Регулирующая осушительная сеть, ее конструкция и расположение.

Согласно СНиП 2.06.03-85 Мелиоративные системы и сооружения:

3.23. Регулирующая сеть должна обеспечивать отвод поверхностных вод и понижение уровня подземных вод на осушаемом массиве в следующие расчетные периоды:

-от прохождения пика весеннего паводка до начала полевых работ;

-от прохождения пика весеннего паводка до начала вегетации трав (для пастбищ и сенокосов);

-в период выпадения летне-осенних дождей и уборки урожая.

3.24. Регулирующая сеть по принципу действия подразделяется на: закрытые дрены и открытые осушители, понижающие уровень подземных вод в требуемые сроки; закрытые и открытые собиратели, отводящие в расчетное время избыточные поверхностные воды.

Выбор конструкции регулирующей сети в конкретных природных условиях должен быть обоснован водно-балансовыми расчетами, опытом эксплуатации существующих осушительных систем или специальными исследованиями.

Открытую регулирующую сеть применяют в основном для осушения естественных сенокосов без использования их под выпас, при содержании в грунтовых водах более 10... 14 мг/л закисного железа, для предварительного осушения болот с близким залеганием уровней грунтовых вод с последующим выполнением культуртехнических работ и строительством закрытого дренажа, для осушения низинных болот, подстилаемых на глубине 1, 5…2, 5 м хорошо водопроницаемыми почвогрунтами с коэффициентами фильтрации более 1 м/сут при уклонах поверхности менее 0, 001, на почвогрунтах с наличием на глубине менее 1 м скальных пород и большого количества камней.

Открытая регулирующая сеть подразделяется на осушители, обеспечивающие понижение уровня грунтовых вод на необходимую глубину, а также на собиратели и ложбины, которые устраивают на тяжелых почвах для своевременного отвода избыточных поверхностных вод.

При проектировании регулирующей сети в плане необходимо:

- располагать сеть по возможности под острым углом к горизонталям или гидроизогипсам, что обеспечивает наиболее интенсивный отвод избыточных грунтовых и поверхностных вод;

-принимать длину каналов регулирующей сети при уклонах местности менее 0, 0005 до 700 м, при уклонах более 0, 0005 до 1, 500 м; назначать уклон дна каналов близким к уклону поверхности; устанавливать максимальный уклон дна каналов из условий неразмываемости русла при прохождении расходов весеннего половодья и летне-осенних паводков, а минимальный уклон равным 0, 0003;

- соблюдать параллельность друг другу каналов систематической регулирующей сети; сопрягать каналы регулирующей сети с проводящими каналами под углом, близким к 90*, целесообразно впадение каналов регулирующей сети в проводящие каналы с двух сторон;

- совмещать при осушении пойменных земель каналы открытой регулирующей сети с направлением движения паводковых вод;

- размещать истоки каналов регулирующей сети на меньшей, а устья на большей толщине слоя торфа.

При проектировании регулирующей сети в вертикальной плоскости необходимо дно регулирующих каналов располагать выше дна проводящего канала (на 10 см), для которого не делали гидравлический расчет, или ниже (до 10 см) уровня меженных вод в том же канале, для которого выполнен гидравлический расчет.

Систематическая сеть глубоких редких каналов. Тальвеговые каналы.

Система глубоких редких каналов применяется при осушении торфяников мощностью 1, 5...2, 5 м, подстилаемых хорошо фильтрующими почвогрунтами. Каналы располагают поперек потока грунтовых вод и заглубляют в водопроницаемый грунт на 20...50 см и более. При этом осушаемые торфяные почвы целесообразно использовать под пастбища и сенокосы. Глубокие редкие каналы следует применять на низинных болотах с торфами, в которых поперечные профили каналов относительно устойчивы. Для увлажнения в засушливые периоды на каналах устраивают шлюзы.

Недостатки осушения глубокими редкими каналами - неравномерность водного режима на осушаемой площади, возможность переосушения почв и низкая устойчивость откосов каналов.

При осушении узких заболоченных площадей, расположенных между повышенными элементами рельефа, применяют тальвеговые каналы глубиной 1, 2...1, 5 м. Их располагают по пониженным элементам рельефа. По обеим сторонам каналов в кавальерах устраивают водопропускные воронки (прорези для сброса поверхностных вод). Тальвеговые каналы должны иметь достаточную пропускную способность, изгибы их в плане должны быть не менее 120º. В углах поворотов каналы трассируют по плавным кривым.

Закрытая регулирующая сеть - обязательный способ осушения земель под полевые и овощекормовые севообороты, технические культура, сады, ягодники и пастбища (за исключением районов Севера).

Различают дренажную закрытую осушительную сеть, понижающую уровень инфильтрационных, грунтовых и грунтово-напорных вод, собирательную, обеспечивающую отвод воды с поверхности поля и из пахотного слоя, а также сеть кротовых и щелевых дрен.

Дренажную сеть устраивают при осушении болот, минеральных земель при коэффициенте фильтрации более 0, 01 м/сут с грунтовым и грунтово-напорным, смешанным и намывным питанием. Сеть закрытых собирателей делают при осушении минеральных слабоводопроницаемых почвогрунтов атмосферного типа водного питания при коэффициенте фильтрации 0, 01 м/сут и менее.

Для устройства дрен и закрытых собирателей применяют дренажные трубы различных конструкций.

Для закрытого горизонтального дренажа следует применять безнапорные неметаллические трубы, которые должны выдерживать давление грунта, временную нагрузку от сельскохозяйственных машин и быть стойкими к воздействию агрессивной среды.

Минимальный диаметр труб для закрытой регулирующей сети необходимо принимать 50 мм. Уклоны дрен и закрытых собирателей при минимальном диаметре должны быть, как правило, 0, 003 и более. Допускается увеличение диаметра дрен на безуклонных равнинах (при невозможности обеспечить минимально допускаемый уклон), в условиях притока подземных вод, при повышенном содержании в подземных водах закисного железа, на осушительных системах с подпочвенным увлажнением.

При минимальном диаметре длину дрен и закрытых собирателей следует принимать не более 250 м, а в мелкозернистых водонасыщенных песках и илах - не более 150 м- При осушении окраин массива длина дрен принимается не менее 50 м.

Каменный и фашинный дренаж, при которых дренажную траншею не менее чем на 0, 4...0, 6 м заполняют крупным камнем или связками хвороста (фашинами), а затем вынутым грунтом, в настоящее время практически не применяют.

Сеть кротовых и щелевых дрен устраивают, как правило, для усиления осушающего действия дренажа и закрытых собирателей. Кротовые и щелевые дрены относятся к беструбчатым конструкциям.

Кротовая дрена представляет цилиндрическую полость в грунте, образованную при протаскивании на глубине 0, 5...0, 8м специального орудия - дренера. Его диаметр 5... 7 см для минеральных грунтов и 12... 15 см для торфяных. Расстояние между кротовыми дренами обычно назначают 6...10м. Их прокладывают под углом 60º...90º по отношению к трубчатому дренажe или открытой сети.

Кротовый дренаж применяют на слабоводопроницаемых кротоустойчивых грунтах при отсутствии камней. На торфах его прокладывают при степени разложения торфа менее 45%, мощности торфяной залежи более 0, 8 м и отсутствии погребенной древесины.

Щелевые дрены устраивают путем разработки в грунте щелей, обычно треугольной формы, основанием вниз. Щели нарезают глубиной 0, 8... 1 м. Ширина щели понизу около 15 см.

Щелевые дрены рекомендуются при предварительном осушении болот, в том числе с наличием погребенной древесины, при степени разложения торфа менее 45% и мощности торфяной залежи более 1, 2м.

Щели нарезают, как правило, по перекрестной схеме. Щели-коллекторы, имеющие выход в открытую сеть, нарезают перпендикулярно осушительным каналам через 100...150 м. Обычно их длина не более 500м. Параллельно открытой сети нарезают щелевые дрены через 8... 10 м,

Дно кротовых и щелевых дрен для повышения их устойчивости в процессе оттока воды должно иметь продольный уклон (как и трубчатых дрен).

На практике в отличии от кротового и щелевого дренажа, являющихся гидротехническими мероприятиями, чаще выполняют так называемое кротование и щелевание почв, которые принято относить к агромелиоративным мероприятиям. Кротовины и щели устраивают без соблюдения продольного уклона, дно их копирует поверхность земли.

Закрытая (как и открытая) регулирующая сеть может быть выборочной и систематической. Выборочной регулирующую сеть называют тогда, когда дрены или закрытые собиратели проложены в отдельных понижения, осушить которые можно с помощью, как правило, одной - трех дрен (закрытых собирателей).

Систематической регулирующую сеть называют в том случае, когда осушается крупный массив и дрены или закрытые собиратели располагают на всей площади на определенном (расчетном) расстоянии параллельно друг другу.

Регулирующую сеть при уклонах поверхности 0, 005 и более следует проектировать перпендикулярно основному направлению потока поверхностных или грунтовых вод (поперечная схема). При меньших уклонах можно располагать регулирующую сеть по поперечной схеме и по уклону местности (продольная схема). Закрытые собиратели целесообразно трассировать только по поперечной схеме.

На практике при проектировании регулирующей сети по поперечной схеме дрены или закрытые собиратели располагают под острым углом к горизонталям местности, что позволяет придать дренам уклон путем не только их заглубления к устью, но и использования естественного уклона.

Вопрос24

Проводящая осушительная сеть, ее назначение, конструкция, расположение в плане и вертикальной плоскости. Гидравлический расчет проводящих осушительных каналов.

Назначение проводящей системы - принимать из регулирующей и оградительной сети и своевременно отводить с осушаемой площади в водоприемник избыточные поверхностные и грунтовые воды.

При осушении закрытой регулирующей сетью (дрены, закрытые собиратели) обычно применяют закрытую проводящую сеть — коллекторы, которые впадают в открытые проводящие каналы или непосредственно в водоприемник.

Проводящая осушительная сеть наряду с выполнением основной функции (своевременный отвод в водоприемник всех поступающих в нее избыточных вод) должна отвечать требованиям экономической эффективности (минимум строительных и эксплуатационных затрат) и эксплуатационной надежности (обеспечение заданного водного режима осушаемой площади в течение нормативного срока службы) осушительной системы.

Открытая проводящая сеть. Для обеспечения приема воды из регулирующей сети и быстрейшего отвода ее за пределы осушаемой площади проводящие каналы должны проходить по пониженным элементам рельефа осушаемой площади и по возможно кратчайшему пути подходить к водоприемнику.

При осушении затопляемых пойм проводящие (прежде всего магистральные каналы) должны проходить по самым низким участкам поймы. Причем основное направление магистрального канала должно совпадать с направлением движения паводковых вод по пойме (рис. 1).

Это условие обеспечивает большую гарантию от попадания в канал взвешенных наносов, влекомых паводковыми водами (при поперечном расположении канал будет работать как отстойник).

Наиболее ответственный участок магистрального канала - место сопряжения его с водоприемником. Желательно, чтобы угол магистрального канала с водоприемником находился в пределах 45...60*.

Закрытая проводящая сеть принимает воду из закрытой регулирующей сети и транспортирует ее в открытую проводящую сеть или непосредственно в водоприемник. Преимуществами закрытой проводящей сети перед открытой являются: более высокая эксплуатационная надежность; отсутствие потери осушаемой площади под проводящую сеть; лучшая организация территории и возможность беспрепятственного выполнения всех технологических операций по обработке почвы и уходу за сельскохозяйственными культурами.

Расположение коллекторов в горизонтальной плоскости определяется принятой схемой расположения закрытой регулирующей сети. При поперечной схеме коллектор проходит по наибольшему уклону поверхности, а при продольной под углом к горизонталям поверхности с условием обеспечения его минимального уклона (рис.2).

Допустимые минимальные уклоны закрытых коллекторов назначают из условия

недопущения заиления. Для коллекторов диаметрами от 100 до 250 мм их значения находятся в. пределах 0, 0015...0, 002, а более 250 мм допускаются уклоны до 0, 0005 (скорость при этом не должна быть меньше 0, 3 м/с).

При расположении коллекторов по наибольшему уклону ограничением является максимальная допустимая скорость. Для коллекторов из гончарных труб она должна быть не более 1, 2...1, 5 м/с, из пластмассовых труб - 2... 3 м/с. В коллекторах больших диаметров (более 250 мм) с водонепроницаемыми стыками допускаются скорости до 4 м/с.

Вертикальное сопряжение проводящей сети осуществляют таким образом, чтобы обеспечить бесподпорное движение воды во всех ее элементах и чтобы продолжительность паводкового затопления осушаемых земель не превышала допустимые сроки.

Проводящие каналы между собой и с водоприемниками сопрягаются по следующим правилам:

-расчетные бытовые уровни воды в гидравлически рассчитываемых каналах должны совпадать, то есть их сопрягают по правилу «уровень в уровень»;

-при впадении гидравлически нерассчитываемого канала в рассчитываемый дно

впадающего канала должно совпадать с бытовым уровнем в принимающем канале (допускается заглубление дна впадающего канала под меженный уровень принимающего не более чем на 0, 1 м), то есть их сопрягают по правилу «дно в уровень»;

- если оба канала гидравлически нерассчитываемые, то глубину принимающего канала назначают на 0, 1...0, 2м больше впадающего (мелкие каналы иногда сопрягают непосредственно «дно в дно»);

- закрытые коллекторы сопрягают с проводящим каналом таким образом, чтобы запас

между нижней поверхностью коллекторной трубы и бытовым уровнем воды в канале составлял не менее 0, 2...0, 4 м; если канал не рассчитывают и уровень воды в нем не известен, то запас от дна должен быть не менее 0, 4м.

Расчет каналов проводящей сети и естественных водотоков, являющихся водоприемниками осушительных систем, следует выполнять в зависимости от характера использования сельскохозяйственных земель.

Расчетными периодами являются: при использовании осушаемых земель под полевые севообороты с озимыми и многолетние насаждения - весенний и летне-осенний паводки; под овощные и полевые севообороты без озимых - предпосевной период и летне-осенний паводок; под пастбища и сенокосы - летне-осенний паводок; под все виды сельскохозяйственного использования земель - меженный период.

Гидравлический расчет каналов следует проводить при расходах воды более 0, 5 м³/с, а также при меньших расходах, когда уклон канала превышает 0, 0005 для песчаных; 0, 003 для суглинистых и 0, 005 для глинистых грунтов.

Гидравлический расчет каналов состоит в определении пропускной способности русла и допустимых на размыв скоростей и уклонов и проводится для следующих створов: устье канала; выше и ниже впадения каждого канала, для которого делают гидравлический расчет; при изменении уклонов (для обоих уклонов); на участках с постоянными уклонами при изменении площади водосбора более чем на 20 %; при изменении грунтовых условий на трассе канала.

Если водосборные площади Fв составляют менее 500 га и при этом расчетный

максимальный модуль стока не превышает 2 л/с с 1 гa, то поперечные сечения проводящих каналов допускается принимать конструктивно из условия сопряжения впадающих каналов и характера грунтов. В этом случае ширину по дну обычно принимают 0, 4...0, 6 м, а коэффициент заложения откосов - по таблице, который затем проверяют на устойчивость к фильтрационному давлению.

Для расчета каналов необходимы следующие основные данные: Q - расчетный расход (м/с) (устанавливают на основании гидрологических расчетов; I — уклон дна канала (определяют на расчетном участке по продольному профилю канала в соответствии с топографическими и инженерно-геологическими условиями), Н - глубина (м) русла (устанавливают, исходя из характера сельскохозяйственного использования земель и требований сопряжения сети в вертикальной плоскости); m - коэффициент заложения откосов (находят по таблице и по расчету); п - коэффициент шероховатости (принимают по данным изысканий по каналам-аналогам или приближенно по таблицам); физические и физико-механические характеристики грунтов (определяют по данным изысканий трасс каналов, лабораторных и полевых испытаний).

Пропускную способность русла проводящих каналов рассчитывают по формулам равномерного движения воды:

v=C√ RI и Q=wC√ RI

где v - средняя скорость потока, м/с; R - гидравлический радиус, м;

R = w/x; х - смоченный периметр живого сечения, м; I - гидравлический уклон, при равномерном движении жидкости равен уклону дна русла; w - площадь живого сечения, м²; С -скоростной коэффициент, м^{0, 5}/с.

Гидравлические элементы w и х для основных форм поперечного профиля каналов определяют по формулам.

Скоростной коэффициент вычисляют по формуле Н.Н.Павловского (при R=0, 1...3, 0м и n=0, 011...0, 04):

C=1/n(R^y), где y=2, 5√ n – 0, 13 – 0, 75√ R(√ n – 0, 10)

В упрощенной форме (погрешность до2...3%)

y= 1, 5√ n при R< 1м

и y=1, 3√ n при R> 1м.

При гидравлическом расчете канала следует стремиться проектировать сечение русла гидравлически наивыгоднейшего профиля, который характеризуется максимально возможной средней скоростью v, а, следовательно, и минимальной площадью живого сечения.

При трапецеидальном сечении для гидравлически наивыгоднейшего профиля должно соблюдаться следующее соотношение между шириной по дну b и глубиной h:

β _гн= (b/h)_гн= 2(√ (1+m²) - m)

При гидравлических расчетах трапецеидальных каналов можно использовать номограммы.

Гидравлический расчет закрытого коллектора, как правило, заключается в определении диаметра трубопровода в зависимости от расчетного расхода воды, материала труб коллектора и его уклона, диктуемого рельефом местности при безнапорном и равномерном движении воды. Уклоны коллекторов должны быть не менее 0, 002 при диаметре до 20 см и не менее 0, 0005 при диаметре более 20 см.

Расчетный расход в коллекторе определяют по формуле:

Q_кол = qF,

где q - расчетный модуль дренажного стока, л/(с-га); F — площадь водосбора в расчетном сечении, га.

Скорость течения воды в коллекторах при пропуске расчетных расходов и полном заполнении их водой следует принимать не менее 0, 3 м/с. Для коллекторов из керамических и пластмассовых труб во избежание размыва грунта у водоприемных отверстий максимальная скорость воды должна быть не более 1, 5 м/с.

Специальные графики позволяют определить диаметр коллектора для наиболее широко применяемых в мелиорации конструкций безнапорных труб, в том числе с учетом сложности строительства. К сложным условиям относится строительство коллекторов в торфах, водонасыщенных обрушающихся песках и супесях, грунтах с содержанием крупного камня (размером 20 см) до 10% и более от объема выемки.

Выбор формы русла. Форму русла выбирают в соответствии с грунтовыми условиями, его максимальной глубиной Н, а также расчетным расходом Q.

Поперечное сечение открытых коллекторов и магистральных каналов, проложенных в однослойных грунтах с расходом воды в русле Q меньше 10 м³/с и глубиной Н меньше 2, 5 м, делают, как правило, трапецеидальным. Коэффициент m заложения откосов принимают по таблицам.

Поперечные профили русла:

А) трапецеидальный;

Б) параболический,

В) полигональный;

Г) комбинированный;

Д) параболический с донной вставкой;

Е) косинусоидальный.

Магистральные каналы и регулируемые русла малых рек с расходом воды Q=10...25 м3/с и глубиной Н меньше 3, 5 м можно проектировать с трапецеидальным поперечным сечением тогда, когда русла проходят в крупнозернистых грунтах или в средне- и мелкозернистых, у которых имеется крупная фракция d более 1...2 мм не менее 10... 15% по массе; в мелкозернистых и пылеватых песчаных грунтах при таких Q чаще всего создают русла параболического или косинусоидального профиля и близкого к нему полигонального. Полигональный или комбинированный (в верхней части откосов трапецеидальный, в нижней - параболический) профиль придают руслу также в тех случаях, когда оно проходит в слоистых грунтах: каждому слою грунта соответствует свой коэффициент m заложения откоса, определяемый по расчету. При параболическом профиле русла для каждого слоя грунта определяют соответствующий его свойствам и глубине залегания параметр р параболы. Если коэффициент m назначают, исходя из расчетных характеристик наиболее неустойчивого слоя грунта, или откосы крепят, то им можно придавать одинаковое заложение по всей высоте.