Оценка барражного эффекта при строительстве заглубленных сооружений на программе ANSDIMAT
Нормативные документы при изысканиях под строительство предусматривают необходимость проведения оценки изменения гидрогеологических условий на этапе строительства и эксплуатации сооружения. Одним из обязательных направлений такой оценки является расчет барражного эффекта от фундаментов проектируемых зданий, тоннелей, искусственных зон укрепления грунта, или шпунтовых стен и противофильтрационных завес.
В программе АНСДИМАТ предлагается несколько способов расчета барражного эффекта. Первый способ может быть применим для относительно простых условий и основывается на быстром и точном аналитическом решении. Второй способ использует расчеты с помощью аналитических элементов для более сложных гидрогеологических условий, а также когда геометрия непроницаемой преграды имеет неправильную форму.
Рисунок 1. Аналитическое решение для расчета барражного эффекта при строительстве непроницаемой стены в грунте
Исходные данные
Для демонстрации возможностей программы ANSDIMAT приведем расчет барражного эффекта на реальном примере. Так, на берегу реки строится промышленное здание. Глубина строительного котлована должна составлять 30 м. Из-за высокой обводненности пород было принято решение отрабатывать котлован под защитой противофильтрационной завесы (ПФЗ) по контуру котлована. Длина ПФЗ составила 800 м, ширина 350 м, глубина ПФЗ 30 м. ПФЗ упирается своим основанием в слабопроницаемый слой глин. Коэффициент фильтрации водоносного горизонта составляет 50 м/сут, а его обводненная мощность 25 м. Толщина стенки ПФЗ составляет 1 м, а его коэффициент фильтрации 0,001 м/сут. По результатам замеров уровней воды в скважинах до начала строительства было установлено, что величина градиента потока подземных вод равна 0,005 м/м, направление на юг в сторону реки (см. Рисунок 2).
Рисунок 2 – Технические и природные условия для расчета барража на площадке строительства
I. Расчет барража аналитическим методом
Для аналитического расчета заходим в меню Файл – Калькулятор гидрогеолога – Подпор, вкладка “Барраж” (см. Рисунок 3).
В доступные поля интерфейса задаем исходные параметры: коэффициент фильтрации горизонта и ПФЗ, градиент потока, длину и ширину ПФЗ.
Программа мгновенно рассчитывает максимальный подъем уровней воды равный 2.0 м, который будет наблюдаться на внешней границе северной стены ПФЗ после ее строительства. Варьируя координатами x и y можно оценить изменение уровня воды за счет барража в любой точке пространства. Профиль изменений уровня с севера на юг через ПФЗ приведен на Рисунке 3. Из него видно, что строительство ПФЗ будет оказывать масштабное воздействие на первоначальное положение уровня грунтовых вод. И только на удалении 5 км от ПФЗ его воздействие снизится до 10 см и менее.
Рисунок 3 – Интерфейс модуля для расчета барражного эффекта и график с основными результатами
II. Расчет барражного эффекта методом аналитических элементов
Для расчета барражного эффекта создается проект через меню Файл – Модель аналитических элементов – Создать проект. К проекту была подготовлена карта размером 7,5 на 4, 5 км. Размеры модели соответствовали размерам карты.
Оценка барражного эффекта производилось при помощи двух расчетов. Первый расчет соответствовал естественным условиям до начала строительства, а второй расчет проводился с ПФЗ по контуру котлована. Разница уровней воды по первому и второму расчетам отвечает изменению гидрогеологических условий, которые вызывает строительство ПФЗ.
Чтобы воспроизвести естественные условия в модели задавался напор на контуре реки (Н=100 м) и на южной границе (Н=113 м). Результаты расчета напоров в естественных условиях показаны на Рисунке 4. Из него видно, что структура потока имеет сложную геометрию и контролируется конфигурацией реки. Градиент подземных вод на территории площадки строительства составляет 0,005.
Рисунок 4 – Расчетное распределение напоров подземных вод до начала строительства
Далее на модели задавался контур ПФЗ вокруг котлована. Толщина контура составила 1 м, а коэффициент фильтрации 0,001 м/сут. Разница уровней между естественными условиями и после строительства ПФЗ показана на Рисунке 5.
Максимальный подъем уровней воды составил 2.2 м на северной стене ПФЗ. Это хорошо согласуется с результатами предыдущих расчетов по упрощенному аналитическому подходу (см. Рисунок 3). Однако отметим, что на некотором расстоянии от ПФЗ, расхождения между подходами становятся более существенными. Это объясняется влиянием контура реки, геометрия которого была учтена в модели аналитических элементов. Таким образом, при оценке барражного эффекта на контуре ПФЗ допустимо использовать упрощенный аналитический подход. При необходимости оценивать влияние барражного эффекта от ПФЗ на соседние здания и сооружения следует использовать модель аналитических элементов.
Теплыми оттенками показана область подъема уровня воды относительно естественных условий, холодными – область снижения уровней подземных вод. Подписи на изолиниях указывают изменение уровня воды в метрах: отрицательные значения – подъем, положительные – опускание
Рисунок 5 – Расчет барражного эффекта от ПФЗ
Дополнительно на модели аналитических элементов исследовалась возможность демонтажа ПФЗ. Было оценено, насколько можно сократить эффект барража после строительства котлована за счет частичного демонтажа секций ПФЗ. На модели из контура ПФЗ было изъято 8 секций. Результаты расчетов приведены на Рисунке 6.
Рисунок 6 – Расчет барражного эффекта после демонтажа части секций ПФЗ
Настоящий урок подготовлен с помощью калькулятора гидрогеолога (модуль AnsQuick) и гидрогеологической модели на базе аналитических элементов (модуль AnsAEM).