Конструктивные элементы горизонтального дренажа, расчет, проектирование

Конструктивные элементы горизонтального дренажа, расчет, проектирование

Закрытый горизонтальный дренаж самый распространенный в последнее время тип дренажа для мелиоративного улучшения засоленных почв. Закрытая горизонтальная дрена представляет собой подземное водоприемно-транспортирующее сооружение, основным рабочим элементом которого является дренажная линия, уложенная с заданным уклоном на определенной (3-4 м) глубине от поверхности земли.

Дренажная линия принимает и отводит в собиратель (коллектор) грунтовую воду, поддерживая ее заданный уровень. Она состоит из трубчатой линии и защитного фильтрового слоя. К вспомогательным конструктивным элементам относятся смотровые колодцы, приустьевая часть и устье дрены, через которые отводимая вода сбрасывается в собиратель.

Источник: Ф.Ф.Беглов. Исследование технологии строительства закрытого горизонтального дренажа в зоне орошения и разработка мероприятий по ее совершенствованию. Ташкент, 2012

Устья коллекторов и дрен, т.е. выходы их в водоприемник, канал или реку, - важнейшие сооружения на дренажной сети, от которых зависит ритмичная работа всей дренажной системы. Устья коллекторов должны содержаться в хорошем эксплуатационном состоянии, т.к. любая неисправность устья коллектора немедленно отразится на всей дренажной системе. Устья дрен (коллекторов) является местом связи его с поверхностью земли и наиболее подвержено воздействию различных неблагоприятных внешних условий.

Устья коллекторов подвергаются влиянию таких факторов, как высокие уровни воды в водоприемнике, образование льда, замерзание и оттаивание грунта, обвалы и оползания откосов канала (водоприемника), наносы, повреждения людьми, животными и др. Поэтому число устьев на дренажной системе должно быть минимальным, а конструкция их – надежной и прочной.

Смотровые колодцы устраивают для того, чтобы следить за работой дренажа и быстро обнаруживать места повреждений дрен. Их строят из бетона или кирпича. Колодцы устраивают во всех узлах дренажной системы, где сходится несколько коллекторов, в местах изменения направлений коллектора или дрены в вертикальном или горизонтальном направлении. На прямолинейных участках дренажа смотровые колодцы размещают на расстоянии 100-400 м один от другого. Верх смотрового колодца или выводят на поверхность земли и закрывают крышкой, или делают под землей ниже обрабатываемого слоя почвы. Дно колодца должно быть на 30-45 см ниже выхода в него дренажных труб. На дне колодца оседают наносы (ил), которые периодически удаляют.

Смотровые колодцы могут служить и в качестве перепадов при пересечении дреной местности с большими уклонами. Смотровые колодцы устраивают из кирпича, бетона квадратного поперечного сечения шириной 70-80 см или круглого (из бетонных колец) диаметром 70-80 см.

Шлюзы-регуляторы регулируют уровень грунтовых вод на дренажной системе в засушливые периоды года. Путем подпора воды с помощью кандор шлюза вызывается подъем грунтовых вод и тем самым создается водный режим почвы, благоприятный для произрастания сельскохозяйственных растений. Регулирующие сооружения устраивают на коллекторах в виде колодцев-регуляторов в любой его части в зависимости от рельефа местности осушаемой территории. Часто шлюзы-регуляторы шандорного затвора сооружают в устьях коллекторов; закрытием или открытием шандор обеспечивается регулирование грунтовых вод и нормы осушения.

Источник: Колпаков В.В., Сухарев И.П. Сельскохозяйственные мелиорации – М.: Колос, 1981. – 328 с.

При проектировании коллекторно-дренажной системы, как в плане, так и в вертикальной плоскости должно выполняться требование — проектирование, строительство и эксплуатация коллекторно-дренажной сети должны обеспечить хорошую работу всех звеньев системы.

Постоянный систематический горизонтальный дренаж проектируют, как правило, трубчатым, закрытым во всех его звеньях и только в отдельных случаях (в хорошо проницаемых грунтах) допускается устройство открытых дрен с расстоянием между ними не менее 1 км.

На оросительных системах с открытыми каналами без противофильтрационных одежд дрены располагают посередине между каналами или на расстоянии от них не менее 30 м во избежание попадания в дрены фильтрационных вод из каналов и заиления дрен.

Расположение открытых коллекторов и дрен рядом с постоянными оросительными каналами возможно в случаях, когда оросительный канал имеет противофильтрационные устройства, или когда коллектор запроектирован глухим, не имеющим водоприемных отверстий и зазоров в стыках труб.

В местах пересечения с оросительными каналами, дорогами и лесополосами закрытые дрены не должны иметь водоприемных отверстий и зазоров в стыках труб.

В процессе проектирования основную коллекторную сеть в плане располагают прежде всего по понижениям местности, границам хозяйств, отделений и полей севооборота, в местах наибольшего засоления почв и при наличии близко залегающих грунтовых вод. Коллекторы предусматривают как закрытыми (трубчатыми), так и открытыми. При расчетных расходах до 0,5 м3/с коллекторы могут быть закрытыми, при больших расходах - открытыми. На выбор, конструкции коллекторов большое влияние оказывает уклон местности и характеристика грунтов на трассе коллектора.

Расчет постоянного горизонтального дренажа. При проектировании горизонтального дренажа необходимо установить расчетную глубину заложения дрен Н₀ (м), расчетное расстояние между дренами В (м), определить требуемое понижение уровня грунтовых вод по периодам года, дренажный сток по периодам года и дренажный модуль стока, л/(с-га).

Параметры постоянного горизонтального дренажа рассчитывают на средневегетационную нагрузку эксплуатационного периода, которую определяют по балансу грунтовых вод.

Все параметры дренажа определяют в зависимости от геологических и гидрогеологических условий, скорости фильтрации, степени и характера засоления почв и грунтовых вод, рельефных условий и задач, которые должен выполнять дренаж на орошаемых землях.

Расчет горизонтального дренажа начинают с установления глубины заложения дрен, которая зависит от указанных выше условий, критической глубины до уровня грунтовых вод (последняя, как известно, зависит от критической минерализации грунтовых вод) и других условий.

Горизонтальные постоянные дрены обычно закладывают на глубину 3-3,5 м. Это необходимо для создания большой водоемкости почвогрунтов во всей дренируемой толще, а также необходимого напора грунтовых вод над дренами, который содействует интенсивному оттоку по дренам грунтовых вод, быстрому понижению их уровня и опреснению почвы. При глубоких дренах интенсивно опускается не только уровень грунтовых вод, но и их капиллярная кайма, и зона капиллярного подъема! минерализованных грунтовых вод. Значительная глубина закладки дренажа на засоленных орошаемых землях до 3-3,5 м определяется необходимостью обеспечения отрыва капиллярной каймы минерализованных грунтовых вод от дневной поверхности. При этом учитывают, что депрессионная кривая грунтовых вод в середине между дренами будет находиться на глубине 2-2,5 м от поверхности, а высота подъема воды по почвенным капиллярам зависит от механического состава почвы и грунта. При глубокой закладке дрен расстояние между ними можно увеличить. При этом сократится их длина на единицу дренируемой территории.

Кроме того, при устройстве глубоких дрен на дренируемой территории можно создать требуемый режим грунтовых вод в различные сезоны года. Однако необходимо иметь в виду, что требуемый режим грунтовых вод обеспечивается не одним дренажем, а совокупностью мероприятий.

Из сказанного выше очевидны преимущества глубоких дрен по сравнению с мелкими, но это не означает, что, несмотря на различие природных условий орошаемых массивов, повсеместно рекомендуется закладывать лишь глубокие дрены. Вопрос о глубине закладки дрен необходимо решать в каждом конкретном случае.

На орошаемых землях с засоленными почвами, где тяжелые грунты имеют низкий коэффициент фильтрации, промывка почвы проходит с большим трудом и на небольшую глубину. На землях, где почвы легкие и грунты имеют хорошую водопроницаемость и низкую водоподъемную способность, горизонтальные постоянные дрены целесообразно закладывать на глубину менее 3 м и с меньшим расстоянием между дренамн, чем при глубине заложения дрен 3-3,5 м.

Определение расстояний между дренами. Расчет систематического горизонтального дренажа проводят согласно гидрогеологическим условиям проектируемого массива. По этим условиям выделяют три расчетные схемы: однопластовая фильтрационная система, которую подразделяют на две подсхемы: однородный грунт различной мощности, залегающий на водоупоре, и двухслойную толщу; двухпластовая фильтрационная система; двухслойная система с напорным питанием.

Источником питания грунтовых вод в двух первых схемах являются инфильтрация оросительных вод и фильтрационные потери из каналов, в третьей — добавляется напорное питание из нижележащих подземных вод. Для каждой расчетной схемы и подсхем внутри них создана собственная методика расчета. При расположении дрен в однослойном грунте, глубоким залегании поверхности водоупора, при инфильтрационном питании грунтовых вод (фильтрационные потери воды из каналов, инфильтрация оросительных вод и естественных осадков) расстояние между горизонтальными дренами обычно вычисляют по формуле А.Н.Костякова.

При более сложных гидрогеологических условиях, когда грунтовые воды формируются за счет инфильтрационного и напорного питания, расстояние между горизонтальными дренами находят подбором по формуле С.Ф.Аверьянова.

Расчет работы горизонтального дренажа в условиях неустановившегося режима фильтрации. После определения расстояния между аренами и других параметров дренажа в условиях установившегося режима фильтрации необходимо рассмотреть динамику изменения уровней грунтовых вод на междренье во времени с уточнением или изменением расстояний между дренами.

Для неустановившегося режима грунтовых вод по соответствующим периодам года на основе воднобалансовых расчетов грунтовых вод определяют величины инфильтрационного питания и испарения грунтовых вод, дренажного стока, времени достижения заданного положения уровня грунтовых вод (спада или повышения) по периодам.

При расчете дренажа в условиях неустановившейся фильтрации обычно пользуются методом фильтрационных сопротивлений. Колебания уровня грунтовых вод за различные периоды года могут быть приближенно рассчитаны по уравнению баланса грунтовых вод.

Расчетные расходы постоянной коллекторно-дренажной сети. Основные расчетные расходы постоянной коллекторно-дренажной сети — нормальный и максимальный. Нормальный расход соответствует средневегетационной нагрузке на дренаж эксплуатационного периода, то есть когда приток воды в дрену происходит при установившемся положении уровня грунтовых вод и дрены не находятся в подпоре.

Расход коллектора определяют суммированием расходов впадающих в него дрен, а расходы главных коллекторов – суммированием расчетных расходов коллекторов младшего порядка.

Гидравлический расчет коллекторно-дренажной сети. Гидравлический расчет коллекторно-дренажной сети проводят на пропуск нормального и максимального расходов (основной расчетный расход – нормальный). Расчет трубчатого дренажа заключается в определении диаметра труб, степени их наполнения, а также в установлении возможных скоростей течения воды в трубах.

Источник: Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / А.А.Богушевский, А.И.Голованов, В.А.Кутергин и др.; Под ред. Е.С.Маркова. - М.: Колос, 1981.: - 375 с.