36«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» УДК 626.862.1
Трандж Никита Юрьевич Tranj Nikita Yurievich
ведущий инженер principal engineer
ФГБУ «Российский информационно-аналитический и научно-исследовательский
водохозяйственный центр» FSBI «Russian Information Analytical and Research Water Economy Center»
аспирант graduate student
Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К. Кортунова ФГБОУ ВО Донской ГАУ Novocherkassk Engineering Meliorative Institute after A.K. Kortunov,
FSBEI HE Donskoy State Agrarian University
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДРЕНАЖА НА БАЗЕ НОВЫХ
КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ANALYSIS OF DRAINAGE PERFORMANCE BASED ON NEW
STRUCTURAL ELEMENTS
Аннотация. Рассмотрены преимущества и недостатки дренажных труб из различных материалов. Проанализированы конструкции современных дренажных систем, предназначенные для повышения эффективности осушения и способствующие решению проблемы уменьшения глубины всей проводящей сети каналов, снижению опасности переосушения земель.
Abstract. Advantages and disadvantages of drainage pipes made of various materials are considered. The article analyzes the design of modern drainage systems designed to improve the efficiency of drainage and contribute to solving the problem of reducing the depth of the entire conducting network of channels, reducing the risk of re-drainage of land.
Ключевые слова: водоприемная способность, дренажное устройство, геотекстиль, закрытый дренаж, мелиорация, осушительная сеть.
Keywords: water intake capacity, drainage device, geotextile, closed drainage, land reclamation, drainage network
Слово «дренаж» происходит от английского глагола «todrain», т. е. «отводить», что достаточно хорошо соответствует самому существу работы дренажных устройств, выполняющих функцию отвода (осушения) подземных вод из водонасыщенной толщи по вновь создаваемым искусственным подземным путям. Для этого, в водоносном пласту прокладывают «каналы-осушители» или «дрены», которые непосредственно отбирают (осушают) воду из грунта и подводят ее к различного рода проводящим (транспортирующим) устройствам, служащим для быстрого вывода дренажных вод в естественные (реки, озера, овраги, моря и т. п.) или искусственные (каналы, пруды, водохранилища, приемные резервуары и т. д.) водоприемники.
Основное требование, предъявляемое к подземным дренажам при промышленном и городском строительстве, состоит в том, чтобы пониженный в
результате их действия уровень подземных вод располагался не выше определенной глубины от поверхности земли, т. е. нормы осушения.
Для осушения сельскохозяйственных земель использовали и продолжают использовать горизонтальную самотечную осушительную систему. Существуют три вида горизонтальных систем осушения: открытая, закрытая и смешанная. В настоящее время стараются использовать выполненную из дренажных труб закрытую систему, способствующую созданию крупных массивов полей, на которых возможно применение высокопроизводительной сельскохозяйственной техники.
В промышленности для изготовления дренажных труб используют такие материалы, как асбестоцемент, керамика, пластик. Пластик является новым современным материалом для изготовления дренажных труб и по сравнению с ним, асбестоцементные и керамические трубы имеют ряд недостатков:
- большой удельный вес, поэтому необходима специализированная строительная техника для их установки и монтажа;
- трубы не имеют перфорации и отверстия в них выполняют вручную, поэтому в процессе эксплуатации трубопровод забивается быстро, т. е. трубы имеют низкие эксплуатационные качества;
- большая стоимость по сравнению с системой из пластиковых труб;
- малый срок эксплуатации
По сравнению с асбестоцементными и керамическими трубами, дренажные трубы из пластика имеют ряд преимуществ:
- небольшой вес, позволяющий ускорить процедуру монтажа;
- для монтажа системы не нужна специальная строительная техника;
- высокий показатель прочности;
- гладкая поверхность трубы препятствует налипанию грязи и забиванию системы;
- исключено заиливание системы при применении дренажных труб в геотекстолите.
Исследования последних лет в области применения горизонтального дренажа при осушении слабоводопроницаемых почв показывают, что он не всегда может обеспечить водный режим, требуемый для ведения интенсивного сельскохозяйственного производства.
Основными причинами переувлажнения минеральных почв являются неблагоприятные водно-физические свойства почвенного профиля, наличие замкнутых микропонижений и макропонижений, в которых застаиваются атмосферные осадки и талые воды [1].
В большинстве случаев дренаж не в состоянии обеспечить своевременный отвод поверхностных вод без дополнительных агромелиоративных, агротехнических и гидротехнических мероприятий. По своему функциональному назначению мероприятия предназначаются для отвода поверхностных вод и отвода избыточной воды из корнеобитаемого слоя почвы.
До настоящего времени достоверно не установлено, как влияет фильтрационная способность элементов закрытого дренажа на эффективность его работы. Оптимизация водного режима на суглинистых почвах,
характеризующихся низкой водопроницаемостью, редко достигается применением горизонтального дренажа без дополнительных мероприятий.
При заполнении дренажной траншеи грунтом обратной засыпки очень быстро восстанавливаются его исходные свойства. Следует учитывать, что на слабоводопроницаемых почвах основная масса избыточной воды образуется на границе пахотного и подпахотного слоев и поступает в дрены преимущественно по стенкам дренажной траншеи (эффект пристанной боковой фильтрации).
На сегодняшний день, полевыми исследованиями установлено, что в слабоводопроницаемых грунтах вследствие низкой водопроницаемости подпахотного слоя с коэффициентом фильтрации порядка 0,005 м/сут. основная масса избыточной воды - 43 % поступает в дрены по пахотному слою, 28 % - по поверхности и 29 % - по подпахотному.
Таким образом, можно констатировать, что обеспечение свободного истечения воды из пахотного слоя, оказывает большое влияние на формирование дренажного стока. В таких грунтах имеет место и эффект пристенной боковой фильтрации вдоль стенок дренажной траншеи, поскольку они являются границей между нарушенным грунтом и грунтом, находящимся в естественном состоянии. Большое влияние на дренажный сток имеет и глубина промерзания грунта. Чем меньше глубина промерзания, тем раньше начинается сток из дрен, тем быстрее достигается требуемый водный режим на осушаемой площади.
В качестве примера рассмотрено «Дренажное устройство» (патент БУ 15513) [2], предназначенное для повышения эффективности осушения за счет увеличений водоприемной способности дрен (рис. 1). Это достигается путем устройства дренажной траншеи вертикально расположенного пристенного фильтра из геотекстильного материала на всю глубину траншеи, который усиливает самопроизвольно возникающий эффект пристенной боковой фильтрации в дренажной траншее. Такая конструкция создает искусственную гидравлическую связь подпахотного горизонта с дренажной трубой, обеспечивая увеличение притока поверхностной воды к дрене за счет продольной фильтрации по геотекстильному материалу при коэффициенте продольной фильтрации, как минимум в 10 раз превышающем коэффициент фильтрации грунта. Фильтрующее геотекстильное полотно устанавливается с одной или двух сторон дренажной траншеи по всей ее длине или прерывисто.
Конструкция работает следующим образом. Поверхностная вода поступает через пахотный горизонт 1 в засыпку 6 дренажной траншеи с вынутым грунтом. Поскольку грунт слабоводопроницаемый, основное количество воды фильтруется через геотекстильное полотно 5, имеющее на дне дренажной траншеи горизонтальный участок 4, посредством которого вода попадает в пластмассовую дренажную трубу с защитно-фильтрующим материалом 3 и отводится в водоприемник. Устройство также служит для отвода излишков воды из дренажной засыпки 6. Высокий коэффициент продольной фильтрации элемента 5 обеспечивает быстрый отвод избыточных вод с поверхности и из корнеобитаемого слоя почвы.
Рис. 1. Схема дренажного устройства
Применение данного устройства при осушении слабопроницаемых грунтов существенно усилит осушительное действие дренажа и уменьшит затраты на строительство, поскольку не потребуется строительства дорогостоящих водопоглотительных колонок или засыпок дренажных траншей фильтрующим материалом. Оно может быть использовано и в других грунтах, где требуется быстрый отвод поверхностной воды.
Конструкция «Дренажное водопоглощающее устройство» (патент БУ17924) [3]. Устройство, предназначенное для отвода поверхностных и грунтовых вод из замкнутых бессточных понижений и осушения переувлажняемых почв полей (рис. 2).
Устройство включает в себя перфорированную трубу 1 верхнего яруса, покрытую фильтрующим материалом 2, перфорированную тубу 7 с фильтрующим покрытием. Труба 7 соединена с дреной 8, отводящей поступающие в устройство поверхностно грунтовые воды. Торцы трубы 1 верхнего яруса закрыты заглушками 3. Для увеличения притока воды к дрене в пределах водопоглощающего устройства по стенкам дренажной траншеи укладывают геокомпозитный дренажный мат 5, который имеет ядро из полимерного материала и с двух его сторон фильтрующий нетканый материал из геотекстильного полотна.
Рис. 2. Схема водопоглощающего дренажного устройства
(патент БУ17924)
Вверху траншеи мат укладывается в виде сплошной ленты 6 по дну ниши, представляющей собой выемку грунта определенного объема над дренажной траншеей. В нижней части траншеи дренажный мат 5 выводится на дренажную трубу 7. Терморегулирующий элемент состоит из трубы 9, которая присоединяется к трубе 1 вверху траншеи и опускается ниже дна траншеи в шурф 10 диаметром 30^35 см, глубиной не менее двух глубин промерзания почвы в данном регионе. Для предотвращения обрушения стенок шурф заполняется фильтрующим материалом 12. Над траншеей устроена ниша 13, для сбора поверхностной воды 14, заполненная грунтом пахотного слоя. Весной во время снеготаяния и в вегетационный период летом после ливневых дождей в замкнутых понижениях на поверхности почвы скапливается вода 14, образуя лужи и переувлажненные участки. Водоприемная способность устройства обуславливается количеством воды, поступающей в перфорированные трубы двух горизонтов и соединяющую их вертикальную трубу. Для увеличения водоприемной способности устраивается ниша 13 глубиной 0,3^0,4 м. Ниша засыпается пахотным грунтом, песком или песчано-гравийной смесью.
Просачиваясь через пахотный слой или фильтрующую засыпку ниши в пределах водопоглощающего устройства, вода попадает через перфорационные отверстия в трубу 2 и сразу же отводится через вертикальную вставку в нижний ярус дренажных труб. Одновременно вода поступает из траншейной засыпки в трубу 4 и горизонтальную трубу 7 и дальше отводится в дренаж 8. Таким образом, труба 2 перехватывает в верхней части устройства просачивающийся поток воды, поступающий с поверхности, и повышает интенсивность ее удаления, увеличивает скорость осушения.
За счет предотвращения промерзания грунта с поверхности почвы повышается интенсивность поступления поверхностных вод в дренаж, что способствует эффективности осушительного действия мелиоративной системы.
Устройство состоит из:
- перфорированных пластмассовых труб с защитно-фильтрующим материалом, расположенных на двух уровнях по высоте траншеи;
- геотекстильного полотна, дренажных матов, уложенных вертикально вдоль стенок дренажной траншеи и расположенных в двух ярусах дренажных труб, соединенных вертикальной вставкой;
- терморегулирующего элемента, соединяющего трубу верхнего яруса с изотермическим слоем почвы ниже двух глубин ее промерзания.
Конструкция «Устройство для осушения бессточного понижения» (патент БУ 20385) [4]. Увеличение объема сброса избыточных поверхностных и почвенно-грунтовых вод из замкнутых бессточных понижений может быть достигнуто разработанным конструктивным решением, приведенным в патенте ВУ20385 (рис.3).
Рис. 3. Способ осушения бессточных понижений
Устройство включает колодец-поглотитель 1, выполненный из перфорированной трубы, обернутый двумя слоями фильтра 2 из волокнисто-пористого полиэтиленового материала различной пористости, с размещением крупнопористого фильтра на поверхности перфорированной трубы, толщина каждого слоя не менее 4-5 мм. Сверху колодец имеет перфорированную крышку с фильтром. На глубине от 0,5 до 0,6 м от поверхности к колодцу присоединены четыре лучевые дрены 3, которые устраиваются из пластмассовых гофрированных перфорированных труб с геотекстильным фильтром. Концы лучевых дрен присоединены к вертикальным трубам 6, терморегулирующего элемента с шурфом 5, диаметром 20-25 см. Шурф заполняется синтетическим фильтрующим материалом и расположен на глубине не менее двух глубин промерзания почвы. Дренажные траншеи лучевых дрен заполняются до поверхности пахотного слоя фильтрующей засыпкой (песчаной, песчано-гравийной или смесью песка с синтетическими рассыпными материалами). Над колодцем устраивается ниша квадратной формы, центральная часть которой заполняется фильтрующей засыпкой 7 из крупнозернистой фракции (щебень, гравий) в виде усеченной призмы и по всей глубине трубчатого колодца. По краям ниша заполняется фильтрующей засыпкой 8 из мелкозернистой фракции - песок. Сброс воды осуществляется по дренажному коллектору 4.
Применение лучевых дрен расширяет функциональные возможности устройства по повышению осушительного действия мелиоративной системы в различных природных условиях. Эффект от применения устройства заключается в увеличении интенсивности отвода поверхностных, почвенногрунтовых вод и повышении осушительного действия мелиоративной системы, обеспечивающей условия для ведения высокоэффективного сельскохозяйственного производства и получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур.
Новые дренажные конструкции способствуют решению проблемы уменьшения глубины всей проводящей сети каналов, снижению опасности переосушения земель. При этом повышается надежность функционирования дренажа, снижается капитало- и ресурсоемкость, улучшаются условия для технической эксплуатации систем.
В идеале продолжительность срока службы дренажа не меньше эксплуатационной долговечности материала труб (ресурс) при нормальном функционировании защитных фильтров и очистке от иловых отложений и заохривания, за исключением случаев замены дренажа по причине сработки торфяных почв.
С учетом специфических рельефных, почвенно-геологических и экологических условий современные закрытые дренажные системы на равнинных массивах должны обеспечивать, как минимум, два основных требования:
- возможность проведения визуальной диагностики работоспособности дренажных линий (систем, их частей) в периоды строительства, ремонта и эксплуатации, а также выполнения всех ремонтных работ при минимальных затратах ресурсов;
- наиболее полное использование потенциала осушительного и увлажнительного действия каналов с целью создания более равномерного водного режима на системе.
Библиографический список:
1. Азява Г. В. Опыт проектирования мелиоративных систем на тяжелых грунтах // Мелиорация и водное хозяйство. - 1991. - № 6. - С. 12-15.
2. Дренажное устройство: патент БУ 15513 / В. Т. Климков, А. И. Митрахович, И. Ч. Казьмирук. - Опубл. 28.02.2012.
3. Дренажное водопоглащающее устройство : пат. БУ 17924 / А. И. Митрахович, Н. М. Авраменко, В.Н. Кондратьев, И. Ч. Казьмирук. - Опубл. 28.02.2014.
4. Устройство для осушения бессточного понижения: пат. БУ 20385 / А. И. Митрахович, И. Ч. Казьмирук, Н. М. Авраменко. - Опубл. 29.11.2016.
