Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Методика прогнозных оценок подтопления и дренирования подсыпок в городском строительстве

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Методика прогнозных оценок подтопления и дренирования подсыпок в городском строительстве"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КРАВЦЕВ Константин Александрович

На правах рукописи

ии^4БЗЭ11

МЕТОДИКА ПРОГНОЗНЫХ ОЦЕНОК ПОДТОПЛЕНИЯ И ДРЕНИРОВАНИЯ ПОДСЫПОК В ГОРОДСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

06.01,02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

П {' А р

ОМСК 2009

003463911

Работа выполнена в Омском государственном аграрном университете (ОмГАУ) на кафедре сельскохозяйственного водоснабжения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры

сельскохозяйственного водоснабжения Сологаев Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор кафедры почвоведения, академик Международной академии экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ) ' Березин Леонид Владимирович;

кандидат сельскохозяйственных наук, декан факультета водохозяйственного строительства ОмГАУ Кныш Андрей Иванович

Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение

Управление «Омскмелиоводхоз»

Защита состоится 26 марта 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.050.04 при ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет» по адресу: 644008, г. Омск, Институтская площадь, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 26 февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Уваров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе сельскохозяйственной деятельности также как при строительстве и эксплуатации сооружений и дорожных покрытий сталкиваются с проблемой подтопления территорий и объектов. Строительное освоение территорий изменяет их природные условия и приводит к подъему уровней грунтовых вод, к подтоплению территорий населенных пунктов, застраиваемых территорий. Этот процесс имеет множество неблагоприятных последствий: прочности грунтов оснований, воздействие грунтовых вод на подземные конструкции зданий и сооружений, снижение плодородия почв.

Причины подтопления подразделяются на две группы:

- естественные (природные);

- техногенные (антропогенные).

Причины и источники подтопления могут проявляться по отдельности или комплексно. Их влияние может быть разным.

В ходе исследований проведенных в рамках данной работы изучалось подтопление фильтрующих песчаных подсыпок. На основе результатов исследований разработана методика прогнозных оценок подтопления территорий, которую можно применять при составлении прогнозов подтопления и дренирования территорий как в отрасли сельского хозяйства при разработке мелиоративных систем, так и в городском строительстве.

Цель исследований - Изучить фильтрационные процессы при подтоплении и дренировании проницаемых подсыпок и разработать методику прогнозных оценок подтопления и дренирования подсыпок населенных пунктов мелиорируемых территорий.

Задачи исследований:

- на базе трудов предшествующих исследователей разработать методику прогнозных оценок подтопления и дренирования подсыпок;

- учесть неточности ранее применяемых методик, и, по возможности, предложить свои решения для более точных расчетов;

- сравнить результаты расчетов по своей методике с результатами расчетов ранее применяемых методов и полевыми опытами;

- дать оценку новой методике в сравнении с известными ранее;

Научная новизна.

Создана целостная прогнозная методика для проницаемых подсыпок, позволяющая своевременно оценить последствия подтопления и :5аблаговременно принять защитные меры.

На защиту выносятся:

- научно-обоснованная методика аналитических прогнозов подтопления и дренирования территорий;

- эффективность применения данной методики в сравнении с методиками других исследователей и результатами экспериментов.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Данная методика рекомендуется к применению в областях связанных со строительной и сельскохозяйственной деятельностью, в частности мелиорации и строительстве, с возможностью оценки ситуаций, связанных с подтоплением объектов, уже сданных в эксплуатацию. Более точные данные, полученные при применении данной методики, но сравнению с ранее существующими, позволяют сделать более достоверные расчеты при проектировании мелиоративных систем и сооружений. Достоверность результатов полученных зависимостей подтверждена многократными проверками с помощью численного эксперимента, лабораторных опытов и натурных обследований объектов подтопления.

Апробация работы.

Основные положения данной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на П Всероссийской научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ 23-24 мая 2007г.); тринадцатой научной конференции, посвященной 90 - летнему юбилею Омского государственного аграрного университета «Научные инновации - аграрному производству» (ОмГАУ 19 марта - 19 апреля 2007г.); III Всероссийская научно-практическая: конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ 2008г.); в журналах «Омский научный вестник» (№10(48), 2006), «Вестник ОмГАУ» (№ ,2008), «Вестник СибАДИ» (№8(2), 2008г).

Практическое использование.

Разработанная методика внедрена для практического использования в ФГУ «Управление Омскмелиоводхоз».

Структура и содержание работы.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключительных выводов и рекомендаций, списка литературы из 100 наименований и приложений. Работа содержит 136 страниц основного текста, 7 таблиц, 81 рисунок. Приложения размещены на 28 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введепип обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи исследований, характеризуется объект и методика иссле-

дования, отмечается научная новизна, практическая значимость и результаты апробации диссертационной работы.

В первой главе «Состояние изученности вопроса» рассматриваются виды подсыпок, их фильтрационные свойства, классификация методов прогноза подтопления и дренирования территории, схематизация области фильтрации для фильтрационных расчетов и применение их результатов при составлении прогнозов подтопления и дренирования. Рассмотрена история развития вопроса.

Подсыпка представляет собой слой насыпного проницаемого грунта для повышения планировочных отметок на данной территории. Подсыпка делается на территориях с высоким УГВ, а также при строительстве в местах подверженных затоплению (пойма реки).

Для сельского хозяйства наибольшую ценность представляют пойменные земли, которые при разливах рек обогащаются плодородным наилком, поступающим с водою в виде взвешенных наносов. Продолжительность и высоту затопления поймы регулируют так, чтобы сохранить плодородие почв и не допустить размыв поймы и отложения песка на ней, понижение грунтовых вод на норму осушения.

Математические основы теории движения грунтовых вод были заложены в работах Н.Е Жуковского й H.H. Павловского, которые явились одной из предпосылок формирования методик прогнозных оценок подтопления.

При исследованиях фильтрации применяют физическое и математическое моделирование.

Физическое моделирование осуществляется на фильтрационном лотке, где создается фильтрационный поток подобный натурному, но в уменьшенном масштабе (впервые был применен Ф. Форхгеймером в 1898 г.).

Для прогноза подтопления территорий используют методы аналогии, гидродинамический и математического моделирования с помощью вычислительной техники.

В основании любого прогноза лежит определенный метод, на котором базируются все дальнейшие вычисления, необходимые для оценки возможной величины подтопления изучаемой территории.

Метод математического моделирования основан на решении дифференциальных уравнений фильтрации и позволяет создать любую модель, с помощью которой можно произвести точный инженерный расчет по определению величины подтопления за рассматриваемый период времени.

Л.В. Березиным предложено изучение территорий, подверженных периодическому подтоплению с применением методики почвенного дешифрирования космических снимков.

В данной работе в качестве теоретической основы для математических моделей использовались численные методы. Впервые этот метод при решении

гидрогеологических задач использовал Г.Н. Каменский в 1940-х гг. На основе уравнения'в конечных разностях он разработал гидродинамический основы изучения режима и баланса подземных вод. Его Идеи нашли дальнейшее отражение в работах Н.К.Тиринского, Н.Н.'Биндемана, А.В. Лебедева, П.А. Киселева, И.К. Гавич, В.И. Сологаева, В.М. Шестаковаи др.

Обзор научных публикаций предшествующих исследователей показал, что методика подтопления и дренирования проницаемых подсыпок разработана недостаточно. Поэтому проведенные исследования по нашей теме актуальны.

Во второй главе «Получение аналитических зависимостей для прогноза подтопления и дренирования подсыпок» рассматривается вывод аналитических зависимостей для определения величийы дня языка/радиуса подтопления при нестационарной фильтрации, а также положение уровня грунтовых вод на участке в определенный момент времени с учетом фильтрационных характеристик подсыпки.

Формулы предложенной методики были получены в результате решения нелинейного гидравлического уравнения Буссинеска с использованием граничных условий для рассматриваемых случаев.

Для плоекопараллельной фильтрации уравнение имеет вид:

кд_ ( МА = дЬ .

ах) Сс'

где ¡1 — недостаток насыщения;

I — время [сут];

к - коэффициент фильтрации [м/сут];

х — горизонтальная координата.

Для радиальной фильтрации уравнение имеет вид:

дг \ дг ) & где г — горизонтальная радиальная коор дината

Выведение зависимостей предполагало, что изначально были известны фильтрационные характеристики подсыпки, такие как коэффициент фильтрации к [м/сут], коэффициент недостатка насыщения ц и максимальная высота капиллярного додьема Ьк [м], а также уровень в источнике подтопления Но [м].

Граничное условие слева при х=0 выражало постоянство напора в вытянутом источнике подтопления Н(0,1) = Но.

Граничное условие с постоянным нулевым напором ставим на движущемся фронте языка подтопления справа при х = в виде Н(Ь„, I) = 0

Ниже приводятся некоторые полученные нами аналитические зависимости и схемы, иллюстрирующие рассмотренные случаи.

Таблица 1

"77/ /77"--777"

Kß Еег.УГВ

J¿T

Аасмпгота / 1ff Т

>Ь j

Г

Я

-J

~ц-Кг • (б -Я, • (г. - д)г + (H. - Я, )• Я2 ) 24-к-Нц -г0 -(Я0 -Я,)-(Л-г0)

= ¡6-k-{He+a-hJl

Ур.в.

Ур.з.

, ......

.7// У/7-777~

к, fi Ест. УГВ

JZ

я, X

5Т-(Я0 +ahty(l/a +а\-Hjt ß-{2-Н.+Щ+а-Ь,)

В ходе теоретических исследований была уточнена зависимость для одномерной задачи П.Я. Полубариновой-Кочиной о длине языка подтопления в первоначально необводненном грунте при плоскопараллельной фильтрации по горизонтальному водоупору.

Формула П.Я. Полубариновой-Кочиной имеет вид: Ь„ = 1,616 (кНоТ/ц)Ш

Авторская формула для этого случая имеет вид:

/ М-Я.-Г

ьаз ~ -11- - без учета капиллярности грунта,

/б-k-(H0+a-hk)-t

Аяз - J ~ - с учетом капиллярности грунта.

Для учета капиллярности грунта применялась зависимость В.М. Григорьева для определения уровня грунтовых вод в любой точке исследуемого участка:

НТ = Hx+a'h*>

где коэффициент а = 0,1 - 0,2 является безразмерным.

Полученные зависимости позволяют определить величину языка подтопления, а также УГВ в интересующей точке рассматриваемой области фильтрации.

Получено уравнение расхода в дрене на основании уравнения Дюпюи с учетом уклона поверхности 1рунтовых вод около дрены (10) имеющее вид:

*./„•(#„+Я.)

2

где Ц естественный уровень грунтовых вод подтапливаемого участка.

Средний уклон поверхности грунтовых вод принимали по A.B. Лебедеву, дай песчаных грунтов 10 = 0,006 - 0,02.

Для определения диаметра дрены для исследуемого участка нужно принимать максимальный приток вод к дрене, который имеет вид:

Qaa-0,0hk.{Ha+He).

Согласно уравнения водного баланса Qmax = Одрены •

На основании вышесказанного получено выражение для определения диаметра закладываемой дрены в песчаном грунте:

/Q,04-Hff0+ffJ

Третья глава «Моделирование процессов подтопления и дренирования» описывает эксперименты, поставленные для подтверждения полученных аналитических зависимостей методик, в ней также описывается способ создания математической модели для составления прогноза подтопления территории.

Для моделирования в качестве материала подсыпок использовали несколько песков с различными фильтрационными параметрами:

1. Песок из г. Ханты - Мансийска (к = 8,64 м/сут, =0,258 м, и„ - 0,3).

2. Песок со строительной площадки «Арена Омск» г. Омск (к = 2,86 м/сут, Ьк= 0,45 м, ци= 0,333).

3. Песок с правого берета р. Иртыш (район Телецентра) г. Омск (к= 19,58м/сут, Ьк= 0,195 см, 0,319).

Гранулометрический анализ показал, что все примененные пески можно классифицировать как однородные.

В лабораторных условиях для моделирования случаев плоскопараллельной фильтрации применялся специально сконструированный лоток (рис. 1).

Лоток изготовлен с применением древесины покрытой лаком и органического стекла и состоит из следующих секций:

1,4 - Секция заполняемые водой.

2 - Перегородка с проделанными в ней отверстиями для прохождения воды.

3 - Секция для загрузки исследуемого грунта.

3 4

Были исследованы случаи плоскопараллельной фильтрации в сухой и во-донасыщенный грунт, лежащий на горизонтально расположенном водоупоре, а также фильтрация в сухой грунт лежащий на водоупоре расположенном под определенным углом к горизонту.

Для моделирования случаев радиальной фильтрации применялась специально изготовленная из пластика скважина диаметром 10 см, с равномерно нанесенной сеткой отверстий (рис. 2).

2 N

о"

К"

0000000000 'о о о о о о о о о о о о о о о' ч0 00000000 00000 0.

000000000000000 000000000000000 000000000000000 000000000000000 ооооооооооооооо 000000000000000 ооооооооооооооо ооооооооооооооо о о л-о-о -и~б~о ~5"б~о-о- а_о о ^ооооооооооооооо

0000000000000 ПО о о о о о о

/

0,05 м

/

/

Рис.2. Скважина

Также для моделирования радиальной фильтрации применялся сегментный лоток из органического стекла для более точного определения радиуса подтопления (рис. 3).

Рис.3. Сегментный лоток.

Были проведены серии опытов, результаты которых были сравнены с расчетными данными по нашей методике и методикам других исследователей. Погрешность в расчетах при использовании нашей методики не превышают 15%, что является допустимым при расчетах (табл. 2,3).

Таблица 2. Определение длины языка подтопления при плоскопараллельной фильтрации._____

Началь- Про- Темпера- Опытная Расчетная длина языка подтоп-

ный шедшее тура длина ления Ьрасч, м

напор время Ь, воды, °С языка по по по ав-

Но, м сек подтоп- Полубари- Вери- торской

ления новой- шну формуле

Ьопыт, м Кочиной

0,075 33 18 0,081 0,052 0,04 0,078

0,05 90 18 0,109 0,07 0,053 0,106

0,075 33 17,5 0,083 0,051 0,039 0,078

0,05 94 17,5 0,111 0,071 0,054 0,107

0,075 34 13,5 0,074 0,05 0,038 0,075

0,05 91 ■ 13,5 0,102 0,066 0,051 0,1

0,075 20 15 0,052 0,0387 0,0297 0,068

0,05 64 15 0,087 0,0566 0,0434 0,105

№ Темпера- Уровень Прошед- R-ЯЗ Кяз Погреш-

опыта тура воды,см шее опыт- расчет- ность

воды, °С время, сек. ный, см ный, см %

1 13,5 10 392 16,5 14,9 9,69

2 15,5 10 195 12,5 12,5 -

3 16 10 135 12,225 11,23 8,1

4 21,5 10 236 14,875 13,7 7,9

5 16 10 166 14,125 12,1 14,3

6 17,5 10 280 14,75 14 5,08

7 21 10 248 15,075 13,8 8,46

В качестве теоретической основы для математических моделей использовался численный метод на основе уравнения в конечных разностях. Суть этого метода заключается в замене дифференциалов функции напора в координатах пространства на малые приращения по этим же координатам.

Было проведено моделирование случаев подтопления участка грунта.

Моделирование проводилось методом конечных разностей (МКР) и на основе авторской методики в электронных таблицах MS Excel.

Первым, применившим МКР к задачам фильтрации, был Е.Л. Николаи, а подробное рассмотрение этого метода приведено в монографии Г.Н. Каменского.

Подробно рассмотрение моделирования методом МКР в электронных таблицах MS Excel отражено в работах В.И. Сологаева.

Моделирование по авторской методике проводилось на основе полученных теоретических зависимостей. Модельная формула для определения УГВ в точке ж по прошествии времени t выглядит следующим образом:

Х 2-М-Х* +6-fc-tf0;f '

В качестве примера была решена задача из монографии В.И. Сологаева 2002 г. о подпоре УГВ в речной пойме и составлен прогноз подтопления прибрежного участка (рис. 4).

Коренной берег

Подпор

#0 = 10м __

Таблица Excel

250 250 ]„ 250 250 Ь=1000м

\ В с D Е F

2 10 5 5 5 5 t =0

3 10 5 5 5 5 t = Dt ~ 62,5 cym

4 10 7 5 5 5 t = 2Df = 125 сут

5 10 7,857 5 5 5 t = 3Dt - 187,5 сут

6 10 8,333 5 5 5 t = 4Di = 250 cym

7 10 8,636 5,714 5 5 t = 5№= 312,5 cym

8 10 8,846 6,25 5 5 t =6Dt = 315cym

9 10 9 6,667 5 5 t = IDt = 437,5 cym

10 10 9,118 .7 5 5 t =&Dt= 500 cyw

11 10 9,211 7,273 5 5 i = 9Dt = 562,5 cym

12 10 9,286 Л5 5,345 5 t = lODi = 625 cym

Рис.5. Моделирование подтопления поймы (по В.И Сологаеву).

Речная пойма разбивалась на несколько равных участков. УГВ в начальный момент времени показан в строке №2 таблицы Excel. Затем был выбран временной отрезок Dt = 62,5 сут. С этой периодичностью вычислялся УГВ на всех отрезках рассматриваемого участка.

В ходе теоретических исследований, лабораторных экспериментов и методов математического моделирования составлена примерная структура прогнозов подтопления и дренирования, позволяющих с достаточной степенью точности определить величину подтопленной зоны с учетом временных рамок и фильтрационных свойств грунта (рис. 5).

Полученная методика прогнозных оценок подтопления и дренирования позволяет с достаточной степенью точности определить величину подтопленной зоны с учетом временных рамок и фильтрационных свойств грунта. Также возможно применение представленной методики при выполнении фильтрационных расчетов, направленных на обеспечение разнообразных профилактических мероприятий по защите от подтопления рассматриваемых мелиорируемых территорий.

Рис.5. Структура методики прогнозных оценок подтопления и дренирования

песчаных подсыпок.

Выводы н предложения

1. Разработана научно обоснованная методика, позволяющая произвести расчеты длины языка подтопления или дренирования исследуемого участка проницаемой подсыпки, с учетом влияния капиллярных свойств хрунта на фильтрационный процесс и прошедшего времени. Также методика позволяет определить уровень подземных вод на всей протяженности мелиорируемого участка.

2. В ходе исследований выявлено, что на распространение зоны подтопления и дренирования на участке подсыпки влияет ряд факторов: фильтрационные свойства грунта (коэффициент фильтрации, коэффициент недостатка насыщения грунта, капиллярность грунта); вид фильтрационного процесса (растекание куполов фунтовых вод; подъем уровня вод при дополнительной инфильтрации и т.д.); если прогноз составляется для относительно небольшого промежутка времени можно учесть среднюю температуру воды в источнике подтопления (влияет на скорость фильтрации и величину коэффициента фильтрации грунта). Учет вышеперечисленных факторов влияет на уменьшение погрешности при фильтрационных расчетах, а следовательно повышает точность прогноза.

3. Были получены зависимости для расчетов языка подтопления и определения и дренирования, в том числе для случаев подтопления участка подсыпки, содержащего грунты с разными фильтрационными свойствами, дающие большую точность вычислений, чем при расчете с усреднением фильтрационных параметров участка. Полученные зависимости были проверены экспериментально. Расхождение значений экспериментальных и расчетных величин колеблется в пределах 3 - 13%, что является допустимым. Полученные зависимости можно рекомендовать к применению в фильтрационных расчетах.

4. Предложен алгоритм вычислений и показана структура алгоритма на языке программирования Borland Delphy для применения вычислительной техники при составлении прогноза подтопления и дренирования.

5. В ходе выполнения работы были уточнены некоторые зависимости по определению величины языка подтопления в методиках, рассмотренных ранее другами исследователями ( П.Я. Полубаринова - Кочина, H.H. Веригин). Уточненные зависимости были проверены экспериментами, показавшими, что при использовании их в фильтрационных расчетах они дают погрешность, находящуюся в пределах 3 - 13%, что является допустимым.

6. Полученная методика рекомендуется к применению в фильтрационных расчетах в случаях подтопления мелиорируемых территорий, дренирования щэоницаемых подсыпок, при утечках воды из коммуникаций (подтопление за счет инфильтрации) и комбинированного сочетания вышеназванных факторов.

7. Разработанная методика внедрена для практического использования в ФГУ «Управление Омскмелиоводхоз».

Перечень работ, опубликованных по теме диссертации

1. Сологаев В.И., Кравцев К.А. Прогноз подпертой фильтрации из очага подтопления в сухой грунт. Омский научный вестник, № 10(48), Омск - 2006 . С. 55-59.

2. Кравцев К.А. Прогноз подпертой фильтрации из очага подтопления в грунт на водоупоре при маломощных грунтовых водах. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования 23-24 мая 2007 г., Омск - СибАДИ - С. 94-97.

3. Прогноз подпертой фильтрации из очага подтопления в сухой грунт (с учетом капиллярных свойств). Информационный листок № 55-008-08, ЦНТИ г.Омск.

4. Корчевская Ю.В., Кравцев К.А. Определение зоны подтопления и фильтрационных параметров для случая плоскопараллельной фильтрации. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования 21-22 мая 2008 г., Омск - СибАДИ - С. 182-185.

5. Сологаев В.И., Кравцев К.А. Определение границ зоны подтопления при изменении уровня грунтовых вод для случая плоскопараллельной фильтрации. Вестник СибАДИ, выпуск 2(8), Омск - 2008 . С. 29-31.

6. Кравцев К.А, Прогноз подтопления грунта на водоупоре при маломощных грунтовых водах с учетом его капиллярных свойств. «Вестник ОмГАУ» №2, Омск - 2008 . - С. 82-83.

7. Корчевская Ю.В., Кравцев К.А., Применение методики прогнозных оценок при подтоплении прибрежных территорий. «Вестник ОмГАУ» №2, Омск-2008.-С. 86-87.

Per. № 8 (от 20.02.09). Подписано в печать 24.02.09. Формат 60 x 84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать на ризографе. Печ. л. 1,0 (0,93). Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 86.

Издательство ФГОУ ВПО ОмГАУ. 644008, Омск, ул. Сибаковская, 4, тел. 65-35-18.

Отпечатано в типографии издательства ФГОУ ВПО ОмГАУ.