сотрудник
Саратовская область, Россия
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Актуальность исследования заключается в расширении и получении новых теоретических знаний о применении адаптивных технологий эксплуатации оросительных каналов в зависимости от типа облицовочных материалов, а именно геосинтетических материалов. Объектом исследования является бетонное полотно. Анализ включал в себя методы эмпирического и экспериментально-теоретического уровня. В работе рассматривались и сопоставлялись такие облицовочные материалы как геомембрана, бентонитовые маты и бетонная облицовка, как традиционный облицовочный материал. Приведённые теоретические положения работы допускают возможность применения малой механизированной техники при проведении работ по очистке русла каналов, покрытых бетонных полотном от наносов.
мелиорация, техническое обслуживание и ремонт, оросительный канал, бетонное полотно
Введение. Мелиоративное производство является неотъемлемой частью и однозначно катализатором получения высоких и устойчивых урожаев по всей России. При этом качество проводимых мероприятий и технологии определяют лидеров по валовому сбору сельскохозяйственной продукции. Однако нельзя не отметить, что для проведения оросительных мероприятий, необходимо поддерживать транспортирующую и проводящую функцию каналов системы. Это необходимо для ежегодной эксплуатации оросительной сети с максимальными показателями КПД [1]. Применение того или иного материала всегда сопровождается рядом вопросов по строительству и обслуживанию их в процесс жизненного цикла как канала, так и материала. Современные облицовочные материалы, такие как бетонное полотно, геомембрана и также подобные композитные материалы, без сомнения, обладают уникальными свойствами, позволяющие укладывать от 100м2 до 600м2 за один рабочий день, минимальное или полное отсутствие тяжелой техники, фильтрационные свойства и т.д. [3, 4, 5, 8]. При этом полностью отсутствуют комплексные технологии обслуживания и ремонта таких материалов.
Данный вопрос является актуальным, так как вышеперечисленные материалы появились сравнительно недавно, и немногие проходили процедуру текущего и капитального ремонта. Следовательно, тема работы является актуальной и заслуживает внимания. Целью работы является повышение эффективности и надёжности оросительных каналов, исключение фильтрационных потерь воды за счет разработки и применения инновационных геосинтетических материалов при их реконструкции и ремонте.
Методика исследования. При проведении исследования использовали метод эмпирического познания. Теоретический метод включал в себя реферирование, конспектирование и цитирование общих и специальных научных трудов ученых по данному наукоемкому направлению. В работе применяли математические и статистические методы для получения и установления количественных зависимостей между изучаемыми явлениями.
Так как основа исследования базируется на обслуживании оросительных каналов покрытых бетонным полотном, а именно очистка каналов от наносов, то основным будет считаться возможность материала выдержать вес трактора, бульдозера или иное транспортное средство.
При движении транспортного средства в русле канала в зоне контакта дна канала возникают динамические вертикальные, продольные и поперечные касательные силы, значение которых зависит от типа транспортного средства, шины колеса, нагрузки и природно-климатических условий (рис.1). При неподвижности транспортного средства, на стоящее колесо действует только одна сила – вес трактора, приходящееся на это колесо. Под действием вертикальной силы колесо деформируется как на рисунке 1а [11].
Площадь следа колеса F меняется в пределах 250. 1000 см 2 . Для одного и того же трактора значение F, м 2 , зависит от нагрузки на колесо:
|
F = G/p |
(1) |
Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса (рис. 1а) и по выступам рисунка протектора. При определении среднего давления в расчет принимают площадь отпечатка по выступам протектора. При расчете дорожной одежды для вычисления р условно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром D, м, равновеликую площади эллипса [12]:
|
D = 11,3 |
(2) |
Рис. 1. Схема сил, действующих на поверхность дна канала
а — стоящее колесо; б — ведущее колесо; в ведомое колесо; D — размер пятна контакта колеса с облицовочным покрытием; Рср, Ртах — соответственно средний и максимальный прогиб облицовочного полотна; G — вес ТС; R — сила реакции; GK — вес ТС, приходящийся на колесо; Мвр — вращающий момент; Т — сила трения; rк — расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; r — радиус колеса; а — расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции R; Рк — окружная сила; v — скорость движения ТС
Рис. 1. Схема сил, действующих на поверхность дна канала
а — стоящее колесо; б — ведущее колесо; в ведомое колесо; D — размер пятна контакта колеса с облицовочным покрытием; Рср, Ртах — соответственно средний и максимальный прогиб облицовочного полотна; G — вес ТС; R — сила реакции; GK — вес ТС, приходящийся на колесо; Мвр — вращающий момент; Т — сила трения; rк — расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; r — радиус колеса; а — расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции R; Рк — окружная сила; v — скорость движения ТС
Для полноты данных необходимо добавить данные о разрывной нагрузке бетонного полотна. Для исследования места стыковки бетонного полотна проводился эксперимент на разрыв. Метод испытания заключается в растяжении образца ПКМ с постоянной скоростью нагружения или деформирования до момента разрыва. На рисунке 3 представлены установка и испытуемые образцы, зажатые в тисках с обеих сторон.
По результатам проводимых исследований с разными вариантами креплений, были получены удовлетворяющие результаты, равные 2,05 МПа.
Результаты исследования. Принципиально отличие средств и технологий при обслуживании оросительных каналов заключается в том, что некоторые виды геосинтетиков не предусматривают очистку путем применения тяжёлой техники, к таким относится геомембрана и бентонитовые маты [3, 7, 9, 10]. В данном случае нами рассматривается вопрос очистки каналов путем непосредственного использования тяжёлой техники в русле канала. Традиционный вариант очистки оросительных каналов (рис. 4).
Рис. 4. – Традиционный вариант очистки оросительных каналов от наносов. 1 – бульдозер; 2 – дно канала; 3 – откос; 4 – берма канала.
Данный вариант невозможен по нескольким причинам [2, 11]:
– большая масса (пример Т-330);
– невозможность передвижения из-за просадки грунта до 20% от проектного сечения;
– высокий процент трения недопустим для данных геосинтетических материалов.
Как известно, при нормальных условиях эксплуатации откладываемые в течении года наносы могут составлять порядка 0,1... 0,5 м, при этом площадь живого сечения ежегодно сокращается на 5…8%. Отсюда следует, что эксплуатационные мероприятия следует выполнять ежегодно, вне зависимости от используемого материала [6]. При этом важно отметить, что при использовании бетонных облицовочных плит ситуацию можно исправить с помощью тяжёлой техники.
Капитальный ремонт оросительных каналов проводится раз в 10-25 лет в зависимости от геоположения объекта и условий эксплуатации. При этом важной проблемой в будущем будет невозможность использования каналов облицованных современными одеждами, если не будет комплексных технологий обслуживания. Полная утилизация и замена облицовки является иррациональным вариантом, так как несёт высокие затраты [1, 2].
Оценивая геосинтетические материалы, нельзя не отметить, бетонное полотно. Данный материал сочетает в себе бетон и геомембрану, что позволяет внести определённые исключения в плане технологического обслуживания. Бетонное полотно в достаточной мере работает на изгиб 3,4-4,5 МПа (34,7-45,8 см2), что позволяет выдерживать высокие нагрузки на материал. Плотность материала в зависимости от марки варьируется от 1500-2025 кг/м3 [3]. Данные показатели позволяют нам использовать следующую технику (рис. 5).
При этом использование данной техники возможно только при умеренном объёме наносов 0,1…0,3 м, это обосновывается тем, что трактора с максимально буксируемой массой до 300-800 кг не должны работать на пределе своих возможностей, следовательно диагностика и очистка каналов покрытых бетонным полотном должна проводится ежегодно в зависимости от объёмов загрязнения.
Характеристики данных моделей представлены в таблице 1 [11].
При этом нельзя не учитывать стоимость данной техники:
– стоимость Belarus 152 – 370 тыс. руб.
– стоимость Русич Т-244 – 750 тыс. руб.
Таблица 1
Основные характеристики мини-тракторов
|
Характеристики |
Belarus 152 |
Русич Т-244 |
|
Масса |
650 |
1230 |
|
Привод |
Полный (4х4) |
Полный (4х4) |
|
Мощность, л.с. |
11,8 |
24,4 |
|
Дорожный просвет, мм |
280 |
300 |
|
Макс. буксируемая масса, кг |
300 |
800 |
|
Тяговый класс |
0,2 |
0,6 |
В данном примере нами был проведён анализ мини-тракторов как приемлемый вариант использования каждого из них. Без сомнения, Русич Т-244 на порядок превосходит по всем характеристикам Belarus 152, при этом масса имеет важное значение ,при выборе наиболее рационального варианта.
Рассмотрим максимальное давление на грунт каждого трактора:
– Belarus 152 – 14 МПа (142,76 кг/см2);
– Русич Т-244 – 21 МПа (214, 14 кг/см2).
Так как мы учитываем максимальное давление на грунт (облицовку) тракторов, то мы также будем учитывать максимальные показатели на сжатие бетонного полотна. Таким образом, мы получаем:
для Belarus 152
|
Rсжатие Бет. пол./ Уд. Давл. макс Тракт. = 30,4/14 = 2,17 МПа |
(3) |
где Уд. Давл. макс Тракт. – максимальное удельное давление трактора на грунт (облицовку); Rсжатие Бет. пол. – максимальные показатели бетонного полотна на сжатие.
для Русич Т-244
|
Rсжатие Бет. пол./ Уд. Давл. макс Тракт. = 30,4/21 = 1,44 МПа |
(4) |
Таким образом, мы получаем 2 и 1,5 коэффициент запаса, при применении тракторов Belarus 152 и Русич Т-244 соответственно.
Использование бетонного полотна должно сопровождаться тщательной оценкой грунтовой поверхности каналов и возможных подтоплений близлежащих территорий, так как при подвижности грунта или рыхлой поверхности применение бетонного полотна невозможно, тем более дальнейшее обслуживание путем использования тяжелой техники.
Нельзя не отметить тот факт, что подвесное оборудование в виде ковша должно иметь прорезиненный защитный слой, имеющий прямое взаимодействие с бетонным покрытием, так как в ином случае это приведёт к повреждению бетонной облицовки.
Завершающий этап очистки оросительных каналов, а именно подъём и утилизация наносов из русла оросительного канала может осуществляться традиционным способом с помощью ручной загрузки и подъёмом наносов с помощью мелиоративного экскаватора ЭМ-152Б, как одним из многочисленных вариантов (рис. 6).
Рис. 6. – Мелиоративный каналоочиститель ЭМ-152Б
Каждый материал требует индивидуального анализа и проработанной технологии очистки. К вопросу очистки каналов покрытых геомембраной, можно добавить, что его преимуществом является его шероховатость. Это позволит снизить залегаемые наносные отложения, а также ускорить поток воды в открытом трубопроводе, что увеличит транспортирующую способность канала.
Обсуждение и выводы. Невозможно отрицать широкое применение геосинтетических материалов на территории РФ и странах ближнего зарубежья. Изучением и разработкой современных технологий укладки и обслуживания занимаются известные ученые из Новочеркасска РосНИИПМ Баев О.А., Косиченко Ю.М., Ольгаренко В.И., Ольгаренко Иг. В. и др. При этом нельзя не отметить возрастающую востребованность современных и эффективных инновационных технологий при эксплуатации каналов.
Предложенные теоретические положения использования малой механизированной техники при дальнейшей апробации может локально решить вопрос о проведении ежегодного текущего ремонта и обслуживания оросительных каналов, покрытых бетонным полотном.
Известно, что бетонное полотно применяется в регионах с различными погодными условиями (рис. 7). Соответственно выбор технических средств обслуживания является первостепенной задачей.
Вопрос очистки каналов покрытых композитными материалами путем использования экскаватора остаётся открытым, так как в полной мере не изучен вопрос взаимодействия рабочего оборудования и облицовочного материала. Требуется оценить безопасность такого способа очистки, так как повышение технического уровня, поддержание нормативных показателей и совершенствование гидротехнических сооружений является условием экологически сбалансированных систем с минимально допустимыми непроизводительными потерями, что обеспечивает биологический круговорот воды, вещества, энергии и информации в агроландшафтах.
Нижеприведённые объекты включают в себя различные погодные условия от -60 до +60, то есть климатический диапазон для использования бетонного полотна готов к экстремальным погодным условиям.
Также стоит отметить, что технологии обслуживания оросительных каналов без прямого воздействия на материал могут остаться неизменными, как например удаление древесно-кустарниковой растительности.
Заключение. Внедрение высокотехнологичных инновационных геосинтетических материалов, обладающих значительной прочностью и долговечностью, без сомнений, вызывает интерес у потенциальных потребителей. При этом экологичность, экономичность, универсальность и что немаловажно исключение потерь и фильтрации оросительной воды позволяет повысить эффективность облицовочных работ и следствием этого, КПД оросительной сети в целом. В работе было отмечена возможность применения малой механизированной техники, а именно мини-тракторов для обслуживания каналов покрытых бетонным полотном. Это позволит повысить эффективность функционирования каналов, а также обеспечить их бесперебойную и надежную работу.
1. Абдразаков, Ф.К. Интенсификация технологий и совершенствование технических средств в мелиоративном производстве / Ф.К. Абдразаков // Саратов. - 2002. - 352 с.
2. Абдразаков, Ф.К. Ресурсосберегающие технологии и машины для интенсификации мелиоративного производства / Ф.К. Абдразаков // Саратов. - 2019. - 164 с.
3. Абдразаков, Ф. К. Оценка перспективы использования бетонного полотна в качестве облицовочного материала оросительных каналов / Ф. К. Абдразаков, А. А. Рукавишников // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. - 2020. - № 4(60). - С. 327-339.
4. Абдразаков, Ф.К. Интенсификация мелиоративного производства путем совершенствования технологий реконструкции и строительства оросительных каналов Саратовской области / Ф. К. Абдразаков, А. А. Рукавишников // Аграрный научный журнал. - 2018. - № 10. - С. 48-51.
5. Абдразаков, Ф.К. Исключение непроизводительных потерь водных ресурсов из оросительной сети за счет использования инновационных облицовочных материалов / Ф. К. Абдразаков, А. А. Рукавишников // Аграрный научный журнал. - 2019. - № 10. - С. 91-94
6. Абдулмажидов, Х.А. Очистка мелиоративных каналов от наносов, заилений и растительности / Х.А. Абдулмажидов, М.А. Карапетян // Агроинженерия. - 2016. - №5 (75). - С. 13-17;
7. Баев, О.А. Конструктивно-технологические решения для создания и восстановления покрытий оросительных каналов / О. А. Баев, В. Ф. Талалаева // Мелиорация и гидротехника. - 2022. - Т. 12. - № 2. - С. 177-191.
8. Баев, О.А. Расчеты установившейся свободной фильтрации из необлицованных каналов / О. А. Баев // Мелиорация и гидротехника. - 2022. - Т. 12. - № 3. - С. 227-243. - DOIhttps://doi.org/10.31774/2712-9357-2022-12-3-227-243.
9. Косиченко, Ю.М. Противофильтрационные покрытия из геосинтетических материалов / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев. - Новочеркасск: ИП Белоусов А.Ю., 2014. - 239 с.
10. Косиченко, Ю.М. Противофильтрационные покрытия из геосинтетических материалов / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев. - Новочеркасск: ИП Белоусов А.Ю., 2014. - 239 с.
11. Мельников, А.С. Научные основы технологии машиностроения: Учебное пособие / А.С. Мельников, М.А. Тамаркин и др. - СПб.: Лань, 2018. - 420 c.
12. Русинов, А.В. Методические указания для практических занятий по дисциплине «Теория автомобилей и тракторов» для специальности 23.05.01 Наземные транспортно-технологические средства / Сост.: А.В. Русинов // ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ. - Саратов, 2019. - 50 с.
