Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Прогнозные оценки подтопления и дренирования подсыпок мелиорируемых территорий

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Прогнозные оценки подтопления и дренирования подсыпок мелиорируемых территорий"

□ и

На правах рукописи

КРАВЦЕВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПРОГНОЗНЫЕ ОЦЕНКИ ПОДТОПЛЕНИЯ И ДРЕНИРОВАНИЯ ПОДСЫПОК МЕЛИОРИРУЕМЫХ ТЕРРИТОРИЙ 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

1 4 2С09

ОМСК 2009

003468747

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

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Сологаев Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Карнацевпч Игорь Владиславович

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Коленченко Константин Эдуардович

Ведущая: организация: Федеральное государственное учреждение Управление «Омскмелиоводхоз»

Защита состоится 29 мая 2009 г. в 9.30 на заседании диссертационного совета ДМ 220.050.04 при ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет» по адресу: 644008, г. Омск, Институтская площадь, 1.

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

Автореферат разослан 28 апреля 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. Освоение территорий изменяет их природные условия и приводит к подъему уровней грунтовых вод, к подтоплению сельскохозяйственных земель и территорий населенных пунктов, застраиваемых территорий. Этот процесс имеет множество неблагоприятных последствий: уменьшение 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 мелиорируемых территорий.

Задачи исследований:

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

- учесть неточности ранее применяемых методик, и 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 повизна.

Создана целостная прогнозная методика для проницаемых пс дсыпок, позволяющая своевременно оценить последствия подтоплеиия и заблаговременно принять защитные меры.

На защиту выносятся:

- научно обоснованная методика аналитических прогнозов подтопления и дренирования подсыпок мелиорируемых территорий.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

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

Апробация работы.

Основные положения данной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на II 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 99 наименований и приложений. Работа содержит 134 страницы основного текста, 7 таблиц, 81 рисунок. Приложения размещены на 28 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

доваиия, 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 и H.H. Павловского, которые явились одной го 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 рассхматриваемый период времени.

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 гидродинамические основы

изучения режима и баланса подземных вод. Его идеи нашли дальнейшее отражение в работах Н.К. Гиринского, H.H. Биндемана, A.B. Лебедева, П.А. Киселева, И.К. Гавич, В.И. Сологаева, В.М. Шестакова и др.

Расчетные методики с гидравлическими решениями создали С.К. Абрамов, С.Ф. Аверьянов, B.C. Алексеев, В.И. Аравин, Ф.М. Бочевер, H.H. Верипш, Е.С. Дзекцер, Н.П. Куранов, А.Ж. Муфтахов, В.П. Недрига, С.Н. Нумеров, П.Я. По-лубаринова-Кочина, Г.А. Разумов, A.B. Романов, В.К. Рудаков, B.C. Саркисян, B.C. Усенко, И.А. Чарный, Э.Б. Чекалюк, B.C. Шержуков, А.П. Шевчик, В.Н. Щелкачев, В.М. Шестаков, Ц.Н. Шкинкис, Д.Ф. Шульгин и многие другие.

Отметим также, что вопросами увлажненности мелиорируемых территорий с учетом климата занимались B.C. Мезенцев, И.В. Карнацевич, Г.В. Белоненко и 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 величины для 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 плоскопараллелыюй фильтрации уравнение имеет вид:

где ц — недостаток насыщения; / — время [сут];

к - коэффициент фильтрации [м/сут];

х — горизонтальная координата.

Для радиальной фильтрации уравнение имеет вид:

где г — горизонтальная радиальная координата

Выведение зависимостей предполагало, что изначально были известны фильтрационные характеристики подсыпки, такие как коэффициент фильтрации к [м/сут], коэффициент недостатка насыщения |1 и максимальная высота капиллярного подъема Ьк [м], а также уровень в источнике подтопления Н0 [м].

AÜ Г,-я т\-дН

fir дг \ дг J dt

Граничное условие слева при х=0 выражало постоянство напора в вытянутом источнике подтопления Н(0,1) = Н0.

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

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

Таблица 1

Полученные аналитические зависимости

ъ ^ф.в. Ур.з. ______

я, —0 н /// /// /// ^^ Км х

/ ✓ / //у//////, * 4, / / /

1яэ=\| 6-к-Н0 •/

Урв. Ур-з. 1 Г"

я0 г-; 0'|_- я /// /// /// ^^ Км г

/ ш /////// ' / / ✓

г ^яз'^яз+фг^ ■(3-га-5-Яяз)) 24-к-Н0 -г0

777" к, M Ест. УГВ

Асимптота / j// X

6ЛЯ0-/(Я0-ЯС)

Ур.в. Ур.з

• N' /// /// ///

Г- я Ест. УГВ si,

Асяшпот» /

Я

.H.-h-Rf+fa-H.yR1)

24-к-Нц -г0 -(Я0 -Яе)-(Я-г0)

Ур.в.

JUL

Я„

Ур.з.

Я

-У77~

i

Z^T-777"

Км

—О .. ,

/ У / / У//////У//

L„

6-к-(Н„ +a-ht)-t M

M-{2 •Ht+H„+a-hi)

тттттшпшА

w

lililí

l/ч

E=

Ур. з

H.

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:

= 1,616 (ш0№)1/2

Авторская формула для этого случая имеет вид: 7 16'кН Л

¿эт =-/-- - без учета капиллярности грунта,

U

W

¡6-к-(Н0 +a-hk)-t

М

■ с учетом капиллярности грунта.

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

7

НТ =Нх+а-Ик.1 где коэффициент а = ОД - 0,2 является безразмерным.

Получена зависимость для определения зоны влияния дренажа при плоскопараллельной фильтрации в виде:

ь= ¡2Ш(Н0-НдУ

м(н0+нд)

где Нд - напор в дрене, [м].

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

В результате проведенных теоретических исследований получены решения ряда прямых фильтрационных задач подтопления и дренирования для случаев плоскопараллельной и радиальной в плане фильтрации. Рассмотрены нестандартные случаи: когда водоупор лежит не в горизонтальной плоскости, а под углом к ней, когда происходит подтопления территории содержащей неоднородные грунты с разными фильтрационными параметрами, подтопление за счет инфильтрации (просачивания) влаги.

Третья глава «Моделирование процессов подтопления и дренирования» описывает эксперименты, поставленные для подтверждения полученных аналитических зависимостей методики, 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, Ь^ =0,258 м, = 0,3).

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

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

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 - Секции заполняемые водой.

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

3 - Секция для загрузки исследуемого грунта.

Были исследованы случаи плоскопараллельной фильтрации в сухой и водо-насыщенный грунт, лежащий на горизонтально расположенном водоупоре, а также фильтрация в с}'хой 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).

о о о о а о оЪ-—^ оооооооооа О О О О О О 5 9 9 С, ООО ООО

ОООООООООО ОООООООООО ОООООООООО ОООООООООО ОООООООООО ОООООООООО ОООООООООО ОООООООООО чг «П5 тг «п>-*>• о^р о

о о о о о о о ооооооооо о 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).

1,0 м

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 превышает 15%, что является допустимым (табл. 2,3).

Таблица 2. Определение длины языка подтопления при плоскопараллельной фильтрации.

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

ный шее тура длина ления Ьрасч, м

напор время 1, воды, °С языка по по по ав-

Н0, м сек подто- Полубарино- Вери- тор-

пления вои- гину ской

Ьопыт, м Кочиной формуле

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 од

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

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

Таблица 3. Определение радиуса подтопления при радиальной фильтрации.

№ Температу- Уро- Прошед- R® Погрешность

опыта ра вень шее опытный, расчетный, %

воды, °С воды, см время, сек. см 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 E.JI. 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 х по прошествии времени t выглядит следующим образом:

'v 2-fJ-x2 +6-k-H„-t

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

Таблица Excel

В с D Е F

2 10 5 5 5 5 ( = 0

3 10 5 5 5 5 1 =Dt = 62,5 сут

4 10 7 5 5 J t=2Dt= 125 сут

5 10 7,857 5 5 5 t - 3Dt = 187,5 cym

6 10 8,333 5 5 5 t = 4Dt =250 сут

7 10 8,636 5,714 5 5 t = 5Dt = 312,5 сут

8 10 8,846 6,25 5 5 t = 6Dt = 375 сут

9 10 9 6,667 5 5 t = 7Dt = 437,5 cym

10 10 9,118 7 5 5 t =Ш = 500 cym

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

12 10 9,286 7,5 5,345 5 t = \Wt = 625 cym

Рис.4. Моделирование подтопления поймы по формуле автора.

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.

Сбор первоначальной информации об объекте.

Выбор расчетной формулы

Определение фильтрационных параметров грунта

Се

Создание модели

Расчет

1 Определение временного периода для 1 прогноза

1

Определение уровня рунтовых вод на участке

Данные об уровне подземных вод на учяг.уке

1

Выбор необходимого шага сетки по хД Создание модельной формулы Задание начальных данных

1 . 1

Сравнение результата расчета с начальным _УГВ_

Получение расчетной модели юдтопления территории.

_Составленив прогноза)?

Рис.5. Структура методики прогнозных оценок подтопления и дренирования песчаных подсыпок.

Выводы

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

2. Получены зависимости для расчетов языков подтопления и определения и зон 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.

3. 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 Delphi 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 другими 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 практическому применению в фильтрационных расчетах в случаях подтопления и дренирования мелиорируемых территорий.

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

Перечень работ, опублпковаипых 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 (журнал рецензируемый ВАК).

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. Кравцев К.А. 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 оценох при подтоплении прибрежных территорий. «Вестник ОмГАУ» №2, Омск - 2008 . - С. 86-87.

Per. № 28 (от 13.04.09). Подписано в печать 14.04.09. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Тайме».

Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,07. Тираж 120 экз. Заказ 136.

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

Отпечатано в типографии издательства ФГОУ ВПО ОмГАУ.

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Кравцев, Константин Александрович

Введение.

Глава1. Состояние изученности вопроса (обзор литературы).

1.1. Виды грунтов подсыпок и их фильтрационные свойства.

1.2.Изучение явления подтопления и дренирования в России и за рубежом

1.3. Применение фильтрационных расчетов к прогнозным методикам подтопления и дренирования.

1.4. Методы прогнозирования подтопления и дренирования подсыпок на подтапливаемых территориях.

Глава 2. Получение аналитических зависимостей для прогноза потопления и дренирования подсыпок.

Глава 3. Моделирование процессов подтопления и дренирования

3.1 Моделирование в лабораторных лотках.

3.2.Математическое моделирование процессов подтопления и дренирования.

Выводы.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Прогнозные оценки подтопления и дренирования подсыпок мелиорируемых территорий"

Актуальность темы

В процессе сельскохозяйственной деятельности также, как при строительстве и эксплуатации сооружений и дорожных покрытий, сталкиваются с проблемой подтопления территорий и объектов. Освоение территорий изменяет их природные условия и приводит к подъему уровней грунтовых вод, к подтоплению сельскохозяйственных территорий населенных пунктов. Этот процесс имеет множество неблагоприятных последствий: уменьшение 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 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 заблаговременно принять защитные меры.

На защиту выносятся:

- научно обоснованная методика аналитических прогнозов подтопления и дренирования территорий;

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

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

Апробация работы.

Основные положения данной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на II 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 «Вестник ОмГАУ» (№ ,2008), «Вестник СибАДИ» (№8(2), 2008г), в том числе центральная публикация в журнале «Омский научный вестник» (№10(48), 2006),.

Практическое использование.

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

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Кравцев, Константин Александрович

выводы

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

2. Получены зависимости для расчетов языков подтопления и определения и зон 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.

3. 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 другими исследователями ( П.Я. Полубаринова — Кочина, Н.Н. 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 практическому применению в фильтрационных расчетах в случаях подтопления и дренирования мелиорируемых территорий.

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

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Кравцев, Константин Александрович, Омск

1. Абрамов С.К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве. М.: Стройиздат, 1973. — 280 с.

2. Абрамов С.К. Гидрогеологические расчеты вертикальных дренажей при осушении угольных месторождений. М.: Углетехиздат, 1955. - 243 с.

3. Аверьянов С.Ф. Фильтрация из каналов и ее влияние на режим грунтовых вод // Влияние оросительных систем на режим грунтовых вод. — М.: Изд-во АН СССР, 1956. С. 85-447.

4. Аверьянов С. Ф. Расчет линейной системы артезианских колодцев // Инженерный сборник. М.: Изд-во АН СССР, 1949. - Т. 5. - Вып. 2. - С. 194-203.

5. Анпилов В.Е. Формирование и прогноз режима грунтовых вод на застраиваемых территориях. М.: Недра, 1976.-185 с.

6. Анпилов В.Е. Оценка инфильтрационного питания грунтовых вод на промышленной площадке с применением моделирования. — «Промышленное строительство», 1972, №3, с. 21 24.

7. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде. М: Гостехтеориздат, 1953. - 616 с.

8. Аравин В. И. Приток грунтовых вод к котловану прямоугольной формы в плане, основанному на горизонтальном водонепроницаемом слое // Известия ВНИИГ. М.-Л., 1938. - Т. 22. - С. 21—35.

9. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Фильтрационные расчёты гидротехнических сооружений. -M.-JL: Госстройиздат, 1955. 292 с.

10. Ю.Арутюнян Р.Н. Вакуумное водопонижение в практике строительства. — М.: Стройиздат, 1990. 184 с.11 .Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. — М.: Недра, 1984. 211 с.

11. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности. М.: Высш. школа, 1982. - Ч. 2. - 304 с.

12. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: Физматгиз, 1962. — Том II. - 640 с.

13. Биндеман H.H. Методы определения водопроницаемости горных пород откачками, наливами и нагнетаниями. Углетехиздат, М., 1951.

14. Биндеман H.H. Ускоренные вычисления дебита буровых скважин, колодцев и родников. Стройиздат, М., 1945.

15. Боголюбов К.С. Основы комплексного расчета вакуумного водопонижения эжекторными установками // Технология и технические средства строительного водопонижения и дренажа. М., 1990. - С. 3-13.- (Труды ВНИИ ВОДГЕО).

16. Богомолов Г.В. Основы гидрогеологии. Госгеолиздат, М., 1951.

17. Болгов М.В., Дзекцер Е.С., Писаренко В.Ф. Статистический анализ подтопления застраиваемых территорий // Водные ресурсы. 1998. - № 5.- С. 534-540.

18. Борисов Ю. П. Определение дебита скважин при совместной работе нескольких рядов скважин // Труды МНИ. — М., 1951. Вып. 8. - С. 170- : 184.

19. Борисов Ю.П. Учет неоднородности пласта при проектировании разработки нефтяной залежи // Труды Всесоюз. нефт. ин-та. М., 1959. — Вып. 1.-С. 245-260.

20. Бочевер Ф.М., Гармонов И. В., Лебедев А. В., Шестаков В.М. Основы гидрогеологических расчетов. -М.: Недра, 1965. — 309 с.

21. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наука, 1986. — 544 с.

22. Бэр Я., Заславски Д., Ирмей С. Физико-математические основы фильтрации воды. М.: Мир, 1971. - 452 с.

23. Великанов М.А. Гидрогеология суши. Гидрометеоиздат, М., 1948.

24. Веригин H.H. Расчет прямолинейных бесконечных рядов скважин // Труды лаборатории инженерной гидрогеологии. — М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1962.-Вып. 4.-С. 4—23.

25. Веригин H.H., Шестаков В.М. Методы расчета движения грунтовых вод в двухслойной среде. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1954. - 47 с.

26. Гавич И.К. Гидрогеодинамика. М.: Недра, 1988. - 349 с.

27. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. М.: Недра, 1980. - 359 с.

28. Гавшина З.П., Дзекцер Е.С. Условия подтопления грунтовыми водами застраиваемых территорий. М.: Стройиздат, 1982. - 116 с.

29. Гармонов И.В., Лебедев A.B. Основные задачи по динамике подземных вод. М.: Госиздат геологической литературы, 1952. — 243с.

30. Гидрогеодинамическое обоснование прогноза подтопления городских территорий. / Сб. статей. М.: Недра, 1985.

31. Григорьев В.М. Вакуумное водопонижение. — М.: Стройиздат, 1973. 224 с.

32. Григорьев В.М. Расчет неустановившегося движения грунтовых вод к иглофильтрам установок вакуумного водопонижения // Труды ин-та «ВОДГЕО», вып. 22: Инженерная гидрогеология. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1969.-С. 56-62.

33. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения. ч.1. Госстройиздат, М., 1947. -362с.

34. Гусак A.A., Гусак Г.М., Бричикова Е.А. Справочник по высшей математике. — Минск: ТетраСистемс, 2000. 640 с.

35. Дегтярев Б.М. Дренаж в промышленном и гражданском строительстве. — М.: Стройиздат, 1990.-238 с.

36. Дегтярев Б.М., Дзекцер Е.С., Муфтахов А.Ж. Защита оснований зданий и сооружений от воздействия подземных вод. — М.: Стройиздат, 1985. — 264 с.

37. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Физматгиз, 1963. - 400 с.

38. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М.: Наука, 1974. — 544 с.

39. Жуковский Н.Е. Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод // Журнал русского физико-химического общества. 1889. - Т. XXI, отд. I, вып. 1.-С. 1-20.

40. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подземных вод. -М.: Недра, 1971.-224 с.

41. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

42. Каменский Г.Н. Основы динамики подземных вод, изд. 2-е. Госгеолиздат, М., 1943. -248с.

43. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.: Наука, 1976.-576 с.

44. Ковалевский B.C. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод. М.: Недра, 1973. - 149 с.

45. Кочин Н.Е., Розе Н.В. Теоретическая гидродинамика. ч.1,2. Гостехиздат, 1948.

46. Куранов Н.П., Муфтахов А.Ж., Шевчик А.П., Бывальцев И.М. Последствия подтопления застроенных территорий и способы их дренирования // Итоги науки и техники: Гидрогеология. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1991.-Т.13.-130 с.

47. Лебедев А.Ф. Почвенные и грунтовые воды. Изд. АН СССР, 1936.

48. Лембке К.Э. Движение грунтовых вод и теория водосборных сооружений. Инженер. Журнал Министерства Путей Сообщения, Спб., №2, 1886.-c.17- 19.

49. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. — Л.: Недра, 1984.-511 с.

50. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. — М.: Недра, 1976.-408 с.

51. Внутрихозяйственные автомобильные дороги в колхозах, совхозах и других сельскохозяйственных предприятиях и организациях / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1984. - 25с. - (СНиП 2.05.11-83).

52. Маслов Б.С., Минаев И.В., Губер К.В. Справочник по мелиорации. -М.:Росагропромиздат, 1989. 383с.

53. Методы фильтрационных расчетов гидромелиоративных систем / Под. ред. H.H. Веригина. М.: Колос, 1970. - 440 с. - Авт.: C.B. Васильев, H.H. Веригин, Б.А. Глейзер, Г.А. Разумов, В.К. Рудаков, B.C. Саркисян, Б. С. Шержуков.

54. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. -Л: Гидрометеоиздат, 1969. 168 с.

55. Найфельд Л.Р., Тарасов H.A. Освоение неудобных земель под городскую застройку. М.: Стройиздат, 1968. — 224 с.

56. Нумеров С.Н. О фильтрации к несовершенной дренажной траншее в горизонтальном артезианском пласте // Известия ВНИИГ. — М.-Л., 1954, т. 52.-С. 119-130.

57. Овчинников A.M. Общая гидрогеология. Изд. 2-е. Госгеолтехиздат, М., 1955.-392с.

58. Павилонский В.М. Противофильтрационные устройства накопителей отходов промышленных предприятий // Исследования хвостохранилищ и накопителей промстоков. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1982. - С. 12-28.

59. Павловский H.H. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные приложения. — Петроград: Изд-во Научно-мелиорационного института, 1922. — 752 с.

60. Павловский H.H. Собрание сочинений. Т. II. Движение грунтовых вод. — М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1956. 772 с.

61. Панов Д.Ю. Справочник по численному решению дифференциальных уравнений. М.-Л.: Гостехтеориздат, 1950. — 184 с.

62. Полубаринова — Кочина. Теория движения Грунтовых вод. Гос. изд-во технико-технической литературы, М., 1952. 676с.

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

64. Пономаренко Ю.В., Анпилов В.Е. Лучевой дренаж застроенных территорий. М.: Недра, 1989.-198с.

65. Прогноз и предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий при строительстве / Под. ред. С.К. Абрамова. — М.: Стройиздат, 1978. -177 с. — Авт.: С.К. Абрамов, Б.М. Дегтярев, Е.С. Дзекцер, Г.В. Донской, А.Ж. Муфтахов.

66. Прогнозы подтопления и расчёт дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях / ВНИИ ВОДГЕО. М.: Стройиздат, 1991. -272 с. - (Справочное пособие к СНиП). - Авт.: А.Ж. Муфтахов, И.В. Коринченко, Н.М. Григорьева, А.П. Шевчик, В.И. Сологаев.

67. Прогноз и предотвращение подтопления подземными водами Омского метрополитена и прилегающей территории (1 очередь 1 линии): Отчет о НИР / СибАДИ; Рук. и отв. йен. Сологаев В.И. № Гр 01920019546: Инв. №03920013881.-Омск, 1992.-85 с.

68. Развитие исследований по теории фильтрации в СССР (1917-1967) / Под ред. П.Я. Полубариновой-Кочиной. -М.: Наука, 1969. 546 с.

69. Рекомендации по прогнозам подтопления промышленных площадок грунтовыми водами / ВНИИ ВОДГЕО. М.: Изд-во ВНИИ ВОДГЕО, 1976.-324 с.

70. Рекомендации по проектированию и расчетам защитных сооружений и устройств от подтопления промышленных площадок грунтовыми водами / ВНИИ ВОДГЕО. М.: Изд-во ВНИИ ВОДГЕО, 1979. - 328 с

71. Рекомендации по методике оценки и прогноза гидрогеологических условий при подтоплении городских территорий / ПНИИИС Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 240 с.

72. Рекомендации по прогнозам подтопления промышленных площадок грунтовыми водами / ВНИИ ВОДГЕО. М.: Изд-во ВНИИ ВОДГЕО, 1976.-324 с.

73. Ретхати JI. Грунтовые воды и строительство / Пер. с англ. — М.: Стройиздат, 1989.-432 с.

74. Рудаков В.К. Методы прогнозных расчетов влияния орошения на режим грунтовых вод. //Вопросы гидрогеологичнских прогнозов в связи с ирригацией земель и водоснабжением. Труды Днепропетровского гос. унта. Днепропетровск, 1970, вып. 3.

75. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математическое моделирование. — М.: Физматлит, 2001. 320 с.

76. Самарский A.A., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. — М.: Наука, 1978.-592 с.

77. Седергрен Г.Р. Дренаж дорожных одежд и аэродромных покрытий. — М.: Транспорт, 1981.-278 с.

78. Сологаев В.И. Фильтрационные расчеты и компьютерное моделирование при защите от подтопления в городском строительстве: Монография. — Омск, 2002. -416с.

79. Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике. — М.: Госстройиздат, 1958. 608 с.

80. Трубы керамические дренажные / ВНИИстром. — М.: Стройиздат, 1974. — 6 с.-(ГОСТ 8411-74).

81. Тюменцева О.В. О развитии процесса подтопления в городе Омске // Труды СибАДИ. Омск: Изд-во СибАДИ, 1999. - Вып. 3, ч. 1. - С. 67-73.

82. Цытович Н.А. Механика грунтов, изд. 3-е. Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре, М JL, 1951.

83. Чарный И. А. Подземная гидромеханика. M.-JL: Гостехиздат, 1948. -196 с.

84. Чепмен Р.Е. Геология и вода. Введение в механику флюидов для геологов. Л.: Недра, 1983. - 160 с.

85. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. М.: Недра, 1966. - 304 с.

86. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1995. - 368 с.

87. Шестаков В.М. Теоретические основы подпора, водопонижения и дренажа. -М.: МГУ, 1965.

88. Abu-Rizaiza O.S., Sarikaya H.Z., Ali Khan M.Z. Urban groundwater rise control // J. Irrigation and Drain. Eng. 1989. -115, № 4. - P. 588—607.

89. Blower Tim, Simpson Brian. Rising ground-water levels beneath London // «Struct. Surv.», 1988, 6, № 3, P. 229—232.

90. Borreman N. Onderzoek naar de oorzaak van te lage grondwaterstanden in stedelijk gebied // Tijdschr. watervoorz. en afvalwaterbehandel.—1988.—21, № 26. S. 776—779, 755, 775.

91. Davies J. A. Groundwater control in the design and construction of a deep excavation // Groundwater Eff. Geotechn. Eng: Proc. 9th Eur. Conf. Soil Mech. and Found. Eng., Dublin, 31 Aug. 3 Sept., 1987. - Vol. 1. - Rotterdam; Boston. 1987. - P. 139—144.

92. Geldof G.D., Boere E.N., Ven F. H. M., Acht W.N. Grondwaterbeheersing in stedelijke gebieden. // «РТ/Civ. techn.», 1987, 42, №1.-S. 43—48.97.01sen H.W. Darcy's law in saturated kaolinite // Water Resources Res. 1966, 2.-P. 287-296.

93. Pavilonsky V. M. The absence of threshold gradient in clayey soils //Groundwater Eff. Geotechn. Eng: Proc. 9th Eur. Conf. Soil Mech. and Found. Eng., Dublin, 31 Aug. — 3 Sept., 1987. Vol. 2. - Rotterdam; Boston, 1987. -P. 917—921.

94. Sochatzy G. Verfahren zur Beherrschung der Grundwasserprobleme in Zuge von NÖT-Vortrieben beim U-Bahn-Bau der Stadt Wien // «Berg- und Huttenmänn. Monatsh.». 1988, 133, № 6. - S. 287—296.

95. Перечень работ, опубликованных по теме диссертации.

96. 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.

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

98. 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.

99. 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.

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