CC BY
80
АР 11
ІЛД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2000" МОСКВЛ^МГТУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000^годая
) Е.Ю. Куликова, 2000
УДК 621.1:622.5:581.5
Е.Ю. Куликова
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОПОНИЖЕНИЯ В ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Сжатие горных пород под влиянием водопо-нижения давно изучается инженерами-геологами, в первую очередь, в связи с сопутствующим ему оседанием поверхности. Результаты этих исследований сообщены на ряде международных симпозиумов, где приводились многочисленные примеры осадок земной поверхности (шт. Калифорния и Техас (США), города Мехико, Токио, Бангкок, Венеция и др.), измерявшихся метрами и вызывавших деформации наземных сооружений, заболачивание, наступление моря на сушу и другие негативные явления.
Основной негативный эффект от водопо-нижения при строительстве подземных сооружений проявляется в нарушении равновесия системы “грунт-грунтовая вода”, которое, в зависимости от условий водопониже-ния и свойств грунта может явиться причиной следующих явлений: просадки грунтов на значительных территориях в районе строительства за счет откачки воды из верхних слоев грунта и выноса мельчайших частиц; изменения грузонесущей способности породы, вмещающей подземный объект; возникновения отрицательных сил трения при высыхании связных грунтов; осадке зданий, сооружений, транспортных магистралей на поверхности и подземных коммуникаций; изменения рельефа местности и нанесения вреда ландшафту, рыбному и лесному хозяйству; возникновению отрицательных сил трения при высыхании связных грунтов и т.п.
Снижение уровня грунтовых вод приводит к образованию в породе сил, способствующих уплотнению грунта. Степень осадки и уплотнения зависит от физико-механических свойств грунта, его структуры, взаимного про-
Рз - Р2 1 + е
странственного расположения отдельных слоев.
При водопонижении возникает дополнительная нагрузка на грунт, определяемая формулой [1]:
АР = рад АЭ,
(1)
где ра = рп - р , рп — плотность грунта после осадки, рп = (1+Ш) рс /(1+е) = (1-П) рс (1+^)\ р— плотность грунта во взвешенном состоянии воды,
р = рі - р2 =
Р2
1 + е
= (1-П)(рс -р)
р-\ - плотность грунта в насыщенном водой состоянии, г/см3; р - плотность воды, г/см3; р3 -плотность грунта в сухом состоянии, г/см3; е -коэффициент пористости; рс _ плотность скелета грунта, г/см3; п - пористость; и/ - влажность; д - ускорение свободного падения, м/с2; в - осадка в выбранной точке, м; Р - величина нагрузки грунта.
Именно дополнительные нагрузки обусловливают осадки грунта, величина которых определяется его прочностью, характеристиками слоев грунта и их взаиморасположением. Осадки грунта по радиусу депрессионной воронки являются функцией понижения уровня воды или функцией характеристик грунта в рассматриваемой точке [1].
В более точной трактовке осадка соответствует разности между сжатием скелета под влиянием дополнительных эффективных напряжений и упругим расширением минеральных зерен при снижении гидростатического давления.
На первых стадиях процесс осадки контролируется фильтрационными свойствами пород - скоростью рассеивания избыточного по-рового давления, на заключительных стадиях имеет место вторичная консолидация, обусловленная ползучестью минерального скелета. Применительно к этому процессу термин “филь-трационная консолидация” может быть использован с определенной долей условности, в связи с отсутствием избыточного поро-вого давления, вызванного ростом нагрузки и течением процесса при практически неизмен-
ной общей нагрузке и постепенным падении исходного гидростатического давления по мере распространения фильтрационной волны от водоносного горизонта вглубь массива относительно водоупорных пород.
При ведении строительных работ открытым способом водопонижение может явиться причиной повсеместного оплывания откосов карьера, сопровождающееся суффозным выносом мелких фракций песка. Фильтрационный вынос песка зависит от углов откоса: так, при угле более 30-450 вынос происходит достаточно интенсивно, затухая при снижении углов откоса ниже 300 [2]. Водопонижение на открытых работах, как правило, является причиной оползней. Это объясняется тем, что гидростатическое давление и гидродинамическое давление, обусловленное напорами в водоносных горизонтах лежачего бока, уменьшают эффективное давление в глинистых породах, залегающих в подошве выработки, и способствуют их разуплотнению.
По окончании водопонижения могут возникнуть деформации сооружения из-за подъема грунта. Причиной этого является концентрация связных грунтов в определенных местах, из-за разгрузки слоев грунта, находившихся в сильно нагруженном состоянии. Возникающие при отключении системы во-допонижения напоры, быстро передаются трещиноватым породам, вызывая развитие фильтрационных деформаций.
Мероприятия инженерной защиты при во-допонижении должны обязательно согласовываться с отводом воды и со всей системой дренажа. При этом в ряде случаев целесообразно применение единых водоотливных средств путем использования общих водосборников и насосов. При открытом способе строительства необходимо подбирать защитные мероприятия с таким расчетом, чтобы предотвратить свободное стекание высачивающихся вод по откосам бортов карьеров. Несоблюдение этих требований приводит к развитию различного рода деформаций, начиная с размыва откосов и кончая оползнями уступов набухающих глинистых пород.
Прокладка инженерных коммуникаций также сопровождается проведением комплекса мероприятий связанных со снижением уровня подземных вод. Учитывая сложные гидрогео-
логические условия городской застройки (фильтрационная неоднородность толщи в плане и разрезе, наличие гидравлических окон в водоупорном основании водоносного горизонта, сложное воздействие источников возмущения во времени и пространстве, наличие гидрогеологических границ), для определения влияния проектируемых сооружений на гидрогеологическую среду и определения величины водопритоков к котлованам и водопонизительным установкам используется метод математического моделирования, разработанный институтом «Мосинжпроект».
Для проведения прогнозных расчетов гидрогеологические условия территории строительства приводятся к однопластовой схеме с жестким режимом перетекания в раздельной толще и постоянным напором на нижней границе. Выбор такой расчетной схемы объясняется тем, что при прокладке инженерных коммуникаций в данном случае вскрывается один водоносный горизонт. Учитывая, что деформация потока под действием строительного дренажа происходит в основном в плане, то при построении модели фильтрационный поток принимается как плановый нестационарный. Для таких условиях фильтрация подземных вод в декартовой системе координат может быть описана следующей системой уравнений :
дНо
Ш д = МНо - Н1) + (2)
дН1 д2Н1 д2Н
Ш ~— = Т1 —г-+ Т1 —г-+ 61 (Н о — Н1) + Ьг (Н1 — Н 2 ) + й1,
д1 дх2 ду2
где ш - коэффициент емкости; Т - проводимость пласта; Ь - коэффициенты перетекания из смежного пласта; w - величина инфильтра-ционного питания; д - интенсивность точечных источников-стоков.
Решение системы уравнений (1.2) осуществляется методом конечных разностей при начальных и граничных условиях в рамках программы «МпР!ап» по моделированию фильтрации подземных вод в многопластовых системах.
Если при проектировании конкретного участка имеется водораздел (река, водохранилище и т.п.), то в моделировании он рассматривается как внешняя граница и создаются две независимые модели фильтрации. Увеличение количество моделей позволяет снизить общую размерность моделируемого пространства за счет оптимального расположения
сеточной области для каждой из них. Моделируемая область фильтрации по обеим моделям разбивается системой ортогональных линий на расчетные блоки. Размер сеточных блоков определялся исходя из степени детальности изученности территории, требуемой точности прогнозных решений и масштабности воздействия источников возмущения. В процессе создания моделей строится и оцифровывается комплект карт пространственного распределения гидрогеологических параметров и уровней водоносном горизонте. Указанные карты составляются на основе анализа результатов бурения скважин. Кроме того при создании модели учитывается схема гео-фильтрационного районирования, дающая представление о границах распространения основных геолого-генетических комплексов пород.
Исходя из опыта работ и многочисленных рекомендаций, имеющихся в литературе коэффициент водоотдачи разновозрастных, преимущественно аллювиальных песчаноглинистых пород, принят 0,07. Величина ин-фильтрационного питания принимается средней для городских территорий 1-10-3 м/сут.
На внешних границах моделей, не связанных с реками, поддерживаются граничные условия 1-го рода (постоянный напор). Гидродинамическое несовершенство реки в практике гидрогеологических расчетов принято выражать в эквивалентной длине водоносного горизонта AL, которая находится из соотношения:
АЬ =-
Ні - Нр Ні - Н,
-(Х2 - Хі),
(3)
где Н1, Н2, Нр - уровни подземных вод в скважинах и уровень реки; х2 - расстояние между скважинами; х1 - расстояние между скважиной и рекой.
Моделирование проектируемых строительных водопонижений осуществляется через внутренние граничные условия с постоянным напором. При проведении схематизации реальный ряд дренажных скважин заменяется совершенной дреной с напором на ней, рассчитанным в зависимости от требуемой нормы осушения в 0,5-1 метр ниже основания сооружения. Поскольку проектируемые линии водо-понижений не проходят точно через центры модельных блоков, то возникают дополнительные фильтрационные сопротивления,
величины которых зависят от расстояния линии дренажа до центра блока и от протяженности дрены в блоке и вычисляются по следующей зависимости:
т • мь
о3 =.
Ь
(4)
где L - расстояние от линии дренажа до центра блока; ЫЬ - протяженность линии дренажа в блоке; Т - проводимость пласта в блоке.
Моделирование водоотлива из траншей осуществляется через внутренние граничные условия 3-го рода. Для этого в каждом расчетном блоке модели, в пределах которого проводятся водоотливы, вычисляются дополнительные фильтрационные проводимости Э3, дренажного сооружения по зависимости:
Т • Ыь
Оз =—-------, (5)
^нд
где 1.нд - параметр, характеризующий величину несовершенства дренажа. Для дрены расположенной в однородном пласте Lнд вычисляется по формуле:
2т
Ьнд = 0,73т • 1§
7КІд
(6)
где б - расчетный диаметр дрены, бд = 0,56Рд ; Рд - смоченный периметр дрены.
Для двухслойного пласта, состоящего из покровного (слабопроводящего) слоя мощностью тп с коэффициентом фильтрации кп и нижнего водоносного слоя, при расположении дрены в верхнем слое:
Ь’нн = 0,73Тт • ^
8т
кп д
(7)
При проведении расчетов по зависимостям (5)-(7) в качестве дрены принимаются строительные котлованы и траншеи, из которых намечено проведение водоотлива.
Исходя из того, что все значения параметров, характеризующих фильтрационные свойства моделируемого пространства и положения уровней подземных вод, определяются с некоторой степенью точности, модель должна быть подвергнута процедуре верификации по параметрам и уровню. При выполнении этой процедуры последовательно решается фильтрационная задача в инверсной (обратной) и прямой постановке. При решении обратной задачи по имеющемуся полю напоров уточняются проводимость пласта, величина инфильт-
рационного питания и коэффициент перетекания с жестко заданными пределами величины допустимого изменения этих показателей. На основе уточненных параметров решается прогнозная стационарная фильтрационная задача и проводится сравнение полученного модельного решения с уровнями зафиксированными в скважинах. Критерием окончания решения обратной задачи принимается отклонение уровня, не превышающее величину сезонных колебаний равную 1 метру.
Оценка воздействия снижения уровня подземных вод на устойчивость зданий и сооружений осуществляется следующим образом.
При водопонижении в пределах воронки депрессии оказываются отдельные здания и сооружения. Для оценки влияния на их устойчивость проводимого снижения уровня, в соответствии со СНиП 2.02.01-83, выполняются расчеты величины дополнительного оседания в следствии снижения уровня грунтовых вод.
При снижении уровня из-за снятия взвешивающего действия воды в толще грунта возникает дополнительное давление равное:
Лр=(р2-рвзв)л11, (8)
где Лр - дополнительное давление; р2 - плотность грунта в зоне аэрации; рвзв - плотность грунта ниже уровня грунтовых вод (с учетом взвешивающей силы воды); ЛЬ - прогнозируемая величина изменения уровня подземных вод. Дополнительную осадку от снижения уровня можно определить по формуле:
М =
ЛрН
Е ;
(9)
где ЛЬ - величина дополнительной осадки; Н -величина сжимаемой толщи, определяемая из условия Лр=0,2р01; р01 - природное давление грунта; Е - модуль деформации грунта, слагающего сжимаемую толщу.
Используя приведенные выше зависимости, можно рассчитать величины дополнительных осадок при максимальной величине понижения уровня 2,5 м и глубине начального положения уровня 2,5 м.
Перед началом работ по снижению уровня все здания в пределах воронки депрессии с понижением уровня более 0,5... 1 м должны быть обследованы на наличие в фасадах трещин и разрушений. В процессе проведения водопонижения необходимо проводить систематический контроль за их состоянием.
Таким образом, негативный экологический эффект от водопонижения связан с осадками земной поверхности, нарушением режима миграции подземных вод, развитием фильтрационных деформаций и другими сопутствующими явлениями. В связи с этим, водопонижение, особенно в условиях городской застройки, должно тщательно планироваться: должен осуществляться
тщательный прогноз отрицательных последствий на окружающую среду с подбором альтернативных мероприятий инженерной защиты, где это возможно и целесообразно, при подземном строительстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Насонов И.Д., Федюкин В.А., Шуплик М.Н., Ресин В.И. Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства. - Учебник для вузов. — М.: Недра, 1993, 351
с.
2. Мироненко В.А. и др. Горнопромышленная гидрогеология. — М.: недра, 1989, 287 с.
Куликова Елена Юрьевна - доцент, кандидат технических наук, кафедра «Инженерная защита окружающей среды». Московский государственный горный университет.
У
