что такое барражный эффект
Оценка барражного эффекта при строительстве заглубленных сооружений на программе ANSDIMAT
Строительство заглубленных сооружений может стать преградой для движения подземных вод. Локальная непроницаемая преграда в водоносном горизонте приводит к изменению линий тока и перераспределению напоров подземных вод, т.е. проявляется барражный эффект. Перераспределение напоров выражается в подъеме уровней воды со стороны потока перед непроницаемой преградой, а также снижением уровней с противоположной стороны (см. Рисунок 1). Барражный эффект может проявляться очень ярко при большой протяжённости фильтрационной преграды или в условиях высоких градиентов потока подземных вод.
Нормативные документы при изысканиях под строительство предусматривают необходимость проведения оценки изменения гидрогеологических условий на этапе строительства и эксплуатации сооружения. Одним из обязательных направлений такой оценки является расчет барражного эффекта от фундаментов проектируемых зданий, тоннелей, искусственных зон укрепления грунта, или шпунтовых стен и противофильтрационных завес.
В программе ANSDIMAT предлагается несколько способов расчета барражного эффекта. Первый способ может быть применим для относительно простых условий и основывается на быстром и точном аналитическом решении. Второй способ использует расчеты с помощью аналитических элементов для более сложных гидрогеологических условий, а также когда геометрия непроницаемой преграды имеет не правильную форму.
Рисунок 1. Аналитическое решение для расчета барражного эффекта при строительстве непроницаемой стены в грунте
Исходные данные
Для демонстрации возможностей программы ANSDIMAT приведем расчет барражного эффекта на реальном примере. Так, на берегу реки строится промышленное здание. Глубина строительного котлована должна составлять 30 м. Из-за высокой обводненности пород было принято решение отрабатывать котлован под защитой противофильтрационной завесы (ПФЗ) по контуру котлована. Длина ПФЗ составила 800 м, ширина 350 м, глубина ПФЗ 30 м. ПФЗ упирается своим основанием в слабопроницаемый слой глин. Коэффициент фильтрации водоносного горизонта составляет 50 м/сут, а его обводненная мощность 25 м. Толщина стенки ПФЗ составляет 1 м, а его коэффициент фильтрации 0,001 м/сут. По результатам замеров уровней воды в скважинах до начала строительства было установлено, что величина градиента потока подземных вод равна 0,005 м/м, направление на юг в сторону реки (см. Рисунок 2).
Рисунок 2 – Технические и природные условия для расчета барража на площадке строительства
I. Расчет барража аналитическим методом
Для аналитического расчета заходим в меню Файл – Калькулятор гидрогеолога – Подпор, вкладка “Барраж” (см. Рисунок 3).
В доступные поля интерфейса задаем исходные параметры: коэффициент фильтрации горизонта и ПФЗ, градиент потока, длину и ширину ПФЗ.
Программа мгновенно рассчитывает максимальный подъем уровней воды равный 2.0 м, который будет наблюдаться на внешней границе северной стены ПФЗ после ее строительства. Варьируя координатами x и y можно оценить изменение уровня воды за счет барража в любой точке пространства. Профиль изменений уровня с севера на юг через ПФЗ приведен на Рисунке 3. Из него видно, что строительство ПФЗ будет оказывать масштабное воздействие на первоначальное положение уровня грунтовых вод. И только на удалении 5 км от ПФЗ его воздействие снизится до 10 см и менее.
Рисунок 3 – Интерфейс модуля для расчета барражного эффекта и график с основными результатами
II. Расчет барражного эффекта методом аналитических элементов
Для расчета барражного эффекта создается проект через меню Файл – Модель аналитических элементов – Создать проект. К проекту была подготовлена карта размером 7,5 на 4, 5 км. Размеры модели соответствовали размерам карты.
Оценка барражного эффекта производилось при помощи двух расчетов. Первый расчет соответствовал естественным условиям до начала строительства, а второй расчет проводился с ПФЗ по контуру котлована. Разница уровней воды по первому и второму расчетам отвечает изменению гидрогеологических условий, которые вызывает строительство ПФЗ.
Чтобы воспроизвести естественные условия в модели задавался напор на контуре реки (Н=100 м) и на южной границе (Н=113 м). Результаты расчета напоров в естественных условиях показаны на Рисунке4. Из него видно, что структура потока имеет сложную геометрию и контролируется конфигурацией реки. Градиент подземных вод на территории площадки строительства составляет 0,005.
Рисунок 4 – Расчетное распределение напоров подземных вод до начала строительства
Далее на модели задавался контур ПФЗ вокруг котлована. Толщина контура составила 1 м, а коэффициент фильтрации 0,001 м/сут. Разница уровней между естественными условиями и после строительства ПФЗ показана на Рисунке 5.
Максимальный подъем уровней воды составил 2.2 м на северной стене ПФЗ. Это хорошо согласуется с результатами предыдущих расчетов по упрощенному аналитическому подходу (см. Рисунок 3). Однако отметим, что на некотором расстоянии от ПФЗ, расхождения между подходами становятся более существенными. Это объясняется влиянием контура реки, геометрия которого была учтена в модели аналитических элементов. Таким образом, при оценке барражного эффекта на контуре ПФЗ допустимо использовать упрощенный аналитический подход. При необходимости оценивать влияние барражного эффекта от ПФЗ на соседние здания и сооружения следует использовать модель аналитических элементов.
Рисунок 5 – Расчет барражного эффекта от ПФЗ
Дополнительно на модели аналитических элементов исследовалась возможность демонтажа ПФЗ. Было оценено, насколько можно сократить эффект барража после строительства котлована за счет частичного демонтажа секций ПФЗ. На модели из контура ПФЗ было изъято 8 секций. Результаты расчетов приведены на Рисунке 6.
Рисунок 6 – Расчет барражного эффекта после демонтажа части секций ПФЗ
Что такое барражный эффект
“Барражным эффектом” называют подъем уровня подземных вод на пути фильтрационного потока перед преградой и снижения уровня за преградой. “Барражный эффект” в строительстве возникает вследствие полного или частичного перекрытия водоносного горизонта подземным сооружением. “Барражный эффект” также проявляется в повышении градиентов фильтрационного потока при обтекании преграды. В качестве преграды фильтрационному потоку часто выступает ограждающая конструкция в виде “стены в грунте”, обеспечивающая устойчивость стенок котлована и защиту котлована при строительстве здания от больших водопритоков.
Повышение уровня подземных вод может активизировать просадочные процессы, привести к возникновению гидродинамического и взвешивающего давления. Подтопление, связанное с повышением уровней, может вызвать заболачивание территории, представляет угрозу сохранности подземных технических сооружений и коммуникаций, построенных в ранее сухих грунтах.
Понижение уровней подземных вод может привести к возникновению подземной эрозии, образованию суффозионных воронок на поверхности земли, деформации сооружений и подземных коммуникаций.
На основании МГСН 2.07-01 “Основания, фундаменты и подземные сооружения г. Москва” и СП 22.13330.2016 “Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*” (п. 5.4), а также требований экспертизы для количественной оценки изменения уровней подземной воды и градиентов потока, прогнозные расчеты “барражного эффекта” выполняются с использованием метода математического численного моделирования в конечных разностях.
Величина изменения уровня при “барражном эффекте” зависит от градиента фильтрационного потока и протяженности преграды, перекрывающей фильтрационный поток по его фронту. Максимальный эффект наблюдается при полном перекрытии преградой водоносного горизонта (преграда “совершенная” по гидродинамическому воздействию на фильтрационный поток). Как было показано исследованиями Бунтмана и Непомнящего, при перекрытии преградой менее 90% мощности водоносного горизонта “барражный эффект” практически не проявляется. Величина изменения уровня при “барражном эффекте” варьирует от десятков сантиметров до нескольких метров.
Основными компенсационными инженерными мероприятиями при значительной величине “барражного эффекта” являются:
Весьма ориентировочно величина “барражного эффекта” может быть оценена по эмпирической формуле Монахова-Пашковского:
где B – протяженность преграды, определенная перпендикулярно потоку подземных вод, м;
J – напорный градиент подземного потока до сооружения преграды.
При оценке “барражного эффекта” для подземного сооружения, проектируемого в пределах существующих зданий с глубоко залегающими фундаментами, указанная формула не может быть использована. В этом случае необходимо учитывать взаимовлияние нескольких преград фильтрационному потоку. То есть, оценка “барражного эффекта” возможна только с использованием метода математического моделирования.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДПОРНЫХ СТЕН
Дренаж подпорных стен
К таким негативным эффектам следует отнести появление барражного эффекта и рост гидростатического давления на подпорные стены. Барражный эффект (барраж) — явление поднятия уровня грунтовых вод. Барраж вызывается появлением на пути подземного потока преграды в виде заглублённого сооружения. При этом если с одной стороны сооружения (верховой) уровень грунтовых вод поднимается, то с противоположной стороны (низовой) — опускается. В результате сооружение начинает испытывать дополнительную гидростатическую нагрузку, не учтенную в проекте.
Основной мерой, направленной на предотвращение описанных явлений, служит разработка в проектной документации различных дренажных мероприятий.
Собственно дренаж предусматривается в проекте для понижения поверхности грунтовых вод. Если защищаемым объектом являются гравитационные подпорные стены набережных, то дренаж обычно не применяется — ввиду массивности конструкции и большого запаса по надежности. Также дренаж редко закладывается при проектировании подпорных стен на толстой щебёночной или каменной постели — в этом случае сама постель выполняет дренирующие функции.
Для отвода стока дренажной сети в подпорных стенах устраиваются дренажные выпуски. Сброс стока ведется в ливневую канализацию или, если это набережная, под отметку нижней кромки льда в водотоке.
Практически все дренажные системы по мере длительной эксплуатации склонны к засорению. Это происходит даже с правильно запроектированными дренажами. Причиной этому является невозможность в ряде случаев предотвратить выпадение мельчайших частиц грунта в осадок на дне труб. Именно по это причине сбросные участки дренажных систем и систем поверхностного стока не совмещаются вместе. Для очистки дренажа в проекте предусматривается возможность его ограниченного ремонта.
Конструкция дренажной линии подпорной стены в простейшем случае представляет собой грунтовую призму, которая примыкает к тыловой (засыпаемой грунтом) грани стены. По длине призмы с шагом около 5 м размещаются дренажные выпуски — трубы диаметром 200 мм. Эти трубы с выходной стороны защищаются небольшими сетками. Если в грунтовой призме укладывается дренажная перфорированная труба, то такой дренаж называется трубчатым. У трубчатого дренажа дренажные выпуски устраиваются существенно реже — только в характерных местах подпорной стены (повороты, концевые открылки и т.п.). Вокруг трубы выполняется обратный фильтр. Если в качестве материала обратной засыпки подпорной стены выступает мелкозернистый песок, то идеальным вариантом обратного фильтра может быть следующая последовательность из четырёх слоёв (начиная от наружного): среднезернистый песок (толщина 250 мм), гравелистый песок (толщина 250 мм), щебень фракции 20—40 мм (толщина 500 мм), камень крупностью 150—200 мм (толщина 500 мм). Продольный уклон дренажной трубы принимается не менее 0,002 для глинистых грунтов и 0,003 для песчаных грунтов.