О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности

Получено эффективное аналитическое решение осесимметричной задачи внешней суффозии при изменяющейся по линейному закону интенсивности стока q(t). Отдельно рассмотрены случаи убывания и нарастания притока суспензии к дрене. При уменьшении q суффозионный процесс сопровождается кольматационным, что мож...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2006
1. Verfasser: Поляков, В.Л.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Інститут гідромеханіки НАН України 2006
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4768
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности / В.Л. Поляков // Прикладна гідромеханіка. — 2006. — Т. 8, № 4. — С. 43-52. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860241578077978624
author Поляков, В.Л.
author_facet Поляков, В.Л.
citation_txt О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности / В.Л. Поляков // Прикладна гідромеханіка. — 2006. — Т. 8, № 4. — С. 43-52. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
collection DSpace DC
description Получено эффективное аналитическое решение осесимметричной задачи внешней суффозии при изменяющейся по линейному закону интенсивности стока q(t). Отдельно рассмотрены случаи убывания и нарастания притока суспензии к дрене. При уменьшении q суффозионный процесс сопровождается кольматационным, что может приводить к задержке в области деформаций существенного количества неструктурных частиц. Построены близкие к точным зависимости для концентрации осажденных и взвешенных частиц. Обоснована частичная линеаризация исходного уравнения фильтрационных деформаций. Выполнен обстоятельный анализ физико-механических характеристик при изменении q и начального содержания однородной суффозионной компоненты в широких пределах. Одержано ефективний аналiтичний розв'язок вiсесиметричної задачi зовнiшньої суфозiї при iнтенсивностi стоку q(t), що змiнюється згiдно лiнiйного закону. Окремо розглянутi випадки зниження i зростання притоку суспензiї до дрени. При зменшеннi q суфозiйний процес супроводжується кольматацiйним, що може призвести до затримки в областi деформацiй суттєвої кiлькостi неструктурних часток. Побудовани близькi до точних залежностi для концентрацiї iммобiлiзованих i завислих часток. Обгрунтована частинна лiнеарiзацiя вихiдного рiвняння фiльтрацiйних деформацiй. Виконаний грунтовний аналiз фiзико-механiчних характеристик при змiнi q i початкового вмiсту однородної суфозiйної компоненти у широких межах. An effective analytical solution is found of the axisymmetric problem of external mechanical piping at a sink intensity q(t) which varies according to a linear law. The cases of the above intensity decrease and increase are considered separately. When lowering q, the piping process is accompanied by the colmatage one what can cause a delay of rather substantial amount of non-structural particles within the deformation domain. Almost exact dependences are constructed for the concentration of the deposited particles and suspended matter. A partial linearization of the initial equation of filtration deformation is ground. Thorough analysis is performed of physico-chemical characteristics when varying q and initial content of uniform non-structural component within a wide range.
first_indexed 2025-12-07T18:30:08Z
format Article
fulltext ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? –?? УДК 581.1:631.4 О МЕХАНИЧЕСКОЙ СУФФОЗИИ ГРУНТОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СТОКА ПЕРЕМЕННОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В. Л. П О Л Я К ОВ Институт гидромеханики НАН Украины, Киев Получено 20.06.2006 Получено эффективное аналитическое решение осесимметричной задачи внешней суффозии при изменяющейся по линейному закону интенсивности стока q(t). Отдельно рассмотрены случаи убывания и нарастания притока суспен- зии к дрене. При уменьшении q суффозионный процесс сопровождается кольматационным, что может приводить к задержке в области деформаций существенного количества неструктурных частиц. Построены близкие к точным зависимости для концентрации осажденных и взвешенных частиц. Обоснована частичная линеаризация исходно- го уравнения фильтрационных деформаций. Выполнен обстоятельный анализ физико-механических характеристик при изменении q и начального содержания однородной суффозионной компоненты в широких пределах. Одержано ефективний аналiтичний розв’язок вiсесиметричної задачi зовнiшньої суфозiї при iнтенсивностi стоку q(t), що змiнюється згiдно лiнiйного закону. Окремо розглянутi випадки зниження i зростання притоку суспензiї до дрени. При зменшеннi q суфозiйний процес супроводжується кольматацiйним, що може призвести до затримки в областi деформацiй суттєвої кiлькостi неструктурних часток. Побудовани близькi до точних залежностi для концен- трацiї iммобiлiзованих i завислих часток. Обгрунтована частинна лiнеарiзацiя вихiдного рiвняння фiльтрацiйних деформацiй. Виконаний грунтовний аналiз фiзико-механiчних характеристик при змiнi q i початкового вмiсту одно- родної суфозiйної компоненти у широких межах. An effective analytical solution is found of the axisymmetric problem of external mechanical piping at a sink intensity q(t) which varies according to a linear law. The cases of the above intensity decrease and increase are considered separately. When lowering q, the piping process is accompanied by the colmatage one what can cause a delay of rather substantial amount of non-structural particles within the deformation domain. Almost exact dependences are constructed for the concentration of the deposited particles and suspended matter. A partial linearization of the initial equation of filtration deformation is ground. Thorough analysis is performed of physico-chemical characteristics when varying q and initial content of uniform non-structural component within a wide range. ВВЕДЕНИЕ Расход дренажей, широко используемых в ги- дротехнической и мелиоративной практике для регулирования водного режима грунтов, ред- ко остается неизменным. Характерным приме- ром может служить осушительный дренаж, дей- ствующий, как правило, в нестабильных водно- физических условиях [1–3]. Уже на начальной ста- дии осушения в периоды снеготаяния или выпаде- ния обильных осадков он обеспечивает быстрый отвод весьма значительного объема избыточной влаги, главным образом, из придренной зоны. Именно на этой стадии дренажный сток не толь- ко достигает максимума, но часто успевает и за- метно сократиться. Затем, как правило, приток к дренам продолжает ослабевать вплоть до полного прекращения. Характер спада приточности поро- вой воды к дренам бывает различным и зависит от многих факторов (параметров дренажа, филь- трационных свойств грунта, водного режима бли- злежащих водных объектов и пр.). Однако чаще всего его удается описать элементарными функ- циями. Наибольшего же внимания заслуживают линейные аппроксимации в силу их простоты и в целом хорошего соответствия опытным данным по дренажному стоку [4, 5]. Конечно, выбор зависимости дренажного расхо- да от времени имеет большое значение и с физиче- ской, и с формальной точки зрения. Действитель- но, уравнение фильтрационных деформаций [6, 7], описывающее обе стороны массообмена между жидкой (вода и взвесь) и твердой (пористый мате- риал) фазами среды, а также перенос неструктур- ных частиц, удается решить аналитически только в исключительных случаях. В то же время, реа- лизация задач суффозии с помощью разного ро- да приближенных приемов или численных мето- дов способна приводить к чрезмерным неточно- стям в расчетах, осложнить и без того непростой из-за узости интервалов изменения искомых хара- ктеристик количественный анализ. Ниже для де- тального изучения особенностей протекания про- цесса внешней суффозии (с выносом мелких ча- стиц грунта) выбрана как раз показательная си- туация с равномерным уменьшением удельной (на единицу длины) интенсивности q протяженного стока цилиндрической формы. А поскольку далее исследуются физико-механические процессы в не- c© В. Л. Поляков, 2006 43 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? – ?? посредственной близости от упомянутого стока, то им свойственна осевая симметрия. Состав суффо- зионной компоненты грунта (распределена в не- деформированном грунте равномерно) считается однородным, что дает основание характеризовать способность неструктурных частиц к мобилизации (иммобилизации) под действием гидродинамиче- ской силы единственным значением критической скорости uk (градиента напора) [8–11]. Основная цель данной работы заключается в разносторонней оценке влияния изменения интен- сивности q на конечные результаты фильтрацион- ных деформаций, выражаемые суммарным объе- мом вынесенных из грунта частиц и распределе- нием частиц, сохранившихся в области деформа- ции. Факт осаждения в ней взвешенного вещества свидетельствует о том, что суффозионный про- цесс сопровождается кольматационным (имеет ме- сто только при уменьшении q) [12-14]. Для пол- ноты анализировались аналитическими методами оба случая линейного изменения q (убывание, на- растание), деформационный процесс в своем ра- звитии и его последствия для водно-физического состояния среды. Следует подчеркнуть, что при- менение ранее полученных точных решений за- дач внешней суффозии при q = const [15, 16] для несвязных пористых структур с неустойчи- вым водным режимом чревато переоценкой или недооценкой результатов деформирования грунта фильтрационным потоком. 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ВНЕШНЕЙ СУФФОЗИИ Теоретическое исследование механической суф- фозии (кольматации), инициированной длинным цилиндрическим стоком удельной интенсивности q(t), выполняется на базе уравнения ∂nc ∂t − [ q 2π(1 − ms)r − uk + 2uk 1 − ms nc ] × ×∂nc ∂r = 2 r ( n2 c 1 − ms − nc ) , (1) где nc, ms – объемные концентрации структурных и взвешенных (неструктурных) частиц. Уравне- ние (1) выведено из уравнения фильтрационных деформаций [7] путем перехода в нем от действи- тельной средней в порах скорости течения воды u к концентрации nc. Для q принимается q = q0 + at, (2) где q0 представляет исходную (максимальную или минимальную) интенсивность стока, коэффици- ент a характеризует быстроту ее изменения. Для повышения общности анализа вводятся относи- тельные переменные n̄c = nc/m0, t̄ = ukt/Ri0, r̄ = r/Ri0 и q̄ = q/q0. Здесь m0 – концентра- ция суффозионных частиц в недеформированном грунте, а в качестве линейного масштаба Ri0 вы- брано начальное значение радиуса границы между характерными зонами [7]: Ri0 = q 2πuk(1 − ms) . Тогда уравнение (1) преобразуется к более просто- му виду ∂n̄c ∂t − ( q̄ r̄ − 1 + 2βn̄c ) ∂n̄c ∂r̄ = 2 r̄ ( βn̄2 c − nc ) , (3) а выражение (2) приобретает вид q̄ = 1 + āt̄, (4) где β = m0/(1 − ms); ā = a/(2πu2 k(1 − ms)). Урав- нение (3) дополняется при a < 0 начальным усло- вием t̄ = 0, n̄c = 1, (5) а при a > 0 – граничным условием на внешней границе области деформаций r̄ = R̄0(t), n̄c = 1. (6) Условие (6) позволяет определить динамику по- давляющего большинства взвешенных частиц, со- средоточенных в расширяющейся зоне полной де- формации. Условия (5) и (6) вместе с уравнением (3) составляют задачи Коши. Применение метода характеристик, наиболее эффективного для ана- литического решения подобных задач, дает воз- можность перейти от уравнений (3), (5) или (6) к эквивалентной задаче, основывающейся на ха- рактеристической системе dr̄ dt̄ = − q̄(t̄) r̄ + 1 − 2βn̄c, (7) dn̄c dt̄ = 2 r̄ ( βn̄2 c − nc ) . (8) Получить точное решение уравнения (7) для лю- бых форм q̄(t̄), представляющих практический ин- терес, не удается. Однако, если q̄ изменяется со- гласно (4), то в такого рода решении и нет необ- ходимости. Установлено, что задачи (3)-(6) успе- шно решаются с помощью частичной линеариза- ции уравнения (3). Для этого концентрация n̄c во втором слагаемом (3) заменяется ее некото- рым постоянным (средним) значением n̄cp. Право- мочность использования такого приема в задачах 44 В. Л. Поляков ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? –?? суффозии обсуждается в четвертом разделе. В ре- зультате вид уравнения (8) сохраняется, а уравне- ние (7) имеет вид dr̄ dt̄ = −1 + āt̄ r̄ + w, (9) где w = 1 − βn̄cp. Система (8), (9) и является ба- зовой для последующих теоретических исследова- ний. 2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРИ УБЫВАЮЩЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ СТОКА (a < 0) Случай уменьшения интенсивности стока (a < 0) анализируется в первую очередь как наибо- лее интересный для практики. При этом разме- ры области деформаций не меняются (относитель- ный радиус еe внешней границы R̄0 = (1 − β)−1). Для построения надежных расчeтных зависимо- стей сначала рассматриваются фильтрационные деформации в зоне полной деформации или мас- сопереноса (содержит только подвижные нестру- ктурные частицы), а затем, опираясь на уже по- лученные результаты, анализируется формирова- ние зоны частичной деформации или осаждения (включает суффозионные частицы исключитель- но в форме осадка). Уточненные названия обеих зон области деформации (массопереноса, осажде- ния) более точно отвечают специфике деформа- ций, протекающих при ā < 0. Ввиду ограниченно- сти периода действия стока для полной деформа- ции грунта, то есть выноса всех мелких частиц, да- же в непосредственной близости от него не хватает времени. Линеаризация уравнения (3) способству- ет получению практически точного решения для обеих зон. 2.1. Зона массопереноса Формулировка математической задачи внешней суффозии для зоны массопереноса включает сис- тему уравнений (8), (9) и условие (5). При выборе единственной интегральной кривой, соответству- ющей поставленной задаче, прежде всего полагае- тся, что она проходит через точку с координатами ξ, η, ζ. Затем эти координаты определяются в со- ответствии с условием задачи. В данном случае, согласно условию (5), ξ = 1, ζ = 1, а η становится параметром, так что искомое решение приобрета- ет параметрическую форму. Чтобы его построить, осуществляется переход к переменным t̃, z с помо- щью замен z = r̄/t̃, t̃ = 1 + āt̄. Тогда уравнение (9) принимает следующий вид: āt̃ dz dt̃ = −āz + ω − 1 z . (10) Так как дискриминант ∆ = ω2 − 4ā при ā < 0 обязательно положителен, то решение (10) имеет единую форму: t̃ = √ bη2 − ωη + 1 bz2 − ωz + 1 × (11) × ( 2āz − ω + √ ∆ −2āz + ω + √ ∆ · −2āη + ω + √ ∆ 2āη − ω + √ ∆ ) ω 2 √ ∆ . Второе необходимое соотношение находится из уравнения dn̄c dz = n̄c − βn̄2 c āz2 − ωz + 1 , (12) которое выводится путем деления (8) на (10). Не- посредственно из (12) находится выражение ln ( 1 − βn̄c n̄c · ζ 1 − βζ ) = (13) = − 1√ ∆ ln ( 2āz − ω − √ ∆ 2āz − ω + √ ∆ · 2āη − ω + √ ∆ 2āη − ω − √ ∆ ) , из которого следует исключить ζ и, наконец, оно может быть разрешено относительно одной из пе- ременных. Для удобства вычислений предпочти- тельнее сделать это относительно параметра η. То- гда η = 1 2ā ω + √ ∆ + (ω − √ ∆) · f(z) · g(n̄c) 1 + f(z) · g(n̄c) , (14) где f(z) = −2āz + ω + √ ∆ 2āz − ω + √ ∆ , g(n̄c) = ( 1 − βn̄c n̄c − βn̄c ) √ ∆ . Подстановка соотношений (14) в (11) даeт возмож- ность искомую связь между переменными задачи представить в форме t̃ = t̃(z, n̄c) или, имея ввиду z = r̄/t̃, в ей эквивалентной: t̃ = t̃(r̄, n̄c). Благо- даря последней форме проще проследить за изме- нением выходной концентрации взвеси n̄c0 во вре- мени – достаточно воспользоваться зависимостью t̃ = t̃(r̄0, n̄c0). Также на еe основе несложно рассчи- тывать поток частиц I0(t̃), поступающих в сток: I0 = n̄c0(ū0 − 1) = n̄c0(βn̄c0 + t̃ r̄0 − 1), (15) где ū0 – скорость ū на входе в сток. В. Л. Поляков 45 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? – ?? 2.2. Зона осаждения Особый статус зоны осаждения связан с тем, что именно в ней оказываются, в конце концов, все им- мобилизованные частицы, а при уменьшении ин- тенсивности q до 0 она охватывает всю область деформаций. Поэтому главная практическая цен- ность выведенных в данной работе зависимостей заключается в возможности надeжно вычислять с их помощью искомые характеристики в указан- ной зоне (по сути, в области деформаций). Сниже- ние q инициирует кольматационный процесс, кото- рый локализован на условной (критической) по- верхности. Еe положение (радиус r̄∗) находится на базе равенства ū(r̄∗) = 1. Таким образом, теоре- тический анализ процесса осаждения взвеси фа- ктически сводится к установлению аналитически- ми методами динамики критической поверхности. В дальнейшем для еe обозначения будет исполь- зоваться термин “фронт осаждения”, более точ- но отражающий сущность явления кольматажа в рамках принятой модели. Расчет распределения иммобилизованных частиц в пределах зоны оса- ждения эквивалентен установлению концентрации осадка на указанном фронте n̄∗ и закономерности его перемещения r̄∗ = r̄∗(t̃). Естественно, что вну- три данной зоны n̄∗ не меняется, а присутствие в исходных уравнениях t̃ требуется для описания расширения зоны. Поскольку фронт осаждения является одной из границ зоны массопереноса, то для определения его положения в любой момент времени, прежде всего следует использовать полученные выше за- висимости, описывающие динамику суффозион- ных частиц вплоть до границы r̄ = r̄∗. Для на- хождения же самого значения r̄∗ необходимо привлечь дополнительное соотношение между ха- рактеристиками задачи на фронте t̃ = r̄∗(1 − βn̄∗). (16) Соотношение (16) представляет собой условие со- хранения расхода двухфазного течения на этом фронте. Итак, распределение иммобилизованных частиц n̄∗(r̄) в промежуточный момент времени (t̄e > t̄ > 0) определяется с помощью уравнений (11), (14), (16). Здесь аргумент r̄ пробегает значе- ния от (1 − β)−1/2 до r̄∗ на текущий момент вре- мени. Момент окончания деформаций t̄e (или t̃e) наступает до прекращения работы стока. Вычи- сляется t̃e по формуле t̃e = r̄0(1 − βn̄∗0), (17) где n̄∗0 – концентрация осадка в выходном сечении потока (при t̄ ≤ t̄e). После подстановки в (11), (16) (1 − β)−1 вместо z профили концентрации осадка удаeтся описать более удобной для количественно- го анализа зависимостью r̄ = 1 1 − βn̄∗ √ āη2(n̄∗) − ωη(n̄∗) + 1 āz2(n̄∗) − ωz(n̄∗) + 1 × (18) × ( 2āz(n̄∗) − ω + √ ∆ −2āz(n̄∗) + ω + √ ∆ · −2āη(n̄∗) + ω + √ ∆ 2āη(n̄∗) − ω + √ ∆ ) ω 2 √ ∆ . Значение выходной концентрации n̄∗0 устанавли- вается путeм решения уравнения (18) относитель- но n̄∗ при r̄ = r̄0. Его подстановка в формулу (17) и даeт t̃e. Текущий же момент t̃ вычисляется по формуле (11). Несмотря на сравнительно простой вид и досто- верность формул (11), (17), (18), давать оценку влияния переменного действия стока на фильтра- ционные деформации предпочтительнее, опираясь на данные вычислений полных объeмов осажден- ного (неподвижного взвешенного) V и вынесенно- го из грунта W твeрдого вещества при различных значениях ā, а также на сопоставление с аналоги- чными объeмами, но при ā = 0. Выражение “пол- ный объeм” здесь означает итоговый результат процессов осаждения или выноса мелких частиц, продолжающихся или бесконечно долго (ā = 0), или конечное время (ā < 0). Объeм V как функ- ция от ā имеет минимальное значение при ā = 0: V̄min = Vmin Vi = 1 β [ 2 + (1 − β)− 3 2 − 3(1 − β)− 1 2 ] , (19) где Vi = 4 3 πR3 i0m0 – объeм суффозионной ком- поненты грунта в слое r̄0 ≤ r̄ ≤ 1 недеформи- рованного грунта. Для сравнения в области де- формаций первоначально находился относитель- ный объeм неструктурных частиц V̄0 = (1 − β)− 3 2 . С уменьшением коэффициента ā объем V̄ растeт и при ā ≤ 0 будет V̄ = 3 (1−β)− 1 2 ∫ r̄0 r̄2n̄∗(r̄)dr̄. (20) Интегрирование выражения (20) по частям с уче- том малости r̄0 даeт V̄ = (1 − β)− 3 2 − (1−β)− 1 2 ∫ r̄0 r̄3(n̄∗)dn̄∗. (21) Вместе с тем максимальное значение W̄max, допол- няющее V̄min до V̄0, будет (ā = 0): W̄max = V̄0 − V̄min = 2 β [ (1 − β)− 1 2 − 1 ] . (22) 46 В. Л. Поляков ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? –?? При произвольном значении ā вынос вещества со- ставит W̄ = (1−β)− 1 2 ∫ r̄0 r̄3(n̄∗)dn̄∗. (23) Наконец, для описания динамики иммобилиза- ции вещества предлагается зависимость объeма осаждения v̄ от времени t̃ в виде v̄ = 1 (1 − β)2 − t̃2(n̄∗) · n̄∗ (1 − βn̄∗)2 − 1 ∫ n̄∗ t̃2(n)dn (1 − βn)2 , (24) где t̃(n̄∗) берется согласно (11) с учетом выраже- ний (14) и (16). 3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРИ ВОЗРАСТАЮ- ЩЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ СТОКА (ā > 0) Рост интенсивности стока (ā > 0) обуславлива- ет расширение области деформаций. Действитель- но, еe внешняя граница (условная цилиндрическая поверхность, на которой u = uk или ū = 1) будет удаляться от стока из-за увеличения скорости u. Положение данной границы (радиус R0) в прои- звольный момент t определяется по формуле R0 = q(t) 2πuk(1 − ms − m0) , (25) из которой следует, что при выполнении соотно- шения (14) R̄0 = R0 Ri0 = 1 + āt̄ 1 − β . (26) Подстановка же выражения (26) в первое уравне- ние системы (7) даeт для dr̄/dt̄ на границе r̄ = R̄0 (фронте деформаций) постоянное значение –β. Отрицательное значение данной производной сви- детельствует об обязательном присутствии вбли- зи фронта деформаций тонкого слоя со взвешен- ными неподвижными частицами, которые через короткое время приходят в движение и затем уско- ренно перемещаются к стоку. Однако, в силу тон- кости этого слоя и растущих размеров области де- формаций для практических целей вполне доста- точно отслеживать динамику мобилизованных ча- стиц в пределах только зоны массопереноса (r̄0 ≤ r̄ ≤ R̄i(t̄)). Чтобы учесть факт увеличения обла- сти деформаций, используется граничное условие (6). Строгое решение частично линеаризованной за- дачи (3), (6) удаeтся построить двумя способами. Во-первых, это можно сделать, опять-таки, с по- мощью метода характеристик. Другой же способ основывается на свойстве автомодельности, при- сущем данной задаче благодаря использованию условия (6). В соответствии с ним искомая n̄c(r̄) считается функцией единственной переменной z. Таким образом, учитывая z = r̄/t̃2, получено ∂z ∂r̄ = 1 t̃ , ∂z ∂t̃ = − r̄ t̃2 , и значит ∂n̄c ∂r̄ = 1 t̃ dn̄c dz , ∂n̄c ∂t̃ = − r̄ t̃2 dn̄c dz . (27) Подстановка (27) в линеаризованное уравнение (3) и несложные преобразования позволяют транс- формировать его к намного более простому виду: (−āz2 + ωz − 1) dn̄c dz = βn̄2 c − n̄c, (28) которое легко решается при условии z = 1 1 − β , n̄c = 1. (29) Форма решения определяется знаком дискрими- нанта ∆ = ω2 − 4ā, соответствующего уравнениям (28), (29). Общее же выражение, вытекающее из (28), (29), будет f(n̄c) = ln 1 − βn̄c n̄c − βn̄c = h(z), (30) где h(z) = 1√ ∆ ln ( 2āz − ω − √ ∆ 2āz − ω + √ ∆ · 2ā − (1 − β)(ω − √ ∆) 2ā − (1 − β)(ω + √ ∆) ) , при ∆ > 0, (31) h(z) = 2 2āz − ω − 2(1 − β) 2ā − ω(1 − β) , при ∆ = 0, (32) h(z) = 2√ −∆ ( arctg 2ā − ω(1 − β)√ −∆ − arctg 2āz − ω√ −∆ ) , при ∆ < 0. (33) Если соотношение (30) разрешить относительно n̄c, то искомое решение представляется зависимо- стью n̄c = 1 β + (1 − β) exp[h(z)] , (34) которое несколько упрощается при ∆ > 0 благо- даря тому, что exp[h(z)] = = [ 2āz − ω − √ ∆ 2āz − ω + √ ∆ · 2ā − (1 − β)(ω − √ ∆) 2ā − (1 − β)(ω + √ ∆) ] 1√ ∆ . В. Л. Поляков 47 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? – ?? Рис. 1. Профили концентрации взвешенных частиц: 1 – t̃ = 0.1; 2–4 – t̃ = 0.5; 5–7 – t̃ = 1, 1, 2, 5 – n̄cp = 1; 1, 4, 7 – n̄cp = 0; 1, 3, 6 – точн. и прибл. n̄cp = 0.5 4. РАСЧEТ ПРИМЕРОВ И ОБСУЖДЕНИЕ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ Количественный анализ внешней суффозии в несвязных грунтах под действием цилиндрическо- го стока с переменной интенсивностью выполнял- ся на базе расчeтов многочисленных примеров. В первую очередь, внимание было уделено наибо- лее интересным в практическом отношении вопро- сам – определению конечного распределения оса- ждeнных в области деформаций неструктурных частиц и полного объема выноса в сток суффози- онной компоненты грунта. Основным предметом расчeтов были пространственно-временные изме- нения ключевых для фильтрационных деформа- ций физико-механических характеристик n̄c, n̄∗. Вместе с тем изучалось на ряде примеров и пове- дение указанных характеристик в зависимости от важнейших модельных параметров β, ā. Эти па- раметры варьировались в широких пределах (β от 0.05 до 0.2, ā от -2 до 1), что позволило охватить диапазоны всех реально возможных их значений. Данные расчетов, полученные при ā 6= 0 (приво- дятся подробно ниже) и при ā = 0, сопоставля- лись лишь в отдельных случаях. Для более пол- ного сравнения достаточно привлечь результаты из работы [7]. Однако и построенные здесь разно- образные графики при малых и больших значени- ях ā дают весьма полное представление о влиянии переменного q на процессы фильтрационных де- формаций. Аналитические решения сформулированных Рис. 2. Профили концентрации осажденных частиц: 1 – ā = −2, 2 – ā = −1, 3 – ā = −0.5, 4 – ā = −0.2, 5 – ā = −0.1, 6 – ā = 0 выше задач суффозии для зон полной дефор- мации удается построить только благодаря частичной линеаризации исходного уравнения (3). И, прежде чем проводить расчеты на базе приближенных формул, следует убедиться в эффективности этого приeма для данного типа задач. Сделать соответствующие оценки, изучая фильтрационные деформации теоретически, сравнительно легко, если воспользоваться, на- пример, найденным ранее [7] точным решением аналогичной задачи для случая q = const. Выра- жается оно в форме t̄ = f(r̄, ū). Чтобы облегчить анализ физико-механического состояния грунта, указанная зависимость преобразуется к виду t̄ = (2βr̄n̄c − 2βn̄c − 2β2r̄n̄2 c + 1)ln 1 − βn̄c n̄c − βn̄c + +r̄(1 − n̄c) − 1 − 2β 1 − β (1 − n̄c)(1 + βr̄n̄c). (35) Эталонные профили концентрации n̄c(r̄) вычисля- лись в диапазоне r̄0 ≤ r̄ ≤ 1 (r̄0 = 0.05) при β = 0.2 на моменты времени t̄ =0.1, 0.5 и 1, отвечающие начальной, основной и конечной стадиям суффо- зионного процесса. Показаны они на рис. 1. Для получения приближенного решения этой же за- дачи, которое является точным линеаризованной, осреднялась только величина n̄c при ∂n̄c ∂r̄ . Приме- нение метода характеристик к линеаризованному таким образом уравнению (3) при начальном усло- вии (5) дает t̄ = 1 ω (r − η + 1 ω ln 1 − ωr̄ 1 − ωη ), (36) 48 В. Л. Поляков ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? –?? где η = 1 ω + (r̄ − 1 ω ) ( n̄c − βn̄c 1 − βn̄c )ω . (37) Приближенный расчет профилей n̄c(r̄) проводил- ся формально также для всей области деформа- ций. С целью оценки сильных и слабых сторон приближенного подхода указанные профили со- поставлялись на рис. 1 с точными. Прежде все- го, очевидно, что формулы (36), (37) обеспечива- ют высокую точность вычислений в пределах зоны полной деформации (r̄0 ≤ r̄ < r̄∗) и не отражают особенностей распределения неподвижных взве- шенных частиц во второй зоне (r̄∗ ≤ r̄ ≤ 1 1−β ). По- этому применять вышеупомянутые формулы сле- дует исключительно в первой зоне, которая, впро- чем, часто занимает подавляющую часть области деформаций. Также напрашивается вывод о несу- щественности выбора среднего значения n̄cp. На это указывает близость кривых 2, 4 и 5, 7 на рис. 1, которые определены при предельных и проме- жуточном значениях n̄cp. Если n̄cp = 0.5, то то- чные и приближенные профили n̄cp(r̄) расположе- ны очень близко друг к другу (расхождение ме- жду ними не более 1.5%) и на рисунке они сли- ваются. Нелишне заметить, что приближенное ре- шение (36) оказывается не намного проще свое- го строгого аналога (35). Но уже в случае ради- альной фильтрации упрощения выкладок в ходе решения, а в конечном итоге и расчетных зависи- мостей, обусловленные линеаризацией, становятся значительными. Однако основная ценность данно- го приeма в теории фильтрационных деформаций связана всe-таки с ощутимым расширением круга прикладных задач, которые могут быть благодаря ему успешно решены. О важном значении переменного q для дефор- мированного грунта при соответствующих услови- ях свидетельствуют прежде всего профили кон- центрации осажденных частиц, построенные для различных ā, β и изображенные на рис. 2. При ā = −0.1 указанный профиль ещe сравнительно слабо отличается от своего аналога при q̄ = const. Следует, однако, заметить, что осажденные части- цы будут присутствовать во всей области дефор- маций, но их концентрация даже на относительно большом удалении от стока крайне мала. В слу- чае же q̄ = const сохранившиеся в области дефор- маций частицы, во-первых, находятся во взвешен- ном состоянии, во-вторых, сосредоточены исклю- чительно в узкой зоне частичной деформации. С уменьшением ā картина существенно меняется, в первую очередь, благодаря задержке весьма боль- шого количества суффозионных частиц в непо- Рис. 3. Графики зависимости n̄∗0(ā): 1 – β = 0.2, 2 – β = 0.1, 3 – β = 0.05 Рис. 4. Графики зависимости W̄ (ā): 1 – β = 0.2, 2 – β = 0.1, 3 – β = 0.05 средственной близости от стока. Показательными в этом плане являются графики n̄∗0(ā), представ- ленные на рис. 3. Ускоренное снижение расхода q̄ приводит к резкому росту содержания осажден- ных частиц на выходе из грунта, достигая 0.184 при ā = −2, β = 0.2. Исходное количество суф- фозионных частиц (параметр β) в свою очередь оказывает незначительное влияние и на характер распределения иммобилизованных частиц в обла- сти деформаций, и на изменение их выходной кон- центрации (кривые 1–3, рис. 3). В. Л. Поляков 49 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? – ?? Рис. 5. Графики изменения объема осадка: 1 – ā = −2, 2 – ā = −1, 3 – ā = −0.5, 4 – ā = −0.2 Рис. 6. Профили концентрации взвешенных (1–6) и осажденных (7, 8) частиц: 1, 2, 4, 7 – ā = −1, 3, 5, 6, 8 – ā = −0.1, 1, 4 – t̄ = 0.1, 2, 5 – t̄ = 0.5, 3, 6 – t̄ = 1 При обосновании гидравлических и надежно- стных характеристик дренажа большое значение приобретает установление объемов поступления в него твердого вещества. Знание же динамики этого процесса не столь важно вследствие суще- ственного различия характерных времен суффо- зионного и осушительного процессов [17]. Высо- кая скорость фильтрационных деформаций дает право при решении прикладных задач дренажа полагать, что весь возможный в данных услови- ях объем частиц W̄ привносится в дрену мгно- венно или в течение очень ограниченного време- ни. Представление же о W̄ как функции от ā при характерных значениях β дает рис. 4. Формаль- но только при ā = 0 осажденные частицы в ми- нимальном количестве локализованы на перифе- рии области деформаций. Естественно, что объем выноса для q = const оказывается наибольшим, со- ставляя 1.25 при β = 0.2. Превышение объемом W̄ единицы объясняется выбором в качестве линей- ного масштаба Ri0 = Ri(0). Поэтому при определе- нии реальных относительных объемов в качестве стандартного используется объем суффозионных частиц, первоначально находившихся в пределах слоя r̄0 ≤ r̄ ≤ 1. О значимости коэффициента ā для остаточных деформаций помимо рис. 4 также можно судить и по факту, что с уменьшением ā от 0 до -2 объем W̄ уменьшается многократно. Осаждение твердого вещества осуществляется во времени крайне неравномерно, о чем свидетель- ствует рис. 5. Сильнее неравномерность выраже- на при ā = −0.2 и несколько сглаживается по ме- ре уменьшения ā. Основная причина этого выпо- лаживания кривых при малых t̃ заключается в быстром снижении концентрации подвижных ча- стиц, которые интенсивно выносятся из грунта. Меньшие значения ā означают бо́льшую длитель- ность периода действия стока, чем и объясняется более крутой подъем кривой 4 при значениях t̃, близких к 1. При t̄ < t̄e (ā < 0) в области деформаций обязательно присутствуют подвижные частицы, т. е. существует зона массопереноса. Распределение этих частиц носит весьма сложный и динамичный характер. Профили концентрации суффозионных частиц состоят из двух частей. Удаленная от сто- ка часть формируется из осажденного вещества. Рассчитывается она по формуле (18), а положе- ние границы между участками (зонами) – согла- сно выражений (11), (16). Ближняя же часть про- филя образована мобильными частицами, количе- ство которых быстро убывает. Типичные профи- ли, определенные для ā = −0.1 и −1 на разные моменты времени, приведены на рис. 6. Кривые 7, 8 описывают распределение осажденных частиц, остальные – подвижных. Уменьшение ā ведет к усилению кривизны профилей и удаление частиц ощутимо затрудняется. Отличительной особенностью деформирования грунта в случае усиления действия стока (ā > 0) является его односторонний характер. До тех пор, пока интенсивность q растет, – нет условий для им- мобилизации подвижных частиц, хотя кратковре- менное взвешивание (фактическое изменение ме- 50 В. Л. Поляков ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? –?? Рис. 7. Профили концентрации взвешенных частиц: 1 – t̃ = 1.1, 2 – t̃ = 1.5, 3 – t̃ = 2 Рис. 8. Профили концентрации взвешенных частиц: 1 – ā = 2, 2 – ā = 1, 3 – ā = 0.5 ханического состояния частей) без перемещения в пределах движущейся зоны частичной деформа- ции имеет место. Типичные профили концентра- ции взвешенных (подвижных и неподвижных) ча- стиц, полученные с помощью автомодельного ре- шения, даны на рис. 7, 8. Чтобы проследить за развитием суффозионного процесса, рассчитаны указанные профили при ā = 2 на моменты вре- мени, соответствующие t̃ = 1.1 (t̄ = 0.05), t̃ = 1.5 Рис. 9. Графики изменения входного потока взвешенных частиц со временем: 1 – ā = 2, 2 – ā = 1, 3 – ā = 0.5 (t̄ = 0.25) и t̃ = 2 (t̄ = 0.5) (рис. 7). Для оценки же влияния быстроты изменения q аналогичные профили построены (рис. 8) при фиксированном t̄ и дискретно меняющемся ā (0.2, 0.5, 1, 1.5). При- нятому значению t̄ соответствуют следующие зна- чения t̃ – 1.2, 1.5, 2, 2.5. Подобное взаимное ра- сположение профилей n̄c(r̄) объясняется тем, что при малых ā фильтрационные деформации захва- тывают меньший объем грунта, но зато они носят более глубокий характер. Автомодельность выра- жается в совпадении значений n̄c при неизменном ā и одних и тех же отношениях r̄/t̃ (рис. 7). Вли- яние же коэффициента ā на суффозионный про- цесс проявляется через размеры области деформа- ций, поле концентраций и интенсивность выноса неструктурных частиц. Если об изменчивости пер- вых двух показателей можно судить по рис. 8, то поведение I0(t̃) при разных ā отображено на рис. 9. Усиленный рост скорости приточности принци- пиально меняет ситуацию с выносом – величина I0 со временем теперь увеличивается. К этому следу- ет добавить, что в начальный период суффозион- ного процесса интенсивность I0 заметно занижена в силу специфического вида начального профи- ля n̄0 c(r̄). Последний свидетельствует, во-первых, о неравномерном исходном распределении суффо- зионных частиц в недеформированном грунте, во- вторых, о меньшем в целом их исходном содер- жании. Имеющий место таким образом дефицит указанных частиц можно трактовать как резуль- тат предшествовавшего ускоренного их сброса из В. Л. Поляков 51 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 4. С. ?? – ?? придренного участка грунта. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Дренажи, которые широко используются для регулирования водного режима земель различно- го назначения, редко работают в стабильных усло- виях. Поэтому дренажному расходу свойственна высокая изменчивость. В обоих фазах (спада и роста) изменение расхода со временем хорошо ап- проксимируется линейной функцией. В несвязных грунтах дренажи инициируют мобилизацию мел- ких частиц. При работе в качестве стоков (осуши- телей) они способствуют удалению из среды под- час весьма значительного количества твердого ве- щества. Тем самым создается опасность заиления как самих водоприемников, так и водоотводящих сетей на дренажных системах. При снижении ин- тенсивности стока q суффозионный процесс со- провождается механической кольматацией грунта (осаждением частиц). Если указанная интенсив- ность снижается быстро, то значительная часть мобилизованной суффозионной компоненты оста- ется в области деформаций, снижая вероятность выхода дренажа из строя. С увеличением q данная область расширяется и все новые неструктурные частицы вовлекаются в суффозионный процесс. Осаждение частиц при этом отсутствует. Опреде- ляющую роль теперь играет зона полной дефор- мации, а вторая характерная зона в силу своей малости – лишь второстепенную. В целом и дина- мика фильтрационных деформаций, и конечный их результат (распределение осажденных частиц) существенно зависят от скорости изменения q и в меньшей мере – от исходного содержания суффо- зионных частиц. Поэтому существующие методы обоснования параметров дренажей, предназначен- ных для осушения переувлажненных земель, бо- рьбы с подтоплением территорий, применительно к грунтам, которые предрасположены к фильтра- ционным деформациям, нуждаются в совершен- ствовании с учетом особенностей формирования фильтрационного режима в динамичных услови- ях и в том числе закономерностей, установленных в данной работе. 1. Шкинкис Ц.Н. Гидрологическое действие дренажа.– Л.: Гидрометеоиздат, 1981.– 311 с. 2. Штыков В.И., Гордиенко С.Г. Бесполостной дре- наж: гидравлическое обоснование, расчет и эффе- ктивность действия.– C-Петербург: Издательство ГНЦ “СевНИИГиМ”, 1997.– 224 с. 3. Эггельсман Р. Руководство по дренажу.– М.: Ко- лос, 1984.– 247 с. 4. Ивицкий А.И. Основы проектирования и расчетов осушительных и осушительно- увлажнительных систем.– Минск: Наука и техника, 1988.– 311 с. 5. Шебеко В.Ф., Закржевский П.И., Брагилев- ская Э.А. Гидрологические расчеты при проектировании осушительных и осушительно- увлажнительных систем.– Л.: Гидрометеоиздат, 1980.– 312 с. 6. Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н., Дмитриев Д.А. Деформационные процессы в несвязных грун- тах в придренной зоне и их влияние на рабо- ту осушительно-увлажнительных систем.– Ровно: Издательство РГТУ, 2002.– 145 с. 7. Поляков В.Л. Механическая суффозия в дрениру- емом грунте // Прикладна гiдромеханiка.– 2002.– 4, N 4.– С. 60–73. 8. Бабiй А.I. Дослiдження суфозiйних процесiв у дре- нуючий областi залежно вiд градiєнтiв фiльтра- цiї // Мелiорацiя i водне господарство.– 1994.– 80.– С. 17–83. 9. Дмитрiєв Д.А. Про вплив градiєнта напору на ко- ефiцiєнт фiльтрацiї незв’язних грунтiв // Вiсник Укр. держ. акад. водн. госп-ва. – Рiвне: УДАВГ.– 1998.– 4, N 2.– С. 23–27. 10. Ojha C.S.P., Singh V.P., Adrian D.D. Determination of critical head in soil piping // J.Hydraul. Eng.– 129, №7, 2003.– P. 511–518. 11. Willardson L.S., Walker R.E. Synthetic drain envelope-soil interactions // J.Irrig. and Drain. Div., ASCE.– V. 105, №4, 1979.– P. 367–373. 12. Капранов Ю.И. Структурная модель процесса ме- ханической кольматации пористой среды // Дина- мика сплошной среды: Сб.науч.тр. / АН СССР, Сиб. отд-ие, Ин-т гидродинамики .– 1989.– 90.– С. 27–39. 13. Кремез В.С. Моделирование влияния кольматации грунта на уровень грунтовых вод при фильтрации из водохранилищ // Гидравлика и гидротехника.– 1999.– 60.– С. 67–71. 14. Поляков В.Л. Промачивание суффозионных грун- тов. II. Слой кольматажа - предпосылки и фор- мирование // Прикладна гiдромеханiка.– 2004.– 6, N 1.– С. 25–35. 15. Поляков В.Л. О фильтрационных деформациях грунта с образованием аккумулирующих зон // Прикладна гiдромеханiка.– 2003.– 5, N 2.– С. 45– 56. 16. Поляков В.Л., Сидор В.Б. Внешняя суффозия в несвязных грунтах при радиальной фильтрации // Прикладна гiдромеханiка.– 2004.– 6, N 4.– С. 68– 77. 17. Сидор В.Б. Порiвняльний аналiз значущостi су- фозiйного та фiльтрацiйного процесiв при фун- кцiонуваннi рiзних типiв дренажiв // Пробле- ми водопостачання, водовiдведення та гiдравлiки. - К.: КНУБА.– 2005.– 5.– С. 120–128. 52 В. Л. Поляков
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4768
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1561-9087
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:30:08Z
publishDate 2006
publisher Інститут гідромеханіки НАН України
record_format dspace
spelling Поляков, В.Л.
2009-12-23T09:23:01Z
2009-12-23T09:23:01Z
2006
О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности / В.Л. Поляков // Прикладна гідромеханіка. — 2006. — Т. 8, № 4. — С. 43-52. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
1561-9087
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4768
581.1:631.4
Получено эффективное аналитическое решение осесимметричной задачи внешней суффозии при изменяющейся по линейному закону интенсивности стока q(t). Отдельно рассмотрены случаи убывания и нарастания притока суспензии к дрене. При уменьшении q суффозионный процесс сопровождается кольматационным, что может приводить к задержке в области деформаций существенного количества неструктурных частиц. Построены близкие к точным зависимости для концентрации осажденных и взвешенных частиц. Обоснована частичная линеаризация исходного уравнения фильтрационных деформаций. Выполнен обстоятельный анализ физико-механических характеристик при изменении q и начального содержания однородной суффозионной компоненты в широких пределах.
Одержано ефективний аналiтичний розв'язок вiсесиметричної задачi зовнiшньої суфозiї при iнтенсивностi стоку q(t), що змiнюється згiдно лiнiйного закону. Окремо розглянутi випадки зниження i зростання притоку суспензiї до дрени. При зменшеннi q суфозiйний процес супроводжується кольматацiйним, що може призвести до затримки в областi деформацiй суттєвої кiлькостi неструктурних часток. Побудовани близькi до точних залежностi для концентрацiї iммобiлiзованих i завислих часток. Обгрунтована частинна лiнеарiзацiя вихiдного рiвняння фiльтрацiйних деформацiй. Виконаний грунтовний аналiз фiзико-механiчних характеристик при змiнi q i початкового вмiсту однородної суфозiйної компоненти у широких межах.
An effective analytical solution is found of the axisymmetric problem of external mechanical piping at a sink intensity q(t) which varies according to a linear law. The cases of the above intensity decrease and increase are considered separately. When lowering q, the piping process is accompanied by the colmatage one what can cause a delay of rather substantial amount of non-structural particles within the deformation domain. Almost exact dependences are constructed for the concentration of the deposited particles and suspended matter. A partial linearization of the initial equation of filtration deformation is ground. Thorough analysis is performed of physico-chemical characteristics when varying q and initial content of uniform non-structural component within a wide range.
ru
Інститут гідромеханіки НАН України
О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
On mechanical ground suffosion under the action of cylindrical sink of variable intensity
Article
published earlier
spellingShingle О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
Поляков, В.Л.
title О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
title_alt On mechanical ground suffosion under the action of cylindrical sink of variable intensity
title_full О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
title_fullStr О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
title_full_unstemmed О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
title_short О механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
title_sort о механической суффозии грунтов под действием цилиндрического стока переменной интенсивности
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4768
work_keys_str_mv AT polâkovvl omehaničeskoisuffoziigruntovpoddeistviemcilindričeskogostokaperemennoiintensivnosti
AT polâkovvl onmechanicalgroundsuffosionundertheactionofcylindricalsinkofvariableintensity