УДК 621.577.22

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Стефанович Станислава Юрьевна1, Трохимчук Марина Викторовна2
1Филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском, магистр кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»
2Филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском, доцент кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»

Аннотация
При переходе от традиционных источников энергии к альтернативным, необходимо провести анализ низкопотенциальной тепловой энергии взятой из окружающей среды. В работе проведено изыскание физико-механических и теплофизических свойств низкопотенциальной тепловой энергии грунта Волгоградской области.

Ключевые слова: , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Стефанович С.Ю., Трохимчук М.В. Исследование физико-механических и теплофизических свойств грунтовых массивов Волгоградской области для размещения альтернативных источников энергии // Современные научные исследования и инновации. 2018. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2018/06/86776 (дата обращения: 09.06.2018).

Введение

В настоящее время в России развита система централизованного теплоснабжения. Однако этот метод неприемлем для отопления индивидуальных домов в сельской местности по ряду причин, в том числе из-за значительной удаленности потребителя от ТЭЦ. В связи с этим наиболее рациональными системами для множества частных жилых строений при отсутствии централизованного газоснабжения следует считать местные системы отопления на основе тепловых насосов (ТН). В отличиеот электрической системы отопления, которая на 1 кВт затраченной электроэнергии дает 1 кВт тепла, ТН на 1 кВт электроэнергии может давать от 3 до 5 кВт и более тепловой энергии за счет использования низкопотенциального тепла, отбираемого у воздуха, грунта или другого источника. Тепловые насосы, осуществляя обратный термодинамический цикл на низко – кипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды (воздух, грунт, вода) и повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения [1].

Наиболее универсальным источником рассеянного тепла является грунт. Солнечная энергия аккумулируется в слоях грунта, а также круглый год подогревается от земного ядра. При этом температура грунта не зависит от погодных условий. На сегодняшний день использование альтернативных источников энергии с учетом физико-механических и теплофизических свойств грунтов является наиболее актуальной задачей.

Изыскание зависимости теплопроводности от типа грунта

В Волгоградской области преобладают верхнечетвертичные отложения Северного Прикаспия, которые подразделяются на нижнехвалынские и верхнехвалынские слои, а такжеательскую континентальную свиту.Между Ергенями и Волгой представлены серовато- и желтовато-бурыми, реже серыми, мелко- и тонкозернистыми песками. Они содержат прослои бурых и серовато-бурых слоистых глин и в более южных районах нередко полностью замещаются последними. Мощность отложений составляет 5—10 м, реже до 15—20 м. В обнажениях правого берега р. Волги у сел Владимировки, Енотаевки, Копановки и Ветлянки слои представлены очень характерными серовато-кофейными, коричневато- и шоколадно-бурыми тонкослоистыми глинами.Мощность отложений составляет от 3—4 до 7—9 м. Они залегают на размытой поверхности хазарских глин, иногда с галькой и гравием в основании (с. Ветлянка). Делювиальные, частично озерные отложения тесно связаны с покрывающими их суглинками. Междус. Никольским и г. Красноармейском они представлены очень выдержанным горизонтом (3—10 м) коричнево-бурых, бурых и красновато-бурых глин и суглинков с известковыми конкрециями. Они залегают в кровле верхнехазарской аллювиальной свиты, но на участках выклинивания последней переходят непосредственно на нижнехазарские (сингильские) глины.Это дало повод относить их к верхам нижнехазарских отложений. Выше по р. Волге, между с. Луговой Пролейкой и пос. Николаевским, эти отложения распространены локально, являются, по-видимому, озерными осадками и залегают с перерывом на верхнехазарских аллювиальных отложениях р. Волги.Надпойменная терраса прислонена к хазарским отложениям и сложена желтыми, желтовато- и коричневато-бурыми, реже серыми, мелкозернистыми, часто глинистыми, песками (до 20—25 м). Кверху они переходят в суглинки и супеси.

Ательские слои представлены делювиальными, аллювиально- делювиальными и пролювиальными осадками, общими признаками которых являются преобладание желто-бурой и палевой окраски, суглинисто-супесчаный состав, пылеватость, карбонатность и лёссовидный облик пород. Преобладают делювиальные неслоистые лёссовидные суглинки, реже супеси. Они развиты на отдельных участках по правобережью р. Волги, а ниже г. Волгограда обнажаются по обоим берегам Волго-Ахтубинской поймы. Мощность ательских слоев составляет обычно 2—10 м, достигая 20 м. Нижнехвалынские слои в составе отложений преобладают повсеместно распространенные желтые и бурые суглинки, алевриты и тонкие пески.

Прибрежные отложения в устьях рек и балок Приволжской возвышенности представлены галечниками разнозернистыми песками (до 2—3 м). С удалением от берега они сменяются, в верхней своей части песками, алевритами и суглинками (до 5—6 м). Эти отложения в наиболее углубленных приустьевых участках, сохраняя базальные пески и гравий, постепенно замещаются шоколадно-бурыми глинами (до 3— 5 м). В северной части отлагались главным образом алевриты и глинистые пески (8—15 и до 25 м) террасы Волгоградско-Камышинского Заволжья. Регрессивные осадки здесь представлены небольшой толщей (2—5 м) песков и супесей.Шоколадно-бурые глины залегают в виде крупных (до 30—40 км и более) линз во впадинах в приустьевых участках рек и балок Ергенинской и Приволжской возвышенностей. Мощность линз обычно составляет 3—10 м, достигая 18 м. Верхнехвалынские слои представлены прибрежными и мелководными осадками. Преобладают светло-бурые, бурые и буровато- желтые мелко- и тонкозернистые пески и супеси (3—8 м), в основании иногда с гравием и мелкими гальками. В долине р. Волги позднехвалынский возраст имеют аллювиальные отложения надпойменной террасы (г. Ленинск, села Старица, Зубовка и Соленое Займище). Голоценовые отложения подразделяются на новокаспийские и современные осадки. Новокаспийские иловато-песчаные отложения (до 5 м) слагают невысокую (6—7 м) террасу побережья Каспийского моря с береговой линией на абс. отметке —22 м. Аллювиальные отложения Волго-Ахтубинской поймы (20—35 м) характеризуются умеренным развитием пойменных суглинков и глин, резким преобладанием мелко- и тонкозернистых в основании гравелистых песков и незначительным распространением глин. Дельтовые отложения р. Волги подразделяются на пойменные песчано-глинистые отложения, глинистые осадки дельтовых водоемов проточные пески и супеси. Общая мощность дельтовых отложений превышает 20 м.[2]

Были проведены экспериментальные исследования грунтовых массивов Волгоградской области. Объектом исследования являются инженерно-геологические изысканияв с. Маляевка, Ленинского района, Волгоградской области, а также архивные данные компании ООО «Геокон».

Задачами компании«Геокон» являются изучение геологического строения и гидрогеологических условий площадки, определение физико-механических свойств грунта. Исследуемый участок приурочен к левобережной пойменной террасе р. Ахтубы. Рельеф трассы газопровода преимущественно ровный, с уклоном в южном направлении к берегу р. Ахтубы. В геологическом строении территории с. Маляевка до изученной глубины 4,0 м принимают участие современные аллювиальные отложения, перекрытые с поверхности техногенными образованиями. Техногенные отложения в виде планировочной насыпи мощностью слоя от 0,3 до 1,8 м. представлены суглинком с примесью песка. Аллювиальные отложения представлены суглинком, супесью и песком.Суглинок желтовато- и серовато-коричневый, карбонатизированный, опесчаненный, залегает в приповерхностной части разреза до глубины 1,3 – 1,7 м, мощность слоя 0,6 – 1,2 м. Супесь желтовато-коричневая, карбонатизированная, песчанистая, залегает до глубины 1,3 –2,7 м, мощность слоя 0,6 – 1,2 м. Песок желтовато- и серовато-коричневый, мелкий и пылеватый, глинистый, от маловлажного до влажного, залегает до вскрытой глубины 4,0 м, вскрытая мощность слоя 1,3 – 3,7 м.

Основные характеристики грунта – влажность,плотность и теплопроводность. Для изучения всей Волгоградской области были также использованы взяты архивные данные. На основании полученных значений был проведен расчеттеплопроводности грунта. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1- Экспериментальные и расчетные данные грунта Волгоградской области

Тип грунта Плотность
ρ, г/см3
ВлажностьW,% Теплопроводность
λ, Вт/(м∙К)
Степень теплопроводности
Глина, аQIII 1,95 19,0 1,74 Высокая
Глина, QIIIhv 1,77 24,7 0,9 Низкая
Глина, суглинок мягкопластичные, аQIII 1,88 31,6 1,31 Средняя
Глина элювиально-делювиальная, edQII-III 1,85 21,9 1,46 Средняя
Глина овражно-балочная, fs-aQIV 1,71 21,6 1,54 Средняя
Глина легкая полутвёрдая, аQIII 1,84 25,6 0,95 Низкая
Глина полутвердая, набухающая, QIIIhv 1,88 26,5 1 Низкая
Глина в зоне водонасыщения, fs-aQIV 1,81 27,2 1 Низкая
Глина твердая, QIIIhv 1,88 30,4 1,2 Низкая
Глина твердая, QIIIhv 1,76 22,4 1,32 Средняя
Глина твердая, QIIIhv 1,59 15,8 0,94 Низкая
Глина ледниковая, fQII 1,98 20,9 1,74 Высокая
Суглинок, аQIII 1,80 14,0 0,79 Низкая
Суглинок, edQIII-IV 1,68 16,6 1,12 Низкая
Суглинок насыпной, tQIV 1,79 10,9 1,26 Низкая
Суглинок элювиально-делювиальный, edQII-III 1,83 20,1 2,89 Высокая
Суглинок в зоне водонасыщения, edQII-III 1,88 26,6 1 Низкая
Суглинок, глина текучепластичные, аQIII 1,86 36,4 1 Низкая
Суглинок просадочный, edQIII-IV 1,71 14,8 0,86 Низкая
Суглинок просадочный, аQIII 1,69 16,1 0,99 Низкая
Суглинок, супесь просадочный, аQIII-IV 1,76 12,2 0,64 Низкая
Суглинок опесчаненный, edQIV 1,72 10,7 1,35 Средняя
Суглинок твердый, edQIII-IV 1,66 9,4 1,35 Низкая
Суглинок твердый, edQIV 1,86 20,3 1,9 Высокая
Суглинок твёрдый, просадочный, edQIV 1,73 11,4 0,96 Низкая
Суглинок твердый, просадочный, QIIIat 1,81 13,3 0,73 Низкая
Суглинок твёрдый, просадочный, edQIV 1,85 18,6 1,64 Средняя
Суглинок твердый, непросадочный,QIIIat 1,94 16,3 1,04 Низкая
Суглинок тугопластичный, edQIII-IV 1,84 21,3 1,63 Средняя
Супесь твердая, edQIII-IV 1,65 5,4 1 Низкая
Супесь пластичная выше УПВ, edQIV 2,14 28,3 1,55 Средняя
Супесь текучая ниже УПВ, edQIV 2,18 30,4 1,67 Средняя
Песок мелкий, однородный, плотный, аQIV 2,03 22,4 2,5 Высокая
Песок средней крупности средней плотности сложения, аQIV 1,74
3,2 - -
Песок мелкий малой степени водонасыщения, edQIII-IV 1,61
3,9 - -
Песчано-алевритовая порода (P2mc) 1,95 29,1 1,6 Средняя
Алевролит, Р2mc 1,80 21,3 1,96 Высокая
Мел, К2 1,92 28,6 - -

Районирование территории волгоградской области по степени теплопроводности грунтовых массивов

Принято считать, что чем выше влажность грунта, тем выше его теплопроводность, соответственно, водонасыщенные породы наиболее благоприятны для установки грунтового ТН. В свою очередь, влажность зависит от многих факторов, например, от типа грунта и его удаленности от водоема. Характеристиками типов грунтов влияющие на влажность являются размеры фракций и их фильтрационные свойства. Так, самые мелкие частицы являются определяющими в формировании строительных свойств грунтов [3].Эти частицы называются пылеватыми. При наличии их в составе грунта более 25%, образуется связность. Но при попадании влаги на такой грунт теряется связность и грунт оплывает, тем самым ухудшается теплопроводность. Глинистые частицы даже в наличии 3% фракций позволяют приобрести грунту связность и пластичность[3], которые в свою очередь, при попадании влаги увеличивают теплопроводность.

Проведённый анализ грунта Волгоградской области показал, что большую часть территории занимают глинистые и суглинистые грунты, которые обладают средней и высокой степенью теплопроводности. Таким образом, на основании полученных экспериментальных и расчетных значений (таблица 1), выполнено районирование территории Волгоградской области по степени теплопроводности грунтов(рис. 1.). Условные обозначения представлены в приложении.

Рисунок 1. Районирование территории Волгоградской области по степени теплопроводности грунтов

Из рисунка 1 видно, что эффективная работа грунтового ТН будет на территории равной до 2000 м от Волгоградского водохранилища. Данный район характеризуется глинистыми и суглинистыми грунтами с высокой степенью теплопроводности.

Условные обозначения

Тип грунт

Обозначение

Глина, аQIII

Глина, QIIIhv

Глина, суглинок мягкопластичные, аQIII
Глина элювиально-делювиальная, edQII-III

Глина овражно-балочная, fs-aQIV
Глина легкая полутвёрдая, аQIII

Глина полутвердая, набухающая, QIIIhv

Глина в зоне водонасыщения, fs-aQIV

Глина твердая, QIIIhv

Глина твердая, QIIIhv

Глина твердая, QIIIhv

Глина ледниковая, fQII

Суглинок, аQIII

Суглинок, edQIII-IV
Суглинок насыпной, tQIV

Суглинок элювиально-делювиальный, edQII-III

Суглинок в зоне водонасыщения, edQII-III

Суглинок, глина текучепластичные, аQIII
Суглинок просадочный, edQIII-IV

Суглинок просадочный, аQIII
Суглинок, супесь просадочный, аQIII-IV

Суглинок опесчаненный, edQIV

Суглинок твердый, edQIII-IV
Суглинок твердый, edQIV

Суглинок твёрдый, просадочный, edQIV

Суглинок твердый, просадочный, QIIIat

Суглинок твёрдый, просадочный, edQIV

Суглинок твердый, непросадочный,QIIIat

Суглинок тугопластичный, edQIII-IV

Супесь твердая, edQIII-IV

Супесь пластичная выше УПВ, edQIV

Супесь текучая ниже УПВ, edQIV

Песок мелкий, однородный, плотный, аQIV

Песок средней крупности средней плотности сложения

Песок мелкий малой степени водонасыщения, edQIII-IV
Песчано-алевритовая порода (P2mc)

Алевролит, Р2mc
Мел, К2

Заключение

Определено, что в Волгоградской области преобладают супеси, глинистые и суглинистые породы. В зависимости от удаленности водохранилища р. Волга значение теплопроводности уменьшается, что связанно с малой влажностью грунта. Установлено, что при таких условияхустройство грунтового теплового насоса наиболее эффективно будет работать в пределах до 2000 м от Волгоградского водохранилища.

Поделиться в соц. сетях

0

Библиографический список
  1. Ерохин Ф.А. Эксплуатация и управление теплонасоснойустановки типа «грунт-вода» филиала МЭИ в г.Волжском/ Ф.А. Ерохин, И.А. Болдырев// Альтернативная энергетика и экология. – 2015. – №8. С. 54-58.
  2. Белов Ф.А.Геология СССР.Том 46. Ростовская, Волгоградская, Астраханская области и Калмыцкая АССР. Геологическое описание./ Ф.А. Белов, А.И. Егоров, Н.И. Погребное.– М.:Недра, 1969. – стр. 666.
  3. Классификация грунтов [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://ostroykevse.com/Fundament/04.html – (Дата обращения: 20.03.2018).


Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Стефанович Станислава Юрьевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация