1. Осушительные мелиорации

Цель осушительных мелиорации - регулирование водного режима земель, испытывающих постоянное или периоди­ческое переувлажнение в связи с застоем воды на поверхности или высокого стояния уровня подземных вод, препятствующее эффективному исполь­зованию земель.

Осушение заключается в недопущении поступления или в обеспечении своевременного отвода избыточной воды из расчетного слоя почвы и грунта, позволяю­щих регулировать водный и связанные с ним воздушный, тепло­вой и питательный режимы.

В качестве примеров осушительных мелиораций приводится расчет общего дренажа - горизонтальной осушительной системы и местного – расчет вертикального кольцевого дренажа (практические работы 1 и 2).

Практическая работа №1 проектирование горизонтальной осушительной системы

Осушительная система — это комплекс природных, хозяй­ственных и инженерно-технических элементов, предназначенный для регулирования водного режима на переувлажненных землях.

Осушительные системы разделяют по конструкции элементов сети (закрытые, открытые, комбинированные); по размещению на территории (систематические, выборочные, ограждающие) и т.д.

Осушительная система состоит из регулирующей, проводящей, ограждающей сети; дорог; гидротехнических сооружений; природоохранных сооружений и устройств; средств связи, контроля и управления; производственных и жилых зданий и построек службы эксплуата­ции.

Регулирующая сеть (рис.1.1) собирает поверхностные и (или) грунтовые воды с осушаемого участка, ог­раждающая перехватывает поверхностные и подземные притоки воды на участок извне, проводящая сеть предназначена для приема воды, поступающей из регулирующей и ограждающей сетей.

Рис. 1.1. Принципиальная схема осушительной системы

1 – ловчая или нагорная канава (ограждающая сеть); 2 – дрены или осушительные канавы (регулирующая сеть); 3 – коллектор или сборный канал (проводящая сеть); 4 – водоприемник

Ограждающая сеть

Проектирование осушительной системы начинается с трассировки ограждающей сети для исключения возможности поступления вод извне на осушаемую территорию.

Для перехвата грунтовых вод применяют ловчие каналы, головные и береговые дренажи или ряд ограждающих вертикальных скважин. Для перехвата поверхностных вод устраивают нагорные каналы (канавы).

В практической работе выполняется проектирование нагорного канала для перехвата поверхностного стока.

Поверхностный сток формируется обычно как атмосферными осадками, так и водами, поступающими извне по склонам сложившейся выше сети естественных водотоков. Задачей организации отвода поверхностного стока является исключение возможности поступления поверхностных извне и создание сети на самой территории, обеспечивающей сбор и сброс поверхностных вод в водоприемник. Нагорные каналы располагают обычно вдоль границы защищаемой территории с нагорной стороны, или по «верхним» границам с выводом в проводящие каналы или непосредственно в водоприемник.

Если площадь водосбора каналов не превышает 200 - 250 га, или расходы не больше 0,5 м³/с, то размеры канала принимают конструктивно, поперечное сечение - трапецеидальное, ширина по дну - 0,25 ÷ 0,5 м, глубина – 1,0 м, минимально-допустимые уклоны 0,0005 для песчаных грунтов, 0,003 для суглинков и 0,005 для глинистых грунтов, коэффициенты заложения низового откоса назначают в соответствии с общими рекомендациями для осушительных каналов [11]. При большой водосборной площади размеры канала определяют исходя из пропуска расчетного расхода воды, а поперечное сечение назначают в зависимости от характеристик грунтов по трассе.

Верховой откос и часть прилегающей территории засеваются травами для защиты от размыва, между распаханным водосбором и каналом практикуется посадка кустарника. Грунт, вынимаемый из канала, укладывают в кавальер с низовой его стороны, что защищает осушаемую территорию от затопления при переполнении канала.

Основные принципы трассировки нагорного канала состоят в следующем.

Нагорный канал должен проходить вдоль границы защищаемой территории в выемке или полувыемке по границе территории с нагорной стороны (рис.1.2)

Рис.1.2. Схема осушения территории

1 – осушаемая территория; 2 – нагорная канава; 3 –устье

Продольный уклон канала должен удовлетворять условию:

где V_доп - допускаемая скорость течения воды в канале, м/сек;

R - гидравлический радиус, м:

где: ω - площадь живого сечения канала, м²;

χ - смоченный периметр, м:

где: h - глубина в канале

m - заложение откосов канала.

С - коэффициент Шези, определяемый по формуле:

где n - коэффициент трения;

у - показатель степени, определяемый по формуле Н.Н. Павловского:

при R > 1 у = 1,3 ; при R < 1 у = 1,5 .

Величины коэффициентов трения n при расчете мелиоративных систем рекомендуется принимать по СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения» в зависимости от типа грунтов и вида покрытия [11] (Табл.1-4 Приложения 2).

При выборе уклонов канала необходимо соблюдение условия незаиляемости и неразмываемости русла, которое формулируется следующим образом: скорость течения воды в канале должна быть не менее минимальной незаиляемой скорости и с другой стороны не более максимальной неразмываемой скорости, то есть

V_нзл<V_доп<V_нрз

где: V_нзл - незаиляющая скорость;

V_нрз - неразмывающая скорость.

Величину незаиляющей скорости V_нзл м/с, вычисляют по формуле СНиП 2.06.03-85 [11]:

V_нзл = 0,3 R^0,25,

где R — гидравлический радиус канала, м.

Значение неразмывающей скорости определяются по СНиП 2.06.03-85, в практической работе можно принять в зависимости от вида грунта или типа покрытия по рекомендациям М.Н.Грацианского [2] (Табл.4 Приложение 2).

Уклоны дна каналов принимают, в среднем, в зависимости от рельефа местности, в соответствии со СНиП [11] не менее 0,0003, при осушении безуклонных территорий допускается 0,0002.

Поперечное сечение назначается в зависимости от свойств грунта на трассе: трапецеидальное - в мягких устойчивых грунтах (песчаных, суглинистых, глинистых) или прямоугольной формы - в скальных породах без облицовок, в слабых грунтах в виде лотка из железобетона. Форма поперечного сечения канала должна отвечать максимальной его устойчивости, наибольшему значению гидравлического радиуса и наибольшей пропускной способности.

Анализ многочисленных измерений поперечных сечений показал, что наиболее устойчива криволинейная форма сечения, близкая к параболической. Однако параболическая форма сечения канала не всегда гидравличе­ски выгодна, экономически целесообразна. Поэтому трапецеидальная форма сечения получила наибольшее распространение в строительстве нагорных каналов.

В практической работе русло нагорного канала принимаем трапецеидальным (рис.1.3).

Рис.1.3. Трапецеидальная форма поперечного сечения канала

Поперечное сечение канала следует рассчитывать как наиболее гидравлически наивыгоднейшее, т.е. такое в котором смоченный периметр при данном расходе Q_к был бы минимальным. Наибольшая пропускная способность, отвечающая гидравлически наивыгоднейшему сечению, определяется для трапецеидального русла соотношением ширины к глубине и зависит от заложения откосов m [11]:

Уклоны откосов в зависимости от грунтов характеризуются величи­ной m.

m = ctgα,

где α - угол наклона откоса.

Коэффициент заложения откосов проводящих каналов можно принять в соответствии с табл.5 Приложения 2.

Ширина по дну принимается с учетом СНиП [11], табл.14 Приложения 2, а также в зависимости от землеройной техники, с применением которой рекомендуется проводить работы.

Высоту бровки над расчетным уровнем воды задают в соответствии с табл.12 Приложения 2.

Выпуск из канала воды должен быть самостоятельным и не под­ключаться к выпуску воды из дренажа во избежание засорения и заиления коллекторов.

Осушительные каналы выполняются в зависимости от устойчивости откосов без крепления или крепятся задерновкой (посев многолетних трав), гравелистой отсыпкой в дерновые клетки слоем 10 см по откосам канала, железобетонными плитами, монолитным железобетоном, современными геосинтетическими материалами.

В практической работе принимаем крепление задерновкой.

Гидравлический расчет нагорного канала

1. Определение расхода канала

Расчетными максимальными расходами будут расходы половодья или дождевых паводков, в зависимости от наибольшей величины максимального расхода, стекающего с площади водосбора. Расчет следует проводить в соответствии с СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик» [13]. Для поверочных расчетов могут быть использованы различные эмпирические формулы для расчета стока данного района.

В практической работе рассматривается проектирование нагорного канала для защиты территории от поверхностного стока в половодье. Расход воды в нагорном канале для поверочных расчетов определим по формуле:

Q_к=qF_к, (м³/с);

где F_к - площадь водосбора, канала до расчетного створа, м²;

q - модуль поверхностного стока, расчетной обеспеченности периода половодья, м³/с с км.

Модуль поверхностного стока - q - количество воды, стекающее с единицы площади в единицу времени зависит от величины площади водосбора, его уклона, озерности, заболоченности, залесенности. Модуль поверхностного стока может быть определен по различным эмпирическим формулам, по региональным картам, по рекам-аналогам для данной территории. Наиболее предпочтительно определение модуля поверхностного стока по рекам-аналогам, сведения о которых можно получить по справочникам, таким как «Ресурсы поверхностных вод. Основные гидрологические характеристики», в которых приводятся сведения о наблюдениях за стоком рек данного региона.

В практической работе принимаем q_пов=6 л/с га ( q = 0,006 м³/с∙га).

2. Определение глубины канала

Определение глубины канала выполняем методом подбора в следующем порядке:

задаемся глубиной в канале - h_i = 0,2 м;

определяем площадь живого сечения канала по формуле:

, м²;

- находим величину смоченного периметра по формуле:

, м;

- определяем гидравлический радиус, как отношение:

, м;

- определяем модуль расхода при глубине h_i:

, м³/с.

Все вычисления сводим в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Таблица определения площади поперечного сечения канала

Глубина наполнения, h м	Площадь поперечного сечения, ω м2	Смоченный периметр χ, м	Гидравлический радиус, R м	Модуль расхода К м3/с
0,2
0,4
…
1,0

По полученным значениям таблицы 3 строим график зависимости модуля расхода от глубины в канале (рис.1.4).

3. Определение скорости течения воды в канале

Скорость движения воды в канале определяется как отношение:

; м/с.

Как было отмечено выше, скорость движения воды в канале должна удовлетворять условиям незаиляемости и неразмываемости.

В практической работе подберем уклон нагорного канала, при котором канал будет считаться устойчивым против заиления и размыва.

Рис.1.4. График зависимости модуля расхода от глубины в канале

Расчет скоростей выполняем следующим образом:

- задаемся уклоном канала в диапазоне 0,0005 < i < 0,001;

- определим значения модуля расхода по формуле

, м³/с; для значения i=0,0005;

- по графику зависимости модуля расхода от глубины в канале определяем глубину h_к, м;

- определяем площадь сечения – ω, м²;

- определяем скорость течения воды в канале – V_к , м/с;

- если полученная скорость течения воды в канале находится в диапазоне

V_нзл < V_к < V_нрз,

расчет прекращаем, если нет, выбираем следующее значение i=0,0006 и повторяем расчет скорости V_к и т.д. до получения значения V_к, удовлетворяющего условиям неразмываемости и незаиляемости.

В практической работе проектируем крепление канала посевом многолетних трав по откосам.

Выбранную конструкцию канала (рис.1.3) нужно вычертить в масштабе в формате AutoCAD.