Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка нелинейных моделей фильтрации, основанных на закономерностях течения обобщенных жидкостей в кольцевом капилляре
1.1. О реологических представлениях жидкостей в микропространствах пор естественных грунтов и кольцево-капиллярной модели фильтрации II
1.2. Дифференциальные уравнения движения обобщенных жидкостей в кольцевом капилляре . 21
1.3. Вывод и исследование уравнений расхода обобщенных ньютоновской и бингамовской жидкостей в кольцевом капилляре 27
1.4. О моделях фильтрации в естественных грунтах, выраженных законами течения обобщенных ньютоновской и бингамовской жидкостей в кольцевом капилляре 44
2. Методика экспериментальных исследований нелинейных шектов медленной фильтрации воды в естественных грунтах 55
2.1. Краткий обзор технико-методических основ лабораторного опыта на водопроницаемость естественных грунтов 55
2.2. Методика эксперимента по медленной фильтрации воды в песках и глинистых грунтах 59
2.3. Графоаналитическая схематизация процесса выравнивания напоров на концах образца грунта 68
2.4. Некоторые вопросы подготовки лабораторного опыта на медленную фильтрацию воды в лессовидных суглинках ?5
2.5. Разработка установки по массовому испытанию монолитных образцов на водопроницаемость и микрощелевых фильтрационных устройств
3. Результаты экспериментальных исследований медленной фильтрации воды в естественных грунтах 90
3.1. Изучение фильтрационных аномалий медленного течения воды в песках эи
3.2. Общая характеристика опробованных почво-грунтов и лабораторных наблюдений водопроницаемости.
3.3. Об особенностях фильтрации в лессовидных суглинках при градиентах напора ниже единицы 118
3.4. К обоснованию обобщенной ньютоновской модели фильтрации воды в лессовидных суглинках 130
3.5. К изучению фильтрационных характеристик почвогрунтов северной части Яванской долины по
данным натурных наблюдений 148
Литература
- Дифференциальные уравнения движения обобщенных жидкостей в кольцевом капилляре
- Методика эксперимента по медленной фильтрации воды в песках и глинистых грунтах
- Разработка установки по массовому испытанию монолитных образцов на водопроницаемость и микрощелевых фильтрационных устройств
- Об особенностях фильтрации в лессовидных суглинках при градиентах напора ниже единицы
Введение к работе
Исследование аномальных явлений медленного течения воды и ее природных растворов в капиллярно-пористых средах имеет важное значение в теории фильтрации, физической и коллоидной химии, биомеханике и т.д.
Особую значимость эта проблема приобретает в области мелиоративной гидрогеологии. Ибо в природных условиях залегания почв —3 и грунтов действующие в области I 1,0 4- I 10 градиенты гидравлического напора приходятся главным образом на долю весьма малых значений І, в то время как большинство современных фильтрационных расчетов основано на линейном законе Дарси, нарушающемся не только при переходе к турбулентному режиму течения, но и в области малых величин .
Современное состояние учения о почвенной влаге определяется основополагающими трудами А.Ф.Лебедева, С.В.Нерпина, А.А.Роде, С.И.Долгова, Ф.Е.Колясева, С.Н.Рыжова, А.И.Будаговского, М.А. Глобуса и др., а математических методов исследования фильтрации воды, нефти и газа в подземных пластах С со множеством приложений) - трудами Н.Е.Жуковского, Л.С.Лейбензона, Н.Н.Павловского, П.Я.Полубариновой-Кочиной, Г.Н.Каменского, С.Ф.Аверьянова, И.А.Парного, А.Х.Мирзаджанзаде, В.И.Аравина, С.Н.Нумерова, Н.К.Гиринского, А.Н.Мятиева, Н.Н.Веригина и др.
Важную роль в объяснении физико-механических особенностей поровой воды сыграли работы Б.В.Дерягина, Н.В.Чураева, С.В.Нерпина и их сотрудников по изучению аномального поведения тонких слоев жидкости на границе контакта с твердым скелетом грунта, а также работы П.А.Ребиндера и его учеников - по исследованию поверхностных явлений в дисперсных системах и реологии тиксотропних сред.
В развитии точных гидродинамических методов моделирования фильтрации основополагающими оказались труды М.П.Воларавича и его сотрудников по теории течения вязкопластических жидкостей в капиллярах, а обобщающими в этом направлении - модельные исследования М.А.Саттарова по созданию единых реологических основ аномалий медленных фильтрационных процессов.
Для различных пористых сред факт отклонения фильтрации от закона Дарси (1856) был отмечен многими исследователями, и одним из первых академиком Н.Н.Павловским / 64 /, указавшим на существование как верхнего, так и нижнего предела применимости этого закона. При этом считалось /64, 45, 68, 67/, что для однородных средне- и мелкозернистых песков закон Дарси справедлив для всех I , определяющих ламинарный режим течения, а для крупнозернистых образований и, наоборот, для глин и суглинков наблюдаются нарушения этого закона соответственно в областях больших и малых значений I .
Исследования верхнего предела применимости закона Дарси основаны на обычных представлениях гидромеханики турбулентных течений и с достаточной полнотой обсуждения теории и эксперимента отражены в работах /64, 886, 1016, 70, ИЗ/.
Переходя к обсуждению аномальных проявлений фильтрации в области малых скоростей течения, можно отметить, что начиная с работ Ф.Кинга /108/, в опытах по повторной проверке закона Дарси обнаруживалось увеличение скорости фильтраци U с ростом градиента напора I более быстрое, чем это дает линейная зависимость. Что заметнее всего проявляется при движении воды в глинах и характеризуется величиной так называемого начального градиента напора 1а , ниже которого фильтрация практически прекращается. Так, систематическими экспериментальными исследования ми С.А.Роза /75/ для фильтрации воды в уплотненных образцах глины получены 10=15 4- 30 (см. также Н.А.Цытович, Механика грунтов, 1963), что вместе с исследованиями /91, 73, 107/ послужило в теории консолидации глин принятию закона фильтрации с начальным градиентом напора U .
Наличие в глинистых грунтах начальных градиентов 1в было показано убедительными опытами А.И.Котова и С.В.Нерпина с сотрудниками /48, 49, 61/, Н.Ф.Бондаренко и Е.А.Шумиловой /18/, М.А.Сунцова /86/ и других, обнаруживших наряду с этим асимптотический характер возрастания U в области малых величин 1 Ie . Аналогичные эффекты отклонения фильтрации от закона Дарси в глинах и глинистых грунтах отмечались также в работах /68, 64, 37, 72, 29, 91, I, 2, 12, 6, 63а, 34/, а некоторые их проявления в песках и других хорошопроницаемых зернистых средах в /44, 69, 105, 97, 117, 118, 59/. Подробный анализ работ по этому вопросу как отечественных, так и зарубежных исследователей дан в /70, 32, 15, ІЗ, 30, 116, НО/.
Некоторыми исследователями /115, 103, 63в/ в области низких значений I отклонения от закона Дарси в плотных глинах и глинистых грунтах не наблюдались. Однако большинство опубликованных данных не вызывает сомнений в существовании фильтрационных аномалий, представляющих собой реальную особенность медленного движения жидкостей в пористых средах.
В физическом отношении аномальность медленного фильтрационного течения сопряжена с наиболее общим свойством тонкодисперсных пористых сред - связывающей способностью электромолекулярно-поверхностных сил (э.м.п.с.) взаимодействия значительной доли поровой воды на внутренней поверхности пор и обогащенностью состава насыщающей жидкости растворенными и взвешенными в ней ком понентами. С этих позиций выдвигалось предположение о неньютоно-вости поведения поровой воды /44, 105, III/, истолковывалось вяз-копластическое проявление фильтрации /29, 49, 116/ - исходя из пластических свойств и предельного напряжения сдвига гидратных слоев воды /37/ и наличия в чистой воде и других полярных жидкостях следов сдвиговой прочности /16, 15/? а также из способности неоднородного порового раствора к образованию некоторой жесткой структуры, разрушающейся лишь при определенном сдвиговом усилии 1 1а /50, 88а, 73/. Далее факторы влияния э.м.п.с. как со стороны твердых стенок пор, так и со стороны инородных компонент поровой воды были рассмотрены в рамках единой теории обобщенных ньютоновской и бингамовской жидкостей /77/.
Для описания отклонений медленной фильтрации от линейного закона Дарси предложены: I) одночленная степенная зависимость
UCI) /44, 62/, теоретически обоснуемая из общих соображений о размерностях /516/ и моделью течения неньютоновских жидкостей /72/; 2) зависимость U= К(І-Ї0) s впервые обнаруженная при фильтрации воды в мелкозернистых песках /69/ и предложенная при in =1 для глин и глинистых грунтов /54, 69, 75, 66, 91, 73, 107/; 3) модели /29, 49/, основанные на формулах Букингема-Рей-нера /72/ и Воларовича и Гуткина /24/, описывающих течение вязко-пластичной жидкости соответственно в круглом и плоском капиллярах; закономерности, представляющие линейную /6а/ и квадратичную /336/ аппроксимации этих уравнений, а также обобщения последних на случай течения вязкопластической жидкости в гетеропористой среде /66, 96/; 4) нелинейные модели, данные в /116, НО/ как обобщения некоторых эмпирических и полуэмпирических представлений фильтрации; 5) ряд моделей, предложенный на основе полуэмпирического представления фильтрации связных жидкостей в микропространствах /66/; 6) модели, основанные на законах движения обоб
щенных ньютоновской и бингаыовской жидкостей в плоском и круглом капиллярах /77/.
Плоско- и кругло-капиллярные модели фильтрации, на которых в данное время базируется точный гидродинамический подход изучения аномалий медленного течения, основаны на представлениях реальной пористой среды сугубо однородной, а жидкости в ней - выражающей своим поведением весь сложный комплекс явлений молеку-лярно-поверхностного взаимодействия твердой и жидкой фаз. Однотипность внутренней поверхности капилляров в данном случае ограничивает возможность оценки в потоке геометрическую и физическую разнородность микроструктуры среды. Об этом свидетельствуют, например, снижение обнаруженных в капиллярах сдвиговой прочности воды Т0 примерно на порядок при фильтрации ее в глинистых грунтах /18/, а также факты /115, 31, 77в/, ставящие под сомнение наличие в объемной воде величины to .
Определенную характеристику обтекаемых твердых стенок пор несет в себе предложенная в /104/ и принятая для описания фильтрационных аномалий /15/ трехслойная модель воды близ поверхностей раздела "твердое тело - жидкость" (строго упорядоченный пристеночный слой - промежуточная область усиленного беспорядка -структура объемной воды), а также модель /109/ линейного (или квадратичного) уменьшения сдвиговых напряжений в жидкости от некоторой максимальной величины у твердой стенки до нуля в объеме.
Более строго физическую и геометрическую особенность поверхностей пор в реальных грунтах учитывают, предложенные в /77/ обобщенные модели поровых жидкостей, представленные переменным предельным напряжением сдвига % =9 д(2 ; JH, п} , где и вязкость, J/ - непрерывная функция э.м.п.с. взаимодействия, 7, - координата частицы жидкости в поперечном сечении поры, М и 1Ь - параметры, характеризующие материал и форму обтекаемой поверхности непосредственно на границе контакта и внутри жидкого микрообъема. Однако и эта модель фильтрации, представленная течением обобщенных жидкостей в плоском и круглом капиллярах, характеризует пористую среду вновь как однородную.
Таким образом, ранее в идеальных моделях фильтрации факторы, связанные с отсутствием в поперечных сечениях пор естественных грунтов симметрии относительно внутренних точек, а также с разнородностью формы и физических свойств обтекаемых твердых стенок -существенно характеризующих многообразие проявления в потоке э м,п.с - в построении модели грунта не учитывались.
Для обобщения геометрических и физических аспектов этой проблемы в данной работе нами рассматривается модель грунта, состоящая из пучка кольцевых капилляров, поровое пространство в которой представляется кольцевым каналом, а обтекаемые твердые поверхности частиц грунта - двумя неоднородными цилиндрическими поверхностями. На этой основе в математическую модель фильтрации вводится фактор неоднородности строения реального грунта в виде различных функциональных зависимостей эффектов J/; (?) молеку-лярно-поверхностного взаимодействия частиц жидкости с обтекаемыми одновременно выпуклой С j =1) и вогнутой С } = 2) поверхностями пор.
Как свидетельствует фактический материал экспериментального изучения водопроницаемости глин и глинистых грунтов /45, 62, 756, 105, 49, III, 86, I, 2, 13, 39, 40, 18, 25/ (кроме единичных противоречивых данных /63, 115/), а также хорошопроницаемых песчаных и некоторых искусственных зернистых сред /108, 44, 516, 22, ИЗ, 34, 97, 103, 117, 118/, систематических опытных исследований закономерностей фильтрации в естественных грунтах и песках при соответствующих им малых значениях I 0,3 и 1 0,03 не проводились, что связано с трудностью эксперимента на медленную
фильтрацию, методика которого еще недостаточно развита. Вместе с тем оказалось, что единое по своей физической сути множество фактов аномального проявления медленной фильтрации воды в естественных грунтах с целью выяснения эффективных для практических приложений методов моделирования не были подвергнуты более строгому математико-статистическому анализу. Автор выносит на защиту:
- вывод уравнений установившегося движения обобщенных ньютоновской и бингамовской жидкостей в кольцевом капилляре, а также математическую модель фильтрации, построенную на этой основе;
- новые нелинейные эффекты фильтрации воды в природных образцах песка, обнаруженных в области градиентов гидравлического напора 0,0003 I 0,05, а также экспериментальное и матема-тико-статистическое обоснование обобщенного ньютоновского поведения фильтрации в суглинистых грунтах при I 0,3;
- усовершенствование и развитие методики лабораторного эксперимента на медленную фильтрацию и элементы конструкций микрощелевых фильтрационных устройств.
Результаты данной диссертационной работы опубликованы автором в работах /58а-г, 59, 60, 78-84/ и по мере их получения были доложены на республиканских научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов ТаджССР (Душанбе, 1970-1980), на семинаре научно-производственного гидрогеологического объединения Мингео УзССР (Ташкент, 1973); на УП совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 1973), на всесоюзном семинаре по современным проблемам теории фильтрации, посвященном 80-летию академика П.Я.Кочиной (Москва, 1979), на У всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981), на второй всесоюзной конференции по применению математических методов и ЭВМ в почвоведении (Пущино, 1983),
Дифференциальные уравнения движения обобщенных жидкостей в кольцевом капилляре
Основополагающими опытами Дарси (1856) было установлено, что скорость фильтрации воды и в песчаной колонке постоянного сечения представляет линейную зависимость от градиента гидравлического
Где константа именуемая коэффициентом фильтрации, выражает в себе одновременно свойства как жидкости, так и пористой среды. Наряду с ка в теории фильтрации принято рассматривать также коэффициент проницаемости к пористой среды, связанного с ним соотношением /99/:
В классической теории проницаемости, основанной на формулах (1.3) и (1.4), предполагается независимость реологических свойств поровой жидкости от геометрических и физических характеристик фильтрующей среды. Поэтому к в данном случае представляется исключительно факторами ее геометрического устройства (пористостью, удельной внутренней поверхностью, приведенным диаметром твердых частиц, гидравлическим радиусом и т.д.), а поровая жидкость - ее макрообъемными гидродинамическими свойствами, в част ности, вода - вязкостью # , плотностью о и реологическим уравнением Ньютона V = /rv Прямые попытки определения проницаемости обычно предусматривают справедливость зависимостей (1,3)-(1.4) и ведение расчета ее величины лишь на основе опыта. А любое теоретическое представление о к может быть получено только на основе построения как геометрической модели пористой среды, так и реологической -движущейся в ней жидкости Наиболее распространенными моделями пористой среды являются так называемые фиктивный и идеальный грунты. Фиктивный грунт представляет из себя соответствующую упаковку однородных сферических частиц диаметра d , определяемого из гранулометрических характеристик реальной пористой среды (хороший обзор попыток моделирования фильтрации на этой основе дан в /516/). Идеальный грунт - это пучок прямых параллельных капилляров одинакового диаметра о!0 , имеющий равную пропускную способность с реальным. (Подробный обзор, анализ и критика капиллярной теории проницаемости дан в /99/).
В классическом понимании проницаемости вязкое течение подразумевается безинерционным, приводящим фактически при любой модели пористой среды к закону, аналогичному закону Дарси. Иными словами справедливость линейного закона (1.3) предусматривает изменение градиентов гидравлического напора 1 в таких пределах, что поровая жидкость, представленная как ньютоновская, пребывает в условиях ламинарного режима течения. Суть данного утверждения выражают известные в теории фильтрации эмпирические и полуэмпирические представления проницаемости типа формулы Хазена /199, 143, 102/ и Слихтера /516/ - для фиктивной, а также типа формулы Козени-Кармана /92, 99, 70/ - для идеальной модели грунта.
Как отмечалось во введении, данные водопроницаемости тяжелых глинистых грунтов и глин, а также агрегированных мелко трещиноватых структурных образований свидетельствуют о наличии гидродинамической связи мезкду величиной к и внешними усилиями I , обусловленной подавляющим влиянием на подвижность поровой воды сил поверхностного притяжения ее молекул к частицам глины Формула проницаемости с учетом объема связанной влаги применительно к фиктивной модели грунта впервые была получена в /516/, с помощью представления к через эффективные динамические порозность и просветность грунта, проявляющих зависимость от J , а ее обобщение на случай идеальной модели грунта - в /77еД как зависимость динамической проницаемости #„ от формы сечения капилляра, некоторых физических констант моле-кулярно-поверхностного взаимодействия жидкости с пористым скелетом и экспоненциального изменения по 1 диаметра пор. Анализ аналогичных и других статистических моделей проницаемости дан
В случае, когда в области малых скоростей течения линейность зависимости UCI) нарушается, а статистический подход определения проницаемости с помощью осредненных геометрических, физических и гидродинамических характеристик пористой среды оказывается неудовлетворительным, то обоснование данного явления возможно только на определенном теоретическом уровне обобщения . основных факторов аномального проявления фильтрации,
Методика эксперимента по медленной фильтрации воды в песках и глинистых грунтах
Например, полученные при характерных для естественных грунтов величинах пористости а =0,36т0,45 значения т+к+о/сс-о f находясь в интервале -8 т -7, хорошо сходятся с величиной № =-7,03 соответствующей практически полному совпадению модели (1.62) с опытной прямой (1.60) в случае рассматриваемого нами примера водопроницаемости глины. Причем эти значения т аналогичны с показателями степени Л =-7;-8 сил притяжения между полярными одноименными молекулами /95/, также как s -i аналогичен отношению равновесного и оценочного расстояний между ними.
На рис, 1.7 показаны кривые зависимости utn для некоторых целочисленных значений " в реализации конкретизированного нами случая модели (1.62). Видно, что по мере возрастания и убывания "г от нуля (случай ВПЖ) вязколластическая особенность по-рового раствора соответственно ослабевает и усиливается, проявляя
Как видим, разработанные здесь кольцево-калиллярные модели фильтрации с помощью легко устанавливаемых из опыта гидродинамических свойств свободной жидкости» пористости и данных водопроницаемости грунта при достаточно высоких градиентах напора позволяют определить реологическую особенность поровой воды, вызванную связанностью ее состояния с твердым скелетом грунта, оценить физическую и геометрическую устроенность обтекаемых твердых поверхностей в последнем, уточнить не доступную для эксперимента проявленность поведения фильтрации при малых / , Что предотавляется явным преимуществом этих моделей перед аппроксимацией фильтрационных аномалий в области малых j законами течения вязко-пластической жидкости в круглом и плоском капиллярах /29, 49/, основанной на определении сдвиговой прочности тО0 поровой воды независимо от вещественной и геометрической структуры фильтрующей глинистой среды /18/.
В заключение, возвращаясь к рис. 1.7 отметим, что подобный характер изменения и и ДЛЯ глинизированного песчаника было обнаружено в работе /105/, где сглаживание нелинейности данного типа связано с ростом концентрации J/a СЁ в составе порового раствора. Аналогичное явление встречается, когда фильтрация воды в одном и том же образце ведется попеременно в противоположных направлениях - с перегонкой профильтровавшейся жидкости обратно в образец. Показательными в этом отношении являются данные наших опытных исследований фильтрации в глубинном образце плотного бесструктурного суглинка ( 3,3).
Так как в гидромелиоративной практике задач, связанных с аналогичным содержанием встречаются не так уж редко (например, прогноз сезонных и многолетних колебаний уровня грунтовых вод), то рассмотренную модельную интерпретацию фильтрации с периодически варьирующим физико-химическим составом поровой воды можно привести в определенное соответствие с наблюдаемым в натурных условиях явлением.
В делом экспериментальными исследованиями фильтрации в грунтах, начиная от Дарси (1856) и до наших дней, накоплен ценнейший технико-методический материал, составлявший основу любого способа опытной реализации движения жидкости в пористых средах.Поэтому мы, приступая к изучению медленной фильтрации воды в песках и относительно тяжелых образцах почвогрунтов ненарушенной структуры (в монолитах), провели детальный анализ технических средств и методов экспериментирования, составляющих основу наиболее известных в отечественной литературе лабораторных исследований фильтрации. При этом прежде всего изыскивалась возможность использования отдельных технических решений и методов по подготовке и постановке опыта в целях обеспечения наблюдений за ходом фильтрации при градиентах напора I 0,20 (см.Приложение I, Сводка данных о приборах и методике лабораторного эксперимента на фильтрацию).
Как показывает сделанный нами анализ работ более чем сорока исследователей, ими привлекались для опытов более 25-и разновидностей фильтрационных приборов. Причем 1/4 из них в разное время выпускались нашей промышленностью серийно, а остальные - нестандартные приборы, по части своей конструкции и изготовления подчинены исключительно инициативе и целям самих авторов.
Разработка установки по массовому испытанию монолитных образцов на водопроницаемость и микрощелевых фильтрационных устройств
Известны различные способы предуцревдения пристенной фильтрации (см.Приложение I). Одним из них является способ заливки неплотностей меээду монолитом и контейнером особой водонепроницаемой смесью низкой температуры плавления /8/. Заметим, что кроме как предупредить пристеную фильтрацию, эта смесь должна достаточно жестко фиксировать образец в контейнере, быть химически более нейтральным при взаимодействии с норовым раствором, не слишком затруднять разборку контейнеров после окончания испытаний и, наконец, быть достаточно гигиеничной в обращении Из ранее известных смесей нами были использованы составы несколько видоизмененные - в больших своих частях включающие некоторые подручные материалы. В зависимости от исходной влажности и механических свойств грунта, а также отмеченных выше требований нами применялись указанные в табл. 2.2 составы смеси.
Как показала послеопытная разборка контейнеров, просачивание воды вдоль внутренней поверхности контейнера полностью исключалось, ибо заливаемая при температуре 70-80С смесь хорошо прилипала к ней и, затвердевшая однажды, не расползалась в течение опыта. А что касается возможного просачивания вода вдоль гранида контакта образца грунта со смесью в количествах превышающих расход через его поперечное сечение, то оно предотвращалось нами путем поперечного зарубцевания боковой поверхности воздушно-сухого (или несколько подсохшего с поверхности) образца» что кроме црилипания смеси к нему, препятствовало смыву частиц грунта на этой границе.
В контейнере у оснований образца предусмотрены впускная и выпускная камеры, засыпанные среднезернистым песком (под латунную сетку). Камеры служат для обеспечения равномерного распределения лидкости на концах образца, для отвода вытесняемого водой
Воздуха при насыщении, а также предохраняют основания образца от размыва.
В заключение коротко остановимся на способе полного насыщения образцов. Во избежание излишков защемленного воздуха водо-наоыщение их производили в вертикальном положении - при подаче воды снизу. Для этого сориентировав контейнер горизонтально, нижний штуцер впускной камен соединяли с вакуушрованной жидкостью, подаваемой по резиновой трубке из напорного бака.Лдлее, медленно впуская воду в камеру, насыщали песок при открытом и отогнутом вверх гибком наконечнике верхнего штуцера (откуда сначала вытесняется воздух, а вслед за ним поднимается вода). После наполнения наконечника водой, накрепко зажав его зажимом, устанавливали контейнер водоопадащим основанием вниз. Начиная с этого момента шло постепенное (от капиллярного вплоть до полного) насыщение образца - путем увеличения напора воды на 3-4 см в сутки над ншш его основанием.
С появлением фильтрата в штуцерах верхней камеры (что обычно происходит через 5-12 оуток) контейнер подключается к стенду (см, 2.5) для ведения необходимых фильтрационных наблюдений.
В практике гидромелиоративных исследований лабораторное изучение фильтрационных свойств почвозтрунтов обычно проводят на основе типизации вида пород различных генетических горизонтов» ограничиваясь отбором небольшого количества опытных образцов /74б/. Для сравнительно небольших регионов, где прослеживается относительная однородность пород как в плане» так и по глубине этот подход себя оправдывает
Однако необходимость увеличения количества опытных образцов, например, до 10 и более может быть вызвано следующими объективными причинами: желанием иметь более достоверных сведений,необходимостью выяснить характер распределения фильтрационных свойств почвогрунтов (как по площади, так и по глубине) и т.д. При атом важно обеспечить массовость проводимых испытаний,чтобы иметь факт идентичности внешних условий в опытах с различными образцами. Особенно это важно в наблюдениях за процессом медленной фильтрации, ибо "накапливающиеся" во времени побочные или случайные факторы внешней среды в различных экспериментах в данном случае идентифицировать трудно. Кроме того, одновременность множества испытаний приводит к экономии времени, более шире воссоздает картину изучаемого явления.
Наш обзор известных фильтрационных устройств ( 2.1, Приложение Z) показывает, что каких-либо значительных разработок на сей счет в лабораторной практике отсутствуют. По-видимому,специалистами вопрос этот не считается столь принципиальным, ибо под массовостью испытаний подразумевается как бы эксперимент,поставленный со множеством одинаковых приборов. Но в этом случае возникает ряд неблагоприятных обстоятельств, связанных с однообразием и разрозненностью отдельных процедур обеспечения опыта. Например, процесс насыщения образцов до полной их влагоемкости.а затем и подача гидравлического давления к их основаниям в каждом приборе производится автономно. Такая несовмещенность действий приводит отчасти к излишкам в изготовлении одинаковых деталей,потери компактности лабораторного оборудования,разрозненности ведения наблюдений и более длительным срокам экспериментирования.
Об особенностях фильтрации в лессовидных суглинках при градиентах напора ниже единицы
Но в нашем случае К рассчитанное по установившимся значениям коэффициентов фильтрации отдельных образцов (табл. ЗЛ), равно 0,0430 см/сек и на 30-50% больше опытных величин к , полученных для данной системы в обоих направлениях течения. Что свидетельствует об ограниченности некоторых расчетных формул коэффициентов фильтрации, основанных на линейном законе Фильтрации в области малых J 0,10. Чтобы убедиться в этом рассмотрим относительные величины отклонения All/U h-xl от закона Дарси для изученных нами случаев медленной фильтрации воды в песках. Как видно из рис. 3.3, данное отклонение в отдельно взятых образцах песка в области 0,001 1 0,015 достигает от 20 до 90%, в области 0,015 1 0,10 равно 20% и лишь при J 0,10 оно незначительно и сравнимо с ошибкой опыта, К аналогичным оценкам приводит анализ данных водопроницаемости кусочно-однородной системы (рис. 3.2) в области
Эти выводы убеждают нас в значительности обнаруженных нами аномалий медленного течения в песках, характеризующихся в области 0 rj 0,10 переходом быстрого возрастания коэффициента фильтрации К к монотонному убыванию и возрастанию его величины вновь до некоторого установившегося значения
Гидродинамически данная особенность течения свидетельствует о существовании трех различных реологических состояний воды в поровом пространстве хорошопроницаемых пористых тел, причину возникновения которых» по-видимому, можно объяснить следующим обраг-эом /77/. Вблизи гидростатического покоя силы, обусловленные ван-дерваальсовыми и другими эффектами слабых химических связей придают поровому раствору свойства обобщенной бингамовской жидкости, интенсивность движения которой существенным образом зависит от фактора взаимодействия ее частиц со стенкой порового канала и его геометрических характеристик. С постепенным удалением процесса от гидростатического покоя происходит разрушение механизма действия слабых сил химической связи и усиливается беспорядочное движение частиц раствора в поровом канале, которые стремясь к равновесному состоянию, оказывают сопротивление внешней силе и тем самым приводят к снижению коэффициента фильтрации к . Дальнейший же рост внешней силы полностью разрушает первоначальную структуру поровой жидкости, превращая ее в вязкую жидкость с линейной закономерностью фильтрации. Кроме того, вторичное возрастание К 9 по-видимому, обусловлено вовлечением в движение некоторой части связанной воды,
На основе этой гипотезы нами была сделана попытка построения математической модели вышеприведенных аномальных явлений фильтрации.
Расход Q обобщенной бингамовской жидкости в капилляре равен скорости частиц жидкости соответственно в зонах течения R l i Z+ и /2/- %, 1 - начальный градиент напора, ниже которого течение отсутствует, Р и 2 " плотность и вязкость жидкости, (# добавочный эффект силы тяжести, возникающий в сфере действия дополнительных молекулярно-поверхностных сил сопротивления Лта , & - угол между направлением потока и ускорением силы тяжести /776/; R - радиус круглого {$ і) или половина ширины плоского (Ф«0) капилляра.
Такие силы возникают при фильтрации жидкостей с взвешенными поверхностно-активными частицами инородных тел, физико-химические особенности которых совпадают со свойствами обтекаемой твердой стенки. При этом взатютталкивающие эффекты одноименно заряженных частиц на пограничном слое содействуют течению до тех пор, пока внешнее усилие незначительное и полностью не разрушает состояние ориентированной слоистости или решетчатую структуру жидкости в микрообъеме, В зависимости от степени устойчивости структуры неоднородности жидкости и взаимодействия ее частиц со стенкой капилляра дополнительные силы, способствующие или (противодействующие) течению могут быть различными и аппроксимированы вышеприведенной или аналогичными ей функциями.
