«ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ОСЕДАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ТЕРРИТОРИИ Г. ХАНОЙ (ВЬЕТНАМ) ...»

- Первый период с 1955 г. по 1965 г., связанный с восстановлением страны на севере Вьетнама.

- Второй период с 1985 г. по 1995 г., связанный с выполнением Финской программы чистой воды.

Рисунок 1.2. Добыча подземных вод общественными водозаборами в Старом Ханое Большая часть воды забирается из голоценового и плейстоценового водоносных комплексов (Qh и Qp). Голоценовый водоносный комплекс (Qh) малодебитен и слабо защищен от поверхностного загрязнения. Вода из голоценового водоносного комплекса (Qh) забирается в основном сельским населением с целью питьевого и промышленного водоснабжения. Плейстоценовый водоносный комплекс (Qp) – высокодебитный, имеет большую мощность и хорошие питьевые качества. Все плейстоценового водоносного комплекса (Qp). В настоящее время в г. Ханое действуют три основных формы водозабора подземных вод: общественные, промышленных предприятий и частные.

Это форма водозабора подземных вод – самая крупная по количеству добываемой воды, находится под контролем специализированной службы (Ханойская компания чистой воды) и обеспечивает большую часть спроса воды в городе.

Водозаборные скважины организованны по разным формам, в основном прямолинейно и по кругу. Вода из скважин обрабатывается на заводах, затем распространяется потребителям по системам трубного водоснабжения (Таблица 1.2, Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. Форма общественного водозабора – Станция водоснабжения Залам [147] Состояние извлечения подземных вод на общественных водозаборах г. Старого Ханоя [82, 98, 102, 104, 109, 114, 116, 120, 121, 139, 140] Сев. Тханглонг водозаборы Это форма забора подземных вод промышленными предприятиями, заводами, больницами, школами, общежитиями, ресторанами из отдельных скважин с малым дебитом (Рисунок 1.4).

Водоотбор производится без документации о скважинах, мощности водозабора и анализах качества подземных вод, без данных мониторинга изменений уровней подземных вод, его влиянии на окружающую среду.

Эти скважины действуют прерывно, в среднем от 6 до 8 часов в сутки. Эта специализированных служб и носит самовольный характер. В настоящее время на территории г. Ханоя общее количество скважин в системе промышленного водозабора – 1.102, они расположены, в основном, в сельских районах.

Рисунок 1.4. Форма промышленного водозабора Рисунок 1.5. Форма частного водозабора Вода забирается из плейстоценового водоносного комплекса (Qp). Общая добыча подземных вод по этой форме – около 309.282 м3/сутки.

В форме частного водозабора, вода забирается отдельными скважинами небольшого диаметра или колодцами для питьевых и бытовых нужд семей (Рисунок 1.5). Мощность водозабора скважины в среднем 0,5 – 1,0 м3/сутки. Эта форма водозабора также не подчиняется административному контролю специализированных служб и носит самовольный характер.

Общее количество скважин в системе частного забора подземных вод в настоящее время – 791.648, они расположены в сельских районах. Вода забирается из голоценового и верхнего плейстоценового (Qp2) водоносных комплексов. Общая добыча подземных вод по этой форме – около 777.662 м3/сутки.

Подробная статистика по извлечению подземных вод на территории г. Ханоя в 2010 г. приведена в Таблице 1.3.

1.2.3. Инженерно-геологические явления в связи с извлечением подземных вод на С середины 1980 годов на территории г. Ханоя наблюдаются некоторые инженерно-геологические явления, основной причиной которых с высокой Хоанкием Лонгбиен Хайбатчынг Тханьсуан вероятностью можно считать процесс извлечения подземных вод. Некоторые явления указаны ниже:

- Снижение уровней подземных вод, а в некоторых местах подземная вода из голоценового водоносного комплекса (Qh) даже исчезла;

- Загрязнение подземных вод;

- Оседание земной поверхности, сопровождаемое разрушением многих домов, зданий и объектов.

Последующие аргументы доказывают тесные связи между этими явлениями и процессом извлечения подземных вод.

1.2.3.1. Снижение уровней подземных вод и исчезновение подземных вод из Результаты мониторинга показывают, что на станциях водоснабжения уровни подземных вод быстро снижаются. До 1980 годов глубина залегания подземных вод составляла 24 м, в некоторых местах 810 м, в настоящее время уровни подземных вод залегают на глубинах 1535 м (Хадинь, Тыонгмай, Таблица 1.4).

Результаты мониторинга за уровнями подземных вод в Ханое показывают, что с 1994 г. до 2004 г. уровни подземных вод значительно снизились. С 2004 г. по настоящее время уровни подземных вод стали более стабильными, хотя довольно глубокими (34,6 м ниже земной поверхности в Хадинь).

Извлечение подземных вод образовало депрессионную воронку с сечением вида эллипса длинной осью параллельной реке Красной (от района Тылием до района Тханьчи) и короткой осью перпендикулярной реке Красной (от района Хадонг до реки Красной). Большинство мест, в которых уровни подземных вод интенсивно снижаются, расположено на территории крупных общественных водозаборных предприятий в городе, как Тханьсуан, Каузаи, Донгда.

Однако в последние годы благодаря ограничению водоотбора на крупных водозаборных предприятиях уровни подземных вод снижаются менее интенсивно.

В некоторых местах подземная вода из голоценового водоносного комплекса (Qh) исчезла, например:

- Микрорайон Майзич: на территории школы Т500, находящейся в коммуне Мидинь района Тылием, около 400 м северо-западнее от водозаборного предприятия Майзчи, ил и среднезернистый песок в голоценовом водоносном комплексе (Qh) на глубине 15 м полностью высохли [98, 139].

- Микрорайон Иенфу: мелкозернистый песок в голоценовом водоносном комплексе (Qh) стал сухим до глубины 8 м.

Уровни и понижение уровней подземных вод по 10 станциям мониторинга на Примеры показывают, что извлечение подземных вод привело в некоторых местах к снижению или исчезновению воды из голоценового водоносного комплекса (Qh). Основной причиной является снижение давления воды при добыче подземных вод, приводящее к осмосу воды сверху вниз и в результате к исчезновению воды в водонепроницаемые горизонты между голоценовым водоносным комплексом (Qh) и плейстоценовым водоносным комплексом (Qp) разрушаются при ведении горных работ, снижение уровня или исчезновение подземных вод происходит в короткие сроки. Сотни частных скважин действовали раньше нормально, а в настоящее время высохли и перестали использоваться.

Со снижением уровней подземных вод, поднимается загрязнение водоносных комплексов. Во время добычи вод, загрязняющие вещества с поверхности фильтруются (из-за снижения давления воды при добыче подземных вод) и загрязняют водоносные комплексы.

Результаты проекта «Составление базы данных водных ресурсов на территории расширенного города Ханоя – 2-й этап», выполненного Конфедерацией планирования и исследования водных ресурсов Северного региона в 2011 году [139], убедительно свидетельствуют о загрязнении. Детали приведены в 5 главе.

Извлечение подземных вод на территории г. Ханоя началось в 1905 г. Но только в 1988 г., то есть 83 года спустя, стали заниматься проблемой оседания земной поверхности.

В 1988 г. Инженерно-геологической и гидрогеологической конфедерацией Северного региона (в настоящее время известна под названием «Конфедерация планирования и исследования водных ресурсов Северного региона») были построены 32 станции мониторинга за оседанием земной поверхности на территории г. Ханоя.

Большинство этих станций расположено на юго-западе реки Красной. Эта система мониторинга устроена для наблюдений за оседанием земной поверхности в различных местах с различными инженерно-геологическими условиями и снижениями уровней подземных вод. Контрольные геодезические репера были зафиксированы на земле в соответствии с топографическим стандартом класса II.

Измерения оседания земной поверхности проводились методом топографического стандарта класса II с использованием нивелиров Ni-004, с опорой на пункты государственной триангуляции II-го класса в Золо и Донгнгак. Измерение оседания земной поверхности проводились один раз в год во время сухого сезона с 1988 по 1995 годы. Результаты мониторинга за оседанием земной поверхности в этот период показывают, что почти вся внутренняя площадь города Ханоя (кроме зон вдоль Красной реки) и прилегающие районы подверглась оседанию (Рисунок 1.6).

Высокая скорость оседания земной поверхности (более 10 мм/год) наблюдалась в центральной части и южных районах города (Таблица 1.5). Максимальная скорость оседания земной поверхности наблюдалась в микрорайонах Зангво – Тханьконг и Фапван (средняя скорость 20 – 44 мм/год).

Рисунок 1.6. Схема зонирования оседания земной поверхности на территории г. Старого Ханоя в период 1988 г. - 1995 г. Источник: Конфедерация планирования и исследования Кроме этого Народный комитет города Ханоя заказал Ханойской института науки, технологии и строительной экономики построить новую систему мониторинга за оседанием земной поверхности. Эта новая система была спроектирована и построена с 1994 г. до 2003 г., вначале в микрорайоне Нгокха.

В настоящее время эта система состоит из 10 станций. Наблюдение оседания земной поверхности в Ханое проводится регулярно Ханойским институтом науки, технологии и строительной экономики.

Эти станции мониторинга за оседанием земной поверхности и понижением уровня подземных вод построены в микрорайонах с типичными инженерногеологическими условиями города Ханоя, с наличием в разрезе слабых грунтов как Тханьконг, Фапван, Нгосилиен, Тыонгмай; в микрорайонах, в разрезе которых отсутствуют слои слабого грунта как Нгокха, Майзич, Донгань; в микрорайонах с наличием слабых грунтов в разрезе около реки Красной, как Лыонгиен, Залам, и микрорайонах далеких от реки Красной, как Хадинь.

Результаты мониторинга за оседанием земной поверхности на территории г. Ханоя Анализ данных по 10 станциям мониторинга за оседанием земной поверхности в связи с водозабором подземных вод в последние годы показывает оседание земной поверхности в результате извлечения подземных вод. На станциях со слоями слабых грунтов скорость оседания земной поверхности сравнительно высокая, например, Тханьконг – 40,46 мм/год, Нгошилиен – 26,52 мм/год, Фапван – 21,02 мм/год; на станциях без слабых грунтов скорость оседания земной поверхности низкая, например, Нгокха – 1,73 мм/год, Майзич – 2,81 мм/год, Донгань – 4,66 мм/год; на станциях, расположенных около реки Красной, скорость оседания ниже в результате пополнения подземных вод речной водой, например, Лыонгиен – 15,94 мм/год, Залам – 19,13 мм/год (Таблица 1.6, Рисунок 1.7).

Результаты мониторинга на 10 станций мониторинга за оседаниями земной № Станция Время Мощность Уровень Пониже- Скорость Оседание Скорость Результаты мониторинга за оседанием земной поверхности на разных глубинах показывают, что водоносные отложения имеют стабильную и очень низкую скорость оседания. Оседание земной поверхности, в действительности, является суммой осадки слоев грунта, залегающих выше водовмещающих пород. В местах со слоями слабого грунта оседание земной поверхности является суммой осадки слоев слабых грунтов, залегающих выше слоя добычи подземных вод.

Рисунок 1.7. Величины оседания земной поверхности по 10 станциям мониторинга на 1.2.3.4. Осадки и разрушение домов, зданий и объектов в г. Ханое Для решения проблемы нехватки жилья в г. Ханое, с конца 1970-х до начала 1980-х годов, было построено много 4-5 этажных зданий в районах старого Ханоя:

Зангво, Тхайтхинь, Бадинь, Танмай, Чыонгдинь, Чунгты, Кимлиен, Нгиадо, Тханьконг, Нгоккхань и другие. Почти все эти здания построены из железобетонных панелей на фундаментах неглубокого заложения, иногда на пирамидальных сваях (до 3,6 м) в микрорайонах города, в которых широко развиты слабые водонасыщенные грунты с органическими остатками свиты Хайхынг (lb,ambIV1-2hh1). В первые годы эксплуатации зданий происходили значительные осадки, но со временем скорость осадки уменьшилась.

С конца 1980-х годов, когда началась Финская программа чистой воды, максимальные осадки зданий превысили предельно-допустимые значения, некоторые из них были разрушены. По данным Ханойского департамента строительства 1988 г.

около 90% из 200 четырех – пятиэтажных зданий осели с величиной осадки 10 – см. В отдельных случаях величина осадки зданий превышала 120 – 200 см. 52 здания с высокой величиной осадки и серьезными трещинами по стенам были отремонтированы.

Процесс осадки зданий и жилых домов проявляется двояко: а) слабозатухающие или незатухающие осадки; б) резкое увеличение скорости осадки после длительных небольших осадок.

(а) Незатухающие осадки во времени наблюдались в зданиях, расположенных в микрорайонах Тханьконг (B7, K7, E3, K7, H2, B6, G6A, C1, и др.), Нгоккхань (A2, B1, B2, B8, A, и др.), Зангво (A2, A3, A6, C6, A1, E6, и др.), Танмай (C5, C6, C7), Куиньмай (E6, E7, E8).

Примеры:

Пятиэтажное здание B2 – Нгоккхань было построено в 1985 г. на фундаменте неглубокого заложения и песчаных сваях. Когда был построен четвертый этаж, здание сильно оседало с величиной осадки около 100 см и стало нестабильным. В результате были должны убрать четвертый этаж [98, 104].

Пятиэтажное здание Е6 – Куиньмай было построено в 1978 г. на ленточном фундаменте и пирамидальных сваях. Когда был построен третий этаж, величина осадки здания была 20 – 30 см. В течение 4 лет эксплуатации, с 07/1978 г. до 08/ г., величина осадки здания составила 86 – 96 см. В конце 2000 г. величина осадки здания составила уже 110 – 130 см [98, 104].

Пятиэтажное здание С1 – Тханьконг, сданное в эксплуатацию в 1976 г., построено на ленточном фундаменте и пирамидальных сваях. Через 6 лет величина осадки здания была 75 – 82 см. После 20 лет эксплуатации величина осадки здания составляет 200 см [98, 104].

Пятиэтажное здание А2 – Нгокхань, сданное в эксплуатацию в 1985 г., построено на железобетонном плитном фундаменте и песчаных сваях (Рисунок 1.13).

Величина осадки здания составила 80 см в конце 2000 г. До 1998 г. скорость осадки здания составляла 3,8 мм/месяц в некоторых точках [98, 104].

Пятиэтажное здание А1 – Зангво, сданное в эксплуатацию в 1985 г., построено на железобетонном плитном фундаменте на естественном основании. После 25 лет эксплуатации секция №.3 наклонилась более 2% и стала нестабильной, поэтому в настоящее время расселена [98, 104].

Пятиэтажное здание А6 – Зангво построено в 1979 г. на железобетонном плитном фундаменте на естественном основании. Многолетняя средняя скорость осадки была больше чем 1 мм/месяц. В 1998 г. неравномерная величина осадки между двумя краями одной секции была 2 мм/месяц. Здание сильно наклонилось (по вертикалу 1,6% и по горизонту 0,8%) и было признано опасным для проживания. В настоящее время здание А6 – Зангво разобрано для строительства нового девятиэтажного здания [98].

В настоящее время много жилых зданий оседает со скоростью 1,0 – 2,0 мм/месяц (рис. 1.81.9), часть зданий оседает со скоростью 0,5 – 1,0 мм/месяц, например, здания С7, С8, В6 – Зангво; Е4, Е6, Е7, D2, D6 – Тханьконг, некоторые здания, такие как I4 – Тханьконг и A2 – Нгокхань оседают неравномерно 2 – 3 мм/месяц [98, 104].

В соответствии с теорией консолидации и, в действительности, при неизменной нагрузке грунты оседают, но величина осадки уменьшается со временем.

Непрекращение или малое уменьшение со временем скорости осадки некоторых вышеуказанных зданий позволяет предполагать, что вместе с нагрузкой от зданий проявились дополнительные нагрузки, связанные со снижением уровня подземных вод при добыче подземных вод в Ханое.

(б) Неожиданное увеличение скорости осадки после продолжительного периода маленьких осадок или их отсутствием: эта проблема была замечена быстрым и интенсивным появлением разрушения домов, зданий и объектов, используемых нормально и безопасно долгое время.

Примеры:

Здание Центрального управления полиции г. Ханоя на улице Чанхынгдао, дом 87 – двухэтажный кирпичный дом с несущими стенами на фундаменте неглубокого заложения, построенный в 1925 году.

До конца 1980 годов этот дом эксплуатировался нормально и безопасно, разрушений не наблюдалось. Однако потом начали интенсивно появляться трещины в конструкциях дома, в 1994 году был произведен капитальный ремонт дома. По мнению экспертов, причиной разрушения является проблема с фундаментом [98].

Здание главного исполнительного комитета коммунистической партии Вьетнама – двухэтажный кирпичный дом длиной 100 м с несущими стенами на фундаменте неглубокого заложения, построенный в 1910 году. В 1989 г. появились разрушения из-за неравномерных осадок. Результаты мониторинга осадки дома показали, что величина осадка была маленькая 0,3 – 0,7 мм/месяц. Этот дом был отремонтирован. В настоящее время величина осадка дома очень маленькая и новые разрушения не появляются [98].

Рисунок 1.8. Здание A2 (слева)– Нгоккхань, построенное в 1976 г., с вертикальной деформацией 80 см и неравномерной деформацией 45 см (фото: Фи Х.Т., 2012) и здание C (справа) – Tханьконг, построенное в 1978 г., с вертикальной деформацией 200 см [82] Рисунок 1.9. Отмостка здания, построенного в 2007 г. в микрорайоне Тхиньлиет района После ремонта и реформа зданий и жилых домов скорость осадка значительно уменьшилась, хотя разными степенями. Почти все здания и жилые дома до ремонта имели среднюю скорость 2,5 – 3,0 мм/месяц. После ремонта скорость осадка уменьшилась до 1,5 – 2,0 мм/месяц.

Кроме того, некоторые здания как Е4 – Тханьконг; А, В – Нгокхань уже оседали стабильно после 10 лет использования, но в последние 10 лет скорость оседания значительно увеличилась [98].

Вышеуказанные примеры показывают, что существует дополнительная нагрузка с конца 1980-х до начала 1990-х годов, приведшая к увеличению скорости осадки. Эта дополнительная нагрузка привела к существенному росту эффективных напряжений.

Вертикальные и неравномерные деформации сопровождались разрушениями зданий и жилых домов в микрорайонах со слоями слабых грунтов. Этот момент совпал со временем исполнения Финской программы чистой воды на территории старого г.

Ханоя. В это время значительно увеличилась добыча подземных вод.

1. Извлечение подземных вод в г. Ханое непрерывно увеличивается для бытовых и промышленных нужд. В период с начала 20-го века до настоящего времени можно выделить два этапа, различающихся объемом извлекаемых подземных вод и характером негативных изменений геологической среды.

Первый этап с 1955 по 1965гг. (мощность добычи увеличилась в 5 – 6 раз, достигнув 150.000 м3/сутки), не вызвал негативных изменений геологической среды благодаря богатым запасам воды в водоносных комплексах.

Второй этап с 1985 по 1995 гг. мощность добычи достигла 400.000 м3/сутки, то есть в 2 – 3 раза больше по сравнению с прошлыми годами, и активно стали проявляться негативные изменения геологической среды. Одним из признаков является разрушение зданий и жилых домов в микрорайонах со слоями слабых грунтов в разрезе и большой мощностью добычи подземных вод. С тех пор, чем больше мощность добычи подземных вод, тем яснее негативные влияния на геологическую среду.

2. Результаты мониторинга уровней подземных вод показали, что добыча подземных вод привела к снижению уровней подземных вод в центральной части г.

Ханоя, образовались депрессионные воронки в микрорайонах распространения общественных водозаборных предприятий. Эти воронки накладывались друг на друга и объединялись.

3. В настоящее время установлена связь между оседанием земной поверхности и извлечением подземных вод на территории г. Ханоя. Разрушения жилых домов и зданий в г. Ханое произошли в основном в период с 1985 по 1995 гг., в период интенсификации добычи подземных вод, что является убедительным доказательством наличием связи между оседанием земной поверхности и процессом добычи подземных вод на территории г. Ханоя.

4. Результаты мониторинга за оседанием земной поверхности показали, что почти вся внутренняя площадь города Ханоя подверглась оседанию с разными скоростями осадки, зависящими от инженерно-геологических условий и характеристик снижения подземных вод. В микрорайонах со слоями слабых грунтов в разрезе и сильными снижениями уровней подземных вод величина оседания земной поверхности высокая, например: Тханьконг, Фапван, Нгошилиен, Тыонгмай, Хадинь, Лыонгиен.

5. Два грунтовых репера в Золо и Донгнгак установлены слишком неглубоко, на глубине 2,0 м от земной поверхности и подверглись оседанию вместе с грунтами.

Поэтому результаты мониторинга оседания земной поверхности в период с 1988 по 1995 гг. следует считать неточными, они позволяют судить не об абсолютных величинах осадки, а только об относительных значениях осадки земной поверхности в исследуемых районах.

1.3. История исследований оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод в мире и во Вьетнаме После Второй мировой войны, явление оседания земной поверхности наблюдалось во многих местах нашей планеты, сопровождавшиеся огромными экономическими и экологическими потерями. Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО) внесла проблему оседания земной поверхности в список первоочередных тем для исследования и разработки технологий. Первая исследовательская программа по изучению оседания земной поверхности была выполнена с 1965 по 1975 гг. с названием «Десятилетие международной гидрологии (IHD – ДМГ)». Следом за исследовательской программой IHD, ЮНЕСКО выполняет программу исследования оседания земной поверхности с названием «Международная гидрологическая программа» (IHP – МГП). Программа IHP была разделена на несколькие периодов, каждый период длился пять лет, начиная с 1975 г. и продолжается до настоящего времени. В конце каждого периода исследования, ЮНЕСКО организует Международный семинар об оседании земной поверхности (ISOLS). На сегодняшний день ЮНЕСКО в различных местах по всему миру уже организовало 8 семинаров ISOLS.

Первый международный семинар об оседании земной поверхности был организован ЮНЕСКО в 1969 г., в городе Токио, Япония; второй в городе Анахайм, штат Калифорния, США, в 1976 г.; третий в г. Венеция, Италия, в 1984 г.; четвертый в Хьюстоне, штат Техас, США, в 1991 г.; пятый в г. Гааге, Нидерланд в 1995 г.; шестой в Равенне, Италия, в 2000 г.; седьмой в Шанхае, Китай, в 2005 г.; восьмой в Сантьяго, штат Queretaro, Мексика в 2010 г. Все места проведения семинаров испытывают оседание земной поверхности в результате добычи подземных вод.

Для обмена информацией и результатами исследований об оседании земной поверхности в мире, была создана «Рабочая группа по исследованию оседания земной поверхности» в апреле 1974 г. Задачами этой группы являются организация симпозиумов, семинаров, образовательных курсов, сбор материалов и составление научной документации об оседании земной поверхности. Первым директором проекта был доктор Joseph F. Poland (США), а нынешний директор – доктор Laura Carbognin (Италия). Все члены рабочей группы – ученые, которые проводили многолетние исследования оседания земной поверхности, в том числе: German Figueroa Vega (Мексика), A. Ivan Johnson (США), Soki Yamamoto (Япония), Giuseppe Gambolati (Италия), Keith R. Prince (США), Alice Aureli (Франция), Frans B. Barends (Нидерланды), Dora Carren Freyre (Мексика), Devin L. Galloway (США), Abdin M.A.

Salih (Судан), Zhang A Gen (Китай) и т.д.

В период с 1969 г. до настоящего времени, эта группа собирала материалы об оседании земной поверхности по всему миру, в том числе: по состоянию проблемы, результаты исследования и мер по ограничению и устранению повреждений, вызванных оседанием земной поверхности. Из полученных материалов, группа опубликовала ряд документов и статей по этой проблеме. В 1984 г. ЮНЕСКО издало книгу «Руководство по исследованию оседания земной поверхности в результате добычи подземных вод», 340 страниц, ее главный редактор – доктор Joseph F. Poland.

Кроме ЮНЕСКО, многие научные и образовательные центры в мире занимаются изучением этого явления. Среди стран, которым принадлежат многие достижения в исследовании оседания земной поверхности в результате добычи подземных вод, следует упомянуть США, Япония, Мексика, Италия, Таиланд и Китай.

В дополнение к списку ученых из группы ЮНЕСКО МГП, можно назвать еще ряд других известных ученых в области исследования оседания земной поверхности в мире, таких как Li Yiu, Lu Yao-Ru, Hua Wen Chen, Xue Yu-Qun (Китай); Thomas J.

Burbey, Thomas L. Holzer, Stanley A. Leake, Donald C. Helm (США); Andras SzollosiNagy (Франция); Frits J. J. Brouwer (Нидерланды); Enrique Cabral Cano, German Figueroa V (Мексика); Alfonso Rivera, Toni Settari (Канада); Pietro Teatini, Fabio Rocca, Luigi Tosi (Италия); Kuniaki Sato, Soki Yamamoto, S. Aoki (Япония); N. Phien-wej (Таиланд); N.H. Phuong и P.H. Giao (Вьетнам) и т.д.

На территории России выявлены и достаточно подробно изучены несколько региональных очагов формирования оседания земной поверхности. Вопросы оседания при водопонижении подробно рассмотрены в работах В.И. Осипова, С.И.

Гольца, Р.С. Зиангирова, А.А. Конопянцева, Е.Н. Ярцева, Г.А. Голодковской, М.И.

Егорычевой, Ю.Ф. Захарова, В.Е. Ольховатенко, А.А. Краевского, А.И. Янковской, Ю.К. Смоленцева и многих других.

1.3.2. История исследований проблемы во Вьетнаме Во Вьетнаме, вопрос оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод достаточно новый, и его изучение производится всего в нескольких крупных городах, таких как г. Ханой, Хошимин и Хайфон.

1.3.2.1. Изучения о причинах, воздействиях и прогнозировании оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод в Ханое Исследователей, изучавших проблему оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод в Ханое, особенно на территории Старого города довольно много, это: Н.K. Кыонг, 1995 г; Ч.Ч. Хуе и др., 1995 г., 1996 г.; Н.Б.

Ке и Д.T. Тыонг, 1999 г.; Ф.Х. Жао, 2000 г.; Ч.М. Тху, 2000 г.; Ч.В. Хоанг и Б.Т.Б.

Ань, 2000, 2003, 2004, 2005 гг.; Л.Т. Тханг, 2004 г.; Н.Х. Фыонг, 2004 г.; Ф.К. Ньан, 2008 г.; Ч.В. Ты, 2009 г.; Ч.М. Лиеу, 2005, 2010 гг.

В 1995 г., исследователь Н.К. Кыонг показал, что уровень напора очень сильно снижается при добыче подземных вод, поэтому проявляется оседание в пласте извлечения подземных вод, хотя грунты являются слабосжимаемыми. Автор также показал нелогичность в размещении скважин для добычи подземных вод и предложил перепланировку площадки скважин в виде внутреннего кольца и наружного кольца [110].

Исследовательские работы, выполненные Ч.Ч. Хуе в 1995 и 1996 гг., посвящены оценке геодинамических характеристик на площадках скважин Иенфу и Залам, выполнено моделирование для вычисления площади депрессионной воронки на 2-х вышеуказанных площадках.

В 1999 г. исследователи Н.Б. Ке и Д.T. Тыонг, анализируя данные мониторинга за оседанием земной поверхности по шести наблюдательным станциям на территории Старого Ханоя и возможности расчетных методов оседания земной поверхности, обосновали необходимость дополнительных наблюдательных станций в Ханое для повышения точности оценки и прогноза оседания земной поверхности [120].

В 2000 г. Ф.Х. Жао использовал метод конечных элементов в программе TZP, написанной самим автором в 1997 г., для прогнозирования оседания земной поверхности по наблюдательной станции Фапван. Автор показывал, что использование программы TZP на основе теории одномерной консолидации К.

Терцаги (1924) при прогнозировании оседания земной поверхности в результате добычи подземных вод в Ханое дает адекватные результаты [70].

В 2000 г. Ч.М. Тху использовал метод конечных элементов (программы Geoslope и Modflow) для прогнозирования оседания земной поверхности и снижения уровня подземных вод по двум наблюдательным станциям Фапван и Майзич. Результаты прогнозирования относительно хорошо совпадают с результатами наблюдений [77].

В 2000 г. исследователи Ч.В. Хоанг и Б.T.Б. Ань показали, что районы, где отсутствуют такие слабые грунты, как торфы, песчанистые и глинистые илы, текучие глины, то скорость оседания из-за извлечения подземных вод не превышает 10 мм/год [155].

С 2003 по 2005 гг. Ч.В. Хоанг и Б.T.Б. Ань на основе изучения геологического строения, характеристик рельефа, геоморфологии, инженерной геологии, процесса урбанизации и уровней оседания земной поверхности разделили территорию Старого Ханоя на три подрегиона с разным уровнем устойчивости геологической среды.

Устойчивая зона с незначительной скоростью оседания располагается в северной части Красной реки, вторая сравнительно стабильная зона состоит из большой части площади районов Тылием, Залам и части внутреннего города. Третья нестабильная зона располагается в районах Тханьчи, Фапван и Тханьконг [153].

В 2004 г. Н.Х. Фыонг со своей исследовательской группой выполнили научные исследования по теме B2001-36-01-TD с целью оценки и прогноза оседания земной поверхности в результате добычи подземных вод в районе Тханьчи г. Ханоя. Авторы использовали многие методы прогнозирования оседания, такие как: аналитический метод, метод конечных элементов и интегрированный метод. В частности, авторы предложили некоторые формулы, устанавливающие правила изменения коэффициента консолидации Cv с течением времени для некоторых типов слабых грунтов, вследствие этого результаты прогнозирования оседания близки к данным наблюдений [98].

В 1995 и 2004 гг. исследователь Л.Ч. Тханг указал на опасность сильного оседания земной поверхности из-за снижения уровня подземных вод в Старом городе, которое происходит только в районах с сильным понижением уровней подземных вод, где распространены мощные толщи слабых грунтов свиты Хайхынг и наиболее интенсивно в местах, где эти грунты залегают над водоносным горизонтом [103, 104].

В 2005 г. исследователь Ч.М. Льеу для прогноза оседания земной поверхности из-за добычи подземных вод использовал факторный анализ данных наблюдений на юго-западе Старого города. Преимущество метода в том, что можно использовать для оценки оседания земной поверхности из-за добычи подземных вод множество различных геотехнических параметров. Для получения более точных результатов необходимо большее количество наблюдательных станций.

В 2005 г. Ч.М. Льеу использовал методы расчета отрицательного трения и составил прогнозные карты возможности возникновения отрицательного трения из-за добычи подземных вод в районах юго-запада Старого города.

В 2008 г. Ф.К. Ньан сделал прогноз оседания земной поверхности в районах Фапван и Тханьконг аналитическим методом на основе теории одномерной консолидации К. Терцаги. Автор утверждал, что наблюдательных станций оседания недостаточно для составления карт оседания и прогноза оседания земной поверхности по Старому Ханою [116].

В 2008 – 2009 гг. при изучении оседания земной поверхности в районе Хадонг и его окрестностях, исследователь Ч.В. Ты использовал метод конечных элементов с помощью программы Geoslope. Он утверждал, что основные деформации земной поверхности связаны с извлечением подземных вод в этих районах, небольшие деформации связаны со строительством [115].

В 2010 г. Ч.М. Льеу проанализировал причины оседания земной поверхности изза статической нагрузки, вызванной строительством, наличием насыпных грунтов и из-за динамической нагрузки от транспорта [151].

В 2010 г. исследователи Н.Д. Мань и Н.Н. Лан показали, что загрязнение грунтов и подземных вод снижает прочность, несущую способность, модуль деформации грунта, способствует увеличению восприимчивости грунта к динамической нагрузке.

Газонасыщенность в песчаных грунтах уменьшает их угол внутреннего трения, следовательно, песок легче переходит в текучее состояние. Таким образом, загрязнение грунта и подземных вод косвенно вызывает оседание земной поверхности.

В 2011 г. исследователи Т.Н. Тхань и Ч.Д. Хьу указали на причины оседания земной поверхности в районе юго-запада Нового Ханоя. Причина в том, что под рыхлыми четвертичными отложениями существуют карстовые пещеры. При бурении скважин для извлечения подземных вод, в связи с механическим воздействием, способствующим активизации эрозии и оползанию рыхлых отложений в карстовые пещеры, вызываются локальные оседания земной поверхности [134].

Комментарии. Вышеуказанные исследования показывают нам обзорное представление явления оседания земной поверхности в Старом Ханое. В исследовательских работах показаны основные причины, вызывающие явление оседания земной поверхности, проанализированы отношения между скоростью оседания земной поверхности и мощностью добычи подземных вод, использованы разные методы для прогноза оседания земной поверхности из-за добычи подземных вод на основе теории одномерной консолидации K. Терцаги, указана нецелесообразность размещения текущей сети скважин и мощности добычи подземных вод. Все исследования сосредоточены только во внутренних районах Старого Ханоя. При прогнозе оседания земной поверхности не рассматриваются изменения характеристик горных пород по времени. Предложенные меры по урегулированию мощности добычи подземных вод и перепланированию сети скважин не реализованы.

1.3.2.2.

Работа по организации мониторинга за оседанием поверхности в г. Ханое В 1988 г. Федерация инженерной геологии и гидрогеологии (ныне Конфедерация планирования и исследования водных ресурсов Северного Вьетнама) построила станции мониторинга за оседанием земной поверхности на территории Старого Ханоя. Эти станции были размещены на глубине 0,5 м в южной части города вдоль Красной реки.

Система станций мониторинга оседания позволяет контролировать оседание земной поверхности в районах с разными инженерно-геологическими условиями и понижениями уровней подземных вод. Процесс мониторинга за оседанием поверхности осуществляется периодически – раз в год. Ограничение наблюдательной системы в том, что она позволяет контролировать только оседание земной поверхности, а не деформацию каждого слоя грунта, участвующего в оседании.

В конце 1995 г. деятельность этой наблюдательной системы была прекращена за отсутствием финансирования.

В 1994 г. была спроектирована и построена пробно в микрорайоне Нгокха новая наблюдательная система за оседанием земной поверхности, более современная и усовершенствованная. В настоящее время в этой наблюдательной системе действуют 10 станций, которые построены в районах со значительными понижениями уровней подземных вод.

В структуру станции мониторинга оседания входят: стандартный репер, установленный в неогеновом слое, оборудование для мониторинга деформации и нейтрального давления каждого слоя грунта, установленное на разных глубинах.

Таким образом, такая система контролирует деформации отдельных слоев грунтов, располагающихся выше неогеновых слоев. Неогеновые слои считаются стандартным ориентиром для наблюдения оседания земной поверхности в Ханое.

Наблюдение оседания земной поверхности в Ханое производится регулярно Ханойским институтом науки, технологии и строительной экономики. Такие наблюдения оседания земной поверхности осуществляются вручную, периодически раз в месяц. К сожалению, с 2005 г. до настоящего времени, результаты мониторинга за оседанием земной поверхности по этим станциям не разрешается публиковать и использовать.

Месторасположение станций мониторинга за оседанием указаны на рис. 1.10;

результаты мониторинга оседания с 1994 по 2004 гг. проанализированы в таблице 1.6.

На рис. 1.11 приведена схема установки оборудования мониторинга за оседанием в наблюдательной системе на станции Фапван.

С декабря 2011 г. совместными усилиями Вьетнамского института геологических наук Вьетнамской академии наук и технологий впервые была испытана технология автоматического мониторинга за оседанием земной поверхности, динамики и свойств подземных вод. Эта станция автоматического мониторинга установлена в Институте геологических наук по адресу: переулок 84, ул. Чуаланг, микрорайон Лангтхыонг, район Донгда, г. Ханой.

Рисунок 1.10. Карта расположения станций мониторинга за оседанием земной поверхности, станций водоснабжения и разрушающихся сооружений на территории В систему автоматического мониторинга входят автоматические устройства, записывающие и измеряющие уровни подземных вод, рН, температуру, электропроводность подземных вод плейстоценового водоносного комплекса (Qp);

нейтральное давление, температуру и деформации некоторых слоев слабых грунтов.

Рисунок 1.11. Схема установки оборудования мониторинга за оседанием в наблюдательной системе на станции Фапван (Фи Х.Т., 2013) Система автоматического мониторинга уже начала стабильно работать и обеспечивает надежную базу данных. Результаты исследований показывают, что испытательная система автоматического мониторинга эффективно работает, и можно копировать эту модель в других районах с целью создания сети автоматического мониторинга, прогнозирующей оседание земной поверхности, динамику и свойства подземных вод в г. Ханое.

Ныне, Институтом геологических наук выполняется тема по государственному заданию «Исследование научных основ и предложение о мероприятиях прогнозирования оседания земной поверхности в городе Ханое на базе технологии интерференционного радара (InSAR)». Выполнение темы запланировано с января 2012 г. по декабрь 2014 г.

Комментарии. Работы по мониторингу оседания земной поверхности в Ханое начались с 1988 г. и продолжаются в настоящее время. Станции и репера размещены в центре г. Ханоя, в районах с разными инженерно-геологическими условиями и понижениями уровня подземных вод. Результаты мониторинга за оседанием показывают, что центральная часть г. Ханоя имеет оседание земной поверхности с разными уровнями. Большие оседания земной поверхности сосредоточены в районах, с наличием в разрезе слабых грунтов и значительным снижением уровня подземных вод: Тханьконг, Фапван, Нгошилиен, Тыонгмай, Хадинь, Лыонгиен. Результаты мониторинга за оседанием земной поверхности и деформацией каждого слоя грунта с 1994 г. по 2004 г. имеют высокую надежность. Результаты мониторинга за нейтральным давлением имеют низкую надежность, точность измерений уменьшается после 2 – 3 лет эксплуатации. В настоящее время почти все пьезометры мониторинга за нейтральным давлением не работают. Из-за отсутствия финансирования, некоторое оборудование не действует с 1995 года. Качество некоторых устройств измерения оседания на станциях мониторинга снижалось с течением времени из-за жаркого и влажного климата и обильных атмосферных осадков в Ханое, но они не были заменены, следовательно, результаты мониторинга за оседанием поверхности в последнее время имеют низкую надежность. Запись данных наблюдений производилась вручную, прерывно. Между станциями мониторинга нет никакой связи. Количество станций мониторинга еще малое, разреженное, поэтому невозможно составить карту оседания земной поверхности на территории г. Ханоя.

Для устранения данной проблемы в настоящее время соответствующими органами в г. Ханое проводятся исследования и тестирование ряда новых современных методов и систем мониторинга.

1.3.2.3. Другие исследования, связанные с предметом С 1988 г. до настоящего времени были опубликованы значительные работы по геологии, геоморфологии, современной тектоники, инженерной геологии, гидрогеологии города Ханоя.

Исследовательские работы по геологии:

Геологические карты:

- Геологические карты и карты полезных ископаемых Старого Ханоя масштаба 1:50.000 состоят из следующих групп карт: BD186 (1988 г., редактор Ч.Д. Туиет);

BD187 (1989 г., Н.К. Тоан) и BD205 (1994 г., Н.К. Тоан).

- Геологическая карта Старого Ханоя масштаба 1:200.000 составлена в 2005 г.

редактором Х.Н. Ки; Геологическая карта и карта полезных ископаемых Нового Ханоя масштаба 1:50.000 составлена в 2011 г. под редакцией Н.К. Тоан.

На этих картах отражено геологическое строение района. Однако необходимо пересмотреть сопредельные территории между группами карт.

Научные работы по геологии:

В 2003 г. в своей кандидатской наук диссертации, З.Д. Лам изложил историю развития дельты Красной реки в голоцене, разделил и определил виды отложений, составил карты окаменелостей в дельте Красной реки [94].

В 1987, 1989, 1992, 1995, 2000 годах в исследовательских работах по четвертичной геологии района г. Ханоя и дельты Красной реки, исследователь Н.К.

Тоан и др. описали характеристики осадконакопления и историю развития четвертичных отложений в северо-восточной части дельты Красной реки [82].

В 2003 г. В.Н. Тханг и др. рассмотрели виды осадочных отложений и типы полезных ископаемых на территории города Ханоя.

В 2011 г. В.В. Фай, Д.Д. Бак и Н.К. Тоан опубликовали монографию по геологии, геоморфологии и полезным ископаемым на территории г. Ханоя. В книге описаны природные условия, геологические и геоморфологические особенности, природные ресурсы Нового Ханоя [82].

Работы по геоморфологии и современной тектонике Карты геоморфологии и современной тектоники:

- Карта геоморфологии и современной тектоники Старого Ханоя масштаба 1:50.000 была составлена в 1995 г. под общей редакцией До Тует и Нгуен Кан;

- Схема разлома в дельте Красной реки масштаба 1:1.000.000 составлена в году редакторами Н.Ч. Ием и З.Д. Лам;

- Тектоническая схема Нового Ханоя масштаба 1:500.000 составлена в 2011 году редактором Н.К. Тоан;

- Геоморфологическая карта Нового Ханоя масштаба 1:50.000 составлена в году редактором Д.Д. Бак [82].

Научные работы по геоморфологии и современной тектонике:

В 1992 г. в исследовании по урбанизированной геологической характеристике города Ханоя, Н.Ч. Ием и др. внесли предложение модели оценки урбанизированных геологических условий на основе норм о геологии, геоморфологии, современной тектонике, землетрясении, трещиноватости пород, почве, поверхностных водах, подземных водах, инженерно-геологических условиях, гидрогеологических условиях.

Авторы разделили геологическую характеристику города Ханоя на 9 комплексов урбанизированной геологии, показанных на схеме масштаба 1:200.000 [111].

В 1995 г. в работе «Обследование урбанизированной геологии г. Ханоя и Хайфона» исследователь До Туиет рассмотрел особенности геоморфологии и современной тектоники города Ханоя.

В 2007 г. исследователь Х.В. Хай привел некоторые новые доказательства о современной активизации разломов, также их связь с георисками (геологическими опасностями) в Старом Ханое [148].

В 2011 г. Н.К. Тоан, Д.Д. Бак и В.В. Фай описали особенности геоморфологии – современной тектоники Нового Ханоя в монографии по геологии, геоморфологии и полезным ископаемым [82].

Работы по инженерной геологии Инженерно-геологические карты:

- Инженерно-геологическая карта Старого Ханоя масштаба 1:50.000 составлена в 1995 году редактором Н.Д. Дай;

- Инженерно-геологическая карта экономического коридора Ханоя – Хайфона – Куангниня масштаба 1:100.000 составлена в 1995 г. редактором Н.Д. Дай;

- Карта распространения слабых грунтов на территории Старого Ханоя масштаба 1:25.000 составлена в 2004 году редактором Н.Х. Фыонг;

- Инженерно-геологическая карта Нового Ханоя масштаба 1:50.000 составлена в 2011 году редактором Н.К. Тоан.

Научные работы по инженерной геологии:

В 1995 г. в диссертации Л.Ч. Тханг осуществил изучение типов слабых грунтов на территории г. Ханоя и оценил возможность их использования в строительстве. На основании генезиса и свойств слабых грунтов, автор разделил слабые грунты на типа и 12 видов. В том числе, 2-ый тип содержит слабые грунты свиты Хайхынг, являющийся наиболее неблагоприятным для строительства слабым грунтом [104].

В 1998 г. Ф.В. Ти и др. представили итоговый доклад по теме «Изучение инженерно-геологических условий для проекта строительства подземного транспорта в г. Ханое». Авторы выяснили инженерно-геологические особенности на территории Старого Ханоя, обосновали неблагоприятные геологические явления, которые могут возникнуть при строительстве подземных транспортных сооружений в г. Ханое [100].

В 1999 г. исследователь Ф.В. Tи и др. представили итоговый доклад по теме «Изучение, оценка грунтовых строительных ресурсов в городе Ханое». Авторы провели классификацию горных пород на территории г. Ханоя и составили схему распределения горных пород [119].

В 2000 г. в диссертации Н.В. Тинь рассмотрел инженерно-геологические особенности осадочных отложений с органическими остатками нижней подсвиты Хайхынг на территории г. Ханоя и сделал прогноз изменения свойств этих отложений под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности с целью целесообразности добычи грунтовых строительных материалов [109].

В 2004 г. Н.Х. Фыонг и др. выполнили тему TC-DT/06-02-3 по составлению таких карт, как карта распространения слабых грунтов Старого Ханоя; карта мощностей и глубины залегания слабых грунтов; карте районирования слабых грунтов на территории Старого Ханоя масштаба 1:25.000. Авторы выполнили обзор о распределении слабых грунтов в 14 районах Старого Ханоя [140].

В 2010 г. в диссертации Н.Д. Мань проводил исследования, анализы, оценки процессов и явлений эндогенных и экзогенных геологии, влияющих на безопасное использование подземного пространстве Старого Ханоя [17].

В 2011 г. Н.К. Тоан привел обобщенную инженерно-геологическую характеристику территории Нового Ханоя в монографии по геологии, геоморфологии и полезным ископаемым г. Ханоя [82].

Работы по гидрогеологии Гидрогеологические карты:

- Гидрогеологическая карта Старого Ханоя масштаба 1:200.000 составлена в году редактором К.Ш. Суен;

- Гидрогеологическая карта Старого Ханоя масштаба 1:50.000 составлена в году редактором Чан Минь;

- Гидрогеологическая карта экономического коридора Ханоя – Хайфона – Куангниня масштаба 1:100.000 составлена в 1995 редактором К.В. Куинь;

- Гидрогеологическая карта г. Нового Ханоя масштаба 1:50.000 составлена в году редактором Н.К. Тоан.

Научные работы по гидрогеологии:

В 1985 г. К.Ш. Суен и др. дали обобщенную характеристику гидрогеологических условий Старого Ханоя при составлении Гидрогеологической карты Ханоя масштаба 1:200.000.

В 1995 г. Чан Минь рассмотрел гидрогеологические особенности Старого Ханоя в теме «Обследование урбанизированной геологии г. Ханоя – Хайфонга» [138].

В 2003 г. В.Н. Тханг и др. опубликовали монографию «Геология и полезные ископаемые города Ханоя». Авторы обобщили сведения о гидрогеологических особенностях Старого Ханоя.

В 2007 г. Т.Н. Тхань оценил динамику подземных вод в городе Ханое численными методами [141].

В 2008 г. Ф.К. Ньан и Д.Д. Фук проводили исследования по изучению гидравлической связи между подземными водами и водой Красной реки в г. Ханое.

Авторы указали районы, где существуют тесные, умеренные и слабые гидравлические связи между подземными и поверхностными водами [86].

В 2011 г. Т.Н. Тхань и др. выполнили тему «Составление базы данных по водным ресурсам на территории Нового Ханоя второй этап». Авторы указали особенности водных ресурсов на территории города; сделали рекомендации по планированию, целесообразному использованию и охране водных ресурсов на территории г. Ханоя [139].

В 2011 г. Н.К. Тоан описал основные гидрогеологические особенности территории Нового Ханоя [82].

Работы по мониторингу динамики подземных вод:

В настоящее время в городе работают две сети наблюдений за динамикой подземных вод.

- Национальная сеть наблюдений на территории г. Ханоя:

Данная сеть мониторинга построена (в период 1985 – 1995 гг.) и финансируется государством, включает в себя 30 станций с 52 объектами. С 2007 по 2010 гг.

государством дополнительно построены еще 16 объектов. Ныне, в городе Ханое работают 37 станций с 68 наблюдательными объектами. На каждой станции располагаются от 1 до 3 наблюдательных объектов [139]:

+ В голоценовом водоносном комплексе (Qh): 27 объектов.

+ В плейстоценовом водоносном комплексе (Qp): 33 объекта.

+ В неогеновом водоносном комплексе (N): 6 объектов.

+ Поверхностная вода: 2 объекта.

- Местная сеть наблюдения:

Данная сеть построена в период с 1991 по 1994 гг., состоит из 66 станций и объектов. После обновления, восстановления и дополнения, в настоящее время в городе работают 84 наблюдательные станции с 142 объектами [139]:

+ В голоценовом водоносном комплексе (Qh): 57 объектов.

+ В плейстоценовом водоносном комплексе (Qp): 76 объектов.

+ В неогеновом водоносном комплексе (N): 2 объекта.

+ Поверхностная вода: 7 объектов.

Наблюдения за динамикой подземных вод на территории г. Ханоя проводятся регулярно и непрерывно Конфедерацией планирования и исследования водных ресурсов Северного региона.

Комментарии. Выполненные исследования по геологии, геоморфологии, современной тектоники, инженерной геологии, гидрогеологии и т.д., способствовали выполнению заданий по прогнозированию оседания земной поверхности из-за добычи подземных вод в городе Ханое. Однако эти материалы и данные должны быть пересмотрены и дополнены.

1. В мире явление оседания земной поверхности широко распространено в регионах с высокой плотностью населения, особенно в дельтах, сложенных мощными рыхлыми отложениями, и возросло в связи с увеличением добычи чистой воды, нефти, природного газа. Например, в заливе Шан Жоакуин (Калифорния, США) оседание земной поверхности, связанное с интенсивным забором подземных вод, составило 9,0 м, в зоне реки Рафт (Идахо, США) – 10,8 м, в Мехико – 9,0 м, в Токио – 4,6 м, в г. Жаийракей (Новая Зеландия) – 6,5 м, в дельте По (Италия) – 3,2 м. В меньшей степени оседание зарегистрировано в городах Венеция (Италия), Лондон (Великобритания), Осака и Ниигата (Япония), Шанхай и Тяньцзинь (Китай), Бангкок (Таиланд), Джакарта (Индонезия) и др.

2. Извлечение подземных вод в г. Ханое непрерывно увеличивается от 15. м3/сутки (1905 г.) до 628.000 м3/сутки (2010 г.). Интенсивное излечение подземных вод привело к снижению уровней подземных вод в центральной части г. Ханоя, образовались депрессионные воронки в микрорайонах распространения общественных водозаборных предприятий, и активно стали проявляться негативные изменения геологической среды. Одним из признаков является оседание поверхности, сопровождающее деформациями и разрушениями зданий и жилых домов и загрязнением водоносных комплексов.

3. Результаты мониторинга за оседанием земной поверхности показали, что почти вся внутренняя площадь города Ханоя подверглась оседанию с разными скоростями осадки, зависящими от инженерно-геологических условий и характеристик снижения подземных вод. В микрорайонах со слоями слабых грунтов в разрезе и сильными снижениями уровней подземных вод величина оседания земной поверхности высокая, например: Тханьконг (40,46 мм/год), Нгошилиен (26, мм/год), Фапван (21,02 мм/год), Хадинь (18,83 мм/год), Тыонгмай (18,43 мм/год), Лыонгиен (15,94 мм/год).

4. Все исследований сосредоточены только во внутренних районах Старого Ханоя. При прогнозе оседания земной поверхности не рассматривались изменения характеристик горных пород по времени. Предложенные меры по урегулированию мощности добычи подземных вод и перепланированию сети скважин не реализованы.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

осуществляется при помощи разных методов, которые можно объединить в 3 группы [53]: (1) – экспериментальные; (2) – полутеоретические; (3) теоретические.

Эти методы экстраполяции данных наблюдений для прогноза какого-либо процесса, в частности, оседания земной поверхности в будущем. На основе данных осадки земной поверхности и величины снижения подземных вод составляется график отношений между ними или между ними с течением времени, из которых можно предсказать оседание земной поверхности в будущем. При этом считается, что оседание зависит от времени, игнорируется причины оседания земной поверхности.

1.1.1.1.Экстраполяция наблюдательных данных невооруженным глазом На основе данных наблюдений за оседанием земной поверхности составляется невооруженным глазом определяются правила изменения оседания во времени, чтобы получилась гладкая кривая.

2.1.1.2. Применение подходящих кривых (нелинейная экстраполяция) 1. Использование квадратичной функции:

Используется следующая функция и метод наименьших квадратов Где: s – оседание земной поверхности; x время; a, b, c константы.

2. Использование экспоненциальной или логарифмической функции:

Используются функции и метод наименьших квадратов:

Где: s – оседание земной поверхности; x время; a, b, c константы.

График отношения между оседанием земной поверхности и снижением уровня подземных вод составляется для прогноза оседания земной поверхности в будущем.

Эти методы использует связь между оседанием земной поверхности и параметрами данных наблюдений. Методы не имеют строгого теоретического обоснования, но могут быть использованы для оценки тенденции оседания земной поверхности.

2.1.2.1. Определение оседания земной поверхности по снижению уровня Исследователь Ямагучи в 1969 г. указал на то, что скорость оседания земной поверхности тесно связана с изменениями уровня подземных вод (Рисунок 2.1) Рисунок 2.1. Отношение между оседанием земной поверхности и глубиной залегания подземных вод в Токийском университете, Япония (Ямагучи, 1969 г.) [53] и предложил следующую формулу 2.3:

dS/dt – скорость оседания земной поверхности;

Sc – окончательная величина оседания земной поверхности;

po – начальный уровень подземных вод;

p – уровень подземных вод на момент расчета;

k – константа;

Чтобы решить уравнение 2.3, компоненты этого уравнения представляют в декартовой системе координат и определяют Sc (Рисунок 2.2).

2.1.2.2. Определение оседания земной поверхности по объему добытых подземных вод По словам Ямамото, соотношение между объемом добытых подземных вод и оседанием земной поверхности в районе Ниигата было выражено следующими уравнениями:

S – оседание земной поверхности;

Q – объем добытых подземных вод;

a и b – константы;

mv – коэффициент объемной сжимаемости;

C = H/Q; H и Q – изменение отметки земной поверхности в наблюдательном эталоне и изменение объемов добытых подземных вод на единицу площади, соответственно.

На рис. 2.3 показано отношение между объемом оседания земной поверхности и объемом добытых подземных вод в Лос Банос-Кеттлеман, штат Калифорния, США с 1926 по 1968 годы. Пропорция между объемом оседания и объемом добычи подземных вод составляет 1/3 за последние 42 года.

Объем оседания земной поверхности составил одну треть от объема добытых подземных вод за 42-летний период.

Рисунок 2.3. Отношение между объемом оседания земной поверхности и объемом добытых подземных вод в Лос Банос-Кеттлеман, штат Калифорния, США. Точки на кривой оседания указывают на моменты измерения (согласно Poland, 1975 г.) [53] 2.1.2.3. Отношение между оседанием земной поверхности и содержанием Рисунок 2.4. Отношение между процентным содержанием глинистых частиц и оседанием земной поверхности земли из-за снижения водного давления при добыче подземных вод На рис. 2.4 показана связь между процентным содержанием глинистых частиц и отношением между оседанием земной поверхности и снижением водного давления в Хьюстон Галвестон, штат Техас, США. По результатам исследователя Gabrysch в 1969 г., процентное содержание глинистых частиц можно определить на основе интерпретации результатов электрического зондирования, водное давление может быть определено на основе наблюдений за уровнями подземных вод в скважинах;

оседание земной поверхности определяется по наблюдательным реперам.

2.1.2.4. Метод многофакторного корреляционного анализа Метод многофакторного корреляционного анализа позволяет количественно оценить взнос каждого геотехнического фактора в величину оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод, представляя тем самым более надежные результаты прогноза.

При проведении многофакторного корреляционного анализа для решения поставленной выше задачи выделяется несколько этапов:

- Определяются геотехнические факторы, которые оказывают воздействие на изучаемый показатель, и отбираются наиболее существенные для корреляционного анализа;

Собирается и оценивается исходная информация, необходимая для корреляционного анализа;

- Изучается характер и моделируется связь между факторами и результативным показателем, то есть подбирается и обосновывается математическое уравнение, которое наиболее точно выражает сущность исследуемой зависимости;

- Проводится расчет основных показателей связи корреляционного анализа;

- Дается статистическая оценка результатов корреляционного анализа и определяется практическое их применение.

Расчетные шаги:

- Подбор целевой функции;

- Подбор геотехнических факторов, участвующих в целевой функции;

- Установление корреляционного уравнения между целевой функции с каждым геотехническим фактором на базе наблюдательных данных;

- Вычисление парного коэффициента корреляции (riy, rij) между геотехническим фактором и целевой функцией и между геотехническими факторами;

- Вычисление стандартизованных коэффициентов 1, 2,… p;

- Вычисление многомерного коэффициента корреляции R;

- Вычисление веса геотехнических факторов gi;

- Составление формулы для целевой функции, чтобы прогнозировать оседание земной поверхности в будущее время.

Оседание является вертикальным смещением массива горных пород в результате сжатия, уплотнения или иных видоизменений горных пород.

Теоретической основой прогноза оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод является принцип эффективных напряжений один из наиболее важных принципов механики грунтов, предложенный К. Терцаги в году.

Слои грунта, залегающие ниже уровня грунтовых вод, насыщены водой и состоят из двух фаз (твердой и жидкой). Твердая фаза состоит из частиц или группы частиц грунта (скелета грунта); а жидкая фаза вода. Полное напряжение () в насыщенных грунтах состоит из суммы двух компонент: нейтрального (u) и эффективного напряжений ().

- Нейтральное напряжение (u) или поровое давление является давлением, принятым жидкостью в порах грунтов. Оно не вызывает уплотнение и увеличение прочности на сдвиг грунтов.

- Эффективное напряжение () является давлением, принятым скелетом грунтов. Оно вызывает уплотнение и увеличение прочности на сдвиг грунтов.

Эффективное напряжение может быть определено по следующему уравнению:

В некотором естественном условии, на любой глубине полное напряжение () имеет постоянное значение; Эффективное напряжение и нейтральное напряжение всегда изменяют, чтобы удовлетворять уравнениям 2.6 и 2.7.

При извлечении подземных вод, полное напряжение () в насыщенных грунтах не изменяет, а нейтральное напряжение (u) диссипирует из-за понижения уровня подземных вод, и эффективное напряжение увеличивает соответствующее значение.

Все-таки увеличение эффективного напряжения (') не достигает максимального значения во время извлечения подземных вод, а имеет сложный характер изменений во времени. Таким образом, процесс оседания земной поверхности из-за добычи подземных вод также происходит с течением времени.

Процесс снижения нейтрального напряжения тесно относится к количеству воды, фильтрующемуся из насыщенной глинистой породы в другие слои грунта. Это зависит от характеристик фильтрации, мощности сжимаемых слоев грунта, и дренажных условий.

Оседание является процессом уплотнения грунтов, вызванным увеличением эффективного напряжения. Оно зависит от сжимаемости и мощности слоев горных пород, слагающих его основание. Таким образом, извлечение подземных вод вызывает понижение уровня подземных вод, которое приводит к диссипации нейтрального напряжения в насыщенных глинистых породах, и одновременно происходят фильтрация и уплотнение горных пород. Глинистые породы имеют плохую фильтрационную способность, поэтому фильтрационный процесс происходит постепенно с течением времени, и процесс диссипации нейтрального напряжения и уплотнения горных пород также происходит с течением времени. Это является процессом фильтрационной консолидации или первичной консолидации. Кроме того, глинистые частицы имеют коллоидную структуру, так что модификация и смещение мембраной связанной воды вокруг них происходят и приводят к ползучести. В настоящее время существуют две различных точки зрения: некоторые исследователи предполагают, что процессы фильтрационной консолидации и ползучести происходят одновременно; другие предполагают, что процесс ползучести происходит после завершения фильтрационной консолидации. Это очень сложный вопрос. По-моему мнению, при извлечении подземных вод процесс оседания подразделяется на 2 этапа, а при инженерном строительстве эти процессы происходят одновременно.

При исследовании оседания поверхности из-за добычи подземных вод установлено, что грунтовые толщи территории г. Ханоя имеют сложное строение.

Они состоят из нескольких глинистых слоев, в том числе слоев слабых грунтов, перемежающихся с песчаными слоями, в которых сосредоточены подземные воды.

Извлечение подземных вод вызывает понижение уровня, приводит к диссипации нейтрального напряжения различных слоев грунта. Поэтому процессы фильтрационной консолидации и ползучести происходят очень сложно в грунтовых толщах.

Кроме того, может изменяться дебит добычи подземных вод; метеорологический и гидрологический режим по сезонам и годам, так что понижение уровня подземных вод также варьирует по сложным правилам.

Далее, процессы накопления техногенных отложений, разложения органических остатков в горных породах, строительство, также приводят к изменению эффективного напряжения. Следовательно, картина процесса оседания земной поверхности очень разнообразная.

При извлечении подземных вод, уровень подземных вод в эксплуатационной зоне понижается. Это приводит к увеличению эффективного напряжения. И процесс консолидации происходит под действием нагрузки от увеличения удельного веса грунта. Как правило, в зоне эксплуатационных скважин, понижение уровня подземных вод имеет максимальное значение; сжимающая нагрузка достигает также максимальное значение, и поэтому оседание поверхности будет наибольшим. Вдали от эксплуатационных скважин понижение уровня подземных вод меньше;

сжимающая нагрузка также меньше, поэтому оседание поверхности будет меньшим.

На практике зона развития депрессионных воронок имеет размер намного больше, чем мощность грунтовых толщ территории, так что процесс консолидации можно рассматривать как процесс одномерной консолидации. Итак, задача по прогнозу оседания поверхности в связи с извлечением подземных вод похожа на задачу одномерной консолидации в теории механики грунта.

На диаграмме преобразования нейтрального напряжения в эффективное напряжение при извлечении подземных вод можно выделить два случая (Рисунок 2.5).

В первом случае: уровень подземных вод снижается значение H1, но еще выше поверхности исследованного глинистого слоя. Это приводит к увеличению эффективного напряжения в слоях грунта, залегающих над уровнем подземных вод.

Сжатие глинистого слоя вызывается действием нагрузки, которая не изменяется с глубиной (1' = -u1 = ВH1, где В – удельный вес воды).

Во втором случае, уровень подземных вод снижается, значение H2 ниже поверхности исследованного глинистого слоя, также приводит к увеличению эффективного напряжения 2' (2' = -u2 = ВH2). Вид схемы эффективного напряжения зависит от положения уровня подземных вод.

Рисунок 2.5. Схема преобразования нейтрального напряжения в эффективное напряжение В схеме 2.5(2а), уровень подземных вод находится в исследованном глинистом слое. Диаграмма эффективного напряжения делится на две части: в верхней части диаграммы эффективного напряжения – треугольник с размером основания 2a' (2a' = ВH2a) и высотой H2a; а в нижней части диаграммы эффективного напряжения – прямоугольник с шириной 2a' (2a' = ВH2a). Эта нагрузка передается на нижние слои.

В схеме 2.5(2b), уровень подземных вод устанавливается на подошве исследованного глинистого слоя. Диаграмма эффективного напряжения – треугольник с размером основания 2b' (2b' = ВH2b) и высотой H2b. Эта нагрузка также передается на нижние слои. Последняя диаграмма эффективного напряжения представляет случай, когда нейтральное напряжение абсолютно диссипировано. Всетаки, процесс консолидации происходит постепенно, диаграмма нейтрального напряжения будет меньше и меньше, а диаграмма эффективного напряжения будет больше и больше. В г. Ханое действуют обе схемы.

На территории г. Ханоя существуют два водоносных комплекса (голоценовый и плейстоценовый комплекс). Эти водоносные комплексы имеют тесную гидравлическую взаимосвязь. В настоящее время большая часть воды забирается из плейстоценового водоносного комплекса. Понижение уровня этого водоносного комплекса приводит к явлению фильтрации воды от голоценового водоносного комплекса в плейстоценовый водоносный комплекс, поэтому в долговременных природных условиях они будут иметь совместный уровень воды. Понижение уровня подземных вод вызывает диссипацию нейтрального напряжения в глинистых грунтах, особенно в торфах, органических илах, органических грунтах.

Таким образом, оседание земной поверхности в связи с извлечением подземных вод является явлением осадки грунтовых толщ под действием увеличения удельного веса грунтов, вызванного диссипацией порового давления воды и увеличением эффективного давления из-за понижения уровня подземных вод. Оседание земной поверхности происходит с течением времени. Процесс оседания зависит от многих факторов. Его развитие являются сложным процессом, но имеет закономерность уменьшения с течением времени.

Чтобы предсказать оседание земной поверхности из-за добычи подземных вод по современной теории механики грунта, необходимо ввести следующие предположения:

не содержит органические вещества;

имеет только 2 фазы, твердую и жидкую;

ньютоновское поведение жидкой фазы;

имеет линейно-упругие свойства;

физико-механические свойства грунтов не меняются с течением времени.

Для водоносных и водонепроницаемых горизонтов:

водоносные и водонепроницаемые пласты залегают горизонтально;

водонепроницаемых горизонтах – по вертикали;

11) оседание земной поверхности, в основном, происходит из-за консолидации водонепроницаемых пластов;

12) в водоносных горизонтах нет свободной поверхности потока.

математические модели. Чем больше предположений применяется, тем менее точны результаты прогноза оседания земной поверхности. Для прогноза оседания в одной зоне внесение соответствующих предположений должно быть тщательно рассмотрено в зависимости от геологических условий этой зоны и объема имеющейся информации. Исправление параметров модели в соответствии с данными наблюдений также приводят к более точным результатам прогноза.

До сих пор почти во всех теоретических методах по прогнозированию оседания земной поверхности используется теория консолидации К. Терцаги (1924) в сочетании с результатами испытания грунтов на компрессионное сжатие в лаборатории. Практики и исследовательские результаты показывают, что теория одномерной консолидации наиболее осуществима для прогноза оседания земной поверхности из-за добычи подземных вод.

Вот некоторые нижеследующие модели прогнозирования оседания земной поверхности, широко применяемые в мире и во Вьетнаме.

2.1.3.1. Прогнозирование конечного оседания земной поверхности Конечное оседание земной поверхности, связанное с добычей подземных вод является суммой деформаций слоев грунта выше уровня подземных вод [53, 63]:

S – конечное оседание земной поверхности;

mvi – коэффициент относительной сжимаемости i –го слоя грунта;

0i – изменение эффективного напряжения в середине i –го слоя грунта;

ui – диссипация нейтрального напряжения в середине i –го слоя грунта;

H0i – мощность i –го слоя грунта.

Конечное оседание земной поверхности, вычисленное по формуле достаточно точное в случае, если слои водонасыщенные и мощность i –го слоя малая.

Конечное (полное) оседание земной поверхности из-за добычи подземных вод является суммой деформаций глинистых и песчаных слоев, лежащих выше уровня подземных вод [63, 65, 98, 120].

S – конечное (полное) оседание земной поверхности;

Sci – конечная деформация глинистого i –го слоя;

Sai – конечная деформация песчаного i –го слоя.

Деформация глинистого слоя определяется на основе теории одномерной консолидации К. Терцаги. В нижеследующей формуле не рассматриваются первоначальная и вторичная деформации и предположение о том, что мощность глины не изменяется в ходе консолидации. В данной формуле рассматривается только консолидированная деформация [63].

RRi – коэффициент разуплотнения глинистого i –го слоя;

CRi – коэффициент уплотнения глинистого i –го слоя;

Hoi – мощность глинистого i –го слоя;

oi – начальное эффективное напряжение в середине глинистого i –го слоя;

oi – изменение эффективного напряжения в середине глинистого i –го слоя из-за добычи подземных вод.

Cci – коэффициент компрессии глинистого i –го слоя;

Cri – коэффициент рекомпрессии глинистого i –го слоя;

e0i – начальный коэффициент пористости глинистого i –го слоя.

Деформация песчаного слоя определяется по следующей формуле:

H0i – мощность песчаного i –го слоя;

Ei – модуль деформируемости песчаного i –го слоя;

w – плотность воды;

mvi – коэффициент относительной сжимаемости песчаного i –го слоя;

dhi – изменение водного давления в середине глинистого слоя из-за добычи подземных вод.

2.1.3.2. Прогноз оседания земной поверхности во времени Способ 1:

Оседание земной поверхности в момент t из-за добычи подземных вод является суммой деформаций слоев грунта, залегающих выше уровня подземных вод в момент t:

S(t) – оседание земной поверхности в момент t;

mvi – коэффициент относительной сжимаемости i –го слоя грунта;

ui – диссипация нейтрального напряжения в середине i–го слоя грунта в момент H0i – мощность i –го слоя грунта.

Способ 2:

Оседание земной поверхности в момент t из-за добычи подземных вод является суммой деформаций слоев грунта, залегающих выше уровня подземных вод:

S(t) – оседание земной поверхности в момент t;

Sci(t) – деформация глинистого i –го слоя грунта в момент t;

Sai(t) – деформация песчаного i –го слоя грунта в момент t.

При извлечении подземных вод, нейтральное напряжение в глинистом слое будет уменьшаться на u(z,t), тогда деформация глинистого слоя определяется по следующей формуле:

Sci(t) – деформация глинистого слоя i, в момент t;

RRi коэффициент разуплотнения глинистого слоя i;

CRi – коэффициент уплотнения глинистого слоя i;

H0i – мощность глинистого слоя i;

0i – начальное эффективное напряжение в середине глинистого слоя i;

ci – давление предуплотнения в середине глинистого слоя i;