Методика определения фильтрационных параметров грунтов методом плоскопараллельного налива Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

удк 69 оз4 96 В. И. СОЛОГАЕВ

Ю. В. КОРЧЕВСКАЯ

Омский государственный аграрный университет

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОВ МЕТОДОМ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОГО НАЛИВА

В статье представлена методика определения фильтрационных параметров методом плоскопараллельного налива воды в техногенные грунты малой мощности. Полученное решение сопоставлено с экспериментальными результатами.

Поставим опыт по наливу в траншею шириной В при напорной фильтрации (рис. 1). 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.

Налив воды в траншею производим с целью определения обобщённых фильтрационных параметров щебёночно-песчаной подготовки — коэффициента фильтрации к и недостатка насыщения ц. 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 итехнические 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 рис. 1. В начале опыта время £ = 0, уровень воды (ур.в.) находится на уровне поверхности ас-

Асфальт Начальный уровень воды

! . •—л //,. | ' | • • •

м

[.)4 И Водоупор

£,, Г

Рис. 1. Схема напорного плоскопараллельного налива

фальта. Напор воды отсчитываем от поверхности во-доупора. Первоначально напор в траншее равен Н0. Наблюдаем за снижением уровня воды 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. 1).

Через некоторое время (уровень воды упадёт. Половина объёма поглощенной воды ушла налево, другая половина — направо.

Составим уравнение баланса воды. Расход воды из половины траншеи

2 А

где знак минус учитывает спад ур.в., поэтому производная йН/сИ отрицательная.

Этот же расход уходит в щебёночно-песчаную подготовку в момент времени ( согласно закону Дарси:

е=ш

Я

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

равен объёму пропитавшегося этой водой щебёноч-но-песчаного слоя, умноженного на величину недостатка насыщения ¡л, в виде //М1.,.

Приравняем два последних выражения, откуда выразим длину промоченной зоны щебёночно-пес-чаного слоя (см. рис. 1)

4 ={н0- я)

в

2 иМ

Н, = Я,

Я,

Вг

н,в

4/.¡кМ1

Яо Я,

1-1п

И.

я

(1)

б) время падения уровня воды в пределах щебё-ночно-песчаного слоя в траншее в безнапорных условиях со свободной поверхностью. Для этого введем величину средней мощности пласта = Н/2.

Заменяя М в формуле (1) на эту среднюю мощность, получим время для определения безнапорного налива в виде

В2

мкН,

я.

■13

я,

(2)

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

Вернёмся к уравнению баланса и подставим в него Ь1 из предпоследнего выражения, которое проинтегрируем с использованием метода последовательной смены стационарных состояний [1; 2; 3].

Получим:

С помощью формул (1) и (2), имея замер двух уровней воды в траншее в моменты времени 1.2М и (см, рис. 1), можно составить систему из двух уравнений и найти фильтрациониые параметры техногенных грунтов. Зависимости (1) и (2) проверены экспериментально.

Получим формулы для определения фильтрационных параметров грунтов методом плоскопараллельного налива с учетом капиллярных свойств. Опыт поставлен такой же, что описан выше (см.рис. 1). Капиллярное влияние на фронте фильтрационного потока учтем в виде увеличения разности напоров за счёт вакуума капилляров грунта.

< Составим уравнение баланса воды. Расход воды из половины траншеи

В с!Н

где знак минус учитывает спад ур.в., поэтому производная йН/сН отрицательная,

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

О = кМ

(Я + ^-Л/ 2)

Отсюда найдем:

а) время падения уровня воды в пределах асфальта в траншее в напорных условиях

гдеЛк — 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.

Так же, как показано выше, найдена длина промоченной зоны щебёночно-песчаного слоя (см, рис. 1),

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

Таблица 1

Сравнение фильтрационных параметров

Песок Фильтрационные параметры По формуле (2) По формуле (4) По прибору Каменского По методу насыщения

Песок из Ханты-Мансийска к 13.21 7.21 7.43 -

15.81 8.00 7.3

15.95 9.01 8.57

15.83 8.07 8.59

14.7 7.4 7.1

Ц 0.31 0.31 0.312

0.31 0.31 0.317

0.31 0.31 0.299

0.31 0.31 0.301

0.31 0.31 0.316

Песок Левобережья г. Омска к 10.85 3.11 3.69 -

10,18 2.9 3.18

9.62 2.74 3.16

9.46 2.91 3.12

10.79 3.35 2.66

0.33 0.33 - 0.32

0.33 0.33 0.325

0.33 0.33 0.331

0.33 0.33 0.329

0.33 0.33 0.33

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

(-Н0 + Н)е1Н 4цкМг ^

(-М'2 + Ик + Н)~~ В1

которое проинтегрируем так же, используя метод последовательной смены стационарных состояний [1:2;3]. Получим:

Н, =Я„

н1+4-

м

н„ 2 Я,

ш^А.

■М 2

о У

Н,+И-М 2

4 цкМг1 В2

Отсюда найдем:

а) время падения уровня воды в пределах асфальта в траншее в напорных условиях с учётом капиллярности

4 ркМ2

1-

1 +

М

Н„ 2//„

•1п

На+К-М 2 Н.+Ъ-М 2

(3)

б) время падения уровня воды в пределах щебё-ночно-песчаного слоя в траншее в безнапорных условиях со свободной поверхностью. Для этого введем величину средней мощности пласта Л = Н(/2.

Заменяя М в формуле (3) на эту среднюю мощность, получим время для определения безнапорного налива с учетом капиллярности в виде

1-

1+-

н,

я„ 4 Нп

Н. 4

Н, +к-Н,А

(4)

С помощью формул (3) и (4), имея замер двух уровней воды в траншее в моменты времени и (и.г (см. рис. 1), можно составить систему из двух уравнений и найти фильтрационные параметры техногенных грунтов. Зависимости (3) и (4) проверены экспериментально.

Была проведена серия опытов в фильтрационном лотке для безнапорных условий, в ходе которых получены: замеры уровней воды в траншее в моменты времени и г1/2. Кроме того, с помощью четырех фильтрационных приборов Каменского был независимо определен коэффициент фильтрации песков, загружаемых в фильтрационный лоток. Коэффициент недостатка насыщения определяли методом насыщения. Таким образом, фильтрационные параметры к и /л, полученные расчетным путем по нашей методике из формул (2) и (4), были сопоставлены с

экспериментальными значениями, часть которых показана в таблице.

Наилучшее совпадение с экспериментальными данными показывает формула (4) с учетом капиллярности грунтов, которая рекомендуется нами для практического использования в сфере защиты от подтопления.

Библиографический список

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

2. Чарный И.А. Метод последовательной смены стационарных состояний и его приложение к задачам нестационар-

ной фильтрации жидкости и газов // Известия АН СССР, Отд. техн. наук. - 1949, № 3. - С. 323-342.

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

СОЛОГАЕВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры сельскохозяйственного водоснабжения.

КОРЧЕВСКАЯ Юлия Владимировна, аспирант кафедры сельскохозяйственного водоснабжения.

Статья поступила в редакцию 02.10.06 г. © Сологаев В.И., Корчевская Ю.В.

УДК 914.7(571.5) А. Л.СТАТВА

Омский государственный педагогический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ОМСКИМИ ГЕОГРАФАМИ ВЫСОЧАЙШЕГО ГОРНОГО МАССИВА ВОСТОЧНОГО САЯНА — МУНКУ-САРДЫК

В данной статье освещаются физико-географические особенности высочайшего горного массива Восточного Саяна — Мунку-Сардык. Автором раскрываются вопросы формирования рельефа данной территории, факторы, влияющие на климат и образование горного оледенения, рассматриваются особенности высотной поясности. Особое место отводится истории первовосхождений на высочайшую вершину Восточной Сибири, освоения района в туристском отношении.

Саяны — восточная часть Алтае-Саянской горной системы. В основе топонима лежит название тюркоязычного народа саяны (сойоны), который некогда обитал в верховьях Енисея, а затем вместе с рядом других племен вошел в состав тувинцев. Согласно источникам XVII века первоначально Саянами был назван только один небольшой хребет Саянский Камень (современный Саянский хребет). Позже название Саяны распространилось на всю горную страну от Алтая до Прибайкалья [ 1 ].

По орографии Саяны делятся на две крупные части — Западный Саян и Восточный Саян. Система хребтов Восточного Саяна протягивается почти на 1000 км по южной окраине Сибири между истоками Енисея и левыми притоками Ангары. Наибольших высот Саяны достигают на юго-восточном продолжении Саянских гор в куполообразном горном массиве Мунку-Сардык, относящемся к хребту Большой Саян. Массив состоит из 6 вершин: Конституция (2971 м), Тыхен-Ардын (3192 м), Крылья Советов (3341 м), Леонова (3400 м), пик Пограничный (3425 м) и наиболее высокая — Мунку-Сардык (3491 м). Горный массив окаймляет Окинское плато, высота которого составляет 2500-2600 м.

Тот факт, что максимальные высоты относя тся именно к восточной части Восточного Саяна, можно объяснить большим, чем для западной части, размахом неотектонических движений, поскольку по де-

нудационной устойчивости субстрата рельефа эти части не различаются [2].

В настоящее время в Восточном Саяне в большей мере видны следы деятельности экзогенных процессов и в меньшей степени — эндогенных (землетрясений, извержений вулканов). Согласно К.К. Маркову в пределах Восточного Саяна выделяются 4 геоморфологических уровня: 1) наиболее высокий уровень (уровеньнивального климата), в пределах которого соотношение вертикальных поднятий и денудационного разрушения рельефа можно выразить как Т> Д;2) верхний и 3) средний денудационные уровни в гумидном климате; 4) нижний денудационно-акку-мулятивный уровень, где соотношение неотектоники и денудации выражается как Т < Д (также в условиях гумидного климата).

Мунку-Сардык относится к наиболее высокому уровню Восточного Саяна, в пределах которого снежный покров полностью не разрушается и в летнее время. Эта область охватывает главный водораздельный хребет и его отроги, абсолютные отметки составляют 2600-3200 м. Здесь преобладают морозное выветривание, ледниковая экзарация и аккумуляция. На аэрофотосъемках отчетливо видно интенсивное ледниковое разрушение в верхней части хребтов. Об огромной роли ледников в рельефообра-зовании писал еще И. А. Молчанов (1934), считавший даже, что образование выровненных вершинных по-