Конспект лекций по геологии

I – напорный градиент, который является тангенсом угла наклона поверх-

ности грунтового потока:

I ( h1 h2 ) / L ;

h – средняя мощность потока на рассматриваемом участке, между точками

a и b; h ( h1 h2 ) / 2

Подставляя значения величин I и h в формулу (4.8), получим единичный

расход потока с горизонтальным расположением водоупора:

q k

h2

h2

(4.9)

1

2 .

f

2L

Единичный расход потока грунтовых вод в случае наклонного залегания

водоупора (см. рис. 4.10) можно определить таким образом:

q k

h1 h2

H1 H 2 ,

(4.10)

f

2

L

где H1 и H2 – величины пьезометрического напора, взятые относительно

условной горизонтальной плоскости.

Применив закон фильтрации, можно определить объем притока воды к

вертикальным и горизонтальным водозаборным сооружениям: колодцам, сква-

жинам, канавам, строительным котлованам и т. п.

Сначала рассмотрим случай притока воды к колодцу (или скважине), дно

которого достигает водоупорного пласта. Такие колодцы называются совер-

шенными. Спустя некоторое время после выкапывания колодца вода в нем

устанавливается на том же уровне, что и за его пределами (рис. 4.11). После

забора воды из колодца ее уровень в нем снизится. При этом возникает

разность напоров воды в колодце и за его пределами. Вследствие этого вода

начинает поступать в колодец, а

уровень воды за его пределами

1

снижается.

Но

это

снижение не

будет одинаковым. Рядом с ко-

2

s

лодцем оно будет большим, чем

на некотором расстоянии от него.

y

H

Это объясняется тем, что вода во

время движения в колодец встре-

h

чает

сопротивление

со

стороны

минеральных частиц породы во-

3

z

доносного

пласта.

Сопротивле-

x

R

ние будет тем больше, чем мень-

Рис. 4.11. Схема для расчета объемов притока

ше водопроницаемость породы. В

воды к совершенному колодцу в безнапорном

связи

с

этим

вокруг

колодца

водоносном слое:

1 – уровень грунтовой воды; 2 – линия

возникает депрессионная поверх-

депрессии; 3 – водоупорный слой

ность воды. На рис. 4.11 эта по-

верхность показана линиями депрессии, очертание которых зависит от

водопроницаемости породы: если это пески, линии будут более пологими, если

глинистые, то круче.

101

При выводе формулы для определения объема воды в колодце, приняты такие обозначения: H – мощность водоносного пласта, м; h – высота стояния воды в колодце после снижения уровня, м; S – величина снижения уровня воды

в колодце, м; R – радиус депрессии, м; r – радиус колодца, м; I dydx –

напорный градиент в произвольной точке линии депрессии: x и y – координаты этой точки, м.

В качестве начальной используем формулу Дарси (4.7). По этой формуле объем воды, которая фильтруется, проходя через боковую поверхность условного цилиндра высотой y и радиусом основы x, равна

Q k f		dy			2 xy , м3.				(4.11)
		dx
Поверхность цилиндра, м2:
A 2 xy .									(4.12)
Разделим переменные x и y
2 y dy					Q		dx	.	(4.13)
				k f
							x
Проинтегрировав левую и правую части уравнения (4.13), получим
выражение:
y2		Q			ln x C ,				(4.14)
	k
		f

где C – постоянная интегрирования.

Уравнение (4.14) определяет форму линии депрессии.

В соответствии с принятой расчетной схемой величина x изменяет свои значения от R к r, а y – от H к h.

Подставив предельные значения переменных в уравнение линии депрессии, получим:

	H 2			Q		ln R C ;	(4.15)
				k
				f
	h2			Q		ln r C .	(4.16)
				k
				f

Для того, чтобы освободиться от постоянной интегрирования C, отнимем от левой и правой частей уравнения (4.15) соответственно левую и правую части уравнения (4.16), а именно:

	H 2 h2	Q		ln R C	Q		ln r C .
		k			k
		f			f

Приведем полученное уравнение к виду:

	H 2 h2	Q		(ln R ln r)
		k
		f

и, преобразовав его относительно Q, получим:

102

(4.17)

(4.18)

Q k		H 2 h2	.	(4.19)
f		ln R ln r

Чтобы придать этой формуле удобный для практического применения вид, целесообразно натуральные логарифмы заменить десятичными. При этой замене надо принять во внимание, что lnN 2,3lgN . Тогда формула (4.19) будет

иметь такой вид:

Q 1,37k			H 2 h2	.		(4.20)
		f
			lg( R / r)
Если учесть, что H h S , то формула (4.20) может быть и такой:
Q 1,37k		(2H S)S			.	(4.21)
	f
			lg( R / r)

Эту формулу впервые вывел Ж. Дюпюи в 1863 г. Для того, чтобы воспользоваться ею, надо знать радиус депрессии. Поскольку непосредственное определение радиуса депрессии при помощи скважин сопряжено с некоторыми трудностями, то его значение для ориентировочных расчетов можно брать из табл. 4.2.

Таблица 4.2

Данные для определения радиуса депрессии

		Коэффициент		Радиус депрессии
	Порода	фильтрации
				R, м
		k f , м/сут
	Супесь	1	– 2	40	– 50
	Песок пылеватый	2	– 5	90 – 140
	Песок мелкий	5 – 10		150	– 200
	Песок средней крупности	10	– 25	225	– 350
	Песок крупный	25	– 55	275	– 400
	Песок гравелистый	100	– 115	450	– 500

Кроме того, приближенно радиус депрессии при непродолжительной откачке воды можно определить, используя формулу И.П. Кусакина, то есть

R 1,95S	H k f .		(4.22)

В случае, если колодец не доходит до водоупора, его называют несовершенным (рис. 4.12). Вода в такой колодец поступает не только через стенки, а и через его дно. Австрийский ученый Ф. Форхгеймер пришел к выводу, что для определения притока воды к такому колодцу можно также использовать формулу Дюпюи в несколько измененном виде, а именно:

Q 1,37k		H 2	h2
		0	0	,	(4.23)
	f
		lg( R / r)

103

Здесь значения параметров H0 и h0 принимаются в соответствии с расчетной схемой, показанной на рис. 4.12. Фактически несовершенный колодец заменяется совершенным с глубиной активной зоны, которая равна 4/3 глубины стоя-

ния воды в колодце, то есть H			0	4	3	P .
1
2	s
	p				0
		y		H
	0
	h
	p/3	4
	z	x
			R
3

Рис. 4.12. Схема для расчета притока воды к

несовершенному колодцу в безнапорном водоносном слое:

1 – уровень грунтовой воды; 2 – линия депрессии; 3 – водоупорный слой; 4 – условный водоупор; s – динамический уровень воды; p – глубина воды в колодце

1
2	s
		y	H
3
	h
			a
3	z	x
			R

Рис. 4.13. Схема для расчета притока воды к совершенному колодцу в напорном водоносном слое:

1 – статический уровень грунтовой воды;

2 – линия депрессии; 3 – водоупорный слой

Если же совершенный колодец сооружен в напорном водоносном пласте, используют расчетную схему, приведенную на рис. 4.13, где a – мощность водоносного пласта.

Формула Дюпюи для этого случая будет иметь такой вид:

Q 2,73k			a		H h	,	(4.24)
		f
				lg( R / r)
или
Q 2,73k f	aS				.		(4.25)
	lg( R / r)

Приток воды к канаве, доведенной до водоупорного пласта, можно легко определить, используя формулу (4.9) для расхода воды в плоском потоке, ведь в этом случае вода прибывает в виде двух потоков воды с разных сторон.

Таким образом, приток воды в канаву длиной b равен:

Q k f b	H 2	h2
			.	(4.26)
		R

104

4.9. Взаимодействие скважин и устройство водопонижения

Если расстояние между скважинами или другими водозаборными сооружениями меньше двух радиусов депрессии, то их депрессивные воронки пересекаются (рис. 4.14) и скважины взаимодействуют. Вследствие взаимодействия происходит снижение уровня безнапорных подземных вод между скважинами, а в напорных водах – снижение напора. По этой причине суммарный дебит скважин, которые взаимодействуют, меньше суммарного дебита отдельных скважин.

а	б
	УГВ
	S
R	R
L1	L2

Рис. 4.14. Схема взаимного расположения скважин:

а – взаимодействия нет; б – взаимодействие есть; S – величина понижения уровня воды; R – радиус депрессии; L1, L2 – расстояния между скважинами

а	1	I - I		5
				УГВ
	S
				H
		0
		h
	r		r0	R0
б
		3
	2			4
	I		r0	I
	1			5

8 6

7

Рис. 4.15. Расчетная схема водопонижения:

а – разрез по I-I; б – контур из 8 скважин

Эффект снижения уровня воды между взаимодействующими скважинами используется для устройства водопонижения во время проведения строительных работ ниже уровня грунтовых вод, а также в разнообразных дренажных сооружениях. С этой целью скважины размещают вдоль контура площадки той или иной формы на некотором расстоянии от него. Для расчета форму водопонижающего контура приводят к равновеликому по площади кругу. Такое упрощение позволяет использовать для расчета понижения уровня грунтовых вод метод Форхгеймера.

Рассмотрим случай с совершенными скважинами в безнапорном водоносном пласте (рис. 4.15). Для вычисления приближенного значения высоты сниженного уровня воды в центре контура используют так называемую формулу «большого колодца»:

			lg( R0	/ r0 )
h	H 2	nQ			, (4.27)
0		1,37k f

105

где h0 – высота сниженного уровня воды в центре контура, м; H – толщина водоносного пласта, м;

n – число скважин в контуре;

Q – дебит каждой из взаимодействующих скважин, м3;

r0 – радиус равновеликого круга, к которому приводится контур водопонижающей установки, м;

R0 – радиус депрессии установки ( R0 R r0 , здесь R – радиус депрессии скважины, который можно определить по формуле И.Г. Кусакина).

Дебит взаимодействующей скважины можно определить по измененной формуле В.М. Щелкачова:

Q	1,37k f	(2H S)S			,	(4.28)
	lg		Rn
			nr n 1r
		0
		0

где S – снижение уровня воды в скважине, м; r – радиус скважины, м.

106

Вопросы для самоконтроля

1.В чем состоит отличие большого круговорота воды в природе от малого?

2.Какой вид воды относится к свободной?

3.Какой вид воды относится к капиллярной?

4.При какой температуре вода имеет наибольшую плотность?

5.Какая вода обладает максимальной плотностью?

6.От каких факторов зависит электропроводность воды?

7.При каких значениях минерализации (ммоль/л) вода имеет среднюю плотность?

8.Какие воды называются промышленными?

9.Какую часть земной коры принято называть зоной аэрации?

10.Какой водоносный пласт называют «верховодкой»?

11.Какие воды называются межпластовыми?

12.Какие могут наблюдаться виды движения подземных вод?

13.В каких единицах измеряется коэффициент фильтрации грунта?

14.Какой вид воды относится к физически связанной?

15.Как называют подземные воды, которые накапливаются в больших линзах

водонепроницаемых пород вследствие инфильтрации дождевых и талых вод?

16. Как называют воду, которая залегает между двумя водоупорными пластами?

17.Как принято называть постоянные подземные воды, залегающие на первом от поверхности водоупорном пласте?

18.К какому виду относят воду в кристаллической решетке минералов?

19.Какую величину называют коэффициентом фильтрации?

20.В чем состоит сущность формулы Дарси?

21.Чем отличается совершенный колодец от несовершенного?

107

ЛЕКЦИЯ 5

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: ознакомиться с основными стадиями проектирования сооружений и выполнения инженерно-геологических исследований

5.1. Общие положения

Инженерная геология изучает и оценивает геологические факторы природной среды (геологическое строение, рельеф и геоморфология, гидрогеологические условия, состав и свойства грунтов), влияющие на инженерные сооружения, выбор места их расположения, конструкцию, способы выполнения работ. Инженерное сооружение, в свою очередь, может изменить существующие природные геологические условия и процессы (осадка, просадка, опускание поверхности земли в результате подработки берегов водохранилищ, подтопление и т. д.).

Инженерная геология занимает особое положение в науке о Земле. Где бы ни проводились изыскания: на суше или на море, – они всегда направлены на решение одной из двух основных задач:

1.Выявление, разведка, промышленная оценка месторождений полезных ископаемых.

2.Изучение и оценка геологических условий строительства различных

сооружений.

Предмет изучения инженерной геологии. Инженерная геология – это наука, посвященная изучению и оценке геологических условий строительства различных сооружений, хозяйственного использования территорий и выполнения горных работ на месторождении полезных ископаемых, а также разработке мероприятий, обеспечивающих устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружений, в том числе прогнозирование изменения природных геологических условий под их воздействием.

Методы инженерной геологии. При изучении предмета используют следующие методы:

1.Естественно-исторического анализа (геологический метод).

2.Экспериментальный (лабораторные исследования, полевые опытные работы, стационарные наблюдения).

3.Геологического подобия (аналогии).

4.Моделирования (физического, электрического, электронного).

5.Расчетно-теоретический.

108

Научные направления инженерной геологии:

1.Инженерная петрология (грунтоведение).

2.Инженерная геодинамика.

3.Специальная инженерная геология. Методика инженерно-геологичес- ких исследований.

4.Инженерно-геологические исследования для различных видов строительства.

5.Региональная инженерная геология.

Геологическая среда – это приповерхностная часть литосферы, включающая твердое минеральное вещество горных пород, в том числе органического происхождения; воду или другие жидкие компоненты (нефть); газы, присутствующие в порах и трещинах твердой фазы или растворенные в подземных водах, на которую распространяется деятельность человека.

Геологической среде присуще такое свойство, как изменчивость. Следствием изменчивости является неоднородность среды в пространстве, которая проявляется в анизотропии. Фундаментальным свойством геологической среды является такой принцип организации: минерал – порода – формация (сообщество пород).

Грунты – горные породы, формирующие многокомпонентную и многообразную геологическую среду, одновременно являющиеся объектом инженерной деятельности человека и материалом для сооружений.

В процессе инженерно-геологических исследований выделяют инженер- но-геологические элементы (ИГЭ).

Под инженерно-геологическими элементами понимают геологические тела (слои, прослои, линзы), они генетически однородны, похожи по минеральному составу и имеют примерно одинаковую структуру и текстуру, близкие показатели физико-механических свойств. В пределах ИГЭ отдельные значения показателей свойств носят случайный характер, но близки между собой.

Эти элементы выделяют предварительно в процессе разведки, главным образом, по литологическому составу и состоянию грунтов. В дальнейшем производится их уточнение, затем по результатам опытных и лабораторных работ определяются нормативные и расчетные значения показателей физикомеханических свойств.

5.2.Оценка инженерно-геологических условий строительства

иэксплуатации зданий и сооружений

При планировании, строительстве и эксплуатации как отдельных сооружений, так и целых комплексов необходимо учитывать природные условия, которые в данном случае принято называть инженерно-геологическими.

109

Эти условия – совокупность природных геологических показателей, которые определяют рациональное использование территории, выбор района и мест возведения различных сооружений, устойчивость и нормальную их эксплуатацию, а также не препятствуют выполнению строительных и горных работ.

Для оценки инженерно-геологических условий используется как накопленная, так и оперативная информация, а при строительстве и эксплуатации сооружений – только оперативные данные.

В результате изучения и анализа этой информации устанавливаются нормативные и расчетные значения показателей физико-механических свойств грунтов, определяются величины осадки и устойчивости сооружений, выполняются фильтрационные расчеты, оценивается возможность возникновения неблагоприятных инженерно-геологических процессов и явлений. Оценка всегда заканчивается прогнозом изменения инженерно-геологических условий в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Существуют три категории сложности инженерно-геологических условий, их различают по:

особенностям геоморфологии и рельефа территорий, геологическому строению и тектонике в области взаимодействия среды и сооружений;

гидрогеологическим условиям, с учетом физико-геологических процессов и явлений,

наличию специфических грунтов в активной зоне фундаментов. Описание категорий содержится в СНиП 1.02.07-87. Инженерные

изыскания для строительства.

5.3. Классы сооружений

Изучая и анализируя инженерно-геологические условия территорий, строительных площадок, нужно обязательно учитывать, для какого вида инженерных работ эта информация предназначена.

Каждое сооружение оказывает определенное воздействие на геологическую среду в зависимости от:

величины и характера передаваемых нагрузок (большие или малые, равномерные или неравномерные, статические или динамические);

степени нарушения напряженного состояния грунтов;

изменения их влажности, плотности и температурного режима.

В то же время любое сооружение отличается определенной степенью ответственности, жесткостью, чувствительностью к окружающей геологической среде.

110