Химический и электрический осмос. Явление мерзлотного выпучивания свай на водомерных постах.

Мерзлотное пучение почвогрунтов (МППГ)связано с образованием в нём линз чистого льда, «сегрегационного льда». Плановые размеры и толщина линз опр грунтами, слагающими промерзаюущую толщу, их влажностью, глубиной промерзания. Обр линз и пучение нужно учиывать, тк МППГ приносит ущерб хоз деят-ти чела. Например, вспуч дороги. Весной, при оттаивании, грунт дороги сползает на стороны, после расстаивания самой линзы-образуется провалина. ТО, уменьшается прочность и надёжность дорог. Борьба-пропитка дорог хим растворами в целях упрочнения или засыпка под полотно дороги щебёнки или песка на глубину промерзаниц грунта (в них вода не зад-ся). Причина перемещения вды из обл с малым давлением в обл с высоким (P=ρ_м.г. h_м.г.+ρ_лh_{л. )} – осмос. Хим.осмос – проникновение молекул раст-ля через полупроницаемую мембрану, разделяющую чистый раст-ль и раствор или 2 раствора различной концентрации. Развивающеемя в рез-те осмоса избыточное гидростатич давление измеряется столбом раствора высотой h, при кот устанавливается осмотич равновесие. Это осмотич давление. Оно мб вычислено по закону Вант-Гоффа: π=CRT, C=n/V (молярная конц р-ра), n-число молей неэлектролита, V-объём р-ра, R-универ газ пост, T-абс t. Если рассм почвогрунт как полупроницаемую мембрану с большой концентрацией солей в р-ре у его пов-ти в сравнении с нижерасположенными слоями, то можно обнаружить подъём воды к пов-ти и образование некоторого давления. \\\\ Вода в ест водоёмах содержит ионы и различн взвешенные частицы, несущие заряд. Распределение их по акватории мб неодинаковым=>эл хар-ки могут значительно изменяться от места к месту. Электросмос. –движение жидкости через пористые материалы, обусловленное внешним эл.полем. проф Рейс. Эксперимент: U-образная трубка. Помещается пористый материал, напр, промытый песок, заливается водой. Слева Анод, справа Катод. После подачи напряжения к электродам, опущ в трубки, вода придёт в движение в направлении отрицат полюса (К). Справа уровень воды повысится. Электроосмос наблюд-ся при прохождении воды не только через песок, но и глину, грунт и др. Электрокинетический потенциал при электроосмосе ξ =4πμv₁/(hD). μ-коэф вязкости, v-скорость, h=разность уровней воды, D-диэлектрич пост.

Весной, после оттаивания грунта, часто бывает, что сваи на гидро постах изменили отметки-«подросли», а телеграфные столбы наклонены. Это бывает, когда при их сооружении не была учтена глубина промерзания почвогрунтов. Под сваей/столбом при замерзании ргунта может образоваться линза льда, кот выдавит их на некот-ю высоту. Весной при оттаивании происх-т осыпание грунта в зону оттаивания линзы=>свая/столб опуститься на прежнее место не смогут.

.

35. Наледи, их форм(с?)ирование и разрушение. Наледь– многоструктурное образование на поверхности земли, льда или сооружения. Состоит из льда, линз воды, пузырьков воздуха и солей, выпадающих в осадок при замерзании. Толщина от мм до 2-3 м и более. Образуются от периодически изливаемой природной или техногенной воды. Условие образования: t пов-ти намерзания и воздуха<0, периодически поступающая вода на пов-ть. Классы: 1. Наледи подземных вод. Изливание воды, находящейся в почве под давлением (скважины, колодцы, шахты); свободная гравитационная разгрузка; воздействие криогенного (связ с низкими t) напора; 2.Н поверхностных вод. Поверхн-я вода изливается из-за: закупорки русла шугой, обильного снегопада (лёд прогибается), промерзания реки до дна, наводнений, приливов/отливов, ветрового нагона, периодического погружение ГС, сброс техногенной воды, поступление талой воды. 3. Н при растекании атмосферных вод. Выпадение жидких осадков (дождь, морось), конденсация водяных паров (?иней). Стадии замерзания: 1. Охлаждение воды до 0С. Для определения t воды и льда уравнение теплопроводности: -для воды; для слоя льда вместо «в» «л». W-источник теплоты в толще воды (льда). Ещё условие Стефана. 2. Переохлаждения воды и зарождение кристаллов льда. После охлаждения до 0 будет процесс переохлаждения. Глубина зависит от состояния, в кот вода нах-ся и тепловой нагрузки. Образуется внутридонный лёд, кот всплывает на пов-ть и образует слой шуги 8-10 мм. Он, смерзаясь, предст собой корку льда. Процесс замерзания описывается уравнением: dQ=∑Qdτ; d(Lкр ρ hл) = (Qс+Qк+Qис+…)dτ => hл=1/(Lкр ρ) *(Qк+Qис)dτ (остальными Q пренебрегаем). 3. Рост толщины льда наледи. Дальнейший рост корки льда снизу из-за замерзания воды приводит к образованию наледи. Тк пов-ть имеет t<0, то замерзание и сверху и снизу. Мб ситуация, когда внутри останется незамёрзшая линза воды. При поступлении волны холода она замёрзнет. При этом произойдёт её расширение=> взрывное разрушение наледи. hл = -А+корень((A+h_л0)²-(2 θ₂ λ_л/(Lкр ρ))(τ-τ₀)). \\\ А=λ_л/α_сн+h_сн λ_л/ λ_сн. Разрушение наледи. Обусловлено испарением наледи в рез-те вознонки (тв-газ), таянием, мех и хим воздействием на неё. Испарение происх под действ солнечной радиации, поступлением теплоты от подстил пов-ти. На пов-ти появляются чашеообразные углубления, образуется волнистый рельеф. Испарение неравномерно. Таяние начинается, когда верхний слой прогреется до 0С. Слой стаивания льда с пов-ти надели: hл=1/(Lпл ρ) ∑Q dτ \\\\ (Q-сумма тепловых потоков через пов-ть наледи).

36. Снежный покров и его таяние. Снежный покров – слой снега, лежащий на поверхности земли и образовавшийся при снегопадах. Велико влияние снежного покрова (СП) на ход деят-ть чела. Например, накопление снегозапасов в осенне-зимний период важно для сохранности от вымерзания корневой системы растений. Весной интенсивность таяния СП определяет характер половодья, формирование max расходов воды и заторообразование. Эти факторы важны для строительства ГС, мостов, дорог, заполнения воды в водохранилищах. Таяние зависит от теплоты, поступающей в СП из атмосферы, и от подстилающей пов-ти. СП хар-ся значительной пространственной неоднородностью Структура меняется во времени. Неоднородность толщины, плотности, строения СП обусловливает изменчивость пористости, воздухопроницаемости, кот тоже важны при таянии. Т.к. снег явл средой, меняющей агрегатное сост при изменении t, то процесс таяния делится 1)период нагревания до 0С 2) период собственного таяния снега.

37. Влага в почвогрунтах и её передвижение. Почвогрунт (ПГ)– трёхфазная система, сост из почты, воды и воздуха, содержащего водяной пар. ПГ и снег-дисперсная система. Они отличаются от тв тел тем, что содержат поры. Оч мелкие поры-капиляры. Если поры ПГ полность заполнены водой-водонасыщение. Если нет-водоненасыщение. Зона ниже уровня грунтовых вод постоянно водонасыщенна. Слой почвы, непоср-но прилегающий к пов-ти грунтовых вод-капилярная зона (КЗ). Влажность почвы тут зависит от её высоты над пов-ю грунтовых вод. Выше КЗ-промежуточная зона, дальше-зона подвешенной (почвенной) влаги. Для описания передвижения влаги в водонасыщ почве применяют формулу Дарси: v=-k_ф ɗH/ɗx, k_ф – коэф фильтрации; Н-напор (градиент гидростатич давления (напора)), v-скорость фильтрационного потока. Коэф зависит от механич состава и структуры ПГ, вязкости жидкости. Водоненасыщение: влага передвигается при наличии градиентов влажности, t, плотности ПГ, концентрации хим р-ра и др, т.е. в одинаковых почвах наиболее интенсивное вижение влаги происходит из областей с более высокой влажностью или t в области с низкой вл-ю или t. Движение обусловлено климатическими условиями: осадками, t воздуха, Ра, солнечной радиацией и гидрологич факторами: глубиной залегания грунтовых вод, влагопроводностью и др. Массовая влажность (Wм)-массовая доля воды в 1 кг ПГ. Объёмная влажность (Wоб)-отношение объёма воды, нах-ся в порах, к объёма всего ПГ, в %. Объёмная пористость – объём пор в 1 м3 ПГ. Уравнение неразрывности влагопереноса: ɗWоб/ɗτ + ɗq/ɗn=0,

ɗɗ-время, n-нормаль, вдоль кот проис-т движение влаги. Ф-потенциал почвенной влаги (работа, кот нужно совершить для удаления из почвы 1 кг воды). Ф=z+φ_к+ φ_с+ φ_осм+…, (z, φ_к..гравитац, капиллярный, сорбционный и осмотич потенциалы). Закон передвижения почвенной влаги: q=-k ɗФ/ɗn, k-коэф влагопроводности, q-поток влаги через ед сечения за ед времени; градиент общего потенциала. Решая совместно: уравнение влагопереноса в ПГ: ɗW/ɗτ=ɗ/ɗz (D_W ɗW/ɗz)± ɗk_z/ɗz, D_W- коэф диффузии почв влаги, W=Wоб. \\\Аэрация – обмен почвенного поздуха с атмосферным, вентиляция почвы.

Р

38. Проблемы, возникающие в устье реки после воздвижения плотины ГЭС. ГЭС - электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. 1. Каховская (Днепр, Украина). Солёная вода стала проникать из Ч.моря дальше в русло, поэтому население по берегам осталось без пресной воды, пропала пресноводная рыба. Решение:а) прокопать канал из другой реки, и пустить доп пресную воду. Отказались, тк долго копать б)построить плотину ниже Каховской СЭС, чтобы солёная вода не поступала. СССР распался, и идею не воплотили. 2. Красноярская. (Енисей, Карское море). а)При строительстве лес не вырубили, а затопили=> погибли животные, пропала древесина; б)животные не могут перебраться на др берег, звериные тропы перерезаны в)повысилась солёность и мутность воды (стала поступать вода из грунтов вечной мерзлоты, появились родники). г)решётки в ГЭС, защищающие от попадания крупного мусора, начали зарастать из-за бактерий д) в нижнем бьефе изменился t режим е) в Красноярске ув t воздуха в зимнее время, ум t в летнее ж) повысился уровень заболевания населения (бонхит, орви) из-за изменения климата. (После постройки ГЭС появилась незамерзающая полынья. Чтобы её уменьшить пытались, например, охлаждать искусственным снегом, но нужно слишком много снега; установить аэродинамические трубы, чтобы охлаждать воздух; пустить рядом приток через трубы чтобы охладить воду. Предполагалось, что полынья будет 20 км, оказалось 200 км. Климат стал более влажным из-за большего кол-ва незамерзающ воды зимой=> обмерзают провода, троллейбусы не ходят). Енисей в районе Красноярска перестал замерзать. Для решения можно построить контррегулятор, который обеспечит выравнивание расходов и уровней воды ниже створа контррегулятора, что позволит значительно уменьшить длину полыньи и создаст условия для образования ледяного покрова в нижнем бьефе и его сохранения на весь зимний период.

Р

39. Зажоры, заторы, наледи, лавины – опасные явления природы. Методы борьбы с ними.

Зажор – скопление шуги с включением мелкобитого льда, вызывающее стеснение водного сечения и подъём уровня воды (зима). Затор – скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающее уменьшение водного сечения реки и подъём уровня воды (конец зимы и весна). Они вызывают наводнения и разрушения заторным лъдом при его подвижках гидролошических сооружений: плотин, мостов, пирсов, водозаборов и др. Борьба с ними должна вестись с учётом природных особенностей реки и закономерностей процесса. 1. Предупредительные меры: а) возведение каскада или отдельных гидроузлов б) выравнивание русла в) взлом льда для прохода плывущего льда (ледоколом) г)бомбометание и подрывы льда (в Неве взрывать нельзя, тк по дну идёт кабель; можно поврелить набережные, мосты). д) искусственное усиление ледяного покрова путём удаления с него снега, намораживания льда 2. Непосредственная борьба при помощи ледоколов, подрывов, артобстрела, регулирования уровня воды (ув, чтобы поднялся затор и прошёл). Наибольший эффект будет достигнут, если ниже затора или зажора река будет освобождена ото льда или же в нём будет проделан широкий канал. 3. Заблаговременное предсказание места образования З и его мощности. Могут проводится ледокольные, взрывные, ледорезные и др работы или приняты соотв меры для изменения скоростного режима потока.

Наледь– многоструктурное образование на поверхности земли, льда или сооружения. Состоит из льда, линз воды, пузырьков воздуха и солей, выпадающих в осадок при замерзании. Толщина от мм до 2-3 м и более. Образуются от периодически изливаемой природной или техногенной воды. Это стихийное и опасное явление. При истечении воды или выпадении осадков происходит затопление большой территории и её увлажнение. Образовавшийся при замерзании этой воды лёд оказывает давление на сооружения (дамбы, авто и железнодороги, нефтепроводы, опоры), повышает скользкость дорог, аэродромов. Методы: 1. Пассивные: направлены на ликвидацию вредного воздействия наледей на хоз деят-ть чела без устранения причины их образования. Это сооружение дамб, заборов, сеток, преграждающих движение воды; применение способов искусственного таяния льда. 2. Активные: направлены на предотвращение наледообразования - промораживание/ теплоизоляция(утепляют и отводят по трубам) грунта, водотока; создание водонепроницаемых стенок; механич уборка снега и льда, покрытие пов-ти протиобмерзающими материалами. Лавина- масса снега, падающая или сползающая с горных склонов. В процессе движения лавина вовлекает новые массы снега на своем пути, поэтому ее масса нарастает к подножию. Причина- накопление снега на склонах гор, нарастание скатывающей силы, образование напряжений в снежном покрове, скачкообразное превышение скатывающей силы над силой сцепления. Обычно они возникают в рез-те интенсивного снегопада, повыш или пониж t воздуха, приложения разных внешних нагрузок. Иногда достаточно громкого звука (акустическая нагрузка).

Поражающий фактор при сходе -кинетическая энергия снега, льда, вовлеченных предметов,и завалы. Плотность снега в лавине сильно возрастает и приближается к плотности бетона. При остановке лавины снег затвердевает с огромной скоростью и его можно только взрывать и пилить. Основная опасность - гибель оказавшихся на ее пути людей, разрушением авто- и железных дорог, ЛЭП, транспортных средств, зданий и сооружений. Способы уменьшения потерь: создание спец противолавинных служб, спасательных отрядов, закрытие районов на период повышенной опасности схода лавин. Используются спец инженерные защитные сооружения, способные направлять лавины в обход защищаемых мест. Применяется мониторинг и прогнозирование лавиноопасных участков. Организуются предупредительные спуски лавин путем обстрела лавиноопасных участков из артиллерийских орудий.

40. Определение прочностных характеристик льда.Изучение мех-х св-в ледяного покрова (ЛП) имеет важное значение для задач, таких как: сооружение ледяных переправ, защита ГЭС, портовых сооружений, мостов от разрушающего действия на них ЛП. Прочностные хар-ки оцениваются в лабораториях или в полевых условиях на образцах льда. Испытания произв-ят на спец машинах на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, срез. К образцу прикладывают равномерно возрастающие статич нагрузки. По достижении нек-го критич её значения образец разрушается. Запас прочности сооружений, подвергающ воздействию ЛП, обосновывается max прочностью льда. 1 Сжатие. Лёд обладает упругопластичексими св-ми. 1)опр-е модуля деформации при кратковременной нагрузке 2)опр хар-ра связ деформаций с напряж-ями при медленном изменении нагрузки 3) опр временного сопротивления. Действующее напряжение сжатия: σ_сж=PS/F, S-площадь поршня пресса, F-площадь поперечн сечения образца, P-давление по маноментру с учётом поправок по паспорту. Относительная деформация ε_сж=дL_сж/l₀, l₀-нач длина образца, дl-изменение дляны при нагрузке. Модуль деформации образца при сжатии Есж= σ_сж/ε_сж. Для испытания образца применяется гидравлич пресс. Образец 6х6х6 устанавливается на нижней площадке пресса. Закачивают масло в камеру=>площадка с образцом поднимается до упора в верхнюю площадку. Испытание при кратковременной нагрузке-для опр Eсж- масло закачивать нужно плавно, иначе разрушение произ-т быстро. Испытание при медленно изменении нагрузки-закачивать так, чтобы стрелка манометра останавливалась на опр отсчётах (25,50,75..) и не двигалась в теч 1 мин.В рез-те измерений строят графики (напряжение/отн деф-я). Угол наклона прямой позволяет опр Есж. 2.Изгиб осущ-ся на той же установке, с доп. приспособлениями. Подставка с 2мя опорными выступами снизу и выступом сверху, с помощью кот прикладывается нагрузка. Напряжение σ_изг=3LP/(2bh²), модуль деформации E_изг=((lP/(48If_max))(3L²-4l²), P-давление по манометру, L-расстояние между опорами, l-расстояние от опоры до точки приложения силы, b и h-ширина и высота образца, I=bh³/l2 – момент инерции попереч сечения, f_max –max прогиб балки. Посл-ть операций такая же. 3.Растяжение. на той же установке. Образец в виде восьмёрки с удлинённой шейкой. Он закладывается в спец приспособление, кот при сжатии площадками пресса приводят к растяжению образца. Формулы такие же, как при сжатии. Посл-ть операций тоже.

41. Заторообразование и расчёт количества льда в заторе. Затор – скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающее уменьшение водного сечения реки и подъём уровня воды (конец зимы и весна). Прямое измерение основных параметров затора очень сложно, методы дистанционного не разработаны. =>Косвенный метод исп-ют. Основан на применении опорных кривых Бернадского и позволяет по сведениям об уровнях воды в разных створах и расходе воды опр-ть толщину льда по длине затора=>его кол-во в заторе. Расход воды Qв=vF, F-площадь поп-го сечения., v=Cкорень(RI), C=1/n R^1/6 =>Q_в²/дz=R^4/3 F²/(n²L)-для открытого потока; Q_в²/дz=R^4/3 (F²-Bh_л)²/(n_пр²L)-для закрытого потока (при ЛП, заторе). В-ширина реки, n_пр-приведённый коэф шероховатости. дz-перепад уровней на расстоянии L. График (z. Q_в²). Кривые строятся п предположении, что будет наблюдаться толщина льда в заторе, например :0.1,0..5,1,2,3 м и т.д. Чтобы построить опорные кривые для расчётных участков, по кот будем опр-ть толщину льда в заторе, нужно проинтегрировать левую часть посл-го ур-я. Значения интеграла –посл-е площади между осью z и соотв кривой h_i. При помощт опорных кривых (ОК) можно опр толщину льда. Нужно вычислить перепад уровней дz_i=z_в-z_н, найти Q_в² и по этим данным построить прямоугольные треугольники на прозрачной бумаге. Затем, прикладывая поочерёдно каждый из тр-в к графикам ОК, перемещаем их вдоль гор-й оси, придерживаясь отметок z_в,z_н . Решением задачи будет совпадение концов гипотенузы тр-ка с одной из ОК, соотв опр-му значению hл. После опр-я толщины на каждом расчётном участке затора опр кол-во льда в нём: m_зат=ρ_л∑(B_ih_лl_i), B_ih_лl_i

-средние на раст-м участве ширина, толщина льда и длина участка, n-число расч-х участков, ρ_л -плотность льда в заторе.

42. Виды движения вод суши и уравнения их описывающие. Воды суши приходят в движение под влиянием различных действующ на них сил. 1. Для открытых потоков одна из них-сила тяжести (гравитационное течение). Сила инерции-для отрытого потока- та часть силы тяжести, на которую она превышает силу трения потока о стенки и о дно русла канала/реки. 2. Движение под воздействием ветра. Имеет случайный характер. Ветровое течение (дрейфовое). Сопровождается денивеляцией (уменьшение уровня воды из-за колебаний Ра). 3. Конвективное течение. (свободная конвекция). Обусловлено разностью плотностей частиц воды, вызванной термичсеким расслоением водной среды. Также при разной солёности или насыщенности взвешенными наносами. \\\ Гравитационное. Ламинарный режим-направление течения частиц жидкости опр-ся стенками канала. Движение упорядоченное, струйками, без перемешивания. Турбулентный-движение носит беспорядочный характер, сильное перемешивание. Кроме поступат-го движения есть сложные доп движения в поперечном направлении. Стенки не управляют течением, а обеспечивают только главное направление. Скорости изменяются по величине и направлению. v_p=Cкорень(RI_p). Для равном-го движ в безнапорном потоке, модуль скорости W=Cкорень(R)=v_p/I^1/2. R=ω/χ. Коэф гидравлич сопротив-я λ=2gR/W² , коэф шероховатости n=R^2/3/W; \\\\ График (H/v). –Линии уклона водной пов-ти. При нестуновивш движении, т.е. при петлеобразной кривой скоростей и расходов, получаем 3 значения коэф для конкретного наполнения русла. Среднее-равномерн движ, крайние-кривые подъёма и спала уровня воды (ошибочные, т.к. нельзя применять Шези). v=v_p±v_v . v_v-средняя скорость течения при отсутствии силы трения, v_p=ɑ₁i_pдI.=>Для неустановивш-ся движ-я v=Cкорень(Hi_p)+ɑi_pдI.\\\ дI=I-i_p \\\Ур-е Сен-Венана I=1/g ɗV/ɗt+V/g ɗV/ɗx+V_p²/(C²H). Левая часть уч-т силу тяжести, первые два слагаемых справа – силу инерции, последнее – силу трения.