CC BY
54
УДК 628.1.353
В.В. Земляной, З.В. Мизенко
ЗЕМЛЯНОЙ Виталий Владимирович - кандидат технических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected], МИЗЕНКО Захар Викторович - магистрант кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]
© Земляной В.В., Мизенко З.В., 2012
Учет коэффициента фильтрации
при прогнозе подтопления и расчете дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях
Лабораторные эксперименты с песками различной крупности были проведены для оценки формулы для определения расчетного значения коэффициента фильтрации двухслойных пластов. Моделировался процесс фильтрации с направлением движения воды перпендикулярно слоям.
При проведении опытов одновременно проверялась степень влияния температуры воды на расчетные и опытные значения коэффициентов фильтрации, которые определялись как для фильтра с одинаковыми фракциями песка, так и для двухслойных модулей.
Ключевые слова: коэффициент фильтрации, фильтрация, температура, вода, фракция, песок, грунтовые воды, многослойные фильтры, модули.
The account of the filtration factor at the forecast of underflooding and calculation of drainage systems in the built up and under construction territories. Vitaliy V. Zemlyanoy, Zakhar V. Mizenko - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Laboratory experiments with sand various fineness have been carried out for an estimation of the formula for definition of settlement value of filtration factor for two-layer layers. Process of a filtration along the lines of water movement to perpendicularly layers was modeled. During carrying out of experiences degree of temperature influence of water on settlement and skilled values of filtrationcoefficient which were defined as for the filter with identical fractions of sand, and for two-layer modules was simultaneously checked.
Key words: filtration coefficient, filtration, temperature, water, fraction, sand, ground water, multilayer filters, modules.
Строительное освоение территорий и эксплуатация зданий, сооружений и других объектов, расположенных на слабопроницаемых грунтах, практически повсеместно сопровождаются накоплением влаги в толще грунтов и подъемом уровня грунтовых вод даже в тех случаях, когда до начала освоения территории грунтовые воды вообще отсутствовали. Такой процесс называется подтоплением (или техногенным подтоплением).
Он возникает и развивается вследствие нарушения сложившегося природного динамического равновесия в водном балансе территории. Эти нарушения возникают в результате практической деятельности человека и на застраиваемых территориях обычно развиваются в две стадии - при строительстве и эксплуатации.
Подтопление развивается также вследствие подпора грунтовых вод при создании водохранилищ и сельскохозяйственном освоении территории с организацией поливного земледелия.
Процессы подтопления возможны в различных природных условиях, поэтому их схематизация для целей прогноза является необходимой. Методы прогноза подтопления застроенных или застраиваемых территорий основаны на том, что в их пределах подземные воды получают сверху дополнительное инфильтрационное питание, которое может быть распределено по территории равномерно или неравномерно. В соответствии с этим схематизации подлежат: геометрия пласта или отдельных его слоев в плане и разрезе, фильтрационные свойства грунтов, дополнительное инфильтрационное питание, характеристики потоков (направление, мощность, уклоны и т.д.), а также граничные и начальные условия.
Основой для схематизации природных условий являются данные инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, а также опыт строительства и эксплуатации, если таковые имеются.
Границы области фильтрации подразделяются на внешние и внутренние. Внешние ограничивают область фильтрации в плане, сюда относятся реки, озера, водохранилища, овраги, непроницаемые плоскости, обусловленные сбросами, разломами, надвигами, примыканиями аллювиальных отложений к коренному берегу и т. д. Внутренние границы разделяют зоны с различными фильтрационными свойствами в плане и разрезе.
С точки зрения внутренних границ пласта выделяются фильтрационно-однородные и фильтрационно-неоднородные пласты, причем как те, так и другие могут обладать анизотропией фильтрационных свойств. При строгом подходе все водоносные породы с точки зрения их проницаемости являются неоднородными, причем эта неоднородность носит вероятностный характер. По мнению многих специалистов, в расчетных схемах за однослойный принимается пласт, в котором проницаемости отдельных участков (или пропласт-ков) отличаются друг от друга не более чем в 10 раз.
«Однако подобное ограничение не имеет теоретического обоснования. Сопоставительные расчеты по зависимостям для однослойных и двухслойных пластов показали, что с погрешностью в конечных результатах не более 5% неоднородные пласты можно приводить к однослойным при соотношении проницаемости отдельных слоев до 25» [2]. С учетом этого соотношения величину расчетного коэффициента фильтрации рекомендуют определять по следующим формулам [1]:
- в неоднородных в плане пластах:
- : - - Л (1)
- в слоистых пластах при фильтрации подземных вод параллельно слоям:
к.1-т1 + к1-тя+.... + кп-тп
(2)
... + тп
- в слоистых пластах при фильтрации подземных вод нормально к слоям: п _ т1+т2+. ... + тп
" _ И! _ _ (3)
к-\ к у кп
где Ц, к2, ..., кп - коэффициенты фильтрации отдельных участков или слоев, т1, т2, ..., тп - мощности слоев,
Б2, ..., - площади отдельных участков.
Для проверки формулы (3) были проведены опыты по определению коэффициента фильтрации на приборе ПКФ на фракциях песка 0,63 мм и 1,25 мм. Песок данных фракций был отобран с помощью комплекта сит (КСИ), предназначенного для определения гранулометрического состава песка для заполнителей. Опыты проводились на базе кафедры ИСЗиС Инженерной школы ДВФУ.
В ходе опытов были определены коэффициенты фильтрации песков фракциями 0,63 мм и 1,25 мм при различной температуре фильтруемой воды (4,3 °С до 20 °С). А также были сделаны модули, имитирующие двухслойные пласты, для определения их коэффициентов фильтрации и сопоставления результатов эксперимента с расчетными данными, получаемыми по формуле (3).
В первом модуле фракция песка 1,25 мм располагалась в нижней части прибора, а фракция 0,63 мм такого же объема закладывалась поверх предыдущей фракции.
Во втором модуле слои из фракций песка менялись местами, тем самым фракция 0,63 мм укладывалась поверх фракции 1,25 мм. Определение коэффициента фильтрации обоих модулей проводилось при различной температуре фильтруемой воды (4,3 °С...20 °С).
Полученные экспериментальные данные по определению коэффициента фильтрации и данные, полученные путем пересчета коэффициента фильтрации по формуле (3), представлены в таблице и на рисунке.
Из приведенных данных (см. таблицу, рисунок) можно сделать следующие выводы:
- величина расчетного коэффициента фильтрации, определенного по формуле (3), рекомендованной в приложении к СНиП 2.06.15-85 «Инженерная защита территорий от затопления и подтопления» [4], отличается от экспериментальных данных для модуля № 1 на 1,5-8,4% в сторону занижения при различной температуре фильтрующейся воды;
- для модуля № 2 расчетное значение коэффициента фильтрации завышается на 20,8-37,7% в зависимости от температуры фильтруемой воды, что существенно отразится на конечных результатах при оценке подтопления и расчете фильтрационной способности грунтов в слоистых пластах при фильтрации воды нормально к слоям;
- в ходе опытов было выявлено существенное влияние температуры и вязкости воды при ее фильтрации в двухслойных модулях. Исходя из полученных данных, коэффициент фильтрации модулей в температурном интервале фильтруемой воды от 4,3 °С до 20 °С изменяется на 46,6% (для модуля № 1) и на 55,2% (для мо-
Экспериментальные данные коэффициента фильтрации и результаты пересчета
Температура фильтруемой воды, °С Фракция песка, мм Коэффициент фильтрации, м/сут № модуля Коэффициент фильтрации, м/сут
модулей по формуле (3)
5 (4,2) 1,25 886,63 модуль № 1 (0,63/1,25) 437,72 431
10 1037,28 493,25 480,81
20 1193,54 641,71 587,82
5 (4,2) 0,63 284,7 модуль № 2 (1,25/0,63) 313,25 431
10 312,93 376,62 480,81
20 389,93 486 587,82
Мощность слоев в модулях составляла 5 см
дуля № 2). Такие изменения коэффициента фильтрации, в свою очередь, могут обусловливать значительное, почти в 1,5 раза, снижение расхода, пропускаемого данными грунтами при данной конфигурации в осенний период по сравнению с летним.
Таким образом для правильного определения расчетного значения коэффициента фильтрации в слоистых пластах при фильтрации воды нормально к слоям необходимо иметь данные по изменению температуры в течение года и данные о гранулометрическом составе и значениях коэффициентов фильтрации каждого из слоев с целью определения возможности использования в расчете формулы (3) и корректировки рассчитанных значений коэффициента фильтрации с учетом температуры фильтрующейся воды.
Зависимость изменения коэффициента фильтрации от температуры фильтруемой воды в двухслойных модулях
При невозможности использования формулы (3) расчетный коэффициент фильтрации слоистых пластов следует определять опытным путем при гидрогеологических изысканиях или лабораторными методами с последующими корректировками на расчетную температуру фильтрующейся воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 8735-88* Песок для строительных работ. Введ. 01.07.1989. М.: Изд-во стандартов, 1989. 23 с.
2. Максимов В.М. Справочное руководство гидрогеолога. Л.: Недра, 1979. 512 с.
3. Муфтахов А. Ж. Гидродинамические основы прогноза подтопления промплощадок и фильтрационные расчеты защитного дренажа в сложных гидрогеологических условиях: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1975. 27 с.
4. Справочное пособие к СНиП 2.06.15-85. М.: Стройиздат, 1991. 450 ^
