Геоэкологическая оценка и прогноз развития осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении на оползнеопасной территории г. Томска (стр. 1 )

На правах рукописи

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

ТЕРРИТОРИИ Г. ТОМСКА

Специальность – 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 г. Томск, пл. Соляная, 2, 5 – ый корпус ТГАСУ,

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТГАСУ

Автореферат разослан апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

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 «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 , 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 , , , 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 , , 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 , , и другие.

Рис. 2 Схематический стратиграфический разрез территории г. Томска

Гидрогеологические исследования выполнялись , , 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 , , 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 , 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 , Иркутского – , Огоджинского Амурской области – .

Таблица 1 – Физико-механические свойства грунтов

Лагерного Сада г. Томска

Литотип	Вид грунта	Физико-механические свойства грунтов
rS, г/см3	r, г/см3	n, %	w	wL	wP	Ip	Sr	С, МПа	j, 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.