Grundvattensänkning vid schakter och byggnadsverk - En jämförelse av olika beräkningsmetoder

Abstract

Many construction projects, entail excavations into water-bearing soils. As a consequence of this a groundwater lowering must be made which can cause major environmental impacts, such as drainage of adjacent rivers or wetlands or subsidence of adjacent buildings. The groundwater that flows into the excavation is also of importance since it determines the volume of water that has to be pumped away during the project. In recent years, Sweco Environment AB has had a need to come up with a strategy that will enable them to more stringently handle projects that deals with shallow excavations into water-bearing soils. The purpose of this thesis is to investigate and compare different calculation methods for inflow and radius of influence when excavating for an underpass. Two cases have been studied, a real case provided by Sweco for an excavation in Lorensborgsgatan and a theoretical case. The excavation for the theoretical case assumed to be located in shallow quaternary deposits.

The groundwater flow and the radius of influence was calculated using both analytical and numerical models. Five analytical equations were used to calculate the inflow and one equation was used to calculate the radius of influence. The numerical models were made in SEEP/W and GMS MODFLOW. Sensitivity analyses has been conducted which indicated that the hydraulic conductivity has a major impact on both the results of the analytical and the numerical models.

The calculation results from the analytical equations and from the numerical models showed large differences. In the case of Lorensborgsgatan, estimated inflows were between 0,3-6,7 m3/d with a radius of influence varying between 11-110 meters and for the theoretical case, the inflows were estimated between 38-9045 m3/d with a radius of influence varying between 180-1498 meters.

As the result shows, the magnitudes for the theoretical case were larger than for Lorensborgsgatan which can be explained by the higher hydraulic conductivity layers present in the theoretical case. A higher order of magnitude increases the need to more accurately determine key input parameters since small differences in parameters leads to large differences in calculation results and thus also a large difference in cost.

Since no actual calculated inflows or radiuses were available, no clear method recommendation could be made. However, it appears that GMS works better than SEEP/W in numerical modeling of underpasses, mostly due to the simplicity of the calibration and validation steps in the program, which enabled a higher degree of credibility to the models. Nevertheless, an analytical calculation method should be chosen before a numerical in situations where no further requirements, such as dynamic solutions, needs to be addressed or in cases where the hydraulic parameters indicate less permeable soils.

Key words: Groundwater, Modeling, Dewatering, GMS, SEEP/W, MODFLOW, Excavation.

Popular Abstract (Swedish)

Kraven som ställs på dagens samhällen är stora. Infrastrukturmässiga förändringar såsom stadsförtätningar och bebyggelser av bostäder på tidigare otänkbara platser påskyndas av en ökad befolkningsmängd samt en pågående urbanisering. Miljömässiga förändringar har även drivit frågan om en utökad och effektiviserad spårtrafik framåt. Anpassningar såsom dessa har ökat behovet av kunskap om anläggningen av nya bil- och järnvägar samt de eventuella broar och korsningar som vägarna medför.

En frågeställning som på senaste åren fått ett ökat inflytande i anläggningsprojekt kopplat till bil- och järnväg handlar om grundvattnets påverkan och hur man på bästa sätt kan uppskatta denna. Syftet med det här arbetet är att jämföra olika metoder för beräkning av inflöde och influensområde när en grundvattensänkning sker vid byggandet av planskilda korsningar. Syftet är också att försöka hitta ett optimalt tillvägagångssätt för framtida liknande beräkningar. Jämförelsen bestod av numeriska och analytiska metoder där resultatet från fem olika analytiska ekvationer för grundvatteninflöde till schakt jämfördes med två olika numeriska modeller. De numeriska modellernas beräknade influensområden jämfördes även med ett influensområde beräknat med en analytisk ekvation. Jämförelserna utfördes genom att kolla på två fall, ett verkligt fall från en planskild korsning vid Lorensborgsgatan i Malmö och ett teoretiskt fall.

Resultaten från jämförelsen visar att skillnaderna mellan beräknade inflöden och influensområden var större för det teoretiska fallet än fallet vid Lorensborgsgatan. Detta kan förklaras genom att studera områdenas geologiska uppbyggnad. För det teoretiska fallet består de geologiska lagren av mer vattengenomsläppliga material medan de för Lorensborgsgatan består av mer täta material. Detta gör att storleksordningarna av grundvatteninflöde för fall då områden består av mer genomsläppliga material blir större och bör därför medföra att mer sofistikerade numeriska modeller används vid dessa fall. En numerisk lösningsmetod ställer dock höga krav på att bra och representativ indata används. Kvaliteten på indata kan starkt kopplas till hur väl modellen representerar verkligheten.

Bebyggelse som kräver utgrävningar eller schaktning under den rådande grundvattennivån, ger upphov till ett grundvatten flödar in i schaktet. Eftersom schaktbottnen används som arbetsplats under den tid då byggandet av den planskilda korsningen sker är det av intresse att schaktet hålls fritt från det inflödande grundvattnet. Detta uppnås genom att man pumpar bort grundvattnet från schaktet och det är därför intressant att veta hur mycket grundvatten som förväntas flöda in. När grundvatten flödar in i ett schakt och pumpas bort skapas en grundvattensänkning i området. Det betyder att ett område runt om schaktet kommer att få en sänkt grundvattennivå. Förändrade grundvattennivåer kan orsaka skada genom att sättningar vid hus uppstår. Det kan också ske en miljömässig påverkan eftersom vattennivåer i vattendrag såsom åar och våtmarker ofta påverkas av grundvattennivåns läge. Influensområdet är det område där en förändrad grundvattennivå kan observeras då en grundvattensänkning sker. De analytiska beräkningarna som användes för att beräkna inflöde och influensområde utgick ifrån Thiems brunnsekvation där även flera av ekvationerna använts i verkliga fall när en grundvattensänkning skett. De numeriska modellerna som användes bestod av det tvådimensionella finita elementmetodprogrammet SEEP/W samt det tredimensionella finita differensmetodprogrammet GMS MODFLOW.

• author: Håkansson, Philip
• supervisor: Gerhard Barmen
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Groundwater lowering at excavations and constructions - A comparison of different calculation methods
• course: VTG820 20171
• year: 2017
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Earth and Environmental Sciences; Technology and Engineering
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG -- 5153)/1 - 7 8 /(2017)
• other publication id: ISRN LUTVDG/(TVTG -- 5153)/1 - 7 8 /(2017)
• language: Swedish
• id: 8927851
• date added to LUP: 2017-11-02 13:20:13
• date last changed: 2020-09-10 09:39:31