Interactiunea teren – ape subterane – lucrari de infrastructura, in zonele urbane (I)

Mediul subteran construit reprezinta o zona care pune multiple probleme in gestionarea sa: dificultati cauzate de realizarea unor noi constructii subterane (pereti ingropati, tuneluri, lucrari de epuismente etc.),  probleme legate de resursele de apa, de interpretarea datelor din investigatii hidrogeologice sau de influente ale noilor constructii asupra lucrarilor existente.

Gestionarea acestui mediu este inca si mai dificila din cauza multitudinii de lucrari, a modului, cateodata haotic, de dezvoltare a subtera­nului construit, a legislatiei deficitare, a formelor diverse de proprietate asupra imobilelor, precum si din cauza lipsei unei autoritati care sa gestioneze, cu adevarat, aceasta zona din mediul urban.

Articolul de fata prezinta problemele de interactiune din mediul subteran urban dintre lucrarile ingineresti si apa subterana, ilustrate prin exemple, pentru a atrage atentia asupra necesitatii luarii lor in considerare atunci cand se proiecteaza lucrari noi. Se prezinta, de asemenea, un studiu de caz concret din zona Bucuresti si anume, impactul realizarii unei fundatii adanci asupra acviferelor din zona amplasamentului. Cercetarea a fost realizata in cadrul proiectului „Platforma de gestiune a apei subterane din mediul sedi­mentar in zone urbane – SIMPA“ finantat de ANCS. Acest proiect al Universitatii Tehnice de Constructii Bucuresti isi propune realizarea unei platforme bazate pe tehnici GIS a mediului sedimentar din zona Bucuresti.

In mediul urban, spatiul subteran este din ce in ce mai utilizat pentru realizarea de constructii subterane (tuneluri, subsoluri adanci, galerii de drenaj, retele de utilitati, lucrari de captare a apei subterane etc.). De aceea, impactul acestor constructii asupra mediului este din ce in ce mai accentuat.

Mediul natural cu care constructiile subterane interactioneaza este reprezentat de teren si de apa subterana. De aici rezulta si cele doua discipline care sunt interesate de mediul subteran construit: geoteh­nica (sau mecanica pamanturilor) si hidrogeologia.

Din punct de vedere al hidrogeologiei, se poate spune ca apa subterana din zonele urbane construite este o problema nu numai stiintifica si tehnica, ci si economica, sociala, cu aspect legal si politic.

Dintre aspectele specifice ale hidrogeologiei urbane se pot enumera [1]: fluctuatii ale nivelului de apa subterana din cauza activitatilor antropice, poluarea apei subterane, modificarea ciclului apei sau modele de curgere modificate in mediu urban construit.

Din punct de vedere al geoteh­nicii, aceasta este adesea legata de lucrarile noi urbane, care nu trebuie sa afecteze constructiile existente. Sunt luate in considerare in special deformatiile induse terenului (tasari, deplasari) pe tot parcursul executiei si al perioadei de exploatare.

Acestea sunt actiunile potentiale directe asupra lucrarilor existente. Exista, insa, si actiuni indirecte. Sunt multe exemple de constructii subte­rane, prevazute a fi realizate la o anumita adancime si care, din cauza nepu­tintei de a cobori nivelul subte­ranei, fara a influenta constructiile din jur, au trebuit sa fie reduse ca adancime. In alte cazuri, lucrari de pompare reali­zate defectuos au dus la destabilizarea fundului excavatiilor, creand goluri sub cladirile existente sau, cum a fost cazul relativ recent in Bucuresti, la scaderea accentuata a nivelului unui lac din apropiere, cu afectarea vegetatiei protejate din zona.

O alta caracteristica a mediului subteran este variabilitatea si eterogeneitatea pamanturilor, in special a celor din suprafata, de multe ori de natura antropica (umpluturi de materiale pamantoase, de deseuri de dife­­rite tipuri). Acestea au o localizare extrem de variata, trecand de multe ori neidentificate in timpul investigatiilor geotehnice sau sfidand orice „ordine“ geologica.

Multe zone ur­bane actuale sunt extinderi ale oraselor in zone industriale vechi, abandonate, unde exista depozite de deseuri industriale, resturi din demolari sau vechi cariere sau zone miniere, care au lasat in urma lor goluri subterane ce dau nas­tere unor fenomene de subsidenta.

In acest context complex, pre­zentul articol isi propune sa evoce unele aspecte mai importante ale subteranului urban construit, in legatura cu apa subterana, din perspectiva hidrogeologica si geotehnica.

Studiul de caz prezentat este o analiza a unui perimetru din Bucu­resti, pentru care s-a realizat un model hidrogeologic detaliat, model care a fost utilizat la evaluarea interactiunii cu lucrarile de infrastructura existente.

PROBLEME DE INTERACTIUNE IN MEDIUL SUBTERAN URBAN

Dintre posibilele interactiuni dintre apa subterana si lucrarile ingineresti de infrastructura vor fi prezentate, pe scurt, urmatoarele aspecte:

• probleme legate de fluctuatii ale nivelului apei;

• probleme legate de lucrarile de epuismente;

• probleme de subsidenta;

• probleme legate de cedarea paman­turilor colapsibile din cauza cres­terii nivelului apei subterane;

• influenta lucrarilor subterane asupra regimului apelor subterane.

Probleme legate de fluctuatiile nivelului apei

Gradul mare de ocupare a subsolului din marile orase si multiplicarea lucrarilor subterane face mediul urban foarte sensibil la pozitia nive­lului liber al apei subterane, cu atat mai mult cu cat acesta este mai aproape de suprafata terenului.

Nivelul apei subterane poate fi afectat de lucrarile de interventie, cum ar fi: noi lucrari de pompare, oprirea unor pompari mai vechi, efectul de baraj al lucrarilor subte­rane. Aceste variatii au consecinte asupra conceptiei si comportarii unor lucrari subterane, cum sunt parkingurile subterane, subsolurile adanci, care nu sunt realizate in sistem cuva etansa, radiere, rezervoare subterane, desfasurarea lucrarilor de executie etc. Nivelul piezometric poate fluctua si din cauza lucrarilor de irigatii, a bazinelor de infiltratie sau a exploatarilor miniere abandonate.

Coborarea nivelului apelor subte­rane poate produce subsidente locale sau, pe scara mai larga, in sedimentele recente normal consolidate. In unele cazuri, subsidenta este locala si poate afecta retelele de utilitati subterane din cauza producerii unor tasari diferentiate. Daca subsidenta este datorata pomparii excesive, atunci extinderea este la scara mai mare, chiar regionala, ceea ce poate creste riscul de inundare in timpul precipitatiilor intense, din cauza problemelor de drenare.

Exista si situatii in care nivelul apei subterane creste fie din cauza  opririi unor pompari din zone industriale acum abandonate, fie din cauza exfiltratiilor din retelele de alimentare cu apa si / sau canali­zare. Aceasta crestere afecteaza constructiile subterane realizate in perioada in care nivelul era mai scazut, dar si comportarea terenu­rilor sensibile la apa.

In Barcelona, de exemplu, apa subterana a fost utilizata in scopuri industriale, ceea ce a dus la atingerea unui maxim de 60 – 70 mili­oane de metri cubi pe an in anii ‘70 [1]. Denivelarea inregistrata in diferite zone ale orasului atingea va­lori intre cativa metri si peste 15 m. Pomparea a fost redusa ulterior, in prezent nivelurile atin­gand valorile inregistrate cu circa un secol in urma. O parte importanta a retelei de metrou a fost construita in perioada nivelurilor scazute din anii ‘50 – ‘70, iar astazi sunt inregistrate probleme legate de cresterea nive­lurilor, probleme rezolvate prin pomparea a 15 – 20 milioane metri cubi pe an pentru a drena tunelurile.

Pentru studiul fluctuatiilor de nivel al apelor subterane este nevoie de relevee ale nivelului piezometric pe perioade lungi de timp, ceea ce, de cele mai multe ori, nu este posibil, multe dintre lucrari nefiind reperto­riate, monitorizate etc. Nivelul cursu­rilor de apa de suprafata este, in general, mai bine urmarit si pe perioade mai mari de timp. In aceste conditii, estimarea variatiilor posibile se face prin modelari numerice pentru diferite situatii.

Probleme legate de lucrarile de epuismente si drenaj

Multiplicarea excavatiilor adanci pentru construirea de subsoluri, parkinguri sau a lucrarilor de infrastructura pentru comunicatii sau alte retele a dus la realizarea de multiple epuismente sau drenaje. Acestea pot fi, cel mai adesea, temporare, pe durata realizarii lucrarilor, dar pot fi si definitive pentru a impiedica, de exemplu, aparitia subpresiunilor.

Principalele probleme puse de lucrarile de epuismente si drenaj se refera la debitele de epuizat si eva­cuat, precum si la riscurile legate de efectele mecanice, cum ar fi antre­narea hidrodinamica a particulelor fine, ruperea hidraulica a bazei exca­vatiei, tasari, reducerea rezistentei pasive mobilizabile pe fisa lucrarilor de sustinere ingropate.

Lucrarile de epuismente pot provoca tasari in mai multe moduri:

• prin antrenarea de particule fine din teren spre puturile sau filtrele aciculare folosite pentru coborarea nivelului apei subterane – aceasta duce la afanarea pamantului, la eroziune interna sau sufozie. Apoi, aceste fenomene pot duce la tasari ale terenului de sub cladirile adiacente;
• prin pompari din excavatii des­chise, provocand sufozie si eroziune interna, pierderi de material din taluze;
• din consolidarea straturilor compresibile de pamanturi coezive sau nisipuri afanate ca urmare a cres­terii efor­tului efectiv – prin expulzarea apei din pori rezulta o structura mai densa ca in tasari. In cazul structurilor fundate pe piloti se poate produce o frecare negativa si tasari ale pilotilor. Primele doua mecanisme descrise mai sus pot fi controlate printr-o proiectare si o executie corespunzatoare a sistemului de epuisment. In schimb, consolidarea pamanturilor slabe poate aparea chiar daca proiectarea a fost adecvata. Abordarea problemei consolidarii straturilor coezive saturate trebuie sa tina cont de istoria de incarcare a terenului respectiv. La reincarcare, tasarea este mult mai mica decat la incarcarea primara. Acest fenomen poate fi utilizat pentru a reduce tasarea datorata con­solidarii provocate de epuisment, prin utilizarea unei penetrari partiale a acviferului de catre puturile de epuisment (fig. 1). Astfel, pentru cazul unei structuri sensibile se poate limita denivelarea, incat efortul efectiv final sa ramana sub cel de preconsolidare, respectiv pe ramura de reincarcare a curbei de compresiune – porozitate. De asemenea, terenurile care au fost deja supuse unor epuismente repetate (cum este cazul in numeroase zone urbane) vor ramane in zona de recompresiune si nu vor suferi tasari foarte mari.

In cazul epuismentului in incinta, se produce o miscare ascendenta in fata fisei peretelui ingropat de sustinere, generand forte hidrodinamice care diminueaza greutatea aparenta a pamantului si, de aceea, se ajunge la reducerea rezistentei pasive disponibile [3] (fig. 2).

Probleme de subsidenta legate de lucrarile de epuismente

Cauzele antropice ale surparii suprafetei terenului sunt multiple: exploatari miniere, infiltratii de apa locale sau extragerea apei subte­rane. In acest paragraf se trateaza problema subsidentei datorate extra­­gerii apei subterane. Fenomenul de surpare a suprafetei terenului, din cauza lucrarilor de epuismente, este strans legat de interactiunea meca­nica intre partea solida (particulele solide) si faza fluida (apa sau gazul sau petrolul).

Problema se pune, de obicei, la nivel regional, deoarece distantele orizontale de interes sunt mult mai mari decat grosimea ansamblului acviferelor si straturile impermeabile.

Problemele de subsidenta au intrat in atentie relativ recent, dupa ce au fost constatate efectele grave ale pomparii intense a apei subte­rane pentru utilizari industriale sau agricole. In functie de natura straturilor din care se extrage apa, pomparea intensiva poate determina o pierdere a grosimii straturilor, care se traduce printr-o coborare a supra­fetei terenului, cu consecinte non-neglijabile asupra patrimoniului construit.

Din punct de vedere mecanic, o diminuare a presiunii interstitiale, din cauza pomparii apei, determina o crestere a efortului efectiv, efortul total datorat straturilor de deasupra ramanand constant. Aceasta cres­tere duce la o deformatie (compac­tare) a straturilor, care continua pana cand sistemul atinge un nou echilibru hidraulic.

Cele mai cunoscute sunt subsidenta Venetiei sau cea a orasului Tokyo. In Tokyo, primele exploatari ale acvi­ferului au fost realizate in 1913, iar rata extractiei a crescut dramatic in anii ‘50 si ‘60, cand in partea estica cresterea a fost de peste 1 milion de metri cubi pe zi [4]. Aceasta utilizare extensiva a provocat o scadere masiva a sarcinii hidraulice a acvife­relor, care a provocat fenomene de subsidenta in unele zone. De ase­menea, unele acvifere, initial sub presiune, au fost depresionate, iar aerul sarac in oxigen a migrat in subsolurile cladirilor si mai multe persoane au murit. Intrucat masurile de control al pomparilor au fost luate la momente diferite de timp si au fost implementate cu severitate diferita in zona golfului (sudica) si in zona interioara, sarcinile hidraulice au crescut in zona sudica si au existat modificari in regimul de curgere al apei subterane. Nivelurile crescute ale apei subterane afecteaza, in prezent, lucrarile subterane.

Influenta infiltratiilor de apa asupra pamanturilor colapsibile

Prabusirea loessurilor si pamanturilor loessoide, din cauza infiltra­tiilor de apa, poate pune probleme serioase, atat la constructiile existente, cat si pentru cele noi.

Este evident ca activitatile umane, in special urbanizarea intensa, contribuie la multiplicarea surselor de umezire a acestor pamanturi: lucrari de irigare, conducte de alimentare cu apa sau canalizare deteriorate, realimentare intentionata sau neintentionata a acviferelor, blocarea curgerii naturale a apei subterane prin ecrane impermeabile, ridicarea generala a nivelului apei subterane, cresterea umiditatii din cauza urcarii prin capilaritate sau pavarea supra­fetei terenului. In multe cazuri nivelul apei subterane creste datorita ince­tarii unor pompaje sau datorita irigatiilor sau realimentarii.

Un studiu realizat la UTCB in 2011 [5] pentru zona Platformei Mittal Galati (fostul Combinat Side­rurgic – C.S.) a aratat ca nivelul apei subterane a crescut incepand din 1962 pana in 1972 cu minimum 3 – 4 m, in unele zone constatandu-se ridicari de pana la cca 10 m ale apei subte­rane (fig. 3). Cu ocazia realizarii unor lucrari de investigare, in perioada 2008 – 2011 s-a observat o crestere a nivelului apei subterane cu 3,4 m – 3,93 m fata de nivelul anului 1974. In prezent nivelul apei subterane s-a ridicat pana la adancimi de 18,12 m – 18,90 m, ceea ce a dus la sca­derea starii de consistenta a loessului pana la plastic moale sau chiar plastic curgator, ceea ce scade si capacitatea portanta proiectata a pilotilor de fundare existenti.

Influenta lucrarilor subterane

Subsolul urban este ocupat atat de pamanturi si apa subterana, cat si de o multitudine de tipuri de constructii subterane: tuneluri, retele de utilitati, parkinguri subterane sau alte subsoluri adanci, pereti de sustinere pentru excavatii adanci, fundatii de adancime etc. Este inevitabil ca aceste elemente de natura diferita sa fie in interactiune si sa se influenteze unele pe alte in diferite mo­duri. O grupare posibila a efectelor de interactiune este urmatoarea:

• interactiune apa – pamant;
• interactiune pamant – lucrari sub­­terane;
• interactiune apa – lucrari subterane;
• interactiune complexa teren – apa subterana – lucrari subterane.

De asemenea, din punct de vedere al interactiunii dintre apa subterana si lucrarile subterane se pot analiza ambele sensuri de influenta: apa subterana, care actioneaza si are efecte asupra lucrarilor subte­rane si invers, lucrarile subterane, care influenteaza curgerea, calitatea, parametrii apei subterane.

Influenta apei subterane asupra peretilor de sustinere a unei incinte se traduce, in primul rand, printr-o actiune ce trebuie luata in conside­rare la proiectare si apoi, prin modificarea conditiilor de comportare a masivului de pamant (drenata, nedre­nata). Prezenta apei subterane poate determina fenomene hidraulice, cum ar fi ruperea hidraulica a bazei excavatiei, antrenarea hidrodinami­ca a particulelor fine din zona bazei peretelui ingropat, alte forme de eroziune in masiv sau umflarea bazei excavatiei, din cauza cresterii umiditatii argilei contractile. Modificarile nivelului apei subterane sau ale regimului de curgere al acesteia pot crea probleme in timpul executiei excavatiei. Indirect, lucrarile de epuismente necesare realizarii in uscat a infrastructurii pot avea un impact asupra structurilor din zona de influenta a excavatiei, prin provocarea, in special, de tasari la supra­fata terenului. In sens invers, reali­zarea unei barari totale a acvi­ferului, prin peretii ingropati incastrati in substratul impermeabil, deter­mina o crestere locala sau de extindere mai mare a nivelului acviferului si modificari ale regimului de curgere subterana.

Pentru prognozarea influentei parkingului Nord, prevazut a fi rea­lizat in Bucuresti, in zona parcului existent in fata Ministerului Transporturilor, in peri­metrul delimitat de strada Garii de Nord, Piata Garii de Nord si B-dul Dinicu Golescu, asupra regimului de curgere a apei subte­rane, Dimache et al. [6] au modelat prezenta lucrarii etanse (fig. 4).

Un exemplu de proiectare a unor structuri de sprijin a unor excavatii adanci care sa permita curgerea apei subterane este cel al parkin­gului subteran de la Unirea (Bucuresti) [7]. Datorita apropierii amplasamentului de raul Dambovita, in zona exista un sistem de drenaj in functiune pe latura de vest. Din acest motiv, s-a decis adoptarea unui sistem de drenaj definitiv pentru parking, ceea ce s-a obtinut printr-un dren perimetral conectat la sistemul de drenaj existent. Incinta a fost reali­zata la adapostul unor pereti ingropati din piloti – piloti de rezistenta din beton armat si piloti de drenare din pietris. Pilotii de rezistenta sunt dispusi la 1,00 m – 1,40 m distanta si au fost incastrati in argile sau argile prafoase. Pentru a asi­gura drenarea masivului din spatele pilotilor, intre pilotii de rezistenta au fost dispusi piloti permeabili din pietris imbracati in geotextil, care coborau pana in stratul acvifer (fig. 5). In figura 6 sunt prezentate hidroizohipsele in situatia initiala si dupa introducerea ecranului semi-permeabil si a drenului perimetral.

(Va urma)

Autori:
prof. univ. dr. ing. Loretta Batali,
prof. univ. dr. ing. E. Marchidanu,
drd. ing. Georgiana Frunza – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, Departamentul de Geotehnica si Fundatii
conf. univ. dr. ing. Alexandru Dimache,
s. l. dr. ing. Iulian Iancu – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, Departamentul de Hidraulica si Protectia Mediului

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 101 – martie 2014, pag. 36