Способы уменьшения фильтрационных потерь

При больших потерях бесполезно теряется значительное коли­чество воды, которая могла бы быть использована для дальнейшего расширения площади орошаемых земель; увеличиваются затраты на строительство каналов и сооружений; ухудшается мелиоратив­ное состояние земель (орошаемые земли заболачиваются и засоля­ются); возрастают эксплуатационные затраты (на очистку каналов от наносов, сорной растительности, на оплату электроэнергии при механическом орошении и др.). Поэтому, когда к. п. д. получаются меньше допускаемых, на каналах предусматривают противофильт- рационные мероприятия или же каналы заменяют лотками либо трубопроводами. Существует два способа борьбы с фильтрацион­ными потерями в каналах: уменьшение водопроницаемости грунтов ложа каналов и устройство одежд из маловодопроницаемых мате­риалов. Водопроницаемость грунтов можно уменьшить за счет уп­лотнения, кольматации, солонцевания, оглеения, силикатирования, битумизации, нефтевания и др. Антифильтрационные одежды уст­раивают из глины, глинобетона, бетона, железобетона, асфальтобе­тона и других материалов.

Наиболее широко в качестве противофильтрационных мероприя­тий применяются уплотнение и кольматация грунтов, бетонные, же­лезобетонные и асфальтобетонные облицовки.

Уплотнение грунтов. Грунт в ложе каналов уплотняется при по­мощи катков (гладких и кулачковых), трамбующих и вибрацион­ных машин. Уплотнейие как противофильтрационное мероприятие применяется только в каналах, проходящих в связных грунтах. При уплотнении уменьшается пористость грунта, водопроницаемость его падает во много раз, грунт становится более прочным и устойчивым к размыву.

Различают глубокое уплотнение грунта, когда глубина уплот­ненного слоя t ≥ 0,25—0,5 м, и мелкое при t <0,25 м.

С течением времени уплотненный слой разуплотняется в резуль­тате попеременного высыхания и увлажнения, замерзания и оттаи­вания, пронизывания его корнями растений и ходами землероев. Считается, что срок службы поверхностного уплотненного слоя ра­вен 2—4 годам. Срок службы экранов из уплотненного грунта может быть несколько большим. Достоинство уплотнения заключает­ся в том, что для осуществления его не требуется никаких материа­лов и, кроме того, работы по уплотнению могут быть полностью механизированы. Это одно из самых дешевых противофильтрадионных мероприятий.

Кольматация грунтов. Под кольматацией поднимается процесс вмывания глинистых или илистых частиц в поры грунта под дейст­вием фильтрационных токов. Частицы глины или ила, попадая в поры грунта, оседают там и уменьшают активную пористость. Кольматироваться могут пески различной крупности, а также связные и структурные грунты, изобилующие трещинами и ходами землероев.

Для получения заметного противофильтрационного эффекта необ­ходимо, чтобы диаметр частиц кольмататора (глины или ила) был в 10—20 раз меньше диаметра частиц кольматируемого грунта.

Глубина вмывания зависит от размера частиц грунта и коль­мататора и изменяется от 5 до 30 см. Кольматировать можно как вновь построенные каналы, так и уже бывшие в эксплуатации. Существует два способа кольматации — в движущейся и спокойной воде. Необходимое количество глины для кольматации песков определяется по зависимости:

p=18DS,

где p— количество глины, кг;

D — средний диаметр частиц песка, мм;

S—площадь кольматации, м².

Во многих случаях наблюдается естественная кольматация грунтов, когда по каналам пропускается вода, содержащая глинис­тые или илистые наносы.

Глиняные и глинобетонные покрытия и экраны. Положитель­ное свойство глиняных покрытий и экранов — почти полная их во­донепроницаемость, упругость и сравнительная дешевизна. Недо­статки — малые прочность и сопротивляемость размыву. Кроме того, покрытия из глины растрескиваются при высыхании и проби­ваются растительностью. Покрытия из чистой глины можно приме­нять только на непрерывно действующих каналах. Для каналов с расходом менее 10 м³/с толщина покрытий принимается равной 5— 10 см, а для каналов с расходом более 10 м³/с — 15—20 см. В пери­одически действующих каналах устраивают глиняные экраны или поверхностные покрытия из смеси глины с соломой толщиной 4— 6 см. Экраны целесообразно применять и в постоянно действующих каналах.

Покрытия получаются более устойчивыми и долговечными, ес­ли их делать не из глины, а из глинобетона. Глинобетон — это смесь глины, песка, гравия или щебня. Содержание глины в смеси 20— 30%, песка 40—45 и гравия или щебня 30—35% (крупностью 20— 30 мм). Средняя плотность смеси 2,2—2,3 т/м³. Обеспечивая почти полную водонепроницаемость (при толщине 10 см), глинобетонные покрытия не растрескиваются при высыхании, морозостойки, слабо пробиваются растительностью и достаточно устойчивы на размыв.

Бетонные и железобетонные облицовки. В настоящее время они наиболее надежны из всех противофильтрационных одежд. Обеспе­чивая значительное уменьшение фильтрационных потерь, они поз­воляют также снизить стоимость земляных работ (за счет увеличе­ния скорости течения воды в каналах) и улучшить общие условия эксплуатации каналов, поскольку облицованные каналы практи­чески не зарастают и мало заиляются. Особенно целесообразно при­менение бетонных облицовок при устройстве каналов в глубоких выемках, насыпях, сильно фильтрующих и просадочных грунтах.

Рис. 61. Монолитные бетонные (а) и железобетонные (б) облицовки:

1 — уплотненный грунт; 2 — бетонная облицовка; 3 — песчано-гравийная подготовка; же« лезобетонная облицовка; 5 —сетка из стержней диаметром 6—10 мм через 15—25 см.

Облицовки делают из неармированного и слабоармированного бе­тона (рис. 61) —монолитного и сборного, обычного и предвари» тельно напряженного железобетона.

Монолитные неармированные облицовки наиболее просты и эко­номичны, но они имеют недостаточную трещиноустойчивость. Что­бы избежать появления трещин, которые могут возникать в резуль­тате деформаций основания, усадки бетона и температурных нап­ряжений, в бетонных облицовках приходится устраивать большое число швов, что усложняет производство работ и ухудшает противофильтрационные свойства одежды. Бетонные неармированные одежды рекомендуется устраивать в каналах, проходящих в малодеформируемых грунтах. В целях борьбы с пучением связанных грунтов, проявляющимся при их замерзании, облицовки уклады­вают на песчано-гравийную подготовку толщиной 10—15 см. Тол­щина покрытий в зависимости от характера основания, качества бетона, способа производства работ и расхода канала назначается в пределах от 6 до 15 см. Облицовки разбивают швами на отдель­ные секции или панели. По своему назначению швы разделяются на усадочные, температурные и строительные. Часто одни и те же швы являются и усадочными, и температурными; лишь при устройстве несквозных (ложных) усадочных швов делают дополнительно еще и температурные швы. Строительные швы совмещают с темпера- турно-усадочными или омоноличивают. Деформационные швы рас­полагают на таком расстоянии друг от друга, чтобы напряжения в бетоне не превышали допускаемых. Чаще всего расстояния между поперечными швами назначают в пределах от 2,5 до 4 м. Если же усадочные швы делают ложными, то через 9—15 м рекомендуется

устраивать температурные швы. Продольные швы нарезают обыч­но только по линии сопряжения откосов и дна каналов. Ширина швов принимается 2—2,5 см, что значительно превышает возмож­ное удлинение плит.

Для заполнения швов применяют чаще всего асфальтовые мас­тики. Такое эластичное заполнение обеспечивает водонепроницае­мость швов при возможных горизонтальных и вертикальных пере­мещениях плит.

Бетонные одежды армируют для уменьшения трещинообразования и предотвращения развития трещин. Арматуру из стержней диаметром 6—10 мм укладывают в виде сетки с размером ячеек 15—25 см. Часто применяют готовые сварные сетки. Арматуру рас­полагают в середине толщины плиты или ближе к наружной по­верхности одежды. Толщина железобетонных облицовок назначает­ся равной 6—12 см. Поперечные температурно-усадочные швы уст­раивают через 12—15 м.

Железобетонные облицовки применяют на каналах, проходя­щих в просадочных и суффозионно-неустойчивых грунтах, а также на участках с большой высотой насыпей. На участках, где вследст­вие увлажнения грунтов возможны значительные просадки или про­валы, облицовки устраивают с гидроизоляционным слоем из ас­фальтовых армированных и неармированных матов или других материалов. При макропористых грунтах перед бетонированием производится длительная замочка канала. В небольших каналах железобетонные облицовки можно укладывать непосредственно на спланированное грунтовое основание.

При устройстве облицовок из сборных элементов работы по ук­ладке плит могут проводиться в течение всего года. Площадь плит изменяется от 0,5 до 9 м². Плиты небольших размеров площадью до 1—2 м² делают малоармированными, большие же плиты арми­руют одиночной или двойной сеткой. Толщина плит в зависимости от их размеров 4—10 см. Плиты укладывают на тщательно спла­нированную песчано-гравийную подготовку.

Основной недостаток одежд из сборных элементов (плит) — большое число швов, но это характерно только для плит неболь­ших размеров.

Покрытия из асфальтовых материалов. Покрытия с использова­нием органических вяжущих материалов обладают высокой водо­упорностью, морозоустойчивостью и химической инертностью. Вследствие эластичности таких покрытий температурные швы не требуются. К достоинствам асфальтовых покрытий относится так­же и то, что работы по их устройству могут быть полностью меха­низированы. Применяются следующие виды покрытий: монолитные облицовки из неармированного и армированного асфальтобетона; облицовки из сборных асфальтобетонных плит; покрытия из ас­фальтовых армированных и неармированных матов по типу «по­гребенной мембраны» (рис. 62). Толщина асфальтобетонных обли­цовок 5—8 см.

Асфальтобетонные облицовки армируются для придания им большей механической прочности и трещиноустойчивости. Это осо­бенно необходимо в условиях возможного воздействия на покрытия ледяного покрова. В большинстве же случаев облицовки устраива­ют из неармированного асфальтобетона. Асфальтовые покрытия укладывают или на уплотненное основание, или на песчано-гравий- ную подготовку толщиной 10—15 см (при залегании в основании пучинистых грунтов).

Основной недостаток асфальтовых покрытий заключается в том, что в летний период они размягчаются и легко пробиваются тра­вянистой растительностью. Поэтому их целесообразно укладывать на слой тощего бетона или протравливать основание ядохимиката­ми (гербицидами).

Покрытия из пластических материалов. Пластмассовые пленки (полиэтиленовые, поливинилхлоридные и др.) в последние годы уже довольно широко применяют в качестве противофильтрацион- ных покрытий. На небольших временно действующих каналах пленки переносят с одного канала на другой, а на более или менее круп­ных каналах устраивают постоянные покрытия. Причем в одних случаях пленки прикрывают защитным слоем из местного грунта, а в других укладывают непосредственно по поверхности каналов. Имеются примеры, когда пластмассовые пленки применяют в ка­честве гидроизоляционных прослоек при устройстве бетонных или железобетонных облицовок. Толщина пленок 0,1—0,2 мм. Полиэти­леновые пленки в поверхностных покрытиях служат 2—3 сезона.

Рис. 62. Армированная асфальтобетонная облицовка (а) и покрытие по типу «погребенной мембраны» (б):

1 — асфальтобетонная облицовка; 2 — сетка из стержней диаметром 6 мм через 20X20 см; 3 — уплотненный грунт; 4 — втрамбованный щебень; 5 — армированный асфальтовый мат; 6 — защитный слой из местного грунта. (Размеры в см.)

С течением времени они стареют: теряют гибкость, становятся хрупкими и восприимчивыми к механическим воздействиям. Более устойчивыми в отношении старения оказались пленки из бутилового каучука, армированного нейлоновой тканью. Срок службы пленок можно увеличить защитным слоем грунта или бетона.

Противофильтрационная эффективность покрытий. Эффектовность действия противофильтрационных покрытий или мероприятий принято оценивать по размеру снижения фильтрационных потерь N в процентах от потерь, имеющихся в каналах без покрытий. Значе­ние N равно:

N = (

где Q_{потери необл} и Q_{потери обл} — потери воды из каналов без противофильтрацион­ных покрытий и с покрытиями.

При известных значениях Q_{потери необл} и N фильтрационные по­тери в каналах с покрытиями определяют по зависимости:

Q_{потери обл} = Q_{потери необл} (1 - .

Если для необлицованного канала

η_необл= ,

то после устройства покрытия к. п. д. канала будет равен:

η_обл= .

Более или менее точно эффективность покрытий можно уста­навливать только на основании натурных наблюдений. Приближен­но для некоторых видов противофильтрационных мероприятий, та­ких, как уплотнение, кольматация, глиняные и глинобетонные одежды, ее можно определить и теоретически. При отсутствии в по­крытиях трещин и относительно глубоком залегании уровня грун­товых вод фильтрация из облицованных каналов происходит с раз­рывом сплошности потока в плоскости контакта покрытия с грун­том основания.

Расчетная схема фильтрации из облицованного канала показа­на на рисунке 63. При t фильтрационный расход из такого ка­нала:

Q_{потери обл} = k_ф.покр (b . (44)

Эффективность действия покрытий увеличивается с уменьшени­ем k_ф.покр и увеличением t.

Формула (44) неприменима для определения потерь из кана­лов с бетонными и асфальтобетонными облицовками. При правильно подобранном составе бетона или асфальтобетона и качественном производстве работ водопроницаемость облицовок будет зависеть главным образом от числа швов и их конструкции и от наличия трещин. Рекомендуется принимать следующие примерные значения показателя N: при уплотнении 30—80%, кольматации 30—50, гли­няных и глинобетонных покрытиях 60—80, бетонных и железобе-1 тонных облицовках 85—95, при покрытиях из асфальтовых и пластмассовых материалов 90—100% .

Рис. 63. Расчетная схема фильтрации из облицованного канала:

1 — покрытие; 2 — граница зоны движения потока с неполным заполнением водой

пор грунта.