На правах рукописи

Чернышова Наталья Анатольевна

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ ОСАДОК ГРУНТОВЫХ ТОЛЩ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВОДОПОНИЖЕНИИ НА ОПОЛЗНЕОПАСНОЙ

ТЕРРИТОРИИ Г. ТОМСКА

Специальность 25. 00. 36. – Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Томск – 2007

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор

Валентин Егорович Ольховатенко

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор, член – корреспондент Российской Академии архитектуры и строительных наук

Геннадий Иванович Швецов

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Дмитрий Сергеевич Покровский

Ведущая организация Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Администрации Томской области

Защита диссертации состоится 30 мая 2007 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.02 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, 5 – ый корпус ТГАСУ, факс: (8-3822) 65-24-71.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТГАСУ

Автореферат разослан апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Недавний О.И.

Введение

Актуальность работы. При освоении урбанизированных территорий исключительно актуальное значение приобретает проблема оценки геоэкологических условий и прогноза осадок грунтовых толщ при водопонижении. Необходимость решения данной проблемы возникает тогда, когда в пределах осушаемых территорий объекты оказываются в сфере влияния депрессионной воронки, что приводит к развитию осадок грунтовых оснований и деформированию зданий и сооружений. В мировой практике известны случаи, когда осадки грунтовых толщ достигают 6 – 7 м. Поэтому исключительно важной проблемой является прогнозная оценка осадок грунтовых толщ при водопонижении позволяющая разработать адекватный комплекс конструктивных и технологических мероприятий по инженерной защите городских территорий. Рассматриваемая проблема имеет исключительно важное значение для г. Томска в связи с внедрением комплекса противооползневых мероприятий на правом берегу р. Томи в районе Лагерного Сада. Одним из основных мероприятий инженерной защиты является строительство дренажной горизонтальной выработки (ДГВ) для осушения склона и предотвращения развития оползневых процессов. Реализация данного мероприятия может иметь с одной стороны положительный эффект, а с другой негативные последствия, связанные с развитием осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении. Для исключения негативного влияния водопонижения на эксплуатацию зданий и сооружений, расположенной в зоне развития депрессионной воронки исключительно актуальное значение имеет установление закономерностей деформирования и прогноз осадок грунтовых толщ при водопонижении.

Решение данной проблемы оказалось возможным благодаря комплексным геоэкологическим исследованиям и наблюдениям, выполненным на рассматриваемой территории.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка теоретических положений и практических рекомендаций по прогнозной оценке развития осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении на основе комплексного геоэкологического изучения оползнеопасных территорий.

Задачи исследований:

• обоснование теоретических положений и методов изучения геоэкологических условий оползнеопасных территорий с целью прогноза осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении;
• провести комплексные геоэкологические исследования оползнеопасной территории в Лагерном Саду г. Томска и выполнить расчеты осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении;
• дать оценку состояния геологической среды и устойчивости с учетом длительного водопонижения;
• разработать рекомендации по инженерной защите природно-технических систем и организации мониторинга.

Научная новизна. Научная новизна заключается в том, что впервые на основании комплексных геоэкологических исследований произведена оценка состояния геологической среды и дан прогноз развития осадок грунтовых толщ оползнеопасной территории при длительном водопонижении. Доказано, что длительное водопонижение помимо положительного эффекта имеет негативные последствия и приводит к развитию осадок грунтовых толщ, превышающих предельно допустимые значения. Установлено влияние деформационных характеристик и понижение уровней подземных вод на величину осадки грунтовых толщ. Впервые научно обоснованы режим осушения и понижения уровня подземных вод, исключающие развитие осадок грунтовых толщ, превышающих предельно допустимые значения. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Развитие процесса деформирования грунтовых толщ при длительном водопонижении предопределяется как естественно-природными (геологическими, гидрогеологическими, инженерно-геологическими) факторами, так и техногенным воздействием на геологическую среду при строительстве и эксплуатации дренажных сооружений и способов водопонижения.
2. Результаты комплексных геоэкологических исследований оползнеопасной территории Лагерного Сада г. Томска и прогнозной оценки осадок грунтовых толщ, согласно которой осадка достигает 52 см при понижении уровня 17 м.
3. Обеспечение безопасного и безаварийного функционирования природно-технических систем в зоне развития депрессионных воронок при водопонижении достигается путем внедрения комплекса технологических приемов, обеспечивающих регулирование притока воды в дренажную выработку, понижение уровней и формирование депрессионной воронки.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Результаты исследований имеют большое практическое значение и могут быть использованы при геоэкологической оценке оползнеопасной территории и разработке проектов её инженерной защиты, обосновании мероприятий по снижению рисков при эксплуатации дренажных сооружений и длительном водопонижении. Разработанные практические рекомендации будут использованы для обоснования комплексной целевой программы и наблюдательной сети мониторинга природно-технических систем (ПТС). Научные выводы и рекомендации использованы при корректировке генерального плана застройки территории г. Томска.

Апробация работы.

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на VIII, IX, X Международных научных симпозиумах имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, ТПУ, 2004, 2005, 2006 г.г.), научной конференции «Гидрогеология, инженерная геология и гидрогеоэкология», посвященной 75 – летию кафедры ГИГЭ Томского политехнического университета (2005 г.), научно-методических семинарах ТГАСУ.

Публикации результатов исследований.

По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе статья в Вестнике АлтГТУ входившем в перечень журналов, рекомендованных ВАК до 31 декабря 2006 г.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и содержит 171 страницу текста, 16 рисунков и 30 таблиц. Список использованной литературы содержит 122 наименования.

Благодарности.

Диссертация выполнена на кафедре инженерной геологии и геоэкологии Томского государственного архитектурно-строительного университета. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук, профессору, академику МАН ВШ В.Е. Ольховатенко, всем сотрудникам и преподавателям кафедры инженерной геологии и геоэкологии ТГАСУ за помощь и поддержку в проведении исследований и подготовке диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Состояние проблемы и методологические основы её решения» рассматриваются теоретические аспекты и методологические основы решения проблемы прогнозной оценки осадок грунтовых толщ при водопонижении.

Освоение подземного пространства крупных городов связано со строительством сооружений различного назначения: метрополитенов, транспортных и коммунальных тоннелей и других, возводимых в условиях сложившейся городской застройки. Частичная подработка территории и сопутствующее понижение уровня подземных вод (УПВ) в результате предварительного строительного водопонижения или водоотлива, осуществляемого в процессе проходки подземной выработки, приводят к развитию осадок грунтовых толщ, перемещений и деформаций земной поверхности на ограниченных площадях. Прогнозные расчеты, осуществляемые на стадии проектирования подземного объекта, призваны установить наиболее значимые факторы в указанном неблагоприятном процессе, что позволяет предусмотреть адекватный комплекс конструктивных, горнотехнических и технологических мероприятий по защите городской застройки. Пренебрежение этими правилами, отсутствие в проектах защитных мероприятий ведут к негативным последствиям.

Осадки земной поверхности в связи с длительным водопонижением могут достичь десятков метров. Такие перемещения земной поверхности по сравнению с допустимыми осадками оснований сооружений, измеряемыми десятками сантиметров, делают проблему прогнозирования оседания земной поверхности крайне актуальной.

Таким образом, основными и определяющими факторами, влияющими на процессы оседания и поднятия земной поверхности, являются изменения гидрогеологического режима подземных вод и напряженного состояния грунтов территории, а также физико-механических свойств грунтов.

На территории России выявлены и достаточно подробно изучены несколько региональных очагов формирования оседания поверхности земли. Вопросы оседания при водопонижении подробно рассмотрены в работах В.И. Осипова, Ю.И. Ярового, С.И. Гольца, Р.С. Зиангирова, А.А. Коноплянцева, Е.Н. Ярцева, Г.А. Голодковской, М.И. Егорычевой, Ю.Ф. Захарова, В.Е. Ольховатенко, А.А. Краевского и многих других.

Как показал анализ работ по затронутой проблеме длительно действующий водоотлив и строительное водопонижение приводят к понижению уровня подземных вод (УПВ), развитию осадок и деформаций земной поверхности в мульде депрессии. Развитие осадок от водопонижения могут явиться причиной значительных нарушений в зданиях и сооружениях, инженерных коммуникациях и т. п. Поэтому в прогнозных расчетах деформации земной поверхности и зданий фактор водопонижения, сопутствующего подземному строительству, должен обязательно учитываться.

Для города Томска проблема оценки осадок грунтовых толщ возникла в связи со строительством горизонтальной дренажной выработки для осушения грунтового массива в Лагерном Саду. Отличительными особенностями данной территории является широкое развитие оползневых процессов, представляющих реальную угрозу не только для зданий и сооружений, но и самой жизни людей. Одной из основных причин активного развития оползневых процессов является наличие в разрезе слабо литифицированных песчано-глинистых отложений, интенсивно обводненных за счет подземных вод неоген-палеогенового водоносного горизонта. Поэтому комплексным проектом противооползневых мероприятий в Лагерном Саду было предусмотрено строительство ДГВ.

В соответствии с проектом дренажная горизонтальная выработка располагается на глубине 45-50 м и имеет протяженность вдоль правого берега реки Томи 2.5 км. В пределах этой территории предполагалось построить 60 фильтров для дренирования водоносного горизонта неоген-палеогеновых отложений. Максимальные понижения уровней при этом могут составить 10-15 м, а радиус воронки депрессии превысит 100-150 м. Это приведет к изменению напряженно-деформированного состояния горных пород, развитию осадок грунтовых оснований, деформированию зданий и сооружений, расположенных в пределах развивающейся воронки депрессии. В связи с тем, что решение вопроса прогноза осадок при водопонижении на территории Лагерного Сада не нашло отражения в комплексном проекте противооползневых мероприятий нами предложены методологические подходы решения данной проблемы (рис.1).

Рис. 1 Методы изучения закономерностей деформирования и прогноза осадок грунтовых толщ при водопонижении

При их разработке использованы следующие основополагающие принципы:

1. Комплексный подход при изучении состояния геологической среды и прогнозной оценке осадок грунтовых толщ при водопонижении. В данном случае нами рекомендуется использовать визуальные, инструментальные, аналитические, расчетные и мониторинговые методы для изучения и прогноза осадок грунтовых толщ при водопонижении.

2. Использование системного подхода для прогноза осадок грунтовых толщ при водопонижении. При этом нами предлагается использовать для решения поставленной задачи: статистическую, динамическую и ретроспективную системы. Использование статистической системы позволяет выявить состояние и параметры геологической среды до водопонижения и осушения горных пород склона. Динамическая система рекомендована для изучения динамики подземных вод, изучения напряженного состояния, физических, прочностных и деформационных свойств грунтов.

3. Исследование технической составляющей ПТС с целью оценки принятых проектных решений осушения склона, системы водопонижения и режима эксплуатации дренажной горизонтальной выработки и эффективности её работы.

Во второй главе «Геоэкологическая оценка развития опасных процессов и осадок грунтовых толщ при водопонижении» освещаются природно-техногенные факторы, влияющие на геоэкологические условия территории и осадку грунтовых толщ при водопонижении. При этом важно отметить, что наибольшее влияние на развитие осадок грунтовых толщ оказывают геологическое строение, гидрогеологические условия и физико-механические, в первую очередь деформационные свойства грунтов.

Изучению геологического строения территории г. Томска посвящены работы М.А. Усова, В.А. Хахлова, К.В. Радугина, Л.А. Рагозина, В.А. Врублевского, М.П. Нагорского, Б.В. Плотникова, Г.Г. Щербака и других.

В геологическом строении территории принимают участие отложения нижнее карбонового, палеогенового, неогенового и четвертичного возрастов (рис. 2).

Учитывая особенности геологического строения можно сделать вывод о том, что развитие оползневых процессов обусловлено наличием в разрезе слаболитифицированных, интенсивно обводненных, песчано-глинистых грунтов.

Изучением подземных вод г. Томска занимались ученые М.И. Кучин, А.М. Демидов, Л.Ф. Валенюк, Ю.К. Смоленцев и другие.

Рис. 2 Схематический стратиграфический разрез территории г. Томска

Гидрогеологические исследования выполнялись Г.М. Роговым, Д.С. Покровским, С.Л. Шварцевым, В.К. Поповым, Н.М. Рассказовым, Г.А. Плевако, Ю.В. Макушиным, К.И. Кузевановым и другими.

По результатам этих исследований и наблюдений на рассматриваемой территории выделяются следующие водоносные горизонты:

1. Техногенный водоносный горизонт (tIV);
2. Водоносный горизонт неоген-палеогеновых отложений (N2kc +P3lg);
3. Водоносный горизонт оползневых отложений (dpIV);
4. Водоносный горизонт трещинной зоны палеозойских отложений (С1v).

В районе Лагерного Сада все вышеописанные водоносные горизонты изолированы друг от друга достаточно мощными глинистыми водоупорами. Среди выделенных водоносных горизонтов решающую роль в обводнении грунтового массива играют подземные воды неоген-палеогенового водоносного горизонта.

Одним из важнейших компонентов геоэкологических условий оползнеопасных территорий являются горные породы, их состояние и физико-механические свойства. Особенно важное значение изучение физико-механических свойств грунтов приобретает при расчетах осадок грунтовых толщ, оценке состояния и устойчивости геологической среды.

Изучению физико-механических свойств грунтов на территории г. Томска посвящены исследования Г.А. Сулакшиной, Л.А. Рождественской, В.Е. Ольховатенко, Г.Г. Щербака, Т.Я. Емельяновой, Л.Н. Ткаченко и многих других.

Детальные исследования физико-механических свойств грунтов были выполнены нами в лаборатории грунтоведения и механики грунтов ТГАСУ. При этом в лаборатории был выполнен полный комплекс исследований, позволивший решить следующие задачи: установить закономерности пространственной изменчивости физико-механических свойств грунтов оползневого склона, обосновать расчетные характеристики грунтов, провести расчеты осадок грунтовых толщ при глубоком водопонижении, оценить состояние геологической среды и устойчивость природно-технических систем. Обобщенные значения физико-механических свойств грунтов Лагерного Сада приведены в таблице 1.

Выявление закономерностей пространственной изменчивости свойств грунтов имеет исключительно актуальное значение при разработке инженерно-геологических классификаций горных пород и количественной оценке устойчивости склонов.

Теоретические основы пространственной изменчивости физико-механических свойств пород освещаются в работах Н.В. Коломенского, Г.К. Бондарика и других исследователей. При этом выделяется три основных типа изменчивости скачкообразная незакономерная (стационарная), скачкообразная закономерная (нестационарная) и функциональная.

Изучению закономерностей пространственной изменчивости горных пород угленосных отложений Кузнецкого бассейна посвящены работы В.Е. Ольховатенко, Иркутского – Г.Г. Щербака, Огоджинского Амурской области – Т.А. Кожухарь.

Таблица 1 – Физико-механические свойства грунтов

Лагерного Сада г. Томска

Литотип	Вид грунта	Физико-механические свойства грунтов
		S, г/см3	, г/см3	n, %		L	P	Ip	Sr	С, МПа	, град	Е, МПа
Суглинок	Твердый	2. 71	1.98	39.33	0.205	0.352	0.223	0.129	0.868	0.068	23	11.07
	Полутвердый	2.74	2.01	39.71	0.222	0.330	0.224	0.119	0.9	0.055	23	6.22
	Тугопластичный	2.70	1.94	43.52	0.261	0.336	0.224	0.127	0.895	0.047	22	5.985
	Мягкопластичный	2.74	1.94	44.83	0.277	0.331	0.217	0.114	0.963	0.041	22	13.56
	Текучепластичный	2.74	1.97	43.79	0.276	0.301	0.199	0.102	0.972	-	-	-
Глина	Твердая	2.66	1.79	44.73	0.221	0.454	0.39	0.215	0.720	0.044	16	-
	Полутвердая	2.68	1.91	44.49	0.281	0.453	0.245	0.240	0.931	0.052	21	12.84
	Тугопластичная	2.71	1.95	44.73	0.3028	0.412	0.227	0.19	1.0	-	-	-
Супесь	Пластичная	2.66	1.98	39.24	0.2273	0.241	0.185	0.056	0.924	0.039	33	20.39
Песок	Средней крупности	2.64	2.21	26.89	0.1453	-	-	-	1.0	-	-	-
	Мелкозернистый	2.68	1.94	43.59	0.282	-	-	-	0.974	0.037	32	18.3
	Пылеватый	2.66	1.97	39.98	0.238	-	-	-	0.935	0.038	33	22.76

Применительно к территории Лагерного Сада закономерности пространственной изменчивости свойств грунтов установлены нами впервые. Для решения этой задачи были детально изучены физико-механические свойства грунтов четвертичного, неогенового и палеогенового возрастов, представленных глинами, суглинками, супесями и песками. С этой целью были построены графики изменчивости физических, прочностных и деформационных свойств грунтов по глубине по пяти скважинам.

Как видно из приведенных данных физические свойства грунтов подчиняются стационарному режиму изменчивости независимо от возраста и состава пород (рисунок 3, 4). Это объясняется близким минеральным составом одноименных литотипов грунтов, выделенных в разрезе свит различного возраста, а также одинаковой или близкой степенью литогенетических преобразований пород.

Рис. 3 Изменение физико-механических свойств грунтов с глубиной (скв. ГФ – 1)

Рис. 4 Изменение физико-механических свойств грунтов с глубиной (скв. ГФ – 3)

Низкая степень литогенетических преобразований и состояние полного насыщения грунтов предопределяют низкие значения их прочностных и деформационных характеристик. Как установлено исследованиями, прочностные и деформационные свойства грунтов характеризуются незакономерной изменчивостью по глубине. Это дает основание рассматривать выделенные литотипы и виды грунтов как единые выборочные совокупности, для которых была проведена статистическая обработка результатов экспериментальных исследований и вычислены расчетные показатели.

Приведенные результаты исследований физико-механических свойств позволяют сделать следующие выводы:

1. В разрезе Лагерного Сада преобладают пылевато-глинистые и песчаные грунты, находящиеся на низкой стадии литогенетических преобразований, имеющиеся низкие значения прочностных характеристик, что обусловлено состоянием и составом не зависимо от их возраста.
2. Существенное влияние на состояние и физико-механические свойства грунтов оказывают подземные воды, воздействие которых на геологическую среду приводит к снижению прочности грунтов, нарушению устойчивости склонов и развитию оползневых процессов.
3. Выполненные на территории Лагерного Сада комплексные геоэкологические исследования и инструментальные наблюдения позволили выявить влияние природно-техногенных факторов на развитие оползневых процессов. Изучению влияния природно-техногенных факторов на развитие опасных процессов посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых. Среди них важный вклад в изучение опасных процессов внесли академик В.И. Осипов, профессора Г.С. Золотарев, Г.А. Голодковская, В.Д. Ломтадзе, В.Т. Трофимов, А.И. Шеко, А.Л. Рагозин, Т.Г. Рященко, Г.И. Швецов и многие другие. В г. Томске решение этой проблемы нашло отражение в работах В.Е. Ольховатенко, Г.А. Сулакшиной, Г.Г. Щербака, А.И. Полищука, А.М. Адама, А.А. Краевского, Т.Я. Емельяновой, В.А. Льготина, В.М. Лазарева, М.Г. Рутмана, Л.Н. Ткаченко, А.Л. Иванчуры и других.

Среди опасных геологических процессов и явлений г. Томска оползни занимают ведущее место. Ярким примером развития оползневых процессов и нарушения устойчивости склона является правый берег р. Томи в районе Лагерного Сада. На территории Лагерного Сада оползневые процессы развиваются довольно длительное время. На развитие оползневых процессов в Лагерном Саду оказывают влияние как природные (естественные) так и техногенные факторы.

К естественным факторам относятся особенности геологического строения склона, наличие в разрезе слаболитифицированных пород с низкими значениями прочностных показателей, обводненность пород за счет подземных вод неоген-палеогеновых отложений, наличие хорошо проницаемых лессовых и песчаных грунтов, а также большая крутизна склона (более 40 0) при его высоте 50-55 м.

К техногенным факторам относятся строительство объектов в непосредственной близости от бровки склона, утечки из водонесущих коммуникаций, отсутствие надлежащего поверхностного стока, а также интенсивное движение транспорта по автомагистрали, проходящей в непосредственной близости от оползневого склона (табл. 2).

Таблица 2 – Природно-техногенные факторы развития опасных процессов (по В.Е. Ольховатенко)

Группы факторов	Факторы	Компоненты природно-техногенных факторов, влияющих на развитие оползневых процессов
Природные	Геологическое строение	Состав, условия залегания и состояние пород
	Геоморфологические условия	Геоморфологическое строение, высота и углы наклона склонов
	Гидрогеологические условия	Наличие водоносных горизонтов, степень водообильности пород и гидродинамическое давление подземных вод
	Физико-географические условия	Атмосферные осадки, глубина промерзания грунтов
	Инженерно-геологические условия	Физико-механические свойства грунтов и напряженно-деформированное состояние грунтовых массивов
Техногенные	Строительство объектов на склонах	Пригрузка склонов на оползнеопасных территориях
	Эксплуатация объектов	Утечки из водонесущих коммуникаций
	Движение транспорта	Динамические нагрузки, передаваемые на грунтовый массив
	Строительство глубоких карьеров	Изменение напряженно-деформированного состояния массивов горных пород

Основным фактором, определяющим развитие и активизацию оползневых процессов в течение всего времени наблюдений (с 70-х годов 20 века) можно считать гидрогеологический, а именно разгрузку на склоне в сместившиеся сверху массы грунта подземных вод неоген-палеогеновых отложений.

Выполненные исследования оползневого склона показали, что в центральной части, где функционирует горизонтальная дренажная выработка (штольня) ситуация стабилизировалась и значительных деформаций грунтового массива не зафиксировано. В северо-западной части продолжают развиваться оползни вязкопластического течения, которые обусловлены воздействием подземных вод, так как в этой части никаких мероприятий по осушению склона не проводится. Но особенно опасная ситуация наблюдается в юго-восточной части Лагерного Сада, где практически никаких противооползневых мероприятий не проводилось.

В третьей главе «Расчет осадок грунтовых толщ при водопонижении» произведен анализ существующих методов расчета осадок грунтовых толщ при водопонижении, сам расчет осадок грунтовых толщ при водопонижении применительно к территории Лагерного Сада г. Томска и прогнозная оценка осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении. Прогнозирование осадок грунтовых толщ при водопонижении является одной из актуальнейших проблем современной гидрогеомеханики. Решение проблем осадки толщ грунтов в результате глубокого водопонижения отражено в работе профессоров В.А. Мироненко и В.М. Шестакова, Н.М. Герсеванова, З.Г. Тер-Мартиросяна, Ю.И. Ярового, С.К. Абрамова, С.Г. Авершина, Е.А. Демешко, Ж.С. Ержанова, Л.С. Лапидуса, Ю.А. Лиманова, Г.И. Черного, П. Юркевича, А.И. Юшина, А.В. Булдакова, С.Г. Дубейковского, А.Д. Потапова.

В работе В.А. Мироненко и В.М. Шестакова описаны результаты наблюдений за деформациями песчаной, глинистой и мергельно-меловой толщ Белозерского железорудного месторождения, общая осадка которых составила 2.5 м.

В работе Ю.И. Ярового дается не только теоретическое обоснование метода расчета осадок грунтовых толщ при водопонижении, но и приводятся результаты практической реализации на примере строительного водопонижения при строительстве метро в г. Екатеринбурге.

Учитывая реальные снижения уровней подземных вод на конкретных участках Лагерного Сада и используя уравнения механики грунтов расчет осадки выполнить по формуле:

где S – полная осадка грунтовой толщи, см;

– безразмерный коэффициент, равный 0.8;

hi – мощность слоя грунта, м;

zq.ср – среднее значение дополнительного вертикального напряжения, вызванного снижением уровня подземных вод, кПа;

Ei – модуль деформации с учетом mk, МПа.

Результаты расчетов показали, что при осушении неоген-палеогенового и четвертичного водоносных комплексов, деформации земной поверхности составят 27.64 см по скв. 302 и 51.67 см по скв. ГФ – 3 (табл. 3, 4). Осадки, вызванные понижением уровня подземных вод, будут зависеть от литологического состава осушаемых грунтов и от величины понижения.

Для сравнения полученных результатов расчетов была определена осадка с использованием теории гравитационного уплотнения, разработанной Г.Г. Щербаком по формуле:

где Н0 – начальная мощность водоносного горизонта, м;

НН - мощность водоносного горизонта после осушения, м;

d0 – начальная плотность скелета грунта, г/см3;

dH – плотность скелета грунта после осушения, г/см3.

Результаты расчета показали, что при понижении уровня на 14.5 м осадка составит 23.99 (скв. 302), а при понижении уровня на 17.7 осадка составит 47.75 см (скв. ГФ – 3), что свидетельствует о незначительных расхождениях полученных результатов.

Следует отметить, что расчет осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении проводился без учета суффозионного выноса частиц грунта из массива при осушении, поэтому реальные осадки могут значительно превышать расчетные.

Используя вышеприведенную формулу для расчета осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении методом послойного суммирования, были вычислены величины осадок грунтовых толщ для различных понижений (табл. 5)

По результатам расчетов двумя методами были построены графики зависимости осадок грунтовых толщ при водопонижении от понижения уровня грунтовых вод (рис. 5).

Предельная осадка оснований зданий и сооружений по СНиПам не должна превышать 13 – 15 см. Осадка грунтовых толщ также не может быть более 15 см, что соответствует понижению уровней подземных вод, равному 12 м на участке скв. 302, и 8 – 10 м на участке скв. ГФ – 3.

Таблица 3 – Расчет осадок грунтовых толщ при водопонижении (скв. 302)

№ игэ	Тип грунта	Мощ- ность, м	, г/см3	взв, г/см3	m, г/см3	E*mk, МПа	zq, кПа	zq/, кПа	zq.доп, кПа	zq. ср, кПа	S, см
1	Насыпной грунт	0,7	2,06	-	2,06	13,5	14,42	14,42	0	0	-
5	Суглинок п/тв.	4,1	2,00	-	2,00	22,8	96,42	96,42	0	0	-
3	Песок пылеватый	2,1	1,95	-	1,95	23,0	137,37	137,37	0	0	-
4	Суглинок т/пл.	1,6	1,95	-	1,95	17,1	168,57	168,57	0	0	-
5	Суглинок п/тв.	5,5	2,00	-	2,00	22,8	278,57	278,57	0	0	-
11	Песок м/з.	2,6	1,91	-	1,91	18,0	329,27	329,27	0	0	-
8	Песок гравелистый	3,3	2,11	1,2	1,95	50,0	368,87	393,62	24,75	12,38	0,65
10	Песок пылеватый	4,4	1,95	1,0	1,74	24,5	412,87	470,18	57,31	41,03	5,89
12	Песок м/з.	1,1	2,09	1,2	1,86	32,0	426,07	490,64	64,57	60,94	1,67
10	Песок пылеватый	3,0	1,95	0,96	1,74	24,5	454,87	542,84	87,97	76,27	7,47
4	Суглинок т/пл.	1,1	1,95	0,95	1,72	17,1	465,32	561,76	96,44	92,20	4,74
11	Песок м/з.	1,6	1,91	0,94	1,57	18,0	480,36	586,87	106,52	101,48	7,22

Таблица 4 – Расчет осадок грунтовых толщ при водопонижении (скв. ГФ – 3)

№ игэ	Тип грунта	Мощ- ность, м	, г/см3	взв, г/см3	m, г/см3	E*mk, МПа	zq, кПа	zq/, кПа	zq.доп, кПа	zq. ср, кПа	S, см
	Почва. Гравий	1,0	1,97	-	1,97	50,0	19,7	19,7	0	0	0
1	Суглинок п/тв	1,1	2,01	-	2,01	27,8	41,81	41,81	0	0	0
2	Суглинок т/пл	0,9	1,93	-	1,93	13,5	59,18	59,18	0	0	0
9	Песок м/вл	1,1	1,95	-	1,95	24,5	80,63	80,63	0	0	0
2	Суглинок м/пл	2,1	1,93	-	1,93	13,5	121,16	121,16	0	0	0
1	Суглинок п/тв	1,6	2,01	-	2,01	27,8	153,32	153,32	0	0	0
3	Суглинок т/пл	4,0	1,95	-	1,95	21,8	289,82	289,82	0	0	0
3	Суглинок т/пл	3,0	1,95	-	1,95	21,8	289,82	289,82	0	0	0
4	Суглинок п/тв	0,8	2,01	-	2,01	23,5	305,9	3305,9	0	0	0
3	Суглинок т/пл	2,0	1,95	-	1,95	21,8	344,9	344,9	0	0	0
4	Суглинок п/тв	2,8	2,01	-	2,01	23,5	401,18	401,18	0	0	0
3	Суглинок т/пл	1,4	1,95	-	1,72	21,8	414,76	414,76	0	0	0
5	Суглинок твердый	3,6	2,04	-	1,89	33,8	453,64	453,64	0	0	0
6	Песок граве- листый. в/н	3,8	1,97	0,97	1,55	50,0	490,5	552,2	61,7	30,85	1,87
9	Песок пылеват, в/н	8,8	1,95	0,97	1,74	24,5	575,86	705,32	129,46	95,58	27,46
11	Глина т/пл	1,3	1,84	0,85	1,84	49,5	586,91	729,24	142,33	135,9	2,86
9	Песок пылеват. м/вл	3,8	1,95	0,97	1,74	24,5	623,77	795,36	171,59	156,96	19,48

Примечание: – плотность грунта; взв – плотность грунта ниже уровня подземных вод; E – модуль деформации; zq, zq/ – напряжения в подошве слоя до и после осушения; zq.доп – дополнительные напряжения; zq.ср – дополнительные напряжения в середине слоя.

Таблица 5 – Изменение величины осадок грунтовых толщ для различных понижений

№ скважины	Мощность водоносного горизонта, м	Понижение уровня, м	Осадка, см
302	15.2	0	0
		3,3	0,65
		7,7	6,54
		8,8	8,21
		11,8	15,68
		12,9	20,42
		14,5	27,64
ГФ – 3	18.4	0	0
		3,8	1,87
		12,6	29,33
		13,9	32,19
		17,7	51,67

Рис. 5 Зависимость осадок грунтовой толщи от понижения уровня на участке

а) скважины 302 (Мемориал); б) скважина ГФ – 3 (Технопарк);

Sy – величина понижения уровня; So – величина осадки;

1 – с использованием теории гравитационного уплотнения;

2 – по методу послойного суммирования.

В четвертой главе «Оценка состояния и устойчивости геологической среды оползнеопасной территории Лагерного Сада» дается оценка состояния геологической среды на основании результатов расчета устойчивости склонов с использованием интегрального показателя коэффициента устойчивости. Выполненный анализ методов расчета устойчивости откосов и склонов, освещающихся в работах Н.А. Цытовича, С.С. Голушкевича, Н.Н. Маслова, К. Терцаги, Л.Н. Бернацкого, Г.Л. Фисенко, А.М. Караулова позволил применительно к территории Лагерного Сада обосновать методы расчета, учитывающие инженерно-геологические особенности территории, условия залегания горных пород, положение поверхности скольжения, наличие водоносных горизонтов.

Отличительными особенностями территории Лагерного Сада являются сложные инженерно-геологические условия территории, пологое (менее 5 – 10 0) залегание горных пород, обводненность грунтового массива и низкие значения прочностных характеристик. Для этих условий наиболее подходящими методами являются: методы: логарифмической спирали, круглоцилиндрической поверхности, метод К. Терцаги и симплекс-метод.

По результатам расчетов коэффициенты устойчивости склона по методу криволинейной поверхности скольжения близкой логарифмической спирали на участке Технопарка составили 2.07 и 1.67.

Применительно к территории Лагерного Сада обоснование методов расчета дано с учетом инженерно-геологических особенностей территории, условий залегания горных пород, положения поверхности скольжения, наличия водоносных горизонтов.

Для оценки устойчивости склона также использован метод круглоцилиндрической поверхности скольжения, который наиболее часто используется в практике проектирования и учитывает особенности инженерно-геологического строения склона. С использованием этого метода результаты расчетов показали, что склон находится в устойчивом состоянии, так как наименьший коэффициент устойчивости составляет 2.27, что существенно превышает допустимые значения.

Для сравнения результатов расчетов устойчивости склона в Лагерном Саду использованы результаты расчетов, полученные с применением симплекс-метода. Теоретические основы метода изложены в работах А.М. Караулова, Кан Тхэ Сана. В районе Технопарка коэффициенты устойчивости составили 1.787 и 1.594.

Результаты расчетов подтверждают вывод о том, что на участке где выполнялось осушение грунтовых толщ с помощью горизонтальной дренажной выработки, устойчивость склона является обеспеченной.

Как показали результаты исследований, наибольшая активность развития оползневых процессов наблюдается в юго-восточной и северо-западной частях Лагерного Сада. Здесь развиты преимущественно оползни вязкопластического течения и скольжения. По характеру развития оползневых процессов эти территории относятся к опасным. По данным В.Г. Федоровского, С.В. Курило для этих территорий коэффициенты устойчивости составляют 1.05-1.11.

В центральной части Лагерного Сада, где осуществляется перехват подземных вод с помощью ДГВ, состояние геологической среды значительно улучшилось. Здесь отсутствуют явно выраженные оползневые процессы. В тоже время в зоне влияния ДГВ будут формироваться депрессионные воронки, в пределах развития которых произойдут осадки грунтовых толщ при водопонижении. По признаку развития осадок геологическую среду центральной части Лагерного Сада следует отнести к условно опасной, так как развитие осадок может привести к нарушению динамического равновесия в эксплуатации природно-технических (геотехнических) систем и возникновению чрезвычайных ситуаций. Поэтому природно-технические системы могут оказаться неустойчивыми. Наибольшее влияние на состояние и устойчивость грунтовых массивов здесь оказывают суффозионные процессы, активное развитие которых наблюдается на участках провала грунтовых толщ в штольню и в местах проходки сквозных фильтров, а также осадки грунтовых толщ при водопонижении. Важно подчеркнуть, что просадка грунтов под влиянием суффозионных процессов может оказаться значительно больше, чем от водопонижения. Это важно учитывать при строительстве и эксплуатации ДГВ в непосредственной близости или под действующими зданиями и сооружениями.

В пятой главе «Практическое использование результатов исследований» освещаются результаты ранее выполненных мероприятий инженерной защиты, а также их эффективность, проведено зонирование территории Лагерного Сада с выделением зон особого градостроительного регламента, разработан мониторинг природно-технических систем.

Для разработки противооползневых мероприятий на территории Лагерного Сада проводились многочисленные исследования различными организациями: ВСЕГИНГЕО, Гипрокоммунстроем, ТомскТИСИЗом, Томской геологоразведочной экспедицией, оползневой станцией, ТПУ, ТГАСУ, Томскгеомониторингом, Геостройпроектом и другими. Значительная часть работ по инженерной защите Лагерного Сада к настоящему времени не выполнена. В центральной части Лагерного Сада, где работает на осушение штольня ситуация стабилизировалась и за последние 5 лет оползневых процессов не наблюдается.

В юго-восточной и северо-западной частях Лагерного Сада из-за отсутствия инженерной защиты территории оползни продолжают активно развиваться. С учетом сказанного исключительно актуальное значение имеет зонирование территории Лагерного Сада по степени опасности от воздействия оползневых процессов, выделение зон особого градостроительного регламента, разработка рекомендаций по инженерной защите территории, разработка рекомендаций по организации мониторинга природно-технических систем (ПТС).

Главными критериями выделения зон градостроительного регламента являются: состояние геологической среды и устойчивость природно-технических систем в пределах урбанизированных территорий.

В случае развития на территории опасных оползневых процессов необходимым условием установления границ безопасной зоны является выполнение расчетов устойчивости откосов, по результатам которых осуществляется оценка состояния геологической среды, которое может быть опасным, условно-опасным и безопасным.

Для территории Лагерного Сада при выделении зон особого градостроительного регламента использовались два метода: метод аналогий и расчетный метод, основанный на результатах расчетов устойчивости склона.

Поскольку полный комплекс мероприятий по инженерной защите Лагерного Сада не выполнен, а оползневые процессы в юго-восточной и северо-западной частях продолжают активно развиваться при определении границ безопасной зоны следует исходить из реальных условий, при которых развитие оползневых процессов приведет к самопроизвольному уполаживанию склона, бровка которого может продвинуться на максимально возможное расстояние в сторону плато 180-200 м.

С учетом завершения строительства ДГВ и зоны ее влияния на состояние геологической среды, которая составит 100-150 м граница безопасной зоны будет проходить на расстоянии 300-350 м от бровки оползневого склона.

Для стабилизации склонов на этих территориях потребуется выполнить комплекс мероприятий по инженерной защите и, прежде всего, выполнить работы по осушению склона путем устройства горизонтального или вертикального дренажей.

Выполненные исследования явились основой при разработке программы мониторинга природно-технических систем.

Пространственная наблюдательная сеть мониторинга на территории Лагерного Сада г. Томска обосновывалась с учетом распространения и динамики развития опасных природных и техноприродных процессов, состава, состояния и устойчивости геологической среды, степени опасности территории от развития оползневых процессов, состояния конструкций зданий и сооружений в оползнеопасной зоне, изменения динамики и режима подземных вод в связи с водопонижением и осушением склона, изменения напряженно-деформированного состояния грунтов и развитием глубинных оползневых деформаций, возможным развитием осадок грунтовых толщ при водопонижении.

За основными компонентами природно-технических систем должны вестись следующие виды наблюдений: гидрогеологические наблюдения, инструментальные геодезические наблюдения, геофизические наблюдения, наблюдения за состоянием сооружений инженерной защиты, наблюдения за состоянием и устойчивостью склона, развитием оползневых, эрозионных и суффозионных процессов.

На режимных гидрогеологических пунктах следует вести наблюдения за колебаниями уровня подземных вод, дебитами источников, расходами воды при откачках из вертикальных водопонизительных скважин и притоком подземных вод в штольню по скважинам – фильтрам. Режимные гидрогеологические наблюдения должны вестись не реже одного раза в неделю, а пробы на химические анализы отбираются не реже одного раза в месяц.

Для проведения геодезических наблюдений рекомендуется использовать спутниковую аппаратуру. Наблюдения предлагается вести: за вертикальными и горизонтальными перемещениями грунтовых массивов, за вертикальными и горизонтальными перемещениями зданий и сооружений, путем наблюдений за стенными марками, осадками грунтовых толщ при водопонижении. Инструментальные геодезические наблюдения должны проводиться не реже одного раза в квартал.

Геофизические магнитометрический метод и аппаратура АМКОД позволяет применить его для получения оперативной информации о проявлении глубинных деформаций на ранней стадии их зарождения и развития во времени. Метод и аппаратура магнитометрического контроля оползневых деформаций (АМКОД) разработаны институтом ВИОГЕМ. Геофизические наблюдения должны проводиться не реже двух раз в год. Важное место при организации мониторинга отводится наблюдениям за состоянием конструкций зданий и сооружений путем периодического их обследования. При этом рекомендуется организовать такие наблюдения за сооружениями: памятником воинам, учебными корпусами ТУСУРа, корпусами 3 – ей горбольницы, выставочным павильоном. Одновременно необходимо организовать наблюдения за сооружениями инженерной защиты: горизонтальной дренажной выработкой, контрбанкетом, поверхностными дренажными сооружениями.

Инженерно-геологическая наблюдательная сеть должна обеспечить получение результатов непрерывных наблюдений за состоянием и устойчивостью склона, развитием оползневых, эрозионных и суффозионных процессов. Инженерно-геологическое сопровождение включает в себя организацию наблюдений и исследований за: изменением состояния и физико-механических свойств горных пород на оползневом склоне, подземными и поверхностными водами, состоянием и устойчивостью склона, оползневыми процессами и динамикой их развития, эрозионными процессами и формированием оврагов, суффозионными процессами, напряженно-деформированным состоянием грунтового массива. Инженерно-геологические исследования помимо режимных наблюдений включают картографирование оползнеопасной территории и прогнозную оценку развития природных и техноприродных процессов.

Геодезическое, гидрогеологическое, геофизическое, инженерно-геологическое сопровождение мониторинга предусматривает выполнение комплекса непрерывных стационарных наблюдений, изучение режима подземных вод и развития опасных природных и техногенных процессов. Все режимные наблюдения должны вестись не реже одного раза в неделю на специальных наблюдательных участках в целях выявления закономерности и обусловленности процессов. Они отражают определенные временные колебания в системе наблюдаемых объектов и нацелены на решение прогнозных задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом выполненных исследований является решение исключительно актуальной проблемы – прогнозной оценки развития осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении в пределах оползнеопасных территорий. Решение данной проблемы базируется на результатах комплексного изучения геоэкологических условий, выявлении природно-техногенных факторов развития оползневых процессов, оценке состояния и устойчивости геологической среды, результатах исследования деформационных характеристик грунтов и технологических особенностей дренирования грунтовых толщ. Основные выводы, отражающие теоретическую и практическую значимость работы, сводятся к следующему.

1. Установлено, что деформирование грунтовых толщ и развитие осадок при водопонижении предопределяются особенностями строения грунтовых толщ, степенью их обводненности, деформационными характеристиками грунтов, применяемыми способами и технологиями осушения оползнеопасных склонов.
2. Выполнены детальные исследования состава и физико-механических свойств грунтов оползнеопасной территории Лагерного Сада и установлены закономерности их пространственной изменчивости. Показано, что физические свойства грунтов подчиняются стационарной (незакономерной) изменчивостью по глубине. Аналогичная закономерность установлена для прочностных и деформационных характеристик грунтов. Установленные закономерности использованы при обосновании расчетных характеристик грунтов, расчетах осадок при водопонижении и устойчивости.
3. Расчеты устойчивости склонов с использование ряда методов показали, что устойчивость является обеспеченной на территориях, где выполнены работы по осушению склона, а коэффициенты устойчивости составляют 1.67 (участок Технопарка) и 1.45 (участок Мемориала).
4. Разработаны критерии и дана оценка состояния и устойчивости геологической среды в пределах оползнеопасной зоны Лагерного Сада г. Томска, которая базируется на результатах комплексных исследований и расчетах устойчивости склона. С использованием полученных результатов произведено зонирование территории по степени опасности для застройки и обоснована граница безопасной зоны, что имеет исключительно важное значение для обеспечения геоэкологической безопасности.
5. Выполнены расчеты осадок грунтовых толщ при водопонижении с учетом их деформационных характеристик, технологии и величины понижения уровней. Расчетами установлено, что при понижении уровня на 14.5 м осадка составит 27.6 см при мощности водоносного горизонта 15.2 м, а при понижении на 17.7 и мощности водоносного горизонта 18.4 м она составит 51.67 см. Впервые установленная зависимость осадки грунтовых толщ от понижения уровней дает основание утверждать, что при понижениях 10-12 м осадка составит более 15 см, что превышает предельно-допустимые значения, предусмотренные СНиП.
6. С целью предотвращения отрицательного воздействия водопонижения на грунтовый массив и возможное развитие деформаций в зданиях и сооружениях рекомендован такой технологический режим работы горизонтальной дренажной выработки, при котором понижения уровней не будут превышать 10-12 м.
7. Разработка и реализация результатов исследований позволила обосновать границы зон особого градостроительного регламента, разработать комплексную программу геоэкологического мониторинга природно-технических систем и мероприятия по инженерной защите территории.

СПИСОК ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи:

1. Чернышова Н.А. / Расчеты осадок грунтовых толщ при водопонижении на территории Лагерного Сада г. Томска / Н.А. Чернышова // Сборник трудов 8 Международного научного симпозиума имени академика М.А. Усова. Томск, Изд–во ТПУ, 2004.- С. 845-847.
2. Чернышова Н.А. / Закономерности деформирования и прогноз осадок грунтовых толщ при водопонижении (на примере Лагерного Сада) / Н.А. Чернышова // Материалы конференции, посвященной 75-летию кафедры ГИГЭ ТПУ. Томск, Изд–во НТЛ, 2005.- С. 198-204.
3. Чернышова Н.А. / Геоэкологические особенности территории Лагерного Сада и их влияние на развитие осадок грунтовых толщ при водопонижении / Н.А. Чернышова // Сборник трудов 9 Международного научного симпозиума имени академика М.А. Усова. Томск, Изд–во ТПУ, 2005.- С. 619-621.
4. Чернышова Н.А. / Обеспечение геотехнической безопасности при застройке территории, прилегающей к Лагерному Саду / Н.А. Чернышова // Сборник трудов 10 Международного научного симпозиума имени академика М.А. Усова. Томск, Изд–во ТПУ, 2006.- С. 629-631.
5. Чернышова Н.А. / Комплексная оценка структурной прочности грунтов и оценка осадок грунтовых толщ при водопонижении / М.А. Осипова, Н.А. Чернышова // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова. Барнаул, Изд–во АлтГТУ, - 2006.- С. 131-135.