Зміна фільтраційних характеристик незв’язних грунтів під дією дренажу

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія

УДК 532.546

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЗМІНА ФІЛЬТРАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЗВЯЗНИХ ГРУНТІВ ПІД ДІЄЮ ДРЕНАЖУ

Сидор Василь Богданович

Київ 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: Поляков Вадим Леонтійович, доктор технічних наук, професор кафедри гідравліки та водовідведення Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: Хлапук Микола Миколайович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри гідротехнічних споруд Національного університету водного господарства та природокористування (м.Рівне).

Бугай Микола Григорович, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, провідний науковий співробітник відділу гідродинаміки гідротехнічних споруд Інституту гідромеханіки НАН України.

Захист дисертації відбудеться 25.02. 2009 р. о 13 ⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07. при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп., 31, КНУБА. Вчена рада Д 26.056.07.

Автореферат розісланий 23.01. 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

деформація фільтраційний суфозійний

Актуальність роботи.

Однією з важливих водогосподарчих проблем в Україні є забезпечення раціонального регулювання водного режиму незв'язних ґрунтів, які широко розповсюджені і часто зазнають фільтраційних деформацій. Саме в таких ґрунтах водно-фізичні умови є несприятливими і потребують суттєвого поліпшення. Основним інженерним засобом управління водно-фізичними умовами в них, як і взагалі в природних пористих середовищах, був і залишається горизонтальний дренаж, який застосовується в наш час на величезних площах. Під дією дренажу відбувається зміна фільтраційних характеристик незв'язного ґрунту в придренній зоні, тобто спостерігається фільтраційна деформація структури цього ґрунту. Його устрій переслідує різноманітні цілі (оптимізація водного режиму сільськогосподарських земель, перехоплення ґрунтових вод з прилеглих або дренованих територій, боротьба з підтопленням, відвід надлишкових вод з промислових і будівельних майданчиків тощо) і веде до різкого прискорення фільтраційної течії принаймні у безпосередній близькості від водорегулюючих пристроїв та елементів. Як раз ділянки фільтраційної течії, що примикають до дрен, відіграють багато в чому визначальну роль у формуванні водного режиму ґрунтів, про що свідчать великі втрати напору тут. Тому навіть локальна мобілізація часток твердої фази пористого середовища, яке дренується, здатна помітно, а в деяких випадках і радикально змінити фільтраційну картину в цілому за рахунок покращення її проникності поблизу дрени при зовнішній суфозії, утворення акумулюючої зони з наступним кольматажем середовища при внутрішній суфозії.

Суфозійний процес зумовлює помітний винос твердої речовини в осушуючі дрени і далі водовідвідні мережі, чим створюються передумови для їх замулення. Тому важливе значення набуває всебічна оцінка наслідків регулювання водного режиму суфозійних ґрунтів за допомогою дренажів, які широко використовуються на практиці. Проте надійно оцінити подібні наслідки можливо тільки, спираючись на результати поглиблених теоретичних досліджень фільтраційних деформацій.

Аналіз стосовно сучасного стану дренажу у незв'язних ґрунтах показав, що до теперішнього часу явище суфозійних процесів недооцінювалося, а спеціальний фільтраційний опір внаслідок механічної суфозії не враховувався при розрахунках параметрів дренажу. Дана робота містить потрібні для практики рекомендації по врахуванню впливу суфозії ґрунту на роботу як окремих водоприймальних елементів, так і дрен в цілому тому вона є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках державної програми „Про концепцію розвитку водного господарства України” і тісно пов'язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури, на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0198U007911).

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування основних закономірностей спільного протікання суфозійного і фільтраційного процесів під дією окремих малих сферичних стоків і їх систем і на цій основі удосконалення методів розрахунку параметрів гончарного дренажу з врахуванням зміни фільтраційних характеристик незв'язних ґрунтів.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі:

- дослідити теоретичними методами розвиток і результати фільтраційних деформацій в суфозійних ґрунтах, що зумовлені дією водорегулюючих споруд;

- оцінити вплив суфозійного процесу на фільтраційні характеристики і водний режим незв'язного ґрунту;

- виконати порівняльний аналіз значущості зміни структури ґрунту і фільтраційних характеристик на фоні різних дренажів;

- вивчити закономірності виносу неструктурної речовини в дрени при зовнішній суфозії і уточнити загальний фільтраційний опір з її врахуванням;

- на основі аналізу проведених теоретичних досліджень розробити методику розрахунку об'ємів виносу суфозійних часток у водоприймальні споруди.

Об'єкт дослідження - динаміка фільтраційних характеристик суфозійних ґрунтів поблизу дренажних споруд.

Предмет дослідження - двохкомпонентні ґрунти (структурні і не структурні частки), гончарні дренажі, потоки рідини і завислих часток, режими роботи дренажу, фільтраційні характеристики.

Методи дослідження - науковий аналіз теоретичними методами процесів зовнішньої, внутрішньої суфозії і кольматажу в незв'язних ґрунтах; використання аналітичних методів для визначення фільтраційних і деформаційних характеристик незв'язних ґрунтів, даних експериментальних досліджень для апробації результатів теоретичних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

- досліджено і науково обґрунтовано вплив зовнішньої і внутрішньої суфозії на роботу осушуючого і зволожуючого дренажів;

- побудовано нові математичні моделі зовнішньої і внутрішньої суфозії, під дією малого сферичного стоку і реалізовано їх аналітичними методами;

- встановлено закономірності масопереносу і фільтрації в радіальній області значної зміни водно-фізичних властивостей суфозійного ґрунту;

- узагальнено поняття фільтраційного опору на випадок суфозійних ґрунтів і визначено його складову, яка зумовлена зовнішньою суфозією.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблена інженерна методика розрахунку дозволяє визначати об'єми часток, що лишилися в деформованому ґрунті або видалені з нього. Запропоновані рекомендації при проектуванні дренажних систем дають підстави для збільшення міждренних відстаней, що дозволить знизити капітальні затрати.

Результати дисертаційної роботи впроваджені Шепетівським міжрайонним управлінням водного господарства Держводгоспу України. Використання запропонованих методів розрахунку дозволило збільшити міждренні відстані з 18 м до 22 м. Тим самим капітальні витрати зменшені на 12%.

Особистий внесок здобувача.

На основі аналізу проведених теоретичних досліджень розроблено методику розрахунку об'ємів виносу суфозійних часток в дренажні системи. Автору належить: розв'язання математичної задачі зовнішньої суфозії і кількісний аналіз на його основі деформаційного і фільтраційного процесів; реалізація математичної моделі внутрішньої суфозії і визначення закономірностей зміни фільтраційних властивостей ґрунту при відтисненні суфозійних часток від джерела; дослідження динаміки втрат напору при перерозподілі мобільних часток в ґрунті; розв'язок математичної задачі фільтраційних деформацій у випадку різкої зміни інтенсивності стоку; проведення аналізу посиленого осадження часток при цьому; розробка методики розрахунку об'ємів виносу неструктурної речовини в дренажні системи; визначення складової загального фільтраційного опору, яка зумовлена зовнішньою суфозію.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати та окремі розділи дисертації доповідались на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м.Київ 2004-2008р.р.); на міжнародної науково-практичної конференції: «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» (м.Миргород 2004, 2006р.р.); на Всеукраїнській науковій конференції: «Сучасні проблеми математики та інформатики» (м.Львів 2004р.).

Публікації.

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 друкованих робіт, в тому числі 8 у фахових виданнях, регламентованих ВАК України.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 182 найменувань і 2 додатків. Робота викладена на 187 сторінках, рисунків - 51, таблиць -1.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність проблеми, викладені мета і задачі досліджень.

У першому розділі виконаний ґрунтовний аналіз стану досліджуваної проблеми фільтраційних деформацій у суфозійних ґрунтах, 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 ґрунтів є різноманітні дренажі, які дозволяють своєчасно видаляти надлишкову ґрунтову і поверхневу воду (осушення), або навпаки поповняти надмірно спрацьовані запаси продуктивної вологи (зволоження). Саме дренажі звичайно ініціюють фільтраційне деформування незв'язних ґрунтів 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 обґрунтування дренажу і в суфозійних ґрунтах. Але щоб виконати таке обґрунтування, потрібно, по-перше, встановити закономірності розвитку фільтраційних деформацій при осушенні і зволоженні ґрунтів, 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 ґрунті утворюються дві характерні зони, які разом складають область деформацій. В ближній до стоку зоні повної деформації ґрунту містяться виключно рухомі частки. З часом всі вони потрапляють в стік. У віддаленій же зоні часткової деформації ґрунту 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 ґрунту 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 ґрунту 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 ґрунті. 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 ґрунту, 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 ґрунту, 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:

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

1 - ; 2 - ; 3-6 -

Для визначення повних втрат напору і розподілу напору в області руху, була розв'язана задача квазіусталеної фільтрації (неусталеність зумовлена тільки фільтраційними деформаціями ґрунту), 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 ґрунту, - 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 ґрунту 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 ґрунту 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 ґрунтів 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 ґрунтових вод у суфозійних ґрунтах. 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.

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

Алгоритм інженерних розрахунків

Початок

Ввід вихідних даних

· Витрата дрени і стоку ,

· Коефіцієнти фільтрації ,

· Критична швидкість (градієнт)

· Об'ємна концентрація суфозійних часток

· Відстань між водоприймальними щілинами

· Розмір щілин

· Довжина дрен

Розрахунок

Встановлення проміжних характеристик

? Складова фільтраційного опору внаслідок суфозії

? Об'єми виносу в одну щілину ,

? Характер конкуренції між щілинами , ,

Визначення параметрів дренажу і водного режиму:

? Динаміка рівня ґрунтових вод

? Відстань між дренами

Визначення параметрів виносу:

? Динаміка виносу часток в дрену

? Максимальний об'єм виносу в дрену

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Сформульовані математичні задачі зовнішньої і внутрішньої суфозії, які ініційовані малим сферичним стоком (джерелом). Отриманий ряд строгих рішень таких задач при постійному притоку (стоку) води та знайдені границі застосування математичної моделі деформацій при перерозподілу неструктурних часток в ґрунті. У випадку тривалого перерозподілу вказана модель потребує корегування. Встановлено, що суфозійний процес при зовнішній суфозії локалізується в області деформацій, незмінні розміри якої визначаються інтенсивністю притоку води до стоку. При цьому утворюються дві характерні зони. В зоні часткової деформації ґрунту незначна кількість суфозійних часток присутня у завислому стані і зберігається як завгодно довго. В зоні повної деформації знаходяться тільки мобільні частки, які в кінці кінців поступають в стік.

2. Можливості теоретичного аналізу фільтраційних деформацій суттєво розширюються завдяки формальному спрощенню вихідної моделі за допомогою спеціальних прийомів. Зокрема, високоефективною виявилась часткова лінеаризація рівняння деформацій, яка веде до мінімальних похибок у розрахунках, відкриваючи шляхи до вирішення більш складних задач (змінний приток, полідисперсна домішка).

3. Процес зовнішньої суфозії здатний навіть при помірному вихідному вмісті неструктурної компоненти відчутно збільшити проникність ґрунту поблизу стоку, а також зменшити втрати напору в області деформацій і в цілому в області руху. Під час різкого убування інтенсивності стоку (дренажної витрати) характер протікання процесу зовнішньої суфозії і розподілу імобілізованих неструктурних часток може в значній мірі змінитися. Внаслідок зменшення припливу рідини розвивається кольматаційний процес, який протікає на рухомому фронті осадження. В підсумку можливі тривала затримка в ґрунті значимої частини мобілізованих часток, помітне скорочення виносу твердої речовини у водоприймальні пристрої.

4. Інтенсивний приток води в грунт з малого джерела може обумовити відтиснення суфозійних часток з ближньої зони вглиб ґрунту. При цьому утворюються дві зони - суфозійна, вільна від таких часток, і акумулююча, що вміщає всі мобільні частки. Виникаючі дві границі (між зонами та зовнішня) являються рухомими і поступово віддаляються від джерела, зближуючись між собою. Вони обмежують зону з наростаючою концентрацією неструктурної компоненти.

5. Накопичення суфозійних часток у вузькій акумулюючий зоні при різних швидкостях їх руху та руху води сприяє посиленню протидії рідкої і твердої фаз пористого середовища одна одній і, як наслідок, погіршенню його проникності на даній ділянці фільтраційної течії. Разом з тим втрати напору в області руху в процесі такого деформування ґрунту змінюються незначно в силу віддалення вказаної зони від джерела і розширення суфозійної (чистої) зони.

6. Інтегральна форма точного розв'язку задачі зовнішньої суфозії ускладнює розрахунок динаміки виносу суфозійної речовини з ґрунту, яку слід знати при гідравлічних розрахунках водоприймальних та водовідвідних пристроїв. Запропоновано наближені формули, які виведені на базі спеціального рівняння відносно об'єму виносу, набагато полегшують його визначення, забезпечуючи при цьому високу точність обчислень.

7. Фільтраційні процеси, при регулюванні водного режиму системами дрен на значних територіях або при роботі окремих, а також груп водозабірних та водопонижуючих свердловин, як правило, протікають набагато повільніше, ніж деформаційні. Тому при розрахунках дренажів різного призначення достатньо приймати до уваги фільтраційні властивості ґрунту після завершення деформацій у ньому, а у теоретичних дослідженнях суфозійного процесу можна вважати дренажну витрату постійною.

8. Формальна заміна реальних дрен із зосередженим притоком води до систем рівновіддалених щілин на гіпотетичні дрени з рівномірно розподіленою вздовж них дренажною витратою призводить до недооцінки суфозійного процесу і його наслідків, а при невисокій витраті взагалі може стати причиною нехтування ним.

9. При обґрунтуванні параметрів дренажу, розрахунках його дії у суфозійних ґрунтах доцільно спиратися на метод фільтраційних опорів. Величина загального фільтраційного опору повинна тоді мати додаткову складову, яка враховувала б покращення умов дренування ґрунту в результаті деформацій, що відбулись в придренній зоні. Збільшення проникності і пористості ґрунту на відповідальних ділянках фільтраційної течії, може дати підставу при проектуванні дренажних систем для збільшення міждренних відстаней і дозволить знизити таким чином капітальні затрати.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Поляков В.Л., Сидор В.Б. Внешняя суффозия в несвязных грунтах при радиальной фильтрации // Прикладна гідромеханіка. - 2004.- 6(78), №4.- С.68-77.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає у побудові розв'язку математичної задачі зовнішньої суфозії, яка ініційована дією малого сферичного стоку.

Поляков В.Л., Сидор В.Б. Моделирование внутренней суффозии в несвязной среде // Журнал обчислювальної і прикладної математики. - 2004. - 2(91). - С.122.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає в формалізації процесу внутрішньої суфозії.

Поляков В.Л., Сидор В.Б. Про особливості розрахунку дренажу в суфозійних грунтах // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - Київ: 2004, Вип.3. - С.100-106.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає в кількісному аналізі впливу механічної суфозії на водно-фізичні властивості суфозійних ґрунтів.

Поляков В.Л.,Сидор В.Б. Про втрати напору при внутрішній суфозії у несв'язних грунтах // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - Київ: 2005, вип.4. - С.134-142.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає в оцінці змін втрати напору за рахунок внутрішньої суфозії.

Сидор В.Б. Порівняльний аналіз значущості суфозійного та фільтраційного процесів при функціонуванні різних типів дренажів // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - Вип.5. - К., - 2005. - С.120-128.

Поляков В.Л., Сидор В.Б. Расчет фильтрационных деформаций, обусловленных действием сферического стока с переменной интенсивностью//Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво.-Рівне:2006, вип.4.-С.190-198.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає в формулюванні математичної задачі фільтраційних деформацій при змінній інтенсивності стоку, аналіз осадження суфозійних часток.

Поляков В.Л., Сидор В.Б. Розрахунок виносу суфозійних частинок до гончарного дренажу // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - Київ: 2006, вип.6. - С.124-133.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає в розробці методики виносу суфозійних часток в систему водоприймальних елементів в конкретних умовах.

Сидор В.Б. Инженерные расчеты внешней суффозии, вызванной действием малого сферического стока // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - Вип.8. - К., - 2007. - С.

Поляков В.Л., Сидор В.Б. О фильтрационных деформациях при дренировании несвязных грунтов // Труди міжнародної науково-практичної конференції „Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних стічних вод” / Товариство „Знання” України. - Миргород. - 2004. - С.116-118.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає в аналізі динаміки виносу не структурних часток в дренажні пристрої.

Поляков В.Л., Сидор В.Б. Математичне моделювання зовнішньої суфозії в несв'язних грунтах, обумовленої дією стоку (дрени) // Труди ХІ Всеукраїнської наукової конференції „Сучасні проблеми математики та інформатики” / Видавництво ЛНУ ім. І.Франко. - Львів. - 2004. - С.122.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає в побудові наближених розв'язків задачі зовнішньої суфозії в незв'язних ґрунтах на фоні малого стоку.

Поляков В.Л., Сидор В.Б. Моделирование фильтрационных деформаций, инициированных дренажами, и его применение в инженерной практике // Труди міжнародної науково-практичної конференції „Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних стічних вод / Товариство „Знання” України. - Миргород. - 2006. - С.112-115.

Особистий внесок Сидора В.Б. полягає у визначенні компоненти загального фільтраційного опору, яка обумовлена зовнішньою суфозією.

АНОТАЦІЯ

Сидор В.Б. Зміна фільтраційних характеристик незв'язних ґрунтів під дією дренажу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - Гідравліка та інженерна гідрологія - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2009.

Сформульовано математичну задачу зовнішньої радіальної суфозії під дією малого стоку сталої інтенсивності і одержано її строгий розв'язок. Встановлено закономірності зміни проникності ґрунту і структуру області деформацій. Побудовано ряд ефективних наближених розв'язків вказаної задачі.

Виявлено суттєву різницю в характерних часах суфозійного і фільтраційного процесів стосовно досконалих горизонтального і вертикального дренажів. Вивчено особливості фільтраційних деформацій при різкому зниженні дренажної витрати, що сприяє посиленому осадженню завислих часток і утворенню зони осадження.

Розглянуто аналітичними методами рух суфозійних часток при їх відтисканні від малого джерела. Знайдені структура області деформацій, зміни проникності в ній і втрати напору з врахуванням додаткового опору фільтраційній течії з боку масового потоку, що рухається із запізненням.

Розроблено методику розрахунку об'ємів виносу твердої речовини у водоприймальні споруди на прикладі гончарного дренажу. Визначено складову загального фільтраційного опору, за допомогою якої просто враховується вплив суфозійних деформацій на дію осушуючого дренажу і його параметри, перш за все, відстань між дренами.

Виконано співставлення результатів теоретичних розрахунків з експериментальними, яке підтвердило коректність вихідних математичних моделей фільтраційних деформацій і методик розрахунку виносу структурної речовини і складової фільтраційного опору.

Ключові слова: деформація, суфозія, фільтрація, дренаж, ґрунт, осушення, зволоження, кольматаж, частка.

АННОТАЦИЯ

Сидор В.Б. Изменение фильтрационных характеристик несвязных грунтов под действием дренажа. - Рукопись.

На основе анализа современного состояния изученности фильтрационных деформаций (изменение фильтрационных характеристик) в дренируемых суффозионных грунтах сформулированы цели и задачи исследований. Поставлена математическая задача радиальной внешней суффозии под действием малого стока и получено её строгое решение в интегральной форме при постоянной его интенсивности. Расчёт многочисленных примеров позволил установить особенности формирования и структуры области деформаций, выявить закономерности изменения проницаемости и пористости грунта. Построен ряд приближённых решений данной задачи, которые имеют существенно более простую форму при минимальных погрешностях в вычислениях.

Суффозионный процесс сопоставлен с фильтрационным для совершенных горизонтального дренажа и вертикального, который эксплуатируется в двух режимах откачки: с постоянным расходом и при постоянном напоре. Установлено существенное различие в характерных временах указанных процессах. Изучены особенности фильтрационных деформаций при резком снижении дренажного расхода, что выражается в усиленном осаждении взвешенных частиц и образовании таким образом значительной зоны осаждения.

Исходя из общего уравнения фильтрационных деформаций выведено уравнение относительно объема частиц, сохранившихся в области деформаций. На основе его решения, а также вышеупомянутых строго и приближенных решений задачи радиальной внешней суффозии выполнен анализ динамики выноса не структурных частиц в малый сток.

Аналитическими методами рассмотрено движение суффозионных частиц при их оттеснении от малого сферического стока (внутренняя суффозия). При этом учтено воздействие на жидкость мобилизованных частиц. Установлено, что область деформаций состоит из двух характерных зон - чистой и аккумулирующей. Проанализировано изменение проницаемости и пористости грунта в области деформаций и потерь напора с учётом дополнительного сопротивления, которое оказывает запаздывающий массовый поток фильтрационному течению.

На базе теоретических исследований массопереноса к отдельным водоприёмным элементам разработана методика расчета объёмов выноса твёрдого вещества в системы таких элементов на примере гончарного дренажа. Искомый объём определяется в зависимости от дренажного расхода, расстояния между указанными элементами. Сформулированы условия, которые определяют характер конкурентных отношений между ними. Выполнен анализ потерь напора в ос симметричной и радиальной областях движения деформированного грунта. Показана недопустимость использования в расчетах массопереноса и выноса не структурного вещества в гончарные дрены осреднённого по их длине фильтрационного расхода. Теоретическим путём получено обобщённое выражение для сопоставляющей общего фильтрационного сопротивления, которое способствует простому учёту влияния происшедших суффозионных деформаций на действие осушительного дренажа и его параметры. С использованием некоторых широкоизвестных формул для коэффициента фильтрации найдены конкретные выражения для указанной составляющей, что позволяет обоснованно при проектировании осушительных систем увеличивать расстояние между дренами.

Проведено сопоставление результатов теоретических расчетов с экспериментальными, которое подтвердило корректность исходных математических моделей фильтрационных деформаций, а, следовательно, расчётных формул методик вследствие строгости полученных решений математических задач.

Ключевые слова: деформация, суффозия, фильтрация, дренаж, грунт, осушение, увлажнение, кольматаж, частица.

RESUME

Sydor V.B. Change in hydraulic characteristics of cohesiveless soils due to drainage action. - Manuscript.

Thesis for an academic degree of Candidate of Technical Sciences in the Speciality 05.23.16 - Hydraulics and engineering hydrology. - The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2009.

A mathematical problem has been stated of radial external suffosion due to action of a small sink and an exact solution has been obtained at constant intensity. Deformation field structure and regularity of hydraulic conductivity change have been established. A number of effective approximate solutions to the problem have been found.

Essential difference has been ascertained in characteristic times of mass transfer and groundwater flow processes for perfect horizontal and vertical drains. Hydrodynamic deformations have been studied when falling drain discharge what facilitated intensive sedimentation of suspended particles and formation of a special zone.

Mobile particles movement has been considered when they were rejected from a small source. Deformation field structure, hydraulic conductivity and head losses have been analyzed taking into account additional resistance to groundwater flow from delaying mass flow.

An engineering method has been developed of calculating the volume of solid substance which was transported into a system of water intake elements as an example of pottery drainage. A component of general filtration resistance has been determined what allowed to take into consideration effect of hydrodynamic deformations on drying drains action and their parameters, first of all, drain space.

Comparison of theoretical and experimental results has been carried out which corroborated validity of the assumed mathematical models of hydrodynamic deformations and the calculated methods.

Key words: deformation, suffosion, groundwater, flow, drainage, soil, drying, wetting, colmatage, particle.

Размещено на Allbest.ru