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

Подождите немного. Документ загружается.

281

Здесь пространственные координаты надо задавать так же, как показа-

но на рис. 70.

Общий ток в системе электроосмотического водопонижения определя-

ется как сумма токов отдельных однополюсных электродов, А:

( 301)

где N

— число однополюсных электродов.

Затраты электроэнергии при работе установки электроосмотического

водопонижения можно найти по известной формуле [119], Дж:

( 302)

где U — общее электрическое напряжение в системе (разность потенциа-

лов), В; t — время работы установки под напряжением, с. Полученное

значение расхода электроэнергии W можно перевести из джоулей в

киловатт-часы с помощью соотношения: 3600000 Дж = 1 кВт



ч.

Электрическое сопротивление отдельного электрода можно найти из

формулы ( 298) по закону Ома так:

( 303)

Полученные формулы использованы для МЭТ-моделирования сопро-

тивлений электродов в грунте и критически сопоставлены с сопротивле-

ниями, вычисленными аналитически по [219] — см. пример 66 в [262]. Вы-

явлена ошибка аналитики до 66 % завышения расхода электроэнергии.

От нормально работающей системы водопонижения требуется, чтобы

она осушала область грунта в зоне строительной открытой выемки (тран-

шеи или котлована) или подземной выработки (щитовой проходки). Со-

гласно нормативным документам по защите горных выработок от подзем-

I I





W = IUt,

э 0

L U U





 



 

 



282

ных вод [234], расчет систем водопонижения необходимо производить при

неустановившейся фильтрации воды с постоянным напором в скважинах.

Таким образом, на первом этапе моделирование строительного водо-

понижения следует выполнять чисто по фильтрации воды. При этом надо

определить положения кривых депрессий УПВ, время осушения водона-

сыщенных грунтов, водопритоки к системам водопонижения, выбрать ра-

циональные схемы размещения элементов систем (в основном, скважин)

на строительной площадке. Все перечисленные характеристики являются

наиболее важными для технологии строительного водопонижения, но на

этом этапе они определяются весьма приближенно.

На втором этапе — следуя термину В.М. Григорьева [60] «комплекс-

ный расчет» — следует произвести комплексное моделирование, в ходе

которого кроме фильтрации воды рассматривается фильтрация воздуха, а

также процессы циркуляции водовоздушной смеси по трубам. Дополни-

тельно подбирают насосное оборудование [26].

Рассматривая методику моделирования вакуумного водопонижения,

совмещенного с электроосмотическим, вначале определим план работ с

учетом особенностей физических процессов фильтрации воды, воздуха и

электроосмоса.

Осмысление физических и технологических особенностей данной раз-

новидности строительного водопонижения для слабопроницаемых грунтов

позволяет наметить следующие пункты динамического нестационарного

моделирования с помощью МКР-Excel (МЭТ):

1. Вначале надо решить стационарную плановую задачу по нахожде-

нию поля электрических потенциалов U

(В) в грунте строительной пло-

щадки за счет работы источника напряжения постоянного тока, подсоеди-

ненного отрицательным полюсом к скважинам-катодам, а положительным

— в электродам-анодам. Здесь же определяются сила тока через каждый

электрод, суммарная сила тока и затраты электроэнергии (время работы

283

установки определится в конце общего моделирования).

2. Найденное на первой модели поле потенциалов U

надо использо-

вать на другой модели с совместным процессом нестационарной плановой

фильтрации воды при электроосмосе и вакуумировании. В результате бу-

дут найдено время осушения грунта, положение сниженного УПВ от дей-

ствия комбинированной установки водопонижения, раздельные водопри-

токи в скважины за счет электроосмоса и вакуумирования, а также сум-

марные водопритоки.

3. С учетом полученных значений сниженного УПВ и остаточной

влажности грунта проверить возможность воздухопритока в вакуумные

скважины. При необходимости промоделировать воздухоприток в скважи-

ны и получить значения расходов воздуха, фильтрующегося в скважины

через слой осушенного грунта.

4. Рассчитать циркуляцию воды и (возможно) воздуха в гидравличе-

ской трубопроводной системе водопонижения. Найти параметры для под-

бора насосного оборудования.

Последний пункт моделировать необязательно. Можно ограничиться

расчетом по формулам, так как гидравлика трубопроводов водопонизи-

тельных систем достаточно надежно проработана аналитически в ряде из-

даний: [26; 27; 60; 106; 219].

Приведем формулы моделирования для наиболее распространенного

случая плановой нестационарной двухмерной (в горизонтальной декарто-

вой системе координат) электроосмотической и нелинейной (по Буссине-

ску) фильтрации грунтовых вод с вакуумированием на горизонтальном

водоупоре. Они могут быть получены на основе балансового принципа

А.А. Самарского или прямым путем из системы ( 48). Они могут быть так-

же записаны на основе общей формулы ( 271) по аналогии так (см.

рис. 70):

а) формула моделирования напора при электроосмотической фильтра-

284

ции с коэффициентами k



при мощности грунта М

     

1 0 2 0

0 0

0 1 3 1 2 0 2 4

0 3 0 4

3 0 3 1 0 4 2 4

;

S S

k M Dt U U U U

H H

x x x x y y y y

U U U U

x x x x y y y y







 

   



   





 



   



( 304)

б) при вакуумировании грунтовых вод









  









  

 

  

 

  

1 0 1 0 2 0 2 0

0 0

0 1 3 1 2 0 2 4

0 3 0 3 0 4 0 4

3 0 3 1 0 4 2 4

S S S S S S S S

S S

S S S S S S S S

h h H H h h H H

k Dt

H H

x x x x y y y y

h h H H h h H H

x x x x y y y y







   



   

   







   



 

   





( 305)

В формуле ( 305) величину

назовем, вслед за В.М. Григорьевым [60,

с. 71; 62, с. 58], полной глубиной потока грунтовых вод:

( 306)

где h — мощность грунтовых вод; h

— высота капиллярной зоны над

УГВ;



— коэффициент приведения капиллярной зоны к полностью водо-

насыщенной зоне. Вблизи вакуумной скважины h может полностью срабо-

таться под влиянием вакуума. Тогда вода в скважину поступает через при-

веденную капиллярную зону высотой



[60]. В.М. Григорьев на основе

опытных данных [60, с. 208; 62, с. 58] рекомендовал принимать для усло-

вий водопонижения при нестационарной фильтрации в слабопроницаемых

грунтах коэффициент



= 0,7. С.Ф. Аверьянов [6, с. 96] для длительно про-

текающих процессов стационарной фильтрации нашел, что



= 0,3. Кол-

лектив авторов справочного пособия к СНиП [204, с. 187] рекомендует

принимать для вакуумных дренажей



= 0,1...0,2. Все предложения прове-

рены практикой защиты от подтопления.

h h h



 

285

Скважины системы вакуумного водопонижения надлежит рассчиты-

вать с учетом неустановившейся фильтрации воды при постоянном напоре

[234, с. 7].

Приток грунтовых вод за счет электроосмотической фильтрации в

скважину-катод с потенциалом U

можно найти на модели с квадратной

сеткой так:

( 307)

Рассмотрим скважину с напором H

, на стенке которой полная глубина

грунтовых вод

соответствует выражению ( 306). Тогда водоприток за

счет вакуумирования водоносного пласта можно выразить при квадратной

сетке на модели в виде

( 308)

Полный водоприток в скважину совместной системы электроосмоти-

ческого и вакуумного водопонижения

( 309)

Полный водоприток всей системы водопонижения Q есть сумма водо-

притоков отдельных скважин Q

. Модель позволяет найти точно долю во-

допритока за счет электроосмоса и долю — за счет вакуумирования, то

есть раздельно — см. пример 67 в нашей монографии [262].

Приведенные формулы позволяют моделировать системы водопони-

жения при условии их нормальной работы без перебоев. Однако такая тех-

нология строительного процесса является идеальной, так как останов сис-

темы водопонижения может произойти случайно в силу различных при-

чин. Например, если неожиданно отключат электроэнергию на строитель-

ной площадке, то отключится и электроосмос, и вакуум в водоносном пла-

сте. Приведем зависимости, позволяющие моделировать аварийные сбои в

эо

c э 0

4 4 .

Q k M U U



 

 

 

 

 

 

 



 

c 0 0

i i

Q h h H H



 

  

 

 



= Q

эо

+ Q

286

работе системы водопонижения.

Рассмотрим аварийный останов системы в момент времени t

от начала

ее работы вследствие отключения электроэнергии. При обесточивании ис-

чезнет электрическое поле постоянного тока в грунте строительной пло-

щадки. Этот факт реализуется на модели присвоением с момента времени

значения коэффициенту электроосмотической фильтрации k

= 0 в таб-

лице исходных данных с именами. Тогда, согласно формуле ( 304), про-

цесс электроосмоса на модели будет отключен.

При отключении электроэнергии насосы тоже отключатся. Тут же пе-

рестанут работать эжекторы и исчезнет вакуум в скважинах. Тогда в сква-

жине образуется начальный напор, соответствующий уровню воды на от-

метке эжектора по верху отстойника скважины. Начнется обратный про-

цесс восстановления УГВ с его повышением.

Грунтовая вода из периферийных зон области фильтрации на границе

зоны влияния откачки начнет поступать в осушенную зону. При этом вода

будет поступать и в скважины, что вызовет ее накопление в стволах сква-

жин и повышение напора самих скважин. Таким образом, скважины после

аварийного останова системы будут иметь переменный напор.

Время, с момента которого с погрешностью около 5 % не обязательно

учитывать емкость скважин, можно найти по известной зависимости [53, с.

63; 313, с. 283]:

( 310)

где F

— площадь поперечного сечения ствола скважины; S

— понижение

уровня воды в скважине относительно естественного УГВ; Q

— водопри-

ток в скважину на момент останова (без учета электроосмотической час-

ти).

Время t

надо отсчитывать от момента аварийного останова t

. Так как

на модели время t отсчитывается с момента начала работы системы, по-

= 20 F

/ Q

287

этому

( 311)

Формула моделирования изменяющегося напора в стволе скважины

имеет вид

( 312)

где H

S+1

и H

— напоры в скважине на последующий и предыдущий

моменты времени с шагом Dt. Эти напоры надо назначать на модели с

учетом шага пространственной квадратной сетки DL и радиуса скважины

по формуле ( 278).

В примере 67 монографии [262] продемонстрировано моделирование

вакуумно-электроосмотического водопонижения. Реализовано производ-

ственное моделирование установки вакуумного эжекторного водопониже-

ния для Омского метрополитена, усиленной электроосмосом. Так как ко-

эффициент фильтрации суглинка имел предельное по В.Кнаупе [99] значе-

ние для применения вакуумного водопонижения k = 0,01 м/сут, то решено

усилить осушительные работы по вакуумированию в зоне щитовой про-

ходки с помощью электроосмотического водопонижения, которое допол-

нительно закрепляет грунт [78].

При глубоком водопонижении в соответствии с критериями (51)–(52) и

нестационарном фильтрационном процессе осушения грунта была приме-

нена нелинеаризованная гидравлическая постановка фильтрации грунто-

вых вод. Движение влаги в капиллярной зоне, следуя В.М. Григорьеву

[60], учтено высотой приведенной капиллярной зоны. Однако В.М. Гри-

горьев применял для расчета чисто вакуумного водопонижения линеаризо-

ванные постановки. С помощью метода автора МЭТ такие упрощения не

требуются, лишь специальными тестовыми задачами было обосновано в

данном случае применение гидравлического метода вместо гидродинами-

ческого. Кроме того, авторская технология МЭТ позволяет проводить од-

новременное (без использования принципа суперпозиции) моделирование

= t – t

S+

= H

+ Q

Dt / F

288

процессов, в данном примере — вакуумной фильтрации и электроосмоса.

Промоделированное стационарное электрическое поле наложено на неста-

ционарное поле вакуумной фильтрации воды в грунте зоны щитовой про-

ходки. В результате получаются карты понижений УГВ, одна из которых

показана на рис. 81 (пусковая камера щита заштрихована) [262].

Рис. 81. Карта понижений УГВ через 12 суток работы совмещенной установки

водопонижения (моделирование по автору)

Методика моделирования дренажа принципиально не отличается от

моделирования строительного водоотлива и водопонижения. Все нарабо-

танные приемы — в том числе и при прогнозном моделировании подтоп-

ления — пригодны для применения здесь.

Для полноты изложения метода МЭТ сошлемся на пример 68 [262]

моделирования трехмерной нестационарной фильтрации подземных вод в

крестообразный лучевой дренаж — макропрограмму к нему см. в прил. 3.

Более сложные случаи моделирования процессов подтопления, водоот-

лива, водопонижения и дренирования в ходе проектирования защиты от

подтопления в городском строительстве могут возникнуть при наличии

водонасыщенных грунтов оснований, обладающих анизотропией фильтра-

ционных параметров, двойной пористостью, повышенной слоистостью.

Эти сложности для информационной технологии МКР-Excel (МЭТ) явля-

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

289

ются лишь количественными, но принципиальной трудности не представ-

ляют при использовании изложенных в данной диссертационной работе и

нашей монографии [262] методов, методик и технологий авторского моде-

лирования в электронных таблицах.

5.4. Выводы по главе 5

Достоверность новой информационной технологии — авторского ме-

тода моделирования в электронных таблицах (МЭТ) — проверена и под-

тверждена тщательным многолетним тестированием (научно-

исследовательским моделированием автора) процессов подтопления и

дренирования на типовых расчетных схемах областей фильтрации: в двух-

мерной и одномерной постановках; при стационарных и нестационарных

процессах фильтрации подземных вод; в декартовых и цилиндрических

координатах; в однородных и неоднородных по проницаемости водонос-

ных пластах и др., а также натурными обследованиями [262].

Полученные моделированием результаты были сопоставлены с расчет-

ными значениями напоров подземных вод и водопритоков, найденных по

известным точным аналитическим зависимостям для соответствующих

расчетных схем, которые в свое время получили В.И. Аравин, Г.И. Барен-

блатт, В.В. Ведерников, Н.Н. Веригин, М. Маскет (M. Muskat), А.Ж. Муф-

тахов, С.Н. Нумеров, Н.Н. Павловский, П.Я. Полубаринова-Кочина,

А.В. Романов. Расхождения значений составили от 2–3 % на малых моде-

лях (10–1000 узлов) до сотых–тысячных долей процентов на средних мо-

делях (1000–10000 узлов), что удовлетворяет общепринятым критериям

инженерной точности.

Таким образом, авторский метод моделирования в электронных табли-

цах (МЭТ) эффективен и полезен для определения влияния городского

строительства на подтопление и дренирование территорий, позволяет по-

лучать научно обоснованные технические решения по защите от подтоп-

ления городских территорий, внедрение которых вносит значительный

вклад в развитие экономики страны за счет предотвращенного ущерба от

подтопления.

290

Заключительные выводы и рекомендации

1. На основании выполненных автором исследований разработан но-

вый подход к защите от подтопления в городском строительстве, позво-

ляющий принимать научно обоснованные технические решения по борьбе

с подтоплением территорий, внедрение которых вносит значительный

вклад в развитие экономики страны за счет предотвращенного ущерба от

подтопления. В частности, для г. Омска предотвращенный годовой ущерб

от подтопления на селитебной территории может достигать 83,93 млн. руб.

(в базовых ценах 1984 г.), что составляет не менее трети средств на строи-

тельство жилья.

2. Разработанная автором классификация (см. табл. 2) показала, что

наибольшее влияние на подтопление и дренирование территорий оказыва-

ют строительные конструкции и технологии цикла инженерной подготов-

ки и нулевого (подземного) цикла. Общая тенденция влияния городского

строительства (ГС) направлена в сторону подтопления, нежели дренирова-

ния, поэтому необходимо усиливать защиту от подтопления мероприятия-

ми, влияющими на дренирование, особенно применением дренажа, как

наиболее надежного средства.

3. На основе анализа существующих подходов, методов, методик и

критериев прогнозов и моделирования процессов фильтрации, относящих-

ся к влиянию городского строительства на подтопление и дренирование

территорий, автором поставлен и разработан новый конструктивно-

технологический подход к защите от подтопления в городском строитель-

стве.

4. Разработан и широко применен новый прикладной математический

метод автомодельных движений с численным моделированием (АДЧМ),

позволяющий получать точные гидравлические решения по фильтрации

грунтовых вод с малой мощностью потоков. Получены новые решения для