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

вблизи стыков гончарных дрен теряется более 50% напора. Интен­ сивность же гидрологического действия дренажа будет тем больше, чем меньше потери напора у дрены. Потери напора при подходе к водоприемным щелям гончарных дрен, т. е. при сужении живого сечения потока, можно определить по формуле Я. Козени [256]

г0— наружный диаметр дренажной трубы; 26 — длина дренажных трубок; Д — ширина щели.

По мере сужения линий токов у дрены соответственно возра­

К. Алеканд [8] получил следующую зависимость для определения градиентов напора:

Изменения градиентов напора при плоской и пространственной фильтрации наглядно видны на рис. 76. Градиенты в данном слу­ чае вычислены при следующих условиях: £=1,0 м, d = 0,06 м, 26 = 0,330 м, А = 0,002 м. Из рисунка видно, что градиенты фильтра­ ционного напора на расстояниях, превышающих 0,3 м от дрены (до у = 0,7 м), изменяются сравнительно мало. Однако вблизи от дрены радиусом менее 0,2 м градиенты резко возрастают. Надо подчеркнуть, что у самого стыка дренажных трубок при простран­ ственной задаче фильтрации величина градиентов /2 значительно больше, чем при плоской задаче I.

Потери фильтрационного напора будут тем меньше, а водоприемная способность, следовательно, тем больше, чем больше ширина водоприемных щелей и диаметр дрен.

■220

Наибольшую водоприемную способность, конечно, имеет так называемая «идеальная» дрена, т. е. дрена без стенок. В качестве такой дрены условно может быть принята металлическая сетка, обкладываемая стеклотканью и стеклохолстом. Исследования, про­ веденные в грунтовом лотке гидротехнической лаборатории ЛатНИИГиМ [123], показали, что эта дрена имеет водоприемную способность примерно в 2 раза выше, чем обычная гончарная.

Рис. 76. Градиенты фильтрационного напора.

I — при плоской задаче притока воды к дрене (по формуле В. В. Ведер­ никова); /г — при пространственной задаче притока (по формуле К. Ф. Алеканда).

В общем случае приток воды к идеальной дрене при круговом контуре может быть вычислен по аналогии с притоком к вертикаль­ ной скважине [91]

где h — действующий напор.

Приток к реальной дрене является меньшим и может быть опре­

где С — коэффициент, учитывающий несовершенство дрены по ха­ рактеру вскрытия пласта.

221

где 5 — длина гончарных труб; Со — ширина щели в стыках труб. При определении коэффициента С для пластмассовых дренаж­ ных труб с продольно-щелевой прерывистой перфорацией А. И. Му-

(шаг перфорации); т — ширина щели; d — наружный диаметр дре­ нажной трубы.

В табл. 100 приведены данные, показывающие изменение при­ тока воды к дренам в зависимости от диаметра дрен и ширины стыкового зазора между дренажными трубками. Приточность воды здесь выражена в долях от притока к идеальной дрене.

Из таблицы следует, что при обычных величинах стыкового зазора (1—2 мм) приток воды составляет в среднем лишь 25—35% максимально возможного.

И. С. Чайлас [215] установил, что при расстоянии между дре­ нами 10 м необходимый напор грунтовых вод при ширине щелей 0,6 мм в полтора раза больше, чем при ширине 2,4 мм. Из опытов А. Н. Ид [222] следует, что водоприемная способность дрен значи­ тельно увеличивается как при увеличении ширины зазоров, так и при увеличении диаметра дрен.

Возможности увеличения ширины водоприемных щелей дрен до­ вольно ограничены. Максимально допускаемая ширина щелей

222

лимитируется условиями технической эксплуатации дренажа. Согласно действующим нормам, стыковой зазор между отдельными дренажными трубками в песчаных почвах не должен превышать 1,0 мм, а в глинистых — 2,0 мм. Поэтому не следует забывать о другой возможности увеличения водоприемной способности дрен, т. е. об увеличении их диаметра. Как показывают исследования Ф. Фейхтингер [227] и Ф. Серебренникова [125], водоприемная спо­ собность дрены значительно возрастает по мере увеличения его диаметра. На это указывает также Б. Блажис и И. Дуоба [24]. По их данным при увеличении диаметра дрен от 40 до 50 мм филь­ трационные градиенты на контуре дрены уменьшаются на 20%.

В целях увеличения водоприемной способности дрен стыки дренажных трубок целесообразно обкладывать хорошо фильтрую­ щим материалом. Так, по данным П. Балзарявичус и П. Аксомайтис [15], обкладка дрен мхом увеличивает дренажный сток на мине­ ральных почвах в несколько раз. Обкладка дрен фильтрующим материалом обычно применяется для защиты дрен от механиче­ ского заиления частицами грунта в песчаных почвах. Но с гидрав­ лической и гидрологической точек зрения обкладка дрен необхо­ дима также и в глинистых почвах, где условия притока воды к дренам наиболее тяжелые. Об этом свидетельствует следующий

где I —длина осушительной дрены, при которой она работает пол­ ным сечением; D — наружный диаметр дренажной трубы; d — внут­

в менее водопроницаемых почвах осушительные дрены обычно ра­ ботают неполным сечением, как это наблюдается в натурных усло­ виях. В этих почвах явно требуется увеличение их водоприемной способности.

Р. Ковалд [255] считает, что водоприемная способность гон­ чарных дрен недостаточна. Для ее увеличения он рекомендует применять рифленые гончарные трубы вместо обычных гладкостен­ ных. По его данным при применении рифленых труб водоприемная способность дрен возрастает на 20—30% и значительно снижается их заиляемость, так как при больших расходах происходит более интенсивная самоочистка дрен. По данным Г. Я. Сегаль и Э. X. Эглия [123], сток из рифленых дренажных труб с 24 желобками в песчаной почве на 47% больше по сравнению с обычными. Водоприемная способность гончарных дрен в период эксплуатации дренажа снижается. На это указывает Р. Ковалд [254] и др.

223

Результаты полевых исследований. Для изучения влияния диа­ метра осушительных дрен на интенсивность гидрологического дей­ ствия дренажа в пяти хозяйствах Латвийской ССР закладывался опытный дренаж с применением осушительных дрен диаметром d 7,5, 8,0 и 10,0 см вместо обычно применяемых d = 5,0 см.

На торфяных почвах мелкого низинного болота при увеличе­ нии d от 5,0 до 8,0 см объем дренажного стока в среднем возра­ стает примерно на 30% (табл. 101). В величине модулей стока в паводочные периоды эта разница бывает значительно большей. Продолжительность затопления грунтовыми водами верхнего актив­ ного слоя почвы в многоводные годы при трубах диаметром 5,0 см значительно больше, чем диаметром 8,0 см (табл. 102). Продолжи­ тельность затопления верхнего полуметрового слоя почвы при тру-

Таблица 102

Продолжительность стояния уровней грунтовых вод (сутки) в зависимости от диаметра осушительных дрен на торфяных почвах мелкого болота. Карки

224

опытного участка при увеличении диаметра осушительных дрен от 5.0 до 7,5 см объем годового дренажного стока Q в среднем за период 1960—1964 гг. возрос с 323 до 371 мм, т. е. на 15% (табл. 103).

Более резкое увеличение дренажного стока наблюдалось на супесчаных дерново-подзолистых почвах Саласпилсского опытного участка. При увеличении d от 5,0 до 10,0 см в среднем за много­ водные 1960-61 и 1961-62 гидрологические годы сток возрос с 240

этом резко увеличилась также величина одинаково обеспеченных средних суточных модулей дренажного стока. Имеется тенденция к относительному увеличению дренажного стока при больших диа­ метрах осушителей в периоды выраженных дренажных паводков.

q л/(с-га)

Рис. 77. Календарный график модулей дренажного стока в период снеготаяния весной 1964-65 г. для вариантов, имеющих различные диаметры осуши­ тельных дрен. Румбас.

1 — d= o см; 2 — d = 10 см.

Об этом свидетельствует большая разница в величинах средних суточных модулей дренажного стока при малых значениях обес­ печенности (табл. 104).

Интенсивное возрастание дренажного стока весеннего половодья при увеличении d от 5,0 до 10,0 см наблюдалось также на песчаных почвах Бейбежского опытного участка (рис. 77).

2 2 6

Исследования показывают, что увеличение диаметра осушитель­ ных гончарных дрен от 5,0 до 7,5—10,0 см повышает интенсивность гидрологического действия дренажа примерно на столько же, на­ сколько повышает уменьшение Е на 15—20%.

Увеличение диаметра осушительных дрен d и общей площади водоприемных отверстий F0 ускоряет сброс избыточных вод также в системах пластмассового дренажа [66, 185]. Так, на суглинистых почвах Бауского опытного участка дренажный сток при <7=4,0 см значительно меньше, чем при d = 5,0 см (см. рис. 80).

Таким образом, с точки зрения повышения интенсивности регу­ лирования водного режима переувлажненных почв увеличение диа­ метра и, следовательно, водоприемной поверхности осушительных дрен весьма целесообразно.

Некоторые соображения по оптимальному диаметру осушитель­ ных дрен. Нет достаточных оснований считать, что применяемый в СССР диаметр осушительных дрен (5 см) является оптимальным. Более половины общей площади дренажа в мире заложена с дре­ нами большего диаметра (7,5—15,2 см).

Кроме вышеупомянутых преимуществ более крупных осушитель­ ных дрен, с гидравлической и гидрологической точек зрения, еще имеются преимущества с точки зрения производства дренажных работ. Так, по данным Д. Бейлина, наиболее эффективным приемом уменьшения технологических потерь времени при устройстве дре­ нажа служит удлинение осушительных дрен свыше 350—400 м. При этом значительно сокращаются потери времени на переезды и при­ соединение осушителей к коллекторам.

Осушительные дрены обычно имеют продольные уклоны меньше 1,0%. Как показывают исследования К. Алеканда [8], при таких уклонах на дренажном трубопроводе неизбежно образуются безуклонные участки или даже участки с обратным уклоном, т. е. местным углублением, где дрены частично, а иногда и полностью, засоряются. Для гидравлического действия и эксплуатационных показателей местные углубления наиболее опасны для дрен малого диаметра. Ф. В. Игнатенок [61] отмечает, что в целях обеспечения нормального водоотводящего действия дренажа, учитывая местные углубления и повышения дренажной линии, желательно применять осушительные дрены диаметром 10 см.

У дрен меньшего диаметра даже небольшое перемещение тор­

тельно сказывается на водопропускной способности и условиях эксплуатации.

Так как при больших диаметрах больше допускаемая длина дрен 1 и их водоприемная способность, то в паводочные периоды в дренах образуется мощный промывающий расход, обеспечиваю­ щий вынос наилка, т. е. самоочистку дрен.

Как известно, в осушительных дренах в первую очередь заиляются их верхние участки, где нет промывающего расхода. При при­ менении больших диаметров и, следовательно, большей длины дрен,

эти опасные участки являются относительно меньшими, чем при обычных небольших d и I.

В связных почвах увеличение диаметра дрен создает возмож­ ность сократить норму минимального продольного уклона осуши­ телей г'минТак, применение труб d = 7,5 см позволяет сократить г’мин До 0,25%, а в отдельных случаях даже до 0,20—0,15%. В усло­ виях безуклонного рельефа этим обеспечивается более равномерная глубина закладки дрен и, следовательно, более равномерное осу­ шение дренированной площади.

Увеличение d удлиняет срок эксплуатации дренажа не только в плывунах, но и в устойчивых грунтах, где существует опасность заиления стыковых зазоров между отдельными дренажными труб­ ками отложениями карбонатных, железистых или других соедине­ ний. Для дрен большего диаметра этот вид заиления менее опасен, так как водоприемная поверхность их больше. Натурными наблю­ дениями установлено, что степень заиления полости дрен желези­ стыми соединениями при малых диаметрах дрен относительно выше, чем при больших за тот же период времени. В качестве за­ щитных мероприятий против заиления дрен железистыми соедине­ ниями еще в 1912 г. Шпетле1 рекомендовал применять трубы больших диаметров.

Учитывая разницу в действующих ценах на гончарные дренаж­ ные трубы диаметром 5,0 и 7,5 см, получается, что при данном увеличении диаметра осушителей стоимость устройства дренажа с учетом транспортных расходов теоретически возрастает примерно на 15% [178]. Но эти расходы вполне компенсируются дополнитель­ ными доходами, полученными в результате увеличения интенсивно­ сти осушения при применении труб большего диаметра. Кроме того, в реальных условиях величина дополнительных капиталовложений

а также закрытых дренажных коллекторов и др. К тому же по вышеупомянутым причинам при увеличении d значительно улучша­ ются условия и уменьшаются затраты на техническую эксплуата­ цию осушительных систем и осушенной площади.

Но применение осушительных дрен более крупного диаметра связано с некоторыми трудностями технологического характера при строительстве дренажа. Так, при применении дрен большего диаметра несколько труднее выполнить качественную их обкладку фильтрующим защитным материалом. Некоторые трудности возни­ кают также в самом процессе укладки дрен.

Таким образом, вопрос об оптимальном диаметре осушитель­ ных дрен пока еще остается открытым. Имеющаяся в некоторых странах тенденция увеличения диаметра осушителей является, по нашему мнению, целесообразной. Переход на более крупные осу­ шительные дрены, видимо, должен осуществляться постепенно по мере возможности массового производства соответствующих дре­

1 Шп е т л е . Осушение почв подземным дренажем. М., 1912.

228

нажных труб, так как для изготовления большего количества дренажных труб более крупного диаметра мощности действующих кирпичных заводов могут оказаться недостаточными.

2. Пластмассовый дренаж, особенности гидрологического действия

Все более широкое применение дренажа при осушении переувлажненных почв, а также общее развитие науки и техники, заставляют искать пути усовершенствования технологии дренаж­ ного строительства и повышения производительности труда. Новые возможности механизации дренажных работ может дать примене­ ние труб и других конструктивных элементов дренажа из полимер­ ных материалов. По данным А. И. Мурашко [90], трудозатраты при строительстве пластмассового дренажа уменьшаются в 1,5—2 раза, а производительность дренажных экскаваторов ЭТЦ-202 и ЭТН-171 увеличивается на 20—40% по сравнению с закладкой гончарного дренажа. Кроме того, пластмассовые дренажные трубы по сравне­ нию с гончарными более транспортабельны. Вес первых в 20—30 раз меньше, чем вторых [70, 91].

Изучение вопросов применения пластмассового дренажа нача­ лось в конце 40-х годов в Англии и США, значительно расшири­ лось как в СССР, так и за рубежом в конце 50-х годов, и осо­ бенно широкое развитие получило в последнее время [66, 70, 91, 123, 162, 189, 214, 225, 241, 251, 299]. Исследования ведутся в следу­ ющих основных направлениях [18]: гидрологическое действие пласт­ массового дренажа; конструктивные особенности дренажных труб и арматуры из полимерных материалов; их гидравлические и проч­ ностные характеристики; долговечность; технология и механизация строительства; эксплуатация; экономическая эффективность пласт­ массового дренажа. Наряду с проведением исследовательских ра­ бот начато внедрение пластмассового дренажа в производство. Пластмассовый дренаж относительно более широко распространен в Голландии. Удельный вес его возрос здесь от 2% общей осушае­ мой площади в 1959 г. до 33% в 1963 г., а в 1967-68 г. составлял около 35—40%. Пластмассовый дренаж довольно широко применя­ ется и в ФРГ, Финляндии, Австрии. В СССР на начало 1971 г. пластмассовый дренаж был заложен на площади 42 тыс. га [121].

В дренажном строительстве наиболее широко используются поливинилхлоридные и полиэтиленовые трубы, первые из которых больше распространены за границей. Изготавливаются как гладко­ стенные, так и гофрированные дренажные трубы. Гофрированные трубы имеют меньшую толщину стенки и характеризуются большей гибкостью, чем гладкостенные. Их легче укладывать в землю при пониженных температурах окружающей среды и свертывать в бухты меньшего диаметра. Отрицательной стороной гофрирован­ ных труб является относительно высокая их шероховатость. Уста­ новлено, что гофрированные пластмассовые трубы имеют примерно одинаковую с гончарными водопропускную способность [121, 211].

229