Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды
Приведены в сокращенном виде результаты исследования фильтров из волокнисто--пористого полиэтилена (ВПП), проведенные в Институте гидромеханики НАН Украины за последние 20 лет. Фильтры из ВПП выполняют роль обратных фильтров и могут применяться как самостоятельные фильтрационные полотна, так и в кач...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2007
|
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4699 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон // Прикладна гідромеханіка. — 2007. — Т. 9, № 2-3. — С. 37-51. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-4699 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-46992009-12-21T12:00:59Z Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. Фридрихсон, В.Л. Приведены в сокращенном виде результаты исследования фильтров из волокнисто--пористого полиэтилена (ВПП), проведенные в Институте гидромеханики НАН Украины за последние 20 лет. Фильтры из ВПП выполняют роль обратных фильтров и могут применяться как самостоятельные фильтрационные полотна, так и в качестве трубофильтров. Приведены результаты исследования физико--механических, фильтрационных и защитных свойств; кольматации и водоприемной способности дренажных конструкций; безреагентной, контактной реагентной очистки и обезжелезивания воды. Приведены предложения по усовершенствованию технологии строительства дренажа. Кроме того, приведены результаты определения индикаторным методом действительной пористости, концентрации и плотности осадка в порах заиленного фильтра, а также регенерции фильтров без нарушения структуры фильтра. Наведенi в скороченому виглядi результати дослiджень фiльтрiв з волокнисто--пористого полiетилену (ВПП), якi були проведенi в Iнститутi гiдромеханiки НАН України за останнi 20 рокiв. Фiльтри з ВПП виконують роль зворотних фiльтрiв i можуть застосовуватись як самостiйнi фiльтрацiйнi полотна, так i як трубофiльтри. Наведенi результати дослiджень фiзико--механiчних, фiльтрацiйних та захисних властивостей; кольматацiї та водоприймальної здатностi дренажних конструкцiй; безреагентної, контактної реагентної очистки i знезалiзнення води. Наведенi пропозицiї щодо удосконалення технологiї будiвництва дренажу. Крiм того, наведенi результати визначення iндикаторним методом дiйсної пористостi, концентрацiї та густини осаду в порах замуленого фiльтра, а також регенерацiї фiльтрiв без порушення їх структури. Results of researches of filters from fibrous--porous polyethylene (FPP), lead in Institute of hidromechanics NAS of Ukraine for last 20 years are presented in shorthand form. Filters from FPP carry out a role of return filters and can be applied as independent filtration cloths, as pipe-filters. Results of researches of physicomechanical, filtrational and protective properties; mud injection and water intake capacity of drainage designs; reagentless, contact reagentive clearing and dechalybeate water are presented. Proposals on improvement of technology of construction of a drainage are presented. Besides results of definition by a indicator method of the real porosity, concentration and density in pores of settling filter, and also regeneration of the filter without disturbance of it's structure are presented. 2007 Article Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон // Прикладна гідромеханіка. — 2007. — Т. 9, № 2-3. — С. 37-51. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 1561-9087 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4699 626.862: 66.067.32, 628.16.067, 628.16.067 ru Інститут гідромеханіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Приведены в сокращенном виде результаты исследования фильтров из волокнисто--пористого полиэтилена (ВПП), проведенные в Институте гидромеханики НАН Украины за последние 20 лет. Фильтры из ВПП выполняют роль обратных фильтров и могут применяться как самостоятельные фильтрационные полотна, так и в качестве трубофильтров. Приведены результаты исследования физико--механических, фильтрационных и защитных свойств; кольматации и водоприемной способности дренажных конструкций; безреагентной, контактной реагентной очистки и обезжелезивания воды. Приведены предложения по усовершенствованию технологии строительства дренажа. Кроме того, приведены результаты определения индикаторным методом действительной пористости, концентрации и плотности осадка в порах заиленного фильтра, а также регенерции фильтров без нарушения структуры фильтра. |
| format |
Article |
| author |
Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. Фридрихсон, В.Л. |
| spellingShingle |
Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. Фридрихсон, В.Л. Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды |
| author_facet |
Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. Фридрихсон, В.Л. |
| author_sort |
Бугай, Н.Г. |
| title |
Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды |
| title_short |
Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды |
| title_full |
Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды |
| title_fullStr |
Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды |
| title_full_unstemmed |
Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды |
| title_sort |
волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| publishDate |
2007 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4699 |
| citation_txt |
Волокнисто-пористые материалы из полимерных волокон в мелиоративном и гидротехническом строительстве и при очистке воды / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон // Прикладна гідромеханіка. — 2007. — Т. 9, № 2-3. — С. 37-51. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bugajng voloknistoporistyematerialyizpolimernyhvolokonvmeliorativnomigidrotehničeskomstroitelʹstveipriočistkevody AT krivonogai voloknistoporistyematerialyizpolimernyhvolokonvmeliorativnomigidrotehničeskomstroitelʹstveipriočistkevody AT krivonogvv voloknistoporistyematerialyizpolimernyhvolokonvmeliorativnomigidrotehničeskomstroitelʹstveipriočistkevody AT fridrihsonvl voloknistoporistyematerialyizpolimernyhvolokonvmeliorativnomigidrotehničeskomstroitelʹstveipriočistkevody |
| first_indexed |
2025-07-02T07:55:45Z |
| last_indexed |
2025-07-02T07:55:45Z |
| _version_ |
1836521038563770368 |
| fulltext |
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
УДК 626.862: 66.067.32, 628.16.067, 628.16.067
ВОЛОКНИСТО–ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКОН В МЕЛИОРАТИВНОМ
И ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
И ПРИ ОЧИСТКЕ ВОДЫ
Н. Г. БУ Г А Й, А. И. К Р И В ОН О Г, В. В. К Р И В ОН О Г, В. Л. ФРИ Д Р И Х СОН
Институт гидромеханики НАН Украины, Киев
Получено 20.01.2007
Приведены в сокращенном виде результаты исследования фильтров из волокнисто–пористого полиэтилена (ВПП),
проведенные в Институте гидромеханики НАН Украины за последние 20 лет. Фильтры из ВПП выполняют роль
обратных фильтров и могут применяться как самостоятельные фильтрационные полотна, так и в качестве тру-
бофильтров. Приведены результаты исследования физико–механических, фильтрационных и защитных свойств;
кольматации и водоприемной способности дренажных конструкций; безреагентной, контактной реагентной очис-
тки и обезжелезивания воды. Приведены предложения по усовершенствованию технологии строительства дренажа.
Кроме того, приведены результаты определения индикаторным методом действительной пористости, концентрации
и плотности осадка в порах заиленного фильтра, а также регенерции фильтров без нарушения структуры фильтра.
Наведенi в скороченому виглядi результати дослiджень фiльтрiв з волокнисто–пористого полiетилену (ВПП), якi
були проведенi в Iнститутi гiдромеханiки НАН України за останнi 20 рокiв. Фiльтри з ВПП виконують роль зво-
ротних фiльтрiв i можуть застосовуватись як самостiйнi фiльтрацiйнi полотна, так i як трубофiльтри. Наведенi
результати дослiджень фiзико–механiчних, фiльтрацiйних та захисних властивостей; кольматацiї та водоприймаль-
ної здатностi дренажних конструкцiй; безреагентної, контактної реагентної очистки i знезалiзнення води. Наведенi
пропозицiї щодо удосконалення технологiї будiвництва дренажу. Крiм того, наведенi результати визначення iндика-
торним методом дiйсної пористостi, концентрацiї та густини осаду в порах замуленого фiльтра, а також регенерацiї
фiльтрiв без порушення їх структури.
Results of researches of filters from fibrous–porous polyethylene (FPP), lead in Institute of hidromechanics NAS of Ukraine
for last 20 years are presented in shorthand form. Filters from FPP carry out a role of return filters and can be applied
as independent filtration cloths, as pipe-filters. Results of researches of physicomechanical, filtrational and protective
properties; mud injection and water intake capacity of drainage designs; reagentless, contact reagentive clearing and
dechalybeate water are presented. Proposals on improvement of technology of construction of a drainage are presented.
Besides results of definition by a indicator method of the real porosity, concentration and density in pores of settling filter,
and also regeneration of the filter without disturbance of it’s structure are presented.
ВВЕДЕНИЕ
В Институте гидромеханики НАН Украины в
отделе гидродинамики гидротехнических соору-
жений длительное время проводились исследова-
ния различных волокнисто–пористых материалов
из искусственных минеральных и полимерных во-
локон, которые использовались в качестве обра-
тных фильтров при строительстве дренажей ра-
зличного назначения в мелиоративном и гидроте-
хническом строительстве, а также при очистке во-
ды. Результаты этих исследований опубликованы
во многих научных работах [1–6] и нашли широ-
кое внедрение при строительстве оросительных и
осушительных систем в Украине и в других респу-
бликах СССР.
Наиболее прогрессивным, с нашей точки зрения,
является волокнисто-пористый материал (ВПП),
полученный способом пневмоэкструзии [7–9]. Этот
метод позволяет получить не только плоский ма-
териал типа холстов, но и так называемые трубо-
фильтры, когда на дренажные трубы напыляется
бесшовный слой фильтра, жестко скрепленный с
трубой. Такие трубофильтры, изготовленные в за-
водских условиях, могут быть гибкими и позволя-
ют механизировать процесс строительства дрена-
жа.
Исследования, проведенные нами, показали, что
волокнисто-пористый материал из полиэтилена
может быть использован при очистке малоконцен-
трированной суспензии с диаметром частиц не бо-
лее 10 мкм при безреагентной и контактной ре-
агентной очистке и при обезжелезивании воды.
Ниже коротко излагаются результаты исследо-
ваний по направлениям, указанным выше.
1. ФИЗИКО–МЕХАНИЧЕСКИЕ И
ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ФИЛЬТРОВ ИЗ ВПП
Фильтр из ВПП получают пневмоэкструзион-
ным способом. В отличие от стеклохолстов и поло-
c© Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон, 2007 37
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
тен из полимерных волокон полиэтиленовый холст
состоит из волокон неодинакового диаметра, фор-
ма поперечного сечения волокон не цилиндриче-
ская, а скорее эллиптическая, в местах контакта
волокна спаяны. Пневмоэкструзионный способ по-
зволяет получать материал со средним диаметром
элементарных волокон dэ.в = 35 ÷ 1000 мкм, плот-
ностью γ = 0.17 ÷ 0.45 г/см3 (при Po = 0.02 МПа),
пористостью n = 0.53 ÷ 0.82 (при плотности мате-
риала волокон γn = 0.95 г/см3).
При использовании холстов из ВПП в качестве
обратных фильтров горизонтальных трубчатых
дренажей фильтр подвергается нормальному дав-
лению P . При этом уменьшается его толщина и по-
ристость. При глубине заложения дрен на глубину
не более 7 м давление на фильтр P ≤ 0.12 МПа.
В этом случае деформация фильтра может быть
описана экспериментальной зависимостью
P
ε
= Eo + C1(P − Po),
где ε – относительная деформация фильтра; Po =
= 0.02 МПа; Eo – модуль упругости; C1 – коэффи-
циент пропорциональности. Для фильтра из ВПП
при dэ.в = 38 мкм Eo = 0.17 МПа, C1 = 1.3; при
dэ.в = 150 ÷ 200 мкм Eo = 0.24 МПа и C1 = 1.3.
При использовании холста из ВПП в вертикаль-
ных дренажах давление на фильтр значительно
возрастает и при dэ.в = 150 ÷ 200 мкм могут быть
значения ε = 0.6 ÷ 0.7 и n = 0.25 ÷ 0.3 [2]. Следует
отметить, что при P ≤ 1.3 МПа разлома волокон
не происходит и фильтр не разрушается.
Распределение размера пор и средний диаметр
пор фильтра определяли методом просыпания ка-
либрованных частиц [2]. Получена эксперимен-
тальная зависимость:
do
cp
dэ.в
= 2.88
(
δ
dэ.в
·
γ
γn
)−1.1
+ 1, (1)
где do
cp – средний диаметр пор; δ – толщина филь-
тра.
Анализ зависимости (1) показывает, что форми-
рование поровой структуры фильтра в основном
завершается при достижении толщины фильтра
δ = (10÷ 20) dэ.в в зависимости от его плотнос-
ти и дальнейшее увеличение толщины фильтра не
приводит к заметному уменьшению do
cp.
2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ФИЛЬТРА
ИЗ ВПП
Водопроницаемость фильтра определяется за-
висимостью I − V (где I = ∆H/δ; ∆H – пере-
пад давления на фильтр толщиной δ; V – скорость
фильтрации) или зависимостью C− Re:
C =
πg dэ.в I n2
2V 2(1 − n)
,
Re =
V dэ.в
n ν
,
где ν – коэффициент кинематической вязкости
жидкости.
Зависимость lg C− lg Re при малых значениях
lg Re линейная. Отклонение от линейности прои-
сходит плавно и в пределе стремится к постоян-
ному значению lg C. Обычно определяют крити-
ческое значение Reкр.1, когда нарушается линей-
ность, и Reкр.2, когда lg C ≈ const. При Re < Reкр.1
фильтрационный поток считается ламинарным и
подчиняется закону Дарси. В этом случае
V = Kф I,
где Kф – коэффициент фильтрации.
При Re > Reкр.2 поток считается турбулен-
тным. Экспериментальные исследования филь-
тров из ВПП при dэ.в = 38 ÷ 930 мкм показали,
что Reкр.1 = 1 ÷ 3 и Reкр.2 = 700 ÷ 1000. При
Re < Reкр.1 получена зависимость для Kф при
фильтрации перпендикулярно поверхности филь-
тра:
Kф =
g n d2
э.в
8(1 − n) ν fo(α)
,
где α = 1−n; fo(α) – коэффициент, учитывающий
гидродинамическое взаимное влияние волокон при
движении жидкости через фильтр (см. рис.1). При
движении жидкости вдоль фильтра коэффициент
фильтрации примерно в 2 раза больше, что гово-
рит об анизотропии фильтра в продольном и по-
перечном направлении.
Фильтр из ВПП по отношению к воде гидро-
фобный. Влияние гидрофобности на проницае-
мость фильтра исследовалось экспериментально
при фильтрации воды и уайтспирита. Получено,
что при dэ.в = 40 мкм и γ = 0.255 г/см3 коэффи-
циент проницаемости k = 20.3·10−6 см2 при филь-
трации воды и k = 22.4·10−6 см2 при фильтрации
уайтспирита.
Видно, что влияние гидрофобности на водопро-
ницаемость фильтра из ВПП при dэ.в > 40 мкм
незначительное и может не учитываться при ра-
счете фильтра.
38 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
Рис. 1. Зависимость fo(α) = f(α) для
полиэтиленового холста
3. ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ФИЛЬТРА
ИЗ ВПП
Фильтр из ВПП при строительстве дренажа мо-
жет применяться как самостоятельно, так и в со-
четании с фильтрующей песчано-гравийной об-
сыпкой. При этом фильтр должен обеспечить кон-
тактную устойчивость и защитить дрену от заиле-
ния. Существующие методы расчета основаны на
идее геометрической непроходимости расчетной
частицы грунта через расчетную пору фильтра с
учетом сводообразования или без него. В действи-
тельности, несвязный грунт состоит из частиц ра-
зличного диаметра и характеризуется кривой гра-
нулометрического состава, а фильтр из ВПП –
кривой распределения пор по диаметру. Поэтому
в образовании устойчивого контакта принимают
участие все частицы грунта или обсыпки и все по-
ры фильтра. Этот процесс можно представить как
случайный следующим образом. Грунт состоит из
бесконечного количества слоев. Каждый слой оди-
наковой толщины (например, d50) имеет одинако-
вый гранулометрический состав. Из первого слоя,
который лежит на фильтре, часть грунта про-
сыпается через фильтр, а другая часть перекрыва-
ет поры фильтра. В результате образуется новый
фильтр, через который могут проникать части-
цы второго слоя. И так до n-го слоя грунта, пока
не прекратится просыпание грунта, и образуется
устойчивый контакт. Математически этот процесс
можно описать так.
Первый слой грунта. Относительная вероят-
ность того, что частица диаметром dk проникает
через фильтр, будет:
P ′
k = Pk,гр
j
∑
k
Pф. (2)
Уравнение (2) имеет следующий физический
смысл: частица диаметром dk проникает через
фильтр, если она попадет на пору фильтра диа-
метром do
k ≥ dk.
Свободных пор больше или равных do
k в фильтре
остается
Pk,ф
k
∑
1
Pгр + Pk+1,ф
k+1
∑
1
Pгр +Pk+2,ф
k+2
∑
1
Pгр + . . .+
+Pj,ф
i
∑
1
Pгр.
В этом уравнении Pk,ф
k
∑
1
Pгр означает, что по-
ра диаметром do
k остается свободной, если на нее
попадут частицы меньше или равные dk.
Второй слой грунта.
P ′
k, 2 = Pk,гр
(
Pk,ф
k
∑
1
Pгр + Pk+1,ф
k+1
∑
1
Pгр + . . .+
+Pj,ф
i
∑
1
Pгр
)
.
Свободных пор больше или равных do
k в фильтре
остается
Pk,ф
(
k
∑
1
Pгр
)2
+ Pk+1,ф
(
k+1
∑
1
Pгр
)2
+ . . .+
+Pj,ф
(
i
∑
1
Pгр
)2
.
И так далее.
Относительная вероятность проникновения ча-
стиц грунта диаметром dk из всех n слоев будет
P ′
k = P ′
k,1 + P ′
k, 2 + . . . + P ′
k, n.
P ′
k = Pk,гр
Pk,ф
[
1 −
(
k
∑
1
Pгр
)n
]
1 −
k
∑
1
Pгр
+
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон 39
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
+
Pk+1,ф
[
1 −
(
k+1
∑
1
Pгр
)n
]
1 −
k+1
∑
1
Pгр
+ . . . + Pj,ф
. (3)
Если фильтр однородный в виде сетки с одина-
ковыми ячейками диаметром do
ф, тогда будет:
P ′
k =
Pk,гр
1 −
d=do
ф
∑
1
Pгр
n
1 −
d=do
ф
∑
1
Pгр
. (4)
Если фильтр разнородный, а грунт однородный,
то
P ′
k =
j
∑
k
Pф. (5)
Приведенные выше формулы получены без уче-
та эффекта сводообразования. Чтобы учесть сво-
дообразование, необходимо уменьшить размер пор
или увеличить диаметр частиц на коэффициент
сводообразования.
Зависимость (5) позволяет определить распре-
деление площади пор фильтра по диаметру сле-
дующим образом. Если принять, что Pф означает
вероятность площади пор по диаметру, то грунт,
насыпанный тонким слоем на фильтр, просыпется
с площади ω
j
∑
k
Pф, где ω – площадь фильтра. По-
этому можно записать:
gk
go
=
j
∑
k
Pф,
где gk – масса просыпавшегося грунта, go – мас-
са навески грунта. Нетрудно видеть, что, изменяя
диаметр частиц от такого, когда не просыпется
ни одной частицы, до такого, когда просыпется
весь грунт, можно получить распределение пло-
щади пор по диаметру.
Для проверки этого метода были проведены
опыты со специальными сетками, для которых ра-
спределение площади пор по диаметру определяли
после обработки фотографий, а диаметр пор нахо-
дили по диаметру вписанного круга [15]. В каче-
стве грунта использовали калиброванные частицы
грунта. Ограничением этого метода является ми-
нимальный размер калиброванных частиц 50 мкм,
которые можно использовать в опыте.
Зависимость (4) позволяет определить грануло-
метрический состав грунта, просыпавшегося через
сетку с одинаковыми ячейками. Проведенные ра-
счеты показали, что при расчете по (4) необходимо
учитывать, что просыпание из первого слоя прои-
сходит без образования сводиков, а из остальных
– с их образованием. Эту особенность необходимо
учитывать и при просыпании неоднородного грун-
та через фильтр с неодинаковыми ячейками по за-
висимости (3).
Приведенные зависимости позволяют опреде-
лить количество грунта, проникающего в дрена-
жную трубу, и оценить возможность использова-
ние фильтра с точки зрения заиления трубы. На
рис. 2 приведена зависимость Gnp/Go = f(n),
где n – количество условных слоев грунта толщи-
ной d50. Видно, что основное количество грунта
просыпается из контактных слоев и очень быстро
убывает с увеличением n. Для несуффозионных
грунтов в приконтактной зоне четко проявляе-
тся эффект образования естественного обратного
фильтра.
Рис. 2. Зависимость Gnp/Go = f(n)
На рис. 3 приведена зависимость Gnp/Go =
= f(do), из которой видно, что с увеличением диа-
метра пор количество просыпавшегося грунта сна-
чала медленно, а затем резко возрастает. Это по-
зволяет говорить о том, что если фильтр имеет та-
кие параметры, что Gnp/Go лежит на начальном
пологом участке, то количество грунта, проникше-
го в трубу, будет незначительным и такой фильтр
можно применять для защиты дренажа.
В [2] приведена методика расчета фильтра при
заданном грансоставе обсыпки или подбор гран-
состава обсыпки, если известны характеристики
фильтра. Приведены примеры расчетов для филь-
тра из ВПП при dэ.в = 100 мкм.
40 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
Рис. 3. Зависимость Gnp/Go = f(do)
4. КОЛЬМАТАЦИЯ ФИЛЬТРА ИЗ ВПП
Водопроницаемость фильтра из ВПП при дав-
лении 0.1 МПа значительно больше водопроницае-
мости большинства дренируемых грунтов. Однако
в зависимости от характеристик фильтра и дрени-
руемого грунта фильтр может подвергаться хими-
ческой и механической кольматации, что приве-
дет к уменьшению водопроницаемости фильтра и
заилению дренажных труб. Химическая кольмата-
ция, связанная с физико–химическими процесса-
ми, нами не рассматривалась. Механическая коль-
матация связана с перемещением частиц дрениру-
емого грунта и исследовалась экспериментально.
При дренировании несвязных и малосвязных
грунтов трубофильтр может контактировать не-
посредственно с грунтом, а при дренировании свя-
зных грунтов – с обсыпкой из несвязных грунтов,
которая устраивается для увеличения водоприем-
ной способности дренажа.
Горизонтальный дренаж. Для горизонталь-
ного трубчатого дренажа учитывалось то обсто-
ятельство, что на практике трубофильтр часто
укладывается в водонасыщенные и даже разжи-
женные грунты. В качестве грунтов использова-
лись песок тонкозернистый (d50 = 0.11 мм, η =
= d60/d10 = 2.5, Kф = 2÷4 м/сут) и супесь лессо-
видная (d50 = 0.06 мм, η = 2.6, Kф = 1 м/сут).
Кольматация фильтра из ВПП разжиженным
тонкозернистым песком исследовалась в филь-
трационном лотке при установившемся режиме
работы подрусловой дрены–трубофильтра нару-
жным диаметром 125 мм. Исследованы 9 вариан-
тов фильтра при dэ.в = 67÷125 мкм, толщиной
δ = 1÷4.73 мм, плотностью γ = 248÷332 кг/м3,
удельный приток к дрене q = 5.3÷18.2 л/с на
1 км. В каждом опыте определялось количество
грунта, отложившегося в трубе G1, г/м, и филь-
тре G2, г/м, фильтрационное сопротивление дре-
ны Ф = (Kгр H)/q, фильтрационное сопротивле-
ние “идеальной” дрены Фo и отношении Ф/Фo.
По результатам опытов построены зависимости
G1(G2) = f
(
dэ.в γn
δ γ
)
(см. рис. 4). Отношение
Ф/Фo = 0.77÷1.14, что говорит о незначительном
влиянии кольматации на приток к дрене. Из рис. 4
видно, что кривые пересекаются в точке, допу-
стимой с точки зрения защитных свойств филь-
тра, указанных выше. Учитывая значение пара-
метра
dэ.в γn
δ γ
= 0.24 в этой точке, можно опре-
делить минимальную толщину фильтра. При сре-
дних значениях dэ.в = 100 мкм, γ = 300 кг/м3 и
γn = 950 кг/м3 минимальная толщина фильтра
составляет 1.32 мм.
Рис. 4. Зависимости G1(G2) = f
(
dэ.в γn
δ γ
)
для
фильтра из полиэтилена при укладке трубофильтров
в разжиженный тонкозернистый песок
Кольматация фильтра из ВПП разжиженной
лессовидной супесью исследовалась при фильтра-
ции суспензии концентрацией Cc = 0.1, 1 и 2, где
Cc = T/Ж; T – масса сухого грунта; Ж – масса чи-
стой воды. Методика исследований и результаты
опытов приведены в [2]. Установлено, что при Cc =
= 1 и Cc = 2 разжиженный грунт не проходит че-
рез фильтр, так как на поверхности фильтра прак-
тически мгновенно образуется осадок. При δ =
= 1.3÷2 мм степень кольматации фильтра нахо-
дится в пределах 9÷12. Коэффициент фильтра-
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон 41
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
ции закольматированного фильтра составлял око-
ло 10 м/сут, что значительно больше коэффициен-
та фильтрации лессовидной супеси. При Cc = 0.1
фильтр кольматируется медленно, при этом зна-
чительная часть суспензии проходит через фильтр
пока на его поверхности не образуется осадок. Сте-
пень кольматации фильтра может быть 100 и бо-
лее. Поэтому считаем, что трубофильтр с филь-
тром из ВПП нельзя укладывать в разжиженный
грунт в виде пульпы при Cc < 1.
Вертикальный дренаж. Для вертикального
дренажа с фильтром из ВПП кольматация ис-
следовалась экспериментально [2]. Особенностью
этих исследований является то, что опыты прово-
дились для работы скважины в сложных (Kгр =
= 10÷30 м/сут, q ≥ 3 л/с на 1 п. м фильтра) и
весьма сложных (Kгр ≤ 10 м/сут, q ≥ 0.4 л/с)
условиях при установившейся и нестационарной
(пуск–остановка насоса) фильтрации. Опыты про-
ведены с мелкозернистым (d50 = 0.11 мм, η = 2.4)
и среднезернистым (d50 = 0.25 мм, η = 2) песка-
ми. Количество циклов пуск–остановка было не
менее 25. Критерием для оценки эффективности
работы фильтров из ВПП были приняты защи-
тные свойства сеток квадратного плетения, реко-
мендованные С.К. Абрамовым [10]. Так, в опытах
с мелкозернистым песком исследовались сетки с
ячейками 0.2× 0.2 мм, а в опытах со среднезерни-
стым песком – сетки с ячейками 0.5×0.5 мм. В ка-
честве фильтров исследовались образцы из ВПП
dэ.в = 100 мкм и 200 мкм различной толщины δ
и плотности γ. На рис. 5 приведена зависимость
G = f
(
dэ.в γn
δ γ
)
, на которой штриховой линией
Рис. 5. Результаты исследований защитных свойств
фильтров из ВПП:
1 – dэ.в = 100 мкм (фильтр), d50 = 0.11 мм(песок);
2 – dэ.в = 100 мкм (фильтр), d50 = 0.25 мм (песок);
3 – dэ.в = 200 мкм (фильтр), d50 = 0.25 мм (песок);
4 – dэ.в = 200 мкм (фильтр), d50 = 0.11 мм (песок)
показана величина G для фильтров из сеток
0.2 × 0.2 мм и 0.5× 0.5 мм. В результате анализа
этих зависимостей получены следующие рекомен-
дации: dэ.в ≤ d50; толщина фильтра должна быть
δ = (10 ÷ 30)dэ.в при плотности γ = 0.34÷0.17;
do
cp = (1 ÷ 1.4)d50 для крупного и среднезерни-
стого песка и мелкокозернистого песка соответ-
ственно. При этих условиях фильтр практически
не кольматируется, а пескование незначительное и
быстро прекращается. На фильтр, структура ко-
торого отвечает указанным выше рекомендациям,
получено авторское свидетельство [11].
Лучевой дренаж. Используя метод пневмо-
экструзии, были разработаны новые конструкции
дрен на основе перфорированных пластмассовых
труб. В табл. 1 приведено описание исследован-
ных конструкций лучевого дренажа. Для сравне-
ния в этой же таблице помещены характеристи-
ки трубофильтра ТДПГ–100 ТУ 33 УССР 28-85,
который прошел всестороннюю лабораторную и
опытно-промышленную проверку при строитель-
стве горизонтального трубчатого дренажа. Иссле-
дование кольматации фильтра выполнялось при
напорной фильтрации для условий строительства
дренажа в г. Харькове. В качестве грунта исполь-
зовался пылеватый песок (d50 = 0.12 мм, η = 1.8,
Kгр = 5 м/сут), минимальная скорость фильтра-
ции соответствовала максимальному расчетному
притоку к двухярусной схеме лучевого дренажа
для защиты от подтопления одного из жилых до-
мов в Харькове. В результате исследований полу-
чено, что степень кольматации фильтра не пре-
вышает 1.8 при коэффициенте фильтрации за-
кольматированного фильтра не менее 100 м/сут,
что значительно больше коэффициента фильтра-
ции дренируемого грунта.
5. ВОДОПРИЕМНАЯ СПОСОБНОСТЬ
ДРЕНАЖА С ФИЛЬТРАМИ ИЗ ВПП
Горизонтальный дренаж. Приведем резуль-
таты исследования дренажа из трубофильтра
ТДПГ-100 и конструкций лучевого дренажа.
Опыты проводились в фильтрационных лотках
при работе дренажа по схеме подрусловой дрены.
При испытании трубофильтра ТДПГ-100 в каче-
стве грунта модели использовали мелкозернистый
и среднезернистый пески. Расход на модели уста-
навливали, исходя из работы глубокого дренажа
на мелиоративных системах орошения. Оценка во-
доприемной способности дрены производилась ме-
тодом сравнения действительного фильтрацион-
ного сопротивления дрены Ф с фильтрационным
сопротивлением “идеальной” дрены Фo. Известно,
что Ф = Фo + ΣФдоп, где Фo не зависит от при-
тока к дрене и определяется степенью вскрытия
42 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
Табл 1. Характеристики исследованных образцов трубофильтров c бесшовным фильтром из напыленного
полиэтилена
N Тип и описание dн.тр, δ, γ, n, dэ.в, do
cp, Kф, Ф/Фo
обр. конструкции трубофильтра мм мм г/см3 % мм мм м/сут
Каркасно-дисковый фильтр (КДФ)
Соединение секций труб с помощью резьбовых муфт
1 1 - Перфорированная 125.6 2.80 0.406 57 0.1÷0.2 0.18 259 1.07
2 ПЭ труба dн = 90 мм, 124.6 2.30 0.392 58 0.1÷0.2 0.19 426
3 наборные диски из 125.3 2.66 0.413 57 0.1÷0.2 0.16 289
пластмассы δ = 6 мм
(зазор 0.8 мм), фильтр
Трубофильтр
Соединение секций труб с помощью резьбовых муфт
4 2 - Перфорированная 99.0 3.50 0.260 73 0.1÷0.15 0.30 415 1.22
ПЭ труба dн = 90 мм,
слой из ПЭ сетки
δ = 1 мм, фильтр
5 3 - Перфорированная 105.2 3.60 0.180 81 0.11 0.15 1100 1.09
ПЭ труба dн = 90 мм,
слой из пластмассовых
жгутов δ = 4 мм, фильтр
6 4 - Перфорированная 117.0
ПЭ труба dн = 90 мм,
фильтр двухслойный
из напыленного ПЭ
1-й слой фильтра 9.00 0.230 76 0.5÷0.6 0.85 6000 1.03
2-й слой фильтра 4.50 0.280 71 0.125 0.15 570
7 5 - Перфорированная 122.6 3.40 0.180 81 0.110 0.15 1100 1.07
ПЭ труба dн = 110 мм,
слой сетки δ = 2.9 мм из
ПВХ нитей d = 0.7 мм,
фильтр
8 6 - Перфорированная 123.0 3.50 0.180 81 0.11 0.15 1100 1.08
ПЭ труба dн = 110 мм,
слой сетки δ = 3 мм из
ПЭ нитей d = 0.6 мм,
фильтр
ТДПГ-100 ТУ 33 УССР 28-85
9 7 - Витая гофрированная 121.8 2.91 0.189 80 0.08÷0.12 0.13 900 1.00
ПВХ труба dн = 116 мм,
фильтр
Примечание: ПЭ – полиэтилен, ПВХ – поливинилхлорид.
пласта и может быть найдено по известным зави-
симостям [12] или методом математического моде-
лирования на ЭГДА. Сопротивление ΣФдоп зави-
сит от притока к дрене и определяется гидравли-
ческими потерями за счет недостаточной площади
перфорации, сопротивления фильтра из ВПП, со-
противления при истечении воды в полость тру-
бы через отверстия, за счет нарушения режима
фильтрации в фильтре. Трубофильтр имеет свое-
образную конструкцию: поверхность трубы имеет
глухие, нерабочие участки и впадины, перекрытые
фильтром. Вода поступает в трубу через зазоры
между бесконечной профилирующей лентой, име-
ющей зубцы. В [2] отмечено, что основные гидрав-
лические потери обусловлены перетеканием воды
через зазоры. Результаты экспериментов показа-
ли, что Ф/Фo при работе дрены в мелкозерни-
стом и среднезернистом песках не превышает 1.05.
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон 43
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
При укладке дренажа в связных и малосвязных
грунтах необходимо использовать обсыпку из не-
связных грунтов. Проведенные нами специальные
исследования [2, 14] показали, что при Kоб/Kгр
>10, где Kоб – коэффициент фильтрации материа-
ла обсыпки, расчет междренных расстояний мож-
но проводить, определяя Фo по контуру обсыпки.
Лучевой дренаж. Исследование водоприем-
ной способности различных конструкций луче-
вого дренажа осуществлялось по методике, опи-
санной выше. В качестве грунта модели исполь-
зовался мелкозернистый песок. В табл. 1 при-
ведены значения Ф/Фo, из которых видно, что
только трубофильтр тип 2 имеет сравнительно
большое фильтрационное сопротивление за счет
конструкции дрены (Ф/Фo = 1.22). Для осталь-
ных конструкций дрен–трубофильтров отношение
Ф/Фo = 1.03÷1.09, что незначительно. Считаем,
что наиболее перспективной конструкцией дрены
является тип 4 с диаметром полиэтиленовой тру-
бы 110 мм.
Вертикальный дренаж. Исследование во-
доприемной способности вертикального дренажа
различных конструкций проводилось эксперимен-
тально на установке по схеме фильтрации из на-
порного пласта [2]. В качестве грунта модели
использовались среднезернистый (d50 = 0.25 мм,
η = 2) и мелкозернистый (d50 = 0.11 мм, η = 2.4)
пески и гравийная обсыпка (d50 = 3.2 мм, η = 2).
Несовершенство конструкции дрены определялось
отношением Ф/Фo.
Были исследованы следующие конструкции
дрены.
1. Опорный каркас из витой поливинилхлори-
дной трубы (ПВХ), наружный диаметр 350 мм,
скважность 30 %, защитный фильтр из ВПП
(dэ.в = 300 мкм, δ = 4.5 мм, γ = 290 кг/м3).
Обсыпка – гравий, диаметр по контуру обсыпки
430 мм. Грунт модели – песок среднезернистый,
удельный приток до 5.4 л/с на 1 п. м. Параметр
Ф/Фo = 1.05÷1.13, среднее значение Ф/Фo = 1.08.
2. Опорный каркас из напорной ПВХ трубы, на-
ружный диаметр 280 мм, скважность 20 %, спи-
ральная навивка из полимерного жгута диаме-
тром 4 мм шагом 8 ÷10 мм и защитный фильтр
из ВПП. Обсыпка – гравий, диаметр по контуру
обсыпки 430 мм. Грунт модели – песок среднезер-
нистый, удельный приток до 5 л/с на 1 п. м. Пара-
метр Ф/Фo = 1.04÷1.05, среднее значение Ф/Фo =
= 1.04.
3. Опорный каркас из стеклопластиковой филь-
тровальной трубы, наружный диаметр 200 мм,
защитный фильтр из ВПП. Обсыпка – гравий, ди-
аметр по контуру обсыпки 430 мм. Грунт моде-
ли – песок среднезернистый, удельный приток до
4.8 л/с на 1 п. м. Параметр Ф/Фo = 1.03÷1.05,
среднее значение Ф/Фo = 1.04.
4. Фильтр металлический из просечного ли-
ста со штампованными щелевыми отверстиями
с нависающими козырьками скважностью 15 %
на металлической перфорированной трубе нару-
жным диаметром 280 мм. Обсыпка – гравий, ди-
аметр по контуру обсыпки 430 мм. Грунт моде-
ли – песок среднезернистый, удельный приток до
4.2 л/с на 1 п. м. Параметр Ф/Фo = 1.07÷1.14,
среднее значение Ф/Фo = 1.11.
5. Фильтр каркасно-стержневой с проволочной
обмоткой скважностью 55 % , наружный диаметр
260 мм. Обсыпка – гравий, диаметр по контуру об-
сыпки 430 мм. Грунт модели – песок среднезерни-
стый, удельный приток до 5.5 л/с на 1 п. м. Сред-
нее значение Ф/Фo = 1.04.
6. Фильтр из стеклопластиковой фильтро-
вальной трубы, наружный диаметр 200 мм. Об-
сыпка – гравий, диаметр по контуру обсыпки
430 мм. Грунт модели – песок среднезернистый,
удельный приток до 4.6 л/с на 1 п. м. Параметр
Ф/Фo = 1.03÷1.06, среднее значение Ф/Фo = 1.05.
7. Опорный каркас из витой ПВХ трубы, на-
ружный диаметр 350 мм, скважность 30 %, защи-
тный фильтр из ВПП. Обсыпки нет. Грунт моде-
ли – песок среднезернистый, удельный приток до
4.1 л/с на 1 п. м. Параметр Ф/Фo = 1.03÷1.07,
среднее значение Ф/Фo = 1.04.
8. Опорный каркас из напорной ПВХ трубы, на-
ружный диаметр 280 мм, скважность 20 %, спи-
ральная навивка из полимерного жгута диаме-
тром 4 мм шагом 8 ÷10 мм и защитный фильтр из
ВПП. Обсыпки нет. Грунт модели – песок средне-
зернистый, удельный приток до 7.1 л/с на 1 п. м.
Параметр Ф/Фo = 1.03.
9. Опорный каркас из витой ПВХ трубы, на-
ружный диаметр 350 мм, скважность 30 %, защи-
тный фильтр из ВПП (dэ.в = 150 мкм, δ = 3.5 мм,
γ = 270 кг/м3). Обсыпки нет. Грунт модели – пе-
сок мелкозернистый, удельный приток до 0.48 л/с
на 1 п. м. Параметр Ф/Фo = 1÷1.03, среднее зна-
чение Ф/Фo = 1.01.
Как видно из приведенных значений парамет-
ра Ф/Фo наибольшее несовершенство по характе-
ру вскрытия пласта имеет конструкция фильтра
N 4 из просечного металлического листа, Ф/Фo =
1.14. Для остальных конструкций Ф/Фo ≤ 1.08,
что говорит о совершенстве конструкций и хоро-
ших защитных свойствах фильтра.
44 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
6. ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ДРЕ-
НАЖА С ФИЛЬТРАМИ ИЗ ВПП
Разработанная в Институте гидромеханики
НАН Украины конструкция трубофильтра ТУ–33
УССР 5–83, созданная на основе гибкой дрена-
жной витой ПВХ трубы НИИСП Госстроя Украи-
ны, отличается малым весом, низкой материало-
емкостью и простотой стыковки. Указанные тру-
бофильтры изготавливались на одном из комби-
натов стеновых материалов и строительных пла-
стмасс.
Горизонтальный дренаж. При строительстве
трубы соединялись в плети длиной 100÷200 м и
на барабане транспортировались к месту уклад-
ки. Барабан с дренажной трубой устанавливал-
ся на дреноукладчике. Использовались траншей-
ные, узкотраншейные и бестраншейные дреноу-
кадчики. Отрывка траншеи, укладка трубофиль-
тра, устройство фильтрующей обсыпки и обра-
тная засыпка траншеи проводились одновремен-
но. При этом обратная засыпка траншеи выпол-
нялась бульдозером или, для некоторых типов
дреноукладчиков, с помощью транспортеров обра-
тной засыпки. На рис. 6 показана укладка дрена-
жа траншейным, а на рис. 7 – бестраншейным дре-
ноукладчиками.
Рис. 6. Укладка дренажа траншейным
дреноукладчиком
Применение трубофильтров позволило меха-
низировать процесс строительства дренажа, по-
высить культуру и качество строительства, полу-
чить значительный экономический эффект [16-18].
За период 1966–1977 гг. в Украине строитель-
ными организациями Министерства мелиорации
и водного хозяйства Украины с новыми филь-
трами было уложено около 7000 км на площади
140 тыс. га глубокого горизонтального трубчато-
го дренажа в зоне орошаемого земледелия, около
Рис. 7. Укладка дренажа бестраншейным
дреноукладчиком
200 тыс. км на площади 300 тыс. га мелкого труб-
чатого дренажа в зоне избыточного увлажнения,
дренировано более 100 населенных пунктов и уло-
жено 50 км приканального дренажа вдоль Красно-
знаменского и Северо–Крымского магистральных
каналов.
Лучевой дренаж устаивается из шахтного
ствола с помощью установки горизонтального
бурения под защитой обсадных труб. Лучевой
дренаж состоит из секций трубофильтра дли-
ной 1.4 м, соединенных с помощью резьбовых
муфт. В Харькове строительство лучевого дрена-
жа осуществлялось управлением “Спецшахтотон-
нельремстрой” в 1991 г. Положительный опыт вне-
дрения новой конструкции лучевого дренажа на-
шел свое продолжение. Сейчас в Харькове имее-
тся организация, которая, используя результаты
наших работ, усовершенствовала конструкцию и
способ строительства лучевого дренажа.
Вертикальный дренаж с использованием за-
щитного фильтра из ВПП устраивается в соответ-
ствии с ТУ 88 УССР 541735.1.1–91, разработан-
ными в Институте гидромеханики НАН Украины
[2, 13]. Фильтры из ВПП можно применять в сква-
жинах, пробуренных роторных способом с обра-
тной промывкой чистой водой. При этом техноло-
гия устройства и опробования скважины не отли-
чается от традиционной.
Проверка эффективности работы фильтров но-
вой конструкции проводилась в нескольких ре-
гионах Украины. Данные о работе некоторых из
построенных скважин с водоприемным слоем из
защитно-фильтрующего полиэтиленового матери-
ала (ЗФПМ), приведены в табл. 2. Скважины в с.
Железный Порт, совхоз “Приморский” и “Вiльна
Українка” Голопристанского р-на Херсонской обл.
каптировали воду с минерализацией до 30 г/л при
pH = 7.6÷7.8. Наблюдения в течение 3–4 лет по-
казали, что скважины работают стабильно, умень-
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон 45
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
Табл 2. Данные о скважинах с водоприемным слоем из ЗФПМ
N Место и год Глу- Конструкция Длина Дебит при строит.
скв. строительства бина, водоприемной фильтра, откачках
м части м Удельный Общий,
(на 1 м пони- л/с
жения), л/с
62 Противофильтрационная 19.7 Фильтровые 6.0 1.4 6.9
завеса, каркасы
г. Никополь, 1986 г. из витой ПВХ
трубы, d = 280 мм,
ЗФПМ II типа
153 Противофильтрационная 31.5 Каркасно– 9.0 3.5 14.0
завеса, проволочный,
п. Каменка–Днепровская d = 219 мм,
Запорожской обл., 1987 г. ЗФПМ II типа
4 Защита от подтопления, 63.0 Каркасно– 15.6 2.0 36.0
с. Железный Порт проволочный,
Голопристанского р-на d = 375 мм,
Херсонской обл., 1988 г. ЗФПМ III типа
1 Защита от подтопления, 51.0 Перфорированные 16.5 4.8 58.0
с-з “Приморский”, ПВХ трубы
Голопристанского р-на d = 280 мм,
Херсонской обл., 1989 г. ЗФПМ III типа
1 Защита от подтопления, 50.0 То же 16.5 2.8 57.0
с. Вiльна Українка
Голопристанского р-на
Херсонской обл., 1989 г.
шение дебита незначительное.
7. БЕЗРЕАГЕНТНАЯ И КОНТАКТНАЯ
РЕАГЕНТНАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ
ФИЛЬТРАМИ ИЗ ВПП
В 2001–2006 гг. были проведены эксперимен-
тальные исследования осветления воды, замутнен-
ной механическими частицами диаметром не бо-
лее 10 мкм при концентрации не более 600 мг/л,
фильтром из ВПП при безреагентной и конта-
ктной реагентной очастке. Показано, что очистка
воды до 2 ÷ 3 мг/л фильтрами из ВПП возможна
не хуже, чем фильтрами из песка или пенополи-
стирола (ППС). При этом, при равных условиях,
продолжительность фильтроцикла и грязеемкость
при использовании фильтров из ВПП больше. Ра-
зработан также метод регенерации фильтра без
нарушения структуры фильтра. Приводим основ-
ные результаты исследований, опубликованные в
[3, 21].
7.1. Экспериментальная установка и методика
исследований
На рис. 8 показана схема экспериментальной
установки. В режиме осветления установка рабо-
тала следующим образом. Суспензия определен-
ной мутности из бака 1 по трубопроводу 6 пода-
валась в напорный бачок 7. Из напорного бачка
она попадала в воздухоотделитель (регулятор ско-
рости) 8, который позволяет поддерживать посто-
янную в течение всего опыта скорость фильтро-
вания. Расход суспензии из напорного бачка ре-
гулировался вентилем и устанавливался постоян-
ным для каждого опыта. Из регулятора скорости
суспензия подавалась на фильтрующую загрузку
14 и осветлялась.
При контактной реагентной очистке в исходную
воду с помощью дозирующего устройства 3 вво-
дился раствор коагулянта, как показано на схеме
(см. рис. 8). В качестве коагулянта использовался
сернокислый алюминий Al2(SO4)3.
Фильтрационный прибор 10 выполнен из оргсте-
кла в виде цилиндра диаметром 140 мм и высотой
46 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
Рис. 8. Схема экспериментальной установки
рабочей части 600 мм, оборудован пьезометрами
15 и местами для отбора проб суспензии 16, опор-
ной сеткой 13 и 17 с прижимным устройством,
решеткой 12 для выравнивания потока при обра-
тной промывке и устройством для интенсифика-
ции промывки 11.
При безреагентной очистке использовались
фильтры толщиной 30 см из ВПП (dэ.в = 50÷
÷125 мкм, n = 0.75÷0.82), из песка (dэкв = 0.45 мм,
n = 0.36) и из ППС (d = 0.4÷2 мм, n = 0.36÷0.42).
Фильтр из ВПП состоял из элементарных слоев
толщиной 2÷3 мм. Скорость фильтрования – V =
= 0.75; 1.5 и 3.0 м/ч, направление фильтрации –
сверху вниз и снизу вверх. Начальная концентра-
ция суспензии – C = 47÷640 мг/л.
При контактной реагентной очистке использо-
вались фильтры толщиной 30 см из ВПП (dэ.в =
= 100÷ 140 мкм, n = 0.77) и из ППС (d = 0.4÷
÷2 мм, n = 0.36). Скорость фильтрования – V =
= 3; 5 и 8 м/ч, направление фильтрации – снизу
вверх. Начальная концентрация суспензии – Co =
= 55÷196 мг/л, Cp = 20÷40 мг/л и Co.p = Co +
+Cp = 75÷236 мг/л.
При проведении опыта фиксировали концентра-
цию суспензии после фильтра Cф и напор H в
определенные моменты времени t и строили зави-
симость Cф = f(t) и H = f(t). При последующей
обработке результатов опытов определяли коэф-
фициент массового заиления фильтра σw, отнесен-
ный к единице объема пор фильтра за единицу
времени, и приведенный коэффициент заиления
σ′′
w, коэффициент фильтрации заиленного филь-
тра Kф.з и безразмерное время T :
σw =
V ∆C
δ n
,
σ′′
w =
σwδ
Co V
=
∆C
Co
или σ′′
w =
∆C
Co.p
,
Kф.з =
V δ
H
, (6)
T =
t
to
,
где ∆C = Cф − Co или ∆C = Cф − Co.p; V – ско-
рость фильтрования; δ – толщина фильтра; n –
пористость чистого фильтра; to = δ/V – время,
за которое условный фронт суспензии проходит
фильтр толщиной δ. Параметр σ′′
w определяет сте-
пень очистки суспензии.
В отношении безразмерного времени T следует
отметить, что T можно представить как отноше-
ние объема профильтровавшей суспензии за время
t к объему фильтра. Физически это верно, так как
заиление фильтра определяет не время, а объем
осветленной суспензии.
Анализ графиков σ′′
w − t и G− t позволяет выде-
лить в одних опытах довольно точно, а в других
– с некоторым допущением три, обычных в таких
случаях, периода работы фильтра: период “заряд-
ки” фильтра t1, когда ∆C возрастает от 0 до неко-
торого значения; период t1÷ t2, когда ∆C ≈ const,
σ′′
w ≈ const; период t > t2, когда σ′′
w уменьшается,
а Cф возрастает.
Во всех опытах период “зарядки” фильтра очень
короткий, а накопление осадка в фильтре Gкр.1 не-
значительное. Период t1 ÷ t2 является основным
рабочим периодом работы фильтра, а накопление
осадка к концу периода Gкр.2 определяет грязеем-
кость фильтра.
При Gкр.1 � Gкр.2 и t1 � t2 значение t2 можно
определить по зависимости
t2 =
Gкр.2 δ n
σ′′
w Co V
или t2 =
Gкр.2 δ n
σ′′
w Co.p V
. (7)
В зависимости (7) при δ = const, n = const и
V = const неизвестными величинами являются σ′′
w
и Gкр.2. На рис. 9 приведены экспериментальные
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон 47
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
зависимости σ′′
w = f (T ∗), где параметр T ∗ опре-
делен при t = 1, для безреагентной и реагентной
очистки. Видно, что использование реагента суще-
ственно влияет на эффективность работы филь-
тра.
Рис. 9. Экспериментальные зависимости σ′′
w − T∗ при
фильтровании суспензии через фильтр из ВПП,
песка и ППС:
1 – безреагентная очистка
• – ВПП dэ.в = 100÷125 мкм, 4 – песок dэкв = 0.45 мм,
+ – ППС d = 0.4 ÷ 2 мм;
2 – контактная реагентная очистка
� – ВПП dэ.в = 100÷140 мкм, ◦ – ППС d = 0.4 ÷ 2 мм
Отметим также, что при обезжелезивании под-
земных вод по способу упрощенной аэрации филь-
трами из ВПП и ППС зависимость σ′′
w = f (T ∗)
практически совпадает с зависимостью при ре-
агентной очистке. Однако при этом период “за-
рядки” фильтра t1 значительный и по величине
близок к времени полезной работы фильтра (t1 ≈
≈ t2– t1), что значительно усложняет работу очи-
стной установки.
Степень очистки σ′′
w должна быть не менее допу-
стимой [σ′′
w]:
[σ′′
w] =
Co − ПДК
Co
или [σ′′
w] =
Co.p − ПДК
Co.p
,
где ПДК = 3 мг/л при очистке воды, замутненной
минеральными частицами, и ПДК = 0.3 мг/л при
обезжелезивании воды (ПДК – предельная допу-
стимая концентрация).
Значение Gкр.2 при прогнозных расчетах филь-
тра из ВПП приведены в табл. 3.
Напор на фильтр при Gкр.2 определяем по зави-
симости (6), где Kф.з приведены в табл. 3.
Регенерация фильтра. Экспериментально
установлено, что фильтр из ВПП можно реге-
нерировать, не нарушая его структуру, способом
обратной промывки при фильтрации сверху вниз.
Промывочная скорость фильтрации должна быть
(20 ÷ 30)V . Для интенсификации промывки уста-
новившийся фильтрационный поток с помощью
специального устройства на крышке прибора (см.
Табл 3. Фильтр из ВПП dэ.в = 100 ÷ 150 мкм,
n = 0.75 ÷ 0.82, δ = 20 ÷ 40 см
T ∗ σ′′
w Gкр.2, Kф.з,
мг/см3 см/с
Безреагентная очистка
V = 0.75÷ 3 м/ч, Co = 100 ÷ 200 мг/л
2.5 0.95 80 0.025
5.0 0.77 55 0.030
10.0 0.43 40 0.040
Контактная реагентная очистка
V = 3 ÷ 8 м/ч, Co.p = 130 ÷ 240 мг/л
5 0.985 25 0.07
10 0.981 15 0.12
20 0.978 8 0.22
30 0.975 6 0.26
40 0.970 4 0.35
50 0.968 2.7 0.45
рис. 8) преобразуется в знакопеременный пульси-
рующий фильтрационный поток. При этом, сте-
пень регенерации фильтра при постоянном про-
мывочном расходе может достигать 80 %, а при
пульсирующей фильтрации – до 97 % [3].
8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ
ЗНАЧЕНИЙ ПОРИСТОСТИ И ПЛОТНОС-
ТИ ОСАДКА В ПОРАХ ЗАИЛЕННОГО
ФИЛЬТРА
Действительная пористость заиленного филь-
тра nз и плотность осадка в порах зернистых
фильтров изучены мало, а в объемных фильтрах
из ВПП такие исследования не проводились.
Зная nз, можно определить объем заиленного
порового пространства фильтра Wф.з, среднюю
скорость в порах u, концентрацию твердых частиц
в осадке Coc, плотность осадка γoc, степень заиле-
ния пор осадком ρ по следующим зависимостям:
Wф.з =
πD2
4
δ(n − nз),
u =
V
nа.з
, Coc = G
n
n − nз
,
γoc = γв +
Coc
γm
(γm − γв) , ρ =
n − nз
n
,
где D – диаметр фильтра; nа.з – активная пори-
стость; γв и γm – плотность воды и твердых частиц
суспензии соответственно.
Для определения действительной пористости
заиленного фильтра nз использовали индикатор-
ный метод [3, 19, 20]. При движении потока
48 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
жидкости–индикатора через фильтр со скоростью
фильтрования Vc < V средняя скорость в порах
будет Vc/nз. Тогда расчетное время прохождения
условного фронта суспензии через фильтр толщи-
ной δ будет tрасч = (δnз)/Vc, которое может не
совпадать с фактическим временем tфакт из-за
образования застойных зон за волокнами и в ме-
стах дискретного скопления волокон. В этом слу-
чае tфакт/tрасч = β. Тогда получим:
nз =
tфакт Vc
δ β
, (8)
где tфакт и β определены экспериментально.
Исследования проводились на установке, схема
которой показана на рис. 10.
Фильтрационный прибор представлял собой ци-
Рис. 10. Схема установки для исследования кинетики
и пористости индикаторным методом:
1 – мешалка, 2 – емкость для суспензии, 3 – емкость для
солевого раствора, 4 – напорный бачок постоянного уровня,
5 – регуляторы скорости, 6 – наклонный дифференциальный
микроманометр, 7 – фильтрационный прибор,
8 – фильтрующая загрузка, 9 – быстродействующий
самописец Н3031, Д1...Д3 – датчики, П1, П2 – пьезометры,
Пр1, Пр2 – пробоотборники
линдр из ПВХ трубы с внутренним диаметром
40 мм, оборудованной датчиками Д1, Д2 и Д3,
которые представляли собой две параллельные
струны–электрода из нержавеющей стали, пере-
секающие трубу по диаметру. Расстояние между
электродами было 3 мм. Датчики использова-
ли для фиксации концентрации солевого раство-
ра, который применялся в качестве индикатора
движения потока жидкости через фильтр. Кон-
центрация солевого раствора (NaCl) составляла
1300 мг/л. Изменение электропроводности суспен-
зии фиксировалось быстродействующим самопи-
сцем H 3031. На рис. 11 показана типичная осцил-
лограмма для опыта 1 с.
Рис. 11. Образец осциллограммы для опыта 1с
Рис. 12. Экспериментальные зависимости nз − t для
фильтра из ВПП при безреагентной очистке
малоконцентрированной суспензии
Определение nз проводилось в процессе опыта
по исследованию кинетики фильтрования при без-
реагентной очистке суспензии при постоянной ско-
рости по формуле (8), где tфакт = t2−3 (см. рис.
11), β = 0.785.
Всего было проведено пять опытов с фильтром
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон 49
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
Рис. 13. Экспериментальная зависимость G − nз для
фильтра из ВПП при безреагентной очистке
малоконцентрированной суспензии
Рис. 14. Экспериментальная зависимость Kф − nз
для фильтра из ВПП при безреагентной очистке
малоконцентрированной суспензии
из ВПП (dэ.в = 125 мкм, n = 0.77, δ = 20 мм)
при V = 1.5 ÷ 3.2 м/час, Co = 64 ÷ 210 мг/л и
выполнено 50 измерений nз. В результате обработ-
ки данных получены экспериментальные зависи-
мости nз = f(t) (см. рис. 12), G = f(nз) (см. рис.
13), Kф = f(G) (см. рис. 14) и Kф = f(nз) (см.
рис. 15) при безреагентной очистке.
При контактной реагентной очистке вычисле-
ние nз индикаторным методом не проводилось. Но
если принять, что коэффициент фильтрации заи-
ленного фильтра определяется nз и не зависит от
способа заиления, то зависимость на рис. 15 мож-
но использовать при анализе опытов при конта-
ктной реагентной очистке. На рис. 16 и 17 приве-
дены соответственно экспериментальные зависи-
мости G = f(nз) и Coc = f(ρ) при безреагентной
и контактной реагентной очистке. Видно, что при
одном и том же значении nз или ρ значения G и
Coc при контактной реагентной очистке меньше.
Значения Coc/Co и γoc были следующие: при
безреагентной очистке Coc/Co = 500÷1000, γoc =
= 1.03÷1.06 г/см3, при контактной реагентной
очистке Coc/Co.p = 33÷244, γoc = 1.003 ÷
÷1.019 г/см3.
Рис. 15. Экспериментальная зависимость Kф − nз
для фильтра из ВПП при безреагентной очистке
малоконцентрированной суспензии
Рис. 16. Экспериментальные зависимости G = f(nз)
для фильтра из ВПП (dэ.в = 125 мкм, n = 0.77,
δ = 10 ÷ 30 мм):
1 – при контактной реагентной очистке Co.p = 135 мг/л,
V = 5 м/час;
2 – при безреагентной очистке Co = 135 мг/л, V = 5 м/час
Рис. 17. Экспериментальная зависимость Coc = f(ρ)
для фильтра из ВПП (dэ.в = 125 мкм, n = 0.77,
δ = 10 ÷ 30 мм):
1 – при контактной реагентной очистке Co.p = 135 мг/л,
V = 5 м/час;
2 – при безреагентной очистке Co = 135 мг/л, V = 5 м/час
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Применение метода пневмоэкструзии позво-
ляет получить волокнисто–пористые фильтры из
полиэтилена (ВПП) или других полимеров, кото-
50 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 2-3. С. 37 – 51
рые можно использовать для устройства дрена-
жей различного назначения в гидротехническом
строительстве. Фильтры из ВПП могут быть изго-
товлены в виде холстов различной толщины или
в виде бесшовного фильтра на дренажной тру-
бе, образуя трубофильтр. Как показали исследо-
вания, проведенные в Институте гидромеханики
НАН Украины, применение трубофильтров позво-
ляет организовать заводское изготовление трубо-
фильтров, механизировать процесс строительства
дренажей, повысить качество и культуру прои-
зводства, получить значительный экономический
эффект.
2. Фильтры из ВПП можно использовать при
очистке воды. Эффективность работы таких
фильтров несколько лучше, чем зернистых филь-
тров, применяемых сейчас. При этом регенерация
фильтров может быть произведена без наруше-
ния структуры фильтра. Это позволяет создать
устновки для очистки воды при водоснабжении не-
больших населенных пунктов или отдельных по-
требителей.
3. В настоящее время текстильной промышлен-
ностью Украины выпускаются геотекстильные ма-
териалы из полимерных волокон с высокой про-
чностью на разрыв. Это позволяет использовать
такие материалы в качестве защитных филь-
тров при строительстве креплений земляных отко-
сов различных гидротехнических ооружений. При
этом геотекстиль может работать на растяжение, а
само крепление приобретает свойства гибкого кре-
пления. В настоящее время в Институте гидроме-
ханики разработан метод расчета гибкого крепле-
ния с использованием геотекстиля [5]. Построено
несколько опытно-промышленных участков гибко-
го крепления с использованием геотекстиля и бе-
тонных блоков, соединенных гибкими связями.
1. Пивовар Н. Г., Бугай Н. Г., Рычко В. А. Дре-
наж с волокнистыми фильтрами.– К.: Наук. дум-
ка, 1980.– 214 с.
2. Пивовар Н. Г., Бугай Н. Г., Фридрихсон В. Л.,
Кривоног А. И., Кривоног В. В. Дренаж с во-
локнистыми фильтрами для защиты территорий
от подтопления.– К.: Ин-т гидромеханики НАН
Украины, 2000.– 332 с.
3. Бугай Н. Г., Кривоног А. И., Кривоног В. В.
Безреагентная очистка воды фильтрами из
волокнисто-пористого полиэтилена // Прикладна
гiдромеханiка.– 2004.– 6(78), N 2.– С. 27-43.
4. Бугай Н. Г., Кривоног А. И., Кривоног В. В., Пиво-
вар Н. Г., Фридрихсон В. Л. Гидродинамические,
физико-механические характеристики и структур-
ные параметры волокнистых дренажных филь-
тров // Прикладна гiдромеханiка.– 2001.– 3(75),
N 3.– С. 5-19.
5. Бугай Н. Г., Кривоног А. И., Кривоног В. В., Фри-
дрихсон В. Л. Гибкие крепления откосов земляных
плотин гидротехнических сооружений с использо-
ванием геотекстиля // Прикладна гiдромеханiка.–
2006.– 8(80), N 1.– С. 3-22.
6. Бугай Н. Г., Канарский В. Ф., Пивовар Н. Г.,
Осадчук В. А. Устройство обратных фильтров
гидротехнических сооружений из минеральных
волокнистых материалов // Гидротехническое
строительство.– 1971.– N 12.– С. 17-20.
7. Ставрова Т. В., Шустов В. П., Шалобалов О. М.,
Сапожников Е. Г. Получение полимерных
защитно-фильтрующих материалов и покрытия.–
В кн: Полимерные материалы и научный прогресс
в мелиорации: М., 1980.– 121-124 с.
8. Пивовар Н. Г., Шустов В. П., Бугай Н. Г., Ставро-
ва Т. В., Фридрихсон В. Л. и др. Способ изготов-
ления дренажной трубы // Авт. свид. N 1066120
(СССР).– 1983.– Опубл. 8.09.1983.– С. 5.
9. Пивовар Н. Г., Бугай Н. Г., Фридрихсон В. Л.
Трубчатый дренаж из полимерных материалов //
Гидротехника и мелиорация.– 1982.– N 4.– С. 48-
50.
10. Абрамов С. К., Алексеев В. С. Забор воды из под-
земного источника .– М.: Колос, 1980.– 239 с.
11. Бугай Н. Г., Кривоног А. И., Пивовар Н. Г., Фри-
дрихсон В. Л. Скважинный фильтр // Авт. свид. N
1530702 (СССР).– 1989.– Опубл. 22.08.1989.– С. 7.
12. Ведерников В. В. Теория фильтрации и ее при-
менение в области ирригации и дренажа.– М.-Л.:
Госстройиздат, 1939.– 248 с.
13. Кривоног А. И. Экспериментальные исследова-
ния защитных свойств фильтров из волокнисто-
пористого полиэтилена // Мелиорация и водное
хозяйство.– 1992.– Вып. 77.– С. 54-57.
14. Кривоног (Ткач) В. В. Влияние экранирующе-
го эффекта грунта обратной засыпки дрена-
жных траншей на работу подрусловой дрены //
Гидромеханика.– 1983.– Вып. 48.– С. 91-94.
15. Бугай Н. Г., Кривоног (Ткач) В. В. Распределение
пор в фильтре, образованном произвольным нало-
жением сеток в два и три слоя // Гидравлика и
гидротехника.– 1984.– Вып. 38.– С. 55-59.
16. Мацелюх П. М., Фридрихсон В. Л., Черепов-
ский Ю. Т. Осушение земель в условиях западин-
ного рельефа // Мелиорация и водное хозяйство.–
1990.– Вып. 73.– С. 22-24.
17. Бугай Н. Г., Пивовар Н. Г., Дадиани М. К. и
др. Опыт строительства бестраншейного дрена-
жа в Киевской области // Мелиорация и водное
хозяйство.– 1990.– Вып. 73.– С. 66-70.
18. Кубишкiн В. П., Мацелюх П. М., Фрiдрiхсон В. Л.
Застосування безтраншейного способу будiвни-
цтва дренажу в гумiднiй зонi України // Мелiора-
цiя i водне господарство.– 1997.– Вип. 84.– С. 60-67.
19. Мельцер В. З. Изменение геометрических и ги-
дравлических характеристик зернистой пористой
среды при ее заилении // Научн. труды АКХ. -
М.: ОНТИ АКХ .– 1970.– Вып. 76, N 7 .– С. 23-25.
20. Мельцер В. З. Исследование пористости зерни-
стых фильтрующих материалов // Научн. тру-
ды АКХ. - М.: Водоснабжение.– 1973.– Вып. 98.–
С. 97-99.
21. Бугай Н. Г., Кривоног А. И., Кривоног В. В. Кон-
тактная реагентная очистка воды фильтрами из
волокнисто-пористого полиэтилена // Прикладна
гiдромеханiка.– 2007.– 9(81), N 1.– С. 3-17.
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон 51
|