ГИДРОГЕОЛОГИЯ НЕГІЗДЕРІ

 

1. Жер асты суының пайда болуы, түрлері және олардың сипаттамалары

 

Жер асты суларының пайда болуын, олардың физикалық және химиялық қасиеттерін, қозғалу заңдарын, атмосферадағы сулармен байланысы барлығын үйрететін ғылым гидрогеология деп аталады.

Жер асты сулары көбінесе жаңбырлардың тау жыныстарына (топыраққа) сіңуі салдарынан пайда болады. Көбінесе жер асты сулары беткейдегі грунт массивінің төменге жылжуына (сүрілуіне) автокөлік және теміржолдардағы дүмпу (көтерілу) себеп болады, одан басқа ғимарат үшін шұңқыр қазу, көпірдің  тіреуішін тереңдікте орналастыру жұмыстарын қиындатады. Жер астында карстардың бостықтардың пайда болуы осы жер асты суымен байланысты.

Жер асты суы екі факторға байланысты қарастырылады. Біріншісі гидравликаға байланысты, екіншісі – жайласуы бойынша. Гидравликалық байланысты жер асты суы тегеурінді және тегеурінсіз болып, жайласуы (орналасуы) бойынша маусымды және топырақтық, қабатаралық, жарықтық, бұлақтар болып бөлінеді (1.-сурет).

Топырақтық және маусымды жер асты сулары жер қыртысының ең жоғарғы қабатына жайласқан болады. Бұл суларда су өткізбейтін қабат болмайды, топырақтың тесіктерінен капилляр сулары көтерілу байқалады. Бұл сулар маусымды, температурасы маусым бойынша өзгеруші, органикалық және микроорганикалық заттарының барлығы (1-сурет). Маусым жер асты сулары уақтынша болып, олар жаңбырдың көп жаууының салдарынан жер сіңу нәтижесінде пайда болады.

Маусымды жер асты сулары үлкен емес су өткізбейтін қабатта аллювиалдық жайылмада жайғасқан болады.

Топырақтың жер асты суы бірінші су өткізбейтін ең жоғарғы су сақтағыш қабатта жататын суды айтады. Ол төмендегі ерекшелігімен сипатталады.

1.-сурет. Қабатаралық және жерасты суының жайғасуы.

 

1. Оның үсті айдын, ол жер бетінен 1-50м тереңдікте жатады.

2. Бұл типтегі жер асты суы жаңбыр суының жерге сіңуі және айналадағы су қоймалары өзендерден қоректенеді.

3. Мұндай сулар өнебойы жалпылай қиялық бойынша динамикалық қозғалыста болады.

4. Жер асты суының тереңдік бойынша орналасуы (жайғасуы), оның тарқалуы, жердің геологиялық жағдайына ауа райы және геоморфологиялық факторларға байланысты.

Қабатаралық жер асты сулары екі өткізбейтін қабаттардың арасында жатады. Олар тегеурінді және тегеурінсіз болады.            

Тегеурінді жер асты суына артезиан сулары жатады. Бұл сулар өзендердің түрлері бойынша қабатаралық суға жатады және оларды жаңбыр суының фильтрациясынан қоректенеді.

Қабатаралық жер асты жер бетінен едәуір тереңдікте жатқандығынан олар таза болғандығынан адамдарды сумен қамтамасыз ету үшін қолданады.

Жарық арасындағы сулар, бұл сулар қатты, жартылай қатты тау жыныстарының жарығында орналасқан болады. Жарықтағы су орналасу характері бойынша топырақтың немесе қабатаралық суларға жатып, олардың қалыңдығы үлкен болмайды.

Бұлақ сулары бұл жер асты суының жер бетіне шығуы айтылады.

Инфильтрациялық сулары жаңбырлардың жерге сіңуінен және өзендерден, су қоймалары және басқа су көздерінің инфильтрациясынан пайда болады.

Конденсациялық сулар жер асты сулары және су буларының конденсациясынан пайда болатын сулар.

Седимантациялық сулар бұл тау жыныстарындағы сулардың сығылуы және олардың тығыздалуынан келіп шығады.

Ювенилдық сулары жер қойнауындағы магмадағы булардың конденсациясының жер қыртысына кіруінен (сіңуінен) пайда болады.

 

2. Жер асты суының химиялық құрамы мен режимі

 

Жер асты суының режимін зерттеу (білу) көп ғимараттар мен имараттарға тиісті және басқа да ихелелерді шешу үшін қажет.

Жер асты суының режимі – бұл табиғи және жасанды факторлардың әсерінен олардың деңгейінің мөлшері, температурасы мен химиялық құрамының уақыт бойынша өзгеруі.

Табиғи фактор – бұл жерге түскен жаңбыр суы мөлшерінің өзгеруі, қоректену жағдайлары (су жиналатын қабаттан жоғары жатушы жер үсті, асты суларынан), сонымен бірге сел су тасқындарының әсері.

Жасанды фактор – бұл тоған (бөгет) салу, ирригация каналдары немесе дренаждар, жер астынан суды тартып алу, су деңгейін төмендету немесе скважинаға су жіберу, судың ағып кетуі және адамдардың жұмысына байланысты жағдай. Олардың жер асты суы режимінің өзгерці сол жердегі геологиялық жағдаймен, оның қарқыны мен әсер ету уақытына байланысты.

Жер асты суының режиміне ауа-райының үлкен әсері бар.

Жер асты суы деңгейінің көтерілуіне сол жердің ылғалды ауа-райы, интенцивті жаңбыры мен судың аз булануының үлкен әсері бар.

Жаңбыр аз жауатын (200-400мм/жыл), судың аз буланатын құрғақшылық аймақтарда керісінше жер асты суының деңгейі төмендейді. Өзгеріп тұратын жер асты суының деңгейіне қарағанда, артезиан суларының деңгейі бірқалыпты тұрақты келеді.

Климатикалық және гидрогеологиялық факторлардан болатын пьезометриялық қысым (напор) уақыт бойынша өзгермейді. Өзен дегенмен өзенге жақын жерлерде артезиан суларының режимі жер үсті суларының режиміне байланысты болады. Мұндай жағдайларда артезиан суларының жылдық өзгеру амплитудасы едәуір мөлшерге жетеді.

Жер асты суының деңгейін күзету үшін, олардың тереңдік бойынша орналасуын өлшейді. Көбінесе бұл жұмыс инженер-геологиялық іздену мезгіліне орындалады. Жер асты суының режимін күзету ғимараттарды құру және пайдалану кезеңдерінде де керек. Жер асты суларының орналасу тереңдігін анықтау үшін бұрғы скважиналар қазылады. Гидрогеологиялық түсіру және күзетулер негізінде гидрогеологиялық карталар жасалады. Сол карталардың бірі гидроизогипс картасына жер асты суының деңгейі түсіріледі.  Гидроизогипс – бұл карталарда бір деңгейдегі жер асты суларын қосатын сызықтар.

Гидроизогипс карталардың жәрдемінде жер асты суларының уақыт маусым бойынша динамикасын бағалау мүмкін. мұндай карталар 1:10 000 нан 1:200 000 аралығында жасалады.

Жер асты суының химиялық құрамы алкан түрлі болып, ол химиялық анализ арқылы анықталады.

Суда еріген газдарға қарап (О₂, СО₂, СН₂, Н₂С және басқалар) судың ішуге, техникаға жарамдылық дәрежесі анықталады және оларға әртүрлі дәм мен қосымша қасиеттерге ие болады.

Еріген тұздардың жалпылай құрамы мен мөлшеріне қарап жер асты сулары төмендегілерге бөлінеді: тұщы сулар, олардың құрамында еріген тұздар 1г/л дейін, ащылау – 1-10г/л дейін, ащы – 10-50г/л, тұзды су – 50г/л-ден астам.

Ішетін сулар. Ішетін сулар түссіз, тынық, исі жоқ, дәмі жақсы болады. Егер судың түсі алтын тәрізді сарғыш немесе қоңыр болса, онда оның құрамында еріген органикалық заттардың болғаны. Тұз дәмді суларда NaCl-дың мөлшері едәуір болғаны, егер ащы болса, судың құрамында MgSO₄ болғаны. Жақсы тұщы (ішетін) суларда еріген тұздар 1г/л-ден артпауы керек.

Суда адамның саулығына зиян келтіретін химиялық элементтер (уран, қорғасын т.б.) және ауру келтіретін бактериялар болмауы керек.

Судың қаттылығы. Суда еріген кальций, магний тұздарының мөлшері едәуір болса, онда бу қазандарында көбіктер (тотықтар) көбейіп, жаман сабындалады және мұнда тамақ азықтары жаман елжірейді (піседі). Осындай суды қатты деп атайды. ТМД ердерінде судың қаттылығы 1 литрде мг-экви валентосы шет мемлекеттерінде градуспен өлшейді.

1·мг·экв қаттылықта 1 литр, суда 20,04 нт кальцийдің ионы немесе 12,16мг/л магний ионы болады.

Су қаттылығы бойында төмендегілерге бөлінеді:

1. Жұмсақ. Мұнда судың қаттылығы 3мг·экв немесе 8,4⁰ –тан аз.

2. Орташа қаттылықтағы су. Мұнда – 3-6мг·экв (8,4-16,8⁰).

3. Қатты су. Мұнда – 6-9мг·экв (16,8-25,2⁰).

4. Өте қатты су. Мұнда 9мг·экв (25,2⁰)-тан көп.

Ішетін судың дәмі өте жақсы, қаттылығы 7мг·экв артық болмауы керек.

Агрессивтік сулар. Агрессивтік сулар портланд цементтен дайындаған бетонның жемірілуіне алып келеді. Судың агрессивтік қасиеті бұл судағы еріген кент жас көмір қышқылының әсері.

Цемент пен судың өзара араласуынан әк (Ca(OH)₂) бөлініп шығады, ол көмір қышқылымен өзара әрекетте болады. Осының салдарынан пайда болған тез еритін бейкарбонат, кальций бетон қатайған портланд цементтен жеміріліп мүжілуіне алып келеді.

Бетонның жемірілуіне күкірт қышқылының тұзы да әсер етеді.

 

3. Жер асты суларының қозғалу заңдары

 

Көптеген практикалық мәселелерді шешуде (тоған, өнеркәсіптік және аэаматтық ғимараттар, темір және автомобиль жолдары құрылысы және басқа) жер асты суының қозғалыс заңдарын білу қажет.Тау жыныстарына ауырлық күшінің арқасында еркін (бос) сулар қозғалады, солардың салдарынан бір нүктеден, екінші нүкте аралығында жер асты суларының (сурет 5.2) әртүрлілігінен қысым пайда болады.

Осы қысымның (Δh) арқасында АА₁ нүктеден (кесіндіден) ВВ₁ бағыт бойынша су ағады.

2.-сурет.  Жер асты суының қозғалу схемасы.

АВ – ағын су беті (деңгейі)

А₁В₁ – су өткізбейтін қабат.

Δh=А₁-А₂ – қысымдардың айырмашылығы.

L-АА₁ және ВВ₁ аралықтағы фильтрация суының ұзындығы.

 

Жер асты суының жылдамдығы (V) осы қысыммен (Δh) фильтрация жолының ұзындығына (L) байланысты.

Δh/ L=і қатынасы гидравликалық қиялылық немесе гидравликалық градиент деп аталады (суретке қара).

Егер жер асты суы кезекті тау жыныстарынан шағал тас, құм тәрізділердің арасынан сүзілсе (өтсе) он қозғалыс ламинарлы болады, яғни тура сызық бойынша қозғалатын заңға бағынады (Дарси заңы):

Q=kAi

Мұнда: Q – ағын судың мөлшері

A – ағын су өтетін кесіндінің ауданы

i – ылдилық (қиялылық)

k – фильтрация коэффициенті

Жарығы немесе кеуектігі үлкен тау жыныстарында қозғалыс құбылыстағы немесе каналдағы қозғалысқа ұқсас ағады. Мұндай қозғалысты алай-дүлей (құйын) қозғалыс деп атайды.

Мұндай қозғалыста жер асты суының жылдамдығы төмендегі формуламен анықталады:

Мұнда: с – қабырға немесе басқалардың одыр-бұдырына байланысты коэффициент.

R – гидравликалық радиус.

І – қиялық (ылдилық).

Көбінше әртүрлі ғимараттар құрылысында жер асты суының деңгейі жоғарыда болса, онда ондай сулардың деңгейін төмендетуге тура келеді. Мұндай жағдайларда судың деңгейін терең орналасқан дрендер, скважиналар, құдықтар жер асты суының деңгейінің төмендеу жылдамдығы, осы құдықтардан дрендерден суды қаншалықты тез сорып сорып алуына байланысты болады.

Су өткізбейтін қабаттан жоғары орналасқан төртбұрышты жыра арқылы қозғалатын жер асты суын қарастырамыз (сурет 3). 

3.-сурет. Су жинайтын жыраның қимасы

Мұнда: Н – жер асты суының су өткізбейтін қабатқа дейінгі қалыңдық.

             h – төртбұрышты жырадағы судың биіктігі.

Судың қозғалысы жоғары орналасқан жер асты суынан төмен орналасқан жырадағы суға қарай болады, яғни жыраға су келеді (құйылады). 

Жыраның екі жағындағы су жинағыш қабатта жер асты суының деңгейінің төмендеуінен біраз уақыттан кейін қисық ойпат тәрізді шұңқыр пайда болады. Бұл қисыұ депрессиялық қисық деп аталады.

Жыраға екі жағынан келіп түсетін (құйылатын) L арқалықтағы су төмендегіге тең болады.      

Q = KL·H²-h²/R

Мұнда: К– грунттың фильтрация коэффициенті:ірі құмдарда 10м/сек, орташа құмда 5-10м/сек, майда құмда 1-5м/сек, құмдақта 0,1- 1м/сек, саздақ пен сазда  0,1м/сек.

 R - жыраға әсер ететін радиус немесе су деңгейінің төмендейтін (депрессиялық) радиусы.

Жыраға келетін суды есептеуге керекті мәліметтер К, R және Н гидрогеологиялық зерттеулерден алынады.

Егер осы өлшеулерден жыраға келетін судың мөлшері анық болса, онда радиус (жыраға дейінгі қашықтық суретке қара) төмендегі формуладан анықталады.

R = KL·H²-h²/Q

Жер асты суы деңгейінің төмендеу радиусы (депрессия) құмдақ үшін 50м шамасында, майда құмдар үшін 100-200м, орташа құмдар үшін 200-400м, ірі құмдар үшін 400-600м, шағал тастарда 500-1000м.

 

4. Құрылыс қазаншұңқырларға жер асты суының келуін есептеу

 

Құрылыс қазаншұңқыр жоспарда формасы, өлшемдері бойынша әртүрлі болады. Осылардың ішінде екі түрдегі қазаншұңқырлар (котловандар) көбірек тарқалған: бірі қазаншұңқырдың ұзындығының еніне қатынасы 10:1, екіншісі бұл қатынас 10:1 артық. Бірінші жағдайда қазаншұңқыр үлкен құдық деп қарастырылады, екінші жағдайда үлкен өлшемдегі жыра деп қаралады.  

Екінші жағдайда судың келуін есептеу, әдеттегі горизонталь қазбаларға келетін суларды есептеуден айырмашылығы жоқ, мұнда судың екі жақтан келуін есепке алу керек.

Қазаншұңқырдағы суды алып кету есебі таңдау сол жердің инженерлік геологиялық жағдайына байланысты болады.

Бұл жерде төмендегі негізгі жэағдайлар қаралады.

1. Су қазаншұңқыр су жинағыш қабатты кесіп өтіп, су өткізбейтін қабатқа кіріп барады (сурет 4). Мұнда судың келуі төмендегі формуламен анықталады.

Q = КфL · (h¹-h²)/2 · H¹ - h²/R

Мұнда: L - дреннің ұзындығы.

2.Қазаншұңқыр су жинайтын қабатты кесіп өтіп, су өткізбейтін қабатқа барып тіреледі. Мұндай жағдайда судың келуін үлкен құдыққа құйылып жатқан есептеу керек.

3. Қазаншұңқыр су жинағышты қабатты толығымен кесіп өтпейді, мұнда судың келуі қазаншұңқырдың қабырғасы мен түбінен келеді деп есептеу керек.

Бұл жағдайда қазаншұңқырдағы түбіндегі судың қысымы грунт массасынан кіші деп қабылдау керек, егер қысым грунт массасынан үлкен болса, онда су қазаншұңқырды жуып кетеді де, ғимарат құруға мүмкіншілік болмай қалады. Онда тереңдікке орналасқан судың деңгейін төмендетіп скважиналар орнатады. Судың келуін үлкен құдыққа құйылатын судың формуласымен есептелінеді.

4-сурет. Құрылыс қазаншұңқырларының орналасу схемасы

 

Құрылыс қазаншұңқырларының грунттық су өткізгіштік сипаттамаларының бір і бұл фильтрация коэффициенті. Фильтрация коэффициентін анықтайтын әдістерді есептік, лабораториялық және дала жағдайындағы деп бөлуге болады.

 

Әдебиеттер тізімі

 

1. Қ. Ибрагимов, Ж.А. Үсенқұлов, Б.С. Байболов, Э.И. Қарабаев «Инженерлік геологиядан негізгі мәліметтер. Іргетастар мен негіздердің есебі» Шымкент, 2009ж. 134б.
2. Ананьев В.П., Переделский Л.В. «Инженерная геология и гидрогеология» М.: Высшая школа, 1980. 271с.
3. Пешковский А.М., Пирескокова Т.М. «Инженерная геология». М.: Высшая школа. 1982. 341с.