Чернишевська Л.Ю. Оптимізація водоощадливих конструкцій каналів зрошувальних систем з урахуванням грунтової основи

Краткое содержание

У першому розділі “Аналіз протифільтраційної ефективності сучасної зрошувальної мережі каналів” проаналізовано еколого-меліоративний стан зрошуваних земель півдня України, роботу характерних типів конструкцій протифільтраційних облицювань і методи їх розрахунків; виконано аналіз стану сучасної мережі відкритих зрошувальних каналів, досліджень фільтраційних утрат із облицьованих і необлицьованих каналів, сформульовано мету і задачі досліджень.

Фільтраційні втрати води із каналів є одним із негативних впливів меліорації на зрошувані землі. Вони зменшують коефіцієнт корисної дії зрошувальних систем, потребують більших розмірів каналів, збільшують водозабір із джерела зрошення, матеріальні та енергетичні витрати в процесі будівництва і експлуатації каналів.

Аналіз сучасного технічного стану зрошувальних каналів і зміни еколого–меліоративного стану зрошуваних земель під впливом фільтрації із каналів показав, що в багатьох випадках вони незадовільні: багато постійних каналів проходить у земляному руслі без облицювання або мають неефективні конструкції облицювання і під впливом фільтрації піднімаються РГВ, відбувається підтоплення, заболочування, засолення земель.

Питаннями фільтрації займались теоретично і експериментально багато вітчизняних і зарубіжних учених. Найбільший розвиток теорії фільтрації припав на 50–60-ті роки, коли розпочалось будівництво великих гідромеліоративних систем.

Але конструкції каналів зрошувальних систем застосовували з врахуванням лише витрат води каналів, без врахування впливу грунтів на протифільтраційне облицювання в процесі експлуатації. Методи розрахунків конструкцій ПФО також не враховували дію грунтів на протифільтраційне облицювання.

На основі аналізу публікацій про планування експерименту зроблено висновок, що при проведенні натурних досліджень роботи каналів в різних грунтах необхідно використати плани багатофакторного експерименту.

Для оптимізації водоощадливих конструкцій каналів розроблено критерії оптимальності конструкцій каналів (коефіцієнт протифільтраційної ефективності облицювання, показник екологічної безпеки каналів, фільтраційні опори облицювання, оптимальні параметри ущільнення грунтової основи), дотримання яких забезпечує мінімальні фільтраційні втрати і екологічну безпеку каналів залежно від грунтових умов.

Комплексний підхід до роботи каналів дав змогу зробити висновок, що при проектуванні, будівництві, експлуатації каналів потрібно розглядати спільну роботу облицювання і грунтової основи, що реалізовано в дисертації.

У другому розділі “Методика досліджень” викладено методику теоретичних, лабораторних і натурних досліджень, проведених у роботі.

Оптимізацію конструкцій каналів виконано шляхом дослідження в натурних умовах, використання фізичних моделей у лабораторних умовах, адекватних об’єкту, де проходять реальні процеси; математичного моделювання досліджуваних процесів на ЕОМ, аналітичних рішень.

Для теоретичного розв’язування поставлених задач застосували детермінований і статистичний методи. У першому випадку застосовано два способи розв’язування: чисельний (дискретний) і аналітичний.

У дисертації застосовано теорію вологопереносу в ненасичених грунтах для розв’язання задач першої стадії фільтрації із каналів і теорію теплопереносу для розв’язання задач промерзання грунтової основи необлицьованих і облицьованих різними конструкціями ПФО каналів.

На основі аналізу математичних моделей, представлених в роботах С.Ф. Авер’янова,
І.І. Будаговського, В.В. Ведерникова, Л.М. Рекса, О.А. Роде, Р. Слейчера, W. Gargner, I. Widstoe,
E. Buckkingham, A. Klute, I. Philip, L. Richards, N. Collis-George, E. Childs, A. Liakopoulos, автора та інших дослідників, зроблено висновок про те, що одномірна задача переміщення вологи у вертикальному напрямку в умовах першої стадії фільтрації із каналів в ненасичених грунтах при постійній температурі описується нелінійним диференціальним рівнянням у часткових похідних другого порядку параболічного типу:

(1)

за відповідних крайових умов на межі області зволоження.

Тут W – вологість грунту, K(W) – коефіцієнт капілярної водопровідності, D(W) – коефіцієнт дифузії, t – час, z – вертикальна координата

У дисертації розв’язано задачі переміщення вологи під дією капілярних, гравітаційних сил у горизонтальному та вертикальному напрямках.

Для розв’язування задачі вільної фільтрації із каналів застосовували наближений аналітичний метод осереднення функціональних поправок (метод Ю.Д. Соколова), апробований нами раніше.

Оскільки від точності визначення коефіцієнтів вологоперенесення залежить точність і достовірність розв’язку, то цьому питанню приділено особливу увагу. У роботі коефіцієнти вологоперенесення визначали за формулами С.Ф. Авер’янова, Гарднера, експериментально в лабораторних умовах за методиками С. С. Корчунова, Г.І. Афанасика і за формулами автора.

Одержано теоретичні залежності для визначення переміщення вологи для умов вільної фільтрації із каналів залежно від часу та водно-фізичних властивостей грунтів, які апробовано в лабораторних умовах на фільтраційному лотоці і в натурних умовах на діючих каналах зрошувальних систем. Розбіжність між теоретичним рішенням і експериментальними даними не перевищує 8-10 %.

У роботі одержано наближені формули для визначення оптимальних параметрів елементів техніки поливу по борознах: тривалості поливу, відстані між борознами залежно від водно–фізичних властивостей грунтів і глибини кореневої системи сільськогосподарських культур за відсутності непродуктивних фільтраційних утрат. Формули отримано на основі спільного розв’язання рівнянь, які описують переміщення води із борозни в грунт у горизонтальному напрямку під дією капілярних сил і у вертикальному напрямку під дією капілярних і гравітаційних сил залежно від деформацій контуру зволоження.

Для визначення фільтраційних утрат для умов підпертої фільтрації із облицьованих каналів застосували метод фільтраційних опорів. При визначенні фільтраційних утрат із облицьованих каналів застосували методику О.Я. Олійника визначення фільтраційних утрат із необлицьованих каналів, доповнивши загальний фільтраційний опір каналів додатковим опором, який ураховує протифільтраційний ефект ПФО каналів:

Ф = Фк + Фобл ,

(2)

де Ф – загальний фільтраційний опір, Ф_к – фільтраційний опір, який ураховує гідродинамічну недосконалість каналу, Ф_обл – фільтраційний опір конструкції ПФО.

У роботі визначено величини фільтраційних опорів Ф_обл для характерних типів сучасних конструкцій протифільтраційних облицювань.

Теоретичні дослідження з розрахунку міцності монолітного бетонного облицювання на набухаючих грунтах включали розробку розрахункової схеми “облицювання – грунтова основа”, вибір розрахункових схем впливу набухання на облицювання, вибір методики розв’язання контрольної задачі, чисельне розв’язування.

Запропоновано новий метод розрахунку міцності облицювання з урахуванням нелінійно-деформованої грунтової основи, який грунтується на методі С.М. Клепікова з застосуванням перемінного коефіцієнта жорсткості С, який визначається за формулою:

С = Р / Sі ,

(3)

            де Р – середнє рівномірне розподілення тиску під підошвою облицювання, S_і –  деформації грунтової основи в і-тій точці.

            У роботі виконано чисельне розв’язання задачі на ЕОМ міцності монолітного бетонного облицювання з грунтовою основою з піщаних і важкосуглинистих грунтів.

У дисертації представлено чисельне моделювання задачі промерзання грунтової основи каналів з різними конструкціями облицювань, що описується рівнянням:

(4)

за відповідних граничних і початкових умов для мерзлої і немерзлої зон.

Тут Т – температура грунту, с – об’ємна теплоємність, л_с – коефіцієнт теплопровідності, W_T  –  джерело тепла.

Чисельним методом розв’язано чотири задачі промерзання грунтової основи облицьованих різними конструкціями облицювань і необлицьованих каналів.

Експериментальні дослідження в лабораторних і натурних умовах включали визначення водно-фізичних і фізико-механічних властивостей численних монолітів грунтової основи каналів, ущільнення грунтової основи, дослідження фільтраційних утрат із каналів, дослідження факторів, які впливають на роботу системи “облицювання – грунтова основа”, порівняльна оцінка протифільтраційної ефективності ПФО каналів.

У лабораторних і натурних умовах проведено багатофакторні і, як окремі випадки, однофакторні експерименти. У дисертації застосовано статистичний підхід до планування експерименту, що дало змогу скоротити об’єм експериментів і отримати розрахункові залежності, які адекватно описують досліджувані процеси.

У лабораторних умовах визначено напружено-деформаційні характеристики набухаючих грунтів: відносне набухання, тиск набухання, модуль деформації приладами А.М.Васильєва та компресійними приладами ПНГ.

Детально визначено залежність величини набухання, тиску набухання, модуля деформації від початкової щільності і вологості набухаючих грунтів порушеної і непорушеної структури.

Оскільки в натурних умовах набухання  залежить від:

l = f ( W, rd , T ) ,

(5)

де  l - відносне набухання; r_d – щільність сухого грунту,

то в лабораторії проведено однофакторні експерименти (зі зміною або щільності, або вологості) при постійній температурі, рівній Т = 20^оС. Початкову вологість грунтів змінювали від W₀=5% до W₀=29% через інтервал DW = 2 %. Щільність грунтів змінювали в діапазоні r_d = 1,10 – 2,10 г/см³ через Dr_d = 0,1 г/см³. Планування однофакторних експериментів проводили за методикою
М.М. Гольдштейна.

Досліджено вплив циклів зміни “зволоження – висушування” грунту на величину і тиск набухання. Досліджено 7 циклів перемінного зволоження і висушування грунту на приладі НПГ і лотоці, обладнаному динамометрами ДДГМ-1.

Для перевірки отриманих теоретичних формул фільтрації було проведено за методикою С.Ф. Авер’янова і М.Г. Бугая фізичне моделювання фільтрації на фільтраційному лотоці в лабораторних умовах.

У натурних умовах проведено системні дослідження спільної роботи системи “облицювання – грунтова основа” із заданими будівельними щільністю і вологістю грунтової основи дослідних полігонів і каналів транспортувальної, розподільної і регулювальної мережі, починаючи з будівництва дамб першого дня експлуатації каналів на Татарбунарській, Нижньодністровській, Каховській, Північно-Рогачицькій зрошувальних системах, ПКК, Комсомольській ЗОС у Саратовській області. Будівництво дослідних каналів і полігонів здійснювали трести “Дунайводбуд”, “Укрводбуд”, “Кримводбуд”, “Кримканалбуд”, “Головпівденводбуд”, “Головсередньоволгобуд” під керівництвом лабораторії гідротехніки ІГіМ УААН і безпосередньо автора.

Натурні дослідження носять довготривалий характер і проводяться з 1968 р. дотепер.

Канали мали глибину від одного до восьми метрів, проходили в різних грунтах порушеної і непорушеної структури: лесових суглинках, важких суглинках, вапняках, суміші вапняків з суглинками.

Технологію будівництва дамб каналів розробляли в кожному конкретному випадку безпосередньо при будівництві каналів.

Особливу увагу приділяли розробці нових технологій будівництва дамб каналів із вивітрілих вапняків. Вапняк розрівнювали, дозволожували, ущільнювали на спеціальних картах будівельними машинами. При дослідному ущільненні змінювали вологість грунту, висоту шару насипу, число проходів котків по одному сліду, ущільнюючі механізми. Після кожної серії проходів проводили контроль щільності і вологості ущільненого шару грунту, відбирали проби для визначення гранулометричного складу

Фільтраційні втрати визначали методом ізольованих відсіків. Побудовано 44 ізольованих відсіки різної довжини, на яких досліджено роботу 30 конструкцій ПФО з їхньою грунтовою основою протягом 14 років експлуатації каналів.

Для визначення протифільтраційної ефективності різних конструкцій ПФО застосували метод полігонних досліджень, за яким досліджується конструкція облицювання в цілому, а не окремі її деталі і оцінюється вплив облицювання на рівневий режим грунтових вод. Відсіки обладнано поверхневими і глибинними марками, реперами, п’єзометричними свердловинами, гідрометеорологічними площадками, постами за спостереженням рівнів води, устаткуванням для подачі води у відсіки. Слід сказати, що методику полігонних досліджень ПФЕО використано для виконання програми науково-технічного співробітництва Інституту гідротехніки і меліорації із Бюро меліорації США і позитивно оцінено спеціалістами Бюро меліорації США.

Багаторічні спостереження за деформаціями ПФО і їхньої грунтової основи проводили регулярно протягом кожного року – весною, літом, восени, зимою.

Досліджено зміну стану ПФО в процесі експлуатації з фіксацією розвитку повздовжніх, поперечних і косих тріщин в облицюваннях з монолітного бетону і збірного залізобетонного облицювання з стабілізованою поліетиленовою плівкою і без неї.

Результати багаторічних експериментальних спостережень оброблено методом математичної статистики з визначенням математичних статистик (дисперсія, середньоквадратичні відхилення, мінімальні і максимальні значення, коефіцієнт регресії, коефіцієнт кореляції).

Розрахунок коефіцієнтів поліноміальної моделі і графічну інтерпретацію багатофакторного експерименту проводили за програмами, розробленими М.Н. Цивіним на макромові MATLAB

У третьому розділі ”Дослідження факторів, які впливають на фільтраційні втрати” наведено результати натурних досліджень фільтраційних утрат із необлицьованих каналів і облицьованих різними конструкціями ПФО (монолітним бетонним облицюванням з поліетиленовою плівкою і без неї, збірним облицюванням із залізобетонних  плит НПК і НПВК, монолітним бетонним облицюванням, побудованим бетоноукладальними комплексами “РАХКО”, “АЛЬКОНС”, “ЖЕТКО”) транспортувальної, розподільної і регулювальної мережі, а саме: із магістральних каналів, розподільних каналів, тимчасових зрошувачів, вивідних і поливних борозен на зрошувальних системах півдня України і Росії з врахуванням грунтової основи каналів із грунтів із різною щільністю, що дало змогу визначити фактори, які впливають на величину фільтраційних утрат із каналів.

У роботі дано якісну і кількісну оцінку факторів, які впливають на величину фільтраційних утрат: водно-фізичних властивостей грунтової основи, насамперед будівельних щільності і вологості, наявності і конструкції облицювання, глибини води в каналі, стадій фільтрації, розмірів каналу, режиму роботи каналу, водно–температурного режиму роботи системи “облицювання – грунтова основа”, гідрогеологічних умов.

Досліджено дві стадії фільтрації із каналів: вільну і підперту. При Q_ф ‹ Q_{відтоку} – вільна фільтрація спостерігається при будь-якій тривалості роботи каналу; Q_ф › Q_{відтоку} – підперта фільтрація спостерігається при довготривалій роботі каналу.

Процеси фільтрації із облицьованого і необлицьованого каналів різняться якісно і кількісно.

У фазі поглинання першої стадії фільтрації спостерігаються найбільші фільтраційні втрати із каналів. Ці втрати не впливають на підняття РГВ, але позначаються на розмірах поперечного перерізу каналу. Фаза поглинання спостерігається при першому та наступних заповненнях водою каналів, що має місце при їхньому періодичному функціонуванні.

В умовах підпертої фільтрації втрати води зменшуються (у 3 – 10 разів) і впливають на підняття грунтових вод. Для зменшення фільтраційних утрат рекомендується режим постійного заповнення каналу водою.

Ці два крайні випадки фільтрації із каналів теоретично розглянуто в дисертації.

В натурних умовах на МК КЗС дослідження фільтраційних утрат і динаміки розтікання фільтраційного потоку під руслом каналу проводили в подових важких суглинках, які мають коефіцієнт фільтрації К_ф = 0,002 – 0,003 м/доб. Дослідженнями встановлено, що фільтраційні втрати із МК невеликі: q = 0,0046 м³/доб з 1 м² поверхні каналу, що послужило обгрунтуванням для відмови від застосування ПФО в умовах подових грунтів при проектуванні МК КЗС. Фільтраційні води за 100 діб роботи каналу не досягли РГВ на глибині 20 м, а утворили два водоносних горизонти на даху суглинків важких червоно-бурих з К_ф = 0,002 м/доб.

Фільтраційні втрати із МК КЗОС, який має бетонне монолітне облицювання товщиною
d = 0,15 м, укладене бетоноукладальним комплексом “РАХКО” на суглинки з К_ф= 0,04 м/доб, дорівнюють для умов підпертої фільтрації q = 0,01 м³/доб з 1 м² поверхні каналу. Фільтраційні води за 5 діб досягли РГВ, який знаходився на глибині 15 м. Вплив фільтраційних вод на РГВ зафіксовано на відстані 1 км від каналу і за поливний сезон підняття РГВ становило 0,5 м.

Дослідження фільтрації із розподільних каналів проводили на Р-1 Татарбунарської ЗС,
Р-4 ПРЗС, Р-5-1 КЗС, К-!, К-2, 2К-1 КЗОС.

Результати досліджень на дослідному полігоні каналу Р-1 ТЗС показали, що фільтраційні втрати через бетоноплівкове облицювання у 8 – 10 разів менші, ніж через монолітне бетонне облицювання, і не залежать від щільності грунтової основи. Фільтраційні втрати через бетонне монолітне облицювання залежать від властивостей грунтової основи, в першу чергу від щільності грунтів: чим більша щільність грунтової основи, тим менші фільтраційні втрати.

Дослідження фільтрації із каналу Р-4 ПРЗС, який проходить в суглинках з К_ф = 0,4 м/доб, дно і укоси якого закріплено шаром щебеню товщиною 0,3 м, показали, що фільтраційні втрати змінюються від q = 0,7 м³/доб (на початку роботи каналу) до q = 0,1 м³/доб з 1 м² поверхні каналу (після 2 – 3 років експлуатації каналу). Фільтраційні води досягли РГВ, які знаходились на глибині 7 м, за 3 доби. За 5 років експлуатації каналу Р-4 вплив фільтрації на РГВ зафіксовано на відстані
2 км від каналу. Рівень ГВ біля каналу піднявся на 4 м.

Дослідження, проведені на каналі Р-5-1 КЗС, який має ПФО із монолітного бетону товщиною d = 0,12 м, укладеного комплексом “РАХКО”, і суглинисту грунтову основу з
К_ф=0,01 м/доб показали, що після 5 місяців спостережень величина фільтраційних утрат дорівнює q = 0,004 м³/доб з 1 м² поверхні каналу і при подальшій експлуатації зменшується. Дослідження показали, що за 7 років експлуатації каналу Р-5-1 КЗС РГВ біля каналу змінився лише на 1 м, піднявшись з глибини 21,5 м до 22,5 м.

На розподільних каналах КЗОС досліджено фільтраційні втрати через бетонні облицювання, побудовані бетоноукладальними комплектами “АЛЬКОНС”, “ЖЕТКО”, а також через залізобетонні плити з випусками арматури (плити НПВК).

Результати натурних фільтраційних досліджень представлено на рис. 1, з якого видно, що найменші фільтраційні втрати має монолітне бетонне облицювання, укладене комплектом “АЛЬКОНС”: при товщині d = 0,12 м фільтраційні втрати дорівнюють q = 0,005 м³/доб з 1 м² поверхні каналу. Облицювання із збірних плит НПВК і укладені комплектом “ЖЕТКО” мають великі фільтраційні втрати (відповідно q = 0,06 і q = 0,043 м³/доб з 1 м² поверхні каналу).

Досліджено вплив глибини води в каналах на величину фільтраційних утрат.

На Татарбунарській і Нижньодністровській ЗС досліджено фільтраційні втрати із тимчасової регулювальної мережі: тимчасових зрошувачів, вивідних і поливних борозен.

Дослідження показали, що фільтраційні втрати із тимчасових зрошувачів дорівнюють
q = 0,24-0,30 м³/доб з 1 м², із вивідних борозен q = 0,48 м³/доб з 1 м²

Рис. 1.  Зміна фільтраційних утрат в часі через облицювання на КРОС:

                                               1 – необлицьований канал; 2 – плити НПВК; 3 – монолітне бетонне,

                                               укладене комплексом “ЖЕТКО”;  4 – монолітне бетонне, укладене

                                               комплектом “АЛЬКОНС”, d = 0,07 м;  5 – те саме, d = 0,12 м.

            За методом статистичного аналізу отримано функціональну залежність фільтраційних утрат із каналів від незалежних факторів, які впливають на них. Ці фактори за ранжиром розташовуються в такій послідовності: наявність облицювання, тип конструкції облицювання; водно-фізичні властивості грунтової основи, тривалість неусталеної фільтрації (сюди входять залежні фактори: стадії фільтрації, періодичність роботи каналу), водно-температурний режим роботи системи “облицювання – ґрунтова  основа”, глибина води в каналі, ширина каналу. Показово, що ширина каналу має незначний вплив на питомі фільтраційні втрати лише за умов усталеної фільтрації – залежність між фільтраційними втратами і шириною каналу обернено пропорційна.

Аналіз факторів, що впливають на величину фільтраційних утрат із каналів різного порядку, показав, що найменші фільтраційні втрати спостерігаються із постійно діючої мережі облицьованих каналів, укладених на грунтову основу з оптимальною будівельною щільністю і вологістю. Виявлено, що найбільші фільтраційні втрати мають місце на періодично працюючих каналах без облицювання в умовах вільної фільтрації, тобто на регулювальній мережі: тимчасових зрошувачах, вивідних і поливних борознах, і тут є можливість економії великих об’ємів води шляхом застосування заходів щодо мінімізації фільтраційних утрат води.