Грунты

      Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между  поверхностью твердой частицы и  молекулами воды у самой поверхности  достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля.   Вне пределов, ограниченных этим расстоянием, вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной (она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами). Свободной является гравитационная вода, перемещающаяся под действием силы тяжести, и капиллярная. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной (она связана с твердыми частицами). Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц и ее часто называют пленочной. Поскольку в пределах слоя адсорбированной воды удельные силы взаимодействия изменяются от очень больших величин до нуля, такой слой принято условно делить на слои прочносвязанной и рыхлосвязанной воды.

      Прочносвязанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует твердому, а не жидкому телу. Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0°С, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью; такую воду можно отделять от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С.

      Рыхлосвязанная  вода представляет собой диффузный  переходный слой от прочносвязанной  воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они  выражены слабее. Это обусловлено  резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды (см. рис. 1.).

      Так как в пределах слоя связанной  воды удельные силы взаимодействия резко  меняются, свойства пылевато-глинистых  грунтов в значительной степени будут зависеть от толщины пленок рыхлосвязанной воды. При этом чем больше дисперсность грунта, тем в большей степени будет проявляться эта зависимость, поскольку при большей дисперсности грунта, содержащего глинистые и особенно коллоидные частицы, удельная площадь их поверхности, т. е. суммарная площадь поверхности частиц глин и суглинков, больше, чем у песков, в тысячи раз. Кроме того, она зависит от минералогического состава глинистых частиц. Таким образом, минеральный состав и удельная площадь поверхности частиц пылевато-глинистых грунтов обусловливают их специфические свойства.

      Наличие между частицами пылевато-глинистого грунта связанной (пленочной) воды определяет его пластичность. При этом чем  толще пленки воды, тем меньше прочность  грунта, и наоборот. Изменение толщины пленок воды, окружающих частицы пылевато-глинистого грунта, приводит к изменению его состояния от почти жидкого до твердого. При малой толщине пленок воды пылевато-глинистые грунты обладают сцеплением. Поскольку сцепление в значительной степени обусловлено наличием связанной воды, такие грунты обладают присущей этой воде ползучестью.

      Увлажнение  пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению толщины пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объема грунта, т. е. грунт  набухает. Наоборот, при высыхании пылевато-глинистые грунты уменьшаются в объеме вследствие утончения пленок воды (грунт получает усадку). Когда связность грунта обусловлена наличием пленочной воды или растворимых солей, увлажнение грунта может приводить к полному его размоканию.

      Если  пылевато-глинистый грунт содержит небольшое количество рыхлосвязанной воды и при этом все его поры заполнены водой, фильтрация ее практически  невозможна. В связи с этим строители  используют перемятую глину в  качестве гидроизоляционного материала.

      Связность (прочность) грунта, зависящая от толщины  слоя рыхлосвязанной воды, может резко  снижаться при нарушении определенного  расположения молекул воды и частиц (например, при динамических воздействиях или перемятии). Со временем возможно восстановление прочности (явление тиксотропии).

      Итак, пылевато-глинистые грунты, особенно содержащие коллоидные частицы, обладают свойствами пластичности, связности, ползучести, набухаемости при увлажнении, усадки при высыхании, размокаемости, водонепроницаемости, тиксотропности и т. д.

 

6. Суффозия и карст.

 

      Суффозия (от лат. suffosio — подкапывание) — вынос  мелких минеральных частиц породы фильтрующейся  через неё водой. Процесс близок к карсту, но отличается от него тем, что суффозия является преимущественно физическим процессом и частицы породы не претерпевают дальнейшего разрушения.

      Суффозия  приводит к проседанию вышележащей  толщи и образованию западин (суффозионных воронок, блюдец, впадин) диаметром  до 10 и даже 100 метров, а также пещер. Другим следствием может быть изменение гранулометрического состава пород как подверженных суффозии, так и являющихся фильтром для вынесенного материала.

      Наиболее  широкое развитие суффозия получает в области распространения лёссов и лёссовидных суглинков, под  склонами долин рек, часто по ходам роющих животных. Одним из необходимых условий суффозии является наличие в породе как крупных частиц, образующих неподвижный каркас, так и вымывающихся мелких. Вынос начинается лишь с определенных значений напора воды, ниже которых происходит только фильтрация.

      В карбонатных и гипсоносных песчано-глинистых  отложениях и мергелях карст и  суффозия могут проявляться одновременно. Это явление носит название глинистый  карст или глинистый псевдокарст.

      Виды  суффозии

      Физическая - фильтрующаяся вода отрывает и выносит целые частицы (глинистые, пылеватые песчаные)

      Химическая - вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения

      Химико-физическая - смешанная, чаще всего встречается  в лессовых породах.

      Карст (от нем. Karst, по названию известнякового плато Крас в Словении) — совокупность процессов и явлений, связанных с деятельностью воды и выражающихся в растворении горных пород и образовании в них пустот, а также своеобразных форм рельефа, возникающих на местностях, сложенных сравнительно легко растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками, мраморами, доломитами и каменной солью).

      Наиболее  характерны для карста отрицательные  формы рельефа. По происхождению  они подразделяются на формы, образованные путём растворения (поверхностные и подземные), эрозионные и смешанные. По морфологии выделяются следующие образования: карры, колодцы, шахты, провалы, воронки, слепые карстовые овраги, долины, полья, карстовые пещеры, подземные карстовые каналы. Для развития карстового процесса необходимы следующие условия: а) наличие ровной или слабо наклонной поверхности, чтобы вода могла застаиваться и просачиваться внутрь по трещинам; б) толща карстующихся пород должна иметь значительную мощность; в) уровень подземных вод должен стоять низко, чтобы было достаточное пространство для вертикального движения подземных вод; г) минерализация воды на входе в грунт, должна быть меньше растворимости породы.

      По  глубине уровня подземных вод  различают карст глубокий и мелкий. Различают также «голый», или средиземноморский карст, у которого карстовые формы рельефа лишены почвенного и растительного покрова (например, Горный Крым), и «покрытый» или среднеевропейский карст, на поверхности которого сохраняется кора выветривания и развит почвенный и растительный покров.

      Карст характеризуется комплексом поверхностных (воронки, карры, желоба, котловины, каверны  и др.) и подземных (карстовые пещеры, галереи, полости, ходы) форм рельефа. Переходные между поверхностными и подземными формами — неглубокие (до 20 м) карстовые колодцы, естественные туннели, шахты или провалы. Карстовые воронки или иные элементы поверхностного карста, через которые в карстовую систему уходят поверхностные воды, называются поноры.

      Существуют  также формы, внешне очень похожих на карст. Они называются псевдокарстовыми формами.

      Одной из разновидностей псевдокарста является термокарст. Термокарст связан с таянием  погребенного льда или протаиванием мерзлых пород в областях распространения  вечной мерзлоты.

      Другой  разновидностью является глинистый карст. Это глубокие подземные ходы и провалы, очень напоминающие настоящий карст, возникающие в сильно карбонатных суглинках и глинах при условии хорошо развитой трещиноватости.

 

7. Напорные воды и источники.

 

     Артезианские  воды. Подземные воды, залегающие между двумя водоупорами и обладающие напором, называются артезианскими. Они заполняют пласт на всю его мощность. При вскрытии таких водоносных пластов буровыми скважинами уровень воды в них поднимается выше кровли водоносного пласта. Этот уровень называется напорным или пьезометрическим. Иногда уровень воды в скважинах, вскрывших водоносный пласт, поднимается выше поверхности земли, а вода из них изливается на поверхность.

     Геологические структуры, заключающие в себе напорные воды, обычно сложены породами дочетвертичного возраста. Имеются, однако, районы, где напорные воды встречаются в четвертичных отложениях. Нередко в зонах тектонических нарушений (сбросов, взбросов, разломов и т. п.) наблюдаются восходящие источники, иногда имеющие повышенную температуру воды.

     В природе, однако, условия залегания  артезианских вод значительно сложнее. К этим условиям относятся литологическая изменчивость водоносных пластов, гидравлическая связь вод смежных водоносных горизонтов вследствие невыдержанности  изолирующих водоупорных пластов, тектоническая нарушенность пластов, непостоянство химического состава вод и др.

     В отличие от грунтовых вод, участвующих  в современном водообмене с поверхностью земли, многие артезианские воды являются древними, и их химический состав обычно отражает условия формирования.

     Восходящие  источники обязаны своим происхождением гидростатическому напору, характерному для артезианских бассейнов и  склонов. Их выходы в виде бьющих вверх  струй приурочены к основным краевым  областям разгрузки артезианских бассейнов и нередко связаны с зонами тектонических разрывов и других, нарушений. Это могут быть эрозионные источники напорных вод или источники, пробивающиеся через относительно, слабо проницаемые отложения, перекрывающие водоносный горизонт, или восходящие по линии сброса, и др. Во многих акваториях Земли зафиксированы восходящие субмаринные источники подземных вод. Такие мощные восходящие струи издавна известны на дне Средиземного моря и других внутренних морей, где они встречаются на различных глубинах в области шельфа, а местами и континентального склона, а также во многих районах Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

 

8. Охрана подземных вод от истощения и загрязнения. 

     В общей проблеме охраны геологической  среды заметное место отводится защите от загрязнения и истощения важнейшего ее компонента - подземных вод, как одного из видов природных ресурсов, являющихся источником хозяйственно-питьевого водоснабжения населения.

     К мероприятиям (профилактическим и специальным) по предупреждению загрязнения и истощения подземных вод относятся:

     эффективный отвод поверхностных сточных  вод с территории промышленного  предприятия;

     искусственное повышение планировочных отметок  территории; а устройство защитной гидроизоляции и пристенных или  пластовых дренажей;

     тщательное  выполнение работ по строительству  водонесущих инженерных сетей;

     возведение  дамб обвалования из грунтов и  материалов с низкими фильтрационными  свойствами;

     надлежащая  организация складирования отходов  и готовой продукции производства;

     создание противофильтрационных экранов и завес;

     тампонаж  бездействующих водозаборных скважин, аномальных провалов и воронок в  водоупорных слоях над водонасосными  горизонтами;

     гидрогеологический  контроль за предотвращением истощения  эксплуатационных запасов подземных вод в остродефицитных районах;