Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения коэффициента фильтрации пород зоны аэрации

Предполагаемое изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий и может быть использовано для определения фильтрационных свойств пород, что очень важно при проектировании и эксплуатации оросительных каналов, поскольку с этим связаны и потери воды из канала, и уровень грунтовых вод, и необходимость последующего строительства дренажа. Для определения фильтрационных свойств пород очень важен такой показатель, как коэффициент фильтрации.

Известен способ определения коэффициента фильтрации (K_f) по наливу в шурф при слое воды (напоре h) равном 0,10 м (ГОСТ 23278-78 Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости. М. Госстрой СССР, 1987).

Сущность способа заключается в отрывке шурфа, установке в шурф концентрических колец Нестерова, поддержании в них постоянного слоя воды 0,10 м до достижения установившегося расхода (принимается расход, не отличающийся от среднего за период 2 последних часовых наблюдений более чем на 10%) и в расчете установившейся скорости фильтрации (скорости сработки уровня) по зависимости, установленной Дарси V=K_fI, где I=dh/dz - градиент напора. Предполагается, что он равен единице и является величиной постоянной, при этом коэффициент фильтрации равен установившейся скорости сработки уровня при h=0,10 м.

Недостатком способа при всей его трудоемкости и продолжительности является использование постоянного значения градиента напора I=dh/dz для расчета коэффициента фильтрации по скорости фильтрации V_ф (скорости сработки уровня) при любых значениях напора. В действительности значения градиента в породах зоны аэрации (ненасыщенных грунтах) закономерно уменьшаются с увеличением напора h, а скорость фильтрации растет по степенной зависимости V_ф=K_f h^m (формула А.Н. Костякова), где m - постоянная, в результате значение K_f не соответствует реальной водопроницаемости породы.

Наиболее близким предлагаемому способу определения коэффициента фильтрации пород зоны аэрации по скорости сработки уровня является способ определения потерь воды при свободной фильтрации через грунт (пат. РФ №2111310, МПК Е02В 13/00, 1998 г).

Способ включает отрывку в грунте выемки, заполнение ее водой до заданной глубины h, поддержание постоянного уровня при периодическом фиксировании изменений уровня и вычислении скорости V_yp сработки уровня до достижения ею установившегося значения для различных значений h в заданном диапазоне глубины наполнения выемки. По полученным значениям V_yp строят зависимость, которая уточняет значение K_f, установленное по ГОСТу.

Недостатками известного способа являются трудоемкость исследований, связанная с предварительным определением коэффициента фильтрации по ГОСТу, с последующим поддержанием заданного уровня воды в отсеке путем многочисленных доливов воды и замеров при различных значениях напора h.

Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемый способ определения коэффициента фильтрации, включающий отрывку вблизи действующего или по трассе проектируемого оросительного канала изолированного измерительного отсека, заполнение его водой до заданной глубины h, поддержание постоянного уровня при периодическом фиксировании изменений уровня и вычислении скорости V сработки уровня до достижения ею установившегося значения для различных значений h, построение по полученным значениям V графика зависимости, в котором, согласно предполагаемому изобретению, вычисляют скорости сработки уровня только V₁ и V₂ для значений напора h₁<1,0 м и h₂>1,0 м, по этим двум значениям строят график линейной зависимости lgV=f (lgh), и по этому графику определяют коэффициент фильтрации K_f при h=1 м, исходя из степенной зависимости V=K_f h^m, где m - постоянная.

Преимущество предлагаемого способа определения коэффициента фильтрации пород зоны аэрации заключается в повышении его точности и, соответственно, в точности последующего расчета потерь воды на фильтрацию из оросительных каналов, а также в существенном снижении трудоемкости проведения исследований.

На фиг. 1 представлен график линейной зависимости lgV=f (lgh).

Предлагаемый способ определения коэффициента фильтрации для пород зоны аэрации осуществляют следующим образом:

На трассе проектируемого канала или рядом с действующим отрывают изолированный измерительный отсек, заполняют его водой до уровня h₁ и поддерживают этот уровень, периодически фиксируя изменение уровня и вычисляя скорость сработки уровня до достижения ею установившегося значения V₁ в исследуемых породах. Затем заполняют отсек до уровня h₂, поддерживают этот уровень, периодически фиксируют изменение уровня и вычисляют скорость сработки уровня до ее установившегося значения V₂. По этим двум значениям строят график линейной зависимости lgV=f (lgh). Рачеты скорости сработки уровня в каналах оросительных систем при идентичности строения зоны аэрации производят по степенной зависимости V=K_ф h^m, где m - постоянная. Исходя из этой зависимости K_ф=V при h=1 м.

Пример конкретного осуществления способа в лесовидных суглинках:

На трассе проектируемого канала устраивали изолированный измерительный отсек с подводом и отводом воды, заполняли его водой до уровня h₁=0,3 м, поддерживали этот уровень с помощью поплавкового регулятора уровня, периодически фиксировали изменение уровня и вычисляли скорость сработки уровня до достижения ею установившегося значения V₁=0,3 м/сут. Затем заполняли отсек до уровня h₂=1,5 м, поддерживали этот уровень, периодически фиксируя изменение уровня и вычисляя скорость сработки уровня до ее установившегося значения V₂=1,15 м/сут. По этим двум значениям строили график линейной зависимости lgV=f (lgh), по которому, исходя из степенной зависимости V=K_ф h^m, где m - постоянная, при h=1 м K_ф=V=0,8 м/сут. Это реальный коэффициент фильтрации для исследуемой породы (лесовидных суглинков), который существенно больше определенного по ГОСТу (0,23 м/сут).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с минимальными трудозатратами определить реальное значение коэффициента фильтрации любых пород зоны аэрации и, применяя его, рассчитывать реальные потери воды на фильтрацию в действующих и проектируемых оросительных каналах.