Инженерно-геологические процессы. Происхождение, свойства и применение минералов

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора может достигать до сотен метров. Используются в водоснабжении.

Подземные воды не связаны с веществом минералов и горных пород. Они могут быть в парообразном, жидком и твердом состояниях, а также в виде льда. Чем выше температура и ниже давление, тем больше паров может содержать воздух, заполняющий пустоты горных пород. При понижении температуры пары переходят в жидкую воду. Соответственно сказанному можно выделить несколько типов таких вод: гигроскопическая, пленочная, капиллярная, гравитационная.

Пленочная - в виде воды, образующей вокруг частицы породы сплошную пленку. Минимальная толщина пленки может быть равна сечению молекулы воды. Пленочная вода передвигается от частицы с толстой пленкой к частице с более тонкой пленкой в любом направлении, преодолевая гравитационные силы.

Вопрос № 8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу

Движение жидкости в порах нескальных пород в основном происходит по типу ламинарного. Количество воды, протекающее (фильтрующееся) через данное поперечное сечение породы, в единицу времени пропорционально падению напора, обратно пропорционально длине фильтрации на данном участке потока и зависит от некоторой величины, называемой коэффициентом фильтрации. Эта закономерность получила название закона Дарси, по имени инженера Дарси, впервые открывшего ее в 1856 г.:

Q=k_фF?H/l= k_фFI ,

где Q - расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м³/сут;

k_{ф -} коэффициент фильтрации, м/сут;

F - площадь поперечного сечения потока воды, м²;

?H - разность напоров, м;

l - длина пути фильтрации, м.

Отношение разности напора ?H к длине пути фильтрации l называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом I) I=?H/l.

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

V_д =Q/Fn,

где n - пористость, выраженная в долях единицы.

Сопоставив формулы V= k_ф и V_д =Q/F, можно установить, что V_д=V/n. Формула скорости воды V_д =Q/Fn в этом виде в свою очередь правомерна лишь для песков и крупнообломочных пород, где все поры открыты и вода имеет полную свободу движения. В глинистых породах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в формулу вводят не n, а n_акт (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.

Коэффициент фильтрации. Как следует из основного закона движения подземных вод, коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации при напорном градиенте I= 1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т.е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав грунтов, степень засоленности и др.

Методы определения. Для получения значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунтов с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т.д.

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т.е. установившееся движение (приборы Тима, Тима-Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П₁ и П₂ помещают испытуемый грунт. Через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I=?H/L) и измерив расход профильтровавшейся воды Q, находят коэффициент фильтрации по формуле:

Q=k_ф IF; k_ф=Q/FJ=QL/F(h₁-h₂),

где h₁ и h₂ - показания пьезометров;

L - расстояние между точками их присоединения.

Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ, позволяющие определять k_ф образцов с нарушенной и ненарушенной структурой.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1М. Они позволяют вести наблюдения при изменении напорного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под определенным давлением. Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты. Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов - методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Расход плоского грунтового потока. Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтом (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоупорах.

Согласно основному закону фильтрации - закону Дарси, в пределах рассматриваемого участка (рис.7) от сечения I до сечения II расход грунтового потока в однородных пластах может быть определен как

Q=k_ф/F= k_фI_срВh_ср ,

где k_{ф -} коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

I_ср - средний напорный градиент потока;

В - ширина потока, м;

h_ср - средняя мощность потока, м;

Принимая:

h_ср = (h₁+ h₂)/2 и

I_ср= (h₁- h₂)/l,

расход грунтового потока можно выразить формулой

Q= {k_фВ(h₁+ h₂)/2}{(h₁- h₂)/l}= k_фВh(h₁²- h₂²)/2l.

Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т.е. в виде единичного расхода q=Q/B, где q - единичный расход плоского потока, т.е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

q= k_ф(h₁²- h₂²)/2l.

При значительной разности мощностей m₁ и m₂ (рис. 8) для расчетов используют формулу Н.Н. Биндемана:

q= k_ф m₁+m₂ H₁-H₂

ln m₂ l

m₁

Значительную трудность при расчете притока воды к горизонтальным выработкам представляют условия неоднородной слоистой толщи горных пород.

При движении подземных вод в неоднородных водоносных пластах, т.е. пластах, состоящих из ряда слоев с различной водопроницаемостью, для определения расхода потока подземных вод вводится средний коэффициент фильтрации пласта k_{ф. ср.}

Единичный расход грунтового потока определяют также из закона Дарси:

q= {k_ф(h₁+ h₂)/2}{(H₁- H₂)/l},

где H₁ и H₂ - напоры воды в сечениях I и II, отсчитанные от условной плоскости сравнения (О-О) или уровня моря.

Требования к питьевой воде. Вода считается пригодной для использования в качестве питьевой, если она удовлетворяет следующим требованиям:

1) сухой остаток после перегонки составляет не более 1000 мг/л;

2) общая жесткость не более 7 мг-экв.;

3) постоянная жесткость не более 5 мг-экв.;

4) содержание отдельных растворенных веществ, мг/л:

хлориды ……………………. …до 15 свинец …………………до 0,1

органические вещества ………..до 10 мышьяк ……………….до 0,05

сульфаты ………………………..до 100 фтор …………………до 1,5

азотная кислота …………………до 15 медь ………………….до 3

азотистая кислота ………………следы цинк ………………….до 5

аммиак …………………………..следы фенол …………………до 0,001

железо ……………………………………………………………..до 1

Питьевая вода должна быть прозрачна, бесцветна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Золотисто-желтая или бурая окраска воды свидетельствует о наличии в ней растворенных органических веществ. Соленый вкус обусловливается значительным количеством NaCl, а горький - присутствием MgSO₄. Наличие в воде солей азотной и азотистой кислот, а также аммиака указывает на связь этой воды с участками, где происходит разложение органических веществ, а следовательно, на возможность наличия болезнетворных бактерий. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием и кипячением.

Причины агрессивности воды к бетону и металлу. 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 неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды -- чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

· Выщелачивающая - возникает при малом содержании в воде HCO₃. В этих условиях происходит растворение и вымывание из бетона содержащейся в нем извести.

· Общекислотная - обусловлена низким значением водородного показателя рН, из-за чего усиливается растворение извести бетона.

· Углекислотная - возникает в результате действия агрессивной углекислоты СО₂. В процессе взаимодействия с водой из цемента выделяется свободная известь СаСО₃, которая реагирует со свободной углекислотой СО₂. Реакция идет по схеме СаСО₃ + СО₂ +Н₂О = Са(НСО₃)₂. Образующийся при этом бигидрокарбонат кальция является растворимым и легко выносится из бетона.

· Сульфатная - возникает при наличии в воде повышенного количества сульфата SO₄^2-, в бетоне происходит кристаллизация новых соединений, образование которых сопровождается увеличением объема, вследствие чего происходит разрушение бетона. Такими новыми соединениями являются гипс и сульфоаллюминат кальция.

· Магнезиальная - ведет к разрушению бетона при соприкосновении его с водой, содержащей повышенное количество Mg²⁺.

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры подземной воды, увеличение скорости ее движения, электрические токи.

Вопрос 9. Опишите методы инженерно-геологических исследований (лабораторные исследования свойств пород, определение динамических свойств)

Лабораторные исследования физико-механических свойств пород. Характеристики физико-механических свойств и гранулометрического состава, полученные в результате лабораторных исследований, широко используются в инженерно-геологических расчетах. Они входят в целый ряд формул как расчетные или применяются для различного рода классификаций как классификационные. К числу классификационных относятся такие показатели как гранулометрический состав, число пластичности, показатель консистенции, показатели набухания, размокания, степень водонасыщенности, коэффициент относительной просадочности и др. Среди расчетных характеристик важное место принадлежит объемному весу, показателям компрессионных свойств (коэффициент сжимаемости, модуль деформации), показателям сопротивления сдвигу (сцепление, угол внутреннего трения) и др.

В лаборатории экспериментально определяют:

1) гранулометрический состав грунтов;

2) физические характеристики (объемный и удельный вес, природную влажность, влажности на границах пластичности, набухание, размокаемость и коэффициент фильтрации);

3) механические характеристики (угол внутреннего трения, сцепление и сжимаемость, т.е. зависимость между пористостью и действующей нагрузкой).

Остальные характеристики вычисляют по формулам.

Газопроницаемость горных пород -- свойство горной породы пропускать газы при наличии перепада давления за счёт сообщаемости пустот (пор, каналов, трещин).

Различают абсолютную, фазовую и относительную газопроницаемость. Абсолютная (физическая) газопроницаемость соответствует фильтрации газа через сухую породу (высушенную при 105°С до постоянной массы). Фазовая газопроницаемость -- фильтрация газа при определенных соотношениях в поровом пространстве породы других несмешивающихся флюидов (воды, нефти). Фазовая газопроницаемость при остаточной водонасыщенности называется эффективной. Относительная газопроницаемость определяется как отношение фазовой проницаемости к абсолютной. Количественно газопроницаемость оценивается коэффициентом проницаемости Кпр (мД), определяемым согласно уравнению Дарси (в условиях давления, близкого к атмосферному) по формуле

Газопроницаемость снижается с уменьшением размера зёрен и пор породы (рис.), уменьшением степени отсортированности и ростом содержания глинистой фракции, уплотнением и цементацией пород, а также с ростом напряжённого состояния (в упругой области обратимо).

Определение газопроницаемости основано на измерении расхода газа (газометром) в единицу времени при определенном давлении; производится в лаборатории на образцах пород правильной формы в держателях, герметизирующих боковую поверхность (в режиме стационарной фильтрации при давлении газа больше и меньше атмосферного и нестационарной фильтрации при давлении меньше атмосферного), а также в устройствах, моделирующих термобарические условия залегания.

В натурных условиях газопроницаемость (фазовая) определяется по данным испытаний скважин. Горные породы по газопроницаемости делятся с учётом пористости и гранулометрического состава на 5 классов (по А. А. Ханину): с очень высокой (газопроницаемость > 1000 мД), высокой (1000 > Кпр >500 мД), средней (500 > Кпр >100 мД), пониженной (100> Кпр >10 мД) и низкой (Кпр <10 мД) газопроницаемостью. Породы с Кпр <1 мД, как правило, непродуктивны и не являются коллекторами. Определение газопроницаемости проводится для оценки коллекторских свойств горной породы, контроля разработки месторождений газа, угля и др.

Размещено на Allbest.ru