Свойства горных пород. Характеристика грунтов

отвод и выправление русел, устройство защитных покрытий, возведение лотков, быстротоков, перепадов, стен – набережных.

Водоотводные осушительные и дренажные мероприятия и устройства делят на:

•работы на поверхности – (планировка местности, заделка трещин, устройство покрытий, дамб, обвалования, нагорных и осушительных каналов, лотков, каптаж источников);

обустройство дренажей (продольные и поперечные прорези и галереи, дренажные шахты, поглощающие скважины и колодцы);

выполнение изоляционных мероприятий (устройство различных инъекционных завес, глинизация, замораживание грунтов).

Землеустроительные мероприятия направлены на:

разгрузочные работы в активной зоне (полный съем оползневых масс, срезка активной части оползня, очистка скальных откосов, террасирование и уполаживание склона, общая планировка склона) и пригрузки в пассивной зоне (отсыпка и отвал грунта);

покрытие скальных склонов металлическими и геосинтетическими сетками;

армирование поверхности геосинтетическими материалами (сетками, ячеистыми каркасами и т. п.);

устройство каменных ловушек.

Механическое крепление склона (откоса) связано с устройством одиночных прошпиливающих элементов в виде свай различного типа, проходящих сквозь оползень в коренные породы или рядов в виде шпунтовых стенок, инъекционных и мерзлотных завес и др.

Подпорные сооружения предусматривается возводить в виде шпунтовых стенок (металлических, железобетонных, деревянных), подпорных стен (каменных, бетонных, железобетонных), стен из свай-оболочек большого диаметра, а также в виде упорных валов (поясов) из грунта, каменной наброски, массивов-гигантов.

Покрытия предназначены для закрепления поверхности склона от воздействия ливневых и речных вод. Их выполняют из песчаных, гравелистых, галечных грунтов, каменной наброски, каменного мощения, шлакоглинобетона, асфальта и асфальтобетона, бетона и железе бетона, геосинтетических пленок из армированного высокопрочного полиэтилена. Для закрепления береговой зоны часто используют фашинные тюфяки.

Использование растительности направлено на закрепление и осушение склона. Здесь предусматривается сплошное травосеяние, посадка влаголюбивого кустарника, облесение склона (вяз, дуб, клен, липа, лиственница).

Искусственное уплотнение и закрепление грунтов на склоне предусматривает проведение различных инъекций (цементация, спликатизация, битумизация, глинизация), замораживание грунтов, уплотненно электроосмосом.

Обеспечение устойчивости возводимых сооружений в зоне действий оползня преследует цель повышения безопасности и включает мероприятия;

по удалению неустойчивого массива на всю его мощность (до коренных неоползнеопасных пород);

закладку глубоких фундаментов, опирающихся, на устойчивые породы;

устройство фундаментов из буронабивных свай;

использование каркасных конструкций;

армирование крутых откосов геосинтетическими сетками и каркасами;

• применение железобетонных поясов;

- • устройство деформационных швов.

Задание 8

Охарактеризовать методы инженерно–геологических и гидрогеологических исследований.

Определение направления, скорости и глубины залегания подземных вод

По условиям залегания различают воды в поверхностных слоях воды глубокие, или межпластовые, т. е. заключенные в водопроницаемом слое между водоупорными слоями. Подземные воды, кроме того, разделяются на пластовые, т. е. насыщающие определенный водопроницаемый слой, и трещинные воды, т. е. движущиеся по трещинам, пересекающим ряд пластов, или в пустотах, пещерах, подземных ходах (карстовые воды).

В рыхлых проницаемых породах подземные воды скопляются на некоторой глубине и образуют здесь насыщенный водой слой, верхняя поверхность которого называется зеркалом, или скатертью грунтовых вод. Так как толща рыхлых пород по большей части бывает ограничена, то залегание грунтовых вод определяется положением первого от поверхности непроницаемого слоя, над которым и скопляются грунтовые воды. Вообще говоря, обычно наклон поверхности грунтовых вод (зеркала) совпадает с наклоном водонепроницаемого слоя. Однако могут быть случаи, когда усиленный приток воды сверху создает наклон поверхности грунтовых вод независимо от наклона водонепроницаемого слоя.

Рельеф поверхности страны также оказывает некоторое влияние на залегание грунтовых вод; в случае волнистости поверхности поверхность грунтовых вод также не горизонтальна, а следует за изгибами рельефа, лишь несколько их сглаживая. Особенно хорошо это выражено в дюпах. Такое залегание грунтовых вод обусловливается тем, что понижения рельефа дренируют грунтовые воды, тогда как в повышенных участках вода поднимается в силу волосности, действующей в направлении, обратном силе тяжести.

Положение горизонта грунтовых вод находится также в соответствии с уровнем поверхностных вод - рек, озер и морей.

Рассматривая соотношение между реками, протекающими в проницаемых рыхлых породах, и грунтовыми водами, можно убедиться в существовании тесной связи между уровнем реки и уровнем грунтовых вод. При нормальных условиях, т. е. при среднем стоянии воды в реке, поверхность грунтовых вод, начиная от реки, постепенно повышается к краям долины в поперечном к реке направлении, и грунтовые воды имеют сток от краев долины к реке.

Но это соотношение изменяется, как только вода в реке начнет прибывать. В случае быстрого подъема воды в реке грунтовые воды же не будут в состоянии вливаться в реку, уровень которой стоит теперь выше прилегающей грунтовой воды, и процесс, описанный выше, сменится обратным, т. е. речная вода или сама начнет переходить в грунтовую или будет задерживать ее сток. В результате начнется поднятие грунтовой воды сначала вдоль реки, а затем в поперечном направлении от реки пойдет волна грунтовой воды, которая в ближайших к реке областях обнаружится через несколько часов, а в более отдаленных - лишь через несколько дней или даже недель. Надвигание этой волны может продолжаться еще и тогда, когда сама река уже начала спадать. В общем грунтовые воды можно рассматривать как мощный регулятор рек, задерживающий большие количества влаги во влажное время года и отдающий ее постепенно в сухое время. На берегу моря грунтовые воды испытывают подпор во время приливов, и их горизонт в это время повышается. Впрочем, это влияние распространяется на небольшое расстояние от берега. До сих пор мы рассматривали подземные воды, залегающие на первом от поверхности непроницаемом слое, но водоносный горизонт может быть также заключен между двумя слоями водонепроницаемых пород и в этом случае совершенно бывает насыщен водой.

Заключающаяся в нем вода находится под напором и называется напорной, или артезианской.

Высота стояния и колебания грунтовых вод, как обычно принималось после исследований Сойки, определяется, главным образом, количеством осадков и дефицитом влажности воздуха, т. е. количеством водяных паров, которое может быть еще поглощено воздухом при данной его влажности и данной температуре.

В зависимости от того, какой из этих факторов, т. е. количество осадков или дефицит влажности, перевешивает, колебания уровня грунтовых вод следуют то первому, то второму фактору.

1. При большом количестве осадков и малом дефиците влажности годичные колебания уровня грунтовых вод определяются годичным ходом атмосферных осадков, как это, например, наблюдается в Мюнхене, климат которого характеризуется сравнительно большим количеством осадков (800 мм), умеренной годовой температурой (7°,3 ) и относительно малым дефицитом влажности.

2. При малом количестве осадков и высоком дефиците влажности годичные колебания уровня грунтовых вод следуют колебаниям дефицита влажности. Примером для этого типа может служить Берлин со средним годовым количеством осадков в 594 мм, с средней годовой температурой в 9° и с недостатком насыщения в 3 мм.

Кроме влияния этих двух факторов, уже давно было также констатировано влияние на уровень грунтовых вод атмосферного давления. Новейшие изыскания показали, однако, что дело обстоит сложнее.

В 1892 г. появилась работа Кинга, который с помощью специально сконструированных им для изучения подземной гидрологии самопишущих приборов показал, что поверхность подземного океана находится в таком же непрерывном движении, как и поверхность открытого моря, и колебания ее совпадают не только с колебаниями осадков и барометра, но также с фазами вегетации и действием механических агентов (сотрясений).

В питании грунтовых вод имеют большое значение геологические условия, рельеф местности и растительный покров.

В зависимости от степени проницаемости пород и условий рельефа возможны различные случаи:

1. В водоупорных породах вода стекает по поверхности в понижения рельефа и образует временные или постоянные озера в холодном климате с избыточным увлажнением, а в умеренном или сухом климате воды будут в меньшей или большей мере теряться через испарение. Грунтовые воды в этих условиях пе будут получать пополнения от атмосферных осадков.

2. В породах средней проницаемости атмосферные осадки, выпадая па повышенные части рельефа и на склоны, частично стекают в понижения и частично впитываются вглубь. Питание грунтовых вод происходит, главным образом, за счет пониженных участков.

3. В породах легко проницаемых, как, например, в крупнозернистых песках, атмосферные воды поглощаются не только в понижениях, но и (в меньшей степени) также на повышениях рельефа и на склонах.

Питание грунтовых вод повсеместное, хотя и неравномерное.

Влияние рельефа, по наблюдениям Измаильского, выражается также в том, что овраги и балки дренируют местность. «Чем ближе к устью балки, тем глубже лежит верхний уровень грунтовой воды и тем беднее колодец водой. Наоборот, чем дальше вглубь степи, т. е. ближе к верховьям балок, тем грунтовые воды лежат ближе от поверхности почвы и колодцы обильнее водой», т. е. нижние части балок оказывают дренирующее влияние, прорезая водоносный горизонт. В степных блюдцах влажность почвы больше, чем на ровных местах, и, по Измаильскому, воронки являются как бы регуляторами грунтовой воды.

В настоящее время можно считать установленным, что колебания уровня грунтовых вод могут быть более длительные (с большим периодом и амплитудой) и кратковременные (с малым периодом и амплитудой). Первые связаны с атмосферными осадками, разливом рек, подпором воды в водоемах, а также с дефицитом влажности воздуха. Вторые зависят от колебаний барометрического давления, температуры воздуха и некоторых случайных причин, например от кратковременных колебаний соседнего водоема. Не покрытые растительностью пространства также облегчают сток и уменьшают инфильтрацию. Обработанные поля с разрыхленной почвой или покрытые посевами, а также луга способствуют просачиванию воды в глубину.

Влияние лесов на обилие и залегание грунтовых вод довольно сложно. Во-первых, не все количество выпавших над лесом осадков достигает почвы - часть испаряется непосредственно с листьев; так, например, в буковом лесу лишь 61% осадков достигает почвы, в дубовом 68%, в хвойном 31%. Во-вторых, лесная подстилка не дает стекать воде и, на первый взгляд, благоприятна инфильтрации, но, с другой стороны (в случае болотистой, поросшей мхом почвы), она, задерживая влагу, расходует ее испарением. Наконец, и сами деревья потребляют массу влаги на свое развитие и расходуют ее путем испарения. Количество осадков в лесу, достигающих почвы, зависит также от интенсивности и продолжительности дождей. Опыты Вольни, Отоцкого, Анри показали, что грунтовые воды стоят в лесу шире, чем в безлесных окрестностях. Так, по опытам Отоцкого, как в северной полосе Европейской части СССР, так и средней и южной оказалось, что грунтовые воды здесь залегают глубже по сравнению с соседними безлесными участками. Но в этих наблюдениях отсутствуют данные о геологическом строении и мало освещен рельеф местности. Из наблюдений Отоцкого над положением уровня грунтовых вод в различных районах Европейской части СССР оказывается, что на севере (в тундре) слой подземных вод совпадает со слоем поверхностных вод; в северной лесной половине он лежит неглубоко, тогда как в степных губерниях глубина залегания грунтовых вод достигает 30 м.

Направление движения подземных вод легко устанавливается при наличии карт гидроизогипс (либо гидроизопьез) по изучаемым водоносным горизонтам. По таким картам направление движения подземных вод определяется линиями токов, проведенным перпендикулярно, к линиям равного напора гидроизогипсам или гидроизопьезам по уклону потока.

Формы потоков грунтовых вод:

а) плоский; б) радиальный; в) радиальный сходящийся; г) криволинейный

По отсутствии карт, отражающих положение свободной или пьезометрической поверхности подземных вод, для определения направления их движения необходимо иметь не менее трех выработок, чтобы установить отметки уровня подземных вод. Выработки желательно располагать по углам равностороннего треугольника с длиной стороны от 50 до 200 метров (чем меньше уклон потока, тем больше расстояние между скважинами). По известным или установленным отметкам уровня подземных вод путем интерполяции составляется план изолинии свободной или изотермической поверхности определяется направление движения потока по линиям токов.

Определение направления потока грунтовой воды по трем скважинам

Для получения надежных данных о направлениях движения потоков подземных вод следует использовать материалы режимных наблюдений (карты изолиний на различные периоды времени). Определение направления движения по картам гидроизогипс следует считать основным методом при отсутствии карт достоверных данных об отметках уровней в отдельных точках направление давления подземных вод можно устанавливать с помощью геофизических(фотографирование в скважинах конусов распространения красителя от точечного источника, метод заряженного тела, замеры интенсивности конвективного переноса тепла в разных направления от датчика, круговые измерения естественного потенциала и др.), радиоиндикаторных и других методов.

Геофизические методы определения направления движения подземных вод.

Наиболее перспективными являются односкважинные методы, в том числе метод фотографирования конусов выноса от точечного источника красителя, при котором периодически фотографируются распространяющиеся от специальной капсулы конуса красителя на фоне стрелки магнитного указателя. Всего за один спуск можно наполнить до 60 снимков, направление движения подземных вод определяется по направлению конуса заноса красителя для получения надежных результатов достаточно 4-6 снимков.

Точность определении направления подземного потока может быть оценена величиной относительной погрешности от 3 до 20, в значительной мере погрешность зависит от скорости движения подземных вод. Метод может использоваться при скоростях фильтрации не ниже 0,5 м/сут. По времени существования конуса можно ориентировочно определить и скорость фильтрации.

Этот метод значительно менее апробирован, по сравнению с радиоиндикаторным, но он несколько проще в пополнении и не требует согласования с органами санэпидемнадзора.

Односкважинные методы осуществления направления движения подземных вод не рекомендуется использовать в породах с редкой и неравномерной трещиноватостью.

Движение грунтовых вод в рыхлых породах в сравнении с движением поверхностных очень медленно. Оно определяется формулой Дарси:

Q = KФF∆H/l =КФ Fl,

где Q – расход воды или количество фильтрующийся воды в единицу времени, м3/сут; Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока воды, м2; ∆H – разность напоров, м; l – длина пути фильтрации, м.

Таким образом, скорость движения подземных вод будет больше в крупнозернистых породах и при высокой температуре, уменьшающей вязкость; повышение температуры на 30° увеличивает скорость почти вдвое. Поэтому, при прочих равных условиях, подземные воды в экваториальной зоне будут двигаться быстрее.

Скорость фильтрации v = Q/F или v = Kфl. Скорость движения воды (фильтрации) измеряется в м/сут или см/с. Эти формулы требуют уточнения в связи с тем, что в них входит величина F, отражающая все сечение фильтрующей воды, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина v является кажущейся. Действительную скорость воды vд определяют с учетом пористости породы

vд = Q/Fn,

где n – пористость, выраженная в долях единицы

Сопоставив формулы

v = Kф и vд = Q/F,

можно установить, что vд = v/n. Формула скорости воды в свою очередь правомерна лишь для песков и крупнообломочных пород, где все поры открыты и вода имеет полную свободу движения. В глинистых пародах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в формулу вводят не n а nакт (активную пористость), т.е. пористости, через которые проходит вода. Также следует помнить, что движение воды в породах происходит обычно с разной скоростью, поэтому при рассмотрении вопроса о движении воды в данной породе можно говорить лишь об ее средней скорости движения

Если вода протекает по широким трещинам и пустотам, она имеет так называемое турбулентное движение (неравномерное, с пульсациями скоростей), наподобие движения воды в трубах и открытых каналах. В таких случаях скорость движения воды выражается формулой Шези. Значение грунтовых вод в жизни людей громадно. С древнейших времен обитаемость какой-либо местности обусловливается наличностью воды, скрытой на незначительной глубине или выходящей на поверхность в виде источников. Все более или менее крупные города возникли в местах, располагавших большим количеством легко доступной воды, например Рим, Париж. Как показали Леваковский и В. Семенов Тянь-Шанский по отношению к Европейской части СССР, от залегания и обилия грунтовых вод зависит, до известной степени, характер расселения. Зависимость между обитаемостью и выходом источников или возможностью искусственного их выхода на земную поверхность особенно наглядна в пустынях, где единственными заселенными местами являются оазисы, т. е. области с неглубоким залеганием грунтовых вод, в которых, есть родники или где вода может быть добыта путем устройства колодцев. По мере развития культуры человечество все в большей степени испытывает потребность в большей мере использования подземных вод. Это проявляется при устройстве водоснабжения для больших городов и промышленных центров, при возведении построек, при разработке горных богатств, прокладке туннелей и прорытии каналов.