Вплив будівництва на гідрогеологічний режим ділянки будівництва та зменьшення його негативного впливу на підошву фундаментної плити будівлі (на прикладі будівництва торгово-офісного комплексу на розі вулиці Мечнікова та бульвару Лесі Українки в м. Києві)

УДК 624.15+624.1

Червінський Я. Й., к. т.н., Шумінський В. Д., к. т.н., Дмитрієв Д. А., к. т.н.

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, м. Київ

ВПЛИВ БУДІВНИЦТВА НА ГІДРОГЕОЛОГІЧНИЙ РЕЖИМ

ДІЛЯНКИ БУДІВНИЦТВА ТА ЗМЕНЬШЕННЯ ЙОГО

НЕГАТИВНОГО ВПЛИВУ НА ПІДОШВУ ФУНДАМЕНТНОЇ ПЛИТИ БУДІВЛІ (на прикладі будівництва торгово-офісного комплексу на розі вулиці Мечнікова та бульвару Лесі Українки в м. Києві)

В статті розглядаються питання впливу будівництва на гідрогеологіч­ний режим ділянки будівництва та прилеглої території, визначення параметрів фільтраційного потоку та зменшення його негативного впливу на підошву фундаментної плити.

При проведенні будівельних робіт, особливо в умовах великого міста, необхідно враховувати можливість негативного впливу будівництва на гідро­геологічний режим прилеглої території. Ця проблема виникла в зв’язку з будівництвом багатоповерхових споруд з декількома ярусами підземних частин, в яких розміщуються супермаркети, паркінги та інше. Проектування підземних частин таких будівель необхідно виконувати таким чином, щоби, по-можливості, суттєво не впливати на рух ґрунтового потоку на прилеглій території. По периметру будинків, що проектуються, часто планують влаштування «стіни в ґрунті», яка повинна забезпечувати стійкість ґрунтової маси за межами площадки будівництва при розробці котлована и яка може бути частиною пальового фундаменту (зовні­шній контур). При влаштуванні "стіни в ґрунті" необхідно визначати пара­метри фільтраційного потоку та можливість зменшення його впливу на пі­дошву фундаментної плити будівлі.

В статті пропонується рішення таких задач на прикладі будівництва тор­гово-офісного комплексу на розі вулиці Мечнікова і бульвару Лесі Украї­нки в м. Києві. Площадка будівництва має трикутну форму в плані. На ри­с.1 наведений ситуаційний план ділянки будівництва. Будівля торгово-офісного комплексу буде мати 31 поверх з трьома ярусами підземних гаражів. Орієнтовна площа будівлі скла­дає 3 490 м2. Сумарне навантаження на основу від ваги будівлі складає не меншет. Фундаменти будівлі пропонувалось зробити на буроін'єкційних палях і баретах з заглибленням до відмітки 102,5 м. Заглиблення паль передбачається в ґрунти київ­ського ярусу (суглинок).

Гідрогеологічні умови ділянки характеризуються наявністю основного та тимчасового водоносних горизонтів. Поро­дами, що вміщують воду тимчасового водоносного го­ризонту,

221

1

є супіски, наси­пні ґрунти і піски. Цей водо­носний горизонт має ха­рактер "верховодки". На період робіт рівні води були на глибинах від 3,0 м до 7,9 м (абсолютні відмі­тки від 136,40 до 146,11м).

2

Різка нерівномірність від­міток рівня ґрунтових вод характеризується різ­но­манітною будовою то­вщі

11

четвертинних відкла­день, з чере­ду­ ванням супісків, суглинків і пісків, які можуть спри­яти "розвантаженню" цього водоносного гори­зонту в основний водонос­ний гори­зонт цієї ділянки. Жив­лення цього горизонту відбува­ється за рахунок інфільтрації атмосферних опадів і витоку з водонос­них ко­мунікацій. Рівні води залежать від сезон­них коливань з амплітудою ±1,0 м. В періоди засухи "верхово­дка" може зникати.

Основний водоносний горизонт відноситься до неогенових відкладень полта­вської світи, які являють собою дрібні і пилуваті піски, а також піски та супі­ски харківського ярусу. Водоносний горизонт слабо напірний, з напором 0,2...0,4 м. На деяких ділянках водоносний горизонт безнапірний. Водоупо­ром є суглинок київського ярусу. На час проведення досліджень зафіксовано постійний рівень підземних вод – відмітка 132,90 м.

Режим підземних вод характеризується зміною рівня, витрати, гідравлічного уклону, швидкості, температури, в’язкості, хімічного і газового складу підземних вод в часі і просторі. Розрізняють природній і порушений режим підземних вод. Природній ре­жим ґрунтових і напірних вод - це такій режим, який обумовлено впливом різних природних факторів. Порушений режим підземних вод формується під впливом штучно утворених факторів, наприклад, відкачки підземних вод для потреби водопостачання або витоку з водоносних комунікацій, або при буді­вництві будівель і споруд, які утворюють перепону для руху підземних вод. В результаті вивчення режиму і балансу підземних вод визначають ряд гідрогеологічних параметрів: коефіцієнти фільтрації і водовіддачі, живлення водоносних горизонтів, екстремальні рівні, температуру і хімічний склад води, річні і багаторічні амплітуди коливань рівня поверхневих водото­ків і витрати підземних вод.

Дослідження режиму підземних вод можна поділити на регіональні і спе­ціальні. Регіональні дослідження необхідні для встановлення загальної зако­номірності природного режиму водоносних горизонтів. Отримана в результаті цих досліджень інформація необхідна для складання про­гнозів для різних споживачів. Прогноз природного режиму ви­користовується при аналізі режиму підземних вод, який був порушений дія­льністю людини, і може бути використаний для розрахунків при проектуванні споруд.

Спеціальні дослідження і прогнози режиму підземних вод необхідні для вирішення багатьох питань. Розрізняють прогнозування зміни природного і штучного режимів підземних вод. Прогнози природного режиму підземних вод складають для районів і водоносних горизонтів, в яких штучні зміни від­сутні або непорівнянні по абсолютним значенням і по тривалості свого впливу з природними змінами.

При прогнозуванні режиму підземних вод порушеного діяльністю лю­дини, розрізняють два випадки:

1) штучні фактори за силою дії значно перебільшують основні показники, які характеризують природні показники (великі водозабори, водозливи та ін.);

2) штучні зміни режиму не перекривають характерні риси природного ре­жиму, а накладаються на нього.

В даному випадку розглядається другій випадок, коли на зміну режиму підземних вод впливає будівництво нового будинку. Підземна частина буди­нку, що проектується, прорізає товщу четвертинних відкладень. Основою фундаменту будинку є спонділова глина (київський мергель).

На рис. 2 показана карта гідроізогіпс першого горизонту підземних вод, яка була побудована за даними інженерно-геологічних вишукувань.

Максимальний напірний градієнт зафіксовано на ділянці між свердлови­ною №9 і №3 в напряму бульвару Лесі Українки. За даними інженерно-геологічних ви­шукувань вода біля свердловини №9 накопичується на лінзі суглинку, що перекрита насипними ґрунтами, по якій вода рухається в бік бульвару Лесі Українки. На ділянці між свердловинами №3 и №2 гідравлічний уклон спря­мовано в протилежному напрямку-від свердловини №2 до свердловини №3. При даному характері залягання ґрунтів четвертинних відкладень на ділянці можна констатувати, що ґрунтові води характеризуються не стабільним режимом, який складно прогнозу­ється. Цей режим зале­жить від джерел жив­лення - ін­фільтрації по­верхневих вод і витоку з водонос­них комунікацій (техно­генні води). Будівництво торгово-офісного компле­ксу суттєво не змінить режиму першого водо­носного горизонту, оскільки він залежить від нормальної органі­зації відводу поверхне­вих вод і своєчасного вияв­лення та припинення ви­токів з водоносних ко­мунікацій. Отже, при проектуванні інженер­ної підготовки ділянки будівництва необхідно:

– запроектувати сверд­ловини для спостереження за рівнем ґрунтових вод, бажано з виводом п’єзометрів з кожного рівня підземних вод;

– передбачити заходи з організації відводу поверхневих дощових вод.

На рис. 3 пока­зано, що водоно­сний елемент (пісок пилуватий) другого гори­зонту підземних вод близько підхо­дить до фундаменту існую­чого будинку по вул. Мечнікова, 4/1.

Будинок, що проектується, повністю прорізає то­вщу пісків. Тому для оцінки впливу будів­ництва на зміну ре­жиму під­земних вод виконува­вся аналіз режиму другого го­ризонту підземних вод. За результатами інжене­рно-геологіч­них вишукувань рі­вень підземних вод другого горизонту постій­ний (відмітка 132.9 м), що свідчить про малі швидко­сті і витрати фільтрацій­ного потоку. Потужність водонос­ного горизонту 16...18 метрів. За приведе­ними даними складно встановити напря­мок руху фільтраційного потоку. Ви­ходячи з цих даних можна зро­бити висно­вок про те, що режим дру­гого горизонту підземних вод є най­більш суттєвим для всієї території, на якій розташована ділянка будинку, що проек­тується.

Для аналізу впливу будівництва торгово-офісного комплексу на зміну другого горизонту підземних вод і на технічний стан існуючого будинку по вул. Мечнікова було виконано моделювання руху підземних вод. Вирішува­лась задача планової фільтрації, в якій порівнювалися параметри фільтрацій­ного потоку при умовах відсутності і наявності будинку на шляху руху фільт­раційного потоку. Розрахунки виконані для ділянки 300´200 м, крок сітки дискретизації – 5 м. Коефіцієнт фільтрації Кф=1,7Е-0,5 м/с.

Розрахунки виконувались за допомогою програми ASM. Програма забез­печує розрахунок двомірної (планової) фільтрації і масапереносу при насту­пних умовах: стаціонарні/нестаціонарні; однорідний/неоднорідний шар; шар напірний/безнапірний/ з перетіканням; ізотропний/анізотропний шар; умова Q=const на межах; живлення змінюється в часі і по площі; безперервне і мит­тєве надходження речовини в шар; постійний боковий приплив; змінне в просторі і в часі інфільтраційне живлення; безперервне або миттєве надхо­дження забруднення; побудова траєкторій; розрахунок водного балансу.

Розрахунки виконувались в наступній послідовності:

1) Для заданих напорів на вході на ділянку і на її виході (граничні умови першого роду, Н=const) для перепаду напору 4 метра на протилежних межах ділянки, виконувались розрахунки, в результаті яких визначено діапазон ви­трат на ділянці: Q=8Е-05…8Е-08 м3/с (Q=0,006912…6,912 м3/доб.). Витрати приведені до ширини блока дискретизації 5 метрів.

2) Для призначеного діапазону витрат виконувались розрахунки по визна­ченню параметрів режиму руху ґрунтових вод при відсутності і наявності перепони від будинку, що проектується. В розрахунках змінювалася вели­чина витрати на вході на ділянку (граничні умови другого роду, Q=const).

Виконувались дві групи розрахунків, в яких призначались різні початкові значення витрат. В перший групі розрахунків початкові значення напорів Н=const=132,9 м, відмітка водоупору-115,0 м. В другій групі прийнято: почат­ковий напір на вході на ділянку – 135,0 м; початковий напір на виході з діля­нки – 130,2 м; відмітка водоупору-115.0 м.

При розрахунках першої групи при розрахунках для витрат Q=0,006912…6,912 м3/доб значення зміни рівня підземної води при відсутно­сті і наявності перепони не отримано.

На рис. 4 показана карта гідроізогіпс, яка була отри­мана в результаті рішення одного із випадків другої групи розрахунків.

Максимальна різниця напорів складає 0,4...0,5 мет-ра при Q=8Е-05м3/с. При фактичних зна-ченнях витрат Q= 8Е-06...8Е 07 м3/с максимальна різни-ця напо­рів складає 0,10...0,15 ме­тра.

На основі вико-наних розрахунків можна зробити на-ступний висновок – бу­дівництво торго-во - офі­сного комп-лексу суттєво не змі-нить ре­жим підтем-них вод, що був сформований на при­леглій території.

Наступна задача яку потрібно було вирішити – це необхідність оцінки впливу фільтраційних процесів на дно котловану, утвореного стінкою, яка вико­нана способом “стіна в ґрунті”.

Для оцінки цього впливу визначалися параметри фільтраційного потоку в зоні його виходу в котлован: швидкості фільтраційного потоку; фільтраційні витрати; градієнти напору. Задача вирішувалась для контактної області (в зоні контакту споруди с ґрунтом основи (рис.5)), в якій виникають найбільші градієнти і швидкості фільтраційного потоку.

Основою для обґрунтування фільтраційних параметрів потоку є насту­пне. Перед початком виїмки ґрунту з котловану вода знаходилася в по­рах ґрунту і грунт був в насиченому водою стані. Коли грунт з котловану вийняли до відмітки 121.05 м, рівень ґрунтових вод з боку підпірної стінки практично не змінився, а з боку котловану впав до відмітки дна котловану 121.05 м, утворивши напір фільтраційного потоку в бік котловану рівний 11.5 м. Під дією напору починається рух фільтраційного потоку в бік кот­ловану, який чинить на підошву будівлі гідродинамічний тиск, величина якого становить

, (1)

де r - густина води, рівна 1 т/м3;

g- прискорення вільного падіння, рівне 9.81 м/с2;

hi- величина фільтраційного напору в місці визначення гідродинамічного тиску (дивись рис.5), м.

Фільтраційний напір на відрізку 4 – 7 стіни в ґрунті hi визначається за

=0,6 м (2)

де Н - напір на споруду, рівний 11.5 м;

S - довжина заглибленої частини стіни в ґрунті (відстань від точки 4 до точки 7), рівна 12.3 м;

y – товщина фундаментної плити, рівна 2 м.

Далі за формулою (1) визначаємо, що 5.89 кН/м2.

Для визначення параметрів фільт­раційного потоку використовуються дві схеми[1].

Схема 1. Відсутність водоупору в напрямку паралельному контактним поверхням стени в ґрунті [2, 3, 4].

Схема 2. Наявність фіктивного водоупору в напрямку паралельному контактним поверхням стени в ґрунті [2, 3, 4].

Швидкості фільтраційного потоку бу­дуть мати максимальні значення в зоні контакту стіни з ґрунтом ос­нови по лінії -7 (рис.5).

Для першої схеми розподіл швидко­стей в рівні дна котловану визнача­ється за рівнянням

, (3)

де kф - коефіцієнт фільтрації ґрунту основи, рівний 8.64·10-5 м/доб;

H - напір на споруду, рівний 11.5 м;

S - величина заглиблення підпірної стінки у ґрунт, рівна 2 м;

x - відстань від споруди в бік котловану до точки, де визначається швидкість (0£ x£¥), рівна x=0. При цьому значенні x будемо мати максима­льну швидкість.

Вихідна швидкість фільтрації на рівні дна котловану при наявності фікти­вного водоупору визначається за рівнянням (схема 2)

, (4)

де T - товща ґрунту до фіктивного водоупору, рівна 3 м;

P - функція, значення якої залежать від S/T та x/T.

Питомі фільтраційні витрати при виході фільтраційного потоку в котлован, при відсутності водоупору в основі (схема 1)та при його наявності на глибині 3 м (схема 2) відповідно становлять

q1=w0·V1=T· V1; (5)

q2=w0·V2=T· V2. (6)

Питома фільтраційна витрата, що надходить із зовнішнього боку котло­вану (схема 1), дорівнює [1, 3]

, (7)

де x - відстань від підпірної стінки додатня в бік котловану і від'ємна в бік непорушеного масиву ґрунту, -¥£ x£0.

Питома фільтраційна витрата , що надходить з зовнішнього боку котло­вану в основу підпірної стінки при наявності фіктивного водоупору (схема 2), визначається за формулою

, (8)

де k - повний еліптичний інтеграл 1-ого роду при модулі λ;

- повний еліптичний інтеграл 1-ого роду при додатковому модулі ; модуль визначається за формулою

. (9)

Загальна витрата для схем 1, 2, що буде надходити до котловану, буде відповідно рівна

Q1=q1·B; (10)

Q2=q2·B, (11)

де B- периметр котловану, м.

Час наповнення котловану водою через шар глини товщиною 2 м по двом схемам становить

, (12)

де Tk –товщина ґрунту на дні котловану, м;

V1,2 – швидкості фільтрації для схем 1 і 2, м/добу.

Для першого розрахункового випадку швидкість фільтрації дорівнює (фо­рмула 3) м/доб.

Після виконання розрахунків для другого розрахункового випадку (формула 4) и при S/T=2/5=0.4 та при x=0 (x/T=0/3=0, при цьому значенні x буде макси­мальна швидкість фільтраційного потоку) визначаємо, що P=0.810[1, 3]. Тоді

м/доб. Питомі фільтраційні витрати при відсутності водоупору в основі (схема 1) та при його наявності на глибині 3 м (схема 2) відповідно становлять (фор­мули 5, 6) q1=47.4·10-5 м2/доб; q2=48.3·10-5 м2/доб.

Периметр котловану становить В=265.07 м. Тоді загальні витрати, що бу­дуть надходити до котловану за схемами 1, 2, відповідно становлять (формули 10, 11) Q1=125.6 л/доб; Q2=128.0 л/доб.

В котловані грунт знаходиться в насиченому водою стані. Час наповнення котловану водою умовно визначався для випадку, коли після виїмки ґрунту в котловані нема води. При визначенні часу наповнення котловану водою суг­линок, що має коефіцієнт фільтрації в 231 раз більше ніж кое­фіцієнт фільтрації глини, і супісок, що має коефіцієнт фільтрації в 11905 раз більше, ніж коефіцієнт фільтрації глини, не враховувався, оскі­льки визначальним для фільтраційних витрат і швидкостей фільтраційного потоку є глина. Тому прийняли Тк =2.0 м.

Час наповнення котловану по двом схемам становить (формула 12)

t1 =34.7 роки; t2=34.0 роки.

Під дією напору 11.5 м відбувається рух фільтраційного потоку в бік котловану із швидкістю 15.8·10-5·10-5 м/доб, з притоком води до котловану 125.6...128.0 л/доб. Котлован наповниться водою за 34.0...34.7 роки.

Для забезпечення довгострокової надійної роботи об’єкта і зняття фільт­раційного тиску на фундаментну плиту будівлі необхідно влаштувати дренаж по периметру котловану на відмітках 115.75 м з відводом води з колекторів в каналізацію відкачкою води з колодязів за допомогою насосів. В разі неможливості влаштування дренажу в фундаментній плиті будівлі необхідно виконати приямки для збору води, що фільтрується. Вони виконуються у вигляді колодязя глибиною 1,2...1,3 м в фундаментній плиті, на дні колодязя необхідно влаштовувати зворотній фільтр з піщаних ґрунтів або геотекстиля. Характер розташування ґрунтів четвертинних відкладень, на ділянці, що розглядається свідчить про те що грунтові води характеризуються нестабільним режимом, який складно прогнозувати. Цій режим залежить від “джерел” живлення – інфільтрації поверхневих вод і витоків з комунікацій (техногенні води). Результати досліджень свідчать про те, що будівництво торгово-офісного комплексу суттєво не зминіть режиму ґрунтових вод, так як він залежить від нормальної організації відводу поверхневих вод та своєчасного виявлення та ліквідації витоків з комунікацій.

Наведені розрахунки є наближеними. Для більш точних розрахунків необ­хідно уточнити коефіцієнт фільтрації глини, з'ясувати про наявність водо­упору і виконати фізичне (наприклад, за методом ЕГДА) або математичне моделювання. Для з'ясування притоку води до котловану і порівняння теоретичних ви­трат з фактичними можна зробити свердловини до глини і виконати спосте­реження за реальним притоком води. Також свердловини повинні бути виконані як постійні споруди, яки дозволять проводити спостереження за режимом підземних вод не тільки в період будівництва торгово-офісного комплексу, але і на протязі всієї його експлуатації. Вони повинні бути виконані з виводом п’єзометрів з кожного горизонту підземних вод. Крім цього необхідно передбачити засоби по організації відводу поверхневих вод.

Базуючись на результатах наших спостережень і дослідженнях та інших даних можна зробити наступні висновки: при будівництві необхідно досліджувати стан підземних вод для попе­редження негативного їх впливу на гідрологічний режим тери­торії прилеглої до ділянки будівництва; необхідно проводити оцінку впливу фільтраційних процесів на дно ко­тловану з метою попередження їх негативного впливу; для зняття фільтраційного тиску на фундаментну плиту необхідно вла­штовувати дренаж по периметру котловану з відводом води з нього, в разі неможливості влаштування дренажу в фундаментній плиті будівлі необхідно виконати приямки для збору води, що фільтрується; необхідно влаштовувати свердловини для постійного спостереження і контролю за рівнями ґрунтових вод, як в період будівництва так і на весь термін експлуатації будівлі.

1. Отчет о научно-технической работе: Влияние строительства торгово-офисного комплекса на углу улицы Мечникова и бульвара Леси Украинки на гидрологиче­ский режим участка строительства и эксплуатационные свойства зданий, при­легающих к площадке строительства.– Киев: НИИСК, 2003. 2. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. Под общей ред. доктора технических наук, проф. . – М.: Стройиздат, 1983. – 543 с. 3. , , Федичкин сооружения. – М.: Колос, 1958. – 464с. 4. Справочник по гидротехнике. – М.: Гос. издательство литературы по строительству и архитектуре, 1955. – 828с.

Розрахунок за методом коефіцієнтів опору єва та методом лінійно-контурної фільтрації (ЛКФ) в даному випадку застосовувати не можна, оскільки ці методи розроблялися з умови, що довжини горизонтальних елементів гідротехнічних споруд суттєво більші вертикальних. А в даному випадку для підпірної стінки довжини вертикальних елементів значно більші горизонтальних (довжина горизонтального елемента – 0.6 м, а вертикальних – 36.7 м).