ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 5, с. 527-531
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ = И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.3.048:556.3.632
ОЦЕНКА ПРИТОКА ГРУНТОВЫХ ВОД НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ
ТЕРРИТОРИЯХ1
© 2007 г. А. Ю. Беляев, Р. Г. Джамалов, Ю. А. Медовар, И. О. Юшманов
Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 16.08.2006 г.
Предложены аналитические и численные методы расчета притока воды в строительный котлован при различных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях участка строительства. Показано, что водоприток в котлован зависит не только от боковой фильтрации, но и от перетекания из нижележащих горизонтов при соответствующих параметрах их взаимосвязи. При определенных природных условиях наиболее эффективным методом осушения строительного котлована при низкой водоотдаче грунтов участков застройки являются легкие иглофильтровые установки, производительность и пространственное размещение которых определяется потенциальной водопри-точностью по контуру котлована. Приведены результаты аналитических и численных расчетов по оценке притока подземных вод в котлован и показана эффективность использования легких игло-фильтровых установок при различных сочетаниях природно-техногенных условий.
Подземные сооружения урбанизированных территорий часто подтоплены из-за притока грунтовых вод. При интенсивном водопритоке основные задачи связаны с разработкой рациональных методов оценки и перехвата грунтового потока для осушения строительных котлованов и подземных сооружений. В работе оценивается влияние существующих и строящихся подземных сооружений (котлованов) на окружающие урбанизированные территории методами математического моделирования (задача нелинейной фильтрации в пористых средах), рассматривается возможность применения легкой иглофильтро-вой установки (ЛИУ) в качестве основного метода защиты котлована от притока грунтовых вод. Иглофильтры наиболее удобны в условиях плотной городской застройки, когда невозможно применение масштабных мероприятий, связанных с большими земляными работами.
Разработанные геофильтрационные модели и методические рекомендации апробированы на примере многочисленных строительных котлованов г. Москвы. Природные (гидрогеологические) условия характеризуются здесь наличием двух основных водоносных горизонтов в четвертичных отложениях - грунтовых вод аллювиальных песков и надъюрских флювиогляциальных песков. Водовмещающие аллювиальные отложения верхнечетвертичного возраста представлены разнородными песками с прослоями супесей и суглинков, коэффициент фильтрации которых из-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований < 13 Отделения наук о Земле РАН.
меняется в широком диапазоне (от 2 до 15 м/сут). Мощность грунтового горизонта достигает 10 м. Этот горизонт часто дренируется речной и овражной сетью и содержит маломощные потоки подземных вод даже в весенний период.
Нижележащий водоносный горизонт в надъюрских флювиогляциальных песках залегает на глубинах до 10 м и нередко служит основным обводненным горизонтом, осушение которого необходимо при закладке строительного котлована или эксплуатации подземных сооружений. Суммарная мощность этого горизонта достигает 25 м и более, а его фильтрационные свойства характеризуются значительным повышением коэффициента фильтрации вниз по разрезу от 0.5 до 15 м/сут. Потоки подземных вод обычно направлены к естественным дренам данного горизонта (реки Москва, Яуза, Неглинка и др.). В средней части этого горизонта нередко залегают слабопроницаемые озерно-ледниковые отложения с коэффициентом фильтрации 0.1-0.5 м/сут. Мощность этих глинистых пород достигает 7 м, что позволяет рассматривать их как промежуточный водоупор.
ОБОСНОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ
СХЕМАТИЗАЦИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
При обосновании фильтрационной схематизации были учтены рассмотренные выше природные условия г. Москвы и ближайшего Подмосковья. При этом приточность подземных вод оценивалась для различных вариантов схематизации гидрогеологического разреза. В первом варианте рассматривалась вся обводненная толща флювио-
528
БЕЛЯЕВ и др.
УГВ
131.4
н м
н
щ
S н о
Й
§119.0
н
§112.0
о о
ю <
105.4
II
III
IV
Рис. 1. Геолого-гидрогеологический разрез фильтрационной схематизации. 0 - техногенные отложения, I - аллювиальные пески, II - суглинки, III - флювио-гляциальные пески, IV - водоупор.
гляциальных песков мощностью до 25 м с вариациями коэффициента фильтрации от 0.5 до 15 м/сут. Расчеты по второму варианту ограничивались только флювиогляциальными отложениями по кровле слабопроницаемых озерно-ледниковых отложений, коэффициент фильтрации которых принимался равным 0.1 м/сут. Приток подземных вод в строительный котлован определялся как аналитическими методами, так и численными (геофильтрационная модель).
Расчеты по аналитическим зависимостям
Суммарный водоприток грунтовых вод Q в строительный котлован при заданном понижении уровня грунтовых вод (УГВ) внутри кольца скважин рассчитывается по формуле
Q = n K ( 2 H - S) S Q ln( Po /р) '
(1)
где K - средний коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; S - величина заданного понижения УГВ в центре котлована, м; H - естественная мощность водоносного горизонта, м; р -приведенный радиус кольца скважин, м; р0 - приведенное расстояние до уреза воды открытого дренирующего водотока (водоема).
Принципиальный геолого-гидрогеологический разрез на примере г. Москвы приведен на рис. 1. Для оценки величины гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов I и III рассмотрены два варианта расчетов. В первом - слой суглинков II принимался в качестве водоупора и естественная мощность водоносного горизонта принималась равной H1 = 131.5-119 = 12.5 м, а
средневзвешенное по разрезу значение коэффициента фильтрации K1 = 3.5 м/сут.
Для второго варианта - водоносные горизонты I и III считались гидравлически связанными и были отнесены к единому надъюрскому горизонту. В этом случае расчетная мощность горизонта составила в среднем H2 = 25 м, а средневзвешенный по разрезу коэффициент фильтрации K2 = 5 м/сут. Более высокое значение коэффициента фильтрации обусловлено тем, что нижняя часть флювио-гляциальных отложений представлена крупнозернистыми песками с K = 12-14 м/сут.
При принятых расчетных параметрах величина водопритока к осушаемому котловану составляет: для первого варианта - Qx = 750, для второго -Q2 = 2200 м3/сут (при S = 4.5 м, р = 55, р0 = 200 м).
Следует отметить, что для разных инженерно-гидрогеологических условий должны использоваться различные типы иглофильтровых установок. Так, для водопонижения на глубину до 4-5 м применяются ЛИУ, до 12 м - эжекторные игло-фильтровые установки; при необходимости осушения более глубоких выработок применяются многоярусные системы иглофильторов. Поэтому выбор оптимальной конструкции требует соответствующего инженерно-гидрогеологического обоснования по данным бурения. Эти вопросы достаточно подробно освещены в [4, 6, 7].
В качестве приоритетного инженерного метода осушения котлована (подземного сооружения) и перехвата потока грунтовых вод предлагается использовать ЛИУ по периметру котлована. С учетом полученной величины водопритока следует определить необходимое количество иглофильтров и их производительность [1, 2]. Если периметр котлована составляет 400 м, то при установке иглофильтров на расстоянии 1 м друг от друга их потребуется 400 штук. Тогда дебит одного составит для первого варианта qx = 2, для второго - q2 = 5.5 м3/сут. Аналогично можно рассчитать дебиты скважин при более редком расположении иглофильтров по периметру котлована (через 1.5 или 2 м).
Оптимальная глубина заложения фильтров -зона с максимальной водопроницаемостью. В первом варианте фильтры следует располагать в водоносном горизонте I , а во втором - III, т.е. в верхней или нижней части водоносного горизонта (рис. 1).
Понижение уровня в скважинах по бровке котлована отличается от его значения в центральной части (S = 4.5 м). Причем эта разница тем меньше, чем больше число используемых водопонижаю-щих скважин. Понижение уровня в скважинах определялось по формуле
nK
S0 = H - Hl--!U N ln — + ln---— + 0.5 %
Nrn
м
0
I
где г0 - радиус фильтра (2.5-5 см в зависимости от
типа иглофильтровой установки), ^ = ^(-Н Н, Н) -
величина, в которой I - длина рабочей части фильтра, м, с - глубина погружения верхней части фильтра, м. Значение Е, определяется по расчетным таблицам [7].
В рассматриваемом случае ^ = 10 для первого варианта и Е, = 40 для второго при длине рабочей части фильтров 5 м. При количестве скважин N = 400 отличие 50 в каждой скважине от в центре котлована составляет всего несколько сантиметров и может не приниматься во внимание.
Величина водоотбора зависит от времени работы иглофильтров и постепенно выходит на стационарный режим при заданной величине водо-понижения. Поэтому производительность ЛИУ на начальном этапе осушения можно оценить по формуле [5]:
Таблица 1. Производительность ЛИУ в зависимости от времени их работы
Q (t) = Q
In (Po/P)
ь (Po/P) - а0
7t р [.S* t '
(3)
где ц - коэффициент водоотдачи, а - коэффициент уровнепроводности, м2/сут.
Результаты расчетов при указанных значениях параметров для первого варианта приведены в табл. 1, из которой видно, что при осушении в течение 100 сут и более, величина водоотбора практически выходит на стационарный режим с дебитом ~750 м3/сут.
Численные расчеты на основе геофильтрационной модели
Пространственные течения грунтовых вод в пористых средах могут быть описаны следующим уравнением в частных производных:
Э дАУд^ дк\д („ дк\ Эк ... + ЭА^ + Тг) = т д' (4)
где Кхх, Куу и Кгг - значения гидравлической проводимости в направлениях координатных осей х, у и г соответственно, причем ось г считается направленной вертикально, м/сут; к - пьезометрический напор, м; т - коэффициент упругости, м-1; t - время, сут.
Обоснование уравнения (4) приведено в [3, 5]. Как правило, параметры т, Кхх , Куу и К22 зависят от пространственных координат х, у и г, и уравнение (4) служит для описания неустан
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.