ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ - Зміна фільтраційних характеристик незв'язних грунтів під дією дренажу

У вступі Наведена загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність проблеми, викладені мета і задачі досліджень.

У першому розділі виконаний грунтовний аналіз стану досліджуваної проблеми фільтраційних деформацій у суфозійних грунтах, водний режим яких знаходиться під відчутним впливом різноманітних техногенних факторів. Значна увага приділена в першу чергу роботам, в яких викладаються найбільш вагомі результати експериментальних і теоретичних досліджень деформацій, що були виконані в різні роки відомими вченими С. В. Ізбашем, В. С. Істоміною, В. М. Кондратьєвим, Г. М. Комунаром, В. М. Кондратьєвим, Д. М. Мінцем, А. І. Мурашко, А. В. Мясковим, О. М. Патрашевим, Г. Х. Праведним, Т. І. Хрисановим.

Розробка нового підходу до суфозійних деформацій, виходячи з умов рівноваги для рідини і неструктурної речовини, дозволила суттєво просунутися зусиллями М. М. Хлапука, А. Я. Бомби, А. Ф. Дмитрієва, В. Л. Полякова, Д. А. Дмитрієва в формулюванні відповідних математичних задач, їх реалізації аналітичними методами, плануванні спеціальних дослідів і врешті практичних рекомендаціях. Взагалі зовнішня і внутрішня суфозія мають локальний характер, але відбуваються найчастіше на найбільш відповідальних ділянках фільтраційної течії.

Основним технічним засобом керування фільтраційним потоком і взагалі водним режимом грунтів є різноманітні дренажі, які дозволяють своєчасно видаляти надлишкову грунтову і поверхневу воду (осушення), або навпаки поповняти надмірно спрацьовані запаси продуктивної вологи (зволоження). Саме дренажі звичайно ініціюють фільтраційне деформування незв'язних грунтів в меліоративній практиці. Тому істотні досягнення в теорії дренажу завдяки роботам С. Ф.Аверьянова, А. М.Костякова, О. Я.Олійника, М. Г.Півовара, В. І.Штикова, Д. Ф.Шульгіна і особливо інженерні методи розрахунку параметрів осушуючого дренажу, розроблені В. А.Іонатом, А. І.Івицьким, А. І.Мурашко, В. Л.Поляковим сприяли створенню надійної бази для обгрунтування дренажу і в суфозійних грунтах. Але щоб виконати таке обгрунтування, потрібно, по-перше, встановити закономірності розвитку фільтраційних деформацій при осушенні і зволоженні грунтів, а по-друге, знайти спосіб їх врахування в фільтраційних розрахунках. У відповідності з цими міркуваннями і були сформульовані мета роботи і задачі наукових досліджень.

У другому розділі сформульована математична задача зовнішньої суфозії сферичного стоку постійної інтенсивності. Вихідна модель включає рівняння збереження об'єму (маси) неструктурної речовини, масопереносу і балансу твердої речовини, які через радіальну симетрію задачі мають вигляд

(1)

(2)

(3)

А також початкові умови

(4)

Тут - фактична пористість; - об'ємні концентрації структурних і завислих часток; - дійсна середня швидкість руху рідини в порах; - критична швидкість; - вихідна об'ємна концентрація суфозійних часток. Система (1)-(3) зведена до еквівалентного рівняння фільтраційних деформацій відносно швидкості, яке при змінному набуває вигляду

(5)

Крім того встановлений зв'язок між і

(6)

Точний розв'язок задачі (4), (5) при, який було одержано методом характеристик, виражається залежністю між відносними часом і швидкістю

(7)

Тут, ,

Розрахунки багаточисленних прикладів при вихідному вмісті суфозійних часток від малого до високого показали, що внаслідок зовнішньої суфозії в грунті утворюються дві характерні зони, які разом складають область деформацій. В ближній до стоку зоні повної деформації грунту містяться виключно рухомі частки. З часом всі вони потрапляють в стік. У віддаленій же зоні часткової деформації грунту деяка кількість неструктурних часток залишається і може знаходитися в завислому стані необмежений термін. Типові розподіли суфозійних часток в області деформацій на різні фіксовані моменти часу наведені в рис.1. Видалення з грунту біля стоку помітного об'єму твердих часток призводить до зменшення опору потоку рідини з боку його твердої фази, що відбивається належним чином на коефіцієнті фільтрації. Відносна його величина визначалася за узагальненою В. Л.Поляковим формулою Козені-Кармана

(8)

Де, , , - еквівалентні діаметри структурних і суфозійних часток. Деякі результати обчислень у формі профілів на певні моменти часу, що представлені на рис.2, свідчать про можливість суттєвого покращення проникності грунту саме на ділянці найбільшого стиснення фільтраційного потоку.

Рис.1.Профілі відносної концентрації :

1, 4 - ; 2, 4 - ; 3, 4 -

Рис.2 Профілі відносної проникності :

1, 6 - ; 2, 6 - ; 3, 6 - ; 4, 6 - ; 5 -

Також були побудовані три наближених розв'язки задачі (4), (5), які виявилися дуже близькими до точного (7) і які в подальшому були використані для розрахунку об'ємів виносу твердої речовини в окремі стоки і їх системи, а також для аналізу суфозійного процесу при змінній інтенсивності. Для прикладу, другий наближений розв'язок має параметричний вигляд

, , (9)

Де, , - середнє значення, .

У третьому розділі виконано порівняльний аналіз суфозійного і фільтраційного процесів для трьох розповсюджених на практиці схем досконалого дренажу. Розглянуто дію систематичного горизонтального дренажу і одиночної свердловини, яка функціонує або з постійною витратою, або при постійному напорі, в однорідному грунті. Були співставлені відомі строгі розв'язки відповідних математичних задач і залежність, яка описує суфозійний процес біля лінійних стоків. Врешті зроблено загальний висновок про відносно швидке суфозійне деформування грунту, що надало підставу при теоретичному дослідженні фільтраційних деформацій вважати витрату постійною. Поряд з цим була розв'язана одна задача зовнішньої суфозії для екстремальних умов, коли убуває згідно квадратичного закону

А безрозмірне рівняння деформацій має таку форму

. (10)

Точний розв'язок задачі (4), (10) було одержано після лінеаризації рівняння (10) у параметричному вигляді. На прикладах з'ясовано, що осадження суфозійних часток через швидке зменшення може значно посилитися. На рис.3 наведено криві остаточного розподілу іммобілізованої речовини при різних значеннях коефіцієнту, які свідчать про важливість правильного врахування особливостей роботи дренажу.

Визначення динаміки виносу твердої речовини в окремий стік внаслідок складності точного розв'язку задачі зовнішньої суфозії є дуже трудомістким. Щоб його полегшити, використовувалися наближені розв'язки, а найкращою (похибки біля одного відсотка) виявилася залежність

. (11)

Де, , ; , , - поточний, вихідний і кінцевий об'єми вмісту суфозійних часток в області деформацій.

Рис. 3 Профілі концентрації осаджених часток:

1 - ; 2 - ; 3 - ; 4 -

В четвертому розділі вивчається внутрішня суфозія незв'язного грунту, яка спричиняється дією малого сферичного джерела. Як і у випадку зовнішньої суфозії, тут утворюються дві характерні зони. Але ближня зона є повністю вільною від неструктурних часток, які зосереджуються на периферії області деформацій. Ї вміст в акумулюючій зоні невпинно зростає, що створює додатковий опір потоку рідини і здатне з часом серйозно видозмінити всю фільтраційну картину. Формальна відмінність постановок математичних задач зовнішньої і внутрішньої суфозії полягає тільки в знаках рівняння массопереносу через різне спрямування фільтраційної течії. Однак характер суфозійного процесу суттєво змінюється, на що в першу чергу вказує інша форма профілів концентрації мобільних часток (рис.4).

Через накопичення часток, які рухаються уповільнено по відношенню до рідини, на рідину додатково діє відчутна сила з їх боку, що враховується в рівнянні руху (узагальнений закон Дарсі)

(12)

Де - аналог коефіцієнту фільтрації для фізичної системи "мобільні частки - рідина", - змінний в просторі і часі напір. Тоді є сенс використовувати в кількісному аналізі відносну ефективну проникність, яка визначається за формулою

, , (13)

А характер його зменшення з часом ілюструється рис.5, на якому зображені на різні моменти часу.

Рис. 4. Профілі відносної концентрації мобільних часток при :

1 - , 2 - , 3 -

Рис. 5. Профілі відносної проникності в акумулюючій зоні:

5,6

1-3,5

3-6

Для визначення повних втрат напору і розподілу напору в області руху, була розв'язана задача квазіусталеної фільтрації (неусталеність зумовлена тільки фільтраційними деформаціями грунту), завдяки чому були виявлені криза опору на початку деформацій і значне збільшення опору рідині з часом, що погіршує роботу зволожувача.

В п'ятому розділі викладаються практичні питання застосування теоретичних розробок по зовнішній суфозії (розділ 2) і доводиться із залученням експериментальних даних їх якісна відповідність фізиці явища суфозії. Запропонована методика розрахунку граничних об'ємів виносу твердої речовини в гончарні дрени (регулярні системи водоприймальних елементів). Формули методики диференційовані в залежності від співвідношення між витратою дрени і відстанню між елементами (щілинами) . Найчастіше виконується умова

або, (14)

Що означає відсутність конкуренції за суфозійні частки між сусідніми щілинами (рис.6а). Тут, - радіуси області деформацій і зони повної деформації грунту, - витрата дрени, - її довжина. Тоді повний відносний об'єм виносу суфозійної компоненти в одну щілину складе

, (15)

А в дрену дорівнюватиме згідно (15), помноженому на кількість в ній щілин. Також розглянуто винос в умовах часткової (рис.6б) і значної (рис.6в) конкуренції.

Рис. 6. Схема фільтраційних деформацій, зумовлених дією гончарного дренажу

Зменшення втрат напору в області руху через видалення з грунту суфозійних часток може стати причиною помітного посилення ефективності роботи дренажу. Для коректного врахування цього фактору при проектуванні дренажних систем вивчалася усталена фільтрація в області руху, яка складалася з трьох характерних зон. Дві з них відносяться до області деформацій, а третя містить недеформований грунт і обмежена контуром живлення. Паралельно розглядалися випадки лінійного і сферичного стоків. Розв'язання відповідної математичної задачі дозволило одержати кінцеві розподіл напору і повні його втрати, , що дорівнюють

, (16)

Де - відносний коефіцієнт фільтрації грунту у відсутності суфозійних часток, , - радіус стоку, - радіус області руху, - стала величина. Посилення дії осушуючого дренажу завдяки виносу неструктурної речовини пропонується враховувати спираючись на метод фільтраційних опорів. Тоді мірою впливу суфозійного процесу на дренування незв'язних грунтів може правити поправка до загального фільтраційного опору. Розроблено методику визначення. У випадку лінійного стоку дрени величина склала

(17)

При згідно (8) і

Збільшення радіуса дрени, як випливає з рис.7, призводить до послаблення ефекту суфозійних деформацій ( зменшується).

Рис.7. Графіки залежності :

1 - ; 2 -

Аналогічні вирази для одержано для сферичного стоку, а також при степеневій формі залежності коефіцієнту фільтрації від концентрації завислих часток, яка широко використовується в задачах фільтрування суспензій крізь зернисті завантаження. На рис.8 наведено алгоритм (схему) інженерного розрахунку міждренної відстані і об'ємів виносу, рівнів грунтових вод у суфозійних грунтах. Показано склад вихідної інформації, що потрібна для проведення обчислень; проміжні характеристики, що знаходяться за допомогою вищезгаданих методик; параметри дренажу і водного режиму, які визначаються з використанням вказаних характеристик і існуючих методів розрахунку дренажів.

Для підтвердження правомірності розгляду мобілізованих часток, як неасоційованої складової рідкої фази дренованого пористого середовища, застосування базових математичних моделей фільтраційних деформацій виконано апробацію теоретичних розробок. Полягала вона у порівняльному аналізі експериментальних даних (НУВГП, проф. М.М. Хлапук) і результатів розрахунків за строгими формулами, які наведені в дисертації. Емпірічні значення максимального об'єму виносу неструктурної речовини співставлені з теоретичними кривими (рис.9). Близьке відносне розташування експериментальних точок і вказаних кривих свідчить про коректність вихідних математичних моделей.

графіки залежності :_____ - теорія; &;#94;,ж - експеримент

Рис.9. Графіки залежності :_____ - теорія; ^,Ж - експеримент

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ - Зміна фільтраційних характеристик незв'язних грунтів під дією дренажу

Похожие статьи