PODZEMNÍ VODA
Hydrosféra je jedním z vnějších obalů Země. Zahrnuje vodu atmosféry, vodu na zemském povrchu, vodu obsaženou v organizmech i vodu podzemní. Vědní obor, který se zabývá studiem původu, výskytu a vlastností vody se nazývá hydrologie.
Ze základních pojmů z hydrologie se uvádějí nejdůležitější:
- hydrologický rok - je období 12 měsíců, stanovené tak, aby srážky spadlé v tomto období v něm odtekly (u nás začíná 1. listopadu a končí 31. října následujícího kalendářního roku)
- hydrologická bilance - je kvantitativní vyjádření množství vody, které prochází jednotlivými složkami hydrologického cyklu
- povodí - je území, které se odvodňuje jedním vodním tokem a jeho přítoky, a může být orografické i geologické
- hydrogeologie - je vědní obor, který se zabývá studiem původu, výskytu a vlastností podzemní vody
Původ podzemní vody
Podzemní voda zahrnuje veškerou vodu, která se vyskytuje pod zemským povrchem. Podle původu může být juvenilní a vadózní.
Juvenilní podzemní voda vystupuje k povrchu z nitra Země. Vyskytuje se např. ve vulkanických oblastech nebo v blízkosti hlubokých zlomových struktur. Tvoří poměrně malou část podzemní vody.
Vadózní podzemní voda vzniká průsakem srážkové vody pod zemský povrch. Část této vody může být po dlouhá geologická období uzavřena mezi nepropustnými vrstvami a tuto podzemní vodu pak označujeme jako fosilní.
Některá podzemní voda může být i organického původu, např. naftové vody.
Pro stavební praxi mají význam především podzemní vody vadózní. Podle toho, jak voda prosakuje s povrchu horninovým prostředím, rozlišujeme podle stupně nasycení tato pásma:
- pásmo provzdušnělé
- půdní
- mezilehlé
- pásmo kapilární třásně
- pásmo zvodnělé
Pásmo kapilární třásně je charakteristické vzlínáním vody ze spodního zvodnělého pásma. Voda v pórech vyvozuje sání (má negativní pórový tlak) a nemůže být jímána.
Podle toho, jak je voda vázána a jak se pohybuje rozeznáváme vodu hygroskopickou, kapilární a gravitační.
Hygroskopická voda je forma vody, která vzniká v hornině při pohlcování par , jedná se o kategorii vody adsorpční. Adsorpční voda je pevně poutána adsorpčními silami povrchu zrn, v kapalném stavu je prakticky nepohyblivá. Vyskytuje se v horninách jen při velmi nízké vlhkosti. Kapilární voda je voda, jejíž pohyb je ovlivňován převážně kapilárními silami. Gravitační voda je voda, jejíž pohyb je určován gravitačními silami.
Propustnost horninového prostředí
PROPUSTNOST je schopnost pórovitého prostředí propouštět vodu pod vlivem hydraulického gradientu. Jako absolutní propustnost se vyjadřuje koeficientem propustnosti (p). Jako relativní propustnost se označuje propustnost pro určitou tekutinu při společném proudění směsi o několika fázích (např. voda a plyn). Je-li propustnost vztažena k proudění kapaliny o určitých vlastnostech (podzemní voda), vyjadřuje se pomocí koeficientu filtrace (k). V přírodě neexistuje hornina, která by byla absolutně nepropustná. Některé horniny však mají tak malou propustnost, že se považují za nepropustné (např. mastné jíly).
Na vodu v horninovém prostředí působí gravitace, tlak plynů, osmotické napětí jako výsledek vod různého chemizmu, hygroskopické síly na povrchu zrn a kapilární síly v dutinkách. Jestliže tyto síly jsou v rovnováze, voda se nepohybuje. Při nerovnovážném stavu se voda dává do pohybu a začíná na ni působit tření. Pokud voda prostupuje horninovým prostředím stejnoměrně, je propustnost vlastností vody i horniny, pokud však voda prostupuje pouze dutinami, je propustnost vlastností dutin. Propustnost může být různá v různém směru.
Jako kolektor označujeme horninové prostředí, jehož propustnost je ve srovnání se sousedící horninou o tolik větší, že gravitační voda se jím může snadněji pohybovat.
Jako izolátor
označujeme horninové prostředí, jehož propustnost je ve
srovnání se sousedící horninou o tolik menší, že se jím
za stejných podmínek gravitační voda pohybuje nesnadněji.
Obr. 35 Příklady
hodnot koeficientu filtrace pro různé zeminy.
Ukazatelem propustnosti podzemní vody je výše zmíněný koeficient filtrace. Příklady hodnot pro různé zeminy jsou v obr. 35.
Propustnost horninového prostředí se snižuje s obsahem jemné pelitické frakce. Tak např. přidáním 1 % kaolinitu se sníží až o 24 %, přidáním 1 % montmorillonitu až o 80 %. Toho se využívá ve stavební praxi k těsnění propustného horninového prostředí.
Laboratorně se stanovuje
propustnost propustoměrem, ve vrtech lze stanovit propustnost hydrodynamickými
zkouškami. Patří k nim čerpací
zkoušky, kdy se měří množství vody čerpané za
sekundu a snížení hladiny vody ve vrtu v závislosti na čase.
Podle toho jak podzemní voda prostupuje horninami, rozeznává se propustnost puklinová, průlinová, propustnost podle dutin a propustnost krasová.
- Puklinovou propustnost mají skalní horniny (vyvřelé, krystalické břidlice s výjimkou mramoru a některé zpevněné klastické sedimenty a karbonáty).
- Průlinovou propustnost mají písčité a štěrkovité zeminy, pískovce, eluvia skalních hornin.
- Podle dutin jsou propustné různé karbonáty i skalní horniny s různým stupněm zvětrání.
- Krasová propustnost je typická pro rozpustné horniny (vápence, dolomity, mramory).
Některé jílovité a slínité zeminy považujeme za nepropustné izolátory, avšak jsou zpravidla propustné podle vrstevních ploch nebo puklin a proto mohou někdy vést i značné množství vody.
Hladina podzemní vody
Zvodnělé horninové prostředí se označuje jako zvodeň. Horní povrch zvodně tvoří hladinu podzemní vody.
Podle tlaku na hladině rozeznáváme hladinu volnou (tlak je roven tlaku atmosférickému) a hladinu napjatou (tlak je vyšší než tlak atmosférický).
Vody s napjatou hladinou se označují v inženýrské praxi jako vody artéské. Název je odvozen z názvu hrabství Artois ve Francii, odkud byly takové vody poprvé popsány. Jestliže navrtáme horizont podzemní vody s napjatou hladinou, voda vystupuje k povrchu. Jestliže dosáhne nad povrch, označuje se jako artéská +, jestliže vystoupí, ale nedosáhne až na povrch území, jako artéská -. Výstupná výška se označuje jako výška piezometrická.
Svislá vzdálenost hladiny podzemní vody od povrchu vyjadřuje hloubku podzemní vody. Hloubka slabě napjatých hladin se zpravidla ustálí až po určité době. Proto při průzkumu staveniště zaznamenáváme:
- naražená hladina hloubku hladiny po navrtání a hloubku po ustálení
- ustálená hladina (zpravidla po 24 hodinách).
Prameny
Prameny jsou přirozené vývěry podzemní vody na zemský povrch. Soustředěný výskyt pramenů se označuje jako prameniště. Prameny se charakterizují vydatností, což je množství vody vyvěrající za jednotku času. Zpravidla se vyjadřuje v litrech za minutu nebo sekundu.
Podle trvalosti se prameny dělí na permanentní - trvalé, občasné (intermitentní) a periodické.
Podle směru pohybu a výstupu na povrch se dělí na prameny sestupné a vzestupné.
K sestupným pramenům počítáme
- svahové
- suťové
- sestupující podle diskontinuit
K výstupným pramenům počítáme prameny
- zlomové
- artéské
V krasových oblastech vznikají prameny roklinové
a vyvěračky,
v území synklinál prameny přetékavé.
Typy pramenů jsou znázorněny na obr. 36 a 37.
Obr. 36
Důležitější typy pramenů: vrstevný - polohy
- izolátory. a, suťový - b,
přetékavý - c, vzestupný podle
zlomu - d.
Tečkované polohy - kolektory,
šrafované
Obr. 37 Artéská pánev - nepropustné vrstvy jsou hustě šrafované.
Fyzikální a
chemické vlastnosti podzemní vody
Patří k nim teplota, tlak, měrná hmotnost, elektrická vodivost pH, oxidačně-redukční potenciál - Eh, obsah anorganických látek, obsah organických látek, tvrdost.
Podrobné rozvedení této kapitoly patří do učební látky z hydrogeologie, která se probírá ve 3. ročníku.
Agresivita podzemní vody
Útočnost neboli agresivita je jednou z nejdůležitějších vlastností podzemní vody s ohledem na stavební činnost. Může být síranová, uhličitá nebo se může jednat o vodu hladovou. Rovněž pH ovlivňuje agresivitu vody.
Síranovou agresivitu mohou způsobovat různé minerály obsažené v horninách. Patří k nim zejména sírany (sádrovec CaSO4.2H2O, anhydrit CaSO4) nebo sulfidy (pyrit FeS2, pyrhotin FeS). Síranová agresivita se velmi často vyskytuje v neogenních slínech celé střední Moravy.
Uhličitá agresivita vzniká rozkladem organogenní příměsi v aluviálních sedimentech a dále je častá v oblastech vývěru pramenů minerálních vod, bohatých na CO2.
Hladová voda neobsahuje rozpuštěné soli (je v podstatě destilovanou vodou), která vyluhuje soli z okolního horninového i stavebního (např. betonu) prostředí.
Podzemní voda s vysokým i velmi nízkým pH působí agresivně na své okolí.
Podle ČSN 73 1215 "Klasifikácia agresívnych prostredí" se rozlišuje prostředí:
- la - lehce agresivní
- ma - středně agresivní
- ha - vysoce (silně) agresivní
Opatření proti podzemní vodě na staveništi
Nejjednodušším způsobem kontroly podzemní vody v základové jámě je snížení její hladiny čerpáním. Ve složitějších případech se provádí injektáž, chemické zpevňování a ochrana stavební jámy štětovými stěnami. U důležitých inženýrských staveb se provádí zmrazování. Volba a vhodnost jednotlivých metod záleží na zrnitosti zemin a stabilitě stěn výkopu.