Сологаев В.И. Прогнозы и моделирование подтопления и дренирования в городском строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

151

( 192)

Зона фронтального влияния (см. рис. 43 и 44) с погрешностью опреде-

ления УПВ 10 % или 5 % может быть определена соответственно как

( 193)

причем формула ( 193) получена моделированием двухмерных плановых

задач по барражному эффекту с помощью МКР-Excel. Обратим внимание,

что зону фронтального влияния барражного подпора УПВ L

вл

следует от-

считывать от кромки здания или сооружения (см. рис. 43 и 44).

Зона бокового влияния (см. рис. 44) с погрешностью определения УПВ

10 % или 5 % может быть найдена соответственно так:

( 194)

Эта формула также основана на модельных экспериментах. Величина

вл

отсчитывается от кромки здания или сооружения (см. рис. 44).

При набегании потока подземных вод под углом к зданию следует

вектор потока q

разложить на две составляющие по осям координат,

рассчитать подпор по формуле для каждой составляющей и сложить по

принципу суперпозиции. При малой мощности грунтовых вод эта задача

становится нелинейной и ее рекомендуется моделировать с помощью

МКР-Excel (метода автора МЭТ).

В дополнение к ранее проведенным исследованиям обоснована ап-

проксимация прямоугольных в плане зданий, создающих барражный эф-

фект, эллиптическими включениями в процессе нестационарной фильтра-

ции грунтовых вод. Это проиллюстрировано на рис. 45 – рис. 46 и отраже-

но в вышеприведенной формуле ( 191). Сравнивая оба рисунка, нетрудно

заметить их сходство.





2 2 2

a b a

a b

kh y y





 

 

  

 

вл

= (2,5…3)а,

вл

= (1,5…2)а.

152

Рис. 45. Нестационарное обтекание здания

потоком подземных вод (в плане)

Рис. 46. Нестационарное обтекание эллиптического

включения потоком подземных вод (в плане)

Обнаружена закономерность, что наиболее сильно подпор подземных

вод застройкой проявляется при нестационарных процессах фильтрации.

Дополнительное повышение УПВ при набегании потока происходит с вер-

ховой стороны в любом режиме, однако больший барражный эффект на-

блюдается при образовании с верховой стороны нового техногенного гори-

зонта и надвигании на застройку языка подтопления. Последний процесс

является не только нестационарным, но и нелинейным. Достоверно он мо-

жет быть просчитан на нелинейных моделях МКР-Excel. Попутно отме-

тим, что пакет PDETOOL системы MatLab 5/6 фирмы MathWorks (США)

не способен решать такие задачи.

153

Расчет подпора станцией метро грунтовых вод проиллюстрирован в

[262] (пример 45).

Барражный эффект можно рассчитать, комбинируя известные методы

фильтрационных сопротивлений, фрагментов и конформных отображений

[13; 148; 182]. Покажем способ, как можно вывести приближенные форму-

лы по расчету барражного эффекта с помощью этих упомянутых методов.

Рассмотрим регулярное расположение зданий или сооружений в виде

ряда поперек потока подземных вод (рис. 47а). Выделим полосу по ходу

движения потока в контуре точек A, B, C, D (рис. 47б).

Здание Здание

B C

вл

a a

T T T T

вл

а)

б)

вл

Рис. 47. Барражный эффект группы вытянутых зданий: а — план зданий; б —

расчетная схема обтекания прямоугольной преграды в полосе

Запишем формулу для вычисления максимального дополнительного

подпора h

max

от барражного эффекта в центральной точке А перед здани-

ем, расположенной со стороны набегающего потока подземных вод (см.

154

рис. 47а). Находим в [13, с. 221] модуль формы, соответствующий схеме

преграды в полосе, показанной на рис. 47б. Модуль формы дан по

Н.Н. Павловскому для абсолютно непроницаемой преграды. Расширим

задачу введением параметра



из формулы ( 191) для учета случая

слабопроницаемых преград, например зданий на свайных фундаментах.

Тогда получим приближенную зависимость для расчета максимального

дополнительного подпора подземных вод за счет барражного эффекта ряда

вытянутых зданий в виде

( 195)

которая действительна при соотношениях размеров зданий в плане

b/a  0,1,

что проверено моделированием. Погрешность менее 2–3 % (см. пример 46

в [262]).

При неполном перекрывании конструкциями потока подземных вод

возникает плоско-вертикальное обтекание преграды. Например, на рис. 48

показана станция метро со «стенами в грунте», частично перекрывшая по-

ток напорных подземных вод (НПВ). Конструкция станции является абсо-

лютно водоупорной преградой, так как проникновение воды в метро недо-

пустимо.

В данном случае для расчета барражного эффекта можно применить

следующий прием: мысленно заменим конструкцию станции в напорном

потоке на эквивалентную завесу шириной 2b с пониженным коэффициен-

том фильтрации k

, отличным от коэффициента фильтрации пласта k. То-

гда величину дополнительного подпора НПВ Н над естественным пьезо-

метрическим уровнем (см. рис. 48) можно найти от влияния эквивалентной

завесы.

Величину Н запишем с использованием понятия виртуальных длин

потока по Н.Н. Павловскому [182] и с учетом результатов нашей научно-

исследовательской работы [202] в виде

0 вл

max

2 a

ln ctg 1 ,

4 T

q L

 



 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

155

УГВ

УНПВ

H

Станция

h

вл

Рис. 48. Барражный эффект потоков подземных вод станцией метро

( 196)

где y

— координата сечения напорного пласта, где определяют дополни-

тельный подпор Н, которую нужно отсчитывать от границы зоны влия-

ния барража L

вл

по направлению к преграде (см. рис. 48); cos



— коси-

нус угла набегания потока НПВ в плане, который имеет уклон гидроизо-

пьез I

Найдем k

эквивалентной завесы. Имеем напорный поток, состоящий

из четырех фрагментов длиной L

вл

, b, b и L

вл

(см. рис. 48). На всей длине

потока действует некоторая общая разность напоров Н

общ

С одной стороны, фильтрационный расход на единицу ширины фронта

потока

1 2 3 4

общ

   





  

где



— фильтрационные сопротивления фрагментов соответ-

ственно длиной L

вл

, b, b и L

вл

 

вл

н н

вл *

1 cos ,

L b

H y I

L b k k



 



  

 



 

156

Значения



определяем с использованием [13] и получаем

вл

1 4

2 3

д д

1 2

lnsin ;

1 2

lnsin ,

L m

k M M

b m

k M M



 



 



 

  

 

 

 

  

 

 

где обозначения см. рис. 48.

С другой стороны, тот же фильтрационный расход, но при замене кон-

струкции преграды в пласте на эквивалентную завесу шириной 2b с коэф-

фициентом фильтрации k

, можно записать в виде

5 6 7

общ

  





 

где



— фильтрационные сопротивления зон соответственно под-

пора длиной L

вл

с коэффициентом фильтрации k, завесы шириной 2b с ко-

эффициентом фильтрации k

и зоны понижения УНПВ длиной L

вл

с коэф-

фициентом фильтрации k.

Значения этих сопротивлений по закону Дарси записываются так:

вл

5 7 6

; .

kM k M

  

  

Приравнивая выражения расходов, после выкладок получим формулу

для вычисления коэффициента фильтрации эквивалентной завесы k

, заме-

няющей конструкцию преграды в напорном потоке в виде

( 197)

Пример 45 в [262] иллюстрирует применение полученных формул.

Резюмируя результаты данного параграфа, можно отметить, что разра-

ботана методика приближенных аналитических расчетов по прогнозам

подтопления в условиях городского строительства, позволяющая оцени-

вать барражный эффект.

д д

ln sin sin .

2 2

kb b m m

M M M M

 





 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

157

3.4. Прогнозы водоотлива, водопонижения и дренажа

В период строительства может происходить фильтрация подземных

вод к открытым выемкам (траншеям и котлованам), а также к подземным

выработкам. Характер фильтрации зависит:

— от гидрогеологического сложения грунтов в разрезе и плане;

— конструктивных и планировочных решений застройки на рассмат-

риваемой территории;

— технологии и организации строительства.

Вследствие особенностей характера фильтрации расчеты можно под-

разделить по движению подземных вод к выемкам и выработкам:

— в однородных водоносных пластах;

— естественно-неоднородных пластах;

— техногенно-неоднородных пластах.

Схема однородного изотропного пласта может быть принята для пер-

воначальных расчетов в любом случае. Поэтому она рассмотрена в первую

очередь. При наличии естественной гидрогеологической неоднородности

по вертикали (в разрезе) и в горизонтальном направлении (плановая неод-

нородность) фильтрационные расчеты могут быть выполнены, но они ус-

ложняются. Более достоверным способом в этом случае является модели-

рование (см. п. 5.3). То же самое относится к учету техногенной неодно-

родности, связанной с уплотнением грунтов в процессе строительства,

внедрением непроницаемых и слабопроницаемых конструкций в водонос-

ные грунты. В последнем случае также могут быть проделаны фильтраци-

онные расчеты, достаточно схематизированные. Окончательный прогноз

подтопления и дренирования лучше уточнить моделированием.

В городском строительстве применяют водоотлив, водопонижение и

дренаж как активные методы борьбы с подтоплением. Водоотлив из котло-

158

ванов и траншей имеет самую простую технологию откачки насосами

грунтовых вод из открытых строительных выемок и подземных выработок

в период строительства. Водопонижение скважинами и иглофильтрами

технологически выполнить гораздо сложнее, но защита от подтопления

получается надежнее, но тоже лишь на период строительства. Дренаж мо-

гут устраивать временно на период строительства, но чаще всего его дела-

ют капитальным, на весь срок эксплуатации объекта строительства. Пере-

численные особенности накладывают отпечаток на методики фильтраци-

онного расчета и моделирования строительного водоотлива, водопониже-

ния и дренажа. Водоотлив и водопонижение нужно рассчитывать при не-

стационарном, а дренажи — при стационарном или нестационарном ре-

жиме фильтрации. Кроме того, в условиях городской застройки необходи-

мо учитывать изменение проницаемости грунтов оснований в период

строительства и эксплуатации объектов (см. п. 3.2 и 5.1).

Водоотлив из строительных выемок (котлованов и траншей) и вырабо-

ток (тоннелей и шахт) может производиться в два этапа. На первом этапе

откачивается вода из емкости выемки или выработки. При этом происхо-

дит снижение уровня воды в их емкости и одновременный водоприток

подземных вод в нестационарном режиме. Если поблизости в водоносном

пласте имеется граница I рода с постоянным напором, то через некоторое

время наступает второй этап стационарной фильтрации. Возможен также

случай, когда при высокопроизводительных насосных установках уровень

воды в выемке достигает дна и тогда приток подземных вод происходит

при постоянном напоре в месте водоотлива — это разновидность второго

этапа водоотлива. В производственных условиях при выполнении земля-

ных работ с водоотливом возможна аварийная остановка насосов по раз-

личным причинам. Тогда происходит наполнение емкости выработки или

выемки. Такой случай тоже необходимо предусматривать в фильтрацион-

ных расчетах водоотлива. Если же водоотлив ведется с перерывами и,

159

кроме того, в условиях неоднородных грунтов городской застройки, то

фильтрационные расчеты становятся слишком сложными и проектирова-

ние водоотлива лучше моделировать (см. 5.3).

В некоторых производственных и учебных изданиях [73, 279, 280]

фильтрационные расчеты водоотлива трактуют упрощенно. В лучшем слу-

чае применяют формулы Дюпюи для установившегося водопритока в со-

вершенные траншеи и котлованы в однородном пласте конечной мощно-

сти. Иногда ограничиваются лишь таблицей водопритока подземных вод

на метр квадратный дна котлована в зависимости от типа грунта. Такие

методики не позволяют учесть множество особенностей городского строи-

тельства и гидрогеологии городов и потому не надежны.

Из достаточно проработанных аналитических методов по расчету во-

доотлива следует отметить книги [225] и [265]. В работе А.Б. Сотникова

[265] рассмотрены гидрогеологические прогнозы при строительстве в

суровых климатических условиях главным образом Байкало-Амурской

железнодорожной магистрали (БАМа). Аналитические зависимости

позволяют сделать приближенный прогноз водоотлива, в том числе с

учетом барражного эффекта при частичном перемерзании

фильтрационного потока. Книга Б.Г. Самсонова [225] содержит методику

прогноза притоков подземных вод к разведочным горным выработкам с

учетом их строительного развития во времени. Все эти методики построе-

ны в рамках линеаризованной гидравлической теории фильтрации [194;

195] со всеми свойственными ей приближениями.

При проектировании водоотлива необходимо составить прогноз водо-

притоков, понижения УПВ и оценить возможные последствия применения

водоотлива на разрабатываемые грунты и окружающую территорию за-

стройки. В простых случаях или в первом приближении это может быть

рассчитано приближенно по аналитическим зависимостям. В более слож-

ных — лучше уточнить прогноз моделированием.

160

Так как водоотлив предназначен в основном для стадии строительства,

то его нужно рассчитывать при нестационарном режиме фильтрации. Наи-

более простой является методика расчета водоотлива при постоянном на-

поре в строительных выемках и выработках. Фильтрационные расчеты во-

доотлива из котлованов и траншей и соответственно расчеты водоприто-

ков в пластовые и ленточные дренажи почти идентичны.

Существующие методики фильтрационного расчета водоотлива ис-

пользуют линеаризованную гидравлическую теорию фильтрации [194;

195]. Ниже приведены решения автора без линеаризации гидравлической

теории, то есть без введения средней мощности пласта грунтовых вод.

Водоприток грунтовых вод в гидродинамически несовершенную тран-

шею в однородном однослойном пласте (рис. 49) можно рассчитать по

формуле Дюпюи, уточненной по методу фильтрационных сопротивлений

С.Н. Нумерова [11] — Ю.П. Борисова [31]. При постоянном напоре в

траншее h

односторонний водоприток

( 198)

где k — коэффициент фильтрации водоносного пласта; L

— расчетная

длина области питания траншеи (для расчета водопритока), которая при-

мерно в два раза меньше истинной зоны влияния на УГВ L

вл

[313]; h

—

напор грунтовых вод в естественном залегании (или в условиях техноген-

ного подтопления); h

— напор в траншее;



— дополнительное фильтра-

ционное сопротивление несовершенной траншеи, которое возникает

вследствие искривления линий тока фильтрационного потока, притекаю-

щего из грунта в траншею (см. рис. 49).

Наше моделирование МКР-Excel (МЭТ) профильных задач фильтра-

ции грунтовых вод при водоотливе из траншей в гидромеханической по-

становке позволило критически оценить и выбрать наиболее точные суще-

ствующие методики для определения







 

2 2

e т

2 1

k h h







