Геохимия грунтовых вод городских территорий

 

Зависимость скорости фильтрации (Vƒ) от гидравлического фадиента, характеризующего водопроницаемость фунтов, носит название закона ламинарной фильтрации. Математическое выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид

 

 

Схема установки для определения  коэффициента фильтрации

 

Формулируется закон ламинарной фильтрации следующим образом: скорость движения (фильтрации) воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому  градиенту.

Фильтрация воды в вязких глинистых грунтах имеет свои особенности, связанные с малыми размерами пор и вязким сопротивлением водноколлоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов.

Движение (фильтрация) воды в глинистых грунтах, в отличие  от песчаных (кривая а), начинается лишь при достижении некоторого градиента  напора (кривая б), преодолевающего  внутреннее сопротивление движения воды.

Зависимость скорости фильтрации в грунте от гидравлического градиента

 

Для кривой (б) различают  три участка:

I — начальный (0—1), когда скорость фильтрации практически равна нулю (Vf = 0);

II — переходный (1—2) криволинейный  участок;

III — прямолинейный (2—3), характеризующий процесс установившейся  фильтрации.

Таким образом, в глинистых  грунтах, особенно в плотных, при  относительно небольших значениях  градиента напора фильтрация может  не возникать (участок 0—1, кривая б). Увеличение градиента напора приведет к постепенному, очень медленному развитию фильтрации (участок 1—2). Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим (участок 2—3).

Напорный градиент, до достижения которого фильтрация в грунте не наблюдается, называется начальным градиентом (J'0).

Во многих случаях исключают  из рассмотрения участок 0—2 кривой «б»  и закон ламинарной фильтрации для  глинистых грунтов принимают  в виде

где J'0 — начальный градиент напора, т.е. участок на оси J, отсекающий продолжение отрезка прямой 2—3 до пересечения с этой осью. Для песчаных грунтов фильтрация начинается сразу после передачи напора (кривая а).

3. Защита зданий от грунтовых вод

Мероприятия по защите здания от грунтовой воды выбираются в зависимости  от уровня грунтовых вод в районе постройки. Как ведёт себя фундамент  в зависимости от помещения и  влияния грунтовых вод.

Если здание не имеет подвала  или если расчетный уровень грунтовых  вод расположен ниже пола подвала, достаточно изолировать стены подвала от влаги, находящейся в грунте, и  воспрепятствовать поднятию ее по стенам. Эти мероприятия называются изоляцией  от капиллярной влаги. Если уровень  грунтовых вод расположен выше уровня пола подвала, то наиболее целесообразно  устроить дренаж, позволяющий снизить  уровень грунтовой воды ниже отметки  пола. Такой отвод грунтовых вод, а точнее, устройство дренажа, возможно при наличии водоемов или коллекторов  сточных вод, в которые можно  сбросить воду, отводимую от здания. Если дренаж невозможен, то подвал может  быть защищен от затопления водой  при помощи специальной гидроизоляции. Схема изоляции зданий от капиллярной  сырости зависит от наличия в  нем подвальных помещений или  их отсутствии.

3.1 Отвод грунтовых вод в бесподвальных зданиях

Фундамент и грунтовые  воды могут сойтись и в бесподвальных зданиях. В таких случаях лучшим отводом грунтовых вод будет изоляция, т.е. эти здания изолируются от грунтовой сырости бетонной подготовкой пола и изоляцией, прокладываемой в цоколе на 1,5-2 см выше уровня тротуаров и на 1,0-1,5 см ниже деревянных конструкций пола. Изоляционный слой и бетонная подготовка должны быть в непрерывной связи; если изоляция выполняется выше подготовки, связь достигается двойным слоем битума на внутренней поверхности цоколя. Изоляция состоит из слоя асфальта толщиной в 1,2 см или из слоя цементного раствора 1:1,5 (с гидрозитом, церезитом) толщиной в 1,5 см; или укладываются два слоя рубероида, склеенных битумной массой. Если высота цоколя более 60 см, то изоляция прокладывается в двух сечениях: на 15-20 см выше тротуара и на 10-15 см ниже деревянных конструкций пола; кроме того, промазывается горячим битумом в два слоя внутренняя поверхность стены, соприкасающаяся с грунтом между изоляцией и бетонной подготовкой.

3.2 Отвод грунтовых вод в зданиях с подвалами

В зданиях с подвалами  фундамент и грунтовые воды тоже заслуживают внимания, потому что  их взаимодействие, а точнее влияние  грунтовых вод, может существенно  повлиять на состояние фундамента. Изоляция от капиллярной сырости  выполняется на уровне пола подвала, второй слой на 15-20 см выше поверхности тротуара. Поверхность стены подвала защищается от капиллярной влаги двойной обмазкой горячим битумом или смолой по штукатурке, смешанным раствором 1:0,5:5 (цементным раствором 1:3) с добавкой гидрозита. Обмазка производится после подсушки штукатурки. Изоляция зданий от напорной воды выполняется путем устройства дренажа в какой-либо водоприемник; не исключается устройство непрерывной водонепроницаемой оболочки подвала снаружи стен и пола подвала.

При небольших напорах  грунтовой воды от 0,1 до 0,2 м в котлован, свободный от грунтовой воды, укладывается слой мятой глины толщиной 25 см, выше бетонной подготовки на 10-15 см и производится смазка цементным раствором 1:3 с гидрозитом. Поверх смазки делается цементный или асфальтовый пол. Наружная поверхность после промазки (в раствор добавляется жидкое стекло) штукатурится на 50 см выше уровня грунтовой воды цементным раствором с гидрозитом двумя слоями по 1,5 см каждый. За оштукатуренную стену набивается мятая жирная глина слоями по 25 см до уровня на 20-25 см ниже гидроизоляционного слоя стены. Напор грунтовой воды погашается весом бетонной подготовки. Непрерывность изоляции пола и стены в песчаных грунтах достигается устройством пола подвала после возведения стен. В глинистых (связных) грунтах осадка может длиться продолжительное время, а поэтому для непрерывности изоляции устраивается замок из битума с паклей.

При напоре грунтовой воды от 0,2 до 0,8м требуется дополнительная загрузка конструкции пола тяжелым  бетоном с объемным весом 2200 кг/м3. Это дает толщину загрузки вдвое  меньше превышения уровня грунтовой  воды над полом подвала. Гидроизоляция  пола и стен при напорах от 0,8 до 2м устраивается по предыдущему; количество слоев рулонной изоляции увеличивается  до трех; при больших напорах изоляция четырехслойная.

При напоре грунтовой воды более 1,25м железобетонная плита  усиливается стальными или железобетонными  балками. Фундамент и грунтовые  воды связаны, но не всегда, поэтому  если правильно выбрать площадку, земельный участок для строительства, для закладки фундамента, то особых проблем со стойкостью фундамента, а в будущем и всего дома проблем не будет.

3.3. Карты гидроизогипс

Для выявления характера  поверхности (зеркала) грунтовых вод  составляют карты гидроизогипс. Гидроизогипсы – линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Карты гидроизогипс необходимы при решении задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территории и др. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод h_в в скважинах определяют по формуле: h_в = h_п.з. − h, где h_п.з. − абсолютная отметка поверхности земли; h – глубина залегания подземных вод от поверхности земли [м]. Полученные абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и затем методом интерполяции строят гидроизогипсы. Сечение гидроизогипс (частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера от 0,5 до 10,0 м, чаще 0,5; 1,0 и 2,0 м.

С помощью карты гидроизогипс, совмещенной с топографической картой, можно выяснить направление и узнать скорость движения грунтового потока в любой точке, а также можно определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс).

Карта гидроизогипс позволяет установить характер связи грунтовых вод с поверхностными водами (реки, каналы, водохранилища). Эти воды могут питать грунтовые воды или, наоборот, подземные воды являются источниками этих водоёмов. Следует учитывать этот факт при определении водопритоков к водозаборам.

3.4 Дренаж

Рассмотрим наиболее популярный метод защиты зданий и сооружений от грунтовых вод – дренаж.

Дренаж — метод сбора  и отвода грунтовых вод от участка  и сооружений с помощью системы  дренажных труб, скважин, каналов, подземных  галерей и других устройств.

Дренаж применяется с  целью защиты от проникновения воды в сооружения, сохранения и упрочнения оснований здания, снижения фильтрационного  давления на конструкцию. Также дренаж необходим для поддержания площадок и дорог участка в сухом  состоянии, предотвращения загнивания корневой системы высаженных растений, защиты фундамента и подвальных помещений  от избыточной влаги. Локальные дренажные  системы применяются в тех  случаях, когда общее понижение  уровня грунтовых вод на территории застройки не может дать необходимого эффекта или экономически не оправдано. Для устройства дренажа разрабатывается  проект дренажной системы. В соответствии с ним определяется место расположения дрен, глубина их залегания, уклоны, устройство каналов, подбор комплектующих  изделий и материалов. В зависимости от уровня залегания грунтовых вод, приводящих к увлажнению территории, может быть выполнен дренаж поверхности участка (поверхностный дренаж) или глубинный дренаж. Основные виды дренажа:

1. Пластовый дренаж. Пластовая  дренажная система укладывается  в основании защищаемого сооружения  непосредственно на водоносный  грунт. При этом она гидравлически  связана с трубчатой дреной (подземный  искусственный водоток для сбора  и отвода грунтовых вод), расположенной  с наружной стороны фундамента  на расстоянии не менее 0,7 метра от плоскости стены здания. Пластовая дренажная система защищает сооружение как от подтопления грунтовыми водами, так и от увлажнения капиллярной влагой. Пластовый дренаж широко применяется при строительстве подземных сооружений, возводимых на слабопроницаемых грунтах, а также при дренировании «горячих» цехов трасс теплосети и дымоходов (попадание влаги в которые, даже в капиллярном виде, недопустимо).

2. Пристенный дренаж. Пристенная дренажная система состоит из дренажных труб (с фильтрующей обсыпкой), уложенных на водоупорный грунт с наружной стороны сооружения. Пристенный дренаж применяется, как правило, в тех случаях, когда основание сооружения находится на водоупорном грунте.

3. Кольцевой дренаж. Кольцевая  дренажная система располагается  по контуру защищаемого здания  или участка. Действие кольцевого  дренажа основано на понижении  уровня грунтовых вод внутри  защищаемого контура, что обеспечивает  защиту от подтопления подземных  сооружений и частей зданий. Глубина  этого понижения зависит от  заглубления труб, галерей или  фильтрующей части скважин относительно  зеркала грунтовых вод, а также  от размеров защищаемого контура.  Кольцевые дрены располагаются  на некотором удалении от сооружения, благодаря этому они могут  быть установлены уже после  его возведения. В этом отношении  кольцевой дренаж выгодно отличается от пластового, который может быть установлен только одновременно со строительством сооружения.

Типы дренажа по конструктивным особенностям:

1. Горизонтальный дренаж. Горизонтальный дренаж представляет  собой систему трубчатых или  галерейных дрен, канав и лотков. Трубчатые дрены — сочетание  дренажных труб с одним или  несколькими слоями фильтрующей  обсыпки. Эти слои устраиваются  для того, чтобы избежать заклинивания  труб частицами осушаемого грунта. Для надзора за трубчатыми  дренами сооружаются смотровые  колодцы. Галерейные дрены —  это трубы с большим поперечным  сечением с отверстиями для  приема воды и обсыпкой. Канавы  применяют, главным образом, в  небольших поселках, где допустимо  поддерживать уровень грунтовых  вод на глубине до 1,5 метра. В устойчивых грунтах канавы выполняются, как правило, в виде траншей с откосами, а в неустойчивых — конструкций из сборного железобетона.

2. Вертикальный дренаж. Вертикальный  дренаж — система скважин,  объединенных коллектором, через  который вода откачивается насосным  агрегатом или отдельным насосом  на каждой скважине.

3. Комбинированный дренаж. Комбинированный дренаж — сочетание  дрены и ряда самоизливающихся  скважин.

4. Питьевые и технические подземные воды

Государственным Центром  “Геомониторинг” в России на 1.01.2007 г. учтены прогнозные ресурсы подземных вод в количестве 869,1 млн куб.м/сут (317,2 куб.км/год). По результатам оценки обеспеченности населения ресурсами подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, которая выполнена в 1994-2000 гг. организациями Министерства природных ресурсов России, общая величина прогнозных ресурсов составляет около 1100 млн куб.м/сут (350 куб.км/год). Однако в связи с тем, что апробация этих прогнозных ресурсов в установленном порядке не была проведена, обе величины носят справочный характер.