Лабораторные исследования работы различных конструкции дрен в фильтрационных лотках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторные исследования работы различных конструкции дрен в фильтрационных лотках

Шобдарбаев Б.А.

В статье приведены результаты исследований различных конструкции дрен в фиьлтрационных лотках с использованием для фильтра рисовой соломы и для водоприемника - камышы

В задачу опыта входило определение водоприемной способности дрен из камышовой (тростниковой) фашины. Дрены из камышовой (тростниковой) фашины различного диаметра оборудованные защитно-фильтрационным материалом из рисовой соломы, были уложены в фильтрационные лотки (размером 650х 3040х 510 мм) и испытывались в течение двух лет при постоянном напоре -0,50 м.

Конструкции дрен и фильтров при оборудовании лотков осуществлялось с целью снижения затрат на строительство горизонтального закрытого дрена в рисовых системах, широко используя как и в мировой практике конструкции из различных местных материалов. Нами преследовалась цель проверить возможного отказа или сокращение слоя песчаной обсыпки из-за дефицитности этого материала.

При этом на фильтрационном лотке не всегда возможно смоделировать точную картину изучаемого сложного процесса. Необходимо провести схематизацию изучаемого процесса, выделив основные его элементы и действующие факторы, доказать соответствие общих закономерностей изучаемого процесса и модели. фильтрационный лоток дрен

Физическое моделирование основано на теории подобия. Подобными называются процессы, имеющие одинаковую физическую природу и постоянное отношение между соответствующими величинами и функциями натурного объекта и модели. Условиями полного подобия двух процессов являются гидродинамическое подобие и подобие условий однозначности. Гидродинамическое подобие требует выполнения условий геометрического, кинематического и динамического подобия [1].

Геометрическое подобие требует постоянного отношения между соответ-ствующими линейными размерами натурного процеса и модели, то есть для длин отрезков

,

для площадей

,

для объема

.

Кинематическое подобие означает постоянное отношение между скоростями в соответствующих точках натурного и модельного процессов при геометрическом подобии линий токов:

, где .

Динамическое подобие означает постоянство отношений между силами одинаковой природы, действующими на любую пару соответствующих точек натурного объекта и модели.

Процессы, удовлетворяющие геометрическому, кинематическому и динамическому подобию, являются гидродинамически подобными.

Физическое моделирование натурного грунтового потока на масштабаных песчанных моделях основано на прямой аналогии между двумя явлениями одной физической категории, которые относятся к гидродинамическому подобию. Из всех видов аналогового моделирования только на песчаных моделях движение грунтовых вод воспроизводится также, как и в натуре (в пористой среде).

Песчаные масштабные модели особенно рекомендуется для изучения закономерностей совместного перемещения смешивающихся и несмешивающихся жидкостей; или фронта контакта между ними. Исследование на физической модели движения двух водных растворов в одном грунтовом потоке позволяет изучить роль какого-либо одного параметра путем последовательного изменения его значения в соответствующей серии эксперимента.

Для физического моделирования плоского грунтового потока рекомендуется применять фильтрационные установки виде узких прямоугольных стальных резервуаров, открытых сверху, снабженных прозрачней передней стенкой.

В экспериментах на лотках ограниченной ширины решается по существу плоская задача движения фронта фильтрации к дрене, что соответствует природным условиям движения воды при эксплуатации систематического дренажа. Принцип работы и методы моделирования движения промывных вод на фильтрационном лотке разработаны в ЮжНИИГиМ.

Размеры установок задаются из условий соблюдения удобного масштаба моделирования линейных размеров вертикального профиля на участке горизонтального дренажа при близком и глубоком конечном залегании водоупора.

Для проведения лабораторных испытаний, с целью исследований действия закрытого горизонтального дренажа, на фильтрационном лотке применяются установки шириной 0,65 м, высотой 0,51 и длиной 3,04 м. Лоток оборудован тремя рядами дрен, отвечающих следующим требованиям: дно лотка основанной емкости сделаны из стальных листов, а для визуальных наблюдений передняя и задняя стенка фильтрационной установки изготовлены из листов органического стекла толщиной 14-20 мм, вставленных на резиновые прокладки и затянуты болтами. Такая конструкция стыкования позволяет полностью избежать течи.

В стальном дне лотка сделаны отверстия с патрубками и задвижками. Через эти отверстия производится полное опорожнение лотка. На передней стенке лотка нанесена координатная стека с шагом 5 см и установлены пьезометры. Горизонтальный дренаж подготовлен из рулонов камыша покрытого слоями рисовой соломы с круговой обсыпкой песком толщиной 10 см.

Для модели необходимо подготовить однородный промытый мелкозернистый песок с диаметрами частиц 0,15-0,25 мм.. Заполнение лотка песком проводится послойно с постепенным промачиванием водой снизу и легким трамбованием.

Расход воды замеряется объемным способом. Напоры по длине потока отсчитываются по пьезометрам, установленным в различных сечениях по высоте прибора (рисунок 1).

Для количественного перевода в натуру данных, полученных путем физического моделирования на масштабных песчаных моделях, необходимо вводить переходные коэффициенты подобия. Коэффициенты или масштабы подобия определяются в виде безразмерных отношений основных параметров, характеризующих фильтрацию в натуре к соответствующим параметрам на модели.

Масштаб подобия линейных размеров:

,

где - линейные размеры натуры, м; - уменьшенные линейные размеры на модели, м.

Рисунок 1 - Передний вид фильтрационного лотка подготовленного для исследования работы горизонтального дренажа

Масштаб уменьшения линейных размеров назначается одинаковым по вертикали и горизонтали. Отсюда масштаб на модели равен линейному масштабу: .

Масштаб подобия коэффициентов фильтрации:

,

где - коэффициент фильтрации рассматриваемой толщи грунта в натуре; - коэффициент фильтрации соответствующего слоя песчаной загрузки на модели.

Если величина напоров на границах областей фильтрации, натуры и модели геометрически подобна, а масштаб подобия напоров равен линейному масштабу, то масштаб подобия скоростей будет равен масштабу подобия коэффициентов фильтрации: .

Действительно скорость фильтрации в натуре:

, и соответственно действительная скорость фильтрации на модели:

,

где , - скорости фильтрации натуры и модели; , - коэффициент пористости фильтрационной среды натуры и модели; , - длина пути движения точек натуры и модели; , соответствующие промежутки времени передвижения по длине и .

Если положить, что масштаб подобия пористости равен:

и масштаб времени:

,

то выражение для масштаба скорости будет

.

Отсюда масштаб времени:

.

Линейный масштаб назначается из условия удобства проведения опытов на имеющейся или проектируемой установке физического моделирования. Форма очертания поверхности и литологического профиля грунтов модели и натуры должны быть геометрически подобны. Граничные условия на модели в начальный момент и в последующие моменты времени должны соответствовать натуре.

Количественные данные, полученные на модели, переводятся в натуру путем умножения на соответствующие масштабные коэффициенты. Фильтрационный расход натуры можно выразить через соответствующий расход на модели. Исходя из условия, что размерность расхода равна размерности скорости фильтрации, умноженной на размерность площади:

.

Отсюда

,

где - масштаб подобия расходов; , - фильтрационные расходы натуры и модели.

Изменение уровня грунтовых вод для рассматриваемой фильтрационной схемы описывается дифференциальным уравнением:

,

где - расстояние от дрены; - мощность фильтрационного потока; - отметка уровня грунтовых вод на расстоянии от дрены, при расчетах от водоупора ; - коэффициент водоотдачи или недостатка насыщения; - время от начала наблюдений.

Начальные и граничные условия:

, ;

, , ;

, .

На модели необходимо получить фильтрационный поток, описываемый тождественным уравнением, начальными и граничными условиями:

,

, , ;

, , ;

, .

Натурные и модельные величины уравнений связаны между собой масштабами подобия:

, , , ,

, , .

При подстановке соотношения в уравнение для натурного потока получим:

условия тождественности уравнения для натурных условий и уравнения для модели следующие:

,

Эти соотношения и являются критериями подобия двух рассматриваемых неустановившихся потоков.

При установившемся режиме имеем частный случай уравнений:

,

.

Проведя подстановку соотношений в уравнение получим для натурных условий:

Для тождественности необходимо соблюдение критерия:

,

который является частным случаем системы критериев.

Так как два критерия подобия связываются семь масштабов подобия, то пять масштабов являются независимыми и могут быть назначены, исходя из условий моделирования. Целесообразно за независимые масштабы принять:

- , - в соответствии с размерами имеющегося фильтрационного лотка;

- , - в соответствии с имеющимся грунтом;

- , так как при проведении опытов с водой ().

Зависимыми масштабами является и . Они определяются из критериальных соотношений:

; .

На основе параметров горизонтального дренажа на рисовых системах и водно-физических свойств почвогрунтов в натуре, полученных масштабами подобия приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчет масштабов подобия и параметров модели

Полученный масштаб времени означает, что одной минуте на модели соответствует 3555 минут в натурных условиях, или 2,47 суток, десяти минутам на модели соответствует 24,7 суток в натуре, что установлено проведенными опытами.

= 0,0085 ==0,0074 м/сут =0,00005 см/мин.

Для получения интенсивности инфильтрационного питания на поверхность песка в фильтрационном лотке нужно подавать расход:

= 0,00005 х 19760 =09808 см 3/мин,

где - площадь поверхности песка в лотке, равная 304х 65=19760 см 2.

Проверяем условия неразрывности потока в области фильтрации на лотке по максимальному значению числа . Максимальная скорость фильтрации имеет место в придренной области:

===0,787см/мин

= =0,0023=1,0,

где - максимальная скорость фильтрации на модели, м/сут; - средний диаметр пор грунта на модели, м; - кинематический коэффициент вязкости рабочей жидкости.

Результаты испытаний конструкции дрен в фильтрационных лотках приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты испытаний конструкции дрен в фильтрационных лотках

За два года наблюдений в испытываемых конструкциях дренажа произошло уменьшение дренажного стока. Работу дрен наглядно иллюстрируют данные изменения дренажного стока за период наблюдений (таблица 2).

Таблица 2- Динамика дренажного стока от времени фильтрации из дрен (см 3/с п.м.)

Дрена с фильтром из камышового рулона-трубы, обернутого из рисовой соломой ЗФМ, Д 1 обеспечила дренажный сток от 0,68 до 1,12 см 3 .с-1. пог.м-1. В начальный период наблюдений сток из дрены Д 1 составлял от 0.85 до 1.12 см 3.с-1, но в процессе испытаний стал быстро падать. Через 8 месяцев равнялся 0,73 см 3.с-1 пог.м-1, а к году наблюдения достиг от 0,75 см 3 с-1пог.м-1. Дрена Д 3 обеспечила дренажный сток от 0,70 до 1,12 см 3 .с-1. пог.м-1, но сток из этой дрены первоначально был 1,12 см 3.с-1 пог.м-1, а через 9 месяцев расход воды из дрены стал постепенно стабилизироваться на уровне 0.80 см 3 .с-1. пог.м-1 . Во второй год наблюдений расход воды дрен Д 1 и Д 3 стабилизировался в пределах 0.88-1,02 см 3 .с-1. пог.м-1

Дрена Д 2 работала с полным напорным режимом и в связи с этим обеспечила дренажный сток от 1.43 до 1,85 см 3 .с-1. пог.м-1, а через 8 месяцы дренажный сток стабилизировался на уровне 1.44-1.55 см 3 .с-1. пог.м-1.

В ходе опытов контролировалось содержание в воде железа, так как на внутренней поверхности дрен наблюдалось выпадение охры. В подаваемой воде содержание железа могло меняться, поэтому был выполнен цикл анализов. В течение 47 дней было отобрано сорок проб воды. Результаты анализа показали, что преобладало содержание 1-3 мг/л, но были скачки и до 4-7 и до 12 мг/л. Образовывались налеты охры на дне дрены в летнее время, то есть шло химическое окисление двухвалентного железа. Когда, расходы воды дрен стабилизировался, дрены были разобраны и фильтрующий материал подвергнут изучению. На дренажных трубах и внутренней поверхности материала был налет охры, на верхней части трубы и на материале, покрывавшем верхнюю часть трубы выпали в осадок соли. Максимальное выпадение солей в осадок было в дрене с минимальным расходом. Соли поступали в результате промывки грунта, который имел засоление 0,6-0,7%.

Анализ результатов опытов на фильтрационных приборах и лотках привел к выводу, что основное уменьшение дренажного стока было связано с изменениями, происходящими в грунте, с уменьшением коэффициента фильтрации за счет набухания глинистых фракций. Грунт приобрел коэффициент фильтрации, соответствующей природному.

По результатам опыта в фильтрационных лотках было рассчитано изменение коэффициента фильтрации. Результаты расчета показаны на рисунке 15 и приведены в таблице 11. Коэффициент фильтрации грунта в лотке по расчету достиг величины 0,013-0,064 м/сут.

Возможно, что рассчитанный таким путем коэффициент фильтрации несколько занижен, так как в полученном стоке уже учтено сопротивление дрены. По данным гидрогеолого-мелиоративной съемки грунт имеет коэффициент фильтрации 0,03-0,05 м/сут.

Результаты исследований показывают, что при одних и тех же коэффициентах фильтрации грунта расход дрены зависит от ее конструкции. Но при минимальных значениях коэффициента фильтрации 0,015-0,03 м/сут разница в стоке резко сокращается.

Таблица 3 - Изменение коэффициента фильтрации грунта в лотках

Если принять, что в природных условиях средний коэффициент фильтрации 0,03-0,05 м/сут, то конструкция дрена из камышовых рулонов -труб обернутых рисовой соломой при стоке с 1 погонного метра дрены 0,4-1,0 см 3/с обеспечит дренажный модуль при междренном расстоянии 82 м и дренажный модуль 0,049-0,12л/с/га. В проектах для данного района дренажный модуль обычно равен 0,03-0,05 л/с/га. В то же время эта конструкция позволяет вдвое сократить расход песчаной обсыпки, что обеспечивал экономию больших материальных ресурсов.

Литература

1. Методика лабораторных и натукрных исследований водопремный способности дренажных конструкции.- М.: ВНИИГиМ, 1988.- 40 с.

Размещено на Allbest.ru