КУРСОВАЯ РАБОТА
по теме: «Артезианские воды»
Содержание
Введение
1. Условия залегания артезианских вод
1.1 Общие сведения
1.2 Структура артезианского бассейна
1.3 Запасы артезианских вод
2. Искусственные сооружения в районахартезианских вод
3. Строительство в условиях наличияподземных вод
3.1 Ситуация в районе Московскогоартезианского бассейна
3.2 Подземное строительств
3.3 Современные технологии гидрогеологическихисследований
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Артезианскими называют напорные подземные воды, находящиеся в водопроницаемых (пористых, трещиноватых, закарстованных)пластах, перекрытых и подстилаемых водонепроницаемыми породами. Эти воды всюду залегаютниже грунтовых вод и образуют артезианские бассейны.
Артезианские воды имеют весьма большое значение для народногохозяйства; они широко используются для целей водоснабжения городов, сельского хозяйства,населенных пунктов и промышленных предприятий, в то же время, как и всякие подземныеводы, они создают проблемы при строительных работах.
Актуальность работы обусловлена увеличением объёмов какнадземного, так и подземного строительства во всех крупнейших городах России, инеобходимостью в тщательных исследованиях, предшествующих этому строительству. Однимиз важнейших аспектов строительства является выявление наличия подземных вод.
Целью работы является всестороннее изучение артезианскихвод.
В работе для достижения цели были рассмотрены следующиевопросы:
· условия залегания артезианских вод;
· методы их разведки и использования;
· трудности, возникающие из-за наличияартезианских вод;
· обеспечение безопасного строительства.
1. Условия залегания артезианскихвод
1.1 Общие сведения
Артезианские воды– это подземные воды, заключённые между водоупорными слоями и находящиеся под гидравлическимдавлением.
Водоносными являются пласты, сложенные песками, известняками,трещиноватыми песчаниками и сланцами и многими другими разностями пород; водоупорными– глины,плотные сланцы и др.
Некоторые исследователи (О.К. Ланге, М.М. Крылов, С.А.Яковлев и др.) артезианские (напорные) подземные воды, заключенные между водонепроницаемымипородами кровли и подошвы, называют межпластовыми водами.
Артезианские воды получили свое название от провинции Артуав южной Франции (древнее латинское название– Артезия), где в ХII в. впервыев Европе был пройден артезианский колодец, вскрывший самоизливающуюся воду.
Следует, однако, отметить, что в древнем Египте и Греции,колодцы с напорной водой были известны еще 4000 лет назад. В Китае проходились колодцыпри династии Хань (206-220 гг. н. э.), когда глубина отдельных колодцев достигала130.м. Во Франции же впервые бурение скважин было осуществлено в провинции Артуатолько в 1126 г.
В древней Руси широко применялось бурение скважин для добычирассолов. Так, в духовной великого князя Ивана Калиты (1338 г.) упоминается о «соляныхколодезях» Соль-Галицка. Другие исторические записи указывают, что «водяные колодези»,дающие пресную воду, существовали, начиная с XVI в.
Первоначально артезианскиеводы связывали с мульдообразными структурами. Однако условия, при которых образуютсяэти воды, весьма разнообразны; часто артезианские воды можно встретить при флексурообразномасимметричном моноклинальном залегании пластов. Во многих районах они приуроченык сложной системе трещин и разломов.
Артезианские воды залегают, главным образом в доантропогеновыхотложениях, в пределах крупных геологических структур, в пределах как относительно крупных геологических структур (синклиналей, моноклиналейи др.) на платформах, так и средних и малых межгорных впадин.
Геологические структуры, заключающие в себе напорные воды,обычно сложены породами дочетвертичного возраста. Имеются, однако, районы,где напорные воды встречаются в четвертичных отложениях. Нередко в зонах тектоническихнарушений (сбросов, взбросов, разломов и т. п.) наблюдаются восходящие источники,иногда имеющие повышенную температуру воды.
В природе, однако,условия залегания артезианских вод значительно сложнее. К этим условиям относятсялитологическая изменчивость водоносных пластов, гидравлическая связь вод смежныхводоносных горизонтов вследствие невыдержанности изолирующих водоупорных пластов,тектоническая нарушенность пластов, непостоянство химического состава вод и др.
В отличие от грунтовыхвод, участвующих в современном водообмене с поверхностью земли, многие артезианскиеводы являются древними, и их химический состав обычно отражает условия формирования.
Артезианские воды имеют довольно постоянную температуру,зависящую от глубины залегания водоносного пласта. Будучи изолированы от загрязненияс поверхности водонепроницаемыми слоями, артезианские воды обычно отличаются высокимисанитарными показателями.
В зависимости от сложности геологического строения в артезианскомбассейне или какой-либо другой геологической структуре может быть несколько водоносныхпластов, изолированных один от другого водоупорными породами. Вследствие несовершенстваводоупорных перекрытий (наличия «окон», фациальных изменений) водоносные пластыво многих районах оказываются гидравлически связанными.
Каждый крупный артезианскийбассейн заключает в себе воды различного химического состава: от высокоминерализованныхрассолов хлоридного типа до пресных слабоминерализованных вод гидрокарбонатноготипа. Первые обычно залегают в глубоких частях бассейна, вторые – в верхних пластах(в различных артезианских бассейнах бывшего СССР на глубине от 100 до 1000 м). Водав артезианских бассейнах по большей части прозрачна, бесцветна, но очень часто содержитмного минеральных солей, является жесткой и негодной для питья. Температура ее болееили менее постоянна в различные времена года и определяется температуру глубокихслоев земли, через который проходит артезианский колодец (от 9° до 24°).
Пресные воды верхнихводоносных пластов образуются в результате инфильтрации атмосферных осадков и процессоввыщелачивания горных пород. Глубокие высокоминерализованные артезианские воды связаныс измененными водами древних морских бассейнов, находившихся в различные геологическиеэпохи на территории современных артезианского бассейна.
На территории бывшегоСССР, ввиду большого разнообразия гидрогеологических условий артезианские бассейныиногда называют водонапорными системами. Наиболее крупной водонапорной системойв России является Западно-Сибирский артезианский бассейн площадью 3 млн. кв. км.Крупные бассейны напорных вод за рубежом имеются в Северной Африке, а также в восточнойчасти Австралии.
1.2 Структура артезианского бассейна
Артезианский бассейн– это бассейн подземных вод, приуроченный к отрицательной, геологической структуре(синеклизе, мульде, прогибу, межгорной впадине), содержащей напорные пластовые воды.Крупные артезианские бассейны в Российской Федерации – Западно-Сибирский, Московский.
В пределах артезианскогобассейна различают три области (рис. 1):
· питания;
· напора;
· разгрузки.
/>
Рис. 1[1].Артезианский бассейн
Области питания водоносных горизонтов располагаются наболее высоких отметках поверхности. Здесь водоносные пласты могут заключать в себебезнапорные воды (воды, имеющие свободную поверхность), дренируемые местной гидрографической сетью.
Область разгрузки– площадь выхода напорных вод на поверхность земли. На этой площади обычно наблюдаютсявосходящие источники, рассеянные и линейные выходы подземных вод.
В области разгрузкинапорные воды выходят на поверхность в виде восходящих источников. При этом водаможет появляться на поверхности или в виде концентрированных струй на речных террасах,коренных берегах речных долин и т.п., или в виде распыленных пластовых выходов,прослеживаемых на некотором протяжении.
В отличие от областипитания, где мощность водоносного горизонта изменяется в зависимости от метеорологическихфакторов, в области напора мощность артезианского горизонта постоянна во времени.На границе между областью питания и областью напора, в связи с количеством поступающейатмосферной воды, в различные сезоны может происходить временный переход воды сосвободной поверхностью в воды напорные. В области разгрузки воды выходят на земнуюповерхность в виде восходящих источников. При наличии нескольких водоносных горизонтовкаждый из них может иметь свой уровень, определяемый условиями питания и стока воды.Когда синклинальное залегание слоев соответствует понижениям рельефа, напоры в нижнихгоризонтах повышаются; при повышениях рельефа пьезометрические уровни нижних горизонтоврасполагаются на более низких отметках. Если, благодаря скважине или колодцу, дваводоносных горизонта сообщаются, то при обращенном рельефе артезианские воды изверхнего горизонта перетекают в нижний.
Различают артезианскиебассейны и артезианские склоны. В артезианском бассейне область питания располагаетсярядом с областью напора; далее по направлению подземного стока располагается областьразгрузки напорного горизонта. В артезианском склоне, последняя находится рядомс областью питания.
Артезианские водымогут быть гидравлически связаны с грунтовыми водами на участках, где размыты кроющиеводонепроницаемые пласты, или же их фациальному изменению, т. е. переходу в проницаемыеразности пород. В зависимости от соотношения уровней подземных вод на таких участкахбудет иметь место или расход, или пополнение запасов артезианских вод. Если пьезометрическаяповерхность артезианских вод располагается на более высоких абсолютных отметкахпо сравнению с отметками зеркала грунтовых вод, напорные воды будут питать грунтовые,при обратном соотношении отметок горизонтов подземных вод грунтовые воды будут питатьартезианские. В последнем случае на отдельных участках вследствие невысокого санитарногосостояния грунтовых вод может быть снижено качество артезианских вод.
Вода, поступающаяв пористые проницаемые слои, перекрытые водонепроницаемыми породами, может под давлениемфонтанировать в низко расположенных выходах, образуя артезианский источник. Иногдаартезианские водоносные горизонты занимают значительную площадь, и тогда артезианскиеисточники имеют высокий и довольно постоянный расход воды. Часть известных оазисовсеверной Африки приурочена к таким артезианским источникам. Там, где имеются разломыв земной коре, артезианские воды поднимаются из водоносных горизонтов вдоль линийразломов. В период между сезонами дождей они нередко иссякают./>
Восходящие источникиобязаны своим происхождением гидростатическому напору, характерному для артезианскихбассейнов и склонов. Их выходы в виде бьющих вверх струй приурочены к основным краевымобластям разгрузки артезианских бассейнов и нередко связаны с зонами тектоническихразрывов и других, нарушений. Это могут быть эрозионные источники напорных вод илиисточники, пробивающиеся через относительно, слабо проницаемые отложения, перекрывающиеводоносный горизонт, или восходящие по линии сброса, и др. Во многих акваторияхЗемли зафиксированы восходящие субмаринные источники подземных вод. Такие мощныевосходящие струи издавна известны на дне Средиземного моря и других внутренних морей,где они встречаются на различных глубинах в области шельфа, а местами и континентальногосклона, а также во многих районах Атлантического, Индийского и Тихого океанов.
1.3 Запасы артезианскихвод
Запасы подземныхвод в артезианских бассейнах различны и зависят от многих природных факторов. Чембольше площадь распространения артезианского бассейна, чем значительнее мощностьводоносных пластов и чем больше площадь питания и интенсивнее происходит питание,тем более крупными запасами воды обладает артезианский бассейн. Водообильностьодиночных или взаимодействующих горных выработок (шахт, скважин, шурфов и др.),помимо перечисленных факторов, зависит также от водопроводимости отдельных водоносныхпластов.
Одним из основныхвидов изучения артезианских вод служит разведочное бурение. В процессе разведкивыявляется глубина залегания пластов, содержащих напорные воды, проводятся пробныеи опытные откачки, обследуются восходящие источники, определяется качество водыи т. д. При определении запасов воды, заключенных в напорных пластах, рекомендуетсяучитывать размеры артезианских бассейнов. В артезианских бассейнах с большой площадьюраспространения, когда потребное количество воды составляет ничтожную величину посравнению с запасами бассейна, разведочные работы ограничиваются бурением скважин,опытной откачкой и физико-химическим исследованием подземных вод. При малых размерахартезианских бассейнов, например в межгорных долинах, необходимое количество водыможет приближаться к природным запасам бассейна. В таких бассейнах обычно проводятсядетальные гидрогеологические исследования, заключающиеся в комплексной геолого-гидрогеологическойсъемке, бурении скважин, опытных откачках и режимных наблюдениях.
Запасы подземныхвод, как и запасы твердых полезных ископаемых, в зависимости от степени разведанностиподразделяются на три категории:
· к категории А относят детально разведанные и опробованные запасы;
· к категории В – менее разведанные;
· к категории С – запасы, установленные по общим геологическим и гидрогеологическимданным.
Выделяются следующиевиды запасов подземных артезианских вод:
· естественные – естественный расход подземного потока;
· регулировочные – представляют собой подземные воды, пополняемые вобласти питания путем поглощения атмосферных и поверхностных вод;
· вековые, которые накопились в пластах в течение многих веков и могутбыть извлечены при полном осушении пластов;
· эксплуатационные запасы, т. е. запасы, которые можно использоватьдля нужд народного хозяйства.
Дебит скважин, вскрывшихнапорные водоносные пласты, колеблется в зависимости от местных условий (водопроводимостипластов, высоты напора, величины понижения уровня и т. п.) от нескольких единицдо десятков и даже сотен кубических метров воды в час.
При близком расположениискважин, эксплуатирующих один и тот же водоносный горизонт, они будут оказыватьвзаимное влияние, которое сказывается как на уменьшении производительности взаимодействующихскважин, так и на снижении пьезометрического уровня. Такое взаимодействие скважинотмечено во многих местах, как в России, так и на территориях других государств.
2. Искусственные сооруженияв районахартезианских вод
Движение напорных вод в артезианских бассейнах обычно направленоот областей питания к областям разгрузки. Привскрытии буровыми скважинами артезианские воды под напором поднимаются выше кровливодоносного пласта и при благоприятных геоструктурных условиях дают самоизливающуюсяструю воды на поверхности земли. Несмотря на это, большей частью приходитсяизвлекать артезианские воды на поверхность с помощью насосов, но там где вода поднапором поднимается выше поверхности земли, высота напора над устьем скважин превышает30 ми даже достигает 150 м. Весьма редко вскрываются воды с болеевысоким напором (до 110 атм.).
При эксплуатацииодного или нескольких артезианских пластов системой взаимодействующих скважин создаетсятех или иных размеров депрессионная воронка, в пределах которой на значительнойплощади пьезометрический уровень может быть снижен ниже поверхности земли. Такимобразом, подразделение напорных вод на воды с положительным и с отрицательным пьезометрическимуровнем условно. Снижение пьезометрического уровня ниже поверхности земли при эксплуатациинаблюдалось в Ставропольском крае, где сравнительно небольшое число первых скважиндавали воду самоизливом. При увеличении числа эксплуатационных скважин расширилиськонтуры и глубина районной депрессионной воронки, что повлекло за собой снижениеуровня ниже дневной поверхности. По этой причине для дальнейшей эксплуатации пришлосьскважины оборудовать насосными установками.
При бурении скважин,в случае установления пьезометрического уровня выше поверхности земли для определенияего высоты над устьем скважины навинчивают трубы (при небольших напорах) или, привысоких напорах, закрывают устье скважины герметически. В последнем случае к трубам,заключающим в себе напорные воды, присоединяют манометр, по которому определяютдавление воды в скважине.
Каптаж – комплексинженерно-технических мероприятий, обеспечивающий вскрытие подземных вод (такженефти и газа), вывод их на поверхность Земли и возможность эксплуатации при устойчивыхво времени оптимальных показателях (дебит, химический состав, температура и др.).
Перехват подземныхвод осуществляется сооружением водозабора.
Культура каптаж известнас ранних эпох цивилизации и достигала высокого уровня в Древнем Риме (термы императораКаракаллы, водопроводные сооружения), Месопотамии, Северной Африке (Акве-Флавнане),Средней Азии, на Кавказе (кяризы) и др.
Современные каптажныесооружения для подземных вод отличаются большим разнообразием типов и конструкций,учитывающих особенности гидрогеологических условий местности, состав воды, техническиеи санитарные требования, определяемые заданными режимами водопотребления и целевымназначением эксплуатируемых вод.
Простейшим типомкаптажных сооружений является шахтный колодец, перехватывающий подземные воды неглубокозалегающих водоносных горизонтов. При вскрытии нескольких водоносных слоев горизонт,намеченный к эксплуатации, изолируется от ниже- и вышележащих слоев путём их тампонажа.
Артезианский колодецпредставляет буровую скважину, по которой поднимается вода из глубины земли. Земнаякора образована из слоев различного состава и конфигурации; одни из них (как, например,песок) легко пропускают воду, другие же водонепроницаемы (гранит, глина и пр.).Атмосферная вода просачивается через один слой и скапливается под ним. Диаметр буровыхскважин несколько сантиметров, длина же доходит до нескольких сот метров. При вскрытиибуровыми скважинами в области напора уровень, до которого может подняться вода,располагается выше кровли водоносного горизонта. Линия, соединяющая отметки установившегосянапорного уровня в скважинах, образует пьезометрический уровень. Расстояние по вертикалиот кровли водоносного горизонта до этого уровня называются напором.
Важнейший показательартезианского колодца дебит (от франц. debit — сбыт, расход), объём воды, поступающийв единицу времени из естественного или искусственного источника (колодца, буровойскважины и др.). Дебит жидкости выражается в литрах в секунду или кубических метрахв секунду, час или сутки. Дебит характеризует устойчивое поступление жидкости втечение длительного времени. Объём воды, протекающий в единицу времени через поперечноесечение реки или водоносного горизонта, называется расходом воды.
Этот же термин частоприменяют для объёма воды, получаемого при искусственной откачке воды из колодцеви скважин, в процессе которой подаваемое количество жидкости зависит от способаи интенсивности откачки и понижения её уровня. Для характеристики производительностиводозаборных скважин служит удельный дебит (дебит, отнесённый к понижению уровняводы при откачке на 1 м).
Дебит скважины иликолодца зависит от водопроницаемости и мощности водоносного слоя, условий его питания,распространения и взаимосвязи с другими водоносными горизонтами, наличия напораи прочего, а также от условий эксплуатации водоносного горизонта, степени его вскрытия,понижения уровня воды при откачке, типа фильтра и др. факторов.
Устраивают артезианскиеколодцы с целью:
· сбора подземных вод для водоснабжения и орошения – водозаборные колодцы.Водозаборные колодцы наиболее распространены, особенно для получения питьевой воды.По конструкции, способу строительства и креплению стен различают шахтные и трубчатыеколодцы.
· пополнения запаса подземных вод поверхностными водами или сброса дренажныхи осветлённых канализационных вод – поглощающие колодцы. Поглощающие колодцы применяютдля осушения замкнутых понижений (один из видов вертикального дренажа).
· регулирования забора воды из рек, озёр, водохранилищ – береговые колодцы.Береговой колодец представляет собой камеру, разделённую решёткой, в приёмную частькоторой по трубе поступает вода из реки или др. источника.
Наряду с колодцамиприменяются штольни – протяжённые горизонтальные или слабонаклонные горные выработки,сооружаемые в сильно пересечённых местностях. Иногда штольни сопровождаются системойнаклонных, горизонтальных или восстающих скважин, пробуриваемых в боковых стенкахи забойной части подземной галереи для увеличения притока воды. Каптаж штольнямиосуществлен в России в Пятигорске; за рубежом – в Баньер-де-Люшоне (Франция), Бен-Харуне(Алжир) и др.
Каптаж безнапорногоисточника может осуществляться с помощью камеры.
Наиболее распространённымтипом каптажных сооружений являются буровые скважины – одиночные или групповые.Механизированная проходка скважин обеспечивает вскрытие водоносных горизонтов изон в весьма сложных горно-геологических условиях на глубинах до 2 км и более. Приэтом удаётся надёжно разобщать водоносные горизонты в скважинах (обсадка трубами,цементация затрубного пространства), предотвращать обвалы стенок и прорыв воды позатрубному пространству, а также устанавливать насосное оборудование, обеспечивающееотбор с заданными эксплуатационными дебитами. Для обсадки таких скважин обычно применяютсястальные трубы. При эксплуатации агрессивных подземных вод (углекислых, сероводородных,с низким pH и др.) каптажные скважины обсаживаются трубами из антикоррозийных материалов:легированных сталей, винипласта, полиэтилена, асбоцемента и прочими.
Надкаптажные сооруженияна месторождениях минеральных подземных вод выполняются в виде бюветов, павильонов,галерей.
Длительная эксплуатацияводоносных пластов, сложенных тонко- и мелкозернистыми песками, с напором как выше,так и ниже поверхности земли, на некоторых участках приводит к вымыванию и выносуна поверхность песчаного материала. В результате водоносные пласты приобретают болеерыхлое сложение с образованием в них пустот. Этот процесс на некоторых участках(чаще при глинистом водоупорном перекрытии и неглубоком залегании от поверхностиводоносных пластов) приводит к деформациям поверхности земли, прилегающей к эксплуатируемойскважине, со всеми вытекающими отсюда неблагоприятными последствиями для близ расположенныхна поверхности инженерных сооружений.
3. Строительство в условияхналичия подземных вод
3.1 Ситуация в районе Московскогоартезианского бассейна
Современный строительныйбум, охвативший большинство крупнейших городов России неразрывно связан с гидрогеологическимиизысканиями. Гидрогеология – наука о подземных водах земной коры, уделяет немаловнимания артезианским водам. Немалые сложности, связаны с наличием подземных, втом числе и артезианских вод.
Неблагоприятная гидрогеологическаяситуация зачастую является препятствием к строительству. Техногенная деятельностьна территории городов (глубокая откачка подземных вод, сильные нагрузки возводимыхсооружений, создание обширных подземных полостей и др.) ведет к нарушению естественныхнесущих свойств грунтов, способствуя карстовым и суффозионным провалам.
Для примера рассмотримгидрогеологическую ситуацию в Москве.
Московский артезианскийбассейн – бассейн подземных вод юго-западной части Московской синеклизы, расположенв центре Восточно-Европейской равнины. Он один из крупнейших в России. Площадь —около 360 тыс. км2. Водоносные комплексы приурочены к толще карбонатно-терригенныхпород от нижнекембрийского до антропогенного возраста, залегающих на складчатомкристаллическом фундаменте.
В соответствии систорическими условиями формирования, для Московского артезианского бассейна характерноналичие трех вертикальных зон, отличающихся особенностями гидродинамических и гидрохимическихусловий.
Пресные подземныеводы бассейна являются одним из источников водоснабжения Москвы и всего Центральногопромышленного района России. Наибольшими ресурсами обладают каменноугольные водоносныекомплексы, которые широко используются для питьевых и промышленных целей.
Соленые воды и рассолызон затрудненного и замедленного водообмена, приуроченные преимущественно к девонскими пермским отложениям, используются для лечебных и бальнеологических целей. Слабоминерализованныеводы (4 г/дм3) верхнедевонских горизонтов в районе Москвы известны какминеральная вода «Московского» типа.
Гидрогеологическаяобстановка в г. Москве сложилась под воздействием длительного и недопустимо интенсивноговодоотбора из артезианских водоносных горизонтов карбона, а с другой стороны, характеризуетсяразвитием процессов подтопления грунтовыми водами и подпором от гидротехническихсооружений. Увеличивающаяся разница в напорах артезианских и грунтовых вод способствуетперетеканию загрязненных грунтовых и поверхностных вод вниз, к питьевым горизонтамкарбона. В наибольшей степени эти процессы проявляются там, где отсутствует глинистаяразделяющая толща верхней юры, лежащая между грунтовыми и артезианскими водами.
Вода оказываетмногообразное воздействие на грунт: она может вызыватьрастворение минеральных частиц грунта и влиять на напряженное состояние массивов.Понижение уровня воды уменьшает ее взвешивающее давление на минеральные частицыгрунта, приводит к увеличению капиллярного давления, в результате чего возрастаетнагрузка на скелет, происходит его уплотнение, сопровождающееся оседанием поверхностиземли и осадками зданий и сооружений.
Образование пустотпод центральной частью Москвы – следствие нарушения системы подземных, и в частностиартезианских вод.
В Москве существует целый ряд территорий, гидрогеологиякоторых способствует риску провалов и разрушений зданий.
Еще в советское время в Москве произошел ряд случаев, когдацелые дома уходили под землю по причине того, что гидрогеологические риски не былипросчитаны или учтены. В 60-е годы во время строительства Сокольнической линии метро,были обнаружены карстовые пустоты в районе Охотного ряда.
Кроме того, в 1930-е гг. в результате строительства каналаВолга-Москва произошел подъем Москва-реки примерно на 3,5 м, что привело к подтоплениямв ряде районов столицы и области, причем именно в этом состоянии сооружалась перваяочередь метро, что создавало дополнительные трудности.
В результате трудностей в строительстве возникавших в районеартезианских вод сегодня, в Москве есть места, где вероятность провалов особенновелика (например, участок от Остоженки до Арбата).
В центральной частигорода геологическая обстановка резко отличается от той, которая сложилась, например,на Теплостанской возвышенности или в других районах. Пока динамическое равновесиегидрогеологической системы сохранялось, строительство здесь велось спокойно в течениестолетий, и никаких осложнений не было.
Главное нарушениеспокойствия – подземное строительство.
3.2 Подземноестроительство
В Москве и другихкрупных городах России появляется все больше сооружений, частично или полностьюрасположенных ниже поверхности земли. Под землей строятся транспортные тоннели ипереходы через улицы, автомобильные стоянки и различные хранилища, огромные многоцелевыекомплексы.
Город заглубляетсяв землю, расширяя используемые площади. Это одно из главных направлений в стратегиисовременного строительства. При строительстве подземных сооружений роются глубокиекотлованы, из которых вынимается большой объем грунта. Это приводит к резкому нарушениюравновесия в грунтовом массиве. Грунт начинает смещаться в сторону котлована – косвободившемуся пространству. Он увлекает за собой фундаменты существующих зданий,что может привести к их разрушению.
Глубокие котлованысобирают подземную воду и вызывают понижение ее уровня. В то же время крупные подземныесооружения могут пересекать водоносный горизонт. В этом случае они играют роль плотиныв отношении грунтового потока и поднимают его уровень. Изменение уровня грунтовыхи артезианских вод в сторону понижения или повышения может существенно повлиятьна устойчивость фундаментов подземных сооружений. Особенно чувствительны к ним ослабленныевременем старинные постройки.
Предотвращение негативноговлияния подземного строительства на окружающую территорию является одной из главныхзадач геологических изысканий.
Наличие подземныхвод при проходке тоннелей всегда осложняет производство проходческих работ. В зависимостиот гидрогеологических условий приток воды в выработку может изменяться в большихпределах: от нескольких кубических метров в час до 2000-2500 м3/ч. Большиеводопритоки требуют специальных мер по отводу воды и высокопроизводительного оборудованиядля ее откачки на поверхность.
В ряде случаев подземныеводы изменяют свойства горных пород. Некоторые глины при увлажнении набухают и тяжелоразрабатываются. Глинистые сланцы при попадании воды теряют устойчивость. Насыщенныеводой пески легко отдают воду при проходке выработки, это требует их предварительногоосушения. Тонкозернистые пески с примесью илистых частиц способны удерживать водуи превращаться в плывуны. Проходка в таких условиях очень сложна и требует примененияспециальных способов.
Подземные воды являютсяважным фактором, который надо учитывать при проектировании метрополитена – выборетрассы, применении тех или иных конструкций, способах гидроизоляции, составлениипроекта организации строительства. При проведении инженерно-геологических изысканийопределяют наличие подземных вод, их характер, химический состав, ожидаемые водопритокипри проходке. Наличие подземных вод в слое породы определяется бурением разведочныхскважин.
В Москве построеныи строятся надземные, наземные и подземные (мелкого и глубокого заложения) линииметро. Наиболее распространен подземный метрополитен.
Глубина заложениялинии выбирается с учетом геологических, геоморфологических, гидрогеологическихусловий. Предусматриваются сохранение исторических и архитектурных памятников, защитазданий от шума и вибраций, вызываемых движением поездов. При изучении массива горныхпород особое внимание уделяется таким показателем, как величина горного давления,коэффициент разрыхления, модуль трещиноватости, коэффициент упругого отпора, абразивность,коррозионные свойства, сопротивление отрыву и сдвигу по контактам между слоями ипо трещинам, расслаивание, пучение, плывунность и т.д. Особого внимания требуюттакие опасные явления, как карст, суффозия, оползни.
Подземные воды, содержащиевредные примеси, которые оказывают разрушающее действие на обделку тоннеля, называютагрессивными.
Использование подземного пространства в любом случае связанос нарушение системы подземных вод – в основном с их откачкой. Во время строительствастанций метро «Арбатская» (Арбатско-Покровской линии) и «Боровицкая» рабочие столкнулисьс огромными трудами: проходчики сооружали их буквально по пояс в воде. «Арбатская»стала единственной станцией, оборудованной насосами, откачивающими воду.
Откачка, производимая и в других местах, с тяжелой гидрогеологическойситуацией, зачастую и приводит к опасности обрушений строений, стоящих на поверхности:по закону Архимеда в отсутствие воды вес почвы существенно, в разы, возрастает,увеличивается давление на глубинные слои грунта, и он начинает уплотняться и проседать.
В исторической части Москвы это особенно очевидно. Такжеследует учитывать и то, что вода, поступающая в грунт с дождями, постепенно размываетпочвы даже на большой глубине, создавая процесс так называемой суффозии. Суффозионныйпроцесс делает грунт более рыхлым, так как его частницы вымываются водой в карстовыепустоты, которые есть и под центром города, например в районе м. «Охотный ряд».
При этом, например, проект «Золотое кольцо», в рамках которогов Москве планируется построить несколько высотных зданий, не вызывает особого беспокойствау специалистов, с учетом того, что в процессе их строительства будут применены современныетехнологии и проведена всеобъемлющая тщательная экспертиза места застройки. Сталинскиевысотки строились в то время, когда опыт сооружения таких зданий у отечественныхстроителей был неизмеримо меньше, и все же они до сих пор стоят, достаточно крепко.
3.3 Современные технологии гидрогеологических исследований
Подземная вода, содержащаясяв порах грунта, трещинах и полостях горных пород, способна перемещаться под действиемсил тяжести, в значительной степени влияет на прочностные и деформационные характеристикигрунта. Известно, что глинистые и биогенные грунты по мере увеличения влажноститеряют свою прочность, а при отрицательных температурах подвержены морозному пучению.Прочность же песчаных грунтов с уменьшением влажности заметно снижается. Увеличениекоэффициента фильтрации подземных вод приводит к возникновению суффозионных и карстовыхпроцессов, а их высачивание на склонах косогоров (или на откосах насыпей) – к появлениюоползневых процессов.
Существование самихподземных вод зависит от режимообразующих факторов, связанных с изменением действияранее существовавших и возникновением новых источников питания.
Расположенные вверхпо подземному потокуводоемы, промышленные предприятия с большим потреблениемводы, инфильтрация утечек из крупных коллекторов систем канализации приводят к повышениюуровня подземных вод, а функционирование водозаборов и дренажных систем – к понижению.
Строительство зданийи сооружений с заглубленными фундаментами и освоение подземного пространства можетвызвать образование барьерного эффекта и подтопление вышележащих территорий.
Эксплуатация сооруженийнередко приводит к загрязнению подземных вод, а также к ухудшению механических свойствгрунтов, вмещающих эти воды, с негативными последствиями (например, оползень в г.Витебске весной 2004 г.).
Существенной особенностьюизменений режима подземных вод является их скоротечность. Время протекания инженерно-геологическихпроцессов, связанных с подземными водами, оказывается сопоставимым со временем эксплуатацииздания или сооружения. Разумеется, что наиболее интенсивные воздействия геологическаясреда испытывает в городских условиях. И поэтому здания и сооружения, запроектированныес соблюдением всех требований, через некоторое время могут оказаться в иных условиях(неизвестными становятся места и глубина залегания подземных вод), что снижает ихэксплуатационную надежность.
Важным фактором обеспеченияэффективного строительства является мониторинг геологической среды. Прямые его методы– зондирование и бурение скважин с отбором проб грунта.
К наиболее распространеннымкосвенным методам относятся электрометрические, радиоволновые и сейсмические. Вгородских условиях при наличии плотной застройки и развитой сети подземных коммуникацийбурение скважин зачастую бывает проблематичным, а использование электрометрическихи сейсмических методов невозможным. Кроме того, информация, полученная путем буренияскважин, является точечной. Она характеризует свойства только тех грунтов, которыевзяты из данной скважины. А широко используемая интерполяция для оценки свойствгрунтов, залегающих между двумя соседними скважинами, часто бывает некорректна.Интерполяционная ошибка в оценке геологической и гидрологической обстановки будеттем больше, чем больше расстояние между скважинами. Метод периодического контроляподповерхностной среды должен быть, во-первых, неразрушающим, а во-вторых, непрерывнымв пространственных координатах. Этим двум требованиям удовлетворяет радиоволновойметод электроразведки – радиолокационное подповерхностное зондирование. Сущностьего заключается в периодическом излучении в подповерхностную среду зондирующих электромагнитныхсигналов, приеме сигналов, отраженных от неоднородностей подповерхностной среды,обработке этих сигналов и построении радиолокационного изображения (РЛИ). Этот методв последние годы часто применяется для обнаружения, картирования и определения типаподземных вод.
Важную роль играетматематическое моделирование техно-природной среды, с помощью которого анализируетсявзаимодействие сооружений и вмещающего их грунтового массива. С применением моделированияпостроен крупное подземное сооружение – Торгово-рекреационный комплекс (ТРК) наМанежной площади. Его глубокая часть защищена от воздействия грунтов и проникновенияподземных вод ограждающей железобетонной конструкцией, возведенной способом «стенав грунте». Со стороны гостиницы «Москва» она устроена из буросекущих свай.
Сегодняшние технологии вполне могут обеспечить безопасноестроительство небоскребов, но только в том случае, если в плане безопасности небудут делаться уступки инвестору, из соображений выгоды.
Для обеспечения безопасногостроительства в районе артезианских вод необходимо проводить тщательные гидрогеологическиеисследования в соответствии со сводом строительных норм и правил (СНиП).
Настоящие строительныенормы и правила РФ разработаны на основе законодательных и нормативных актов РФи содержат общие положения и требования к организации и порядку проведения инженерныхизысканий, выполняемых при хозяйственном освоении и использовании территорий, дляпроектирования, строительства, эксплуатации и ликвидации предприятий, зданий и сооружений.
Технические требованияи рекомендуемые правила в развитие и обеспечение основных положений СНиП регламентируютсяи детализируются сводами правил, в которых устанавливается состав и объем работ,технология и методика их выполнения для отдельных видов инженерных изысканий, втом числе для различных видов строительства, выполняемых в районах подземных артезианскихвод.
СНиП устанавливаютобщие положения и требования к организации и порядку проведения инженерных изысканий(инженерно-геодезических, инженерно-геологических, инженерно-гидрометеорологическихи инженерно-экологических, изысканий грунтовых строительных материалов и источниковводоснабжения на базе подземных вод) для обоснования предпроектной документации,проектирования и строительства новых, расширения, реконструкции и технического перевооружениядействующих предприятий, зданий и сооружений для всех видов строительства и инженернойзащиты территорий, а также к инженерным изысканиям, выполняемым в период строительства,эксплуатации и ликвидации объектов.
Изыскания источниковводоснабжения на базе подземных артезианских вод должны выполняться в составе инженерныхизысканий для строительства с целью получения необходимых и достаточных данных дляпроектирования и строительства водозаборов подземных вод.
Изыскания источниковводоснабжения необходимо производить, как правило, на участках с достаточными (порегиональной оценке) ресурсами подземных вод в простых и средней сложности гидрогеологическихусловиях без утверждения в установленном порядке эксплуатационных запасов подземныхвод для данного водозабора.
При значительнойпотребности и в сложных гидрогеологических условиях должны выполняться, как правило,геологоразведочные работы с подсчетом и утверждением эксплуатационных запасов подземныхвод в соответствии с требованиями нормативных документов Министерства природныхресурсов РФ.
При тесной взаимосвязиподземных и поверхностных вод, когда последние являются основным источником формированияэксплуатационных запасов, изыскания источников водоснабжения должны проводитьсяв комплексе с инженерно-гидрометеорологическими изысканиями и, как правило, с выполнениемстационарных наблюдений.
Изыскания источниковводоснабжения необходимо выполнять поэтапно с целью получения материалов и данныхс детальностью, обеспечивающей решение следующих задач:
· инженерные изыскания для предпроектной документации – предварительноеопределение водоносного горизонта или комплекса, на базе которого может быть обеспеченопотребное количество воды, и выделение перспективных участков для последующих инженерныхизысканий;
· инженерные изыскания для проекта на перспективных участках – выбориз них оптимального для размещения проектируемого водозабора;
· инженерные изыскания для рабочей документации на выбранном участке– получение необходимых материалов для определения типа, схемы размещения, конструкциии режима эксплуатации проектируемого водозабора.
Заключение
В заключении выведемхарактерные особенности артезианских вод:
· они залегают глубже горизонта грунтовых вод в водоносных горизонтахи комплексах, подстилаемых и перекрытых водоупорными (или относительно водоупорными)пластами;
· область питания и создания напора артезианских вод и область их распространенияне совпадают и часто удалены одна от другой нa большие расстояния;
· при вскрытии артезианского водоносного горизонта скважиной вода вней поднимается выше кровли горизонта, т. е. появление воды в скважине всегда отмечаетсяглубже по сравнению с установившимся уровнем;
· режим артезианских вод является более стабильным по сравнению с режимомгрунтовых вод, пьезометрический уровень мало подвержен месячным и сезонным колебаниям;температура вод с глубиной, как правило, возрастает;
· по составу воды самые разнообразные, от пресных до сильно минерализованных(рассолов);
· по сравнению с грунтовыми артезианские воды менее подвержены загрязнениюс поверхности в связи с тем, что они перекрываются относительно водоупорными породами.
Артезианские водыимеют чрезвычайно большое народнохозяйственное значение. Они широко используютсядля водоснабжения крупных городов, промышленных предприятий, железнодорожных станций,совхозов, сельскохозяйственных артелей и т. п.
Помимо важного народнохозяйственногозначения, артезианские воды могут быть помехой при строительстве, особенно подземном.
Основным средствомпредотвращения геологического риска или его снижения в условиях мегаполиса являетсяграмотное ведение градостроительной политики с использованием всех современных методовисследования и в соответствии с существующими технологиями безопасности.
Список литературы
1. Абрамов С.К., Дегтярев Б.М., Дзекцер Е.С., Донской Г.В., Муфтахов А.Ж. Прогнози предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий при строительстве. – М.:Стройиздат, 1978.
2. Артезианские воды Чу-Сарысуйской впадины // Под ред. Ибрагимова А.И. – Алма-Ата,1979.
3. Вартанян Г.С., Яроцкий Л.А., Методические указания по поискам, разведке иоценке эксплуатационных запасов месторождений минеральных вод, – М., 2004.
4. Гаврилко В.М., Фильтры водозаборных, водопонизительных и гидрогеологическихскважин, М., 2005.
5. Каменский Г.Н., Толстихина М.М., Толстихин Н.И., Гидрогеология СССР, – М.,1959.
6. Климентов П.П. Общая гидрогеология: Учебник. – М.: «Высшая школа», 1971.
7. Лаврушко П.Н., Муравьев В.М., Эксплуатация нефтяных и газовых скважин, М.,2006.
8. Михайлов Л.Е. Русанов Б.Д. Артезианские воды: Конспект лекций. – Ленинград,1985.
9. Оводов B. С., Сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение, 2 изд., –М., 2006.
10. Овчинников А. М., Общая гидрогеология, 2 изд., М., 2004.
11. Пашенков Я. М., Карамбиров Н. А., Грибанов И. П., Сельскохозяйственное водоснабжение,буровое дело и насосные станции, 2 изд., М., 1957.
12. Поиски и разведка подземных вод для крупного водоснабжения, – М., 2006.
13. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83).– М.: Стройиздат, 1986.
14. Семенов М. П., Чалищев А. М., Водозаборы подземных вод, 2 изд., – М., 2006.
15. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационногоподповерхностного зондирования в инженерной геологии. – М.: Недра, 2006.
Приложение
1. Фонтанирующие скважины
/>
/>
2.АртезианскийисточникСредне-Амурского артезианскогобассейна
/>
Средне-Амурский артезианский бассейн поплощади совпадает со Средне-Амурской впадиной.
Поверхностьбассейна представляет собой сильно заболоченную равнину со средними абсолютнымиотметками 50-70м, с многочисленными озерами, протоками, рукавами и состоит из пойменнойи надпойменных террас рек Амура, Тунгуски, Урми, Биджана, Большой Биры и др.
Подземныеводы находятся в благоприятных условиях питания водоносных горизонтов. Наиболеесущественное значение имеют атмосферные осадки. Ливневые дожди характеризуются небольшойпродолжительностью, но дают много воды.
Водоносныйгоризонт современных отложений образует высокую (1,4-4м) и низкую (0,5-2м) поймыреки Амур и ее главных притоков. Породы горизонтов представлены разнозернистымипесками с гравием и галькой. Иногда встречаются глины, торфяники, илы общей мощностьюдо 15-30м.
3.АртезианскиескважиныКазахстана
/>
/>