Подбор состава дренажа и оценка использованного фильтрующего материала

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 631.41: 628.8: 631.6                              

В настоящее время самым распространенным способом осушения и рассоления сельскохозяйственных земель является горизонтальный трубчатый закрытый дренаж. Правильно с проектированный и качественно построенный дренаж очень долгое время работает не требуя дополнительных капитальных затрат на очистку и эксплуатационный ремонт. В качество примера можно привести, дренажную систему Муганской опытно– мелиоративной станции, построенную в 1931 г., и которая до сих пор работает нормально и засоленные почвогрунты и грунтовые воды территории станции полностью опреснены. Однако, в мелиоративной практике известно много случаев, когда после строительства трубного дренажа он не обеспечивает своевременного отвода грунтовых вод, дает перебои в работе и заново реконструируется.

Практика и специальные исследования показывают, что одной из причин выхода из строя и уменьшения эффективности дренажной сети является ее заиление [1–3]. К факторам заиления дренажа относятся: большие градиенты потока фильтрации вблизи дрены, неправильный выбор фильтрующий обсыпки, некачественное строительство, недостаточный уклон дренажных линий, малая скорость движения воды в дренах, нарушения технологических процессов и т. д.

Несмотря на то, что заиление дренажа нежелательное и широко распространенное явление проектные и строительные организации на это особого внимания не обращают. В мелиоративных проектах по гранулометрическому составу фильтрующего материала не выделяют их значения, не предоставляются сведения о том, как фильтрующий материал используется в несортированном состоянии в виде гравийно–песчаной смеси из близко расположенных речных карьеров. Это приводит к заилению дренажных линий в кратчайшем времени и даже в начальные этапы эксплуатации.

Объектом исследования являются песчаные грунты 0–5 метрового слоя почвогрунтов Зардобской зоны Прикуринской полосы Ширванской степи Азербайджанской Республики и песчано–гравийные материалы Турьянчайского карьера, использованные при строительстве дренажа в качестве фильтрующего материала.

Методика исследования

Расчетный состав дренажного фильтрующего материала определен на основе инструкции по проектированию гидротехнических сооружений (1965  г.) и норм проектирования (1987 г.) [4–5].

Гранулометрический состав и другие физико-механические сведения о песчаногравийных грунтах Турьянчайского карьера взяты из фондовых материалов института «Азгипроводхоз».

Анализ и обсуждение

Литологическое строение почвогрунтов и суффозионная характеристика не связанных песчаных грунтов Зардобской зоны Прикуринской полосы Ширванской степи определены на основе литологических разрезов заложенных на глубину 5 м на территории построенного дренажа [3, 6].

Для этого 5 метровые разрезы сгруппированы следующим образом: разрезы с песчаными слоями, разрезы с супесными слоями; разрезы с песчаными и супесчаными слоями; разрезы, состоящие из суглинка на всю глубину; разрезы состоящие из глино– суглинистых слоев.

Литологические разрезы распространены по равнине равномерно и распределение разрезов по группам представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

ЛИТОЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ 5 МЕТРОВЫХ РАЗРЕЗОВ ЗАРДОБСКОЙ ЗОНЫ ПРИКУРИНСКОЙ ПОЛОСЫ ШИРВАНСКОЙ СТЕПИ

Объект		£ s gS $ §	s g § ^ §	ill til	Sag ® § 5 s й s Й t - q S <3 > S Й и S	^ S'	s s	u s S ~ « s s
Прикуринская полоса	34442	139	26	58	41			14
Ширванской степи		100	18,7	41,7	29,5			10,1
Примечание: в знаменателе количество случаев, в числителе %.

Как видно из Таблицы 1 в Прикуринской полосе состоящей из аллювиальных отложений из общего количества разрезов (139 шт. 18,7%) являются песчаными слоями, 41,7% — супесчаными, а 29,5% — песчано–супесчаными прослойками.

Неучаствующие не связные песковыми и супесковыми слоями количество разрезов составляет всего 14 шт. или 10,1%.

В Прикуринской полосе толщина песчаного слоя в разрезах меняется от 0,5 м до 5,0 м.

В 10% разрезов толщина песчаного слоя — 0,5 м, 20% — 1–2 м, 38% —2 м, а 5% — 4 м. Средняя толщина песчаного слоя составляет 1,67 м.

Коэффициент неоднородности песчаных грунтов меняется от 2 до 100, они практически суффозируюшие и диаметр частиц меняются от 0,005 мм до 0,05 мм, а их количество варьирует от 2% до 35%.

Дренажный фильтр (обсыпка) является одним из основных элементов дренажной призмы. Он защищает дрены от заиления и создает условия для поступления потока грунтовых вод в дрены подобно аналогичной работе «идеальных» дрен.

Таблица 2.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ЗАРДОБСКОЙ ЗОНЫ ПРИКУРИНСКОЙ ПОЛОСЫ ШИРВАНСКОЙ СТЕПИ

Диаметр частиц грунта, мм__________ 77r   △ Yr mr ^3 N Суффози- dmin d3 d10 d17 d50 d60    dmax ^17 онные свойства Село Шыхбагы 0,001 0,001 0,006 0,011 0,025 0,032   1,0    5,3   2,75 1,68 0,39 0,09N 0,18 подверга- ются суффозии

В качестве дренажной обсыпки применяют песок, песчано–гравийную смесь, раздробленные камни (щебень) и др. Кроме перечисленных материалов используют и материалы из искусственных минеральных волокон (сизы, битум, дорнит и др.). По техническим условиям к дренажным покрытиям (обсыпкам) основные требования нижеследующие: гранулометрический состав дренажного покрытия не должен подвергаться суффозии; коэффициент неоднородности дренажного покрытия должен быть больше 10; водопроводимость дренажного покрытия должна обеспечить следующее условие:

Ks ≥ (5 ÷ 20)Kq,                                          (1)

где, Ks и Kq — коэффициенты фильтрации дренажной покрытия и дренирующего грунта.

Малое значение (5) применяется при дренировании не связанных грунтов, а большое

(20) при дренировании связанных грунтов. Толщина дренажного покрытия (Т) должна быть:

T=(5-7) D85                                         (2)

где, Д85 — диаметр частиц в составе грунта по массе до 85%. В процессе работы для горизонтального дренажа толщины покрытия принимается не меньше 10 см. В составе фракций дренажной линии количество частиц диаметром меньше 0,1 мм не должно превышать 3–5%.

Выбор гранулометрического состава фильтрующего материала дренажного покрытия проводится в зависимости от характеристики возможных фильтрационных деформаций между дренируемыми грунтами и дренажным покрытием.

Для песчаных и гравийных грунтов такая деформация может быть перфорация и суффозия, а для связанных грунтов с числом пластичности больше 3,0 может быть деформация послойного выделения и поэтому способы выбора состава фильтрационных покрытий для не связанных песчано–гравийных и связанных глинистых грунтов различные. Несмотря на этом, при строительстве мелиоративных дренажных линий, где встречаются песчаные грунты, они могут быстрее заилять дрены. Поэтому на основании литологического строения грунтов мелиоративных объектов выбирается «расчетный грунт». В аллювиальных обложениях Зардобской зоны широко распространены песчаные грунты.

В территориях хозяйств Зардобской зоны Прикуринской полосы Ширванской степи в верхней 5-метровой почвогрунтовой толще песчаные слои характеризуются нижеследующими сведениями: диаметр частиц грунта d min =0,001 мм, d 3 =0,001–0,005 мм, d 10 =0,006–0,06 мм, d 17 =0,011–0,065 мм, d 50 =0,025–0,15 мм, d 60 =0,032–0,17 мм, d mak =0,25–1,0 мм; коэффициент неоднородности η_q = ^{d 60} = 3 ÷ 10; объемный вес Υ_q = 1,68 - 1,70 q/sm ³ удельный вес ∆= 2,61 - 2,75 q/см ³ ; породность m_q = 1 - ^Υ = 0,35 - 0,39; коэффициент фильтрации K_q = 0,012 ^см .

Расчеты состава фильтрующего дренажного покрытия проведены по инструкции ВНИИГиМ имени В. Е. Веденеева для случай критических условии работы дренажного покрытия в период промывки засоленных земель при контакте (связи) фильтрующего покрытия с естественными (природными) песчаными грунтами [4].

Суффозионные способности грунтов определяются ниже следующими зависимостями и представлены в Таблице 2:

d 3     0,001

Для первого грунта:   ³ =     = 0,09 < N

6      mr                                 0,39

N = (0,32 + 0,16ηq) 6√ηq    r = (0,32 + 0,016 ∙ 5,3)6√5,3         = 0,33

1 - mr                          1 - 0,39

Если -d³ = 0,09 < N = 0,33, значит, данным грунт подвергается суффозию. Таким же ^d 17

способом определены суффозионные способности остальных грунтов.

Возможный максимальный процент выхода (по геометрическому критерию) из грунта подверженной суффозии определяется по нижеследующему (расчет произведен для подверженной грунта взятого из территории село Делигушчу). Максимальный диаметр (d m^aks ) фильтрационной по разности грунта определилась по зависимости:

dmaks=^c—d17

где х — коэффициент непорядочности строение частиц грунта или коэффициент локальности суффозии.

X = 1 + 0,05р = 1 + 0,05 • 8,7 = 1,44

С= 0,455^ = 0,455 • V87 = 0,66

,          m                       0,35

dmaks = ХС-----d17 = 1,44 • 0,66 • -----— • 0,045 = 0,023 mm

1 — m                1 — 0,35

Максимальный величина (d ^^ ) частиц возможного выхода из грунта определяется по формуле.

X, = 0,7 • dmaks = 0,77 • 0,023 = 0,018 мм                             (4)

В данном грунте количество частиц диаметром меньше 0,018 мм составляет 8% и поэтому это грунт можно считать суффозионным.

Зная диаметр частиц фильтрационного покрытия дрены, коэффициент фильтрации грунта, контактирующего с дренажным покрытием и поток воды, поступающий на 1 пог. м дрены, можно определить градиент фильтрационного потока поступающий в дрену:

mak _ Q p       F-K, где Jpmak — максимальный градиент фильтрационного потока на месте входа потока в дрену; F — фильтрационная поверхность дрены; Q = q • B количество воды поступающий в дрену, см3/сек; расчетный дренажный модуль, л/сек/га; K — коэффициент фильтрации грунта, см/сек.

В период промывки дренажный модуль составил q = 0,85л/сек/га, междренное расстояние B=400 m и расход воды поступающий на 1 пог. м дрены составляет Q=34 см3/сек. Смоченный периметр песчано–гравийного дренажного покрытия по проектным материалом 180 см, а водоприемная площадь составляет F=18000 см2.

Тогда,

^ = 18000 • 0,008 = 0 24

Для определения диаметра аркообразующих частиц в составе грунта необходимо вычислить размеры частиц выносимым потокам фильтрации данного градиента напора по формуле:

d ci =

e<7 p^maks

φ 0 √

mq ∙ ℊ VK_r

где φ0 — коэффициент критической скорости

φ o

= (0,60 ^{γ q} -γ s

1)φ∗ sin(

0 ⁰ 30 ^o +₈)

φ∗— определяется по графику, φ∗ = φ(η, m) или

φ ∗ = 0,82 - 1,8 m + 0,0062(η -η c ) = 0,82 - 1,8 ∙ 0,35 + 0,0062(8,7 - 5) = 0,20

θ — угол между направлением фильтрации и силу тяжести, θ = 0o m — порозность грунта

φ o

1,64

0,60(    -

0,20 sin

(30 o +⁰8 ⁰ )

= 0,64

γ — коэффициент кинематической вязкости; ℊ — ускорения свободного падения; β — коэффициент критической скорозапаса, β = 1 - 1,5

d ci =

ej p”^aks

φ 0 √

mq ∙ ℊ VK_r

1,5 ∙ 0,24

= d =               = 0,054 мм ci           0,35∙981

0,04√0,01 ∙ 0,012

Гранулометрический состав грунта определяем по графику, количество таких частиц в грунте изменяется в пределах 20% > 3%. В таком случае dci определяется по следующей зависимости dchres = B ∙ d3

где B=3-8 — коэффициент учитывающий размеры пор в зависимости от построения частиц грунта.

Принимая B=8, определяя d3 = 0,012 мм по графику получаем dcr = 8 ∙ 0,012 = 0,10 мм

Принимая коэффициент неоднородности грунта η ɸ = 10, по зависимости m_∅ = #(П ф )из графика определяем m $ = 0,37.

Согласно следующей зависимости определяем диаметр (D17) частиц фильтрующего грунта:

1    1 - msüz

¹⁷    0,252⁶√10  m süz ∙d

D

∙ 0,2526√10

1 - 0,37

∙ 0,1 = 0,46 мм

0,37      ,       ,

Гранулометрический состав не подвергающегося суффозии грунта определяем по следующей зависимости (М. Павчич):

D i    _tf P i V n suz -1

D min         P 10      5ⁿ suz

X = 1 + 1,2    1дпф = 1 + 1,28 • lg10 = 2,28

где Pi — количество в % частиц в грунте с диаметром меньше Di; Dmin — минимальный диаметр частиц в фильтрующем слое. P10 = 10

Определяем D min по зависимости (10 ) и по D 17 =0,46 мм,

D ■ = min =

_____D17_____

1 + (0,1 • Pi7)x

0,46

10-1 1 + (0,1 • 17)2,28 1011

0,29 мм

D min = 0,29 ^mm, П = 10 и x=2,28 зная этих значений по формуле (10) получаем

Di = 0,29 + 0,052 ( 0,1 •Pi)2,28

Задавая различные значения P i =10 ... 20 ... 100 определяем D i - в (мм) (Таблица 3). По этим сведениям кривую (график) гранулометрического состава фильтрующего покрытия дрены не подвергающегося суффозию.

Таблица 3.

РАСЧЕТНЫЙ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА (мм)

Di0	D20	D30	D40	D50	D60	D70	D80	D90	D100
0,34	0,54	0,93	1,62	2,85	3,41	4,71	5,70	7,79	10,10

По существующим нормативным документам в составе фильтрующего материала дренажных фильтров количество частиц диаметром d<0,1 мм не должно превышать 3–5%.

Коэффициента фильтрации   (К0)   дренажного фильтра определяем по экспериментальной зависимости М. Павича.

^ф =

3,99 ^З Г-   ^3    2

V ^s(1-ms)2Dr

где (р-1 — коэффициент учитывающий форму и поверхности частиц. Для песчаногравийных грунтов р 1 = 1.

3,99 •13/_   0,373

^кф = Л^Т ⁷¹⁰ (T-W °'⁰⁴6 ² = 0,^{135 см/сек}

Ks0,135

— == 11

Kq0,012

По условию устойчивости фильтрации толщина дренажного покрытия должна быть Т > (5 ^ 7)D85; а для предлагаемою фильтрующего материала Т = (5 ^ 7)8 = 4-6 см.

Таким образом, по условию устойчивости фильтрации толщина фильтрующего покрытия не должна быть меньше 6 см, однако учитывая производственные условия для горизонтальных трубчатых дрен эта толщина принимается не меньше 10 см.

Размеры водоприемных отверстий дренажных труб определяется и принимается по экспериментальной зависимости С. К. Абрамова [5]:

[(g)

• а)    для круглых отверстий (в случае диаметр, p_s > 2)

D otb = (3 - 4)D₅ o                                           (13)

• b)    для щелеобразных (ширина щелей, ^_s >  2)

t_y = (1,5 - 2)0₅ о                                          (14)

где D50  — средний диаметр частиц фильтрующего грунта. По кривой гранулометрического состава D50 = 2,35 мм, тогда в дренажной линии ширина водоприемных щелей составляет ty = (1,5 - 2)35 = 3,42 - 4,5 мм

Это означает, что при расположении дренажных труб впритык, условие (требование) непопадания частиц дренажного покрытия во внутрь дренажных линий обеспечивается.

При сравнении расчета гранулометрического состава дренажного фильтра и состава фактической песчано–гравийной смеси, используемой при строительстве дренажа установлено определяем, что природный Турианчайский карьерный грунт нельзя использовать как фильтрующее дренажное покрытие (обсыпки) без сортировки. Поэтому для использования этого материала в качестве как дренажного фильтра необходима его сортировка и выделении из состава частиц диаметром более 20 мм (40% по массу).

Выводы

Гранулометрический состав дренажного фильтра подбирается по расчету согласно существующим методическим показателем соответствия свойствам и грунтов мелиорируемого объекта. Состав фильтрующего материала используемого в мелиоративной практике состоит из частиц диаметром 0,1…10 мм и толщина фильтрующего материала не меньше 5–10 см. В этом случае обеспечивается надежная работа дренажа при использовании траншейных дреноукладочных машин.