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

Глава V

ГИДРОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ И КОНСТРУКЦИЙ ГОНЧАРНОГО И ПЛАСТМАССОВОГО ДРЕНАЖА

1. Влияние диаметра осушительных дрен на интенсивность действия дренажа

Действующие диаметры осушительных дрен. Интенсив­ ность гидрологического действия дренажа в значительной степени определяется водопроводящей, а особенно водоприемной способ­ ностью дренажной сети, которая в свою очередь зависит от про­ цесса движения грунтовых вод в дренированном поле вблизи дрен. Вопрос о влиянии диаметра дрен на режим гидрологического дей­ ствия дренажа изучен мало и, как отмечено выше, в разных стра­ нах мира применяются осушительные дрены самых различных диаметров (табл. 94), водопропускная способность которых разли­ чается более чем в 10 раз. В СССР в основном применяются осу­ шительные дрены диаметром 5,0 см, однако в отдельных рес­ публиках, например в Литве, еще частично используются трубы диаметром 4,0 см.

Таблица 94

Наиболее часто применяемые диаметры гончарных осушительных дрен в некоторых зарубежных странах

В прошлом столетии в ряде стран строились осушительные дрены диаметром 3,2—3,5 см и даже 2,5 см. Но применение гончар­ ных труб такого диаметра, как показала практика дренирования почв, не оправдало себя. Характерно, что в странах с большим опы­ том строительства и эксплуатации дренажа осуществляется посте­ пенный переход на дренаж с увеличенным диаметром дрен. Ярким примером в этом отношении является практика дренажного строи­ тельства в США, где в конце XIX в. применялись осушительные дрены диаметром 3,1 и 3,75 см, в начале XX в. — уже 7,5 см, в 20-х годах— 10,0 см, а в настоящее время в основном 12,7 и 15,2 см. От­ мечается, что эти изменения происходили в целях обеспечения нор­ мальной технической эксплуатации и, следовательно, долговечно­ сти дренажа [263].

Менее значительные, но определенные изменения в сторону уве­ личения диаметра осушительных дрен происходили также на тер­ ритории Прибалтийских республик СССР. Так, в Латвийской ССР до первой мировой войны на многих объектах строились дрены диа­

На больший диаметр осушительных дрен постепенно переходят также в Литовской ССР. Такая тенденция в последнее время имеет место и в Голландии при освоении новых польдерных земель.1

При применении пластмассового дренажа явно выраженная тен­ денция увеличения диаметра дрен, предназначенных для нужд осу­ шения и двустороннего регулирования водного режима почв, на­ блюдается в ГДР. По данным А. Шольца и Г. Верца [189], до 1962 г. здесь испытывались и проводились поливинилхлоридные дренаж­ ные трубы диаметром d = 36 мм с общей площадью водоприемных отверстий Г0~ 10 см2/м, в 1966 г. — трубы диаметром 50—75 мм при

Гидравлический расчет дренажных трубопроводов. Водопро­ пускную способность дренажных трубопроводов можно определить по формуле

где v — средняя скорость течения воды в дрене; со — живое сечение дрены.

Для определения скорости течения воды в трубопроводах пользуются формулой Шези

1 Г о л о в а н о в А. И. Краткая справка о строительстве дренажа в Ни­ дерландах. М., 1968. Отпеч. на множит, аппарате.

212

где К — модуль расхода, определяемый по формуле

K ^ m C V R -

R — гидравлический радиус; i — гидравлический уклон; С — коэф­ фициент Шези

где d — диаметр трубы.

В практике проектирования применяют также формулу Гаукле-

Надо отметить, что в формулах Куттера, Гауклера-—Ман­ нинга—Штриклера, так же как во многих других, рассматривается течение воды в дренах, происходящее в квадратичной зоне сопро­ тивления, где коэффициент сопротивления Я не зависит от числа Рейнольдса Re. Это число является критерием режима движения жидкости и определяется по формуле

где v — коэффициент кинематической вязкости.

В этом случае гидравлическое сопротивление можно характери­ зовать коэффициентом шероховатости п, зависящим только от от-

Д

ношения ■— , где Д — высота выступов шероховатости; г — радиус

дренажной трубы.

Соответствующие исследования [8, 23] показывают, что дренаж­ ные трубы при реальных для дренажа продольных уклонах обычно работают в переходной области, в которой коэффициент сопротив­

ления зависит как от величины — , так и от числа Re. По данным

г

Б. И. Блажиса, кривые сопротивления гончарных труб с увеличе­

213

нием числа Re имеют нисходящий характер (рис. 74). Квадратич­ ная область сопротивления (турбулентный режим) достигается только при относительно больших значениях числа Рейнольдса, т. е.

Ьд(ЮОк)

где d — внутренний диаметр труб, м; / — продольный уклон дре­ нажной линии; v — средняя скорость течения воды, м/с.

Как известно, дренажные трубопроводы в большинстве случаев работают не с полным, а частичным наполнением. Это относится главным образом к осушительным дренам и коллекторам малых дренажных систем. Оказывается, что фактические гидравлические

214

характеристики частично наполненных дрен значительно отли­ чаются от характеристик, полученных по формуле Шези (рис. 75).

Для расчета скоростей течения воды в частично наполненных трубах дается поправочный коэффициент

гд ет= — h — глубина наполнения.

а

ОА 0.5 0.6 0,7 0.8 0.9 1.0 1,1v/vт

Рис. 75. Зависимость

Учитывая этот коэффициент, формула для определения скорости потока в частично наполненных гончарных дренажных трубах имеет вид

венно соответствуют кривым, рассчитанным по классической фор­ муле равномерного движения (Шези) и по формуле Блажиса. Но в количественном отношении имеется некоторое расхождение. Оказывается, что при малых уклонах (0,002; 0,004) упомянутые кривые зависимости располагаются ближе к кривой, полученной по

215

формуле Шези, а при больших уклонах (0,008; 0,016) — к кривой Блажиса. По данным Алеканда, область квадратичного сопротивле­ ния наступает при меньшем значении числа Re, чем в опытах Бла­ жиса.

Для расчета дренажных трубопроводов в некоторых зарубеж­ ных странах в последнее время рекомендуется формула Прандт- ля—Колебрука [297]:

где k — абсолютная шероховатость, меняющаяся в пределах 0,50— 0,65 (рекомендуемая величина &= 0,65).

Расчетные формулы, выведенные для переходной зоны сопро­ тивления, получены пренебрегая рядом факторов, влияющих на за­ кономерность изменения коэффициента сопротивления [8]. Поэтому гидравлический расчет дренажа с достаточной для мелиоративной практики точностью можно произвести по формулам квадратичной области сопротивления и характеризовать гидравлические сопро­ тивления коэффициентом шероховатости п. Об этом свидетель­ ствуют также приведенные в табл. 95 данные. Видно, что формула Гауклера—Маннинга—Штриклера при k = 93 дает практически те же значения скорости потока воды, что и формулы (147) и (151).

Для практических гидравлических расчетов дренажных трубо­ проводов составлены таблицы и номограммы [268, 269, 283].

Таблица 95

Скорости течения воды в дренажных трубопроводах (м/с), рассчитанные по формулам различных авторов

Допускаемая длина осушительных дрен различных диаметров.

Пользуясь соответствующими формулами и номограммами для опре­ деления водопропускной способности гончарных дрен можно опре­ делить максимально допускаемую длину осушителей в зависимости от их диаметра, а также соотношение общей длины осушительных дрен и коллекторов в дренажной системе. Одна осушительная дрена

216

При нормативном минимальном продольном уклоне дрен i, равном 0,3%, в зависимости от их диаметра по формуле Блажиса получаем расходы и осушаемые площади, приведенные в табл. 96.

Таблица 96

Расход дрен Q и осушаемая площадь F в зависимости от диаметра дрен d

при t= 0,3°/«

Величины максимально допускаемой длины осушительных дрен при разных Е даны в табл. 97.

Таблица 97

Максимально допускаемая длина осушительных дрен (м) в зависимости от их диаметра при г = 0,3°/о

Из приведенных данных видно, что увеличение диаметра осу­ шительных дрен в подходящих условиях рельефа дает возможность резко увеличить их длину и тем самым сократить длину дренажных коллекторов, а также величину дважды осушенной площади.

В одинаковых «идеальных» условиях проектирования дренаж­ ных систем, т. е. когда 1 = 1Макс длина дренажных коллекторов L на 100 га осушаемой площади Fm ориентировочно может быть определена по следующей зависимости:

где F — площадь, осушаемая одной осушительной дреной данного диаметра, га.

217

Как видно из табл. 98, величины L сильно меняются в зависи­ мости от диаметра осушительных дрен.

Таким образом, при Е = 20 м, применяя осушительные дрены диаметром 7,5 см вместо 5,0 см, можно уменьшить длину коллек­ торных линий на 100 га площади на 2340 м, а при применении дрен диаметром 10,0 см — на 2929 м.

При переходе на больший диаметр осушителей сокращается также число соединений дренажных трубопроводов. Так, при /=Тмакс на 100 га площади, применяя трубы диаметром 4,0 см, не-

Таблица 98

Общая длина дренажных коллекторов (м) на 100 га осушаемой площади

при различных Е в зависимости от диаметра осушительных дрен (по X. Смилга)

обходимо выполнить 323 присоединения, диаметром 5,0 см — 176 присоединений, а диаметром 7,5 см — только 59 присоединений.

В практике;, как известно, не всегда проектируются дрены максимально возможной длины, поэтому не всегда удается исполь­ зовать упомянутые гидравлические преимущества дрен увеличен­ ного диаметра. Применение длинных осушительных дрен часто не­ возможно из-за условий рельефа — малый или неравномерный уклон поверхности. Однако при проектировании К 1 МаКс возникает другая возможность — уменьшение минимального продольного уклона для дрен более крупного диаметра. По вышеприведенным формулам нетрудно подсчитать, что, например, дрена диаметром 7,5 см, заложенная с продольным уклоном 7 = 0,1 %, обеспечивает примерно такой же расход, как дрена диаметром 5,0 см при уклоне 1,0%. Надо отметить, что в США для осушительных дрен крупного нормативного диаметра (12,7 и 15,2 см) допускается в 10 раз мень­ ший минимальный продольный уклон, чем в нашей стране для дрен с относительно малым нормативным диаметром (5,0 см), т. е. в пер­ вом случае (= 0,03%, а во втором i = 0,3%.

Возможность уменьшения величины минимального продольного уклона приобретает весьма существенное практическое значение при проектировании дренажа в условиях ровного рельефа, где не­ обходимо придавать дренам искусственный продольный уклон. Это позволяет обеспечить более равномерное осушение почв в пределах дренажной системы, а главное — значительно уменьшить протяжен­ ность дорогостоящих открытых дренажных коллекторов, сокращая тем самым расходы на техническую эксплуатацию осушительных систем и улучшая использование дренированной площади.

218

Характерные технико-экономические показатели для конкрет­ ного объекта, полученные К- Хоммиком [151] при перепроектирова­ нии дренажных систем с дренами диаметром 5,0 см на системы с дренами 7,5 см в условиях Эстонской ССР, приведены в табл. 99. Видно, что при практически одинаковых капиталовложениях (они различаются не больше чем на 1%) в условиях применения осуши­ телей диаметром 7,5 см длина открытых коллекторов и объем зем­ ляных работ уменьшаются на 12%, а число дренажных устьев и соединений — соответственно на 35 и 38%.

, Таблица 99

Технико-экономические показатели на 1 га при переходе

Таким образом, используя лучшие гидравлические свойства осушителей более крупного диаметра, можно в значительной сте­ пени усовершенствовать дренажное строительство.

Водоприемная способность дрен. На периодически переувлаж­ ненных почвах дренаж больший период времени работает с непол­ ной гидравлической нагрузкой. Отсутствие полной гидравлической нагрузки иногда наблюдается даже в критические паводковые периоды. Причиной этого является слабая водопропускная способ­ ность почвы, а также недостаточная водоприемная способность дрен. Следует подчеркнуть, что эти два фактора влияют на интен­ сивность и эффективность осушительного действия дренажа больше, чем водопропускная способность осушительных дрен.

Для обеспечения поступления избыточной воды в дрену требу­ ется значительный напор грунтовых вод над дренами.

При отсутствии подпора в дрене общие потери напора при дви­ жении воды от середины полосы между дренами до полости дрены составляют h = h\ + h2, где h\ — потери напора при движении грун­

фильтрационного потока при подходе к дрене и при поступлении воды в полость дрены. Величина h2 зависит непосредственно как от конструкции и диаметра дрены, так и от размера стыков между отдельными дренажными трубами. По данным Е. Сапожникова

■ С а п о ж н и к о в Е. Защитные материалы, применяемые при строитель­ стве закрытых осушительных систем. — В кн.: Технология строительства закры­ тых осушительных систем. Вильнюс, 1969, с. 91—104.

219