По гидравлическим свойствам грунтовые воды безнапорные со свободной поверхностью. Уровень воды в буровых скважинах и колодцах, вскрывающих грунтовые воды, устанавливается на высоте, соответствующей верхней границе их свободной поверхности. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма.
Движение грунтовых вод подчиняется силе тяжести и осуществляется в виде потоков по сообщающимся порам или трещинам. Зеркало грунтовых вод до известной степени повторяет рельеф поверхности, и грунтовые потоки движутся от повышенных участков (начиная от водораздела грунтовых вод) к пониженным участкам (оврагам, рекам, озерам, морям), где происходит их разгрузка в виде нисходящих источников (родников) или скрытым субаквальным рассредоточенным способом (например, под водами русел рек, дном озер и морей). Такие области называются областями разгрузки или дренирования (франц. "дренаж" - сток). Грунтовый поток, направленный к местам разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной. Течение грунтовой воды называется фильтрацией. Она зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) градиента, а также от водопроницаемости горных пород.
Движение грунтовых вод через относительно мелкие поры и неширокие трещины происходит в виде отдельных струек и называется ламинарным (параллельно-струйчатым) и только в галечниках, сильно трещиноватых и закарстованных породах приобретает местами турбулентный характер. Скорость движения воды V, по линейному закону А. Дарси, пропорциональна коэффициенту проницаемости (коэффициенту фильтрации) К и гидравлическому градиенту J: V=KJ, где J=h (разница высот) /е (пройденное расстояние).
Скорость движения воды в песках от 0,5 до 1-5 м/сут, в галечниках значительно увеличивается. Особенно большая скорость потока грунтовых вод местами наблюдается в крупных подземных карстовых каналах и пещерах. Расход грунтовых вод (Q) прямо пропорционален гидравлическому градиенту (J) и площади поперечного сечения (F): Q = KJF, или Q=VF.
Режим грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод, количество и качество их изменяются во времени. Это тесно связано с меняющимся количеством инфильтрующихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков (включая и снеговой покров) уровень грунтовых вод повышается, а в маловодные годы понижается. При таких колебаниях некоторые слои пород то заполняются водой, то осушаются. В результате периодически появляется зона переменного насыщения, находящаяся над зоной постоянного насыщения . Вместе с колебанием уровня грунтовых вод изменяется дебит (франц. "дебит" - расход) источников, а иногда и химический состав.
В режиме грунтовых вод определенное значение имеет также их взаимодействие с поверхностными водотоками и другими водоемами. Направленность процессов взаимодействия во всех случаях определяется соотношением уровней подземных и поверхностных вод, что связано с рядом факторов, среди которых важнейшее значение имеют климатические условия. В районах с влажным и умеренным климатом реки, как правило, дренируют подземные воды, уровень которых имеет наклон к реке, но во время половодья и паводков происходит отток воды из реки и повышение уровня грунтовых вод .
В этом случае реки выступают в качестве временного дополнительного источника питания подземных вод, в результате происходит сокращение или полное прекращение разгрузки грунтовых вод в бортах долины реки. После спада паводка уровень грунтовых вод, стремясь к равновесию, постепенно снижается и приобретает свой обычный уклон к реке. В районах с аридным климатом, где количество атмосферных осадков очень мало, уровень грунтовых вод нередко понижается от реки. В этих условиях происходит инфильтрация воды из рек, пополняющая подземные воды. Такая инфильтрация имеет место из рек Амударьи и Сырдарьи при пересечении ими степных районов. В аридных областях могут формироваться линзы пресных вод под такырами и вблизи каналов.
При изучении режима грунтовых вод важно знать: 1) высотное положение их уровня и уменьшение его во времени и по площади; 2) дебит источников; 3) количество выпадающих атмосферных осадков; 4) изменение уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми связаны грунтовые воды. Изучение этих вопросов и систематические замеры уровня грунтовой воды в колодцах и специальных буровых скважинах производятся на многочисленных режимных гидрогеологических станциях. По результатам этих замеров, соответствующих определенному времени, строятся карты гидроизогипс (греч. "изос" - равный, "гипсос" - высота), на которых отражаются линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. По карте гидроизогипс можно определить направление грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и зависимость его уклона от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта. Как видно из данных рис. 7.6, А, при пересечении хорошо водопроницаемых галечников уровень грунтовых вод выполаживается, что отражено и на карте гидроизогипс (Б). Изучение режима грунтовых вод имеет большое значение при решении ряда важнейших народнохозяйственных задач. К ним относятся питьевое и промышленное водоснабжение, мелиорация земель, строительство гидростанций и других крупных промышленных сооружений. Во всех случаях необходим точный прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и по площади. Межпластовые ненапорные воды. Эти безнапорные воды располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми пластами. Обычно они встречаются на приподнятых междуречных массивах в условиях расчлененного рельефа (местной гидрографической сети) и выходят в виде нисходящих источников в береговых склонах оврагов, рек и других поверхностных водоемов .
14. Методы борьбы с грунтовыми водами. Типы дренажей.
Искусственное понижение уровня подземных вод для осушения водоносных пластов широко применяют в период строительства и эксплуатации водопроводно-канализационных сооружений. Необходимость в защите от подземных вод возникает при откапывании котлованов в водонасыщенных грунтах, ликвидации аварий на действующих коллекторах, а так же при подтоплении уже застроенной территории.
При выборе рационального способа водопонижения учитывают не только характер возводимого или уже построенного сооружения, размер осушаемой зоны, но и конкретное геологические и гидрогеологические условия.
Временное понижение уровня подземных вод (на период строительства) называют строительным водопонижением, длительное водопонижение (несколько лёт и более) -дренажем. Различают естественный и искусственный дренаж. Осушение местности при естественном дренаже происходит путем естественного стока подземных вод в понижениях (долины, реки, впадины). При искусственном дренаже уровень подземных вод понижается путем сбора и отвода воды специально построенными дренами.
Дрены, или каналы-осушители, не только собирают воду, но и транспортируют ее в сторону от дренирующей площади, т. е. от той, где обеспечено понижение уровня подземных вод. Водопонижающие дрены могут быть совершенными и несовершенными. В первом случае они прорезают весь водоносный пласт, во втором - до водоупора не доходят. В зависимости от конструкций водоприемных устройств и характера расположения их в толще грунтов различают горизонтальный, вертикальный и комбинированный дренажи.
Горизонтальный дренаж обеспечивает понижение уровня отвода воды с помощью канав (траншей), подземных галерей и других горизонтальных дрен. Отток воды при горизонтальном расположении дрен происходит самотеком. Для этого дренам придают необходимый уклон. Глубина заложения горизонтальных дрен обычно не более 6 метров. Дренажные воды сбрасываются в открытые водные притоки или сеть ливневой канализации. Горизонтальный дренаж может быть открытым (осушительные каналы) и закрытым (трубчатые дрены в траншее). К разновидности горизонтального дренажа могут быть отнесены и лучевые водозаборы с горизонтальными лучами-дренами, которые применяют на крупных водопонижающих системах в условиях водообильного водоносного горизонта.
Вертикальный дренаж обеспечивает понижение уровня подземных вод откачкой насосами или сбросом воды в нижележащие водопроницаемые породы. Вертикальный дренаж осуществляют с помощью водопонижающих скважин, иглофильтровых установок, поглощающих скважин и открытого водоотлива. Общей их чертой является вертикальное расположение водоприемных устройств.
Осушение глинистых грунтов основано на электроосмотическом явлении. Под действием электротока вода вместе с положительно заряженными ионами перемещается от металлического штыря — анода к иглофильтру — катоду и затем откачивается. Поглощающие скважины устраивают для понижения уровня путем сброса воды верхних водоносных горизонтов в нижние. Принимающий пласт должен иметь уровни ниже подошвы осушаемого пласта и быть достаточно водообильным.
Системы водопонижающих установок и дренажей в зависимости от их расположения по отношению зданий и сооружений подразделяют на линейные, кольцевые (контурные) и площадные системы. Линейные системы водопонижающих установок используют для защиты вытянутых в плане выемок типа траншей. Кольцевые системы применяют при значительных размерах осушаемой зоны. Площадные системы применяют для понижения уровня подземных вод в пределах всего осушаемого участка.
15. Инженерно-геологические исследования