По трещинам термальные воды часто выходят на поверхность

земли, образуя горячие источники с температурой до 100 ОС (Кам­

чатка, Кавказ). Запасы этих вод в земной коре очень большие и их активно используют для теплофикации городов и энергетических целей, например, на Камчатке (Паужетская геотермальная стан­ ция). На Земле действует несколько районов активной гейзерной деятельности: Камчатка, Исландия, Северо-Восток США, Новая Зеландия.

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 нижнююзону насыщения. На рис. 63 показано, как распо­

лагаются основные подземные воды в земле. Это фактически графическое изображение классификации подземных вод по

условиям залегания.

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уров­ нем грунтовых вод. В этой зоне, непосредственно связанной с атмосферой и почвенным покровом, наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зо­ ны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь час­

тично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом. Зо­ на аэрации играет важную роль в формировании подземных вод. Мощность, т. е. толщина зоны аэрации, колеблется от нуля в за­

болоченных низинах до нескольких сотен метров в горных райо­

нах с сильно расчлененным рельефом.

Непосредственно над поверхностью подземных вод располага­

ется зона повышенной влажности - капиллярная кайма.

Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грун­ товых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой.

Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде вер­

ховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мер­

злоты.

Верховодки - это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над локальными водаупорами

288

(или полуводоупорами), которыми могут быть линзы глин и су­ глинков в песке, прослойки более плотных пород. При инфиль­

трации вода временно задерживается и образует сводообразные

водоносные горизонты. Чаще всего это бывает связано с перио­ дом обильного снеготаяния, периодом дождей. В остальное вре­ мя вода верховодок испаряется или просачивается (стекает) в ни­

жележащие грунтовые воды.

Другой особенностью верховодок является возможность их

образования даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо во­

доупорных пропластков. Например, в толщу суглинков обильно

поступает вода, но вследствие низкой водопроницаемости проса­ чивание происходит замедленно и в верхней части толщи образу­

ется верховодка. Через некоторое время эта вода рассасывается.

В целом для верховодок характерно: временный, чаще сезон­ ный характер, небольтая площадь распространения, малая мощ­

ность 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 строи­ тельства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооруже­ ний (подвалы, котельные и др.), они могут вызвать их подтопле­

ние, если заранее не было предусмотрено дренирование или

гидроизоляция. В последнее время в результате· значительных уте­ чек воды из воданесущих коммуникаций (водопровод, бассейны и др.) отмечено появление горизонтов верховодок на территориях промытленных объектов и новых жилых районов, расположенных

в зоне распространения лессовых пород. Это представляет серьез­

ную опасность, так как грунты оснований снижают свою устойчи­

вость, затрудняется эксплуатация зданий и сооружений.

При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в су­ хое время года, верховодка не всегда обнаруживается. Поэтому ее

появление для строителей может быть неожиданным, хотя по определенным признакам изыскатели способны прогнозировать

еепоявление.

JРунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во време­

ни и значительные по площади распространения горизонты под­

земных вод, залегающие на первом от поверхности <<выдержан­

ном>> водоупоре. Они характеризуются рядом признаков:

1. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, т. е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободная поверх­ ность грунтовых вод называется зеркалом (в разрезе уровень). Положение зеркала в какой-то мере отвечает рельефу данной

местности. Глубина залегания уровня от поверхности различ-

289

на - от 1 до 50 м и более. Положение уровня по ряду причин

непостоянно. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, на­

зывают ложем, а расстояние от водаупора до уровня подземных

вод - мощностью водоносного слоя (рис. 64).

Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности без­ напорны. Иногда они могуr 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 поверх­ ностных водоемов и рек. Территория, на которой происходит пи­

тание, ориентировочно совпадает с площадью распространения

грунтовых вод. Грунтовая вода открыта для проникновения в нее

поверхностных вод, что приводит к изменению ее состава во вре­

мени и передко 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 потокинередко выходят на поверхность, об­

разуя родники или создавая локальную по площади заболочен­

ность.

4. Количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависят от геологических условий местности и климатических

факторов. Зеркало грунтовых вод в целом в какой-то мере копи­ рует рельеф земной поверхности в пределах их расположения. По

степени минерализации воды преимущественно пресные, реже

солоноватые и соленые, состав гидрокарбонатно-кальциевый, су­

льфатный и сульфатно-хлоридный.

Р и с. 64. Грунтовая вода:		Рис. 65. Схема возникновения
1 - уровень rр}'!f!'Овой воды (УГВ); 2- мощ­		местного напора:
ность rрунговой воды; 3- ложе (водоупор);	1 -	водоносный горизонт rрунтовых вод;
П - поверхность земли	2 -	линза глины в толще песка; 3 - зеркало

rрунтовой воды (уровень); 4- водоупор; Н - высота (величина) местного напора

290

... . ..

Р и с. 66. Формы залегания грунтовых вод:

1- rрунтовый поток; 2- rрунтовый бассейн; 3 - водоуnор

Грунтовые воды имеют практически повсеместное распростра­ нение. В площадном распределении грунтовых вод имеется опре­ деленная зональность. Вьщеляют 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 терри­

тории России ледниковые отложения представлены разнообраз­

ными обломочными породами, среди которых много водоносных

слоев. Вода обильная, слабо минерализованная, широко исполь­ зуется для водоснабжения.

Грунтовые воды полупустынь и пустынь. Это районы с малым количеством атмосферных осадков (до 200 мм в год) и значите­ льным испарением. Воды обычно мало, залегает она глубоко и

имеет высокую минерализацию.

Грунтовые воды горных областей. В этих районах выпадает мно­ го атмосферных осадков, часть которых проникзет в выветрелые и трещиноватые породы. Наибольшее количество грунтовых вод хо­

рошего качества скапливается в отложениях предгорных наклон­

ных равнин. Эта вода широко используется для водоснабжения. Среди зональных располагаются незональные rрунтовые 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 созда­

ют большие трудности при производстве строительных работ (за­

ливают котлованы, траншеи, создают опасность оползания и

оплывин в бортах котлованов и т. д.) и мешают нормально эксп­

луатировать здания и сооружения.

Карты поверхности грунтовых .вод (карты гидроизогипс). Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод со-

291

ставляют карты гидраизогипс (рис. 67}. Гидроизоrипсами называ­

ют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или

относительными отметками уровней rрунтовых вод. Эти линии

аналогичны горизонталям рельефа мес1'ности и nодобно им отра­

жают рельеф зеркала вод. Карты гидраизогипс необходимы при

решении задач, связанных с проектированием водозаборов nод­

земных вод, борьбой с подтоплением территорий и др. Для по­

строения: карты гидраизогипс замеряют уровни грУJ-Iтовых вод в

скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней во­

ды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня

подземных вод hв в скважинах определяют по формуле

hв = hu.з- h,

где hп.з- абсолютная отметка поверхности земли; h - глубина за­

легания подземных вод от поверхности земли, м. Полученные

абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и за­

тем методом интерполяции строят гидроизогипсы. Сечение гид­

раизогипс (частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера ar 0,5 до

10,0 м, чаще 0,5; 1,0 и 2,0 м.

С помощью карты гидраизогипс (совмещенной с топоrрафи­ qеской картой) можно выяснить направление и узнать скорость l(вижения: грунтового потока в любой точке, а также определить

глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизон­ талей и гидроизоrипс).

Карта гидраизогипс позволяет установить характер связи rрунтовых вод с поверхностными водами (реки, каналы, Iюдохра­

нилища). Эти водь1 могут питать rрунтовые воды или, наоборот,

подземная вода пополняет эти водоемы. Это необходимо знать

при определении водопритоков к водозаборам.

р и с. 67. Карrа изогипс

292

Межпластовые подземные воды. Эти воды располагаются в во­

доносных горизонтах между водоупорами. Они бывают ненапор­

ными и напорными (артезианскими).

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

Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водонос­ ных слоев в виде синклиналей или моноклиналей (рис. 69 и 70). Площадь распространения напорных водоносных горизонтов на­ зывают артезианским бассейном.

Отдельные части водоносных слоев залегают на различных вы­ сотных 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 по­

верхность и имеют высокие отметки. Область питания, как прави­

ло, не совпадает с площадью распространения межпластовых вод.

Напориость вод характеризуется пьезометрическим уровнем.

Высотное положение уровня связано с характером залегания во­ доносных слоев. Он может быть выше поверхности земли или ниже ее. В первом случае, выходя через буровые скважины, вода

фонтанирует, во втором - поднимается лишь до пьезометриче­

ского уровня.

Многие артезианские бассейны (например, Доно-Донецкая

впадина) занимают огромные площади, содержат ряд водоносных горизонтов, являются важным источником питьевой и техничес­

кой воды, обладают большой водообильностью, вода обычно хо­

рошего качества.

Напорные воды встречаются не только в слоях, залегающих

между двумя водоупорами, но и в массивах скальных, трещино­

ватых пород (трещинные воды), а также в карстовых пустотах (карстовые воды) и в вечной мерзлоте.

Р и с. 68. Межnластовая

ненапорная вода:

1 - rрунтовая вода; 2- первый водоупор; 3 - межпластовая вода; 4- водоупор; П - поверхность земли

293

Р и с. 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 струк­

турам. При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напо­

ра. Напорные воды встречаются и при моноклинальном залегании

водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водо­

проницаемость 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 занима­

ющие значительные площади (до нескольких сотен тысяч квад­

ратных километров), называют артезианскими бассейнами. При

моноклинальном залегании слоев образуется артезианский склон.

Основные элементы артезианского бассейна (склона). В артези­

анских бассейнах выделяют три области: питания, напора (рас­ пространения) и разrрузки.

Вьщеление 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 разrрузки на­ порных вод, так же как и питания (при перетекании воды из ниже- и вышезалегающих водоносных, горизонтов), могут зани­ мать различные участки по площади артезианского бассейна.

294

4

Р и с. 70. Артезианский бассейн (в условиях синклинального залегания слоев пород):

1- водоупор; 2- водонапорный слой; 3 - буровые скважины; 4- область питания водой;

5- пьезометрический уровень; б - поверхность земли; Н- высота (величина) напора воды

Разгрузка напорных вод возможна и искусственным пуrем че­

рез водозаборные скважины при их длительной эксплуатации.

Работа водозаборов усиливает также процессы перетекания воды

из одного водоносного горизонта в друтой.

При использовании артезианских вод для водоснабжения наиболее перспективным считается самый верхний напорный го­

ризонт, где обычно залегают слабоминерализованные (пресные) воды. Химический состав и минерализация артезианских вод из­

меняются с глубиной.

Карты пьезометрической поверхности напорных вод (карты гид­

роизопьез). Линии, соединяющие точки с одинаковыми отметка­

ми пьезометрического уровня, называют гидраизопьезами (или пьезогипсами). Карта гидраизопьез - совокупность таких линий, и

строится она методом интерполяции отметок, т. е. аналогично

карте гидроизогипс. Если напорных водоносных горизонтов не­

сколько, для каждого из них на карте наносится своя система

гидроизопьез.

С помощью карты гидраизопьез решают ряд практических за­

дач, связанных с использованием артезианских вод для водоснаб­ жения, с организацией защиты от них при вскрытии строитель­

ными котлованами кровли напорного пласта и т. д. По карте гидраизопьез изучают условия формирования потоков артезиан­

ских вод, определяют направление их движения, вьщеляют участ­ ки возможного самоизлияния, устанавливают гидравлическую

связь напорных вод с реками и др.

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

295

новатых горных породах. Перемешаются они по системе взаимо­

связанных трещин и образуют единую гидравлическую систему.

В зависимости от условий залегания трещинные воды могут

быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зо­ не кристаллических массивов (до глубины 80-100 м) (рис. 71). Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и отличаются значительными колебаниями уровня под­

земных вод во времени. Площади их питания совпадают с пло­ щадями распространения. Глубина залегания трещинно-грунтовых

вод возрастает от долин к водоразделам (от нескольких	метров
до 80 м и более). Водаупором 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 ак­ тивного водообмена, поэтому в большинстве случаев они пре­

сные, гидрокарбонатно-кальциевого состава.

Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских

бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещи­

новатыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это ли­ нейно вытянуrые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глу­

бину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повы­

шенную 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-

Р и с. 71. Залегание трещинно-грунтовых вод:

1- скважины; 2- трещины в скальных породах; 3 - трещины, заполненные водой

296

ния. Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещин­

но-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водо­

носных горизонтов и друтих источников.

При строительстве подземных водопроводно-канализацион­

ных, гидротехнических, гражданских сооружений (трубопроводы,

тоннели и др.), хранилищ отходов в горно-складчатых областях

необходимо принимать меры, предотвращающие внезапный про­ рыв водаобильных трещинно-жильных вод.

Карстовые воды. Подземные воды, которые циркулируют по

трещинам и пустотам карстового происхождения, называют кар­

стовыми, 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 интен­

сивным движением, особенно в верхней зоне массива закарсто­

ванных пород, непостоянством химического состава, резким изме­

нением водаобильности 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 воды подразделяют на воды сезонно-талого (деятельного) слоя и воды надмерзлотных таликов речных долин

и озерных впадин. Подстилающим водаупором для них служит

многолетнемерзлая толща, пустоты, трещины, поры которой по­

стоянно заполнены льдом. Надмерзлотные воды образуют безна­ порные горизонты типа верховодки и грунтовых вод. Питание они получают за счет инфильтрации осадков, таяния снежников

иледников, а также подпитывания в результате разгрузки под­

мерзлотных вод.

Впервой 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 (темпера­ тура 0,5-5 "С), используются для водоснабжения.

297