Технологии и расчеты дренажных систем

Проект дренажа
Проект дренажа и ливневой канализации.

Регулирующая сеть осушителей трансформирует гравитационную почвенную влагу в дренажный сток и транспортирует этот сток в проводящую открытую или закрытую коллекторную сеть.

Проводящая коллекторная сеть собирает воду из регулирующей сети осушителей и транспортирует ее в магистральный канал. Эта сеть играет в основном водопроводную роль. Она представлена открытыми каналами или материальными закрытыми трубопроводами из пластмассовых, керамических и иных материалов.

Осушители впадают в коллекторы второго порядка. Из этих коллекторов вода перетекает в коллекторы (собиратели) первого порядка и наконец поступает в магистральный канал осушительной системы. Проводящая сеть закладывается с уклоном 0,008-0,015. Минимальные уклоны коллекторов — 0,002-0,003. Функцию коллекторной (проводящей) сети не следует определять, однако, однозначно только как водопроводящую. Коллекторы действуют только как водопроводы главным образом в условиях заболачивания почв намывными склоновыми или атмосферными, т.е. поверхностными, водами, когда почвы формируются на плотных тяжелых почвообразующих породах с низкой водопроницаемостью. Однако при грунтовом заболачивании на породах и почвах с высокой фильтрацией коллекторная транспортирующая сеть оказывает интенсивное осушение.

При проектировании и расчете дренажа, важное значение приобретают сведения о времени и нормах осушения. Эти характеристики необходимы для расчета основных параметров дренажа, глубины заложения и установления междренных расстояний.

Строительство дренажа (открытого или закрытого) вызывает изменение уклона зеркала грунтовых вод. Между дренами устанавливается депрессионная кривая. Депрессионной кривой называют линию, которая образуется при сечении зеркала грунтовых вод плоскостью нормальной к оси осушителей. (Зайдельман, 2003)

Из рис.1. следует, что депрессионную кривую можно характеризовать углом α. Этот угол зависит от свойств почвогрунтов. Чем выше их водопроницаемость, тем меньшие величины принимают значения tg α и тем более пологий характер имеет депрессионная кривая. В песках, супесях, суглинках и глинах максимальные значения tg α равны соответственно 0,025; 0, 05; 0,07 и 0,12

Влияние осушительного канала

Влияние осушительного канала на положение
грунтовых вод (А.А. Черкасов и С.А.Владыченский)

Второй важной характеристикой депрессионной кривой является стрела прогиба. Стрела прогиба h характеризует положение уровня грунтовых вод в середине междренья на высоте выхода депрессионной кривой в канал (дрену). Все эти параметры (Черкасов, 1958) находятся в непосредственной взаимосвязи, которая отвечает следующему равенству:

H = hn + a + h + z + hoc

проектная глубина канала;

hn
расчетная глубина воды в канале;

a
расстояние от поверхности воды в канале до точки выхода депрессионной кривой на откосе канала;

E
расстояние между каналами (дренами);

α
угол депрессионной кривой;

z
норма осушения;

hoc 
осадка торфа на расчетный период

Из данного рис. видно, что h = (E / 2) * tgα,

поэтому H = (E / 2) * tgα + z + hoc

Из этой зависимости следует, что расстояние между канлами (дренами) прямо пропорционально их глубине. Такой же зависимостью связаны глубина канала и норма осушения.

Способы определения междренных расстояний можно разделить на две группы. Первая группа объединяет способы расчета, основанные на оценке водно-физических и гидрологических параметров, вторая — отражает взаимосвязь между физикомеханическими свойствами почв (набухаемостью, гранулометрическим составом и др.) и междренными расстояниями. Если расчеты по формулам, основанным на гидромеханическом подходе, являются в основном теоретическими, то способы определения междренных расстояний по физико-механическим параметрам, как правило, имеют эмпирический характер и строятся на корреляции между определенным свойством почвы и междренными расстояниями.

В условиях грунтового заболачивания почв, приуроченных к однородным и хорошо проницаемым почвообразующим породам, осушители — каналы и дрены — вовлекают во влагооборот значительные толщи водных масс от поверхности до водоупора. Поступление воды в канал и дрену осуществляется по смоченному периметру со всей глубины водоносного пласта.

При оценке механизма действия открытого дренажа ранее исходили из представления о том, что грунтовые воды поступают в каналы (дрены) только через откосы под действием гравитационных сил. Более поздними исследованиями Н.Е. Жуковского, П. Форхгеймера и других было показано (рис.10.), что поступление воды происходит по всему смоченному периметру канала, т.е. и через дно по линии токов, нормальным к эквипотенциалям — поверхностям равного напора. (Зайдельман, 2003)

Из этого следует, что чем ближе к дневной поверхности залегает водоупор, тем большее сопротивление испытывает грунтовый поток при поступлении в каналы и дрены. Поэтому для достижения одного и того же эффекта осушения междреные расстояния должны быть тем меньше, чем ближе к дневной поверхности залегает водоупор.

Линии равного напора

Линии равного напора (эквипотенциали) и линии токов (А.Н. Костяков, 1951)

Влияние глубины

Влияние глубины залегания водоупорного слоя почвы на расстояние между дренами (Р.Эггельсманн, 1984)

В настоящее время известно множество формул расчета междренных расстояний по гидрофизическим свойствам почв. Как правило, все они отражают связь этого параметра с коэффициентами фильтрации и водоотдачи почв. Они обычно имеют следующий вид:

E = A√ (Kφ / Kσ),

Е
междренное расстояние;

A
цифровой показатель;

коэффицент фильтрации;

коэффицент водоотдачи;

Ниже рассмотрены три широко распространенные формулы, принятые для определения междренных расстояний в разных природных условиях при осушении переувлажненных почв.

Для расчета междренных расстояний в однородных по гранулометрическому составу почв и породах при грунтовом заболачивании используют следующую формулу А.Н. Костякова

E = 2*√ ((Kφ * T * h1 * h2)/(K(h1-h2))),

Е
расстояние между дренами;

коэффициент фильтрации, м/сут;

h1
стрела прогиба депрессионной кривой на момент времени t1 м;

h2
стрела прогиба депрессионной кривой на момент времени t2, м;

T
время (сут.), прошедшее с момента t1 до момента t2, в течение которого произошло понижение уровня грунтовых вод на величину h1-h2;

φ
коэффициент, характеризующий форму
депрессионной кривой.

Коэффициент водоотдачи σ = (ε — D)/100,

ε
общая пористость;

D
динамическая влагоемкость, %.

Формула А.Н. Костякова предложена для определения E в условиях неустановившегося положения депрессионной кривой, в легких почвогрунтах с заболачиванием грунтовыми водами.