CC BY
26
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ГЛУБОКО РАЗРЫХЛЕННЫХ СКЛОНОВ
А.А. Михайлин, С.В. Филонов
НИМИ ФГБОУВПО ДГАУ
Ростовская область в ЮФО является крупнейшей по использованию орошаемого земледелия. Общий фонд регулярного орошения превышает 220 тыс. га и в основном расположен на равнинной территории. Склоновые же земельные массивы испытывают на себе многие факторы деградации (переуплотнение, дефляция, поверхностный смыв). Неоправданное применение вспашки, особенно на склонах, в Ростовской области, вследствие резких перепадов температур в осенне-зимнее время (15^25°С) при сильных ветрах ведет к обесструктуриванию верхнего плодородного слоя. Все это отражается на потере потенциально возможной продуктивности обрабатываемых склоновых земель [1].
Поскольку склоновые земли в основном являются богарными, а их площадь в земледелии Ростовской области и Южного Федерального округа высока, возникает необходимость в качественном улучшении физико-механических свойств поверхностного обрабатываемого слоя этих земель. Обычно, верхний 20-ти см слой почвы, как правило, обесструктурен, а ниже лежащие слои переуплотнены. При атмосферных осадках верхний слой коагулируется, а нижние горизонты воду не достаточно впитывают из-за переуплотнения. Вода стекает по склону, смывая плодородный слой почвы, что часто приводит к заболачиванию и засолению подножья склонов [2]. Устранить вышеперечисленные негативные факторы или свести к минимуму их влияние являлось целью наших исследований по обработке склонов.
В настоящее время разработано большое количество приемов по задержанию талых вод и атмосферных осадков на склонах. Среди них: террасирование, устроение естественных преград на обрабатываемом склоне, мульчирование, ще-
левание и др. Однако все они либо очень дороги и трудоемки или малоэффективны [3].
Результаты анализа текущего состояния физико-механических свойств, склоновых земель с/х назначения и агротехники на юге РФ показали, что требуется разработать специальную обработку склоновых земель на базе глубокого рыхления [4]. Нами был предложен новый способ обработки склоновых земель с устроением внутрипочвенных стенок и получен патент на изобретение № 2255450 «Способ обработки склоновых почв». В результате представляется возможным разработать ресурсосберегающую технологию обработки склоновых земель, предусматривающую глубокое рыхление, направленное на снижение эрозионных процессов и аккумуляцию внутрипочвенной влаги на склоне [6,7]. У
'/V/V
III' II
- Участки разрыхлительного грунта
'У/У//1 - Участки уплотнительного
грунта
Рисунок 1 - Вертикальная проекция склона обработанного новым способом
На рисунке 1 представлено поперечное сечение склона, обработанного новым способом с устройством поперечных внутрипочвенных стенок 2 чередую-
щихся с глубоко разрыхлёнными участками 1, при глубине разуплотнения 5 = до 0,6-0,7м.
По нашим предварительным расчётам устройство внутрипочвенных стенок в сочетании с разрыхленными промежутками позволяет препятствовать внутри-почвенному стоку вод, что снижает поверхностную эрозию склонов, улучшает плодородие сельхозугодий, возвращает сильно эродированные участки в оборот, устраняет заболоченность земель у подножия склонов [5, 6].
При значительной аккумуляции внутрипочвенной влаги на обработанном новым способом склоновом участке резко увеличивается его масса. При этом склон может перейти в неустойчивое состояние. Для избежания непредвиденного оползня необходимо рассчитать параметры предельного устойчивого равновесия глубоко разрыхленного предлагаемым способом влагонасыщенного склона [7].
Расчёт устойчивости получаемого влагонасыщенного профиля склона -достаточно сложная задача, поэтому необходимо провести исследования данного вопроса в первом приближении [7- 9].
Установим, что почва - это пористое и неупругое тело. Также будем учитывать, что рассматриваемые склоны изначально являются устойчивыми, угол наклона к общей горизонтали не более 200, толщина грунта, лежащего под плодородным слоем, составляет не менее 1,5 м. Расчёт на устойчивость был выполнен с использованием программного комплекса «Б1ехРВЕ 2.0». Для этого использовался метод конечных элементов.
При описании механического состояния устойчивости обработанного склона составляем математическую модель - уравнения равновесия частиц грунта [911]:
8Х • (х+ТХу + (1у+¥х = 0; ТХу • (х+8у • (у+^ = 0; (1)
где: 8х и 8у - нормальные напряжения по осям Хи У; Тху - касательное напряжение; и Еу проекции приложенных сил на соответствующие координатные оси.
Зх = С11 • ех + С12 • еу + С13 • gxy;
Зу = С12 • ех + С 22 • еу + С13 • gxy; (2)
Тху = С13 • ех + С 23 • еу + С 33 • gxy;
где: ех = и ёх; еу = V ёу; gxy = и ёу + V ёх; для исследуемого склона можем принять С13 = С23 = 0; С11 = в; С12 = в • п; С22 = в; С33 = в*(1- ц)/2.
Обработанный склон будем представлять ансамблем треугольных конечных элементов.
Механическое состояние устойчивости обработанного склона будем описывать следующими дифференциальными уравнениями:
(1х[и (х + п* V (у] + р1*(у\и (1у + V dx] = 0 dy[V(уу + п * и (х] + р1*(х[и(у + V (х] - р *ga/в = 0 (3) где р1 = (1- п)/2; П - коэффициент Пуасона; и, V - смещение частиц грунта в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно, р - плотность грунта; ga - ускорение свободного падения; в = £У(1- п2); Е - модуль Юнга.
В результате вычислений с применением программы-расчётчика «Б1ехРВЕ 2.0» получились следующие результаты.
Plane Stress tension strip with a hole
200.
X-Displacement
5.40 5.10 4.80 4.50 4.20 3.90 3.60 3.30 3.00 2.70 2.40 2.10 1.80 1.50 1.20 0.90 0 60 0.30 0.00 -0.30
Scale = E-6
Рисунок 2 - Х смещение для необработанного участка
На рисунках 2 и 3 приведены смещения по осям Х и У для необработанного участка. В рисунках 4 и 5 показаны смещения по осям Х и У для участка на котором применяется новый способ обработки почвы.
Рисунок 3 - У смещение для необработанного участка
Рисунок 4 - Х смещение для участка обработанного новым способом
Рисунок 5 - У смещение для участка обработанного новым способом
На основании вышеприведённых графиков, полученных в результате произведенных вычислений, применяя метод конечных элементов, используя программу-расчётчик «FlexPDE 2.0», можно сделать вывод, что предложенный новый мелиоративный способ обработки склоновых земель не увеличивает возможность сползания обработанного горизонта склона предлагаемым способом, по сравнению с необработанным. Следовательно, применение нового способа обработки склоновых земель на базе глубокого рыхления, возможно, позволит аккумулировать внутрипочвенную влагу на склоновых землях, что приведёт к повышению урожайности выращиваемых сельскохозяйственных культур и потенциально возможной продуктивности обрабатываемых склоновых земель.
Литература:
1. Гаврилюк, Ф.Я. Полевые исследования и картирование почв Рекомендации / Ф.Я. Гаврилюк. - Ростов-н/Д.: Ростовский ун-т, 1981.
[Текст]: - 208с.
2. Иванова, Н.А. Способы снижения уплотнения почв и их эффективность [Текст]: Сборник трудов ЮжНИИГиМ / Н.А. Иванова. - Новочеркасск, 1990г. - 380с.
3. Мамаев, З.М. Комплексная механизация мелиоративных работ [Текст]: Каталог ВНИИГиМ / З.М. Мамаев. - М.: ВНИИГиМ, 1986. - 300с.
4. Винокуров А. А. К вопросу применения в руслах горных водотоков бассейна Верхней Кубани поперечных сооружений, селеспусков и террасирования склонов// А. А. Винокуров. - Вестник Волг ГАСУ. Сер.: Стр-во и архит., 2008.-№11(30).-с. 105
5. Михайлин А. А. Разработка новой ресурсосберегающей технологии обработки склоновых земель [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. - Режим доступа: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1525 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
6. Михайлин, А. А. Анализ устойчивости обрабатываемых влагонасыщенных склоновых почв [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. - Режим доступа: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1182 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
7. Михайлин А. А. Влияние технических характеристик орудия на показатели качества глубокого разрыхления орошаемых земель// А. А. Михайлин, В.П. Максимов, И.В. Клименко. - Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации 2013г. №3.- с. 134-147.
8. Волосухин В.А. Методика проведения инженерного мониторинга лотковых каналов оросительных систем Южного Федерального округа [монография]/ В. А. Волосухин, М.А. Бандурин - Новочерк. гос. мелиор. акад. - Новочеркасск, 2007. - 40с.
9. Balci, O.: Verification, Validation and Testing, in Handbook of Simulation, J. Banks, ed., John Willy, New York, 1998. Pp. 335-393.
10. Caquot, A. (1966). et Kerisel. J.,'Traité de Mécanique des Sols', 4ème édn, 240 p
11.Lambe J.W., Whitman R.V. Soil mechanics. New Delhi, Wiley eastern limited, 1984, 522 p.
