СПОСОБ НАГНЕТАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОДЫ В ЗЕМЛЮ
METHOD OF SURFACE WATER INFUSION INTO GROUND

Это изобретение касается нагнетания поверхностной воды в подпочву. Дождевая вода обычно частично просачивается в почву, но бόльшая часть стекает по поверхности и испаряется, что зависит от уклона местности. Поверхностный сток может создавать затопление в низменных землях. Стоячая поверхностная вода может возникать там, где скорость просачивания недостаточна и может являться проблемой, особенно если собирается вблизи зданий, где она может проникнуть в подвальные помещения.
Профилирование часто используется для отведения поверхностной воды от здания. Дренажные трубы обычно прокладываются вокруг фундаментных плит для предотвращения скопления воды вокруг фундамента путем ее отведения через трубы.
Эти меры иногда неэффективны, главным образом, вследствие особых характеристик грунта, рельефа местности и так далее.
Вода, которая стекает по поверхности и/или испаряется, может быть использована для устранения засушливых условий, если собирается и удерживается подпочвой, поскольку она будет перемещаться в верхние горизонты почвы, когда превалируют сухие условия среды, уменьшая засушливость. Большее пополнение запасов водоносных горизонтов может возникать, если большее впитывание поверхностного стока сможет быть достигнуто за счет более высоких скоростей просачивания воды в почву.
Французские дрена и сухие каменные кладки иногда используются для осушения ограниченных площадей с пористой породой, но этот способ не подходит для больших площадей и с тяжелыми почвами.
Задачей настоящего изобретения является нагнетание поверхностной воды в подпочву для устранения влажных условий среды, образуемых стоячей поверхностной водой или затоплением вследствие поверхностного стока, таким образом уменьшая поверхностный сток и испарение поверхностной воды за счет увеличения скорости впитывания воды в подпочву.
Вышеприведенная задача и другие задачи, которые станут понятны после прочтения следующего описания и формулы изобретения, достигнуты бурением в грунте группы скважин и установкой специально выполненных вытянутых насосных/дренажных канальных элементов в скважины, пробуренные в почве, причем каждая скважина принимает один насосный/дренажный канальный элемент. Насосные/дренажные канальные элементы достаточно жесткие, чтобы вставляться в пробуренные скважины в грунте. Насосные/дренажные канальные элементы способствуют перемещению воды в подпочву посредством продольных канальных признаков, которые открыты наружу через продольные щели, чтобы обеспечить поступление воды в почве в канальные признаки и ее течение вниз. Насосные/дренажные канальные элементы поддерживаются свободными от почвы, поскольку грунт расширяется и сжимается отклонением гибких участков, образующих канальные признаки, чтобы блокировать поступление почвы, и течением воды вниз по каналам, промывающей каналы.
Насосные/дренажные канальные элементы могут быть расположены в блоках, образованных повторяющейся группой из трех элементов с двумя короткими элементами, расположенными с каждой стороны длинного элемента. Короткие элементы достаточно длинны, чтобы достичь горизонта предпочтительно в четыре фута ниже уровня грунта от крытой верхней части, расположенной на близком расстоянии ниже поверхности земли, чтобы обеспечить некоторую фильтрацию воды вышерасположенным слоем почвы перед поступлением в каналы. Короткие элементы способствуют впитыванию воды в верхние горизонты почвы. Промежуточные длинные насосные/дренажные канальные элементы имеют крытую верхнюю часть, которая может быть расположена приблизительно на уровне нижних концов коротких элементов, чтобы принимать воду в почве, собирающуюся вокруг нижнего конца коротких элементов путем перемещения вниз по каналам.
Длинные канальные элементы продолжаются на значительно более глубокий горизонт, то есть на 10-14 или более футов с пологими подъемами.
Как отмечалось, канальные признаки открыты наружу продольными щелями, позволяющими поступление воды в каналы по всей длине канальных элементов и которая быстро стекает по каналам в нижние горизонты подпочвы, чтобы улучшить впитывание воды в подпочву. Это осушает почву в виде депрессионного конуса вокруг насосных/дренажных элементов, чтобы быстро впитать стоячую воду на поверхности почвы.
Влага, впитываемая в верхнем слое почвы, стекает в верхнюю область длинных элементов и заполняет продольные канальные признаки. Получаемые колонны воды в каналах создают повышенное давление воды внизу каналов, нагнетая воду в почву на нижнем конце. Кроме того, по мере того как окружающая почва становится увлажненной, она расширяется и сжимает канал, образующий изогнутые участки стенок элементов, которые отклоняются внутрь, поскольку выполнены из прочного гибкого пластика, создавая дополнительное давление, проталкивающее воду в их верхней части вниз и нагнетающее из нижней части длинных насосных/дренажных канальных элементов и в подпочву.
По мере того как вода выходит из нижней области каналов, в верхней секции элементов образуется вакуум, который засасывает воду из окружающей почвы в верхнюю область длинных элементов, которая быстро стекает в нижние области элементов и нагнетается в окружающую почву.
Это перемещение воды также сохраняет каналы свободными от почвы и мусора, чтобы обеспечить самоочищающее действие, устраняющее какую-либо трудоемкость технического обслуживания.
Таким образом, поверхностная вода быстро нагнетается глубоко в грунт на нижних концах канальных элементов.
Изогнутые внутрь участки насосных/дренажных канальных элементов, образующие каналы, выполнены с возможностью отклонения внутрь в ответ на повышенную влажность почвы и расширяются наружу, по мере того как почва высыхает, чтобы уменьшить заиливание канальных признаков.
Когда почва высыхает во время сухих условий среды, водяной пар поднимается по каналам и распространяется в почве, окружающей верхние концы элементов, чтобы обеспечить перенос влаги из подпочвы в поверхностную почву, но не образует каких-либо поверхностных луж или стоячей воды.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
фигура 1 - вид в сечении области почвы, в которой массив насосных/дренажных канальных элементов был установлен в предварительно пробуренные скважины.
Фигура 2 - схема расположения насосных/дренажных канальных элементов, установленных смежно с замощенным участком.
Фигура 3 - схема потока жидкости вокруг и внизу насосных/дренажных канальных элементов согласно изобретению, установленных в условиях влажной почвы.
Фигура 4 - увеличенный вид в сечении насосного/дренажного канального элемента, в котором вода собрана в канальных признаках.
Фигура 5 - схема потока водяного пара вокруг и вверху насосного/дренажного элемента, установленного во влажную почву.
Фигура 6 - увеличенный вид в сечении насосного/дренажного канального элемента, изображающий поток водяного пара из него.
Фигура 7 - вид в сечении грунта с различным уклоном, в котором блоки насосных/дренажных элементов установлены с увеличивающимися длиной и глубиной, по мере того как уклон грунта увеличивается.
Фигура 8 - наглядное представление буровой установки для одновременного бурения последовательных групп из трех скважин для установки насосных/дренажных канальных элементов согласно изобретению.
Фигура 9 - схематичный вид сверху последовательных систем трехэлементных блоков.
Фигуры 10-12 - увеличенные виды в сечении насосного/дренажного канального элемента, установленного в скважину в грунте с различной степенью сжатия в зависимости от уровня влажности в окружающей почве.
Фигура 13 - местный вид сбоку предпочтительной конфигурации бура для использования при бурении скважин для принятия насосных/дренажных канальных элементов.
В следующем подробном описании для ясности будет использована некоторая специальная терминология и конкретный вариант выполнения, описанный в соответствии с требованиями 35 USC 112, но следует понимать, что это не является ограничивающим и не должно толковаться таковым, поскольку изобретение способно принимать множество форм и вариантов в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
На Фигурах 1 и 2 показан участок 10 грунта, который был подготовлен, для того чтобы увеличить скорость перемещения воды в почву согласно способу настоящего изобретения. Эта подготовка содержит установку массива вытянутых насосных/дренажных элементов 12A, 12B в предварительно пробуренные скважины, распределенные по участку 10 грунта. Предпочтительно, эти насосные/дренажные канальные элементы 12A, 12B расположены в группе, с рядами коротких элементов 12A с каждой стороны промежуточного ряда длинных насосных/дренажных канальных элементов 12B. Эта группа может быть повторена в боковом направлении по необходимости.
Элементы 12A, 12B расположены в зоне верхних грунтовых вод значительно выше уровня подземных вод 15, поскольку поверхностная вода должна быть полностью очищена прохождением через достаточную глубину почвы, прежде чем достичь уровня подземных вод, чтобы исключить загрязнение грунтовых вод.
Разнесение элементов 12A,12B зависит от дренажных характеристик почвы, то есть дальше для более рыхлых почв, ближе друг к другу для более плотных почв, так чтобы конические зоны 14, имеющие требуемую скорость просачивания, касались друг друга, как видно на Фигуре 9.
Насосные/дренажные канальные элементы 12A, 12B имеют одинаковую форму, различаясь только по длине. Насосные/дренажные канальные элементы 12A, 12B предпочтительно выполнены из пластиковых профилей, причем гибкая предпочтительно полиэтиленовая пластмасса подходит для целей изобретения, поскольку она выполнена с возможностью упругого отклонения, химически инертна, для того чтобы не разлагаться в почве, и имеет гладкую поверхность, чтобы препятствовать захвату мусора.
Каждый насосный/дренажный канальный элемент 12A, 12B, как видно лучшим образом на Фигурах 4 и 6, выполнен имеющим множество легко отклоняемых участков 16, продолжающихся радиально из кольцеобразного центра 18 и загибающихся обратно к центру, завершая образование продольной щели 20, множество каналов 22, образованных таким образом вокруг центра.
Центральная полость 24 открывается продольной радиальной щелью 26, чтобы позволить поступление и выход грунтовых вод, аналогично действию щелей 20 для каналов 22.
Каждый из насосных/дренажных элементов 12A, 12B имеет колпачок 26 на его верхнем конце, изображенный закрывающим каналы 22, 24 на их верхних концах для цели, описанной ниже.
Короткие насосные/дренажные канальные элементы 12A вставлены в неглубокие пробуренные скважины на такую глубину, чтобы их верхний конец располагался на несколько дюймов ниже поверхности почвы, как показано на Фигурах 3 и 5. Почва над верхними концами отфильтровывает любой мусор в воде, стекающей в элементы 12A.
Элементы 12A, будучи расположенными под поверхностью земли, не подвержены огневому поражению непосредственно, но полиэтилен может выдерживать температуры до 200°F и не растрескается при температурах ниже -30°F, таким образом элементы достаточно устойчивы к повреждению.
Вода в поверхностном слое почвы стекает в короткие насосные/дренажные канальные элементы 12A и заполняет каналы 22 и 24, как обозначено на Фигуре 3.
Следовательно, почва, которая насыщена, продолжается глубже в грунт вокруг элементов 12A. Когда грунт насыщен водой, участки 16 сжаты почвой, стремящейся протолкнуть воду вниз по каналам 22, 24, и также избежать заиливания каналов 22, 24 как будет описано ниже.
Вода стекает вниз, чтобы заполнить каналы 22, 24, что создает гидродинамический напор в нижней части каждого канала 22, 24, что создает давление, стремящееся вытолкнуть воду из каналов 22, 24 в окружающую почву вокруг и под нижним концом коротких элементов 12A в конусообразные области, обозначенные на Фигуре 3. Это вызовет образование низкого вакуума на верхнем конце элемента 12A, который засасывает воду из окружающей почвы и, таким образом, улучшает скорость просачивания воды из окружающей почвы и в верхние области каналов.
Совокупный эффект состоит в существенном увеличении скорости нагнетания воды в подпочву.
Фигура 4 отражает процесс засасывания влаги из подпочвы, когда сухие условия среды превалируют в поверхностных областях почвы.
Водяной пар проходит в каналы 22, 24 и поднимается к верхним областям элементов 12A и выходит из каналов в окружающую почву.
Эти процессы повторяются с длинными насосными/дренажными канальными элементами 12B, причем верхние концы принимают влагу, стекшую в верхних элементах 12A, для того чтобы вызвать нагнетание глубоко в грунт, как обозначено на Фигуре 1.
Группа насосных/дренажных канальных элементов 12A, 12B должна быть разнесена от замощенных участков, как обозначено на Фигуре 2, на расстоянии порядка 7 футов.
Фигура 7 показывает применение способа к участкам грунта, имеющим крутые подъемы. В этом применении длинные элементы 12B удлиняются, по мере того как уклон возрастает, чтобы обеспечить то, что поверхностная вода быстро достигает больших глубин, для того чтобы исключить оползни, которые могут возникать, если самые верхние области становятся насыщенными.
Способ быстро осушает верхние области и вызывает быстрое достижение поверхностной водой достаточно глубоких горизонтов, для того чтобы исключить оползни вследствие полного насыщения почвы в поверхностных пластах.
Таким образом, вода, которая в противном случае была бы потеряна, удерживается в почве. Водоносные горизонты могут быть пополнены с большей скоростью, и проблемы затопления устраняются путем снижения паводкового поверхностного стока. Бόльшая часть стоков поверхностной воды может быть быстро впитана на больших территориях.
Скважины предварительно пробурены, для того чтобы обеспечить легкую установку в них насосных/дренажных канальных элементов 12A, 12B.
Предпочтительно, множество скважин пробурены блоками, чтобы легче достичь равномерного расположения. Фигура 8 показывает установку, имеющую три гидравлических буровых двигателя 26A, 26В 26С, установленных с возможностью перемещения на раме 28. Рама 28 включает в себя два поворотных кронштейна 30, несущих два двигателя 26A, 26C, причем третий двигатель 26B установлен на центральном неподвижном элементе 32. Кронштейны 30 могут быть регулируемо повернуты внутрь и наружу, чтобы установить конкретное расстояние между скважинами, необходимое для достижения требуемого расположения. Более широкое расположение скважин может быть пробурено для пористых почв, или скважины, расположенные ближе друг к другу, - для менее пористых почв.
Рама 28 выполнена с возможностью вертикального перемещения на опорной стойке 34 на глубину самых глубоких скважин, которые необходимо пробурить, то есть 10-16 футов или более. Стойка 34 смонтирована к колесной тележке (не показана) для быстрого расположения над каждым последовательным участком грунта, который необходимо пробурить.
Два внешних двигателя 26A, 26C приводят в движение относительно короткие бурильные сверла 36A, 36C, соответствующие коротким насосным/дренажным канальным элементам 12A, в то время как центральный двигатель 26B приводит в движение длинное бурильное сверло 36B, соответствующее самой глубокой скважине, вмещающей длинный канальный элемент 12B.
Бурильные сверла 36A, 36B предпочтительно формируют скважины перемещением почвы радиально и ее уплотнением, а не удалением почвы на поверхность, в соответствии с традиционным шнековым буром. Это предотвращает обрушение скважин.
Сплошной стальной стержень 30 (Фигура 13) большого диаметра имеет приваренный к нему винтовой фланец, наклоненный для перемещения почвы радиально наружу. Буровая коронка 40 навинчена на свободный конец бурильных сверл 36A, 36B с радиально разделенными коронками 42, расположенными смежно поверхностям 44, которые толкают почву наружу для уплотнения к боковой стенке скважины при формировании скважины.
Скважины, пробуренные таким образом, имеют намного бόльшую устойчивость против обрушения, обеспечивая легкую установку в них элементов 12A, 12B.
Насосные/дренажные канальные элементы 12A, 12B предпочтительно выполнены в виде пластиковых профилей. Показанная форма может быть получена точным охлаждением формы, покидающей экструдер, для того чтобы стабилизировать форму после покидания матрицы.
Стенки жесткие, но выполнены с возможностью упругого отклонения под давлением, как описано выше.
Фигуры 10-12 показывают отклонения, происходящие, когда окружающие почвы постепенно становятся более влажными.
На Фигуре 10, элемент вставлен в скважину 50, диаметр которой составляет приблизительно полтора дюйма, чтобы вместить элементы.
На Фигуре 11 скважина 50 стала меньше, поскольку почва поглотила влагу и изогнутые участки 16, 18 стенки дальше отклонились внутрь.
На Фигуре 12 участки 16, 18 стенки дальше отклонились внутрь.
Это удерживает почву от заиливания каналов 22, 24.
По мере того как почва высыхает, изогнутые участки стенки расширяются обратно.
Таким образом, скорость впитывания поверхностной воды глубоко в почву значительно увеличивается за счет описанного процесса нагнетания, чтобы предотвратить стоячую воду или насыщение верхних слоев почвы, снижая потери воды на поверхностный сток и испарение, достигая описанных выше эффектов.