МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006
 

УДК 69.034.96

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДОМ

ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОГО НАЛИВА С УЧЕТОМ КАПИЛЛЯРНЫХ

СВОЙСТВ ГРУНТА

 

Ю.В. Корчевская – аспирантка

ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет», г. Омск, Россия

 

В статье представлена методика определения фильтрационных параметров методом плоскопараллельного налива воды в техногенные грунты малой мощности.

Поставим эксперимент по наливу в траншею шириной В при напорной фильтрации (рис.). Траншея  в плане вытянута и мелкого заложения. Эксперимент проводим на отмостке здания. Между грунтом и асфальтом расположена щебеночно-песчаная подготовка толщиной М. В условиях равнин грунты оснований чаще всего глинистые, то есть водоупорные в сравнении с щебеночно-песчаной подготовкой. Поэтому рассматриваем напорную плоскопараллельную фильтрацию.

 

 Схема напорного плоскопараллельного налива

 

Налив воды в траншею производим с целью определения обобщённых фильтрационных параметров щебёночно-песчаной подготовки – коэффициента фильтрации k и недостатка насыщения m. Заметим, что лучше определять именно обобщённые фильтрационные параметры подготовки. Это даёт удобную информацию для проектирования защиты от техногенной верховодки.

Натурные обследования подтопленных зданий в городе Омске показали, что часто именно через эту подготовку происходит инфильтрация атмосферной влаги в подвалы и технические подполья зданий. Однако изыскательские организации практически никогда не определяют фильтрационные характеристики техногенных грунтов, особенно близко залегающих к поверхности земли, таких как щебёночно-песчаные подготовки отмосток зданий. Причина в отсутствии методики определения фильтрационных характеристик таких грунтов.

Поэтому целью нашего исследования является разработка методики определения фильтрационных характеристик  техногенных грунтов.

Технологию проведения фильтрационного опыта поясним по рисунку. В начале опыта время t = 0, уровень воды (ур.в.) находится на уровне поверхности асфальта. Напор воды отсчитываем от поверхности водоупора. Первоначально, напор в траншее равен H0. Наблюдаем за снижением ур.в. в траншее. Заметим, что асфальт играет роль водоупорной кровли. Поэтому фильтрация воды налива будет в основном напорная, то есть без свободной поверхности. Линии тока будут направлены горизонтально. Лишь впереди движущегося фронта фильтрационного потока будет существовать небольшая свободная поверхность. Её мы принимаем в первом приближении как вертикальную плоскость (см. рис.). Капиллярное влияние на фронте фильтрационного потока учтём в виде увеличения разности напоров за счёт вакуума капилляров грунта.

Через некоторое время t ур.в. упадёт. Половина объёма поглощенной воды ушла налево, другая половина – направо.

Составим уравнение баланса воды. Расход воды из половины траншеи

где знак минус учитывает спад ур.в., поэтому производная  dH/dt  отрицательная.

Этот же расход уходит в щебёночно-песчаную подготовку в момент времени t согласно закону Дарси, где разность напоров принимаем между напором в траншее с учетом капиллярности  H + hк  и центром подготовки  M/2. Расход

где hк – высота капиллярного поднятия в щебёночно-песчаной подготовке.  Капиллярность усиливает поглощение воды из траншеи, увеличивая разность напоров за счёт потенциального вакуума в капиллярах воздушно-сухого грунта подготовки.

С другой стороны, объём воды, ушедшей из траншеи к  моменту времени t

,

равен объёму пропитавшегося этой водой щебёночно-песчаного слоя, умноженного на величину недостатка насыщения m, в виде   mMLt.

Приравняем два последних выражения откуда выразим длину промоченной зоны щебёночно-песчаного слоя (см. рис.)

Эта длина Lt постоянно увеличивается, так как вода уходит из траншеи в щебёночно-песчаный слой под асфальтом.

Вернёмся к уравнению баланса и подставим сюда Lt из предпоследнего выражения. В этом уравнении переменными являются напор H и время t. Разделим переменные по разные стороны от знака равенства и получим уравнение

которое проинтегрируем в следующих пределах: левую часть уравнения для напоров интегрируем от H0 до Ht, правую часть – для времени – от нуля до t. Такой прием известен в теории фильтрации как метод последовательной смены стационарных состояний. Его применяли К.Э. Лембке [1], И.А. Чарный [2] и другие исследователи [3].

После интегрирования, раскрывая пределы, получим уравнение

Из последнего выражения найдём универсальные формулы:

а) время падения ур.в. в пределах асфальта в траншее в напорных условиях с учётом капиллярности

                                                   (1)

б) время падения ур.в. в пределах щебёночно-песчаного слоя в траншее в безнапорных условиях со свободной поверхностью. Для этого введем величину средней мощности пласта  hc = Ht/2.

Заменяя M в формуле (1) на эту среднюю мощность, получим время для определения безнапорного налива с учетом капиллярности в виде

                                                 (2)

С помощью формул (1), (2), имея замер двух уровней воды в траншее в моменты времени t3/4 и t1/2 (см. рис.), можно составить систему из двух уравнений и найти фильтрационные параметры щебёночно-песчаной подготовки – коэффициент фильтрации k и недостаток насыщения m. Зависимости (1), (2) проверены расчетом в системе MathCAD, которую можно использовать для решения системы уравнений.

 

Библиографический список

 

1.         Лембке К.Э. Движение грунтовых вод и теория водосборных сооружений //Инженер. – 1886. №  2. – 1888. № 17-19.

2.        Чарный И.А. Метод последовательной смены стационарных состояний и его приложение к задачам нестационарной фильтрации жидкости и газов //Известия АН СССР.  1949. № 3.  С. 323-342.

3.        Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. – М.: Наука, 1977. 664 с.

 

   
Вернуться к Оглавлению...