MODELOWANIE PRZEPŁYWU WÓD PODZIEMNYCH PODCZAS ODWADNIANIA WYKOPU STACJI DRUGIEJ LINII METRA W WARSZAWIE

BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: 167 172, 2010 R. MODELOWANIE PRZEPŁYWU WÓD PODZIEMNYCH PODCZAS ODWADNIANIA WYKOPU STACJI DRUGIEJ LINII METRA W WARSZAWIE GROUNDWATER FLOW MODELLING DURING DEWATERING OF STATION PIT OF THE SECOND LINE OF WARSAW SUBWAY EDWARD WIENCŁAW 1, EUGENIUSZ KODA 1 Abstrakt. W ramach drugiej linii metra w Warszawie wykonanych będzie dwadzieścia osiem stacji, z których trzynaście zlokalizowano na terenie wysoczyzny polodowcowej, pozostałe w dolinie Wisły. W pierwszej kolejności realizowany jest jej centralny odcinek o długości 6 km, na którym zbudowanych zostanie 7 stacji: Rondo Daszyńskiego, Rondo ONZ, Świętokrzyska, Nowy Świat, Powiśle, Stadion i Dworzec Wileński. Prezentowany przykład badań modelowych przepływu wody podziemnej wykonano na potrzeby wspomagania projektowania wykopu stacji B-10 Rondo Daszyńskiego. Wykop o głębokości 20 m będzie zagłębiony do 5 m poniżej stropu użytkowego poziomu wodonośnego. Wstępna koncepcja wykonania wykopu zakładała odwadnianie z jego wnętrza, w osłonie ścian szczelinowych wykonanych do głębokości 10 m poniżej dna wykopu. Wyniki badań modelowych miały odpowiedzieć na dwa następujące pytania: (1) jak będzie kształtował się wydatek odwodnienia wykopu? i (2) czy ściany szczelinowe na tyle wystarczająco ograniczą lej depresji związany z odwodnieniem wykopu, aby nie doszło do osiadania podłoża gruntowego pod istniejącymi obiektami budowlanymi? Do obliczeń symulacyjnych odwodnienia wykopu i przepływu wód podziemnych w jego rejonie wykorzystano program numeryczny FEMWATER A three-demensional fi nite element computer model for simulating density-dependent fl ow and transport in variably saturated media z pakietu GMS (Groundwater Modeling System). Obliczenia wykonano dla rozważanego wariantu głębokości wykonania ściany szczelinowej do głębokości 10 m oraz jako porównawcze, do głębokości 5 i 15 m poniżej dna wykopu. Pomimo uwzględnienia w badaniach ścian szczelinowych, z prognozy uzyskano znaczne wydatki odwodnienia wykopu i obniżenie ciśnienia hydrostatycznego w gruncie otaczającym wykop, co może stanowić zagrożenie dla zasobów wód podziemnych oraz zagrożenie dla pobliskich budynków w wyniku osiadania podłoża. Wyniki prognozy mogą skłonić inwestora do podjęcia decyzji o realizacji wykopu z zastosowaniem bariery iniekcyjnej w strefie między ścianami szczelinowymi. Słowa kluczowe: modelowanie numeryczne, przepływ wód podziemnych, ściany szczelinowe, odwodnienia budowlane. Abstract. Within the Second Subway Line 28 stations will be constructed, 13 of them are localized on the postglacial plateau area and the rest of them in Vistula Valley. At the first stage, central part of subway line of 6 km long, consisting of 7 stations, i.e. Rondo Daszyńskiego, Rondo ONZ, Świętokrzyska, Nowy Świat, Stadion and Dworzec Wileński, has been constructed. The paper presents the example of groundwater flow modeling for the design of the pit station B-10 named Rondo Daszyńskiego. The pit station of the depth of 20 m, will be immersed below the roof of usable aquifer. Preliminary conception of the pit excavation assumed dewatering its inside with the use of cut-off walls to the depth of 10 m below pit bottom. The modeling were performed to answer two following questions: (1) what will be the discharge capacity during dewatering? and (2) will cut-off walls reduce the depression cone to protect subsoil settlement under existing buildings? 1 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Inżynierii i Kształtowania Środowiska, Katedra Geoinżynierii, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa; e-mail: edward_wienclaw@sggw.pl

168 Edward Wiencław, Eugeniusz Koda The numerical modeling of the pit excavation dewatering was performed with the use of FEMWATER numerical program A Three- Dimensional Finite Element Computer Model for Simulation Density-Dependent Flow and Transport in Variably Saturated Media from the range of GMS (Groundwater Modeling System). The simulation was performed for the case of 10 m depth of cut-off walls and additionally for the depth of 5 and 15 m below the pit bottom. Despite that cut-off wall was taken into account, simulation results indicated considerable discharge capacity and decreasing of piezometric pressure in surroundings. These can be dangerous for groundwater resources and settlement of nearest buildings subsoil. The results of modeling can make the decision to realize the station pit with the lateral injection barrier in the zone between cut-off walls. Key words: numerical modeling, groundwater flow, cut-off wall, pit excavation dewatering. WSTĘP Długość drugiej linii metra w Warszawie ma wynosić 31 km. Wykonanych będzie dwadzieścia osiem stacji, z których trzynaście zlokalizowano na terenie wysoczyzny polodowcowej, pozostałe w dolinie Wisły. W pierwszej kolejności realizowany jest jej centralny odcinek o długości 6 km, na którym zbudowanych zostanie 7 stacji: Rondo Daszyńskiego, Rondo ONZ, Świętokrzyska, Nowy Świat, Powiśle, Stadion i Dworzec Wileński (fig. 1). Budowę centralnego odcinka rozpoczęto w kwietniu 2010 roku. Wszystkie stacje metra wykonywane będą metodą odkrywkową. Z uwagi na gęstą zabudowę miejską i silne zawodnienie gruntów w rejonie większości stacji, roboty ziemne będą prowadzone w osłonie ścian szczelinowych. Zadaniem ścian szczelinowych, które stanowią element konstrukcji obudowy stacji, jest zabezpieczenie stateczności ścian wykopów oraz pełnienie roli ekranu przeciwfiltracynego. Prowadzenie odwodnień głębokich wykopów w rejonie intensywnej zabudowy miejskiej może prowadzić do zagrożeń filtracyjnych dla istniejących budynków (Wang i in., 2009), dlatego prognoza skutków przebiegu prac odwodnieniowych powinna być przeprowadzona już we wstępnej fazie projektu. Prezentowany przykład badań modelowych przepływu wody podziemnej wykonano na potrzeby wspomagania projektowania wykopu stacji B-10 Rondo Daszyńskiego. Wykop o głębokości 20 m będzie zagłębiony ok. 5 m poniżej stropu użytkowego poziomu wodonośnego. Wstępna koncepcja wykonania wykopu zakładała odwadnianie z jego wnętrza, w osłonie ścian szczelinowych wykonanych do głębokości 10 m poniżej dna wykopu. Wyniki badań modelowych miały pozwolić odpowiedzieć na następujące dwa pytania: jak będzie kształtował się wydatek odwodnienia wykopu? i czy ściany szczelinowe na tyle wystarczająco ograniczą lej depresji związany z odwodnieniem wykopu, Fig. 1. Lokalizacja stacji B-10 Rondo Daszyńskiego drugiej linii metra w Warszawie Location of B-10 Rondo Daszyńskiego Station of the second subway line in Warsaw aby nie doszło do osiadania podłoża gruntowego pod istniejącymi obiektami budowlanymi? Do obliczeń symulacyjnych odwodnienia wykopu i przepływu wód podziemnych w jego rejonie wykorzystano program numeryczny FEMWATER A three-demensional finite element computer model for simulating densitydependent flow and transport in variably saturated media z pakietu GMS Groundwater Modeling System (EMRL, 2005). OBIEKT BADAŃ Założenia projektowe wykonania wykopu stacji B-10. Stacja B-10 zlokalizowana jest na zachód od Ronda Daszyńskiego w Warszawie. W sąsiedztwie stacji przeważa gęsta i wysoka zabudowa mieszkalno-biurowa. W odległości 50 m od stacji, znajduje się ujęcie wód podziemnych. Stacja wykona będzie metodą odkrywkową w osłonie ścian szczelinowych. Długość wykopu będzie wynosiła 200 m, szerokość od 21 do 22 m, a głębokość 20 m. Ściany będą grubości 0,6 m i głębokości 30 m. Odwodnienie wykopu będzie realizowane z jego wnętrza, w taki sposób i z taką wydajnością, aby wysokość zwierciadła piezometrycznego wód występujących w dnie wykopu w okresie pierwszych 90 dni była obniżana od wartości początkowej H 25,5 m do H = 13 m n. 0 Wisły w sposób

Modelowanie przepływu wód podziemnych podczas odwadniania wykopu stacji drugiej linii metra w Warszawie 169 Fig. 2. Założona wysokość zwierciadła 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 liniowy, a następnie, aby była utrzymywana na stałej wysokości H = 13 m n. 0 Wisły, tj. 1 m poniżej dna wykopu (fig. 2). Projektowana maksymalna depresja w dnie wykopu wynosi S = 12,5 m. Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne. Powierzchnia terenu rejonu stacji B-10 położona jest na wysokości od 32 do 36 m nad 0 Wisły. Jest to teren wysoczyzny polodowcowej, antropogenicznie przekształconej w wyniku miejskiego zagospodarowania. Podłoże stacji stanowią utwory plejstoceńskie o miąższości od 40 do 60 m (Wolski, 2004), zalegające na iłach plioceńskich. Syntetyczny profil genetyczno-stratygraficzny serii utworów plejstoceńskich obejmuje następujące warstwy (w kolejności od najmłodszych, fig. 3): osady fluwioglacjalne młodsze zlodowacenia warty (Qf 3 ), wykształcone jako piaski średnio- i drobnoziarniste oraz pylaste, wymieszane z pokrywającymi je gruntami antropogenicznymi (N), opisanymi jako gliniasto-gruzowate i piaszczysto-gruzowe; osady zastoiskowe zlodowacenia warty (Ql 3 ), opisane jako glina, glina pylasta, pyły piaszczyste, piaski pylaste i piaski drobnoziarniste; osady morenowe zlodowacenia warty (Qg 3 ), reprezentowane przez piaski gliniaste, gliny piaszczyste i gliny pylaste oraz przez pyły piaszczyste; osady fluwioglacjalne starsze zlodowacenia warty (Qf 3 ), opisane jako piaski średnio- i drobnoziarniste oraz miejscami jako piaski średnioziarniste ze żwirami; osady zastoiskowe zlodowacenia odry (Ql 2 ), opisane jako glina, glina pylasta, pyły piaszczyste i piaski pylaste z piaskami drobnoziarnistymi, osady morenowe zlodowacenia odry (Qg 2 ), reprezentowane przez glinę zwałową, która makroskopowo opisana została jako piaski gliniaste i gliny piaszczyste oraz jako gliny pylaste, osady fluwioglacjalne zlodowacenia odry (Qf 2 ), wykształcone w postaci piasków drobno- i średnioziarnistych z przewarstwieniami żwirów i pyłów, osady rzeczne interglacjału mazowieckiego (Qr 1 ), wykształcone w postaci piasków średnioziarnistych z dużą zawartością żwirów i otoczaków oraz piasków drobnoziarnistych, piasków pylastych i pyłów. Osady fluwioglacjalne zlodowacenia warty (Qf 3 ) stanowią pierwszy od powierzchni terenu poziom wodonośny, charakteryzujący się zarówno zwierciadłem napiętym, jak i swobodnym, nawierconym na głębokości od 4 do 8 m p.p.t. Osady fluwioglacjalne zlodowacenia odry (Qf 2 ) i rzeczne interglacjału mazowieckiego (Qr 1 ) stanowią drugi od powierzchni terenu poziom wodonośny. Jest to poziom wodonośny o ciągłym rozprzestrzenieniu i zwierciadle napiętym. Zwierciadło piezometryczne tego poziomu występuje na głębokości od 5 do 7 m p.p.t. Fig. 3. Przekrój hydrogeologiczny wzdłuż stacji B-10 Rondo Daszyńskiego Hydrogeological cross-section along B-10 Rondo Daszyńskiego Subway Station

170 Edward Wiencław, Eugeniusz Koda MODEL PRZEPŁYWU WÓD PODZIEMNYCH Do budowy modelu wykorzystano pakiet oprogramowania o nazwie FEMWATER (Lin i in., 1997; Yeh, 1987). Podstawą modelu komputerowego FEMWATER jest trójwymiarowe rozwiązanie zagadnienia przepływu wód podziemnych opisanego równaniem Richards a (El-Hames, Richards, 1995). Rozwiązanie zagadnienia oparte jest na schemacie metody elementu skończonego. Geometria modelu ściśle odwzorowuje geometrię wydzielonych warstw osadów i gruntów podłoża stacji (fig. 4). Wartości współczynnika filtracji ks, objętościowej zawartości wody θ(h) i względnej przewodności hydraulicznej kr(h) gruntów przyjęte w modelu, przedstawiono w tabeli 1. Zależności θ(h) i kr(h) zaczerpnięto z literatury (Marsel, Parrish, 1988) i zdefiniowano w modelu jako funkcje liniowe. Dolną granicę modelu stanowi powierzchnia stropu iłów plioceńskich, uznana w modelu za granicę nieprzepuszczalną. Ze wzoru Sichardta w postaci R = 3000S k, w którym S = 12,5 m i k = 5 10 4 m/s, promień zasięgu depresji R wywołanej odwodnieniem wykopu oszacowano na 840 m. Z uwagi na zakładane znaczne ograniczenie leja depresji, związanego z odwodnieniem wykopu w osłonie ścian szczelinowych, w badaniach modelowych uwzględniono mniejszą powierzchnię terenu aniżeli wynika to ze wzoru Sichardta. Powierzchnia odwzorowanego terenu wynosi około 1,3 km2. Północna i południowa granica modelu zostały przyjęte w badaniach jako granice bez przepływu (q = 0). Przyjęcie granic o warunku q = 0 wynikało z założenia, iż mogą one pokrywać się z kierunkami przepływu podziemnego zarówno dla obecnie rozpoznanej sytuacji hydrogeologicznej, jak i dla sytuacji w okresie odwadniania wykopu. Tabel a 1 Parametry materiałowe do modelowania numerycznego Material parameters for numerical modelling Rodzaj materiału Material ks [m/s] θ [cm3/cm3] N+Qf3 1 10-6 0,065 0,41 0,02 1 Qg3+Ql3 1 10-8 0,1 0,38 0,036 1 Qf3 1 10-5 0,045 0,43 0,0005 1 Qg2+Ql2 1 10-8 0,1 0,38 0,036 1 Qf2+Qr1 5 10-4 0,045 0,43 0,0005 1 kr [ ] Odległość północnej granicy od stacji wynosi 500 m, a południowej 550 m. Zachodnia granica modelu została przyjęta w odległości 550 m, a wschodnia 400 m od stacji. Granice te, wzdłuż pionowych powierzchni należących do materiału oznaczonego symbolem Qf2+Qr1 odwzorowano jako ograniczenia o warunkach brzegowych: H = 26,0 m wzdłuż zachodniej granicy i H = 24,5 m n. 0 Wisły wzdłuż granicy wschodniej modelu. Powierzchnię terenu odwzorowano jako obszar o warunku q = 36,5 mm/rok, odpowiadający natężeniu infiltracji efektywnej. Skonstruowany model poddano kalibracji. W tym etapie badań modelowych dokonano porównania reakcji modelu, o wariantowo przyjętych wartościach współczynnika filtracji poszczególnych warstw, z rozpoznaną sytuacją hydrogeologiczną w rejonie analizowanej stacji B-10. Symulację przepływu wód podziemnych przeprowadzono dla ustalonych warunków przepływu. Uzyskane wyniki rozwiązań w po- Fig. 4. Bryła modelu numerycznego 3-D GMS/FEMWATER dla odwzorowania przepływu wód podziemnych w warunkach odwadniania wykopu stacji 3-D GMS/FEMWATER numerical model for simulation of groundwater flow during dewatering of the subway station pit

Modelowanie przepływu wód podziemnych podczas odwadniania wykopu stacji drugiej linii metra w Warszawie 171 staci wysokości hydraulicznej porównano z wysokościami zwierciadła piezometrycznego pomierzonymi w otworach wiertniczych. Najlepszą zgodność pomierzonego zwierciadła piezometrycznego z wartościami obliczonymi w symulacji uzyskano dla wariantu o następujących wartościach współczynnika filtracji strefy saturacji wyróżnionych warstw (Wiencław i in., 2007): warstwa N+Qf 3 k s = 1 10 6 m s 1, warstwa Qg 3 +Ql 3 k s = 1 10 8 m s 1, warstwa Qf 3 k s = 1 10 5 m s 1, warstwa Qg 2 +Ql 2 k s = 1 10 8 m s 1 i warstwa Qf 2 +Qr 1 k s = 5 10 4 m s 1. Następnie, odwzorowano na modelu projektowany wykop i zabezpieczające go ściany szczelinowe poprzez usunięcie z bryły modelu odpowiednich elementów siatki dyskretyzacyjnej. Uzyskane w ten sposób pionowe ściany wewnątrz bryły modelu spełniają warunek q = 0. Bryła modelu składa się z 20 440 elementów. Odwodnienie wykopu odwzorowano poprzez przypisanie węzłom siatki modelu zlokalizowanym w dnie wykopu warunku brzegowego H = H d (t), odpowiednio do założeń projektowych (fig. 2). Obliczenia numeryczne wpływu odwodnienia wykopu na warunki hydrogeologiczne w rejonie stacji wykonano dla okresu czasu od t = 0 (rozpoczęcie odwodnienia) do t = 1095 dni. Jako warunek początkowy przyjęto wartości wysokości hydraulicznej uzyskane z symulacji przepływu na etapie kalibracji modelu. Obliczenia wykonano dla rozważanego wariantu głębokości wykonania ściany szczelinowej wynoszącej 10 m oraz jako warianty porównawcze, do głębokości 5 i 15 m poniżej dna wykopu, celem oceny wpływu głębokości ścian szczelinowych na wydatek odwodnienia wykopu i ograniczenie leja depresji oraz optymalnego dla potrzeb odwodnienia wyboru głębokości ścian szczelinowych. WYNIKI OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH Prognozowany wydatek odwodnienia wykopu stacji B-10 uzyskano sumując wydatki przypisanie węzłom siatki modelu odwzorowującym realizację odwodnienia. Przebieg zmian wydatku odwodnienia w czasie ilustruje figura 5. Od momentu rozpoczęcia do 90 dnia odwadniania wykopu, wydatek odwodnienia wzrasta w sposób liniowy od zera do maksymalnych wielkości wynoszących 355, 395 i 417 dm 3 s 1, odpowiednio dla analizowanych wariantów wykonania ścian szczelinowych 5, 10 i 15 m poniżej dna wykopu. Ustalenie wydatku odwodnienia wykopu nastąpi po upływie 270 360 dni. Określony na podstawie badań modelowych ustalony wydatek odwodnienia wykopu wynosi odpowiednio: 300 dm 3 s 3 dla wariantu wykonania ścian szczelinowych 5 m poniżej dna wykopu, 290 dm3 s 1 dla wariantu wykonania ścian szczelinowych 10 m poniżej dna wykopu i 270 dm 3 s 1 dla wariantu wykonania ścian szczelinowych 15 m poniżej dna wykopu. Prognozowana maksymalna depresja zwierciadła piezometrycznego drugiego poziomu wodonośnego przy ścianie szczelinowej wynosi: 10,6 m, 9,9 i 9,1 m dla wariantu wykonania ścian szczelinowych do głębokości odpowiednio 5, 10 i 15 m poniżej dna wykopu (fig. 6). W miarę oddalania się od wykopu depresja maleje, wynosi ona jednak ponad 4 m w odległości 500 m na północ i ponad 3 m w odległości 500 m na południe od wykopu (fig. 7). Fig. 5. Prognozowany wydatek odwodnienia (Q) wykopu stacji w funkcji czasu (t); 1, 2, 3 wydatki dla wariantów wykonania ściany szczelinowej do głębokości odpowiednio 5, 10 i 15 m poniżej dna wykopu Predicted dewatering discharge capacity (Q) from the subway station pit as the time function (t), where: 1, 2 and 3 discharges of groundwater for different cut-off walls depending on the depth of respectively: 5, 10 and 15 m below bottom of subway station pit Fig. 6. Prognozowana depresja zwierciadła piezometrycznego drugiego poziomu wodonośnego przy ścianie szczelinowej na tle depresji w dnie wykopu: 1 depresja w dnie wykopu, 2, 3 i 4 depresja dla wariantu wykonania ścian szczelinowych do głębokości odpowiednio 5, 10 i 15 m poniżej dna wykopu Predicted depression of piezometric level of the second aquifer close to the cut-off wall in comparison with depression in the bottom of subway station pit (1), where: 2, 3 and 4 depression for different cut-off walls depending on the depth of respectively: 5, 10 and 15 m below bottom of subway station pit

172 Edward Wiencław, Eugeniusz Koda Fig. 7. Prognozowany lej depresji drugiego poziomu wodonośnego w 365 dniu odwadniania wykopu stan dla wariantu wykonania ścian szczelinowych do głębokości 10 m poniżej dna wykopu Predicted depression cone of the second aquifer at 365th day of station pit dewatering for the example of cut-off wall variant to the depth of 10 m below bottom of subway station pit PODSUMOWANIE Pomimo uwzględnienia w badaniach różnych głębokości ścian szczelinowych, z prognozy uzyskano znaczne wydatki odwodnienia wykopu i obniżenie ciśnienia hydrostatycznego w gruncie otaczającym wykop, co może stanowić zagrożenie dla zasobów wód podziemnych oraz zagrożenie dla pobliskich budynków w wyniku osiadania podłoża. Wyniki prognozy skłaniają do podjęcia decyzji o realizacji wykopu z zastosowaniem poziomej bariery iniekcyjnej w strefie między ścianami szczelinowymi. LITERATURA CARSEL R.F., PARRISH R.S., 1988 Developing joint probability distribution of soil-water retention characteristics. Water Resour. Res., 24, 5: 755 769. EL-HAMES A.S., RICHARDS K.S., 1995 Testing the numerical difficulty applying Richards equation to sandy and clayey soils. J. Hydrol., 167: 381 391. EMRL, 2005 Groundwater modeling system tutorial, Volume I IV. Brigham Young University, UT. LIN H.C., RICHARDS D.R., YEH G.T., CHENG J.R., CHENG H.P., JONES N.L., 1997 FEMWATER: A three-dimensional finite element computer model for simulating densitydependent flow and transport in variably saturated media, Technical Report CHL-97-12, U.S. Army Corps of Engineers, 151 pp. 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. WIENCŁAW E., KODA E., KOŁANKA T., 2007 Numeryczny model przepływu wód podziemnych do potrzeb odwodnienia wykopu stacji Rondo Daszyńskiego drugiej linii metra w Warszawie. Inż. Morska i Geotechnika, 4: 232 239. WOLSKI W., 2004 Zbiorcza dokumentacja hydrogeologiczna dla odcinka śródmiejskiego: stacja Rondo Daszyńskiego stacja Dworzec Wileński. Konsorcjum GEOTEKO SGGW GEOPROJEKT, Warszawa. YEH G.T., 1987 3DFEMWATER: a three-dimensional finite element computer model of water flow trough saturated-unsaturated media. PSU Technical Report. Department of Civil Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA.