Содержание к диссертации
Введение
1. РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДРЕНАЖА И ОЦЕНКА ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА 15
1.1. Конструкции закрытого дренажа 15
1.2. Критерии технического совершенства 26
1.3. Оценка технической эффективности дренажа различных конструкций /по материалам натурных исследований /. 32
1.4. Использование конструктивных возможностей дрен на системах 39
1.5. Значение коллекторной сети. Конструкции закрытых коллекторов 43
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 48
2.1. Характеристика объектов исследований, коллекторно-дренажной и оросительной сети 48
2.2. Геологическое строение и гидрогеологические условия 59
2.3. Методика, состав и объемы исследований 69
2.4. Особенности обработки и анализа материалов исследований 77
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОНОМИЧЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДРЕНАЖА В СВЯЗНЫХ ГРУНТАХ ..~ 81
3.1. Дренаж из ПВХ труб в лессовидных тяжелосуглинистых грунтах 81
3.2. Дренаж из ПВХ труб в грунтах с хорошей водопроводимостью
3.3. Дренаж из трубофильтров в лессовидных среднесуглинистых грунтах 147
3.4. Дренаж из керамических труб в суглинистых и глинистых грунтах 164
3.5. Статистический анализ работы дрен и коллекторов на системах /по материалам обследований/ 176
4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЭКОНОМИЧНОГО ДРЕНА 190
4.1. Обоснование параметров экономичных конструкций дренажа 190
4.2. Усовершенствованные конструкции дрен из ПВХ труб.. 193
4.3. Учет дренирующего действия коллекторов. Дренажные системы с фильтрующими коллекторами 198
4.4. Экономическая эффективность усовершенствованных конструкций дренажа 201
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 208
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 2П
ПРИЛОЖЕНИЯ 232
- Конструкции закрытого дренажа
- Характеристика объектов исследований, коллекторно-дренажной и оросительной сети
- Дренаж из ПВХ труб в лессовидных тяжелосуглинистых грунтах
- Обоснование параметров экономичных конструкций дренажа
Введение к работе
КПСС и правительство СССР постоянно проявляют заботу о развитии мелиорации земель - важнейшего фактора роста сельскохозяйственного производства l-4j. Грандиозная долговременная программа мелиорации принята на майском /1966 г./ Пленуме ЦК КПСС. Освоение огромных капитальных вложений /80 млрд.руб./« выделенных на развитие мелиоративных мероприятий в I966-I98I гг., увеличило площадь орошаемых земель в 1,8 раза /с 9,8 до 17,7 млн.га/, осушенных земель - в 2,2 раза /с 5,8 до 13,0 млн.га/. В 1983 г. общая площадь мелиорируемых земель достигла 35 млн.га.
Решениями ХХУІ съезда КПСС, майского /1982 г./ Пленума ЦК КПСС, на котором была одобрена Продовольственная программа СССР, приняты новые исторические задачи по дальнейшему повышению роли мелиорации в увеличении производства сельскохозяйственных продуктов. Мелиорация земель выделяется важнейшим звеном агропромышленного комплекса, предусматривающего надежное обеспечение страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем /~2,3j. Площади орошаемых земель намечено довести в 1985 году до 20,8 млн.га и в 1990 году до 23...25 млн.га и осушенных земель соответственно до 15,5 млн.га и 18...19 млн.га.
Для успешного решения продовольственной проблемы основное внимание сосредотачивается на комплексном проведении мелиорации земель и их сельскохозяйственного освоения, достижении на орошаемых и осушенных землях проектной урожайности сельскохозяйственных культур /~37«
В зоне орошаемого земледелия одной из главных проблем,связанных с обеспечением высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, является борьба с подтоплением территорий, засолением почвогрунтов /"8, 72, 94, 99, 100J. Актуальность ее возрастает в связи с созданием крупных орошаемых массивов на территориях с недостаточной естественной дренированностью, близким залеганием минерализованных грунтовых вод и первичным засолением почвогрунтов, а также в связи с повышением концентрации солей в традиционных источниках орошения, принимающих возвратные дренажные воды, и использованием для орошения минерализованных вод ~8, 94_7.
Одним из основных средств предупреждения и ликвидации подтопления и засоления почвогрунтов являются искусственный /инженерный/ дренаж, промывки земель, промывной режим орошения и агромелиоративные мероприятия на фоне дренажа "8, 72,94,Ю0_7.
В СССР строительство коллекторно-дренажной сети проводится в широких масштабах. В период пооле майского /1966 г./ Пленума ЦК КПСС /1966-1980 гг./ на орошаемых землях построены дренажные системы, охватывающие 4,18 млн.га *4_7. По мнению академика ВАСХНЙЛ В.В.Егорова "72J, при расширении площади орошаемых земель в стране возникает необходимость создания дренажа на всех оросительных системах.
Основными типами дренажа на орошаемых землях являются закрытый горизонтальный и вертикальный. Гидрогеологические условия территорий способствуют преимущественному распространению горизонтального дренажа. Площадь его в стране на 1970, 1975 и 1980гг. составляла соответственно 3,7; 4,4; 6,0 млн.га, в том числе в Украинской ССР - 102; 174; 270 тыс.га /"48J.
Широкое применение дренажа в разнообразных природных условиях потребовало новых материалов, конструкций и технологий. К ним относятся пластмассовые и пористые дренажные трубы, искусственные фильтровые материалы, комплексно-механизированные и бестраншейные способы строительства ~8, 48, 68, 115, 129, 139,
145, 149, 172, 177, 191J* На основе новых дренажных материалов создаются более совершенные и экономичные конструкции дрен, разрабатываются скоростные способы их укладки, что позволяет снизить продолжительность и стоимость строительства, повысить производительность и улучшить условия труда.
Непременным условием успешного применения новых дренажных конструкций является эффективная и безупречная работа дренажа по понижению грунтовых вод и отвод дренажного стока. Дренаж, построенный с применением эффективных и надежных конструкций, обеспечивает поддержание оптимального водно-солевого режима сельскохозяйственных земель.
При разработке экономичных конструкций не всегда удается полностью обеспечить техническую эффективность, свойственную дренам капитального типа или "идеальным". Экономичные конструкции отличаются уменьшенным эффективным диаметром дрен в связи с сокращением или исключением объемных фильтров из сыпучих материалов /"103, 123, 139, 153, 157, 175J. При их строительстве возможно уплотнение грунта придренной зоны рабочим органом дрено-укладчика [175J, при эксплуатации не исключена кольматация водоприемной поверхности, изменение фильтрационных свойств грунтов прифильтровой зоны /"68, 129, 145, 200 7. Это во многих случаях ухудшает приток грунтовых вод, появляются дополнительные фильтрационные сопротивления, возникает необходимость увеличения густоты дренажа.
Решение проблемы эффективной и надежной работы горизонтального дренажа связано с разработкой прогрессивных конструкций и обоснованием оптимальных параметров для конкретных регионов /"8, 91, 100, 154 J.
В Украинской ССР при строительстве дренажа на орошаемых землях широко внедряются новые экономичные конструкции. К ним относятся дрены из витых ПВХ труб с фильтровой оболочкой из стеклохолста /"119, 139.7» из керамических труб с комбинированным фильтром /обвертка труб из стеклохолста и песчаная обсыпка /~145.7, из трубофильтров /"95, 97 J, коллекторы из бетонных труб с обверткой на стыках из стекловаты /~I74j^.
Институт гидромеханики АН УССР на основе обширных лабораторных опытов в грунтовых лотках, моделирования на ЭГДА и полевых опытов дал научное обоснование работоспособности и пригодности новых дренажных конструкций и искусственных фильтров /І457.
Менее изученными остались эффективность действия, водоприемная способность, эксплуатационные особенности дренажа новых конструкций в натурных условиях, влияние уменьшения эффективного диаметра и увеличение площади контакта водоприемной поверхности дрен с грунтом траншейной засыпки на водоприемную способность и параметры дренажа; отсутствовала сравнительная оценка дрен прогрессивных и традиционных конструкций по этим показателям» Это определило необходимость проведения натурных исследований, производственной проверки и массовых обследований новых дренажных конструкций, масштабы внедрения которых возрастают,в различных гидрогеологических и водохозяйственных условиях.
Цель диссертационной работы - исследование технической эффективности эксплуатируемого горизонтального дренажа экономичных конструкций, устроенного с применением ПВХ, бетонных пористых и керамических труб, волокнистых и комбинированных фильтров, в лессовидных и глинистых грунтах на орошаемых землях юга Украины; обоснование параметров и совершенствование конструкций экономичного дренажа по материалам натурных исследований.
Задачи исследований: - установление показателей технической эффективности дренажа из ПВХ, трубофильтров, керамических и других труб с волок-
10. нистыми и комбинированными фильтрами в различных гидрогеологических и эксплуатационных условиях /зависимостей притока от действующих напоров, параметров кривых депрессий, дополнительных фильтрационных сопротивлений/; выяснение изменения водоприемной способности дренажа во времени; выявление влияния конструктивных особенностей, характеризуемых натурными фильтрационными сопротивлениями, на параметры дренажа; оценка технического состояния и эксплуатационной нагрузки экономичных конструкций на действующих системах по материалам массовых обследований; установление дренажного стока к закрытым коллекторам с волокнистыми защитно-фильтрующими материалами; разработка более совершенных конструкций дрен и коллекторов и определение их экономической эффективности.
Научная новизна работы заключается в исследовании и количественной оценке технической эффективности экономичных конструкций горизонтального дренажа, устроенного с применением ПВХ, бетонных пористых, керамических и других труб и искусственных волокнистых фильтровых МВМ, обосновании возможности их применения для широкого диапазона гидрогеологических условий и эксплуатационных нагрузок; установлении необходимости учета несовершенства закрытого дренажа, обусловленного конструктивными и эксплуатационными особенностями, при расчете его параметров; получении эмпирических зависимостей притока от действующих напоров, уравнений кривых депрессий, величин полных и дополнительных фильтрационных сопротивлений для дрен исследованных конструкций; -подтверждении экранирования водоприемной части дрен эко- номичных конструкций грунтом траншейной 8асыпки и установлении закономерности обусловленного этим уменьшения водоприемной способности в лессовидных грунтах; разработке конструкций дрен из ШЗХ труб с развитой площадью контакта между водоприемной поверхностью и грунтом естественного сложения; статистической оценке технического состояния и эксплуатационной нагрузки дренажных систем с новыми конструкциями дрен и коллекторов; разработке и апробировании методики оценки использования технических возможностей дренажных конструкций на действующих системах; * установлении и оценке функции дренирующего действия закрытых коллекторов с фильтрами из МВМ, разработке дренажных систем о глубокими фильтрующими коллекторами и редкой сетью дрен*
Основные защищаемые положения; количественная оценка технической эффективности горизонтального дренажа новых экономичных конструкций в конкретных условиях; обоснование по материалам натурных исследований конструкции, параметров и области применения дренажа различных конструкций: из ІШХ, керамических, пористо-бетонных труб с фильтрами из искусственных материалов^ конструкции дрен из ПВХ труб, обеспечивающие снижение экранирующего влияния траншейной засыпки в слабопроницаемых лессовидных грунтах; статистическая оценка эксплуатационной нагрузки и технического состояния дренажных систем с дренами новых конструкций; методика оценки использования технических возможностей действующего дренажа; - дренажные системы с глубокими фильтрующими коллекторами и редкой сетью дрен; - технико-экономическая оценка исследуемых и предложенных конструкций дренажа.
Практическая значимость и реализация работы. Совместными комплексными исследованиями НЙИСП Госстроя УССР, Института гидромеханики АН УССР, Укргипроводхоза, УкрНИИГиМа выявлена пригодность и перспективность применения конструкции дрен из ПВХ труб с фильтровыми оболочками из искусственных МВМ при строительстве их комплексно-механизированным способом. В І976-І980 гг. объем внедрения дренажа из ПВХ труб составил 2029 км, а экономический эффект - 4,8 млн.руб., в том числе по теме настоящих исследований - 168 тыс.руб.
Результаты исследований технической эффективности дренажа в слабопроницаемых глинистых грунтах использованы Крымским филиалом Укргипроводхоза при разработке технического проекта орошения и дренажа на площади 700 га в совхозе "Керченский11 Ленинского района Крымской области. (Экономический эффект 20 тые.руб.).
На основе проведенных натурных исследований установлена целесообразность применения дрен из мелкопористых трубофильтров, керамических труб с комбинированным фильтром, дренажных систем с глубокими фильтрующими коллекторами, обеспечивающих снижение капитальных затрат на строительство. Разработана методика оценки использования конструктивных возможностей и технического состояния дренажа. Составлен кадастр объектов-аналогов дренажа различных конструкций. Материалы исследований вошли в научные отчеты УкрНШГиМ /гос.рег.Ш» 76070I7I, Б72545І, Б744263, Б822620/, переданы научно-исследовательским, проектным и эксплуатационным организациям Минводхоза СССР.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на Всесоюзном совещании-семинаре по краевым задачам теории фильтрации в г. Ровно /1979 г./, научно-производственных конференциях в г. Горки Белорусской ССР /1979г./, г. Волгограде /1980 г./, г. Ровно /1980 г./, г. Киеве /1981 г./, научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов в г. Баку /1982 г./, г. Ленинграде /1983 г./, республиканских семинарах в г. Киеве /1978, 1979, 1980 гг./, научно-техническом совете Крымского областного управления мелиорации и водного хозяйства /1982, 1983 гг./, Крымском филиале Укргипроводхоза /1983 г./. Автор работы утвержден участником ВДНХ СССР / постановление № 587-Н от 10.IX.1980 г./.
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации изложены в 17-ти опубликованных работах /6,2 усл.печ.л./.
Структура работы; введение, главы 1-4, выводы и предложения.
Объем - 281 страница /115 с.основного текста/. Табл. 36, рис. 72, библ. 209 наим., приложений 10 /48 с/.
Настоящая работа выполнялась в 1976...1983 гг. в Украинском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации в составе тематических исследований УкрНИИГиМ по проблемам государственного плана развития народного хозяйства СССР: Q52.02 задание 04.01. "Разработать новые конструкции и методы расчета закрытых дрен, обеспечивающие снижение затрат на строительство и эксплуатацию дренажных систем и выдать техническую документацию на их применение" /1976-1980гг./ и 09.04.02 "Разработать и внедрить методы и технические средства дренирования земель в различных природно-хозяйственных зонах, в том числе с привлечением вакуумированного и комбинированного дре- нажа, и разработать руководство по проектированию дренажа на орошаемых землях" /I98I-I985 гг./. Автор настоящей работы являлся ответственным исполнителем, разделы, написанные автором, составили основу промежуточных и заключительных отчетов по упомянутым темам, а также соответствующим хоздоговорным темам.
Автор выражает благодарность канд.техн.наук Ф.В.Серебренникову /Средазгипроводхлопок/ за оказание помощи в освоении методики и в выполнении расчетов на ЭВМ по определению водоприемной способности дрен.
С большой признательностью автор относился к советам и консультациям безвременно скончавшегося заведующего лабораторией УкрНШГиМ, в которой выполнялась диссертационная работа, заслуженного мелиоратора Украинской ССР, канд.техн.наук В.Я.Шап-рана.
Конструкции закрытого дренажа
Конструкции закрытого дренажа /горизонтального/ предопределяются материалом и конструкцией дренажных труб и фильтров /их размеры, взаимное расположение, тип- - водоприемной части, фильтрационные свойства/, способом строительства широко траншейный, траншейный, узкотраншейный, бестраншейный/ и методом интенсификации дренажного стока /комбинированный и вакуумированный дренаж/ /рис.1.I/ /78, 18, 24, 61, 62, 68, 84, 89, 122, 139, 145, 175, 193 и др 1.
Современная номенклатура дренажных материалов способствует созданию многообразных конструкций, однако выбор и утверждение наиболее рациональных осуществляется на основе региональной многолетней проверки предложенных вариантов на опытных участках и в производственных условиях /"8, 64, 91.7.
Первые испытания конструкций горизонтального глубокого дренажа проводились на Джафарханской и Шурузякекой дренажных системах в 1929-1982 гг. 33-35, 44, 45, 56, 112J. На первой опытные дрены построены из бетонных и керамических преимущественно гладких труб, соединенных на муфтах. Длина труб 750 800 мм, диаметр - 150 225 мм. Зазоры между трубами и муфтами перекрыты по окружности войлочной лентой. Скважность дренажного трубопровода составляет 3,2 . Фильтровая обсыпка из щебня в виде трехслойного фильтра по двум вариантам: полная и половинная /рис«»1.2,а/. Эффективный диаметр дрен с полной обсыпкой 1,02 м, с половинной 0,79 м. Эти дрены считаются наиболее совершенными / 44 J и успешно эксплуатируются более 50 лет Z 39_7.
Характеристика объектов исследований, коллекторно-дренажной и оросительной сети
Объекты исследований экономичных конструкций горизонтального дренажа расположены в юго-западной части СССР в пределах Причерноморской низменности. Большая часть объектов находится в юго-восточной и северной части Равнинного Крыма (№ I № 14), остальные - в северо-восточной части Керченского полуострова (№ 15), на. равнинном плато, примыкающем к Бурскому и Днепровскому лиману (№ 16, № 17), в пределах При дунайской низменности (№ 18). Характеристика природных условий в районе исследований приведена в приложении 2.
Для проведения исследований подобрано 18 производственных участков дренажа (6261 га): 15 - в зоне СКК, 2 - на йнгулецком, I - на Татарбунарском орошаемых массивах (рис. 2.1 2.7, табл. 2.1) Дренаж построен в 1972 - 1979 г.г. Продолжительность его эксплуатации 3 4-8 лет. Площадь отдельных участков 42 963 га. Удельная протяженность дрен 364-92 м/га, закрытых коллекторов 12 24м/га. Стоимость строительства дренажа. 5004-1900 руб/га.
Опытные системы включают 382 дрены и 34 коллектора закрытого типа. Длина, дрен изменяется в пределах (км): 0,754-1,25 (64$ дрен); 0,25 0,75 (27$ дрен); 1,254-3 (7$); 0,01 0,25 (2$); длина коллекторов (км) - І4-3 (52$ из 29 коллекторов); 3 5 (17$); до 1,0 (31$). Уклоны дрен 0,0015 0,002 (37$ случаев из 146); 0,0021 0,004 (31$); 0,0041 0,006 (17$); 0,061 и более (15$). Глубина закладки дрен находится в пределах от 2,0 до 3,4 м, коллекторов -от 2,1 до 5,0 м.
Дренаж из ПВХ труб в лессовидных тяжелосуглинистых грунтах
Техническая эффективность дренажа из ПВХ труб с фильтровой оболочкой из стеклохолста в лессовидных тяжелосуглинистых грунтах исследовалась на участках ft It ft б, ft II и ft 12.
На участке № I /см.рис.2.2, 2.8/ дренажная система на 68 % по протяженности состоит из ПВХ труб. Дренируемые грунты - лессовидные тяжелые суглинки. Коэффициенты фильтрации их, по результатам уточнения на основе полевых опытов, находятся в пределах 0,17 0,46 м/сут. /табл.3.1/, что вдвое меньше проектных. Водоносная толща схематизируется к однородному грунту, проводимость ее 1 5 м2/сут.
Обоснование параметров экономичных конструкций дренажа
Результаты лабораторных и натурных исследований свидетельствуют о возможности- и перспективности применения новых дренажных материалов (ПВХ, трубофильтров, стеклохолста и стекловолокна) и экономичных конструкций горизонтального дренажа /"144, 145, 160 _/. Не большой эффективный диаметр, повышенный контакт водоприемной поверхности с грунтом траншейной засыпки, экранирование её в связных грунтах обусловливают дополнительные фильтрационные сопротивления, снижение эффективности действия дренажа. Для обеспечения требуемой технической эффективности экономичных дрен, обладающих конструктивным и другим несовершенством, необходима корректировка мездренных расстояний, уменьшение их по сравнению с идеальными дренами.
Обоснование расстояний между дренами экономичных конструкций осуществляется путем их расчета по формуле (2.16) при реальных фильтрационных сопротивлениях /"129, 131, 132.7. Величину этих сопротивлений для дрен из ПВХ, трубофильтров, керамических и других труб с искусственными и комбинированными фильтрами в лессовидных грунтах на юге Украины предлагается определять по таблице 4.1, составленной по материалам натурных наблюдений на. нормально функционирующих дренах. В дальнейшем по мере накопления новых данных и охвата широкого диапазона гидрогеологических условий предложенные материалы по фильтрационным сопротивлениям необходимо расширить, обобщить и представить в виде эмпирических зависимостей.
