Введение к работе
Актуальность работы: Проявление ряда опасных геологических процессов (ОГП) (подтопление, оползни, суффозия, карст и др.) нередко связано с факторами и процессами, приводящими к обводнению ненасыщенных фунтов, образованию верховодки или новых техногенных горизонтов. Развитие процессов обводнения фунтов (в определённых инженерно-геологических условиях) значительно увеличивает риск возникновения опасных явлений, повышает степень опасности и масштабы их воздействия (повреждаются автострады, железные дороги, промышленные предприятия, жилая и другая государственная и частная собственность и т. п.). Изучение опасных природных и природно-техногенных процессов (ОПТП) является актуальными в связи с освоением новых территорий, увеличением техногенной нафузки на уже освоенных участках. Часто возникает необходимость проектирования и строительства сооружений, основная задача которых - предотвращение причин возникновения таких проявлений.
По данным Госстроя России в 2001 г. в той или иной степени подвержены воздействию подтопления 960 городов, а в тройку самых «популярных» на территории нашей страны ОПТП, помимо подтопления, входят оползни и наводнения - процессы, которые нередко являются либо следствием, либо причиной подтопления (см. рис. 1). Причем за последние 10-15 лет суммарная площадь развития ОПТП увеличилась в пределах урбанизированных территорий на 50-60%, что отразилось на росте общего количества чрезвычайных ситуаций. Налицо активизация процессов подтопления, которая сопровождается повышением экологической и социальной напряженности в различных регионах.
яОПОЛЗНИ
СЕЛИ
аНАВОДНЕНИЯ
ИКАРСТ
Рис. 1. Диафамма распространенности ОПТП,
-0^АЦНОНАЛЬНАЯІ
С.Петербург sfrA
ОЭ MOJmtC / JJ
Тенденция увеличения площадей развития и потерь от ОПТП характерна не только для России, но и для большинства других стран. Согласно мировым статистическим данным, количество пострадавших от ОПТП ежегодно повышается на 4%, на 10,4% растут экономические потери.
В этой связи прогнозирование процессов обводнения фунтов в различных, часто весьма сложных, гидрогеологических условиях, совершенствование и разработка методов количественных оценок развития процессов подтопления приобретает особое значение.
Прогнозное направление остается приоритетным и при образовании вблизи потенциально опасных участков каких-либо техногенных источников питания подземных вод (каналы, трассы водонесущих коммуникаций, пруды и т.д.).
Важнейшую роль играют математические прогнозные модели подтопления, способные включаться в общие модели прогнозирования того или иного ОПТП и позволяющие,, таким образом, учитывать влияние поведения фунтовых вод на развитие опасного процесса в целом.
По расчетам международных экспертов и ученых страны затраты на
прогнозирование и обеспечение готовности к защите от ОПТП в 10-15 раз меньше
предотвращенного ущерба, что указывает не только на актуальность, но и на
экономическую эффективность прогнозных исследований. і
Целью диссертационной работы является разработка методики прогноза образования новых техногенных водоносных горизонтов, верховодки, а также методов расчета систем инженерной защиты от подтопления застраиваемых территорий а этих условиях.
Основные задачи диссертационной работы включают:
анализ и обработку материалов по подтоплению застраиваемых территорий;
математическую постановку задач прогнозирования образования новых техногенных водоносных горизонтов и верховодки при строительном освоении территорий;
получение точных решений некоторых задач в указанной выше математической постановке, в т.ч. с подвижной фаницей типа Стефана;
разработку методов упрощения математической постановки задач прогноза образования техногенных водоносных горизонтов и верховодки для получения инженерных решений;
оценку точности разработанных приближенных методов расчетов кривой депрессии и подвижной границы промачивания фунтов;
получение расчетных зависимостей для прогнозирования образования новых техногенных горизонтов и верховодки;
получение расчетных зависимостей для оценки эффективности дренажей в условиях образования новых техногенных горизонтов;
анализ основных особенностей численной реализации задач прогноза образования новых водоносных горизонтов и верховодки;
разработка методики прогноза образования новых техногенных водоносных горизонтов, верховодки и систем инженерной защиты от подтопления застраиваемых территорий на примере строительного освоения некоторых территории г. Москвы.
Методика исследований. При выполнении работы использовались различные методы исследований, которые способствовали решению основных задач диссертационной работы. В частности, они включали:
сбор и анализ литературных и архивных источников по формированию техногенных водоносных горизонтов на застроенных территориях;
изучение математических моделей и методов решения задач фильтрации с подвижными границами;
анализ материалов по изучению особенностей фильтрации в районе гидротехнических сооружений и приемов упрощения количественного описания этих процессов;
изучение численных методов описания фильтрационных процессов и их компьютерную реализацию;
проведение численных экспериментов при оценке точности приближенных методов расчета;
обобщение фактических данных инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий на конкретных объектах;
обработку экспериментальных данных, данных натурных наблюдений для оценки параметров, входящих в математические модели;
наблюдение за работой систем вертикальных и горизонтальных дренажей.
Научная новизна и основные результаты работы:
получен новый класс точных решений задач типа Стефана, описывающих процесс формирования новых техногенных водоносных горизонтов и верховодки на застраиваемых территориях;
сформулированы основные гипотезы, ведущие к упрощению сложных математических моделей, к получению различных инженерных решений для составления гидрогеологических прогнозов и расчетов дренажей;
получены новые расчетные зависимости для вычисления кривой депрессии и границы промачивания при действии источников различной конфигурации и интенсивности в сухих грунтах;
найдены новые решения задач фильтрации к дренажным устройствам для обоснования проектных решений систем инженерной защиты от подтопления в условиях образования новых техногенных горизонтов;
проведен комплекс исследований на реальном объекте по прогнозу образования техногенного горизонта и обоснованию систем инженерной защиты от подтопления, который может быть принят за основу разработки соответствующих методических указаний.
Практическая ценность работы состоит в разработке методов прогноза образования новых техногенных водоносных горизонтов и верховодки в сложных гидрогеологических условиях и расчетов систем инженерной защиты от подтопления застраиваемых территорий, когда формирование водоносного горизонта происходит вслед за строительным освоением территории. Полученные результаты исследований могут быть использованы при составлении соответствующих нормативных документов, а так же непосредственно в практике изысканий и проектирования систем инженерной защиты территорий.
На зашиту выносятся:
математические модели и точные решения некоторых задач фильтрации в сухих фунтах;
основные упрощающие гипотезы, допустимые при изучении процессов формирования новых техногенных горизонтов и верховодки;
расчетные зависимости для широкого круга задач подтопления застраиваемых территорий при образовании верховодки;
расчетные зависимости для оценки эффективности специальных гидротехнических сооружений (дренажей различного типа) в условиях образования новых техногенных горизонтов;
комплекс исследований по прогнозу образования техногенного горизонта и системы инженерной защиты от подтопления территории городка ОМОН в г. Москве.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международной конференции «Анализ и оценка природных рисков в строительстве» (Москва, 1997); Международной конференции «MODFLOW98 and the Other Modeling Odysseys Conference» (Golden, Colorado, 1998); Годичной сессии научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2001);
Публикации: Основные положения диссертационной работы отражены в 7 научных работах.
Структура и объем работы.
