BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: , 2010 R.

Transkrypt

1 BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: , 2010 R. WYKORZYSTANIE NUMERYCZNEGO MODELU FILTRACJI WÓD PODZIEMNYCH PRZY PROJEKTOWANIU ODWODNIENIA WYKOPÓW BUDOWLANYCH NA TERENIE MODERNIZOWANEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W MYSZKOWIE THE USE OF NUMERICAL GROUNDWATER FILTRATION MODEL IN PLANNING OF DRAINAGE TRENCHES IN THE MODERNIZED WASTEWATER TREATMENT PLANT IN MYSZKÓW GRZEGORZ NIKIEL 1 Abstrakt. W artykule przedstawiono wykorzystanie numerycznego modelu filtracji wód podziemnych do określenia zakresu koniecznych prac odwodnieniowych dla projektowanych obiektów oczyszczalni ścieków w Myszkowie. Zastosowanie modelu matematycznego umożliwiło dobranie optymalnej ilości i lokalizacji studni odwadniających, z uwzględnieniem niebezpieczeństwa osiadania gruntu na skutek obniżenia zwierciadła wody pod istniejącymi obiektami. Obliczenia programem MODFLOW przeprowadzono dla 3 etapów realizacji obiektów oczyszczalni, przy różnych wariantach odwodnienia. Wynikiem obliczeń symulacyjnych są mapy prezentujące obniżenia zwierciadła wody w obszarze objętym odwodnieniem oraz oszacowane wartości osiadania gruntu stanowiące potencjalne zagrożenie dla istniejących obiektów. Słowa kluczowe: numeryczny model przepływu, lej depresyjny, odwodnienie, osiadanie. Abstract. The article presents the application of numerical model of groundwater filtration for assessment of necessary dewatering work range for the construction of wastewater treatment plant in Myszków. A mathematical model provides a possibility of selection the best quantity and location of drainage wells including the danger of land subsidence beneath existing buildings taking into account the depression of the groundwater table. Calculations with Modflow package were done for the three projected options of completion objects in a different dewatering techniques. The results of prognostic calculation are maps which show depression of groundwater table in the dewatering area and also estimating the value of land subsidence. The land subsidence is the main source of danger for existing buildings. Key words: numerical model of groundwater flow, depression cone, dewatering, subsidence. WSTĘP Numeryczny model filtracji wód podziemnych w rejonie modernizowanej oczyszczalni ścieków w Myszkowie został wykonany na zlecenie Gminy Myszków. W związku z planowaną modernizacją i rozbudową oczyszczalni ścieków dla gminy Myszków zaistniała konieczność określenia rodzaju i zasięgu prac odwodnieniowych dla wykopów obiektów posadawianych poniżej zwierciadła wody (Hermański, Nikiel, 2003a, b). Celem wykonanego modelu było określenie wielkości systemu odwadniającego i zasięgu wpływu odwodnienia w aspekcie ochrony istniejących obiektów przed osiadaniem mogącym wystąpić wskutek obniżenia zwierciadła wody. Rozwiązanie zadania oparto na algorytmie MODFLOW (McDonald, Harbaugh, 1988) wykorzystując bezpłatne oprogramowanie Processing Modflow for Windows (Chiang, Kinzelbach,1998). 1 Geobios Sp. z o.o., ul. PCK 10/3; Częstochowa, grzegorz@geobios.com.pl

2 138 Grzegorz Nikiel W artykule przedstawiono założenia do wykonanego modelu (dyskretyzacja modelowanego obszaru, warunki brzegowe), wyniki obliczeń dla 3 etapów realizacji prac od- wodnieniowych w postaci map depresji i prognozę osiadania gruntów na podstawie obliczonego obniżenia zwierciadła wody. POŁOŻENIE, MORFOLOGIA, HYDROGRAFIA Oczyszczalnia ścieków położona jest w północnej części Myszkowa przy ul. Okrzei. Powierzchnia terenu pierwotnie zrównana o wysokości 287,5 289,0 m n.p.m. lekko opada ku północy. Otoczenie oczyszczalni ścieków stanowią głównie nieużytki i łąki za wyjątkiem linii ul. Okrzei, przy której znajduje się luźna zabudowa jednorodzinna (fig. 1). Morfologicznie jest to Wyżyna Śląska, jednostka Obniżenie Górnej Warty. Jednostka ta rozciąga się prawie południkowo (linia SSE NNW) pasem szerokości 1 3 km od Zawiercia po Częstochowę, jej granicę stanowią wzniesienia progów strukturalnych jury i triasu. Fig. 1. Modernizowana oczyszczalnia ścieków w Myszkowie Modernized wastewater treatment plant in Myszków

3 Wykorzystanie numerycznego modelu filtracji wód podziemnych przy projektowaniu odwodnienia Sieć hydrograficzna w bezpośrednim otoczeniu terenu badań związana jest z rzeką Wartą i jej kanałem ulgi. Warta przepływa wzdłuż północnej granicy terenu oczyszczalni, kanał ulgi wzdłuż granicy zachodniej. Taki układ cieków ma znaczny wpływ na zakres projektowanych prac odwodnieniowych. BUDOWA GEOLOGICZNA Rejon Myszkowa stanowi fragment monokliny śląskokrakowskiej zbudowanej z utworów mezozoicznych zalegających niezgodnie na podłożu skał paleozoicznych i przykrytych osadami czwartorzędowymi. Ta forma geologiczna wskutek procesów górotwórczych uległa zaburzeniu przez wyniesienie stropu podłoża paleozoicznego i powstanie dyslokacji o przebiegu SE NW (odnowione starsze dyslokacje) i SW NE (młodsze). Utwory paleozoiczne stwierdzone zostały w zachodniej części Myszkowa na stosunkowo niewielkiej głębokości, ok m. Są to łupki syluru, których strop gwałtownie zapada w kierunku N i E. Trias we wschodniej części rejonu Myszkowa występuje w pełnym profilu, miąższość najwyższego ogniwa maleje ku zachodowi. Profil rozpoczyna się serią piaskowcową pstrego piaskowca, która osiąga znaczną miąższość na południowych peryferiach miasta. Wyżej zalega kompleks skał węglanowych retu i wapienia muszlowego. Poza częścią południową miąższość serii węglanowej (wapienie, dolomity) dochodzi do m. Osady te są przykryte utworami ilastymi triasu górnego (kajper i retyk). Ich miąższość jest bardzo zmienna: ponad 150 m w części wschodniej, m w części zachodniej i centralnej miasta. Utwory czwartorzędowe zalegające na starszym podłożu tworzą praktycznie ciągły płaszcz o zmiennej miąższości od kilkudziesięciu centymetrów w kulminacjach wzniesień do kilkudziesięciu metrów w dolinie kopalnej. Dolina ta przebiega przez centrum Myszkowa. W otworach studziennych przy ul. Kościuszki miąższość czwartorzędu wynosi m, czyli spąg zalega na rzędnej m n.p.m. Zatem przyjmując, iż dno rynny doliny kopalnej obniża się ku północy (np. rejon Poraja 240 m n.p.m., Częstochowy 200 m n.p.m.), należy sądzić, iż na wysokości oczyszczalni ścieków spąg czwartorzędu zalega na rzędnej m n. p.m., czyli na głębokości około m. Dno doliny jest zbudowane z utworów piaszczystych. W stropie, do głębokości 2 4 m występują (w pobliżu Warty), namuły organiczne oraz pyły i gliny pylaste. Niżej występują piaski drobnoziarniste przechodzące w piaski średnioziarniste ze żwirami. WARUNKI HYDROGEOLOGICZNE W profilu pionowym wody podziemne tworzą na wysokości oczyszczalni dwa piętra wodonośne: czwartorzędowe i środkowotriasowe. Piętra te są odizolowane warstwą iłów miąższości powyżej 20 m, nie mają zatem ze sobą więzi hydraulicznej. Piętro czwartorzędowe. Ze względu na zmienną miąższość oraz wykształcenie litologiczne (poza doliną kopalną, oprócz piasków występują gliny moreny dennej), uwagę skupiono wyłącznie na warstwie wodonośnej w obrębie doliny kopalnej. Utwory doliny tworzą ośrodek porowy o zróżnicowanym uziarnieniu, a tym samym i przepuszczalności. Zasilanie następuje poprzez bezpośrednią infiltrację opadów atmosferycznych i dopływów podziemnych ze stoków progów strukturalnych otaczających dolinę. Podstawą drenażu jest współczesna sieć hydrograficzna. W obrębie oczyszczalni zwierciadło wody zalega na rzędnych m n.p.m., tj. na głębokości ok. 1,0 m, a odpływ podziemny następuje ku NW. Poza jedną zarejestrowaną studnią znajdującą się na terenie firmy ABIS brak jest w tym rejonie ujęć wód podziemnych eksploatujących poziom związany z doliną kopalną. W ujęciu tym znajdującym się ok. 2 km na NE od terenu oczyszczalni ścieków, podczas próbnego pompowania osiągnięto średni współczynnik filtracji na poziomie 1, m/s. Pod koniec lat 70. XX w. na terenie oczyszczalni prowadzono odwodnienie wykopów budowlanych. Wykonano wówczas kilkanaście studni; współczynnik filtracji określony podczas tych prac mieści się w przedziale 5, , m/s; średnio 8, m/s. Triasowe piętro wodonośne. Reprezentowane jest przez posiadający łączność hydrauliczną poziom środkowego (wapień muszlowy) i dolnego (ret) triasu. Jest to ośrodek szczelinowo-porowy o znacznym uszczelinowieniu powstałym w kolejnych orogenezach. Stąd wydajności punktowych ujęć są wysokie, a wydatki jednostkowe przekraczają 10 m 3 /h 1 ms. Zwierciadło wody ma charakter naporowy, a przed intensywną eksploatacją triasu, w najbardziej obniżonej części Myszkowa występowały samowypływy. Obecnie wskutek prowadzonej eksploatacji powstał lokalny lej depresyjny obniżający zwierciadło wody do rzędnej 286 m n.p.m.

4 140 Grzegorz Nikiel NUMERYCZNY MODEL FILTRACJI W celu określenia zakresu koniecznych prac odwodnieniowych opracowano projekt odwodnienia oparty na badaniach modelowych wykonanych przy pomocy programu Processing Modflow for Windows, wykorzystujący do modelowania przepływu wód podziemnych algorytm MOD- FLOW. Dyskretyzacja i warunki brzegowe. Obszar objęty modelowaniem o wymiarach m podzielono na bloki obliczeniowe o zmiennych wymiarach bloku w zakresie 5,00 1,25 m, przy czym najmniejsze rozmiary bloków przyjęto w rejonie odwadnianych obiektów. Przy określaniu wielkości bloków obliczeniowych kierowano się zasadą, aby przyrost wielkości bloku obliczeniowego nie był większy niż 1,5 wielkości bloku poprzedniego. Łącznie obszar został podzielony na 133 bloki w osi X i 123 bloki w osi Y (fig. 1). Model wykonano jako jednowarstwowy ze swobodnym zwierciadłem wody przy ustalonych warunkach filtracji. Po podziale modelowanego obszaru na bloki przyjęto następujące warunki brzegowe: warunek III rodzaju od północy i zachodu, którym modelowano związek rzeki z wodami podziemnymi; warunek II rodzaju (Neumanna) zadano na pozostałej części modelowanego obszaru jako zasilanie powierzchniowe z infiltracji opadów w wysokości 3, m 3 /d. Otwory depresyjne (studnie) symulowano za pomocą modułu Well programu Processing Modfl ow. Wartość współczynnika filtracji w strefie oddziaływania zespołów odwadniających przyjęto w zakresie 4,3 8,6 m/d, średnio 6,9 m/d. Kalibracja. W celu ustalenia warunków początkowych wykorzystano pomiary zwierciadła wody w Warcie i kanale ulgi oraz położenie zwierciadła wody w otworach geotechnicznych wykonanych na terenie oczyszczalni (Hermański, Morawska, 1999). Kalibracja modelu przeprowadzana metodą prób i błędów polegała na zmianie współczynnika filtracji w podanym powyżej zakresie oraz optymalizacji parametrów warunku brzegowego III rodzaju. Po przeprowadzonym procesie kalibracji różnice pomiędzy położeniem zwierciadła wody na mapie wykreślonej na podstawie pomiarów terenowych a wartościami uzyskanymi na modelu nie przekraczały wartości 0,5 m. Obliczenia. W tak przygotowanym modelu symulowano drenaż warstwy wodonośnej za pomocą studni depresyjnych dla poszczególnych obiektów. Założono, że obniżenie zwierciadła wody powinno wynosić min. 0,2 m pod dnem wykopu. Wykonując obliczenia uwzględniono etapowe wykonanie prac, tzn. wykonano oddzielne obliczenia zespołów odwadniających dla poszczególnych grup obiektów wymagających odwodnienia, co wynikało z harmonogramu prac budowlanych. Wyodrębniono trzy grupy odwadnianych obiektów z założeniem, że w tym samym czasie odwadniana będzie tylko jedna grupa: grupa I osadnik wtórny (obiekt 8.2), wymagana depresja S = 7,0 m; pompownia wody technologicznej (obiekt 13) S = 2,65 m, grupa II komory nitryfikacji (obiekty 7.1, 7.2), wymagana depresja S = 2,0 m, grupa III stacja dmuchaw (obiekt 10), wymagana depresja S = 2,5 m; stacja zagęszczania i odwadniania osadu (obiekt 11) wymagana depresja S = 0,85 m; stacja magazynowania (obiekt 12) wymagana depresja S = 1,3 m; awaryjna pompownia osadu (obiekt PO) wymagana depresja S = 2,3 m. Na podstawie przeprowadzonych symulacji dla różnych wariantów rozmieszczenia studni depresyjnych określono ich niezbędną liczbę oraz wydatki i wymagane obniżenie zwierciadła wody dla poszczególnych grup odwadnianych obiektów: grupa I 6 otworów depresyjnych (S-1 S-6) pracujących z wydajnością 860 m 3 /d każdy, tj. ok. 36 m 3 /h przy obniżeniu zwierciadła wody w otworach dochodzącym do 11 m. grupa II 4 otwory depresyjne (S-7 S-10) pracujące z wydajnością 1050 m 3 /d każdy, tj. ok. 44 m 3 /h przy obniżeniu zwierciadła wody w otworach dochodzącym do 7 m. grupa III 3 otwory depresyjne (S-11 S-13) i dodatkowo wykorzystanie otworu S-10 dla obiektów 10, 11 i 12 oraz 2 otwory (S-13, S-14) dla obiektu PO. Otwory S-11 i S-12 powinny pracować z wydajnością 800 m 3 /d każdy, tj. ok. 34 m 3 /h przy obniżeniu zwierciadła wody w otworach dochodzącym do 5,6 m, a otwory S-10 i S-13 z wydajnością 750 m 3 /d każdy, tj. ok. 32 m 3 /h przy obniżeniu zwierciadła wody w otworach dochodzącym do 4,8 m. Dla odwodnienia obiektu PO należy pompować wodę z każdego z otworów S-14 i S-15 z wydajnością 600 m 3 /d, tj. ok. 25 m 3 /h przy obniżeniu zwierciadła wody w otworach dochodzącym do 4,2 m. W tabeli nr 1 przedstawiono sumę wydajności zespołów odwadniających i maksymalne wartości depresji dla poszczególnych grup obiektów. Na figurach 2 4 przedstawiono mapy depresji, podczas odwodnienia poszczególnych grup obiektów przy założeniu, że poszczególne zespoły odwadniające grupy obiektów nie działają jednocześnie. Wielkości poszczególnych zespołów odwadniających Grupa obiektów Values of each drainage system Liczba studni Sumaryczna wydajność zespołu odwadniającego [m 3 /d] Tabela 1 Maksymalna wymagana depresja [m] I 8.2, ,0 II 7.1, ,0 III 10, 11, 12, PO ,5 2,3

5 Wykorzystanie numerycznego modelu filtracji wód podziemnych przy projektowaniu odwodnienia... Fig. 4. Mapa depresji obiekty grupy III Objaśnienia na fig. 2 Map of depression objects of group III Fig. 2. Mapa depresji obiekty grupy I For explanation see Fig. 2 Map of depression objects of group I Fig. 3. Mapa depresji obiekty grupy II Objaśnienia na fig. 2 Map of depression objects of group II For explanation see Fig. 2 Fig. 5. Mapa osiadania gruntu Map of ground subsidence 141

6 142 Grzegorz Nikiel PROGNOZA OSIADANIA Obniżenie zwierciadła wody wskutek odwodnienia powoduje zmianę rozkładu sił w gruncie, a w konsekwencji jego zagęszczenie i osiadanie. Zjawisko takie jest szczególnie niekorzystne w przypadku prowadzenia odwodnień w pobliżu istniejących obiektów budowlanych, gdyż w przypadku ich lokalizacji na zboczu leja depresyjnego może wystąpić nierównomierne osiadanie i uszkodzenie konstrukcji obiektu. W celu określenia wielkości osiadania wykorzystano wzory zaproponowane przez Mielcarzewicza (1971). Jako dane wejściowe posłużyły przede wszystkim mapy rozkładu depresji dla odwodnienia poszczególnych obiektów oraz przyjęte parametry gruntów występujących w rejonie posadowienia tych obiektów. Obliczone tą metodą wielkości osiadania są przybliżone, jednak przyjmując bezpieczne wartości parametrów wejściowych (ściśliwość i porowatość gruntu) uzyskane wyniki zapewniają niezbędny margines bezpieczeństwa. Obliczenia przeprowadzono dla wartości depresji w przedziale 1 7 m, z krokiem co 0,5 m. Dla uzyskanych wartości osiadania wykreślono izolinie przewidywanego osiadania pod wpływem odwodnienia. Mapę osiadania dla poszczególnych grup odwadnianych obiektów przedstawiono na figurze 5. Analiza wyników przewidywanych osiadań gruntu w wyniku obniżenia zwierciadła wody wskazuje, że w przypadku odwadniania obiektów grupy II i III nie powinny wystąpić żadne zagrożenia dla istniejącej infrastruktury. Największe obliczone osiadania w rejonie istniejących obiektów nie przekraczają 1,25 cm, co jest wartością zawierającą się w dolnym przedziale dopuszczalnych wartości osiadań. Natomiast podczas odwadniania obiektów grupy I, z uwagi na większe obniżenie zwierciadła wody, prognozowane osiadania gruntu mogą niekorzystnie wpływać na następujące obiekty: zbiornik 8.1 wystąpi nieznaczna różnica osiadań, która nie zagraża konstrukcji zbiornika; kanał żelbetowy Ø 800 mm odprowadzający oczyszczone ścieki do odbiornika wielkość osiadania wyniesie od 1 do 6 cm, co grozi rozszczelnieniem połączeń kielichowych. Podczas prac odwodnieniowych należy prowadzić monitoring tych obiektów pozwalający na bieżąco oceniać ich stan techniczny. PODSUMOWANIE Na podstawie numerycznego modelu filtracji określono wielkości i parametry zespołów odwadniających dla odwodnienia wykopów budowlanych projektowanych obiektów oczyszczalni ścieków w Myszkowie. Zastosowanie modelu matematycznego pozwoliło na przeprowadzenie obliczeń dla różnej ilości otworów depresyjnych, w celu optymalizacji wielkości zespołów odwadniających i minimalizacji zasięgu oddziaływania odwodnienia. W wyniku modelowania otrzymano mapy rozkładu depresji wokół odwadnianych grup obiektów, na podstawie których obliczono możliwe osiadanie gruntów wynikające z obniżenia zwierciadła wody. LITERATURA CHIANG WEN-HSING, KINZELBACH W., 1998 Processing Modflow a simulation system for modeling groundwater flow and pollution. ETH Zurych, Institut für Hydromechanik und Wasserwirtschaft. Zürich. HERMAŃSKI S., MORAWSKA M., 1999 Dokumentacja geotechniczna dla projektowanych obiektów modernizowanej oczyszczalni ścieków w Myszkowie. Arch. GEOBIOS Sp. z o.o., Częstochowa. HERMAŃSKI S., NIKIEL G., 2003a Dokumentacja określająca warunki hydrogeologiczne w związku z projektowanym odwodnieniem obiektów modernizowanej oczyszczalni ścieków w Myszkowie. Arch. GEOBIOS Sp. z o.o., Częstochowa. HERMAŃSKI S., NIKIEL G., 2003b Projekt odwodnienia wykopów budowlanych na terenie modernizowanej oczyszczalni ścieków w Myszkowie. Arch. GEOBIOS Sp. z o.o., Częstochowa. McDONALD M.G., HARBAUGH A.W., 1988 A modular threedimensional finite-difference ground-water flow model. Techniques of Water-Resources Investigations, Book 6. U.S. Geological Survey. MIELCARZEWICZ E.W., 1971 Melioracje miejskie i przemysłowe. Wydanie II, PWN Warszawa-Wrocław.