книги из ГПНТБ / Шкинкис, Ц. Н. Проблемы гидрологии дренажа

этих кривых, или так называемой шириной петли. Максимальные относительные расхождения фаз подъема и спада кривой модуля дренажного стока q = f(h) значительно больше максимальных рас­ хождений соответствующих фаз кривой Qp = /(# ) . Так, если ве­ личина максимального расхождения фаз подъема и спада кривой

шать 70% величины максимального модуля дренажного стока, наблюдаемого в данном цикле действия дренажа.

К см

На рис. 36 совмещены кривые q = f(h) различных вариантов дренажа с различными расстояниями между дренами и глубинами закладки дрен. Из этих кривых видно, что в зависимости от сте­ пени дренирования меняются как размеры и форма, так и поло­ жение кривой q = f(h) в координатной системе. Однако независимо от степени дренирования при одних и тех же напорах грунтовых вод значения модулей дренажного стока в фазе подъема значи­ тельно больше соответствующих значений модулей в фазе спада.

Все приведенные кривые связи между стоком и напором со­ ставлены для точек измерения уровней грунтовых вод в середине между двумя дренами. Но известно, что во время действия дре­ нажа в полосе между двумя дренами на различных расстояниях от них уровень грунтовых вод не находится на одинаковой высоте, т. е. формируется кривая депрессии. Возникает вопрос, какой ха­ рактер имеет связь между q и напорами грунтовых вод для точек

100

измерения уровней, находящихся на любом расстоянии от левой

но с уменьшением расстояний точек от дрены уменьшаются раз­ меры (ширина) петли. Это объясняется более стабильным гидрав­ лическим режимом вблизи дрен.

hi см

Рис. 37. Кривые модуля дренажного стока q=f(h) для точек измерения напора, находящихся на расстояниях 1, 3 и 7 м от дрены (соответственно 1, 2, 3), наблюдаемые при среднеглубо­ ком (1,2 м) систематическом дренаже (£=14 м). Кокнесе.

Соответствующие исследования показывают, что форма и по­ ложение кривых q=f (h) в координатной системе для различных циклов действия дренажа различные. Взаимные сдвиги (отклоне­ ния) фаз подъема и спада этих кривых могут меняться в довольно широких пределах. Кривые q = f (h), составленные для различных паводковых циклов одного варианта дренажа, могут полностью или частично охватывать одна другую [165]. Амплитуда взаимного сдвига фаз подъема и спада кривых обычно тем меньше, чем чаще циклы действия дренажа следуют один за другим.

Форма петлеобразных кривых q = f(h), в основном зависящая от инфильтрационных условий в фазе подъема паводкового цикла, весьма разнообразна. Так, если циклы действия дренажа происхо­ дят в зимний или зимне-весенний период при повторных оттепе­ лях, соответствующая кривая является зубчатой. До сих пор не написано уравнение, удовлетворяющее всем положениям и конфи­ гурации этой кривой.

Следует отметить, что явление гистерезиса дренажного павод­ кового стока, наблюдаемое в полевых условиях, подтверждается результатами расчетов, проводившихся литовскими учеными К. Башкис и К. Дабужинскас [19] на гидравлическом интеграторе В. С. Лукьянова.

101

Для выяснения причин образования петлеобразной формы кри­ вой q=f (h ) в первую очередь рассмотрим упрощенную схему хода

dq

питания дрен в фазе подъема, т. е. при — >0. Предположим,

что к началу паводкового цикла кривая депрессии имеет высоту А, которая меньше высоты начального напора грунтовых вод АМИн, необходимого для образования дренажного стока. Таким образом, дренажный сток отсутствует. После выпадения дождя избыточная гравитационная вода начинает инфильтроваться в почву и опре­ деленная часть ее достигает кривой депрессии. Если бы дрен в дан­ ной почве вообще не имелось или действие их было искусственно

предотвращено, тогда инфильтрационные потоки подняли бы уро­ вень грунтовых вод за время Т на величину Аг, а за время Т+АТ на величину (Аг +А т) (рис. 38). Обозначим насыщенную гравита­ ционными водами площадь поперечного сечения почвенного про­ филя через Ei (контур KLMN). На самом деле, при превышении уровнем грунтовых вод величины начального напора дренаж на­ чинает сбрасывать избыточную воду. В результате в фазе спада паводкового цикла образуется «установившаяся» кривая депрес­ сии, площадь которой обозначим через Р2 (контур КаЬ). При этом Fi > F 2.

+ Ат = const).

Полевые исследования показывают, что освобождение насы­ щенного почвенного профиля от гравитационных вод в полосе ме­

102

жду дренами происходит очень неравномерно. Вначале от этих

вод освобождаются участки, находящиеся вблизи дрен, т. е. уча-

ДF

стки 2 — — = К1— F2. По существу этим явлением и обусловлива­

ется образование кривой депрессии, что следует и из характера гидродинамической сетки грунтовых вод в дренажном поле (см.

рис. 3) [262].

На самом деле процесс формирования кривой депрессии и дре­ нажного стока при 0, конечно, сложнее. Одновременно про­

исходят инфильтрация, повышающая кривую депрессии, и сброс дренажем избыточных вод, в результате чего кривая депрессии стремится к понижению. Как правильно отмечает И. Дуоба [38], изменение положения и формы кривой депрессии совре­ менен может быть охарактери­

зовано вектором S (рис. 39):

в исследуемой точке кривой депрессии.

По формулам (89) и (90) можно определить изменение положе­ ния кривой депрессии в середине между дренами АТ:

103

кова — она возрастает по мере удаления от дрены. В каждый мо­ мент времени процесс фильтрации и питания дрен меняется.

Неустановившееся движение грунтовых вод также имеет место

в фазе спада цикла действия дренажа, т. е. при — -<0. Зако­

номерности питания дрен при этом движении можно получить, применяя метод последовательной смены стационарных состояний. Если кривая депрессии близка к эллипсу, распределение питания описывается законом [124]:

где е — интенсивность инфильтрации; pi — интенсивность питания грунтовых вод посредине между дренами (при х = 0).

Учитывая этот закон, уравнение движения грунтовых вод при­ нимает вид

водя соответствующее моделирование на гидравлическом интегра­ торе В. С. Лукьянова, показали, что гидродинамические сетки для фаз подъема и спада цикла действия дренажа сильно различа­ ются (рис. 40). При неустановившемся движении грунтовых вод в дренажном поле линии тока у дрены в фазе подъема значительно гуще, чем в фазе спада. Следовательно, в первом случае дренажем

104

отводится больше воды, чем во втором. Этим и объясняется обра­ зование петлеобразной формы кривой модуля дренажного стока

Образование усиленного дренажного стока в фазе подъема цикла действия дренажа нетрудно объяснить. Как показывают мно­ гочисленные натурные наблюдения на всех основных типах почв, во время интенсивной инфильтрации, т. е. во время подъема па­ водкового цикла, кривая депрессии вблизи дренажных траншей имеет резкий излом. Уклон поверхности грунтовых вод вблизи

что и приводит к большей величине дренажного стока в фазе подъема по сравнению с фазой спада, при одинаковом h в сере­ дине между дренами.

Из этого следует, что гистерезис в величинах q проявляется тем сильнее, чем больше разница в уклонах кривых депрессии вблизи дрен в фазах подъема и спада цикла действия дренажа, т. е. чем большая интенсивность инфильтрации поверхностных вод в фазе подъема.

Как отмечено выше, петлеобразная форма кривой модуля дре­

дренажного и речного стока аналогичны.

На дренажном поле в качестве паводковой волны можно рас­ сматривать прохождение процесса подъема и спада кривой, т. е. поверхности депрессии. Согласно вышеизложенному при одинако­ вой высоте подъема кривой депрессии в различных фазах одного и того же паводкового цикла различные по своей величине

105

модули дренажного стока формируются различными относитель­ ными уклонами этой кривой.

Гидрологическая классификация кривых депрессии. Учитывая разнообразный характер кривых модуля дренажного стока <7= = f(h) в фазах подъема и спада паводкового цикла действия дре­ нажа, кривые депрессии необходимо анализировать отдельно для каждой из этих фаз. При этом нецелесообразно выделять фазы паводкового цикла по динамике самой кривой депрессии, так как часто в начальный период уменьшения дренажного стока уровень грунтовых вод в середине полосы между дренами еще продолжает

Рис. 41. Изменение напора грунтовых вод вблизи дрены в фазах подъема (/) и спада (2) паводкового цикла действия дренажа при одинаковой максималь­ ной высоте подъема кривой депрессии (Л).

повышаться. Фазы паводкового цикла должны определяться в за­ висимости от изменения дренажного стока. Следовательно, кривые

В зависимости от баланса притока и оттока воды с дренирован­ ного поля могут иметь место следующие характерные случаи из­ менения положений кривых депрессии:

106

прессии располагается значительно выше, чем в фазе подъема при

>0. Этого и следовало ожидать, учитывая характер кривых

q=f (h) .

Из рис. 42 также следует, что в фазе подъема форма кривой депрессии более приплюснута, чем в фазе спада. В общем случае,

107

Форму кривой депрессии можно охарактеризовать коэффициен­ том депрессии, величина которого при одинаковом расстоянии ме­ жду дренами и глубине закладки дрен определяется водопрони­ цаемостью почвы и видом водного питания. При меньшем значе­ нии коэффициента фильтрации кривая депрессии имеет более приплюснутую форму и больший коэффициент депрессии.

Коэффициент депрессии существенно зависит от процесса ин­ фильтрации гравитационных вод. В фазе подъема паводкового цикла величина этого коэффициента значительно больше, чем в фазе спада. Как видно из приведенных в табл. 50 данных, в ус­ ловиях атмосферного питания на дерново-подзолистых легких суг­

висимости от Е и t, а также от интенсивности инфильтрации по­

Значения коэффициентов депрессии на легких суглинистых дерново-подзолистых почвах при атмосферном и смешанном питании в зависимости от степени дренирования

108

Форма кривой депрессии в значительной мере зависит от сте­ пени дренирования, т. е. от расстояний между дренами и глубины их закладки.

Исследования показывают, что при меньших значениях Е в фазе спада цикла действия дренажа кривая депрессии обычно имеет изогнутую форму, т. е. гидравлический уклон распространяется по всей ширине полосы между двумя дренами. При увеличении Е выше определенного предела, зависящего от водопропускной спо­ собности почвы, средняя часть кривой депрессии становится почти плоской, т. е. близка к горизонтальной (рис. 43). В той части по-

h см

Рис. 43. Характерные кривые депрессии для частого системати­ ческого (£=12 м) и разреженного дренажа (£=36 м) 23/Ш 1959 г. Римейкас.

лосы между двумя дренами, где кривая депрессии почти не имеет гидравлического уклона, влияние дренажа на режим уровней, ви­ димо, незначительно. Таким образом, при больших расстояниях между дренами можно выделить две зоны — зону активного осу­ шения (вблизи дрен) и зону пассивного осушения [112]. В первой зоне режим уровней грунтовых вод меняется от относительно по­ стоянного (над дреной) до близкого к естественному (на границе зоны). В зоне пассивного осушения режим уровней грунтовых вод почти одинаков по всей ее ширине. Колебания уровней здесь опре­ деляются в основном естественными факторами (испарением, транспирацией и др.).

На полях разреженного дренажа коэффициент депрессии дол­ жен быть больше, чем при частом систематическом дренаже, так как в первом случае общий коэффициент депрессии складывается из коэффициентов депрессии зон, так называемого активного <ра и пассивного срп осушения [112]. При этом величина фп~1,0. При разреженном дренаже средний подъем кривой депрессии может

109