ВАКУУМНАЯ ДРЕНАЖНАЯ СИСТЕМА
VACUUM DRAINAGE SYSTEM

Изобретение относится к мелиорации и может быть использовано для осушения грунтов, в особенности тяжелого по механическому составу с автоматическим регулированием уровней грунтовых вод.
Известен регулятор уровня грунтовых вод, устанавливаемый в смотровом колодце и содержащий тарельчатый затвор с поплавковым приводом, корпус которого установлен на оголовке дрены, камеру с установленным в ней поплавком и датчиком уровня грунтовых вод в виде трубчатого фильтра (Авторское свидетельство SU №763515, Е02В 11/00 от 15.09.1980).
Известное устройство сложно в изготовлении, в процессе эксплуатации из-за заиления и заохривания датчика трубчатого фильтра не обеспечивается с достаточной точностью подержание заданных напоров, при этом трубчатый фильтр расположен на 3-5 м выше колодца в характерной точке депрессионной кривой, т.е. не может работать во всем диапазоне регулирования дренажных вод в зависимости от колебания уровня воды в дренажной системе.
Кроме того, конструкция с тарельчатым затвором, соединенных между собой с возможностью перемещения относительно друг друга в сварном корпусе, сложна в эксплуатации и приводит к необходимости создания значительных усилий для преодоления гидростатического давления в сварном корпусе, действующего на всю площадь на тарельчатый затвор при его открытии. Эти усилия снижают безотказность срабатывания устройства, а следовательно, и надежность его эксплуатации. При этом также ненадежно из-за трения стойки на вертикальном штоке, попадания мусора и отсутствия возможности управления системой для полного уравновешивания рычажного устройства в двух взаимно противоположных направлениях, что влечет за собой и случайность выбора его положения.
Известно устройство для регулирования уровня грунтовых вод, содержащее колодец с размещенным в нем оголовком дрены, снабженный запорным органом, поплавковый привод, установленный в камере, которая сообщена с колодцем, и трубопровод, соединенный с дреной (Авторское свидетельство SU №1013560, Е02В 11/00 от 23.04.1984).
Недостатком данного устройства является то, что оно не может контролировать нижний бьеф, а значит, не может быть использовано в приемных колодцах с соответствующими величинами начального градиента для данного почвогрунта в системе пропуска расходов. Кроме того, применение поплавковой камеры не обеспечивает требуемой герметичности в напорных колодцах и достаточной надежности работы устройства. При этом использование рычага и дроссельной заслонки непосредственно в самом колодце усложняет конструкцию и увеличивает погрешность при стабилизации заданного расхода и необходимость настройки поплавка с работой водосливного затвора в каждом конкретном случае применения в реальных условиях.
Известна система вакуумного дренажа, содержащая отводящие и подводящие дрены, накопительную емкость, сообщающуюся с отводящей дреной через сифон, система снабжена смотровым колодцем, в котором смонтирован сифон, и накопительная емкость связана с колодцем соединительной трубкой с поплавковым затвором, размещенным в колодце, и переливной трубой с обратным клапаном, при этом сифон связан с поплавковым затвором гибким шлангом, имеющим отверстия и расположенный внутри поплавок, перекрывающий отверстия (Авторское свидетельство SU №1381241, Е02В 11/00 от 15.03.1988).
Недостатком этой системы является то, что сооружение, содержащее поплавок, соединенный с затвором и закрепленный на стойке с возможностью перемещения, в целом не обеспечивает достаточной чувствительности, которое связано с большим трением самого поплавка на стойке с затвором в случае его перекоса при давлении воды на плоскость затвора при быстротечном изменении уровня воды в накопительной емкости, это связано с трущейся поверхностью, проходящей непосредственно через весь поплавок. Кроме того, оно не приспособлено для сравнительно малого уровня в колодце, рассчитанного на работу только сифона, пропускная способность которого ограничена отверстием, перекрываемого поплавком. Эти недостатки снижают безотказность срабатывания устройства, а следовательно, надежность эксплуатации и сложность конструкции.
Известна вакуумная дренажная система, включающая дрены, коллектор и устройство для создания вакуума, установленное в устье дрены и снабженное емкостью с нисходящим трубчатым коленом, опущенным в коллектор ниже уровня воды в нем, при этом устройство для создания вакуума в системе снабжено насосом для подачи воды из коллектора в емкость, которая выполнена открытой и снабжена сбросным трубопроводом (SU №1339194, Е02В 11/00 от 23.09.1987).
Недостаток этой системы является его большая энергоемкость, связанная с применением насоса с заборным и подающим трубопроводами, т.е. регулирование происходит с помощью насоса, что усложняет обслуживание дренажной системы, следовательно, усложняет эксплуатацию системы. Кроме того, недостатком является низкая надежность при насосном выполнении для подачи воды, так как при остановке насоса отсутствует дополнительное поступление воды в емкость и происходит срыв вакуума в ней.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является система вакуумного дренажа, включающая герметичный приемный колодец, коллектор и выполненные из микропористого материала дрены, соединенные с коленчатым патрубком, размещенным в приемном колодце, коленчатый патрубок выполнен V-образной формы, соединен с коллектором и снабжен установленным в нижней его части клапаном, управляемым уровнем воды в почве, а внутренняя поверхность колодца выстлана мелкопористым материалом, выведенным в верхней части колодца либо на дневную поверхность, либо в почву ниже пахотного горизонта (Авторское свидетельство SU №1232742, Е02В 11/00 от 23.05.1986).
Недостатком этой системы является то, что низкая надежность работы клапана, управляемого уровнем воды в почве, в частности при регулировании грунтовых вод, соответствующей величине начального градиента для данного почвогрунта. Кроме того, опорожнение колодца осуществляется в основном мелкопористым материалом, выведенным в верхней части колодца или в почву, однако этот процесс проходит замедленно и долго, что не позволяет во время освободить колодец от воды и автоматизировать процесс окончания сброса и снижения дренажного стока регулятора, установленного на дне V-образной формы патрубка, т.е. замедленное снижение грунтовых вод и снижение влажности почвы мелкопористым материалом, а также недостаточная надежность устройства.
Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в повышении надежности работы и автоматизации сброса воды.
Технический результат достигается тем, что вакуумная дренажная система, включающая герметичный приемный колодец, коллектор и выполненные из микропористого материала дрены, соединенные с коленчатым патрубком, размещенным в приемном колодце, коленчатый патрубок выполнен V-образной формы, соединен с коллектором и снабжен с установленным в нижней его части клапаном, управляемым уровнем воды в почве, а внутренняя поверхность колодца выполнена мелкопористым материалом, выведенным в верхней части колодца на дневную поверхность или в почву ниже пахотного слоя, клапан смонтирован внутри подклапанной камеры, перекрытой сверху сеткой, в которой размещен ограничитель хода, периодически взаимодействующий с клапаном, соединенным через рычажную систему с водонаполняемой емкостью поплавка, при этом шток рычажной системы, связанный с качающимися рычагами на осях, снабжен малым поплавком-противовесом с креплением на отметке, соответствующей залеганию грунтовых вод для почвенно-климатических и гидрологических условий района, в котором расположена дренажная система, при этом емкость помещена в корпус, перемещается по направляющим и поддерживается снизу пружиной.
Предлагаемая система вакуумного дренажа направлена на устранение указанных недостатков за счет конструкции, которая позволяет за счет работы подклапанной камеры и регулируемого поплавка с водонаполняемой емкостью понизить уровень грунтовых вод и снизить влажность почвы до минимального уровня, когда расход воды увеличится до максимальных значений в приемном колодце, опасных для перенаполнения его. Это связано в случае изменения гидрологических условий дренирования, когда расход воды через мелкопористый материал, выведенный в верхней части колодца наружу или в почву, необходимо будет быстро уменьшить по времени до минимального испарения, вследствие чего сработка уровня в колодце должна быть ускорена. Процесс накопления и опорожнения при понижении уровня грунтовых вод взаимосвязаны с работой колодца, соответственно, опорожнение колодца будет продолжаться до тех пор, пока будет происходить отток воды через подклапанную камеру с открытым отверстием во впускном патрубке. Следует отметить положительный фактор наличия промывной защитной сетки, закрепленной сверху над подклапанной камерой с ограничителем хода, периодически взаимодействующим с клапаном с рычажной системой. Пружина старается поддерживать поплавок с емкостью с целью ускорения всплытия водонаполняемой емкостью вверх. В результате чего происходит плавное открытие клапана при освобождении поплавка с камерой от воды в автоматическом режиме на сброс воды из колодца при минимальном уровне грунтовых вод в грунте.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что в заявленной совокупности признаков часть существенных признаков является новой, следовательно, заявленное решение соответствует критерию «новизна».
Система вакуумного дренажа поясняется чертежным материалом.
На чертеже показана предлагаемая система вакуумного дренажа, продольный разрез.
Вакуумная дренажная система включает дрены 1, выполненные из микропористого материала и соединенные с дренажным коллектором 2, устье которого снабжено коленчатым V-образной формы патрубком 3.
Противоположный конец патрубка 3 выведен в сбросную сеть, например сбросной коллектор 4. V-образной формы патрубок 3 помещен в приемный колодец 5. В колодце 5 на дне (основания) V-образной формы патрубка 3 установлен корпус 6 с подклапанной камерой 7, сетка 8 с ограничителем хода 9 и патрубок 10. Подклапанная камера 7 также включает клапан 11 для перекрытия отверстия впускного патрубка 10, который через шарнир 12 соединен с шарнирно-рычажным качающими органами 13 и 14 со штоком 15. Шток 15 имеет малый поплавок-противовес 16 с креплением его на отметке, соответствующей залеганию грунтовых вод для почвенно-климатических и гидрологических районов, в которых расположена дренажная система. Поплавок 17 с емкостью 18 поддерживается снизу пружиной 19. Сетка 8 с крестовиной (не показано) перекрывает сверху подклапанную камеру 7.
Заполняемая емкость 18 поплавка 17 сверху имеет калиброванное отверстие 20 с последующим сливом воды в колодец 5, и опорожнение емкости 18 поплавка 17 происходит в том случае, когда уровень воды в накопительном колодце 5 минимальный и не превышает соответствующую величину начального градиента до уровня, соответствующий необходимой норме осушения (например, отметка «с»). Сочетание рычажной системы с качающими рычагами на осях 21 и 22, штока 15 с малым поплавком-противовесом 16 (масса его может быть переменная) позволяет избежать перекосов в вертикальном перемещении клапана 11 при контакте с ограничителем хода 9 при открытии или закрытии патрубка 10. Водоналивная емкость 18 размещена в корпусе 23 и перемещается по направляющим 24. Пружина 19 связана с корпусом 23 и с емкостью 18 поплавка 17 на заранее заданном расстоянии от ее упругости, с целью преодоления гидростатического давления воды при сливе ее из емкости 18, что в свою очередь связано также с работой малого поплавка-противовеса 16, т.е. клапан 11 занимает такое положение, при котором происходит закрытие или открытие отверстия в патрубке 10. Пружина 19 не только выполняет роль поддерживающего конструктивного элемента (поплавка 17), но и уменьшает гидравлический удар при закрытии клапана 11. Это усилие пружины 19 уравновешивается с перемещением штока 15 с креплением на нем малого поплавка-противовеса 16.
Таким образом, подклапанная камера 7 с клапаном 11 с сеткой 8 отделена от влияния уровня воды в колодце 5, что надежно обеспечивает работу поплавка 17 с водонаполняемой емкостью 18, поддерживаемой пружинами 19 сжатия, а также закрытия впускного патрубка 10, и ликвидируется засорение подклапанной камеры 7, при этом сетка 8 одновременно промывается потоком воды, проходящим сверху, а снизу через камеру 7 при открытом клапане 11, так как в этом случае V-образной формы патрубок 3 работает в режиме «сифон», конец патрубка 3 выведен в сбросной коллектор 4 ниже отметки дна (основания) V-образной формы патрубка 3.
Вакуумная дренажная система работает следующим образом.
При избыточном природном подъеме уровня воды выше заданного в грунте и соответственно изменяется уровень воды в дренах и в приемном колодце 5, где установлен в средней части V-образной формы патрубка 3 с регулятором уровня. В режиме уровня воды до максимальной отметки вода поступает в открытую емкость 18 поплавка 17, лишая его плавучести, который под действием веса воды будет опускаться вниз, сжимая пружину 19, поплавок-противовес 16 находится в верхнем положении. Вследствие опускания емкости 18 поплавка 17 клапан 11 тем самым закрывает впускное отверстие патрубка 10 и прекращает подачу воды в подклапанную камеру 7 снизу за счет штока 16, связанного с шарнирно-рычажными органами 12 и 13 (рычагами). В этом случае по сбросному колену V-образной формы патрубка 3 избыток воды максимально стекает в сбросной коллектор 4, и дрены будут работать в режиме, близком к самотечному при минимальном отрицательном давлении. Одновременно с понижением уровня грунтовых вод и снижением влажности почвы как и мелкопористый материал в верхней части колодца 5, так и открытая емкость 18 поплавка 17 начинает опорожняться в основании ее от воды через калиброванное сливное отверстие 20 в колодец 5 для перепуска воды в подклапанную камеру 7. В этом случае в положении регулируемого осушения при опорожнении емкости 18 поплавка 17 одновременно под действием усилия пружины 19 и поплавка-противовеса 16, прикрепленного к штоку 15, поднимает клапан 9 вверх и открывает доступ воде из колодца 5 через впускной патрубок 10 в подклапанную камеру 7. Вода из подклапанной камеры 7 поступает через сетку 8 в V-образной формы патрубок 3 и далее в сбросной коллектор 4, патрубок 3, который работает в режиме «сифон». Достигнув упора 9, клапан 11 в верхнем положении полностью открывает впускное отверстие патрубка 10, открывается походное сечение в сетке 22 и происходит одновременно и смыв на ней наносов, которые увлекаются водой при работе сбросного конца патрубка 3 (происходит отсос взвешенных частиц грунта), т.е происходит сброс водой наносов в коллектор 4.
Небольшое количество воды в колодце 5 постепенно может опорожняться мелкопористым материалом, выведенным в верхней части колодца 5.
Таким образом, учитывая работу регулятора уровня, встроенного в основание (дно) V-образной формы патрубка 3, на котором характеризуется постепенным снижением избытком воды в нем в режиме отведения избыточных вод в течение вегетационного периода, соответствующего подъема уровня грунтовых вод выше минимальной отметки, и наоборот, для данного почвогрунта клапан 11 закрывается или открывается и система, после заполнения V-образной формы патрубка 3, работает постоянно надежно в самотечном режиме. Работа регулятора при этом также надежна при любых перепадах уровня в колодце и фиксированном положении поплавка-противовеса 16 на штоке 15 и отрегулированным усилием пружины, взаимодействующей с работой емкости 18 поплавка 17. Клапан 11 также не заиливается наносами. Поддержание заданного открытия патрубка 10 вызывает увеличение площади проходного сечения через сетку 8. Таким образом, при изменении положения в режиме отведения избыточных вод в течение вегетационного периода, соответствующего подъема уровня грунтовых вод выше минимальной отметки, и наоборот, для данного почвогрунта обеспечивается совместной работы емкости 18 поплавка 17, поплавка-противовеса 16 и клапана 11, последний размещен внутри подклапанной камере 7. Далее работа начнет повторяться аналогично вышеизложенному.
Регулирующее устройство работает в автоматическом режиме, более просто по конструкции и надежно в работе, позволяет более точно регулировать нижний предел уровня воды в колодце, используя встроенную снизу изогнутого патрубка подклапанную камеру с регулируемым клапаном через качающий орган 14, связанный со штоком 16, поплавком-противовесом 16 посредством качающего органа 13, соединенного с емкостью 18 поплавка 17 шарнирно в средней ее части. Сетка предотвращает поступление взвешенных наносов в полость подклапанной камеры с возможностью ее промывки водой. Кроме того, система обеспечивает возможность регулирования усилия открытия выпускного отверстия патрубка поступления воды путем уменьшения объема (веса) водонаполняемой емкости весового типа, совмещенной в работе с малым поплавком-противовесом, прикрепленного к штоку с рычажно-качающей системой.
В предлагаемой вакуумной дренажной системе преимущество по сравнению с прототипом заключается в повышении простоте, надежности работы и автоматизации сброса воды.