bonchosmolovskaya_n_e_mehanika_zhidkosti_i_gaza_laboratornyi

Порядок проведения опытов

1. Изготовить электропроводящую модель исследуемой области фильтрации (водопроницаемого основания сооружения). При этом внешние границы натуры и модели должны быть геометрически подобны и на границах области фильтрации натуры напор и электрический потенциал модели должны быть аналогичными.

Длину моделируемой области плоского напорного фильтрационного потока при небольшой мощности t водопроницаемого пласта, рис. 21.3, а, б, назначить из условия

/ = /о+(3...4>,

где /о - длина горизонтальной проекции непроницаемой части подземного контура сооружения.

При большой мощности водопроницаемого пласта (t —>оо) область фильтрации ограничивается полуокружностью, рис. 21.3, в,г, с центром в точке 0,5 /о. Радиус г должен быть не менее 1,5 /о или 3So {So - длина вертикальной проекции подземного контура, включая и шпунт).

Если необходимо моделировать область безнапорной фильтрации, рис. 21.4, а, б, то длина

1 = Ь+4Н,

где b - ширина плотины по подошве до начала дренажа.

При глубоком залегании водоупора 1 область фильтрации снизу ограничивается линией, расположенной на глубине t:

г = 2,56 или t = 5H;

врасчете принимается значение t, большее из вычисленных.

2.На листе электропроводной бумаги в заданном масштабе геометрического подобия вычертить, а затем вырезать исследуемую область фильтрации. При этом не следует изготавливать модель площадью менее 200 см^, так как на малых моделях результаты исследования будут характеризоваться большими погрешностями и к тому же усложняется реализация граничных условий.

б) уШфоор) Ш2(о%(

S

-л н /.м

У / / / / / / / / / / / / / / / / / 4 ^ / / / / / / / / / А

в)

г)

Рис. 21.3

По граничным линиям равного напора - по поверхности грунтов в верхнем и нижнем бьефах, где должны быть прикреплены соответствующие шины, необходимо оставить запас бумажного края шириной 3-4 мм для подключения шин. Шпунт моделируется в виде выреза соответствующей глубины шириной I... 1,5 мм.

Приступая к проведению опыта, предварительно проверить нулевые показания стрелки гальванометра при заданной разности потенциалов. Дпя этого шкалы декады и реохорда поставить в положение «О» при включении гальванометра в положение «низкая чувствительность гальванометра». Иглой-щупом слегка прикоснуться к шине Шг с потенциалом «О %» (НБ). Если стрелка гальванометра на измерительном устройстве при этом не отклоняется в сторону, то можно включить высокую чувствительность гальванометра. При отклонении стрелки от нуля надо скомпенсировать несоответствие потенциала нулю плавным вращением в одну или другую сторону ручки «Регулятор О %».

После проверки потенциала «О %» приступить к проверке потенциала «100 %» на шине Ш] (ВБ). Для этого шкалу переключателя декад поставить на деление «9», а шкалу реохорда делением с цифрой «10» - против указателя. Гальванометр переключить на низкую чувствительность, иглой прикоснуться к шине Ш] - 100 %. Потенциал регулировать с помощью потенциометра «Регулятор 100 %». Затем перейти на высокую чувствительность гальванометра и установить потенциал более точно.

После установки потенциалов «О %» и «100 %» на шинах модели произвести более точную подгонку промежуточных значений потенциалов на модели с помощью делителя напряжения в соответствии с «Инструкцией по эксплуатации установки ЭГДА-9/60».

После реализации и проверки граничных условий перейти к нахождению эквипотенциальных точек внутри поля моделируемой области фильтрации для проведения по ним соответствующих эквипотенциалей (линий равных напоров). Для отыскания с помощью иглы-щупа на модели точек, принадлежащих определенной эквипотенциали, надо установить шкалу переключателя декад на деление, соответствующее данному потенциалу, а шкалу реохорда - на деление «О». Обычно полное падение потенциала на модели принимают за 100 % или за 1 и в зависимости от необходимой точности решения задачи делят на 5, 10 или 20 частей. В настоящей работе разность потенциалов (напор) разделяется на 10 частей, и поэтому в процессе опыта на исследуемом листе электропроводной бумаги ставят точки, принадлежащие потенциалам 90, 80 ,..., 10 %. Точки каждой эквипотенциали найти иглой при положении стрелки гальванометра, отвечающему нулевому отсчету. Поиск точек эквипо-

тенциали начинается на подземном контуре флютбета, для чего острием иглы проводят вдоль этого контура и следят за показанием гальванометра. Точка фиксируется на электропроводной бумаге легким нажатием иглы, затем закрепляется цветным карандашом. Вторую точку искомой линии находят вблизи первой и т. д. Последняя точка эквипотенциали лежит на границе модели. Каждую эквипотенциаль (равнонапорную линию) строят по 5-8 точкам. Соединяя эти точки плавной кривой, получают линию равного потенциала или линию приведенного напора К = const, рисуемую цветным карандашом. Граничные линии, отвечающие потенциалам 100 и О %, проводят по краям шин Ш] и Шг. Все построенные таким образом линии следует надписать соответствующими значениями приведенных напоров hr (Лн = 1,0, = 0,9, А^з = 0,8, ... , = 0) или действительных напоров Я, связанных с hr зависимостью

H = Zhr+h2,

где Z = hi-h2 - разность уровней воды в верхнем и нижнем бьефах; А] и - глубины в верхнем и нижнем бьефах, отсчитанные от плоскости сравнения, например, от линии дна.

В итоге модель исследуемой области фильтрации разделяется линиями равного напора на десять поясов. Падение действующего напора в пределах каждого пояса составит 0,lz.

Если подземный контур сооружения имеет точки перелома, то появляется надобность в определении потенциала в них. С этой целью острие иглы установить в рассматриваемой точке, но сначала переключатель декад поставить в положение, соответствующее ближайшей справа эквипотенциали, и, вращая ручку реохорда, добиться, чтобы стрелка гальванометра давала нулевой отсчет, а далее сделать отсчет по реохорду и найти искомый потенциал в указанной точке.

Модель исследуемой области фильтрации с закрепленными линиями равного напора с помощью копировальной бумаги переносится с электропроводной бумаги на миллиметровую.

Обработка опытных данных

Все вычисления значений параметров фильтрационного потока выполнить по исходным данным, приведенным в табл. 21.2.

184

2. Для определения выходных градиентов J пояс давления в зоне выхода потока в нижний бьеф разбивают на более мелкие пояса (пунктирная эквипотенциаль на рис. 21.5). Применительно к последнему мелкому поясу находят средние в ячейке сетки выходные градиенты по формуле

Лр = AL

где АН - падение напора в пределах рассматриваемой ячейки, снимаемое с гидродинамической сетки; Д/ - среднее расстояние между эквипотенциалями в пределах ячейки, измеряемое по линии тока, проходящей через середину ячейки (пунктирные линии тока).

Результаты определения выходных градиентов на поверхности дна нижнего бьефа представлены в табл. 21.3.

Таблица 21.3

Выходные градиенты и скорости фильтрации

А/вых, М 7ср = Д^вых ! ^'вых Иср.л=^ср'М/с

После вычисления средних выходных градиентов во всех ячейках выходного пояса сетки по данным табл. 21.3 строят их эпюру с целью проверки местной фильтрационной прочности грунта на выходе фильтрационного потока. Выходные градиенты не должны превышать значение критического градиента, определяемого по СНиП. Для построения этой эпюры вычисленные выходные градиенты в выбранном масштабе откладываются по вертикалям, проходящим через соответствующие точки дна нижнего бьефа. Эти точки являются точками пересечения линии дна НБ с линиями тока, проходящими через середину выходных ячеек сетки (см. рис. 21.5). Эти

линии тока дополнительно надо провести от руки (на рис. 21.5 фрагменты их показаны пунктирными отрезками).

3. Вычисляются средние скорости фильтрации на выходе грунтового потока в нижний бьеф по формуле Дарси в тех же выходных ячейках сетки, которые использовались выше для определения градиентов:

где iifкоэффициент фильтрации, его значение задается в работе. Вычисленные значения средних выходных скоростей фильтра-

ции на поверхности дна нижнего бьефа представлены в табл. 21.3. По этим данным строится эпюра выходных скоростей фильтрации, при этом вычисленные скорости в выбранном масштабе откладываются на тех же вертикалях, которые использовались для построения эпюры градиентов. Но масштабы на координатных осях скорости и градиента должны быть такими, чтобы эпюра скоростей размещалась выше эпюры выходных градиентов.

4. Определить удельный фильтрационный расход, т. е. расход на единицу ширины области фильтрации. Этот расход q есть сумма удельных расходов проходящих по каждой ленте. Удельный расход каждой ленты q^ определяют графоаналитическим способом по выражению

где Мср л - средняя скорость фильтрации на выходе грунтового потока в нижний бьеф по данной ленте; значения Ысрл приведены в табл. 21.3; их также можно брать с построенной эпюры выходных скоростей; А-Ул - ширина ленты по дну нижнего бьефа, определяется по чертежу (см. рис. 21.5).

Результаты определения удельного фильтрационного расхода представлены в табл. 21.4.

3

4

5

Затем по данным табл. 21.4, откладывая в масштабе нарастающую сумму удельных расходов по лентам справа от соответствующей ленты, построить эпюру удельных расходов.

Полный фильтрационный расход под сооружением есть произведение удельного расхода q на длину всего сооружения. Произведение площади эпюры выходньк скоростей на длину сооружения также дает полный фильтрационный расход под сооружением.

5. Для определения силы давления фильтрационного потока на флютбет сооружения строят эпюру вертикального давления (эпюру противодавления) потока на основание сооружения. В этих целях подземный контур сооружения проецируется на горизонтальную линию, на которой отмечаются точки излома контура и точки пересечения линий равного напора с контуром. Во всех этих точках вычисляется вертикальное давление по формуле

^? = pg(A,z+/22+>'),н/м^

где р - плотность воды; h^ - приведенный напор или число, показывающее, какую часть действующего напора Z составляет линия равного напора, проходящая через данную точку; hj - глубина в нижнем бьефе; у - заглубление точки под дном нижнего бьефа.

Результаты расчета вертикального давления в точках флютбета представить в табл. 21.5.