ОСУШИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
DRYING SYSTEM

Изобретение относится к гидромелиоративному строительству дренажной сети и может быть использовано для автоматического регулирования уровня грунтовых вод на закрытых осушительно-увлажнительных системах.
Известна осушительная система, включающая дрены и корректор, в устье которого в дренажном колодце расположена накопительная емкость с сифоном, колено сифона установлено на отметке, соответствующей критической глубине залегания грунтовых вод для почвенно-климатических и гидрологических условий района, в котором расположена осушительная система (Патент RU №2076918, Е02В 11/00 от 10.04.1987).
Преимущество этого способа строительства осушительной системы является снижение поступления минерализованных коллекторно-дренажных вод в водоисточники.
К недостаткам осушительной системы можно отнести установку дренажных колодцев в местах соединения дрен с закрытым коллектором, которые не позволяют гибкое регулирование дренажной сети. Кроме того, она не может контролировать нижний бьеф дренажного колодца, а значит, не может использовано в каскаде замкнутого контура дрен с пониженными участками осушения земель. При этом в процессе эксплуатации не представляется возможность точного и гибкого регулирования уровня грунтовых вод, что негативно влияет на осушаемые участки от поверхностных и подземных вод.
Известна осушительная система, включающая дрены, коллектор, герметичную накопительную емкость с воздушным клапаном, сифоном, входным и выходным патрубками, гребень сифона выполнен не выше верхней накопительной емкости, а входной патрубок присоединен к накопительной емкости ниже гребня сифона на величину Δh, которая определяется по формуле (Авторское свидетельство SU №1523632, Е02В 11/00 от 23.11.1989).
Недостатком этой системы является установка накопительной емкости в местах дрен с закрытым коллектором, не позволяет гибкое использование дренажной сети в каскаде большого замкнутого контура дрен с пониженными участками осушаемых земель. Кроме того, низкая эффективность работы и надежность сети из-за многочисленных точек соединения дренажной трубы по длине коллекторных труб с накопительной емкостью. При этом необходимость дополнительных затрат при строительстве коллекторов, большой объем земляных работ, необходимость затрат на восстановление наружного плодородия почв, требуется гидравлический расчет для установки накопительной емкости. Кроме того, не представляется возможность точного и гибкого регулирования грунтовых вод, что негативно влияет на урожайность с.-х. культур.
Наиболее близким аналогом, принимаемым за прототип, является способ осушения грунта дренированием, включающий образование шахтных колодцев, бурение из нижних частей последних пар встречных горизонтальных скважин, перепуск грунтовых вод между парами скважин и отвод их, во время бурения пар встречных скважин производят расположение их концевых участков на разных уровнях и оборудование последних водоприемниками, а во время отвода вод осуществляют ваккумирование каждой нижерасположенной встречной скважины, причем расположение концевых участков ведут в пределах их эффективного радиуса действия (Авторское свидетельство SU №1715985, E02D 19/10, E02F 5/18 от 29.02.1992).
Однако использование устройства не связано с гидромелиоративным строительством дренажной сети в зоне осушения, т.е. в известном устройстве отмечено, что в аналоге устраивают шахтные колодцы с лучевыми горизонтальными скважинами, применяют бурение, устанавливают насос для откачки грунтовых вод.
Недостатком указанного устройства является сложность выполнения лучевого бурения с применением специальной для этих работ механизированной техники и, как следствие, большие капитальные затраты на строительство такой системы, и большая энергоемкость устройства. Кроме того, не представляется возможность точного и гибкого регулирования грунтовых вод, что негативно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы и расширения эксплуатационных возможностей в работе путем поддержания заданного перепада между уровнями воды в колодце-собирателе и дренами.
Указанный технический результат достигается тем, что в осушительной системе, включающей колодец с лучевыми дренами и водоприемник, при этом колодец и водоприемник расположены на разных уровнях, водоприемник выполнен открытым каналом, соединенным посредством проводящей сбросной трубы с колодцем-собирателем с лучевыми дренами, регулирующим сооружением, размещенным в конце проводящей сбросной трубы над открытым каналом, выполнен вертикальным патрубком с регулируемым сильфоном, коротким водосливным патрубком, обеспечивающим свободное истечение дренажной воды в открытый канал, при этом сильфон и водосливной патрубок присоединены посредством штока шарнирно к концу рычага в виде привода, связанного с грузом-поплавком, рычаг соединен средней частью с бортом колодца-собирателя, а другой его конец снабжен грузом-поплавком с возможностью вертикального перемещения относительно перемещения сильфона с водосливным патрубком на противоположное, регулирующее сооружение с колодцем-собирателем расположены в последовательном порядке, при этом колодец-собиратель дополнительно снабжен рабочей камерой с грузом-поплавком и разделительная перегородка установлена с зазором относительно дна колодца-собирателя, причем вертикальный патрубок в своей нижней части снабжен сбросной трубой с вентилем.
Кроме того, короткий водосливной патрубок выполнен диаметром, меньшим, чем диаметр сильфона.
Такая осушительная система позволяет улучшить отвод поверхностных и подземных вод через систему дрен переувлажненные участки и замкнутые понижения, например, при строительстве на массивах жилых комплексов, производственных и промышленных зданий, а также переувлажненные участки мелиорации, которые невозможно осушить традиционными системами горизонтального дренажа с помощью открытых каналов. Все это вместе взятое устранит применение крупных коллекторных труб для сбора из дрен, смотровых колодцев по длине коллекторов, вследствие чего снижается заиление дрен, а значит экономия капитальных вложений, направленных на их очистку, а также сохранит плодородие почв. Кроме того, позволяет обеспечить точное и надежное в подержание уровней грунтовых вод, а также гибкое и дифференцированное задание уровней на осушаемых участках на замкнутых контурах понижения в зависимости от погодных условий.
В связи с этим нужно предусматривать оптимальные соотношения и взаимовлияния всей системы в целом.
Практическая работоспособность предлагаемой системы очевидна и она вписывается в рельефно-климатические зоны разных регионов страны, например, Московская область, Рязанская область и др., ее реконструкции по строительству и мелиорации земель осушения.
Итак, анализ выявленной информации о существующем уровне техники в данной области и сущность предложенного изобретения показали, что последнее отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает получение нового технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый правовой охраны.
В ходе проведенного анализа заявителем поиска информации в области осушительных систем обнаружены отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения среди известных объектов того же назначения. Однако совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения, способствующая достижению нового технического результата, и ее влияние на последующий из существующего уровня техники, не обнаружена.
Именно совокупность существенных отличительных признаков позволяет получить новый технический результат - повышение эффективности работы и расширение эксплуатационных возможностей в работе путем поддержания заданного перепада между уровнями воды в колодце-собирателя и дренами, и экологической гармонии с природной средой.
Следовательно, предлагаемое изобретение обладает таким критерием патентоспособности как «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение поясняется с помощью чертежа.
На фиг. 1 - изображена осушительная система, план; на фиг. 2 - схема соединения колодца-собирателя с регулирующим сильфоном с шарнирно-рычажным механизмом, разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - представлен вариант выполнения регулирующего клапана, соединенного с рычажно-шарнирным механизмом; на фиг. 4 - представлен вариант выполнения регулирующего запорного органа в виде шарнирно установленной и закрепленной пластиной.
Осушительная система включает локальную дренажную систему 1, расположенную в замкнутом контуре 2 с фильтрующей засыпкой известным способами засыпки, имеющими заданный коэффициент фильтрации по проекту. Начало лучевых дрен 3 соединяют с дренажной системой 1, вторые концы которых отводят в сторону устройства колодца-собирателя 4 на разном уровне, образуя выходы 5 в колодце-собирателе 4. Причем каждая дрена имеет свой выход в колодец-собиратель 4, которые закладывают на отметке ниже отметки угла поворота ближайшей к открытому каналу 6 лучевой дрены 3 с целью уменьшения глубины открытого канала 6. Угол поворота дрены 3 принимают таким, чтобы была возможность делать промывку ее в случае заиления. Колодец-собиратель 4 соединяют с открытым каналом 6 посредством приемного отверстия сбросной проводящей трубы 7 и устья 8.
Сбросная проводящая труба 7 на выходе включает регулирующее сооружение, которое включает вертикальный патрубок 9 в виде сварного корпуса. На оголовке вертикального патрубка 9, соединяющего сбросную проводящую трубу 7, установлен сильфон 10 с коротким водосливным патрубком 11. Сильфон 10 состоит из жестких колец 12 и гофрированного чехла 13 из эластичного материала. Сильфон 10 закреплен к рычагу 14 с коротким водосливным патрубком 11, имеющего диаметр, меньший, чем диаметр сильфона 10, снабженного прижимными рейками 15. Водосливной патрубок 11 (водослив) с сильфоном 10 прикреплены своим верхними концами к шарнирно-рычажному механизму в виде рычага 14 посредством качающего рычага 16 с осью вращения 17, рычага 18 с грузом-поплавком 19, размещенным в дополнительной рабочей камере 20 колодца-собирателя 4 с разделительной перегородкой 21 необходимой высоты и с возможностью ее вертикального перемещения перед выходами 5 лучевых дрен 3 выше дна колодца-собирателя 4. Водосливной патрубок 11 может быть снабжен сверху креплением в виде планки (на чертеже не показано для упрощения), соединенной с рычагом 14. Вертикальный патрубок 9 в нижней своей части снабжен сливной трубкой 22 с вентилем 23. Рычаг 16 в виде коромысла шарнирно закреплен на стойке с осью 17 вращения между устьем 8 и колодцем-собирателем 4.
По варианту выполнения (фиг. 3) конец патрубка 24 сбросной проводящей трубы 7 выполнен со скошенным под углом концом с запорным органом в виде клапана 25 с осью вращения 26 посредством шарниров 27, 28, 29 связан с рычагами 14, 16, 18 с грузом-поплавком 19, последний размещен в дополнительной успокоительной камере 20 колодца-собирателя 4 со стенкой 21. Груз-поплавок 19 может быть регулируемым по высоте (на чертеже не показано) и определяется соответствующим гидравлическим расчетом исходя из условий создания в дренах необходимых скоростей движения воды, обеспечивающих смыв и удаление из них наносов и других соединений.
По варианту выполнения (фиг. 4) конец патрубка 24 сбросной проводящей трубы 7 содержит запорный орган в виде клапана 30 с горизонтальной осью вращения 31 и регулируемым ограничителем степени открытия 32. Регулирующий ограничитель 32 связан с чувствительным элементом в виде пружины 33, закрепленной к верней кромки клапана 30 (пластины). Причем регулирующий ограничитель 32 закреплен в виде винт-гайка к Г-образной пластине 34, размещенной над сливным патрубком 24, прикрепленной к наружной стороне сбросной проводящей трубы 7 со стороны устья 8. Сливной патрубок 24 связан с клапаном 30 таким образом, что косой срез 35 патрубка 24 входит в контакт последнего с возможностью закрытия выпускного отверстия сливного патрубка 24. Косой срез выпускного патрубка 24 может быть выполнен с углом 25…30° к горизонту, что позволяет срабатывать клапану 30 на открытие в верхнее положение под действием гидростатического давления со стороны перепада уровня воды в колодце-собирателе 4. Гибкая связь между клапаном 30 и Г-образной пластиной 34 выполнена в виде рукава из гибкой мелиоративной ткани, в полости которой размещена пружина 33 (чувствительный элемент).
Осушительная система работает следующим образом.
При избыточном природном увлажнении вода в лучевую дрену 3 поступает по локально дренажной системе 1 из замкнутых понижений 2 через фильтрующие известные материалы засыпки или применения отходных материалов легкой промышленности расположенные под пахотным или иным горизонтом осушаемого участка, в частности песка, гравия, шлака или синтетических отходов. Лучевые дрены 3 отводят воду в колодец-собиратель 4 через выходы 5. Индивидуальный выход разноуровневых лучевых дрен 3 в колодец-собиратель 4 ограничен разделительной перегородкой 21 для устранения волнений на водной поверхности в дополнительной успокоительной камере 20 грузом-поплавком 19. При этом количество воды, поступающей из дрен 1 в колодец-собиратель 4 и перетока воды в дополнительную рабочую камеру 20 (успокоительная) с грузом-поплавком 19, регулируется по высоте колодца 4 перемещением разделительной стенки 21, т.е. в зависимости от колебаний притока воды из дрен 1, что обеспечивает надежную и устойчивую работу груза-поплавка 19 перед приемным отверстием сбросной проводящей трубы 7 и далее слива в открытый канал 6. В результате чего происходит снижение инерционности поступления потока воды в дополнительную камеру 20 с грузом-поплавком 19.
На (фиг. 1, 2) вертикальный патрубок 9 выполнен сварным корпусом, к которому закреплен удлиненный сильфон 10 из жестких колец 12 с гофрой 13 и растянутого состояния, по мере наполнения воды в колодце-собирателе 4, гофра 13 сжимается за счет всплытия груза-поплавка 19, давление которого передается посредством рычажно-шарнирного механизма на водосливной патрубок 11 (водослив). Так происходит до тех пор, пока уровень в колодце-собирателе 4 понизится до отметки отверстия сбросной проводящей трубы 7 - сброс воды заканчивается. По мере наполнения колодца-собирателя 4 уровень воды снова повышается, груз-поплавок 19 поднимается вверх, а водосливной патрубок 11 и сильфон 10 - опускается вниз. Для случаев освобождения от воды или промывку наносов вертикального патрубка 9 с данными элементами открывают на трубке 22 вентиль 23 и сбрасывают воду с наносами в открытый канал 6.
При отсутствии в колодце-собирателя 4 воды груз-поплавок 19 занимает крайне нижнее положение, о конец сильфона 10 с водосливным патрубком 11 находятся в верхнем положении над вертикальным патрубком 9. Затем происходит накопление дренажной воды в колодце-собирателе 4. По мере накопления воды в дополнительной рабочей камере 20 груз-поплавок 19 поднимается, соответственно, вода поступает в сбросную проводящую трубу 7, сжимая сильфон 10, и пропускает излишний расход через водосливной патрубок 11 (водослив).
Увеличение расходов, поступающего из разноуровневых лучевых дрен 3, вызывает дальнейшее наполнение дополнительной рабочей камеры 20, связанное с колодцем-собирателем 4 с разделительной перегородкой 21 (консольной), соответственно большее сжатие сильфона 10 с водосливным патрубком 11 и сброс излишков в открытый канал 6. Таким образом, сильфон сжимается тем больше, чем больше излишний расход, требующий пропуска через сбросную проводящую трубу 7. При этом уровень воды в рабочей камере 20 колодца-накопителя 4 остается постоянным.
Таким образом, в результате применения принципа самобалансирующейся дополнительной рабочей камеры 20 с грузом-поплавком 19 уровня воды в колодце-собирателя 4 и величина сбросного расхода взаимосвязаны. Благодаря этому конструкция обладает способностью контроля и саморегулировки для дренажной системы 1, что очень важно в эксплуатации, так как осушительная система реагирует на изменения оттока воды из дрен в процессе работы и выполняет регулировку автоматически.
в
Объем поплавка W, подъемной силы которого Р уравновешивается силой веса растяжения сильфона 11 с водосливным патрубком 11.
Исходя из схемы основного первого варианта выполнения (фиг. 2) можно написать:
,
п
где Р - равнодействующая сил давления на поплавок (19);
Р - равнодействующая сил давления вытекающей струи из водосливного патрубка (11);
1
2
п
G и G - соответственно вес левой и правой частей подвижной системы;  и  - соответствующие плечи сил Р и Р.
п
п
Силу Р можно выразить зависимостью Р=γW, где W - объем поплавка; γ объемный вес воды.
Размеры поплавка 19 рассчитывают по известным из гидравлики зависимостям.
К достоинствам выполнения (фиг. 1) относятся простота, легкость, малая материалоемкость элементов сильфона (кольца, водослив и чехол могут быть изготовлены из современных полимерных материалов).
По варианту выполнения (фиг. 3) клапан 25 как опускаясь, так и поднимаясь на оси вращения при работе сливного патрубка 24, происходит посредством шарнирно-рычажного механизма, поплавок 19 поднимается выше отметки уровня воды над входом сбросной проводящей трубы 7, следуя за уровнем воды при наполнении колодца-собирателя 4. Клапан 25 находится в открытом положении. При понижении уровня воды в колодце-собирателе 4, поплавок 19 вновь опускается вниз, клапан 25 закрывается и цикл повторяется.
По варианту выполнения (фиг. 4) клапан 30 закрыт. Поток воды из колодца-собирателя 4 по сбросной проводящей трубе 7 устремляется в сливной патрубок 24. По мере наполнения колодца-собирателя 4 происходит повышение уровня воды. Достигнув заданного напора в колодце-собирателя 4 вода оказывает гидростатическое давление на положение клапана 30, открывая его, сжимая пружину 33 (чувствительный элемент). Вода отводится в открытый канал 6. При понижении уровня воды в колодце-собирателя 4 клапан 30 опускается с помощью разжатия пружины 34, снижая сброс воды в открытый канал 6.
Индивидуальный выход каждой лучевой дрены 3 в колодец-собиратель 4 обеспечивает контроль за работой сети в целом.
Значение угла среза под углом 25…30° к горизонту конца сливного патрубка 24 должно обеспечиваться в процессе проектно-конструкторских работ, как и разработка клапанов 25 и 30, соответственно, с осями вращения 26 и 31 к концу патрубка 24. Клапан 30, вращаясь вокруг оси 31, поднимается вверх, сжимая пружину 33 до упора с Г-образной пластиной 34 с закрепленным регулирующим ограничителем степени открытия 32.
По варианту выполнения (фиг. 3), параметр пружины 33 выполнения (жесткость ее) подобраны таким образом, что регулирующий орган положения 32 только влияет на настройку по длине пружины 33 к моменту сообщения с клапаном 30 импульса на открытие выпускного отверстия сливного патрубка 24, и связи с уровнем воды в колодце-собирателе 4 над отметкой выше отверстия сбросной проводящей трубы 7.
Для расчета лучевых дрен используют те же методы, что и для расчета сооружений, предназначенных для приема обычных подземных вод.
Использование предлагаемого изобретения дает возможность сбрасывать воду в автоматическом режиме с переувлажненных участков замкнутого контура с понижениями, и во многих случаях исключить из технологии работ по устройству коллектора трудоемкую и малоэффективную операцию на таких рельефно-климатических зонах в качестве использования сбросных сооружений и исключить ручной труд.
Эффективность предлагаемой системы заключается также в том, что конструкция сбросных устройств с новыми элементами относится: простота, легкость, малая материалоемкость элементов колодца и запорного органа, прогрессивность конструктивных элементов и материалов, которые могут быть изготовлены из полимерных материалов, надежность и точность поддержания уровней грунтовых в дренах с обеспечением дифференцированного регулирования заданных уровней в колодце-собирателе.