CC BY
24
Вей. 1. Расчетная схема мерзлотной завесы
© В.А. Стетюха, 2003
УДК 622.583
В.А. Стетюха
ДОЛГОВРЕМЕННОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТЫ МЕРЗЛОТНОЙ ЗАВЕСЫ
ехнологические процессы горного производства во многих случаях серьезно нарушают водный баланс на прилегающих территориях. Возникает необходимость защиты производственных объектов от загрязнения подземными водами, регулирования уровня подземных вод в зоне, примыкающей к предприятию. Наряду с использованием дренажа и откачки подземных вод при определенных условиях становится целесообразным применение гидроизоляции. Такой способ позволяет не только регулировать перемещение подземных вод, но и ограничивает перенос тепла водой, оказывая серьезное влияние на тепловой баланс в массивах пород. Создание гидравлических и тепловых экранов в породах может осуществляться путем замораживания в траншеях массивов льда. В условиях сурового климата использование мерзлотных завес является более эффективным в связи с их продолжительным функционированием. В работе выполняется оценка продолжительности работы мерзлотной завесы в условиях Забайкалья.
Расчетная схема (рис. 1) отражает состояние массива и завесы после ее устройства в конце февра-
Тля. В схему включены примыкающие к мерзлотной завесе породы, массив намороженного льда, грунтовые воды с одной стороны от ледовой мас-
сы, водоупорные породы в нижней части схемы. Ледовый массив в траншее перекрывается слоем породы, большим глубины сезонного оттаивания. Штриховой линией на рисунке показана граница мерзлых пород после устройства завесы.
Для решения задачи используются нелинейные дифференциальные уравнения переноса тепла и влаги в зоне аэрации [1]. Перенос тепла в водонасыщенной зоне также описывается дифференциальным уравнением без включения в него слагаемых, отражающих перенос тепла влагой. Особенности этой зоны учитываются подбором соответствующих теплофизических параметров: удельной теплоемкости с и теплопроводности X. Перенос влаги в водонасыщенной среде не осуществляется. Состояние воды считается неподвижным.
Алгоритм расчета учитывает баланс тепла и влаги на поверхности. Формируются условия на границе слоев пород, на границе породы и льда. Между зонами аэрации и насыщения формулируются дополнительные граничные
условия, учитывающие непрерывность влагосодержания и потоков влаги. К перечисленным условиям добавляются условия на границах фазового перехода воды в лед.
С учетом вытаивания льда в теплый период года расчетная схема, представленная на рис. 1, должна корректироваться. С этой целью в алгоритме предусмотрено изменение расчетной схемы на определенных этапах по мере оттаивания льда. При вытаивании льда защитный слой породы оседает под собственным весом и насыщается водой. Затем вода просачивается на поверхность или фильтруется в стороны. После совпадения нижней грани изолирующего слоя породы надо льдом и уровня воды начинается фильтрация и перемещение подземных вод по горизонтали. С этого момента грунтовая завеса может считаться исчерпавшей свой ресурс.
В используемом алгоритме [2] учитывается возможное двухстороннее промерзание при наличии в основании многолетнемерзлых пород. Массив делится на блоки пространственной сеткой. Разрешающие уравнения записываются в разностной форме. В каждом узле сетки определяются температура и влажность. Учитываются физические свойства отдельных слоев, параметры влагопроводности, критерии фазовых переходов. Алгоритм учитывает основные климатические факторы региона: годовой ход температуры воздуха, влажность, солнечную радиацию, облачность, выпадение осадков, среднюю скорость ветра и другие.
В качестве примера определялась температура мерзлотной завесы, состоящей из льда и гравийного заполнения. Ледовый массив окружают влажные пылеватые суглинки с у = 1600 кг/м3 при средней температуре +2 °С. Учтены климатические условия, характерные для Восточного Забайкалья: среднегодовая температура воздуха -0,5 °С; амплитуда годовых колебаний температуры воздуха 23 °С. Годовой ход температуры воздуха, скорость ветра, осадки и облачность задавались аналитическими выражениями по результатам метеонаблюдений,
солнечная радиация - в табличной форме. Начальная температура и влажность пород принимались по результатам экспериментальных
исследований [3].
Начальные условия задачи определялись технологией и сроками намораживания массива мерзлотной завесы. При выполнении этой работы
в ноябре -феврале в характерных зонах получаем температуры, соответствующие среднесуточным температурам наружного воздуха. Подготовленная траншея в ноябре заполняется слоями воды и гравия, выдерживается время до ее полного замерзания и выравнивания температуры льда и породы. Таким же образом устраиваются и последующие слои до полного заполнения траншеи.
Решение сформулированной задачи выполняется по описанному алгоритму. Температура и влажность в элементах расчетной схемы определяются в летний период времени (конец августа) ежегодно в течение 10 лет после сооружения мерзлотной завесы. На рис. 2 приводятся контуры ледовой завесы и распределение температуры (в °С) в ледяном массиве и около него через 0.5, 5 и 10 лет после намораживания завесы. На рисунке изображена половина ледовой завесы с примыкающим массивом пород справа от оси симметрии. Сплошными линиями обозначено распределение температуры через 6 месяцев (конец августа); штрих-пунктир-ными
линиями - на 5-й год, штриховыми линиями - на 10-й год в это же время.
Как видно из представленных результатов, к концу теплого периода первого года температура в средней части ледового массива составила 5-6 °С. Ни в одной точке массива температура не превысила -1 °С. Нулевая изотерма располагается на расстоянии 2 м от мерзлотной завесы. Через 5 лет после возведения температура в ледовой завесе значительно повышается. В ее нижней части начинается оттаивание, хотя в целом массив льда сохраняется в мерзлом состоянии. Через 10 лет после намораживания мерзлотной завесы в ее нижней части вытаивает слой льда толщиной около 1 м, что может привести к оседанию всего массива льда на указанную величину.
На основе проведенных вычислений можно сделать оценку ожидаемого срока эксплуатации мерзлотной завесы. Это позволит в свою очередь установить экономическую целесообразность сооружения защитной завесы в породах на объектах регионов Сибири.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник .- М.: Энергия, 1971.560 с.
2. Стетюха В.А. Прогноз водно-теплового режима горных пород и
грунтов в условиях распространения многолетней мерзлоты. Учебное пособие.- Чита: ЧитГТУ, 1999.- 77 с.
3. Орлов В.О., Елгин Б.Б., Железняк И.И. Морозное пучение грунтов в расчетах оснований сооружений .- Новосибирск.: Наука, 1987.- 136 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Стетюха Владимир Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, докторант, Читинский государственный технический университет.
Рис. 2. Распределение температуры в мерзлотной завесе и в примыкающих породах:
август 1-го года эксплуатации; м ■ — ■ — ■ — август 5-го года; м 10-го года.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР №"5
