ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

по  дисциплине “инженерные изыскания” 

на  тему

“Подземные воды и проблемы строительства”

Выполнил: студент гр. СЗ-31

              Прилуцкий П.

№2000-015 
 
 
 
 

ХАРЬКОВ - 2003

1. Круговорот воды  в природе и  происхождение подземных  вод 

      Воды, находящиеся в верхней части  земной коры, носят название подземных  вод. Наука о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связи с атмосферными и поверхностными водами называется гидрогеологией.

      Для строителей подземные воды в одних  случаях служат источником водоснабжения, а в других выступают как фактор, затрудняющих строительство. Особенно сложным является производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод, затапливающих котлованы, карьеры, траншеи. Подземные воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород, могут выступать в роли агрессивной среды по отношению к строительным материалам, вызывают растворение многих горных пород с образованием пустот, и т. д.

      Строители должны изучать подземные воды и  использовать их в производственных целях, уметь бороться с ними при  строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

      Вода в условиях земной поверхности находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности морей, океанов и суши, она в парообразном состоянии поступает в атмосферу. При соответствующих условиях пары конденсируются и в виде атмосферных осадков возвращаются на поверхность земли – в морские бассейны и на сушу. Происходит круговорот воды в природе.

      Подземные воды образуются преимущественно путем  инфильтрации. Атмосферные осадки, речные и другие воды под действием  силы тяжести просачиваются по крупным  порам и трещинам пород. На глубине они встречают водоупорные слои. Вода задерживается и заполняет пустоты пород. Так создаются водоносные горизонты. Количество воды, инфильтрующееся с поверхности, определяется действием многих факторов: характером рельефа, составом, фильтрующей способностью пород, климатом, растительным покровом, деятельностью человека и т. д.

        По мере накопления фактов  обнаружилось, что в ряде случае  инфильтрационная теория не  в  состоянии объяснить появление  подземных вод. Например, в сухих  пустынях, где количество осадков незначительно, вблизи поверхности возникают водоносные горизонты. Советских ученый А. Ф. Лебедев доказал, что в образовании подземных вод принимает участие также конденсация водяных паров, которые проникают в поры пород из атмосферы. Этот путь образования подземных вод хорошо прослеживается в рыхлых породах, которые служат основанием сооружений. В следствии того, что эти породы имеют температуру ниже окружающих пород, в них происходит конденсация паров и формирование подвешенного горизонта подземной воды под фундаментом.

      Воды  земной коры постоянно в течение  длительного геологического времени  пополняются ювенильными водами, которые возникают в глубине  земли за счет кислорода и водорода, выделяемых магмой. Прямой выход на поверхность земли ювенильные воды в виде паров и горячих источников имеют при вулканической деятельности.  

2. Физические свойства  и химический состав  подземных вод. 

      Физические  свойства. Основными физическими свойствами природных вод являются: температура цвет, прозрачность, вкус и запах.

      Температура подземных вод колеблется в широких  пределах, но чаще всего плюс 7 – 11⁰С. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придает механические примеси (желтоватая, изумрудная и т. д.). Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ. Соленый – от хлористого натрия, горький от сульфата магния, и т. д.. Запах зависит от наличия газа биохимического происхождения (сероводород и др. ) или гниющих органических веществ.

      Химический состав подземных вод. Все подземные воды всегда содержат в растворенном состоянии большее или меньшее количество солей, газов, а также органических соединений.

      Растворенные  в воде газы ( O, CO₂, CH₄, H₂S, и др.) придают воде определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обуславливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды на поверхности земли нередко бывают загрязнены органическими примесями (различные болезнетворные бактерии, органические соединения, поступающие из канализационных систем и т. д. ). Такая вода имеет неприятный вкус и опасна для здоровья людей.

      Присутствие солей придает воде такие свойства как жесткость и агрессивность. Жесткость обуславливается значительным количеством растворенных в воде солей кальция и магния.

      Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных  в воде солей на строительные материалы, в  частности, на портландцемент. Поэтому  при строительстве фундаментов  и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и не агрессивной. Это обусловлено различием скорости движения воды – чем она выше, тем больше объема воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

      По  отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

      а) общекислотная – оценивается  величиной рН в песках вода считается  агрессивной если рН меньше 7 а в  глинах меньше 5;

      б) сульфатная – определяется по содержанию иона SO₄^2-;

При содержании SO₄^2- в количестве более 200 мг/л вода становится агрессивной;

      в) магнезиальная – устанавливается  по содержанию иона Mg²⁺;

      Г) карбонатная – связанная с  воздействием на бетон агрессивной  углекислоты, этот вид агрессивности  возможен только в песчаных породах.

      Агрессивность подземных вод устанавливают сопоставлением данных химических анализов воды с требованиями СН 249 –63. После этого определяют меры борьбы с ней. При этом используют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод устройством дренажей и т. д. 

3. Классификация подземных  вод. 

      Единая  классификация подземных вод  до сих пор не создана. Это связано  с большим разнообразием их свойств  условий залегания и т. д. Подземные  воды можно подразделить по ряду признаков, например, по температуре: холодная (до +20), теплая (+20 – 40) и горячая (более + 40); по солености: пресные, соленые и т. д. В инженерно геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку – безнапорные и напорные и по условиям залегания в земной коре – верховодка, грунтовые воды, межпластовые. Все эти воды в основном инфильтрационного происхождения.

      Помимо  этих главных типов существует еще  ряд своеобразных подземных вод, таких как трещинные, карстовые, минеральные и др.

Верховодка. Верховодкой называют временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Эта зона располагается на небольшой глубине от поверхности над горизонтом грунтовых вод, где часть пор пород занята связанной водой, другая часть – воздухом.

      Верховодка  образуется над случайными водоупорами, в роли которых могут быть линзы  глин и суглинков в песке, прослойки  более плотных пород и так  далее. При инфильтрации вода временно задерживается и образует своеобразный водоносный горизонт. Чаще всего это бывает связано с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. В остальное время вода верховодки испаряется и просачивается в нижележащие грунтовые воды.

      Другой  особенностью верховодки является возможность  ее 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 образуется верховодка. Через некоторое время это вода рассасывается .

      В целом для верховодки характерно: временный, чаще сезонный характер, небольшая  площадь распространения, малая  мощность и безнапорность. В легко  водопроницаемых породах, например, песках, верховодка возникает сравнительно редко. Для нее наиболее типичны различные суглинки и лессовые породы.

      Верховодка  представляет значительную опасность  для строительства, залегая в  пределах подземных частей зданий и  сооружений (подвалы, котельные, и др.), она может  вызвать их подтопление, если заранее не были предусмотрены меры дренирования или гидроизоляции. В последнее время  в результате значительных утечек воды (водопровод, бассейны и др.) отмечено появление горизонтов верховодок на территориях промышленных объектов и новых жилых районах, 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 её появление для строителей может быть неожиданным.

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

      а) грунтовые воды имеют свободную  поверхность, т.е. сверху они не перекрыты  водоупорными слоями. Свободная поверхность  грунтовых вод называется зеркалом (в разрезе - уровень). Глубина залегания  уровня от поверхности различна –  от 1 до 50 м и более. Положение уровня по ряду причин непостоянно.

      Грунтовые воды в силу наличия свободной  поверхности безнапорны. Иногда они  могут проявить так называемый местный  напор, связанный с залеганием линзы  глины в уровне зеркала.

      б) питание грунтовых вод происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также поступления воды из поверхностных водоемов и рек. Грунтовая вода открыта для проникновения в нее поверхностных вод, что приводит к изменению её состава во времени и нередко к загрязнению различными вредными примесями.

      в) количество, качество и глубина залегания  грунтовых вод зависят от геологии местности и климатических факторов. В площадном распределении грунтовых  вод имеется определенная зональность. Выделяют 4 зоны: грунтовые воды речных долин, грунтовые воды ледниковых отложений, грунтовые воды полупустынь и пустынь, грунтовые воды горных областей.

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

Межпластовые  подземные воды. Межпластовыми водами называют водоносные горизонты, располагающиеся между водоупорами. Они бывают ненапорными и напорными (артезианскими).

      Межпластовые  ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально  залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или  частично. По условиям передвижения эти  воды аналогичны грунтовым.

      Напорные  воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей. Площадь распространения напорных водоносных горизонтов называют артезианским бассейном.

      Многие  артезианские бассейны занимают огромные площади, содержат ряд водоносных горизонтов и являются важным источником питьевой и технической воды.

      Напорные  воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней  в областях питания и выхода. Прямая линия, соединяющая уровень питания  напорных вод с уровнем выхода, называется линией пьезометрического уровня.

      Если  в какой-либо точке в месте  залегания напорных вод будет  пробурена скважина, то вода поднимается  в ней до линии пьезометрического  уровня. Следовательно, если линия пьезометрического  уровня проходит выше дневной поверхности  – будет происходить фонтанирование.

Строительная  деятельность человека в наше время существенно сказывается на положении уровней грунтовых вод. Водохранилища, пруды, системы орошения, судоходные каналы и многие другие сооружения интенсивно повышают уровни грунтовых вод, приводят к формированию горизонтов верховодок. При проектировании такого типа сооружений необходимо предусматривать возможное влияние подземных вод на ранее построенные сооружения.

      В областях распространения лессовых пород на площадках жилых районов  и особенно на участках промышленных сооружений уровень грунтовых вод с течением времени, как правило, повышается. Глубина залегания зеркала от поверхности земли в ряде случаев составляет 1-3 м. Это связано с утечками воды из водопроводных и канализационных систем, уменьшением испарения воды вследствие застройки территории и т.д. В тех случаях, когда лессовые основания подстилаются хорошо проницаемыми породами (пески, галечники и др.), накопления грунтовых вод не происходит, однако в самой лессовой толще, по крайней мере, в её верхней части, возможно формирование верховодок.

      Резкое  понижение уровня грунтовых вод  вызывает различные откачки (из колодцев, скважин, шахт и т.д.). Это может  снижать уровни на больших территориях. 

4. Замер и наблюдения  за уровнем грунтовых вод. 

      Глубина залегания грунтовой воды измеряется либо в относительных единицах, представляющих собой глубину расположения уровня от поверхности земли, либо в абсолютных отметках, определяющих положение поверхности  грунтовой воды над уровнем моря. Практически вначале всегда измеряется относительная глубина, а затем она пересчитывается на абсолютные значения.

      Измерение глубины залегания грунтовых  вод производится в основном в  период инженерно – геологических  изысканий, т.е. перед проектированием  зданий и сооружений. Наблюдения (замеры) за уровнем грунтовых вод нередко проводят во время строительства и в период эксплуатации сооружений (постоянные наблюдения). Необходимость в этом возникает в тех случаях, когда происходит подъем уровней и появляется опасность подтопления фундаментов и подземных помещений. Для определения глубины залегания и последующих наблюдений за уровнем воды используют буровые скважины, выполненные в необходимых местах одиночно или расположенные в определенном порядке (по сетке или створам).

        В каждой скважине определяют: глубину появления воды, установившийся  уровень, называемый статическим.

      Замеры  уровня воды должны производится от одной  определенной точки у устья скважины с точностью в 1-2 см. Для определения  глубины залегания уровня используют: а) мерную рейку (для замеров на небольшой глубине; б) размеченные на метры тонкие тросы, на концах которых подвешены различные приспособления, подающие сигнал при соприкосновении с водой;                                 в) уровнеизмерители с электрическими цепями; г) поплавковые измерители (для длительных наблюдений за положением уровня воды). 
 

Рис 1. Приспособления для измерения уровня грунтовых  вод:

1 – мерная  рейка в шурфе; 2 – мерный трос  с хлопушкой; 

3 – стационарный поплавковый измеритель в скважинах 

5. Карты грунтовых  вод 

      Знание  режима грунтовых вод имеет большое  значение для строительства. Так, например, исследования строительной площадки могут  быть произведены в засушливый сезон  и грунтовые воды будут обнаружены  на значительной глубине. В соответствии с этим проект здания или сооружения и проект производства строительных работ будут составлены без учета наличия грунтовых вод. Однако в дождливый сезон уровень вод может подняться и вызвать затруднения  в производстве строительных работ или даже в эксплуатации выстроенного здания.

      Для суждения об условиях залегания грунтовых  вод строят карты гидроизогипс –  линий, соединяющих торчки зеркала  грунтовых вод, лежащих на одном  уровне. По отношению к зеркалу  грунтовых вод они играют ту же роль, что и горизонтали по отношению к рельефу заданной поверхности. Построение гидроизогипс производят по тем же правилам, что и построение горизонталей.

      Карта гидроизогипс широко используется для  установления направления потока грунтовых вод, величины напорного градиента, глубины залегания воды, выбора места под колодцы и дренажные устройства. Карта дает возможность найти наиболее благоприятные участки для строительства зданий с глубоко залегающими фундаментами. По куполообразным поднятиям зеркала можно установить места, где происходят интенсивные утечки из подземных водоводов

      Гидроизогипсы фиксируют положение уровня грунтовых  вод на определенное время. Для определения  колебаний уровня грунтовых вод  проводят стационарные наблюдения и составляют графики, позволяющие установить режим грунтовых вод.

      Аналогично  карте гидроизогипс строится карта  гидроизопьез для оценки поверхности  напорных вод. 

Рис 2. Карта  гидроизогипс и горизонталей земной поверхности:

1 – гидроизогипсы; 2 – горизонтали; 3 – участки временного заболачивания 
 
 
 

6. Методы борьбы с грунтовыми водами 

      Гидрогеологические  изыскания, проводимые перед проектированием  и строительством, устанавливают  возможное влияние грунтовых  вод на здания и сооружения. Во многих случаях необходимость в этих работах появляется в связи с подъемом уровня грунтовых вод уже на застроенных территориях. В тех случаях, когда грунтовые воды осложняют строительство и будут мешать в дальнейшем, принимают решение о понижении их уровня. Снижение уровня грунтовых вод и поддержание его в нужном положении достигается осуществлением дренажа. Водопонизительные дрены могут быть совершенными и несовершенными. В первом случае они прорезают весь водоносный слой и сами дрены лежат на водоупоре. Несовершенные дрены располагаются в водоносном слое и до водоупора не доходят.

      При дренировании грунтовых вод различают  следующие типы дренажей: горизонтальный, вертикальный и комбинированный.

      Горизонтальный тип дренажа обеспечивает понижение уровня отводом воды с помощью канав (траншей) и подземных галерей. Отток воды происходит самотеком. Наибольшая глубина открытых траншей 5-6 м.

      Вертикальный  тип дренажа обеспечивает понижение уровня грунтовых вод откачкой насосами или пропуском воды самотеком в нижележащие водопроницаемые слои. Вертикальный дренаж может осуществляться с помощью водопонизительных скважин и иглофильтровых установок.

      Комбинированный тип дренажа объединяет вертикальные и горизонтальные дрены.

      В зависимости от расположения дренажей в плане и по отношению к направлению движения грунтовых вод различают следующие виды дренажей: систематический, головной, береговой, кольцевой, а также пластовый и вентиляционный. Каждый вид дренажа сопровождается обязательным устройством отвода поверхностных вод с осушаемой территории.

Литература

1. Ананьев В. П., Коробкин В. И. Инженерная геология. Высшая школа, 1973.
2. Пешковский Л. М., Перескокова Т. М. Инженерная геология. Высшая школа, 1982.