протекающее (фильтрующееся) через данное поперечное сечение породы, в единицу времени пропорционально падению напора, обратно пропорционально длине фильтрации на данном участке потока и зависит от некоторой величины, называемой коэффициентом фильтрации. Эта закономерность получила название закона Дарси, по имени инженера Дарси, впервые открывшего ее в 1856 г.:

 

Q=kфF∆H/l= kфFI ,

 

где Q – расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м3/сут;

       kф – коэффициент фильтрации, м/сут;

       F – площадь поперечного сечения потока воды, м2;

       ∆H – разность напоров, м;

       l – длина пути фильтрации, м.

Отношение разности напора ∆H к длине пути фильтрации l называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом I) I=∆H/l.

Скорость фильтрации V=Q/F или V= kфI. Скорость движения воды (фильтрации) измеряется м/сут или см/с. Эти формулы требуют уточнения в связи с тем, что в них входит величина F, отражающая все сечение фильтрующейся воды, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина V является кажущейся. Действительную скорость воды Vд определяют с учетом пористости породы

Vд =Q/Fn,

где n – пористость, выраженная в долях единицы.

              Сопоставив формулы V= kф и Vд =Q/F, можно установить, что Vд=V/n. Формула скорости воды Vд =Q/Fn в этом виде в свою очередь правомерна лишь для песков и крупнообломочных пород, где все поры открыты и вода имеет полную свободу движения. В глинистых породах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в формулу вводят не n, а nакт (активную пористость), т.е. пористости, через которые проходит вода. Также следует помнить, что движение воды в породах происходит обычно с разной скоростью, поэтому при рассмотрении вопроса о движении воды в данной породе можно говорить лишь об ее средней скорости движения.

Коэффициент фильтрации. Как следует из основного закона движения подземных вод, коэффициент фильтрации – это скорость фильтрации при напорном градиенте I= 1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т.е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав грунтов, степень засоленности и др.

              Методы определения. Для получения значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунтов с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т.д.

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.  

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т.е. установившееся движение (приборы Тима, Тима-Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт. Через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I=∆H/L) и измерив расход профильтровавшейся воды Q, находят коэффициент фильтрации по формуле Q=kф IF; kф=Q/FJ=QL/F(h1-h2), где h1 и h2 – показания пьезометров; L – расстояние между точками их присоединения. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ, позволяющие определять kф образцов с нарушенной и ненарушенной структурой.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1М. Они позволяют вести наблюдения при изменении напорного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под определенным давлением. Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты. Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных  грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Расход плоского грунтового потока. Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтом (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоупорах.

Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных слоях пород. Водоупор горизонтальный.

 

Q=kф/F= kфIсрВhср ,

 

где kф – коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

      Iср – средний напорный градиент потока;

      В – ширина потока, м;

      hср – средняя мощность потока, м;

 

Принимая hср = (h1+ h2)/2  и Iср= (h1- h2)/l, расход грунтового потока можно выразить формулой

Q= {kфВ(h1+ h2)/2}{(h1- h2)/l}= kфВh(h12- h22)/2l.

Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т.е. в виде единичного расхода q=Q/B, где q – единичный расход плоского потока, т.е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

q= kф(h12- h22)/2l.

При значительной разности мощностей m1 и m2 (рис. 8) для расчетов используют формулу Н.Н.Биндемана:

q= kф m1+m2   H1-H2

                                                                             ln m2        l

                                                                                 m1

Значительную трудность при расчете притока воды к горизонтальным выработкам представляют условия неоднородной слоистой толщи горных пород.

Единичный расход грунтового потока определяют также из закона Дарси:

q= {kф(h1+ h2)/2}{(H1- H2)/l},

где H1 и H2 – напоры воды в сечениях I и II, отсчитанные от условной плоскости сравнения (О-О) или уровня моря.

 

Требования к питьевой воде. Вода считается пригодной для использования в качестве питьевой, если она удовлетворяет следующим требованиям:

1. сухой остаток после перегонки составляет не более 1000 мг/л;
2. общая жесткость не более 7 мг-экв.;
3. постоянная жесткость не более 5 мг-экв.;
4. содержание отдельных растворенных веществ, мг/л:

хлориды …………………….  …до 15                          свинец …………………до 0,1

органические вещества ………..до 10                          мышьяк ………………...до 0,05

сульфаты ………………………..до 100                       фтор ……………………до 1,5

азотная кислота …………………до 15                         медь …………………...до 3

азотистая кислота ………………следы                        цинк …………………..до 5

аммиак …………………………..следы                        фенол …………………до 0,001

железо …………………………...до 1

Питьевая вода должна быть прозрачна, бесцветна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Золотисто-желтая или бурая окраска воды свидетельствует о наличии в ней растворенных органических веществ. Соленый вкус обусловливается значительным количеством NaCl, а горький – присутствием MgSO4. Наличие в воде солей азотной и азотистой кислот, а также аммиака указывает на связь этой воды с участками, где происходит разложение органических веществ, а следовательно, на возможность наличия болезнетворных бактерий. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием и кипячением.

Причины агрессивности воды к бетону и металлу. Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.