Применение аналогии фильтрации и электричества при моделировании защиты от подтопления в городском строительстве

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.

1. Павилонский В.М. Метод определения коэффициента фильтрации глинистых грунтов // Труды ин-та «ВОДГЕО». 1964. №7 С. 59–79.

2. Павилонский В.М. Исследование метода уплотнения на коэффициент фильтрации глинистых грунтов // Труды ин-та «ВОДГЕО». 1972.№35. С. 45–50.

3. Павилонский В.М. Противофильтрационные устройства накопителей отходов промышленных предприятий // Исследования хвостохранилищ и накопителей промстоков. 1982. С. 12–28.

4. Olsen H.W. Darcy’s law in saturated kaolinite // Water Resources Res. – 1966, 2. – P. 287-296.

5. Павловский Н.Н. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и её основные приложения: монография. Петроград: Изд-во Научно-мелиорационного института. 1922. 752 с.

6. Bear J. Dynamics of Fluids in Porous Media. Elsevier, 1972. 764 pp.

7. Сологаев В.И. Фильтрационные расчёты и моделирование при защите от подтопления в городском строительстве: монография. Омск: СибАДИ. 2002. 416 с.

8. Кнаупе В. Устройство котлованов и водопонижение: монография / Пер. с нем. – М.: Стройиздат, 1988. 376 с.

9. Жинкин Г.Н. Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве: монография. – Л.-М.: Стройиздат. 1966. 196 с.

10. Сологаев В.И. О применении электроосмоса при защите от подтопления земель // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2017. № 3 (27). С. 122–128.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Тихомолова К.П. Электроосмос: монография. Л.: Химия. 1989. 248 с.

15. Sierikova E, Strelnikova E., Pisnia L., Pozdnyakova E. Flood risk management of Urban Territories // Eco. Env. & Cons. 26 (3) : 2020; pp. 1068-1077.

16. 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.

17. Сологаев В.И., Золотарев Н.В. Моделирование радиальной фильтрации методом электронных таблиц на мобильных телефонах // Омский научный вестник. 2011. № 1 (97). С. 198–200.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.