Геоэкологическая оценка и прогноз развития осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении на оползнеопасной территории г. Томска (стр. 2 )

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 , профессора , , и многие другие. В г. Томске решение этой проблемы нашло отражение в работах , , , 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 (болеепри 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 )

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 и , , -Мартиросяна, , П. Юркевича, , .

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

В работе 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;

β – безразмерный коэффициент, равный 0.8;

hi – мощность слоя грунта, м;

σzq.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 по формуле:

где Н0 – начальная мощность водоносного горизонта, м;

НН - мощность водоносного горизонта после осушения, м;

rd0 – начальная плотность скелета грунта, г/см3;

rdH – 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	ρ, г/см3	ρвзв, г/см3	ρm, г/см3	E*mk, МПа	σzq, кПа	σzq/, кПа	σzq. доп, кПа	σzq. 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)