Фільтраційні процеси навколо дрен і зволожувачів і їх вплив на водоприймальну здатність конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

РІВНЕНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ФІЛЬТРАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ НАВКОЛО ДРЕН І ЗВОЛОЖУВАЧІВ

І ЇХ ВПЛИВ НА ВОДОПРИЙМАЛЬНУ ЗДАТНІСТЬ КОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність 05. 23. 16 - Гідравліка та інженерна гідрологія

Іващенко Алла Павлівна

УДК 626. 862. 3: 532. 001

Рівне - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті (колишня Українська державна академія водного господарства) Міністерства освіти України.

Науковий керівник: Хлапук Микола Миколайович, кандидат технічних наук, доцент, докторант кафедри гідротехнічних споруд Рівненський державний технічний університет, Офіційні опоненти: Олійник Олександр Якович, доктор технічних наук, професор, член. -кор. НАН України, завідуючий відділом прикладної гідродинаміки Інституту гідромеханіки НАН України Черенков Андрій Васильович, кандидат технічних наук, доцент кафедри гідромеліорацій Рівненського державного технічного університету.

Провідна установа: кафедра мостів і тунелів Українського транспортного університету Міністерство освіти України, м. Київ

Захист відбудеться « 2 « червня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47. 104. 01 при Рівненському державному технічному університеті за адресою: 266000, м. Рівне, вул. Соборна, 11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Рівненського державного технічного університету за адресою: м. Рівне, вул. Приходька, 75

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В пористих середовищах під дією сил з боку фільтраційного потоку відбуваються деформації, які значно погіршують гідравлічний режим гідротехнічних споруд. В найбільш складних умовах знаходяться водозабірні свердловини, дренажні устрої в гідротехнічних спорудах, меліоративний дренаж. Деформації грунтового середовища призводять до локальних змін його коефіцієнта фільтрації та змінюють гідравлічні характеристики потоку. Фільтраційні деформації в більшості випадків є основною причиною руйнування грунтових гребель. Деформації грунтового середовища в зоні влаштування водозабірних свердловин можуть призводити до збільшення припливу та зниження рівня грунтових вод (РГВ), що обумовлює просідання грунту та вихід з ладу насосного обладнання. Так із-за суфозійних процесів приплив до дренажу осушувально-зволожувальних систем (ОЗС) значно зменшується, збільшуються гідравлічні градієнти, що в окремих випадках призводить до виходу конструкцій з ладу. З іншого боку можливе локальне збільшення коефіцієнта фільтрації в навколодренній зоні, із-за чого збільшується приплив та інтенсивність пониження РГВ і зменшуються гідравлічні опори. Отже, проблема фільтраційних деформацій пористого середовища є важливою й актуальною. Існуючі методи розрахунку меліоративного дренажу не враховують ці процеси.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за планами науково-дослідних робіт Рівненського державного технічного університету, що розроблялись за госпдоговірною та держбюджетною тематиками відповідно до комплексних галузевих наукових програм з меліорації та сільського господарства.

Мета і задачі дослідження. Наукове обгрунтування та розробка методики розрахунку горизонтального трубчастого дренажу в середовищах, що деформуються, і який працює в гідравлічному режимі двосторонього регулювання РГВ.

В задачу досліджень входило:

Аналіз і оцінка впливу різних фільтраційних і гідравлічних процесів в середовищах, що деформуються, на роботу дренажних конструкцій.

Встановлення закономірності характеру зміни коефіцієнта фільтрації в несуфозійному та суфозійному грунті й обгрунтування, в зв'язку з цим, можливих моделей фільтраційних деформацій в навколодренній зоні.

Розробка рекомендацій по розрахунку дренажу з урахуванням фільтраційних деформацій в навколодренній зоні.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних експериментальних і теоретичних досліджень встановлений характер зміни коефіцієнта фільтрації в несуфозійному та суфозійному середовищах в навколодренній зоні при роботі дренажних конструкцій в гідравлічних режимах осушення і зволоження. На основі цього обгрунтовані моделі деформаційних процесів, які відбуваються при фільтрації в навколодренній області при роботі дренажних систем в режимах осушення і зволоження в несуфозійному та суфозійному грунтах, отримані залежності для визначення гідравлічних напорів в області фільтрації та питомих витрат.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами виконаних досліджень розроблені практичні рекомендації по визначенню фільтраційних опорів дренажу при роботі його в середовищах, що деформуються, які використані при будівництві та в науковому експерименті на модулі дослідно-виробничої автоматизованої ОЗС, яка розташована в с. Кам'яниця Дубнівського району Рівненської області.

Особистий внесок здобувача полягає в:

підготовці та проведенні експериментальних досліджень на аналогових моделях, обробці, аналізі та узагальненні їх результатів;

встановленні характеру зміни коефіцієнта фільтрації в несуфозійному та суфозійному середовищах;

проведенні теоретичних досліджень з метою отримання залежностей для визначення фільтраційних опорів трубчастого дренажу, який працює в двостороньому режимі регулювання РГВ в середовищах, що деформуються;

розробці інженерних методів розрахунку меліоративного дренажу з урахуванням деформацій середовища в навколодренній зоні.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення роботи доповідались на науково- технiчних конференцiях рiзного рiвня (Рівне, 1994 - 1998) та базуються на 11-и наукових працях; на розширенному засідання кафедри гідротехнічних споруд Української державної академії водного господарства (м. Рівне, 1998) ; вiдображенi в звiтах науково-дослiдних робiт.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 статей, в тому числі: в наукових журналах - 3, в збірниках наукових праць - 3, в матеріалах конференцій - 2, та тез конференцій - 3.

Структура та об'єм дисертаційної роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 122 найменувань і додатків. Загальний обсяг роботи складає 132 сторінок, в тому числі 41 таблиця і 38 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

фільтраційний гідравлічний процес дренажна конструкція

У вступі обгрунтована актуальність теми, cформульована мета досліджень, дана загальна характеристика роботи.

В першому розділі «Стан вивчення питання. Задачі досліджень» вказується на негативний вплив деформативних процесів в грунті, що виникають під дією гідродинамічної сили, на роботу гідротехнічних і меліоративних споруд. Оскільки найбільшого поширення в Україні отримали ОЗС, тому вивчення фільтраційних деформацій навколо дрен і зволожувачів має велике значення для проектування та забезпечення нормальних умов їх експлуатації. Надійність роботи цих систем в значній мірі залежить від правильності фільтраційного розрахунку дренажу, визначення гідравлічних опорів безпосередньо в дренажі і, особливо, в навколодренному середовищі, так званих фільтраційних опорів, які в основному розглядаються в роботі.

Теорію дренажу та методи фільтраційних розрахунків розвивали С. Ф. Авер'янов, А. Д. Брудастов, Р. Еггельсман, А. Г. Івицький, В. А. Іонат, Д. Кіркгем О. М. Костяков, А. І. Мурашко, О. Я. Олійник, М. Г. Пивовар, В. Л. Поляков В. С. Усенко, Е. Чайлдс, А. М. Янголь та інші.

Для розрахунку дренажу широке розповсюдження отримав метод фільтраційних опорів. Великий внесок в розвиток цього методу зробили С. Ф. Авер'янов, М. М. Веригін, Л. Ернст, Д. Кіркгем, М. Масленд, А. І. Мурашко, С. М. Нумеров, О. Я. Олійник, М. Г. Пивовар, С. Хугхауд, В. М. Шестаков та інші. Однак, вплив деформацій грунту на роботу дренажу та фільтра не враховувався, а саме він може бути визначальним для роботи дрен в цілому. Деформативним процесам, які виникають у грунті під дією фільтраційної сили, велику увагу приділяли І. І. Зауербрей, С. В. Ізбаш, В. С. Істоміна, В. М. Кондратьєв, Д. М. Мінц, А. М. Патрашев, Г. Х. Праведний, М. І. Хрисанов, Р. Р. Чугаев та інші. Основним фактором, що впливає на хід деформативних процесів є гідравлічний градієнт напору. На можливість виникнення значних градієнтів напору в придренній зоні вказували А. І. Мурашко, А. В. Мясков, М. І. Хрисанов та інші.

На основі проведеного аналізу літературних джерел зроблений висновок про значний вплив на водоприймальну здатність дрен деформативних процесів, які виникають в навколодренній області. Однак, на практиці це враховується в кращому випадку формальним визначенням коефіцієнта фільтрації захисного матеріалу. Якщо ж осушувальна дія дренажу на певних методичних засадах вивчалась у багатьох наукових та виробничих організаціях, то робота конструкцій в режимі зволоження, а тим більше в циклічному режимі (чергування осушення та зволоження), не досліджена.

В другому розділі «Експериментальна установка. Вимірювальна апаратура. Методика випробувань і обробки результатів» вказується, що дослідження проводились в лабораторних умовах на фізичних моделях.

В експериментальній установці вода з напірного баку надходила до фільтраційної моделі, з якої скидалась в зливний бак, вода з останього перекачувалась назад в напірний насосом. Конструкція установки забезпечувала сталість напору та витрати води, що подавалась на модель. В залежності від задач досліджень застосовувались секторний лоток і напірна установка Дарсі. Напір вимірювася п'єзометрами. На установці в несуфозійному грунті досліджувалась низхідна фільтрація. За допомогою пересувних водозливних бачків встановлювались фіксовані напори. При стабілізації показів п'єзометрів визначалась витрата, далі напір збільшувався і при усталеному режимі проводились аналогічні вимірювання. Після досягнення максимального значення градієнта, останні зменшувались. Методика проведення експериментів із суфозійним піском аналогічна за виключенням того, що досліджувалась низхідна та висхідна фільтрація. Після досягнення максимального градієнта та проведення вимірювань дослід закінчувався. В лотку поверхня грунту формувалась по колу радіусом R=65, 6 см. Зміна напорів проводилась від меншого до більшого. Цикл 1 починався режимом осушення, після якого дрена працювала в зволоженні, по закінченні останього розпочинався режим осушення циклу 2. Напори та витрати вимірювались з моменту стабілізації останніх. В експериментах із суфозійним піском пошарово визначався гранулометричний склад грунту. Випробування проводились при 3-кратному дублюванні дослідів. При обробці досліджень і перевірці адекватності отриманих залежностей застосовувались методи математичної статистики.

В третьому розділі «Експериментальні дослідження фільтрації в середовищах, що деформуються» представлені результати досліджень одномірного та радіального фільтраційних потоків. При випробуваннях використовувались несуфозійний і суфозійний піщані грунти, характеристики яких наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Характеристики дослідних грунтів

Гранулометричний склад грунтів, %
d, мм	2-1, 6	1, 6-1	1-0, 63	0, 63-0, 4	0, 4-0, 315	0, 315-0, 2	0, 2-0, 16	0, 16-0, 1	0, 1-0, 063	0, 063-0, 05	0, 05
Грунт1			2, 0	14, 0	25, 98	44, 48	6, 0	6, 7	0, 07	0, 38	0, 39
Грунт2 (суфозійний)	2, 81	70, 67	21, 37	0, 13	0, 02				5, 0
	=d60/d10	базове значення k, см/с	пористість n
Грунт1	1, 62	0, 016	0, 398
Грунт2 (суфозійний)	1, 73	0, 6	0, 450

Дослідження одномірного потоку дозволили встановити, що при певних умовах стійкість графіка V=f (I), де V - швидкість фільтраційного потоку, I - градієнт напору, порушується, що пояснюється деформаціями грунту під дією фільтраційної сили, характер яких може бути різноманітний. Це залежить від характеристик грунту, від напрямку та величини фільтраційної сили. У випадку несуфозійного грунту деформації відбуваються із-за переорієнтації частинок у просторі. Внаслідок цього коефіцієнт фільтрації збільшується з підвищенням градієнтів до критичного значення (для умов досліду I_к=2), подальше збільшення останніх суттєво не впливає на k, тобто деформування структури грунту закінчилось. Аналіз і обробка дослідних даних показали, що зміну коефіцієнта фільтрації несуфозійного грунту від градієнтів напору можна описати залежністю

k=k_o[1+b (I-I_o) ], (1)

де k_o - коефіцієнт фільтрації при градієнті I_o, значно меншому за критичний;

I - діючий градієнт напору;

b - константа, яка визначається дослідним шляхом.

За результатами досліджень визначені k_o=0, 015 см/с, b=0, 22. При зменшенні напружень (градієнтів) грунт повністю не повертається до початкового стану (коефіцієнт фільтрації змінюється не суттєво), тобто деформації пористого середовища в даних умовах пружньо-пластичні.

Наявність у грунті мілких частинок, які здатні переміщуватись у порах під дією фільтраційної сили, значно ускладнює процеси деформацій. Внаслідок дії градієнтів напору в середовищі утворюються дві зони: 1) виносу суфозійних частинок і 2) кольматажу, величина k в якій значно менша, ніж в першій.

Отже, деформативні процеси в пористому середовищі призводять до значних змін коефіцієнта фільтрації, а значить швидкостей і витрат. В одних умовах останні збільшуються, а в інших - зменшуються. Неврахування подібних явищ при проектуванні дренажу викликає невиправдане завищення капіталовкладень (у випадку збільшення витрат) або зниження ефективності дренажу (при їх зменшенні). Для вивчення цих питань на секторному фільтраційному лотку проведені дослідження різних конструкцій дрен, діаметром і довжиною відповідно 7, 2 см і 33 см, при роботі їх в режимах осушення, зволоження та при циклічній зміні напрямку фільтраційного потоку в несуфозійному грунті. Характеристики дослідних типів дрен та умови проведення дослідів наведені відповідно в табл. 2 і табл. 3.

Таблиця 2

Характеристики досліджувальних типів дрен

	Тип дрени
Характеристики дрени	1) із стиком	2) із стиком і фільтром	3) досконала
Кількість отворів в дрені, шт.	1	1	2664
Розмір отвору, см	0, 1	0, 1	0, 3
Ступінь перфорації конструкції, %	0, 03	0, 03	36, 0
Тип захисно-фільтруючого матеріалу	-	склотк. ВВ-Г	склотк. ВВ-Г
Кількість шарів фільтру, шт.	-	4	4
Товщина фільтру, см	-	0, 3	0, 3

Дослідження керамічних дрен із стиковим зазором, незахищеним фільтром, в несуфозійному грунті показали, що залежність М. Т. Ефендієва для визначення додаткових фільтраційних опорів неадекватна експериментальним даним. Внаслідок цього розрахункова питома витрата значно перевищує дослідну.

Таблиця 3

Умови проведення досліджень радіальної фільтрації в несуфозійному грунті

	Режим роботи дрени
Характеристика	осушення цикл 1	зволоження	осушення цикл 2
досліду	тип дрени	тип дрени	тип дрени
	1)	2)	3)	1)	2)	3)	1)	2)	3)
Кількість заданих напорів, шт.	5	5	20	7	7	5	5	6	20
Мінімальна різниця напорів ?H, см	10, 5	10, 5	10, 5	1, 7	6, 15	6, 1	10, 5	10, 5	10, 5
Максимальна різниця напорів ?H, см	51, 93	59, 82	59, 3	66, 36	94, 8	66, 1	51, 93	59, 82	59, 3

При роботі конструкції в режимі осушення під дією великих градієнтів напору в області безпосередньо біля дрени грунтові частинки переорієнтовуються в просторі й ущільнюються, утворюючи шар із зниженою водопроникністю, тому коефіцієнт фільтрації в цій області мінімальний. При збільшенні радіальної координати r значення I різко падають і величина k зростає. В режимі зволоження деформації грунту аналогічні, але мають більш інтенсивний характер, що пояснюється різним напруженим станом середовища. Збільшення діючих різниць напорів призводить до значного ущільнення грунту в зоні безпосередньо біля дрени і, відповідно, до зменшення водоприймальної здатності дрени. З цього випливає недоцільність застосування в даних умовах імпульсного зволоження, яке передбачає встановлення великих напорів, що може призвести до припинення роботи конструкції. Зміни в режимі зволоження суттєво впливають на водоприймальну здатність дрени в режимі осушення циклу 2. При малих значеннях різниць напорів конструкція не працює. Збільшення питомих витрат призводить до переорієнтації частинок у просторі і часткового виносу їх із масиву, через що коефіцієнт фільтрації, а значить, і водоприймальна здатність дрени збільшуються, але не досягають початкових значень.

Застосування тонкого фільтру для захисту водоприймального отвору керамічної дрени дещо покращує умови роботи останьої (питомі витрати збільшуються у порівнянні з незахищеним стиковим зазором). Але і в цьому випадку в навколодренній зоні відбуваються деформації. Характер зміни коефіцієнта фільтрації подібний до порушення структури грунту при роботі стикового зазору, без фільтра. В залежності від режиму роботи дрени, зміни k відбуваються не тільки в області безпосередньо біля дрени, але й на значній віддалі від неї.

В умовах досконалої за характером розкриття пласта дрени розподіл градієнтів напору, а значить, і характер зміни коефіцієнта фільтрації відрізняється від змін, які відбуваються навколо недосконалих дрен. При роботі керамічних дрен в цих умовах значення I максимальні в зоні безпосередньо біля дрени та різко зменшуються при віддаленні від неї, наближаючись до характеру змін при досконалій дрені. Тому значні зміни k відбуваються біля водоприймального отвору. У випадку досконалої дрени розподіл градієнтів має більш плавний характер, внаслідок чого частинки грунту переорієнтовуються в просторі, а в режимі зволоження і зважуються не тільки в зоні безпосередньо біля дрени, але й в масиві в цілому. Коефіцієнт фільтрації при цьому, а значить, і питомі витрати суттєво збільшуються (рис. 1, рис. 2).

Математичний опис процесів в навколодренній зоні при циклічній зміні напрямку фільтраційного потоку представляє певні труднощі, пов'язані із тим, що зміни у грунті в попередньому режимі (залишкові деформації) накладаються на деформації в подальшому. Тому, для висунення математичної моделі деформацій і підтвердження її експериментальними результатами, нами проведені дослідження з досконалою за характером розкриття пласта дреною при роботі її в режимах осушення і зволоження незалежно один від одного. Нами встановлено, що коефіцієнт фільтрації приймає максимальне та стале значення в навколодренній зоні, де градієнти напору найбільші, та зменшується при віддаленні від дрени, крім цього його величина і характер зміни залежить від режиму роботи конструкції. У випадку зволоження значення k в навколодренній області значно більше, ніж в осушенні, з віддаленням від дрени зміна коефіцієнта фільтрації при зволоженні має більш інтенсивний характер у порівнянні з осушенням.

Отже, при роботі дренажу в навколодренній зоні відбуваються деформації грунту, із-за яких коефіцієнт фільтрації суттєво змінюється, причому в режимі зволоження більш інтенсивно, ніж в режимі осушення. Незважаючи на те, що розміри деформованої області малі в порівнянні із міждренними відстанями, зміни k в ній значно впливають на водоприймальну здатність дренажу. Оскільки в натурних умовах більш поширені суфозійні грунти, тому постала необхідність вивчення деформативних процесів в середовищі, наближеному до реального, тобто в суфозійних грунтах. Умови проведення дослідів наведені в табл. 4.

Таблиця 4

Умови досліджень радіальної фільтрації до досконалої дрени

Характеристика	Режим роботи дрени
досліду	осушення	зволоження
Кількість заданих напорів, шт.	6	7
Мінімальна різниця напорів ?H, см	1, 93	2, 03
Максимальна різниця напорів ?H, см	40, 76	26, 52

Методами математичної статистики доведено, що дослідні питомі витрати досконалої дрени суттєво менші за розрахункові при k=const (рис. 3). Спадання фільтраційної витрати свідчить про зменшення коефіцієнта фільтрації при підвищенні діючих напорів. По характеру змін коефіцієнта фільтрації грунт можна розділити на дві області: 1 - кольматажу (r_orr_к) і 2 - вимиву (r_кrR), де r_o, r_к, R - відповідно зовнішній радіус дрени, кольматажу і масиву фільтрації. Ці зміни k в режимі осушення та зволоження неоднакові (рис. 4). При осушенні з наближенням до дрени в зоні 2 при зміні радіальної координати до r_к величина k зростає. Це обумовлено переорієнтацією частинок скелету під дією градієнтів напору і вимивом суфозійних частинок, які ущільнюються і зупиняються із наближенням до дрени, що суттєво зменшує коефіцієнт фільтрації грунту в зоні 1. При зволоженні локальні градієнти напору в області безпосередньо біля конструкції значно перевищують критичні, частинки скелету і суфозійні ущільнюються, тому величина k в зоні 1 мінімальна.

При віддаленні від дрени градієнти та їх вплив на орієнтацію частинок зменшується, тому при зміні радіальної координати до r_к коефіцієнт фільтрації збільшується. В зоні вимиву (r_кrR) величина k зменшується із-за переорієнтації частинок скелету та переміщення суфозійних частинок. Зміни коефіцієнта фільтрації при зволоженні носять більш інтенсивний характер у порівнянні з осушенням.

Четвертий розділ «Теоретичні дослідження фільтраційного потоку в середовищах, що деформуються» присвячений розв'язку модельної задачі процесу осесиметричної радіальної фільтрації до дрени в круговому пласті з урахуванням деформацій грунту в навколодренній зоні.

Встановлено, що в навколодренній зоні фільтраційний поток є радіальним. Осесиметричний радіальний приток до дрени в круговому пласті у випадку, коли грунт не деформується, як відомо, описується граничною задачею

(2)

де k_o - величина коефіцієнта фільтрації при I=I_о.

Нами пропонується при подальшому розгляді вважати режим фільтрації також лінійним, який відповідає закону Дарсі, але рахувати змінним коефіцієнт фільтрації. З врахуванням (1) запропонований характер зміни k

(3)

k₂ - величина коефіцієнта фільтрації при критичному градієнті напору I_к;

r_c - радіус силової дії дрени, тобто координата r, в якій I=I_к;

a+b=1, a і b - константи, що характеризують деформативні властивості грунту і визначаються дослідним шляхом.

Розв'язок (2) з урахуванням (3) отримаємо для режиму осушення:

(4)

для режиму зволоження:

(5)

Ф (r_c) = (1-a) ln (r_c/r_o) +ln (R/r_c (1-a) +a), (6)

, , (7)

де q - питома витрата;

k_o= (1-a) k₂.

Як видно із (7) радіус силової дії r_c залежить від значення критичного градієнта напору, тому, аналогічно (3), запропонований варіант зміни коефіцієнта фільтрації в залежності від I_к

, (8)

де - деяка стала, що характеризує деформативні властивості грунту і визначається дослідним шляхом.

Розв'язок (2) з урахуванням (8) отримаємо у вигляді для режиму осушення

(9)

де ; z=r/R;

для режиму зволоження

(10)

де .

Питома фільтраційна витрата і радіус силової дії обчислюються за формулами

, , (11)

де k_o=k₂ (1-I_к), в яких для режиму осушення

; (12)

для режиму зволоження

. (13)

Аналогічно (3) нами запропонована модель зміни k в суфозійному грунті

(14)

де r_к - радіус зони кольматажу;

k_o; k_o^* - відповідно значення коефіцієнта фільтрації в зоні вимиву відповідно при r=R і r=r_к; ;

a+b=1, a, b і ? - константи, що визначаються дослідним шляхом.

Розв'язок задачі (2) з урахуванням (14) отримаємо у наступному вигляді

(15)

, (16)

, (17)

де .

Виконана перевірка адекватності залежностей для визначення розподілу напорів в масиві фільтрації та питомих витрат, а також статистична обробка коефіцієнтів a, b i ?.

В п'ятому розділі « Залежності та рекомендації по розрахунку дренажа з урахуванням процесів навколо дрен і зволожувачів. Впровадження результатів досліджень» наводяться основні залежності і рекомендації по визначенню додаткових фільтраційних опорів з урахуванням деформацій середовища.

В основу оцінки водоприймальної здатності дренажних конструкцій покладено метод фільтраційних опорів, згідно з яким, наприклад, для одиночної підруслової дрени притік визначається за залежністю

, (18)

Ф=Ф_о+Ф_i, (19)

де k - коефіцієнт фільтрації грунту;

Ф - повний фільтраційний опір;

Ф_о - безрозмірний фільтраційний опір, обумовлений гідродинамічною недосконалістю дренажу за ступенем розкриття водоносного пласта;

Ф_i - безрозмірний фільтраційний опір, обумовлений недосконалістю дренажу за характером розкриття пласта.

Теоретичні дослідження дозволили отримати залежності для визначення фільтраційних опорів за характером розкриття плата, так як ці опори практично визначаються деформаціями середовища в навколодренній зоні, тобто рахувати

Ф_і Ф^*, (20)

де Ф^* - безрозмірний фільтраційний опір, який комплексно враховує недосконалість дрени за характером розкриття пласта і деформації грунту в навколодренній зоні.

Нами пропонується Ф^* для низхідної фільтрацій (режим осушення) в несуфозійному грунті визначати за формулами (6) і (12), для висхідної (режим зволоження) - (6) і (13). Для досконалої дрени, що працює в несуфозійному піщаному грунті із середнім діаметром частинок d=0, 19 мм, значення коефіцієнтів a і ? становлять: для режиму осушення a=0, 346, ? =0, 517; для режиму зволоження a=0, 854, ? =1, 248.

Для несуфозійних піщаних грунтів з іншим гранулометричним складом радіус силової дії дрени r_c може бути визначений шляхом проведення досліджень на фільтраційному лотку. Значення коефіцієнтів a і ? можна встановити за результатами лише дослідів на установці Дарсі, скориставшись формулами

, . (21)

Для визначення Ф^* в суфозійному середовищі нами запропонована формула (17). Для досконалої дрени, що працює в суфозійному піщаному грунті з середнім діаметром частинок скелету d=0, 72 мм і діаметром суфозійних часток d_ci=0, 16... 0, 1 мм значення коефіцієнтів a, b і ? становлять: для режиму осушення a=0, 02 - 0, 08, b=0, 92 - 0, 98, ? =-0, 22 - -0, 01; для режиму зволоження - a=0, 01-0, 08, b=0, 8 - 0, 99, ? =-0, 09 - -0, 001. Для суфозійних піщаних грунтів з іншим гранулометричним складом радіус зони кольматажу r_к може бути визначений шляхом проведення досліджень на фільтраційному лотку, а коефіцієнти a, b і ? - за результатами лише дослідів на установці Дарсі, скориставшись формулами

, . (22)

Неврахування деформацій середовища в навколодренній зоні при розрахунках приводять до значних похибок у визначенні водоприймальної здатності дрен.

Таким чином, нами пропонується залежності для фільтраційних опорів в навколодренній зоні з урахуванням деформацій середовища включити у формулу для визначення повного фільтраційного опору наступним чином

Ф=Ф_о+Ф^*. (23)

При цьому, як показав проведений аналіз, параметр Ф^* не буде залежати від схеми притоку води до дрени, будь то дрена з боковим притоком, підруслова чи з інфільтраційним живленням.

ВИСНОВКИ

Дослідження одномірного фільтраційного потоку дозволили встановити, що коефіцієнт фільтрації середовища змінюється внаслідок деформацій, які відбуваються під дією градієнтів напору. Характер деформацій залежить від фільтраційних властивостей середовища та напрямку потоку.

Дослідження радіального потоку показали, що фільтраційні деформації грунту суттєво впливають на водоприймальну спроможність дренажу, тому існуючі методики розрахунку не завжди відповідають дослідним даним.

Характер деформацій залежить від середовища, конструкції дрени, режиму її роботи та циклічності зміни напрямку фільтраційного потоку. У випадку керамічної дрени зі стиковим зазором, незахищеним фільтром, дослідні витрати в режимі зволоження значно зменшуються з підвищенням діючих напорів. З цього випливає недоцільність використання даної конструкції при імпульсному зволоженні. При захисті водоприймального отвору цієї дрени склотканиною характер деформацій практично не змінюється.

У випадку досконалої за характером розкриття пласта дрени в несуфозійному середовищі дослідні витрати значно перевищують розрахункові, що пов'язано із збільшенням коефіцієнта фільтрації в навколодренній зоні. При зміні напрямку потоку інтенсивність змін у грунті зростає. Суфозійне середовище за характером зміни коефіцієнта фільтрації розділяється на дві зони: виносу суфозійних частинок і кольматажу, коефіцієнт фільтрації в якій значно менший у порівнянні із областю вимиву.

Обгрунтовані закономірності зміни коефіцієнта фільтрації в несуфозійному та суфозійному середовищах. Розроблені моделі грунтового притоку води до дрени зі змінним коефіцієнтом фільтрації, на підставі яких отримані залежності для визначення напорів і градієнтів в області фільтрації при роботі дрени в режимі осушення і зволоження. Проведена широка дослідна апробація цих залежностей.

Розроблені рекомендації щодо розрахунку дренажу, який працює в двостороньому режимі, з урахуванням деформацій грунту в навколодренній зоні. Виконано впровадження цих рекомендацій на модулі дослідно-виробничої автоматизованої ОЗС, яка розташована в с. Кам'яниця Дубнівського району Рівненської області.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

Хлапук М. М., Яцик А. В., Стасюк Я. П., Іващенко А. П. Гідроавтоматичний регулятор рівнів води в модульних осушувально-зволожувальних системах // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. -1997. - Вип. 22. - С. 8-16.

Яцик А. В., Хлапук М. М., Іващенко А. П. Фільтрація до горизонтального керамічного дренажу // Водне господарство України. - 1997. - №4. - С. 15-17.

Хлапук М. М., Яцик А. В., Іващенко А. П. Особливості роботи осушувально-зволожувальних систем. // Водне господарство України. - 1998. - № 5-6. - С. 37 - 39.

Іващенко А. П. Вплив деформацій грунту на роботу дренажу // Актуальні проблеми водного господарства: Зб. наук. статей. - Рівне: УДАВГ, 1997. - Т. 1. - С. 49-50.

Дмитрієв Д. А., Іващенко А. П. Вплив фільтраційної міцності грунту в навколодренній зоні на роботу дренажної системи // Актуальні проблеми водного господарства: Зб. наук. статей. - Рівне: УДАВГ, 1997. - Т. 1. - С. 36-38.

Іващенко А. П. Дослідження одномірного фільтраційного потоку в середовищах, що деформуються під дією градієнтів напору // Вісник Укр. держ. акад. водн. госп-ва ''Сучасні проблеми теорії фільтрації''. - Рівне: УДАВГ, 1998. - С. 61-65.

Іващенко А. П. Дослідження фільтрації в середовищах, що деформуються // Зб. статей за матеріалами ІІІ наук. -тех. конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії 24 березня - 16 квітня 1997р. - Рівне: УДАВГ, 1997. - Ч. ІІ - С. 30- 32.

Іващенко А. П., Дмитрієв Д. А. Визначення коефіцієнту фільтрації грунту на напірній установці Дарсі // Зб. статей за матеріалами ІІІ наук. -техн. конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії 24 березня - 16 квітня 1997р. - Рівне: УДАВГ, 1997. - Ч. ІІ - С. 33- 35.

АНОТАЦІЯ

Іващенко А. П. Фільтраційні процеси навколо дрен і зволожувачів і їх вплив на водоприймальну здатність конструкцій. - Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 23. 16 - гідравліка та інженерна гідрологія. - Рівненський державний технічний університет, Рівне, 1999.

Дисертація містить теоретичні та експериментальні дослідження деформативних процесів навколо дрен і зволожувачів. Встановлено, що зміни фільтраційних властивостей середовища суттєво впливають на роботу дренажу меліоративних систем. Розроблена методика врахування їх при розрахунках дренажних конструкцій.

Ключові слова: деформативні процеси, дрена, зволожувач, фільтраційні властивості середовища, гідравлічні параметри.

АННОТАЦИЯ

Иващенко А. П. Фильтрационные процессы вокруг дрен и увлажнителей и их влияние на водоприемную способность конструкций. - Рукопись.

Диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05. 23. 16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Ривненский государственный технический университет, Ривнэ, 1999.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, дана общая характеристика работы.

В первом разделе на основании изучения проблемы фильтрационного расчета дренажа осушительно-увлажнительных систем, в котором не учитываются деформации грунтовой среды, сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе указывается, что исследования проводились в лабораторных условиях с несуффозионным и суффозионным грунтами на физических моделях: на напорной установке Дарси и секторном фильтрационном лотке.

В третьем разделе представлены экспериментальные исследования одномерного и радиального фильтрационного потоков в несуффозионной и суффозионной (5% суффозионных частиц по массе) средах, которые позволили установить, что коэффициент фильтрации грунта k изменяется из-за деформаций, возникающих под действием градиентов напора. Характер деформаций зависит от среды и направления фильтрационного потока. В несуффозионном грунте коэффициент фильтрации возростает с увеличением градиентов напора до определенного критического значения. Дальнейшее изменение последних существенно не влияет на величину k. Суффозионную среду по характеру изменения коэффициента фильтрации можно разделить на две зоны: выноса суффозионных частиц и кольматажа, положение которых зависит от направления фильтрационного потока. В первой области коэффициент фильтрации значительно больший по сравнению со второй. Исследования радиального потока показали, что фильтрационные деформации грунта существенно влияют на водоприемную способность дренажа, поэтому существующие методики расчета неадекватные опытным данным. Характер деформаций зависит от среды, конструкции дрены, режима ее работы и цикличности изменения направления фильтрационного потока. В случае керамической дрены со стыковым зазором, незащищенным фильтрирующим материаллом, опытные удельные расходы существенно менше расчетных, причем, в режиме увлажнения они (рассходы) значительно уменьшаются с повышением действующих напоров. В связи с этим вытекает нецелесообразность исспользования данной конструкции при импульсном увлажнении, которое предполагает установление больших разностей напоров, что может привести к прекращению работы дренажа. Наличие тонкого фильтра в виде стеклохолста несколько улучшает условия работы керамического дренажа, но и в этом случае изменения в грунте существенно влияют на его водоприемную способность, причем характер деформаций аналогичный изменениям в случае стыкового зазора без фильтра. Исследования совершенной по характеру раскрытия пласта дрены показали, что в несуффозионной среде опытные фильтрационные расходы значительно превышают расчетные, что связано с увеличением коэффициента фильтрации в околодренной зоне, при изменении направления потока интенсивность изменений в грунте растет. Суффозионную среду по характеру изменения коэффициента фильтрации можно разделить на две зоны: выноса суффозионных частиц и кольматажа. Величина k в последней минимальна, что значительно влияет на удельные расходы конструкции, уменьшая их по сравнению с расчетными.

В четвертом разделе предложены закономерности изменения коэффициента фильтрации, решена задача осесимметричной радиальной фильтрации к дрене в круговом пласте в случае, когда грунт деформируется. Получены зависимости для определения напоров и градиентов в области фильтрации, а также удельного расхода.

В пятом разделе разработаны рекомендации к расчету дренажа, работающего в двустороннем режиме, с учетом деформаций грунта в околодренной зоне

Ключевые слова: деформативные процессы, дрена, увлажнитель, фильтрационные свойства среды, гидравлические параметры.

ANNOTATION

Ivashchenko A. P. Filtration processes round drains and moisteners and influence of these processes on the catch-water ability of the constructions. - Manuscript.

Dissertation in competition for the degree of Ph. D in speciality No. 05. 23. 16 - hydraulics and engineer hydrology, State Technical University of the city of Rivne, Rivne, 1999.

Dissertation contains theoretical and experimental investigations of deformation processes round drains and moisteners. It was determined that changes of filtration properties of medium, affect essentially the hydraulic parameters of drainage of land-reclamation systems. Methods of ragistration of changes in calculations of drainage constructions were worked out.

Key words: deformation processes, drain, moistener, filtration properties of medium, hydraulic parameters.

Размещено на Allbest.ru

...