сотрудник с 01.01.2013 по 01.01.2023
сотрудник
Россия
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье приведены результаты лабораторных исследований современных видов дренажных конструкций, определены фактические расходы дренажных конструкций при постоянном напоре, время стабилизации дренажного стока, рассчитаны сопротивления области фильтрации и построены графики динамики расхода воды рассматриваемых экспериментальных конструкций. В процессе исследований установлено, что наилучший результат имеет конструкция с двухслойным фильтром ФИСЛОН: установившийся расход 0,89 мл/с, фильтрационное сопротивление 5,13 м; конструкция с фильтром TYPAR имеет фактическое сопротивлением 5,47 м; наибольшее сопротивление имеет конструкция с мембранной оболочкой - 8,753 м.
дрена, фильтр, фильтрационное сопротивление, водоприёмная способность
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. Кирейчева Л.В. Дренажные системы на орошаемых землях: прошлое, настоящее, будущее. М. 1999 г.- 202 с.
3. Повышение эффективности работы дренажа на базе новых конструктивных элементов / А.И. Митрахович, И.Ч. Казьмирук, В.Н. Кондратьев, Н.М. Авраменко // Мелиорация. - 2018. - № 2(84). С. 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. Пыленок, П.И. Экспериментальный пластмассовый дренаж / П.И. Пыленок // Научно-методическое обеспечение развития мелиоративно-водохозяйственного комплекса: Сборник научных трудов. - Москва: Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова, 2020. С. 170-173.
6. Кирейчева Л.В., Терешкина Е.Е. Методика лабораторных и натурных исследований водоприёмной способности дренажных конструкций, ВНИИГиМ, Москва, 1988 г. - 40 с.
7. ГОСТ 25100-2011 - Грунты. Классификация.
8. Шестаков В.М. «Теоретические основы оценки подпора, водопонижения и дренажа», - Изд. МГУ, 1965. - 233 с.
9. Ведерников В.В. Теория фильтрации и её применение в области ирригации и дренажа, - М., Госстройиздат, 1939. С. 200-204.
10. Духовный В.А., Баклушин М.Б., Томин Е.Д., Серебренников Ф.В. Горизонтальный дренаж орошаемых земель, - М., Изд-во Колос, 1979. - 255 с.
11. Патент на полезную модель № 208005 U1 Российская Федерация, МПК E02D 1/00. Устройство для определения фильтрационного сопротивления дренажных конструкций: № 2021110807: заявл. 16.04.2021: опубл. 29.11.2021 / Н.В. Шешенев, В.А. Шевченко, Л.В. Кирейчева; заявитель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова".
12. Пособие по строительству пластмассового дренажа (на правах рекомендаций) / Г.Г. Гулюк, Б.М. Кизяев, В. И. Штыков [и др.]. - Санкт-Петербург: ГУ ГНПЦ "Ленводпроект", 2003. - 80 с.
