Деформации грунтового массива на участках строительного понижения напоров ратмировского горизонта в г. Москве

Автор: Николаев А.П. Статья опубликована в журнале
"Инженерная геология", июнь 2/2009, стр. 26-31.

журнал Инженерная Геология

Официальный сайт редакции:
www.pniiis.ru

Введение

На территории г. Москвы при водопонижении в ратмировском напорном водоносном горизонте, несмотря на его достаточно глубокое залегание (до 25 м), могут происходить деформации грунтов как ратмировского горизонта, так и вышележащего грунтового массива, что необходимо учитывать при проектировании глубоких подземных сооружений. При понижении напоров в ратмировском горизонте происходят относительно небольшие изменения уровней вышележащего четвертичного водоносного горизонта, но величина дополнительных деформаций поверхности грунта может достигать 10-15 мм, что существенно для зданий исторической застройки. Механизм этих деформаций связан с изменением напряженно-деформированного состояния грунтов под влиянием больших перепадов давлений на участке интенсивного падения напоров в прискважинной зоне и формированием мульды оседания на поверхности.

Расчеты дополнительных деформаций грунтового массива под влиянием глубинного водопонижения, несмотря на давнюю историю изучения, наличие необходимой методологии и программных средств [2, 6, 7, 8], все еще не стали рядовыми и обязательными в составе геотехнических исследований при проектировании подземных объектов. На территории г. Москвы происходит интенсивное освоение подземного пространства, что сопровождается строительным понижением напоров каменноугольных водоносных горизонтов для защиты глубоких котлованов и тоннелей от затопления. В настоящей статье приводятся некоторые методические результаты, полученные при прогнозных расчетах изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива в зоне влияния строительного водопонижения, предназначенного для снятия напоров ратмировского горизонта для исключения прорыва подземных вод в глубокие котлованы при коммуникационном тоннелестроении.

Расчеты напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов выполнены для 6 участков камер (стартовых и приемных котлованов) глубиной до 25 м, расположенных в пойме р. Москвы на расстоянии 5-30 м от котлованов до уреза воды. Поверхность земли на строительных площадках ровная, покрыта асфальтом, высотные отметки составляют около 124.00 м. Территория вокруг стройплощадок занята дорогами и насыщена подземными и наземными сооружениями. Расстояния от котлованов до ближайших существующих сохраняемых исторических жилых и административных зданий составляют от 10 до 50 м. В непосредственной близости от котлованов проходят подземные коммуникации.

Геолого-гидрогеологические условия

В геологическом строении участков до глубины 45 м (сверху вниз) принимают участие:

Гидрогеологические условия участков до глубины 45 м характеризуются распространением подземных вод аллювиального, перхуровского, ратмировского и мячковского горизонтов. На участках древних размывов отдельные горизонты отсутствуют или объединены с соседними. Грунтовые воды были вскрыты на глубинах от 1.8 до 3.5 м ниже поверхности земли (на абс. отм. от 119.9 до 122.2 м). Водовмещающими породами являются современные техногенные и аллювиальные песчаные отложения, а на участках размывов юрских глин - перхуровские известняки. Подстилающим водоупором служат юрские или неверовские глинистые отложения. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, утечек из водонесущих коммуникаций, бокового притока. Разгрузка грунтовых вод происходит в р. Москву и дренажные системы, а также путем перетекания в нижележащий горизонт. В плане поток грунтовых вод направлен, в основном, в сторону р. Москвы, только на участках размывов водоупоров - в сторону от реки - в направлении зоны интенсивного перетекания.

Подземные воды ратмировского горизонта напорные, напоры устанавливаются выше кровли известняков на отметках от 115.5 до 119.0 м. Питание ратмировского горизонта происходит за счет бокового притока и перетекания сверху. Разгрузка происходит путем бокового оттока и перетекания в нижележащий (мячковский) горизонт, напоры подземных воды которого устанавливаются на отметках от 90.0 до 110.5 м. Строительное водопонижение спроектировано для исключения прорыва напорных вод из ратмировского горизонта в котлованы при строительстве стартовых и финишных камер микротоннелей, прокладываемых в неверовских глинах. Согласно данным инженерно-геологических изысканий избыточный пьезометрический напор (над кровлей) ратмировского горизонта на участках камер изменяется от 10 до 15 м. Возможность прорыва напорными водами вышележащего водоупорного глинистого слоя грунта, подстилаемого водоносным горизонтом с напорными водами, проверяется по условию [4]:

νwHo≤ νIIho ,

где νw - удельный вес воды, кН/м ; Ho - высота напора воды, отсчитываемая от подошвы проверяемого водоупорного слоя до максимального уровня подземных вод, м; νII - расчетное значение удельного веса грунта проверяемого слоя, кН/м ; ho - расстояние от дна котлована до подошвы проверяемого слоя грунта, м. Поскольку условие (1) для рассматриваемых участков не удовлетворяется, то предусмотрено понижение напора ратмировского горизонта на период строительства камер и проходки микротоннелей.

Методика прогнозных расчетов и исходные данные

В связи со сложными гидрогеологическими условиями расчет строительного водопонижения производится методом математического моделирования. Для гидрогеологических расчетов использована программа Visual ModFlow v.4.2 [8]. Расчеты напряженно-деформированного состояния грунтового массива на участках строительного водопонижения выполнена в программном комплексе Plaxis v.8 [7] по отдельным расчетным профилям с использованием результатов геофильтрационных расчетов на Visual ModFlow v.4.2 - напоров на расчетных границах и удельного дебита контуров водопонижения. Методика расчетов построена на воспроизведении гидрогеологических условий на участках строительного водопонижения при существующем положении уровней до начала строительства, прогнозном расчете распределения максимальных уровней подземных вод (проектные условия), водопритока в котлован при проектном понижении напора в ратмировском горизонте, подборе параметров строительного водопонижения (количества и характеристик скважин), расчете распределения уровней подземных вод во взаимодействующих водоносных горизонтах, оценке влияния на окружающую среду.

Для каждого проектируемого участка строительного водопонижения разработаны трехмерные математические модели гидрогеологических условий участков проектируемого размещения камер микротоннелей с размерами расчетных областей до 500x600x45 м, включающих ожидаемую зону влияния водопонижения на уровни подземных вод. Расчетная область покрыта неравномерной сеткой со сгущением в зоне расположения проектируемого котлована с размерами блоков модели от 0.5 до 30 м. Математические модели описывают режим подземных вод в 5-слойной водоносной системе в условиях установившегося режима фильтрации с учетом геологического строения территории, фильтрационных параметров, инфильтрационного питания, абсолютной отметки уреза воды в р. Москве. Начальные уровни подземных вод заданы по данным инженерно-геологических изысканий. Расчетные максимальные проектные уровни подземных вод получены по результатам моделирования при заданном максимальном инфильтрационном питании и уровнях подземных вод на внешних границах области фильтрации, скорректированных с учетом амплитуды годовых колебаний. Максимальные отметки соответствуют весеннему половодью и фиксируются в первой половине мая. Расчетный максимальный уровень устанавливается по данным разовых замеров уровней подземных вод в инженерно-геологических скважинах, к величинам которых добавляется поправочная величина в зависимости от близости к периоду максимальной водности.

С учетом результатов специальных гидрогеологических исследований, выполненных в разные годы на территории г.Москвы [3], и в соответствии с геологическим описанием колонок скважин, коэффициенты фильтрации для аллювиального горизонта приняты равными 3.5 м/сут, перхуровского горизонта - 30 м/сут, разделяющего слоя неверовских глин - 0.001 м/сут, ратмировского горизонта - 15 м/сут, разделяющего слоя воскресенских глин - 0.01 м/сут, мячковского горизонта - 5 м/сут. Принятые значения коэффициентов фильтрации уточнялись при решении обратной задачи. В связи с близким расположением р.Москвы в расчетах учитывалось взаимодействие подземных вод с рекой через дно по схеме перетекания. По данным обследования дна р. Москвы, выполненного ОАО "Гипроречтранс" в центральной части города, донные отложения представлены илами средней мощностью 0.3 м. Коэффициент фильтрации донных отложений принят равным 0.01 м/сут. Береговые укрепления приняты непроницаемыми. Величина инфильтрационного питания принята 180 мм в год согласно карте интенсивности питания [3].

Конструкция системы водопонижения выбиралась исходя из величины водоотбора, обеспечивающей требуемое понижение напоров ратмировского горизонта. На первом шаге определялась величина водопритока при необходимом проектном уровне подземных вод в ратмировском горизонте под котлованом. На следующем шаге подбиралась конструкция системы водопонижения (количество, расположение, параметры скважин), позволяющей отбирать расчетное количество подземных вод. Физико-механические свойства грунтов для расчета напряженно-деформированного состояния грунтового массива приняты по данным инженерно-геологических изысканий, выполненных непосредственно на участках водопонижения.

Результаты прогнозных расчетов

Расчеты на математических моделях показали, что для поддержания необходимых уровней подземных вод ратмировского горизонта на 6 рассмотренных участках проектируемых котлованов необходимо создание систем водопонижения с количеством скважин от 6 до 8 с суммарным дебитом от 1500 до 2300 м3/сут. На рис. 1 показано распределение расчетных напоров в ратмировском горизонте при проектном водопонижении на участке камеры, расположенной на Пушкинской наб. Распределение напоров в разрезе на том же участке показано на рис. 2.

Участок строительного водопонижения

Рис. 1. Распределение напоров в ратмировском горизонте на участке строительного водопонижения: w1-w6 - водопонизительные,
o1-o2 - наблюдательные скважины

Распределение расчетных напоров в разрезе

Рис. 2. Распределение расчетных напоров в разрезе при водопонижении в ратмировском горизонте
(здесь и далее по рисункам расстояние по осям задано в метрах)

Основными факторами воздействия строительного водопонижения на окружающую среду (водные объекты, окружающий природный комплекс, существующие здания и сооружения) обычно являются снижение уровня грунтовых вод, качество откачиваемой воды и деформации грунтового массива. Расчеты показали, что на рассматриваемых участках водопонижение в ратмировском горизонте оказывает влияние на распределение уровней подземных вод в верхнем аллювиальном горизонте. Так, на участке камеры на Софийской набережной, при понижении напора в ратмировском горизонте на 15 м понижение уровней в аллювиальном горизонте составило 0.20 м. Согласно химическим анализам состава подземных вод ратмировского горизонта, выполненным при изысканиях, вода, откачиваемая системой водопонижения, не содержит загрязняющих веществ и может быть сброшена в ливневую канализацию. При таких условиях проектируемое строительное водопонижение не окажет негативного влияния на экологию окружающего природного комплекса.

Расчеты изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива показывают, что на отдельных участках в результате влияния строительного водопонижения происходит дополнительное вертикальное перемещение поверхности грунтового массива на величину до 7.2 мм (рис. 3 а) и горизонтальное перемещение грунтового массива до 3.4 мм (рис. 3 б). На изученных участках в целом прогнозные дополнительные вертикальные и горизонтальные перемещения грунтового массива не превышают допустимые величины, следовательно, строительное водопонижение не окажет негативного влияния на сохраняемые здания и сооружения. Однако, в отдельных случаях, суммарные перемещения поверхности грунтового массива могут превышать допустимые величины для задний исторической застройки. Поэтому при проектировании строительства на таких участках были приняты решения по усилению ограждения, укреплению грунтового массива с использованием jet-технологии.

Дополнительные вертикальные и горизонтальные перемещения грунтового массива

Рис. 3. Дополнительные вертикальные (а) и горизонтальные (б) перемещения грунтового массива при строительном водопонижении в ратмировском горизонте

Выполненные геотехнические расчеты показали, что, несмотря на незначительные изменения уровней грунтовых вод аллювиального горизонта, при строительном водопонижении в ратмировском горизонте происходят деформации грунтового массива ратмировских отложений, так и вышележащих слоев. Механизм этих деформаций связан с трансформированием НДС грунтового массива ратмировских и вышележащих отложений под влиянием значительных перепадов давлений на участке интенсивного вертикального перетекания. На рассматриваемых участках при понижении напоров ратмировского горизонта до 15 м формируется отрицательное давление до 1.5 атм. Следовательно, в грунтах ратмировского горизонта эффективные напряжения возрастут на 150 кН/м2, а в грунтах над ратмировским горизонтом за счет разности напоров возникают интенсивные фильтрационные силы, уплотняющие эти грунты. В ратмировском горизонте существенное изменение напоров приводит к росту эквивалентной уплотняющей нагрузки σ = νω·ΔH·B. В вышележащих отложениях происходит интенсивное вертикальное перетекание за счет разности напоров, что также приводит к осадке этих слоев. Таким образом, имеет место двойной механизм формирования дополнительных осадок поверхности грунтов.

Как показывают приведенные расчеты, в отличие от традиционного подхода к моделированию геофильтрации (используемого при решении водноресурсных задач), при геотехнических расчетах необходимо учитывать трехмерность потока подземных вод на участке водопонижения. Это хорошо иллюстрируется примерами расчетов в ModFlow. Так в однослойной двумерной плановой модели с изотропным коэффициентом фильтрации, где согласно предпосылке Дюпюи [2] принимается однородность распределения напоров грунтовых вод по вертикали, при расчете с детальной разбивкой сетки на участке максимальная величина понижения напора составляет 3.5 м (Рис. 4 а). А при разбиении той же модели по вертикали на множество расчетных слоев, т.е. при введении тем самым трехмерности модели, получаем существенно отличное распределение понижений напоров (Рис. 4 б), и максимальная величина понижения напора достигает 7.0 м. Очевидно, что этим двум случаям будут соответствовать совершенно различные картины распределения напряженно-деформированного состояния. Так, во втором случае будет формироваться деформационное ядро, соответствующее замкнутой области пониженного давления.

Распределение понижений напоров при откачке

Рис. 4. Распределение понижений напоров при откачке из однородного горизонта: а - расчет в двумерной постановке,
б - расчет в трехмерной постановке

В случае если разрез в пределах зоны локального понижения напоров (в интервале размещения фильтра скважины) имеет слоистое строение и представлен чередованием песчаных и глинистых слоев, то эта зона еще более ярко выражена и будет иметь больший радиус проявления, чем при однородном строении. Дополнительным фактором, усиливающим влияние трехмерности фильтрационного потока на распределение деформаций на участке водопонижения, является известная вертикальная анизотропия [2] проницаемости осадочных отложений. В зарубежной практике гидрогеологического моделирования обычно для коэффициента фильтрации по умолчанию принимается коэффициент вертикальной анизотропии 0.1 [8]. Причем случай однородной проницаемости считается исключением, которая требует доказательства путем специальных исследований.

Водопонижение в ратмировском горизонте создает избыточное отрицательное давление в подошве вышележащего водоупорного слоя неверовских глин. Если при бурении водопонизительной скважины интервал неверовских глин не будет тщательно зацементирован, то из-за больших фильтрационных градиентов возможно интенсивное перетекание в затрубном пространстве. Фактически при этом в затрубном пространстве в пределах водоупорного слоя будет формироваться распределение давлений как при вакуумном водопонижении, что будет сопровождаться ускоренной консолидацией водоупорного слоя. Обычно глинистые отложения, имеющие слоистое строение, также обладают фильтрационной анизотропией - большей проницаемостью вдоль напластования, чем поперек напластования. Поэтому, чем больше горизонтальная проницаемость глин и чем больше градиент напоров в затрубном пространстве, тем больше зона консолидационных деформаций водоупорного слоя. Дополнительно при откачке из ратмировского горизонта при интенсивном перетекании в затрубном пространстве возможно развитие суффозионного выноса мелких частиц грунтов, залегающего выше водоупорного слоя. В результате этого в верхнем проницаемом слое в зоне влияния откачки из ратмировского горизонта будет формироваться деформационное ядро, где суммарная деформация увеличивается при наличии глинистых прослоев.

Выводы и предложения

Совместное использование программ для моделирования гидрогеологического режима и НДС позволяет объективно оценивать деформации поверхности земли при проектировании водопонижения в глубоких горизонтах. Оценка деформаций грунтового массива при водопонижении будет более достоверной, если будет учитываться реальное распределение напоров в вертикальном разрезе, а не осредненное по вертикали значение напора (предпосылка Дюпюи). Поэтому можно ожидать, что расчеты осадок грунтового массива при водопонижении методом послойного суммирования будут давать всегда заниженные значения по сравнению с расчетами на моделях (например, Plaxis), учитывающих пространственное распределение напоров подземных вод при откачке. Действующие строительные регламенты [1, 4, 5] рекомендуют выполнять расчеты ожидаемых дополнительных осадок зданий или территории в зоне развития депрессионной воронки только при понижении уровня подземных вод более чем на 2 м. Однако, с учетом представленных в настоящей статье результатов, целесообразно ввести в эти регламенты требования по обязательному выполнению совместных расчетов фильтрации и напряженно-деформированного состояния в грунтовом массиве на участках строительного водопонижения в глубоких горизонтах.

Литература
1. МГСН 2.07-01 "Основания, фундаменты и подземные сооружения". Постановление Правительства Москвы от 22 апреля 2003 г. № 288-ПП.
2. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. М.: Недра, 1974. 296 с.
3. Осипов В.И. и др. Москва. Геология и город. М.: АО "Московские учебники и Картолитография", 1997. 400 с.
4. Руководство по комплексному освоению подземного пространства крупных городов. Ильичев В.А. и др. М., 2004.
5. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. Постановление Госстроя России от 09.03.2004 № 28.
6. Тер-Мартиросян З.Г. Напряженно-деформированное состояние массивов грунтов под воздействием гидрогеологических факторов // Всероссийская конференция по математическому моделированию в гидрогеологии. 23-25 апреля 2008 г., Пансионат "Пахра", Московская область. М.: АОН УКЦ "Изыскатель", 2008. С. 11-18.
7. Plaxis. Версия 8. Справочное руководство.
8. Visual ModFlow v.4.2. Руководство пользователя.