Введение к работе
Актуальної"' ь исследований. Природные запасы Кыргызской Республики имеют большое значение для ее экономики. Особенно богат этот край водными ресурсами, из него берут начало такие большие реки Центральной Азии, как Сыр-Дарья и Чу. В современных условиях Кыргызстана водная энергия занимает одно их ведущих мест среди естественных энергоресурсов. Ее рациональное использование является важной общегосударственной задачей, успешное решение которой будет способствовать повышению благосостояния народа, улучшению условий эффективного развития производительных сил республики.
При строительстве больших и малых высоконапорных гидроэлектростанции и других гидротехнических сооружений (водохранилищ и ирригационно-мелиорагивных строительств и т.д.) широко используется территория края. Только на одном из притоков Сыр-Дарьи, на реке На-рын, по генеральному плану Республики планируется построить до .паух десятков элекростанцнй. Па этой реке сооружено и денствуетв настоящее время порядка десяти таких станций. Крупнейшая из них - Токтогулылсая ГЭС - мощностью 1,2-1,5 млн. киловатт-чаев год.
Одной из перспективных отраслей народного хозяйства Кыргызской Республики является горная промышленность. Наиболее персііек-інвньїм и экологически чистым способом шрных разработок следует считать гидродобычу полезных ископаемых.
Вопросы мелиорации, такие как орошение, осушение болот иг. ых земель, прокладка каналов, дренажей, остаются одними из важных задач в агропромышленноеги.
Эффективное использование горных разработок и мелиоративных сисіем способствует также решению весьма существенных экологических проблем. Таким образом, в условиях Кыргызской Республики важное
значение имеют проблемы, связанные с посгросинем гидротехнических сооружений, эксплуатацией хозяйственных и гидротехнических объектов, а также разработкой объектов горнодобывающей отрасли и мелиоративного строительства.
Одна из этих проблем состоит в'изучении фильтрации грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и к горным выраСннкам в сложных по геологическому строению пластах. В условиях Кыргызской Республики однИМ из Видов сложного по геологическому строению пласта часто бывает наличие в нем протяженных по его обьему инородных включений, своими характеристиками, отличающимися от остального пласта ( макровключеннй).
Потребность в решении указанной проблемы привела к необходимости проведения соответствующих теоретических исследовании, точность и достоверность которых влияет па надежность, экономичнойь и обоснованность практических рекомендаций и проекшыч решений и определяет актуальность исследований, проводимых в работе, и их цель.
Цель работы.
На основании выше отмеченного, работа имеет своей целью теоретическую разработку одного из перспективных направлений подземной гидромеханики - теории фильтрационных течений жидкости - течения в пластах, содержащих макропключепия, и является законченным научным исследованием. Исследуется проблема, важная для гидротехнического строительства, гидроэнергетики, механики горных пород, гидравлики и т.п.
Разработка этой проблемы дает возможность успешно и (учить многие вопросы, возникающие при прогнозировании, проектировании и конструировании гидротехнических сооружений, а также при подборе региона строительства гидросооружений и иррпглциопно-мслио-
ратнвных строительств.
Для решения поставленных проблем видится целесообразным и эффективным использование методов теории фильтрационных течений несжимаемой жидкости.
При проектировании того или иного гидротехнического сооруже-. пня заранее необходимо знать, как происходит процесс фильтрации жидкости под гидротехническими сооружениями. При этом возникает множество вопросов: борьба с фильтрацией, для чего необходим выбор подходящих конструкции и размеров сооружений, учет влияния гидродинамических параметров потока на устойчивость гидросооружения в зависимости от свойства и геологического строения пласта. Также имеет большое значение борьба с затоплением горных выработок подземными водами, приводящими к серьезным разрушениям, в том числе обвалам горных сооружений, в шахтах и штольнях. Изучение этих вопросов позволяет избежать возникновения серьезных аварий, катастроф, причиной которых служит воздействие фильтрационного потока на сооружение.
Как было отмечено выше, весьма важной задачей является исследования фильтрации под плотной при сложном геологическом строении среды, заключающемся в наличии замкнутых областей, так называемых макровключений, коэффициенты фильтрации коюрых могут быть больше или меньше коэффициента фильтрации основного пласта (включения такого типа называются оотвезсгвенпо синышпрони-цаемымн или слабопроницаемыми макро-, лючсннямн).
Пласты, содержащие макровключения, относятся к кусочно-однородным. Течения в таких пласіах рассматривались в ряде работ П.Я. Полубариповой-Кочинон, В.В. Ведерникова, В.И. Лаврнка, МА. Гусейн-Заде, BJ1 Пилатовского, В.II. Эмпха, М.А. Лукомской, Г.И. Каменского, Г.К. Михайлова, Г В. Пыхачева, А.Я. Чилапа, О.В. Голубе-
вой, С. Георгина и др.
Поэтому для данной работы характерно рассмотрение течений,
происходящих в среде, проницаемость которой изменяется скачком на
границах отдельных областей среды, оставаясь постоянной внутри каж
дой из них. '.--.
Такая неоднородность среды может возникать при геологическом образовании пласта, например, при совместном залеї аіініг песка и глины, наличии скальных образований в проницаемой среде, а также при искусственном воздействии на пласт (образование гидравлического разрыва пласта, возникновение новых трещин за счет сейсмической активности зоны, химическая обработка в почвогрунтах, концентрирование солей, заі 'лимитирование, уплотнение пласта под действием веса сооружений). Полученные аналитические и численные результаты для определения всех параметров потока необходимы для расчета гидротехнических сооружений и объектов горнодобывающей промышленности, я также мелиоративного строительства. Они могут быть использованы при проектировании, конструировании и эксплуатации гидротехнических сооружений, а также при разработке месторождений и при проведении ирри-гационио-мелиоративных мероприятий.
Такие исследования основаны на решении дифференциальных уравнений в частных производных со сложными граничными условиями, которые в ряде'случаев можно свести к решению задач теории аналитических функций.
Все проведенные в работе исследования рассмаїриваются как целостная система, с использованием теории филы рационных Течений и применением к ним методов теории аналитических функции.
В общем случае удается получить аналитическое решение задачи по определению параметров фильтрационного потока, .а в част ном, иеоб-
-.''' ;;. '.''-.б..'."': '''-"''' '" "'' ' ''".' '
ходимо применение современных численных методой расчета с использованием. ЭВМ-
Таким образом, достигается поставленная цель работы - теоретическое изучение фильтрации при наличии неодпородностей пласта в виде макровключений; исследование влияния форм и геометрических размеров включений на режим движения подземных вод под основанием гидротехнического сооружения, выбор оптимальной формы флютбета гидротехнического сооружения с учетом наличия в пласте включений.
В работе решается проблема исследования влияния включения на распределение скоростей и давлений вдоль контура сооружения. Эго влияние может сильно зависеть от различных факторов: типа сооружения { плотина, канал), физических характеристик включения, вида пласта ( ограниченный или безграничный), типа включения ( слабо- или силь-нопронинаемое), расположения включения ( внутри пласта или оно примыкает к контуру сооружения), формы включения ( овальная, горизонтально- или вертикально-вытянутые). Изучение этих факторов осуществлено в работе и определяет ее содержание.
Mfjo-i исследовании. Применяемый меіод основан на сочетании метода парамеїрического представлення решений с методом особых го-чек, а также при формулировке і уличных усгіивиіі для рассмаїрнваомьіх краевых затач- исполыуется теорема об окружности и прямой ( для пласта бесконечной і тубины), предложенная Л.М. Милн-'Гомсоном и развімая О.В. і'олуоіч.оіі, или к-П|>ии эллныичесьих функций s '.ия ы оа-ниченного iijiacia).
Пснольіовапне указанных методов исследования, дало возможность построить алгоритм расчеіа зависимости характеристик потока от геометрических парамсіроь пласта, удобный для расчетов с помощью ЭВМ. Па основании лої о алгоритма можно подобрать параметры кои-
тура флютбеїа, соответствующие нужным значенням гидродинамическим характеристикам фильтрационного течения,' имеющих практическое приложение.
При этом удается рассчитать большую серию различных контуров флготбета при разных размерах включений в пласте или провести исследование влияния большого класса включений на режим течения подземных вод.
В работе широко используются методы теории аналитических функций и конформного преобразования, теории дифференциальных уравнений с частными производными.
Научная новизна. Впервые излагается систематическое и последовательное применение теории течений грунтовых под под гидротехническими сооружениями и мелиоративными системами в пласте при наличии макровклгочений.
Путем дальнейшего развития теорий течений грунтовых вод под плотинами при наличии включений в пласте и при сочетании параметрического представления решений методом особых точек получены решения новых краевых задач фильтрации:
под гидротехническими сооружениями при наличии в пласте бесконечной глубины полупроницаемых включений;
под гидросооружениями в пласте с водоупором при наличии полупроницаемых включений;
под гидросооружениями в пласте с водопроницаемой границей при наличии полупроницаемых включений;
из канала при наличии полупроницаемой прослойки и т.п.
Решенные задачи представляют дальнейшее развитие известных ис- . следований в области подземной гидромеханики ( П.Я. Полубаринова-Кочина, М:А. Лаврентьев, О.В, Голубева, Л.М. Мили-Томсоп и др.).
.''- ' ~В
Весь комплекс исследований - завершенный рачдел фильтрации, который имеет практическое значение для Кыргызской Республики и СНГ в целом. Открывается возможность для дальнейшего расширения исследований теоретических задач в связи с возникающими конкретными практическими проблемами строительства гидротехнических сооружений и прригацнонпо-мелнораї ивных систем.
Обоснованность и достоверность. В существующей литературе по применению теории фильтрационных течений показано, что разработанные в настоящее время методы в случае плоских течений согласуются с физической сущносіью процесса. В работе при изучении фильтрационного течения под гидросооружениями при наличии включений используется методы математического моделирования.
Достоверность научных результатов при моделировании движения жидкости под гидроэнергетическими и гидротехническими сооружениями достигается в результате полученного соответсівия между выбранной моделью и реальным обьектом, а также правильным учетом естественных и искуссівенньїх факторов, влияющих на течение.
Обоснованнойь п доешмерноегь разработанных методов, алго-ршм'а расчеши п п< нрої раммная реализация основаны на использовании теории функции комплексною переменного, теории дифференциальных уравнений в частных производных, на ашшгк общей .вест пых вычислительных меш тон и решении задач, is комры.ч удается получить аналитические решения
І цілім пора-,.»: і,.. ,.'.,і,!ііу выносятся следующие положения:
1. Впервые раїрабої.ш общий метод изучения фильтрационных течений под і пиротехническими сооружениями при наличии слабо- и силь-нопронпнаемых включений в массиве бесконечной глубины.
1а). Решены задачи влияния полностью пропинаемых и полностью
непроницаемых включений различных форм (овальной, горнзоитально-и вертикально-вытянутой) на режим фильтрационного течения жидкости под основанием гидросооружения.
16). Решены задачи влияния полупроницаемых включении овальной, горизонтально- н вертикально-вытянутых форм на характер фильтрационного потока. Во всех этих задачах определено влияние включений на гидродинамические параметры потока. С этой целью были рассчитаны относительные распределения скоростей вдоль флютбета и выходного бьефа, а также относительное распределение эпюр давлений вдоль подземного конгура гидросооружения.
2. Предложен общий метод изучения течений под плотиной в огра
ниченной среде с водоупором при наличии слабо- и снльнопроннцаемых
включений. . .
2а). Решены задач» моделирования полупроницаемых включений в пласте с водоупором.
26). Проведены расчеты течения под флютбетом в полосообразном пласте.
Получены аналитические зависимости влияния включений на характер течений жидкости при выше рассмотренных схемах.
3. Разработай общий метод изучения течений в пласте, с водопро
ницаемой границей при наличии полупроницаемых включений.
За). Решены задачи моделирования полупроницаемых включений в пласте с водопроницаемой границей.
36). Проведены расчеты течения под флютбетом в полосообразном пласте с проницаемом границей.
4. Получены аналитические решения задач фильтрации жидкости
из канала при наличии в среде полупроницаемых включений.
Проведены численные расчеты влияния геометрических параметров
' :"; 'Ю
включений (удаление от канала, горизонтальные и вертикальные диаметры) на характер течения'жидкости.
Для каналов различной формы были проведены числовые расчеты относительных распределений скоростей вдоль контура канала (круговой и эллиптической формы) при наличии полупроницаемых включений в массиве.
Теоретическая и практическая меншості, результатов. В работе всесторонне исследован комплекс механико-математических моделей фильтрационных течений жидкости прН наличии включений. На базе этих моделей разработана методика изучения фильтрационных течений под гидросооружениями при сложном геологическом строении пласта. При этом рассматриваются среды, ограниченные снизу водоупором или водопроницаемой границей, или имеющие бесконечную глубину.
Учет сложного геологического строения пласта в виде включений и их влияния на характер течения жидкости позволяет дать практическую рекомендацию о выборе той или иной оптимальной формы конструкции гидросооружения, защиты от разрушения ирригационных сооружений (канала, водохранилища и т.д).
Разработанные методы и полученные научные результаты могут бы п. применены при конструировании, проектировании и эксплуатации больших и малых гидро'ліергосистем, высогиых плотин, где происходит фильтрации жидкости.
Таким образом, теоретическая и практическая ценность работы состоит в чом, 41 о упомянутые схемы и решения, будучи непосредственно связанными с задачами гидротехнических и гидроэнергетических сооружений, гидравлики, а также вопросами мелиорации, позволят повысить точность и достоверность проектных решении различных технических систем гпдроэнергечпкн, водною хозяйства и т.п.
'II'
Апробации работы. Результаты исследований, содержащиеся в дан-нон диссертации, по мере выполнения, поэтапно были доложены на различных научных семинарах, Республиканских и Всесоюзных, а также Международных конференциях:
-
На научных семинарах Московскою государственного университета им. М.В. Ломоносова, под руководством профессора Х.А. Рахмату-лина, 1973-1976, 1981, 1987 гг., Москва.
-
На научных семинарах Московского областного педагогического института им. Н.К. Крупской, под руководством профессора О.В. Голубевой, 1973-1975 гг., Москва.
-
На совместном заседании семинара по гидродинамике под руководством академика П.Я. Кочиной и профессора О.В. Голубевой (при Институте проблем механики РАН) и группы гидродинамики Московского общества испытателей природы при МГУ, 1976, 1981, 1987, 1995 гг., Москва.
-
На научных семинарах отдела фильтрационных наследований научно-исследовательского сектора института "Гидропроект" им. C.S\. Жука, 1974, 1976, 1981, 1985, 1987 гг., Москва.
-
На научных семинарах Института автоматики НАН Кыргызской Республики под руководством чл.-корреспондента HAH КР профессора И.Б. Бийбосунова, 1987, 1990, 1994, І995 гг., Бишкек.
-
На Всесоюзном семинаре по краевым задачам теории фильтрации, 1976 г., Ужгород.
-
На Всесоюзном симпозиуме "Распространение упругих и упру-гопластпческих волн", 1978 г., Фрунзе.
-
На Всесоюзном семинаре по краевым задачам теории фильтрации. 1979 г., Ровно.
9. На Всесоюзной конференции "Современные аналитические мс-
'*?, '"
тоды гидроаэродинамики", 1980 г., Фрунзе.
10. На республиканской научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития технических наук в Киргизии", 1981 г., Фрунзе.
П. На 1-й республиканской научно-технической конференции молодых ученых Киргизии, 1981 г., Фрунзе.
-
На Всесоюзном семинаре "Численные методы решения задач фильтрации многофазной несжимаемой жидкости", 1982 г., Фрунзе.
-
На 2-м республиканском семинаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья", 1990 г., Фрунзе.
-
На республиканской конференции "Математическое моделирование и проблемы автоматизации" 1990 г., Фрунзе.
-
На Международной конференции "Проблемы механики и технологии", 199-1 г., Бишкек.
-
На научно-технических конференциях, организованных в Кыргызском архитектурно-строительном институте, 1994, 1995гг., Бшцкек.
17. На Международной научно-практической конференции
"Проблемы механики и прикладной математики", 1995, Бишкек.
Личный вклад Автором разработана метлика математического моделирования, матемаппеские методы и алюритмы расчета характерней! к и фильтрационных течений под гидросооружениями при наличии включении в гіласіе. Зіа методика може і бы it. применена к контурам включений р.іілнчной геометрическом формы. Последние исследуются с помощью полученных аналпшческих вырал епнп с применением ЭВМ.
Результаты аналпшческих и численных решений являются дальнейшим развиснем мегодше, предложенных П.Я. Полубарнноаой-К'очиноп, О.В. Голубевоп, Л.М. Мплп-Томсоном, В.П. Пплатовскнм,
М.1І. Хмельником.
ІІуб-іінкации. Материалы исследований, непосредственно относящиеся к теме диссертации, опубликованы в монографии "Течения подземных вод в пластах с макровключеннями" и в 23 статьях в сборниках "Динамика многофазных сред" ИТИМ СОАН СССР, ИМАН УССР, Известиях НАН Кыргызской Республики, в сборниках трудов МОИП (издательство "Наука") и ФПИ (1992 г. - КАСИ).
Структура и объем работы. Диссертация выполнена на 263 страницах машинописного текста и состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 184 наименования. Иллюстративный материал представлен в диссертации рисунками, графиками (их общее количество 85).