Глава 15

ХАРАКТЕРИСТИКА ТИПОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

В этой главе дается описание подземных вод по условиям их залегания в земной коре: верховодок, грунтовых, межпластовых и некоторых других вод. При этом следует сказать, что верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны: верхнюю — зону аэрации и нижнюю — зону насыщения. На рис. 63 показано, как распо­лагаются основные подземные воды в земле. Это фактически графическое изображение классификации подземных вод по условиям залегания.

Зона аэрациирасположена между поверхностью земли и уров­нем грунтовых вод. В этой зоне, непосредственно связанной с атмосферой и почвенным покровом, наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зо­ны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь час­тично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом. Зо­на аэрации играет важную роль в формировании подземных вод. Мощность, т. е. толщина зоны аэрации, колеблется от нуля в за­болоченных низинах до нескольких сотен метров в горных райо­нах с сильно расчлененным рельефом.

Непосредственно над поверхностью подземных вод располага­ется зона повышенной влажности — капиллярная кайма.

Зона насыщениягорных пород расположена ниже уровня грун­товых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой.

Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде вер­ховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мер­злоты.

Верховодки — это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над локальными водоупорами

(или полуводоупорами), которыми могут быть линзы глин и су­глинков в песке, прослойки более плотных пород. При инфиль­трации вода временно задерживается и образует сводообразные водоносные горизонты. Чаще всего это бывает связано с перио­дом обильного снеготаяния, периодом дождей. В остальное вре­мя вода верховодок испаряется или просачивается (стекает) в ни­жележащие грунтовые воды.

Другой особенностью верховодок является возможность их образования даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо во­доупорных пропластков. Например, в толщу суглинков обильно поступает вода, но вследствие низкой водопроницаемости проса­чивание происходит замедленно и в верхней части толщи образу­ется верховодка. Через некоторое время эта вода рассасывается.

В целом для верховодок характерно: временный, чаще сезон­ный характер, небольшая площадь распространения, малая мощ­ность и безнапорность. В легко водопроницаемых породах, например песках, верховодки возникают сравнительно редко. Более типичны их появления в различных суглинках и лессовых породах.

Верховодки представляют значительную опасность для строи­тельства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооруже­ний (подвалы, котельные и др.), они могут вызвать их подтопле­ние, если заранее не было предусмотрено дренирование или гидроизоляция. В последнее время в результате значительных уте­чек воды из водонесущих коммуникаций (водопровод, бассейны и др.) отмечено появление горизонтов верховодок на территориях промышленных объектов и новых жилых районов, расположенных в зоне распространения лессовых пород. Это представляет серьез­ную опасность, так как грунты оснований снижают свою устойчи­вость, затрудняется эксплуатация зданий и сооружений.

При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в су­хое время года, верховодка не всегда обнаруживается. Поэтому ее появление для строителей может быть неожиданным, хотя по определенным признакам изыскатели способны прогнозировать ее появление.

Грунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во време­ни и значительные по площади распространения горизонты под­земных вод, залегающие на первом от поверхности «выдержан­ном» водоупоре. Они характеризуются рядом признаков:

1. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, т. е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободная поверх­ность грунтовых вод называется зеркалом(в разрезе уровень). Положение зеркала в какой-то мере отвечает рельефу данной местности. Глубина залегания уровня от поверхности различ­

на — от 1 до 50 м и более. Положение уровня по ряду причин непостоянно. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, на­зывают ложем, а расстояние от водоупора до уровня подземных вод —мощностьюводоносного слоя (рис. 64).

Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности без- напорны. Иногда они могут проявить так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала (рис. 65).

2. Питание грунтовых вод происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также поступления воды из поверх­ностных водоемов и рек. Территория, на которой происходит пи­тание, ориентировочно совпадает с площадью распространения грунтовых вод. Грунтовая вода открыта для проникновения в нее поверхностных вод, что приводит к изменению ее состава во вре­мени и нередко к загрязнению различными вредными примесями.

3. Грунтовые воды находятся в непрерывном движении и, как правило, образуют потоки, которые направлены в сторону общего уклона водоупора. В отдельных случаях их залегание имеет форму грунтовых бассейнов (рис. 66), т. е. вода находится в неподвижном состоянии. Грунтовые потоки нередко выходят на поверхность, об­разуя родники или создавая локальную по площади заболочен­ность.

4. 

   Рис. 64. Грунтовая вода:

   1 — уровень грунтовой воды (УГВ); 2 — мощ­ность грунтовой воды; 3 — ложе (водоупор); П — поверхность земли

   Количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависят от геологических условий местности и климатических факторов. Зеркало грунтовых вод в целом в какой-то мере копи­рует рельеф земной поверхности в пределах их расположения. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже солоноватые и соленые, состав гидрокарбонатно-кальциевый, су­льфатный и сульфатно-хлоридный.

Рис. 65. Схема возникновения местного напора:

1. — водоносный горизонт грунтовых вод;

2. — линза глины в толще песка; 3— зеркало грунтовой воды (уровень);4 —водоупор;

Н— высота (величина) местного напора

Рис. 66. Формы залегания грунтовых вод:

1 —фунтовый поток;2 —фунтовый бассейн;3— водоупор

Грунтовые воды имеют практически повсеместное распростра­нение. В площадном распределении грунтовых вод имеется опре­деленная зональность.Выделяют следующие четыре зоны.

Грунтовые воды речных долин.Глубина залегания изменяется от 1 см до 10—15 м. Вода залегает в аллювиальных отложениях, слабо минерализована, широко используется для водоснабжения.

Грунтовые воды ледниковых отложений.На европейской терри­тории России ледниковые отложения представлены разнообраз­ными обломочными породами, среди которых много водоносных слоев. Вода обильная, слабо минерализованная, широко исполь­зуется для водоснабжения.

Грунтовые воды полупустынь и пустынь.Это районы с малым количеством атмосферных осадков (до200мм в год) и значите­льным испарением. Воды обычно мало, залегает она глубоко и имеет высокую минерализацию.

Грунтовые воды горных областей.В этих районах выпадает мно­го атмосферных осадков, часть которых проникает в выветрелые и трещиноватые породы. Наибольшее количество грунтовых вод хо­рошего качества скапливается в отложениях предгорных наклон­ных равнин. Эта вода широко используется для водоснабжения.

Среди зональных располагаются незональныегрунтовые воды, например болотные, карстовые и др. Большими аккумуляторами атмосферных осадков, паводковых и других вод являются болота. Уровень грунтовых вод в болотах всегда совпадает с поверхностью земли, что собственно и обусловливает заболоченность местности.

В практике строительства чаще всего приходится встречаться именно с грунтовыми водами и иногда верховодкой. Они созда­ют большие трудности при производстве строительных работ (за­ливают котлованы, траншеи, создают опасность оползания и оплывин в бортах котлованов и т. д.) и мешают нормально эксп­луатировать здания и сооружения.

Карты поверхности грунтовых вод (карты гидроизогипс).Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод со­ставляют карты гидроизогипс (рис.67)-Гидроизогипсами называ­ют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отра­жают рельеф зеркала вод. Карты гидроизогипс необходимы при решении задач, связанных с проектированием водозаборов под­земных вод, борьбой с подтоплением территорий и др. Для по­строения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней во­ды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод А_вв скважинах определяют по формуле

Ьп.з

где Л_пз— абсолютная отметка поверхности земли;h— глубина за­легания подземных вод от поверхности земли, м. Полученные абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и за­тем методом интерполяции строят гидроизогипсы. Сечение гид­роизогипс (частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера от 0,5 до 10,0 м, чаще 0,5; 1,0 и 2,0 м.

С помощью карты гидроизогипс (совмещенной с топографи­ческой картой) можно выяснить направление и узнать скорость движения грунтового потока в любой точке, а также определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизон­талей и гидроизогипс).

Карта гидроизогипс позволяет установить характер связи фунтовых вод с поверхностными водами (реки, каналы, водохра­нилища). Эти воды могут питать грунтовые воды или, наоборот, подземная вода пополняет эти водоемы. Это необходимо знать при определении водопритоков к водозаборам.

Рис. 67. Карта изогипс

Межпластовые подземные воды. Эти воды располагаются в во­доносных горизонтах между водоупорами. Они бывают ненапор­ными и напорными (артезианскими).

Межпластовые ненапорные водывстречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично (рис.68).

Напорные (артезианские) водысвязаны с залеганием водонос­ных слоев в виде синклиналей или моноклиналей (рис. 69 и 70). Площадь распространения напорных водоносных горизонтов на­зываютартезианским бассейном.

Отдельные части водоносных слоев залегают на различных вы­сотных отметках, что и создает напор подземных вод. Напорных подземных горизонтов может быть несколько. Каждый из них имеет область питания там, где водоносные слои выходят на по­верхность и имеют высокие отметки. Область питания, как прави­ло, не совпадает с площадью распространения межпластовых вод.

Напорность вод характеризуется пьезометрическим уровнем. Высотное положение уровня связано с характером залегания во­доносных слоев. Он может быть выше поверхности земли или ниже ее. В первом случае, выходя через буровые скважины, вода фонтанирует, во втором — поднимается лишь до пьезометриче­ского уровня.

Многие артезианские бассейны (например, Доно-Донецкая впадина) занимают огромные площади, содержат ряд водоносных горизонтов, являются важным источником питьевой и техничес­кой воды, обладают большой водообильностью, вода обычно хо­рошего качества.

Напорные воды встречаются не только в слоях, залегающих между двумя водоупорами, но и в массивах скальных, трещино­ватых пород (трещинные воды), а также в карстовых пустотах (карстовые воды) и в вечной мерзлоте.

Рис. 68. Межпластовая ненапорная вода:

1 —фунтовая вода;2—первый водоупор;3 —межпластовая вода;4 —водоупор; П — поверхность земли

Рис. 69. Артезианская вода при моноклинальном залегании слоев:

1— водоупоры;2 —водоносный слой;3 —область питания водой;4— буровая скважина;

5— пьезометрический уровень;6— поверхность земли;Н— высота (величина) напора воды

Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и приурочены к синклинальным (прогнутым) геологическим струк­турам. При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напо­ра. Напорные воды встречаются и при моноклинальном залегании водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водо­проницаемость или выклиниваются. Они могут быть приурочены также и к зонам тектонических нарушений и разломов.

Геологические структуры синклинального типа, содержащие один или несколько напорных водоносных горизонтов и занима­ющие значительные площади (до нескольких сотен тысяч квад­ратных километров), называют артезианскими бассейнами.При моноклинальном залегании слоев образуетсяартезианский склон.

Основные элементы артезианского бассейна (склона).В артези­анских бассейнах выделяют три области: питания, напора (рас­пространения) и разгрузки.

Выделение по площади артезианского бассейна трех областей условно. В последнее время установлена возможность медленного перетекания воды из напорного водоносного пласта в ниже- и вышезалегающие водоносные горизонты через разделяющие их относительно водоупорные слои, поэтому области разгрузки на­порных вод, так же как и питания (при перетекании воды из ниже- и выше залегающих водоносных^ горизонтов), могут зани­мать различные участки по площади артезианского бассейна.

Рис. 70. Артезианский бассейн (в условиях синклинального залегания слоев

пород):

1 — водоупор; 2 — водонапорный слой; 3 — буровые скважины; 4— область питания водой; 5 — пьезометрический уровень; 6 — поверхность земли; Я—высота (величина) напора воды

Разгрузка напорных вод возможна и искусственным путем че­рез водозаборные скважины при их длительной эксплуатации. Работа водозаборов усиливает также процессы перетекания воды из одного водоносного горизонта в другой.

При использовании артезианских вод для водоснабжения наиболее перспективным считается самый верхний напорный го­ризонт, где обычно залегают слабоминерализованные (пресные) воды. Химический состав и минерализация артезианских вод из­меняются с глубиной.

Карты пьезометрической поверхности напорных вод (карты гид­роизопьез).Линии, соединяющие точки с одинаковыми отметка­ми пьезометрического уровня, называютгидроизопьезами(илипьезогипсами).Карта гидроизопьез — совокупность таких линий, и строится она методом интерполяции отметок, т. е. аналогично карте гидроизогипс. Если напорных водоносных горизонтов не­сколько, для каждого из них на карте наносится своя система гидроизопьез.

С помощью карты гидроизопьез решают ряд практических за­дач, связанных с использованием артезианских вод для водоснаб­жения, с организацией защиты от них при вскрытии строитель­ными котлованами кровли напорного пласта и т. д. По карте гидроизопьез изучают условия формирования потоков артезиан­ских вод, определяют направление их движения, выделяют участ­ки возможного самоизлияния, устанавливают гидравлическую связь напорных вод с реками и др.

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах. Трещинные воды — это подземные воды, циркулирующие в трещи-

новатых горных породах. Перемещаются они по системе взаимо­связанных трещин и образуют единую гидравлическую систему.

В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

Трещинно-грунтовые водыразвиты в верхней трещиноватой зо­не кристаллических массивов (до глубины 80—100 м) (рис. 71). Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и отличаются значительными колебаниями уровня под­земных вод во времени. Площади их питания совпадают с пло­щадями распространения. Глубина залегания трещинно-грунтовых вод возрастает от долин к водоразделам (от нескольких метров до 80 м и более). Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород.

Трещинно-грунтовые воды обычно расположены в зоне ак­тивного водообмена, поэтому в большинстве случаев они пре­сные, гидрокарбонатно-кальциевого состава.

Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещи­новатыми горными породами.

Трещинно-жильные водыразвиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это ли­нейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глу­бину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повы­шенную температуру. Для трещинно-жильных вод характерен напорный режим. Как правило, они отличаются значительной водообильностью, нередко разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники, которые используют для водоснабже-

1

Рис. 71. Залегание трещинно-фунтовых вод:

7 —скважины; 2— трещины в скальных породах; J— трещины, заполненные водой

ния. Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещин­но-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водо­носных горизонтов и других источников.

При строительстве подземных водопроводно-канализацион­ных, гидротехнических, гражданских сооружений (трубопроводы, тоннели и др.), хранилищ отходов в горно-складчатых областях необходимо принимать меры, предотвращающие внезапный про­рыв водообильных трещинно-жильных вод.

Карстовые воды.Подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения, называют кар­стовыми, или трещинно-карстовыми.

Степень и характер закарстованности горных пород определяют основные черты карстовых вод (глубину развития, интенсивность движения, гидравлическое состояние, водообильность и т. д.).

Карстовые воды отличаются от трещинных вод более интен­сивным движением, особенно в верхней зоне массива закарсто- ванных пород, непостоянством химического состава, резким изме­нением водообильности на сравнительно небольших расстояниях.

Подземные воды вечной мерзлоты. Подземные воды в районах многолетней мерзлоты (Сибирь, Крайний Север, Дальний Восток и др.) контактируют или непосредственно содержатся в толще многолетнемерзлых пород. Подземные воды представлены над- мерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами.

Надмерзлотные водыподразделяют на воды сезонно-талого (деятельного) слоя и воды надмерзлотных таликов речных долин и озерных впадин. Подстилающим водоупором для них служит многолетнемерзлая толща, пустоты, трещины, поры которой по­стоянно заполнены льдом. Надмерзлотные воды образуют безна­порные горизонты типа верховодки и грунтовых вод. Питание они получают за счет инфильтрации осадков, таяния снежников и ледников, а также подпитывания в результате разгрузки под- мерзлотных вод.

В первой половине зимы надмерзлотные воды деятельного слоя промерзают, и поскольку в этот период они залегают между двумя водоупорными слоями (снизу — толща многолетнемерзлых пород, сверху — горизонт сезонного промерзания), то развивают значительное давление и становятся напорными. По величине минерализации воды пресные и летом могут использоваться для водоснабжения, однако количество (запасы) их незначительно, а санитарно-техническое состояние не всегда удовлетворительно.

Надмерзлотные воды в зоне таликов под влиянием переноса тепла реками и озерами зимой обычно не промерзают и имеют постоянный сток. Это воды пресные, очень холодные (темпера­тура 0,5—5 °С), используются для водоснабжения.

Межмерзлотные водысодержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона преры­вистых и сквозных таликов). Межмерзлотные воды в жидкой фа­зе обычно напорны. Распространены они не повсеместно и зале­гают в пределах таликов преимущественно в долинах рек. Постоянная циркуляция, отчасти высокая минерализация, предо­храняет их от замерзания. Гидравлически межмерзлотные воды связаны как с вышезалегающими надмерзлотными, так и с ниже- залегающими подмерзлотными водами. Запасы межмерзлотных вод непостоянны и к концу зимы значительно сокращаются.

Подмерзлотные водыциркулируют ниже многолетнемерзлот­ной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора над кровлей нередко достигает не­скольких сотен метров. По условиям циркуляции подмерзлотные воды аналогичны напорным водам в районах с умеренным кли­матом. Запасы подмерзлотных вод значительны. Водообильность высокая, особенно карстовых подмерзлотных вод. Минерализа­ция вод разная (от пресных до рассолов). В районах с неболь­шой мощностью многолетнемерзлых пород (южные районы Вос­точной Сибири и Дальнего Востока) подмерзлотные воды широко эксплуатируются и имеют важнейшее значение для водо­снабжения.