Research to determine filtration flow from the railway

Full Text

В настоящее время особое внимание уделяется поверхностным стокам, а также их последующему движению по балластной призме и впитыванию в поверхности и грунты. Наиболее часто рассматривают качественные и количественные характеристики поверхностного тока с территорий населенных пунктов и промышленных предприятий [1−5]. Такими предприятиями являются железнодорожные станции, перегоны, пункты сортировки вагонов и пр. Данные предприятия относятся к линейным сооружениям, так как вытянуты по площади на большом расстоянии, что затрудняет расчет поверхностных и фильтрационных сточных вод. Соответственно рационально рассматривать только участки железнодорожных станций, повышенных путей и участков пересечения железнодорожных путей с водными объектами [6].

Определение количества фильтрационного стока является одной из важнейших задач для водоотведения поверхностных сточных вод. Это обуславливается как свойствами грунтов, так и местом их расположения. В настоящем исследовании рассматривается фильтрационный сток с железнодорожного пути. На это влияет строение верхнего и нижнего пути балластной призмы железнодорожного пути, количество выпавших осадков и их интенсивность, а также скорость движения воды через поры грунта [7].

Для фильтрационного стока были проведены исследования на участке экспериментального железнодорожного пути [8]. Подача воды на установку (рис. 1) варьировалась согласно характерной интенсивности дождя по Самарской области для определения зависимости коэффициента фильтрационного стока от интенсивности дождя (табл. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:1 – балластная призма; 2 – водосборный лоток; 3 – мерная емкость; 4 – слой геотекстиля; 5 – грунтовый слой; 6 – подвод воды из водопровода; 7 – емкость для подачи воды; 8 – переливной трубопровод; 9 – подвод воды к оросителю; 10 – ороситель

Таблица 1. Определение коэффициента фильтрационного стока на экспериментальном участке железнодорожного пути

Данные исследования подтверждают выводы о характере фильтрации и высачивании жидкости на границе сред [9]. Рассмотрим вопрос по определению коэффициента фильтрации водоносных пород при мгновенном и локальном насыщении водой на действующих железнодорожных путях [10, 11] при условии объема влаги и смачиваемой площади S_л или ее радиуса R_л. Для дальнейших расчетов принимаем значения по лотку № 1, так как он проложен в двух средах − щебне и песке. На основании табл. 1 построен график зависимости коэффициента поверхностного стока от времени и интенсивности дождя [8] (рис. 2, 3).

Рис. 2. Зависимость коэффициента поверхностного стока от интенсивности дождя на экспериментальном участке железнодорожного пути:y – уравнение, описывающее построение аппроксимирующей (сглаживающей) кривой; R2 – величина достоверности аппроксимации (сглаживания)

Рис. 3. Зависимость коэффициента поверхностного стока от времени на экспериментальном участке железнодорожного пути

Экспоненты, описывающие расположение точек уравнениями, имеют степенные функции (см. рис. 2, 3), это означает предварительное накопление жидкости в поровом пространстве балластной призмы и последующее ее высачивание на разделе сред [9].

Согласно представленным графикам на рис. 2, 3, зависимость коэффициента поверхностного стока от интенсивности выпадения дождя выражается логарифмической функцией, соответственно при возрастании интенсивности дождя коэффициент поверхностного стока снижается. На основании исследований характера фильтрации поверхностного стока и его анализа можно сделать вывод, что изначально происходит накопление жидкости в теле балластной призмы, а затем ее выброс в боковом направлении [6].

До настоящего времени рассматривалась чистая жидкость на незагрязненном щебне (идеальный опыт). Необходимо провести опыты в реальных условиях. Была отобрана поверхностная сточная вода (три серии опытов) и проанализирован характер фильтрации (среднее значение) в зависимости от загрязняющих ингредиентов [8] (табл. 2, рис. 3).

Таблица 2. Изменения вязкости от концентраций загрязняющих веществ

Рис. 4. Зависимость характера фильтрации от концентрации нефтепродуктов через корректировочный фактор

В этом случае в слое щебня в результате просачивания формируется фильтрационный канал с тем же радиусом R_л и изменённой скоростью фильтрации C_щеб. На границе щебня и песка происходит расширение фильтрационного канала до величины R_пес исходя из формулы

$L_{\text{низ}}=\left(\frac{C_{\text{верх}}}{C_{\text{низ}}}\right)·L_{\text{верх}}$, (1)

где L_низ, L_верх – расширение фильтрационного потока жидкости (ширина потока жидкости); C_верх , C_низ – скорости фильтрации жидкости.

$R_{\text{пес}}=\sqrt{\frac{C_{\text{щеб}}}{C_{\text{пес}}}}·R_{\text{л}}$, (2)

Фильтрация в песке продолжается путем снижения скорости фильтрации C_пес. На границе песка и грунта происходит вторичное снижение скорости фильтрации (до величины C_гр) и расширение фильтрационного канала до величины R_гр:

$R_{\text{гр}}=\sqrt{\frac{C_{\text{щеб}}}{C_{\text{гр}}}}·R_{\text{л}}$

Следует отметить, что, как правило (см. табл. 1, 2), коэффициент фильтрации песка уменьшается по отношению к коэффициенту фильтрации щебня, а коэффициент фильтрации грунта – во много раз уменьшается по отношению к коэффициенту фильтрации песка.

Численные оценки показывают, что радиус фильтрационного канала в песке в $\sqrt{\frac{C_{\text{щеб}}}{C_{\text{пес}}}}\approx$4,42 раза больше радиуса скопившейся на поверхности грунта жидкости, а радиус фильтрационного канала в грунте – в $\sqrt{\frac{C_{\text{щеб}}}{C_{\text{гр}}}}\approx$67 раз больше радиуса скопившейся на поверхности грунта жидкости. Ясно, что любое скопление жидкости на железнодорожных путях приводит к боковым выбросам как на границе слоя щебня и песка, так и на границе слоя песка и грунта.

Строгие геометрические оценки достаточно громоздки, но в предположении C_щеб >> C_пес >> C_гр, (L_пути – ширина пути) с использованием формул (1) и (2) можно определить долю жидкости, выброшенной на границе щебня и песка, как ∆_{щеб/пес}:

${\Delta }_{\text{щеб}/\text{пес}}\approx 1-\frac{2}{\pi }·\sqrt{\frac{C_{\text{пес}}}{C_{\text{щеб}}}}·\frac{L_{\text{пути}}}{R_{\text{л}}}$, (4)

а долю жидкости, выброшенной на границе песка и грунта, как ∆_пес/гр:

${\Delta }_{\text{пес}/\text{гр}}\approx \frac{2}{\pi }·\sqrt{\frac{C_{\text{пес}}}{C_{\text{щеб}}}}·\frac{L_{\text{пути}}}{R_{\text{л}}}·\left(1-\frac{C_{\text{гр}}}{C_{\text{пес}}}\right)$, (5)

Основная часть просачиваемой жидкости выбрасывается на границе щебня и песка, а оставшаяся небольшая часть жидкости – на границе песка и грунта. Так, в частности, при принятых выше предположениях для численных оценок и дополнительном предположении, что $R_{л}\approx \frac{L_{\text{пути}}}{2}$имеем: ∆_{щеб/пес} ≈ 71,3 %, ∆_пес/гр ≈ 28,7 %. Это означает, что примерно 2/3 просачиваемой жидкости выбрасывается на границе щебня и песка, а почти вся оставшаяся 1/3 – на границе песка и грунта даже при полном отсутствии геотекстиля.

Кроме того, необходимо определить время впитывания жидкости t_впит, а также временную задержку между временем возникновения скопления жидкости на поверхности и временем выброса на границах сред. Действительно, приняв для глубины скопившейся жидкости , для времени впитывания имеем:

$t_{в\text{пит}}=\frac{h_{\text{макс}}}{C_{\text{щеб}}}$, (6)

Сравнивая время начала выброса на границе щебень-песок с моментом подхода фильтрационной «капли» жидкости к этой границе и введя высоту слоя щебня h_щеб, а также учитывая, что скорость движения жидкости в щебне равна C_щеб / m_щеб, для задержки начала выброса на границе щебень-песок t_{щеб/пес} имеем:

$t_{\text{щеб}/\text{пес}}=\frac{h_{\text{щеб}}·m_{\text{щеб}}}{C_{\text{щеб}}}$, (7)

Продолжительность выброса ∆t_{щеб/пес} можно определить, приняв, что высота «капли» жидкости равна h_макс / m_щеб, а скорость ее перемещения – C_щеб / m_щеб.

В итоге имеем:

$\Delta t_{\text{щеб}/\text{пес}}=\frac{h_{\text{макс}}}{C_{\text{щеб}}}$, (8)

Аналогично оценивается время задержки и продолжительность выброса на границе песок-грунт:

$t_{\text{пес}/\text{гр}}=\frac{h_{\text{пес}}·m_{\text{пес}}}{C_{\text{пес}}}$, (9)

$\Delta t_{\text{пес}/\text{гр}}=\frac{h_{\text{макс}}}{C_{\text{пес}}}$, (10)

Например, предполагая для чистой воды, что h_макс = 0,05 м, h_щеб= h_пес = 0,5 м, имеем: t_{щеб/пес} = 23 с, ∆t_{щеб/пес} = 5 с, t_пес/гр= 147 с, ∆t_пес/гр= 98 с, согласно формулам (7) – (10). Из этого следует, что впитывание скопившейся жидкости и боковой выброс жидкости происходят достаточно быстро, т. е. выброс на границе балластной призмы и песчаной подушки начинается уже через 23 с после выпадения проливного дождя (ливня) и заканчивается через 28 с, а выброс на границе песчаной подушки и грунта начинается через 103 с и заканчивается через 350 с.

Отметим, что определение длительности времени выброса жидкости (∆t) зависит от интенсивности дождя (или иного способа орошения поверхности) по закону прямой пропорциональности, а определение их задержек (t) – не зависит от нее. Так, например, если вместо 50 мм осадков (как принято в нашем случае – чистой воды) будет всего 5 мм загрязненной воды, время выброса жидкости изменится следующим образом: t_впит = 0,5 с, t_{щеб/пес} = 23 с, ∆t_{щеб/пес} = 0,5 с, t_пес/гр = 147 с, ∆t_пес/гр = 9,8 с.

На основании полученных результатов можно рассмотреть процессы фильтрации поверхностного стока, загрязнённого нефтепродуктами через пористые среды.

Следовательно, при высоте слоя воды h_макс = 0,05 м загрязненного поверхностного стока, при концентрации в нем нефтепродуктов С_нефт = 250 мг/л, высота столба жидкости в балластной призме будет h_щеб = h_пес = 0,5 м, тогда имеем время просачивания жидкости: t_{щеб/пес} = 52,21 с на границе фаз «щебень – песок», а время выброса ∆t_{щеб/пес} = 11,35 с.

Соответственно время просачивания жидкости на границе фаз «песок – грунт» будет t_пес/гр = 333,69 с, время выброса ∆t_пес/гр = 222,46 с. Расчеты сведены в табл. 3.

Таблица 3. Варианты поведения жидкости при ее просачивании при L = 2,925 м (1/4 поперечного разреза железнодорожного пути при двухпутном пути L = 11,7 м)

Вывод. Концентрация нефтепродуктов в поверхностных сточных водах значительно влияет на расход и коэффициент поверхностного стока, а также на расход фильтрационного стока. Чем более загрязнены железнодорожные пути, тем меньшее количество жидкости просачивается через балластную призму и уменьшается фильтрационный сток с железнодорожных путей. Образующийся непроницаемый слой нефтепродуктов и пыли (взвешенных веществ) влияет на скопление поверхностных сточных вод на железнодорожных путях и вдоль них. Соответственно, чем меньше загрязнены пути, тем больше боковое высачивание и поступление фильтрационного стока в грунт.

About the authors

Svetlana Yu. Teplyh

Author for correspondence.
Email: kafvv@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor the Water Supply and Wastewater Chair

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Scheme of the experimental setup: 1 – ballast prism; 2 - drainage tray; 3 - measured capacity; 4 – geotextile layer; 5 - soil layer; 6 - water supply from the water supply; 7 - container for water supply; 8 - overflow pipeline; 9 - water supply to the sprinkler; 10 - sprinkler

Download (35KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependence of the surface runoff coefficient on the intensity of rain on the experimental section of the railway track: y is an equation describing the construction of an approximating (smoothing) curve; R2 - the value of the approximation reliability (smoothing)

Download (29KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Dependence of the surface runoff coefficient on time on the experimental section of the railway track

Download (30KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Dependence of the nature of filtration on the concentration of oil products through the correction factor

Download (30KB)

Indexing metadata