Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общее состояние проблемы. Обзор изученной литературы 10
1.1. Природно-климатические, инженерно-геологические условия Западно-Сибирского нефтегазового региона (Среднего Приобья) 10
1.2. Температурно-влажностный режим грунтов н теплофизические характеристики торфов 13
1.3. Инженерная подготовка заторфованных территорий и наблюдения за тепловым режимом вокруг канала трубопроводов 22
1.4. Исследование теплового режима грунта вокруг прямоугольного канала трубопроводов 26
1.5. Водный и тепловой режим поверхностной толщи торфа и земляного полотна автомобильных дорог 29
1.6. Исторический обзор изученности движения воды в грунтах 33
1.7. Анализ изученности фильтрационных и физико-механических свойств торфов 37
Глава II. Экспериментальное изучение изменения физико-механических свойств торфов Западной Сибири 45
2.1. Методика планирования и проведения экспериментальных исследований 46
2.1.1. Изучение фильтрационных свойств торфа в лабораторных условиях в горизонтальном направлении при его уплотнении 46
2.1.2. Изучение фильтрационных свойств торфа в лабораторных условиях в вертикальном направлении при его уплотнении 56
2.2. Результаты экспериментальных работ и математический анализ зависимостей коэффициентов фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях от относительного уплотнения 58
2.3. Изучение фильтрационных свойств торфа при его уплотнении в полевых условиях 63
2.4. Изучение компрессионных свойств торфа 64
Глава 3. Водно-тепловой режим торфяного грунта вблизи канала трубопровода тепловых сетей 72
3.1. Изменение во времени напряженного состояния слоя водонасыщенного торфа 73
3.2. Математическая модель процесса теплообмена системы коммуникаций с окружающими торфяными грунтами 81
3.3. Решение задачи водно-теплового режима торфяного грунта вблизи канала трубопровода тепловых сетей 92
3.4. Тепловые потери трубопровода тепловых сетей при канальной прокладке в сезоннопромерзающем грунте 108
Выводы 113
Литература 115
Приложения 124
- Температурно-влажностный режим грунтов н теплофизические характеристики торфов
- Водный и тепловой режим поверхностной толщи торфа и земляного полотна автомобильных дорог
- Изучение фильтрационных свойств торфа в лабораторных условиях в вертикальном направлении при его уплотнении
- Математическая модель процесса теплообмена системы коммуникаций с окружающими торфяными грунтами
Введение к работе
Западная Сибирь, й, прежде всего, Тюменская область, является основной энергетической базой России. Освоение нефтегазопромысловых районов связано с большими объемами промышленно-гражданского строительства и необходимостью прокладки сети коммуникаций различного назначения.
Район Западной Сибири характеризуется исключительно неблагоприятными природно-климатическими условиями с резко континентальным климатом, продолжительной зимой, короткими весной и осенью, непродоткителшым летом. Поэтому при возведении объектов обустройства промышленных комплексов, объектов энергетики, связи, транспортной сети, при прокладке инженерных коммуникаций различного назначения большое значение придается вопросам строительства в условиях сурового климата и высокой степени заболоченности и заозерности территорий, а также вопросам устойчивости, эксплуатационной надежности и экономичности инженерных сетей и коммуникаций. Все это требует разработки наиболее рациональных решений, подтвержденных технико-экономическим обоснованием. -
Для успешного решения ряда проблем, связанных с надежностью
эксплуатации объектов и Чкоммуникационных сетей при таких
неблагоприятных условиях, требуется разработка рациональных и
экономических обоснований,, опирающихся на теорию и практику.
\ <
Проводимые лабораторные .и полевые испытания, разработка новых методик
расчета строительных' конструкций, прогнозирование водного и теплового
режима грунтов, анализ эксплуатационных характеристик в целом позволяют
учитывать местные условия и находить решения, подтвержденные технико-
экономическим обоснованием. /
5 Торфяные грунты широко распространены по всей Западной Сибири, включая нефтегазоносные районы Среднего и Нижнего Приобья. Прокладка инженерных коммуникаций в условиях заболоченности является сложной инженерной проблемой. Как правило, при этом трубопроводы различного назначения прокладываются надземным способом. Однако в ряде случаев подземной прокладки избежать не удается, например, когда в черте города имеется небольшой заболоченный участок, который нельзя обойти.
СНиП 41-02-2003 предусматривает возможность подземной прокладки тепловых сетей при условии частичного выторфовывания и обеспечения дренажа. Остается открытым вопрос, каким образом тепловой режим трубопровода влияет на процессы тепло- и влагообмена в торфяном массиве, и какое влияние оказывает фильтрация влаги в торфе на теплопотери трубопровода. Сказанным обуславливается актуальность темы диссертационной работы.
Исходным материалом для решения проблемы надежности и экономичности при проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных и гражданских объектов, коммуникационных сетей в условиях высокой заболоченности и заторфованности районов Тюменской области должен являться правильный прогноз водного и температурного режимов системы грунтов в течение всего периода строительства и эксплуатации.
При анализе конкретных технических ситуаций особое значение имеет правильная постановка и достаточно точное решение соответствующей задачи математической физики, т.е. получение количественных результатов.
Например, многочисленные осложнения и аварии на действующих тепловых сетях иногда происходят вследствие несоответствия требованиям нормативных показателей по качеству строительных конструкций теплопроводов или по теплофизическим показателям.
Изучение водно-теплового режима водонасыщенных грунтов, торфов, приводит к необходимости теоретического и численного исследования задач теплообмена при взаимодействии инженерных сооружений и системы грунтов.
Целью настоящей работы является исследование изменения водного и теплового режимов торфяного грунта вокруг трубопровода тепловых сетей при подземной прокладке, анализ зависимости теплопотерь трубопровода от процессов, протекающих в торфе.
Для реализации доставленной цели потребовалось:
1. Экспериментально изучить изменения фильтрационных свойств торфа
в горизонтальном и вертикальном направлениях при его уплотнении.
Результаты экспериментальных работ математически проанализировать,
получить функциональные зависимости и построить графики.
2. Экспериментально изучить компрессионные свойства торфяного
грунта, выявить функциональные зависимости коэффициента пористости и
влажности от компрессионного уплотнения. Построить графики
зависимостей.
3. Сформулировать задачу изменения влажности торфяного грунта по
времени и в пространстве.
4. Исследовать закономерности влияния теплопровода на водно-
тепловой режим торфяного грунта, а таїслсе исследовать влияние
влагопереноса в торфе на теплопотери трубопровода.
Для решения конкретных задач автор использовал методы и принципы грунтоведения, механики грунтов, гидравлики, теплофизики и математической физики. При постановке задач обязательным было соблюдение основных физических закономерностей, а также законов сохранения энергии и массы. При исследовании водно-температурного режима торфяного грунта использовалось моделирование на компьютере методами вычислительной математики. Все предположения и упрощения в
7 работе оговариваются и обосновываются. Полученные результаты решений соответствующих задач математической физики были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями.
Научная новизна:
1. Исследователями ТюмГАСУ совместно с автором были проведены
лабораторные эксперименты по изучению фильтрационных свойств торфа в
горизонтальном и вертикальном направлениях. Для изучения коэффициента
горизонтальной фильтрации был специально сконструирован прибор. Также
экспериментально изучены компрессионные свойства торфа.
2. На основе проведенных экспериментов автором предложены
функциональные выражения для коэффициентов фильтрации и пористости.
С учетом функционального изменения коэффициента горизонтальной фильтрации и коэффициента пористости от уплотнения выведено дифференциальное уравнение, которое определяет изменение влажности торфяного грунта по времени и в пространстве.
3. Вместо решения двумерной задачи предложено упрощение, согласно
которому введены горизонтальные слои по глубине и для каждого слоя
предложено решать одномерное уравнение по пространственной координате
с учетом взаимодействия между слоями.
4. В дальнейшем решение этого уравнения использовалось при
исследовании процесса водно-теплового режима торфяного грунта вокруг
прямоугольного канала трубопровода тепловых сетей. Решена задача
двумерной нестационарной теплопроводности при взаимодействии с
инженерными сооружениями промерзающих - протаивающих грунтов в
многослойной плоской системе с учетом фазового перехода поровой влаги и
с учетом фильтрации влаги.
8 5. Полученная математическая модель водно-теплового режима
позволила выявить закономерности взаимодействия влагопереноса в торфе и
теплового режима трубопровода.
Практическая ценность:
Предложенная модель позволяет решать прикладные инженерные задачи, прогнозировать изменение водно-теплового режима торфяной массы и инженерных коммуникаций, что подтверждается актами о внедрении. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в научной и учебной работе преподавателей.
Апробация и внедрение. Результаты работы докладывались на следующих конференциях н семинарах:
Научная конференция преподавателей молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА, г. Тюмень, 2004 год.
XI международная научно-практическая конференция "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс-2005)", г. Барнаул, сентябрь 2005 г.
3. ХП международная научно-техническая конференция
"Информационная среда ВУЗа", г. Иваново, ноябрь 2005 г.
4. Научные семинары на кафедрах ТГВ; математики; информационных
технологий и информатиіси; межкафедральной экспериментальной научной
лаборатории ТюмГАСУ.
Сведения о внедрении результатов, по которым имеются документы, приведены в Приложении.
Автор приносит благодарность за внимание к работе д.ф.-м.н., проф Аксенову Б.Г., д.ф.-м.н., проф. Кутушеву А.Г., д.т.н., проф. Шаповалу А.Ф., д.т.н., проф. Моисееву Б.В., к.т.н., доценту Кушаковой Н.П., ст. преподавателю Чекенко Л.Д. и другим ученым.
По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ.
9 На защиту выносятся следующие основные положения:
Эмпирические зависимости от уплотнения коэффициентов фильтрации торфа в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также эмпирические зависимости коэффициента пористости и влажности от нагрузки.
Модель послойной консолидации, позволяющая определять изменение влажности торфяного грунта по времени и в пространстве с учетом неоднородности и анизотропности его физико-механических свойств.
Математическая модель водно-теплового режима торфяного грунта вокруг прямоугольного канала трубопровода тепловых сетей с учетом фазового перехода воды в грунте. Пакет прикладных программ для решения модели.
Анализ взаимозависимости явлений консолидации в торфе и тепловых потерь трубопровода.
Температурно-влажностный режим грунтов н теплофизические характеристики торфов
Анализируя природно-климатические условия Западной Сибири можно сделать вывод, что район характеризуется резко континентальным климатом с продолжительной зимой, короткими весной, осенью и непродолжительным летом. Формирование снежного покрова происходит главным образом в ноябре - декабре. Глубокое промерзание почвы происходит в феврале марте. Авторы [1;9] и др. выделяют следующие стадии изменения влажности и температуры грунтов верхних слоев земляного полотна: 1. Осенняя стадия начального повышения влажности верхних слоев земляного полотна в результате впитывания атмосферных осадков и недостаточного испарения. 2. Стадия промерзания грунта, сопровождающаяся накоплением в верхних слоях толщи влаги, перемещающейся из более глубоких слоев под действием отрицательных температур. Можно считать, что глубина промерзания подчиняется зависимости Н-пр — - LdT где а - коэффициент, зависящий от климатических условий; т - число дней с момента установления средней отрицательной температуры —5С. Зимнее накопление влаги в земляном полотне происходит за счет перемещения ее по направлениям тепловых потоков от более теплых мест к более холодным. Количество переместившейся влаги зависит от рода грунта, степени его уплотнения. Количество накопившейся влаги зависит от скорости промерзания. Чем дольше задерживается граница промерзания на одном месте, тем больше образуется в грунте ледяных кристаллов. 3. Весенняя стадия оттаивания и максимального влагонасыщения грунта начинается с установления положительных температур на поверхности. Исследования авторами [1;2] температурно-влажностного режима районов Западной Сибири показали, что период с 1 ноября до конца марта характеризуется относительно стабильным состоянием зеркала грунтового горизонта. С начала апреля наблюдается незначительное повышение уровня грунтовых вод, достигающее максимума в июне, которое сохраняется в течение июля, августа и сентября, что связано с выпадением большого количества атмосферных осадков. В октябре наблюдается незначительное понижение уровня грунтовых вод, связанное с началом промерзания грунтов.
Из рисунка видно, что в середине октября (перед началом промерзания) по всей толще грунта устанавливаются положительные температуры. В конце октября и в ноябре верхние слои начинают промерзать. Наиболее низкая температура в верхних слоях удерживается в январе — феврале месяцах, а на глубине до трех метров — в апреле. В это время температура поверхностных слоев повышается и принимает положительные значения в мае.
В связи с суровыми климатическими, неблагоприятными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями районов Западной Сибири придается особое значение определению глубины промерзания грунтов.
Для изучения изменения температуры грунтов, т.е. теплового режима поверхностной толщи для выполнения тепловых расчетов инженерных сетей необходимо знать теплофизические характеристики грунтов, т.е. плотность, теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и др. Исследования по изучению теплофизических характеристик грунтов проводят экспериментально. Разработаны методы нахождения температуропроводности образца на стадии регулярного теплового режима, методы X и а-калориметра.
Температуропроводность определяется методом а-калориметра. Исследования проводят при интенсивном теплообмене с окружающей средой, который создается искусственно потоком воздуха, имеющим большую скорость, или охлаждением образца в воде. Коэффициент теплообмена в этом случае (а— со) достаточно большой, а критерий теплообмена (критерий Био) больше 100.
Теплопроводность определяют методами плоского источника, изотермической и мгновенной пластины, изотермического и мгновенного стержня; методом шарового зонда постоянной мощности, предложенного М.А. Кагановым. Это наиболее распространенный метод. Зонд представляет собой сферу радиусом 1-2 см, внутри которой нагреватель. Температура измеряется термопарой, горячий спай которой размещен на внутренней поверхности зонда, а холодный выведен наружу и помещается в среде на достаточном расстоянии (15-20 см).
По данным [1] теплофизические исследования торфов проводились в лабораторных условиях. Плотность скелета грунта для торфов изменялась от 80 до 500 кг/м3, естественная влажность составляла 98%. Пробы дополнительно увлажнялись, уплотнялись для выявления зависимостей теплофизических характеристик от влажности и плотности. Пробы готовились заранее и выдерживались при комнатной температуре в блоках (а-калориметрах) 48 часов. Влажность определялась методом высушивания по ГОСТу и взвешиванием проб на весах с точностью до 0,01 г.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что теплопроводность и температуропроводность для каждого значения плотности определяются от 50 до 700% в интервале изменения влажности.
Естественная влажность слоя торфа составляет в среднем 200-300%. Теплопроводность торфа при постоянной плотности скелета грунта с увеличением влажности растет. Причем при влажности до 300% повышается плавно, а затем, когда площади контаїстов возрастают и появляются сплошные проводящие мостики из воды, происходит резкое повышение теплопроводности; тем более резкое, чем больше плотность скелета грунта. Характер зависимости теплопроводности мерзлых грунтов такой же, как у талых. Температуропроводность торфа с увеличением влажности до 300% повышается, а затем остается постоянной, равной 2 10"7 м /с.
Теплофизические характеристики торфа приводят авторы [1] (рис. 1.2 и рис. 1.3). Из рисунков видно, что с увеличением влажности коэффициент теплопроводности увеличивается при любой плотности торфа как в талом, так и в мерзлом состоянии. Причем, по результатам опытных данных Л.Т. Роман [5] теплопроводность мерзлого торфа в 1,2 — 1,5 раза больше талого, вследствие большей теплопроводности льда по сравнению с водой. Зависимости объемной теплоемкости мерзлых и талых торфов от влаїїшости, полученные автором [5] таюке показывают повышение теплоемкости с повышением влажности. Известно, что коэффициент температуропроводности Q равен отношению теплопроводности к объемной теплоемкости. При малых значениях влажности с ее возрастанием коэффициент температуропроводности уменьшается, так как объемная теплоемкость возрастает быстрее, чем коэффициент теплопроводности. Затем с увеличением влажности коэффициент температуропроводности увеличивается, рис. 1.3. Такие закономерности справедливы как для талого, таге и для мерзлого торфа.
Водный и тепловой режим поверхностной толщи торфа и земляного полотна автомобильных дорог
В практике освоения заторфованных и заболоченных территорий использование торфяных отложений как оснований насыпей автомобильных дорог и железных дорог известно давно. Расчеты и проектирование основных параметров насыпи — максимальной высоты, ширины по низу, величины откосов и т.д. - разработаны многими авторами: В.Д. Казарновским, А.А. Ткаченко, И.Е. Евгеньевым, Л.С. Амаряном, Н.Н. Ивановым и другими [2;32-36]. Значительно менее освещены вопросы влияния водно-теплового режима на тело земляного полотна автомобильных дорог, вблизи которых прокладывают тепловые сети.
Водный режим системы грунтов складывается из процессов поступления, расхода и передвижения влаги в грунтовой толще и земляном полотне. Важнейшими факторами, влияющими на изменение влажности поверхностного слоя грунтов, являются: 1) климатические условия местности; 2) колебания температуры в теле земляного полотна; 3) свойства слагающих его грунтов; 4) уровень грунтовых вод с учетом его колебания в течение года.
При строительстве автомобильной дороги существенно меняется водный режим прилегающей местности, земляное полотно возвышают над возможными источниками увлажнения. При невозможности возвышения земляного полотна в его теле закладывают крупнопористые прослойки, прерывающие поднятие воды из глубинных слоев грунта.
Для осушения придорожной полосы, улучшения стока дождевой воды, покрытию и обочинам придают поперечный уклон, устраивают боковые канавы. Эти меры улучшают водный режим земляного полотна, но не могут сделать его вполне стабильным. Наличие водонепроницаемого покрытия прерывает испарение, и в грунте, подстилающем дорожную одежду, происходит накопление влаги за счет водяных паров, поступающих из глубинных слоев грунта.
Зимняя очистка дороги от снега увеличивает глубину промерзания под проезжей частью дороги, способствуя активному протеканию процессов зимней миграции влаги в зону промерзания. Наблюдения ряда исследователей [1;29] за изменением в течение года температуры и влажности верхних слоев земляного полотна выявили годовой цикл изменения влажности грунтов верхних слоев. По проф. А.Я. Тулаеву [9] в цикле можно выделить следующие стадии (рис. 1.5). Зимнее накопление влаги в земляном полотне происходит за счет перемещения ее по направлениям тепловых потоков от более теплых мест к более холодным. Количество переместившейся влаги зависит от вида грунта, степени его уплотнения, от условий подтока воды и т.д. Увеличение влажности промерзающих грунтов, образование в них водяных прослоек сопровождается увеличением объема, которое вызывает поднятие поверхности грунта - пучение.
В весеннюю стадию оттаивания влажность грунта резко увеличивается за счет воды, поступающей при таянии образовавшихся зимой ледяных прослоек. Весенняя стадия оттаивания — стадия максимального влагонасыщения и снижения прочности земляного полотна.
Начало развития теории движения воды в грунтах было положено в середине XIX столетия трудами французского инженера Г. Дарси, наблюдавшего движение воды в песках, именем которого назван основной линейный закон фильтрации. Движение воды при этом рассматривается как параллельно-струйное ламинарное в пористой среде, обладающей переменной пористостью и переменной водопроницаемостью.
В 1857 и 1863 г.г. появились работы И. Дюпюи, в которых были разобраны вопросы гидравлического обоснования опытного закона Дарси. Дюпюи предложил также первое приближенное решение для фильтрационного потока к колодцам и линейным дренам, носящее его имя.
Последователь Дюпюи Буссинеск (1904г.) распространил это решение на неустановившийся поток подземных вод и на определение расхода родников.
В конце восьмидесятых годов XIX века и позднее значительный вклад в теорию движения грунтовой воды был внесен Н.Е. Жуковским. Им решались общие задачи теории фильтрации, исследовались притоки воды к колодцам, артезианским скважинам и т.д. [19-22].
Большой вклад в развитие фильтрационной теории внес академик Н.Н. Павловский [20,21], который многие задачи подземной гидравлики впервые сформулировал как краевые задачи математической физики и указал общие методы их решения.
В 1931 году профессором Н.М. Герсевановым [22-24] была проанализирована одномерная задача уплотнения грунтовой массы. Было выведено и решено дифференциальное уравнение (1.6) гидродинамических давлений с учетом необходимых поправок. При этом изучались вертикальные перемещения не только водьі;, но и скелета грунта. где А — параметр компрессионной кривой, численно равный значению коэффициента пористости при Р=0 и получаемому при спрямлении компрессионной кривой.
В 1934 г. Н.М. Герсеванов воспользовался дифференциальными уравнениями движения грунтовых вод Н.Н. Павловского. На основе закона Дарси, принципов несжимаемости и гидроемкости уравнений влажности, он сформулировал плоскую задачу и получил семь уравнений с девятью неизвестными. Вопрос о методе решения такой системы Н.М. Герсевановым не рассматривался.
Дальнейшее развитие изученности фильтрационных свойств грунтов, а также развитие теории уплотнения грунтов принадлежит проф. В.А. Флорину. В его работах [25-28] не только дана полная постановка плоской и пространственной задач уплотнения грунтов под действием внешней нагрузки, собственного веса грунта и фильтрационного потока воды, но и получен ряд частных решений при всех необходимых начальньгх и граничных условий. При этом учитывалось влияние изменения водопроницаемости грунта, защемленных газов, ползучести скелета грунта, сжимаемость воды и твердых минеральных частиц грунта.
Изучение фильтрационных свойств торфа в лабораторных условиях в вертикальном направлении при его уплотнении
Как: уже говорилось, фильтрационные свойства торфов в горизонтальном направлении должны отличаться от фильтрационных свойств в вертикальном направлении, поэтому были проведены также экспериментальные исследования с целью нахождения значений коэффициентов вертикальной фильтрации на различных ступенях компрессионного сжатия образцов торфа.
Для определения коэффициентов вертикальной фильтрации на различных ступенях компрессионного сжатия образцов торфа, аналогично, как и в случае горизонтальной фильтрации, определялся расход воды с течением времени. Величины коэффициентов вертикальной фильтрации на различных ступенях уплотнения образцов торфа находили по формуле Каменского [2].
Это явление можно объяснить тем, что с уменьшением объема пор количество связной воды резко возрастает, а свободной — уменьшается. Увеличивается также сопротивление движению воды, что в совокупности приводит к уменьшению коэффициентов фильтрации при уплотнении.
Эффективность исследований определяется не только качеством планирования, постановкой и проведением экспериментов, но и, в значительной мере, правильностью понимания изучаемых зависимостей и закономерностей. Т.е. качественная и количественная оценки изучаемых явлений невозможны без обобщения, обработки и математического анализа результатов наблюдений.
Изменение коэффициентов фильтрации в вертикальном направлении некоторых образцов торфа от значений относительного уплотнения по опытным данным и по выведенным эмпирическим зависимостям. Возможность описания наблюдаемых явлений теоретической формулой не всегда представляется возможным, поэтому в практике исследований для отражения качественной и количественной сторон той или иной зависимости используют эмпирические формулы, найденные по результатам экспериментов.
Нахождение такой эмпирической формулы сводится к выявлению функции, которая охватила бы все многообразие результатов эксперимента, отразив качественно и количественно характер изучаемой зависимости в любой точке установленного интервала.
Анализируя данные проведенных экспериментов по изучению коэффициентов фильтрации видно, что: 1) значения независимой переменной X — относительного уплотнения и значения коэффициентов фильтрации находятся в области положительных чисел; 2) при возрастании значений X значения коэффициентов фильтрации монотонно уменьшаются, и часть кривой, прилегающая к оси X, асимптотически приближается к ней; 3) при А,—0 получаем начальные значения коэффициентов фильтрации к0; 4) в начальный момент уплотнения, т.е. при малых значениях X, коэффициенты фильтрации кф значительно уменьшаются, в дальнейшем это уменьшение становится незначительным. Эти особенности изменения коэффициента фильтрации от относительного уплотнения вполне отражают процесс, протекающий в торфе при его уплотнении.
Зависимости кф=Г(Х) могут быть описаны одной из функций (2Л2). Автором по данным экспериментов при изучении изменений коэффициентов фильтрации торфа в горизонтальном и вертикальном направлениях от относительного уплотнения проведен подбор эмпирических функций.
Математическая модель процесса теплообмена системы коммуникаций с окружающими торфяными грунтами
Согласно СНиП 41-02-2003 на участках с наименьшей суммарной мощностью слоев торфа, с уплотненным или осушенным торфом, следует предусматривать подземную прокладку тепловых сетей (бесканалыгую, в каналах, в городских или внутриквартальных тоннелях совместно с другими инженерными сетями).
Как уже говорилось выше, строительные конструкции тепловых сетей должны приниматься, как правило, сборными из унифицированных железобетонных и бетонных элементов. Конструирование и способы определения нагрузок на тоннели и каналы следует принимать согласно СНиП 20903-85.
Будем рассматривать тепловое влияние трубопровода, проложенного в прямоугольном канале, на торф, окружающий этот канал. Грунт, в который заглублен этот канал, представляет собой многослойную систему сезониопромерзающих (оттаивающих) грунтов для природно-климатических условий Западной Сибири.
В обзорной информации по вопросам инженерной подготовки болот и заболоченных территорий Западной Сибири [2] рекомендуется метод коридоров коммуникаций, который позволяет максимально использовать преимущества методов выторфовывания и пригрузки торфа. При этом торф, разработанный в пределах коридоров коммуникаций, рекомендуется не вывозить, а равномерно распределять в межкоридорных пространствах. В связи с чем глубина промерзания торфа зимой резко уменьшается.
Дренаж, предусматриваемый в коридорах коммуникаций, осушает не только этот коридор, но и прилегающую полосу слоя торфяного грунта. Слой торфа при этом улучшает свои физико-механические характеристики при фильтрации под весом уплотняющего его грунта [1;5], что влечет изменение температурного режима.
Процессы промерзания (оттаивания) торфяных грунтов являются сложными термодинамическими процессами, которые развиваются в капиллярно-пористой среде и сопровождаются изменением агрегатного состояния поровой влаги и физических свойств грунта.
В торфе свободная влага замерзает при температуре начала замерзания to, а связанная — в диапазоне температур ниже to. В результате образуется промерзшая зона, в которой наряду с кристаллами льда имеется содержание незамерзшей воды WII3.
Многочисленные исследования торфяных грунтов [5] показали, что значение температуры начала замерзания грунтовой влаги неизменно находилось в пределах -0,2 - -0,1 С. С уменьшением начальной влажности торфа W содержание незамерзшей воды W при одной и той же температуре уменьшается. В промерзшей зоне при повышении или понижении температуры происходит соответственно поглощение или выделение тепла фазовых переходов незамерзшей влаги, т.е. возникают непрерывно распределенные источники тепла. Впервые этот факт включил в математическую постановку задачи о промерзании (оттаивании) грунта А.Г. Колесников.
Если теплопровод проложен в торфяном грунте, то существенное влияние на процесс теплообмена оказывает изменение влажности торфа вследствие фильтрации влаги в дренирующую систему песок - гравий.
Уравнение (3.13), определяющее влажность торфяного грунта вблизи канала трубопроводов тепловых сетей при положительных температурах, позволяет рассмотреть для каждого значения у в направлении оси OY одномерную задачу фильтрации.
Совместное решение уравнений (3.13) и (3.14) определяют перенос тепла и влаги в системе песок-гравий-торф вблизи канала трубопровода тепловых сетей.
При решении задач процесса теплообмена системы коммуникаций с оіфужаюпщми грунтами одной из важнейших проблем является учет фазовых переходов влаги. В работах [65;69-71] авторы рассматривают вопросы промерзания, протаивания грунтов в условиях сложных термодинамических процессов, которые развиваются в неоднородной капиллярно-пористой среде и сопровождаются изменением агрегатного состояния поровой влаги и физических свойств системы грунтов и строительных материалов.
Теллообменные процессы в торфах вблизи канала трубопровода тепловых сетей значительно отличаются от процессов, описываемых классической задачей Стефана. При отрицательных температурах поровая влага в торфяной массе постепенно замерзает, что влечет за собой выделение тепла фазовых переходов во всей толще многослойного ограждения канала.
Задача 3.14-3.25 была аппроксимирована разностной задачей по стандартной методике [68] с использованием пакета прикладных программ для компьютера [65]. Решение системы разностных уравнений на каждом временном шаге проводилось продольно-поперечным методом. Вдоль строк и столбцов применялся метод прогонки с итерациями. Сетка выбиралась так, чтобы ее узлы не попадали на границы слоев. Предполагалось, что между двумя соседними точками физические характеристики меняются по линейному закону.
