Пример расчета стационарного температурного поля в условиях Крайнего Севера



Важной проблемой в условиях Крайнего Севера является строительство и эксплуатация промышленных бассейнов и накопителей различных отходов, золошлаков ТЭС и др. В результате теплового воздействия бассейнов и накопителей происходит оттаивание вечномерзлого основания, разрушение сооружения, вытекание воды и промстоков, инфильтрация жидкой фазы отходов через оттаявшее основание и, как следствие, загрязнение подземных вод. Это приводит к нарушению безопасной эксплуатации бассейнов и накопителей и загрязнению окружающей среды.

В СФУ разработана конструкция накопителя, позволяющая регулировать глубину оттаивания мерзлого массива под постоянно действующим источником тепла, каким является любой накопитель с гидротранспортной системой удаления отходов. Целью разработки, является обеспечение экологической безопасности и устойчивости бассейна или накопителя при сохранении водонепроницаемого мерзлого основания.

Для этого предлагается разделить одну глубокую чашу оттаивания на несколько локальных с помощью разделительных дамб, оборудованных системой термосифонов, образующих мерзлотные барьеры. Конструктивная схема и результаты расчетов приведены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Поперечный разрез накопителя

Рис. 2. Схема формирования чаш оттаивания под накопителем на двухслойном мерзлом основании: 1 — контур чаши оттаивания под накопителем без учета мерзлотного барьера, рассчитанный по формуле 2; 2, 3 — контуры чаш оттаивания с учетом мерзлотного барьера, рассчитанные по формулам 3.3 и 3.4.

.

Возведение накопителя осуществляется следующим образом. После завершения строительства дамб 2 и 6 и создания в них мерзлотных завес 3 и 7 начинается заполнение емкости гидросмесью через пульповыпуски 10 пульпопровода 9. В процессе намыва и осветления пульпы на дне емкости формируется слой золошлаковых или других отходов 12; одновременно под ним формируются локальные чаши 11 оттаивания, развитие которых в стороны ограничено мерзлотными завесами 3 и 7, а снизу — льдонасыщенным грунтом 5. Слой отходов 12 оказывает дополнительное теплоизолирующее влияние и тем самым замедляет процесс развития локальных чаш 11 оттаивания.

За период эксплуатации глубина локальных чаш оттаивания не выходит за пределы верхнего слоя основания, в талом состоянии слабопроницаемого, а в мерзлом — водонепроницаемого. Тем самым в основании накопителя создается мерзлотный противофильтрационный барьер.

Расчет двухмерной задачи построения плоского стационарного температурного поля под водохранилищем на вечномерзлом основании может быть выполнен по формуле

(1)

где t(x, у) — искомая температура в любой точке области дна водохранилища;

t_В — заданная среднегодовая температура подводной поверхности грунта, °С;

t_Г –среднемноголетняя естественная температура мерзлоты, осредненная по глубине от подошвы деятельного слоя до горизонта нулевых амплитуд (обычно до глубины 15–20м);

G_у — геотермический градиент, град./м, принимаемый по справочным данным для района проектируемой плотины (в большинстве районов вечной мерзлоты G=0,02–0,03 град/м, а в расчетах оттаивания дна до глубины 10–15 м может не учитываться).

Расчетная схема и положение нулевой изотермы, ограничивающей чашу протаивания под водохранилищем, показаны на рис. 3.

Рис. 3. Схема к расчету оттаивания ложа водохранилища

1. Глубина водоема не учитывается.
2. Тепловое влияние не учитывается заданием среднегодовой температуры поверхности дна.
3. Задается только ширина В.
4. Длина водоема значительно превышает ширину.
5. Наличие подмерзлотных вод- криопэгов не учитывается.

Рассматривается стационарное температурное поле в основании водоема для варианта максимального возможного оттаивания мерзлотного грунта под водоемом.

– глубина воды в водоеме не учитывается, её среднегодовая температура считается приложенной к поверхности днища. Днище- плоское.

– Наличие донных отложений (торфа, отходов и т.д) не учитывается так как любые отложения являются теплоизоляционным слоем и замедляют оттаивания ложа т.е рассматривается более тяжелый и опасный вариант теплового воздействия на водоем.

– В плане водоем- прямоугольный. Ширина его В, длина L ≥ 2÷3 В это дает возможность рассматривать плоско- вертикальную задачу в сечении совпадающем с центром водоема.

– Разнородные грунты усредняются по свойствам и рассматриваются как условно однородная среда теплофизические характеристики которой λ_т, λ_м заданные по таблице 2.3 (стр.108 пособия ПТП и БС) для конкретного грунта в зависимости от его плотности и влажности.

– Не учитывается образование льда а поверхности водоема.

– Принято, что тепловая осадка грунта по мере развития чаши протаивания его сжатия, изменения плотности и влажности и т. д. существенно не влияют на деформацию поверхности днища, на температуру воды и другие параметры.

Название	Обозначение	Значение
Ширина, м	В	400
Температура воды, ◦С	tв	6
Температура грунта, ◦С	tг	-4
Плотность грунта, т/м3	ρ	1,8
Влажность грунта, доли ед.	W	0,2
Геотермический градиент, гр•м2	G	0,025
Мощность мерзлоты, м	М	180

Для определения λ_т, λ_м таблица 2.3 (стр.108 пособия ПТП и БС).

Тип грунта- суглинки.

λ_т=1,35

λ_м=1,55

Расчет ведем по формуле (5.1) учебного пособия ПТП и БС.

Результаты расчетов.

Х, м	145	150	155	160	180	190	200
У, м	180	175	165	170	160	150	100
T, ◦С	0,09	0,09	0,07	0,08	0,07	0,08	0,08

По формуле рассчитаем y_max:

Получаем y_max равное 104 м.

По результатам расчетов температуры в рассматриваемой области строится чаша протаивания (приложение 1) и определяется какой случай:

– замкнутая чаша протаивания

– сквозная чаша протаивания

– замкнутая чаша при незначительной глубине возможного повторного оттаивания.

Получаем, что расчетная чаша протаивания- сквазная.

Литература:

1. Кузнецов Г. И. Геоэкология. Защита окружающей среды: учеб. пособие / Г. И. Кузнецов, Н. В. Балацкая — Красноярск: Сибирский Федеральный Университет; Политехнический институт, 2007–129 с.
2. Рекомендации про проектированию и строительству плотин из грунтовых материалов для производственного питьевого водоснабжения в условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты. — М.: Стройиздат, 1976. — 112с.
3. Хрусталев Л. Н. Основы геотехники в криолитозоне: учебник / Л. Н. Хрусталев. — М.: Изд-во МГУ, 2005. — 537с.
4. Кузнецов Г. И. Природно-техногенные процессы и безопасность сооружений: учеб. пособие / Г. И. Кузнецов, Н. В. Балацкая — Красноярск: Сибирский Федеральный Университет; Политехнический институт, 2015–108 с. (В печати.)