Archutectura 9(1)2010.indb

Architectura 9 (1) 2010, 3–15
NUMERYCZNA ANALIZA SKUTECZNOCI
CIAN SZCZELINOWYCH JAKO EKRANU
PRZECIWFILTRACYJNEGO PODCZAS ODWADNIANIA
GBOKIEGO WYKOPU
Edward Wiencaw, Eugeniusz Koda
Szkoa Gówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie1
Streszczenie. W artykule przeprowadzono analiz wpywu gbokoci cian szczelinowych
na przebieg odwodnienia gbokiego wykopu, zagbionego do strefy zasobnego poziomu
wodononego i realizowanego w warunkach silnej zabudowy miejskiej. Prognoz przeprowadzono dla projektowanej stacji „Rondo Daszyskiego” drugiej linii metra w Warszawie.
W rejonie tej stacji stwierdzono szczególnie trudne warunki hydrogeologiczne. Przyjta
koncepcja realizacji stacji zakada odwadnianie wykopu studniami depresyjno-podcinieniowymi z wntrza wykopu, w osonie cian szczelinowych wykonanych do gbokoci
10 m poniej dna wykopu i stanowicych pionowy ekran przeciwltracyjny, otaczajcy
wykop. Do oblicze symulacyjnych odwodnienia wykopu stacji metra i przepywu wód
podziemnych w jego rejonie wykorzystano program numeryczny FEMWATER. Pomimo
symulacji rónych gbokoci cian szczelinowych, z prognozy dla wszystkich wariantów
uzyskano znaczne wydatki odwodnienia wykopu i due obnienie cinienia hydrostatycznego w gruncie otaczajcym wykop, co moe stanowi zagroenie dla konstrukcji pobliskich budynków, spowodowanej nadmiernym osiadaniem podoa. Równie niekorzystny
wpyw odwodnienia moe dotyczy rolinnoci drzewiastej, znajdujcej si na analizowanym terenie, wskutek okresowego przesuszenia podoa. Wyniki prognozy mog skoni
do podjcia decyzji o realizacji wykopu z zastosowaniem poziomej bariery iniekcyjnej
w stree midzy cianami szczelinowymi.
Sowa kluczowe: modelowanie numeryczne, przepyw wód podziemnych, ciany szczelinowe, odwodnienie gbokiego wykopu
WSTP
Odwodnienie gbokich wykopów w warunkach intensywnej zabudowy miejskiej
i wystpowaniu w podou zasobnych warstw wodononych o duej miszoci moe
stwarza istotne problemy zwizane m.in. z wpywem tych prac na otaczajce obiekAdres do korespondencji Corresponding author: Edward Wiencaw, Szkoa Gówna
Gospodarstwa Wiejskiego, Wydzia Inynierii i Ksztatowania rodowiska, Katedra
Geoinynierii, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, e-mail: [email protected]
1
4
E. Wiencaw, E. Koda
ty budowlane (zagroenie osiadaniem podoa wskutek zwikszenia napre efektywnych) oraz znalezieniem odbiornika do odprowadzenia duych iloci wód pochodzcych
z odwodnie. Wobec tego na etapie projektowania gbokich posadowie wskazane jest
przeprowadzenie symulacji numerycznej procesu odwodnienia wykopu budowlanego celem okrelenia optymalnej gbokoci cian szczelinowych, obliczenia objtoci
wody i czasu odwodnienia lub te zaprojektowanie poniej dna wykopu poziomej bariery
iniekcyjnej. Przykadem takiej inwestycji, która wymaga prowadzenia odwodnie budowlanych, jest projektowana drugiej linia metra w Warszawie. Wszystkie stacje metra
bd realizowane metod odkrywkow, a wikszo z nich osiga zasobne warstwy wodonone, a wic zagadnienie odwodnienia lub izolacji od wód podziemnych bdzie jednym z podstawowych problemów do rozwizania we wstpnej fazie realizacji prac. Metoda zabezpieczenia wykopu stacji metra bdzie kadorazowo analizowana w kontekcie
zapewnienia prawidowej i bezpiecznej realizacji czci podziemnych, przede wszystkim
z uwzgldnieniem warunków gruntowo-wodnych, gbokoci wykopu oraz zabudowy
w jej otoczeniu [Jaszczuk i Kulczycki 2001].
Dugo drugiej linii metra w Warszawie wynosi ma 31 km. Wykonanych bdzie
28 stacji, z których 13 zlokalizowano na terenie wysoczyzny polodowcowej, a pozostae w dolinie Wisy. W pierwszej kolejnoci zrealizowany zostanie jej centralny odcinek
dugoci 6 km, na którym zbudowanych zostanie 7 stacji: Rondo Daszyskiego, Rondo
ONZ, witokrzyska, Nowy wiat, Powile, Stadion i Dworzec Wileski (rys. 1). Budow centralnego odcinka drugiej linii metra rozpoczto w kwietniu 2010 roku. Oddanie
tego odcinka do eksploatacji planowane jest w 2014 roku. Z uwagi na gst zabudow
miejsk i silne zawodnienie gruntów w rejonie wikszoci stacji roboty ziemne bd prowadzone w osonie cian szczelinowych. Zadaniem cian szczelinowych, które stanowi
równie element konstrukcji obudowy stacji, jest zabezpieczenie statecznoci cian wy-
Rys. 1.
Fig. 1.
Lokalizacja stacji B-10 „Rondo Daszyskiego” drugiej linii metra w Warszawie
Location of B-10 “Rondo Daszyskiego” Station of the Second Subway Line in Warsaw
Acta Sci. Pol.
Numeryczna analiza skutecznoci cian szczelinowych jako ekranu...
5
kopów [Grzegorzewicz i Kosiski 2003] oraz penienie roli ekranu przeciwltracynego.
Prowadzenie odwodnie gbokich wykopów w rejonie intensywnej zabudowy miejskiej
moe prowadzi do zagroe ltracyjnych dla istniejcych budynków [Wang i in. 2009],
dlatego prognoza skutków przebiegu prac odwodnieniowych powinna by przeprowadzona we wstpnej fazie projektu.
Prezentowany przykad bada modelowych przepywu wody podziemnej podczas
odwodnienia wykonano na potrzeby wspomagania projektowania wykopu stacji B-10
„Rondo Daszyskiego”. Wykop o gbokoci 20 m bdzie zagbiony okoo 5 m poniej stropu uytkowego poziomu wodononego. Wstpna koncepcja wykonania wykopu
zakadaa odwadnianie z jego wntrza w osonie cian szczelinowych wykonanych do
gbokoci 10 m poniej dna wykopu. Wyniki bada modelowych miay pozwoli odpowiedzie na dwa podstawowe pytania: jak bdzie ksztatowa si wydatek odwodnienia
wykopu i czy ciany szczelinowe na tyle wystarczajco ogranicz lej depresji zwizany
z odwodnieniem wykopu, e nie dojdzie do osiadania podoa gruntowego pod istniejcymi obiektami budowlanymi?
Do oblicze symulacyjnych odwodnienia wykopu i przepywu wód podziemnych
w jego rejonie wykorzystano program numeryczny FEMWATER (A Three-Demensional
Finite Element Computer Model for Simulating Density-Dependent Flow and Transport
in Variably Saturated Media), z pakietu GMS – Groundwater Modeling System [EMRL
2005], oparty na trójwymiarowej symulacji przepywu wody podziemnej z wykorzystaniem metody elementów skoczonych.
OBIEKT BADA
Zaoenia projektowe wykonania wykopu stacji B-10
Stacja B-10 zlokalizowana jest na zachód od ronda Daszyskiego w Warszawie.
W ssiedztwie stacji przewaa gsta i wysoka zabudowa mieszkalno-biurowa. W odlegoci okoo 50 m od stacji znajduje si jedno z uj wód podziemnych z poziomu
czwartorzdowego.
Stacja wykona bdzie metod odkrywkow w osonie cian szczelinowych. Dugo
wykopu bdzie wynosia 200 m, szeroko od 21 do 22 m, a gboko 20 m. ciany
szczelinowe bd gruboci 0,6 m i gbokoci 30 m.
Odwodnienie wykopu bdzie realizowane z jego wntrza w taki sposób i z tak wydajnoci, aby wysoko zwierciada piezometrycznego wód wystpujcych w dnie wykopu w okresie pierwszych 90 dni bya obniana od wartoci pocztkowej, tj. H 25,5 m,
do H = 13 m n. „0” Wisy w sposób liniowy, a nastpnie, aby bya utrzymywana na staej
wysokoci H = 13 m n. „0” Wisy, tj. minimum 1 m poniej dna wykopu (rys. 2).
Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne
Powierzchnia terenu w rejonie stacji B-10 pooona jest na wysokoci od 32 do 36 m
nad „0” Wisy. Jest to teren wysoczyzny polodowcowej, antropogenicznie przeksztaconej w wyniku miejskiego zagospodarowania. Podoe stacji stanowi utwory plejstoceskie o miszoci od 40 do 60 m [Morawski 1979, Wolski i in. 2003, 2004], zalegajce na
Architectura 9 (1) 2010
E. Wiencaw, E. Koda
6
Rys. 2.
Fig. 2.
Zaoona wysoko zwierciada piezometrycznego wód podziemnych w dnie wykopu
stacji w funkcji czasu odwadniania
Assumed piezometric groundwater level at the subway station pit bottom as the function
of dewatering time
m nad „0” Wisy
m above “0” of the Vistula River
Rys. 3.
Fig. 3.
Przekrój hydrogeologiczny wzdu stacji B-10 „Rondo Daszyskiego”
Hydrogeological cross-section along B-10 “Rondo Daszyskiego” Subway Station
iach plioceskich. Syntetyczny prol genetyczno-stratygraczny serii utworów plejstoceskich obejmuje nastpujce warstwy (w kolejnoci od najmodszych – rys. 3):
– osady uwioglacjalne modsze zlodowacenia Warty (Qf3), wyksztacone jako piaski
rednie i drobne oraz pylaste, wymieszane z pokrywajcymi je gruntami antropogenicznymi (N), opisanymi jako gliniasto-gruzowate i piaszczysto-gruzowe,
– osady zastoiskowe zlodowacenia Warty (Ql3), opisane jako glina, glina pylasta, pyy
piaszczyste, piaski pylaste i piaski drobne,
– osady morenowe zlodowacenia Warty (Qg3), reprezentowane przez piaski gliniaste,
gliny piaszczyste i gliny pylaste oraz przez pyy piaszczyste,
– osady uwioglacjalne starsze zlodowacenia Warty (Qf3), opisane jako piaski rednie
i drobne oraz miejscami jako piaski rednie ze wirami,
– osady zastoiskowe zlodowacenia Odry (Ql2), opisane jako glina, glina pylasta, pyy
piaszczyste i piaski pylaste z piaskami drobnymi,
Acta Sci. Pol.
Numeryczna analiza skutecznoci cian szczelinowych jako ekranu...
7
– osady morenowe zlodowacenia Odry (Qg2), reprezentowane przez glin zwaow,
która makroskopowo opisana zostaa jako piaski gliniaste i gliny piaszczyste oraz
jako gliny pylaste,
– osady uwioglacjalne zlodowacenia Odry (Qf2), wyksztacone w postaci piasków
drobnych i rednich z przewarstwieniami wirów i pyów,
– osady rzeczne interglacjau mazowieckiego (Qr1), wyksztacone w postaci piasków
rednich z du zawartoci wirów i otoczaków oraz piasków drobnych, piasków
pylastych i pyów.
Wartoci wspóczynnika ltracji strefy saturacji (ks) wydzielonych warstw utworów
plejstoceskich przedstawiono w tabeli 1. Wspóczynniki ltracji dla warstw wodononych wyznaczono metod próbnego pompowania, na podstawie zalenoci empirycznych, oraz metod zalewania otworów podczas wierce. W tabeli 1 zamieszczono take
wartoci parametrów strefy aeracji, wymagane w modelu FEMWATER, to jest objtociow zawarto wody (h) i wzgldn przewodno hydrauliczn kr(h), które zaczerpnito z literatury [Carsel i Parrish 1988] i zdeniowano nastpnie w modelu jako funkcje
liniowe.
Tabela 1. Parametry materiaowe do modelowania numerycznego
Table 1. Material parameters for numerical model
Rodzaj materiau
Material
N+Qf3
Qg3+Ql3
Qf3
Qg2+Ql2
Qf2+Qr1
ks [m·s–1]
–6
–6
1·10 –5·10
1·10–8–5·10–8
1·10–5–5·10–4
1·10–8–5·10–8
5·10–4–7·10–4
[cm3·cm–3]
kr [–]
0,065–0,41
0,1–0,38
0,045–0,43
0,1–0,38
0,045–0,43
0,02–1
0,036–1
0,0005–1
0,036–1
0,0005–1
Osady uwioglacjalne zlodowacenia Warty (Qf3) stanowi pierwszy od powierzchni
terenu poziom wodonony, charakteryzujcy si zarówno zwierciadem napitym, jak
i swobodnym, nawierconym na gbokoci od 4 do 8 m p.p.t. Osady uwioglacjalne
zlodowacenia Odry (Qf2) i rzeczne interglacjau mazowieckiego (Qr1) stanowi drugi
od powierzchni terenu poziom wodonony, o cigym rozprzestrzenieniu i zwierciadle
napitym. Zwierciado piezometryczne tego poziomu wystpuje na gbokoci od 5 do
7 m p.p.t.
Podoe utworów plejstoceskich stanowi plioceskie iy zastoiskowe z przewarstwieniami muków i piasków (Pl), o miszoci od 110 do 145 m. Iy plioceskie charakteryzuj si wspóczynnikiem ltracji ks = 1 ˜ 10–9–5 · 10–9 m·s–1.
MODEL PRZEPYWU WÓD PODZIEMNYCH
Zaoenia modelu przepywu i podstawowe równanie róniczkowe
Do budowy modelu wykorzystano pakiet oprogramowania o nazwie FEMWATER
[Yeh 1987, Lin i in. 1997]. Podstaw modelu komputerowego FEMWATER jest trójwymiarowe rozwizanie zagadnienia przepywu wód podziemnych, opisanego zmodykowanym równaniem róniczkowym Richardsa [El-Hames i Richards 1995]:
Architectura 9 (1) 2010
E. Wiencaw, E. Koda
8
wH
(1)
wt
gdzie: kr – wzgldna przewodno hydrauliczna [–],
ks – tensor przewodnoci hydraulicznej strefy saturacji, ks = L · T-–1,
h – wysoko cinienia (L),
q – funkcja wyraajca zasilanie lub pobór wody, odniesione do jednostkowej objtoci orodka i jednostki czasu, q = (1 · T –1),
t – czas (T),
F – róniczkowa pojemno wodna obliczana z zalenoci:
’ ¬ª kr k s ’h ’z ¼º q
F
d4
dh
F
(2)
4 – objtociowa zawarto wody, 4 L3 · L–3.
Ogólnie przyjmuje si, e F, 4 i kr s funkcjami h, natomiast w stree saturacji F jest
bardzo mae (dy do zera w FEMWATER) oraz 4 równa si porowatoci, a kr= 1.
Powysze równanie przepywu jest rozwizywalne, gdy w caej przestrzeni przepywu wód podziemnych podany jest warunek pocztkowy:
h = hi (w, y, z) na R
(3)
gdzie: R – obszar zasilania,
hi – okrelony warunek pocztkowy wysokoci cinienia,
a take zedeniowane s warunki brzegowe:
– Dirichleta
h = hd (xb, yb, zb, t) na Bd
(4)
– Neumanna
–n kr ks ’h = qn (xb, yb, zb, t) na Bn
(5)
– Cauchy’ego
–n kr ks (’h + ’z) = qc (xb, yb, zb, t) na Bc
(6)
gdzie: xb, yb, zb – wspórzdne na brzegach,
n – wektor jednostkowy normalny do brzegu,
hd, qn, qc – wartoci funkcjonau Dirichleta, przepywu Neumanna i przepywu
Cauchy’ego,
Bd, Bn, Bc – brzegi Dirichleta, Neumanna i Cauchy’ego.
W odrónieniu od klasycznych równa ltracji przyjmowanych w zagadnieniach
przepywu wód podziemnych (np. równanie Boussinesqa [Macioszczyk 1999], które opisuje ruch wody w warunkach penego nasycenia) równanie Richardsa opisuje ruch wody
w obu strefach nasycenia, zarówno w stree saturacji, jak i stree aeracji. Rozwizanie
zagadnienia w modelu FEMWATER oparte jest na schemacie metody elementu skoczonego. Charakter przepywu wody w rejonie wykopu podczas odwodnienia bdzie w peni
trójwymiarowy.
Acta Sci. Pol.
Numeryczna analiza skutecznoci cian szczelinowych jako ekranu...
9
Model przepywu dla odwodnienia analizowanego wykopu
Geometria modelu cile odwzorowuje geometri wydzielonych warstw osadów
i gruntów podoa projektowanej stacji (rys. 4). Doln granic modelu stanowi powierzchnia stropu iów plioceskich, uznana w modelu za granic nieprzepuszczaln.
Rys. 4.
Fig. 4.
Brya modelu numerycznego 3-D GMS/FEMWATER dla odwzorowania przepywu wód
podziemnych w warunkach odwadniania wykopu stacji
3-D GMS/FEMWATER numerical model for simulation of groundwaters ow during
dewatering of the subway station pit
Powierzchnia terenu objtego odwzorowaniem wynosi okoo 1,3 km2. Pónocna i poudniowa granica modelu zostay przyjte w badaniach jako granice bez przepywu (q = 0).
Przyjcie granic o warunku q = 0 wynikao z zaoenia, i mog one pokrywa si
z kierunkami przepywu wód podziemnych zarówno dla obecnie rozpoznanej sytuacji hydrogeologicznej, jak i dla sytuacji w okresie odwadniania wykopu. Odlego pónocnej
granicy od stacji wynosi 500 m, a poudniowej 550 m. Zachodnia granica modelu zostaa
przyjta w odlegoci 550 m, a wschodnia 400 m od obrysu stacji. Granice te, wzdu
pionowych powierzchni, nalecych do materiau oznaczonego symbolem Qf2+Qr1, odwzorowano jako ograniczenia o warunkach brzegowych Dirichleta: H = 26,0 m – wzdu
zachodniej granicy, i H = 24,5 m n. „0” Wisy – wzdu granicy wschodniej modelu. Przy
wyznaczaniu granic modelu wykorzystano wyniki oblicze analitycznych zasigu leja
depresji wokó projektowanego wykopu. Powierzchni terenu odwzorowano jako obszar
o warunku q = 36,5 mm·rok–1, odpowiadajcy nateniu inltracji efektywnej.
Skonstruowany model poddano kalibracji. W tym etapie bada modelowych dokonano
porównania reakcji modelu, o wariantowo przyjtych wartociach wspóczynnika ltracji
poszczególnych warstw, z rozpoznan sytuacj hydrogeologiczn w rejonie analizowanej
stacji B-10. Uzyskane wyniki rozwiza w postaci wysokoci hydraulicznej porównano
z wysokociami zwierciada piezometrycznego pomierzonymi w otworach wiertniczych.
Architectura 9 (1) 2010
10
E. Wiencaw, E. Koda
Najlepsz zgodno pomierzonego zwierciada piezometrycznego z wartociami obliczonymi w symulacji uzyskano dla wariantu o nastpujcych wartociach wspóczynnika
ltracji wyrónionych warstw/materiaów [Wiencaw i in. 2007]: warstwa N+Qf3 – ks=
= 1 · 10–6 m˜s–1, warstwa Qg3+Ql3 – ks = 1 · 10–8 m˜s–1, warstwa Qf3 – ks= 1 · 10–5 m˜s–1,
warstwa Qg2+Ql2 – ks= 1 · 10–8 m˜s–1 i warstwa Qf2+Qr1 – ks= 5 · 10–4 m˜s–1.
Nastpnie odwzorowano na modelu projektowany wykop i zabezpieczajce go ciany
szczelinowe poprzez usunicie z bryy modelu odpowiednich elementów siatki dyskretyzacyjnej. Uzyskane w ten sposób pionowe ciany wewntrz bryy modelu speniaj
warunek q = 0. Brya modelu skada si z 20 440 elementów.
Odwodnienie wykopu odwzorowano poprzez przypisanie wzom siatki modelu zlokalizowanym w dnie wykopu warunku brzegowego H = Hd(t), odpowiednio do zaoe
projektowych (rys. 2). Obliczenia numeryczne wpywu odwodnienia wykopu na warunki
hydrogeologiczne w rejonie stacji wykonano dla okresu od t = 0 (rozpoczcie odwodnieania) do t = 730 dni. Jako warunek pocztkowy przyjto wartoci wysokoci hydraulicznej uzyskane z symulacji przepywu na etapie kalibracji modelu.
Obliczenia numeryczne wykonano dla rozwaanego wariantu gbokoci wykonania
ciany szczelinowej, wynoszcej 30 m, oraz jako warianty porównawcze – do gbokoci
20 m (do dna wykopu), 25 m (do gbokoci 5 m poniej dna wykopu), 35 m (15 m poniej dna wykopu), 40 m (20 m poniej dna wykopu) i 45 m (25 m poniej dna wykopu),
celem oceny wpywu gbokoci cian szczelinowych na wydatek odwodnienia wykopu
i ograniczenie zasigu leja depresji oraz wyboru optymalnej gbokoci cian szczelinowych na potrzeby odwodnienia wykopu.
WYNIKI OBLICZE
Prognozowany wydatek odwodnienia wykopu analizowanej stacji B-10 uzyskano,
sumujc wydatki przypisane wzom siatki modelu, odwzorowujcym przebieg odwodnienia.
Przebieg zmian wydatku odwodnienia w czasie, dla wariantu gbokoci wykonania
ciany szczelinowej wynoszcej 30 m, ilustruje rysunek 5. Od momentu rozpoczcia do
90. dnia odwadniania wykopu wydatek odwodnienia wzrasta w sposób liniowy od zera
do maksymalnej wielkoci, wynoszcej 395 dm3·s–1. Ustalenie wydatku odwodnienia
wykopu nastpi po upywie 270 dni. Okrelony na podstawie bada modelowych ustalony wydatek odwodnienia wykopu wynosi 290 dm3·s–1.
Dla wariantu gbokoci wykonania ciany szczelinowej, wynoszcej 30 m, prognozowana maksymalna depresja zwierciada piezometrycznego drugiego poziomu wodononego (przy cianie szczelinowej) wynosi 9,9 m (rys. 6). W miar oddalania si od
wykopu depresja maleje, wynosi ona jednak ponad 4 m w odlegoci 500 m na pónoc
i ponad 3 m w odlegoci 500 m na poudnie od wykopu (rys. 7), co nadal moe stwarza
znaczne zagroenia dla zlokalizowanych w tym rejonie obiektów.
ciany szczelinowe wpywaj ograniczajco na wydatek odwodnienia wykopu i warto depresji wewntrz prognozowanego leja depresji wokó wykopu (rys. 8 i 9). W miar
zwikszania gbokoci cian szczelinowych prognozowany wydatek odwodnienia i prognozowana depresja malej, ale nadal osigaj stosunkowo due wartoci. I tak, dla waActa Sci. Pol.
Numeryczna analiza skutecznoci cian szczelinowych jako ekranu...
Rys. 5.
Fig. 5.
Rys. 6.
Fig. 6.
11
Prognozowany wydatek odwodnienia (Q) wykopu stacji w funkcji czasu (t) dla wariantu
wykonania ciany szczelinowej do gbokoci 30 m
Predicted dewatering discharge (Q) from the subway station pit as the time function (t)
for cut-off wall depending on the depth of 30 m
Prognozowana depresja zwierciada piezometrycznego drugiego poziomu wodononego
przy cianie szczelinowej na tle depresji w dnie wykopu: 1 – depresja dla wariantu wykonania cian szczelinowych do 30 m, 2 – depresja w dnie wykopu
Predicted depression of piezometric level of the second aquifer close to cut-off wall in
comparison with the depression in the bottom of subway station pit: 1 – depression for
cut-off variant to the depth of 30 m, 2 – depression in the bottom of station pit
riantu wykonania cian szczelinowych do gbokoci 45 m (tj. 25 m poniej dna wykopu)
maksymalny i ustalony wydatek odwodnienia wynosz odpowiednio 250 i 225 dm3·s–1,
a prognozowana maksymalna depresja zwierciada piezometrycznego drugiego poziomu wodononego (przy cianie szczelinowej) wynosi 7,7 m. W miar oddalania si od
wykopu depresja maleje, nadal wynosi jednak ponad 3 m w odlegoci 500 m na pónoc
i ponad 2 m w odlegoci 500 m na poudnie od wykopu (rys. 10), co wynika z dopywu
wody do wykopu przez dno.
Pomimo symulacji przeprowadzonych przy rónych gbokociach cian szczelinowych, z prognozy dla wszystkich wariantów uzyskano znaczne wydatki odwodnienia
wykopu i due obnienie cinienia hydrostatycznego w gruncie otaczajcym wykop, co
moe stanowi zagroenie dla konstrukcji pobliskich budynków, spowodowane nadmierArchitectura 9 (1) 2010
12
Rys. 7.
Fig. 7.
Rys. 8.
Fig. 8.
E. Wiencaw, E. Koda
Prognozowany lej depresji drugiego poziomu wodononego w 365. dniu odwadniania
wykopu – stan dla wariantu wykonania cian szczelinowych do gbokoci 30 m
Predicted depression cone of the second aquifer at 365-th day of station pit dewatering
– for the example of cut-off wall variant to the depth of 30 m
Prognozowany wydatek odwodnienia (Q) wykopu stacji metra B-10 w funkcji gbokoci
cian szczelinowych: 1 – wydatek ustalony (dla czasu t = 365 dni), 2 – wydatek maksymalny (dla czasu t = 90 dni)
Predicted discharge capacity (Q) of the station pit dewatering as function of cut-off wall
depth: 1 – discharge capacity during steady ow for the time of t = 365 days, 2 – maximum discharge capacity for the time of t = 90 days
Acta Sci. Pol.
Numeryczna analiza skutecznoci cian szczelinowych jako ekranu...
Rys. 9.
Fig. 9.
13
Wpyw gbokoci cian szczelinowych na prognozowan depresj zwierciada piezometrycznego drugiego poziomu wodononego: 1 – depresja przy cianie szczelinowej,
2 – depresja w dnie wykopu
The inuence of the cut-off walls depth on predicted depression of piezometric level of
the second aquifer: 1 – the depression close to cut-off wall, 2 – the depression in the bottom of subway station pit
Rys. 10. Prognozowany lej depresji drugiego poziomu wodononego w 365. dniu odwadniania
wykopu – stan dla wariantu wykonania cian szczelinowych do gbokoci 45 m
Fig. 10. Predicted depression cone of the second aquifer at 365-th day of the station pit dewatering
– for the example of cut-off wall variant to the depth of 45 m
Architectura 9 (1) 2010
14
E. Wiencaw, E. Koda
nym osiadaniem podoa. Równie niekorzystny wpyw odwodnienia moe dotyczy
rolinnoci drzewiastej, znajdujcej si na analizowanym terenie, wskutek okresowego
przesuszenia podoa. Z powyszych analiz wynika, e znaczne zwikszenie gbokoci cian szczelinowych nie wpywa znaczco na wyeliminowanie skutków odwodnienia wykopu, dlatego w takich warunkach naley przeanalizowa wykonanie poziomej
bariery iniekcyjnej w stree midzy cianami szczelinowymi, eliminujcej lub istotnie
ograniczajcej dopyw wód od dna wykopu.
WNIOSKI
1. Wyniki oblicze wskazuj na przydatno metody modelowania numerycznego
w rozwizywaniu zagadnie przepywu wód podziemnych podczas odwadniania gbokiego wykopu w osonie cian szczelinowych. Wynika to przede wszystkim z moliwoci uzyskiwania wielowariantowych rozwiza za pomoc tego samego modelu. Cenna
jest take moliwo uzyskiwania wyników dla dowolnie wybranego czasu odwadniania
wykopu.
2. Pomimo uwzgldnienia w badaniach rónych gbokoci cian szczelinowych,
z prognozy uzyskano znaczne wydatki odwodnienia wykopu stacji i obnienie cinienia
hydrostatycznego w gruncie otaczajcym wykop. Moe to stanowi zagroenie dla zasobów wód podziemnych poziomu wodononego oraz zagroenie dla pobliskich budynków
w wyniku osiadania podoa.
3. Wyniki prognozy skaniaj do podjcia decyzji o realizacji wykopu z zastosowaniem poziomej bariery iniekcyjnej w stree midzy cianami szczelinowymi, eliminujcej lub znacznie ograniczajcej dopyw wody do wykopu.
PIMIENNICTWO
Carsel R.F., Parrish R.S., 1988. Developing joint probability distribution of soil-water retention
characteristics. Water Resources Research 24, 5, 755–769.
El-Hames A.S., Richards K.S., 1995. Testing the numerical difculty applying Richards’ equation
to sandy and clayey soils. Journ. Hydrol. 167: 381–391.
EMRL, 2005. Groundwater modeling system tutorial, I–IV. Brigham Young University, UT,
Brigham.
Grzegorzewicz K., Kosiski B., 2003. Warunki techniczne wykonywania cian szczelinowych.
IBDiM, Warszawa.
Jaszczuk K., Kulczycki A., 2001. Metody realizacji podziemnych czci budowli w warunkach
miejskich. Materiay Budowlane 3: 18–20.
Lin H.C., Richards D.R., Yeh G.T., Cheng J.R., Cheng H.P., Jones N.L., 1997. FEMWATER: A
three-dimensional nite element computer model for simulating density-dependent ow
and transport in variably saturated media. Technical Report CHL-97-12, U.S. Army
Corps of Engineers.
Macioszczyk T., 1999. Matematyczne podstawy opisu ruchu i migracji wód podziemnych dla modelowania i sterowania ich zasobami. Biul. PIG 388:157–178.
Morawski W., 1979. Szczegóowa mapa geologiczna Polski 1 50 000, ark. Warszawa Zachód.
PIG, Warszawa.
Acta Sci. Pol.
Numeryczna analiza skutecznoci cian szczelinowych jako ekranu...
15
Wang J., Hu L., Wu L., Tang Y., Zhu Y., Yang P., 2009. Hydraulic barrier function of the underground continuous concrete wall in the pit of subway station and its optimization. Environ. Geol. 57: 447–453.
Wiencaw E., Koda E., Koanka T., 2007. Numeryczny model przepywu wód podziemnych do potrzeb odwodnienia wykopu stacji Rondo Daszyskiego drugiej linii metra w Warszawie.
Inynieria Morska i Geotechnika 4: 232–239.
Wolski W. i inni, 2003. Dokumentacja geologiczno-inynierska i hydrogeologiczna dla II linii metra w Warszawie. Stacja „Rondo Daszyskiego”. Konsorcjum „GEOTEKO – SGGW –
– GEOPROJEKT”, Warszawa.
Wolski W. i inni, 2004. Zbiorcza dokumentacja hydrogeologiczna dla odcinka ródmiejskiego: stacja „Rondo Daszyskiego” – stacja „Dworzec Wileski”. Konsorcjum „GEOTEKO –
– SGGW – GEOPROJEKT”, Warszawa.
Yeh G.T., 1987. 3-D FEMWATER: a three-dimensional nite element computer model of water
ow trough saturated-unsaturated media. PSU Technical Report. Department of Civil
Engineering. The Pennsylvania State University, University Park, PA, Pennsylvania.
NUMERICAL MODELLING OF CUT-OFF WALLS EFFECTIVENESS AS
VERTICAL BARRIER DURING THE DEEP PIT EXCAVATION DEWATERING
Abstract. The inuence of cut-off wall depth on dewatering process of deep pit excavation,
pored to the high discharged aquifer, located in urbanized metropolitan area, is presented
in the paper. The simulation was performed for designed “Rondo Daszyskiego” Station
of the second line of Warsaw Subway. The most unfavorable hydrogeological conditions
were found nearby this Station. The considered project of the station construction assumes
dewatering with depression wells inside area protected by cut-off walls to the depth of 10 m
below bottom of pit excavation. Cut-off walls will create also vertical barrier surrounding
the pit excavation. FEMWATER numerical program was used for simulation of the excavation dewatering and underground waters ow. In spite of the fact that different variants
of cut-off walls depth were taken into account, ow prediction results in large discharge
capacity and high depression of groundwater level. That can be danger for underground
water volume and nally it causes buildings subsoil settlement. The disadvantage inuence
of excavation dewatering on trees plant growing on surrounding area can be also analyzed.
Predicted results can make consider the decision of the station construction with the use of
horizontal injection barrier in the zone surrounded with cut-off walls.
Key words: numerical modeling, groundwaters ow, cut-off walls, deep pit dewatering
Zaakceptowano do druku Accepted for print: 2.03.2010
Architectura 9 (1) 2010