Состав и конструкции осушительных систем
Осушительная система - комплекс инженерных сооружений и устройств, создающих необходимые условия для улучшения водного режима переувлажненных земель.
В состав осушительной системы входят: регулирующая сеть, ограждающая сеть, проводящая сеть, водоприемник, гидротехнические сооружения, дорожная сеть, лесополосы, эксплуатационная сеть (рис.9.1).
Рис. 9.1. Схема осушительной системы:
1 – водоприемник; 2 – шлюз-регулятор; 3 – магистральный канал: 4 – полевая дорога; 5 – открытый коллектор; 6 – мост; 7 – нагорно-ловчий канал; 8 – открытый осушитель; 9 – направление течения воды; 10 – устье закрытого коллектора; 11 – дрена; 12 – закрытый коллектор; 13 – колодец на закрытом коллекторе
Регулирующая сеть (осушители, собиратели, скважины вертикального дренажа и др.) служит для сбора и удаления с территории избыточных поверхностных и грунтовых вод, являющихся причиной переувлажнения территории.
Ограждающая сеть (нагорные и ловчие каналы, дамбы и др.) предназначена для защиты осушаемой территории от поверхностных или грунтовых вод, притекающих извне. При склоновом и намывном ТВП ограждающая сеть выполняет функции регулирующей.
Проводящая сеть (магистральный канал, транспортирующие собиратели, коллекторы) связывает регулирующую и ограждающую сети с водоприемником, транспортирует воду за пределы осушаемой территории.
Водоприемник(река, озеро, балка и т. д.) служит для приема воды, собираемой с осушаемой территории.
Гидротехнические сооружения (шлюзы, перепады, смотровые колодцы и др.) предназначены для управления потоком воды при ее отводе или перераспределении.
Дорожная сеть (дороги, переезды, мосты и др.) служат для беспрепятственного передвижения транспорта и сельскохозяйственных машин по осушаемой территории.
Лесополосырегулируют микроклимат на полях, препятствуют ветровой эрозии.
Эксплуатационная сеть (гидрометрические посты и др.) используется для контроля и надзора за работой всех звеньев осушительной системы и обеспечения бесперебойной ее работы.
Осушительные системы бывают:
1) открытые (регулирующая сеть - открытые каналы);
2) закрытые (регулирующая сеть представлена закрытыми дренами). Крупные проводящие и ограждающие каналы в обоих случаях открытые.
Открытые системы применяют при осушении болот, лесов и малопродуктивных сенокосов. Основной недостаток состоит в том, что каналы создают препятствия для механизации сельскохозяйственных работ, снижают КЗИ, требуют постоянного ухода.
Закрытые осушительные системы технически более совершенны, долговечны, не имеют недостатков открытых систем, но строительство их обходится дороже.
По способу отвода воды осушительные системы разделяют на самотечные и с машинным водоподъемом. В самотечных системах вода из проводящей сети отводится в водоприемник по уклону русла. В системах с машинным водоподъемом воду из каналов проводящей сети откачивают в водоприемник насосами.
Осушительные системы по характеру воздействия на водный режим осушаемой территории делят на системы одностороннего действия (сеть построена только для отвода избыточной воды) и двустороннего действия (осушительно-увлажнительные).
Виды регулирующей сети. В зависимости от ТВП регулирующую сеть выполняют:
1.в видеосушителей(грунтовое и грунтово-напорное питание);
2.в видесобирателей (остальныеТВП).
В настоящее время строят преимущественно закрытые осушительные системы, причем закрытые дрены могут быть как осушителями, так и собирателями.
Назначение регулирующей сети – создавать и поддерживать водно-воздушный и тепловой режимы в соответствии с требованиями сельскохозяйственных культур.
Глубина заложения регулирующей сети и расстояние между каналами или дренами - зависят от водно-физических свойств почв, выращиваемых культур и др.
Открытая регулирующая сеть – это каналы, устраиваемые для оттока грунтовых вод с целью понижения их уровней (осушители), а также для сбора с осушаемой территории поверхностных вод (собиратели).
Осушители размещают параллельно друг другу (систематическая сеть) поперек потока грунтовых вод под острым углом к горизонталям (поперечная схема) или при уклоне поверхности по их трассе параллельно горизонталям и гидроизогипсам (продольная схема) (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Поперечная (а) и продольная (б) схемы расположения дренажа:
1 – дрена; 2 – закрытый коллектор; 3 – горизонталь; 4 – магистральный канал или транспортирующий собиратель; 5 – устье закрытого коллектора
Открытые осушители выполняют с минимальным уклоном 0,0005, сечение каналов трапецеидальное, ширинапо дну 0,4-0,5 м, заложение откосов 1-1,5, глубина осушителей зависит от нормы осушения и находится в пределах 11,5 м. Расстояние между ними зависит от водно-физических свойств почв и составляет обычно 60-100 м, а иногда и более. Расстояния между каналами принимают по рекомендациям научно-исследовательских учреждений.
Открытые собиратели ускоряют отвод избыточных вод, образующихся на поверхности почвы (атмосферный, склоновый, частично намывной ТВП). Это каналы глубиной 0,8-1,2 м, другие характеристики их - как у открытых осушителей. Длина собирателей - до 1-1,2 км. Расстояние между собирателями колеблется в пределах 80-120 м, а при осушении под луга – 100-200 м. Для определения расстояний между открытыми собирателями имеются зональные рекомендации.
Сеть открытых собирателей разделяет осушаемую территорию на небольшие участки, создает препятствия для передвижения по полю сельскохозяйственной техники. Под каналами и бермами иногда пропадает до 10-15% площади осушаемых земель. Поэтому в настоящее время отдается предпочтение закрытым осушителям и собирателям.
Закрытая регулирующая сеть. При грунтовом и грунтово-напорном ТВП грунтовые воды отводят в проводящую сеть при помощи сделанных в подпочвенном слое отверстий – дрен.
Дреныбывают с закрепленными стенками и свободной полостью (гончарные, пластмассовые, деревянные и др.), с незакрепленными стенками и свободной полостью (кротовые и щелевые), с незакрепленными стенками и заполненной полостью (жердевые, каменные) и др.
Дрены с закрепленными стенками и свободными полостями обычно более долговечны.
Закрытые дрены располагают по поперечной схеме – параллельно или под острым углом к гидроизогипсам. Такие дрены с наибольшим эффектом перехватывают потоки грунтовых вод. Лишь при практически безуклонной поверхности (i<0,0005) используют продольную схему. Дрены делают с искусственным уклоном, их глубина увеличивается от истока к устью.
Дренаж бывает траншейным и бестраншейным. Траншейный дренаж состоит из выполненных экскаватором траншей шириной 0,4-0,5 м, труб, стеллажей, фильтра и грунта дренажной засыпки (рис. 25). При бестраншейном строительстве дренажа трубы укладывают в полость, выполненную специальным экскаватором.
Рис. 9.3. Конструкции закрытых дренажей (размеры в см):
а - кротовая дрена; б - щелевая дрена; в - дрена из каменных плит; г - дрена из каменной наброски; д – жердевая дрена; е - фашинная дрена; ж - дощатая дрена; з - гончарная или пластмассовая дрена; 1 - гумусированный слой; 2 - защитный фильтрующий материал; 3 – камень; 4 – жерди; 5 – деревянная прокладка; 6 - фашина; 7 – труба из досок; 8 - гончарная или пластмассовая дрена
В настоящее время наиболее распространен траншейный способ строительства дрен.
В малоустойчивых почвах для предохранения укладываемых в траншею труб от смещения в вертикальной плоскости устраивают подкладки-стеллажи из деревянных планок.
Материалами для дрен служат обожженная глина с добавками (керамические или гончарные трубы, этот вид материального дренажа наиболее распространен), пластмассовые трубы, камень, дерево, стекло и др. По виду материала различают: гончарный, пластмассовый, каменный и другие виды дренажа.
Вода поступает в дрены через отверстия в их стенках или через стыки между трубами. Для защиты дрен от заиления и увеличения водоприемной способности делают фильтры из мха, песка, стеклоткани и других материалов. В качестве защитного материала используют гумусироваиный слой почвы высотой 20...30 см. Далее траншею засыпают вынутым из нее грунтом.
Гончарные трубы для дрен, выполняют из глиняных, хорошо обожженных труб правильной цилиндрической или граненой формы.
Их изготовляют с внутренним диаметром 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200 и 250 мм длиной 333 мм, а трубы диаметром более 100 мм – длиной 500 мм. Зазоры между трубами не должны превышать 1-2 мм.
При укладке граненых труб производительность труда и качество работ ниже, чем при укладке цилиндрических.
Осушительные дрены устраивают из труб диаметром 50-75 мм, коллекторы – из труб больших диаметров.
Рис. 9.4. Гончарные дренажные трубы:
а. г – цилиндрические и граненые; б - с опорной плоскостью; в - перфорированные; д - рифленые; е - с фасками; ж - раструбные; з - фланцевые; и – с фигурным торцом
Для укладки труб сначала отрывают траншею глубиной, равной глубине закладки дренажа. Ширина такой траншеи определяется шириной дреноукладчика или экскаватора. Дно траншеи тщательно планируют. Осушительным дренам придают уклон не менее 0,002 и не более 0,01. Укладку ведут сверху вниз по уклону. На 1 га осушаемой площади в зависимости от расстояния между дренами требуется следующее количество дренажных труб:
| Расстояние, между дренами, м | ||||
| Гончарные трубы, тыс. шт. | 3,3 | 1,65 | 1,05 | 0,83 |
Укладка дренажных труб в траншеи полностью механизирована, (рис.9.5). Гончарный дренаж при благоприятных условиях имеет большой срок службы, не менее 50 лет.
Пластмассовые трубы бывают полихлорвиниловые или полиэтиленовые (гладкие или гофрированные). Трубы перфорируют щелевыми (ширина 1-2,5 мм, длина 10-50 мм), реже круглыми (диаметр до 2 мм) отверстиями, через которые в них проникает вода. Поступают они в бухтах длиной до 200 м и более, поэтому их укладку легко механизировать (рис. 9.6).
| Рис. 9.5. Устройство гончарного дренажа: 1 – трактор; 2 – землеройный рабочий орган; 3 – бункер; 4 – кассета с трубами; 5 – желоб для подачи труб; 6 – гончарная дрена |
Основное преимущество такого дренажа заключается в том, что трубы в работе не изнашиваются, они легче гончарных, что снижает затраты на их транспорт к месту укладки.
| Рис. 9.6. Устройство пластмассового дренажа: 1 – трактор; 2 – пустотелый нож для нарезания щели; 3 – направляющий желоб; 4 – барабан для пластмассовых труб; 5 – пластмассовая труба |
Для строительства материального закрытого дренажа в отдельных случаях используют каменную наброску (при наличии камней), бетонные и асбестоцементные трубы. В опытном порядке в траншею также засыпают гранулированный подсушенный торф.
Глубина заложения материальных дрен в минеральных грунтах составляет 1-1,3 м. Если дрены закладывают с искусственным уклоном, то глубина их в истоке не должна быть менее 0,7-0,9 м.
Уклоны дрен со свободной полостью должны составлять 0,002-0,003. Требования к дренам с наполнителями полости (каменная наброска, гранулированный торф) иные: во избежание быстрого заиления такие дрены должны иметь уклон не менее 0,004-0,005.
Длина дрен зависит от их уклона и пропускной способности. При обычных диаметрах пластмассовых дрен, равных 40-50 мм, и уклоне i = 0,003 их делают длиной 150-250 м. При увеличении диаметра и особенно уклона, например до 0,01, длину дрен можно увеличить до 300-400 м.
Расстояние между дренами (м): торф низинный – 20-40; песок мелкозернистый – 30-60; супесь – 25-40; суглинок – 14-20.
Дрены с незакрепленными стенками.Этот вид дренажа дополняет основные виды систематического дренажа, позволяя увеличивать расстояние между дренами.
Кротовый дренаж представляет собой незакрепленные подземные ходы, напоминающие кротовые норы. Его закладывают на беспнистых болотах с уклонами не менее 0,002-003. Кротовые дрены используют как собиратели и осушители. Глубина закладки 0,7-1 м.
Кротовые дрены устраивают кротодренажными машинами КДГ-80 и др. (рис. 9.7). Рабочий орган – дренер - имеет диаметр от 8 до 20 см. Дрены располагают перпендикулярно к осушительным каналам или под углом 80° к направлению течения в них воды.
| Рис. 9.7. Устройство кротового дренажа: 1 – трактор; 2 – нож; 3 – дренер; 4 – расширитель; 5 – кротовая дрена; 6 – закрепленное устье дрены; 7 – открытый канал |
Срок службы кротового дренажа - от 2 до 5 лет, после чего его нужно возобновлять. В суглинистых грунтах расстояние между дренами - в среднем 5 м, в торфяных – 5-10 м. Сгущение дрен необходимо в связи с тем, что кротовые дрены быстро выходят из строя. Длина кротовых дрен не превышает 150 м. При применении в комбинации с другим дренажем длина равна расстоянию между каналами.
Щелевой дренаж устраивают в сочетании с открытой сетью каналов. Щелевые дрены имеют разнообразную форму, ширина их по дну 100-180 мм, глубина до - 80 см. Для сохранения полости щелевых дрен от засыпания при вспашке их закрывают на глубину до 40 см.
Иногда щелевой дренаж используют в качестве основного вида систематического дренажа, глубина его достигает 2,5 м, длина – 200-300м, уклон - 0,005 и более. Расстояния между дренами 25-45 м. Срок действия щелевого дренажа больше, чем кротового.
Щелевой дренаж, выполняют щеледренажными машинами.
Вертикальный дренаж – это система скважин для осушения земель. Воду из скважин откачивают насосами. Вертикальный дренаж используют при соответствующем литологическом строении водоносного комплекса (рис. 9.8).
Рис. 9.8. Схема вертикального дренажа:
1 - осушаемый массив; 2 - водоносный пласт; 3 - водоупор; 4 - скважина; 5 – погружной насос; 6–рукав; 7 – депрессионная кривая. Стрелками показано направление движения воды
Осушаемые земли подстилаются более или менее мощной толщей песков. Тогда, как это показано на рисунке, снижение уровня грунтовых вод в подстилающих песках вызывает вертикальный отток воды из осушаемого пласта, что дает возможность увеличивать расстояние между скважинами. Это расстояние устанавливают расчетами, приведенными в специальной литературе. Использование вертикального дренажа для осушения земель экономически оправдывает себя при расстоянии между скважинами 200-300 м и более.
Для ускорения процесса осушения вертикальным дренажем иногда устраивают водопоглощающие колодцы. Их пробуривают в виде скважин и засыпают фильтрующим материалом.
Осушительная сеть в плане.По степени покрытия осушаемой площади закрытый или открытый дренаж может быть систематическим, разреженным и выборочным.
· При систематическом дренаже дрены распределены по осушаемой территории равномерно, с приведенными выше расстояниями между ними.
· Разреженный дренаж равномерно покрывает осушаемую территорию, но расстояние между дренами в 1,5-2 раза больше рекомендуемого для данной зоны. Такой дренаж предназначен для отвода воды в годы повышенной водности.
· Выборочный дренаж проводят только по тальвегам, вымоинам, замкнутым понижениям местности и другим участкам с повышенной увлажненностью, отвод воды с которых обеспечивает нормальный водный режим всей осушаемой территории.
Проводящая осушительная сеть. К ней относятся:
· с открытыми каналами – транспортирующие собиратели и магистральные каналы;
· с закрытым дренажем – закрытые и открытые коллекторы, транспортирующие собиратели и магистральные каналы.
Каналы проводящей сети прямолинейны, с минимальным числом поворотов, пересечений с дорогами. Длина каналов проводящей сети должна быть минимальной. Каналы располагают по границам хозяйств или полей севооборотов с таким расчетом, чтобы они не расчленяли осушаемый массив на мелкие участки. Их проводят по наиболее низким отметкам осушаемой поверхности (по тальвегам), на болотах - по тальвегам минерального дна.
Расстояния между транспортирующими собирателями определяется рельефом местности, конструкцией регулирующей сети и др. На равнинных участках, где нет дорог или крупных каналов, транспортирующие собиратели прокладывают на одинаковом расстоянии друг от друга. Эти расстояния составляют 400-1200 м.
Расстояния между закрытыми коллекторами, определяются длиной впадающих в них дрен.
Глубину транспортирующих собирателей и закрытых коллекторов рассчитывают с учетом необходимости бесподпорного приема воды из элементов регулирующей сети. Глубина закрытого коллектора (Нк) должна быть равна:
Нк=Hд+d,
где Нд–глубина заложения устьев дрен; d–диаметр коллектора.
Таким образом, глубина элементов проводящей сети является функцией глубины регулирующих элементов данной осушительной системы.
Поперечное сечение открытых каналов проводящей сети – равнобокая трапеция (рис. 9.9,а). Такое сечение облегчает строительство канала и уход за его откосами. Глубокие (свыше 3 м) каналы, а также каналы, проходящие в неустойчивых и слоистых грунтах (мелкозернистый песок, сильноразложившийся торф), делают параболического сечения (рис. 9.9, в).
У каналов трапецеидального сечения минимальная ширина по дну - 0,4 м. Коэффициент заложения откосов принимают в зависимости от грунтов и глубины каналов.
Уклоны дна каналов принимают равными уклону поверхности. Они должны быть такими, чтобы, каналы не размывались и не заилились. Минимальный уклон дна в каналах - 0,0005, в крупных каналах допускается 0,0002. При значительных уклонах местности строят сопрягающие сооружения - перепады или быстротоки.
Для предохранения проводящих каналов от размыва крепят их откосы (реже дно). Наиболее распространенные виды крепления откосов: травяные или дерново-травяные ковры, пригрузка откосов крупнозернистым грунтом, прикрытие их стеклохолстом, пластмассой, плитами из пористого бетона, фильтрующими синтетическими тканями.
Крепление дна каналов выполняется в виде гравийно-щебеночной засыпки слоем 12-15 см.
Рис. 9.9. Сечения каналов открытой осушительной сети:
а - трапецеидальное; б - полигональное; в - параболическое; г - искусственная ложбина
Закрытую проводящую сеть – закрытые коллекторы строят из гончарных, пластмассовых, реже асбестоцементных и железобетонных труб. Правила трассирования коллекторов как для открытых проводящих каналов Длина коллекторов не превышает 600-800 м, уклоны 0,003-0,015.
Размеры открытых и закрытых элементов проводящей сети проверяют гидравлическим расчетом в устье; выше и ниже впадения канала; в створах, по которым определяется уклон.
Расчетные периоды и расходы устанавливают гидрологическими расчетами. По заданному расходу определяют размеры поперечного сечения канала.
Скорость движения воды (V) в канале должна удовлетворять неравенству:
Vmin < V < Vmах
где минимально допустимая скорость (из условий заиления и зарастания) Vmin=0,3-0,4 м/с.
Минимальные диаметры коллекторов из керамических труб 75...100 мм, из пластмассовых 75 мм. Диаметры бетонных и железобетонных труб 600...900 мм, пластмассовых – до 150 мм.
Ограждающая сетьв осушительной системе представлена нагорными и ловчими каналами, закрытыми дренами, а при намывном ТВП дамбами; иногда для ограждения территории целесообразно применять мероприятия, входящие в противоэрозионный комплекс.
Нагорные каналы предназначены для перехвата поверхностных вод, поступающих на осушаемую территорию; ловчие каналы (или дрены) - для перехвата грунтовых вод. Иногда эти функции совмещены в нагорно-ловчих каналах (рис. 9.10, 9.11).
Рис. 9.10. Перехват поверхностных вод нагорным каналом:
1 — нагорный канал; 2 — кавальер вынутого грунта; 3 — эродированный склон
Рис. 9.11. Схема расположения в плане нагорных каналов:
1 - сплошной нагорный канал; 2 - прерывистый нагорный канал; 3 - транспортирующие собиратели; 4 - магистральный канал; 5 - горизонтали
Каналы ограждающей сети устраивают вдоль верхней границы осушаемой территории. Длина их доходит иногда до 8-10 км. Глубина нагорных каналов не превышает 1-1,2 м, уклон не менее 0,0005.
Нагорно-ловчие каналы отличаются большей глубиной, которая должна быть достаточной для требуемого понижения уровня грунтовых вод в зоне действия канала. При крутых склонах, большом объеме поверхностного стока, напорном ТВП устраивают два параллельных канала: глубокий (ловчий) и мелкий (нагорный).
Ловчие каналы устраивают глубиной до 3 м. Если осушаемый объект - торфяник, то дно ловчего канала (или ловчая закрытая дрена) должно располагаться на 0,2-0,5 м ниже подошвы торфяника. Дно и откосы ловчих каналов необходимо крепить, особенно в местах сосредоточенного выклинивания грунтовых вод.
Ограждающей сетью на поймах служат дамбы, рассчитываемые на предохранение осушаемой территории от затопления паводковыми водами.