11081
.pdf
Рис. В. Температурный разрез по плотине и основанию при t = 3 года
Рис. Г. Температурный разрез по плотине и основанию при t = 5 лет
240
Трехмерная модель температурного режима берегового примыкания плотины
Иллюстрируется простая (условная) ситуация примыкания грунтовой плотины к борту долины: грунты неоднородные; фильтрация воды отсутствует. Основными факторами формирования температурного режима являются: кондуктивная теплопередача в грунтах; фазовые превращения поровой влаги при оттаивании-замерзании, сопровождающиеся поглощением или выделением теплоты.
Схема расчетной области берегового примыкания плотины
241
Уравнения нестационарного процесса теплопроводности
(1)
(2)
242
Пояснения к уравнению (2)
Последний член в уравнении (2) описывает выделение или поглощение тепла при фазовых превращениях поровой влаги в грунте, а входящая в него
льдистость является функцией температуры: |
|
|
при |
; |
|
при |
; |
|
при |
, |
|
то есть, если вся вода замерзла, то |
, а если весь лед растаял, то |
[Февралев, |
1981]. |
|
|
Краевые условия задачи теплопроводности
Для расчета полей температуры в расчетной области должны быть назначены начальное температурное состояние (на момент начала расчета) и граничные условия: для подводных поверхностей условия I рода; для поверхностей соприкасающихся с воздухом, условия I илиIII рода; для плоскостей, ограничивающих расчетную область,
условия одномерности теплового потока
243
Численная модель температурного режима
Расчет температурного режима выполняется на ЭВМ. Применяется метод конечных разностей. В расчетной области строится пространственная разностная сетка. Для аппроксимации дифференциальных уравнений (1) и (2) численными аналогами используется неявная разностная схема, которая
является |
абсолютно |
устойчивой. |
Поэтому |
значение |
расчетного |
временного |
интервала |
выбирается |
только из требуемой точности расчета. На этот интервал отстоят друг от друга временные слои «К» и «К+1».
Система численных уравнений решается приближенно с использованием итерационного метода Зейделя.
По результатам расчетов строят температурные поля на заданные моменты времени в заданных сечениях расчётной области.
Схема семиточечного шаблона для разностной аппроксимации дифференциальных уравнений
244
Построение стационарного температурного поля в плотине методом электротепловой аналогии (ЭТА)
Электротепловая аналогия – это аналогия между стационарным полем электрического тока в проводящей среде и стационарным полем относительной температуры. Аналогичные величины – электрический потенциал вольт, и относительная температура описываются обе уравнением Лапласа. Геометрические формы токопроводящей среды и температурной области должны быть одинаковы.
Г
Гальванометр
Модель плотины из электропроводной бумаги, подключенная к электроинтегратору |
|
Результат моделирования: изотермы относительной температуры в плотине и основании. |
245 |
|
Расчеты замораживающих систем в грунтовых плотинах
Приближенный метод расчета воздушной замораживающей системы [Руководство, 1976]
Рекомендуемые параметры замораживающей системы:
•длина колонок не более 30 ÷ 35 м;
•диаметр внешней трубы колонки 150 ÷ 200 мм;
•количество колонок в системе 40 ÷ 60 штук;
•скорость движения воздуха не менее 10 м/с;
•систему устраивают после возведения плотины; она должна быть запроектирована так, чтобы в первую зиму сомкнулись диаметры ледогрунтовых цилиндров и образовалась мерзлотная завеса.
Схема замораживающей колонки
246
Диаметр ледогрунтового цилиндра, образующегося вокруг замораживающей колонки в нефильтрующемгрунте, определяют по формуле:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
диаметр замораживающей колонки, |
м; обычно 0,15 - 0,20 м; |
||||||||
|
объемный вес (плотность) талого грунта, |
; |
|
|||||||
|
теплоемкость талого грунта, ккал/(кг ∙ град); |
|
||||||||
|
перепад температуры в грунте, охлаждаемом от начальной |
|||||||||
температуры |
до |
; |
|
|
|
; |
|
|
||
|
объемный вес скелета грунта, |
; |
|
|
||||||
|
весовая влажность грунта, доли единицы; |
|
|
|||||||
|
скрытое тепло таяния-замерзания льда, |
|
; |
|||||||
|
количество теплоты, отбираемой одним метром длины колонки за |
|||||||||
время t: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
средний расход воздуха на 1 м длины колонки, |
. Задается при |
||||||||
проектировании колонок не менее |
|
|
|
; |
|
|||||
|
|
|
|
|||||||
|
удельный вес воздуха, |
; |
|
|
||||||
|
теплоемкость |
воздуха, ккал/(кг ∙ |
град), |
при |
ккал/(кг ∙ |
|||||
град); |
|
|
|
|
|
|
|
|
247 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
248
t – время работы вентилятора, часы. Система включается при температуре воздуха минус (15 - 20)°С, тогда она эффективна. Работает около 4-х месяцев (декабрь, январь, февраль, март), t 2000 часов;
Q2 – боковой приток тепла к колонке от незамороженных грунтов:
249