Теория происхождения подземных вод

  1. Теория происхождения подземных вод

Подземной водой называют всякую воду, находящуюся под земной поверхностью независимо от того, циркулирует  ли она в рыхлых поверхностных  проницаемых породах, или залегает под изолирующим непроницаемым  слоем, или, наконец, заполняет трещины  и пустоты плотных горных пород.

 По своему происхождению  подземные воды прежде всего могут быть разделены на две категории: на вадозные и ювенилъиые воды. Первые происходят в том или другом виде из атмосферы и участвуют в общем круговороте воды с поверхностными и атмосферными водами, вторые возникают в недрах земли при выделении газов и ров расплавленными жидкими массами и, поднимаясь в виде перепетого пара, достигают верхних холодных горизонтов земной коры, и переходят в капельножидкое состояние. Смешиваясь с вадозной водой и повышая ее температуру, такая вода в чистом виде редко походит до земной поверхности.

2.Виды воды в горных породах.

В толщах горных пород и  минералах вода содержится в различных  формах.

1. Вода в форме пара. Этот вид воды присутствует в воздухе, заполняющем трещины и пустоты между частицами породы.
2. Вода в форме льда. Лёд в почвах и породах может присутствовать как в виде отдельных кристаллов.
3. Кристаллизационная и конституционная вода. Эти виды вод являются составными частями минералов.
4. Кристаллизационная вода. Этот вид воды входит в состав минералов в виде молекул H2O в постоянном для каждого минерала количестве (например, гипс – CaSO4.2H2O, мирабилит – Na2SO4.10H2O).
5. Цеолитная вода. Этот вид воды характерен для минералов группы цеолитов, относящихся к каркасным алюмосиликатам. Их особенностью является наличие больших полостей.
6. Свободная вода.
7. Капиллярная вода. Капиллярная вода располагается в тонких трещинах и порах пород и удерживается в них силами поверхностного натяжения.
8. Гравитационная вода. К этому виду относятся воды, перемещающиеся (фильтрующиеся) под действием силы тяжести.
9. Инфильтрационные воды образуются путём просачивания с поверхности дождевых и талых вод.
10. Седиментационные воды – воды, захороненные вместе с осадками в процессе осадкообразования.
11. Конденсационные воды - подземные воды, образовавшиеся в результате конденсации парообразной воды.
12. Эндогенные воды – воды, поступающие из недр планеты; их образование связано с процессами отделения водяных паров от магмы.

3. Характеристика вод зоны аэрации.

Воды зоны аэрации — это воды, залегающие выше зоны насыщения горных пород. К  ним относятся почвенные воды и верховодка. Почвенные воды приурочены к почвенному слою; они имеют самое  существенное значение для плодородия почв и в основном изучаются почвоведами, агрохимиками и агрономами. При характеристике горных пород в гидрогеологическом отношении применяются следующие понятия и термины, характеризующие различные формы скопления подземных вод в породах.

Водоносные  породы — пласты, линзы и другие, формы залегания водопроницаемых  пород, в которых поры, трещины  и другие пустоты заполнены гравитационной водой.

Водоносный  горизонт. Это подземные воды, приуроченные к одному или нескольким регионально  выдержанным водоносным пластам (или  пачкам водоносных пород), гидродинамически связанным между собой и имеющим единую (общую) гидравлическую (при безнапорных водах) или пьезометрическую (при напорных водах) поверхность.

4. Инженерно-геологическая  классификация горных пород.

Инженерно-геологическая  классификация горных пород может  проводиться по различным признакам  и с разной степенью детальности. В строительстве термин «горная  порода» чаще заменяется термином «грунт», при этом имеется в виду верхний  слой горных пород, используемый как  основание или строительный материал для сооружений. Классификационная характеристика грунтов подразделяет их на два основных класса, в зависимости от наличия или отсутствия жестких связей между отдельными структурными частицами, образующими грунт. Это свойство в конечном счете определяет прочностные характеристики грунта, его несущую способность как основания инженерного сооружения. Скальные грунты магматического и метаморфического генезиса подразделяются на типы по петрографическому составу, который в значительной степени и определяет их свойства. Скальные грунты осадочного генезиса подразделяются также по петрографическому составу, однако их характеристики обусловлены еще и характеристиками цементирующей породы.

       5.Классификация подземных вод по условиям их залегания.

      По условиям залегания в земной коре подземные воды делят на воды зоны аэрации: почвенные и верховодка – и воды зоны насыщения: грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды заключены  в почве и не имеют водоупора.

Верховодка образуется на линзе водоупорных пород, распространена локально, залегает неглубоко, существует временно, маломобильна. В условиях континентального климата умеренного пояса она появляется весной после снеготаяния, иногда осенью.

Грунтовые воды – воды первого  от поверхности постоянного водоносного  горизонта, на первом водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Мощность водоносного  горизонта – это расстояние по вертикали от зеркала грунтовых  вод до водоупора. В водоносных слоях грунтовые воды передвигаются от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем, т. е. в соответствии с уклоном водоносного пласта. Скорость их движения (v) прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации водоносной породы (k), который зависит от водопроницаемости и определяется по таблице, и уклону подземного потока (i), и вычисляется по формуле Дарси: v=k*i (см/с или м/сут.).

Области распространения  и питания грунтовых вод совпадают, поэтому мощность и во-дообилие их подвержены колебаниям, зависящим от изменений климатических и метеорологических условий, а их режиму и свойствам присуши зональные черты. Зональность грунтовых вод проявляется в глубине их залегания от поверхности и соответственно в их чистоте и температуре, а также химическом составе и степени их минерализации. В зонах избыточного и достаточного увлажнения – тундре и лесах (Kув≥1) – грунтовые воды залегают неглубоко, они ультрапресные и пресные, гидрокарбонатно-кальциевые. В зонах умеренно-недостаточного (неустойчивого) увлажнения – лесостепях и степях (Kув=1,0-0,3) – залегание вод глубже, они пресные или слабо минерализованные, постепенно становятся сульфатными. В зонах недостаточного увлажнения – полупустынях (Kув=0,3-0,1) и крайне недостаточного увлажнения – пустынях (Kув<0,1) – воды глубоко залегающие, минерализованные, обычно хлоридные.Температура грунтовых вод в сглаженном виде повторяет годовой ход температуры воздуха, но максимумы и минимумы температуры запаздывают, и тем больше, чем глубже залегают грунтовые воды. Чистота грунтовых вод определяется глубиной их залегания от поверхности – чем глубже, тем чище.

Геолого-геоморфологические условия и вещественный состав пород  вносят разнообразие и обусловливают  специфику грунтовых вод в  пределах природных зон. Например, при  глубоком и густом долинно-балочном расчленении земной поверхности  воды залегают глубже. В целом же грунтовые воды относительно чистые, обычно пресные, постоянные и широко используются для хозяйственно-бытовых  нужд в сельской местности.

6.Уравнение водного баланса.

Уравнение водного баланса  – это математическая модель круговорота  воды. Оно может быть составлено для всей Земли, Мирового океана, суши, отдельных континентов и стран, речных бассейнов, озер или любой  другой территории, ограниченной произвольным контуром. Результат расчета водного  баланса – определение для  заданной территории количества влаги, участвующей в кругообороте. В  настоящее время возможно составить  только приближенный водный баланс континентов  с навязкой, зависящей от точности определения его отдельных составляющих.

7.Определение коэффициента  фильтрации в натурных условиях.

Определения коэффициента фильтрации грунтов в натурных условиях в целях их химического закрепления инъекционными способами. Коэффициент фильтрации по этой методике определяется в комплексе с опытными работами по химическому закреплению грунтов в натурных условиях. Методика распространяется на все нескальные грунты в естественном залегании на глубинах до 15 м.Определение основано на измерении расхода воды на фильтрацию через перемещаемый в грунте по глубине источник определенной геометрической формы и размеров и измерении величины напора, создаваемого столбом воды. Техника определения заключается в бурении скважины на заданную глубину, в последующем внедрении в грунты забивкой специального инъектора с открывающимся отверстием на конце, в заполнении его водой и в измерении скорости падения ее уровня в результате фильтрации.

Исследование водопроницаемости  грунтов в связи с инъекционным закреплением не требует большой  точности, так как предназначается  для оценки пригодности грунтов  для такого закрепления и выбора конкретного способа, согласно установленным  нормам. Поэтому определение величин  коэффициента фильтрации с погрешностью порядка ±5 % вполне отвечает практическим требованиям. Для предотвращения выбивания  воды по затрубному пространству инъектора его внедрение в грунт должно производиться на глубину не менее чем на 1 м ниже забоя скважины. Во избежание гидравлического выноса грунта при испытаниях ниже уровня грунтовой воды необходимо, чтобы инъектор перед открытием перфорации всякий раз заполнялся водой. Достоинствами данной методики являются: доступность применяемого оборудования, простота и быстрота определения и возможность его совмещения с инженерно-геологическими изысканиями.К достоинству методики следует отнести также то, что благодаря технологическому совмещению определения с разведочным бурением она позволяет производить испытания водопроницаемости грунтов на большую глубину и получать необходимые для проектирования инъекционного закрепления данные о послойной водопроницаемости грунтов. Методика апробирована многолетним опытом ее практического применения в производственных условиях.

8. Влияние подземных вод  и атмосферных осадков на эксплуатации  шахт.

Подземными считаются  все воды земной коры, находящиеся  ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и  твердом состояниях. Подземные воды составляют часть гидросферы — водной оболочки земного шара. Запасы пресной  воды в недрах Земли составляют до 1/3 вод Мирового океана. В России известно порядка 3367 месторождений  подземных вод, из них эксплуатируется  менее 50 %. Иногда подземные воды вызывают оползни, заболачивание территорий, осадку грунта, они затрудняют ведение  горных работ в шахтах, для уменьшения притока подземных вод проводят осушение месторождений и сооружают  водоотливы.