Источники

При строительстве естественные выходы на поверхность земли подземных вод в виде нисходящих и восходящих источников (ключей, родников) имеют существенное значение для решения вопросов водоснабжения. Наиболее часто источники располагаются в местах прорезания слоя подземных вод оврагами, речными долинами, а часто и дорожными выемками.

По характеру выхода воды источники бывают сосредоточенные, когда выход осуществляется в одном месте в виде потока, и рассредоточенные – вода выходит на склоне рельефа путём просачивания на некотором участке. При расчистке этого места источник может стать сосредоточенным. Выход любого источника может быть расчищен, построена водосборная камера, подсчитано количество выходящей воды в единицу времени, т.е. определён дебит источника (в м³/сут). В таком случае источник называют каптированным.

Режим подземных вод – это понятие об изменении качества, количеств и других параметров подземных вод во времени.

Качество воды, разумеется, имеет значение для водоснабжения. Вода во времени может значительно изменяться, как в силу природных причин, так и в результате техногенного воздействия. Последнее чаще всего приводит к ухудшению качества вод, которые получают загрязнение, а в ряде случаев даже становятся опасными для использования их в питьевых целях. Это бывает на территориях городских агломераций, а также в районах, где в сельском хозяйстве активно используются ядохимикаты.

Количество подземных вод связано с высотным положением их уровня во времени. В общем виде все колебания уровней подземных вод можно разделить на сезонные и годовые (многолетние). Сезонные колебания уровней связаны с неравномерным поступлением в толщи пород атмосферных осадков и изменениями температуры воздуха в течение года. Наибольшие колебания приходятся на весеннее снеготаяние и осенние дожди. Самое низкое положение уровней связано с концом лета и началом осени и концом зимы (рис. 41). Разность между наиболее высоким и самым низким уровнем называют максимальной величиной колебания.

Рис. 41. Сезонные колебания уровней подземных вод

На уровни грунтовых вод всегда оказывают влияние разливы рек. При песчано-глинистых отложениях это сказывается на расстоянии до 0,5 км, а в породах с высокой водопроницаемостью до 2-6 км. Подъём уровней происходит с некоторым отставанием от колебания уровней воды в реках. Уровни грунтовых вод на участках низких морских берегов тоже колеблются, но связано это с действием приливов и отливов.

Годовые колебания уровней подземных вод бывают связаны с другими причинами. Уровни повышаются или снижаются на ряд лет или, иначе говоря, практически на всё последующее время. Это бывает связано с изменением климата, землетрясениями, вулканической деятельностью, сооружением крупных водохранилищ и другой техногенной деятельностью человека.

Режим грунтовых вод, т.е. прежде всего колебание их уровней (УГВ), имеет большое значение для строительных сооружений. От этого фактора зависит устойчивость и нормальная эксплуатация объектов. Режим грунтовых вод обычно изучается в период инженерно-геологических изысканий, но за уровнями грунтовых вод необходимо вести наблюдение и в эксплутационный период. Для этого используют наблюдательные (пьезометрические) буровые скважины. Следует помнить, что колебания УГВ не имеют типовой характеристики, а бывают весьма различными, что, в частности, связано с рельефом местности.

Процесс подтопления территорий наибольшее развитие получил на территориях городов, где в бытовых условиях и в промышленности имеет место большой водооборот и где может возникать конденсация влаги под асфальтовым и бетонным покрытием.

Подтопление – это подъём уровня грунтовых вод, вызванный повышением уровня воды в водоёмах, потерями воды из оросительных систем и водонесущих коммуникаций, изменением естественных режимообразующих факторов, застройкой территории.

При неграмотной застройке территории может иметь место барраж - подземное препятствие на пути движения грунтовых вод.

Всё это в конечном итоге приводит к повышению уровней грунтовых вод.

При этом затапливаются подвальные помещения, коммуникации, обводняются фундаменты зданий. Грунтовые воды не опасны, если их уровень в предморозный период ниже глубины промерзания земли не менее чем на 2 м в средних суглинках, на 1,5 м – в легких суглинках и супесях, на 1 м – в пылеватых песках. В противном случае, вода за счёт капиллярного поднятия в грунтах будет «подтягиваться» вверх, а это обычно вызывает снижение несущей способности оснований фундаментов.

Уровни грунтовых вод поднимаются и в таком положении остаются на длительное время. Подтопленные насыпи начинают деформироваться. В таких случаях сохранить сооружение для нормальной эксплуатации можно только искусственным снижением уровней вод, что осуществляется с помощью дренажных сооружений. На таких участках необходимо осуществлять постоянное наблюдение за уровнями грунтовых вод.

Для борьбы с подтоплением необходимо:

1) строить подземные дренажные коллекторы. Так, при засыпке оврага можно по его тальвегу предварительно проложить дренаж (перфорированная труба в слое гравия) для отвода грунтовых вод и исключения подъёма УГВ т. е. для восполнения дренирующего эффекта оврага.

2) правильно организовывать поверхностный сток.

Если возникает необходимость осушать территорию, то принимать решение об осушении грунтов нужно обдуманно, так как осушение может вызвать уплотнение (усадку) грунтов, причём, в случае грунтов со слабыми структурными связями (торфы, илистые грунты, рыхлые пески) усадка может достигнуть 10 % от мощности слоя грунта.

При подтоплении на склонах рельефа могут активизироваться оползни. Подтопление вызывает сильное изменение свойств структурно-неустойчивых грунтов. Так, в лёссовых и засолённых грунтах возникают просадки. В плотных глинистых грунтах происходит размягчение, а глинистые грунты делювиального, речного и озёрного происхождения могут ещё и набухать.

Глава 9. Водозаборные сооружения.

9. Водозаборные сооружения.

Водозаборы – это сооружения, с помощью которых производится захват (забор) подземных вод. Эти сооружения необходимы: 1) для водоснабжения, т.е. удовлетворения потребностей в питьевой и технической воде и 2) для понижения уровней (или полного отвода) подземных вод.

В гидрогеологии водозаборы делят на вертикальные, горизонтальные, комбинированные (лучевые) и каптажи. О каптажах говорилось выше. Вертикальные водозаборы в практике работ принято называть колодцами и относить к ним не только привычные всем питьевые колодцы, но и буровые скважины, а также шахты и строительные котлованы. Горизонтальными называют водозаборные сооружения, длина которых значительно (в несколько раз) превышает их ширину, в частности, к ним относят дренажные системы, а также водосборные подземные галереи (кяризы, перс.). Соответственно, комбинированные водозаборы – это сочетание вертикальных и горизонтальных водозаборов, которые работают совместно.

Помимо этого, различают совершенные водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт полностью, на всю его мощность до водоупора, и несовершенные, вскрывающие водоносные горизонты лишь частично (рис. 42).

Рис. 42. Схематическое изображение водозаборных сооружений: R₁, S₁ – радиус и глубина понижения депрессионной воронки совершенного водозабора, R₂, S₁– радиус и глубина понижения депрессионной воронки несовершенного водозабора

По характеру эксплуатации водозаборные сооружения разделяются на добывающие и поглощающие сооружения.

9.1. Депрессионные воронки.

При принудительной откачке грунтовой воды в целях водоснабжения или понижения уровней вследствие трения воды о частицы пород, при прохождении воды через поры, происходит снижение уровней в виде воронок. В плане воронки имеют форму близкую к кругу. В разрезе воронки ограничиваются кривыми депрессий, кривизна которых возрастает по мере приближения к точке откачки (рис. 43).

Рис. 43. Определение радиуса влияния откачки R по буровым скважинам

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния водозабора (R). Величина R зависит от водопроницаемости пород, глубины понижения уровня подземной воды (S) и других причин.

В таблице 14 приведены значения R в различных породах. Хорошо видно, что R имеет наибольшие значения в хорошо водопроницаемых породах (крупнозернистый песок, гравий – 400-600 м), где трение воды о частицы породы меньше, чем это наблюдается в слабопроницаемых породах типа суглинков (менее 50 м).

На рис. 44 показана взаимосвязь R и величины S. Хорошо видно, что чем глубже размещается точка откачки воды, тем больше величина R, но пределом заглубления этой точки служит водоупор. Таким образом, максимальное значение S будет обеспечивать наибольшее значение R в данных геологических условиях.

Рис. 44. Зависимость радиуса влияния водозабора R, от гранулометрического состава грунта (при одинаковых значениях понижения S)

Значения R входят во многие расчётные формулы при проектировании водозаборных сооружений. R можно определить: 1) по формулам, 2) бурением наблюдательных скважин и 3) по аналогии с действующими водозаборами.

Из формул используют расчёт Кусакина (для грунтовой воды):

где S – понижение уровня в центре депрессионной воронки, м; Н – мощность слоя грунтовой воды, м; К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут.

Бурение скважин даёт точные значения, но это дорогостоящая и трудоёмкая работа.

Установление границы депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определения площадей, которые должны осушаться дренажами, при установлении расстояний между соседними водозаборными сооружениями.

9.2. Водоснабжение

Для питьевых целей воду можно брать в источниках грунтовых вод, которые можно обнаружить в районах строительства и оборудовать их: сделать источники каптированными или же добывать воду из специально построенных колодцев либо пробуренных скважин.

Отбор воды из колодцев аналогичен откачиванию её из буровых скважин. Они являются наиболее распространённым типом водозаборных сооружений. Приток воды к этим водозаборам во время откачки происходит в форме радиального потока.

До откачки уровень воды в колодце отвечает зеркалу грунтовой воды в данном месте. При откачке воды уровень в колодце понижается, вокруг колодца образуется депрессионная воронка. Производительность каждого колодца характеризуется его дебитом. Под дебитом колодца (скважины) понимается количество воды, которое он может дать в единицу времени при постоянном уровне воды в колодце и выражается, как Q_деб, м³/сут. Откачка воды из колодца более величины Q_деб приводит к его осушению. Для того чтобы колодец снова нормально работал нужно определённое время.

Дебит колодцев определяется опытным или расчётным путем. Для совершенного колодца применима следующая формула:

где π – 3,14; К_ф– коэффициент фильтрации, Н – мощность слоя грунтовой воды; h – столб воды в колодце; R – радиус депрессионной воронки и r – радиус колодца (в виде равновеликого круга). Совершенные колодцы воды дают больше, чем несовершенные. В том случае, если один колодец даёт недостаточное количество воды, которое необходимо для удовлетворения питьевых и технических запросов, необходимо отрывать другой колодец. Для того чтобы каждый колодец давал воду в количестве Q_деб, необходимо между ними иметь расстояние более 2R, т.е. депрессионные воронки их не должны пересекаться.

9.3. Понижение уровней грунтовых вод.

Грунтовые воды могут мешать производству строительных работ или пагубно сказываться на эксплуатации сооружений. Такие воды следует полностью отводить в сторону или понижать их уровни, т.е. осуществлять водопонижение. Полный отвод грунтовых вод из водоносного слоя осуществлять очень трудно. Поэтому борьбу с грунтовыми водами обычно ведут путём понижения их уровней.