Теоретичні основи фільтрації в середовищах, що деформуються, та їх застосування в області дренажу

В роботі розглянуті також більш загальні моделі збурень в багатофракційних ґрунтах, коли враховуються різного роду деформаційні процеси (вимив суфозійних частинок, кольматаж, переорієнтація частинок у просторі) в різних зонах масиву фільтрації.

Велике практичне значення мають задачі фільтрації в ґрунтах з циліндричною шаруватістю, коли, наприклад, для двошарового середовища k=k_з при r_or<r_з, k=k_о при r_зrR_o. Дана задача може бути математичною моделлю процесу фільтрації до дрени з круговим фільтром, зокрема засипкою або об'ємним фільтром радіусом r_з з різних матеріалів. Разом з тим застосування об'ємних фільтрів чи обсипок, на наш погляд, не має достатнього наукового обґрунтування. Таким фільтрам апріорі надаються певні властивості та функції і вважається, що вони їх виконують. Однак, дрена і фільтр навколо неї динамічно взаємодіють з розташованим довкола ґрунтом і ця взаємодія може привести до непередбачених і, як правило, негативних наслідків.

Нами отримано, наприклад, розв'язок задачі, коли коефіцієнт фільтрації засипки (об'ємного фільтра, трубофільтра тощо) не змінюється під дією градієнта напору, в ґрунті ж відбувається вимив суфозійних частинок, які проходять у внутрішню порожнину дрени без затримки в порах засипки або ж цією зупинкою можна знехтувати (коефіцієнт фільтрації засипки практично не змінюється із-за суфозійних процесів). Для даного випадку значення радіуса точки розділу збуреної і незбуреної зон в ґрунті знаходиться з трансцендентного рівняння

r_cг=(H_o-h_o)/I_{kp з}(r_c), (33)

а приплив за формулою

q=2 k_o(H_o-h_o) / _з(r_c) , (34)

де _з(r_с)=ln(R_o/r_сг)+b^-1ln(r_cг /(ar_cг+br_з))+(k_o/k_з)ln(r_з/r_о).

З практичної точки зору доцільно визначити характер та інтенсивність дії впливових параметрів, таких як різниця напорів =H_o-h_o, критичний градієнт для грунту I_кр, радіуси дрени r_o та засипки r_з і коефіцієнти фільтрації засипки k_з та грунту k_o на розвиток процесів деформації в навколодренному грунті. Цей процес будемо характеризувати величиною радіуса розмежування r_cг. Запишемо рівняння (33) у вигляді

(H_o-h_o)/I_крr_сг - ln R_o+(k_o/k_з) ln(r_з/r_o)=b^-1 ln(r_сг/(ar_сг+br_з)) - lnr_сг. (35)

Ліва частина рівняння (35), позначимо її y₁, залежить від =H_o-h_o, I_кр, які є гідродинамічними характеристиками, та від співвідношення k_з/k_o, що є характеристикою матеріалу засипки. Права частина - y₂, залежить від величин a і b, тобто від характеристик грунту щодо здатності його змінювати пористість під дією градієнтів напору. На рис.3, для прикладу, наведені графіки залежностей y₁=f₁(r_cг, k_з/k_o) для k_з/k_o =0,257; 1,0; 100 (відповідно криві 1, 2, 3) та y₂=f₂(r_cг, а) для a=0,8; 0,2; 0; -0,2; -0,5 (відповідно криві а, б, в, г, д), побудованих при таких значеннях параметрів: =1,0 м; R_o=1,0 м; r_o=0,05 м; r_з=0,10 м.

Значення r_cг для конкретних значень параметрів знаходяться як точки перетину кривих y₁ і y₂. Як видно з графіків, при зростанні k_з зона збурення r_cг збільшується, причому більш інтенсивно при значеннях a близьких до 1,0. Відмітимо, що на значення r_cг більш суттєво впливає величина k_з, ніж параметр a. Так при зміні a від 0,8 до -0,5 значення r_cг для k_з/k_o=100 зростає від 0,21 до 0,25 м, тобто в 1,19 разів, а при зміні k_з/k_o від 0,257 до 100 при a=0 - від 0,10 до 0,22 м, тобто в 2,2 рази. Таким чином, величиною k_з можливо і доцільно регулювати ймовірність суфозійних явищ, які, як правило, ведуть до негативних наслідків. Суфозійні частинки не будуть вимиватися з грунту, коли r_cгr_з (як було вказано, нами прийнято, що матеріал засипки стійкий до дії градієнтів).

Тоді співвідношення між впливовими параметрами визначається із наступного критеріального рівняння, отриманого з (33) при r_cг= r_з:

r_з=(H_o-h_o)/(I_кр(ln R_o/r_з+(k_o/k_з) ln (r_з/r_o))) . (36)

При моделюванні процесу фільтрації в шаруватих середовищах розглянуті і більш загальні випадки. На їх основі розроблена методика конструювання досконалих дренажних конструкцій з об'ємними фільтрами, яка враховує деформаційні процеси та дозволяє звести до мінімуму їх негативні наслідки.

Характерною особливістю моделювання процесів фільтрації із зволожувача в грунт є те, що на відміну від режиму осушення, тут обов'язково виникають два типи різним чином збурених зон (ділянок). Безпосередньо біля зволожувача з'являється ділянка, де відбуваються процеси суфозії грунту (вимив суфозійних частинок з цієї ділянки), отже коефіцієнт фільтрації тут зростає. Слід відмітити, що, як було встановлено раніше, зростання коефіцієнта фільтрації грунту внаслідок вимиву суфозійних частинок залежить не стільки від критичного градієнту, скільки від спеціальних характеристик грунту (а, b тощо), які вперше введені нами. За ділянкою вимиву формується, природно, ділянка кольматажу (осідання, затримання чи зупинки суфозійних частинок, що надходять в цю зону із-за її меж), де коефіцієнт фільтрації певним чином зменшується.

Для даного випадку розглянуто декілька варіантів формування збурених зон, коли коефіцієнти фільтрації на довжині ділянок вимиву та кольматажу постійні. Наведемо розв'язки задачі, коли, наприклад, вводиться два критичних градієнта I_kp._в та I_kp._з (стосовно границі вимиву та зупинки частинок). В результаті розв'язку трьох "неповних" задач знайдемо функції розподілу градієнтів, а тоді з розв'язку рівнянь I_дв(r_в)=I_kp._в, I_дз(r_з)=I_kp._з отримаємо формули для визначення точок розділу зон

(37)

з яких методом послідовних наближень за відомими значеннями h_o, H_o, R_o, r_o, k_o, k_в, k_з, I_кр.в, I_кр.з обчислюються величини r_в і r_з, де k_o, k_в, k_з- відповідно коефіцієнти фільтрації грунту незбуреної зони, зони вимиву і зони кольматажу. Для обчислення критичного градієнта стосовно затримки суфозійних частинок I_kp._з виведена залежність

I_kp._з= I_kp._в((_m+1) / (_m-) /(1+- (r_o / r_в)²) , (38)

де =m_cз / m_c - відношення кількості суфозійних частинок, що надійде в кожну одиницю об'єму зони затримки, до початкової кількості; _m=n_o/m_c - максимально можливе значення . З рівняння (38) видно, що критичний градієнт зупинки I_kp.з- це змінна характеристика стабілізації процесу кольматажу (для розглядуваного випадку фільтрації із зволожувача в середовище), яка поєднує взаємовплив суфозії і кольматажу. Тут групою характеристик суфозії є I_kp.в і r_в, а кольматажу - і _m Вказані групи характеристик впливають одна на одну. Наприклад, при зростанні діючих градієнтів в зоні вимиву I_дв збільшується радіус r_в, отже і критичний градієнт зупинки, хоча грунт залишився одним і тим же. З фізичної точки зору параметр інтегрує в собі характеристики зернистого середовища та порової структури: розміри суфозійних частинок (d_c) і пор (D_o) та початкове наповнення порового простору повинні бути такими, щоб стало можливим переміщення таких частинок із зони, де діючі градієнти більші за I_kp.в, в зону зупинки (кольматажу), тобто в цій зоні повинно бути можливим ущільнення суфозійних частинок в порах. В іншому випадку значення буде прямувати до нуля, вимив суфозійних частинок і кольматаж ними грунту стане неможливим.

Формула для обчислення питомої витрати для даного випадку має вигляд

q=2 k_o(h_o-H_o)/ , (39)

де .

На рис.4 зображені графіки залежності відносної витрати q_в=q/(2k_o(h_o-H_o)) від параметра , віднесеного до , і початкової кількості суфозійних частинок , обчислені для R_o=110, r_o=10, r_в= 30, n_o=0.35 (розмірність опущена, так як у формулу для входять відносні величини).

Як видно з графіків, збільшення приводить до поступового спадання q_в з інтенсивністю, яка залежить від m_c - чим більше значення m_c тим інтенсивніше спадає q_в; при наближенні до максимально можливого значення _m зменшення витрати відбувається значно інтенсивніше. Тобто, якщо структура грунту така, що значення близьке до _m, то процес суфозії-кольматажу значно зменшує фільтраційну витрату. З аналізу структури зернистого середовища та порового простору отримаємо, що таке суттєве зменшення витрати можливе при наявності досить мілких суфозійних частинок (d_c<<D_o), тоді за межею вимиву такі частинки можуть створювати щільну масу. Це значить, що на працездатність зволожувачів впливають наймілкіші частинки, на відміну від дрен, в яких придренний грунт замулюється суфозійними частинками максимально можливого діаметру. Відмітимо, що при малих значеннях зростання кількості суфозійних частинок m_c приводить до збільшення фільтраційної витрати. Це пояснюється тим, що зона вимиву стає більш пористою і, тим самим, фільтраційний опір на ділянці великих швидкостей зменшується.

Аналогічним чином нами отримані розв'язки задач фільтрації із зволожувача в грунт при можливості нерівномірного вимиву та кольматажу. Зміна коефіцієнта фільтрації грунту в цих зонах описується залежностями типу (23) та іншими, більш складними.

Для найбільш характерних варіантів моделювання деформаційних процесів наведені результати числових розрахунків, за якими встановлена степінь дії різних чинників (різниця напорів H=H_o-h_o, радіус дрени r_o, коефіцієнт фільтрації k_o, параметри а, b, які характеризують здатність грунту змінювати коефіцієнт фільтрації грунту під дією градієнтів напору, та інші) на фільтраційну витрату.

В заключення відмітимо, що всі розглянуті моделі ґрунтуються на розв'язках основної системи рівнянь (15), що описують взаємовпливові процеси фільтрації і механічної суфозії (кольматажу), для моменту стабілізації деформаційних процесів.

Експериментальні дослідження фільтрації в середовищах, що деформуються. Перевірка адекватності теоретичних моделей дослідним даним

При проведенні експериментів на дослідних установках межа ламінарного режиму руху фільтраційного потоку не перевищувалася.

Дослідженнями фільтрації в різних грунтах на установці Дарсі було встановлено, що під дією градієнтів напору відбуваються деформації в грунті, які впливають на його коефіцієнт фільтрації, При цьому залежність коефіцієнта фільтрації грунту від діючого градієнта, при якому відбуваються деформаційні процеси, має вид

k=k_o(1+b_фI_д). (40)

Наприклад, для грунту №10 (табл.1) коефіцієнти k_o і b_ф, визначені з досліду, становлять k_o=0,85 см/с, b_ф=-0,28 (рис.5).

Для випадку, коли існує верхній критичний градієнт, при досягненні якого припиняються деформації, формулу (40) доцільно записати у вигляді

k=k₂(1+b_ф(I_д-I_kp)), 0I_дI_kp (41)

де k₂ - стабілізоване значення коефіцієнта фільтрації при I>I_kp.

Рівняння (41) можна використати для побудови моделей зміни коефіцієнта фільтрації грунту при фільтрації до дрен, свердловин. Для радіального потоку функція градієнта напору при відсутності деформацій має вигляд I(r)=I_o(r)=/rln(R_o/r_o). Підставивши це значення в (41), отримаємо k(r)= k₂(b_ф/rln(R_o/r_o)+(1-b_фI_kp)) або k(r)=k₂(ar_c/r+b), де a=b_фI_kp; r_c=/I_kpln(R_o/r_o). Отже модель (23), яка отримана нами з розв'язку загальної задачі (15), знаходить лабораторне підтвердження.

Дослідження фільтрації в різних грунтах на щілинному лотку показали, що в зоні дії великих градієнтів напору (біля водоприймальних отворів) відбуваються деформаційні процеси, внаслідок яких коефіцієнт фільтрації грунту k значно змінюється, причому при вимиві мілких частинок з грунту за межі області фільтрації значення k зростає, а при їх затримці - зменшується. Зміна коефіцієнта фільтрації, в свою чергу, суттєво впливає на фільтраційну витрату.

Деформаційні процеси, які виникають в грунті під дією градієнтів напору, вищих за критичні, можуть суттєво впливати на приплив до дренажу. Для вивчення цих процесів на секторному фільтраційному лотку проведені дослідження різних конструкцій дрен при роботі їх в режимах осушення, зволоження і при циклічній зміні напрямку фільтраційного потоку. В дослідах визначалася фільтраційна витрата q в залежності від різниці діючих напорів і співставлялася із значеннями, обчисленими за формулами М.Т. Ефендієва і Д. Кіркгема. Графіки q=q() для режиму осушення циклу 1 наведені на рис.6.

Як бачимо з графіків, дослідні результати суттєво відрізняються від теоретичних розрахунків, максимальне відхилення складає 38 %. Можна припустити, що на фільтрацію до дрени, впливають деформації грунту, які залежать від діючих градієнтів напору.

Інші дослідні дані (гончарний дренаж при з'єднанні трубок встик та з захистом фільтром, пластмасовий дренаж, різні грунти) аналогічні наведеним. Однак, структура фільтра може значимо впливати на фільтраційну витрату: якщо фільтр щільний і не пропускає суфозійних частинок, то відбувається замулення прифільтрового шару грунту.

Деформаційні процеси відбуваються і довкола досконалої за характером розкриття пласта дрени. В табл.2 і 3, для прикладу, наведені результати досліджень питомої витрати в залежності від діючих різниць напорів.

Дослідні питомі витрати суттєво менші за розрахункові, які отримані при k=const. Це зменшення відбувається завдяки деформаційним процесам, які виникають в навколодренній зоні під дією сил з боку фільтраційного потоку. Спадання фільтраційної витрати свідчить про зменшення коефіцієнта фільтрації при підвищенні діючих напорів. Якщо питому фільтраційну витрату обчислювати з врахуванням деформаційних процесів, тобто з введенням моделі зміни коефіцієнта фільтрації грунту, то розрахункові значення q_p відповідають значенням q, отриманим з досліду.

Таблиця 2 Питомі фільтраційні витрати досконалої за характером розкриття пласта дрени для режиму осушення в залежності від діючих різниць напорів

Таблиця 3 Питомі фільтраційні витрати досконалої за характером розкриття пласта дрени для режиму зволоження в залежності від діючих різниць напорів

В ґрунтових лотках досліджувалися приплив до дрен різних конструкцій, що застосовуються в меліоративний практиці (режим осушення), а також витрата із зволожувачів в грунт (режим зволоження). Для зволожувачів використовувалися ті ж дрени, що працювали в режимі осушення, тобто вивчалися дренажні елементи осушувально-зволожувальних систем. В усіх випадках відбувалися деформаційні процеси в придренній зоні, причому в режимі зволоження їх вплив на фільтраційну витрату був значно вищим, ніж в режимі осушення.

Дослідження роботи дрен при багатократному повторенні циклу осушення-підгрунтове зволоження проводилося на безнапірній установці Дарсі, щілинному та грунтових лотках. В режимі зволоження кожного циклу фільтраційна витрата значно зменшувалася в часі, в режимі осушення наступного циклу дещо зростала, але не досягала початкового значення. Після 7-10 циклів деформаційні процеси стабілізувалися і витрата не змінювалася.

Оцінка достовірності теоретичних залежностей, лабораторних досліджень, доцільності їх застосування в інженерній практиці проектування дренажних конструкцій виконана нами на основі натурних досліджень. Для цього отримані надійні натурні дані на основі проведення польових досліджень на виробничій ділянці за спеціальною методикою, яка дозволяє з достатньою точністю визначати витрати і напори в дренах і грунті.

Залежності та рекомендації для фільтраційних розрахунків дренажних конструкцій з врахуванням деформаційних процесів

Наведено залежності для визначення припливу до дрен та витрати із дрен-зволожувачів при їх роботі в незв'язних грунтах різного гранулометричного складу.

Запропонована методика розрахунку об'єму суфозійних частинок, які виносяться з ґрунтового масиву фільтраційним потоком (твердого стоку).

Розроблені критеріальні рівняння, на основі яких можна проектувати такі дренажні конструкції, які не приводять до виникнення деформаційних процесів, або ж ці процеси не впливають на їх працездатність, та встановлювати безпечні умови експлуатації дренажних систем.

Розроблена також методика конструювання дрен з об'ємними фільтрами на основі результатів розв'язку відповідних крайових задач фільтрації.

фільтрація суфозійний деформаційний ґрунт

ВИСНОВКИ

1. В грунті придренної зони під дією сил з боку фільтраційного потоку виникають деформаційні процеси (суфозія, кольматаж), які приводять до зниження водоприймальної спроможності дрен, або до їх повного виходу з ладу. В існуючих методиках фільтраційного розрахунку дренажних конструкцій деформаційні процеси в грунті і захисних фільтрах не враховуються через їх невивченість та відсутність відповідних моделей для описання.

2. Розроблена математична модель для сумісного опису взаємовпливових процесів фільтрації і механічної суфозії в зернистих середовищах. Отримано аналітичні розв'язки відповідних крайових задач фільтрації, які можна використати в інженерній практиці, і доведена їх адекватність дослідним даним.

3. Для характеристики деформаційних властивостей грунтів додатково до критичного градієнта напору введені нові параметри, які дозволяють кількісно описати інтенсивність зміни коефіцієнта фільтрації під дією градієнта напору. За допомогою критичного градієнта знаходиться лише межа ділянки, де відбуваються деформаційні процеси.

4. Розроблено математичні моделі локально збуреної осесиметричної фільтрації в грунтах різного гранулометричного складу для різних умов роботи дренажних конструкцій в режимах осушення і зволоження.

5. Виконано моделювання деформаційних процесів у випадку циліндричної шаруватості середовища та встановлені критерії конструювання дрен з об'ємними фільтрами оптимальних розмірів.

6. Отримано аналітичні розв'язки задач фільтрації із зволожувача в грунт та розкрито механізм кольматажу пористого середовища.

7. Експериментальними дослідженнями встановлено, що в грунті довкола дрени та в захисних фільтрах виникають деформаційні процеси, які значимо впливають на фільтраційну витрату. Підтверджена адекватність теоретичних розв'язків дослідним даним.

8. Встановлено, що на зміну коефіцієнта фільтрації грунту впливає величина градієнта напору, ця зміна описується лінійною залежністю. В однорідних грунтах та грунтах, що не містять суфозійних частинок, коефіцієнт фільтрації із збільшенням градієнта напору зростає або спадає, а при перевищенні градієнтами деякого значення частинки грунту набувають сталого положення і деформаційні процеси припиняються. В суфозійних грунтах виникають дві зони - вимиву і кольматажу, зміна коефіцієнта фільтрації в яких залежить від характеристик грунту та величини градієнтів напору. Функція залежності швидкості фільтрації від градієнта напору при наявності деформаційних процесів стає нелінійною.

9. За величиною дренажного стоку без відомих граничних умов неможливо характеризувати водоприймальну спроможність дренажу. Додатковий фільтраційний опір не може бути достатньою характеристикою дренажної конструкції, оскільки залежить від коефіцієнта фільтрації грунту. Введений параметр є універсальною характеристикою, залежить тільки від конструктивних параметрів дрен і враховує деформаційні процеси.

10. Циклічна робота дрен осушувально-зволожувальних систем при великих діючих градієнтах в придренній зоні приводить до значного зменшення припливу у порівнянні з початковим періодом. При дотриманні в придренній зоні градієнтів напору нижчих за значення, при яких відбуваються значимі деформаційні процеси, приплив до дрени не буде суттєво зменшуватися.

11. Отримана математична модель нелінійної нестаціонарної фільтрації в середовищах, де виникають деформаційні процеси, може використовуватися для визначення впливу механічної суфозії та кольматажу на роботу водозабірних свердловин.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Дмитриев А.Ф., Безусяк А.В., Хлапук Н.Н. Совершенствование осушительно-увлажнительных систем.- Львов: Свит, 1992.- 176 с.

2.Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н., Безусяк А.В. Фильтрационные сопротивления дренажных конструкций, работающих в режиме двустороннего действия // Повышение эффективности осушительно-увлажнительных систем: Сб. науч. тр. /Укр. НИИ гидротех. и мелиорации. -1985.- С.82-88.

3.Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н, Тышенко А.И. Определение фильтрационных сопротивлений дренажных конструкций при работе их в режиме двустороннего действия // Тез. докл. и выступ. на совместном заседании Проблемного совета по осушению и осушительным системам Минводхоза СССР и секций осушения и использования мелиорированных земель ВАСХНИЛ по оптиматизации параметров осушительных и осушительно-увлажнительных систем в целях повышения продуктивности мелиорированных земель, 22-26 июля 1985 г.-Украинская ССР, Львов, 1985.- С.16-18.

4.Хлапук Н.Н., Безусяк А.В., Бенчук А.П., Громадченко В.Ю. Универсальная характеристика фильтрационных сопротивлений дренажных конструкций // Гидромелиорация и гидротехническое строительство.- 1988.- Вып.16.- С.60-62.

5.Хлапук Н.Н., Дмитриев А.Ф. Фильтрационные сопротивления дренажных конструкций осушительно-увлажнительных систем // Гидравлика и гидротехника.- 1989.- Вып.48.- С.25-33.

6.Хлапук Н.Н., Дмитриев А.Ф., Громадченко В.Ю. К вопросу надежности осушительно-увлажнительных систем // Вопросы теории и практики надежности гидромелиоративных систем и сооружений: Сб. науч. тр./ ГрузНИИ гидротехники и мелиорации.- 1989.- С.195-204.

7.Пивовар Н.Г., Бенчук А.П., Опанащук Т.В., Хлапук Н.Н. Краевая задача фильтрации к дренажу при работе его в подрусловом режиме // Гидравлика и гидротехника.- 1990.- Вып.50.- С.22-25.

8.Пивовар Н.Г., Бенчук А.П., Безусяк А.В., Хлапук Н.Н. Потери напора на конструкции и приток к дренажу при работе его в подрусловом режиме и режиме инфильтрации // Гидромелиорация и гидротехническое строительсто.- 1990.- Вып.18.- С.69-71.

9.Хлапук Н.Н., Дмитриев А.Ф., Громадченко В.Ю. Особенности работы дрен осушительно-увлажнительных систем // Мелиорация и водное хозяйство.- 1990.-№12.- С.53-56.

10.Хлапук М.М., Тишенко Ю.О., Бомба А.Я. Дослідження плоского фільтрацій-ного потоку в зоні щілини // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво.- 1992.- Вип.19.- С.56-61.

11.Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н. Определение минимально допустимых уклонов дренажных труб// Мелиорация и водное хозяйство.- 1994.- №4.- С.34-35.

12.Бомба А.Я., Хлапук М.М., Сидорчук Б.П. Про моделювання і розв'язання одного класу локально збурених нелінійних задач фільтрації // Волинський математичний вісник.- 1995.- Вип.2.- С.22-24.

13.Бомба А.Я., Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н. К вопросу о моделировании влияния критических градиентов на фильтрационные характеристики придренной зоны // Тез. докл. науч.-техн. конф."Гидромеханика в инженерной практике" 27-30 мая 1996 г.- Киев, 1996.- С.94-95.

14.Yatsyk A.Y., Leliavsky V.V., Ruban A.F., Khlapook N.N. Ecologically safe reclamation systems for the humid zone // International congress ''Water ecology and technology''.- Moskow, September, 17-21, 1996.- P. 79-80. (Яцик А.В., Лелявський В.В., Рубан О.Ф., Хлапук М.М. Екологічні гідромеліоративні системи для гумідної зони).

15.Яцик А.В., Рубан О.Ф., Хлапук М.М., Стасюк Я.П. Гідроавтоматизовані модульні осушувально-зволожувальні системи // Меліорація і водне господарство.- 1996.- Вип.83.- С.124-131.

16.Хлапук М.М., Бомба А.Я. Особливості закону Дарсі при моделюванні процесів фільтрації в середовищах, що деформуються // Зб. статей за матеріалами III наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії 24 березня-16 квітня 1997 р. Рівне, 1997.- Ч.2.- С.70-73.

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

18.Хлапук М.М. Нові аспекти роботи дренажних конструкцій, виявлені за допомогою фізичного та математичного моделювання // Зб. статей за матеріалами III наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії 24 березня-16 квітня 1997 р. Рівне.- Ч.2.- С.66-69.

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

20.Бомба А.Я., Хлапук М.М., Сидорчук Б.П. Математичне моделювання нелінійних процесів масопереносу з урахуванням малих деформацій середовища // Актуальні проблеми водного господарства // Зб.наук. статей.- Т.1.- Рівне, УДАВГ, 1997.- С.11-14.

21.Хлапук М.М., Дмитрієв А.Ф., Бомба А.Я. Вплив деформацій грунту в навколодреній зоні на роботу дренажних систем // Водне господарство України.- 1997.- №5.- С.9-12.

22.Хлапук М.М. Дослідження радіальної фільтрації в двошарових середовищах, що деформуються // Актуальні проблеми водного господарства /Зб.наук. статей.-Рівне, УДАВГ, 1997.- Т.1.- С.116-119.

23.Бомба А.Я., Хлапук М.М., Сидорчук Б.П. Моделювання взаємовпливу гра-дієнтів і фільтраційного середовища та проблеми стійкості дисперсних систем // Фізика конденсованих високомолекулярних систем.- Рівне. 1997.- Вип.3.- С.202-207.

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

25.Бомба А.Я., Хлапук М.М., Сидорчук Б.П. Про моделювання процесу фільтрації до водоприймальних отворів дрен в середовищах, що деформуються // Вісник Укр. держ. акад.водн. госп-ва "Сучасні проблеми теорії фільтрації".- Рівне: УДАВГ, 1998.- С.27-33.

26.Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н. Исследование кинематики потока в дренажных трубопроводах // Гидравлика и гидротехника. 1998.- Вып.59.- С.9-15.

27.Бомба А.Я., Хлапук М.М. Моделювання впливу градієнтів напору на процес фільтрації в середовищах, що деформуються // Волинський математичний вісник.-1998.- Вип.5.-С.26-35.

28.Хлапук М.М., Іващенко А.П. Фізичне та математичне моделювання процесів деформацій суфозійного грунту в навколодренній зоні // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво.- 1998.- Вип.23.- С.99-104.

29.Хлапук М.М., Бомба А.Я., Сидорчук Б.П. Про моделювання взаємовпливу фільтрації та механічної суфозії // Вісник Укр. держ. акад. водн. госп-ва "Сучасні проблеми теорії фільтрації".- Рівне: УДАВГ, 1998.- С.157-165.

Хлапук М.М. Математичне моделювавння взаємовпливових процесів фільтрації і механічної суфозії // Вісник Укр. держ. акад. - 1998 - Вип.1.- Ч.2- Гідромеліорація та гідротехніка.- С.83-87.

31.Хлапук М.М. Особливості моделювання нелінійних процесів фільтрації із зволожувача в середовище, що деформується // Вісник Укр. держ. акад.водн. госп. ''Сучасні проблеми теорії фільтрації''.- 1998.- С.151-156.

32.Хлапук М.М. Математичне моделювання процесу фільтрації в середовищах, де відбувається механічна суфозія // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво.- 1998.- Вип.23.- С.92-98.

33.Хлапук М.М., Яцик А.В., Іващенко А.П. Фізичне та математичне моделювання деформацій грунту в навколодренній зоні // Водне господарство України.- 1999.- №.1,2.- С.12-17.

34.Jazik A.V., Ruban A.F., Hlapuk N.N. kologisch sichere Meliorationsysteme in der Humidzone // Ausgewhlte Peitrage zum Internationalen Worschop "Umweltmarkt GUS". Terra Tec, Leipzig. 04.03.99 und der Deutsch-Ukrainisch-Umweltwork shops.-P. 128-137. (Яцик А.В., Рубан О.Ф., Хлапук М.М. Екологічно безпечні меліоративні системи в гумідній зоні).

АНОТАЦІЇ

Хлапук М.М. Теоретичні основи фільтрації в середовищах, що деформуються, та їх застосування в області дренажу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія.- Рівненський державний технічний університет, Рівне, 1999.

Дисертацію присвячено питанням теоретичного опису сумісного процесу фільтрації в зернистому середовищі та суфозійних явищ, які виникають під дією сил з боку фільтраційного потоку. Розроблена математична модель, яка описує фільтрацію в усьому грунтовому масиві і деформації (суфозію, кольматаж) в зоні дії градієнтів напору, вищих за критичні, і на її основі поставлені крайові задачі нелінійної фільтрації. Отримано аналітичні розв'язки задач фільтрації при стабілізації суфозійних процесів, які можна безпосередньо використати при вирішенні актуальних практичних проблем. Лабораторними та натурними дослідженнями деформаційних процесів в грунті довкола дренажних конструкцій та зволожувачів встановлена адекватність теоретичних розв'язків дослідним даним. Запропоновано залежності для фільтраційного розрахунку дренажних конструкцій з врахуванням механічної суфозії та кольматажу, які виникають в грунті придренної зони.

Ключові слова: фільтрація, модель, деформаційні процеси, дрена, зволожувач, суфозія, кольматаж, грунт, аналітичний розв'язок.

Хлапук Н.Н. Теоретические основы фильтрации в деформируемой среде и их использование в области дренажа.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.23.16-гидравлика и инженерная гидрология.- Ривненский государственный технический университет, Ривнэ, 1999.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследаваний, раскрыта научная новизна полученных результатов и их практическое значение, дана общая характеристика работы.

В первом разделе рассмотрены аспекты современного состояния теории фильтрации и её применения к дренажу. Показано, что особенностью использования математических основ теории фильтрации к решению задач гидротехнического и мелиоративного строительства есть использование моделей, в которых коэффициент фильтрации принимается постоянным, неизменяющимся во времени, несмотря на происходящие деформационные процессы. Анализ исследований работы дренажных конструкций, особенно осушительных, осушительно-увлажнительных и увлажнительных систем, показал, что деформационные процессы в грунте придренной зоны существенно влияют на фильтрационный расход.

Во втором разделе представлена методика выполнения исследований фильтрации в деформируемой среде. Указывается, что наиболее целесообразным подходом к изучению рассматриваемого явления есть использование целенаправленных модельных методов с высоким уровнем математического описания. При построении расчетной математической модели учитываются следующие требования: модель должна отображать основные свойства явления; на основе модели должны быть получены полезные практические результаты с помощью доступных и достаточно точных математических средств; для входящих в модель параметров среды должна быть разработана методика их определения; точность результатов, полученных с помощью математического моделирования с введением известных параметров среды, должна быть соизмерима с точностью определения этих исходных данных.

Приведены характеристики экспериментальной установки, фильтрационных моделей, модельных и натурных грунтов, исследуемых дренажных конструкций, опытно-производственных дренажных систем. На конкретных примерах раскрыта методика планирования и проведения экспериментов, обработки результатов опытов.

В третьем разделе приведены результаты теоретических исследований совместного процесса фильтрации и суффозионных деформаций. При построении системы дифференциальных уравнений для описания фильтрации в зернистой среде и суффозионных процессов, вызванных действием фильтрационных сил, рассматривается грунт, состоящий из относительно неподвижного скелета и суффозионных частиц, которые двигаются или могут при определенных условиях перейти в состояние движения. По аналогии с недеформируемой средой рассмотрен элементарный объём и составлено дифференциальное уравнение баланса массы пористой среды. Дополнительно к уравнениям движения для фильтрационного потока (математической записи основного закона фильтрации в дифференциальной форме) введено уравнение для определения скорости движения суффозионных частиц в зависимости от характеристик фильтрационного потока. Для полученной системы уравнений выполнены постановки задач фильтрации к дрене (скважине) в круговом пласте при наличии суффозионных деформаций в локальных зонах и сформулированы подходы к их решению.

Для случая стабилизации процесса суффозии (кольматажа), который имеет практическое значение, получены решения краевых задач фильтрации к дренажу, в частности, в двухфракционных и многофракционных грунтах, в цилиндрически слоистых грунтах и фильтрах. Рассмотрены также модели изменения коэффициента фильтрации (модели возмущений) при его линейной зависимости от градиента напора, при котором происходят деформационные процессы. Выполнено моделирование нелинейных процессов фильтрации из увлажнителей в деформируемую среду. Приведены результаты численных расчётов характерных вариантов моделирования локальных процессов деформаций.

В четвёртом разделе представлены результаты эксперимнтальных исследований фильтрации в деформируемой среде. Опытами на установке Дарси установлены количественные характеристики влияния градиента напора, при котором стабилизируются деформации, на изменение коэффициента фильтрации грунта. На щелевом лотке определен приток к дренажным конструкциям, работающим в различных грунтах. Исследования фильтрационных процессов вокруг дрен и увлажнителей в радиальном потоке проведены в несуффозионных и суффозионных грунтах. В качестве дренажных конструкций использовались гончарный дренаж (соединение трубок встык и муфтами), пластмассовые трубы с защитой слоями фильтра и без нее, совершенные по характеру вскрытия пласта дрены. Экспериментально подтверждено существенное влияние деформационных процессов на фильтрационный расход. Опытные расходы значительно отличаются от расчётных, полученных при постоянном коэффициенте фильтрации, особенно при многократном повторении цикла осушение-подпочвенное увлажнение.

Оценка достоверности теоретических зависимостей выполнена на основе натурных исследований дренажных конструкций.

В пятом разделе представлены зависимости и рекомендации по фильтрационному расчёту дренажных конструкций с учётом деформационных процессов.

Ключевые слова: фильтрация, модель, деформационные процессы, дрена, увлажнитель, суффозия, кольматаж, грунт, аналитическое решение.

Khlapuk N.N. Theoretical Bases of Filtration in the Peformed surrounding and Their Usage in the Field of Drainage. -Manuscript.

Dissertation for a doktor's degree by speciality 05.23.16-hydraulics and engineer hydrology, state Technical University of the city of Rivne, Rivne, 1999.

Dissertation contains the questions of theoretical description of the combined process of filtration in the graing surrounding and the phenomena of piping which are raised by the action of filtration stream forces. The mathematical model has been worked out and it describes filtration in the entire subsoil massif and deformations (piping, colmatage) in the zone of gradients which overdraw critical. On the base of this model the extreme tasks of nonlenear are put. The analytical solutions of filtration tasks under the condition of stabilization of piping processes are achieved. They can be used directly while solving actual practical problems. During laboratoty and on location experiments of deformational processes in the subsoil around drainage constructions and moisteners, the adequacy between theoretical results and experimental data was prowed. Formulas of filtration calculation of piping and colmatage existing in the subsoil of around drain zone are suggested.

Key words: filtration, model, deformation processes, drain, moistener, piping, comatage, subsail, analytical solutions.

Размещено на Allbest.ru