Вводная часть
В данной статье поговорим о геофильтрационных расчетах, связанных с фильтрацией воды в грунтовых массивах. Геофильтрационные расчеты выполняют с целью:
1) Определения водопритока в котлован;
2) Определения положения депрессионной воронки;
3) Оценки времени формирования депрессионной воронки и возвращения воды в исходное состояние после отключения системы водопонижения;
4) Оценки величины барражного эффекта (подпора потока воды подземными частями сооружений);
Основная часть
Для расчета водопритока в котлован имеются аналитические методы для ограниченного числа расчетных схем. В сложных гидрогеологических условиях для расчета применяются в основном численные методы.
Сложность фильтрационных расчетов для участков, имеющих плотную застройку, заключается главным образом в сложности определения источников появления воды. Зачастую питание водоносных горизонтов происходит за счет утечек из водонесущих коммуникаций, расположение и интенсивность которых определить достаточно сложно. Поэтому для проверки правильности расчета всегда необходимо проводить верификацию расчетной модели на основе результатов опытно-фильтрационных работ.
После расчета одиночной скважины, сравнения результатов расчета с результатами опытной откачки и корректировки модели (при необходимости) представляется возможным использовать полученные данные для переноса на основную модель.
Без результатов опытно-фильтрационных работ можно обойтись только в том случае, если достоверно установлены границы питания участка, например, при строительстве около рек или прудов. Пример геофильтрационной расчетной модели на участке, расположенном рядом с прудом, представлен на рисунке 1. На рисунке 2 приведено поле скоростей тока воды в данном случае.
Геофильтрационные расчеты, выполняемые без учета времени (стационарный тип расчета), позволяют рассчитывать установившееся значение водопритока в котлован и определять конечное положение депрессионной поверхности.
Для расчета времени установления депрессионной воронки необходимо учитывать время (нестационарный тип расчета). Процесс возвращения уровня воды после отключения системы водопонижения в исходное состояние показан на рисунке 3.
Разрешающее уравнение геофильтрационной задачи, выражающее условие сохранения массы жидкости в элементарном объеме, имеет следующий вид:
Где первые три слагаемые определяют разность втекающей и вытекающей в элементарный объем воды, а последнее слагаемое учитывает изменение количества воды в порах грунта.
На результаты геофильтрационных расчетов в первую очередь влияют следующие параметры грунтов:
· Коэффициент фильтрации
· Гравитационная водоотдача
Коэффициенты фильтрации обычно определяются по результатам опытно-фильтрационных работ, их значения приводятся в отчете об инженерно-гидрогеологических изысканиях.
Значительное влияние на результаты расчета оказывает значения радиуса депрессионной воронки. Его можно определить по эмпирическим аналитическим зависимостям, например, по формуле Кусакина: R=r+2S*√(kH)
Где, r - приведенный радиус водопонизительной системы.
H - напор подземных вод в водоносном слое.
Более точное значение радиуса депрессии можно получить по результатам опытно-фильтрационных работ. Также существуют программы, определяющие его значение автоматически в ходе расчета.
При понижении уровня грунтовых вод удельный вес грунтов возрастает на величину ∆γ= γ – γвзв вследствие снятия взвешивающего действия воды. Дополнительная объемная сила вызывает дополнительные осадки массива грунта. Следовательно, водопонижение вызывает дополнительные деформации зданий и сооружений окружающей застройки. На величину дополнительной осадки влияют следующие основные факторы:
· Глубина водопонижения
· Пористость грунта
· Модуль деформации грунта
· Радиус депрессии
При численном расчете значительное влияние на осадки оказывает также принятая глубина сжимаемой толщи (вертикальный размер расчетной модели). Пример расчета осадок от водопонижения показан на рисунке 4.
На рисунке А изображена расчетная схема, на рисунке Б показано положение депрессионной воронки после водопонижения, а на рисунке В – изополя осадок грунтового массива (в мм).
В простейшем случае, когда водопонижение происходит в водонасыщенном слое толщиной h на глубину h1, осадку поверхности можно определить по формуле:
Заключительная часть
В заключение отметим, что при качественном проведении опытно-фильтрационных работ и при использовании современных расчетных комплексов, возможно решать самые сложные задачи и получать корректные результаты, достаточно точно совпадающие с результатами геотехнического мониторинга.