Регулирующей осушительной сети

 

Регулирующая сеть предназначена для удаления из почво­грунтов избыточной влаги и поддержания в них необходимого вод­но-воздушного режима.

Регулирующую сеть по принципу действия делят на сеть, обес­печивающую своевременное понижение уровня грунтовых вод до нормы осушения, или дренажную; и сеть, обеспечивающую отвод избыточных поверхностных вод и вод из пахотного горизонта в заданные сроки, или собирательную.

Сеть по понижению уровня грунтовых вод проектируют на сравнительно водопроницаемых почвогрунтах (с коэффициентом фильтрации в верхнем метровом слое более 0,3 м/сут); сеть по ускорению поверхностного стока применяют при осушении тяже­лых по механическому составу почвогрунтов. Эти виды сетей соответствуют двум основным методам осушения.

По конструкции регулирующую сеть выполняют открытой (ка­налы) или закрытой (закрытые дрены и собиратели).

По расположению на местности сеть может быть горизонталь­ной или вертикальной, систематической при осушении всей тер­ритории или выборочной для осушения отдельных понижений. Ниже приведены условия для горизонтальной осушительной сети.

Преимущества и недостатки открытой и закрытой регулирую­щей осушительной сети.

Преимущества открытых регулирующих каналов: простота конструкции и недорогие в строительстве.

Недостатки 1) вместе с полосами отчуждения занимают значительную часть осушаемой площади (до 15...20%), в связи с чем снижается коэффициент земельного использования (КЗИ); 2) затрудняют работу сельскохозяйственных машин и снижают их производительность (так как расстояние между каналами до 100 м); 3) являются рассадниками сорной растительности; 4) при осушении открытыми каналами требуют большого количества со­оружений - шлюзов-регуляторов и переездов; 5) значительны эксплуатационные расходы по уходу за открытыми каналами.

Поэтому применение открытой сети в настоящее время ограни­чено.

Преимуществами при устройстве закрытой осушительной сети потери сельско­хозяйственных площадей исключаются, и повышается коэффициент земельного использования (КЗИ.), уст­раняются препятствия механизации сельскохозяйственных работ, упрощается и удешевляется эксплуатация системы, облегчается внутрихозяйственное землеустройство, сокращается количество сооружений на открытых каналах.

К недостаткам закрытой сети относят: 1) медленный отвод поверхностных вод; 2) более высокая стоимость строительства закрытых систем.

Несмотря на это, закрытый дренаж является основным спосо­бом осушения сельскохозяйственных угодий.

Регулирующую сеть по понижению уровня грунтовых вод при­меняют на достаточно водопроницаемых почвогрунтах, в которых накопление избыточных вод приводит к чрезмерному повышению их уровня. Задача осушения в этом случае состоит в понижении уровня грунтовых вод до необходимой нормы осушения.

Понижение уровня грунтовых вод осуществляется за счет строительства и соз­дания с помощью искусственных дрен или каналов разности на­поров воды в почвогрунтах и дренах, вследствие чего происходит отток избыточных вод.

Движение грунтовых вод описывают уравнением Дарси

(2.1)

где v - скорость движения грунтовых вод, м/с; k - коэффициент фильтрации грунтов, имеющий размерность скорости, м/с; J - градиент напора грунтовых вод, определяемый как dh / dx; dh - падение напора по пути dx.

Грун­товая вода движется в сторону падения напора (на это указывает знак «минус» в формуле Дарси), создаваемого каналами и дре­нами, и поступает в них как через откосы, так и через дно. При этом следует различать два типа водного питания - грунтовое и инфильтрационное.

Одним из основных параметров для расчетов элементов закрытой сети является модуль дренажного стока. Модуль дренажного стока - расход с единицы площади. Пере­счет от удельного притока воды q в м³/сут. на 1 м канала с одной стороны к модулю дренажного стока q_др, выраженному в л/(с·га), выполняют по зависимости

, (2.2)

где Е - расстояние между дренами, м.

Если известны подлежащее отводу количество воды W (в м) слоя и расчетная продолжительность их отвода t (в сут), то модуль дренажного стока можно вычислить по зависимости

(2.3)

Расчетные модули стока принимают как средние за кри­тические (расчетные) периоды избыточного увлажнения. Они со­ставляют от 0,4…0,5 л/(с·га) для глинистых грунтов до 0,6...0,9 л/(с·га), для песчаных грунтов и низинных торфяников, на болотах грунтово-напорного питания q_др достигает 0,9…1,2 л/(с·га).

Для закрытой сети определяющими параметрами при строительстве являются: - глубина заложения регулирующих дрен; расстояние между дренами; диаметр и уклон дрен.

Глубина заложения регулирующих дрен должна быть больше требуемого понижения уровня- грунтовых вод (нормы осушения) вследствие падения депрессионной кривой от междренья к дре­нам (рис. 2.8). При этом необходимая глубина заложения гори­зонтальных дрен Т (в м) определяется по зависимости

(2.4)

где - норма осушения на посевной период; для сельско-хозяйственных культур раннего весеннего сева принимается 0,45...0,6 м;

h ₂ - напор между дренами на конец расчетного периода (остаточный напор на посевной период), включает падение де­прессионной кривой на междренье и высоту нависания над дре­ной и зависит от интенсивности отвода дренажных вод и расстоя­ния между ними.

Остаточный напор составляет от 0,2...0,3 м на легких су­песчаных грунтах и до 0,5...0,7 м на тяжелых глинах.

Кроме того, глубина заложения гончарных и пластмассовых дрен должна быть больше глубины промерзания грунтов в дан­ной местности, поскольку в противном случае дрены будут за­купориваться льдом, длительное время не работать и быстрее разрушаться.

Оптимальная глубина заложения гончарных и пластмассовых дрен следующая: в песчаных и супесчаных грунтах 1,0...1,1 м, в суглинистых и глинистых грунтах 1,1...1,3 м, в торфах после их осадки 1,0...1,3 м; меньшие значения принимают при осуше­нии лугов, большие - в полевых севооборотах. В садах глубина заложения материальных дрен должна быть 1,2...1,4 м. Средняя глубина заложения кротовых дрен в торфяных грунтах 0,8...1,0 м. Минимальная глубина заложения кротовых дрен 0,6...0,7 м (при меньшей глубине кротовые дрены будут продавливаться проходящими по поверхности машинами); для гончарных и пласт массовых дрен при пересечении ими отдельных микропонижений минимальная глубина 0,8 м. Во избежание неравномерности осу­шения максимальная глубина заложения дрен не должна превы­шать среднюю более чем на 0,3...0,4 м.

Рис. 2.8 - Схема к расчету глубины заложения дрен и расстояния между ними:

1 - положение уровня грунтовых вод в начале рас­четного периода; 2 - то же в конце расчетного пе­риода; 3 - поверхность земли; 4 - водоупор; 5 - дрена

 

Глубину заложения дрен увеличивают только, в грунтах, в которых на глубине 1,0...1,5 м залегают хорошо водопроницае­мые слои. В таких случаях дрены закладывают в эти слои на максимально допустимую глубину, что значительно повышает эффективность дренирования и позволяет увеличивать междренные расстояния. Однако при вскрытии слабоводопроницаемых грунтов с глубины 0,6... 0,9 м глубину заложения дрен, наобо­рот, уменьшают до 0,8...0,9 м, закладывая их на водоупоре или врезаясь в него не более чем на 0,2...0,3 м.

Расстояние между дренами устанавливают расчетным путем и корректируют с помощью опытных данных существующих осу­шительных систем, построенных в аналогичных условиях, и ре­комендаций научно-исследовательских организаций. Расстояние между дренами зависит от таких факторов: 1) вод­но-физических свойств почвогрунтов и в первую очередь от коэф­фициентов фильтрации k и водоотдачи β; 2) глубины заложения дрен Т; 3) нормы осушения Н _пос; 4) расчетного времени t_p, за которое необходимо обеспечить понижение уровня грунтовых вод на ; 5) климатических факторов и в первую очередь от осадков N и испарения е; 6) геологического строения (слоистости грунтов, глубины залегания водоупора); 7) топографических ус­ловий - уклонов поверхности земли, места расположения дрена­жа на склоне и др.

Расстоя­ние между дренами следует определять исходя из динамики уров­ня грунтовых вод и неустановившегося режима фильтрации. Такой подход к расчету расстояния между дренами Е впервые применил А. Н. Костяков. Формула А. Н. Костякова для условий инфильтрационного типа водного питания и совершенного дре­нажа (рис. 2.9).

Рис. 2.9 - Схема к расчету расстояний между дренами при неустановившемся режиме при­тока грунтовых вод

 

Для условий однородных грунтов удельный приток воды к дре­не с двух сторон:

(2.5)

М. Буссинеск, исходя из решения дифференциального урав­нения неустановившегося движения грунтовых вод и соответст­венно переменного притока воды, получил аналогичную формулу для определения расстояния между дренами

(2.6)

Для условий, когда за посевной период осадки и испарение не равны между собой, расстояние между дренами можно опре­делить по аналогичной формуле А. М. Янголя

(2.7)

 

В этих формулах Е - расстояние между дренами, м; k - коэффициент фильтрации водопроницаемого слоя почвогрунтов, м/сут; t _р - расчетное время понижения уровня грунтовых вод от h ₁до h ₂, м; для условий Украины принимается 10...15 сут; h ₁ - напор между дренами в начале расчетного периода, м; h ₁ = T-и; h₂ - напор в конце расчетного периода, м; h₂ = T-Н_пос; Т - глубина заложения дрен, м; и - глубина стояния уровня грунтовых вод в начале расчетного периода (составляет 0… 0,1 м); -норма осушения на посевной период, м; α - коэффициент, учитывающий кривизну депрессионной поверхности, для закрытых дрен принимается 0,8...1,0 и для открытых осу­шителей - 1,1...1,3; N - осадки за расчетный период, м, при­нимаются для пашни и пастбищ 10%-ной и для сенокосов 20%- ной обеспеченности; е - испарение за этот же период, м; β - коэффициент водоотдачи грунта, который устанавливают опыт­ным путем или вычисляют:

для торфяных почв - по формуле А. И. Ивицкого

; (2.8)

для минеральных грунтов - По формуле Г. Д. Эркина

. (2.9)

 

В последнее время расстояние между дренами определяют по формулам, первоначально выведенным для условий установив­шегося режима движения грунтовых вод, но приспособленным и для условий неустановившейся фильтрации

E=2h_ср (2.10)

где h_ср - средний за расчетный период напор, м; p_ср - средний за расчетный период приток к дренам, м/сут.

 

^, (2.11)

(2.12)

где - количество воды, подлежащее отводу дренажем за рас­четный

период м,

(2.13)

 

где - слой воды, оставшийся на поверхности земли к началу расчетного периода; обычно к началу предпосевного периода от­водятся почти все поверхностные воды, но часть их может за­держиваться в микропонижениях, поэтому рекомендуют прини­мать = 0,01... 0,02 м; β(H_пос- u) - количество отводимых почвенно-грунтовых вод (в м) при понижении уровня грунтовых вод от и до H_пос для условий грунтово-напорных вод

(2.14)

где - приведенный коэффициент фильтрации грунтов, зале­гающих ниже дрены, м/сут.; - градиент восходящего потока грунтовых вод.

 

Приток воды к дренам (в м/сут.) можно определить через модуль дренажного стока (в л/(с-га)) по зависимости

(2.15)

Приведенные выше формулы определения расстояний между дренами применимы для совершенного дренажа. При большей мощности водопроницаемых грунтов, когда дрены не доводятся до водоупора, расстояние между несовершенными дренами можно найти по формуле В. С. Козлова

Е_несов=Е_сов· (2.16)

где - расстояние между совершенными дренами, м; В - коэффициент висячести, опре­деляемый по формуле В. С. Козлова

, (2.17)

где H₀ - мощность водоносного горизонта, при подъеме уровня грун­товых вод до поверхности земли, равная мощности водопроницае­мого слоя, м; Т - глубина заложения дрен, м; - внешний радиус дрены, м.

Для совершенных дрен, лежащих на водоупоре, когда =Т, коэффициент висячести В равен 1.

Расстояния между дренами на минеральных почвах Украины на торфяниках приведены в табл. 2.1 и табл. 2.2.

Таблица 2.1 - Оптимальные расстояния между гончарными дренами на минеральных почвах Украины

 

 

 

 

 

Содержание частиц почвы диаметром ме­нее 0,05 мм	Расстояние между дренами при уклоне местности, м
менее 0,005	0,005...0,03	более 0,03
100...80	10...15	11...14	15...20
80...60	13...15	14...16	20...22
60...40	15...18	16...20	22...27
40...30	18...20	20...22	27...30
30...20	20...23	22...25	30...34
20...10	23.:.25	25...27	34...37
10...00	25...30	27...33	37...45

 

Таблица 2.2 - Расстояние между дренами на торфяниках

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мощность слоя торфа, м	Расстояние между дренами, м
на болотах, не содержащих дре­весный и тро­стниковый торф	на болотах, содержащих дре весный и тро­стниковый торф
при степени разложения торфа, %
	>40	<40	>40	<40
Торфяники, подстилаемые водонепроницае­мыми грунтами
0,6...0,9		21...22 | 23	24...25
0.9...1.2		23...24 25	26...27
1,2...1,5		25...26 | 27	28...29
Торфяники, подстилаемые водопроницае­мыми грунтами
0,6...0,9		25...26		28...29
0,9...1,2		27...28		30...31
1,2...1,5		29...30		32...33
1,5 и более		31...32		34...35

Примечание. При осушении земель под искусственные сенокосы расстояния увеличивают на 10...20%. при норме осадков более 650 мм/год расстояния уменьшают на 10...20%, а при норме осадков менее 650 мм увеличивают на 10...20%.

 

При строительстве закрытого дренажа по способу устройства горизонтальный дренаж делят на траншейный и бестраншейный. В настоящее время основным является траншейный способ строительства.

На рисунках 2.10 и 2.11 приведен способ строительства с помощью многоковшовых экскаваторов ЭТЦ-202, ЭТЦ-202А и других агрегатов, а также очередность земляных работ.

Сначала отрывают траншею шириной 0,5 м, на дно укладывают трубки или другие дренажные материалы, устраивают фильтр и засы­пают траншею вынутым грунтом.

Не допускается укладка труб в траншею с водой или с разжи­женным грунтом во избежание закупорки фильтров и дрен илис­тыми частицами грунта. Траншейный дренаж устраивают из гончарных и пластмас­совых труб, а также из местных материалов (рис. 2.12¹). Для крупных за­крытых коллекторов (диаметром 200 мм и более) применяют асбестоцементные и железобетонные трубы.

Рис. 2.10 - Устройство гон­чарного дренажа:

1- трактор; 2 - землерой­ный рабочий орган; 3 - бун­кер; 4 - кассета с трубами; 5 - желоб для подачи труб; 6 - гончарная дрена

 

Рис. 2.11 - Очередность земляных работ по устройст­ву закрытого дренажа:

а - отрывка траншеи; б - присыпка трубок гумусовым слоем; в - окончательная засыпка вынутым грунтом

 

Гончарный дренаж применяют при осушении минеральных грунтов, мелкозалежалых торфяников (мощностью до 1,2 м), когда дрены размещают в подстилающих минеральных грунтах, а так­же на мощных торфяниках после предварительного осушения их открытыми каналами. В последнем случае на мощных торфяниках гончарные трубки укладывают на стеллажи.

Гончарные трубки изготовляют стандартных размеров, диаметром 50...250 мм и длиной 33 см. Толщина стенок 11... 25 мм, мас­са трубок 1 ... 12,5 кг. Снаружи трубки выполняют круглыми или многогранными. На рис. 2.12¹ приведены варианты исполнения дренажных труб.

Рис. 2.12¹ - Дренажные трубы:

I -_{_}гончарные трубы; II - пластмассовые трубы; а и в - цилиндрические и граненые; б - перфорированные; г - рифленая; д - гладкостенная с продольными щелями; е - гофрированная с круглыми перфорациями; ж - витая; з - пластмассовая соединительная муфта

 

Гончарные трубки должны быть прочными и иметь правильную форму, перекос плоскости торца трубки относительно горизонтальной оси не должен пре­вышать 3...8 мм.

Трубки укладывают впритык одна к другой, причем образую­щиеся между ними зазоры не должны превышать 1...2 мм, для чего трубки в траншее подгоняют вручную. Качество укладки трубок проверяют опытным путем - дренаж считается хорошо уложенным, если поднятие одной трубки влечет за собой под­нятие за счет сил сцепления 3-5-ти соседних.

Фильтрационная вода в обычные гончарные дрены поступает через зазоры между трубками, площадь которых на 1 м состав­ляет 5...10 см².

В последние годы гончарные трубки стали соединять с по­мощью пластмассовых фильтрующих муфт, при этом исключа­ется ручная подгонка трубок в траншее.

Устья гончарных дрен выводят обычно в закрытые коллекто­ры, реже - в открытые каналы. Сопряжение дрен с закрытыми коллекторами выполняют внахлестку или впритык (рис. 2.12²), иногда с помощью керамических или пластмассовых фасонных частей. Концы дрен закрывают заглушками или камнями.

Рис. 2.12² - Способы соединения дрен с коллекторами:

а - внахлестку; б - впритык; 1 - труба коллектора; 2 - труба дрены; 3 - заглушка

 

Пластмассовый дренаж применяют в минеральных и торфяных грунтах при содержании в них растворенного железа не более 5 мг/л. Пластмассовые трубы изготовляют из поливинилхлорида (ПВХ) или полиэтилена высокой плотности (ПВП) диаметром 50...125 мм. Толщина стенок 1...3 мм, масса 1 пог. м труб 0,3...1,0 кг. Трубы выпускают цельными гладкостенными или гофрированными с продольными или круглыми перфорациями (отверстиями) для приема воды, а также витыми, имеющими значительно большие водоприемные отверстия.

Преимущества пластмассовых труб: легки, эластичны и прочны, обеспечивают большую водоприемную способность дрен (перфо­рация суммарной площадью 12... 30 см² на 1 м длины трубы - по данному показателю они приближаются к идеальным дренам).

Недостатки пластмассовых труб: под действием ультра­фиолетовых лучей и мороза могут быстро стареть и терять проч­ность.

Пластмассовые трубы поставляют в бухтах длиной 100... 200 м. На заводе или полигоне их обворачивают защитно-фильт­рующими материалами. Укладка их в траншеи производится приспособленным для этого дреноукладчиком ЭТЦ-202А.

В последние годы все большее применение находит бестран­шейный способ укладки пластмассовых труб с помощью дрено-укладчика МД-4 (рис. 213).

Рис. 2.13 - Устройство пласт­массового дренажа:

1 - трактор; 2 - пустоте­лый нож для нарезания ще­ли; 3 - направляющий же­лоб; 4 - барабан для пласт­массовых труб; 5 - пласт­массовая труба

 

Дрено-укладчик продавливает в грунте щель ши­риной 20 см и обеспечивает укладку пластмассовых труб диамет­ром 50...90 мм на глубину до 180 см. При укладке дренажа в тяжелых грунтах на глубину более 140 см используют допол­нительно тягач МД-5.

Бестраншейный способ строительства дренажа позволяет зна­чительно повысить производительность труда, снизить стоимость строительства, сохранить растительный слой почвы. Но при вы­давливании щели водопроницаемость грунтов у дрены уменьша­ется, поэтому бестраншейный способ строительства пластмассо­вого дренажа можно применять в торфяных и минеральных грун­тах с коэффициентом фильтрации не менее 0,3 м/сут.

К бестраншейным видам относятся также кротовый и щелевой дренажи.

Кротовый дренаж представляет собой полости в грунте, про­давливаемые с помощью кротодренажных машин МД-6, КН-1200, Д-657 и др.

Кротовый дренаж представляет собой полости в грунте, про­давливаемые с помощью кротодренажных машин МД-6, КН-1200, Д-657 и др. (рис. 2.14).

При движении нож, расположенный в вертикальной плоскости, прорезает в грунте щель, а дренер и расширитель, прикрепленные внизу ножа, продавливают круглые отверстия необходимого диа­метра. Кротовые дрены целесообразно применять для осушения беспнистых болот при степени разложения торфа менее 60% и мощности торфяной за­лежи более 0,8... 1,0 м (т. е. большие глубины заложения дрен).

Рис. 2.14 - Устройство кротового дренажа:

1 - трактор; 2 - нож; 3 - дренер; 4 - расширитель; 5 - крото­вая дрена; 6 - закрепленное устье дрены; 7 - открытый канал

 

Эти дрены можно использовать и на минеральных землях, сло­женных глинистыми однородными грунтами. Срок службы кротового дренажа на слаборазложившихся торфяных и глинистых минеральных грунтах достигает десяти лет. Диаметр кротовых дрен в минеральных грунтах принимают 60...80 мм. В торфяниках продавливают отверстие диаметром 150...250 мм, которое под действием упругих сил почти сразу сжимается примерно до 100 мм. Уклон дрен в торфяных грунтах принимают не менее 0,0015, длину — до 150...200 м. Кротовые дрены впускают в открытые каналы и их устья за­крепляют отрезками гончарных, пластмассовых и других труб. Лучшее время для устройства кротового дренажа - ранняя осень, когда уровни грунтовых вод находятся глубоко и поля освобождены от посевов.

Щелевой дренаж применяют для осушения как пнистых, так и беспнистых болот со степенью разложения торфа менее 50...60%. Этот вид дренажа целесообразен в основном при осушении болот для торфодобычи. Щелевой дренаж лучше отводит поверхностные воды, что особенно важно для райо­нов с суровыми зимами и глубоким промерзанием торфа.

Щелевой дренаж устраивают при помощи дренажно-щелевых машин ТМТ-101 и ДШ-1,4. Режущая цепь этих машин в процес­се движения вырезает в торфе щель шириной 5...15 см и глу­биной 1,0...1,4 м. За режущей цепью расположены два конус­ных диска, которые сжимают верхнюю часть щели, закрывая ее на глубину до 50 см.