Определение фильтрационных параметров дренирующих подсыпок лабораторными методами

й01: 10.24411/0235-2451-2019-10414 УДК 628.16.067.1:628.257.5

Определение фильтрационных параметров дренирующих подсыпок лабораторными методами

Ю. В. КОРЧЕВСКАЯ, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент И. Г. УШАКОВА, кандидат географических наук, доцент

И. А. ТРОЦЕНКО, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент (e-mail: ia.trotsenko@omgau.org) Г. А. ГОРЕЛКИНА, старший преподаватель

Омский государственный аграрный университет имени П. А. Столыпина, Институтская пл., 1, Омск, 644008, Российская Федерация

Резюме. Подтопление сельскохозяйственных территорий негативно влияет на плодородие почв, режимы формирования фитомассы и продуктивности естественных фитоценозов. Исследования проводили с целью сравнения результатов использования различных методик, предназначенных для определения коэффициента фильтрации подсыпок, необходимого при разработке инженерной защиты от подтопления на мелиорируемых землях. Радиальную безнапорную фильтрацию моделировали в лотке в виде сегмента окружности. Коэффициенты фильтрации, рассчитанные по методике Корчевской, а также по другим известным эмпирическим формулам (Замарина, Хазена, Козени, Зауербрея, Цункера, Слихтера, Терцаги и Крюгера) сравнивали с результатами определения в трубке Каменского, которые принимали за эталонные. Опыты проводили с образцами песка с левобережья и правобережья реки Иртыш в районе г. Омск. Количество повторений - не менее 30. Для учета капиллярных свойств дренирующих подсыпок определяли высоту капиллярного поднятия (h) воды. Наибольшее схождение с экспериментальными данными обеспечило применение методики Корчевской. Более близкие к экспериментальным коэффициенты фильтрации под-сыпок в ходе инженерных изысканий можно определить при уровне воды в шурфе Ht=0,05 м с учетом капиллярности hк. Ключевые слова: инженерная защита от подтопления, фильтрационные параметры подсыпок, коэффициент фильтрации, высота капиллярного поднятия, подтопление, недостаток насыщения. Для цитирования: Определение фильтрационных параметров дренирующих подсыпок лабораторными методами / Ю. В. Корчевская, И. Г. Ушакова, И. А. Троценко и др. // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 4. С. 57-59. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10414.

Подтопление - один из наиболее распространенных процессов, последствия которого могут вызывать чрезвычайные ситуации, отрицательно влияющие на здоровье людей и окружающую среду, а также наносить огромный ущерб сельскому хозяйству. На сельскохозяйственных угодьях оно негативно влияет на плодородие почвы, режимы формирования фитомассы и продуктивности естественных фитоценозов.

Для решения этой проблемы в ходе изысканий необходимо знать фильтрационные параметры грунтов, в частности, дренирующих подсыпок на мелиорируемых землях. При этом достаточно простая стандартная методика их определения отсутствует, что обусловило актуальность наших исследований.

От качества определения фильтрационных параметров грунтов зависит дальнейшая работа сооружений и устройств инженерной защиты от подтопления. Причины низкой точности исходных данных чаще всего могут быть связаны с методами их расчета и измерения [1, 2, 3].

Для проектирования и строительства инженерной защиты от подтопления среди исходных данных для создания дренажных и водопонизительных систем необходимо знание величины таких фильтрационных

параметров, как коэффициент фильтрации и недостаток насыщения (водоотдачи) [4].

Определение всех фильтрационных параметров возможно полевыми и лабораторными методами, а также по расчетным формулам. Выбор метода зависит от условий применения, то есть от типа грунта и гидрогеологических условий залеганий грунтов (выше или ниже уровня грунтовых вод или кровли напорного пласта). Один из основных методов полевых испытаний при залегании выше уровня грунтовых вод или кровли напорного пласта - налив воды в шурф. Сегодня это наиболее распространенный способ оценки проницаемости пород в зоне аэрации.

Цель исследований - сравнить результаты использования различных методик, предназначенных для определения коэффициентов фильтрации и недостатка насыщения (водоотдачи) подсыпок, необходимых при разработке инженерной защиты от подтопления на мелиорируемых землях.

Условия, материалы и методы. В работе анализировали величины показателей, установленных при радиальном наливе, так как они более актуальны для проведения изысканий.

Радиальную безнапорную фильтрацию моделировали с использованием лотка в виде сегмента окружности [5]. Он состоит из металлического каркаса и органического стекла и включает три отсека: для фильтрующей жидкости, для песка и для профильтровав-

21_

П

2

Рис. 1. Трубка Г. Н. Каменского: 1 - штатив лабораторный; 2 - держатель штатива; 3 - трубка Г.Н. Каменского; 4 - вода для фильтрации; 5 - геотекстильная ткань для удержания исследуемого песка; 6 - исследуемый песок; 7 - ванночка для сбора профильтровавшейся воды.

Рис. 2. Сравнение данных по определению коэффициента фильтрации при радиальном наливе: а) для песка правобережья г. Омска, б) для песка левобережья г. Омска: —♦--к, определенный в трубке Г. Н. Каменского, м/сут.; .........- к, при

Ht= 0,075 м без учета hk, м/сут.;------к, при Ht = 0,075 м с учетом hk, м/сут.;--к, при Ht = 0,05 м без учета hk, м/сут.;

---к, при Ht = 0,05 м с учетом hk, м/сут.

шейся жидкости. Опыты проводили с образцами песка с левобережья и правобережья реки Иртыш в районе г. Омска. Количество повторений - не менее 30.

Для учета капиллярных свойств дренирующих подсы-пок определяли высоту капиллярного поднятия воды. Величину этого показателя в дальнейшем использовали при расчете фильтрационных параметров [5, 6].

Согласно методике Ю. В. Корчевской [6] при определении радиальной фильтрации необходимо налить воду в скважину, измерить ее уровень (Н1=0,075 м или Н1=0,05 м) и время, за которое он изменится. Зная эти величины, можно путем решения системы уравнений вычислить коэффициент фильтрации и недостаток насыщения без учета (1) или с учетом (2) капиллярности грунта:

Ro2in(4 +

t =

з (HJHt

kHt

Ro2in(4 +

t =

9 3(H„/H,-1) H0+hk-HJA 4 (i ' yHt+hk-HJAl kH,

где Яо - радиус шурфа, м; Но, Нг - напор начальный и конечный, м; к - коэффициент фильтрации, м/сут.; ц - недостаток насыщения (водоотдачи).

Коэффициенты фильтрации, рассчитанные по зависимостям (1) и (2), а также по другим известным эмпирическим формулам (Замарина, Хазена, Козени, Зауербрея, Цункера, Слихтера, Терцаги и Крюгера) сравнивали с результатами измерения в трубке Каменского (рис. 1), которые принимали за эталонные [6].

Результаты и обсуждение. Коэффициенты, определенные по методике Ю. В. Корчевской, обеспечили более близкое схождение с экспериментальными данными, тогда как найденные по другим эмпирическим формулам были либо заниженными, либо завышенными (см. табл.).

При исследовании песка с правобережья р. Иртыш, расхождения коэффициента фильтрации при использовании методики Корчевской достигали 40 м/сут. (рис. 2). Так, в варианте с расчетом при уровне воды в шурфе Н=0,05 м без учета и с учетом капиллярности каймы его отклонение от величины, полученной в трубке Каменского, составляло 30 и 10 м/сут. соответственно. Наиболее близкое схождение для этого образца обеспечил расчет при уровне воды в шурфе Н =0,075 м без учета капиллярности Ак.

При определении коэффициентов фильтрации при радиальном наливе по методике Ю. В. Корчевской для песка левобережья р. Иртыш г. Омска значительно завышенные, по сравнению с экспериментальными, результаты получены при уровне воды в шурфе Н =0,05 м и Н =0,075 м без учета капиллярности - в 10 и 5 раз соответственно. Более близкие результаты отмечены в случае расчета при уровне воды в шурфе Н=0,05 м с учетом капиллярности Этот же вариант обеспечил лучшие результаты в среднем для двух образцов.

Таблица. Усредненные коэффициенты фильтрации песка, установленные с использованием различных методик

Способ определения

Коэффициент фильтрации, м/сут.

левобережье г. Омска

правобережье г. Омска

В трубке Каменского (эталон) По методике Ю. В. Корчевской (при радиальном наливе): с учетом капиллярности без учета капиллярности По формуле Крюгера По формуле Замарина По формуле Хазена: С10 по кривой неоднородности С10 по формуле Н. В. Коломенского

По формуле Слихтера: С10 по кривой неоднородности С10 по формуле Н. В. Коломенского

По формуле Козени: с110 по кривой неоднородности С10 по формуле Н. В. Коломенского

По формуле Терцаги: С10 по кривой неоднородности С10 по формуле Н. В. Коломенского

По формуле Зауербрея По формуле Цункера_

3,39

19,01

2,07 12,05

11,53 19,80

166,60 233,69

18,15 28,96

11,70 22,65

11,56 19,36

3,55 10,46

3,50 8,94

5,82 17,25

4,05 14,75

1,84 4,48

1,82 3,83

16,33 41,46

12,74 22,63

Выводы. Для расчета фильтрационных параметров дренирующих подсыпок городских и мелиорируемых территорий целесообразно использовать методику Ю. В. Корчевской. Более близкие к экспериментальным коэффициенты фильтрации подсыпок в ходе инженерных

изысканий можно определить при уровне воды в шурфе Н=0,05 м с учетом капиллярности

Полученные в результате исследований аналитические зависимости позволяют при достаточно несложных

опытно-фильтрационных изысканиях в виде наливов воды в дренирующие подсыпки определять параметры, необходимые для прогнозных оценок подтопления земель различного назначения на мелиорируемых территориях.

ФИЛИППОВ АЛЕКСЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ 04.05.1936 - 29.04.2019

Филиппов Алексей Васильевич, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела болезней картофеля и овощных культур работал во ВНИИФ с его основания и был одним из старейших сотрудников института.

За годы работы он прошел все этапы научной карьеры - от старшего лаборанта до ведущего научного сотрудника. В 1967 г. защитил кандидатскую диссертацию. С 1977 по 2006 гг. был заведующим одного из ведущих подразделений института - лаборатории болезней картофеля и овощных культур. Он приложил большие усилия к созданию трудоспособного творческого коллектива лаборатории и щедро делился своими знаниями и профессиональными наработками с молодыми сотрудниками и аспирантами. Под его руководством были защищены 13 диссертаций, выполнен ряд российских и международных научно-исследовательских проектов, а также налажено сотрудничество со многими отечественными и зарубежными научно-исследовательскими центрами и агропромышленными компаниями. Алексей Васильевич был автором более 180 публикаций и 10 патентов, участвовал в работе многих российских и международных научных конференций.

А. В. Филиппов был признанным профессионалом высокого класса в области фитопатологии, пользовался заслуженным научным авторитетом среди отечественных и зарубежных ученых и специалистов, занимавшихся производством картофеля и борьбой с его болезнями. Он был членом Ученого и Диссертационного советов ВНИИФ и входил в редакционный совет российского фитопатологического журнала «Микология и фитопатология». Алексей Васильевич был членом Общества фитопатологов России, Potato Association of America и Европейской ассоциации по интегрированному контролю фитофтороза картофеля (EU.NET.ICP).

Алексей Васильевич Филиппов был замечательным коллегой и наставником. До последнего дня своей жизни он вел активную научную деятельность и был востребованным специалистом, регулярно приглашаемым во все уголки страны для участия в конференциях и семинарах по защите картофеля.

Коллектив ВНИИФ и редакции журнала «Достижения науки и техники АПК» выражают соболезнование родным и близким выдающегося ученого.

Литература.

1. Cerda A. Effects of rock fragment cover on soil infiltration, interrill runoff and erosion // European Journal of Soil Science. March 2001. № 52. Рр. 59-68.

2. Predicting unsaturated hydraulic conductivity of soil based on some basic soil properties / J. Zhuang, K. Nakayama, G. R. Yu, etc. // Soil & Tillage Research. 2001. № 59. Pp. 143-154.

3. Валитов Р. Г. Принципы гидроэкологического зонирования территории города Омска. Омск: ОРО РГО, 2008. 59 с.

4. Сологаев В. И., Корчевская Ю. В. Методика определения фильтрационных параметров по упрощенным формулам// Вестник СибАДИ. 2008. № 3 (9). С. 35-39.

5. Сологаев В. И., Корчевская Ю. В. Определение фильтрационных параметров методом радиального налива с учетом капиллярных свойств грунта // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений: материалы I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-26 мая 2006 г. Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. Кн. 1. С. 232-236.

6. Корчевская Ю. В. Методика определения фильтрационных параметров техногенных грунтов методом радиального налива // Информационный листок № 55-010-08 ГРНТИ 70.03.19, Омск: Омский центр научно-технической информации, 2008. 2 с.

Determination of Drainage Banking Filtration Parameters Using Laboratory Methods

Yu. V. Korchevskaya, I. G. Ushakova, I. A. Trotsenko, G. A. Gorelkina

P. A. Stolypin Omsk State Agrarian University, Institutskaya pl., 1, Omsk, 644008, Russian Federation

Abstract. The flooding of agricultural lands negatively affects the fertility of the soil, phytomass formation regimes and natural phytocenoses productivity. The research purpose was to compare the results of using various methods for determining the banking filtration coefficient required for designing the engineering protection of reclaimed lands against flooding. Radial pressureless filtration was modeled in a rocker in the form of a circle segment. The filtration coefficients calculated by Korchevskaya's method, as well as by other well-known empirical formulas (Zamarin, Hazen, Kozeny, Sauerbrey, Zunker, Slichter, Terzaghi and Kruger) were compared with the results obtained for the Kamensky tube, which were taken as a standard. The experiments were carried out on the samples of sand from the left and right banks of the Irtysh River near the city of Omsk. The number of repetitions was not less than 30. To take into account the capillary properties of the draining banking, the height of capillary rise (hk) was determined. Korchevskaya's method showed the greatest convergence with experimental data. During engineering surveys, the banking filtration coefficients closer to the experimental ones can be determined at the water level in the bore pit Ht = 0.05 m, taking into account the capillarity hc. Keywords: engineering protection against flooding; banking filtration parameters; filtration coefficient; height of capillary rise; flooding.

Author Details: Yu. V. Korchevskaya, Cand. Sc. (Agr.), assoc. prof.; I. G. Ushakova, Cand. Sc. (Geogr.), assoc. prof.; I. A. Trotsenko, Cand. Sc. (Agr.), assoc. prof. (e-mail: ia.trotsenko@omgau.org); G. A. Gorelkina, senior lecturer.

For citation: Korchevskaya Yu. V., Ushakova I. G., Trotsenko I. A., Gorelkina G. A. Determination of Drainage Banking Filtration Parameters Using Laboratory Methods. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 4. Pp. 57-59 (in Russ.). DOI: 10.24411/02352451-2019-10414.