CC BY
30
Анализ заиляемости бесполостных дрен частицами
грунта, поступающими внутрь дрены через защитно-фильтрующий материал
В.И. ШТЫКОВ, докт. техн. наук, член-корреспондент РАСХН, профессор ПГУПС
Бесполостным называется дренаж, в котором водоотводящие полости заполнены крупным хорошо фильтрующим материалом. Особенно перспективно его применение в районах с глубоким промерзанием грунтов. Бесполостной дренаж применяется при осушении железнодорожного полотна в слабоводопроницаемых грунтах под названием тупикового дренажа.
В статье проанализировано изменение вертикальной составляющей скорости фильтрационного потока по длине бесполостных дрен и установлены участки, которые будут подвергаться заилению в наибольшей степени. Даны предложения по учету этого заиления.
Из контактной зоны дрен с засыпкой допускается вынос суффозионных частиц диаметром менее 0,05 мм в размере 3...5% от объема засыпки дрен. Если принять среднюю глубину заложения дрен равной 1,0 м, то при высоте дрены 0,2 м, ширине 0,1 м и равномерном распределении вынесенных в дрену частиц по ее длине высота дрены может уменьшиться на 20%. Если же частицы будут перераспределяться по длине дрены, то это, как минимум, будет приводить к изменению уклона ее дна или к резкому уменьшению ее живого сечения, что существенно уменьшит ее водоотводящую способность. И если в случае трубчатого дренажа в практике накоплен большой опыт в обнаружении мест заиления дрен и в их устранении, например, посредством промывки, то в случае бесполостного или тупикового дренажа промывка практически невозможна. Поэтому, прежде чем разрабатывать мероприятия по предотвращению последствий заиления, целесообразно проанализировать характер изменения горизонтальной и особенно вертикальной составляющей скорости по длине дрены.
1. Вывод зависимости, характеризующей изменение по длине бес-
полостной дрены отношения вертикальной составляющей скорости фильтрации к горизонтальной.
При разработке методики гидравлического расчета бесполостного дренажа [1] рассматривалась структурная форма потока, в которой вертикальная составляющая вектора скорости и в любой точке области движения равна нулю, а поток имеет осредненную по глубине горизонтальную составляющую и.. В действительности линии тока начинаются на свободной поверхности фильтрационного потока в дрене, и в любой его точке имеет место как горизонтальная и., так и вертикальная составляющая и2 скорости «ф.
Количественная оценка величины отношения и2/и. по длине потока проводилась на гидравлическом лотке с переменным уклоном длиной 3,5 м и шириной 0,3 м. В опытах использовался песок крупностью 0,63..1,2 5 мм. Коэффициент фильтрации песка составил 2,75-10-3 м/с. Обработка результатов эксперимента заключалась в сопоставлении величин и2/и. в различных поперечных сечениях по длине дрены, с погрешностями в определении глубин потока в этих же сечениях по экспериментальным и теоретическим кривым свободной поверхности, рассчитанным без учета вертикальной составляющей скорости течения потока.
Результаты проведенных экспериментов показали, что при 0<г'<2"1/-^— , и Щ-Ъ
несмотря на существенное превышение и2 над и., отклонение расчетных глубин потока от экспериментальных не
превышало 9,1%, а с увеличением уклона дрены отношение и2/и. уменьшается и погрешность расчетов не превышает 7%. Через ' обозначен уклон дна бесполостных дрен; q'— приток к дрене на единицу ее длины; Ъ — ширина бесполостной дрены; К — коэффициент фильтрации заполнителя бесполостной дрены при ламинарном режиме фильтрации.
Таким образом, принятая схема течения в методике гидравлического расчета дренажа вполне удовлетворительно описывает реальные фильтрационные потоки в бесполостном дренаже.
Однако, при поступлении в дренаж вместе с водой взвешенных частиц, прошедших через защитно-фильтрующий материал, которым, как минимум, сверху прикрывается дренаж даже в случае, если он заложен в глинистых грунтах, частицы будут оседать на дно дрен более интенсивно в тех местах, в которых вертикальная составляющая скорости их перемещения будет максимальна.
Поэтому представляет интерес ответ на вопрос, а как вообще изменяется вертикальная составляющая скорости по длине дрены при различных уклонах дна?
Запишем уравнение неразрывности для произвольной точки, находящейся в плоскости, параллельной основному направлению движения воды в дренаже:
ди.
ди2
+
д5 дг
0
Проинтегрируем его по г, помня, что у нас и. — есть функция только от 5, определяемая уравнением:
аь
и = * тог) (1)
Получаем для и2 следующее выражение:
а2ь а&
(2)
и
2
Движение воды в бесполостной дрене при ламинарном режиме фильтрации и уклоне дна 1 > 0 описывается следующим дифференциальным уравнением [1]:
dh
( i -(3)
где h — глубина воды в рассматриваемом сечении бесполостной дрены; 5 — расстояние до него по оси 5 от истока дрены.
Продифференцируем его дважды по 5 и подставим полученное выражение для ^р в уравнение (2). После некото-
рых преобразований получим:
q' z = - b h(1-i'
s s2 -h+U-
(4)
где г — координата точки, взятой в рассматриваемом сечении бесполостной дрены, отсчитываемая от дна бесполостной дрены, совпадающей с осью 5; и= q'/Kb— совокупный безразмерный параметр.
Введем в уравнение (4) безразмерный параметр который получил название углового параметра мощности потока h в сечении с координатой 5 (рис. 1) [1]:
q'■z i и
и = - -— (1— + - )
2 Ш у г г2
Вертикальная составляющая скорости на депрессионной кривой, для которой 2 = h выражается зависимостью:
i U
q'
- b (1-7 +72)
(5)
Решая совместно уравнения (1) и (3) и имея в виду, что t = h/s, получаем:
q' b-t
(6)
Найдем отношение вертикальной составляющей скорости к горизонтальной для точек, находящихся на свободной поверхности фильтрационного потока в дрене, используя зависимости
(5) и (6):
■■(H- U ) 7
(7)
Таким образом, отношение Uh/us зависит от уклона дна бесполостной дрены и углового параметра мощности потока t = h/s.
2. Анализ изменения вертикальной составляющей скорости фильтрационного потока по длине бесполостной дрены.
Ниже в таблице приведены эпюры изменения отношения uh/us по длине дрены при изменении уклона дна i в следующих пределах:
i = 0; 0 < i < yu ; i = 2-fU и i > 2VU
Рассмотрим только случаи свободного истечения из устья, когда подпор со стороны водоприемника отсутствует. Проанализируем характер изменения отношения по длине дрены при различных уклонах дна.
При уклоне дна дрены равном нулю максимальное значение отношения uh/us имеет место в истоке дрены, где горизонтальная составляющая скорости очень мала и уменьшение высоты дрены в этом сечении за счет более интенсивного заиления практически не скажется на ее водоотводящей способности. Далее по мере приближения к устью дрены горизонтальная составляющая скорости us возрастает, возрастает и uh; отношение uh/us также возрастает, достигая максимума в устье дрены, то есть отложение наилка в устье дрены будет несколько больше, чем в ее средней части. Это обстоятельство следует учитывать при назначении высоты дрены в устьевой части.
Из рассмотрения кривой свободной поверхности фильтрационного потока (рис. 1) и эпюры изменения vh/vs по длине бесполостной дрены при уклонах ее дна 0 < i < 2 —U (см. таблицу) следует: все, что говорилось об изменении интенсивности заиления дрены по ее длине, действительно и для этого случая.
и
V
s
и
z
Таблица
Эпюры изменения отношения горизонтальной составляющей скоростей к Вертикальной на свободной поверхности фильтрационного потока по длине бесполостной дрены при различных уклонах ее дна и свободном истечении из устья.
При уклоне дна дрены i = 2 --и глубина фильтрационного потока в истоке дрены равна нулю. Как следует из рис. 1 и формулы (6), горизонтальная составляющая скорости фильтрационного потока по длине дрены непрерывно возрастает. Из рассмотрения характера
изменения эпюры отношения скоростей иь/и8 по длине дрены (см. таблицу, вариант 3) следует, что примерно с середины дрены вертикальная составляющая начинает возрастать, причем более интенсивно по сравнению с и8. Соответственно, слой наилка при
приближении к устью будет увеличиваться. Несмотря на увеличение горизонтальной составляющей скорости в устье дрены она будет меньше незаиля-ющей и тем более размывающей для частиц диаметром 0,05 мм. В качестве мероприятия, учитывающего увеличение заиления дрены в ее устье будет сохранение максимальной высоты бесполостной дрены до самого устья несмотря на то, что начиная примерно с середины дрены глубина фильтрационного потока будет уменьшаться. Как следует из рис. 1 (случай ' >2 и ) и таблицы (вариант 4) все, что говорилось о варианте с уклоном дна г = 2 уи, действительно и для варианта с уклоном дна дрены г > 2т-и. Таким образом, и в этом случае следует, начиная от середины дрены, сохранять высоту дрены постоянной.
Выводы
1. При наличии суффозионных частиц в засыпке бесполостного дренажа в размере до 5% от ее объема высота дрены принимается на 20% больше максимальной глубины фильтрационного потока, определенной расчетом.
2. При уклонах дна бесполостной дрены, изменяющихся в пределах 0<г'<2 '-и и г > наибольшая интенсивность отложения наилка будет наблюдаться в устьевых участках, в связи с чем, несмотря на уменьшение глубины фильтрационного потока от середины дрены к ее устью, высоту ее следует сохранять постоянной.
Литература
Штыков В.И. , Гордиенко С.Г. Бесполостной дренаж: Гидравлическое обоснование, расчет и эффективность действия. Санкт-Петербург, 1997, 224 с.
Тел.: +7 (812) 380-38-25 Факс: +7 (812) 380-38-27 Freight@SeaNews.ru www.Freight.ru
Организатор:
Sea [ЮТ
20-21 ноября 2008 года Санкт-Петербург
Официальный спонсор:
контейнерные и ро-ро перевозки
в россии и сопредельных государствах
iтн8 цц лип жкш, * hnam.1al i1mes
В программе:
Экскурсия на Первый контейнерный терминал и в Шушары 10 лет российского контейнерного рынка Итоги и перспективы
• Ледовая обстановка и перспективы продления трансокеанских сервисов на российские порты;
• Влияние стоимости топлива на конкурентоспособность автотранспорта в сравнении с железной дорогой;
Ро-ро линии как конкурент автотранспорту в сфере автологистики; Контейнерные поезда: проблемы обратной загрузки; Сухие порты в ракурсе таможенных операций;
одходш к нему: поиск обходных путей
и на л
За.тЗоры в порту
i^iiá шнЯг " ^'■Èk-.Jk\
Информационные партнеры*
transportweekly
ГЛАВНОЕ ОТРАСЛЕВОЕ СОБЫТИЕ ГОДА
