ГЛАВНАЯ ОБ ИНСТИТУТЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТЫ НАШИ ПРОЕКТЫ КОНТАКТЫ

Варианты аналитических решений развития подпора подземных вод при строительстве крупногабаритных сооружений на территории Москвы

Возможность использования аналитических решений развития подпора подземных вод при строительстве крупногабаритных сооружений

Барражный эффект (подпор грунтовых вод) – является следствием перекрытия фильтрационного потока подземных вод и выражается в подъеме уровней грунтовых вод перед преградой потоку и снижением за ней. На многих объектах, где было отмечено повышение уровней грунтовых вод, в ряде случаев приводящее к деформациям грунтового массива, подтоплению территории и расположенных рядом зданий и сооружений, а также другим неблагоприятным последствиям, строители и проектировщики помимо утечек указывали на барражный эффект. Разделить ответственность можно, например, выяснив, какая величина подпора могла сформироваться из-за барражного эффекта. Важность выполнения таких оценок подчеркнута в действующем Московском нормативном законодательстве, уже содержащего пояснения касающиеся необходимости учета изменения гидрогеологических условий в процессе строительства. Так в московских городских строительных нормах [1] в разделе "Основные принципы проектирования подземных и заглубленных сооружений" выделен пункт 10.14, который гласит, что "При проектировании подземных и заглубленных сооружений, перекрывающих частично или полностью естественные фильтрационные потоки в грунтовом или скальном массиве, а также изменяющих условия и пути фильтрации подземных вод, следует выполнить прогноз изменений гидрогеологического режима площадки строительства. Прогноз изменений гидрогеологического режима следует выполнить путем математического моделирования фильтрационных процессов численными методами. Для выполнения математического моделирования должны привлекаться специализированные организации". Также об этом говорится в разделе "Строительное водопонижение, гидроизоляция, дренаж" пункт 13.16. "При устройстве заглубленных в водоносный слой и достаточно протяженных подземных сооружений, возможен барражный эффект", "Следует предусмотреть мероприятия по устранению неблагоприятных последствий барражного эффекта".

Оценка изменений гидрогеологических условий, обусловленных подпором подземных вод, обычно выполняется путем моделирования, которое является достаточно трудоемким методом и требует значительных затрат времени. Обоснование возможности использования аналитических решений объективно учитывающих вариации гидрогеологических условий, параметров и габаритов инженерного сооружения, обуславливающих барражный эффект, позволило бы существенно снизить временные и материальные затраты, вызванные моделированием. Наиболее эффективным было бы применение аналитических решений для регионов, характеризующихся типовыми гидрогеологическими условиями и интенсивными строительными работами. Такой крупный мегаполис, как Москва полностью отвечает перечисленным условиям. Практически по всей его территории с поверхности залегают четвертичные или четвертичные и меловые отложения представленные, в качестве водовмещающих пород, разнозернистыми песками и легкими супесями, в которых сформирован единый водоносный горизонт, подстилаемый юрским региональным водоупором. Ниже залегает водоносный комплекс карбона распространенный повсеместно и представленный трещиноватыми известняками. Доказывать наличие интенсивных строительных работ на территории Москвы не имеет смысла в виду очевидности этого факта, следует лишь отметить, что большинство зданий и сооружений, особенно, строящихся в центре города имеют глубокие подземные части (гаражи, хранилища, служебные помещения и др.), которые зачастую полностью перекрывают весь горизонт грунтовых вод.

Гидрогеологическое моделирование, для получения обобщенной зависимости, описывающей изменение уровней грунтовых вод вследствие барражного эффекта,  выполнялось с использованием программы TopazHC на IBM совместимом компьютере, с гидрогеологическими условиями приближенными к московским. Программа TopazHC предназначена для моделирования напорной и безнапорной фильтрации, и расчета баланса подземных вод.

Программа позволяет реализовать решение системы уравнений в частных производных параболического типа, при заданных начальных и граничных условиях в областях произвольной формы. При решении задачи исследуемая область вписывалась во внешний параллелепипед и разбивалась на прямоугольные блоки. Для решения системы использовался метод последовательной или блочной релаксации в переменных направлениях с дополнительными средствами ускорения сходимости. Надежность выбранного метода решения и в целом программы подтверждена рядом тестовых задач имеющих аналитическое решение[2].

Моделируемая область имела следующие неизменные параметры: размер в плане 625х600 метров (получен опытным путем и исключает влияние граничных условий на результат моделирования), один безнапорный водоносный горизонт, на верхней и нижней границе потока заданы граничные условия первого рода (Н=const), значение инфильтрации по всей площади равно нулю, строение фильтрационной толщи однородное.

Исследуемая область более часто разбивалась на блоки в местах с наибольшей изменчивостью гидрогеологических условий, т.е. в районе инженерного сооружения.

Создание электронного варианта гидрогеологической модели заключалось в редактировании матриц описывающих распределение по площади коэффициентов фильтрации и водоотдачи, уровней грунтовых вод, положения водоупора. В соответствии с принятой гидрогеологической схемой, задавались граничные условия на верхней и нижней границах потока (см. рис. 1).

Для получения данных о развитии подпора грунтовых вод, как по площади, так и по интенсивности, необходимо было промоделировать естественные гидрогеологические условия, чтобы потом сравнить имеющиеся значения положения уровня грунтовых вод со значениями уровней в нарушенных гидрогеологических условиях.

Естественная поверхность грунтовых вод

В связи с необходимостью получения данных при стационарном режиме фильтрации период расчета был увеличен до 50 лет. Проверка достижения стационарного режима фильтрации производилась путем прогона модели со взятыми в качестве исходных данных ранее рассчитанных значений уровней грунтовых вод. Отсутствие разницы положений уровней грунтовых вод позволило сделать вывод о наступлении стационарного режима фильтрации.

После проверки, значения из матрицы уровней грунтовых вод по блокам брались в качестве исходных данных для моделирования барражного эффекта. При моделировании нарушенных условий непроницаемая граница задавалась на участке проектируемого инженерного сооружения, для этого в центральных блоках нижней части потока (см. рис. 2), задавалось нулевое значение коэффициента фильтрации (Кф=0 м/сут). Наблюдательные блоки располагались по линии сетки вверх по потоку.

Схема расположения непроницаемой границы

Результаты прогона модели представлены в виде карты-схемы изменений уровней грунтовых вод (см. рис. 3) и с объемной схемой развития подпора.

В наблюдательных блоках рассчитывалось значение изменения уровня грунтовых вод между естественными и нарушенными условиями.

Карта-схема изменения уровней грунтовых вод

Объемная схема развития подпора грунтовых вод

В конце каждого цикла моделирования фиксировались данные по уровням подземных вод по линии от центра здания и выше по потоку (для оценки интенсивности развития подпора в пространстве).

При моделировании естественных условий задавались градиенты потока равные:

Y=0.005; Y=0.01; Y=0.03; Y=0.05;

Основным вопросом первого этапа моделирования было выделение из всех имеющихся, активных параметров, изменение которых приводит к изменению величины подпора грунтовых вод. Для того чтобы соблюсти чистоту эксперимента методом компьютерного моделирования последовательно изменялись все рассматриваемые параметры: мощность грунтового потока, наклон водоупора, коэффициента фильтрации, коэффициента водоотдачи, градиент потока, ширина инженерного сооружения. Моделирование проводилось при нескольких различных значениях исследуемого параметра, оставляя неизменными остальные параметры. В качестве наблюдаемого параметра была величина подпора при стационарном режиме фильтрации.

Результаты первого этапа моделирования

Таблица 1

Исследуемый параметр

DН

Y

0,005

0,15

0,01

0,29

0,03

0,89

B

50

0,29

147,5

0,87

300

1,73

H

1

0,29

10

0,29

40

0,28

Кф

1

0,29

5

0,29

50

0,28

За базовый вариант была принята схема строения водоносного горизонта со следующими параметрами: Кф=5м/сут, Y=0.01, B=50м, H=10м.

На основании полученных результатов (табл. 1) был сделан вывод о том, что изменение Кф и мощности грунтового потока не приносят никаких изменений на величину подпора грунтовых вод (DН). Также на конечный результат не оказал влияния наклон водоупора, поэтому в дальнейшем, для упрощения задания начальных условий был принят горизонтальный водоупор. Имеющиеся отклонения не превышают 3,5% и являются так называемым "шумом" гидрогеологической модели, возникающим из-за накапливающейся ошибки от округлений значений при расчете.

Среди параметров, оказывающих непосредственное влияние на величину подпора грунтовых вод, оказались Y и В, поэтому все дальнейшие расчеты проводились с изменением только этих двух параметров. Оставшимся параметрам были присвоены следующие фиксированные значения:

O        Положение водоупора – горизонтальный, на отметке 0м

O        Строение фильтрационной толщи – однородное

O        Коэффициент фильтрации – 5 (средний Кф надъюрских песков)

Инженерное сооружение создающее барражный эффект во всех случаях имело совершенный врез, то есть полностью перекрывало фильтрационный поток (до водоупора) и задавалось в виде полосы шириной 7,5 метров, находящейся в центральной части нижней трети потока (рис. 2).

Взятые для расчета значения градиентов потока больше реально встречаемых на территории города Москвы и их применение обусловлено необходимостью получения больших величин подпора грунтовых вод и соответственно меньшей ошибки при установлении зависимостей.

Расчетные значения ширины здания составили 15, 25, 50, 80, 110, 147.5, 170, 200, 300 метров, что вполне отвечает размерам проектируемых в настоящее время зданий.


Распространение подпора грунтовых вод выше по потоку от здания быстро затухает и имеет нелинейную зависимость которая хорошо прослеживается на рисунке 5.

Стационарный режим фильтрации по результатам моделирования наступает, в зависимости от емкостных свойств водовмещающих пород, в течение 15-45 суток (при мгновенном возникновении преграды).

В результате проведенных итераций были получены параметры необходимые для аппроксимации опытных данных аналитическими выражениями. Для наглядности данные были отражены в графической форме, часть которых приведена ниже.

Величина подпора при различных Y и В, м.                                            Таблица 2

 

B=15м

B=25м

B=50м

B=80м

B=110м

B=147,5м

B=170м

B=200м

B=300м

Y=0,005

0,04

0,07

0,15

0,24

0,34

0,45

0,52

0,61

0,91

Y=0,01

0,08

0,14

0,30

0,47

0,65

0,87

1,01

сбой

1,73

Y=0,03

0,23

0,48

0,89

1,41

1,94

2,58

2,96

3,45

5,00

Y=0,05

0,39

0,70

1,46

2,33

3,19

4,23

4,84

5,64

8,13


В представленной форме (рис. 6 и 7) наглядно изображены зависимости между подпором и градиентом потока при ширине здания В, и шириной здания В при градиенте Y. К этим графикам были найдены уравнения прямых, максимально точно проходящих через точки ряда (линия тренда) и величина аппроксимации (R).


Используя коэффициенты при уравнениях, были построены еще две диаграммы (рис. 8 и 9), к каждой из них была найдена своя линия тренда и соответственно свой коэффициент при неизвестном. В обоих случаях этим коэффициентом было значение равное 1,78.

Таким образом, зная, что на величину подъема уровней грунтовых вод прямое влияние оказывают ширина здания и градиент потока можно составить итоговое уравнение позволяющее найти максимальную величину подъема грунтовых вод от воздействия барражного эффекта:

где Y – градиент потока  и  В – ширина  здания.

Ограничения применения формулы:

1.             Однородность фильтрационной толщи

2.             Перпендикулярность здания и потока

3.             Совершенный врез здания

4.             Отсутствие инфильтрационного питания

 

 

 

 

Литература:

[1]        Московские городские строительные нормы МГСН 2.07-97

[2]        Плетнев А.А., Программная система TOPAZHC для расчетов фильтрации и массопереноса в подземных водах (Windows версия, справочное руководство), Москва, 1997г.


Сергей Александрович Монахов