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.