Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
BBK 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
TBK 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003080 Agriculture / Agronomy / General
Purpose: Based on the analysis of the performed theoretical, laboratory and field studies of cavityless drainage, both the authors of this article and other researchers established the conditions for ensuring the reliability of its operation during the standard service life. Methods: analysis of the causes and quantitative assessment of the entry of silting particles into the pores of drains from the soil surrounding the drain showed, that in the case of protection of drains from silting with geotextiles, the inflow of particles smaller than 0.05 mm is due to the fact that such particles are colmatizing and geotextiles, in accordance with the requirements for it, must pass them. Another source of their entry is the possibility of formation of filtration deformations at the contact of the drain filler with the surrounding soil when the filtration flow reaches velocities exceeding the erosive ones. Geotextile materials, which are widely used as protective and filtering materials, must pass water into the drainage in the spring, even while still in a frozen state. Results: it has been established that in the laminar regime, filtration deformations in cohesive soils at the contact of the filler with the soil surrounding the drain do not occur in the absence of vibrodynamic loading. In cavityless drainage used in industrial and civil construction, as well as in the case of draining agricultural fields, clogging particles let through by geotextiles reduce the cross-sectional area of drains by no more than 10%. When draining the railway subgrade by pipeless drainage, it is not advisable to protect the drain filler from above. At the same time, the height of the silted part of the drains does not exceed 10 cm for 100 years, which must be taken into account at the design stage. In the case of using geotextile materials as protective and filtering materials, their water loss coefficient μ should be ≥ 0.65 with porosity ≥ 0.8.
pipeless drainage, eroding velocities, colmatage,silting, reliability of drainage
Бесполостной дренаж находит всё более широкое применение в промышленном и гражданском строительстве, а также в сельском хозяйстве [1-4]. Железнодорожники проявили к нему интерес при строительстве фильтрующих насыпей в районах с вечномерзлыми грунтами в связи с возможностями его использования для осушения земляного полотна одновременно увеличивающего его несущую способность [5].
Бесполостной дренаж имеет ряд преимуществ перед трубчатым. Бесполостному дренажу отдают предпочтение при строительстве в вечномерзлых, в том числе пучинистых грунтах [6]. В нем применяется один вид материала, имеется возможность создания распластанного сечения без существенного заглубления в основание, а также сочетать функции дрены с функцией мероприятия по повышению несущей способности осушаемого основания. Бесполостной дренаж является технологичным, экологичным и экономичным в случае наличия карьеров возле места строительства. Однако имеются и недостатки. Одним из них является невозможность промывки такого дренажа в случае его заиления поступающими в заполнитель мелкими частицами грунта с потоком. Кроме того, движущийся в заполнителе бесполостной дрены поток может вызывать фильтрационные разрушения, имеющие характер размыва грунта на контакте с заполнителем дрены. Дополнительные требования возникают и к геотекстилю, если дренаж закладывается в зону сезонного промерзания.
Метод исследования.
Целью статьи является установление на основе выполненных работ как авторами статьи, так и другими исследователями условий обеспечения надежности работы дренажа в течение нормативного срока службы.
Рассмотрим вначале вопрос с размывающими скоростями на контакте заполнителя бесполостных дрен при заложении их в связных грунтах.
Именно в связных (слабоводопроницаемых) грунтах наиболее перспективно применение бесполостного дренажа.
В работах В. Н. Жиленкова и Н. И. Шевченко [8, 9] было показано, что контактный размыв в связных грунтах не происходит при ламинарном режиме. Исследованиями этих же авторов были установлены критерии контактного размыва при движении фильтрационного потока в крупнозернистых материалах на границе их соприкосновения со связными грунтами. В дальнейшем на основе многочисленных экспериментальных исследований по фильтрации в крупнозернистых заполнителях бесполостных дрен были получены формулы для критического числа Рейнольдса Reкр, при котором режим фильтрации изменяется, и для расчета размывающих скоростей на границе фильтрационного потока со связным грунтом [10]:
Rerh=8.6n d17/du
в которой n – пористость; d17 – диаметр частиц заполнителя, меньше которого в его составе содержится 17% частиц по массе, см; du–расчетное значение диаметра фильтрационного хода, см
где - коэффициент неоднородности заполнителя; ψ – коэффициент формы частиц; d10 и d60 – диаметры частиц заполнителя, меньше которых в его составе содержится соответственно 10 и 60% частиц по массе, см.
где Wн – влажность грунта по массе при его полном насыщении, доли единицы; Wт – влажность грунта по массе на границе текучести, доли единицы.
Расчетная зависимость (3) была проверена на многочисленных лабораторных и полевых экспериментальных данных [10]. Анализ опытных данных показал, что можно гранулометрический состав заполнителя дрены подобрать таким образом, чтобы соблюдалось условие v<vрз. Здесь v–максимальная скорость фильтрационного потока в пределах части бесполостной дрены. Если же это условие не исполняется, то в пределах этого участка по контакту заполнителя дрены с грунтом необходимо уложить геотекстиль.
Рассмотрим процесс заиления заполнителя бесполостных дрен для двух случаев. В первом случае мелкие частицы поступают в дрену сверху через геотекстиль как в процессе строительства, так и эксплуатации. Во втором случае, который характерен для дренажа в земляном полотне железных дорог заполнитель бесполостных дрен примыкает к балластной призме и в зоне примыкания укладывать геотекстиль нецелесообразно. Причины рассмотрим ниже.
В первом случае бесполостные дрены в слабоводопроницаемых грунтах сверху присыпают фильтрующим грунтом. Известно, что в этом случае из контактной зоны дрен с засыпкой допускается вынос суффозионных частиц размером менее 0,05 мм. В соответствии с действующими нормами геотекстиль такие частицы должен пропускать. Допускаемый вынос 3-5% от объема выше расположенной засыпки. При средней глубине заложения дрены на сельскохозяйственных полях равной 1,0 м, высоте дрены 0,3 м и равномерном распределении вынесенных частиц в дрену по её длине, высота рабочей части дрены уменьшится примерно на 10%, то есть не более чем на 3-4 см. Если же будет происходить перераспределение частиц по её длине, то это будет приводить к изменению уклона дна дрены или к уменьшению живого сечения на отдельных участках, что будет способствовать снижению водоотводящей способности дрены. В связи с изложенным выше, прежде чем разрабатывать мероприятия по снижению отрицательных последствий от заиления дрен, целесообразно проанализировать характер изменения скорости фильтрации по их длине.
На основе результатов гидравлических исследований движения воды в бесполостной дрене [11] было получено следующее уравнение, характеризующее отношение вертикальной составляющей скорости фильтрацииvh к горизонтальной vsпо длине дрены
где i – уклон дна дрены; t = h/s – угловой параметр мощности потока; h – глубина воды в дрене на расстоянии s от истока; - совокупный безразмерный параметр. q’ –приток к дрене на единицу её длины; b–ширина бесполостной дрены; k – коэффициент фильтрации при ламинарном режиме.
Из зависимости (4) следует, что отношение vh/vsзависит от уклона дна бесполостной дрены и углового параметра мощности потокаt = h/s.
Ниже в таблице 1 приведены эпюры изменения величин vh/vs по длине дрены при изменении уклона дрен iв функции от безразмерного параметра U. При нулевом уклоне дна, несмотря на то, что максимальная величина отношения vh/vs имеет место в истоке дрены, где горизонтальная составляющая скорости vs очень мала, уменьшение высоты дрены в этом сечении за счет заиления практически не скажется на её водоотводящей способности. Далее горизонтальная vs и вертикальная vh составляющие скорости фильтрации, а также отношение vh/vs возрастают по длине дрены, достигая максимума в её устье. При этом отношениеvh/vs в устье дрены будет несколько больше по сравнению с её средней частью, что следует учитывать при назначении высоты дрены в устьевой части.
Таблица 1
Изменение отношения vh/vsна свободной поверхности фильтрационного потока по длине бесполостной дрены при различных уклонах её дна.
При изменении уклона дрены в пределах 0<i<2 характер изменения эпюры отношения vh/vs практически не отличается от первого случая, поэтому все, что говорилось об интенсивности заиления и учета при назначении высоты дрены в устьевой части относится и к этому случаю. В двух последних случаях характер изменения эпюр также одинаков. В обоих случаях при приближении к устью слой наилка также будет увеличиваться. Глубина же фильтрационного потока будет уменьшаться, причем довольно существенно. Таким образом, в обоих случаях в качестве принимаемых мер будет достаточным начиная от середины дрены сохранять ее высоту постоянной (не смотря на уменьшение глубин воды в дрене по мере приближения к её устью), а при гидравлических расчетах учитывать, что примерно на 10% может измениться и уклон дна рабочей части дрены, что тоже не окажет существенного влияния на эффективность действия дрены и никаких промывок не потребуется.
Практически во всех закрытых дренажах в качестве защитно-фильтрующих материалов применяется геотекстильный материал, ассортимент которых с каждым годом растет.
В каких бы отраслях строительства (промышленное, гражданское, мелиоративное, гидротехническое, а также при строительстве автомобильных и железных дорог) геотекстиль не применялся, везде в требованиях указывается величина, ниже которой его коэффициент фильтрации не должен опускаться в течение срока службы. При этом имеется в виду не только уменьшение его коэффициента фильтрации вследствие кольматирования материала с течением времени, но и в связи с воздействием на него отрицательных температур, если дренаж попадает в зону сезонного промерзания. Но ни в одном нормативном документе как в нашей стране, так и за рубежом до последнего времени этот фактор не учитывался. А ведь в дренажах, например, в мелиорации, очень важным является своевременное вступление в действие того же бесполостного дренажа в ранневесенний период еще до достижения глубины оттаивания всей зоны заложения дрены. При этом коэффициент фильтрации геотекстильного материала в мерзлом состоянии в случае заложения бесполостного дренажа в слабоводопроницаемые грунты должен удовлетворять следующему условию [12]
где kм – коэффициент фильтрации геотекстильного материала в мёрзлом состоянии, м/сут;kп – коэффициент фильтрации корнеобитаемого слоя в талом состоянии, м/сут; hп – мощность корнеобитаемого слоя, м; S – длина периметра контакта геотекстильного материала с фильтрующей засыпкой.
Если в слабоводопроницаемых грунтах бесполостная дрена прямоугольного сечения защищается только сверху, то Sпринимается равной ширине бесполостной дрены поверху.
Вычислив величину kм, и используя формулы (6), (7), (8) и (9), мы можем определить величину коэффициента водоотдачи μ, которым должен обладать геотекстильный материал [12, 13]
В формулах (6)-(9) kт – коэффициент фильтрации геотекстильного материала в исходном состоянии, м/сут; n – пористость геотекстильного материала в исходном состоянии, доли единицы; nэ – эффективная пористость геотекстильного материала, доли единицы; W – влажность геотекстильного материала по массе перед промерзанием; ρг – плотность геотекстильного материала, г/см3; ρл – плотность льда, г/см3; ρв – плотность воды, г/см3; dpи dp’ –диаметры волокон геотекстиля, соответственно в исходном и промороженном состоянии, см.
Как уже говорилось выше, к сожалению коэффициент водоотдачи геотекстильных материалов не приводится в их паспортных данных и его приходится определять в лабораторных условиях. В Петербургском государственном университете путей сообщения Императора Александра I такая методика разработана. По результатам исследований для укладки в железнодорожный путь в качестве разделительного слоя рекомендовано применять геотекстильный материал с коэффициентом водоотдачи равным ≥ 0,65 при пористости ≥0,8 [12].
Отдельно следует остановиться на обеспечении надежности работы бесполостных дрен при заложении их в железнодорожное земляное полотно. Рассмотрим случай, когда сверху бесполостная дрена не перекрывается геотекстилем (рис. 1). Как следует из рисунка, с боков и со стороны дна в качестве разделительного слоя (одновременно это мероприятие по предотвращению контактных размывов) прокладывается геотекстиль даже в связных грунтах. Обусловлено это вибродинамической поездной нагрузкой. Отсутствие защиты сверху способствует беспрепятственному поступлению мелких частиц крупностью менее 0,16 мм в заполнитель бесполостных дрен.
Рис. 1. Бесполостная дрена, уложенная в железнодорожное полотно.
На рисунке: 1 – балластная призма; 2 – бесполостная дрена; 3 – водонепроницаемый геоматериал; 4 – геотекстиль.
Из практики известно, что любые твердые тела подвержены истираемости при взаимодействии с подобными телами при условии, что тела вовлечены в колебательный процесс. Чтобы получить ответ на вопрос: сколько и какой крупности частицы образуются на путях 1 и 2 классов за период наработки тоннажа 350 млн. т. брутто, в лабораторных условиях с помощью вибропресса был смоделирован процесс воздействия вибродинамической поездной нагрузки за период нормативного срока службы геотестиля (30 лет) [12]. На рис. 2 показана фотография кольматирующих частиц, выполненная на электронном микроскопе ИГГД РАН.
Рис. 2. Фотография частиц истирания щебня, проба взята на действующем участке железной дороги. Остаток после сита 0,16 мм.
На рис. 3 представлен гранулометрический состав этих частиц. Из гистограммы следует, что частиц крупностью менее 0,05 мм довольно много и все они даже в случае защиты заполнителя бесполостной дрены сверху геотекстилем попадут внутрь ее и отложатся на его поверхности, резко снижая фильтрационные свойства.
Рис. 3. Гистограмма распределения частиц истирания щебня по размерам для одного из образцов.
Таким образом, если дрена сверху геотекстилем не перекрывается, то все образующиеся над бесполостной дреной частицы будут откладываться на её дно. В результате исследований было установлено, что при ширине бесполостной дрены по дну, равной 0,4 м это будет соответствовать уменьшению высоты рабочей части дрены примерно на 10 см за 100 лет. Это все несложно учесть на стадии проектирования при гидравлическом расчете бесполостной дрены. Из изложенного выше следует, что защищать бесполостную дрену геотекстилем сверху в рассматриваемом случае нецелесообразно.
Результатыи выводы.
Чтобы бесполостной дренаж успешно выполнял свои функции в течение нормативного срока службы необходимо обеспечить выполнение следующих условий (требований).
При ламинарном режиме в отсутствии вибродинамической нагрузки в связных грунтах контактные размывы на границе с крупным заполнителем в бесполостных дренах не возникают. Получена формула для определения критического числа Рейнольдса Reкр. И если число Reв любом живом сечении бесполостной дрены ≤ Reкр, то никаких мероприятий по защите от заиления не требуется. Если число Рейнольдса >Reкр, то по предлагаемой в статье формуле необходимо определить размывающую скорость vрз, которая по величине должна быть меньше действительной скорости v фильтрации в любом живом сечении бесполостной дрены. Если это условие не соблюдается, т. е. v>vрз, то между заполнителем дрены и окружающим ее грунтом геотекстиль прокладывается по всему периметру.
При заложении бесполостных дрен в железнодорожное земляное полотно из-за постоянно действующей вибродинамической поездной нагрузки, независимо от величины скорости в бесполостной дрене заполнитель защищается со стороны дна и с боков, так как из-за вибродинамической нагрузки будет происходить взаимопроникновение грунта в заполнитель и наоборот.
В дренажах, применяемых в промышленном и гражданском строительстве, а также в сельском хозяйстве, нормами допускается вынос частиц крупностью ≤ 0,05 мм через геотекстиль в дрену из засыпки от 3 до 5% от ее объема, расположенного выше геотекстиля, защищающего дрену сверху. При этом высота рабочей части бесполостной дрены при заложении её в среднем на глубину 1,0 м составит 3-4 см. Перераспределение частиц по длине дрены из-за увеличения вертикальной составляющей скорости начинается в основном с середины дрены по направлению к устью и в качестве мероприятия, учитывающего увеличение толщины слоя откладывающихся частиц, достаточно сохранять высоту слоя заполнителя дрены постоянной до самого устья.
Изменение уклона дрены при этом не будет превышать также 10%. Все эти изменения несложно учесть на стадии проектирования.
В случае применения бесполостных дрен для осушения железнодорожного земляного полотна, защищать заполнитель дрены геотекстилем сверху нецелесообразно. Мелкие частицы крупностью менее 0,16 мм, образующиеся в балластной призме в результате истирания щебня под воздействием вибродинамической поездной нагрузки за 100 лет, отложатся слоем не более 10 см, что также должно учитываться на стадии проектирования.
В случае использования геотекстильного материала в качестве защитно-фильтрующего в закрытых дренажах, а также разделительного слоя к необходимости предъявления к нему требований пропуска талых вод к дренажу в весенний период, коэффициент водоотдачи геотекстиля μ должен быть не менее 0,65 при исходной пористости ≥ 0,8.
При выполнении рекомендуемых требований бесполостной дренаж будет выполнять свои функции в течение нормативного срока службы.
1. Shtykov, V. I. Gidravlicheskiy raschet bespolostnogo plastovogo drenazha pri gruntovom napornom pitanii / V. I. Shtykov, A. V. Kozlova // Izvestiya Vserossiyskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta gidrotehniki im. B.E. Vedeneeva. - 2007. - T. 247. - S. 84-90. - EDN IBWIZP.
2. Shtykov, V. I. Bespolostnoy drenazh periodicheskogo profilya / V. I. Shtykov, Yu. G. Yanko // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. - 2009. - № 4. - S. 35-37. - EDN MUTSEV.
3. Obosnovanie tehnicheskih resheniy po podavleniyu gidrorazryva osnovaniya pri stroitel'stve kotlovana hranilischa nefteproduktov / S. V. Sol'skiy, O. I. Novickaya, M. G. Lopatina, A. G. Matveeva // Izvestiya Vserossiyskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta gidrotehniki im. B.E. Vedeneeva. - 2012. - T. 265. - S. 81-91. - EDN PJWTXB.
4. Rukovodstvo po melioracii poley / G. G. Gulyuk, Yu. G. Yanko, V. I. Shtykov [i dr.]. - Sankt-Peterburg : Federal'noe gosudarstvennoe avtonomnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya "Sankt-Peterburgskiy politehnicheskiy universitet Petra Velikogo", 2020. - 219 s. - ISBN 978-5-905200-41-0. - DOIhttps://doi.org/10.25695/k9292-1099-3543-i. - EDN MBGJQS.
5. Blazhko, L. S. Enhancement of Subgrade's Bearing Capacity in Low Water Permeable (Clay) Soils / L. S. Blazhko, V. I. Shtykov, E. V. Chernyaev // Proceedings of the International Scientific Conference Transportation Geotechnics and Geoecology (TGG-2017), Saint Petersburg, 17-19 maya 2017 goda. - Saint Petersburg, 2017. - P. 710-715. - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.112. - EDN XMYQXF.
6. Kalyuzhnyi, I. L. Influence of soil freezing on density / I. L. Kalyuzhnyi, S. A. Lavrov, V. I. Shtykov // Russian Meteorology and Hydrology. - 2001. - No 3. - P. 69-77. - EDN LGNILZ.
7. Inzhenernaya biologiya : Uchebnik / Yu. I. Suhorukih, B. S. Maslov, K. N. Kulik [i dr.]. - 4-e izdanie, stereotipnoe. - Sankt-Peterburg : Izdatel'stvo "Lan'", 2017. - 344 s. - ISBN 978-5-8114-1966-1. - EDNZCGEAH.
8. Zhilenkov V. N. Gidrodinamicheskie usloviya kontaktnogo razmyva glinistyh gruntov fil'tracionnym potokom /V. N. Zhilenkov, N. I. Shevchenko // Izv. VNIIG im. B. E. Vedeneeva. - 1980. - t.144. - s. 11-19.
9. Zhilenkov V. N. O soprotivlyaemosti glinistyh gruntov kontaktnomu razmyvu fil'tracionnym potokom / V. N. Zhilenkov, N. I. Shevchenko // Izv. VNIIG im. B. E. Vedeneeva. - 1981. - t.146. - s. 55-67.
10. Shtykov, V. I. O raschete razmyvayuschih skorostey pri proektirovanii fil'truyuschih sooruzheniy v svyaznyh gruntah / V. I. Shtykov, A. B. Ponomarev, Yu. G. Yanko //. - 2021. - T. 18. - № 2. - S. 303-312. - DOIhttps://doi.org/10.20295/1815-588X-2021-2-303-312. - EDN OVVRLC.
11. Shtykov, V. I. Bespolostnoy drenazh: Gidravlicheskoe obosnovanie, raschet i effektivnost' deystviya / V. I. Shtykov, S. G. Gordienko ; V. I. Shtykov, S. G. Gordienko. - Sankt-Peterburg : OAO PP-Z, 1997. - 224 s. - EDN ZIWSFB.
12. Shtykov, V. I. The Performance of Geotextile Materials Used for Filtration and Separation in Different Structures as an Important Part of Geotextiles Requirements / V. I. Shtykov, L. S. Blazhko, A. B. Ponomarev // Proceedings of the International Scientific Conference Transportation Geotechnics and Geoecology (TGG-2017), Saint Petersburg, 17-19 maya 2017 goda. - Saint Petersburg, 2017. - P. 247-251. - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.039. - EDN XMZLCI.
13. Blazhko, L. S. Vnutrennee zagryaznenie ballastnogo sloya pri imitacii vibrodinamicheskoy poezdnoy nagruzki / L. S. Blazhko, E. V. Chernyaev // Konstrukciya zheleznodorozhnogo puti i voprosy tehnicheskogo obsluzhivaniya vysokoskorostnyh magistraley : Sbornik nauchnyh trudov Mezhdunarodnogo nauchno-prakticheskogo seminara, Sankt-Peterburg, 03-04 iyunya 2010 goda / Pod redakciey professora L.S. Blazhko. - Sankt-Peterburg: Peterburgskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya Imperatora Aleksandra I, 2010. - S. 66-71. - EDNTDBFZB.
