sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2021-18-4-450-462sibadi-1310Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРАCONSTRUCTION AND ARCHITECTUREПрименение аналогии фильтрации и электричества при моделировании защиты от подтопления в городском строительствеUse of filtration and electricity analogy in simulation of underflooding protection in urban constructionhttps://orcid.org/0000-0002-2553-9892СологаевВ. И.SologaevV. I.

Сологаев Валерий Иванович – д-р техн. наук, проф., проф. кафедры «ГСХН»

644080, г. Омск, пр. Мира 5

Valery I. Sologaev, Dr. of Sci., Professor of the Urban Construction, Management and Real Estate Expertise Department

644080, Russia, Omsk, 5 Mira Avenue

sologaev_vi@cdo.sibadi.orgФГБОУ ВО «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»РоссияSiberian State Automobile and Highway University (SibADI)Russian Federation202117092021184450462Copyright © Сологаев В.И., 20212021Сологаев В.И.Sologaev V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/1310

Введение. Борьба с подтоплением остаётся актуальной проблемой. Применение аналогии фильтрации воды и электрического тока имеет цель защиты от подтопления окружающей среды, территорий застройки и автомобильных дорог в городах. Записывая закон Ома аналогично закону фильтрации Дарси, достигаем лучшего соответствия их аналогии. Это, в свою очередь, даёт возможность развивать новые технологии для защиты от подтопления в городском строительстве, например электроосмотическое водопонижение и его моделирование. Такие технологии позволяют осушать глинистые грунты.Методы и материалы. Рассмотрены совместно закон Дарси, закон Ома и закон электроосмотической фильтрации. Дана методология моделирования строительного водопонижения с учётом суммарного эффекта двух физических законов фильтрации воды и электроосмоса, оптимально сочетая высотное геометрическое расположение базисов дренирования и контактных электродов. Представлены варианты осушения глинистого грунта при действии электрического поля. При совместном использовании в осушаемом грунте сил гравитации и электрических сил постоянного тока суммарная скорость фильтрации складывается из составляющей по закону Дарси и другой составляющей скорости движения воды – электроосмотической фильтрации. Дополнительной особенностью совместного моделирования в пористой среде фильтрации воды и электроосмоса является то, что массив водоупорной части грунта и его части, относящейся к диэлектрику, могут не совпадать. Такая сложность модели преодолевается её разбиением на модули, которые затем можно объединить с соблюдением балансового принципа, сшивая модули по границам. Для продолжения научной дискуссии приведен краткий, но информативный обзор международных публикаций по рассматриваемой теме.Обсуждение. Методология комплексного расчёта и моделирования совместных процессов фильтрации воды в грунтах, протекания электрического тока и электроосмотической фильтрации может найти полезное применение при разработке эффективной защиты от подтопления в городском строительстве. Рекомендована последовательность алгоритмических шагов моделирования. Первоначально рекомендуется проводить грубое моделирование в электронных таблицах на персональных компьютерах и мобильных телефонах. Далее следует применить другой подход моделирования. Базируясь на первоначальных грубых моделях предыдущего шага, надо записать алгоритмы на языке программирования. Скомпилированная модель исследуемых процессов фильтрации и электроосмоса позволит существенно повысить надёжность проектирования защиты от подтопления.Заключение. Приведено сравнение совместного применения средств строительного водопонижения разной физической сущности при одновременных процессах гравитационной фильтрации подземной воды и пропускании постоянного электрического тока через осушаемый грунт, что вызывает дополнительный эффект электроосмоса. Предложено по-новому применять аналогию фильтрации воды и электрического тока с целью достижения более эффективных результатов инженерной деятельности путем моделирования защиты от подтопления территорий застройки, обеспечивая безопасность городского строительства при повышении уровня подземных вод.

Introduction. The fight against underflooding remains an urgent problem. The application of the analogy between water filtration and electric current has the goal of protecting the environment, built-up areas and, in particular, highways in cities from underflooding. Writing Ohm’s law similarly to Darcy’s filtration law, we achieve a better match to their analogy. This, in turn, makes it possible to develop new technologies for protection against underflooding in urban construction, for example, electroosmotic dewatering and its modeling. Such technologies make it possible to drain clayey soils.Methods and materials. Darcy’s law, Ohm’s law and the law of electroosmotic filtration are considered together. A methodology for modelling construction dewatering is given, taking into account the combined effect of the two physical laws of water filtration and electroosmosis, optimally combining the high-altitude geometric arrangement of drainage bases and contact electrodes. The options for draining clay soil under the action of an electric field are presented. With the combined use of gravitational forces and electric direct current forces in the drained soil, the total filtration rate is the sum of the Darcy’s law component and another component of the water velocity – electroosmotic filtration. An additional feature of joint modelling in a porous medium of water filtration and electroosmosis is that the mass of the water-resistant part of the soil and its part related to the dielectric may not coincide. This complexity of the model is overcome by dividing it into modules, which can then be combined in compliance with the balance principle, stitching modules along the boundaries. To continue the scientific discussion, a short but informative overview of international publications on the topic under consideration is given.Discussion. The methodology for complex calculation and modelling of the joint processes of water filtration in soils, the flow of electric current and electroosmotic filtration can find useful application in the development of effective protection against underflooding in urban construction. a sequence of algorithmic modelling steps is recommended. initially, it is recommended to run rough spreadsheet simulations on personal computers and mobile phones. next, a different modelling approach should be applied. based on the initial rough models of the previous step, it is necessary to write the algorithms in the programming language. the compiled model of the investigated filtration and electroosmosis processes will significantly increase the reliability of the design of protection against underflooding.conclusion. a comparison is made of the joint use of construction dewatering means of different physical essence, with simultaneous processes of gravitational filtration of underground water and passing a direct electric current through the drained soil, which causes an additional effect of electroosmosis. it is proposed to apply in a new way the analogy of water filtration and electric current in order to achieve more effective results of engineering activities by modeling protection against underflooding of building areas, ensuring the safety of urban construction when the level of groundwater rises.

подтоплениеподземные водытеория фильтрации водыэлектроомосгородское строительствоUnderfloodinggroundwaterthe theory of water filtrationelectromosurban constructionReferencesПавилонский В.М. Метод определения коэффициента фильтрации глинистых грунтов // Труды ин-та «ВОДГЕО». 1964. №7 С. 59–79.Pavilonskiy V.M. Metod opredeleniya koeffitsiyenta fil’tratsii glinistykh gruntov [Method for determining the filtration coefficient of clay soils ] // Trudy in-ta «VODGEO», vyp. 7. – M.: VNII VODGEO, 1964: 59-79. (In Russian).Павилонский В.М. Исследование метода уплотнения на коэффициент фильтрации глинистых грунтов // Труды ин-та «ВОДГЕО». 1972.№35. С. 45–50.Pavilonskiy V.M. Issledovaniye metoda uplotneniya na koeffitsiyent fil’tratsii glinistykh gruntov [Investigation of the compaction method on the filtration coefficient of clay soils ]// Trudy in-ta «VODGEO», vyp. 35: Gidrogeologiya. – M.: VNII VODGEO, 1972: 45-50. (In Russian).Павилонский В.М. Противофильтрационные устройства накопителей отходов промышленных предприятий // Исследования хвостохранилищ и накопителей промстоков. 1982. С. 12–28.Pavilonskiy V.M. Protivofil’tratsionnyye ustroystva nakopiteley otkhodov promyshlennykh predpriyatiy [Anti-filtration devices of waste storage facilities of industrial enterprises] // Issledovaniya khvostokhranilishch i nakopiteley promstokov. M.: VNII VODGEO, 1982: 12-28. (In Russian).Olsen H.W. Darcy’s law in saturated kaolinite // Water Resources Res. – 1966, 2. – P. 287-296.Pavlovskiy N.N. Teoriya dvizheniya gruntovykh vod pod gidrotekhnicheskimi sooruzheniyami i yeyo osnovnyye prilozheniya: Monografiya. Petrograd: Izdvo Nauchno-melioratsionnogo instituta, 1922. 752 s. (In Russian).Павловский Н.Н. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и её основные приложения: монография. Петроград: Изд-во Научно-мелиорационного института. 1922. 752 с.Bear J. Dynamics of Fluids in Porous Media. Elsevier, 1972.764 pp.Bear J. Dynamics of Fluids in Porous Media. Elsevier, 1972. 764 pp.Sologaev V.I. Fil’tratsionnyye raschoty i modelirovaniye pri zashchite ot podtopleniya v gorodskom stroitel’stve [Filtration calculations and modeling for flood protection in urban construction: Monografiya. Omsk: SibADI, 2002: 416 (In Russian).Сологаев В.И. Фильтрационные расчёты и моделирование при защите от подтопления в городском строительстве: монография. Омск: СибАДИ. 2002. 416 с.Knaupe V. Ustroystvo kotlovanov i vodoponizheniye [Construction of pits and water reduction]: Monografiya / Per. s nem. – M.: Stroyizdat, 1988. – 376 s. (In Russian).Кнаупе В. Устройство котлованов и водопонижение: монография / Пер. с нем. – М.: Стройиздат, 1988. 376 с.Zhinkin G.N. Elektrokhimicheskoye zakrepleniye gruntov v stroitel’stve [Electrochemical fixing of soils in construction]: Monografiya. – L.-M.: Stroyizdat, 1966. – 196 s. (In Russian).Жинкин Г.Н. Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве: монография. – Л.-М.: Стройиздат. 1966. 196 с.Sologaev V.I. O primenenii elektroosmosa pri zashchite ot podtopleniya zemel’ // Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. – Omsk: OmGAU, 2017. – Vyp. 3 (27). – S. 122-128. (In Russian).Сологаев В.И. О применении электроосмоса при защите от подтопления земель // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2017. № 3 (27). С. 122–128.Cánovas M., Valenzuela J., Romero L., González P. Characterization of electroosmotic drainage: Application to mine tailings and solid residues from leaching // Journal of Materials Research and Technology. Volume 9, Issue 3. Elsevier Editora Ltda, 2020, P. 2960-2968. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.01.046.Cánovas M., Valenzuela J., Romero L., González P. Characterization of electroosmotic drainage: Application to mine tailings and solid residues from leaching // Journal of Materials Research and Technology. Volume 9, Issue 3. Elsevier Editora Ltda, 2020, P. 2960-2968. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.01.046.Massah J., Rahmani Fard M., Aghel H. An optimized bionic electro-osmotic soil-engaging implement for soil adhesion reduction // Journal of Terramechanics. Volume 95. Elsevier Ltd, 2021, P. 1-6. DOI: 10.1016/j.jterra.2021.01.003.Massah J., Rahmani Fard M., Aghel H. An optimized bionic electro-osmotic soil-engaging implement for soil adhesion reduction // Journal of Terramechanics. Volume 95. Elsevier Ltd, 2021, P. 1-6. DOI: 10.1016/j.jterra. 2021.01.003.Zhou H.A, Fang Y.B, Chen M.C, Gu R.C, Li W.B. Experimental and analytical study on electro-osmosis in low-permeability soil considering the pore size effect // Geotechnique. Volume 71. ICE Publishing, 2021. P. 141-152. DOI: 10.1680/jgeot.18.P.362.Zhou H.A, Fang Y.B, Chen M.C, Gu R.C, Li W.B. Experimental and analytical study on electro-osmosis in low-permeability soil considering the pore size effect // Geotechnique. Volume 71. ICE Publishing, 2021. P. 141-152. DOI: 10.1680/jgeot.18.P.362.Tikhomolova K.P. Electroosmos: Monografiya. - L.: Chemistry, 1989. - 248 p.Тихомолова К.П. Электроосмос: монография. Л.: Химия. 1989. 248 с.Sierikova E, Strelnikova E., Pisnia L., Pozdnyakova E. Flood risk management of Urban Territories // Eco. Env. & Cons. 26 (3): 2020; pp. 1068-1077.Sierikova E, Strelnikova E., Pisnia L., Pozdnyakova E. Flood risk management of Urban Territories // Eco. Env. & Cons. 26 (3) : 2020; pp. 1068-1077.Sierikova E., Strelnikova E. Environmental safety of building development on the kharkiv city flooding areas example // Noble International Journal of Scientific Research. 3 (8): 2019; pp. 72-78.Sierikova E., Strelnikova E. Environmental safety of building development on the kharkiv city flooding areas example // Noble International Journal of Scientific Research. 3(8) : 2019; pp. 72-78.Sologaev V.I., Zolotarev N.V. Modelirovaniye radial’noy fil’tratsii metodom elektronnykh tablits na mobil’nykh telefonakh [Modeling of radial filtering by the spreadsheet method on mobile phones]// Omskiy nauchnyy vestnik. 2011. 1 (97):. 198-200. (In Russian).Сологаев В.И., Золотарев Н.В. Моделирование радиальной фильтрации методом электронных таблиц на мобильных телефонах // Омский научный вестник. 2011. № 1 (97). С. 198–200.Di Fraia S., Massarotti N., Nithiarasu P. Modeling electro-osmotic flow in porous media.// International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, 28 (2), 2018, pp. 472-497. DOI: 10.1108/hff-11-2016-0437.Di Fraia S., Massarotti N., Nithiarasu P. Modelling electro-osmotic flow in porous media.// International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, 28 (2), 2018, pp. 472-497. DOI: 10.1108/hff-11-2016-0437.Liang M., Yang S., Yu B. Analysis of electroosmotic characters in fractal porous media // Chemical Engineering Science. Volume 127, 4 May 2015, Pages 202-209. DOI: 10.1016/J.CES.2015.01.030.Liang M., Yang S., Yu B. Analysis of electroosmotic characters in fractal porous media // Chemical Engineering Science. Volume 127, 4 May 2015, Pages 202-209. DOI:10.1016/J.CES.2015.01.030.Cheema T.A., Kim K.W., etc. Numerical Investigation on Electroosmotic Flow in a Porous Channel // The 1st IEEE / IIAE International Conference on Intelligent Systems and Image Processing. 2013. Pp. 79-82. DOI: 10.12792/ICISIP2013.019.Cheema T.A., Kim K.W., etc. Numerical Investigation on Electroosmotic Flow in a Porous Channel // The 1st IEEE/IIAE International Conference on Intelligent Systems and Image Processing. 2013. Pp. 79-82. DOI:10.12792/ICISIP2013.019.Chena S., Hea X., etc. Electro-osmosis of non-Newtonian fluids in porous media using lattice Poisson – Boltzmann method // Journal of Colloid and Interface Science. Volume 436, 15 December 2014. Pp. 186-193. DOI: 10.1016/j.jcis.2014.08.048.Chena S., Hea X., etc. Electro-osmosis of non-Newtonian fluids in porous media using lattice Poisson–Boltzmann method // Journal of Colloid and Interface Science. Volume 436, 15 December 2014. Pp. 186-193. DOI:10.1016/j.jcis.2014.08.048.Cameselle C. Enhancement Of Electro-Osmotic Flow During The Electrokinetic Treatment Of A Contaminated Soil // Electrochimica Acta. Volume 181, 1 November 2015, pp. 31-38. DOI: 10.1016/J.ELECTACTA.2015.02.191.Cameselle C. Enhancement Of ElectroOsmotic Flow During The Electrokinetic Treatment Of A Contaminated Soil // Electrochimica Acta. Volume 181, 1 November 2015, pp. 31-38. DOI:10.1016/J.ELECTACTA.2015.02.191.Cameselle C. Enhancement Of ElectroOsmotic Flow During The Electrokinetic Treatment Of A Contaminated Soil // Electrochimica Acta. Volume 181, 1 November 2015, pp. 31-38. DOI:10.1016/J.ELECTACTA.2015.02.191.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.