РІВНЕНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Іващенко Алла Павлівна

УДК 626.862.3:532.001

ФІЛЬТРАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ НАВКОЛО ДРЕН І ЗВОЛОЖУВАЧІВ

І ЇХ ВПЛИВ НА ВОДОПРИЙМАЛЬНУ ЗДАТНІСТЬ КОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність 05.23.16 - Гідравліка та інженерна гідрологія

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

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 техніч-них наук, доцент, докторант кафедри гідротехнічних спо-руд Рівненський державний технічний університет,

Офіційні опоненти: Олійник Олександр Якович, доктор технічних наук, професор, член.-кор. НАН України, завідуючий відділом прикладної гідро-ди-на-міки Інституту гідромеханіки НАН України

черенков андрій васильович, кандидат техніч-них наук, доцент кафедри гідроме-ліо-ра-цій 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 засідан-ні 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

Автореферат розісланий ” 30 ” квітня 1999 року

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Востріков В. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В пористих середовищах під дією сил з боку фільтра-ційного потоку відбуваються деформації, які значно погіршують гідравлічний ре-жим 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. Фільтра-ційні де-формації в більшості випадків є основною причиною руйнування грунтових гребель. Деформації грун--тового середовища в зоні влаштування водо-за-бірних свердловин можуть при-з-водити до збільшення припливу та зниження рів-ня грунтових вод (РГВ), що обумовлює просідання грунту та вихід з ладу насосного обладнання. Так із-за суфозійних процесів приплив до дренажу осушувально-зволожу-валь-них систем (ОЗС) значно зменшується, збільшуються гід-рав-лічні градієнти, що в ок-ре--мих випадках призводить до виходу конструкцій з ладу. З іншого боку можливе ло-кальне збіль-шення 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 госп-договірною 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 дефор-му-ються, і який працює в гідравлічному режимі двосторонього регулювання РГВ.

В задачу досліджень входило:

1.

1.

1.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних експери-мен-тальних і теоретичних досліджень встановлений характер зміни коефі-цієнта філь-т-ра--ції в несуфозійному та суфозійному середовищах в навколодренній зоні при роботі дренажних конструкцій в гідравлічних режимах осушення і зволо-ження. На основі цього обгрунтовані моделі деформаційних процесів, які від-буваються 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 вико-рис-тані при будівництві та в науковому експерименті на модулі дослідно-ви-роб--ничої автоматизованої ОЗС, яка роз-ташована в с. Кам’яниця Дубнівського району Рівненської області.

Особистий внесок здобувача полягає в:

-

- 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 урахуван-ням деформацій середовища в навколодренній зоні.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення роботи допові--да-лись на науково- технiчних конференцiях рiзного рiвня (Рівне, 1994 - 1998) та ба---зуються 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'я-ти розділів, висновків, списку використаних джерел із 122 найменувань і додат-ків. За-гальний обсяг роботи складає 132 сторінок, в тому числі 41 таблиця і 38 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтована актуальність теми, cформульована мета дослід-жень, 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. Ос-кіль-ки найбільшого поширення в Україні отримали ОЗС, тому вивчення фільт-ра-ційних деформацій навколо дрен і зволожувачів має велике значення для прое-к-тування та забезпечення нормальних умов їх експлуатації. Надійність роботи цих систем в значній мірі залежить від пра-вильності фільтраційного розрахунку дренажу, визначення гідравлічних опорів безпосередньо в дре--нажі і, особливо, в навколодренному середовищі, так званих фільтраційних опорів, які в основному розглядаються в роботі.

Теорію дренажу та методи фільтраційних розрахунків розвивали С.Ф.Аве-р’я-нов, А.Д.Брудастов, Р.Еггельсман, А.Г.Івицький, В.А.Іонат, Д.Кірк-гем О.М.Ко--с--------тяков, А.І.Мурашко, О.Я.Олійник, М.Г.Пи-во--вар, В.-Л.Поляков В.С.Усе--н-----ко, Е.Чайл-д--с, А.М.Янголь та інші.

Д-ля--ро-зрахунку-др-ена-жу широке розповсюдження отри-мав метод філь-т-раційних опорів. Великий внесок в розвиток цього методу зро-били С.Ф.Авер’я-нов, М.М.Ве-ри-гінЛ.Ерн-ст, Д.Кір-кгемМ. Масленд, А.І.Мурашко, С.М.-Н-у-ме-ров, О.Я.О-лійник, М.Г.Пивовар, С.Х-угх-ау-д, В.М.Шес-та-ков--та інш-іОд-нак, вплив де-фор-ма-цій грун-ту на ро-бо-ту дре-на-жу та фі-ль-т-ра не вра-хо-ву-ва-в-ся, а саме він може бути визначальним для роботи дрен в цілому. Деформатив-ни-м-проце-сам, які ви-никаю-ть--у -гру-нті пі-д дією-ф-ільтра-ційної-с-ил-и, велику увагу при-ді-ляли І.І.Зауербрей, С.В.Із-баш, В.С.Істоміна, В.М.Кон---др-атьєв, -ДММінц, А.М.Пат--рашев, Г.Х. Правед-ний, М.І.Хр-исанов, Р.Р.Чугаев та ін-шіОс-но-в-ним фа--к---то-ром, що впливає на хід де-фор-ма-ти-в-них про-це-сів є гідравлічний гра-ді-єнт на-по-ру. На мо-ж---ли-вість ви-ни-к-нен-ня зна-ч-них гра-ді-є-н-тів на-по-ру в при-дрен-ній зо-ні вка-зу-ва-ли А.І.Му--рашко, А.В.Мясков, М.І.Хрисанов та ін-ші.

На основі проведеного аналізу літературних джерел зроблений висновок про значний вплив на во-до-прий-маль-ну здат-ність дрен де-фор-ма-ти-в-них про-це-сів, які ви-ни-ка-ють в нав-ко-ло-дрен-ній об-ла-с-ті. Од-нак, на прак--ти-ці це враховується в кра--що-му ви-пад-ку фор-маль-ним ви-зна-чен-ням ко-е-фі-ці-є-н-та фі-ль-т-ра-ції за-хи-с-но-го ма--те-рі-а-лу. Як-що ж осу-шу-валь-на дія дре-на-жу на пе-в-них ме-то-ди-ч-них за-са-дах вив-ча-лась у ба-га-тьох на-у-ко-вих та ви-ро-б-ни-чих ор-га-ні-за-ці-ях, то ро-бо-та кон--стру-к-цій в ре-жи-мі зво-ло-жен-ня, а тим біль-ше в ци-к-лі-ч-но-му ре-жи-мі (чер-гу-ван-ня осу-шен-ня та зво-ло-жен-ня), не до-слі-дже-на.

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 філь--траційної моделі, з якої скидалась в зливний бак, вода з останього перекачувалась назад в напірний насосом. Конструкція установки забезпечувала сталість на-пору та витрати води, що подавалась на модель. В залежності від задач дос-лід--жень застосовувались секторний лоток і напірна установка Дарсі. Напір вимі-рю-вася п'єзометрами. На установці в несуфозійному грунті досліджувалась низ-хід-на 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 вимі-рю-вання. Після досягнення максимального значен--ня градієнта, останні зменшувались. Методика проведення експериментів із суфозійним піском аналогічна за виключенням того, що досліджувалась низхідна та висхідна фільтрація. Після до-сягнення 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 осу-шення, 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 виз-начався гранулометричний склад грунту. Випробування проводились при 3-крат-ному дублюванні дослідів. При обробці дос--ліджень і перевірці адекватності от-ри--маних 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(су---фозійний) | 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(су---фозійний) | 1,73 | 0,6 | 0,450

Дослідження одномірного потоку дозволили встановити, що при певних умовах стійкість гра--фіка V=f(I), де V - швидкість фільтраційного потоку, I - градієнт напору, порушується, що пояснюється деформаціями грунту під дією філь-траційної 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 Iк=2), подальше збільшення ос-тан-ніх 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=ko[1+b(I-Io)] , (1)

де ko - коефіцієнт фільтрації при градієнті Io, значно меншому за критичний;

I - діючий градієнт напору;

b - константа, яка визначається дослідним шляхом.

За результатами досліджень визначені ko=0,015 см/с, b=0,22. При зменшен-ні напружень (гра-ді-єн-тів) грунт повністю не повертається до початкового ста-ну (кое-фі-цієнт фільтрації змінюється не суттєво), тобто деформації пористого середовища в даних умовах пружньо-пластичні.

На-явність 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 знач-них змін коефіцієнта фільтрації, а значить швидкостей і витрат. В одних умовах останні збіль-шуються, а в інших - зменшуються. Неврахування подібних явищ при проектуванні дренажу викликає невиправдане завищення капітало-вкла-день (у випадку збільшення витрат) або зниження ефективності дренажу (при їх змен-ше-н-ні). Для вивчення цих питань на секторному фільтраційному лотку про-ве-дені 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 нап-рямку 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-філь-т----руючого 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 дос-лідну.

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 на--порів, шт. |

5 |

5 |

20 |

7 |

7 |

5 |

5 |

6 |

20

Мінімальна різни---ця напорів DH, см |

10,5 |

10,5 |

10,5 |

1,7 |

6,15 |

6,1 |

10,5 |

10,5 |

10,5

Максимальна різ-ни--ця напорів DH, 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 зни-женою водопроник-ністю, тому коефіцієнт фільтрації в цій області мінімальний. При збільшенні ра-ді-альної ко-ординати r значення I різко падають і величина k зростає. В режимі зво-ложен-ня деформації грунту аналогічні, але мають більш інтенсивний характер, що поя-с-нюється різним напруженим станом середовища. Збільшення діючих різниць на-порів призводить до значного ущільнення грунту в зоні безпосередньо біля дре-ни і, відповідно, до зменшення водоприймальної здатності дре-ни. 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 вит-рат 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 кера-мічної дрени дещо покращує умови роботи останьої (питомі витрати збільшують-ся у порівнянні з незахищеним стиковим зазором). Але і в цьому випадку в нав-колодренній зоні відбуваються деформації. Характер зміни коефіцієнта філь-т-рації 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 умо-вах досконалої за характером розкриття пласта дрени розподіл градієнтів напору, а значить, і характер зміни коефіцієнта фільтрації відрізня-єть-ся 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 водоприймаль-ного отвору. У випадку досконалої дрени розподіл градієнтів має більш плав--ний 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 змі--ні нап-рямку фільтраційного потоку пред-ставляє певні труднощі, пов’язані із тим, що зміни у грунті в поперед-ньому режимі (залишкові деформації) накладаються на деформації в по-дальшому. Тому, для висунення ма---тематичної моделі деформацій і підтверд-жен-ня її експериментальними результа-тами, нами проведені дос-лідження з доскона-лою за характером розкриття пласта дре-ною при роботі її в режимах осу-шення і зволоження незалежно один від одно-го. Нами встановлено, що коефіцієнт філь-трації приймає максимальне та стале значення в навколодренній зоні, де градієнти напору найбільші, та зменшується при віддаленні від дрени, крім цього йо-го величина і характер зміни залежить від режиму роботи конст-рукції. У випадку зволоження значення k в навколодренній області значно більше, ніж в осушенні, з віддаленням від дрени зміна коефіцієнта фільт-рації при зво-ложенні 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 де-формованої області малі в порівнянні із міждренними відстанями, зміни k в ній значно впливають на водоприймальну здатність дренажу. Оскільки в натурних умо-вах більш поширені суфозійні грунти, тому постала необхідність вив-чен-ня 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 DH, см | 1,93 | 2,03

Максимальна різ-ниця напорів DH, 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 філь---т--рації при підвищенні діючих напорів. По характеру змін коефіцієнта фільтрації грунт можна розділити на дві області: 1 - кольматажу (rorrк) і 2 - вимиву (rкrR), де ro, rк, R - відповідно зовнішній радіус дрени, кольматажу і масиву фільтрації. Ці змі-ни k в режимі осушення та зволоження неоднакові (рис.4). При осушенні з наближенням до дрени в зоні 2 при зміні радіальної координати до rк величина k зростає. Це обумовлено переорієнтацією частинок скелету під дією градієнтів напору і вимивом суфозійних частинок, які ущільнюються і зупиняються із наб-лиженням 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 rк коефіцієнт фільтрації збільшується. В зоні ви-миву (rкrR) 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 ko - величина коефіцієнта фільтрації при I=Iо.

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 Iк;

rc - радіус силової дії дрени, тобто координата r, в якій I=Iк;

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(rc)=(1-a)ln(rc/ro)+ln(R/rc(1-a)+a) , (6)

, , (7)

де q - питома витрата;

ko=(1-a)k2.

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

, (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 ko=k2(1-Iк), в яких для режиму осушення

; (12)

для режиму зволоження

. (13)

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

(14)

де rк - радіус зони кольматажу;

ko; ko* - відповідно значення коефіцієнта фільтрації в зоні вимиву відповідно при r=R і r=rк; ;

a+b=1, a, b і e - 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 e .

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 пок-ладено метод фільтраційних опорів, згідно з яким, наприклад, для одиночної підруслової дрени притік визначається за залежністю

, (18)

Ф=Фо+Фi , (19)

де k - коефіцієнт фільтрації грунту;

Ф - повний фільтраційний опір;

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

Фi - 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

Фі 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 e становлять: для режиму осушення a=0,346, e =0,517; для режиму зволоження a=0,854, e =1,248.

Для несуфозійних піщаних грунтів з іншим гранулометричним складом радіус силової дії дрени rc може бути визначений шляхом проведення досліджень на фільтраційному лотку. Значення коефіцієнтів a і e 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 dci=0,16...0,1 мм значення коефіцієнтів a, b і e становлять: для режиму осушення a=0,02 - 0,08, b=0,92 - 0,98, e =-0,22 - -0,01; для режиму зволоження - a=0,01-0,08, b=0,8 - 0,99, e =-0,09 - -0,001. Для суфозійних піщаних грунтів з іншим гранулометричним складом радіус зони кольматажу rк може бути визначений шляхом проведення досліджень на фільтраційному лотку, а коефіцієнти a, b і e - 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=Фо+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

1.

1.

1.

1.

1.

1.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

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 деформа-тивних 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 ис-сле-до-ваний, дана общая характеристика работы.

В первом разделе на основании изучения проблемы фильтрационного расчета дренажа осушительно-увлажнитель--ных 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 одномер-ного 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 коэф-фициент 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 по-тока. В первой области коэффициент фильтрации значительно больший по срав-не-нию со второй. Исследования радиального потока показали, что фильтрацион-ные деформации грунта существенно влияют на водоприемную способность дренажа, поэтому существующие методики расчета неадекватные опытным дан-ным. Характер деформаций зависит от среды, конструкции дрены, режима ее ра-бо-ты 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 ус--тановление больших разностей напоров, что может привести к прекращению ра-боты дренажа. Наличие тонкого фильтра в виде стеклохолста несколько улуч-ша-ет условия работы керамического дренажа, но и в этом случае изменения в грун-те 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 изме-нении направ-ления 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 фильт-рации, решена задача осесимметричной радиальной фильтрации к дрене в кру--говом пласте в случае, когда грунт деформируется. Получены зависимости для определения напоров и градиентов в области фильтрации, а также удельно--го расхода.

В пятом разделе разработаны рекомендации к расчету дренажа, ра-бо-та-ю-ще-го 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-reclamasystems. Methods of ragistration of changes in calculations of drainage construwere worked out.

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