Расчет дренажной сети [1976 Думбляускас А.М.

Основные параметры дренажной сети: расстояние между дренами, глубина их заложения, уклон, длина, размеры коллекторов и дрен.

Определение этих параметров очень важно при проектировании дренажа, так как, с одной стороны, они обеспечивают нормальную работу системы, а с другой - влияют на стоимость строительства.

Для вычисления параметров дренажной сети предложено много формул и зависимостей, полученных на основании опытных данных и теоретических решений. При назначении параметров расчетным путем возникают затруднения, связанные с тем, что существующие формулы не охватывают всего многообразия природных особенностей каждого конкретного объекта, а величины, входящие в расчетные формулы (коэффициент фильтрации, водоотдача почвогрунта, испарение, транспирация и др.) очень изменчивы.

Правильное решение вопроса о расстояниях между дренами может быть получено комплексными исследованиями.

Расстояния между дренами устанавливают в зависимости от требуемой глубины и скорости понижения грунтовых вод.

Если дрены заложены на водоупоре, то расстояния между ними вычисляют по формуле Роте

H - требуемое понижение уровня грунтовых вод, м;

Р - количество осадков, отводимых дренажем с 1 м², м³/сут;

При глубоком залегании водоупора параметры дренажа рассчитывают по формулам С. Ф. Аверьянова, А. И. Ивицкого, В. А. Ионата, А. Н. Костякова и X. А. Писарькова.

Коэффициенты фильтрации можно определять полевым методом по способу восстановления уровня воды в скважинах.

На выбранной точке буром делают скважину глубиной 1,2-1,5 м. После стабилизации уровня воды в скважине производят откачку. Для этого используют полиэтиленовую трубу, в конце которой прикреплен металлический наконечник с отверстием (рис. 4). Когда погруженная в скважину труба заполняется водой, отверстие плотно закрывают металлическим цилиндром и трубу поднимают на поверхность земли.

Наблюдение за подъемом уровня воды в скважине проводят с помощью деревянной измерительной рейки, в конце которой надет поплавок из пенопласта (рис. 5).

Режим уровня грунтовых вод на дренированных почвах - один из основных показателей гидрогеологического действия дренажа, который характеризует интенсивность и эффективность осушения. Он зависит от метеорологических факторов, глубины закладки дрен, расстояний между ними и др.

Рис. 4. Прибор для откачки воды из скважины: 1 - полиэтиленовая труба; 2 - металлический наконечник; 3 - отверстия для заполнения трубы водой; 4 - металлический цилиндр

При посадке сада уровень грунтовых вод должен быть на 1,5-2,0 м ниже поверхности земли.

В дальнейшем его следует поддерживать от поверхности земли на глубине: для плодовых деревьев 2,0 м; для крыжовника 1,5 м, для малины 1,0-1,5 м, для земляники 0,6-0,7 м.

Уровень грунтовых вод для садов допускают в Нидерландах 0,5; 0,6 и 0,7 м, в зависимости от глубины развития корневой системы и физической характеристики почвогрунтов, во Франции - 1-1,3 м, а в США - 0,7- 1,5 м, в зависимости от почвогрунтов и количества атмосферных осадков.

Затопление активной части корней в летний период губительно действует на растение, так как в нагретой застойной воде уменьшается количество кислорода. Подъем уровня грунтовых вод в позднеосенний период (после вегетации), зимой и ранней весной (до распускания почек) для корневой системы неопасен.

Рис. 5. Определение коэффициента фильтрации методом восстановления воды в скважинах после откачки

При решении вопроса о глубине, на которой должен поддерживаться уровень грунтовых вод, нужно иметь в виду, что его нельзя понижать настолько, чтобы появился недостаток воды. Следовательно, необходимо рассматривать два граничных уровня. Верхний предел диктуется потребностью корней растений в достаточном количестве воздуха, а нижний предел - потребностью в воде. Осушение не всегда может полностью удовлетворить обоим требованиям. Поэтому для поддержания необходимого уровня грунтовых вод сочетают осушение и орошение.

На основе проведенных исследований автор предлагает глубину грунтовых вод в начале вегетационного периода принимать около 0,9 м.

Диаметр осушителя, как правило, в разных странах мира принимают конструктивно и в довольно широких пределах (табл. 2).

Автор считает, что такие диаметры принимают как для полевых растений, так и для садов.

В Литовской ССР обычно для садов минимальный диаметр осушителя равен 50 мм.

Таблица 2. Минимальные размеры гончарной дренажной трубы в разных странах мира

Диаметр коллектора колеблется от 75 до 250 мм. Последнее время появилась тенденция к увеличению дренажных систем до 100 га и более. В связи с этим стали применять диаметры больше 250 мм. Так, в Литовской ССР для осушения 409 га сельскохозяйственных полей построена дренажная система с магистральным коллектором из железобетонных труб диаметром 600 мм.

Многие ученые считают, что одна из причин зарастания корнями плодовых деревьев дренажных линий - непрерывный сток воды по ним. Поэтому, чтобы уменьшить продолжительность дренажного стока, предлагается проектировать для садов сравнительно маленькие дренажные системы. В соответствии с "Указаниями по составлению проектов мелиорации" (1974) в Литовской ССР площадь дренажных систем для садов принимают не более 25 га.

Диаметры коллекторов определяют по номограмме, составленной по формуле Б. Блажиса. Основные исходные данные - уклон коллектора и расчетный модуль стока.

Уклон дренажной линии Ц. Н. Шкинкис и др. (1968) рекомендуют назначать не менее 0,01-0,02. Однако из-за недостаточного уклона поверхности дренируемых земель осуществить эти рекомендации сложно. Поэтому минимальный уклон коллекторов из гончарных труб следует принимать 0,004, а осушителей - 0,006. Максимальный уклон коллекторов определяет предел наибольшей допустимой скорости течения воды, равный 2,0 м/с для глинистых и суглинистых грунтов и 1,5 м/с для супесчаных, песчаных и лессовидных грунтов.

Если уклоны и тем самым скорости течения воды превышают указанные пределы, то применяют следующее:

трубы, обвернутые на стыках полиэтиленовой пленкой.

На этих участках к коллекторам отдельные осушительные дрены не подключают. Растительный грунт при засыпке труб уплотняют.

Стыки труб обвертывают стекловолокном или стекловатой, чтобы в дрены не попадали почвенные частицы и не проникали корни.

Нельзя допускать участки безуклонные и с обратным уклоном, так как в них застаивается вода, откладывается наилок и создаются условия для проникновения и развития корней.

Длина дренажных линий не должна превышать 150 м. Коллекторы проектируют такой длины, чтобы общая площадь дренажной системы не превышала 25 га.

При пересечении ветрозащитной полосы коллекторы должны быть защищены от зарастания корнями деревьев и кустарников. На данном участке коллектора не рекомендуется подключать дрены-осушители, так как через них могут проникнуть корни деревьев.

Глубину заложения дрен для садов А. Н. Костяков рекомендует принимать 0,9-1,0 м.

В Нидерландах дренаж для садов закладывают на глубине 0,9-1,2 м, а в Польше - 1,1-1,2 м.

В США уровень грунтовых вод в садах поддерживают на глубине 1,0-1,25 м для среднетяжелых почв и на глубине 1,2-1,5 м для тяжелых почв.

Глубина закладки дрен равна в Латвийской ССР 1,2-1,4 м, в Эстонской ССР - 1,2-1,3 м, а в Ленинградской области - 1,1 м.

До сих пор нет единого мнения о глубине закладки дрен для садов.

Ц. Н. Шкинкис, изучая осушающее действие дренажа, пришел к выводу, что увеличение глубины закладки дрен на 0,3 м (от 0,9 до 1,2 м) оказывает более значительное влияние на режим уровня грунтовых вод, чем примерно двукратное уменьшение расстояний между дренами (от 30 до 14 м).

Рекомендовать одну глубину закладки дрен для разных гидрогеологических условий было бы неправильно.

Для определения влияния глубины закладки дрен на действие дренажа, а также на рост и развитие плодовых деревьев были проведены специальные исследования на двух опытных участках в Кайшядорском плодопитомнике Литовской ССР.

Движение воды иллюстрируют гидродинамические сетки, составленные по данным пьезометрических наблюдений. Исследования показали, что при увеличении глубины закладки дрен от 0,7 до 1,5 м (рис. 6 а, б, в) действие дренажа проявляется эффективнее.

В результате этого в корнеобитаемом слое улучшаются температурный и водный режимы, усиливается рост корней растений, активизируется деятельность микроорганизмов. Толщина этого слоя в Нечерноземной зоне достигает примерно 1,0-1,2 м.

Закладка дренажа на глубину более 1,5 м не улучшает его действия, несмотря на то, что гидравлический напор над дреной увеличивается. Это объясняется тем, что в глубоких слоях почвы по механическому составу более тяжелые и имеют малый коэффициент фильтрации.

Расстояния между дренами на минеральных и на торфяных почвах Нечерноземной зоны определяют из условия наилучшего роста и развития плодовых деревьев и получения высоких урожаев.

Ю. Н. Тисов (1963) провел исследования с дренажем, заложенным в садах на глубине 0,8 м при расстоянии между дренами 12, 24 и 48 м. По его данным, наилучшие условия для роста и развития наблюдались у яблони, произрастающей над дреной и в середине полосы с расстоянием от дрены 6 м. Это указывает на то, что при глубине осушения 0,8 м оптимальное расстояние между дренами равно 12 м.

В Эстонии расстояния между осушителями устанавливают по таблицам и графикам в зависимости от глубины заложения дрен, фильтрационных свойств почвогрунтов, их мощности и средних годовых норм стока.

В Латвии расстояния между дренами принимают, исходя из почвенных условий (для минеральных почвогрунтов 16-28 м).

Рис. 6. Движение воды в междренье по гидродинамической сетке: а - глубина заложения дрен 0,7 м; б - то же, 1,1 м; в - то же, 1,5 м

В Белоруссии оно колеблется для песчаных грунтов от 20 до 60 м, для суглинков от 12 до 25 м, для глин от 8 до 15 м.

В Литовской ССР на выбор расстояния между дренами влияют механический состав осушаемых почвогрунтов, вид сельскохозяйственных угодий и зональная величина модуля стока. В основном расстояние между дренами для минеральных почвогрунтов составляет 14-30 м.

Как правило, в Нечерноземной зоне расстояния между рядами садов равны 6-8 м. При осушении земель под сады это расстояние рекомендуется уменьшать, а дренаж проектировать параллельно основным рядам плодовых деревьев.

Исследования показали, что на среднетяжелых почвах при расстоянии между дренами больше 24 м осушающее действие дренажа заметно ухудшается. Поэтому при проектировании дренажной сети для садов расстояния между дренами принимают в зависимости от почвогрунтов:

Для определения расстояний между дренами при междурядье больше или меньше 6-8 м можно пользоваться таблицей 3.

Таблица 3. Расстояние между дренами при осушении земель под сады

Расстояние между дренами в зависимости от глубины их заложения для условий Англии представлены в таблице 4.

Модуль дренажного стока позволяет определять коэффициент дренажного стока и сравнивать водоотводящую способность дренажа с другими расходными статьями водного баланса. Значение фактического дренажного стока необходимо для вычисления расчетных модулей стока, расстояний между дренами и других параметров.

Таблица 4. Расстояние между дренами в зависимости от глубины заложения и характера грунтов

После выпадения осадков уровень грунтовых вод в междренье поднимается, вследствие чего вода движется к дренам. Таким образом формируется дренажный сток.

Движение воды к дренам показано на рисунке 6, из которого видно, что линии равного напора сосредоточились в основном в зоне засыпки или вблизи нее, так как коэффициент фильтрации в этой зоне более высокий по сравнению с серединой междренья.

Коэффициент фильтрации траншейной засыпки определяли методом инфильтрации с шестикратной повторностью на трех траншеях при глубине закладки дрен 1,0, 1,5 и 2,0 м. С увеличением глубины закладки дрен коэффициент фильтрации уменьшается от 1,54 до 0,16 м/сут. Поэтому необходимо улучшать фильтрационную способность засыпки, которая играет большую роль при действии дренажа, особенно на тяжелых почвах.

Многими исследователями установлено, что годовое количество осадков, степень осушения, механический состав почвы, площадь дренажной системы, агрофон и другие факторы влияют на дренажный сток и на максимальный модуль дренажного стока, который дополнительно зависит от количества осадков в отдельные периоды года и особенностей рельефа.

Многолетние наблюдения за дренажным стоком показали, что он составляет 9-29% количества годовых осадков.

Наибольший дренажный сток в основном формируется в течение марта, апреля и составляет до 71% всего стока.

Переувлажненный слой после замерзания практически водонепроницаем, однако во время оттепели также формируется дренажный сток. Это объясняется тем, что на осушаемых участках имеются окна, через которые поверхностная вода поступает в дрены. Так, в Литовской ССР самый большой дренажный сток образуется во время мартовской оттепели при наличии мерзлоты.

Исследования, проведенные на двух опытных участках Кайшядорского плодопитомника Литовской ССР (1963-1968 гг.), показали, что формирование дренажного стока зависит от расстояния между дренами и глубины их заложения. Так, при увеличении расстояния от 12 до 18 м дренажный сток в среднем уменьшается от 101 до 58 мм. На слоистых почвах, когда верхние (0,5- 0,7 м), более легкие по механическому составу почвы подстилаются тяжелыми суглинками или глинами, при изменении глубины закладки дрен от 0,7 до 1,1 м величина дренажного стока также уменьшается. При дальнейшем заглублении дрены до 1,5 м (II опытный участок) наблюдалось увеличение дренажного стока из-за водоносного горизонта на глубине 2,3-2,5 м.

Если верхний слой (0,9-1,3 м) представлен легкими почвами (супесь, легкий суглинок), то закладка дрен на 1,0-1,5 м увеличивает дренажный сток (I опытный участок).

На глинистых грунтах при глубине заложения дрен 1,5-2,0 м дренажный сток заметно уменьшается. Все это говорит о том, что глубину закладки дрен необходимо подбирать в зависимости от водно-физических свойств почвогрунтов и типа водного питания.

На дренажный сток большое влияние оказывает и уклон местности. При увеличении уклона от 0,015 до 0,030 средний годовой дренажный сток уменьшается (табл.5).

Максимальные модули дренажного стока наблюдаются во время оттепелей или при большой интенсивности и продолжительности осадков. В осенний период при высоком уровне грунтовых вод, но при малом количестве осадков модуль дренажного стока небольшой.

Таблица 5. Распределение дренажного стока (мм) при глубине заложения дрен 1,1 м (Литовская ССР, Кайшядорский плодопитомник, II опытный участок)

X. А. Писарьков предложил определять модуль дренажного стока, исходя из необходимой скорости понижения грунтовых вод, а также удельной водоотдачи грунта.

где ΔH - скорость понижения грунтовых вод, см/сут;

Для минеральных грунтов δ вычисляют по формуле Г. Д. Эркина

где К - коэффициент фильтрации, м/с; Н - высота осушаемой колонны, м.

Для торфяных почв δ рассчитывают по формуле А. И. Ивицкого

Зная величину водоотдачи, можно определить изменение запасов воды в результате понижения уровня грунтовых вод. Так, при водоотдаче в нижнем слое δ = 0,02 и понижении уровня грунтовых вод на 300 мм изменение их запасов составит: W=δH=0,02-300 = 6 мм.

Из этого следует, что изменение уровня грунтовых вод в нижних слоях, когда водоотдача небольшая, существенного влияния на дренажный сток не оказывает.

Расчетный расход закрытого коллектора равен:

F - площадь водосбора, га (площадь участка, на котором располагаются дрены, впадающие в коллектор выше рассчитываемого сечения).

Расчетный модуль дренажного стока для Литовской ССР, где количество годовых осадков не превышает 700 мм, можно принимать в следующих пределах:

на площадях с уклоном 0,015 и более от 0,30 до 0,40 л/с-га;

на площадях с более ровным рельефом - от 0,50 до 0,60 л/с-га;

на площадях волнистого замкнутого рельефа - от 0,60 до 0,75 л/с-га.

При проектировании садов для расчета диаметров коллекторов некоторые авторы предлагают модуль дренажного стока увеличивать на 0,2 л/с-га и даже более. Автор книги считает, что это нецелесообразно, так как с увеличением модуля стока возрастает диаметр коллектора, а в результате уменьшается минимальная скорость движения воды. Это создает благоприятные условия для заиления и зарастания дрен корнями деревьев или кустарников.

Очень важно для коллекторов в садах создать такие условия, при которых скорость течения воды в дренах при полной нагрузке была бы в глинистых и суглинистых грунтах не меньше 0,3 м/с, а в супесчаных и песчаных грунтах не меньше 0,4 м/с.

Дренажная система состоит из осушителей и коллекторов. Задача осушительных дрен - понижение горизонта грунтовых вод, а коллекторов - отведение воды из осушительных дрен в водоприемники.

Сопряжение осушителя с коллектором и их повороты выполняют под углом 90°.

Границы между отдельными системами проектируют по возможности более прямыми и несложной конфигурации.

Площадь дренажной системы зависит от уклона поверхности, модуля дренажного стока, максимального диаметра дренажных труб и максимально допустимой скорости течения воды в дренах. Как правило, большие дренажные системы проектируют при спокойном рельефе с уклоном 0,005-0,03. В Литовской ССР имеется тенденция к увеличению площади дренажных систем. Однако для садов рекомендуется проектировать дренажные системы до 10-25 га, что соответствует примерной квартальной площади.

Рис. 7. Продольная (слева) и поперечная (справа) схемы расположения систематического дренажа

Следует отметить, что исследования по размеру площади дренажных систем отсутствуют.

Систематический дренаж закладывается почти во всех грунтах, однако рациональная область его применения ограничивается прежде всего участками грунтового или грунтово-напорного питания со сравнительно ровным рельефом и однородными почвами.

Дренаж может быть поперечным, если дрены расположены поперек направления стока воды, или продольным, если они расположены вдоль направления стока (рис. 7). Продольный дренаж имеет преимущество перед поперечным при малых склонах поверхности земли (менее 0,0075), а поперечный - при относительно больших уклонах. Поперечная схема дренажа более эффективна, так как она лучше перехватывает поверхностный сток.

Разреженный дренаж представляет собой систему закрытых параллельных дрен, расстояние между которыми превышает обычное нормативное расстояние между осушителями в систематическом дренаже. При этом к эффективности разреженного дренажа предъявляются такие же требования, как и к систематическому. При правильных изысканиях, проектировании и использовании свойств микрорельефа разреженный дренаж допускает уменьшение числа осушительных дрен до 30%.

Рис. 8. Схема выборочного дренажа

Выборочный дренаж в отличие от разреженного применяют на площадях с резко волнистым и холмистым рельефом.

При выборочном дренаже коллекторы и дрены-осушители проектируют по всем понижениям микрорельефа, не придерживаясь общепринятой системы и нормативных расстояний между осушителями (рис. 8).

Для проектирования дренажных линий необходимо иметь расположение плодовых деревьев и кустарников. Если сад уже заложен, то на плане точно указывают все существующие плодовые деревья и ветрозащитные полосы.

Коллекторы и осушители намечают между рядами плодовых деревьев. Коллекторы трассируют по направлению наибольшего уклона (по ложбинам). Исключение составляют ровные места, где проектируют продольный дренаж, а часть коллекторов предусматривают по направлению наименьшего уклона.

Как правило, в пониженных местах накапливается поверхностная вода, поэтому для ускорения сброса поверхностных вод в западинах следует устраивать поглотители, через которые поверхностная вода будет поступать в дрены. В простейшем виде поглотитель представляет собой водопроницаемую засыпку из щебня, песка, гравия, которая доходит до пахотного слоя.

Рис. 9. Способы соединения двух коллекторов: а - полусверху; б - сверху

Если основной коллектор значительно глубже бокового, то дно бокового коллектора проектируют с увеличенным уклоном для соединения. Этот уклон принимают таким, чтобы скорость течения воды на этом участке не превышала бы 1,5 м/с для песчаных и супесчаных грунтов и 2,0 м/с для глинистых грунтов. Глубокие коллекторы (>1,7 м) осложняют подключение дренажных линий, поэтому их следует избегать. Соединение двух коллекторов или коллектора с осушителями показано на рисунке 9. Коллекторы от ветрозащитной полосы следует располагать на расстоянии не менее 15 м.

При проектировании дорожной сети во избежание повреждения дрен трассы дорог следует проводить так, чтобы они по возможности не пересекали дренажные линии.