CC BY
47
УДК 631.626
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ОБСЫПКИ ДРЕНАЖНЫХ ТРУБ ОБЪЁМНО-ФИЛЬТРУЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЗАКРЫТОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДРЕНАЖА
Никитенко Андрей Васильевич ассистент
Максимов Валерий Павлович д.т.н., профессор каф. Машины природообустройста
ФГБОУ ВПО Новочеркасская государственная мелиоративная академия, Новочеркасск, Россия
В статье описана технология строительства закрытого горизонтального дренажа с применением принудительной подачи объёмно-фильтрующего материала бункером узкотраншейного дреноукладчика, и приведены результаты полевых исследований работоспособности дрен, уложенных по традиционной и предложенной технологиям
Ключевые слова: ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЗАКРЫТЫЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ДРЕНАЖ, СВОДОРАЗРУШАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, КОЭФФИЦИЕНТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ВОДОЗАБОРА, ФИЛЬТРАЦИОННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
UDC 631.626
THE INVESTIGATION OF THE TECHNOLOGY OF THE DRAIN PIPES FORCE-PACKAGE WITH THE VOLUMEFILTER MATERIAL IN CONSTRUCTING BURIED HORIZONTAL DRAINAGE
Nikitenko Andrey Vasilievich teaching assistant
Maximov Valeriy Pavlovich Dr.Sci.Tech., professor of the Chair of Environmental Engineering Machines Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Novocherkassk State Land Reclamation Academy, Novocherkassk, Russia
The technology of the close subsurface drainage construction with using the force-feed of the volumefilter material by the narrow-trench drainage machine bin is described in the article. The results of the field study of the drains laid by traditional and proposed technology efficiency are shown
Keywords: CONSTRUCTION TECHNOLOGY, BURIED HORIZONTAL DRAINAGE, SUBSURFACE DRAINAGE, CROWN-CUTTING TOOL, LOW FRICTION COEFFICIENT, WATER INTAKE COEFFICIENT, FRICTION RESISTANCE
В условиях глобальных изменений климата, связанных с часто повторяющимися засушливыми годами наиболее действенным средством обеспечения устойчивости сельскохозяйственного производства являются водные мелиорации. Однако большинство мелиорированных земель вследствие почти полной амортизации гидромелиоративных систем, достигающей порядка 80%, а также снижения общей культуры земледелия обладают не высокой продуктивностью и не могут оказать решающего влияния на нейтрализацию риска неблагоприятных погодных условий и обеспечение населения страны продовольствием.
С целью повышения рентабельности и устойчивости сельскохозяйственного производства правительством Российской
Федерации на период до 2020 года была утвержден проект федеральной целевой программы развития мелиорации земель сельскохозяйственного назначения за счет реконструкции и строительства мелиоративных систем.
Одним из перспективных направлений развития мелиорации земель является реконструкция и строительство на орошаемых площадях инженерного дренажа, который в автоматическом режиме обеспечивает создание оптимальных условий для развития сельскохозяйственных культур за счет регулирования водно-воздушного и солевого режимов почв.
В рамках ведомственной программы «Разработка орудий, средств и технологий механизации строительства, восстановления и эксплуатации мелиоративных систем и объектов природообустройства» была разработана и испытана в производственных условиях на базе нового бункера узкотраншейного дреноукладчика (патент РФ Е02Б 5/10 76356 и1) технология укладки пластмассовых дренажных труб с принудительной их обсыпкой объёмно-фильтрующим материалом.
Технологически процесс строительства закрытого горизонтального дренажа узкотраншейным способом с применением предложенной технологии обсыпки дренажных труб в части отрывки дренажной траншеи и засыпке её минеральным грунтом после укладки дренажных труб аналогичен разработанному доктором технических наук Мироновым В.И. [1]. Его отличительной особенностью является новый способ доставки объёмно-фильтрующего материала на дно дренажной траншеи к месту укладки и формирования качественной обсыпки вокруг дренажной трубы.
Традиционно процесс дозирования объёмно-фильтрующего материала бункером дреноукладчика осуществляется при свободном движении сыпучего материала вниз под действием собственной массы, при этом распределение материала происходит за счёт поступательного перемещения бункера в траншее с определённой рабочей скоростью.
Исследования бункеров различных конструкций как отечественного, так и зарубежного производства показали [2, 3, 4], что при таком методе дозирования ограниченное пространство бункера дреноукладчика в совокупности с физико-механическими свойствами фильтрующей обсыпки зачастую приводят к образованию статически устойчивого свода. При этом процесс подачи объёмно-фильтрующего материала осуществляется прерывисто с образованием пустот, что не только нарушает необходимую конструкцию дрены, приводя к волнообразной укладке труб с обратным уклоном, но и способствует в дальнейшем интенсивному засорению и заиливанию дрены. Устранение дефектов укладки дрен и фильтра занимает 25-35 % общего цикла времени строительства [4, 5], что значительно сказывается на производительности и себестоимости строительных работ.
Для повышения качества обсыпки труб сыпучим объёмно-фильтрующим материалом разработана технология принудительной подачи и послойного распределения фильтроматериала вокруг дренажной трубы с использованием бункера-дозатора предложенной конструкции (рис. 1).
Такая конструкция позволяет предотвратить образование статически устойчивых сводов в бункере, а так же обеспечить соблюдение проектных параметров фильтра с соблюдением уклона укладки дренажной трубы.
В процессе работы рабочий орган 2 дреноукладчика 1 отрывает траншею шириной 0,3^0,4 м, на дно которой через желоб 6 подается пластиковая дренажная труба 15, и по желобам 5, 7 объёмно-фильтрующий материал 14, поступающий из прицепа перегружателя через загрузочную воронку 4.
Силовой установкой 17 приводятся во вращение шнеки 8, 9, верхняя рабочая часть которых предотвращает образование сводов и побуждает движение объёмно-фильтрующего материала вниз самотеком при помощи наклонных лопаток 11, а нижняя рабочая часть в виде винтовой поверхности 12 создает напор, подобный гидравлическому, чем обеспечивается создание уплотненного слоя фильтра вокруг дренажной трубы по всему периметру отрываемой траншеи. Профилирующий нож 16, закрепленный в нижней части желоба 6 предотвращает эффект выпора подстилающего слоя фильтра из-за создаваемого напора и прорезает ложе в которое затем укладывается дренажная труба 15. Лыжа-формирователь 13 предотвращает эффект выпора застилающего слоя фильтра и формирует профиль фильтра позволяющий экономно расходовать объёмно-фильтрующий материал.
Испытания бункера в условиях полигона ОАО «163 БТРЗ» показали, что использование в технологии строительства закрытого горизонтального дренажа узкотраншейным способом предложенного технологического приема подачи и укладки объёмно-фильтрующего материала позволяет исключить из технологического цикла часть операций связанных с устранением дефектов укладки, снизив сроки проведения работ на 20%.
Для проведения сравнительного анализа эффективности работы дрены, уложенной с применением предложенной технологии обсыпки труб (принудительная подача ОФМ в придренную полость) внедряемой взамен существующей (подача ОФМ в придренную полость под действием силы тяжести) было заложено три дрены. Две, построены с применением традиционной технологии обсыпки и одна с применением предложенной технологии. Конструкция водопроводящей части дрен выполнена из дренажных гофрированных труб диаметром 110 мм, обернутых полотном нетканым клееным. Исследуемые конструкции дрен представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Конструкции исследуемых закрытых дрен на участке совхоза "Краснокутский" Веселовского района
Номер дрены Фильтровая обсыпка Технология обсыпки дрен Длина дрены, м
3Др-1 Песчано-гравийная смесь Внедряемая 250
3Др-3 Песчано-гравийная смесь Традиционная 300
3Др-4 Песчано-гравийная смесь Традиционная 310
Фильтрующая обсыпка на исследуемых дренах выполнена песчано-гравийной смесью, в состав которой входит среднезернистый песок, характеризующийся следующими показателями: й 10 = 0,11 мм, d60 = 0,25 мм, Кф = 10 м/сут.
Полевые исследования проводились в ЗАО «Краснокутское» Веселовского района ростовской области, где в рамках проводимых исследований была выполнена реконструкция дрен, путем замены поврежденных участков длинной 250, 300, 310 м на новые (рис. 2).
Рисунок 2 - Реконструкция дренажа ЗАО «Краснокутское»
Исследование работы дрен заключалось в определении их технической и мелиоративной эффективности. Для чего в 15 м выше наблюдательных колодцев, в которых планировалось замерять величину дренажного стока, было пробурено 2 створа с 16 наблюдательными скважинами. Скважины закладывались по нормали к дренам на следующих расстояниях от её оси: 1; 3; 10; 25; 50 м и на междренье, после чего производилась их нивелировка. Глубина скважин превышала на 0,5 -1,0 м минимальную глубину уровня грунтовых вод.
Исследование показателей технической эффективности работы включало определение величины дренажного стока, глубины залегания и скорости понижения уровней грунтовых вод, зависимости притоков от действующих напоров, динамики изменения депрессионных кривых, фильтрационных сопротивлений, коэффициента гидравлического
сопротивления и водозабора, способности дрен сохранять проектный уклон после обратной засыпки и в процессе эксплуатации.
Замер уровней грунтовых вод и дебита дрен осуществлялся в течение всего полевого сезона не реже 2-х раз в месяц. Величина дренажного стока устанавливалась объёмным методом.
Исследование технической эффективности дрены выполнялось по методу, предложенному Р.Г. Джанумовым и Ю.Г.Филипповым [6]. Сущность, которого заключается в сравнении суммарных гидравлических сопротивлений, которые реальная и идеальная дрены оказывают фильтрационному потоку.
Сопоставление дренажного стока исследуемых конструкций по величинам удельных расходов приведено в таблице 2.
Таблица 2 - Средние расходы дрен исследуемых конструкций
номер дрены Дебит дрены, л/с Удельный расход, д, л/с км дс^ л/с км
2010 2011 2012 2010 2011 2012 2010 2011 2012
3Др-1 0,11 0,13 0,12 0,46 0,48 0,46 0,46 0,48 0,46
3Др-2 0,13 0,12 0,13 0,42 0,43 0,40 0,42 0,42 0,42
3Др-3 0,13 0,14 0,13 0,42 0,42 0,44
Для исследуемых конструкций дрен установлены положения депрессионных кривых, при которых обеспечиваются данные расходы (рис. 3). Динамика уровней грунтовых вод по створам наблюдательных скважин I и II показала, что интервалы напоров в междренной зоне рассматриваемых конструкций имеют соответственно пределы: 0,43... 0,65 м (рис. 3).
Рисунок 3- Изменения уровней грунтовых вод под влиянием дренажа на участке ЗАО «Краснокутское» (створ I)
Определение технического совершенства конструкций выполнено по отношению потерь напора к удельному расходу, представляющее собой фильтрационное сопротивление.
Фильтрационные сопротивления, рассчитанные по данным наблюдений, приведены в таблице 3, анализ которой показывает, что с наименьшим фильтрационным сопротивлением работает дрена ЗДр-1. Среднее фильтрационное сопротивление (ФСР = 15,81 м) конструкции, которой на 12-15% меньше.
Таблица 3 - Интервалы напоров, удельных расходов и фильтрационные
сопротивления исследуемых дрен
№ дрены 2010 2011
Напор, Н, м Удельный расход, д, м2/сут Фильтрац. сопротив. Ф, сут/м Напор, Н, м Удельный расход д, м2/сут Фильтрац. сопротив. Ф, сут/м
3Др-1 0,50...0,71 0,019.0,068 15,68 0,41.0,62 0,017.0,066 16,76
3Др-2 0,58...0,76 0,023.0,061 18,84 0,57.0,75 0,021.0,059 19,93
3Др-3 0,57.0,69 0,022.0,063 18,43 0,56.0,68 0,020.0,060 19,66
При оценке фильтрационных сопротивлений исследуемых конструкций, кроме рассмотренного метода, применялись методы А.М.Сойфера и решения обратных задач [7]. Фильтрационные сопротивления дренажных конструкций сведены в таблицу 4.
Таблица 4 - Средние значения фильтрационных сопротивлений дрен
рассчитанных различными методами
Номер дрены По А.М. Сойферу Решение обратных задач
число наблюдений Фильтрационное сопротивление, м Число наблюдений Фильтрационное сопротивление, м
дрен типа конструкции дрен типа конструкции
3Др-1 16 17,52 17,52 14 18,53 18,53
3Др-2 16 18,58 18,32 14 22,22 21,69
3Др-3 16 18,06 14 21,16
Применительно к рассматриваемым конструкциям выполнены расчеты коэффициентов гидравлического сопротивления и водозабора (таблицы 5 и 6) и установлены зависимости удельных расходов дрен от действующих напоров q = /(к) представленные на рисунке 4.
Рисунок 4 - Кривые зависимостей удельных расходов дрен от
действующих напоров
Водозаборные характеристики исследуемых дрен (табл. 5), зависимости удельных расходов от напоров (рис. 4) и фильтрационные сопротивления, установленные различными методами (табл. 4) позволяют сделать обоснованные выводы об эффективности технологии принудительной подачи объёмно-фильтрующих материалов к месту укладки. Так, у дрены, уложенной с применением новой технологии обсыпки среднее фильтрационное сопротивление по методу А.М. Сойфера и по методу решения обратных задач в среднем на 10-15% меньше, чем у конструкции построенных по традиционной технологии.
Таблица 5 - Водозаборные конструкции дрен, установленные
по разовым замерам
№ дрены Расчетная длинна, Ь, м Расход, 0, л/с Фактические Теоретические Коэффициенты
Н, м д, м2/сут Н, м д, см2/сут § Ц
3Др-1 250 0,51 0,62 0,046 0,15 0,161 3,75 0,28
3Др-2 300 0,45 0,50 0,039 0,12 0,150 4,31 0,26
3Др-3 310 0,48 0,49 0,040 0,12 0,159 4,22 0,25
Уложенная с применением предлагаемой технологии обсыпки дрена характеризуется меньшим значением коэффициента гидравлического сопротивления (§ = 3,75), большим коэффициентом водозабора (ц = 0,28) и обеспечивает удельные расходы в среднем до 0,5-0,6 л/с-км при напорах до 0,6 м.
Основные технические показатели эффективности конструкций дрен сведены в таблицу 7, анализ которых показывает, что работоспособность конструкций дрен с фильтровой обсыпкой, уложенной с применением новой технологии более чем на 10% лучше, чем у дрен, фильтровая обсыпка которых выполнена по традиционной технологии.
Таблица 6 - Средние значения коэффициентов гидравлического
сопротивления и водозабора исследуемых конструкции дрен
Номер дрены Число наблюдений Коэффициенты
гидрав. сопр., § Водозабора, ц
дрен типа конструкции дрен типа конструкци и
3Др-1 15 3,75 3,75 0,28 0,28
3Др-2 15 4,29 4,10 0,22 0,22
3Др-3 15 3,91 0,23
Таблица 7 - Показатели технической эффективности конструкций дрен
Технология обсыпки дрены Удельный расход, q, л/с-км Фильтрационное сопротивление, Ф, м Коэффициенты Показатель водоприем. способности р, м/ сут
по А.М. Сойферу решение обратных задач £
Внедряемая 0,40...0,55 17,52 18,53 3,75 0,28 0,31
Традиционная 0,36...0,52 18,32 21,69 4,10 0,22 0,28
Анализ результатов полевых исследований позволяет сделать заключение об эффективности новой технологии обсыпки труб ОФМ и целесообразности её применения для строительства и реконструкции дренажа.
Выводы: Результаты полевых исследований работоспособности конструкции дрены, уложенной с применением предлагаемой технологии обсыпки труб, показали, что водоприемная способность фильтра в среднем на 10 % выше, чем у дрен, уложенных по традиционной технологии.
Разработанная конструкция бункера узкотраншейного дреноукладчика, оснащенного сводоразрушающим устройством при одновременном повышении производительности работ, примерно, на 18% позволяет повысить качество обсыпки дренажных труб защитно-фильтрующим материалом и снизить технологические затраты на строительство дренажа с применением предложенной технологии более чем на 15 %.
Список используемой литературы
1. Миронов В. И. Комплексно-механизированные технологии строительства закрытого горизонтального дренажа в зоне орошения узкотраншейным способом: дис. ... д - ра техн. наук: 06.01.02. -М., 2004. - 575 с.
2. Коршиков А.А. Технологические особенности строительства и эксплуатации дренажа в зоне орошения. - Новочеркасск, 1991. - 145 с.
3. Зенков Р. Л., Ивашков И.И., Колобов Л.Н. Машины непрерывного транспорта. - М.: Машиностроение, 1987. - 432 с.
4. Панченко А.Н. Бункера дреноукладчиков зоны орошения: монография. -Ашхабад: Ылым, 1985. - 80 с.
5. Миронов В. И. Технология и механизация дренажных работ в зоне орошения. -Ростов н/Д: Изд - во СКНЦ ВШ, 2002. - 120 с.
6. Филипов Ю.Г., Джанумов Р.Г. Исследование работы закрытого дренажа на орошаемых землях Ростовской области // Сб. научн. тр. Южгипроводхоза. - Ростов н/Д, 1973. - Вып. XIV. Ч. II. - С. 37 - 53.
7. Лисконов А.Т., Бредихин Н.Н., Савчук Д.П. Закрытый горизонтальный дренаж при орошении. - Изд - во Красноярского ун - та, 1992. -288 с.
References
1. Mironov V. I. Complex - mechanized technologies of construction of the closed horizontal drainage in an irrigation zone in the narrow-trench way: thesis... Dr. of Eng. Sc: 06.01.02. - M, 2004. - 575 pages.
2. Korshikov A.A. Technological features of construction and drainage use in an irrigation zone. - Novocherkassk, 1991. - 145 pages.
3. Zenkov R. L., Ivashkov I.I., Kolobov L.N. Cars of stream-flow transportation. - M: Mechanical engineering, 1987. - 432 pages.
4. Panchenko A.N. Bunkers of drainage machines of an irrigation zone: monograph. -Ashkhabad: Ylym, 1985. - 80 pages.
5. Mironov V. I. Technology and mechanization of drainage works in an irrigation zone. - Rostov-on-Don: Publ. house. - SKNT VSh, 2002. - 120 pages.
6. Filipov Y.G., Dzhanumov R. G. Research of work of the closed drainage on irrigated lands of Rostov region//Transactions of sc. works Yuzhgiprovodkhoz. - Rostov-on-Don, 1973. - Iss. XIV. Part. II. - Page 37 - 53.
7. Liskonov A.T., Bredikhin N. N., Savchuk D.P. The closed horizontal drainage by irrigation. - Publ. house. - Krasnoyarsk Un. - 1992. -288 pages.
