Моделирование изменения гидрогеологических условий строительной площадки под влиянием неликвидированных инженерно-геологических скважин

Автор: Николаев Л.А. ООО "Геодин"
Математическое моделирование, геоинформационные системы и базы данных в гидрогеологии. Материалы всероссийской научно-практической конференции (25–27 сентября 2013 г.). М.: АНО УКЦ «Изыскатель», 2013. – С. 62-66.


На строительных площадках бурится множество инженерно-геологических скважин, которые, если их не ликвидировать должным образом, могут вызвать существенное изменение гидрогеологических условий, что является причиной деформации существующих зданий сооружений.

Бурение скважин сопровождается изъятием грунта и образованием полости, которая в зависимости от гидрогеологических условий по-разному заполняется водой и грунтом после подъема бурового инструмента. Наиболее ярко влияние инженерно-геологических скважин на гидрогеологические условия стройплощадки проявляется на строительных площадках, сложенныхй в верхней части разреза водонасыщенными песчаными отложениями /2/. В грунтовом массиве вокруг ствола скважины интенсифицируются различные гидрогеологические процессы: фильтрация, суффозия, разуплотнение песчаных грунтов, ускоренная консолидация глин. В результате этого при кажущейся незначительности диаметров скважины по сравнению с размерами стройплощадки, вокруг каждой скважины формируется значительные зоны изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива, которые, сливаясь друг с другом, охватывают всю стройплощадку и оказывают влияние на окружающую территорию.

В зависимости от особенностей геологического разреза изменение гидрогеологических условий вокруг инженерно-геологических скважин при их бурении и последующей их неликвидации происходит по-разному как во времени, так и в пространстве. Для геологических условий города Москвы /3/ можно выделить 3 характерных типа разреза, отличающиеся характером трансформации гидрогеологических условий прискважинной зоны и развития гидрогеологических процессов: тип I - водонасыщенные песчаные отложения, подстилающиеся связными и скальными грунтами; тип II - преимущественно глинистые отложения, подстилаемые скальными грунтами; тип III - преимущественно глинистые отложения, подстилаемые водонасыщенными песчаными отложениями.

На участках I типа при бурении и последующей неликвидации инженерно-геологической скважины происходят следующие процессы:
- возможное избыточное извлечение (перебор) грунта при проходке верхней части разреза и просадка поверхности земли в прискважинной зоне;
- перетекание подземных вод между соседними горизонтами при бурении без изоляции их друг от друга;
- сохранение формы ствола скважины в пределах связных и скальных грунтов после извлечения бурового инструмента;
- разрыхление грунта в зоне контакта с извлекаемой обсадной трубой;
- истечение водонасыщенного песчаного грунта в ствол скважины в нижнюю часть разреза при извлечении обсадных труб, формирование «песчаной скважины» в связных и скальных грунтах;
- проницаемость грунта в «песчаной скважине» больше, чем проницаемость исходных песчаных отложений за счет его рыхлого сложения, формирующегося путем свободного падения фрагментов исходного грунта в ствол скважины, заполненный водой до уровня подземных вод, совпадающего с отметкой напора наиболее нижнего горизонта;
- формирование свода обрушения в песчаных грунтах над устьем сохраняющегося в связных и скальных грунтах погребенного ствола скважины;
- формирование мульды проседания на поверхности;
- вертикальная фильтрация подземных вод по «песчаной скважине» из горизонта с высокими напорами в горизонт с меньшим напором (в Москве – обычно сверху вниз);
- горизонтальное дренирование грунтов прискважиннной зоны в интервале, где напоры больше, чем напор в «песчаной скважине»;
- горизонтальная фильтрация воды из песчаного столба в грунты прискважиннной зоны в интервалах, где напоры в песчаном столбе больше чем в окружающем грунте;
- ускоренная консолидация глинистых грунтов за счет снижения напоров поровых вод в результате горизонтальной фильтрации вдоль напластования в направлении «песчаной скважины»;
- дополнительная консолидация глинистых грунтов от приложения нагрузки строящегося здания.

Поступление водонасыщенного песчаного грунта в ствол скважины при извлечении обсадных труб может происходить в значительных объемах, в результате чего в верхней части разреза в песчаных грунтах над «погребенным устьем» формируется мульда проседания. Так, при извлечении обсадной трубы инженерно-геологической скважины диаметром 0.340 м глубиной 80 м в ствол скважины может уходить до 5 м3 водонасыщенного песчаного грунта. Если разделить эту величину на площадь круга с радиусом равным мощности пласта, то ожидаемая даже равномерная осадка составит порядка 5 мм.

Механизм поступления водонасыщенных песков в ствол скважины аналогичен заполнению естественных подземных полостей, что изучено на примере карстовых пустот /1/. Движение водонасыщенного грунта в ствол скважины будет происходить как течение плывуна в открывающееся по мере извлечения обсадной трубы погребенное устье скважины, которое сохраняется в связных грунтах. Поскольку уровень воды в стволе скважины в этот момент намного ниже подошвы песчаного слоя, то напор подземных вод на уровне «погребенного устья» равно давлению столба воды в песчаном горизонте. При движении обсадной трубы вверх и открывании «погребенного устья» поток плывуна устремляется в ствол скважины.

В первом приближении можно считать, что движение водонасыщенного грунта (плывуна) к «погребенному устью» скважины происходит аналогично фильтрационному потоку. На рис. 1 показана гидродинамическая сетка в зоне примыкания к «погребенному устью», смоделированная в программе Visual MODFLOW /5/. Как видно из рисунка, образуется «плавающая луковица», которая «держится» за извлекаемую обсадную трубу и «плавает» над «погребенным устьем». Размеры этой «плавающей луковицы» зависят от степени неоднородности фильтрационных свойств водоносного горизонта. Как видно из рисунка 1б, для анизотропного пласта размер ядра в 2 раза больше, чем для изотропного.


Рис. 1. Гидродинамическая сетка в зоне примыкания к «погребенному устью»:
а - для случая изотропного пласта, б – анизотропного (kz=0.1 kxy)

а)

б)


Можно ожидать, что картина распределения траекторий перемещения плывуна ближе к случаю, показанному на рис. 1б. Если принять эту гипотезу, то можно считать, что поступление в ствол скважины водонасыщенных грунтов будет происходить из нижних слоев.

Гидрогеологические условия вокруг «песчаной скважины» аналогичны условиям вокруг специально создаваемых «песчаных дрен» для ускорения консолидации слабых грунтов и скважинных поглощающих колодцев. Возможность проявления консолидации связана с возникновением условий для горизонтальной фильтрации к «песчаной скважине» и наличием существенной анизотропии глинистых грунтов – коэффициент фильтрации в горизонтальном направлении обычно намного больше, чем в вертикальном направлении.

В результате действия бокового давления грунта не происходит «самозалечивание» ствола скважины в пределах связных грунтов. На рис. 2 приведен результат расчета напряженно-деформированного состояния прискважинной зоны, выполненного с помощью программы Plaxis 2D /4/ для скважины диаметром 340 мм на одном из участков высотного строительства в г. Москве. Значения физико-механических параметров для окружающих грунтов приняты равными минимальным значениям по данным лабораторного определения. В стволе скважины задан слабый грунт, по свойствам соответствующий илам. Расчеты показали, что максимальные горизонтальные перемещения стенки ствола этой скважины составляют всего лишь 11.41 мм (~7% от радиуса скважины) и соответствуют оксфордским глинам (J3ox).

На участках II типа, где разрез представлен преимущественно глинистыми отложениями, подстилаемыми скальными грунтами, инженерно-геологические скважины обычно проходятся без крепления обсадными трубами и ствол скважины после извлечения бурового инструмента сохраняет свою форму практически на всю глубину. В результате вывала отдельных фрагментов связного грунта или вытекания незначительных объемов водонасыщенного грунта из песчаных прослоев возможно частичное засорение ствола, но не сплошное заполнение ствола грунтом.

В такой неликвидированной скважине происходят дренирование окружающего слабообводненного глинистого грунтового массива и перетекание воды по стволу скважины в нижние горизонты. Поскольку ствол скважины остается практически незаполненным, то смежные разнонапорные горизонты взаимодействуют более интенсивно, чем на участках I типа. Расход перетекания будет определяться соотношением напоров в горизонтах. На территории г. Москвы в результате сработки нижнекаменноугольных горизонтов наблюдается уменьшение напоров сверху вниз /3/, поэтому перетекание происходит сверху вниз.


Рис. 2. Горизонтальное перемещение стенок ствола неликвидированной инженерно-геологической скважины


На участках II типа при слабой водообильности верхних слоев ствол скважины в их пределах может оказаться не заполненным водой, т.к. вода будет успевать уходить в нижние горизонты. На таких участках будет происходить свободное высачивание воды и стекание по стенке ствола скважины, что будет в какой-то мере способствовать размыванию стенок и заполнению нижней части ствола скважины продуктами смыва.

На участках III типа, где преимущественно глинистые отложения подстилаются водонасыщенными песчаными отложениями, ствол скважины будет заполняться грунтом сразу же по мере извлечения бурового инструмента и обсадных труб. Такие условия характерны для районов Москвы (прежде всего на Теплостанской возвышенности), где распространены мощные слои нижнемеловых отложений, представленных песками мелкими и пылеватыми, обладающими плывунными свойствами. В случае бурения инженерно-геологических скважин, вскрывающих нижележащие юрские и каменноугольные отложения, объемы ствола скважин (уже меньшего диаметра) в их пределах будут незначительными. Поскольку над юрскими отложениями имеется мощный слой песков, то уход незначительной части грунта в ствол неликвидированной скважины в пределы связных пород не дает заметных последствий на поверхности.

Разделение строительных площадок - участков инженерно-геологических изысканий - на три типа по условиям развития гидрогеологических и инженерно-геологических процессов в зоне влияния неликвидированных скважин достаточно условное. На основании инженерно-геологического районирования территории Москвы /3/ можно утверждать, что в основном преобладают эти три типа, а промежуточные типы занимают подчиненное положение.


Литература

1. Аникеев А.В., Калинин Э.В. Кинематика гравитационного истечения несцементированных песчаных пород в подземные полости // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 1999. № 1. С. 52–59.
2. Николаев Л.А. Влияние неликвидированных инженерно-геологических скважин на инженерно-геологические условия строительной площадки, сложенной в верхней части разреза водонасыщенными песчаными отложениями. "Инженерные изыскания", август 2010, стр. 26-29
3. Москва: Геология и Город. Гл. ред. В.И. Осипов, О.П. Медведев. - М.: АО "Московские учебники и картолитография", 1997. 400 с.
4. Plaxis 2D. Режим доступа: http://www.plaxis.ru/ Дата обращения: 10.07.2013.
5. Visual MODFLOW. Режим доступа: http://www.swstechnology.com/ Дата обращения: 10.07.2013.