Дебит скважины или колодца зависит от водопроницаемости и мощности водоносного слоя, условий его питания, распространения и взаимосвязи с другими водоносными горизонтами, наличия напора и прочего, а также от условий эксплуатации водоносного горизонта, степени его вскрытия, понижения уровня воды при откачке, типа фильтра и др. факторов.
Устраивают артезианские колодцы с целью:
· сбора подземных вод для водоснабжения и орошения – водозаборные колодцы. Водозаборные колодцы наиболее распространены, особенно для получения питьевой воды. По конструкции, способу строительства и креплению стен различают шахтные и трубчатые колодцы.
· пополнения запаса подземных вод поверхностными водами или сброса дренажных и осветлённых канализационных вод – поглощающие колодцы. Поглощающие колодцы применяют для осушения замкнутых понижений (один из видов вертикального дренажа).
· регулирования забора воды из рек, озёр, водохранилищ – береговые колодцы. Береговой колодец представляет собой камеру, разделённую решёткой, в приёмную часть которой по трубе поступает вода из реки или др. источника.
Наряду с колодцами применяются штольни – протяжённые горизонтальные или слабонаклонные горные выработки, сооружаемые в сильно пересечённых местностях. Иногда штольни сопровождаются системой наклонных, горизонтальных или восстающих скважин, пробуриваемых в боковых стенках и забойной части подземной галереи для увеличения притока воды. Каптаж штольнями осуществлен в России в Пятигорске; за рубежом – в Баньер-де-Люшоне (Франция), Бен-Харуне (Алжир) и др.
Каптаж безнапорного источника может осуществляться с помощью камеры.
Наиболее распространённым типом каптажных сооружений являются буровые скважины – одиночные или групповые. Механизированная проходка скважин обеспечивает вскрытие водоносных горизонтов и зон в весьма сложных горно-геологических условиях на глубинах до 2 км и более. При этом удаётся надёжно разобщать водоносные горизонты в скважинах (обсадка трубами, цементация затрубного пространства), предотвращать обвалы стенок и прорыв воды по затрубному пространству, а также устанавливать насосное оборудование, обеспечивающее отбор с заданными эксплуатационными дебитами. Для обсадки таких скважин обычно применяются стальные трубы. При эксплуатации агрессивных подземных вод (углекислых, сероводородных, с низким pH и др.) каптажные скважины обсаживаются трубами из антикоррозийных материалов: легированных сталей, винипласта, полиэтилена, асбоцемента и прочими.
Надкаптажные сооружения на месторождениях минеральных подземных вод выполняются в виде бюветов, павильонов, галерей.
Длительная эксплуатация водоносных пластов, сложенных тонко- и мелкозернистыми песками, с напором как выше, так и ниже поверхности земли, на некоторых участках приводит к вымыванию и выносу на поверхность песчаного материала. В результате водоносные пласты приобретают более рыхлое сложение с образованием в них пустот. Этот процесс на некоторых участках (чаще при глинистом водоупорном перекрытии и неглубоком залегании от поверхности водоносных пластов) приводит к деформациям поверхности земли, прилегающей к эксплуатируемой скважине, со всеми вытекающими отсюда неблагоприятными последствиями для близ расположенных на поверхности инженерных сооружений.
3. Строительство в условиях наличия подземных вод
3.1 Ситуация в районе Московского артезианского бассейна
Современный строительный бум, охвативший большинство крупнейших городов России неразрывно связан с гидрогеологическими изысканиями. Гидрогеология – наука о подземных водах земной коры, уделяет немало внимания артезианским водам. Немалые сложности, связаны с наличием подземных, в том числе и артезианских вод.
Неблагоприятная гидрогеологическая ситуация зачастую является препятствием к строительству. Техногенная деятельность на территории городов (глубокая откачка подземных вод, сильные нагрузки возводимых сооружений, создание обширных подземных полостей и др.) ведет к нарушению естественных несущих свойств грунтов, способствуя карстовым и суффозионным провалам.
Для примера рассмотрим гидрогеологическую ситуацию в Москве.
Московский артезианский бассейн – бассейн подземных вод юго-западной части Московской синеклизы, расположен в центре Восточно-Европейской равнины. Он один из крупнейших в России. Площадь — около 360 тыс. км2. Водоносные комплексы приурочены к толще карбонатно-терригенных пород от нижнекембрийского до антропогенного возраста, залегающих на складчатом кристаллическом фундаменте.
В соответствии с историческими условиями формирования, для Московского артезианского бассейна характерно наличие трех вертикальных зон, отличающихся особенностями гидродинамических и гидрохимических условий.
Пресные подземные воды бассейна являются одним из источников водоснабжения Москвы и всего Центрального промышленного района России. Наибольшими ресурсами обладают каменноугольные водоносные комплексы, которые широко используются для питьевых и промышленных целей.
Соленые воды и рассолы зон затрудненного и замедленного водообмена, приуроченные преимущественно к девонским и пермским отложениям, используются для лечебных и бальнеологических целей. Слабоминерализованные воды (4 г/дм3) верхнедевонских горизонтов в районе Москвы известны как минеральная вода «Московского» типа.
Гидрогеологическая обстановка в г. Москве сложилась под воздействием длительного и недопустимо интенсивного водоотбора из артезианских водоносных горизонтов карбона, а с другой стороны, характеризуется развитием процессов подтопления грунтовыми водами и подпором от гидротехнических сооружений. Увеличивающаяся разница в напорах артезианских и грунтовых вод способствует перетеканию загрязненных грунтовых и поверхностных вод вниз, к питьевым горизонтам карбона. В наибольшей степени эти процессы проявляются там, где отсутствует глинистая разделяющая толща верхней юры, лежащая между грунтовыми и артезианскими водами.
Водаоказывает многообразное воздействие на грунт: она может вызывать растворение минеральных частиц грунта и влиять на напряженное состояние массивов. Понижение уровня воды уменьшает ее взвешивающее давление на минеральные частицы грунта, приводит к увеличению капиллярного давления, в результате чего возрастает нагрузка на скелет, происходит его уплотнение, сопровождающееся оседанием поверхности земли и осадками зданий и сооружений.
Образование пустот под центральной частью Москвы – следствие нарушения системы подземных, и в частности артезианских вод.
В Москве существует целый ряд территорий, гидрогеология которых способствует риску провалов и разрушений зданий.
Еще в советское время в Москве произошел ряд случаев, когда целые дома уходили под землю по причине того, что гидрогеологические риски не были просчитаны или учтены. В 60-е годы во время строительства Сокольнической линии метро, были обнаружены карстовые пустоты в районе Охотного ряда.
Кроме того, в 1930-е гг. в результате строительства канала Волга-Москва произошел подъем Москва-реки примерно на 3,5 м, что привело к подтоплениям в ряде районов столицы и области, причем именно в этом состоянии сооружалась первая очередь метро, что создавало дополнительные трудности.
В результате трудностей в строительстве возникавших в районе артезианских вод сегодня, в Москве есть места, где вероятность провалов особенно велика (например, участок от Остоженки до Арбата).
В центральной части города геологическая обстановка резко отличается от той, которая сложилась, например, на Теплостанской возвышенности или в других районах. Пока динамическое равновесие гидрогеологической системы сохранялось, строительство здесь велось спокойно в течение столетий, и никаких осложнений не было.
Главное нарушение спокойствия – подземное строительство.
3.2 Подземное строительство
В Москве и других крупных городах России появляется все больше сооружений, частично или полностью расположенных ниже поверхности земли. Под землей строятся транспортные тоннели и переходы через улицы, автомобильные стоянки и различные хранилища, огромные многоцелевые комплексы.
Город заглубляется в землю, расширяя используемые площади. Это одно из главных направлений в стратегии современного строительства. При строительстве подземных сооружений роются глубокие котлованы, из которых вынимается большой объем грунта. Это приводит к резкому нарушению равновесия в грунтовом массиве. Грунт начинает смещаться в сторону котлована – к освободившемуся пространству. Он увлекает за собой фундаменты существующих зданий, что может привести к их разрушению.
Глубокие котлованы собирают подземную воду и вызывают понижение ее уровня. В то же время крупные подземные сооружения могут пересекать водоносный горизонт. В этом случае они играют роль плотины в отношении грунтового потока и поднимают его уровень. Изменение уровня грунтовых и артезианских вод в сторону понижения или повышения может существенно повлиять на устойчивость фундаментов подземных сооружений. Особенно чувствительны к ним ослабленные временем старинные постройки.
Предотвращение негативного влияния подземного строительства на окружающую территорию является одной из главных задач геологических изысканий.
Наличие подземных вод при проходке тоннелей всегда осложняет производство проходческих работ. В зависимости от гидрогеологических условий приток воды в выработку может изменяться в больших пределах: от нескольких кубических метров в час до 2000-2500 м3/ч. Большие водопритоки требуют специальных мер по отводу воды и высокопроизводительного оборудования для ее откачки на поверхность.