Фильтрационный анализ грунта малой мощности на мелиорируемой территории

Фильтрационный анализ выполнен в рамках темы диссертации «Фильтрационные расчеты и моделирование процесса подтопления в грунтах малой мощности на мелиорируемых территориях».

Объекты и методы исследований

Объектом исследования является процесс подтопления в грунтах малой мощности. Методами исследования приняты аналитический и экспериментальный.

При проектировании или строительстве на мелиорируемых территориях вопрос о динамике влаги в почве и движении грунтовых вод остается одним из главных. Ошибки, совершенные проектировщиками, как правило, приводят к различным неблагоприятным последствиям. Например, по наблюдениям А.Я. Туяровского, подъем уровня грунтовых вод на промышленных площадках в некоторых случаях начинается еще в строительный период, а интенсивнее протекает в эксплуатационный период и связан с нарушением естественных условий поверхностного стока атмосферных вод, утечками из канализационных и водопроводных сетей [1]. Б.М. Дегтярев описывал случай обводнения промплощадки комбината синтетического волокна, где основания для фундаментов представлены глинистыми грунтами, имеющими коэффициент фильтрации 0,095–0,96 м/сут [2]. Коэффициент фильтрации может изменяться на порядки, что вызывает интерес.

Гранулометрический анализ неоднородности грунта

Диаметр, мм	Диаметр каждой фракции, мм	Масса остатка, г	Содержание частиц по отдельным фракциям, %	Верхний предел диаметра фракции, мм	Суммарный %
I	II	III	IV	V	VI
10	10	0	0	15	100
7	10–7	0	0	10	100
5	7–5	1,8	0,9	7	100
3	5–3	109	54,5	5	99,1
I	II	III	IV	V	VI
2	3–2	75,4	37,7	3	44,6
1	2–1	11	5,5	2	6,9
I	II	III	IV	V	VI
0,5	1–0,5	2,8	1,4	1	1,4
0,25	0,5–0,25	0	0	0,5	0
< 0,25	0,25–0	0	0	0,25	0

Мы провели серию различных опытов с крупнозернистым искусственным грунтом, преимущественно с диаметром частиц 3 мм. По данным анализа гранулометрического состава (таблица) коэффициент неоднородности грунта составил 1,44, что значит, грунт однороден (меньше 5) и для него возможно справедливы некоторые аналитические формулы. Исследуемый грунт относится к гравийным (гравий мелкозернистый) [3]. Для дальнейших исследований коэффициент пористости был получен опытным путем и равен 0,468.

По результатам гранулометрического состава и пористости можно приближенно рассчитывать коэффициент фильтрации для несвязанных пород, используя эмпирические формулы [3]:

По формуле А. Хазена:

Кф — С • т • d^Q , м/сут, где Кф– коэффициент фильтрации, м/сут;

• С – эмпирический коэффициент песков, рассчитываемый по формуле О. Ланге;

^ 1 С- – действующий диаметр, мм;

τ – температурная поправка, ºС.

Кф = 1232-1,285 • 5,20 = 8232,22, м/сут.

По формуле Ч. Слихтера:

Кф = .4 - d^ - М - ^, м/сут, где Кф – коэффициент фильтрации, м/сут;

А – числовой коэффициент, зависящий от размерности, равен 88,3;

^1С- – действующий диаметр, мм;

M – функция пористости;

LI – коэффициент вязкости воды, зависящий от температуры.

Кф = 88,3 • 5,20 • 0,08455 • 97,08 = 3768,84 , м/сут.

По двум формулам видно, что результаты отличаются в несколько раз.

После косвенного метода необходимо перейти к опытному. Опыты ставили на фильтрационном лотке и на стакане Дарси [3]. Результат опыта со стаканом Дарси был равен 786,24 м/сут при градиенте 1,42.

Фильтрационный лоток представляет из себя трехсекционный параллелепипед. Первая секция предназначена для создания напора, вторая (как правило, самая большая) предназначена для исследуемого грунта, который засыпается непосредственно в лоток. Для удобства была принята длина 1 м. Третья секция нужна для отвода профильтровавшейся воды в специальную мерную посуду. Т.к. лоток имеет гидравлические параметры, то формула для нахождения коэффициента фильтрации в лотке уже известна и равна:

^Ф B-ДН1 864 , м/сут, где Кф – коэффициент фильтрации, м/сут;

Q – фильтрационный расход, см³/с;

L – длина второй секции, см;

В – ширина лотка, см;

ДН – перепад напоров первой и третей секции, см.

, м/сут.

Как известно, число Рейнольдса характеризует режим движения потока, а значит, и коэффициент фильтрации напрямую зависит от степени градиента. Для определения числа Рейнольдса используем формулу Павловского [4]:

1           <о - d,x- Q

Re =---:----

0.75-тп+ 0.23     ^

, где m – коэффициент пористости;

Си – скорость фильтрации, см/с;

d эф – эффективный диаметр грунта, см;

jU – вязкость воды;

9 – плотность воды, г/см³.

1         0.37-0,145-1

Re =--- = 8,96

0.75-0.468+ 0.23    0.0103

Полученное значение входит в зону смешанного режима движения воды (7,5 < Де < 9).

В опыте со стаканом Дарси число Рейнольдса равно 31,45, в данном случае наблюдается турбулентный режим движения.

На основании полученного результата преобразуем формулу Краснопольского – Шези для прибора Дарси:

^Ф ш "Jah 864 , м/сут, где Кф – коэффициент фильтрации, м/сут;

Q – фильтрационный расход, см³/с;

to – площадь поперечного сечения, см²;

H гр – толщина грунта, см;

ДН – перепад напоров первой и третей секции, см.

Коэффициент фильтрации из полученной формулы равен 943,04 м/сут.

Вывод

На мелиорируемых территориях чаще встречаются потоки горизонтальные, с градиентом меньше 1. Поэтому дальнейшие исследования будут проводиться на фильтрационном лотке, который является инструментом математического моделирования при прогнозе подтопления грунтовыми водами.

Лабораторные опыты наглядно показали, что чем больше средний диаметр частиц, тем больше объем пор, а значит, может происходить турбулентная фильтрация, которая в настоящее время мало изучена. Также мы убедились (опытным путем), что режим движения жидкости зависит от градиента. Лабораторные способы определения коэффициента фильтрации могут быть неточными, результаты опыта с прибором Дарси это подтвердили. Процентное соотношение разницы результатов доходит до 16,6%. Из полученного анализа видно, что наблюдается колебание результатов, и на основании такой погрешности можно совершить крупные ошибки в вычислениях при прогнозировании. По результатам фильтрационного анализа мы пришли к выводу, что ряд формул вызывает большие расхождения в результатах и процесс подтопления на мелиорируемых территориях требует дополнительного изучения в области ламинарного и турбулентного режима движения потока.