СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТЕРМОЭРОЗИОННОГО РАЗМЫВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
METHOD OF MODELLING HORIZONTAL THERMOEROSIONAL WASHOUT OF FROZEN SOILS

Изобретение относится к промышленному или гражданскому строительству, в частности к определению устойчивости мерзлых грунтов, и может быть использовано при строительстве нефте- и газопроводов для установления степени устойчивости грунтов к термоэрозионному размыву.
С физической точки зрения термоэрозия представляет совокупность взаимосвязанных процессов гидродинамики (движение воды по склону), теплофизики (теплоперенос между водным потоком и грунтом) и механики (изменение прочностных свойств грунтов, смыв частиц грунта и эрозия поверхности). Поэтому моделирование термоэрозионного размыва мерзлых грунтов на экспериментальном стенде предполагает на основе прямых и косвенных измерений определение совокупности параметров (показателей), характеризующих вышеуказанные процессы: глубина и интенсивность размыва, противоэрозионная устойчивость грунта, механическая и тепловая энергии потока воды, тепловой поток за счет диссипации механической энергии, коэффициент теплообмена между потоком воды и грунтом.
Известен способ определения степени морозного пучения грунта (патент РФ 2281995, опубл. 20.08.2006), характеризующийся тем, что испытуемый грунт помещают в устройство для определения величины морозного пучения от давления, размещенное в холодильной камере, где промораживание проводят при заданной скорости. Известный способ позволяет определить степень морозного пучения в зависимости от давления фундамента на грунт не только при давлениях до 50 кПа, но и при любых давлениях свыше 50 кПа, которые, как правило, чаще встречаются при проектировании фундаментов в промышленном и гражданском строительстве. Недостатком данного способа является то, что исследование промороженного грунта не позволяют оценить устойчивость грунтов к термоэрозионному размыву.
Известно устройство для определения величины морозного пучения (патент РФ 25518, опубл. 10.10.2002), включающее поддон с водой для установки образцов с грунтом, цилиндрические формы из колец, штампы, мессуры с ножками на штативах, сосуд с водой, соединенный с поддоном, теплоизоляцию между образцами и стенкой холодильника, и с целью повышения точности определения морозного пучения от давления в малогабаритных холодильных камерах заводского изготовления высота образцов увеличена до 140 мм, на нижнем кольце образцов установлены термопары, предусмотрены пригрузки на части образцов из металлических штампов с давлением 20 и 50 кПа и на одном из образцов жестко закреплен на двух болтах к поддону динамометр. Использование устройства позволяет проводить испытания образцов под нагрузками. Недостатком устройства является невозможность моделирования условий термоэрозионного размыва грунтов.
Известно автономное устройство для испытания грунта на морозоустойчивость (заявка на изобретение 2006111331, опубл. 20.10.2007), содержащее корпус с внутренней изоляцией, снабженное емкостью с рабочей жидкостью и крышкой в виде пластины из теплоизоляционного материала с теплопроводностью, меньшей теплопроводности испытываемых образцов, и отверстиями в ней для размещения стаканов с перфорированным днищем, стакан с образцом для визуального определения глубины промораживания испытываемого материала, индикаторы для измерения деформации морозного пучения, в крышке дополнительно выполнена полость, имеющая заглушку с теплоизоляцией, стойки, фиксирующие положение крышки по отношению горизонта воды в емкости, решетка, прикрепленная к крышке.
При использовании известного устройства невозможно определить параметры термоэрозионного размыва и смоделировать сам термоэрозионный размыв.
Известен способ определения устойчивости почвогрунтов к водной эрозии (а.с. 352216, опубл. 21.11.1972), включающий размыв ненарушенного образца грунта по его оси до сквозного размыва и определение показателя устойчивости грунта к водной эрозии. Однако этот способ не позволяет смоделировать горизонтальный термоэрозионный размыв грунтов криолитозоны и не предусматривает моделирование грунта с заданными параметрами и температурой замораживания, т.е. прогнозирования ситуаций с мерзлыми грунтами в условиях вечной мерзлоты при использовании этого способа невозможно.
Наиболее близким по технической сущности является методика и устройство для исследования закономерностей и механизма термоэрозии грунтов (Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Лобастова С.А., Хабибуллин И.Л. Экологические основы землепользования при освоении и разработке газовых и газоконденсатных месторождений крайнего Севера. - М.: Недра, 2000. - с.136-139). Методика включает предварительное насыщение образца грунта водой, замораживание образца, размещенного в металлической кювете, при фиксированной температуре, нанесение на образец исходного русла, размещение кюветы под определенным углом под водоподающее устройство. Затем из водоподающего устройства в кювету подается вода с заданным расходом и проводятся замеры глубины размыва за определенные промежутки времени. В конечном итоге определяется интенсивность размыва в зависимости от времени.
При использовании известной методики возможно определение лишь части параметров, характеризующих состояние грунтов, подвергающихся термоэрозии. Кроме того, размещение кюветы с образцом грунта хотя и обеспечивает постоянство температуры среды во время проведения испытаний, но в то же время при открывании холодильника для проведения манипуляций условия среды резко меняются, что существенно влияет на точность замеров. Холодильная камера также искажает температурные характеристики подаваемой и вытесняемой из грунта воды, что также влияет на точность замеров. В целом, известное устройство является громоздким и непроизводительным, не обеспечивает проведение большого количества испытаний и не позволяет моделировать условия внешней среды.
Техническим результатом изобретения является создание способа моделирования термоэрозионного размыва мерзлых грунтов в процессе их протаивания, обеспечивающего определение совокупности параметров, характеризующих процесс термоэрозии грунтов под воздействием водного потока.
Технический результат достигается тем, что в способе моделирования горизонтального термоэрозионного размыва мерзлых грунтов, включающем предварительное размещение образца грунта в кювету, насыщение образца грунта водой до заданной влажности, нанесение на поверхность образца ложбины стока определенной ширины и промораживание образца грунта в кювете с закрытой крышкой в холодильной камере до заданной температуры не менее суток, до стабилизации в грунте температурного поля, установку кюветы с подготовленным образцом грунта открытым сектором под водоподающее устройство под углом, в зависимости от заданных параметров моделирования, и размыв образца грунта водотоком, согласно изобретению ширина ложбины стока, температура воды и расход водотока, с целью возможности осуществления моделирования внешних условий, являются регулируемыми, при этом проводятся измерения прямых показателей - глубина протаивания и размыва грунта, температура воды, ширина и глубина потока воды за выбранный интервал времени, на основе которых определяются косвенные параметры термоэрозионного размыва: интенсивность размыва, противоэрозионная устойчивость грунта, механическая энергия потока воды, тепловая энергия потока воды, тепловой поток, расходуемый на плавление мерзлого грунта, тепловой поток за счет диссипации механической энергии, коэффициент теплообмена между потоком воды и мерзлым грунтом.
Стенд для осуществления заявляемого способа содержит кювету со съемной крышкой, водоподающее устройство, термостат, отстойник пылеватой составляющей грунта, при этом дополнительно содержит приемник вытесненного грунта с ситом, водоподающее устройство дополнительно содержит кран, кювета выполнена двухстенной, содержащий теплоизолирующий материал в простенках, имеет подвижный экран, расположенный в одной из вертикальных стенок кюветы, термостат выполнен как с возможностью подогрева, так и охлаждения подаваемой воды, стенд помещается в прозрачный бокс, передняя стенка которого снабжена рукавами, при этом бокс снабжен регулируемым источником температуры внешней среды.
На фиг.1 представлена схема стенда для реализации предлагаемого способа. Кювета 1 с целью ограничения теплового воздействия окружающей среды на мерзлый грунт 2 выполнена двустенной, снабжена подвижным экраном 1а, расположенным в одной из вертикальных стенок кюветы. В пространстве между стенками размещается теплоизолирующий материал 16. Температура воды, подаваемой на размыв, регулируется в термостате 3, причем термостат выполнен как с возможностью подогрева, так и охлаждения воды. С целью управления механической энергией водотока водоподающее устройство 4 выполнено с возможностью регулирования угла подачи воды, обеспечиваемого краном 5, что позволяет задавать расход потока воды и начальную скорость водотока. Приемник 6 обеспечивает накопление вынесенного грунта и дополнительно снабжен ситом 6а, диаметр отверстий которого не превышает 0,25 мм. Отстойник пылеватой составляющей грунта 7 обеспечивает сбор вынесенной воды и пылеватой составляющей грунта. Для исключения воздействия окружающей среды стенд помещается в прозрачный бокс 8, передняя стенка которого снабжена рукавами, обеспечивающими проведение необходимых манипуляций и замеров. Также бокс снабжен регулируемым источником температуры внешней среды (например, кондиционером с нагреванием и охлаждением температуры), позволяющим моделировать температурные условия внешней среды (температура и инсоляция).
Заявляемый способ осуществляется в следующей последовательности (рис.2). Блок подготовки грунта: образец грунта помещается в кювету, насыщается водой до заданной влажности, в образце прокладывается ложбина стока и промораживается в холодильной камере не менее суток, до стабилизации в грунте температурного поля. Предварительно определяются исходные параметры грунта: плотность сухого грунта (минеральных частиц грунта), пористость и водонасыщенность по ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». Также исходными параметрами являются начальная температура образцов мерзлого грунта и льдистость.
Кювета с подготовленным мерзлым грунтом устанавливается открытым сектором с углом наклона, имитирующим склон, под водоподающее устройство, откуда поступает струя воды для размыва грунта.
Блок управления механической энергией водотока регулирует расход воды (и задает начальную величину механической энергии потока). Блок управления теплосодержания воды регулирует температуру воды и тепловую энергию водотока.
ВХОД. Вода с заданным водотоком постоянного расхода Q и заданной температурой T поступает в кювету - камеру для испытаний мерзлых грунтов на термоэрозионный размыв. В процессе протаивания и размыва грунта, через заданный интервал времени, фиксируются (например, штангенциркулем, специальным щупом или др.) глубина протаивания и глубина размыва грунта, а также ширина и глубина потока воды. В камере испытаний мерзлых грунтов на термоэрозионный размыв на основе прямых измерений определяются косвенные показатели термоэрозионного размыва: интенсивность размыва, противоэрозионная устойчивость грунта, механическая энергия потока воды, тепловая энергия потока воды, тепловой поток, расходуемый на плавление мерзлого грунта, тепловой поток за счет диссипации механической энергии, коэффициент теплообмена между потоком воды и мерзлым грунтом по формулам:
<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>с</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1. Интенсивность размыва:
, где Δl глубина размыва за интервал времени Δt.
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub><mfrac><mrow><msup><mi>Q</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup><mi>J</mi></mrow></mfrac></mrow>
В
3
3
2
2. Противоэрозионная устойчивость грунта (H):
, где ρ- плотность воды, (кг/м), Q - расход воды (м/с), S - поперечное сечение потока воды (м), S=hb, где h - глубина потока воды (м), b - ширина потока воды (м).
2
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>ρ</mi><mi>В</mi></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>Q</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup></mrow>
3. Механическая энергия потока воды (Дж/мс):
.
men
B
B
B
Ф
B
B
ф
4. Тепловая энергия потока воды E=ρC(T-Т)Q, где C - удельная теплоемкость воды, T - температура воды, определяемая как среднеарифметическая температура на входе и выходе, Т=273 K.
2
5. Тепловой поток, расходуемый на плавление мерзлого фунта (Вт/м):
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mi>G</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>Л</mi></msub><mi>L</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
л
, где G - льдистость грунта, ρ - плотность льда, L - удельная теплота плавления льда.
2
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>Д</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>B</mi></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>Q</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msqrt><mi>q</mi></msqrt></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
6. Тепловой поток за счет диссипации механической энергии (Дж/мс):
, где q - ускорение свободного падения, с - коэффициент шероховатости определяется по виду ложа водотока из гидравлических справочников.
2
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>J</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Л</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>G</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>B</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>Ф</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
7. Коэффициент теплообмена между потоком воды и мерзлым грунтом (Вт/м·К):
.
ВЫХОД. На выходе из камеры электронным термометром фиксируется температура воды. В приемнике вынесенного грунта фиксируется масса вынесенного грунта. В отстойнике пылеватой составляющей грунта определяется добавочная масса грунта и объем израсходованной воды за время испытания. По окончании испытания грунт высушивается и взвешивается.
Блок определения интегральных параметров включает конечное измерение глубины и ширины размыва, объема вытесненной воды, массы вытесненного грунта. Эти параметры позволяют оценить интегральные характеристики термоэрозионного размыва мерзлых грунтов: объем и форму промоины, мутность потока воды.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Для проведения испытаний были выбраны мелкие пылеватые пески криолитозоны, широко распространенные на территории северных месторождений, например на территории Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения.
В таблице приведены свойства дисперсной среды - мелкого пылеватого песка криолитозоны. Гранулометрический состав песка определялся с помощью механического анализа грунта ситовым методом.
Свойства дисперсной среды - мелкого пылеватого песка криолитозоны.
Гранулометрический состав
Пористость
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
1-0.5 мм
0.4%
0,5-0,25 мм
69.4%
0,616
1361
0,25-<мм
33.6%
На электронных весах взвешивался образец грунта 1000 г и помещался в кювету, после чего образец насыщался водой для льдистости G=10%. Для равномерного насыщения водой грунт в кювете перемешивался. Металлическим штампом прокладывалась начальная ложбина стока определенной ширины. Далее образец помещался в холодильную камеру для замораживания при температуре -18,6°C и находился там не менее суток, пока температурное поле грунта стабилизировалось.
Кювета устанавливалась открытым сектором под водоподающее устройство под углом 15° к горизонтальной поверхности, имитирующим угол склона. Подвижный экран кюветы устанавливался в верхнее положение для обеспечения слива воды и выноса грунта в приемник. Из термостата по водоподающему устройству поступала струя воды для размыва грунта. В процессе размыва грунта штангенциркулем фиксировалась глубина протаивания и размыва образца. Время протаивания и размыва фиксировалось секундомером. На выходе электронным термометром фиксировалось изменение температуры воды. Далее вода с грунтом поступала в приемник и отстойник.
Таким же образом моделировался термоэрозионный размыв для льдистости 15%, 20%.
Каждый эксперимент проведен с тремя повторностями. Относительная погрешность в среднем составила ~2%, максимальная - 3,9%. Абсолютная погрешность измерения глубины размыва составляла 0,5 мм.
Параметры моделирования термоэрозии приведены в табл.1, 2.
Таким образом, предлагаемый способ моделирования горизонтального термоэрозионного размыва мерзлых грунтов и стенд для его реализации позволят обеспечить определение устойчивости мерзлых грунтов к термоэрозии при термоэрозионном разрушении мерзлых грунтов водными потоками. Кроме того, заявляемый способ и стенд позволяют проводить энергетические исследования процесса термоэрозии, также исследование взаимосвязи термоэрозии и температурного поля мерзлого грунта в широком диапазоне внешних и внутренних факторов среды, при этом регулируемыми являются воздействие механической энергии водотока на грунт, воздействие дополнительной энергии водотока - тепловой энергии или теплосодержания, что позволяет определить параметрические характеристики устойчивости к размыву мерзлых дисперсных грунтов криолитозоны.
Таблица 1
Моделирование термоэрозии с учетом диссипации механической энергии
№ серии
G льдистость,%
Температура воды, К
Дисперсный грунт
Расход Qвх. 10<sup>-6</sup>, м<sup>3</sup>/с
Время опыта, с
Расход Qвых.
Tвх.
Твых.
ΔT
M<sub>0</sub> сух. гр, г
Δm вынесенного грунта, 10<sup>-3</sup> кг
10<sup>-6</sup> м<sup>3</sup>/с
1
20
273
273,9
-0,9
76
360
0,97
274,0
-1
27
0,88
360
0,94
273,5
-0,5
50
360
1.08
2
20
273
273,7
-0,7
32
360
1.66
273,3
-0,3
1000
26
3,13
360
2,08
273,5
-0,5
40
360
1,88
3
20
273
273,7
-0,7
120
360
4,53
273,4
-0,4
114
4,87
360
4,5
273,4
-0,4
121
360
4,08
Таблица 2
Моделирование термоэрозии с учетом диссипации механической энергии
№ серии
G льдистость,%
Температура воды, К
Дисперсный грунт
Расход Qвх. 10<sup>-6</sup>, м<sup>3</sup>/с
Время опыта, с
Расход Qвых.
Tвх.
Твых.
ΔT
m<sub>0</sub> сух. гр, г
Δm вынесенного грунта, 10<sup>-3</sup> кг
10<sup>-6</sup> м<sup>3</sup>/с
1
20
273
273,9
-0,9
76
360
0,97
274,0
-1
27
0,88
360
0,94
273,5
-0,5
50
360
1,08
2
20
273
273,7
-0,7
32
360
1,66
273,3
-0,3
1000
26
3,13
360
2,08
273,5
-0,5
40
360
1,88
3
20
273
273,7
-0,7
120
360
4,53
273,4
-0,4
114
4,87
360
4,5
273,4
-0,4
121
360
4,08