Фільтраційні процеси навколо дрен і зволожувачів і їх вплив на водоприймальну здатність конструкцій

Наявність 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 значних змін коефіцієнта фільтрації, а значить швидкостей і витрат. В одних умовах останні збільшуються, а в інших – зменшуються. Неврахування подібних явищ при проектуванні дренажу викликає невиправдане завищення капіталовкладень (у випадку збільшення витрат) або зниження ефективності дренажу (при їх зменшенні). Для вивчення цих питань на секторному фільтраційному лотку проведені 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 напрямку 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

 

 

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 дослідну.

 

Таблиця 3

Умови проведення досліджень радіальної фільтрації в несуфозійному грунті

 

 

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 зниженою водопроникністю, тому коефіцієнт фільтрації в цій області мінімальний. При збільшенні радіальної координати r значення I різко падають і величина k зростає. В режимі зволоження деформації грунту аналогічні, але мають більш інтенсивний характер, що пояснюється різним напруженим станом середовища. Збільшення діючих різниць напорів призводить до значного ущільнення грунту в зоні безпосередньо біля дрени і, відповідно, до зменшення водоприймальної здатності дрени. 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 витрат 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 керамічної дрени дещо покращує умови роботи останьої (питомі витрати збільшуються у порівнянні з незахищеним стиковим зазором). Але і в цьому випадку в навколодренній зоні відбуваються деформації. Характер зміни коефіцієнта фільтрації 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 умовах досконалої за характером розкриття пласта дрени розподіл градієнтів напору, а значить, і характер зміни коефіцієнта фільтрації відрізняється 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 водоприймального отвору. У випадку досконалої дрени розподіл градієнтів має більш плавний 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 зміні напрямку фільтраційного потоку представляє певні труднощі, пов’язані із тим, що зміни у грунті в попередньому режимі (залишкові деформації) накладаються на деформації в подальшому. Тому, для висунення математичної моделі деформацій і підтвердження її експериментальними результатами, нами проведені дослідження з досконалою за характером розкриття пласта дреною при роботі її в режимах осушення і зволоження незалежно один від одного. Нами встановлено, що коефіцієнт фільтрації приймає максимальне та стале значення в навколодренній зоні, де градієнти напору найбільші, та зменшується при віддаленні від дрени, крім цього його величина і характер зміни залежить від режиму роботи конструкції. У випадку зволоження значення k в навколодренній області значно більше, ніж в осушенні, з віддаленням від дрени зміна коефіцієнта фільтрації при зволоженні 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 деформованої області малі в порівнянні із міждренними відстанями, зміни k в ній значно впливають на водоприймальну здатність дренажу. Оскільки в натурних умовах більш поширені суфозійні грунти, тому постала необхідність вивчення 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

 

 

Методами математичної