автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка метода прогноза деформации земной поверхности при откачке подземных вод на территории г. Кабула (РА)

Государственный комитет Российской Федерации

по высшему образованию

---

Московский государственный горный университет

На правах рукописи ШАХ ВАЛИ ЦАРГАНД ДЖАМАЛУДИН

УДК 622.1 : 528.37/.38(043.3)

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗА ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОТКАЧКЕ ПОДЗЕМНЫХ вод на территории г. кабула (ра)

Специальность 05.15.01 —«Маркшейдерия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском государственном горном университете на кафедре маркшейдерского дела и геодезии.

Научный руководитель — член-корреспондент Российской инженерной академии докт. техн. наук, проф. ПОПОВ В. Н.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. ГУДКОВ В. М., канд. техн. наук, с. н. с. НЕСМЕЯНОВ Б. В.

- Ведущее предприятие — научно-производственное объединение «Всесоюзный научно-исследовательский и .проектно-кон-структорский институт то осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу».

Защита диссертации состоится « 1993 г.

в . ^ час. на заседании специализированного совета

К-053.12.05 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГОП-Д, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На настоящем этапе развития-Афганистана предусмотрено дальнейшее освоение подземных вод и увеличение объемов откачки подземных вод для орошения и водоснабжения крупных городов.

Интенсивная откачка подземных вод под территориями городов вызывает деформации земной поверхности и объектов застройки.

Параметры деформаций зависят от геологического строения норо-дного массива, объема откачки вод, глубины водоносного горизонта, его мощности и площади водозабора и надежно могут быть определена на основе данных маршейдерсго-геодезических измерений за сме!г,?ни-ем точек земной поверхности и спрогнозированы на базе математической. модели.

Тем не менее в условиях Афганистана до недавнего времени систематических наблюдений за процессом сдвижения земной поверхности при откачке вод не проводилось.

В этой связи изучение закономерностей деформации земной поверхности при откачке подземных вод на территории г. Кабула и разработка метода их прогноза для обеспечения надежности, долговечности и безопасности эксплуатации объектов водозабора, эксплуатационных скважин и других сооружений является актуальной научной и практической задачей.

Использование результатов марклейдерско-геодезическпх и других натурных наблюдений дяя совершенствования проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружении в районе откачки подземных вод предусмотрено в директивных, нормативна: документах и программах научных исследований различных министерств и ведомств Афганистана.

Данная работа выполнялась в соответствии с техкпческ..™; заданием ВТК Афганистана, а также согласно планам госбпд.-;:е?ш;;: хоздоговорных научно-исследовательских работ, включенных в раздел ва-жнейдей тематики научно-исследовательского комплекса Кабульского полиметаллического института.

Цель работь; заключается в установлении закономерностей де-формчцяи земно"; поверхности от параметров откачкг ледяных влч Д-'!я разработки метода их прогноза.

Гдея работы состоит в использовании результатов шютрукзит.---

льных наблюдений по взаимосвязи характеристик деформаций земной поверхности с геологическими особенностями и параметрами откачки воды для прогноза их проявления.

Научные положения, -разработанные лично соискателем,и их новизна:

- .разработан метод расчета параметров деформаций земной поверхности на основе моделирования деформационного процесса толщи горных пород при откачке вод;

- установлены зависимости мевду показателями деформации земной поверхности и горно-геологическими характеристиками района;

- разработан метод прогноза деформаций земной поверхности при откачке подземных вод с учетом данных маркшейдерских набдэдений и горно-геологических факторов.

Обоснованность и достоверность натчных положений и выводов подтверждаются:

удовлетворительной сходимостью величин оседаний земной поверхности по предложенному методу с данными повторного нивелирования техногенного полигона (погрешность не превышает 10 % при надежности 9553);

сходимостью результатов прогноза деформаций земной поверхности при откачке подземных вод с учетом данных маркшейдерских наблюдений и горно-геологических факторов с фактическими величинами деформаций. (Надежность прогноза деформаций с погрешностью, не превышающей 95$, составила 10$).

Методы исследований. Для достижения поставленной цели использованы следующие метода исследований:

анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта, инструментальные наблюдения за процессом деформации земной поверхности, аналитические методы с использованием аппарата теории погрешностей измерений, математической статистики, линейной и матричной алгебры, численные расчеты с применением ЭШ.

Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния объема откачки подземных вод, глубины залегания водоносного горизонта и его мощности, покидания уровня подземных вод на деформации земной поверхности.

Практическое значение работа заключается в разработке метода прогноза деформации зешой поверхности при откачке подземных вод на территория г. Кабула, позволяющего организовать эффективную откачку подземных вод и надежную защиту зданий и сооружений на тер- 2 -

ритории г. Кабула.

Реализация выводов и рекомендаций таботн. Результаты исследований используются ГУГК и Департаментом геологии Афганистана при изучении современных вертикальных движений зешюй коры на территории города при застройке объектами промытленно-граяданского назначения.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и были одобрены на научно-практических конференциях Кабульского политехнического института (г. Кабул, 1987, 1983, I98'jгг.),Кабульского университета (г. Кабул, I98S г.), в ГУГКе Афганистана, 1988г.),

Московского горнего института (г. Москва, 1991, 1992 гг.), Киевского иняенерно-строительнот'о инсгпгута (г. Киев, I02Z г.).

ПЕФЖ1а!122- те:,:а диссертации опубликовано 5. работ.

Структура и объем работ. Диссертация общим объемом 185 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников (110 наименований). Основное содержание иэлояено на 131 странице - машинописного текста, работа включает 14 таблиц, 29 рисунков.

роновное содержание работы

Анализ суваптвуаксго положения пройлекн ззучекш» делор:.;аш:« земной поверхпоогп при откапко подзе:.1ннх вод з странах CET к з:- рубежом показал, что оседание земной поверхности орявяикдо un&taiize исследователей в разню: странах х» конце TJ. века.

На разя».-: стазиях ксслвдм«<гкзй ivar, рягработски ^''"годики лро-йзводотв» кайлгм-вкий п ра^работ^ли ocit'W отохаст.;-

чсстсо^л уп о 'и;; 1 э 'V° с ко l о подходов азуч^н^у "в Jo; позо*;:шсо';л при a газа :: отяя-к: подг-ем;;^-: иод. ¡JLrjj-.v

кие исследования, лроввденнуо учеными С.А.Аверашншл, Р.А.Мшлером, А.А,Кузнецовым, B.C. Куксинш, М.А.Резниковы,!, Э.Г.Сосгчтс?, Г'..',. Цитовичем, Е.И.Субботатаг.:, TÎ.А.Бесдавлозш, Е.С.Эекцеге;:, li.J.-Y.---л^г/ксгл, О.Л.Гуоьковда, Большаковы.'.-., НЛиЗедеасхаи, 0.Г.Комаровым, Н.Курата, Г.Зафия и др., способствовали прогрессу в области изучения закономерностей сдвижения земной поверхности и расчета деформаций.

Для веден та гзстаматкчеокях наблвдений, как правило, гозд-г.''-ся геодиюшическио и техногенные полигоны. Точносгь. повторного нивелирования на техногенных полигонах находилась в предела:: + 1,04- 3 -

+ +0,4 мм на I юл двойного нивелирного хода, а систематическая погрешность + 0,3 + 0,4 мм.

Как показали наш расчеты, при изучении вертикальных деформаций земной поверхности на техногенных полигонах при откачке подземных вод требуется более высокая точность, характеризующаяся средней квадптатической погрешностью нивелирования на I км хода порядка + 0,4 + и,5 мм, так как годовая амплитуда колебаний точек земной поверхности незначительна и имеет величину до 10-15 мм.

Анализом установлено, ато до настоящего периода еще недостаточно изучена связь между показателями деформации земной поверхности и горно-геологическими характеристиками деформируемой толщи, несовершенны методы расчета параметров деформаций и отсутствует метод прогноза этих деформаций, который комплексно учитывал бы результаты маркшейдерских наблюдений и горно-геологические факторы.

Исходя из состояния изученности вопроса и направленности диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Обоснование параметров техногенного полигона на территории г. Кабула и проведение полевых экспериментальных работ.

2. Предрасчет точности и периодичности маркшейдерских измерений.

3. Оценка устойчивости реперов техногенного полигона.

4. Выявление влияния горно-геологических факторов на оседание земной поверхности.

5. Прогнозирование осадок земной поверхности с использованием результатов повторного нивелирования реперов техногенного полигона.

6. Технико-экономический анализ последствий откачки подземных вод на инженерные сооружения.

Для изучения деформаций земной поверхности при откачке подземных вод на территории города в 1984 г. был создан Кабульский техногенный полигон (рис. I), который имел 8 зон. В 1986 г. он был расширен и в настоящее время имеет 13 зон, общую протяженность 178,6 км, -290 заложенных марок и реперов, которые расположены на расстоянии 20+100 м друг от друга. По полигону выполнено нивелирование I кл. через 6 месяцев. В период 1984-1986 гг. выполнено 7 циклов повторного нивелирования в зонах откачки подземных вод и 3 цикла по всему полигону. Анализ 7*.".:. циклов нивелирования показал наличие оседаний земной поверхности во 2, 3 и 4 зонах, причем максимальное оседание за 4 года составило 24 мм (репер 1047) в зоне й 3 (рис. 2). ..

115

(

1ЙМ-1

квм-а

© а

2-«4с

М-54

-У 8 6?, \

л

\

¡>«-5 \

ВМ-З

т

\

40«

ц

}

<Э/

/

/

КР-КМ

гг-3а1

У

Рис. I. Схема нивелирной сети Кабульского

техногенного полигона: ЗЗЛ-1 - фундаментальный репер; о 2-14 ав - грунтовый репер; @ 38 - стенный репер;

шга нивелирования I класса;------'Граница

города.

о

Рис. 2. График оседаний реперов в районе зоны & 3 г. Кабула: ^гщ - в ■числителе месяц,

а в знаменателе-год наблюдений.

По результатам повторного нивелирования составлены график оседаний репера !« 1047 и схемы деформационного поля по линии 11-10 зоны !f 3 Кабульского техногенного полигона, оседаний земной поверхности северо-западного участка г. Кабула. Произведен предречет точности и периодичности повторного нивелироваши. В матричнам виде составлены уравнения дам двух циклов наблюдений нивелирной сети, решение которых предложено 2 методами. Нервы:.! методом определяются осадки и скорости осадок реперов путем решения корреляционной матрицы вектора осадок, а вторим методом определяются неизвестные при совместном уравнивании высот и скоростей осадок реперов путем решения система уравнений по методу наименьших квадратов.

Рассмотренные способы уравнивания предусматривают определение как. вектора оплеток определяемых реперов, так :* влктора осадок или скоростей осадок. Но поскольку главной задачей нивелирования сетей является определение садок реперов или скоростей осадок, то представляет интерес такое уравнивание, при котором непосредственно получаются осадки или скорости осадок реперов техногенных полигонов.

Таким образом, рассмотрели .й- способ уравнивания дает возможность мегзду любыми двумя циклами нивелирования непосредственно получить вектор осадок или скоростей осадок реперов и его корреджион-нуа матрицу. На примере Кабульспго техногенного полигона икродело-io: скорости осадок узловых точек мегздг двугл циклами шгаолирогл:!.: , которые приведены в табл. I и 2. Скорости осадок дет уолоров Ю-iV :: 1045 составили V,? = 9,0 ш/год, V,5 = 7,й ;.z;/i\ ,.

Анализо:.; установлено, что точность определения осадок ¿..опоров составила + 0,3 * 1,0 мм. Допускаемые оашбкя определения ос-.иох для возводила: зданий и сооружений доданы бить порядка I * 2 .-о есть оапо-Л, определения отметок реперов находились в долу ст.; пределах.

G учетом критической осадки Оцр для сооружений, хся в зоне деформаций земной поверхности, среднее квадратг.чес:: отклонение равномерной осадки предлагается определять по (формуле

i ^ Б№/2t, (I)

где t - нормированный коэффициент.

Для нормального распределения = 2 при вероятности -

= 3 при р = Q.SS7.

Таблица I

Изменение отметок в зоне Ji 3 от репера № II до репера & 1С i Наблвдени 1984 - 86 гг.' . I

Превши Шревыш. !^аз-отметок!отметок!но-I цикла^2 цикла; сть

Из-Шревыш. !.Раз-Шз~ Шревыш. ¡¿'аз+Из-мен,' отметок! но- ! мен.' отметок! но- ! мен, npe-f3 цикиа<сть|отм44 цикла,, сть (отм выпц м -{преч'цикт - м ,пре-{цик^ 0ТИ|'Щ-1985п|вт}ла ¡1Х-1985|ВЫШ.;ла "

иревыш. ¡^азчиз'г-шревш. ¡газ-шзмен. отметок!но-!мен]отметок!но-!отметок 5 mcuiaj,CTb,OTM,6 цикла, сть ,цихла

м. ----С Т. .. ----т

Jé,

Названия J Дли-линий !на, нивели- tKM рования '

м

У-1984г.

м

1984 г.

¡пре-¡выш. ¡отм i дп 52—X, {мм

2-Ii

ММ i

опл|3-1у г. }opii4-L дЬ : : }дЬ j '

j4-L)MM ¡ММ |

¿мм

¡ММ |

0

+1 +2

-I +Т

-I 0

-4 -4

*ЙЗ -5

-4 -9

+9 -3 -9

0 -4 +1

+.1 +2

+6- +8

0 +8

0 +S

I

¡npe-jS-L; м ¡пре-jé-I, ¡выш; мм,У1Е~1986;выпц мм ¡ОТМ,} t Г. ¡ОТМ,} j ah f j, f дп j

tS-tt Г -,6-Ь

j (MM/j

мм

1

2

3

4

5

6

7

8 9

10-12-10-10-10-10-12-10-10-

10 Ю-

11 10-

12 10-

13 10-

14 IO-

15 Ю-

16 10-

17 10-

18 10-

■II •1052 ■1051 ■1050 ■1049 •1048 •1047 ■1046 О •1045 О ■1044 О •Ю4Г О ■1041 О ■1040 О •1039 о ■1038 О •1037 О •1036 о •10

,15 ,02 ,06 ,04 ,06 ,09 ,07 ,07 ,12 ,17 ,04 ,08 ,07 ,09 ,04 ,06

-0,665 +0,958 -0,233 +0,233

ш

+0,702 43,131 -Ю.362 -0,661 +0,032 -0,106 -0,018 -0,044 -Œ.0I4 +1,215

-0,665 +0,958 -0,233 +0,230

ш

+0,711 +0,136 +0,368 -0,665 +0 033 -0,ШЗ -0,017 -0,039 -1,014 +1,215

О О О -3

+9 -3 +6 -4 +1 +3 +1 +5 О О

О О О О -3

-0,663 +0,957 -0,234 +0,229

-ЪШ

-4 +0,712 +0,135 -Л, 371

Ш

43,(104 -0,017 -0,038 -1,014 +1,215

-7 -I -5 -4 +1 О +5 +5 +5

-0,661 +0,957 -0,237 +0,225

ш

43,716 +0,133 +0,380

ш -0,102 -0,016 0,032 -1,014 +1,213

О

+4 +4 -I +3 -4 -I -8 -9 +10 +1 -24 -23 +14 -9 -6 -15 +18 +3

-м

+4 -4 +2 -2 +12 +10 О +10 -2 +8

-0,660 +0,956 -0;237 +0,225 -0,207 -0| 791 +0,715 +0,133 +0,380

ш

-0,103 -0,016 0,031 -Ï.0I3 +1,213

о

+5 +5 -2 +3 -4 -I -8 -9 +10 +1 -24 -23 +13 -10 -6 -16 +18 +2

-53 -Б

+3 -8 +2 -6 +13 +2 +1 +3 83 +6

-0,661 +0,959 -0,239 -(0,222 -0,202 -0Î794 +0,716 +0,139 +0,384

Я;®

-0,103 -0,015 -0,029 410,12 +1,212

+4 +1 -6 -II +15 -27 +14 -8 +22

гР

+3

+3

+15

+2

-3

О

+4 +6 -I -12 +3 -21 -8 -18 -4 -13 -14 -II -8 +7 +9 +6

Таблица 2~

Средняя квздратическая погрешность ra I км хода (5-6 серил)

I ВЛ-1 1014

i 2 EM-I 11-54 ыз

' 3 22-1 0,1-1

4 22-3^22-106

5 22-^I2-3al S I-Ia¿ 38 7 38 д/P-IOI 8/ÍP-IúI 1-5 AB

13

12,05

4,28

4

3,39

5

5,92 36 10,33

8

J2.

12,3

, Ж., 4,31

3,43 5

6,03 36

9,97

8

1,28

24.,, "8T3I

_22_

14,42 14,42

1,27 Т

20

+ 3,68 + 3,68 +0,31 +0,47 ±0,41 +0,55 +0,03 +0,02 +0,04 +0,01

+ 2,07 + 2,08 +0,22 +0,23 +0,77 +0,61 +0,03 +0,01 +0,01 +0,16

+ 1,84 + 1,87 +0,19 +0,36 +0,43 +1,61 +0,06 +0,0 +0,23 +0,26

±2,44 ±2,46 +0,13 +0,37 +0,88 +1,08 +0,01 +0,06 +0,23 +0,11

± 3,22 ± 3,17 ±0,24 +0,30 +0,67 +0,29 +0,02 +0,02 ±0,10 ±0,02

+1,13 ±1,13 ±0,28 ±0,22+0,68+0,61+0,32 ±0,32 +0,03 ±0,25

±2,93 ± 2,90 ±0,24 ±0,25 +0,55 +0,57 ±0,01 ±0,02 ±0,02 +0,0

± 3,90 +3,37 +0,34 ±0,26 +0,52 +0,80 ±0,С2 ±0,02 ±0,05 ±0,04

При неравномерных осадках среднее квадратичеокое отклонение монет быть* определено из выражения

6^<Л5КР//£1 V?, (2)

где Докр - критическая неравномерная осадка.

Формулы (I) и (2) являются исходными при расчетах точности нивелирования и проектирования техногенных полигонов.

Обоснованная периодичность измерений позволяет не только предупредить аварийность зданий и сооружений, находящихся в зоне мульды сдвижения, но и ведет к экономии государственных средств. Частота наблвдений при неравномерном оседании может быть найдена из выражения

дЗкр > •

\/тах ~Л/ггш \/гш"~ Х/пи'п ^ 3 ^

гДе А Зкр - критическая неравномерная осадка (допуск); /\Д5 -предельная погрешность определения разности осадок (ЗгПд5>ДД£^ \Аих иХ/тЬ. - соответственно максимальная и минимальная скорости осадок.

Сценка устойчивости трок и реперов при производстве повторного нивелирования должна осуществляться по разработанному способу, суть которого заключается в следующем. Для нивелщжой сет^, содержащей П реперов, определяются уравненные превышения Ь и Ь > полученные в исследуемых циклах измерений. Затем для каждого из реперов находятся разности уравненных превышений между исследуемым и соседними с ним реперами. Так как каждый репер непосредственно связан с несколькими соседки л, то величина смещения репера определяется по формуле. к к

г = + £ 5) ^ (4)

где И - число непосредственных связей исследуемого репера с соседними.

Неизьэстные величины в формуле"(4) находятся методом последовательных приближений. Первое из них получается как среднее значение разностей уравненных превышений вокруг исследуемого репера. Из анализа различных моделей сетей установлено, что для уменьшения числа приближений и более надежной оценки устойчивости реперов реко-

- 10 -

мендуотся начальные приближения ьлюлнять для реперов с одинаковыми знаками разностей уравнешшх превышении, так как ото в первую очередь указывает на изменение высоты исследуемого репера. Приближения выполняют до тех пор, пока расхождения ме.тду по луч енними смешениями калдого репера будут не более требуемой точности их определения. Обычно достаточно двух-трех приближений.

Полученные смешения каздого из исследуемых реперов и будут характеристикой устойчивости: чем меньше смешение, тем устойчивее исследуемый репер. Положительное смешение говорит об осадке исследуемого репера, отрицательное - о его поднятии. Ропор считается не изменившим своего высотного положения, если его смешение

( 5 )

где

тн - средняя квадратичеекая погрешность определения отметки

исследуемого репера. По предложенному способу определена устойчивость реперов нивелирной сети I класса Кабульского техногенного полигона, резуль-

которой приведены в таблице 3 ,

Таблица 3

Определение устойчивости реперов Кабульского

техногенного полигона ме:кду I и 2 сериями -

Номер репера ; Оценка | „ ¡Смешения в метрах

З.М-1 неуст. 0,00413

1-4. ав неуст. - о,оол1

2-14 ав уст. 0,00000

1-16 ав ' неуст. - 0,00207

М-5 неуст. - 0,00305

М-5 4 неуст. - 0,00040

12-3 ав уст. - 0,00015

22-1 ав неуст. 0,00444

22-3 ав неуст. 0,00780

1-1 ав неуст. 0,00043

1-8 ав неуст. 0,00172

ст. РП.38 неуст. 0,00060

Р-101 неуст. 0,00242

1-5 ав неуст. 0,00143

- II -

Результаты выполненных исследований на реальной сети показали простоту и надежность предлоненного способа анализа устойчивости реперов, его возможность выбрать не только мобильные и стабильные реперы, но и определить направление и величину их смешения. Способ можно использовать для любой сети с любым числом реперов.

Характер и величина деформаций земной поверхности во многом зависят от геологических и гидрогеологических условий. Регрессионным анализом установлено, что зависимость медцу осадкой земной поверхности и выбранными факторами имеет вид:

у= -2065,53+0,64х4+0,46х2+одх3+0,40ха-0,002хг-

где I - оседания земной поверхности, м; -0,037х6, (6) X* - глубина залегания подземных вод, м; Ха - мощность водоносного горизонта, м; Хз, - положение уровня подземных вод (отметок) вследствие откачки на 1.03.84 г.;

Хц - положение уровня подземных вод (отметок) вследствие откачки на 10.01.86 г., м;

Х5 - водопроводиг.юсть, м/сут;

Х6- коэффициент фильтрации, м/сут.

Из таблицы Ч. следует, что связь между осадкой реперов (земной поверхности), мощностью водоносного горизонта и коэффициентом фильтрации тесная и составляет 0,63, = 0,54. Име-

ется связь мезду оседанием и глубиной залегания подземных вод и во-додроводимостью (множественный коэффициент корреляции составил й = 0,72).

Таблица 4.

Результаты регрессионного анализа.

\ Л/ |Среднее ¡Дисперсия {коэффицп- |коэ®фици-{Стандарт} ~к -уЧ ¡значение ; ¡ент корре-;ент"рег- ¡коэффи- ¡критерий

' \ ! 1 1 ¡ляции ¡рессии ¡циент 1

I 2.844 2.142 0,384 0,645 0,472 1,367

2 15.878 8.220 0.633 0.463 0.251 1.843

3 1790.292 2.246 -0.318 "О.743 1.893 0.392

4 1788.217 2.157 ' -0.142 0.405 1.033 0.392

5 1018.333 993.793.. 0.223 -0.001 0.002 -0.707

6 95.778 52.605 -0.546 -0.037 0.040 -0.916

Важное значение имеет решение задач, связанных с прогнозированием оседания земной поверхности при различных режимах и способах откачки подземных вод с учетом ползучести скелета грунта и сжимаемости поровой жидкости.

При равномерном понижении уровня грунтовых вод, когда из многочисленных скважин, расположенных на большой площади, производится одновременная откачка подземных вод, процесс снижения уровня грунтовых вод можно рассматривать как одномерный.

Аналитическими исследованиями установлено, что для определения стабилизационной осадки вследствие полного рассеивания начального дорогого давления необходило пользоваться обычным решением одномерной задачи уплотнения:

где ,П\0 - коэффициент относительной сжимаемости; П - мощность слоя водоносного горизонта. Первоначальное давление воды в водоносном горизонте определяется по формуле.

где . - объемная масса (_ ~гс> слоя грунта;

К - м(

6?

мощность этого слоя; %) - начальное значение порогого давления.

Расчетом установлено, что для условий г. Кабула полная осадка при откачке вод произойдет через 10 лет.

При откачке подземных вод из одной скважины большого диаметра или из близко расположенных друг от друга нескольких скважин в подземном пространстве образуется депрессионная воронка большого диаметра, вследствие чего в окружающем массиве изменяется напряженное состояние, что приводит в конечном итоге к оседанию земной поверхности и образованию мульды оседания.

Для прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород вследствие образования депрессионной воронки может быть использовано решение задачи о силе, приложенной внутри упругого полупространства, в предположении, чга по всему объему внутри депрессионной воронки в каждом единичном объеме действует сила интенсивностью Р (разность объемных масс пород до и после образования депрессионной воронки).

I

Решение задачи показывает, что максимальная величина оседания определяется по фор.уле:

¡5.= Г дсО+Л) ,

ГД0 7 Г= Г- г';

- объемная касса грунта вше уровня грунтовых вод;

- объе:¿нал масса скелета грунта,.взвешенная в воде;

- модность слоя; ДС - козффи: :ент Пуассона;

модуль деформации; глубина залегания -го слоя; Со - обогащение, равное ^-/Сс • ГД6 П! - радиус L - й сквалины.

Расчетом установлено, что при оседании земной поверхности на территории г. Кабула вследствие образования дегрессионной воронки при откачке подземных вод из сквааиш диаметром I м и глубиной 10 м диа1.:етр делресспонной ворог.ки на поверхности равен 100 м, а депрес-сионная кривая описывается логарифмическим законом в виде ¿? = = <Эо (1пЮ0~ Ш К ), где <2о ~ коэффициент пропорциональности, равный 500 и; К. - глубина от поверхности, м.

Тогда даш условий, когда элементарный слой грунта характеризуется модностью 10 м, модулей деформации = 200,0 кгс/с.м2, коэффициентом Дуассонг = 0,3, пористостью п = 0,39, объемной массой = 0,01 кг/см3 депрессионной воронки глубиной ^.0 и и диаметром 100,П к,максимальная осадка в центре будет равна 23,3 см, что соверже.-но недопустимо в условиях городской территории.

3 результате аналитических исследований и данных наблюдений за де.;ормац:1Ями земной поверхности разработана методика прогнозирования понижения уровня подземных вод и оседания земной поверхности, которая осуществляется в следущей последовательности.

Определяются в качестве исходных данных общая осадгл кагдого репера, его осадка за период с начала водоиошпения, отмотка земной поверхности, отметки попиленного уровня грунтовых бод по картам гддропьез, отметка первоначального уровня грунтовых вод и отметка подозш водоносного горизонта. Методом послойного суммирования рассчитывается величина конечной осадки репера ( St )• За- 14 -

тем путем линейной экстраполяции определяются расчетные года начала и конца водопоникения. Устанавливаются время равномерного водо-поншшния ( Т ) и отношение ( V ) текущего времени ( ). измеряемого от начала дренирования грунта, к общему времени понижения уровня грунтовых вод. Определяется отношение ( /Ч ) фактической осадки за период оседания ( ) к расчетной полной осадке ( St )•

Для определения прогнозируемых осадок предложено уравнение вида

хМД}Ш3+ОТ£Хг-0,8ЮбХ-<5,Ш2>=(Ъ <10 >

решение которого по способу приближений позволяет прогнозировать осадки земной поверхности на любой промежуток времени £ для различных V . Пример расчета приведен в таблице 5: .

Таблица 5

Определение прогнозируемых осадок репера й 1047 вследствие понижения уровня грунтовых вод

! эпп,™ X I I + ИГ ТА- {прогнозируемые

Год | ЗР8^^ • \Х=^МГ. эГ' ¡осадки

I \ т \ ! см ; в* , сп

1984 О ООО О

К86 3 0,1765 6,4387 0,1000 2,4

1990 7 ' 0,4117 15,0188 0,1697 2,9

2000 17 I 36,48 0,3080 12,2

2010 27.. 1,5882 57,9375 0,4462 18,0

2020 37 2,1765 79,3987 0,5844 21,5

2030 47 2,7647 100,8562 0,7227 22,5

2040 57 3,3529 122,3137 0,8609 22,8

Из графика на рис. 3 наглядно видно, что в случае равномерного и глубокого водопоншенш осадка земной поверхности монет достигать^ нескольких дециметров, а само оседание протекать в течение двух десятков лет.

По данным вычислений прогнозируемых осадок всех реперов составляется карта осадок земной поверхности.

Относительная погрешность в предвычислении оседания земной

- 15 -

поверхности определяется по предлагаемой формуле:

Ш

Го» -

У Частные производные функции по переменным & , £ , А Я"- , (_, . равны

. Ж—•

^ £Е(|4) ' ЪЕ 2Ег(Ы) ' Эд2~ Е(М) ' "ВТ" '

Т-

1,лет

Рис. 3. График прогнозируемых осадок репера Л 1047 вследствие понижения уровня грунтовых вод

После подстановки значений частных производных в формулу и некоторых преобразований получим формулу для вычисления относительной погрешности в прогнозировании осадки грунта при понижении уровня грунтовых вод.

Если в формуле принять относительные погрешности определения величин, равными

Р Е, ~ I "40 ' >с-®>

то получил величину для приближенной оценки прогнозируемой осадки грунта в связи с водопонижением ■

ПЛ5 = 0,-185.

Таким образом, если физические и деформационные характеристики грунта определить с погрешностью 10$, а величину вододоштаения-& точностью 5%, то относительная погрешность в прогнозировании осадки грунта составит 18$.

Основными критериями возможности откачки подземных вод является последствия, вызываемые ею.

Различают допустимые и предельные деформации, земной поверхности, • При допустимых деформациях возникают относительно небольшие повреждения, которые не создают существенных препятствий дальнейшей эксплуатации сооружений, хотя в отдельных случаях могут потребоваться текущие наладочные и ремонтные работы.

При дефорлациях, превышающих предельные величины, повреэде-ния столь велики, что могут привести к аварийному состоянию сооружений, навлечЬ угрозу опасности для жизни людей. Для предотвращения таких последствий при откачке подземных вод в условиях, при которых расчетные деформации превышают предельные величины, должны предусматриваться горно-гтехнические мероприятия, направленные на уменьшение деформаций земной поверхности до допустимых величин. Если этим мероприятиям не представляется возможным снизить деформации до допустимых величин, дополнительно применяются конструктивные меры защиты. С целью наиболее правильного и экономичного применения мер охраны объектов разработана их классификация.

Прогнозирование деформации земной поверхности по предложенной методике позволяет заранее предусмотреть конструктивные мероприятия защиты зданий и сооружений на территории нахождения в зоне откачки подземных вод, что сокращает стоимость ремонтных работ до

- 17 -

I5,j от стоимости зданий и сооружений и сократить сроки их проведения до 30^.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи прогнозирования деформаций земной поверхности при откачке подземных вод для эффективной и безопасной эксплуатации объектов промышенно-гра%цанского значения на территории городов Афганистана.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Анализом методов изучения деформаций поверхности при откачке подземных вод установлено, что требуется более высокая точность определения высотных отметок реперов полигона, характеризующаяся средней квадратической погрешностью на I юл хода порядка + 0,4 * 0,5 мм.

2. С учетом геологических условий обоснованы эффективные параметры Кабульского техногенного полигона: общая дайна техногенного полигона 178,6 юл, количество зон наблюдений 9, длина ходов зон 8,03-40,1 км, длина линии нивелирования мезду узловыми пунктами 1,44-19,24 км, невязки в превышениях ходов в пределах 0,00047-0,02348 мм, средняя квадратическая погрешность случайной состав-■ляэдей на I км хода 0,22 + 0,23 ш, а систематической - 0,01 + 0,03 мм.

3. Выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на величины деформаций. К ним относятся глубина водоносного горизонта, мощность и понижение уровня подземных вод, объем откачки воды.

Определено прогностическое уравнение регрессии, выраяанщее зависимость техногенных сдвжений земной поверхности от этих показателей.

4. .Метод расчета параметров деформаций земной поверхности,. основанный на моделировании деформационного процесса толщи горных пород при откачке вод, обеспечивает удовлетворительную сходимость с результатами повторного нивелирования, выполненного на территории г. Кабула.

5. Прогнозирование деформаций земной поверхности при откачке подземных вод, учитывающее данные маркшейдерских наблюдений и горно-геологические факторы, показало, что в случае откачки подземных

вод из водоносных горизонтов возмошая осадка земной поверхности в районе третьей зоны наблюдений через I? лет составит 23,2 см.

6. Ддя получения более информативной карта де Уог.мацпй зе.-люй поверхности необходимо нивелирную сеть I класса сгустить сетью

П класса.

7. Результаты исследований внедрены в практику работы Государственного Управления геодезии и картографии Афганистана, т дя-бульском техногенном полигоне и в учебной процесс Кабульского политехнического института.

По теме диссертации опубликован?! еледуадио работы:

1. и к к "веля, Субботин п.И. Математическое моделирование деформаций земной поверхности на разрабатываемых нефтегазовых месторождениях Афганистана// Сб. КПИ, вып. К XI, Кабул, 1988,-С. 17-21.

2. Шах Вали, Субботин И.Е. Применение математических методов при исследовании деформации земной поверхности. // Тез.докл. Х1У научно-методической конференции КПИ, Еабул, 19Э8. - С. 39-40.

3. Шах Вали, Субботин И.Е. Исследование деформаций земной поверхности и инженерных сооружений с использованием теории стационарных случайных процессов.// Сб. КП'Л, 0- 16, Кабул, Г-'сЪ. -4. ¡'ах Ь'1ли. Прогнозирование осадок земной поырхискл-.: ,1 :и:-

ъспорнчх ссор./:г.ен;й'. но ларкаевдерско-геодеэнческп.: донным. /'/ 05.

17, Кабул, - С. 25-29.

5. Сзх Вали, Субботин И.К. Изучение дог^оршцгй земно:: ловор-.шостк ла территории Кабула. // Сб. Инженерная геодезия. -- Киев, Вуд1вельник, 1992. - Вып. 30, - С, 44-45.