Критерии моделирования при движении потоков в фильтрующих сооружениях земляного полотна

Представлен вывод критериев подобия при ламинарном, турбулентном и переходном режимах движения фильтрационного потока в бесполостных дренах. В последние годы при строительстве земляного полотна железных дорог находят широкое применение крупнозернистые материалы для защиты откосов от размывов и сплывов и при устройстве фильтрующих прорезей. Закономерности движения фильтрационных потоков в обоих случаях те же, что и в бесполостном дренаже, однако не все необходимые для практиков расчетные зависимости могут быть получены теоретическим путем, и тогда приходится использовать методы либо математического, но чаще всего физического моделирования. В частности, не представляется возможным теоретическим путем получить зависимости для определения глубин потоков, когда со стороны устьев уровень воды в нижнем бьефе отсутствует. До настоящего времени исследования проводились в основном гидротехниками для фильтрационных потоков через грунтовые плотины. При этом имеет место обычно ламинарный режим фильтрации. В устьевых участках фильтрующих прорезей и бесполостных дрен имеет место, как правило, турбулентный режим, а перед устьевым участком — переходный. Эти случаи до последнего времени оставались вне поля зрения специалистов по фильтрации. Критерии моделирования отсутствовали. В статье эти критерии получены из уравнений движения фильтрационных потоков в бесполостных дренах для всех трех режимов: ламинарного, переходного и турбулентного. Проверка полученных критериев подобия была проведена для бесполостной дрены длиной 14 м, уложенной в лоток. Приведена кривая свободной поверхности, построенная с использованием теоретически обоснованной расчетной зависимости. На этом же рисунке нанесены точки, полученные путем измерения глубин в определенных сечениях фильтрационного потока в лотке. Как следует из рисунка совпадение результатов вполне удовлетворительное.

1. Жинкин Г.Н., Грачев И.А. Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот: учеб. пособие. М.: Лань, 2020. 420 с.

2. Штыков В.И., Пономарев А.Б., Янко Ю.Г. О расчете размывающих скоростей при проектировании фильтрующих сооружений в связных грунтах // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2021. Т. 18. Вып. 2. С. 303–312. DOI: 10.20295/1815-588X-2021-2-303-312. EDN: OVVRLC.

3. Штыков В.И., Пономарев А.Б., Янко Ю.Г. Об особенностях гидравлического расчета фильтрующих насыпей в связных грунтах. // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2025. Т. 22. Вып. 1. С. 228–237. DOI: 10.20295/1815-588X-2025-1-228-237. EDN: ZNYWRP.

4. Штыков В.И., Пономарев А.Б. Гидравлический расчет бесполостных дрен треугольного поперечного сечения при переходном режиме // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16. Вып. 3. С. 523–532. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-3-523-532. EDN: ZQMGCB.

5. Штыков В.И., Гордиенко С.Г. Бесполостной дренаж: гидравлическое обоснование, расчет и эффективность действия. СПб., 1997. 223 с. EDN: ZIWSFB.

6. Климентов П.П., Кононов В.М. Динамика подземных вод : [Учеб. для геол.-развед. техникумов]. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1985. 383 с.

7. Балыков Б.И. Экспериментальные исследования условий подобия физико-механических свойств образцов несвязного грунта // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева: сб. науч. трудов. 1979. Т. 135. С. 5–13.

8. Полтавцев В.И., Спицын И.П., Винников С.Д. Гидрологическое лабораторное моделирование / под ред. В.И. Полтавцева. Л.: Ленингр. политехн. ин-т, 1982. 142 с.

9. Кравцов М.В., Кравцов А.М. Общее уравнение закона гидравлического сопротивления при стесненном падении одиночного шара и движении жидкости в зернистых слоях // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 3. С. 85–96. EDN: TXJDPP.

10. Митрушкин Д.А., Томин П.Ю. Расчет фильтрационных течений в трещиновато-пористых средах с кавернами // Георесурсы, геоэнергетика, геополитика. 2014. № 1(9). С. 13. EDN: SIUYUT.

11. Анахаев К.Н., Анахаева Х.К. Моделирование высачивания фильтрационного потока через наклонный грунтовый склон // Гидротехническое строительство. 2023. № 11. С. 36–40. EDN: LWEZRR.

12. Бублик С.А., Семин М.А. Анализ подходов к расчету фильтрационных течений подземных вод при моделировании формирования ледопородных ограждений // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 16. № 1. С. 46–60. DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.1.4. EDN: GSSLUU.

13. Гасанов И.Р. Об определении гидравлического сопротивления при турбулентном режиме фильтрации флюида в пористой среде // Молодой ученый. 2019. № 2(240). С. 20–22. EDN: YTVCBN.

14. Бухарцев В.Н., Петриченко М.Р. Трансляционная инвариантность формулы Дюпюи и определение высоты промежутка высачивания // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2012. № 3-2(154). С. 194–199. EDN PESLGF.

15. Петриченко М.Р., Заборова Д.Д., Котов Е.В., Мусорина Т.А. Образование промежутка высачивания в прямоугольной перемычке // Гидротехническое строительство. 2018. № 10. С. 49-52. EDN: YNAWUH.