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

в Эстонской ССР рекомендуется пользоваться следующими форму­ лами У. Томберга [140]:

Полученные на основании этих формул значения Е приведены в табл. 139.

300

Таблица 139

Расстояния между дренами (м) на низком болоте со степенью разложения торфа 30*/о на сенокосах и пастбищах (в скобках)

Для определения расстояний между дренами Е на болотах на­ порного питания при залегании дрен на водоупоре в Белоруссии [72] разработана следующая зависимость:

где Т — время, в течение которого необходимо понизить уровень грунтовых вод на проектную глубину; Н —высота сработки грунто­ вых вод; ho — высота нависания; /г+Д/г — подъем депрессионной кривой при напорном питании на расстоянии Е/г от дрены; б — коэффициент водоотдачи.

В Голландии и в некоторых других странах Западной Европы для расчета основных параметров дренажа широко пользуются формулами С. Хоогхауд и Л. Эрнст. Формула Хоогхауд, применяе­ мая при расчете дрен, укладываемых в однородный грунт или на границе двух слоев разной водопроницаемости, имеет вид [190]:

kz — коэффициенты фильтрации верхнего и нижнего слоев грунта, м/сутки; Н — высота горизонта грунтовых вод в середине междренного расстояния над уровнем дрен, м; do — толщина «эквивалент­ ного слоя», зависящая от Е, радиуса дрен г и мощности водонос­ ного пласта под дренами Т. Эта величина характеризует искрив­ ление горизонтальных линий тока на расстояниях, меньших 0,7Т от дрен. Для расчета do применяются формулы:

301

П ри Т > 0 ,2 5 Е р ек ом ен дуется ф ор м ул а

,0,39£

in —

1

где х = яг.

Определение Е проводится методом подбора или при помощи соответствующих таблиц и номограмм.

Формула Л. Эрнста, согласно работам [266, 267], имеет вид

M = t — 10; to— начальное время понижения уровня грунтовых вод; t — любое время после U; то — максимальный подъем кривой деп­ рессии над осью дрен при to; mt — то же, при t; fd— порозность дренируемого слоя почвы; К — коэффициент фильтрации.

302

В СССР наиболее признанной является формула С. Ф. Аверья­ нова, которая может быть написана в виде

(21б)

где h — максимальный подъем кривой депрессии над уровнем дрен; остальные обозначения см. в главе II.

Кроме упомянутых, предложен еще ряд аналитических зависи­ мостей для определения Е [35, 150, 219, 232, 234, 239, 267].

Гидромеханический метод расчета дренажа в практике проек­ тирования в Прибалтике пока используется сравнительно мало. Одной из причин этого является сложность более или менее точ­ ного определения некоторых параметров расчетных формул, в том числе глубины залегания водоупора, коэффициента фильтрации и др. Кроме того, в гидромеханических решениях не учитываются или недостаточно учитываются гидрологические, гидрогеологичес­ кие и климатические факторы, а также влияние рельефа и др., в значительной мере обусловливающие степень и продолжитель­ ность переувлажнения дренируемого участка.

Недостатком существующих гидромеханических расчетов дре­ нажа является то, что до сих пор эти расчеты охватывают лишь фазу спада паводочного цикла действия дренажа, т. е. когда

“ г< 0 . Между тем, как отмечено в главе I, этот цикл имеет также

и фазу подъема. В этой фазе происходит наполнение влагой слоя почвы, находящегося выше уровня грунтовых вод. Объем, созда­ ваемый в предыдущий период, обычно тем больше, чем больше степень дренирования, т. е. чем больше t и меньше Е. Пренебре­ гая в расчетах фазой подъема цикла действия дренажа, частично исключается благоприятное влияние повышенной степени дрениро­ вания на водный режим почвы в предыдущий период, т. е. исклю­ чается одно из основных преимуществ более частого и глубокого дренажа. Кроме того, в расчетах не принимаются во внимание упо­ мянутые в главе I различия в процессе формирования дренажного

величине в фазе подъема паводочного цикла величина q может быть в несколько раз больше, чем в фазе спада, и что в этих фа­ зах форма кривой депрессии и, следовательно, коэффициенты деп­ рессии значительно различаются. Таким образом, произведя рас­ чет по какой-то «стационарной» форме кривой депрессии (эллипсу, параболе и др.), как это часто делается, можно получить лишь ориентировочные результаты.

Из сказанного, однако, не следует делать вывод, что гидроме­ ханические расчеты дренажа мало полезны. Гидромеханический метод расчета следует усовершенствовать. В принципе он является теоретически наиболее обоснованным методом определения рас­

303

стояний между дренами. О возможностях практического примене­ ния данного метода сказано ниже.

б) Э м п и р и ч е с к и й м е т о д является старым, но до сих пор наиболее широко используемым методом определения расстояний между дренами Е. По данному методу величина Е устанавлива­ ется в зависимости от одного или нескольких факторов, влияющих на интенсивность осушения.

В начальный период строительства дренажа его параметры определялись только в зависимости от почвенных условий. Вели­

меняются во многих странах Запада. Данные рекомендации в се­ редине прошлого века, видимо, были применены также в Латвии, так как на дренажных системах того времени Е обычно около

9 м [291].

Таблица 140

Расстояния между дренами Е, рекомендуемые в середине прошлого века (Леклер)

Несколько позже при определении Е ученые начинают учиты­ вать и t. Так, для условий Чехословакии Я- Копецкий рекомендо­ вал определять соотношение Е и t в зависимости от количества физической глины (табл. 141).

Мичерлих предлагает соотношение Е и t определять в зависи­ мости от гидроскопической влагоемкости почвы и:

Зависимость другого характера предлагает М. Вегнерс [295]:

где со — количество отводимых осадков, мм/сутки; k — коэффициент водопроницаемости, см/с.

304

Из эмпирических зависимостей довольно широко известна фор­ мула X. А. Писарькова [32]

где Р — среднесуточная интенсивность осадков, мм; N — коэффи­ циент (для тяжелого суглинка 1,2, для легкого суглинка 1,6, для супеси 1,9, для песка 2,5).

Вусловиях Литовской ССР в настоящее время А. Думбляускас

[37]рекомендует Е определять по следующей зависимости:

видно как с теоретической, так и с практической точек зрения. Ими не учитываются такие важные факторы, как степень оглеения, вид водного питания, наличие в почве железистых или карбонатных соединений и др.

На практике при проектировании дренажа в основном применя­

в следующем.

На основании научных исследований и долголетнего практиче­ ского опыта составлен график для определения Е в зависимости от механического состава почвы (количество частиц физической глины) и t [268]. Согласно этому графику, меньшие величины Е соответствуют более мелкому дренажу. Величина Е возрастает по мере уменьшения количества частиц физической глины в почве. Но так как механическим составом не может быть полностью оха­ рактеризована водопроницаемость почвы, а также другие условия,

осадков и других факторов.

Следует отметить, что рекомендованные в Латвийской ССР [268] расстояния между дренами были недостаточно дифференцированы в зависимости от степени водности данного района и гидрологи­ ческих условий. Кроме того, нормативные Е являлись несколько завышенными. В настоящее время на основании табл. 137 уточнен основной график для определения Е в зависимости от t и механиче­ ского состава почвы (рис. 99).

Таблица 142

Коррективы расстояний между дренами, рекомендуемые действующими нормами проектирования в Латвийской ССР [268]

Комплексный эмпирический метод определения Е не является универсальным и имеет существенные недостатки, в том числе от­ сутствие теоретического обоснования. Однако комплексный эмпи­ рический метод является простым в применении и при правильном его использовании дает неплохие практические результаты.

Некоторая эмпирика встречается и при применении теоретичес­ ки наиболее правильного гидромеханического метода определения Еп, так как все формулы гидромеханического расчета содержат некоторые параметры, численные значения которых могут быть получены только эмпирическим путем. Так, все теоретические рас­ четные формулы содержат показатель необходимого понижения уровня грунтовых вод. Но этот показатель, или так называемая «норма осушения» Я, не является постоянным. Как видно из вы­ шеприведенных календарных графиков, на дренированном поле под влиянием естественных и технических факторов с течением

306

времени происходят резкие колебания уровней грунтовых вод. Данную величину Н надо рассматривать как лимитирующую норму определенной расчетной обеспеченности. Но, как известно, расчет­ ная обеспеченность является технико-экономической категорией, установление которой невозможно без опытных эмпирических данных.

чают всех факторов, обусловливающих величину расстояний между дренами, проектируемую на данном объекте. Поэтому целесооб­ разно по вышеупомянутым теоретическим зависимостям опреде­ лять н о р м а т и в н ы е расстояния между дренами Еп лишь для каких-то определенных средних условий переувлажненности почвы. Так, согласно формуле (189), можно написать

Яп

или по формуле (216)

(223)

нами Ер для конкретного объекта нормативные расстояния Еп, полученные по формулам (222), (223) или другим, должны быть дифференцированы в зависимости от условий рельефа и гидрогео­ логических условий, а также от вида использования земли и дру­

вочных коэффициентов, полученных методом гидрологической ана­ логии при использовании натурных наблюдений за основными по­ казателями гидрологического действия дренажа на опорных опыт­ но-производственных дренажных системах (табл. 144—147).

Коррективами такого же вида рекомендуется пользоваться при определении расчетных расстояний между дренами Ер в случае, когда нормативные расстояния Еп установлены вышеупомянутым комплексным эмпирическим методом. Различие между гидромеха­ ническим и комплексным эмпирическим методами в основном за­ ключается в определении нормативных расстояний между дренами для условных осредненных условий переувлажненное™. В первом случае Еп определяется по теоретическим формулам (222) и (223) в зависимости от необходимого понижения уровня грунтовых вод, коэффициента фильтрации и других факторов. Во втором случае для определения Еп используются эмпирические связи между Еп

иглубиной закладки дрен, механическим составом почвы (рис. 99)

идр. Применяемый в настоящее время метод определения Еп за­ висит от конкретных почвенных условий.

Гидромеханический метод определения Еп целесообразно при­

вильно применять этот метод и для более тяжелых минеральных почв, практическое использование его затруднено до тех пор, пока не будет решен ряд теоретических и практических вопросов. В первую очередь серьезные трудности возникают при определении коэффициента фильтрации k, который характеризовал бы среднюю водопроницаемость дренируемого слоя этих почв. Надо отметить, что связные, а особенно глинистые почвы при определенном состоя­ нии влажности сильно набухают и в связи с этим по сезонам года довольно значительно изменяется их водопропускная способность [113]. Видимо, это и является одной из причин отсутствия опреде­ ленной связи между коэффициентом фильтрации k и механическим

глина. Это подтверждается также исследованиями зарубежных ученых (С. Хуземанн, Н. Волкевиц и др.).

Коэффициент фильтрации резко изменяется по сезонам года, особенно в холодный период при промерзании почвы. Но, как это

308

следует из приведенных выше данных натурных наблюдений, основ­ ное водоотводящее действие дренажа происходит именно в зимне­ весенний период при наличии мерзлоты. Надо еще раз подчерк­ нуть, что в условиях Прибалтики при мерзлом состоянии почвы обычно формируется и максимальный дренажный сток, наблюдае­ мый, как правило, в период весеннего снеготаяния. Таким образом, при применении гидромеханического способа расчета Еп необхо­ димо знать величину коэффициента фильтрации k не только для талой почвы, но и для мерзлого ее слоя. Однако определение k для мерзлоты — пока еще практически нерешенная задача. Процесс миг­ рации влаги через мерзлый слой является очень сложным и вряд ли вообще подчиняется общим законам фильтрации. Этот процесс, видимо, сильно зависит от глубины промерзания, температурных условий в мерзлом слое, степени влажности почвы перед промер­ занием и других факторов. Водопроницаемость мерзлой почвы должна сильно меняться во времени и пространстве.

Правда, упомянутые изменения водопроницаемости относятся также к песчаным почвам. Но здесь они менее значительные, чем на тяжелых почвах, так как дренированные песчаные почвы замер­ зают обычно при более сухом их состоянии и на них перегонка

ческим формулам правильных расстояний между дренами необхо­ димо располагать массовыми данными, характеризующими вели­ чину коэффициента фильтрации и его динамику, так как этот коэффициент, зависящий от структуры почв и других условий, су­ щественно изменяется и в пространстве, и во времени. Однако при проектировании мелиоративных систем такие данные обычно отсут­ ствуют.

Кроме того, для зоны избыточного увлажнения СССР пока еще нет единой методики определения коэффициента фильтрации, а также методики использования данных о коэффициенте фильт­ рации в расчетах дренажа. Как указывает С. Ф. Аверьянов, в этих расчетах величина коэффициента фильтрации должна быть при­ нята с определенной расчетной обеспеченностью.

Есть еще одно существенное различие между песчаными и связ­ ными минеральными почвами. В песчаных почвах имеет силу об­ щий закон фильтрации, для которых он и выведен; в почвах более тяжелого механического состава этот закон может быть в значи­ тельной мере искажен.

Из сказанного следует, что для практического использования коэффициента фильтрации в расчете гидромеханическим методом нормативных расстояний между дренами Еп необходимо заранее теоретически решить вопрос об определении водопроводимости дре­ нируемых глинистых и суглинистых почв не только в теплый, но

' П а н а д и а д и А. Д. Вопросы проектирования регулирующей сети на осушаемых землях. — В кн.: Режим осушения и методика полевых научных ис­ следований. М., «Колос», 1971. с. 113—116.

309