РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для выполнения поставленной цели был проведен комплекс теоретических,
лабораторных и натурных исследований, направленных на разработку методов и
методики расчета фильтрационных потерь из необлицованных и облицованных
каналов; расчета конструкций облицовок, учитывающих совместную работу системы
“облицовка - грунтовое основание” на нелинейно-деформируемом основании,
состоящего из набухающих и пучинистых грунтов; обоснование рациональных
конструкций облицовок каналов разного порядка в зависимости от природных
условий (грунтовых, гидрогеологических, температурно-влажностных),
обеспечивающих ресурсосбережение и экологическую надежность оросительной сети
каналов.
Исследования носят многолетний, долговременный характер, начиная с 1968 года по
настоящее время.
Методика исследований основана на методах, способах и приемах решения задач
математической физики, инженерной геологии, теории фильтрации, теории
упругости, гидравлики, механики грунтов, статики гидротехнических сооружений,
математического моделирования на цифровых и аналоговых машинах, физического
моделирования, а также математической статистики с применением ЭВМ.
В лабораторных исследованиях определены водно-физические и физико-механические
свойства, напряженно-деформируемое состояние грунтов опытных участков каналов и
полигонов, изменение этих свойств во времени при нарушенном и ненарушенном
сложении грунтов. Указанные свойства использованы при изучении совместной
работы облицовки и основания и в конечном итоге для оценки эффективности
противофильтрационных облицовок в зависимости от типов грунтового основания и
ее изменения во времени.
В натурных условиях разработана технология строительства дамб каналов как из
местных материалов (слабых выветрелых известняков, щебнисто-дресвяных,
гравийно-галечниковых грунтов), так и традиционных для гидротехнического
строительства лессовидных, тяжелых суглинков с целью определения строительной
оптимальной плотности и влажности грунтового основания каналов, проходящих в
насыпи и полувыемке-полунасыпи.
В натурных условиях исследована совместная работа облицовки и грунтового
основания: изменение деформаций системы “облицовка – грунтовое основание” во
времени под влиянием водно-теплового режима, состояние облицовок, их
трещиноватость. Получены интегральные показатели противофильтрационной
эффективности различных конструкций облицовок, уложенных на основание с заранее
заданными строительной плотностью и влажностью грунтов.
Результаты эти служили для оценки и проверки предлагаемых методов расчета и
обоснования ресурсосберегающих конструкций оросительной сети каналов.
2.1.Теоретические исследования
Теоретические исследования выполнены в двух направлениях:
- расчет свободной и подпертой фильтрации из необлицованных и облицованных
каналов в зависимости от водно-физических свойств грунтов и конструкций
облицовок;
расчет конструкции облицовок на нелинейно-деформируемом основании из набухающих
и пучинистых грунтов.
В диссертации применена теория влагопереноса в ненасыщенных грунтах для решения
задач первой стадии фильтрации воды из каналов и теория теплопереноса для
решения задачи промерзания грунтового основания необлицованных каналов и
облицованных различными конструкциями облицовок [4, 62, 164, 166, 229, 231,
332].
2.1.1. Исследование фильтрации из каналов. Первая стадия фильтрации из каналов
проходит в условиях трехфазной системы, то есть в ненасыщенных грунтах.
Для выбора основного уравнения влагопереноса были проанализированы и
исследованы процессы передвижения влаги, солей, тепла в ненасыщенных грунтах.
Эти процессы имеют сложный характер, и создание математической модели
влагосолетеплопереноса, учитывающей все сложные процессы, происходящие в
почво-грунтах, затруднительно и такая модель будет громоздкой.
В настоящее время имеется множество упрошенных моделей, описывающих сложные
процессы влагосолетеплопереноса с той или иной степенью точности, учитывающие
особенности физических процессов, происходящих в грунтах, и которые многие
авторы реализуют различными математическими методами. Системы уравнений,
описывающих передвижение влаги, под влиянием градиентов влажности, концентрации
солей, температуры приведены в работах многих авторов [34, 62, 73, 107, 150,
193, 194, 196, 212, 229, 242, 301, 331, 332].
При исследованиях фильтрации из каналов солеперенос не рассматривали, так как
показали исследования, проведенные Э.Бреслером (1976 г.) влияние солей на
передвижение влаги не превышает 5 % и поэтому влиянием концентрации почвенного
раствора на перенос влаги пренебрегаем.
При исследовании свободной фильтрации из каналов перенос влаги под влиянием
градиентов температуры не учитывали, так как он в данном случае незначителен,
принимаем, что процесс фильтрации происходит при Т = сопst.
Анализ физического процесса фильтрации воды из каналов в ненасыщенный грунт
показывает, что первая стадия фильтрации происходит, в основном, под действием
капиллярных, гравитационных сил и гидростатического давления воды в канале.
Перенос влаги в ненасыщенных грунтах описывается широко распространенным
уравнением (одномерным) [231, 332]:
, (2.1)
где Ф – суммарный потенциал почвенной влаги.
Полный суммарный потенциал почвенной влаги Ф, по мнению А.А.Роде [231],
Лиакопоулоса [349], Слейчера [242] и других авторов, состоит из нескольких
потенциалов:
(2.2)
где Z - гравитационный потенциал;
М – капиллярный потенциал;
Q – осмотический потенциал, который вызван присутствием в почвенной влаге
растворимых веществ;
Н – потенциал гидростатического давления
- Київ+380960830922