1

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Hidrotehnică

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Modelarea fenomenelor de interacţiune

dintre apele subterane şi structurile

geotehnice subterane. Aplicare la

zona Bucureşti.

Doctorand

Ing. Georgiana Sorina FRUNZĂ

Conducător științific

Prof. univ. dr. ing. Loretta BATALI

BUCUREŞTI

2013

2

3

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Hidrotehnică

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a studiilor

universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic „Burse

oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”, beneficiar UTCB, cod

POSDRU/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional

Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale

Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Universitatea Tehnică de

Construcții București.

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Modelarea fenomenelor de interacţiune

dintre apele subterane şi structurile

geotehnice subterane. Aplicare la

zona Bucureşti.

Doctorand

Ing. Georgiana Sorina FRUNZĂ

Conducător de doctorat

Prof. univ. dr. ing. Loretta BATALI

BUCUREŞTI

2013

4

Cuprinsul tezei de doctorat

1 Introducere 2 Prezentarea platformei de gestiune a apei din mediul sedimentar în zone urbane -

SIMPA 3 Determinarea caracteristicilor hidraulice ale pământului

3.1. Metode de determinare în laborator 3.2. Metode de determinare pe teren 3.3. Metode de determinare prin metode empirice

3.4. Criterii de alegere a metodei de determinare a conductivității hidraulice

3.5. Program experimental pentru stabilirea caracteristicilor hidraulice ale pământurilor

din zona București 4 Dezvoltarea de tehnici de integrare a parametrilor hidraulici pornind de la date

punctuale

4.1. Metode stohastice

4.2. Metode geostatistice

5 Interacţiunea dintre lucrările subterane şi apa subterană 5.1 Interacţiuni posibile între lucrările subterane şi apa subterană 5.2 Modelarea interactiunii dintre lucrarile subterane si apa subterana 5.3 Modelarea interacţiunii fluid – teren - structură în cuplaj

5.4 Concluzii 6 Studii de caz

6.1 Prezentarea perimetrului pilot analizat 6.2 Caracterizarea geologică, hidrogeologică şi geotehnică a perimetrului pilot 6.3 Model hidrogeologic spaţial pe perimetrul pilot

6.4 Concluzii şi comentarii asupra modelului hidrogeologic elaborat 6.5 Studiu de caz 1 – Modelarea interacţiunii între caseta Dâmboviţei şi apa subterană

6.6 Studiu de caz 2 – Modelarea interacţiunii dintre infrastructura Casei Radio şi apa

subterană12

6.7 Studiu de caz 3 – Modelarea deformaţiilor mecanice ale terenului în cuplaj cu

curgerea apei subterane – Casa Radio

7 Concluzii si contribuţii personale

8 Bibliografie 9 Anexe

5

1 INTRODUCERE

În zona urbană impactul asupra mediului este mai mare deoarece spațiul subteran este

din ce în ce mai des utilizat pentru realizarea de construcții subterane (tuneluri, subsoluri

adânci, galerii de drenaj, rețele de utilități, lucrări de captare a apei subterane etc).

În zona municipiului București, dar nu numai, există foarte puțin control asupra

lucrărilor realizate în subteran sau a lucrărilor de investigare și de exploatare a resurselor de

apă. Acest fapt generează dificultăți de gestiune, dar și probleme de interpretare a

investigațiilor geotehnice şi hidrogeologice datorită necunoașterii interacțiunilor care pot

exista. În zona București există un volum mare de investigații realizate, deci o cantitate mare

de informații legate de structura terenului și a acviferelor, dar acestea nu sunt organizate și

structurate într-o formă mai accesibilă. Din acest motiv a apărut necesitatea de a avea o

platforma de gestiune a datelor existente pentru mediul subteran din zona București, care face

obiectul unui contract de cercetare condus de UTCB – Centrul de cercetare în Ingineria

Apelor Subterane – Conf. Radu Gogu (SIMPA – Platforma de gestiune a apei subterane în

mediul sedimentar din zona urbană). Cercetările realizate în cadrul tezei de doctorat fac parte

din acest proiect de cercetare.

În cadrul tezei de doctorat este abordată problema interacțiunii dintre construcțiile

subterane și apele subterane în contextul Platformei SIMPA. Astfel, teza tratează următoarele

aspecte: Determinarea caracteristicilor hidraulice ale pământurilor; Dezvoltarea de tehnici de

integrare a parametrilor hidraulici pornind de la date punctuale; Interacțiunea dintre apa

subterana și construcțiile subterane –

Cercetările au fost realizate în cadrul echipei „ Infrastructură „ a proiectului SIMPA -

Platformă de gestiune a apei subterane din mediul sedimentar în zona urbană. Adresez

mulţumiri membrilor acestei echipe.

2 PREZENTAREA PLATFORMEI DE GESTIUNE A APEI DIN MEDIUL

SEDIMENTAR ÎN ZONE URBANE - SIMPA

Proiectul intitulat “Platformă de gestiune a apei din mediul sedimentar în zone urbane

SIMPA”, coordonat de UTCB – Centrul de cercetare in Ingineria Apelor Subterane, Conf.

Radu Gogu, finanțat din fonduri CNCSIS, are drept obiectiv esențial crearea unei legături

între știință și practică. Acesta va permite studierea anumitor probleme într-o manieră mult

mai realistă. În particular, se dorește ca aceste rezultate dezvoltate să fie aplicate pentru

îmbunătățirea cunoașterii geologice și hidrogeologice a sistemului acviferului Moesic (zona

București). De aceea, aplicarea unui management pentru resursele hidrologice este mai mult

decât necesara iar necesitateă aplicării este evidențiată de anumite aspecte specifice.

În cadrul proiectului SIMPA s-a constituit o platformă integrată de date spațiale și

hidrogeologice pe suport GIS în care se vor introduce datele punctuale obținute fie din datele

de arhivă, fie din cercetările proprii.

Teza de doctorat și-a propus să abordeze aspectele din platformă legate strict de

caracterizarea diferitelor straturi întâlnite în zona analizată din punct de vedere al

conductivității hidraulice (și ai altor parametri geotehnici) și de utilizarea acesteia pentru

modelarea interacțiunilor dintre apa subterană și diferitele lucrări subterane (tuneluri, pereţi

îngropaţi, fundaţii, etc.) din zona pilot aleasă.

6

3 DETERMINAREA CARACTERISTICILOR HIDRAULICE ALE

PĂMÂNTURILOR

Valoarea conductivităţii hidraulice se determină experimental în laborator sau prin

măsurători directe pe teren. Atunci când nici una dintre aceste metode nu se poate aplcia s

erecurge la metode empirice. Conductivitatea hidraulică poate varia mult în cadrul aceluiași

strat acvifer și, cu atât mai mult, între diferite strațe acvifere. De aceea nu se pot prelua valori

de la strate apreciate ca „similare“ pe baza aspectului (vizual) sau a porozității sau

granulozității, ci permeabilitatea trebuie determinată pentru fiecare strat în parte. Acest

parametru este foarte sensibil la metoda de determinare.

3.1 Metode de determinare în laborator

În acest capitol sunt descrise încercările curente de laborator pentru determinarea

conductivității hidraulice pe probe saturate.

Aparatele folosite în acest caz sunt denumite generic permeametre, şi anume permeametre

cu pereți rigizi, permeametre cu pereți flexibili, permeametre fără efort normal, permeametre

cu efort normal, permeametre cu sarcină (nivel) constant şi permeametre cu sarcină (nivel)

variabil.

3.2 Metode de determinare pe teren

Metodele folosite în teren pentru determinarea conductivităţii hidraulice sunt: pompări

experimentale în regim permanent, măsurarea vitezei de curgere cu ajutorul trasorilor, metoda

determinării in sondaj, metoda piezometrului, metoda piezoconului CPT, metoda turnării

experimentale (Boldârev - Nesterov), metoda liniei de dren, metoda Lefranc şi metoda

Brillant.

3.3 Metode de determinare prin metode empirice

Atunci când încercările de teren sau laborator nu pot fi realizate se pot utiliza relații

empirice. Aceste ecuații sunt limitate și au o anumită incertitudine. .

Aceste ecuații empirice între parametrul permeabilitate și distribuția particulelor au fost

studiate de mai mulți cercetători. In teză sunt prezentate principalele corelaţii din literatură

pentru pământuri coezive şi necoezive

3.4. Criterii de alegere a metodei de determinare a conductivității hidraulice

Atunci când este vorba despre determinarea permeabilității unui pământ mai multe

întrebări pot fi puse (Chossat, 2005):

- care este natura parametrului ce trebuie măsurat?

- cum trebuie măsurat – în laborator, pe teren?

- ce durată va avea determinarea?

- unde trebuie realizata măsurătoarea?

- câte determinări trebuie realizate pentru a obține o valoare reprezentativă?

- de ce mijloace se dispune?

In teză se prezintă unele aspecte legate de alegerea corectă a metodelor de determinare a

conductivităţii hidraulice, se face o analiză a principalelor metode şi se prezintă metodele

uzuale din România.

3.5 Program experimental pentru stabilirea caracteristicilor hidraulice ale pământurilor

din zona București

În cadrul platformei de gestiune a mediului sedimentar din zona București – SIMPA,

una dintre etapele importante o reprezintă corecta caracterizare a straturilor geologice prin

7

parametrii hidrogeologici și geotehnici. În acest scop s-au utilizat date de arhivă şi s-au

realizat studii referitoare în special la caracterizarea din punct de vedere al coeficientului de

permeabilitate, știut fiind că acesta este un parametru foarte sensibil și că diferitele metode de

determinare duc la rezultate foarte diverse. Pe baza acestor studii se va putea atribui o valoare

corectă a coeficientului permeabilitate pentru fiecare strat.

Din zona municipiului București au fost alese câteva amplasamente care au fost investigate

mai detaliat şi anume: zona Complexului de Laboratoare Colentina (str. Răscoalei 5, sector 2),

Aviației (str. Avionului, sector 1), Catedrala Mântuirii Neamului (Calea 13 Septembrie, sector

5 București, Dâmbovița Center (Calea Știrbei Voda nr 174-176), Floreasca Park (Sos. Pipera

41-43, sector 2). Datele din amplasamente au fost prelucrate şi comparate cu valorile obţinute

prin diferite metode empirice sau din literatura de specialitate. Diferenţele obţinute au fost

considerabile în unele cazuri, arătând că simpla utilizare a unor date din literatură sau corelaţii

empirice pentru orice tip de pământ nu este suficientă.

Pentru exemplificare se prezintă aici una din comparaţiile realizate pentru amplasamentul

Colentina:

Figura 3.1. Comparație între valorile obținute prin diferite metode pentru materialele

necoezive din amplasamentul Colentina din categoria N4 – nisip fin

În urma analizelor efectuate au rezultat următoarele concluzii:

Pentru materialele necoezive corelaţiile dintre valorile rezultate prin pompări pe teren,

în permeametru în laborator, prin metode empirice, precum şi date din literatură sunt

foarte bune, diferenţele fiind de maximum 1 – 2 ordine de mărime. Pentru aceste

materiale cele mai apropiate metode empirice sunt Hazen, Kozeny, Chapuis şi Navfac.

Pentru materialele coezive între metodele de laborator testate (triaxial,

edopermeametru, metoda inversă) nu sunt diferenţe foarte mari (maximum 1 ordin de

mărime). Nu s-a beneficiat de rezultate ale unor determinări pe teren. Totuşi, metoda

inversă, bazată pe coeficientul de consolidare, tinde a da valori mici ale coeficientului

de permeabilitate. Intre laborator si metodele empirice, însă, diferenţele sunt mult mai

mari, de până la 4 ordine de mărime. Dintre corelaţiile testate cea a lui Pavchich dă

8

valorile cele mai mici, apropiate de cele determinate pe baza cv. Relaţiile lui Puckett,

USBR sau Rawls & Brakensiek dau valori în general mai mari decât cele din

laborator, dar mai apropiate de valorile din literatură.

Pe fiecare categorie investigată de pământuri din zona Bucureşti valorile rezultate sunt în

concordanţă cu cele din literatură. Valorile obţinute pot fi utilizate în platforma SIMPA.

4 DEZVOLTAREA DE TEHNICI DE INTEGRARE A PARAMETRILOR

HIDRAULICI PORNIND DE LA DATE PUNCTUALE

În cea mai mare parte formațiunile acvifere au grade de neomogenitate mai mari sau

mai mici în funcție de modul de sedimentare, distribuția granulației, fisurației, a fracturilor,

gradului diferit de cimentare și a condițiilor diagenetice, etc. Distribuția spațială a

parametrilor hidraulici este în corelație directă cu gradul de neomogenitate al mediului

geologic.

Variabilitatea spaţială şi temporală, determinată de complexitatea geologică poate fi

descrisă pe baza modelelor geostatistice. Caracteristicile geologice şi hidrogeologice,

caracterizate printr-o variabilitate intrinsecă sunt analizate prin metode stohastice.

5 INTERACŢIUNEA DINTRE LUCRĂRILE SUBTERANE ŞI APA

SUBTERANĂ

5.1 Interacţiuni posibile între lucrările subterane şi apa subterană

Mediul natural cu care construcţiile subterane interacţionează este reprezentat de teren

şi de apa subterană.

Pe măsură că resursele de apă scad, cerinţele urbane sunt din ce în ce mai mari şi, de

cele mai multe ori, cresc în timp.

Dintre aspectele specifice ale hidrogeologiei urbane se pot enumera (Vazquez-Sune et

al., 2005): fluctuaţii ale nivelului de apă subterană datorită activităţilor antropice; poluarea

apei subterane; modificarea ciclului apei; modele de curgere modificate în mediu urban

construit.

În acest context complex, acest capitol al tezei de doctorat prezintă o sinteză

bibliografică asupra unor aspecte mai importante şi anume: probleme legate de fluctuaţii ale

nivelului apei; probleme legate de lucrările de epuismente; probleme de subsidenţă; influenţa

lucrărilor subterane (tuneluri, pereţi îngropaţi) asupra regimului apelor subterane; probleme

legate de cedarea pământurilor colapsibile datorită creşterii nivelului apei subterane; probleme

de umflare datorate infiltraţiilor de apă.

Problemele sunt tratate prin îmbinarea celor două puncte de vedere descrise mai sus:

hidrogeologic şi geotehnic.

5.2 Modelarea interacţiunii dintre lucrările subterane şi apa subterană

In primul rând a fost studiată interacţiunea din punct de vedere al influenţei lucrărilor

subterane asupra curgerii apei subterane. Metoda de studiu aleasă a fost modelarea

matematică. În cadrul acestei metode regimul de mişcare al apei subterane se stabileşte prin

rezolvarea numerică a ecuaţiei generale de mişcare a apei prin medii permeabile. Pentru

rezolvarea numerică a ecuaţiei generale de mişcare a apei prin medii permeabile s-a utilizat

metoda elementelor finite. S-au utilizat modele plan verticale şi plan orizontale.

5.3 Modelarea interacţiunii fluid – teren - structură în cuplaj

Problemele de cuplaj fluid – structură sunt numeroase, atât în ingineria civilă, cât şi cea a

mediului, dar şi în alte domenii..

9

Fenomenele legate de cuplajul mecanic fluid – structură apar, cu grade diferite de

importanţă, pentru orice structură în contact cu un fluid. Intr-o astfel de problemă mediile

solid şi fluid schimbă energii de tip mecanic, fazele solidă şi fluidă sunt distincte, iar cele

două medii în contact nu schimbă masă (Souli, Sigrist, 2009).

Solidul şi fluidul sunt cuplate în următorul sens: la nivelul zonei de contact între fluid şi

structură se produc schimburi de energie mecanică în ambele sensuri : fluidul exercită eforturi

asupra structurii în mişcare, ceea ce modifică dinamica structurii şi structura impune deplasări

fluidului şi modifică astfel caracteristicile curgerii.

În ingineria geotehnică este de interes studiul numeric al consolidării pământurilor şi

al curgerii apei subterane în interacţiune cu terenul şi, eventual, cu alte lucrări adiacente.

Rezolvările clasice din mecanica pământurilor presupun analize în condiţii drenate sau

nedrenate de solicitare a terenului. Multe probleme din acest domeniu pot fi rezolvate

considerând una dintre aceste condiţii extreme dar comportarea reală a pământului este

deseori dependentă de timp, răspunsul presiunii apei din pori depinzând de permeabilitatea

terenului, viteza de încărcare, ca şi de condiţiile hidraulice. Pentru a modela acest

comportament, ecuaţiile de curgere trebuie combinate cu ecuaţiile de echilibru şi cele

constitutive proprii pământului, adică cuplarea ecuaţiilor care guvernează curgerea apei din

pori prin scheletul pământului cu ecuatiile care determină deformaţia pământului sub

încărcări. Pentru rezolvarea acestei probleme specifice de cuplaj se poate utiliza metoda

elementelor finite.

6 STUDII DE CAZ

6.1 Prezentarea perimetrului pilot analizat

Pentru realizarea modelului hidrogeologic, ca perimetru pilot s-a ales un amplasament

situat pe malul stâng al râului Dâmbovița, delimitat de următoarele puncte de interes: Casa

Radio, Catedrala Sf. Iosif, Hotelul Novotel, Baraj Operetă și râul Dâmbovița.

6.2 Model hidrogeologic spaţial pe perimetrul pilot

Pe baza datelor de arhivă avute la dispoziţie pentru perimetrul pilot analizat s-a elaborat

un model hidrogeologic spaţial.

Modelul geologic de referinţă cuprinde formaţiuni litologice care se identifică

conform următoarelor simboluri:

1. DA – orizontul depozitelor antropice

2. FL – orizontul formaţiunii loessului ( Holocen superior)

3. PC – complexul pietrişurilor de Colentina (Pleistocen superior)

4. AI – orizontul argilelor intermediare (Pleistocen superior)

5. NM – complexul nisipurilor de Mostiştea(Pleistocen superior)

6. CM – complexul marnos (Pleistocen mediu)

7. SF – complexul stratelor de Frăteşti (Pleistocen inferior)

Litologia depozitelor cuaternare din zona municipiului Bucureşti este caracterizată de

prezenţa a 3 acvifere principale: acviferul freatic al Pietrişurilor de Colentina, acviferul sub

presiune reprezentat de Nisipurile de Mostiştea şi complexul acvifer sub presiune, reprezentat

de Stratele de Frăteşti.

De asemenea, tot în cadrul realizării modelului hidrogeologic, pe baza măsurătorilor de

nivel al apei subterane disponibile în forajele avute la dispoziție s-a încercat determinarea

hidroizohipselor și a direcției de curgere în zona perimetrului pilot, pentru freatic.

Reprezentarea spaţială a hidroizohipselor are un anumit grad de aproximare, având în vedere

că forajele și măsurătorile de nivel s-au realizat la perioade diferite de timp. Reprezentarea

spațială a hidroizohipselor a fost corelată cu modelul digital al terenului, obținut pe baza

10

hărților cu curbe de nivel (scara 1:5000). Comparând hidroizohipsele obținute pe baza datelor

avute la dispoziție din foraje cu o hartă a hidroizohipselor la nivelul municipiului București,

se observă că există o destul de bună corespondență, atât spaţială, cât şi valorică între acestea.

Figura 6.1. Profile geotehnice in zona perimetrului pilot

Figura 6.2. Modelul geologic 3D al perimetrului pilot

6.3 Concluzii şi comentarii asupra modelului hidrogeologic elaborat

Corectitudinea modelelor depinde de corectitudinea datelor avute la dispoziție, iar

diferențele de timp la care s-au realizat forajele geotehnice, precum și faptul ca ele au fost

executate de către firme diferite, pot, de asemenea, afecta corectitudinea unor date;

Modelul hidrogeologic realizat oferă o imagine clară asupra hidrogeologiei zonei

analizate, și oferă premisele realizării modelului conceptual al curgerii, și apoi al modelării

diferitelor studii de caz analizate pe perimetrul pilot. Acesta poate suferi modificări, pe

măsura achiziţionării unor date noi ce pot fi integrate în acesta.

6.4 Studiu de caz 1 – Modelarea interacţiunii între caseta Dâmboviţei şi apa subterană

Proiectul de amenajare complexă a râului Dâmboviţa a prevăzut, şi a fost şi executat,

un dren pe partea stângă, la cota casetelor de ape uzate. Scopul acestui dren este de a menţine

nivelul apelor freatice de pe stânga Dâmboviţei la cotele existente înainte de amenajare.

11

Există informaţii conform căror în anumite zone nivelul apei subterane s-a ridicat cu

cca 1 – 2 m, poate chiar mai mult (subsolul 2 al imobilului în care se află ANPM din Splaiul

Independenţei 297, subsolul Casei Radio şi poate şi alte imobile care nu sunt cunoscute încă).

Aceste ridicări locale ale nivelului apei subterane pot fi puse pe seama unei funcţionări

necorespunzătoare a drenului sau unui aport de apă prin infiltraţii din cuvă către acviferul

freatic, prin rosturile dintre dalele de etanşare care s-au deschis în urma unor deformaţii locale

sau prin punctele de străpungere a taluzurilor cuvei de către conducte sau cabluri care trec de

pe un mal pe celălalt al Dâmboviţei, la nivelul radierului cuvei.

Modelarea curgerii apei subterane în zona perimetrului pilot s-a realizat cu ajutorul

modulului MODFLOW, în două ipoteze:

(1) în ipoteza funcţionării corespunzătoare a drenului din lungul casetei de ape uzate

pozate sub râul Dâmboviţa, respectiv,

(2) cu funcţionarea deficitară a acestuia.

Modelarea s-a realizat în regim permanent, drenul fiind introdus în model sub forma

unei linii de potenţial impus, potenţialul dictând modul de funcţionare al drenului. Modelarea

s-a realizat numai pe malul stâng al Dâmboviţei.

Figura 6.3. Secţiune de principiu prin amenajarea râului Dâmboviţa (după Raport

SIMPA, 2012) (cote aproximative)

S-a utilizat programul InfilDIL 3, elaborat în cadrul Departamentului de Hidraulică şi

Protecţia Mediului, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti.

In vederea evidențierii regimului de curgere al apelor subterane sub influenţa lucrărilor

executate în albia râului Dâmbovița (caseta de apă uzată, dren), în zona studiată au fost

analizate, utilizând modelul descris anterior, următoarele variante:

- Varianta 1 – regim normal de exploatare pentru lucrările proiectate

- Varianta 2 – regim normal de curgere cu menţinerea curbei de depresie la cotele

măsurate în forajele geotehnice

- Varianta 3 – regim normal de curgere cu funcţionarea necorespunzătoare a drenului

- Varianta 4 – regim de mişcare al apelor subterane în situaţia pierderilor importante din

cuva Dâmboviţei şi caseta de ape uzate

Se precizează că aceste variante sunt situaţii posibile a fi întalnite în realitate, dar sunt

situaţii teoretice în mare parte.

Diferențele între curbele de depresie (nivelul apei subterane rezultat) din cele patru

variante sunt prezentate în graficul următor. Pierderile de apă din cuva Dâmboviței, cumulate

cu nefuncționarea corespunzătoare a drenului, conduc la ridicări ale nivelului apei subterane

în zonă cu 1-2 m.

12

Figura 6.4. Detaliere în zona cuvei Dâmboviței a poziția curbei de depresie în varianta 3 –

regim normal de curgere cu funcționarea necorespunzătoare a drenului

Figura 6.5. Curbele de depresie rezultate din cele patru variante analizate

6.5 Studiu de caz 2 – Modelarea interacţiunii dintre infrastructura Casei Radio şi apa

subterană

În acest capitol este dezvoltat studiul de caz nr. 2 – modelarea interacţiunilor posibile

dintre infrastructura Casei Radio şi apa subterană. Un astfel de scenariu poate fi dezvoltat în

faza de proiectare a unui obiectiv, atunci când se analizează diferite variante posibile şi se

doreşte evaluarea impactului acestora asupra curgerii apelor subterane.

Se menţionează faptul că acest studiu de caz este unul teoretic, care ia în considerare

situaţii posibile a fi întâlnite.

In zona numită Casa Radio, în 2007 s-au început lucrările pentru amenajarea

Dâmboviţa Centre, un proiect ce cuprindea un centru comercial, clădiri rezidenţiale, parcaje

subterane etc. Înainte de a fi abandonate lucrările s-a realizat peretele îngropat pentru

viitoarea incintă. Aceşti pereţi îngropaţi, împreună cu celelalte subsoluri existente sau care

urmează a fi construite constituie bariere în calea curgerii apei.

13

Modelul matematic de curgere pentru determinarea influenței lucrări subterane – apă

subterană are ca scop studierea următoarelor aspecte:

• efectul ecranului de etanşare a incintei de fundare asupra regimului apelor subterane;

• dacă este necesar sau nu un sistem de drenaj exterior incintei ecranate pentru a evita

ridicarea nivelului apei subterane în zonele limitrofe;

• stabilirea caracteristicilor principale ale sistemului de drenaj exterior dacă se va dovedi

necesar;

• stabilirea parametrilor principali ai sistemului de drenaj interior;

• stabilirea distribuţiei potenţialului hidraulic al apei subterane în diferite ipoteze de

realizare constructivă a sistemului de etanşare şi drenaj a incintei.

Examinând block-ul diagram cu distribuţia forajelor în zona studiată s-a constatat

existenţa unui contact direct între Nisipurile de Mostiştea şi Pietrişurile de Colentina,

respectiv absenţa stratului intermediar de argile pe porţiuni limitate, care nu au fost delimitate

strict. Modelul a luat în considerare ca variantă de studiu şi posibilitatea existenţei unei aşa

zise „ferestre” (cu dimensiuni care vor fi menţionate ulterior) pentru a pune în evidenţă

efectul acestei distribuţii stratigrafice caracterizate prin absenţa locală a stratului de argile

intermediare.

Ipotezele de calcul adoptate au fost:

• mişcare permanentă plan orizontală pentru toate variantele analizate cu excepţia

variantei în care s-au determinat debitele infiltrate prin “fereastra” din fundamentul

gropii de fundare;

• mişcare permanentă plan-verticală pentru varianta în care s-au determinat debitele

infiltrate prin “fereastra” din fundamentul gropii de fundare.

Cele două acvifere “Pietrişurile de Colentina” şi din “Nisipurile de Mostiştea” s-au

modelat independent unul de celălalt construindu-se pentru fiecare câte un model plan-

orizontal independent.

Operaţiunea de calare efectuată pe modelul analizat a presupus reproducerea stării

acviferului măsurată în natură. S-au calat numai modelele plan-orizontale elaborate pentru

cele două acvifere (Colentina şi Mostiştea). Ca metodă de calare s-a utilizat „metoda de

debite”.

S-au analizat următoarele variante: ecranarea integrală fără drenaj a incintei

fundaţiilor; ecranarea integrală a incintei fundaţiilor concomitent cu execuţia unui sistem de

drenaj în interiorul incintei şi a unui sistem de drenaj /epuisment în exteriorul incintă; larea în

considerare a unei „ferestre de alimentare” naturală în fundul gropii de fundare.

Rezultatele obținute în urma modelării, în cele trei variante analizate, au fost: în prima

variantă are loc o ridicare a nivelului apelor subterane în raport cu nivelele în regim

nemodificat în ambele acvifere; în acviferul de Colentina ridicarea este mai mare ajungând

până la 4,0 m, iar în acviferul de Mostiştea este mai mică ajungând până la 1,2 m; în varianta

2 în ambele acvifere se realizează pe exterior nivele cu cca. (1 - 2 m) mai coborâte decât în

regimul actual; de asemenea în ambele acvifere, la interior, se realizează nivelele subterane

dorite de beneficiar; debitele epuizate/drenate au valori relativ reduse în acviferul de

Colentina şi anume cca. 0,50 l/s pentru drenajul interior şi cca 0,55 l/s pentru drenajul

exterior; debitele epuizate/drenate din acviferul de Mostiştea sunt mai mari şi anume cca. 6,2

l/s pentru drenajul interior şi cca. 8,5 l/s pentru drenajul exterior iar în ultima variantă se obţin

rezultate similare cu cele din varianta 2 cu excepţia debitului extras prin drenajul interior care

creşte la valoarea de cca. 12,7 l/s prin aportul de cca. 6,5 l/s al ferestrei; de asemenea în zona

ferestrei nivelele sunt cu cca. 1,5 m mai ridicate.

14

Fig 6.6.a Distribuţia 3D a potenţialelor

hidraulice în ipoteza ecranării incintei fără

măsuri de drenaj - acviferul de Colentina

Fig. 6.6.b Distribuţia 3D a potenţialelor

hidraulice în ipoteza ecranării incintei fără

măsuri de drenaj - acviferul de Mostiştea

Fig 6.7. Distribuţia 3D a potenţialelor hidraulice în ipoteza ecranării incintei şi a prevederii

sistemului de drenaj interior şi exterior cu fereastră de alimentare în argilele intermediare

6.6 Studiu de caz 3 – Modelarea deformaţiilor mecanice ale terenului în cuplaj cu

curgerea apei subterane – Casa Radio

În acest studiu de caz s-a urmărit punerea în evidenţă în mod special a influenţei pe care

coborârea nivelului apei l-ar putea avea asupra clădirii existente în imediata vecinătate, în

ipoteza modelării cuplate hidro – mecanic.

Pentru obiectivul Dâmboviţa Center a fost nevoie de proiectarea şi executarea unei

infrastructuri pe 3 nivele de subsol, în sistem „top-down”. O parte din clădirile existente au

fost demolate, iar o altă parte urmau a fi păstrate. Printre acestea şi o clădire cu regim de

înălţime 3S+M+P+10E, aflată la o distanţă foarte mică, de numai 1.70m de conturul noii

construcţii. Pentru realizarea excavaţiei necesare noii clădiri va fi nevoie de un sistem de

epuisment în incintă care să scadă nivelul apei de la cca -6.00 m până la cca -18.40 m..

În general pereţii de incintă se încastrează de câte ori este posibil într-un strat

impermeabil pentru a limita efectele epuismentului strict la incintă şi a nu influenţa clădirile

învecinate. În acest mod a fost conceput şi proiectul incintei Dâmboviţa Center de către

proiectant, cu încastrarea în complexul marnos. În mod real, cota de apariţie a complexului

marnos este variabilă, iar în cuprinsul acestui strat există intercalaţii de nisipuri fine,

permeabile. Într-o primă fază a fost modelată situaţia situaţia în care pereţii îngropaţi ar fi în

totalitate cu baza în stratul acvifer al Nisipurilor de Mostiştea. Apoi s-a făcut comparaţia cu

situaţia ideală a încastrării perfecte în stratul argilos puţin permeabil aparţinând Complexului

marnos. Realitatea se situează undeva între aceste două extreme. Modelarea numerică a

utilizat Metoda Elementului Finit, programul de calcul Plaxis 2D, fiind formulată o problemă

plană de deformaţii. Din punct de vedere al modelului constitutiv ales, s-a utilizat modelul

elasto-plastic Mohr-Coulomb. Etapele de modelare au fost de tip „consolidare”, pentru a

putea observa evoluţia dependentă de factorul timp a eforturilor şi deformaţiilor dezvoltate în

masiv şi elementele structurale existente.

15

Pentru atingerea obiectivelor propuse, respectiv punerea în evidenţă a efectului coborârii

nivelului apei subterane, modelarea a fost realizată în următoarele etape: consolidarea iniţială,

execuţia pereţilor şi a structurii interne şi începerea pompajului (care s-a realizat într-o singură

etapă), apoi etapele succesive de excavaţie şi realizare a planşeelor subsolurilor şi a radierului.

Figura 6.8. Situaţia generală după realizarea pompajului

Modelul realizat a permis evidenţierea efectului epuismentului asupra tasării clădirii

existente, care a fost estimată din acest mecanism la o valoare maximă de cca 8 cm şi s-a

constatat o relaxare (umflare) a bazei excavaţiei la fiecare etapă de excavare datorită scăderii

efortului geologic. Se precizează că, dat fiind că obiectivul acestei modelări a fost simularea

cuplajului mecanic – hidraulic prin consolidare datorită scăderii nivelului apei subterane, nu

s-a elaborat un model al terenului foarte fiabil. Ar fi necesară utilizarea unui model constitutiv

mai complex care să permită obţinerea de valori mai scăzute şi mai realiste.

Fig. 6.9. Variaţia tasării radierului structurii existente pentru fiecare etapă de modelare

Considerând o litologie modificată, în care pereţii de incintă ar fi încastraţi în ultimul

strat de argilă, a fost recalculată tasarea clădirii existente în cazul realizării incintei şi pornirii

pompajului din epuismente. În acest caz a fost obţinută o tasare maximă totală (etapa de

consolidare + etapa de pompaj) a fundaţiei existente de 6.25cm, care se traduce într-o tasare

suplimentară diferenţială de 1.45cm.

Figura 6.10. Nivelul apei subterane şi eforturile hidrostatice – cazul încastrării în argilă

7 CONCLUZII SI CONTRIBUŢII PERSONALE

7.1. Concluzii

Teza de doctorat abordează problematica interacţiunii posibile dintre mediul construit în

subteran (în special structuri de sprijin de tip pereţi îngropaţi, tuneluri, galerii de metrou,

16

fundaţii) şi apele subterane. Această problemă se pune acut în mediul urban unde, pe lângă

faptul că resursele apei subterane sunt limitate, iar cererea este cu adevărat importantă, ciclul

apei subterane este puternic perturbat de elementele specifice legate de urbanizare.

Teza de doctorat a fost elaborată în cadrul proiectului de cercetare condus de UTCB –

Centrul de cercetare în Ingineria Apelor Subterane – Conf. Radu Gogu, intitulat „Platformă de

gestiune a apei subterane în mediul sedimentar din zona urbană”, acronim SIMPA, finanţat de

ANCS. Acest proiect are drept obiectiv principal îmbunătăţirea cunoaşterii geologice şi

hidrogeologice a sistemului acviferului Moesic (zona Bucureşti), prin realizarea unei

platforme de gestiune a datelor existente, a resurselor hidrogeologice din zona Bucureşti.

Lucrările de cercetare, din care face parte şi prezenta teză de doctorat, au fost elaborate în

cadrul echipei „Infrastructură” a proiectului SIMPA.

Pentru atingerea obiectivelor fixate au fost realizate următoarele activităţi şi au fost trase

următoarele concluzii:

1. Realizarea unei sinteze bibliografice asupra modului de determinare a conductivităţii

hidraulice. În capitolul 3 a fost prezentată o sinteză a metodelor curente de determinare şi a

fost realizată, de asemenea, o analiză a principalilor parametri de influenţă a valorilor

determinate (ca de exemplu precizia măsurătorilor, variabilitatea sau efectul de scară).

2. Atribuirea unor valori corecte pentru conductivitatea hidraulică pentru straturile

litologice din zona Bucureşti. Pentru a atinge acest obiectiv s-au utilizat numeroase date de

arhivă din diferite amplasamente din zona Bucureşti şi s-au realizat şi studii specifice, în

cadrul tezei de doctorat, numai pentru caracterizarea din punct de vedere al coeficientului de

permeabilitate.

3. Dezvoltarea de tehnici de integrare a parametrilor hidraulici pornind de la date

punctuale. In capitolul 4 sunt prezentate unele aspecte generale referitoare la metodele

stohastice şi geostatistice.

4. Sinteză bibliografică asupra interacţiunilor posibile între apa subterană şi mediul

subteran construit. În capitolul 5 al lucrării de doctorat au fost trecute în revistă diferitele

interacţiuni care pot apărea între apa subterană şi mediul subteran construit.

5. Analiza interacţiunii apă subterană – mediu subteran construit cu ajutorul a 3 studii de

caz. Pentru exemplificarea modului de analiză a interacţiunii dintre apa subterană şi diferitele

construcţii subterane, utilizând date de tipul celor stocate pe platforma SIMPA, a fost

analizată o zonă din Bucureşti de extindere mai redusă (perimetru pilot), pentru care s-a

dispus de date suficiente şi care era interesantă din punctul de vedere al interacţiunilor

posibile. Acest perimetru pilot este situat pe malul stâng al râului Dâmbovița, delimitat de

obiectivele: Casa Radio, Catedrala Sf. Iosif, Hotelul Novotel, Baraj Operetă şi râul

Dâmbovița. In această zonă există influenţe din şi înspre elementele din amenajarea râului

Dâmboviţa, tunelul de metrou (existent şi viitor) şi pereţii îngropaţi de susţinere a

excavaţiilor. În capitolul 6 al tezei de doctorat sunt prezentate cele 3 studii de caz.

7.2. Contribuţii personale

Principalele contribuţii personale sunt:

1. Realizarea unei sinteze bibliografice extinse asupra metodelor de determinare a

conductivităţii hidraulice, împreună cu o analiză a diferitelor metode

2. În cadrul proiectului “Platforma de gestiune a apelor subterane din mediul sedimentar în

zone urbane – SIMPA” al UTCB am participat la realizarea câmpului experimental din

zona Complexului de Laboratoare Colentina unde am efectuat teste de pompare şi

încercări de laborator.

3. Analiza datelor de arhivă şi a celor rezultate din încercările proprii pentru definirea celor

mai bune metode de determinare a conductivităţii hidraulice şi pentru atribuirea unor

17

valori corecte ale acesteia în cadrul modelului hidrogeologic realizat în cadrul platformei

SIMPA.

4. Realizarea unei sinteze bibliografice amănunţite şi actuale asupra fenomenelor de

interacţiune dintre apa subterană şi mediul subteran urban, în care au fost puse în evidenţă

multiplele aspecte ale interacţiunilor şi modul în care acestea pot fi evaluate.

5. Elaborarea unui model geologic şi hidrogeologic pentru perimetrul pilot analizat

6. Analiza, interpretarea şi utilizarea rezultatelor măsurătorilor din teren în vederea calibrării

şi validării modelului matematic.

7. Modelarea matematică a interacţiunii posibile dintre caseta Dâmboviţei şi apa subterană, în

4 variante de calul şi analiza rezultatelor obţinute.

8. Modelarea matematică a efectului existenţei unei infrastructuri impermeabile (pereţi

îngropaţi) asupra nivelelor apei subterane în zona Casa Radio pentru 3 variante posibile de

lucrări de epuisment şi de modelare şi analiza rezultatelor obţinute.

9. Modelarea matematică în cuplaj hidro-mecanic a efectelor posibile ale lucrărilor de

epuisment dintr-o incintă şi ale execuţiei infrastructurii asupra clădirilor învecinate şi

analiza rezultatelor obţinute.

8 BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1. Albu M. (1981) - Mecanica apelor subterane, Ed. Tehnică, Bucureşti

2. Alyamani, M.S., Sen., Z.,(1993). Determination of hydraulic conductivity from complete

grain-size distribution curves, .Ground Water, Vol.31, no. 4, pp. 551-555.

3. Batali L., Marchidanu, E., Dimache, A., Iancu, I., Frunză, G. (2012) – Probleme puse

de interacţiunea teren – ape subterane – lucrări de infrastructură în zone urbane, A XII-a

Conferinţă Naţională de Geotehnică şi Fundaţii, 20-22 sept. 2012, Iaşi

4. Batali, L., Marchidanu, E., Dimache, A., Iancu, I., Frunză, G. (2012) – Raport de

cercetare Evaluarea interacţiunii dintre apele subterane şi lucrările de infrastructură, în

cadrul proiectului SIMPA, UTCB

5. Chossat, J-C (2005) La mesure de la conductiviteé hydraulique dans les sols, Editions

TEC&DOC, rue Lavoisier

6. Dimache, A. et al (2010) – Proiect parcaj NORD

7. Frunză G., Batali L. (2012) – Evaluation of hydraulic properties of soils. Correlations

between different methods. Application for Bucharest area, First International Conference

for PhD students in Civil Engineering 4 – 7nov. 2012, Cluj-Napoca

8. Frunză, G., Iancu I. (2012) – Modeling the influence of underground structures on

groundwater flow, 3rd Young researchers Conference, 15-16 nov. 2012, published also in

Scientific Journal of UTCB,special no. of Mathematical Modeling in Civil Engineering,

vol. 8, dec. 2012

9. Manea, S., Batali L. (2001) – Mecanica pămànturilor. Elemente de teorie, încercări de

laborator, exerciţii, Ed. Conspress, 201 p.

10. Marchidanu, E. (1996) - Hidrologia în ingineria construcţiilor, Ed. Tehnică Bucureşti

11. Scrădeanu D., A. Gh. (2007) -. Hidrogeologie Generală. Ed. Universității din

București, 296 pag.

12. UTCB (2007) - Studiu geotehnic Dâamboviţa Center, calea Stirbei Vodă 174-176

Bucureşti

13. UTCB (2010) – Studiu geotehnic Catedrala Mântuirii Neamului

14. Vázquez-Suñé, E., Sánchez-Villa, X., Carrera, J. (2005) – Introductory review of

specific factors influencing urban groundwater, an emerging branch of hydrogeology,

with reference to Barcelona, Spain, Hydrogeology Journal (2005) 13: pp. 522-533