СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТЕРМОЭРОЗИОННОГО РАЗМЫВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Полезная модель 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.
Наиболее близким по технической сущности является 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). В известном устройстве размещение кюветы с образцом грунта в холодильнике 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 полезной модели является создание стенда для моделирования горизонтального 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 стенд 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 1б. 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 проведения необходимых манипуляций и замеров. Также бокс снабжен регулируемым источником температуры внешней среды (например, кондиционером с нагреванием и охлаждением температуры), позволяющими моделировать температурные условия внешней среды (температура и инсоляция).
Устройство работает следующим образом. 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 является начальная температура образцов мерзлого грунта и льдистость.
Кювета с подготовленным мерзлым грунтом устанавливается открытым сектором с углом наклона, имитирующем склон, под водоподающее устройство, откуда поступает струя воды для размыва грунта.
Вода с заданным водотоком постоянного расхода Q и заданной температурой Т 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 так же 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:
1. Интенсивность размыва:, (м/с), где Δl глубина размыва за интервал времени Δt;
B
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
3. Механическая энергия потока воды (Дж/мc): ;
men
B
B
B
Ф
B
B
Ф
4. Тепловая энергия потока воды Е=ρC(T-T)Q, где C - удельная теплоемкость воды, T - температура воды, определяемая как среднеарифметическая температура на входе и выходе, T=273K;
2
Л
5. Тепловой поток, расходуемый на плавление мерзлого грунта (Вт/м): , где G - льдистость грунта, ρ - плотность льда, L - удельная теплота плавления льда;
2
6. Тепловой поток за счет диссипации механической энергии (Дж/мс): , где g - ускорение свободного падения, с - коэффициент шероховатости определяется по виду ложи водотока из гидравлических справочников;
2
7. Коэффициент теплообмена между потоком воды и мерзлым грунтом (Вт/м·K):.
На выходе из камеры электронным термометром фиксируется температуры 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.
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%
0,616
1361
0,5-0,25 мм
69.4%
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 водоподающе устройство под углом 15° к горизонтальной поверхности, имитирующем 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 стенд для моделирования горизонтального термоэрозионного размыва мерзлых грунтов позволяет обеспечить определение устойчивости мерзлых грунтов к термоэрозии при термоэрозионном разрушении мерзлых грунтов водными потоками. Кроме того, заявляемый стенд позволяет 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 энергия или теплосодержания, что позволяет определить параметрические характеристики устойчивости к размыву мерзлых дисперсных грунтов криолитозоны.
Таблица 1
Параметры физического моделирования термоэрозии
№ серии
G льдис тость, %
Температура воды, К
Дисперсный грунт
Расход
Время опыта,  с
Рассход Qвых 10<sup>-6</sup> м<sup>3</sup>/с
Т вх.
Твых.
ΔТ
m сух. гр, г
Δm вынесенного грунта. 10<sup>-3</sup>кг
Qвх.10<sup>-6</sup>, м<sup>3</sup>/с
1
10
278
278,2
-0,2
1000
166
3,13
300
4,17
276,1
1,9
78
300
1,67
276,6
1,4
129
300
1,37
2
15
278
277,8
0,2
75
300
1,83
278,7
-0,7
68
300
2,3
278,9
-0,9
47
300
2,17
3
20
278
278,5
-0,5
64
300
2,13
279,8
-1,8
60
300
2,2
277,4
0,6
61
300
2,17
4
10
283
281,7
1,3
130
300
0,96
281,5
1,5
24
300
2,7
280,6
2,4
38
300
2,13
5
15
283
281,1
1,9
41
300
1,17
280,3
2-7
80
300
1,13
282,5
0,5
79
300
1,57
6
20
283
280,6
2,4
112
300
1,17
280,4
2,6
68
300
1,33
279,5
3,5
124
300
1,5
7
10
288
282,7
5,3
20
300
2,43
282,6
5,4
40
300
1,23
281,5
6,5
24
300
2,0
8
15
288
284,4
3,6
92
300
2,0
281,0
7
132
300
0,9
285,1
2,9
92
300
1,63
9
20
288
284,2
3,8
84
300
1,47
284,1
3,9
110
300
2,03
284,3
3,7
90
300
1,3
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 10<sup>-6</sup> м<sup>3</sup>/с
Т вх.
Твых.
ΔТ
m<sub>0</sub> сух. гр, г
Δm вынесенного грунта, 10<sup>-3</sup>кг
1
20
273
273,9
-0,9
1000
76
0,88
360
0,97
274,0
-1
27
360
0,94
273,5
-0,5
50
360
1,08
2
20
273
273,7
-0,7
32
3,13
360
1,66
273,3
-0,3
26
360
2,08
273,5
-0,5
40
360
1,88
3
20
273
273,7
-0,7
120
4,87
360
4,53
273,4
-0,4
114
360
4,5
273,4
-0,4
121
360
4,08