Конструкции и расчет оросительной сети

При конструировании оросительной сети определяют: высотное положение элементов по отношению к поверхности земли, форму поперечного сечения каналов, наличие и материал покрытия, экрана или искусственного русла канала, материал труб.

Возможное высотное положение канала по отношению к поверхности земли показано на рис.3.3.15.

Сечение в неглубокой выемке устраивают, когда не требуется командование уровня воды в канале над поверхностью земли. Такие условия бывают на холостых (транзитных, без раздачи воды) участках магистральных и межхозяйственных каналов и на открытой сети при поливе дождеванием. Сечение в полувыемке-полунасыпи устраивают для рабочей части оросительных каналов при поверхностном способе полива, требующем командования уровня воды в канале над поверхностью земли. Сечение в насыпи необходимо для создания командования канала на малоуклонных местностях и при пересечении каналом пологих понижений. Сечение в глубокой выемке характерно для головных участков магистральных каналов и при пересечении каналом небольших возвышенностей, холмов. Канал на косогоре применяют при поперечном уклоне местности. Для повышения устойчивости таких каналов требуется крепление низовой дамбы и перехват поверхностных вод с верхнего склона.

Форму поперечного сечения каналов в земляном русле выбирают из условий устойчивости русла, экономичности сечения, возможности механизированного строительства и ремонта (рис. 3.3.16).

Рис. 3.3.15. Типовые сечения оросительных каналов:

а-в неглубокой выемке; б - в полувыемке-полунасыпи; в - в насыпи; г - в глубокой выемке;

д – канал на косогоре; 1 – резерв; 2 – кавальер; 3 – закрепляющие зубья; 4 – нагорный канал

Рис. 3.3.16. Формы поперечных сечений каналов в земляном русле:

а — трапецеидальное; б — полигональное; в — параболическое; г — сложное

Наиболее распространено трапецеидальное сечение. Для крупных каналов применяют параболические и сложные сечения. В слоистых грунтах возможно полигональное сечение. Для временной сети иногда применяют треугольное сечение.

Каналы в земляном русле имеют наименьшую стоимость строительства, но у них есть существенные недостатки: неустойчивость русла, размывы дна и откосов, обрушения и оползания откосов, большие потери воды на фильтрацию в грунт. Поэтому экономически и экологически целесообразно применять на каналах защитные покрытия и экраны или искусственные русла. Покрытием, облицовкой, одеждой канала называют слой защитного материала, уложенного на дно и откосы канала. В зависимости от материала покрытия оно может укреплять русло, снижать фильтрацию воды из канала или выполнять сразу обе функции. Экраном называют слой непроницаемого материала, уложенного по периметру сечения под небольшим слоем грунта, защищающего экран. Экраны устраивают для снижения фильтрации воды из канала.

Крепление русла позволяет увеличить скорость течения воды и соответственно уменьшить площадь поперечного сечения канала; сделать откосы более крутыми, уменьшить ширину канала по верху и площадь отчуждений под канал. Для покрытий каналов чаще всего используют монолитный и сборный бетон и железобетон, синтетические пленки, реже - асфальт, асфальтобетон, битум, глинистые грунты, гравийные и щебеночные отсыпки, каменную наброску и мощение, бутовую и кирпичную кладку. Для экранов применяют глинистые грунты, синтетические пленки, асфальтовые и глинистые материалы.

Поперечное сечение облицованных и экранированных каналов выполняют в основном трапецеидальной формы по условиям производства работ. Выбор защитного материала для канала зависит от его стоимости, прочности, долговечности, степени и надежности защиты, наличия местных материалов.

Часто оказывается технически и экономически целесообразным применение лотков. Лотковые каналы применяют для уменьшения фильтрации воды из канала, на участках в насыпи, на скальных грунтах, на неустойчивых, просадочных, пучинистых грунтах, на косогорах, при повышенных скоростях воды в канале, для устройства быстротоков и акведуков.

Лотковые каналы представляют собой сборные железобетонные конструкции, состоящие из отдельных лотковых звеньев длиной 5...8 м, установленных на опорах. Общий вид и примеры по­перечных сечений лотковых каналов показаны на рис.3.3.17.

Достоинства лотковой сети: малые потери воды, отсутствие размыва русла и зарастания его, возможность обеспечить командование, индустриальные методы строительства. Недостатки: трудности транспортирования лотков, их хрупкость, несовершенство стыков между лотками, отсутствие средств механизации для очистки каналов от наносов.

Рис.3.3.17. Общий вид и поперечные сечения лотковых каналов на рамных опорах (а), на сваях (б), на стойках (в), на плитах (г), размеры в м

1 – лоток; 2 – сваи; 3, 5 – цементный раствор, 4 – стойка; 6 – фундаментная плита; 7 – песчано-гравийная подготовка; 8 – опорная плита.

Трубчатую стационарную сеть устраивают из труб различных материалов: асбестоцементных, железобетонных, стальных, чугунных, пластмассовых. Выбор материала труб зависит от напора воды в сети и режима работы трубопроводов, района строительства, грунтов, стоимости труб, сложности монтажа.

По стоимости наиболее дешевы асбестоцементные и железобетонные трубы. Их широко применяют на оросительных системах. Все чаще используют железобетонные трубы со стальным сердечником и тонкостенные стальные трубы с различными антикоррозийными покрытиями. Пластмассовые трубы в наибольшей степе­ни отвечают требованиям оросительных сетей, так как они прочны, долговечны, легки, не подвержены коррозии, имеют малые гидравлические сопротивления. Глубина укладки стационарной сети зависит от промерзания грунтов и сохранности труб при переездах техникой.

Передвижную сеть монтируют на поверхности земли из облегченных труб с быстроразборными соединениями. Материал гибких переносных труб - капрон, полиэтилен, прорезиненная ткань. Для жестких передвижных трубопроводов применяют асбестоцементные, алюминиевые, тонкостенные стальные трубы.

Размеры конструктивных элементов оросительной сети, скорости, напоры, уклоны определяют из условий обеспечения требуемой пропускной способности, командования на всех водовыпусках, устойчивости и надежности, соответствия параметрам строительных машин и механизмов, возможности автоматизации управления работой сети. Для проведения соответствующих расчетов необходимо определить расходы воды, подаваемой в каждый элемент сети, которые называют расходами брутто Q_бр, они учитывают как потребности орошаемых сельскохозяйствен­ных культур в воде (расход нетто Q_нт), так и потери воды в процессе ее подачи по сети Q_пот

Q_бр = Q_нт + Q_пот; (3.3.7)

Основой для определения расходов нетто оросительной сети при поверхностном способе полива является график гидромодуля, построенный в результате разработки режима орошения сельскохозяйственных культур. По максимальной и минимальной ординатам графика гидромодуля находят максималь­ный и минимальный расходы нетто в канале, обслуживающем орошаемый участок, для которого составлен график гидромодуля (севооборотный, усадебный, сад, виноградник и др.). Например, для севооборотного канала

Q_нт^max=q^maxF_нт ; Q_нт^min=q^minF_нт; (3.3.8)

где F_нт - площадь нетто севооборотного участка.

На крупных каналах кроме орошения могут быть и другие по­требители воды, тогда соответственно учитывают подаваемые им расходы воды. Перечисленные выше каналы постоянно действуют в течение поливного сезона. Младшие каналы и трубопроводы обычно работают периодически в соответствии с графиком поливов отдельных полей. Расходы старших каналов распределяют на младшие каналы так, чтобы соблюдались сроки и продолжитель­ность поливов, обеспечивалась работа поливной техники, выполнялись технологии поливов, допускались своевременные послеполивные обработки почвы и сельскохозяйственные работы.

При поливе дождеванием расход нетто на севооборотный участок определяют по числу одновременно работающих дождевальных машин. Расходы воды в распределительном трубопроводе, подающем воду к полям, обычно изменяются по участкам трубопровода, и определяют их в случае неблагоприятного расположения машин на участке. Расходы воды в поливных трубопроводах, проходящих по полям, из экономических соображений обычно принимают минимально возможными.

Потери воды из оросительной сети происходят на испарение, фильтрацию в грунт и различные эксплуатационные утечки. Потери на испарение и утечки составляют 4...8 % суммарных потерь, что находится в пределах точности определения потерь, и обычно их не учитывают. В трубопроводах нет потерь воды на испарение и фильтрацию, поэтому для трубчатой сети принимают запас (1...3 %) на случайные утечки.

В каналах основной объем потерь воды идет на фильтрацию в грунт через дно и откосы канала. Фильтрационные потери зависят от водопроницаемости грунта, размеров и формы поперечного сечения канала, расхода воды в нем, глубины уровня грунтовых вод или водоупора под каналом. Расчетные формулы для определения фильтрационных потерь на единицу длины канала приведены в справочной литературе.

Потери оросительной воды снижают эффективность использо­вания водных ресурсов. Полезное использование воды оценивают коэффициентом полезного действия оросительной сети (КПД):

η=Q_нт/Q_бр. (3.3.9)

В Q_бр должны быть учтены потери воды во всех одновременно действующих элементах сети.

Для отдельных элементов сети КПД составляет: для временных оросителей - 0,95...0,96; для выводных борозд и передвижных трубопроводов - 1; для стационарных трубопроводов - 0,98...0,99; для младших внутрихозяйственных (участковых) каналов в бетонированном русле - 0,97...0,98; в земляном русле - 0,9...0,92; для лотковых каналов на 1 км длины - 0,98...0,99. Для оросительной сети, состоящей из элементов разного порядка, КПД равен произведению КПД составляющих элементов.

В зависимости от протяженности для открытой сети с противофильтрационными мероприятиями ориентировочно КПД = 0,8...0,85, для трубчатой сети - 0,96...0,97.

Размеры поперечных сечений элементов оросительной сети определяют гидравлическим расчетом, для чего необходимы: расходы воды, уклоны каналов, отметки поверхности воды в них для обеспечения командования, требуемые напоры на водовыпусках из трубчатой сети, заложение откосов каналов, коэффициенты шероховатости русл и труб.

Для постоянно действующих каналов в земляном и облицованном руслах расчетными расходами воды являются нормальные, форсированные и минимальные. Нормальным называют максимальный расход брутто в начале рассчитываемого канала или участка, полученный исходя из максимальной ординаты графика гидромодуля. По нормальному расходу определяют размеры поперечного сечения, проверяют скорости воды, проектируют вертикальное сопряжение элементов сети.

Форсированный расход

Q_форс= Q_нормК_форс; (3.3.10)

где К_форс - коэффициент форсирования (запаса), определяемый нормативами.

По форсированному уровню воды в канале назначают высоту дамбы или глубину каналов.

Минимальным считают расход брутто, полученный расчетом по минимальной ординате графика гидромодуля. По минимальному расходу проверяют условия командования канала на водовыпусках в младшие каналы, если необходимо, устраивают подпорные сооружения.

Для каналов периодического действия расчетными являются нормальные расходы, для всех лотковых каналов - форсированные, для трубопроводов - нормальные.

Заложение откосов каналов зависит от угла естественного откоса грунтов или прочности покрытия канала, и определяют его по справочникам, нормативам или специальными расчетами. Коэффициент шероховатости влияет на скорости движения воды и потери напора и зависит от материала и состояния русла канала или трубопровода. Значения его приведены в справочниках.

Гидравлические расчеты каналов и трубопроводов проводят по формулам равномерного установившегося движения воды. Скоро­сти течения воды в каналах и трубопроводах должны быть в допустимых пределах: v_min < v < v_max. Минимальный предел скорости установлен для предотвращения процессов зарастания и заиления. По условию зарастания русл каналов v_min = 0,3 м/с. Предел скорости по условию заиления зависит от крупности наносов, содержащихся в воде. Для определения скорости начала осаждения наносов сравнивают мутность воды (содержание наносов в единице объема воды) и транспортирующую способность потока (количе­ство наносов в единице объема воды, которые может транспортировать поток без их осаждения). Транспортирующую способность потоков определяют по формулам, приведенным в справочниках.

Для каналов минимальная скорость составляет 0,3...0,5 м/с. Для трубопроводов обычно принимается v_min = 0,8 м/с.

Максимальную допустимую скорость в земляных руслах принимают из условия неразмываемости грунта. Для различных грун­тов эти скорости приведены в СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения» [41], в учебных и справочных изданиях [11, 26, 29, 48, 49 и др]. В облицованных и лотковых каналах максимальная скорость воды ограничена усло­вием спокойного течения на поворотах и водовыпусках, обычно принимается V_max = 6 м/с.

В трубопроводах максимальная скорость ограничена опасностью гидравлического удара и допустимыми потерями напора в трубчатой сети.

Необходимые напоры в сети могут образоваться за счет понижения местности по трассам трубопроводов. Такие трубчатые сети или отдельные трубопроводы называют самонапорными. В противном случае необходима насосная станция.

В период эксплуатации оросительной сети при нарушениях проектных условий или недостаточно детальном учете условий при проектировании возможны нарушения формы и размеров по­перечных сечений каналов - деформации. Наиболее часто различные деформации происходят на каналах в земляном русле: заиление, зарастание, размыв, оползание и обрушение откосов, просадочные явления.

Заиление возможно при малых скоростях и большой мутности воды. Если при проектировании канала невозможно обеспечить достаточные уклоны и скорости, то в период эксплуатации требуется очистка каналов от наносов, т. е. выполнение больших объемов работ. Возможно также понижение мутности воды путем устройства в начале оросительной сети бассейна-отстойника или перехвата наносов в конструкции головного водозаборного сооружения.

При зарастании дна и откосов канала в период эксплуатации необходимо косить или сжигать (что нежелательно) растительность, применять ядохимикаты (что тоже нежелательно), раз­водить травоядные виды рыб. Последний способ приносит двойную пользу, но требует изменения режима работы канала. Применение покрытий и экранов, при устройстве которых ос­нование обрабатывают гербицидами, также предотвращает зарастание каналов.

Размывы русла можно предотвратить, если при проектировании уменьшить уклоны (путем устройства перепадов, быстротоков), предусмотреть облицовку канала или искусственную шероховатость русла.

Обрушения и оползания откосов происходят из-за нарушения угла естественного откоса грунта, из-за неоднородности грунтов по трассе каналов. Для предотвращения таких деформаций устраивают более пологие откосы, что увеличивает ширину канала по верху, или крепят откосы. Просадки грунтов проявляются в виде неравномерных осадок и трещин при увлажнении лёссовых грунтов. При строительстве каналов и сооружений на лёссовых грунтах нужны надежные противофильтрационные меры, предварительное замачивание грунта перед строительством, замена лёссового грунта на устойчивый, изменение размеров сечений и сооружений с учетом будущих просадок.

При выборе конструкций и расчетах каналов большое внимание уделяют снижению фильтрационных потерь из каналов, повышению их КПД. Отрицательные последствия таких потерь: излишние затраты воды, увеличение подаваемых расходов и размеров поперечных сечений каналов и сооружений, опасность подъема уровня грунтовых вод, заболачивания и засоления земель. Снизить фильтрационные потери из каналов можно, уменьшив водопроницаемость грунтов путем их уплотнения, кольматации, химической обработки, пропитывания битумом и др. Против фильтрации широко применяют облицовки и экраны, замену при реконструкции каналов в земляном русле на лотковые или на трубопроводы. При эксплуатации оросительной сети снижению потерь воды способствует четкое соблюдение планов водоподачи.