Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Конструкции фильтрующих элементов из полимерных материалов для колодцев-поглотителей

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Конструкции фильтрующих элементов из полимерных материалов для колодцев-поглотителей"

ГОСШПСРН "ВОдСТРСй"-

БЕЛОРУССИЯ! ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО БНАШШ НАУЧНО-.ПССЛЭтТШЬСКШ ШиТЖУТ МЕЛИОРАЦИИ II водного ХОВЯЙСТВА

На правах рукоппсп УДК 626.86:66.067.2:673

КОПЫТОВСКИХ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ШЮТРШШИ ФИЛЬТРУЮПЛХ. ЗЛЗ.ШНТОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОЛО!ЩИЗ-ПОГЛОП1ТЕЛЕН

Специальное те 05.01,02.- галпорация и орошаемое земледелие,-

Автореферат

дпссертаихш на с опека гш о учено:': степени кнщкгдта техиттчсскЕс наук

IПП-ГСК 1?~Р

Работа выполнена в'Белорусском научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник

В.Т. клшков

Официальные оппоненты: I. Доктор технических наук, старший научный сотрудник И.В. МИНАЕВ

2. Кандидат технических наук, доцент Е.Г. САПОЖНИКОВ

Ведущая организация: Белгипроводхоз

Защита диссертации состоится "_" _1990 г.

на заседании специализированнЬго Ученого совета К.095.03.01. по присуждению ученых степеней в Белорусском научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства (Бел-НДОМиВХ) по адресу: 220040, г. Минск, ул. Горького, 153.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_" ;___ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук А.П. ЛИХАЩВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В Белорусской ССР имеется 5,5 млн.га периодически переувлажняемых земель. Значительная часть этих земель, особенно в северной части республики, характеризуется наличием большого количества макро- и микропонижений. Многолетние исследования показывают, Что систематический дренаж на таких землях не обеспечивает необходимой интенсивности отвода избыточных вод. Уровень их сельскохозяйственного использования остается низким.

Наиболее эффективным средством отвода поверхностных вод из замкнутых понижений рельефа является устройство колодцев-поглотителей. Натурные обследования показывают, что в большинстве случаев фильтрующие элементы этих сооружений работают плохо-, что является одной из причин неудовлетворительной работы дренажных систем в целом. Достаточно обоснованная методика расчета таких фильтрзв отсутствует. Широко распространенное применение гравийных фильтров дйя колодцев-поглотителей приводит к значительному увеличению стоимости мелиорации земель.

Перспективным в этом направлении представляется замена гравийных фильтров индустриальными фильтрующими элементами из термоскрепленного волокнистого полиэтилена, поскольку технология изготовления этого материала позволяет получать изделия с различными фильтрационными характеристиками.

Это позволяет отметить актуальность и практическую значимость проведения исследований по совершенствованию конструкций фильтров для пиистки поверхностных вод и методов их расчета.

Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований является анализ причин неудовлетворительной работы существующих конструкций фильтрующих элементов колодцеЕ-поглотителей, возможностей использования для фильтрующих элементов термоскрепленного волокнистого полиэтилена, разработка более совераенных конструкций фильтрующих элементов, научно-обоснованных методов их расчета и подбора, практических рекомендаций по их применению.

Реализация поставленной цели определила необходимость проведения специальных теоретических, экспериментальных и натурных исследований для решения следующих конкретных задач: - натурные исследования работы существующих конструкций,!;мьт-уутаих элементов колодцег-поглонпелей;

- г -

- обоснование защитных свойств образцов термоскрепленного волокнистого полиэтилена, получаемого в различных режимах работа пнеЕмоэкструзионной установки, на основании порометрических исследований;

- исследование фильтрационных характеристик волокнистого полиэтилена;

- исследование волокнистого полиэтилена на механическую кольматации ;

- разработка методики расчета фильтрующих элементов для очистки поверхностных вод и ее апробация в натурных условиях;

- разработка конструкций фильтрующих элементов из волокнистого полиэтилена, а также средств снижения их кольматажа;

- проверка разработанных конструкций фильтрующих элементов в натурных условиях на опытно-производственных участках;

- экономическое обоснование использования фильтрующих элементов из волокнистого полиэтилена для колодцев-поглотителей;

- обобщение данных исследований и разработка практических рекомендаций.

Научная новизна. На основании предложенной комплексной методики исследований термоскрепленного волокнистого полиэтилена установлены основные факторы,определяющие процесс механической кольматации этого материала. Получена полуэмпирическая зависимость для прогноза хода кольматации волокнистого полиэтилена во времени, а также зависимости, позволяющие установить сроки службы фильтрующих элементов.

Установлено, что фильтрация в-волокнистом полиэтилене в зависимости от градиентов напора может проходить в ламинарном (линейном), переходном (доквадратичном) и турбулентном (кгадра-тичном) режимах. Определены критические значения градиентов напора, соответствучтщие переходу от одного режима к другому, а также значения коэффициентов фильтрации при линейном и квадратичном режимах, позволяющие расчитывать пропускную способность фильтрующих элементов,, а также определить их проектные размеры.

Внлолнеш порометрические исследования волокнистого полиэтилена для уточнения состава и распределения размеров фильтрационных ходов, а такке для обоснования параметров материала при проектировании фильтрующих элементов.

Предложена и апробирована на материале натурных исследований методика расчета требуемых диаметров пор фильтрукцих элемен-

тов для очистки поверхностных род с учетом неоднородности гранулометрического состава и колебаний концентраций взвесей в поверхностном стоке с использованием методов теории случайных функций и теории недежности.

Методика исследований. Для решения поставленных задач были использораны следуидие методы:

- теоретическое обоснование защитно-фильтрупцих свойств структурных фильтроматериалов;

- физическое моделирование при выполнении лабораторных исследований;

- методы теории случайных функций и теории надежности при расчете диаметров фильтрационных ходов в фильтрующих элементах;

- полевые исследования на опытно-производственных и производственных участках действия мелиоративных систем.

Практическая значимость н саализация работы. Материалы работы позволяют более обоснованно решать вопроси проектирования фильтрующих элементов для очистки поверхностных вод. Разработанные конструкции фильтрующих элементов имеют повышенную еодо-приемнуи й взвесезадерживающую способность( при этом снижается их кольматация, увеличиваются сроки службы и надежность сооружений для отвода поверхностных вод.

Результаты исследований использованы в разрабатываемом пособии к СНиП 2.06.03-85."Мелиоративные системы и сооружения".

Материалы исследований входили в отчеты по заданию 13.01.Т проблемы 052.01."Разработать и внедрить осушительные системы на тяжелых почвах с применением закрытого горизонтального дренажа, фильтрующих э.ьментов, глубокого рыхления и мероприятий по ост-руктуриванию почвенного профиля на 1986-1990 г.г.".

Фильтрующие элементы из термоскрепленного волокнистого полиэтилена прошли производственные испытания и внедрены на объектах Сенненского района Витебской области.

Экономический эффект от внедрения составляет 118,5 тыс.руб.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на научно-производственных конференциях в Белорусской сельскохозяйственной академии (г.Горки,1987 и 1989 гг.), научно-техническом совещании западного отделения БАСХНИЛ во ЕНИИ водполимер (г.Елгава,1988 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано рабий,

включая 2 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав.

- ч -

выводов и рекомендаций производству, изложенных на It'Ч страницах машинописного текста, списка литературы из lib наименований, иллюстрирована 35 рисунками, содержит 15 таблиц и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Б первой главе - "Особенности осушения замкнутых понижений на минеральных землях посредством дренажных фильтров" обоснована эффективность отвода поверхностных вод из замкнутых понижений посредством дренажных фильтров. Работы А.И.Мурашка, В.А.Калнци-емса, А.Л.Музыканта, Н.Г.Пивовара, Н.Г.Бугая, Е.Г.Сапожникова, Х.А.Смилги, Р.Зггельсмана, Е.Шеиглы и др. посвящены совершенствовании дренажных фильтров и дренажных систем в целом. Еффектив-ная работа дренажных систем обеспечивается применением различных конструкций дренажных фильтров, при этом фильтры должны обеспечивать требуемую очистку воды от грунтовых частиц, вызывающих заиление дренажных линий. Большинство существующих разработок относится к фильтрам, работающим на контакте с окружающим грунтом.

¿ильтрулщие элементы для отвода поверхностных вод вступают в непосредственное взаимодействие со взвесенесущим потоком. Такие фильтры должны быть расчитаны на предельно пропускаемый размер фракций, и концентрацию взвешенных грунтовых частиц. Достаточно обоснованная методика таких расчетов отсутствует.

Насыщенность водного потока взвешенным грунтом в значительной степени определяется геоморфологической, гидрологической и почвенной обстановкой на Еодосборной площади замкнутых понижений, а также зависит от целого ряда факторов: климатических условий, характера и фермы поверхности склона, растительного покрова, агротехнической обработки почвы, севооборота, интенсивности осадков и снеготаяния, снегонакопления, ин^ильтрационной способности почвь' и др. сти факторы в той или иной мере влия.ют на возникновение и масштабы водной эрозии на склонах замкнутых понижений.

Исследования поверхностно-склоновой эрозии посвящены работы С.С.Соболева, Б.В.Полякова, Х.Х.Беннета, А.И.Костикова, Дж.Кит-риджа, А.Е.Корнева, Е.Б.Сластихина, Ь.Н.Лидова, Ц.Е.Мирцхулавв, КИ.Лоча и др.

От успешного прогноза качественных и количественных показа-

телей водной эрозии на склонах замкнутых понижений зависит качество проектирования и работы сооружений по организации поверхностного стока.

ПроЕеденнне нами обследования колодцев-поглотителей и фильтр-колонок в Витебском экспериментальном хозяйстве показали, что большинство фильтров выполнены с недостаточно обоснованными параметрами, с отклонениями от проекта, с применением неотсортированного гравия, щебня, кашей, чтс яеилось причиной выхода из строя ряда упомянутых сооружений. Отмечается недостаточная пропускная способность фильтрующих элементов, в которых,как правило, через 1...2 года эксплуатации происходит частичная либо полная кольматация фильтра. Кроме того, применение фильтров из гравия, щебня приводят к увеличению стоимости строительства и эксплуатации в силу необходимости подвозить ко многим точкам на объекте небольшие количества отсортированного и промытого филь-троматериала, отдаленности карьеров, ручного труда, частых ремонтов, связанных с заменой фильтра.

Основные '«правления совершенствования дренажных фильтров в последние годы, это - переход на сменные индустриальные конструкции фильтрующих элементов, применение конструктивных элементов из термопластов, использование многоступенчатой очистки поверхностных вод, применение фильтрующих элементов из структурных волокнистых материалов, созданных на основе полимеров.

В большинстве случаев эти материалы представлены неткаными иглопробивными, клееными и термоскрепленными полотнами. Среди отечественных - "мелит","мелин", ПШ, ПШ-$, ПЬЛ-М и др. Из зарубежных гыде ;им "Страту?,1" (Италия), "Сидим" (Франция), "Мираф 140" (США).

В НПО "БелНИШиБХ" освоена технология производства волокнистого терлоскрепленного полиэтилена, позволяющая производить материал в широком диапазоне заранее Заданных свойств, с различными диаметрами элементарного волокна, диаметрами фильтрационных ходов, толщиной, количеством и сочетанием слоев материала. Волокнистый полиэтилен положительно зарекомендовал себя в качестве ЗЙ,1 горизонтального дренажа и фильтрующих оболочек вертикального дренажа.

В связи с этим представляется целесообразной разработка фильтрующих элементов для очистки поверхностных вод из этого материала. Для создания надежных и экономичных консгрук.-.;'.й необходимо пропести порометрические, -{ильтрационнге л кольуата-ционные испытания '{ильтроматериала, рсяро^отать методику их

расчета и провести производственную проверку.

Ьо второй главе - "Порометрические и фильтрационные исследования волокнистого пористого полиэтилена" приводятся методика и результаты порометрии и исследования фильтрационных свойств изучаемого материала. Уточнены закономерности распределения размеров пор в волокнистом полиэтилене, получены значения средних и максимальных диаметров пор. Определены режимы фильтрации, значения критических градиентов напора, соответствующих переходу от линейного режима фильтрации к доквадратичному и далее к квадратичному режиму, получены значения коэффициентов фильтрации, соответствующие линейному и квадратичному режимам.

Изучению порометрии различных материалов посЕящены работы

A.И.Гольматока, Е.Ц.Еиленского, Б.А.Ьоронцова, Н.Г.Пировара, Е.Е.Ткеч и др. Большинство известных методов порометрии позволяют уверенно определять размеры пор линь в области их больших и средних размеров. В <}ильтроматериалах, безусловно, существуют и малые размеры пор. Поэтому для порометрии волокнистого полиэтилена использоЕан метод, разработанной в институте гидромеханики АН УССР и позволяющий получить распределение диаметров пор во всем диапазоне их значений. Б методе использованы разработки

B.Ы.Ьиленского для диапазона размеров пор в области их больших и средних значений и исследования Г.С.Ходакова для малых значений диаметров пор. Метод Еиленского основан на глтематической связи между размером фильтрационного хода и даклевем газа и заключается, в пропрессоЕЫвании газа через смоченный жидкостью фильтр. Положения Г.С.Ходакова основаны на доказательстве, что любое распределение частиц аналитически можно аппроксимировать степенным законом. Таким образом, аппроксимируя кривую распределения диаметров пор, полученную методом Биленского в области их средних значений, получаем распределение н области палых значений. Средний диаметр пор определяется кап математическое ожидание функций распределения. Но данным исследований построены интегральные кривые распределения диаметров пор в волокнистом полиэтилене, определены средние и максимальные, диаметры пор, значения которых приведены в таблице I.

Исследованный набор фильтроиатериалоь характеризуется достаточно однородным составом пор. Однако прослеживается некоторая тенденция уменьшения однородности пор с увеличением их средних размерьр. Полученные данные позволяют более обосногянно подбирать Фильтрующие элемент'.'.

Таблица I

Результаты порометрки волокнистого полиэтилена.

Индекс тзхноло гии фильтра Средний диаметр пор ' сЦ, , мм ¡Макскмаль-!ный диаметр ! пор <4,. мм !Индекс ¡технологии ¡фильтра Средний диаметр пор ¿С? » мм !Максималь-'.ниИ диаметр ¡пор ! ей, . мм

I' 0,С64 0,28 3" 0,233 0,96

2' С, 13С С, 79 3" 0,166 : 0,68 •

2" С,С99 0,37 Э'2' 0,145 0,67 -

2'" С,051 С,21 з'г" 0,082 0,30

3'. 0,417 • 2,С4 3"2' 0,120 0,48

Примечание: количество штрихов индекса технологии соответствует количеству слоев материала.

Исследованию фильтрационных свойств структурных фильтров посвящены работы Н.Г.Пивовара, Н.Г.Бугая, Е.С.Семеринова и др. Фильтрационные исследования пористого полиэтилена проводились В.А.Воронцовым. Для исследованного диапазона градиентов напора был характерен линейный режим фильтрации. Особенностью работы фильтров для отвода поверхностных вод, в частности фильтрующих элементов колодцев-поглотителей с использованием полиэтиленовых фильтров является га, что дейсгвуищий напор может многократно превосходить толщину .элемента. $ильтрация в таком случае может.проходить в доквадратич-ном-и квадратичном режимах. Это обстоятельство предопределило не- . обходимость проведения дополнительных исследований.

В лабораторных опытах был использован фильтрационный прибор для определения водопроницаемости пористых сред при нормальной фильтрации чистой воды. В опытах фиксировались перепад давления, объем профильтровавшейся воды, продолжительность опыта и температура воды, а затем определялись расход и скорость фильтрации.

Результаты опыта свидетельствуют о том,' что во всех исследованных образцах имевтея начальные участки, на которых величины скорости фильтрации и градиента напора линейно связаны и описываются зависимость«):

где К? - коэффициент фильтрации, соответствующий линейному режиму фильтрации;

У? - скорость фильтрации;

У - градиент напора:

С увеличением градиентов напора происходит отклонение от линейного режима.

При движении жидкости через пористую среду градиент напора при всех режимах фильтрации можно описать двучленной зависимостью:

О = аг/"г*ёг^ г (2)

где а—~~ _ величина, обратная коэффициенту фильтрации при линейном режиме;

&= -~г - величина, обратная коэффициенту фильтрации при квадратичном режиме.

На основании опытных данных по уравнению (2) методом наименьших квадратов определены значения а и / , вычислены значения Кф и А\р.г. , а также определены критические значения градиентов напора 3"/ и , соответствующие переходу

от линейного к доквадратичному и далее к квадратичному режимам фильтрации.

Результаты исследований сведены в таблицу 2.

Полученные значения коэффициентов фильтрации свидетельствуют о высокой водопропускной способности фильтров из волокнистого полиэтилена. Исследованные образцы имеют коэффициенты фильтрации в линейном режиме в диапазоне 550...3800 м/сут и, очевидно, могут конкурировать с такими высоководопроницаемыми материалами, как стеклосетки СС-1, ССТЭ-6, стеклохолсты ЬЬГ, ЬБК с коэффициентами фильтрации 30...2500.м/сут. Установленные опытом значения коэффициентов фильтрации, соответствующие квадратичному режиму, позволяют определить водоприемную способность полиэтиленовых фильтрующих элементов колодцев-поглотителей, работающих при больших значениях градиентов напора, а также расчитать их рабочие размеры.

Ь третьей главе - "Исследование полиэтиленовых волокнистых фильтров на механическую кольматацию" приведена методика и результаты кольматационных испытаний, которыми установлены за-

Таблица 2. Результаты фильтрационных исследований

Индекс 'Коэффициент ! Коэффициент ¡Критические градиенты

технологии!фильтрации в !фильтрации в ! напора

фильтра 'линейном режи~!квадратичном !-

¡ме ! режиме г [ \

! К<р , см/с ! кт т, см/с ! кг ! «я

I' 0,72 1>9л 5,0 7,2

2' 1,30 3,48 2,9 4,3

2" 0,82 1,70 3,2 5,2

2'" 0,65 1,50 4,1 6,9

3' 4,40 14,5 1,3 2,4

3" 3,00 8,17 1,6 2,9

3'" 2,40 5.62 2,1 4,0

3" 2' 1,10 2,39 2,6 4,1

3" 2' 0,92 2,55 3,6 4,7

3' 2" 0,73 1,60 4,0 6,3

кономерности, режим и качество фильтрования, а также определены ориентировочные сроки слуябы фильтрующих элементов до их промывки пли замени.

Наиболее простым и достоверным способом исследования кольматации является измерение расхода фильтра с фиксированием его ■ изменения во времени при постоянно действующем напоре на фильтре, концентрации и составе взЕеиенных частпц грунта.

На процесс кольматации оказывает влияние множество факторов. Учитывая, что большое количество факторов усложняет эксперимент, не повышая существенно точность опыта, было выбрано пять основных факторов, определяющих процесс кольматации: время кольматации (I ), напор на фильтре (Н ), концентрация взвешенных грунтовых частиц (С ), средневзвешенный диаметр частиц грунта ( В„} я коэффициент, характеризующий водопроницаемость фильтра (К

К,--?- ' ( 3 )

где Кф - коэффициент фильтрации материала;

л - толщина образца.

При небольшом поверхностном стоке из почвы ттоастся преимущественно «елкие частицы ила и пыли. Концентрация взвесей

при этом, как правило, составляй? доли процента. С увеличением стока, особенно при больших уклонах поверхности, больших площадях Бодосборной площади, нарушенной структуре почв, в нем увеличивается содержание песчаных частиц. Концентрации взвесей в этом случае также возрастают. С учетом изложенного в качестве кольма-тирующих грунтов были использованы илогатая глина, пылеватая супесь и две разновидности песка; концентрации грунтовых взвесей приняты 0,0£$; ОД?,; 0,4/5; 0,7*.

Опыты проводились на фильтрационной установке, позволяющей . поддерживать постоянный заданный режим работы. Для предотвращения осаждения взвешенного грунта исследования выполнялись при постоянном перемешивании взвеси. Опыты прекращались после наступления стабилизации расхода через фильтр. Для ряда образцов определены гранулометрический состав наилка на фильтре, грунта в фильтрате и концентрация фильтрата.

На рис. I приведены графические зависимости сокращения относительного расхода во времени при действующем на фильтр напоре Н - 0,07 м, концентрации взвеси С = 0,7%, средневзвешенной крупности кольматирующего грунта Д, = 0,2 мм для ряда образцов.

На рис.2 приведены интегральные кривые гранулометрического состава наилка на фильтре, грунта в фильтрате и концентрация фильтрата.-Данные свидетельствуют о том, что для условий проведения эксперимента характерен промежуточный режим фильтрования:

Данное обстоятельство предопределило при обработке опытных данных использовать уравнения промежуточного вида фильтрования. Время работы фильтра до замены или промывки рекомендуется принимать до сокращения его пропускной способности на ЬОТ.,С учетом изложенного методом наименьших квадратов получено аппроксимирующее уравнение для определения сроков службы фильтров:

а также зависимость для определения пропускной способности фильтра, работающего в промежуточном режиме фильтрования:

где О, - начальный расход фильтра;

0 ~ расход фильтра через время / ;

Ь - время работы фильтра, сут.;

А^г. _ коэффициент фильтрации материала в квадратичном режиме, м /с ;

с - концентрация фильтруемой РЗЕеси, «;

В» - средневзвешенный диаметр кольматирующих частиц грунта,

мм;

Л - толщина фильтра, м ;

К - напор на фильтре, м ;

Полученные в результате эксперимента данные подтверждают имеющиеся в литературе сведения о том, что одним из факторов увеличения сроков службы фильтров является повышение напорности.

Увеличение концентрации и средней крупности частиц грунта взвеси отрицательно сказывается на работоспособности фильтров. Поэтому, при опасности быстрого выхода из строя дополнительно к фильтру требуется устройство отстойников.

Важным условием повышения сроков службы фильтров является увеличение количества слоев материала при одновременном увеличении размеров пор каждого отдельного слоя. С увеличением числа слоев с I до 3 срок службы увеличивается в 2,5 раза.

В четвертой главе - "Расчет диаметров пор фильтрующих элементов на основании диагностики взвешенных наносов" предложен и апробирован на материале натурных исследований метод расчета диаметров пор фильтрующих элементов, основанный на использовании методов теории случайных функций и теории надежности и учитывающий колебания концентрации и гранулометрического состава взвешенных в поверхностном стоке наносов.

Исследование состава и содержания наносов в поверхностном , стоке проводилось на водосборах участка земель совхоза "Приднепровский" Дубровенского района Витебской области.

Надежная работа фильтра осуществляется при его способности обеспечивать требуемую степень очистки воды, т.е. пропускать грунтовые частицы с радиусами, /~,иг 4 в концентрацией

где Чш и См - соответственно, максимальный радиус и концентрация частиц грунта-на выходе фильтра;

г«р и С к/, - соответственно, предельно допустимые (критические) радиус и концентрация грунтоЕЫх частиц на выходе фильтра

Экспериментально доказано, что концентрация Езвесей в поверхностном стоке определяется множеством факторов и может быть описана нормальным законом распределения, а гранулометрический

состав наносов подчиняется логарифмически нормальному закону.

Каждому осуществившемуся на опыте значению концентрации и гранулометрическому составу наносов соответствуют определенные размеры пор фильтров, при которых обеспечивается его надежная работа по защите дренажных трубопроводов от попадания грунтоЕьтх частиц, которые могут вызвать заиление дренажа.

Расчет фильтров на предельно пропускаемые размеры частиц грунта производится согласно критерия А.Н.Патрашева:

г> (б)

где г9 - радиусы пор фильтра;

а - коэффициент, зависящий от Г,ь„ .

Концентрация взвеси на гыходе фильгра определяется из соотношения: г-гт„

с,к (/- у ) , (7)

Г'Г1,11

где ¿в« - концентрация на входе фильтра;

Ли» - максимально радиус взвешенно грунтовых частиц;

30-)- функция плотности логарифмически нормального распределения радиусов взвешенных частиц грунта.

Поэтому можно предположить, что в услогиях колебаний концентраций и гранулометрического состава наносов требуемые в различные моменты времени размеры пор фильтров могут быть описаны логарифмически нормально* законом распределения.

На рис.3 приведена гистограмма и теоретическая кри-

вая функции плотности } для натуральных логарифмов диаметров пор фильтру щах элементов.

Гистограмма построена методом прямоугольных вкладов на основании диагностики концентраций и гранулометрического состава наносов для одного из водосборов опытного участка.

Рисунок дает наглядное представление о близости эмпирической и теоретической функции плотности. Исследования проводились на трех диагностических пунктах. Опытные данные свидетельствуют о приемлемости логарифмически нормального закона распределения размеров пор фильтров.

С учетом изложенного предложена зависимость для определения допустимых диаметров пор фильтрукцих элементов:

^ Ф [' ] ' < 8 )

- и -

Рис.3. Гистограмма и теоретическая кривая

функции плотности У (¿п с/) для натуральных логарифмов диаметров пор фильтров.

где - математическое ожидание диаметров пор фильтра;

^Мр ~ среднеквадратическое отклонение для натуральных логарифмов диаметров пор!

? - средняя частота выбросов случайной функции ¿ас/^ во времени ± за средний уровень ;

Т - срок службы фильтрующего элемента; Р - заданная вероятность безотказной работы фильтра в течение срока Г .

Вероятностные характеристики , б'ея^ » 1 опреде-

ляются методами математической статистики на основании статистических рядов наблюдений за концентрацией и гранулометрическим составом наносов в поверхностно» стоке, а также на основе:установленных выше или предложенных другими законов фильтрования взвесей.

В пятой главе - "Производственные испытания и економическа; эффективность применения фильтрующих элементов на основе волок-

Т с

— м ^ —

нистого пористого полиэтилена" предложены конструкции ^ильтрое для очистки поверхностных род, а также конструкции колодцев-поглотителей, позволяющие снизить кольмат&ж фильтруощих элементов. Б главе дань» результаты производственной проверки и технико-экономическая эффективность рнедрения новых фильтрующих элементов для очистки поверхностных год.

Конструкции фильтрусщих элементов разработаны с учетом возможности их монтажа в колодцах-поглотителях, выполняемых из. унифицированных изделий. Так, железобетонные кольца колодцев выполняются с 10 водоприемными отверстиями. Наиболее рациональными конструкциями фильтров в этом случае ярля'отся сменные пробкооб-разнне заглушки, устанавливаемые р годоприемнмх отверстиях. Применение названной конструкции ограничено условиями рчботы, а именно; расход колодца-поглотителя не должен превышать 50 л/с, концентрация взвесей г поверхностном стоке должна быть не более 0,25^. При больших концентрациях дополнительно к фильтру требуется устройство отстойника.

Е последнее время большое распространение получили колодцы с термопласторыми корпусам», которые гнполнялтся различных диаметр» и, как правило, перфорируются отверстиями. Е таких конструкциях целесообразно использовать сменные объемные фильтруо-в;ие муфты с одно- или двухступенчатой очисткой роды, защищающие •мдоприемные отверстия по всему периметру стгола колодца. Применение обьемннх фильтров с очисткой годе1 г несколько ступеней позволяет уменьшить кольт :аж фильтров и угеличитьЛ« наносоем-кость.

Е ряде случаев (гблизи дорожного полотна, при больших уклонах и размерах водосборной площади, нарушенной структуре почр) концентрации наносов в стоке могут достигать нескольких процен-юв. Для таких участков разработаны 2 конструкции колодцев, позволяющие уменьшить степень кольматации фильтров. Обе конструкции защищены авторскими свидетельствами.

• На рис.4 показана одна из разработанных конструкций - коль-дец-иоглотитель с автоматическим регулированием предельно про^ пускаемьтх размеров и концентраций грунтовых частиц.

Колодец состоит из корпуса I, днища 2, крышки 3, входного отверстия 4 и отводящего трубопровода 5. Внутри корпуса I уста-нэI лены полиэтиленорые фильтрующие блоки (в изображенном варианте - три): "елкопористый С, среднепорист!<й 7 и крупнопористый 8, разделенные перегородками 9. Сходное отверстие 4'снабжено кон-

сольным водосливом 10 из асбестоцекентного или пластмассового патрубка. Колодец работает следующим образом. Поверхностные воды поступают в корпус I через входное отверстие 4 и, стекая с консольного Еодослива 10, проходят через фильтрующий блок б, 7 или 8. Далее они отеодятся б открытый канал трубопроводом 5. При этом определенная доля взвесей, содержащихся в стоке, задерживается на фильтре. Поскольку транспортирующая способность, т.е. способность еыносить взвешенные частицы, отводящего трубопровода 5 определяется скоростью движения в нем потока жидкости, а она в свою очередь зависит от обильности притока к колодцу поверхностных вод, то в данной конструкции осуществляется автоматическое регулирование крупности взвешенных частиц в трубопроводе 5 в зависимости от притока поверхностных еод. Это реализуется путем переключения в работу разных фильтрующих блоков. При малом притоке и низкой транспортирующей способности трубопровода 5 струя, стекающая с Еодослива 10, отклоняется слабо, и фильтрование идет через мелкопористый блок С. С увеличением притока увеличивается транспортирующая способность отводящего трубопро-

вода - струя отклоняется больше, и фильтрование идет через ереднепористый блок 7. При дальнейшем увеличении приюка включается в работу крупнопористый блок 8. При уменьшении притока переключение блоков идет в обратном порядке.

Вследствие того, что е данной конструкции происходит регулирование крупности взвешенных частиц, отводимых трубопроводом 5, снижается интенсивность кольматации фильтрующего элемента и увеличивается водоприемная способность колодца. Удлиняется цикл фильтрования между промывками фильтра и сокращаются затраты на обслуживание колодца.

Колодцы-поглотители с полиэтиленовыми фильтрами для очистки поверхностных иод внедрены и прошли производственную проверку на объектах Сенненского района Битебской области, скономический эффект от внедрения новых фильтрующих элементов составляет 118,5 тыс.руб.

Б результате производственных испытаний получены результаты, позволяющие сделать выгоды:

- разработанные конструкции фильтроЕ обеспечивают защиту дренажных трубопроводов от попадания частиц и концентраций грунта, которые могут вызвать заиление дренажа;

- степень кольматации испытанних фильтров незначительна; об эгом свидетельствуй фильтрационные исследования ряда частично закольматированных образцов: после двухлетней эксплуатации их пропускная способность снижена лишь на 2...7*;

- в течение срока испытаний фильтры обеспечили сЕоегременный отвод поверхностных вод; затопления осушаемых участкоЕ на наблюдалось;

- фильтры для очистки поверхностных вод на основе термоскреплен- ' ного полиэтилена можно рекомендовать к внедрению в производство.

ОаЦПЕ ЕЫЬОДИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРС'ИЗЕОДСТЬУ.

I. Натурными исследованиями установлена основная причина отказа насыпных гравийных фильтров колодцев-поглотителей, и фильтр -колонок: кольматация фильтрующих элементов в результате недостаточно обоснованного их подбора и некачественного исполнения. Расчет фильтров на предельно пропускаемую концентрацию и размер Фракций фильтруемых Езвесей не производится из-за отсутствия приемлемой методики. Затраты на строительство и эксплуатации фильтров из грунтовггх материалов высоки. Предложено в качестве фильтров для очистки поверхностных вод использовать сменные

фильтрующие элементы из термоскрепленного полиэтилена.

2. Установлено, что фильтроматериал на основе термоскреплен-ного полиэтилена имеет до 80? однородных пор. Фильтры из этого материала могут быть выполнены различной толщины, с различным ' количеством, сочетанием слоев материала и заданными размереми пор.

3. Фильтрационными исследованиями определены коэффициенты фильтрации, соответствующие квадратичному режиму фильтрации (таблица 2). Полученные данные позволяют определить пропускную способность полиэтиленовых фильтров колодцев-поглотителей, работающих при высоких значениях градиентов напора, а также обос- . новать требуемые размеры фильтрующих элементов.

4. Предложена методика, основанная на использовании методов теории случайных функций и теории надежности, позволяющая производить расчет размеров пор фильтрующих элементов, обеспечивающих надежную работу сооружений в течение заданного срока с заданной вероятностью в условиях колебаний концентраций и гранулометрического состава поступающих на фильтр наносов. Б результате апробации методики в натурных условиях получены результаты, позволяющие рекомендовать для фильтров материалы с размерами пор 0,15,.. ...0,17 мм. Более обоснованный расчет может быть произведен только на основании диагностики состава наносов в каждом конкретном случае.

5. В результате кольматационннх испытаний получена зависимость для определения сроков слуябы фильтров (формула 4)* а также зависимость для определения пропускной способности фильтров, работающих в режиме кольматаций (формула 5). Установлено, что при условии непревыщения концентрации наносов в стоке 0,25^ сроки службы фильтров составят не менее 5 Лет.

6. На основании проведенных комплексных исследований термоскрепленного полиэтилена рекомендовано для производства фильтрующих элементов использовать фильтроматериолы с условным индексом технологии Зт , 3 2', 3 2 .

7. Разработаны конструкции фильтрующих элементов (фильтрующие заглушки, фильтрующие муфты, фильтр блочного типа), а также конструкции колодцев-поглотителей, позволяющие снизить кольматаж фильтрующих элементов, увеличить их водоприемную способность и сроки службы. Две конструкции защищены авторскими свидетельст-рами.

8. Фильтры для очистки поверхностных вод испытаны в произ-

Еодственных условиях на объектах Сенненского района Витебской ■ области. Полученные результаты позволяют рекомендовать их к внедрению в производство.

Опубликованные по теме диссертации работы.

1. О содержании и составе взвешенных наносов в поверхностном стоке на минеральных землях.//Н-Т.II.Мелиорация и водное хозяйство. -Мн.:Урадяай,1987,№9,с.13...16.

2. Механическая кольматация фильтров дренажных колодцев из волокнистого пористого полиэтилена (фибелена).//Н.Т.И.Мелиорация и водное хозяйство.-Ин.:Ураджай,1990,№2,с.22...25 (в соавторстве).

3. Дренами."! аодоприемнкк поверхностного стока. Заявка № ^3^37/15-112122.(Положительное рзссние о выдаче авторского свидетельства от I6.C3.39r.) (а соавторстве).

Ь. ДренакниП колодец. Заяака !i Vi83G£>j/I5-I36679. (Положительное решение о выдаче авторского свидетельства от 22.Об.89г.) (б соавторстве).