employee from 01.01.2013 to 01.01.2023
employee
Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The article presents the results of laboratory studies of modern types of drainage structures. The actual resistance of the filtration area, the costs at constant pressure, the time of stabilization of drainage runoff are determined, graphs of the dynamics of water flow of the considered experimental designs of perforated corrugated drains with various types of protective filtering materials are constructed. In the process of research, it was found that the design with a two-layer FISLON filter has the best result: a steady flow rate of 0.89 ml/s, a filtration resistance of 5.13 m; TYPAR filter design has an actual resistance of 5.47m; The design with a membrane shell has the greatest resistance - 8.753 m.
drain, filter, filtration resistance, water intake capacity.
Введение. Эффективность и долговечность дренажной конструкции определяется качеством устройства и надёжностью работы дренажных конструкций. В недалёком прошлом в дренажных конструкциях применялись песчано-гравийные фильтры, устройство которых было довольно сложно, трудоёмко и дорого. В мировой практике и в странах бывшего СССР накоплен значительный опыт применения различных защитно-фильтрующих материалов, однако в настоящее время не существует универсального фильтра, решающего проблемы кольматации, заохривания и проникновения корневой системы растений в дренажную конструкцию.
В настоящее время в странах Западной Европы при строительстве дренажа традиционно применяются гофрированные дренажные трубы, в качестве защитно-фильтрующего материала используются геотекстили, кокосовая койра, органические засыпки [1].
В России в качестве геотекстиля широко используется иностранный материал TYPAR, отечественные нетканые материалы, находит применение и кокосовая койра. Тем не менее, основными проблемами при эксплуатации дренажа остаются заиление дрен, кольматация фильтра, а в гумидной зоне еще и заохривание. Поэтому до настоящего времени остается актуальным поиск современных видов дренажных конструкций для восстановления, реконструкции, модернизации и строительства осушительных систем на мелиорируемых массивах Нечерноземной зоны Российской Федерации.
Для предотвращения негативных проявлений и повышения эффективности и долговечности горизонтального дренажа проводятся исследования по обработке фильтров гидрофобными пропитками с целью предотвращения кольматации и особыми устройствами дрен, повышающими водоприёмную способность [2, 3].
Во ВНИИГиМ для защиты дрены от заиления и повышения водоприемной способности разработан и запатентован многослойный фильтр ФИСЛОН (Способ защиты дренажа от кольматации, авторское свидетельство № 1612046 от 8.08.1990 г.), созданный по принципу обратного фильтра на базе иглопробивной технологии: слой, сопряженный с дренажной трубой, имеет толщину 2-3 мм и средний размер пор 0,15-0,20 мм, что обеспечивает хороший приток к дрене; слой, сопряженный с грунтом более плотный со средним размером пор 0,10-0,15 мм толщиной 0,3-0.5 мм, что препятствует проникновению суффозионных частиц в прифильтровую область.
В Турции для преодоления проблем заиления и заохривания дрен предложена оригинальная конструкция дренажной трубы с мембранной оболочкой, предотвращающая проникновение корневой системы в полость трубы [4]. Эта конструкция состоит из гофрированной дренажной трубы, на которую сверху помещается неперфорированная наружная шипованная мембрана, закрывающая трубу на ¾ с целью предотвращения контакта дрены с засыпным грунтом. Вода в дрену поступает только через нижний открытый сегмент перфорированной трубы, что предотвращает заохривание дрен ввиду отсутствия контакта с воздухом, и зарастание ее корнями растений.
Заводом «РУСТЕХПЛАСТ» изготовлены экспериментальные образцы перфорированных, гофрированных дренажных труб с различными защитно-фильтрующими материалами для применения данных конструкций в условиях Нечернозёмной зоны РФ.
С целью оценки работоспособности конструкций осуществлено в 2020 году строительство опытных дрен на мелиоративном объекте ТИНКИ-2 в Рязанской области [5] (рис. 1).
Цель настоящих исследований - провести лабораторные испытания экспериментальных конструкций дрен для определения их водоприёмной способности и дополнительного фильтрационного сопротивления, вызванного несовершенством конструкции.
Материалы и методы исследования. В качестве опытных образцов были выбраны экспериментальные конструкции гофрированных перфорированных дрен диаметром 63 мм, изготовленные заводом «РУСТЕХПЛАСТ», с защитно-фильтрующими материалами из геотекстиля TYPAR, кокосовой койры, с мембранной оболочкой и с многослойным фильтром ФИСЛОН (рис.2,3).
Испытания конструкций проводили на прямоугольном лотке по методике, изложенной в работе [6].
В качестве исследуемого грунта был отобран песок с мелиоративного объекта ТИНКИ-2 Рязанской области, гранулометрический состав которого был определён ситовым методом, с характеристиками, представленными в таблицах 1,2,3 согласно [7].
Таблица 1. Гранулометрический состав песчаного грунта
|
Гранулометрический состав, % (размер частиц, мм) |
Наименование грунта по ГОСТ 25100-2011 |
||||||||
|
>10 |
10-5 |
5-2 |
2-1 |
1-0,5 |
0,5-0,25 |
0,25-0,10 |
0,1-0,05 |
<0,05 |
|
|
- |
- |
0,2 |
1,4 |
2,8 |
14,9 |
69,0 |
11,7 |
- |
Песок мелкий |
Таблица 2. Физические характеристики песчаного грунта
|
Наименование |
Коэффициент фильтрации, м/сут |
Природная влажность, % |
Плотность при природной влажости, г/см3 |
Плотность сухого грунта, г/см3 |
Плотность минеральных частиц, г/см3 |
Степень влажности |
Пористость,% |
Коэффициент пористости |
|
Песок мелкий, средней плотности, маловлажный |
1,10 |
0,6 |
1,62 |
1,61 |
2,66 |
0,024 |
39,47 |
0,652 |
Таблица 3. Физико-механические характеристики песчаного грунта
|
Наименование |
Сцепление, кПа |
Угол внутреннего трения, ° |
Модуль деформации, МПа |
Максимальная плотность, г/см3 |
Коэффициент пористости при максимальной плотности |
Оптимальная влажность, % |
|
Песок мелкий |
2 |
32 (в сухом состоянии 35) |
28 |
2,05 |
0,556 |
20 |
Общее фильтрационное сопротивление, которое преодолевает поток грунтовых вод при движении от внешних границ области питания до полости, несовершенной по степени и характеру вскрытия пласта дрены, можно представить суммой отдельных фильтрационных сопротивлений, отражающих те или иные особенности фильтрационного потока.
Такая возможность вытекает из общих положений метода фильтрационных сопротивлений, применяемого в современной практике проектирования дренажных сооружений. Согласно основным принципам данного метода, фильтрационный поток на некотором расстоянии от дрены определяется только расходом, поступающим в дрену, независимо от того, является ли она совершенной или нет [8]. Разница в структуре потоков к совершенной и несовершенной дрене имеет место в непосредственной близости от дрены и обуславливает соответствующие потери напора.
Закрытая горизонтальная дрена обладает двумя видами несовершенства, снижающими её водоприёмную способность: недостаточностью размера (диаметра); несовершенством конструкций по сравнению с полостью такого же размера. Эти виды несовершенства не учитывают потери напора за счёт контактных переформирований на границе фильтра с грунтом естественного сложения и обратной засыпки, зависящих от технологии производства работ и гидрогеологических условий на объекте строительства дренажа.
В настоящее время нет теоретических решений, позволяющих вычислить значения дополнительных фильтрационных сопротивлений с учётом контактных переформирований, и поэтому они определяются экспериментально.
Первый вид несовершенства можно оценить расчётным путём по формуле В.В. Ведерникова [9,10]:
, (1)
где 
– критический диаметр дрены, м;
W – величина инфильтрационного питания, м/сут;
B – расстояние между дренами, м;
к –коэффициент фильтрации грунта, м/сут.
Второй вид несовершенства количественно можно оценить только по результатам лабораторного эксперимента.
Для проведения лабораторных исследований по определению водоприёмной способности дрен на базе «Мещерского филиала ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова» сконструирован прямоугольный лоток согласно известной методике [6,11] (рис.4).
При определении размеров фильтрационного лотка учитывались следующие предпосылки: длина дрены моделировалась равной 1 метру при выполнении соотношения:
, (2)
где: l - длины лотка; h - высота лотка.
Отсыпка грунта в лоток производилась с послойным уплотнением объёмной массы, примерно равной для грунта ненарушенного сложения. Опыт проводился при постоянном напоре в 4-х кратной повторности (для каждой конструкции) в течение 2020-2022 гг. до стабилизации объёма дренажного стока (не менее 30 суток).
Дополнительное фильтрационное сопротивление конструкции дрен определялось после стабилизации фильтрационных процессов в фильтрационном лотке. При этом в основу обработки экспериментальных данных положена зависимость, учитывающая в общем виде влияние несовершенства конструкции на величину притока к дрене [6]:
, (3)
При круговом контуре питания α=2π,
где Q – удельный приток к дрене, м2/сут;
H – общий действующий напор в пределах рассматриваемой области фильтрации, м;
Ф0 – фильтрационное сопротивление рассматриваемой области фильтрации при допущении, что вместо реальной конструкции имеется полость в грунте с абсолютно проницаемыми стенками;
a – дополнительное фильтрационное сопротивление, учитывающее несовершенство реальной конструкции по сравнению с полостью того же размера;
α – коэффициент, учитывающий, через какую часть водоприёмного контура происходит поступление воды;
k – коэффициент фильтрации дренируемого грунта, м/сут.
Знаменатель формулы (3) можно рассматривать как фактическое сопротивление (Ф) области фильтрации при работе реальной конструкции, которое подсчитывается, используя экспериментально определённые значения Q, H, k по зависимости [6]:
(4)
Результаты исследования и их обсуждение. По результатам исследования определены фактические расходы при постоянном напоре и время стабилизации дренажного стока и рассчитаны сопротивления (Ф) области фильтрации по формуле (4) (таблица 4). Динамика расхода воды для рассматриваемых дренажных конструкций приведена на рисунке 5.
Таблица 4. Результаты исследований экспериментальных конструкций дрен в условиях мелкозернистого песка
|
Конструкции с фильтрами Параметр |
ФИСЛОН |
TYPAR |
Кокосовое волокно |
Мембрана |
|
Расход Q, мл/с |
0,891 |
0,819 |
0,831 |
0,480 |
|
Общий действующий напор H, м |
0,359 |
0,352 |
0,360 |
0,330 |
|
Фактическое сопротивление Ф, м |
5,130 |
5,472 |
5,515 |
8,753 |
Рис. 5. Графики динамики расхода воды во времени для дренажных труб с ЗФМ из кокосовой койры, мембранной оболочки, геотекстиля TYPAR, многослойного фильтра ФИСЛОН.
В результате проведенного лабораторного эксперимента установлено, что конструкция перфорированной гофрированной дренажной трубы с защитно-фильтрующим материалом ФИСЛОН имеет фактическое сопротивлением 5,13 м; конструкция перфорированной гофрированной дренажной трубы с защитно-фильтрующим материалом TYPAR имеет фактическое сопротивлением 5,47 м; конструкция перфорированной гофрированной дренажной трубы с защитно-фильтрующим материалом из кокосовой койры имеет фактическое сопротивлением 5,52 м; конструкция трубы с мембранной оболочкой имеет фактическое сопротивлением 8,75 м. На основе полученных значений фильтрационного сопротивления, можно сделать вывод о том, что в условиях мелкозернистого песка, при проектировании осушительной системы, предпочтительнее использовать защитно-фильтрующий материал для дренажной трубы типа многослойного фильтра ФИСЛОН. Конструкция трубы с этим фильтром будет обеспечивать лучшее водопонижение уровня грунтовых вод на мелиорируемом массиве, по сравнению с комбинированной дреной, имеющей мембранную оболочку, условно на 41% и на 6 % в сравнении с дреной, обёрнутой защитно-фильтрующим материалом TYPAR.
Заключение. Проведённые лабораторные исследования современных видов дренажных конструкций показали их работоспособность в условиях мелкозернистого песка. Были выявлены оптимальные конструкции дрен для данных условий, определены параметры фактического сопротивления области фильтрации.
В ходе лабораторных испытаний установлено, что конструкция перфорированной гофрированной дренажной трубы с защитно-фильтрующим материалом ФИСЛОН обладает меньшим фактическим сопротивлением и наибольшим расходом по сравнению с аналогами. Условное время стабилизации области грунта составляет 17 суток, область стабилизации расхода воды находится в промежутке 17-40 суток, область установившихся расходов воды через систему «грунт - дренажная труба с фильтром» для разных типов конструкций дрен составляет в среднем 55 суток.
Инновационная конструкция дрены с мембранной оболочкой показала наименьший расход и наибольшее фильтрационное сопротивление, что обусловлено механической суффозией песчаных частиц, попавших в шлюзовое пространство между конструкцией дрены и защитной мембраной. Это увеличило плотность песка в прифильтровой области и снизило коэффициент фильтрации грунта.
Поскольку фактические сопротивления и расходы конструкций дрен из ЗФМ TYPAR, ФИСЛОН в условиях мелкозернистого песка с коэффициентом фильтрации 1,1 м/сут обладают сопоставимыми параметрами, то для дальнейших исследований и их практического применения необходимы исследования на грунтах других категорий, а также анализ по технико-экономическим показателям. Вследствие того, что кокосовая койра является органическим материалом, который в процессе эксплуатации подвержен разложению и мгновенной кольматации объёмного фильтра, необходимо при проектировании осушительных систем ориентироваться на неорганические материалы типа ФИСЛОН и TYPAR.
В случае возделывания сельскохозяйственных культур с глубокой корневой системой, которая может повредить фильтр и нарушить его работу, необходимо рассматривать конструкцию дрены с мембранной оболочкой, учитывая её высокое фильтрационное сопротивление. Для реальной оценки основных параметров проектируемой осушительной системы в различных инженерно-геологических и гидрологических условиях должны проводиться дополнительные исследования с учётом технологии строительства и корневой системы сельскохозяйственных культур.
1. Cavelaars JC, Vlotman WF, Spoor G. 2006. Subsurface drainage systems. In Ritzema HP (ed). Drainage Principles and Applications. 3rd edn. Alterra-ILRI: Wageningen; p 827-930.
2. Kireicheva L.V. Drainage systems on irrigated lands: past, present, future. M. 1999- 202 p.
3. Improving the efficiency of drainage on the basis of new structural elements / A.I. Mitrakhovich, I.Ch. Kazmiruk, V.N. Kondratiev, N.M. Avramenko // Land reclamation. - 2018. - № 2(84). Pp. 5-12.
4. IDRIS BAHCECI, ABDULLAH SUAT NACAR, LUI TOPALHASAN, ALI FUAT TARI AND HENK P. RITZEMA. A NEW DRAIN PIPE-ENVELOPE CONCEPT FOR SUBSURFACE DRAINAGE SYSTEMS IN IRRIGATED AGRICULTURE. IRRIGATION AND DRAINAGE Irrig. and Drain. (2018) Published online in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com) DOI:https://doi.org/10.1002/ird.2247
5. Pylenok, P.I. Experimental plastic drainage / P.I. Pylenok // Scientific and methodological support for the development of the reclamation and water management complex: Collection of scientific papers. - Moscow: All-Russian Research Institute of Hydraulic Engineering and Melioration named after A.N. Kostyakov, 2020. pp. 170-173.
6. Kireicheva L.V., Tereshkina E.E. Methods of laboratory and field studies of the water intake capacity of drainage structures, VNIIGiM, Moscow, 1988 - 40 p.
7. GOST 25100-2011 - Soils. Classification.
8. Shestakov V.M. "Theoretical foundations of assessment of backwater, water supply and drainage", - MSU Publishing House, 1965. - 233 p.
9. Vedernikov V.V. Filtration theory and its application in the field of irrigation and drainage, - M., Gosstroizdat, 1939. pp. 200-204.
10. Dukhovny V.A., Baklushin M.B., Tomin E.D., Serebrennikov F.V. Horizontal drainage of irrigated lands, - M., Kolos Publishing House, 1979. - 255 p.
11. Utility model Patent No. 208005 U1 Russian Federation, IPC E02D 1/00. Device for determining the filtration resistance of drainage structures: No. 2021110807: application No. 16.04.2021: publ. 29.11.2021 / N.V. Sheshenev, V.A. Shevchenko, L.V. Kireicheva; applicant Federal State Budgetary Scientific Institution "All-Russian Research Institute of Hydraulic Engineering and Melioration named after A.N. Kostyakov".
12. Manual on the construction of plastic drainage (on the rights of recommendations) / G.G. Gulyuk, B.M. Kizyaev, V. I. Shtykov [et al.]. - St. Petersburg: GU GNPC "Lenvodproekt", 2003. - 80 p.
