Кіріспе

Ожназаров А., 2013

К 56

Алматы-2013

Геология негіздері

Инженерлік

ББК 26.3

Қожназаров А.Д. Гидрогеология және инженерлік геология негіздері.

Оқулық. – Алматы, 2013 -230-бет.

ISBN 9965-803-04-8

Оқулықта гидрогеология бөлімдеріның ең маңызды деген тақырыптары баяндалады: жерасты суларының химиялық қасиеттері, жерасты сулары қозғалысының негізгі заңдары, сулардың түрлері жэне оларды гидрогеологиялық зерттеу.

Инженерлік геологияның үш негізгі бөлімі қарастырылады: грунттану, инженерлік геодинамика және далалық тәжірибелік жұмыстар.

Оқулық геология мамандықтарында оқитын студенттерге, инженерлік геология, гидрогеология саласы бойынша жұмыс істейтін мамандарға арналған.

Пікір жазғандар:

С.Ж.Жапарханов — геология-минералогия ғылымдарының

докторы, профессор;

Т.Т.Махмұтов — техника ғылымдарының докторы, профессор;

М.Ш.Өмірсеріков — геология-минералогия ғылымдарының

докторы, профессор.

Қазақстан Республикасының

Білім жәнек ғылым министрлігі оқулық ретінде бекіткен

К ––––––––––––

00(05)-06

ISBN 9965-803-04-8

“Гидрогеология және инженерлік геология негіздері’’ курсының негізгі мақсаты – жоғарғы оқу орындарының геология мамандығында оқитын студенттеріне жерасты сулары туралы мағлұмат беру, олардың пайда болуын, химиялық құрамын, тау жыныстары құрамындағы мөлшерін зерттеу және де кейбір құрылыс түрлеріндегі гидрогеологиялық, инженерлік - геологиялық зерттеу әдістерімен таныстыру.

Гидрогеология – жерасты сулары туралы ғылым. Ол жерасты суларының тау жыныстарымен өзара байланысын, жаратылысын, құрылысы мен құрамын, жиналымын, таралуы мен қозғалысын зерттейді. Инженерлік геология – тау жыныстарының физико-механикалық қасиетін зерттейтін ғылым, физика - геологиялық құбылысын және де олардың табиғи, жасанды факторлар әсерінен өзгерісін зерттейді.

Жерасты сулары халық шаруашылығы мен инженерлік құрылыстарда және күнделікті адам өмірінде зор маңызға ие; олар қалаларды, өндіріс орындары мен елдімекендерді сумен қамтамасыз ету көзі болып табылады, жерасты суларын емдік мақсаттарға да кеңінен қолданады (минералды сулар). Сондай-ақ өнеркәсіптік шикізат ретінде суда еріген минералдық компаненттер алу үшін, жоғары температурада жылу көздері ретінде және де пайдалы қазбалар кен орындарын іздеуде индикатор ретінде кеңінен қолданады.

Тау жыныстарында сұйық, газ және қатты күйде кездесетін жерасты суларының көлемдік мөлшерімен олардың инженерлік-техникалық құрылысы анықталады, осыған сәйкес өнеркәсіптік және тұрғын үй құрылыстарында, тау-кен кешендері мен басқа ғимараттарды салуда, жол құрылыстарында, т.б.кеңінен пайдаланылады.

Гидрогеология және инженерлік геология саласы әр түрлі ғылымдармен тығыз байланысты: метерология, гидравлика, топырықтану, геохимия, физика, құрылыс және тау-кен ісі. Осыған байланысты курсқа қатысушы студенттердің жаратылыстану және инженерлік сала ғылымдары бойынша блімі жоғары деңгейде болуы қажет.

Оқулықтың құрылысы мен мазмұны “гидрогеология, инженерлік геология негіздері” бағдарламасына сәйкес жасалған.

1-БӨЛІМ. ТАБИҒАТТАҒЫ СУ АЙНАЛЫМЫ

Табиғатта әрдайым су айналымы жүріп отырады. Су атмосферадан жер бетіне жауын, қар, шық, тұман түрінде түседі. Бір бөлігі өзендер арқылы өтіп жерасты суларын толтырады. Жерасты сулары үздіксіз қозғала отырып, өзендерді, көлдерді, батпақтарды толтырады, көп жерлерде олар жер бетіне бұлақ болып шығады. Мұхиттардағы, теңіз, көл және өзендердегі барлық судың көлемі – 1,4 млрд. км ³. Жер бетіндегі судың ауданы – 70,8 %. Егер барлық су қорын жер бетіне біріктірсе, оның қалыңдығы 3795 метр болар еді. Күннің жылуынан мұхит, теңіз, өзен, көл сулары буланады және шөлдің әсерінен жер астындағы сулар тереңдігіне қарамастан буланады. Буланған ылғал атмосфераның үстіңгі қабатында салқындап, конденсацияланып қар немесе жаңбыр болып жауады.

Сонымен, табиғаттағы су айналымын төмендегі түрде көрсетуге болады:

О = C + V_бу. + V_сің.

О – жауын-шашын

С – ағын

V_бу. – булану

V_сің. –топыраққа сіңетін жауын-шашынның бір бөлігі.

Бұл байланыс жер бетінің кей бөліктерінің су балансын көрсетеді. Оған кіретін өлшемдер мен олардың бір-бірімен сәйкестігі ауа-райына, жер тегістігіне, өсімдік түрлеріне, геологиялық салаларға байланысты.

1.1. Ауа ылғалдылығы

Ауадағы су буы да бір қалыпты емес, себебі ол температура мен қысымға, желдің бағытына, жыл мен тәулікке, жердің биіктігі мен еніне, су бассейні өлшемдеріне және өсімдіктің аз-көптігіне байланысты. Су буының ауадағы мөлшері ылғал деп аталады. Ылғалдылық абсолюттік және салыстырмалы болады. Бір текше метр (1 м ³) ауадағы граммен өлшенетін су буын абсолюттік ылғалдылық деп атайды. Будың көлемі (Q) мен оның жұмсартылған байланысын (Е) мына формула көрсетеді:

Q = 1,06 / 1 + а t Е

Мұндағы:

а = 0, 004 – ауа көлемінің ось коэффициенті

t – ауа температурасы

0 температурада Q = 1, 06 Е

Салыстырмалы ылғалдылық дегеніміз – су буының берілген температурада ауаны толық қанықтыруға қажетті ылғалға қатысты мөлшері. Ол пайызбен есептеледі:

P = Q₁ / Q 100 %

Ауаның ылғалдылығын анықтау үшін гигрометр, гигрограф және психрометр сияқты арнайы аспаптар қолданылады.

Талшықты Шашты гигрометр ауа температурасы +5-тен төмен болғандағы ылғалдылықты анықтайды. Бұл аспап төртбұрышты, жоғарғы жағына майсыз адам шашы байланған. Шаштың соңы төменгі блокты айланып арнайы жіппен тартылады. Блок осіндегі тілше 0-ден 100-ге дейін межелік бойымен көрсетеді. Гигрометр қозғалған кезде ылғалдылық өзгереді, яғни, шаштың ұзаруы немесе қысқаруы арқылы байқалады. Ылғалдылық өскен сайын шаш ұзарады, сол кезде блок салмақ күшімен оңға бұрылады және тілшенің соңы сол жаққа қарай ауады. Ылғалдылық аз кезде шаш қысқарады және тілше солға қарай қозғалады.

Гигрограф. Ылғалдылық өзгерістерін үздіксіз жазуға арналған бұл құрылғының да адам шашы қолданылған бөлігі бар. Бір бума шаш екі темірдің арасына көлденең байланады және оның ортасынан ілгек тартып тұрады. Соңғысы рычак жүйесі көмегімен ұшында қаламы бар тілмен жұмыс жасайды.

Ылғалдылық өзгерісі байқалған кезде бума шаш өзгереді немесе қысқарады, нәтижесінде тілдің ұшы біресе көтеріледі, біресе түседі.Сол кезде тіл қаламы жіппен қозғалады да оның үстіне қиғаш сызықтар сызады, олар сол кездегі ауа ылғалдылығын көрсетеді.

Ылғалдылық психрометрмен былай өлшенеді: екі психрометрлік термометр бөлімі 0, 2 темір штативте тігінен орнатылған. Бір құрғақ термометр ауаның температурасын өлшейді. Екінші термометр матамен оралған, оның соңы иіріліп стақандағы қақпақ тесігінен өткізіліп суға батырылған, су матаның капиллярына көтеріледі және термометрді суландырады, себебі термометр суланған деп аталады. Мұнда дистилденбеген суды қолдануға болмайды, себебі оның құрамында әр түрлі тұздар бар, олар матаның үстіне жабысып капиллярын бұзады.

Сулы термометр құрғаған сайын төмен температура көрсетеді, егер ауада құрғақтық көп болса термометрде құрғатылу да көп болады, себебі екі термометр көрсеткіші көп. Мұндай психрометр –5-ке дейінгі ауаның температурасына қолданылады.

1.2. Ағын

Ашық су қоймалары мен су ағындарының түбімен ағатын су көлемі жер бедеріне байланысты. Сонымен қатар өсімдікке, тау жыныстарының құрамына және климат жағдайларына да байланысты. Жердің неғұрлым бедерлі аудандарында жазық аумақтарға қарағанда ағын қатты болады. Орманды, бұталы жерлер, өсімдіктер ағынның жолын бөгеп, булануды көбейтеді. Құрғақ немесе ыстық климаттық аудандарға жауған жауын-шашын да буланып кетеді.

Су өткізгіштігі қиын тау жыныстарындағы су ағыны жақсы болады (саз балшық), ал су өткізгіштігі жоғары тау жыныстарының үстімен ағатын ағынның көлемі азырақ (құм, әк, карстенген әктер).

Ағынның көлемін бассейн мен өзендегі су шығыны арқылы есептейді. Судың ағысын, жылдамдығын біле отырып, су шығынын (Q)анықтаймыз:

Q = F v

Мұндағы:

F – өзен ағынының қима ауданы, м ²

v – судың орташа жылдамдығы, м/сек.

Дүние жүзі бойынша су ағынының көлемі 37 мың км ³-ді құрайды, ал ТМД аумағында шамамен 3900 км. Жыл сайын өзендер мұхитқа шамамен 16 млрд.тонна әр түрлі қалдықтарды ерітінді түрінде шығарады. Сонымен қатар механикалық қоспалар тағы бар. Амазонка өзені жыл сайын мұхитқа шамамен 6109 тона әр түрлі қалдықтар тасиды. Сонымен қатар Әмудария мен Сырдарияның қатты ағыны 91 пайызды, Хуанхе өзені пайызды құрайды. Ағысы қатты сағасының жылдық шығыны 920 млн. м ³ -ге тең.

Су ағысы топырақтың беткі қабатын шаяды. Мұны сулы эрозия деп атаймыз. Кейбір елдерде (Пәкістан, Иран, Испания, Францияның оңтүстік аудандары) бұл процесс үлкен шығын әкеледі. Яғни топырақ қабатының мәдени бөлігін шайып кетеді. Батыс Пәкістанның солтүстік және солтүстік-батыс аудандарында сулы эрозия 600 мың км ² аумақты қамтиды, өзендердің жекелеген бассейндерінде (Индус-Куррун) сулы эрозия нәтижесінде 1000-4000 тонна топырақ шайылады.

Испания мен Францияның оңтүстік аудандарында сулы эрозияның белсенділігі 400-800 тоннаны құрайды.

Ағынды ағын коэффициенті мен ағын модулі арқылы сипаттауға болады. Ағын коэффициенті (ά) ағынмен жүретін жылдық жауын-шашын мөлшерінің (Y) жалпы жауын-шашын мөлшеріне қатынасы (X):

ά=Y/X

Бұл шама бірлікпен немесе пайызбен (%) көрсетіледі. Көрсетілген қатынастағы ағын коэффициенті бірліктен үлкен немесе 100 пайыздан кем болмауы қажет.

Ағын модулі (β) белгілі бір уақыт бірлігінде өзеннің су жинау алабының 1 км ² ауданында ағатын судың мөлшері. Ағыс модулі 1 км ² -ге л/сек.- пен өлшенеді:

β=

Мұндағы:

Q – орташа жылдық шығын, м ³

F – өзеннің су жинау ауданы, км ²

Мысалы, Ока өзені үшін Орла қаласынан жоғары максималды модуль 248 л/сек. -қа тең, ал минималды 0,02 л/сек.- қа тең, орташасы 3,6 л/сек. -қа тең. Рейн өзені үшін орташа жылдық ағын модулі 11,7 л/сек.- қа тең, коэффициенттік ағыста 44,2%, Висла өзені үшін ағыс модулі 5,7 л/сек. құрайды, ал ағыс коэффициенті 25,5%. Дунай өзені үшін ағыс модулі 7,8 л/сек.- қа тең, ағыс коэффициенті 32,5%, таулы өзендердің жалпы көлемі, яғни жерорта теңізіне Солтүстік Африка маңынан келіп құятын өзендерде 15 млн.м ³ құрайды. Осы теңізге келіп құятын Алжир өзендерінің орташа модулі шамамен 0,34-2,34 л/сек. аралығында өзгереді, минималды 0,29-0,76 л/сек. аралығында. Мрамор теңізінің бассейніндегі өзендердің орташа жылдық модулі 4,9 л/сек. құрайды, Эгей теңізінде – 4,25, Персия бұғазында – 5,47, Өлі теңізде – 2,25 л/сек. Осыдан барып біз әр түрлі бассейндерде модульдің ауытқып отыратынын көреміз.

Жалпы модуль әдетте жерасты және жерүсті модульдерінің жиынтығынан құралады. Қысқы уақытта жауын-шашын мөлшері ұзақ уақытқа дейін болмағанда өзендер жерасты суларымен қоректенеді. Олардың құрамында көп мөлшерде еріген тұздар болады (химиялық суффозия). Өте қарқынды жылдамдықпен жерасты сулары ағыспен тау жыныстарының біраз бөлшектерін жер бетіне алып шығады (механикалық суффозия). Бұл ашық су қоймаларындағы қатты ағыстың пайда болуына әкеліп соғады. Көктемгі қар еруінде және толассыз жауын-шашында жерасты суларының модулі жалпы модульдің біраз бөлігін ғана қамтиды.

Жер беті ағысының ауданын топографиялық карта арқылы табуға болады. Жерасты ағысының ауданы геологиялық құрылымға байланысты. Оны тек геологиялық зерттеулер арқылы ғана анықтауға болады.

Жер бедері мен тау жыныстарының сипатына қарай төмендегідей жағдайларды көрсетуге болады:

1. Жер беті А-Б және жерасты а-б бассейндері тұспа-тұс келген. Бұл кезде өзен жерасты және жерүсті ағыстарына ие болады.

2. Жер беті бассейні жерасты бассейнімен сәйкес келіп, кей кезде жерасты ағындары басқа алапқа құюы мүмкін.

Ірі өзендердің алаптары мыңдаған, миллиондаған шақырымдармен көрсетіледі. Мысалы, Обь бассейні 2,8 млн. км ², Енисей алабы 2,7 млн. км ² құрайды.

1-сурет. Жерасты және жерүсті сәйкес келген алаптар

2-сурет. Жерасты және жерүсті алаптары сәйкес келмеген

3-сурет. Жерасты және жерүсті алаптары әр түрлі бағытталған

4-сурет. Жер беті алабы өзенге бағытталған, ал жерасты алабы өзенге кері

бағытталып келген.

Лена 2,4 млн. км ², Волга 1,5 млн. км ², Днепр 0,5 млн км ², Амазонка 4,0 млн. км ², Конго 3,7 млн. км ², Миссисипи 3,25 млн. км ², Ганга 1,8 млн. км ², Дунай 0,82 млн. км², Рейн 0,22 млн. км ², Амур 0,05 млн. км ², Ефрат 0,14 млн. км ², Висла 0,19 млн. км ², Эльба 0,15 млн.км ², т.б.

Дегенмен жерасты және жерүсті алаптарының қарым-қатынасын нақты анықтау мүмкін емес. Тек геологиялық тұрғыдан жақсы зерттелген аудандарда ғана бұған қол жеткізуге болады. Көп жағдайда жерасты ағысын анықтау үшін гидрогеологиялық әдіс қолданылады. Әсіресе мұндай мақсаттар үшін гидрографты қолданамыз. Гидрограф дегенміз – уақытқа байланысты өзен ағысының қисық өзгеруі:

Q = f(t)

Мұндағы:

Q – су шығыны, м ³/ сек.

t – уақыт.

5-сурет. Шілік және Терек өзендерінің гидрографтары

Гидрографтағы қоректену қисық түрінде беріледі. Сонымен өзендер көктемнен бастап күздің соңына дейін жерасты суларымен қоректенеді. Бұл қисық сызықта қарлы, жауынды, мұзды қоректену көрсетілген. 5-суретте Шілік және Терек өзендерінің гидрографтары берілген. Штрихтанған әр аудан су көлеміне байланысты. Дегенмен гидрограф арқылы жерасты суларының қорек құрамын нақты анықтай аламыз. Мұндай талдауды алғаш рет Волга алабына Б.В. Поляков жүргізген.

1-кесте

Өзендер	Қоректенуі, %
Жерасты суы	Қар суы	Жаңбыр суы
Солтүстік Двина
Бұқтырма
Алдан
Вилюй
Яна
Колыма
Днепр
Сож

1-кестеде кейбір өзендердің қоректену қатынастары берілген, мұны М.И. Львович гидрограф арқылы зерттеген. Кестеден жерасты суларының үлкен рөл атқаратынын көруге болады.

6-сурет. Өзен аңғарындағы қума және көлденең ағындар сұлбасының зонасы

Өзендер толығатын кезеңінде әдетте жерасты суларымен қоректенеді. Дегенмен осы кезде жерасты сулары ағысының гидрометриялық бақылауларын жасауға болады. Ол үшін екі нүктені алады да оның су шығынын өлшейді. Ағыстағы су шығынының әртүрлігігін олардың ара қашықтығына бөліп, зерттеген ауданның қоректенуін анықтауға болады.

Мұндағы:

q – өзеннің саласы

Q₁ – төменгі ағыстағы шығын, л/сек.;

Q – жоғарғы ағыстағы шығын;

l – ағыстар арасындағы ара қашықтық.

Жоғарыда көрсетілген мысалдар жерасты ағысының модулін анықтауға септігін тигізеді. Егер өзеннің сулы қабаты тереңде болса, онда жерасты ағысының модулі төмен болады. Яғни жерасты ағысының біраз бөлігі өзен деңгейінен төменде ағады да, өзен суына қосылмайды.

Дата добавления: 2015-08-31