Гидрогеологические расчеты дренажных устройств по защите от подтопления выполняют методами аналогии, аналитического и численного моделирования.

Метод гидрогеологической аналогии применяется для отдельных зданий, сооружений и малых площадок (когда отсутствуют стационарные наблюдения за подземными водами) для приближенных расчетов и основывается на использовании фактических данных (природных и техногенных) объекта-эталона.

Аналитические методы расчета дренажей и других сооружений должны использоваться для относительно несложных гидрогеологических и техногенных условий, приводимых к расчетным схемам, допускающим получение аналитического решения уравнений фильтрации.

Моделирование применяют в случае сложных гидрогеологических и техногенных условий при неоднородном строении водоносной толщи [1].

Территория Имеретинской низменности на момент проектирования олимпийских объектов для Зимней Олимпиады 2014 года имеет сложные гидрогеологические условия, поэтому расчеты для данной территории целесообразно провести методом численного моделирования.

В 2007–2008 гг. на основе имеющихся фондовых материалов была разработана концептуальная геофильтрационная модель Имеретинской низменности.

В результате моделирования получена карта гидроизогипс и глубин залегания уровня первого от поверхности водоносного горизонта и составляющие баланса подземных вод, которые показали, что питание подземных вод в основном происходит по окраинным землям Имеретинской низменности, где подземные воды залегают на глубинах более 1 — 2 м. В центральной части впадины за счет близкого уровня интенсивность питания существенно меньше.

Процессы подтопления и затопления широко распространены в пределах Имеретинской низменности и в береговой зоне междуречья Мзымта-Кудепста. Затапливаемая площадь здесь составляет от 10 до 100%. Последняя величина характерна для низовьев р. Мзымта во время высоких и катастрофических паводков. В межпаводковые периоды территория подтапливается грунтовыми водами. Карта подтопления территории представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Карта подтопления территории Имеретинской низменности

Причина развития процессов затопления и подтопления заключается в накоплении значительных объемов аллювия в приустьевых частях речных русел, что в свою очередь связано с зарегулированием русел, резким сокращением водности водотоков в результате активного водоотбора. Таким образом, в приустьевой части русел рек сформированы естественные запруды, затрудняющие пропуск паводковых вод и поднимающие уровень водотока в среднем течении на 1,0 – 1,5 м.

Подтопление Имеретинской низменности связано с низкими отметками территории и большими величинами приходных статей в балансе подземных вод за счет инфильтрационного питания, притоков из долин pp. Мзымта и Псоу и более глубоких напорных горизонтов подземных вод. Важную роль в формировании подтопления играет литологический состав пород и наличие отдельных горизонтов и многометровых толщ лиманных глин, обладающих низкими фильтрационными свойствами и способствующими формированию постоянной верховодки [2].

Преобладающие абсолютные отметки рельефа территории составляют 1,0 – 1,5 м, наибольшая высота – 5,0 м. Наименьшие отметки прослеживаются в центральной части низменности, и здесь они находятся даже ниже уровне моря – (минус 0,4) – (минус 0,5 м).

Средняя глубина залегания уровней грунтовых вод составляет 1,2 м.

Из этого следует, что для обеспечения нормативных глубин залегания УГВ согласно нормам СНиП 22-02-2003, на участках строительства сооружений для проведения Зимних Олимпийских игр 2014 года и на территории рекреационного назначения, требуется строительство системы инженерной защиты от подтопления, обеспечивающей снижение уровней грунтовых вод до необходимых отметок. Осложняющими факторами здесь является лимитирование глубины заложения дрен на отметке уровня моря (минус 0,26 м) и распространенность с поверхности лиманских глин на значительной части территории низменности.

Указанные обстоятельства приводят к тому, что для обеспечения нормативных глубин залегания уровней грунтовых вод требуется подсыпка территории.

В результате подсыпки, абсолютные отметки территории будут изменяться в пределах от 2,5 м до 6,65 м, а средняя абсолютная отметка поверхности земли составит 3,82 м. Согласно проектным решениям, подсыпка территории будет выполняться с применением песчано-гравийной смеси с коэффициентом фильтрации не менее 2 м/сут.

В соответствии с принятыми решениями по повышению планировочных отметок территории изменяются балансовые составляющие питания грунтовых вод. Кроме мероприятий по повышению планировочных отметок на балансовые составляющие питания грунтовых вод оказывают влияние и другие факторы, связанные со строительным освоением территории, что вызовет техногенную составляющую баланса в виде дополнительного инфильтрационного питания.

В связи с этим возникает необходимость оценки изменения уровня грунтовых вод при строительном освоении территории.

Обоснование проектных и строительных решений и концепций, влияние строительного освоения территории на изменение гидрогеологического режима грунтовых вод выполнено методом математического моделирования на численной модели фильтрации.

При разработке математической модели фильтрации были использованы результаты модели ЗАО «Геолинк Консалтинг», а именно, плановая и вертикальная дискретизация расчетной области фильтрации, граничные условия и параметры [3].

Наиболее популярной программой для проведения численного моделирования фильтрации в настоящее время является программный комплекс Геологической службы США MODFLOW, ставшей во всем мире «де-факто» стандартом для фильтрационных расчетов в сложных гидрогеологических условиях.

При подготовке модели были использованы все имеющиеся материалы для задания пространственной геометрии модельных слоев. Это геодезические данные и данные, полученные при бурении скважин.

Расчетная область фильтрации была покрыта неравномерной сеткой, состоящей из 3400 х 7800 блоков со сторонами 20 м х 20 м — на периферии модели и со сторонами 5 м х 5 м — в пределах зон проектируемого строительства.

На первом этапе моделирования была решена обратная задача по воспроизведению гидрогеологической ситуации на всей территории проектируемого строительства в существующих условиях.

Калибровка математической модели, отражающей фильтрацию подземных вод в естественных условиях, заключается в подборе фильтрационных параметров водовмещающих пород.

Фильтрационные параметры водовмещающих пород подбираются таким образом, чтобы модельное распределение уровня подземных вод соответствовало фактическому его положению, полученному в результате замеров уровня воды в скважинах.

Допустимая невязка между модельными и натуральными уровнями ∆ Н может быть оценена по формуле:

∆ Н = ±[0,1(Нmax –Hmin) + 0,5 А],                                             (1)

где Hmax и Hmin – максимальный и минимальный уровень грунтовых вод в пределах области фильтрации, замеренные в скважинах, А – сезонная амплитуда колебания УГВ, принимаемая равной 1,0 м.

Максимальный уровень грунтовых вод новочерноморского водоносного горизонта равен 6,0 м, минимальный ‑  минус 0,24 м.

Разница между максимальным и минимальным уровнями составляет 6,24 м.

Расчетное значение допустимой невязки ∆ Н составляет ± 1,12 м.

Средняя по модели ошибка составила 4 %, что свидетельствует о хорошей сходимости модельных и натурных уровней, подтверждающей адекватность математической модели и природных условий.

При проведении калибровки модели было достигнуто удовлетворительное соответствие натурных и модельных данных при коэффициенте фильтрации новочерноморского водоносного горизонта, изменяющемся от 0,04 м/сут до 27,0 м/сут и инфильтрационном питании 0,0026 м./сут.

Результатом решения обратной задачи является распределение модельных уровней подземных вод, представленных на рисунке 2.

Рис.2. Модельная карта гидроизогипс (результат решения обратной задачи)

Таким образом, в результате решения обратной задачи была представлена схема фильтрационного потока, схематизированы гидрогеологические условия и откорректирована региональная геофильтрационная модель.

На модели решена задача по воспроизведению гидрогеологических условий в существующей обстановке и получены количественные характеристики баланса подземных вод.

Для оценки характеристик и необходимых объемов дренажных сооружений необходимо определить глубины залегания уровней грунтовых вод после строительного освоения территории низменности.

В результате проведения мероприятий по подсыпке и последующей застройки территории произойдет подъем уровней грунтовых вод относительно их естественных отметок. Это определяется как изменением балансовых составляющих питания и разгрузки верхнего водоносного горизонта, связанных с увеличением глубины залегания уровней грунтовых вод, так и с дополнительной подпиткой верхнего горизонта, возникающей на застраиваемых участках и связанной с потерями воды, направляемой на водоснабжение, полив, используемой в водоотведении и др. техногенными потерями.

Расчеты изменения уровней грунтовых вод за счет изменения глубины их залегания проводились для условий с величиной годовых осадков 1% обеспеченности равной 2214 мм.

Зависимость интенсивности питания от глубины залегания УГВ задавалась для территории с подсыпкой и для участков вне границы подсыпки, где зона аэрации сложена песчано-галечниковыми отложениями по формуле:

.                                                                               (2)

Для территории, где зона аэрации сложена слабопроницаемыми породами, зависимость интенсивности питания от глубины залегания уровня грунтовых вод задавалась как:

.                                                                                 (2)

Для учета дополнительной подпитки верхнего водоносного горизонта, возникающей при застройке территории, на всей застраиваемой площади задавалось увеличение рассчитанных по формуле (2) значений интенсивности инфильтрационного питания на величину 2,5×10^-4 м/сут, что является характерным значением потерь на застроенных городских территориях.

Прогнозная карта изменения уровней грунтовых вод в результате застройки приведена на рисунке 3. Результаты расчетов показывают, что подсыпка территории и ее последующее строительное освоение приведут к подъему уровней грунтовых вод на величину до 0,45 м. Снижение уровней грунтовых вод на части территории вызвано созданием системы прудов с подержанием уровней в этой системе на абсолютной отметке минус 0,5 м.

Рис. 3. Прогнозная карта изменения уровней грунтовых вод в результате застройки

На основе полученной карты изменения уровней грунтовых вод была построена прогнозная карта глубин залегания уровней подземных вод (рисунке 4).

Анализ карты глубин залегания уровней грунтовых вод после проведения подсыпки территории и ее застройки позволил выделить участки, на которых необходимо строительство систем инженерной защиты от подтопления.

Прогнозная карта глубин залегания уровней грунтовых вод получена с учетом выполнения следующих требований:

— поверхностный сток с нагорной части территории перехватывается нагорными каналами, а существующая дренажная система собирает и отводит часть поверхностного и подземного стока

— с внутренней территории в тех же объемах, что и в настоящее время, т.е. до строительного освоения территории;

— прокладка водонесущих коммуникаций осуществляется в строгом соответствии с действующими нормами и техническими решениями, минимизирующими потери воды при ее транспортировке.

Для того чтобы защитить территорию проектируется строительство новых систем дренажа.

Принципиальные схемы расположения систем инженерной защиты, конкретные типы и виды дренажей, глубины заложения дрен должны быть увязаны с архитектурно-планировочными решениями в увязке с проектами прокладки коммуникаций, принятыми решениями по фундаментам зданий и сооружений на основе карт риска подтопления выделенной территории.

Рис. 4. Прогнозная карта глубин залегания уровней подземных вод

В качестве основного варианта для оценки состава и объема работ по сооружению дренажных систем принимаем вариант осушения 50% площади подтапливаемой территории горизонтальным закрытым трубчатым дренажем с фильтрующей обсыпкой, остальных подтопленных площадей – горизонтальным лучевым дренажем.

Общая площадь территории, на которой требуется сооружение дренажа после подсыпки, составляет около 465 га.

В схеме инженерной защиты территории немаловажная роль отводится системе искусственных прудов с постоянным уровнем воды на отметке минус 0,5 м, которые являются открытыми дренажными сооружениями. Приток в пруды равен около 11 тыс. м3/сут, что составляет 25% от расходной статьи баланса подземных вод.

Основным конструктивным решением по снижению уровня грунтовых вод на подтопленных территориях является устройство горизонтального закрытого трубчатого дренажа с фильтрующей обсыпкой или лучевого горизонтального дренажа. В зависимости от результатов математического моделирования гидрогеологической ситуации на защищаемой территории и гидрогеологических расчётов, трубчатые дренажи устраиваются в виде кольцевого, линейного или систематического (площадного) типа.

Грунтовые воды самотёком отводятся в существующие открытые водотоки при соответствующем экологическом обосновании. При необходимости устраиваются перекачивающие автоматизированные дренажные насосные станции.

На участках новой застройки, на подтопленных и потенциально подтапливаемых территориях Имеретинской низменности, в дополнение к основным элементам инженерной защиты от подтопления (лучевым и горизонтальным систематическим дренажам) в основании зданий могут устраиваться пластовые и пристенные дренажи. Грунтовые воды из пластовых дренажей отводятся в пристенные горизонтальные трубчатые дрены и далее в общую систему сброса. Вдоль водонесущих коммуникаций необходимо устраивать сопутствующие дренажи [4].

Защита от подтопления сохраняемых территорий с существующей застройкой предусматривается с применением горизонтальных трубчатых и лучевых дренажей и максимальным использованием действующих элементов дренажных систем.

В спортивно-рекреационной зоне порог геологической безопасности оценивается в пределах от 1,5 м до 1,95 м, а допустимая глубина залегания уровня грунтовых вод лежит в пределах от 0,65 м до 1,1 м.

В жилищно-деловых зонах порог геологической безопасности оценивается в пределах от 3,0 м до 3,7 м. Допустимый уровень в этой зоне лежит в пределах глубин от 1,3 м до 2,2 м .

До этапа моделирования схем инженерной защиты была выполнена корректировка фрагментов математической модели с учетом детальных инженерно-геологических изысканий на участках кварталов.

Результаты моделирования показывают, что суммарный дебит системы дренажных сооружений на период строительства и эксплуатации зданий и сооружений составляет около 30,3 тыс. м3/сут.

При этом уровень грунтовых вод на территории Имеретинской низменности залегает на абсолютных отметках минус 0,5 – 2,5 м.

Кроме того, в систему искусственных прудов, которые являются открытыми дренами и работают в полном объеме, поступает расход подземных вод равный 11 тыс. м3/сут.

Результаты моделирования показывают, что грунтовые воды залегают на глубинах, соответствующих порогу геологической безопасности.

На территории дренирования прогнозная глубина залегания уровня грунтовых вод изменяется от 1,1 м до 3,2 м, что соответствует норме осушения согласно нормативам [5].

Рис. 5. Прогнозная карта глубин залегания уровня подземных вод при мероприятиях на период строительства и эксплуатации зданий и сооружений

Разработанная концепция схемы инженерной защиты территории Имеретинской низменности от подтопления позволяет снизить и поддерживать уровень грунтовых вод на допустимых глубинах.

Список литературы:

1. СНиП 22-02-2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения.// М., Рострой, 2004
2. Отчет. «Разработка природной геофильтрационной модели междуречья рек Мзымты и Псоу (Имеретинская низменность). (Существующие условия)»// М. ЗАО «Геолинк Консалтинг». 2007.
3. Отчет по объекту: «Инженерная защита территории Имеретинской низменности. Гидрогеологическая модель Имеретинской низменности для проектирования инженерной защиты территории и олимпийских объектов»// М., ЗАО «Геолинк Консалтинг», 2008.
4. Куранов Н.П., Куранов П.Н. Нормативные требования к системам инженерной защиты от подтопления.// М., ООО «Изд-во ВСТ», 2009
5. Орнатский В.Н., Ширкова Т.Н. ОАО «Проекттрансстрой», Криксунов Ю.Я., Садретдинова Н.А. ЗАО «ДарВодГео» Том «Гидрогеологическое моделирование» по объекту: «Инженерная защита Имеретинской низменности, включая берегоукрепление. 1-й этап: инженерная защита Имеретинской низменности (п.69Программы)»

Данные об авторах:

Ю.В. Воронов – д.т.н., профессор кафедры «Водоотведение и водная экология», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский Государственный Строительный Университет» Национальный исследовательский университет ФГБОУ ВПО «МГСУ» НИУ, 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д. 26, mabell@bk.ru

Т.Н. Ширкова — аспирант кафедры «Водоотведение и водная экология», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский Государственный Строительный Университет» Национальный исследовательский университет ФГБОУ ВПО «МГСУ» НИУ, 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8-985-789-77-04, mabell@bk.ru