Эколого-гидрогеологические условия территории г. Тюмени и обоснование методов защиты ее от подтопления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.06, кандидат геолого-минералогических наук Писарев, Александр Евгеньевич

• Писарев, Александр Евгеньевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Писарев, Александр Евгеньевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Характеристика Тюменской городской агломерации

как природно-технической системы

1.1. Структура города, застройка, инженерия

1.2. Рельеф

1.3. Климат

1.4. Гидрография

Глава 2. Геологическое строение, гидрогеологические условия г.Тюмени, инженерно-геологические особенности поверхностных отложений

2.1. Геологическое строение 3

2.1.1. Стратиграфия 3

2.1.2. Геоморфология и геология четвертичных отложений

2.2. Гидрогеологические условия г.Тюмени

2.2.1. Основные водоносные горизонты

2.2.2. Гидрогеологические параметры водоносных горизонтов

2.2.3. Оценка величины дополнительного инфильтрацион-ного питания подземных вод на застроенных территориях

на основе водно-балансовых расчетов и методом аналогии

2.2.4. Определение величины дополнительной инфильтрации по данным режимных наблюдений (обратные расчеты)

2.2.4.1. Определение интенсивности утечек воды из линейно-вытянутых коммуникаций

2.2.4.2. Определение интенсивности инфильтрационного питания при поступлении его из полосообразного источника

2.2.4.3. Определение интенсивности инфильтрационного питания при поступлении его из круглого очага

2.2.5. Уровенный режим подземных вод

2.3. Инженерно-геологические особенности поверхностных отложений

Глава 3. Геоэкологическое состояние городской территории

3.1. Основные факторы и их роль в формировании качественного состава подземных вод

3.2. Оценка качественного состава подземных вод

3.3. Тепловое техногенное загрязнение геологической сре-

ды (ГС) на территории г.Тюмени

Глава 4. Гидрогеологическое обоснование методов инженерной защиты г.Тюмени от подтопления

4.1. Гидрогеологический анализ существующих схем защиты г.Тюмени от подтопления

4.2. Оценка состояния подтопленных городских территорий

4.3. Факторы и причины подтопления г.Тюмени

4.3.1. Неблагоприятные климатические факторы

4.3.2. Барражный эффект от фундаментов глубокого заложения

4.3.3. Техногенно-нарушенный гидрологический режим

р.Туры

4.4. Гидрогеологическое обоснование рекомендаций по методам инженерной защиты г.Тюмени от подтопления

4.4.1. Анализ и гидрогеологическая оценка методов по предотвращению подтопления территории г.Тюмени

4.4.2. Расчёт вертикального площадного дренажа (на примере жилмассива "Крестьянские места")

4.4.3. Принципиальные гидрогеологические предложения к разработке схемы защиты г.Тюмени от подтопления

4.4.4. Гидрогеологическое обоснование инженерных решений по регулированию поверхностного стока р.Туры в пределах г.Тюмени

4.5. Прогноз дополнительных осадок сооружений от осушения с помощью дренажных устройств

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эколого-гидрогеологические условия территории г. Тюмени и обоснование методов защиты ее от подтопления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Экологическая обстановка на урбанизированной территории города Тюмени доведена до кризисного состояния. Подтопление городской территории за счет подземных и канализационных вод, отравленные реки и водоемы, опасная к употреблению питьевая вода, загазованность и запыленность воздушной среды, все более угрожающее приближение разрушающихся склонов Городищенского лога и правого берега р.Туры к городской застройке, не только создали дискомфорт в условиях проживания, но и являются первоосновой непредсказуемых мрачных последствий, грозящих не только здоровью людей, но и самой их жизни.

Среди большого разнообразия экологических проблем города, с точки зрения гидрогеологии, несомненный приоритет имеют вопросы подтопления городских земель.

Экологическая драма, разыгравшаяся на территории г.Тюмени, создает наряду с другими известными факторами, тупиковую морально-психологическую обстановку, приводящую к равнодушию, в том числе и в отношении властных структур, которые наверняка, даже в условиях ограничений по времени и материально-финансовым ресурсам, знают в этом плане, чего хотят, но сделать ничего не могут, ибо не знают как. И в этой ситуации для администрации в «знатоках» отбоя нет, особенно со стороны. Есть такого рода «знатоки» и для решения проблем защиты города от подтопления. Эта проблема появилась не сегодня, а возникла в явном виде, начиная с 1965-90гг. Были по этой проблеме совещания и авторитетные комиссии при городской администрации. Были и схемы защиты территории г.Тюмени от неблагоприятных геологических процессов (институты Гипрокоммундортранс, Гипрокоммунстрой), а также ТЭО по отводу поверхностных и подземных вод открытыми канавами с территории п.Войновка (институт Тюменьгипроводхоз). Наконец, по рекомендации «авторитетной» московской комиссии к решению задач борьбы с подтоплением городских земель был привлечен институт ВИО-ГЕМ (г.Белгород), которым были разработаны, по заказу городской Администрации, схема защиты города от подтопления и рабочий проект по той же тематике, но конкретно для жилмассива «Крестьянские места».

Несмотря на затраченные огромные силы и средства, острота проблемы защиты территории города Тюмени от подтопления, даже при наличии обилия так называемых «проектных предложений», так и не снята.

Причины такой ситуации - ошибочные в организационном плане представления о задачах разработки схем защиты территории от опасных геологических процессов, как о стандартных, которые могут быть реше-

ны по классической схеме, через систему проектно-изыскательских работ (ТЭО, схема защиты...., РП и т.п.) , минуя специальные научные исследования. Административные же способы принятия решений в этом сложном вопросе вообще не имеют права на существование, так как кроме убытков, с их помощью, ничего другого достигнуть не удалось. Отсутствие научного гидрогеологического обоснования «Схем защиты...» городских земель от подтопления и предопределило необходимость постановки настоящих исследований, причем интерес к этой городской проблеме появился у автора ещё в период учебы в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Цель работы. Научно-информационное гидрогеологическое обеспечение проектных работ по разработке схем защиты г.Тюмени от подтопления за счет подземных вод.

Задачи исследований:

- выяснить основные причины подтопления городских земель;

- провести гидрогеологический анализ существующих схем защиты г.Тюмени от подземных вод;

- разработать научные основы гидрогеологического обоснования рекомендаций по разработке мер инженерной защиты города от подтопления;

- предложить теоретическое обоснование последствий для инженерных сооружений при снижении уровня подземных вод в процессе осушения грунтового массива.

Используемые методологические принципы.

A. Если задано «следствие», то ищи «причины». Если установлены «причины», то ищи «способы борьбы» ( в смысле целей, поставленных в настоящей работе).

Б. «Причины» должны быть установлены на основе объективных процедур и на объективно полученном целевом эмпирическом материале.

B. «Способы борьбы» должны быть заданы из класса допустимых в многовариантной постановке.

Г. Ищи «способ борьбы» в смысле заданных критериев.

Д. Проблемы подтопления городских земель и развитие экзогенных геологических процессов в городе взаимосвязаны; без решения первой проблемы - нет решения второй.

Исходные материалы. В основу диссертации положен фактический материал, полученный автором при проведении гидрогеологических и инженерно-геологических исследований в г.Тюмени с 1992 по

1998 гг. Наряду с собственными разработками автора, обобщены имеющиеся публикации, материалы ГлавТюменьгеологии (ЗапСибРГЦ), Зап-СибПНИИИС, «Тюменьгипроводхоз», фирмы «Недра» (Тюмень), Гипро-коммунстроя (Москва), «Гипрокоммундортранс» (Москва), фирмы «Уником» (Санкт-Петербург), НПО ВИОГЕМ (Белгород) , АООТ «Градъ» (Тюмень) , МГУ, ПНИИИС, ВНИИ ВОДГЕО.

Диссертационная работа на первом этапе выполнялась в фирме «Прогноз» , а в окончательном варианте завершена в Тюменском нефтегазовом университете (ТюмГНГУ).

Научная новизна.

1. Впервые для г.Тюмени выявлены основные причины подтопления городских земель, с учетом которых на основе анализа имеющейся гидрогеологической информации и особенностей города как природно-технической системы, разработана новая концепция осушения подтопленных территорий. Предложено теоретическое обоснование способа получения оценок осадок дневной поверхности, оснований зданий и сооружений в процессе осушения грунтового массива при работе дренажных систем.

Основные защищаемые положнния

1. На основе теоретического обобщения эмпирического материала по климату, особенностям рельефа, гидрологии реки Туры в черте города, геологии и гидрогеологии района, с учетом техногенных факторов, выявлено и доказано с применением прогнозных гидрогеологических расчетов, что главными причинами подтопления являются :

- неупорядоченная зарегулированность поверхностного стока;

- неблагоприятные климатические условия;

- техногенно нарушенный гидрологический режим р.Туры;

- барражный эффект от фундаментов глубокого заложения (свайные фундаменты).

2. На базе критического анализа существующих схем защиты - г.Тюмени от подтопления в концепцию осушения городских территорий с

гидрогеологических позиций, рекомендуется включить следующие защитные элементы :

- «отобранную» в процессе хозяйственного освоения пойму р.Туры, «заменить» спрямляющим водопропускным каналом в Заречной части города;

- на участках сформированных техногенных водоносных горизонтов осушение следует вести с использованием традиционного гравитационного дренажа (береговой, систематический и т.п.);

- на подтопленных локальных участках, где в гидрогеологическом

разрезе присутствуют коллектора, рекомендуется применение вертикального систематического дренажа подземных вод;

- одновременная откачка из скважин (имеющийся в наличии фонд скважин для резервного водоснабжения) , пройденных в водоносных горизонтах олигоцен-четвертичного резервуара, для «мягкого» снижения уровня подземных вод на подтопленных территориях;

- отказ от применения свайных фундаментов с переходом на плитные и ленточные.

Практическое значение работы иреализац ия результатов исследований.

Диссертация составлена в результате проработки актуальных гидрогеологических проблем г.Тюмени. Реализация результатов исследований осуществлялась в виде докладов, публикаций, а также в подготовке информационной базы для составления экспертных заключений по линии Тюменьоблэкологии. Научные разработки автора использовались при выполнении в качестве ответственного исполнителя госбюджетной темы (шифр 2.8): «Гидрогеологическое обоснование инженерных решений по борьбе с подтоплением городских и промышленных агломераций юга Тюменской области».

Публикация и апробация работы. Основные результаты диссертации освещались на XV Всероссийском совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (7-9 октября 1997г.), а также на ежегодных (1995-1997 гг.) научно-технических конференциях преподавателей, студентов и аспирантов ТюмГНГУ. Проблемы, затронутые в настоящей работе, неоднократно обсуждались в Тюменьоблэкологии, когда речь шла об экологической обстановке в г.Тюмени.

Защищаемые положения диссертации отражены в 5-и опубликованных работах, а также в учебном пособии в соавторстве.

Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объемом 202 страницы состоит из Введения, 4-х глав, Заключения, списка литературы из 78 наименований, включает 54 рисунка и 50 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору В.М.Матусевичу за постоянную помощь на всем протяжении подготовки диссертационной работы. Автор благодарит за ценные советы и замечания всех сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ТюмГНГУ.

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Писарев, Александр Евгеньевич

Основные выводы по результатам проведенных исследований сводятся к следующему.

При уровнях воды в канале, не превышающих уровней грунтовых вод в естественных условиях происходит устойчивое осушение прилегающей к каналу территории. При заданных отметках дна канала, равных 43-44 м и минимальных уровнях воды в канале понижение грунтовых вод может достигнуть 1.9-4.7 м. Притом наиболее значительное понижение уровня наблюдается на участках с высоким уровнем стояния грунтовых вод от Щербаковского моста до моста по ул.Мельникайте. Более интенсивное понижение уровня грунтовых вод наблюдается в сторону II надпойменной террасы, что связано со значительными напорными градиентами грунтового потока. Зона влияния канала распространяется практически на всю рассматриваемую полосу шириной 1200 м. Наибольшее понижение уровня грунтовых вод наблюдается вдоль трассы канала, которое постепенно уменьшается по мере удаления от него.

При уровнях воды в канале, превышающих уровни грунтовых вод в естественных условиях происходит подпор уровня грунтовых вод и его повышение. При уровнях воды в канале, равных 54.5 м и выше происходит устойчивое подтопление всей прилегающей территории.

Уровни поверхностных и грунтовых вод, как показывают проведенные прогнозные расчеты, находятся в тесной взаимосвязи. При поддержании уровня воды в канале не превышающего 51.7 м водопропускной канал оказывает благоприятное влияние на гидрогеологическую обстановку прилегающих территорий, способствуя понижению уровня грунтовых вод и предотвращению подтопления и заболачивания территории поймы.

Ожидаемый водоприток в канал при минимальных уровнях воды в нем (49.4- 50.4 м) составит 2425 - 2487 куб.м/сутки. По мере повышения уровня воды в канале водоприток уменьшается и составит соответственно для уровней 51.7 м, 52.9 м, 54.5 м, 55.5 м - 2258 куб.м/сутки, 2130 куб.м/сутки, 2012 куб.м/сутки и 1983 куб. м/сутки.

В связи с резкой сменой литологического состава грунтов для предотвращения неблагоприятных последствий требуют защитных мероприятий в капитальном исполнении следующие участки канала:

- участок от истока канала до Щербаковского моста;

- участок в районе Профсоюзного моста на расстояние не менее 300 м по обе стороны от оси моста;

- участок длиной не менее 200 м в устье канала. На остальных участках канала возможно сочетание капитального крепления нижней части склона с планировкой верхней части и дальнейшим закреплением ее травяной растительностью. Капитальному креплению подлежит нижняя часть склона на всю мощность песчаных и супесчаных отложений.

В целях благоприятного воздействия канала на прилегающие территории уровень воды в нем не должен превышать абсолютных отметок 51.7-52.0 м.

При высоком уровне паводковых вод в р.Туре допускается кратковременный пропуск воды по каналу с уровнем, не превышающем минимальные абсолютные отметки рельефа пойменной территории. Для предотвращения затопления прилегающей к каналу территории при этом необходимо строительство водооградительной дамбы из глинистого грунта, добываемого в процессе строительства канала. Ширина дамбы должна быть не менее 10 м. Высота дамбы должна соответствовать абсолютной отметке 59 м.

Конструкция крепления бортов и дна канала должна обеспечивать надежную защиту от глубинного размыва и береговых деформаций. Уклон дна канала должен обеспечивать при этом неразмывающую скорость потока.

В местах пересечения водопропускного канала улиц Щербакова, Профсоюзной и Мельникайте крепление бортов канала должно обеспечивать безопасность эксплуатации мостовых сооружений.

Для регулирования уровня воды в канале в истоке должно быть предусмотрено строительство водопропускного сооружения в виде шлюза.

Для поддержания санитарного состояния канала необходимо установить водоохранную зону шириной не менее 25 м от водооградительной дамбы по обе стороны водопропускного канала.

Подводя итог сказанному, вариант строительства водопропускного канала (регулятор гидрологического режима р.Туры) с гидрогеологических позиций имеет явные перспективы в части снижения уровней грунтовых вод в целом на городской территории. Канал, проложенный по левобережной пойменной Заречной части г. Тюмени, усилит дренирование подземных вод как с пойменной части, так и с террасовых комплексов в пределах городской застройки. Другими словами, задуманный канал заменит оттор-женную в процессе хозяйственного освоения речную пойму, способен вернуть с точки зрения гидрогеологии город к исходному состоянию, безусловно при сочетании с профилактическими и активными средствами инженерной зашиты от подтопления городских земель за счет подземных вод.

4.5. Прогноз дополнительных осадок сооружений от осушения с помощью дренажных устройств

Понижение уровня грунтовых вод сопровождается изменением напряженного состояния обводненных грунтов вследствие уменьшения взвешивающего воздействия воды. Кроме того, в процессе понижения появляется сила гидродинамического давления подземного потока. В результате при осушении в грунтах возникают дополнительные напряжения, которые могут привести к неравномерным осадкам зданий и сооружений. Особенно неблагоприятная ситуация складывается при осушении слабопроницаемых грунтов, так как осадки и деформации в них могут быть весьма существенными. Поэтому при фильтрационных расчетах дренажных систем на подтопленных территориях, в особенности сложенных слабопроницаемыми грунтами, наряду с определением фильтрационных показателей (снижение уровней, притоки и т. д.) прогнозирование осадок имеет важное практическое значение.

Задача определения осадок грунтовых массивов при их осушении по своему содержанию близка к задаче теории фильтрационной консолидации грунтов, впервые сформулированной и развитой К. Терцаги /1961/, Н.М. Герсевановым и Д. Е. Полыпиным /1948/, В. А. Флориным /1961/, в дальнейшем более детально изученной рядом исследователей /Цытович, 1979; Зарецкий, 1967/. В соответствии с этими исследованиями, уплотнение обводненных грунтов под влиянием дополнительных напряжений происходит за счет переукладки частиц грунтов при одновременном оттоке воды из порового пространства. При этом сжимаемостью воды и минеральных зерен можно пренебречь.

Первая модель прогнозирования предполагает процесс возникновения дополнительных осадок при понижении уровня грунтовых вод вследствие того, что из-за снятия взвешивающего действия воды в зоне между прежним и новым уровнем грунтовой воды природное давление на все нижележащие слои грунта возрастает на величину Ар , определяемую в зависимости от высоты капиллярного поднятия , глубины расположения уровня грунтовых вод до его понижения Ьв , величины снижения уровня грунтовых вод АЬВ; и плотностей грунтов, расположенных ниже уровня грунтовых вод увзв, в зоне капиллярного поднятия р! и выше этой зоны - р2.

Для случая, когда Ьк= Ьв + АЬВ - Ь2 , величина Ар находится по формуле

Ар = р!(Ьк - Ьв)+ р2Ь2 - рвзвА11в, где Ь2 - толщина слоя грунта над зоной капиллярного поднятия воды, образовавшейся после снижения уровня грунтовых вод.

Для случая, когда Ьк < АЬВ

Ар = (р2 - рвзв) АЬВ = (1/1+е2)( Рз1^ + АЬВ = (1/1+е2)(1+02е2) р

АЬВ, где е2,\\^2 и С2 - коэффициент пористости, влажность и степень влажности в слое грунта выше зоны капиллярного поднятия воды.

Для случая, когда Ьк ^ Ив+ АЬВ

Ар = (Р1 - рвзв) АЬВ = (1/1+е0( ^ + р^ АЬВ = (1/1+е1Х1+О1е0 Pw

А11в, где еь\¥1 и О] - коэффициент пористости, влажность и степень влажности грунта в зоне капиллярного поднятия воды.

При 61=1

Ар = АЬВ

Дополнительная осадка АЬ от снижения уровня грунтовых вод определяется по формуле

АЬ = АрН/Е, где Е - модуль деформации грунта в пределах сжимаемой толщи Н.

Величина сжимаемой толщи Н определяется из условия Ар = 0,2рО2<, т. е. она равна глубине, на которой ра2- = 5Ар.

Природное давление грунта рст2' на глубине т! находится в зависимости от объемных весов грунта в отдельных его слоях (рвзв, р( и р2) после понижения уровня грунтовых вод.

Вторая модель прогнозирования дополнительных осадок включает элементы первой, но дополнительно предполагает наличие работающего систематического дренажа и средней нагрузке на подошве существующего фундамента интенсивностью q (рис. 53)

При выводе исходных дифференциальных уравнений, описывающих процесс фильтрации и консолидации грунтов, приняты следующие стандартные допущения:

1) в грунтах и в воде отсутствует защемленный и растворенный воздух;

2) процесс уплотнения грунтов под нагрузкой описывается компрессионной кривой, протекает в изотермических условиях и не достигает предела их структурной прочности;

3) касательные напряжения в грунтах не возникают;

4) начальный градиент фильтрации равен нулю.

Нормальные напряжения, действующие в грунтовом массиве при работе дренажа, равны ( рис. 53)

Г //7777".

ЗС " 01

Рис. 53. Схема систематического дренажа: 1 - зеркало грунтовых вод до работы дренажа; 2 - то же при работе дренажа; 3 -- дренаж; 4 - защищаемое сооружение а2 = а2 (х, г, 1) + а2 (я, х, х), ах = £,ст2, (2)

16) (17) где а2 - напряжение от веса грунта; ст2 - напряжение от внешней нагрузки q , приложенной к поверхности грунта с первоначальной мощностью М; - коэффициент бокового давления, определяемый по формуле Е, = ц (1 - р); р - коэффициент Пуассона.

При определении а2 необходимо учитывать взвешивающее воздействие воды, которое определяется глубиной залегания грунтовых вод.

Так как при работе дренажа происходит понижение уровня воды на вели/ чину 8 , то напряжения от веса грунта а2 при работе дренажа выражаются следующим образом :

19) а2' = ргя(М - Не + 8) + рг„ч(Не - 8 - г); рг= рвп + рс(1 -п); рвп + (рс-рв)(1-п).

18)

20)

Здесь рг - плотность грунта выше уровня грунтовых вод, где насыщенность пор водой равна О; ргн - объемная масса грунта ниже уровня грунтовых вод, рв - плотность воды; рс - плотность грунта; п - пористость грунта. Остальные обозначения приведены на рис. 53.

В формуле (18) предполагается, что насыщенность в до работы дренажа и при его работе одинакова.

В дальнейшем удобнее пользоваться вместо пористости п коэффициентом пористости в , которые связаны между собой известным соотношением n = e/(l+e); e = n/(l-n). (21)

Исходными зависимостями, описывающими процесс осушения грунтов с учетом их деформации, являются: а) уравнения неразрывности для твердой фазы div и = - dm/dt, (22) для жидкой фазы div й = - an/at, (23) для грунта в целом div (û+u) = 0; m + n = 1, (24) где и и и - скорости движения воды и твердых частиц соответственно; m - объем твердых частиц в единице объема грунта; б) закон фильтрации Дарси - Герсеванова й - и = k(e)grad S, (25) где k(s) - коэффициент фильтрации, являющийся функцией коэффициента пористости е; в) компрессионная кривая, устанавливающая связь между измерением коэффициента пористости и напряжениями e = f [9/(1 + 0], (26) где 9 - сумма главных напряжений, причем /Герсеванов и др., 1948; Флорин, 1961/

9 = ах + а2; (27) г) связь между коэффициентами фильтрации и пористости k = fi(e) = k(e). (28)

Соотношения (26) и (28) являются эмпирическими, их характер определяется типом осушаемого грунта и условиями дренирования.

Выражая составляющие суммы главных напряжений 9 по формулам (16) - (18) и используя зависимости (22) - (25), получаем следующую систему уравнений, описывающих деформацию грунтов при их осушении за счет изменения пористости:

1 + в)"1ав/а + и ^гаА е = - сИу [к(в^гас! Б]; (29) сИу и = (1 + в)'2дг/дЦ (30) к(£) = ^(в); е = Г [9/(1 +0]; (31)

6 = (1 + 0{а2"(ч, х, 2) + q(l + бУ^РзВв + рс)(М - Не+ 8) + (срв + рс

- Рв)(Не~ 2 ~ $)]} •

В уравнении (29) (1 + е)'1де/д1 и ^гас! в| являются величинами одного порядка /Флорин, 1961/, а величина скорости движения твердых частиц |и | = =10"5 - 10~8 м/с. Поэтому в уравнении (29) вторым слагаемым в левой части можно пренебречь. Кроме того, к моменту начала работы дренажа консолидацию грунтов под действием их веса и внешней нагрузки ц можно считать законченной.

В этих условиях при работе дренажа дальнейшая консолидация грунтов будет происходить лишь за счет дополнительных напряжений, возникающих вследствие снижения уровней:

3г = (рГ - Ргн) вв; сх = ^(рг - ргн) (32)

Поэтому исходная система уравнений (29) - (31) упрощается до вида

1 + е)Аде/д1 = - ¿{у [к(в)ёгас1 8]; в = Г [9/(1 + £)]; (33) к(в) = £(6); 9 = рвЧ(1 + $)8[1 - в(1 - 0)]/(1 + в).

Приведенная система при известных экспериментальных зависимостях б = £ [9/(1 + Е,)] и к(в) = ^(в) полностью определяет поставленную задачу.

При решении конкретных задач должны быть заданы краевые условия. В частности, для схемы, представленной на рис. 53, они имеют вид

S(x, z, 0) = 0; S(L, z, t) = S0; as(x, 0, t)/dz = as(0, z, t)/Эх = 0; (34) n0as/at + ka/az = o при z = h, где n0 - коэффициент водоотдачи осушаемых пород. Решая систему (33) при условиях (34), можно найти значение 8 для различных точек в различные моменты времени, по которому рассчитать осадку сооружений Ah/Флорин, 1961/:

Не

Ah = i ezdz (35) 0 где ez - вертикальная деформация, равная ez = (cjz - рах)/Е. (36)

В свою очередь, модуль общей деформации Е грунта можно выразить следующим образом:

Е = (1 - 2р)9/(3еу), (37) где еу - объемная деформация. Значение еу найдем из дифференциального уравнения /Флорин, 1961/: с!еу = - с!е/(1 + в).

Интегрируя последнее уравнение, имеем еу = -1п[(1 + 8)/(1 + 80), (38) где во -коэффициент пористости до сооружения дренажа. Из уравнений (36) - (38), выразив коэффициент Пуассона р через коэффициент бокового давления окончательно получаем

Не

Ah = - 3(1 + - £,2)(1 + ¿;)"2(1 - i ln[(l + e)/(1 + e0)]dz. (39) 0

В общем случае система (33) допускает только численное решение, которое к тому же вызывает значительные затруднения. Ее можно упростить путем введения ряда допущений.

В первом приближении осредним значение в в уравнениях (33), но оставим в силе переменность к в процессе осушения, приняв, что к = к(9). Тогда для схемы, изображенной на рис. 53, получаем a[k(0)dS/dx]/ax + a[k(e)dS/dz]/az = О; е = aS; (40) к(0) = f2(0); a = pBg(l + Q[1 - вСр(1 - j)]/(l + scp). (41)

При этом краевые условия (34) остаются прежними. Произведем осреднение напоров по вертикали, т. е. используем гидравлическую теорию фильтрации. Тогда задача (40) принимает вид

5[k(aS)aS/ax]/dx = n0dS/dt; (42)

S(x, 0) = dS(0, t)/dx = 0; S(L, t) = S0.

Характер зависимости k(9) для глинистых грунтов показан на рис.54 /Веселовский, 1940/. Эта функция достаточно хорошо может быть представлена в виде см/с 12

10 г в * г о

0/(1 + в),кгс/см2

Рис. 54. Экспериментальная зависимость коэффициента фильтрации суглинков от нормального напряжения /по Веселовскому, 1940/ к(0) = А1/[0/(1 + ^ + В1], (43) где А1 и В] - постоянные, зависящие от типа грунта. Подставив эту зависимость в уравнение (40), учитывая (41) и пренебрегая членом второго порядка малости, т. е. величиной (Э8/

8 + В)д8/а = А528/дх2;

44)

А = А1(1 + £У(апо); В = В1(1 + £)/а.

Если же функцию к(9) аппроксимировать линейной, т. е. считать, что к(6) = А1-В1е/(1+^), (45) что допустимо при небольшом изменении 0 , то получим следующее уравнение:

Э8/а = (А - В8)Э28/Эх2, (46) где А = А^по; В = В.а/Ы! + £)].

Уравнения (44) и (46) с краевыми условиями (43) достаточно просто могут быть решены численно.

Зная значения 8 для различных моментов времени, можно определить приток воды в дренаж и из уравнений (41), (26) получить распределение значений 8 , что дает возможность прогнозировать осадку сооружений при дренаже водоносных слабопроницаемых грунтов.

Расчеты дополнительной осадки от снижения уровня грунтовых вод выполнены по вышеприведенным моделям применительно к гидрогеологическим условиям застраиваемых массивов г.Тюмени (таблица 33).

Рассматриваемые 17 районов г.Тюмени в геоморфологическом отношении располагаются в пределах первой пойменной террасы, второй, третьей и четвертой надпойменных террас, междуречной равнины, сложенных обводнёнными рыхлыми песчано-глинистыми грунтами.

Обобщенные физико-механические характеристики грунтов указанных геоморфологических элементов приведены в таблице 25.

Принятая величина водопонижения составляет 3 м от поверхности земли. В расчетах приняты следующие величины высоты капиллярного поднятия: в песках - 0.5 м; супесях - 1.5 м; суглинках - 2.5 м; глинах -5 м.

Результаты расчетов дополнительных осадок грунтов при водопо-нижении для 2-х вышеизложенных модельных представлений по различным районам г. Тюмени приведены в таблице 50

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований автором получены следующие результаты, определяющие теоретическую, методическую и практическую значимость диссертационной работы.

1. Установлено, что среди множества экологических проблем г. Тюмени, подтопление городских земель, с учетом его масштабов и интенсивности развития, имеет приоритетное значение, так как создает не только дискомфорт в условиях проживания, но и является первоосновой непредсказуемых последствий, грозящих не только здоровью людей, но и самой их жизни. Последствия подтопления настолько серьезны, что можно говорить о прецеденте в городе чрезвычайной ситуации, для разрешения которой требуются неотложные не только организационные меры, но и специальные инженерные защитные мероприятия.

2. Впервые, в контексте решения проблем подтопления, получено генерализованное описание г. Тюмени как природно-технической системы. В условиях все прогрессирующего антропогенного воздействия на природную среду, избыточное увлажнение территории, плоский, слабо расчлененный техногенно нарушенный рельеф, неблагоприятное геологическое и соответственно гидрогеологическое строение обуславливают предрасположенность городских земель к подтоплению за счет подземных вод.

3. На основе обобщения фактического материала выполнена схематизация гидрогеологических условий г. Тюмени на уровне водоносного комплекса олигоцен-четвертичных отложений и получены соответствующие расчетные геофильтрационные параметры. Рассмотрена проблема оценки дополнительного инфильтрационного питания для застроенных территорий. Рекомендовано для районов и города в целом получать величину дополнительной инфильтрации водно-балансовым методом. Для локальных участков (линейной, полосообразной и круглой формы) предложено дополнительное инфильтрационное питание оценивать по данным краткосрочных режимных наблюдений на основе решения обратных гидрогеологических задач.

4. Путем сравнения карт гидроизогипс по состоянию на 1980, 1991гг. произведено оконтуривание в пределах города участков повышения во времени уровней грунтовых вод. Отображение этих участков, с учетом геоло-геоморфологического строения и гидрогеологических условий на городскую застройку позволило выделить 17 подтопленных районов и 4 района с потенциальным подтоплением (70% от площади города).

5. Выявлены и систематизированы городские источники загрязнения природной среды, в том числе подземных и поверхностных вод.

Подъем уровня грунтовых вод приводит к повышению минерализации до 5 г/л, к увеличению содержания в подземных водах токсических компонентов (в т.ч. и тяжелых металлов), ухудшает бактериальный состав, повышает агрессивность. Показано, что экологически небезопасна и вода р.Туры в пределах городской застройки. В связи с этим при осушении грунтового массива, дренажные воды не должны сбрасываться в поверхностные водотоки, минуя предварительную очистку.

Впервые, на основе исследования одномерного нестационарного процесса кондуктивной теплопроводности по глубине в однородной среде с наличием подвижной во времени границы фазовых переходов была математически решена задача теплового техногенного загрязнения геологической среды. На конкретных примерах показано, что тепловыделяющие городские объекты экологически не безопасны, требуют соответствующего учета и мониторинга.

6. Выполнен гидрогеологический анализ существующих инженерных схем защиты Тюмени от подтопления, разработанные в разное время и различными организациями. Показано, что все «Схемы» опираются на технократический подход, главное в котором, делаю что умею, на бедной информационной базе о компонентах природной среды, без учета гидрогеологических особенностей и техногенной обстановки в городе. В диссертации дан анализ результатов экспериментальной проверки с использованием наблюдательных скважин за работой уже построенного 8-лучевого дренажа (ЛД-1) на пересечении ул.Революции - Сибирская. Анализ полученных данных показал, что радиус действия ЛД-1 при заданной норме осушения 3.0 м не превышает 60-70 м, что совпало с расчетными данными автора. ЛД-1 работает неустойчиво и не вошел в стационарный режим эксплуатации. Из-за суффозионного выноса песчаного материала через дрены-лучи происходит оседание дневной поверхности и нарушение устойчивости фундаментов.

Полученные расчетные и экспериментальные данные ставят под сомнение использование ЛД для осушения подтопленных участков г. Тюмени.

7. Среди множества факторов подтопления застроенных территорий, на основе выполненных прогнозных гидрогеологических расчетов доказано, что главными причинами подтопления г. Тюмени являются:

- неблагоприятные климатические факторы;

- техногенно-нарушенный гидрологический режим р.Туры;

- барражный эффект от фундаментов глубокого заложения.

Выявленные причины учитывались при выборе инженерных мероприятий по борьбе с подземными водами.

8. С использованием математического гидрогеологического моделирования на ПЭВМ разработана концепция осушения городских земель, включающая следующие защитные и профилактические элементы:

- «отобранную» в процессе хозяйственного освоения пойму р.Туры «заменить» спрямляющим водопропускным каналом в Заречной части города;

- на пойменных участках, где сформированы водоносные горизонты, осушение следует вести с использованием гравитационного дренажа;

- на подтопленных территориях, где в гидрогеологическом разрезе присутствуют коллектора, рекомендуется применение вертикального площадного систематического дренажа подземных вод;

- запуск в эксплуатацию имеющегося фонда скважин резервного водоснабжения, пройденные в водоносных горизонтах олигоцен-четвер-тичного комплекса;

- отказ от применения свайных фундаментов с переходом на плитные и ленточные.

9. Предложены методы и выполнены соответствующие расчеты по прогнозу осадок дневной поверхности и оснований фундаментов существующих зданий и сооружений в результате осушения массива грунтов дренажными системами. У

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Писарев, Александр Евгеньевич, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамов С.К., Дегтярев Б.М., Дзекцер Е.С. и др. Прогноз и предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий при строительстве. - М.: Стройздат, 1978, 177с.

2. Аверьянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. -М.: Колос, 1978, 181с.

3. Алексеев B.C., Аронштам М.Г., Астрова Н.В., Муфтахов А.Ж. Подтопление территорий грунтовыми водами при строительстве и их инженерная защита (Итоги науки и техники. Серия "Гидрогеология. Инженерная геология"), т. 8. -M., ВИНИТИ, 1982, 210с.

4. Березкина Г.М., Брилинг И.А., Краснушкин A.B., Семенов С.М. Проблема движения воды в глинистых породах земной коры. - В кн. : Взаимосвязь поверхностных и подземных вод.-М.: Изд-во МГУ, 1973, 58-62с.

5. Борисов Ю.П., Пилатковский В.П., Табаков В.П. Разработка нефтяных месторождений горизонтальными и многозабойными скважинами. -М.: Недра, 1964, 242с.

6. Бочевер Ф.М., Гармонов И.В. и др. Основы гидрогеологических расчетов. -М.: Недра, 1969, 358с.

7. Васильев C.B., Веригин H.H. и др. Методы фильтрационных расчетов гидромелиоративных систем. -М.: Колос, 1970, 440с.

8. Ведерников В.В., Ларина Л.А. Расчет водного режима застроенных территорий. В сб.: "Гидродинамическое обоснование прогноза подтопления городских территорий". Институт водных проблем АНСССР и ПНИИИС. -М.: Наука, 1985, 52-56с.

9. Веселовский В.М. Осадки сооружений во времени. -М.-Л., Стройиздат, 1940, 268с.

10. Галицкая И.В, Мониторинг техногенных изменений состава подземных вод в условиях радиационного и химического загрязнения. Тезисы докл. Всероссийской конференции: "Экологический мониторинг в условиях радиационного и химического загрязнения окружающей среды". -Челябинск, 1993, 8-Юс.

11. Гвоздецкий H.A. Физико-географическое районирование Тюменской области. -М.: МГУ, 1973, 121с.

12. Герсеванов Н.М., Полынин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практические применения. -М.:Стройиздат, 1948, 323с.

13. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Исследования влияния физико-химических условий и температур на начальный градиент и режим фильтрации в глинах. -Вод.ресурсы, 1981, 110-119с.

14. Дегтярев Б.М., Дзекцер Е.С., Муфтахов А.Ж. Защита оснований зданий и сооружений от воздействия подземных вод.-М.: Стройиздат, 1985,254с.

15. Дегтярев Б.М. Дренаж в проглышленном и гражданском строительстве. -М.: Строиздат, 1990, 238с.

16. Дзекцер Б. С., Колесов А. А. Автоматизация геофильтрационных расчетов в проблеме прогноза подтопления застраиваемых территорий, (материалы III Всесоюзного семинара "Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территорий городов и городских агломераций", Одесса, сент. 1987г. -М.:1987, 356-357с.

17. Емельянова В.П. Методическое руководство по стационарному изучению оползней.-М.: Госгеолтехиздат, 1956, 246с.

18. Емельянова В.П. Основные закономерности оползневых процессов. -М. :Недра, 1972, 308с.

19. Жуков А.Ф. Водный баланс г. Минска. Водное хозяйство и гидротехническое строительство.-Минск: изд.ЦНИИКИВР, 1982, №12, 14-18с.

20. Зальцберг Э.А. Статистические методы прогноза естественного режима уровня грунтовых вод. -JL: недра, 1976, 158с.

21. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. -М.: Наука, 1967,

260с.

22. Земскова И.М., Смоленцев Ю.К. и др. Ресурсы пресных и маломинерализованных подземных вод южной части Западно-Сибирского артезианского бассейна. -М.: Недра, 1991, 260с.

23. Иванов H.H. Об определении величины испаряемости. Известия Всесоюзного географического общества, т. 86, в. 2, 1954, 74-79с.

24. Изыскания и защита от подтопления на застроенных территориях. Под редакцией Смирнова P.A. -Киев: Будевильник, 1976, 204с.

25. Иноземцев A.A. Битумно-минеральные материалы. -М.: Строй-издат, 1972, 262с.

26. Казакова И.Г., Слинко О.В. Проблема подтопления на территории России и возможные пути ее разрешения. -Геоэкология, 1993, №1, 43-50с.

27. Казанова И.Г., Слинко О.В. Опасность и характер негативных последствий при подтоплении городов. -Геоэкология, 1997, №5, 49-59с.

28. Калинин В.М., Моторин A.C. Водный баланс и режим осушаемых низинных торфяников Западной Сибири. -Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1995, 164с.

29. Кожинов И.В., Добровольский Р.Г. Пути устранения потерь воды на водопроводах.-М.:Стройиздат, 1982,191с.

30. Коноплянцев A.A., Семенов С.М. Методические рекомендации по картированию естественного режима уровня грунтовых вод. -М.: ВСЕГИНГЕО, 1971,211с.

31. Кулик В.Я. Инфильтрация воды в почву. -М.: Колос, 1978, 168с.

32. КурановН.П., Галич P.A., Егунов В.Ю. Определение инфильтра-

ционного питания грунтовых вод на городских территориях. Проектирование и инженерные изыскания 2,1987, 25-26с.

33. Матусевич В.М., Писарев А.Е., Писарев Е.А. Вопросы осушения территории г. Тюмени на примере жилмассива "Крестьянские места". В кн. "Проблемы нефтегазовой гидрогеологии и инженерной геологии Западной Сибири". Межвузовский сборник научных трудов. -Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 1994, 82-88с.

34. Матусевич В. М., Смоленцев Ю. К., Писарев Е. А., Писарев А. Е. Проблема борьбы с подтопленном г. Тюмени и других городов Тюменской области. В сб. "Предложения ТюмГНГУ для Тюменской областной Администрации. -Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 1996, 5с.

35. Матусевич В.М. .Писарев Е.А. .Писарев А.Е. Проблема борьбы с подтоплением населенных пунктов Тюменской области. В материалах ХУ Всероссийского совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (7-9 октября 1997г.).-Тюмень, ТюмГНГУ, 1997,63с.

36. Международный конгресс (XIII) по водоснабжению (обзорная информация).Под ред. Шевелёва Ф.А.-М.: Стройиздат, 1981, 64с.

37. Милаев В. М. Расчет стокообразующих осадков на реках лесной и лесостепной зон Западной Сибири. В сб. "Научные исследования в инженерных изысканиях при освоении Западно-Сибирского ТПК. -Тюмень: ЗапСибПНИИИС, 1991, 21 -25с.

38. Мустафаев A.A. Основы механики просадочных грунтов. М.: Стройиздат, 1978, 381с.

39. Муфтахов А.Ж. Гидродинамические основы прогноза подтопления промплощадок и фильтрационные расчеты защитного дренажа в сложных гидрогеологических условиях. Автореферат докт.дис. -М.: ВНИИВОДГЕО 1975, 39с.

40. Назаренко B.C., Коробкин В.И. Динамика агрессивности свойств грунтов г.Волгодонска. Геоэкология, 1995, №6, 33-34с.

41. О защите населенных территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Закон РФ от 11.10.94г. -М.: Госдума, 1994, 26с.

42. Об основах градостроительства в РФ. Закон РФ от 14.06.95. Ведомости съезда народных депутатов РФ и ВС РФ 1992, №32, ст. 1877.

43. Об охране окружающей среды. Закон РФ от 19.12.1991г. Ведомости съезда нар.деп. РВ и ВС РФ. 1992, №10, ст.457

44. Пашковский И.С. Оценка и прогноз питания грунтовых потоков в связи с задачами прогноза подтопления территорий. В сб.: "Гидродинамическое обоснование прогноза подтопления". Институт водных проблем АНСССР и ПНИИИС. -М.: Наука, 1985, 42-52с.

45. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. -М.: Химия, 1990, 198с.

46. Писарев А.Е. Результаты экспериментальных исследований 8-лучевого симметричного дренажа на территории жилмассива "Крестьянские места" в г. Тюмени. В межвузовском сборнике: "Научно-технические проблемы Западно-Сибирского нефтегазового комплекса" Изд.ТюмГНГУ, том 1, 147-149с.

47. Писарев А.Е. Тепловое техногенное загрязнение геологической среды (ГС) на застроенных территориях. Там же, 150-154с.

48. Писарев Е. А., Матусевич А. В., Писарев А. Е. Инженерно-геологические исследования для различных сооружений. Учебное пособие, часть П. -Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 1996, 112с.

49. Подтопление застраиваемых территорий грунтовыми водами и их инженерная защита. В сб. "Тезисы докладов к Всесоюзной научно-технической конференции в г. Ташкенте в 1978г." -М.: ВНИИВОДГЕО, 1978, 175с.

50. Поляков Б.В. Гидрогеологический анализ и расчеты. -Л.: Гидро-метеоиздат, 1946, 189с.

51. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.05.01-83).-М.:Стройиздат, 1946,384с.

52. Постановление Правительства РФ от 21.03.96 №306 "О мерах по защите от подтопления территорий РФ".

53. Прогноз и предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий под строительство. Под ред. Абрамова С.К. -М.: Стройиздат, 1978, 121с.

54. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застроенных территориях. Справочное пособие к СНиП 2.06.15-85. -М.: Стройиздат, 1991, 272с.

55. Рекомендации по выбору исходных данных для модели прогноза процесса подтопления городских территорий. -М.: ПНИИИС, Стройиздат, 1986, 136с.

56. Рекомендации по оценке влияния поверхностного стока на подтопление городских территорий и по организации отведения дождевых и талых вод с этих территорий. -Харьков, РД-204. УССР, УкрКоммунНИИ-проект, 1984,48с.

57. Рекомендации по методике оценки и прогноза гидрогеолгиче-ских условий при подтоплении городских территорий. -М.: ПНИИИС, Стройиздат, 1983, 142с.

58. Рекомендации по проектированию и расчетам защитных сооружений и устройств от подтопления промышленных площадок грунтовыми водами. -М.: ВНИИВОДГЕО, 1979, 89с.

59. Рекомендации по прогнозам подтопления промышленных площадок грунтовыми водами. -М.: ВНИИВОДГЕО, 1976 324с.

60. Рудаков В.К. Аналитические модели гидрогеологических про-

цессов для прогноза подтопления территорий. Геологический журнал, №5, 1988, 51-64с.

61. Сафохина И.А. Закономерности изменения фильтрационных и воднофизических свойств слабопроницаемых грунтов на подтопленных территориях. В кн.: Гидро-геодинамическое обоснование прогноза подтопления городских территорий. -М.: Наука, 1985, 83- 89с.

62. Слинко О.В., Казакова И.Г., Ратиев А.Я. Инженерно-гидрологическое обоснование защиты территории населенных пунктов Калмыкии от подтопления. Геоэкология, 1993, №3, 37-43с.

63. Слинко О.В., Казакова И.Г. О разработке комплексного обоснования генеральных схем инженерной защиты территорий с учетом их радиоактивного и химического загрязнения. Геология и разведка. 1995, №2, 107-114с.

64. Смоленцев Ю.К., Матусевич В.М. Гидрогеологические структуры Западно-Сибирской плиты. В кн.: «Пресные и маломинерализованные подземные воды Западной Сибири» Межвуз. сб. науч. тр., Тюмень, 1989, 4-17с.

65. Сологаев В.И. Расчет подтопления застраиваемых территорий с учетом влияния свайных оснований. Автореферат дисс. на соиск. степени канд. техн. наук. М.: 1987, 20с.

66. СНиП 2. 06. 15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления. -М.: 1988.

67. СНиП 2.01.15-90. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения проектирования. -М., 1991

68. Справочник по климату СССР. -Л.: Гидрометеоиздат, 1965,

394с.

69. Справочное руководство гидрогеолога. 4.1 и II. -Л.: Недра, 1957, 360с, 592с.

70. Терцаги К. Теория механики грунтов. М.: 1961, 411с.

71. Фельдман Г.М. Методы расчета температурного режима мерзлых грунтов. -М.: Наука, 1973, 254с.

72. Флорин В.А. Основы механики грунтов, т. 1,2. -М.: Госстройиз-дат, 1959,1961,312с, 383с.

73. Цытович Н.Е. Механика грунтов.-М.: Высшая школа. 1979, 272с.

74. Шестаков В.М., Пашковский И.С., Сойфер A.M. Гидрогеологические исследования на орошаемых территориях. -М.: Недра, 1982, 244с.

75. Шубенин Н. Г. Динамика подземных вод. Учебное пособие. -Тюмень, ТюмИИ, 1982, 101с.

76. Kazakova I.G., Slinko O.V. Typification of natural-technogenic environments for ecological estimating hazard during the underflooding of urban territories. 2nd Internat. Congr. «Water. Ecology and Technology» ECWATEC-

96, Moskcow, 17-21 Septembr, 1996. Abstr.V.2, 1996, P. 381-382

77. Kinzelbach W.: GROUNDWATER MODELLING - An Introduction with Sample Programs in BASIK.- Developments in Water Science, 25, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo (Elsevier), 1986

78. Kinzelbach W.: Numerische Methoden zur Modellirung des Transports von Schadstoffen im Grundwasser. - Schriftenreihe gwf Wasser, Abwasser, Band 21,Oldenbourg, 1987