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

Подождите немного. Документ загружается.

[303]. Подобие этих законов позволяет совместно использовать решения

дифференциальных уравнений движения и моделировать по аналогии.

Отечественные ученые внесли значительный вклад в развитие теории

фильтрации. Профессор Н.Е. Жуковский в 1889 г. опубликовал работу

«Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод» с выводом

общих дифференциальных уравнений фильтрации [79]. Книги академика

Н.Н. Павловского [182] вышли в свет в 1920-30 гг., заложив фундамент

отечественной школы фильтрации и моделирования.

В период 1930-40 гг. в СССР решали преимущественно стационарные

(установившиеся) фильтрационные задачи с применением метода кон-

формных отображений. Этот метод позволял решать двухмерные задачи,

напорные и безнапорные. Такие задачи назвали гидродинамическими или

гидромеханическими [206]. Гидромеханический метод в теории фильтра-

ции разработал Н.Н. Павловский [183; 182], в дальнейшем этот метод раз-

вивали В.И. Аравин, С.Н. Нумеров, В.В. Ведерников и другие отечествен-

ные ученые [12].

С конца 1940-х — начала 1950-х гг. расчеты начали дополняться реше-

ниями нестационарной фильтрации, преимущественно в рамках так назы-

ваемой гидравлической теории фильтрации с использованием предпосыл-

ки Дюпюи, когда фильтрационный напор упрощенно считают не завися-

щим от вертикальной координаты [195]. В этих решениях широко исполь-

зуется математическая аналогия теорий фильтрации, теплопроводности и

диффузии. Это позволило распространять имеющиеся решения из одной

дисциплины в другую. Наиболее продуктивным оказался операторный ме-

тод решения дифференциальных уравнений фильтрации [206]. Расчетные

методики с гидравлическими решениями создали С.К. Абрамов, С.Ф.

Аверьянов, В.И. Аравин, В.А. Барон, Ф.М. Бочевер, Н.Н. Веригин, Е.С.

Дзекцер, Н.П. Куранов, Н.Н. Лапшин, В.А. Мироненко, А.Ж. Муфтахов,

Р.А. Нагуманов, В.П. Недрига, С.Н. Нумеров, П.Я. Полубаринова-Кочина,

Г.А. Разумов, А.В. Романов, В.К. Рудаков, В.С. Саркисян, В.С. Усенко,

И.А. Чарный, Э.Б. Чекалюк, Б.С. Шержуков, А.П. Шевчик, В.Н. Щелкачев,

В.М. Шестаков, Ц.Н. Шкинкис, Д.Ф. Шульгин и многие другие.

В 1940-60 гг. вопросами теории и практики защиты от подтопления в

промышленном и городском строительстве занимался профессор С.К. Аб-

рамов (ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР). В 1960-90 гг. происходила нара-

ботка аналитических решений по защите от подтопления городов. В

1975 г. А.Ж. Муфтахов разработал гидродинамические основы прогнозов

подтопления и фильтрационных расчетов защитного дренажа в сложных

гидрогеологических условиях [152]. В 1986 г. в СССР впервые был опуб-

ликован СНиП 2.06.15-85 «Инженерная защита территории от затопления

и подтопления» [235]. В 1991 г. вышло справочное пособие к СНиП [204],

содержащее аналитические решения по теории фильтрации. Данное спра-

вочное пособие к СНиП было разработано группой ученых под руково-

дством профессора А.Ж. Муфтахова (ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР).

Кроме фильтрационных расчетов в пособие к СНиП включены разделы по

предупредительным мероприятиям, конструкциям дренажей и их гидрав-

лическому расчету. С 1990-х гг. развитие научной фильтрационной школы

НИИ ВОДГЕО продолжил профессор Н.П. Куранов [116].

За рубежом теория фильтрационных расчетов была разработана не-

сколько раньше, чем в России. В 1857 г. Жорж Дюпюи (J. Dupuit) предста-

вил свой мемуар по динамике подземных вод, который более известен по

второму изданию 1863 г. [332], где дал основы гидравлической теории

движения грунтовых вод [195]. Развитие этой теории получило в трудах

другого французского ученого Жозефа Буссинеска (J. Boussinesq) в конце

XIX — начале XX вв. [329]. Интересно, что данная теория до сих пор оста-

ется основной при фильтрационных расчетах и моделировании защиты от

подтопления. Австрийский ученый Филипп Форхгеймер (Ph. Forchheimer)

обобщил гидравлическую теорию Дюпюи [297; 333]. Ученый из США М.

Маскет опубликовал в 1937 г. крупную работу по теории фильтрации, ко-

торая была переведена на русский язык в 1949 г. [137]. Ему удалось, в ча-

стности, получить точное решение для гидродинамически несовершенной

скважины. Более полный обзор зарубежных работ представлен в книгах

[12; 38; 183; 195; 206].

Моделирование защиты от подтопления в России и СССР началось с

работы Н.Н. Павловского 1922 г. [183], предложившего метод электрогид-

родинамических аналогий (ЭГДА). Численный метод конечных разностей

в гидрогеологии начал применять Г.Н. Каменский с 1943 г. [87]. Подроб-

ный обзор становления моделирования в нашей стране и за рубежом при-

веден в монографии И.К. Гавич «Теория и практика применения модели-

рования в гидрогеологии» [49]. Значительный вклад в развитие отечест-

венного моделирования внесли В.И. Аравин, И.К. Гавич, Н.И. Дружинин,

И.Е. Жернов, Г.Н. Каменский, А.В. Лебедев, В.С. Лукьянов, Е.А. Ломакин,

В.А. Мироненко, С.Н. Нумеров, Д.Ю. Панов, И.С. Пашковский, А.А. Са-

марский, П.Ф. Фильчаков, В.М. Шестаков и другие.

За рубежом наиболее существенные работы по моделированию фильт-

рации опубликовали М.П. Андерсон (M.P. Anderson), Я. Бэр (J. Bear), К.А.

Бреббиа (C.A. Brebbia), Дж. Ф. Ванг (J.F. Wang), Т.В. Громадка II

(T.V. Hromadka II), Р.Дж.М. Де Уист (R.J.M. De Wiest), О. Зенкевич

(O. Zienkiewich), У. Карплюс (W. Karplus), Л.Ф. Коников (L.F. Konikow),

С.П. Ларсон (S.P. Larson), Ч. Лей (C. Lai), Г.П. Леннон (G.P. Lennon),

Дж.А. Лиггетт (J.A. Liggett), Л. Лукнер (L. Luckner), П.Л.Ф. Лью

(P.L.F. Liu), Т. Нарисимхан (T. Narisimhan), Г.Ф. Пиндер (G.F. Pinder),

Д.В. Писмен (D.W. Peaceman), К.Р. Раштон (K.R. Rushton), И. Ремсон

(I. Remson), Р.В. Соутвелл (R.V. Southwell), Р.В. Столлмен (R.W. Stallman),

П.К. Трескотт (P.C. Trescott), Д.К. Тодд (D.K. Todd), Х.С. Хеле-Шоу

(H.S. Hele-Shaw), Г.М. Хорнбергер (G.M. Hornberger), И.К. Чанг

(Y.K. Cheung) и другие.

В настоящее время моделирование фильтрации подземных вод при за-

щите от подтопления во всём мире реализуется численно на ЭВМ (компь-

ютерное моделирование) и считается наиболее чистым способом. Анало-

говое моделирование устарело, установки типа ЭГДА, БУСЭ и УСМ уже

давно не выпускаются промышленностью. Физическое моделирование

фильтрации в грунтовых лотках играет подчинённую роль и применяется

лишь для изучения частных, локальных эффектов фильтрации.

В подавляющем большинстве публикаций по численному моделирова-

нию существует проблема чрезвычайной сложности методик. Даже если

текст программы приводится, от пользователя требуется, чтобы он допол-

нительно стал прикладным математиком и профессиональным программи-

стом. Это сильно тормозит широкое внедрение компьютерного моделиро-

вания фильтрации. Поэтому нами разработана и представлена новая тех-

нология численного моделирования фильтрации [262]. Применен метод

конечных разностей в электронных таблицах, получивший название МЭТ

— моделирование в электронных таблицах (см. главы 4 и 5).

Технология моделирования фильтрации в электронных таблицах

внешне напоминает дискретное аналоговое моделирование на сеточных

электроинтеграторах резисторного типа. Это позволяет использовать нара-

ботки ставшими классических книг по аналоговому моделированию гео-

фильтрации И.К. Гавич, И.Е. Жернова, Л. Лукнера, В.А. Мироненко, В.М.

Шестакова и других авторов. С другой стороны, таблицы имеют массовое

распространение и обладают встроенными языками макропрограммирова-

ния. Это позволяет исследователям эволюционно наращивать возможности

по автоматизации моделирования в процессе накопления опыта, что было

проблематично на аналоговых моделях. Аудитория пользователей таблиц

огромна, легко налаживать информационный обмен и быстро обучать мо-

делированию. Основные приемы МЭТ приведены достаточно полно в на-

шей монографии [262], где метод назван МКР-Excel.

В России водопонижение с помощью скважин начали применять в

конце XIX века. До этого в котлованах, траншеях и шахтах применяли во-

доотлив насосами. В 1920-30-х гг. профессор И.П. Кусакин разработал

гидравлическую методику расчета для обоснования проектирования ис-

кусственного водопонижения [118]. В 1940-50-х гг. в нашей стране поучи-

ли распространение иглофильтровый и эжекторный способ водопониже-

ния. Методики расчета строительного водопонижения в 1950-60 гг. опуб-

ликовали С.К. Абрамов, С.Ф. Аверьянов, В.И. Аравин, П.П. Аргунов,

Ю.П. Борисов, Н.Н. Веригин, В.М. Григорьев, Г.М. Мариупольский,

С.Н. Нумеров, А.В. Романов, И.А. Чарный, В.М. Шестаков. В 1970-90-х гг.

расчетные методики для установок вакуумного водопонижения представи-

ли Р.Н. Арутюнян, К.С. Боголюбов, Б.С. Краковский и другие.

За рубежом вопросами фильтрационных расчетов при строительном

водопонижении занимались А. Тим (A. Thiem), В. Зихардт (W. Sichardt), К.

Терцаги (K. Terzaghi), А. Кезди (A. Kezdi), И. Шульце (J. Schultze), С. Ир-

мей (S. Irmay), Ф. Форхгеймер (Ph. Forchheimer), Д.Н. Дитц (D.N. Dietz),

В. Кнаупе (W. Knaupe), В. Кирилейс (W. Kyrieleis), Л. Казагранде (L. Ca-

sagrande), Р. Пек (R. Peck) и другие.

Обзор публикаций показывает, что в подавляющем большинстве мето-

дик фильтрационных расчетов по защите от подтопления у различных ав-

торов отсутствует учет техногенных изменений проницаемости грунтов

оснований и особенностей тепловлагообменных ресурсов климата городов.

Исключение составляют лишь отдельные работы, обзор которых приведен

в [206]. Существующие методики фильтрационных расчетов при малой

мощности грунтовых вод и в первоначально необводненных грунтах [206]

охватывают не все важные случаи подтопления и дренирования. Напри-

мер, неизвестно точное решение о радиальном растекании языка по водо-

упору в необводненных грунтах, а также другие случаи, которые рассмот-

рены в нашей работе.

Новейшие публикации по верховодкам и потокам грунтовых вод малой

мощности либо содержат решения в рамках линеаризованной теории

фильтрации (Н.П. Куранов, А.В. Расторгуев, П.В. Кумов [117]), либо носят

частный характер с идеализированными постановками о бесконечно уда-

ленной границе влияния (D.A. Lockington, J.Y. Parlange, M.B. Parlange, J.

Selker [339]), то есть с весьма приближенными решениями.

Техногенные изменения проницаемости грунтов оснований и фильтра-

ционных неоднородностей рассматривали А.Ж. Муфтахов [201], В.К. Ру-

даков [147], В.П. Пилатовский [187], В.С. Спорышев [266], М.И. Швидлер

[307; 309], Г. Шнейдер [345; 346; 347], Р.Г. Поуп и К.С. Хоу [344]. Однако

в этих работах рассмотрены или частные случай плановой неоднородности

(А.Ж. Муфтахов, В.К. Рудаков, В.П. Пилатовский, В.С. Спорышев,

Г. Шнейдер), или только влияние свайных фундаментов на потоки грунто-

вых вод (Р.Г. Поуп и К.С. Хоу), но без учета уплотнения грунта вблизи

свай и т.д.

Стохастические подходы к прогнозам подтопления исследовали

В.К. Рудаков [218], С.П. Поздняков [192]. М.И. Швидлер [308; 309] рас-

смотрел статистические модели неоднородностей, равномерно распреде-

ленных по грунтовому пространству. М.В. Болгов, Е.С. Дзекцер,

В.Ф. Писаренко вероятностно-статистически проанализировали подтопле-

ние застраиваемых территорий [28]. Большое количество работ такого на-

правления по теории фильтрации перечислено в [206].

С каждым годом увеличивается степень изученности инженерной тол-

щи грунтов оснований городов. Городская гидрогеологическая среда ста-

новится всё более детерминированной техногенной системой. Поэтому в

нашей работе все расчеты и моделирование, следуя И.К. Гавич [49], рас-

смотрены для детерминированных систем.

По учету техногенного изменения микроклимата городов при защите

от подтопления публикаций очень мало. Есть частные случаи учета раз-

личных климатических факторов. В справочном пособии к СНиП по защи-

те от подтопления [204] дана таблица техногенной дополнительной ин-

фильтрации влаги на территориях городов в зависимости от климатиче-

ских зон увлажнения. С.Ф. Аверьянов [6] построил расчетные зависимости

фильтрации воды из каналов с учетом испарения. Ряд работ такой же на-

правленности перечислены в монографии П.Я. Полубариновой-Кочиной

[195].

Поэтому достаточно актуальным является совершенствование методов

прогноза и моделирования подтопления и дренирования территорий под

влиянием городского строительства, предпринятое в нашей работе.

Известны несколько методологических подходов к разработке защиты

от подтопления подземными водами.

1. Естественно-гидрогеологический подход. Прогнозы и моделирова-

ние связаны с общей и мелиоративной гидрогеологией. В рамках этого

подхода научные работы опубликовали С.Ф. Аверьянов, В.А. Барон,

Ф.М. Бочевер, Д.М. Кац, Н.Н. Лапшин, В.А. Мироненко, П.Я. Полубари-

нова-Кочина, Г.А. Разумов, В.К. Рудаков, В.С. Усенко, В.М. Шестаков,

Ц.Н. Шкинкис, Д.Ф. Шульгин и др.

2. Техногенно-гидрогеологический подход (С.К. Абрамов, В.Е. Анпи-

лов, В.И. Аравин, Н.Н. Веригин, Н.П. Куранов, А.Ж. Муфтахов, В.П. Не-

дрига, С.Н. Нумеров, А.В. Романов, В.С. Саркисян, А.П. Шевчик,

Б.С. Шержуков и др.).

3. Градостроительный подход (Б.М. Дегтярев, П.В. Радищев и др.).

4. Вероятностно-статистический подход (М.В. Болгов, Е.С. Дзекцер,

В.Ф. Писаренко, С.П. Поздняков и др.).

Предлагаемый автором конструктивно-технологический подход к за-

щите от подтопления территорий городов дополняет перечисленные из-

вестные подходы к защите от подтопления.

1.5. Конструктивно-технологический подход к защите от

подтопления

Основной целью городского строительства (ГС) является комплексная

застройка городов. Проблема подтопления городов подземными водами

препятствует этой цели, поэтому автор предлагает, чтобы помимо основ-

ной цели само ГС попутно реализовало и защиту от подтопления.

Конструктивно-технологический подход автора в городском строи-

тельстве состоит в определении путем прогнозов и моделирования влияния

ГС на подтопление и дренирование территорий с целью защиты от подто-

пления (см. рис. 1). При этом на основе теории фильтрации, осуществляя

аналитические прогнозы, а затем компьютерное моделирование с учетом

усложняющих факторов (малой мощности потоков грунтовых вод, техно-

генных изменений проницаемости грунтов оснований и т.д.) определяют

влияние ГС, затем выбором соответствующих конструктивных решений и

технологий строительства реализуют на практике защиту от подтопления

подземными водами или же минимизируют воздействие на УПВ.

Разновидности ГС, влияющие на подтопление и дренирование терри-

торий, классифицированы в табличной форме (табл. 2).

Составлению данной классификации предшествовали многолетние ис-

следования автора [239–264] путем аналитических прогнозов, физическо-

го, аналогового и численного моделирования фильтрации подземных вод

на застраиваемых территориях, проведения лабораторных опытов и экспе-

риментов, натурных обследований многочисленных подтопленных объек-

тов городского строительства (действие и последействие ГС).

Городское строительство имеет специфические особенности [279], свя-

занные с плотной застройкой, обилием подземных коммуникаций, рекон-

струкцией [311], а с ХХ в. — проблемой подтопления городов и населен-

ных пунктов подземными водами [67; 68; 198; 204; 245].

Таблица 2

Классификация разновидностей городского строительства,

влияющих на подтопление и дренирование территорий

Территория (степень подтопления)

Подтопленная Потенциально подтопляемая

Разновидность

технологии

строительства

Подтопление Дренирование

1 2 3 4 5

I. Цикл инженерной подготовки территорий

Гидронамыв Сильное Слабое Сильное Слабое

Возведение дамб Слабое Нет влияния Слабое Нет влияния

Устройство дренажа Нет влияния Сильное Нет влияния Сильное

Вертикальная

планировка

Среднее

Слабое

Среднее

Слабое

II. Нулевой (подземный) цикл строительства зданий и сооружений

Открытые выемки

грунта

Среднее

Водоотлив Слабое Сильное Не действует Не действует

Водопонижение Слабое Сильное Не действует Не действует

Устройство дренажа Нет влияния Сильное Нет влияния Сильное

Щитовая

проходка

Среднее

Слабое

Среднее

Слабое

Устройство свайных

фундаментов

Среднее

Нет влияния

Среднее

Нет влияния

Устройство сплош-

ных фундаментов

Среднее

Нет влияния

Среднее

Нет влияния

Устройство ленточ-

ных фундаментов

Среднее

Нет влияния

Среднее

Нет влияния

Устройство отдель-

ных фундаментов

Слабое

Нет влияния

Слабое

Нет влияния

Устройство

подпорных стенок

Сильное

Нет влияния

Сильное

Нет влияния

Строительство до-

рог

Среднее Слабое Среднее Слабое

«Стены в грунте» Среднее Нет влияния Среднее Нет влияния

Устройство шпунта Слабое Нет влияния Слабое Нет влияния

Свайное крепление

грунта

Слабое

Нет влияния

Слабое

Нет влияния

Устройство гидро-

изоляции

Среднее Нет влияния Среднее Нет влияния

Уплотнение

грунта

Среднее

Нет влияния

Среднее

Нет влияния

Обратные

засыпки

Среднее

Нет влияния

Среднее

Нет влияния

III. Надземный цикл строительства зданий и сооружений

Возведение надзем-

ных

частей зданий

Слабое

Нет влияния

Слабое

Нет влияния

Устройство

озеленения

Слабое

Нет влияния

Слабое

Нет влияния

Примечание. Под влиянием ГС понимается изменение естественного УПВ: сильное

(2–10 м); среднее (0,1–2 м); слабое (0,01–0,1 м); нет влияния (менее 0,01 м).

Базовым объектом авторских исследований выбран один из крупней-

ших городов Сибири — г. Омск. В этом городе интенсивно ведется строи-

тельство и реконструкция застройки в условиях подтопленных и потенци-

ально подтопляемых территорий (последний термин принадлежит

Е.С. Дзекцеру [51]). Омск подвержен подтоплению. В Омске представлены

большинство факторов, усложняющих прогнозы и моделирование подтоп-

ления и дренирования: грунтовые воды малой мощности, близкие водо-

упоры, слабопроницаемые водоносные грунты и др. Город имеет большой

опыт гидронамыва, устройства свайных фундаментов и т.д. Начато строи-

тельство метро мелкого заложения.

Технологиями городского строительства по защите от подтопления яв-

ляются водоотлив, водопонижение, дренаж или создание преград для их

фильтрации в выемки, выработки, подземные части зданий и сооружений

временно или постоянно на всех стадиях жизненного цикла объектов

строительства. Это создает благоприятные условия для возведения зданий,

сооружений и реконструкции городских территорий [2; 3; 68; 152; 159;

160; 175; 198; 201; 204; 216; 234; 235; 236; 262; 279; 280; 285].

Термин «конструктивно-технологический метод» встречен у В.И. Во-

ронцова и Г.Б. Шабера [271]. Однако данные авторы придавали ему иной

смысл, чем в нашем конструктивно-технологическом подходе. Они имели

в виду соблюдение технологических режимов вскрытия и освоения водо-

носных горизонтов, правильный выбор параметров водоприемных частей

дрен и скважин, а также другие мероприятия, направленные против осад-

кообразования и кольматажа дренажных устройств.

Показателями влияния городского строительства (ГС) на подтопление

и дренирование территории является изменение уровня подземных вод

(УПВ) относительно норм осушения для соответствующих функциональ-

ных зон города, регламентированных СНиП 2.06.15-85 «Инженерная за-

щита территории от затопления и подтопления» [235]. Повышающийся