Оценка факторов, влияющих на развитие оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай
|
Аннотация 3
Продолжение содержания 5
Графические приложения 5
Список иллюстраций 5
Список таблиц 6
Список обозначений и сокращений 5
Введение 7
1. Физико-географический очерк 10
2. История развития оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай 12
3. Геологическое строение 14
3.1. Стратиграфия 14
3.2. Тектоника 20
4. Гидрогеологические условия 21
5. Инженерно-геологические условия 27
6. Специфические грунты 30
6.1. Методика определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного
составов слабых глинистых грунтов 33
6.2. Методика определения коэффициента фильтрации слабых глинистых грунтов 36
6.1. Методика определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного
составов слабых глинистых грунтов 37
7. Геологические и инженерно-геологические процессы 41
7.1. Факторы оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай 41
7.2. Характеристики и закономерности оседания земной поверхности в прибрежной
зоне г. Шанхай 42
8. Мониторинг и оценка процессовоседаний земной поверхностина основе
интерферометрической обработки данных космического радиолокационного зондирования 58
8.1. Теоретические основы использования метода InSAR для мониторинга оседания земной поверхности 58 PALSAR 59
9. Методика прогноза оседания земной поверхности в результатеизвлечения подземных вод 69
9.1. Основные этапы прогнозирования оседания земной поверхности 69
9.2. Моделирование развития величин осадок во времени по МКЭ 69
9.3. Анализ результатов прогноза оседания земной поверхности на ближайшие годы в
прибрежной зоне г. Шанхая 71
Заключение 74
Список использованных источников
Продолжение содержания 5
Графические приложения 5
Список иллюстраций 5
Список таблиц 6
Список обозначений и сокращений 5
Введение 7
1. Физико-географический очерк 10
2. История развития оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай 12
3. Геологическое строение 14
3.1. Стратиграфия 14
3.2. Тектоника 20
4. Гидрогеологические условия 21
5. Инженерно-геологические условия 27
6. Специфические грунты 30
6.1. Методика определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного
составов слабых глинистых грунтов 33
6.2. Методика определения коэффициента фильтрации слабых глинистых грунтов 36
6.1. Методика определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного
составов слабых глинистых грунтов 37
7. Геологические и инженерно-геологические процессы 41
7.1. Факторы оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай 41
7.2. Характеристики и закономерности оседания земной поверхности в прибрежной
зоне г. Шанхай 42
8. Мониторинг и оценка процессовоседаний земной поверхностина основе
интерферометрической обработки данных космического радиолокационного зондирования 58
8.1. Теоретические основы использования метода InSAR для мониторинга оседания земной поверхности 58 PALSAR 59
9. Методика прогноза оседания земной поверхности в результатеизвлечения подземных вод 69
9.1. Основные этапы прогнозирования оседания земной поверхности 69
9.2. Моделирование развития величин осадок во времени по МКЭ 69
9.3. Анализ результатов прогноза оседания земной поверхности на ближайшие годы в
прибрежной зоне г. Шанхая 71
Заключение 74
Список использованных источников
В рамках магистерской программы предусмотрено прохождение производственной практики. Производственная практика была пройдена в SGIDI Engineering Consulting (group) в Шанхае 2016 году. Под руководством Шанхайской геологической службы, были выполнены следующие пункты плана практики. Первый пункт плана - рекогносцировочное обследование территории исследования, проходка шурфов, наблюдение за гидрогеологическими условиями. Второй пункт плана - лабораторные и полевые исследования физико-механических свойств грунтов, анализ данных PS-InSAR (деформация земной поверхности территории исследования), поступающих с космического радиолокационного аппарата, а также оценка и прогноз развития процесса оседания земной поверхности.
Диссертация объединяет результаты трехмерного обследования города,выполненные в 2010 году. Основываясь на особых условиях геологической среды прибрежной зоны Шанхая, был выполнен сбор существующих региональных геологических данных и соответствующих результатов исследований, проведено обследование изменения уровня подземных вод, а также мониторинг деформации земной поверхности, с целью оценки состояния, последствий и опасности процесса оседания земной поверхности в прибрежной зоне Шанхая.
Актуальность темы исследования. Шанхай является крупнейшим по численности населения городом Китая и мира. Он расположен в дельте реки Янцзы на востоке Китая. Под Шанхаем залегают неконсолидированные осадки мощностью около 300 м, содержащие большое число водоносных горизонтов, из которых выкачивается вода для хозяйственных нужд. Расположение прибрежной зоны на особо сложной природной территории, активное проявление опасных геологических процессов природного и техногенного характера, а также широкое распространение слабых грунтов создает большие трудности при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.
Оседание земной поверхности является одним из опасных геологических процессов, которое происходит на территории г. Шанхай. В последние десятилетия оседание земной поверхности стало широко распространенным явлением, его изучением и борьбой с ним заняты многие ученые и инженеры, оно стало международной проблемой, обсуждаемой на научных симпозиумах. Оседание поверхности земли, вызванное технической деятельностью человека, происходит по многим причинам, провалы часто приводят к опасным последствиям. Так, оседания земной поверхности могут вызвать подтопление и заболачивание территорий, деформацию автотрасс, железнодорожного полотна, водопроводных труб и других коммуникаций, изменение уклонов русел рек, деформацию промышленных и гражданских сооружений.
Результаты исследований в городской части Шанхая свидетельствуют о том, что процесс оседания земной поверхности связан с уплотнением слабопроницаемых глинистых отложений, и основная причина — чрезмерное использование подземных вод. Оседание проявляется в виде значительных вертикальных деформаций поверхности, вследствие длительных интенсивных отборов подземных вод. Общая глубина просадки на перекрестке улиц Пекина и Тибета за период между 1921 и 1966 г. составила 2,63 м. Сходные проблемы характерны для многих крупных приморских городов, интенсивно эксплуатирующих подземные воды.
Оценка факторов, влияющих на развитие этого явления в прибрежной зоне г. Шанхай имеет большое значение в предупреждении и уменьшении его вреда в отношении гражданских и промышленных сооружений.
Цель работы заключается в комплексном изучении инженерно-геологических условий территории для выявления причин и основных закономерностей процесса оседания земной поверхности и прогноз его развития в прибрежной зоне г. Шанхай.
В сочетании с актуальными проблемами, для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи:
1. Сбор и обработка данных по инженерно-геологической и гидрогеологической изученности исследуемой территории и сопредельных территорий;
2. Рекогносцировочное обследование территории исследования;
3. Лабораторные и полевые исследования физико-механических свойств слабых глинистых грунтов;
4. Выявление факторов и причин оседания земной поверхности на участках с различными типами состава, строения, состояния и свойств грунтовых толщ;
5. Анализ характеристик и закономерностей развития оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай в настоящее время.
6. Мониторинг и оценка процессов оседаний земной поверхности на основе интерферометрической обработки данных космического радиолокационного зондирования (science service support of TerraSAR-X, Envisat/ASAR, ALOSPALSAR).
7. Прогноз оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод в прибрежной зоне г. Шанхай.
Объектом исследования магистерской диссертации является прибрежная зона г. Шанхай, Китай.
В работе использованы традиционные методы сбора и обработки геологической информации, а также современные методы накопления и статистической обработки данных и построения картографических моделей и разрезов (MS Exсel, AutoCAD, ArcGIS, Photoshop, SARscape, Программный комплекс на основе Modflow из SGIDI).
Автор выражает огромную благодарность и искреннюю признательность научному руководителю, кандидату технических наук, Латыпову А.И., а также Чэнь Ган за оказание консультативной и методической помощи при написании магистерской диссертации, а также Шанхайскому институту геологической разведки (SIGS) за предоставление данных космического радиолокационного зондирования.
Диссертация объединяет результаты трехмерного обследования города,выполненные в 2010 году. Основываясь на особых условиях геологической среды прибрежной зоны Шанхая, был выполнен сбор существующих региональных геологических данных и соответствующих результатов исследований, проведено обследование изменения уровня подземных вод, а также мониторинг деформации земной поверхности, с целью оценки состояния, последствий и опасности процесса оседания земной поверхности в прибрежной зоне Шанхая.
Актуальность темы исследования. Шанхай является крупнейшим по численности населения городом Китая и мира. Он расположен в дельте реки Янцзы на востоке Китая. Под Шанхаем залегают неконсолидированные осадки мощностью около 300 м, содержащие большое число водоносных горизонтов, из которых выкачивается вода для хозяйственных нужд. Расположение прибрежной зоны на особо сложной природной территории, активное проявление опасных геологических процессов природного и техногенного характера, а также широкое распространение слабых грунтов создает большие трудности при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.
Оседание земной поверхности является одним из опасных геологических процессов, которое происходит на территории г. Шанхай. В последние десятилетия оседание земной поверхности стало широко распространенным явлением, его изучением и борьбой с ним заняты многие ученые и инженеры, оно стало международной проблемой, обсуждаемой на научных симпозиумах. Оседание поверхности земли, вызванное технической деятельностью человека, происходит по многим причинам, провалы часто приводят к опасным последствиям. Так, оседания земной поверхности могут вызвать подтопление и заболачивание территорий, деформацию автотрасс, железнодорожного полотна, водопроводных труб и других коммуникаций, изменение уклонов русел рек, деформацию промышленных и гражданских сооружений.
Результаты исследований в городской части Шанхая свидетельствуют о том, что процесс оседания земной поверхности связан с уплотнением слабопроницаемых глинистых отложений, и основная причина — чрезмерное использование подземных вод. Оседание проявляется в виде значительных вертикальных деформаций поверхности, вследствие длительных интенсивных отборов подземных вод. Общая глубина просадки на перекрестке улиц Пекина и Тибета за период между 1921 и 1966 г. составила 2,63 м. Сходные проблемы характерны для многих крупных приморских городов, интенсивно эксплуатирующих подземные воды.
Оценка факторов, влияющих на развитие этого явления в прибрежной зоне г. Шанхай имеет большое значение в предупреждении и уменьшении его вреда в отношении гражданских и промышленных сооружений.
Цель работы заключается в комплексном изучении инженерно-геологических условий территории для выявления причин и основных закономерностей процесса оседания земной поверхности и прогноз его развития в прибрежной зоне г. Шанхай.
В сочетании с актуальными проблемами, для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи:
1. Сбор и обработка данных по инженерно-геологической и гидрогеологической изученности исследуемой территории и сопредельных территорий;
2. Рекогносцировочное обследование территории исследования;
3. Лабораторные и полевые исследования физико-механических свойств слабых глинистых грунтов;
4. Выявление факторов и причин оседания земной поверхности на участках с различными типами состава, строения, состояния и свойств грунтовых толщ;
5. Анализ характеристик и закономерностей развития оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай в настоящее время.
6. Мониторинг и оценка процессов оседаний земной поверхности на основе интерферометрической обработки данных космического радиолокационного зондирования (science service support of TerraSAR-X, Envisat/ASAR, ALOSPALSAR).
7. Прогноз оседания земной поверхности в результате извлечения подземных вод в прибрежной зоне г. Шанхай.
Объектом исследования магистерской диссертации является прибрежная зона г. Шанхай, Китай.
В работе использованы традиционные методы сбора и обработки геологической информации, а также современные методы накопления и статистической обработки данных и построения картографических моделей и разрезов (MS Exсel, AutoCAD, ArcGIS, Photoshop, SARscape, Программный комплекс на основе Modflow из SGIDI).
Автор выражает огромную благодарность и искреннюю признательность научному руководителю, кандидату технических наук, Латыпову А.И., а также Чэнь Ган за оказание консультативной и методической помощи при написании магистерской диссертации, а также Шанхайскому институту геологической разведки (SIGS) за предоставление данных космического радиолокационного зондирования.
Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что деформация неконсолидированных морских осадков является геологической основой для оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай.
Факторы развития неконсолидированных осадков в значительной степени зависят от глубины. До глубины 100м это связано, в основном, с инженерной деятельностью человека - статическими нагрузками от строительных конструкций и техногенных грунтов, динамическими нагрузками от транспортных систем и т.д). При глубине более 100 м, деформации в основном определяются воздействием извлечения подземных вод.
Основываясь на этом разделении, была выполнена оценка влияния того или иного фактора на развитие деформаций. Результаты анализа показывают, что в последние годы доля осадок, вызванных извлечением подземных вод и инженерной деятельностью строительства в прибрежной зоне г. Шанхай, составляет примерно 38 % и 56 %. 6% приходится на другие факторы. Т.е. как видно, доля инженерной деятельности выше, чем извлечения подземных вод.
На основании проведенных исследований, отраженных в материалах диссертации, можно сделать следующие основные выводы.
1. Одним из главных факторов развития оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай является наличие слабых глинистых грунтов, подвергающихся медленной консолидации, обусловленной весом отложений вышележащих слоев грунта. Их деформационные характеристики связаны с уникальной микроструктурой и физико-химическими свойствами двухфазной системы вода-грунт. Количественные результаты испытаний показывают, что слабые глинистые грунты являются нестабильными или субстабильными агрегатами. Большая часть глинистых частиц существует во флокулированном состоянии, с неустойчивыми структурами и слабыми структурными связями.
2. Наиболее очевидным внешним фактором для развития оседания земной поверхности остается извлечение подземных вод.
В последние годы в прибрежной зоне г. Шанхай произошли глубокие перемены в режиме подземных вод:
- извлечение и искусственное восполнение запасов подземных вод находятся в динамическом балансе.
- тем не менее, добыча глубоких водоносных горизонтов (четвертый и пятый напорный водоносный горизонт) имеет тенденцию концентрироваться, составляя почти 80% общего годового объема добычи в зоне, что приводит к непрерывному снижению уровня подземных вод этих водоносных горизонтов, значительно ухудшает сжимающую деформацию.
При инженерных изысканиях следует проводить тщательные и специализированные гидрогеологические работы. Следует понимать особенности водоносных горизонтов в зоне участка и близлежащих районах, а также гидравлические соединения между водоносными горизонтами и поверхностными водными объектами.
Оседание поверхности в результате извлечения подземных вод необходимо учитывать при планировании городского строительства и проектировании сооружений.
3. Быстрый рост гражданского и промышленного строительства в Шанхае оказал огромное влияние на оседание поверхности. Одно из следствий хозяйственной строительной деятельности - образование техногенных отложений. Кроме насыпных техногенных отложений, выделяют современные намывные отложения, представленные перемещенными с помощью гидротранспорта материалами.
Большая площадь прибрежной зоны Шанхая построена на намывных грунтах. Недооценка свойств намывных отложений может привести к развитию опасных геологических процессов, оседания земной поверхности, разрушению зданий и сооружений, человеческим жертвам. В процессе планирования и строительства проектов в прибрежной зоне должны уделять пристальное внимание прочностным и деформационным характеристикам насыпных и намывных грунтов.
4. В процессы деформирования земной поверхности вовлекаются все большие и большие территории Шанхая, при этом деформации, возникающие вследствие неравномерных оседаний и горизонтальных движений, могут повлечь аварийные ситуации, которые, в свою очередь, не только могут нанести вред окружающей среде и режиму работы предприятия, но также и человеческим жертвам.
В связи с этим, вопросы мониторинга процессов оседания земной поверхности в регионах приобретает все более актуальное значение в диссертационной работе.
5. Основные научные и практические результаты оценки оседания земной поверхности с помощью космической радиолокационной интерферометрической съемки земли заключаются в следующем:
- в результате сложнейшей обработки и PS-InSAR снимков была получена деформационная карта прибрежной зоны Шанхая с августа 2013 по октябрь 2014 г. На участке сформировались три зоны оседаний в рамках территории исследования.
Зона A: в том числе городок Чжуанша, городок Чжанцзян и городок Санкьяо, скорость оседания земной поверхности составляет -10 мм/год.
Зона C: в том числе городок Цинцунь и городок Сытуань (Железнодорожная станция Лучаоган). Диапазон оседания большой,а скорость оседания земной поверхности составляет -10 мм/год до -20 мм/год.
Зона D: морские дамбы (деформация является более серьезной) находятся вдоль побережья за пределами аэропорта Пудун. Максимальная скорость оседания составляет -30 мм/год, ближе к предыдущим результатам нивелирования (станция наблюдения).
- оседание сети дорог в Шанхае в основном распространено в новой районе Пудун, особенно в зоне с высокой плотностью сети дорог. Это тесно связано с динамическими нагрузками от транспортных систем, быстрым развитием городов и инженерными геологическими условиями в новом районе.
- результаты съемки показывают, что на намывных территориях происходит неравномерное оседание, и с запада на восток наблюдается растущая тенденция. В сочетании с соответствующими данными изначально было сделано заключение, что время формирования намывных территорий оказывает большее влияние на развитие оседания земной поверхности в этом районе.
6. При прогнозе оседания не рассматривались изменения характеристик горных пород во времени, влияние содержания органических веществ и ползучести слабых грунтов, нагрузки от сооружений из-за отсутствия информации о сооружениях, данных мониторинга и испытаний. В расчетах прогнозного оседания поверхности не рассматривалось влияние уровня подземных вод некоторых водоносных комплексов из-за сложных гидрогеологических условий в прибрежной зоне г. Шанхай.
Принимая во внимание новую тенденцию развития и новые характеристики оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай, рекомендуется выполнение следующих мероприятий:
а) Строго ограничить эксплуатацию подземных вод и эффективно сократить извлечение глубоководных водоносных горизонтов.
б) Дальнейшая стандартизация использования добычи подземных вод, корректировка и улучшение структуры эксплуатации подземных вод.
в) Усиление управления искусственным восполнением подземных вод и повышение эффективности пополнения запасов подземных вод.
г) Использование изменения уровня подземных вод в качестве признака для регулирования и контролирования развития оседания земной поверхности.
д) Организация системы долгосрочного непрерывного мониторинга за деформациями земной поверхности.
Факторы развития неконсолидированных осадков в значительной степени зависят от глубины. До глубины 100м это связано, в основном, с инженерной деятельностью человека - статическими нагрузками от строительных конструкций и техногенных грунтов, динамическими нагрузками от транспортных систем и т.д). При глубине более 100 м, деформации в основном определяются воздействием извлечения подземных вод.
Основываясь на этом разделении, была выполнена оценка влияния того или иного фактора на развитие деформаций. Результаты анализа показывают, что в последние годы доля осадок, вызванных извлечением подземных вод и инженерной деятельностью строительства в прибрежной зоне г. Шанхай, составляет примерно 38 % и 56 %. 6% приходится на другие факторы. Т.е. как видно, доля инженерной деятельности выше, чем извлечения подземных вод.
На основании проведенных исследований, отраженных в материалах диссертации, можно сделать следующие основные выводы.
1. Одним из главных факторов развития оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай является наличие слабых глинистых грунтов, подвергающихся медленной консолидации, обусловленной весом отложений вышележащих слоев грунта. Их деформационные характеристики связаны с уникальной микроструктурой и физико-химическими свойствами двухфазной системы вода-грунт. Количественные результаты испытаний показывают, что слабые глинистые грунты являются нестабильными или субстабильными агрегатами. Большая часть глинистых частиц существует во флокулированном состоянии, с неустойчивыми структурами и слабыми структурными связями.
2. Наиболее очевидным внешним фактором для развития оседания земной поверхности остается извлечение подземных вод.
В последние годы в прибрежной зоне г. Шанхай произошли глубокие перемены в режиме подземных вод:
- извлечение и искусственное восполнение запасов подземных вод находятся в динамическом балансе.
- тем не менее, добыча глубоких водоносных горизонтов (четвертый и пятый напорный водоносный горизонт) имеет тенденцию концентрироваться, составляя почти 80% общего годового объема добычи в зоне, что приводит к непрерывному снижению уровня подземных вод этих водоносных горизонтов, значительно ухудшает сжимающую деформацию.
При инженерных изысканиях следует проводить тщательные и специализированные гидрогеологические работы. Следует понимать особенности водоносных горизонтов в зоне участка и близлежащих районах, а также гидравлические соединения между водоносными горизонтами и поверхностными водными объектами.
Оседание поверхности в результате извлечения подземных вод необходимо учитывать при планировании городского строительства и проектировании сооружений.
3. Быстрый рост гражданского и промышленного строительства в Шанхае оказал огромное влияние на оседание поверхности. Одно из следствий хозяйственной строительной деятельности - образование техногенных отложений. Кроме насыпных техногенных отложений, выделяют современные намывные отложения, представленные перемещенными с помощью гидротранспорта материалами.
Большая площадь прибрежной зоны Шанхая построена на намывных грунтах. Недооценка свойств намывных отложений может привести к развитию опасных геологических процессов, оседания земной поверхности, разрушению зданий и сооружений, человеческим жертвам. В процессе планирования и строительства проектов в прибрежной зоне должны уделять пристальное внимание прочностным и деформационным характеристикам насыпных и намывных грунтов.
4. В процессы деформирования земной поверхности вовлекаются все большие и большие территории Шанхая, при этом деформации, возникающие вследствие неравномерных оседаний и горизонтальных движений, могут повлечь аварийные ситуации, которые, в свою очередь, не только могут нанести вред окружающей среде и режиму работы предприятия, но также и человеческим жертвам.
В связи с этим, вопросы мониторинга процессов оседания земной поверхности в регионах приобретает все более актуальное значение в диссертационной работе.
5. Основные научные и практические результаты оценки оседания земной поверхности с помощью космической радиолокационной интерферометрической съемки земли заключаются в следующем:
- в результате сложнейшей обработки и PS-InSAR снимков была получена деформационная карта прибрежной зоны Шанхая с августа 2013 по октябрь 2014 г. На участке сформировались три зоны оседаний в рамках территории исследования.
Зона A: в том числе городок Чжуанша, городок Чжанцзян и городок Санкьяо, скорость оседания земной поверхности составляет -10 мм/год.
Зона C: в том числе городок Цинцунь и городок Сытуань (Железнодорожная станция Лучаоган). Диапазон оседания большой,а скорость оседания земной поверхности составляет -10 мм/год до -20 мм/год.
Зона D: морские дамбы (деформация является более серьезной) находятся вдоль побережья за пределами аэропорта Пудун. Максимальная скорость оседания составляет -30 мм/год, ближе к предыдущим результатам нивелирования (станция наблюдения).
- оседание сети дорог в Шанхае в основном распространено в новой районе Пудун, особенно в зоне с высокой плотностью сети дорог. Это тесно связано с динамическими нагрузками от транспортных систем, быстрым развитием городов и инженерными геологическими условиями в новом районе.
- результаты съемки показывают, что на намывных территориях происходит неравномерное оседание, и с запада на восток наблюдается растущая тенденция. В сочетании с соответствующими данными изначально было сделано заключение, что время формирования намывных территорий оказывает большее влияние на развитие оседания земной поверхности в этом районе.
6. При прогнозе оседания не рассматривались изменения характеристик горных пород во времени, влияние содержания органических веществ и ползучести слабых грунтов, нагрузки от сооружений из-за отсутствия информации о сооружениях, данных мониторинга и испытаний. В расчетах прогнозного оседания поверхности не рассматривалось влияние уровня подземных вод некоторых водоносных комплексов из-за сложных гидрогеологических условий в прибрежной зоне г. Шанхай.
Принимая во внимание новую тенденцию развития и новые характеристики оседания земной поверхности в прибрежной зоне г. Шанхай, рекомендуется выполнение следующих мероприятий:
а) Строго ограничить эксплуатацию подземных вод и эффективно сократить извлечение глубоководных водоносных горизонтов.
б) Дальнейшая стандартизация использования добычи подземных вод, корректировка и улучшение структуры эксплуатации подземных вод.
в) Усиление управления искусственным восполнением подземных вод и повышение эффективности пополнения запасов подземных вод.
г) Использование изменения уровня подземных вод в качестве признака для регулирования и контролирования развития оседания земной поверхности.
д) Организация системы долгосрочного непрерывного мониторинга за деформациями земной поверхности.