СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЗАКРЫТОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТРУБЧАТОГО ДРЕНАЖА ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
METHOD TO IMPROVE OPERATIONAL RELIABILITY OF CLOSED HORIZONTAL PIPE DRAINAGE WHEN IMPLEMENTING PRECISE AGRICULTURE

Изобретение относится к проектированию, строительству, реконструкции, ремонту и эксплуатации закрытого горизонтального трубчатого дренажа на землях сельскохозяйственного назначения при реализации точного земледелия, а также на промышленных, городских, поселковых и других территориях.
При осушении земель сельскохозяйственного назначения и осушении территорий закрытый горизонтальный трубчатый дренаж предназначен для эффективной работы в течение многих десятилетий, что приобретает особое значение при реализации точного земледелия. Это возможно только при надежном сопряжении присоединяемой дренажной линии с закрытым коллектором. В качестве присоединяемой дренажной линии могут быть дрены, закрытые собиратели и закрытые коллекторы небольшого диаметра (например, гончарные диаметром 75, 100 и 125 мм).
Сопряжение дренажных труб - одна из наиболее ответственных работ. От качества ее выполнения зависит заиление дренажа - отложение частиц почвогрунта в полости коллекторов и дрен (местная забивка почвогрунтом коллекторов или дрен), надежность работы и долговечность закрытого дренажа.
Сопряжение боковых присоединяемых дренажных линий с коллектором выполняют либо в одной плоскости, либо в разных плоскостях. Известны узлы сопряжения внахлест - присоединяемая дренажная линия располагается сверху коллектора и впритык, когда присоединяемая дренажная линия находится сбоку коллектора. При сопряжении впритык возможны два варианта: впритык по центру, когда ось трубы присоединяемой дренажной линии и ось трубы коллектора расположены на одной отметке, и впритык «полусверху», когда верхние шелыги труб расположены на одной отметке (Севриков А.А., Гладышев СВ. Технология мелиоративных работ в Нечерноземье. - Л.: Колос. Ленингр. отд-ние, 1984. - С.113…116, 118…122; прототип). Сопряжение осуществляют либо через отверстия, пробитые в трубках, либо при помощи специальных фасонных трубок.
Каждая из известных конструкций узлов сопряжения внахлест и впритык имеет свои достоинства и недостатки.
При сопряжении присоединяемой дренажной линии с коллектором внахлест отверстие в трубах выполняют диаметром не менее 0,8 внутреннего диаметра присоединяемой трубы (Инструкция по строительству закрытого горизонтального дренажа при осушении земель сельскохозяйственного назначения. / Минводхоз СССР - Союзводпроект; В.Д. Нефедов и Е.И. Кормыш. - М., 1979. - С.16).
Известно применение способа подключения дрен к коллектору внахлест при реконструкции дренажа с использованием ранее построенного коллектора из гончарных труб. При этом в гончарной трубе коллектора пробивают отверстие или осуществляют замену трубки на трубку с отверстием, а подключение пластмассовой дрены осуществляют с использованием переходной гончарной трубки.
Достоинством сопряжения внахлест является подключение к коллектору как под острым, так и под прямым углом, а также свободное истечение воды из присоединяемой дренажной линии в коллектор. Однако этот способ считают далеко не совершенным. Обусловлено это следующим:
- при сопряжении внахлест верхняя труба находится в состоянии неустойчивого равновесия и работает на излом;
- возможное и наблюдаемое на практике горизонтальное продольное смещение присоединяемой трубы при ее укладке, в результате - несовпадение отверстия в ней и отверстия в трубе коллектора;
- вертикальное смещение внешнего конца присоединяемой трубы вниз или вверх при засыпке траншей;
- наличие перепада высот между сопрягаемыми дренажными линиями влечет уменьшение уклона присоединяемой дренажной линии и, как следствие этого, снижение качества укладки дренажа;
- необходимо закрытие свободного конца трубки, ее торца, фильтрующим материалом с пробкой (специальной заглушкой или кирпичом); использование же в качестве заглушки камня без плоской поверхности, как правило, приводит к поступлению в полость трубки почвогрунта.
Необходимо обратить внимание и на следующее.
Во-первых, на узел сопряжения присоединяемой к закрытому коллектору дренажной линии действуют постоянная (вышерасположенная масса почвогрунта) и переменная динамическая (машины и механизмы, движущиеся по полю) нагрузки. При движении тяжелой колесной техники по избыточно увлажненному полю отмечаются случаи нарушения узла сопряжения внахлест, верхняя труба которого находится в состоянии неустойчивого равновесия и работает на излом. Во-вторых, при сопряжении гончарных труб, при пробивке отверстий дренажным молотком, диаметр отверстия зачастую не достигает требуемого размера.
Узел сопряжения внахлест особенно ненадежен при подсоединении к закрытому коллектору закрытых собирателей, являющихся неотъемлемой частью противоэрозионного дренажа (патент RU 2440457 С1, Кл. Е02В 11/00 и А01В 13/16, 2012 г.).
Более совершенным способом сопряжения является сопряжение труб впритык. При подключении присоединяемой дренажной линии к коллектору впритык получают более надежное в работе сопряжение труб, увеличивается уклон присоединяемой дренажной линии, не происходит продольное перемещение трубы, т.е. повышается надежность узла сопряжения. В то же время в присоединяемой трубе возможен подпор воды.
При применении известных способов сопряжения дренажных линий до сих пор не учитывают имеющую место в узле сопряжения разную глубину наполнения коллектора по длине текущей водой при пропуске расчетного ее расхода.
При реализации известных способов сопряжения дренажных линий известно применение соединительных фасонных частей, например, в Белоруссии, ФРГ, России и Литве (Мелиорация: Энцикл. Справочник. / Под общ. ред. А.И.Мурашко. - Мн.: Белорус. Сов. Энцикл., 1984. - С.462; Эггельсманн Р. Руководство по дренажу. / Пер. с нем. В.Н. Горинского; Под ред. Ф.Р.Зайдельмана. - М.: Колос, 1984. - С.208…209; а.с. SU №1126659 А, кл. Е02В 11/00, 1984; Мелиорация и водное хозяйство. Осушение: Справочник. / Коллектив авторов: Б.С.Маслов, Е.П.Панов, Е.И. Кормыш и др.; Сост. Е.И.Кормыш; Под ред. Б.С.Маслова. - М.: Ассоциация «Экост», 2001. - С.151…160; Гулюк Г.Г. и др. Руководство по мелиорации полей. / Под общ. ред. В.И.Штыкова. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - С.82, 96…98; Опыт осушения земель закрытым дренажем. / Коллектив авторов: А.Бальчюнас и др.; Под ред. А.Лукянаса. - М.: Колос, 1975. - С.23…25, 240…243). Использование соединительных деталей (тройников, угольников с углом от 30 до 90°, втулок и др.) сокращает затраты времени на устройство узла сопряжения в 2…5 раз. Однако условия их применения, как и известных способов сопряжения дренажных линий, не регламентированы.
Несмотря на многолетнюю историю развития дренажных работ и многочисленные попытки внедрить в строительство дренажа фасонные части для сопряжения труб, большинство сопряжений дренажных линий с коллектором и до сих пор выполняют без фасонных частей, с подготовкой вручную соответствующих отверстий и подгонкой дренажных труб друг к другу. При этом наиболее широко до сих пор применялся способ сопряжения труб внахлест.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении надежности узла сопряжения присоединяемой дренажной линии с коллектором за счет учета изменения гидравлического режима водопропускной способности закрытого коллектора по его длине.
Технический результат, получаемый от решения поставленной задачи, заключается в обеспечении долговечности узла сопряжения дренажных линий и надежного гидрологического действия закрытого дренажа в процессе эксплуатации в течение, как минимум, нормативного срока его службы, в результате в течение этого срока обеспечивается проектная интенсивность осушения почвы и расширенное воспроизводство ее плодородия.
дл
Поставленная в изобретении задача решена тем, что способ повышения надежности закрытого горизонтального трубчатого дренажа при реализации точного земледелия включает сопряженную с закрытым коллектором дренажную линию. Сопряжение дренажной линии с закрытым коллектором выполняют в зависимости от наполнения h трубы закрытого коллектора ниже узла сопряжения на 2d при пропуске расчетного расхода: впритык по центру при
<mrow><mi>h</mi><mo>≤</mo><mn>0,5</mn><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>з</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>0,6</mn><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>,               (1)</mtext></mrow>
впритык «полусверху» при
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>з</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>з</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,6</mn><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>л</mi></mrow></msub><msub><mo>+</mo><mrow><mi>д</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>≥</mo><mi>h</mi><mo>></mo><mn>0,5</mn><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>з</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>0,6</mn><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>,             (2)</mtext></mrow>
внахлест при
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>з</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><mi>h</mi><mo>></mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>з</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>з</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,6</mn><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>д</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                 (3)</mtext></mrow>
где
зк
дл
d и d - внутренние диаметры труб в узле сопряжения соответственно закрытого коллектора и присоединяемой дренажной линии,
зк
дл
t и t - толщина труб в узле сопряжения соответственно закрытого коллектора и присоединяемой дренажной линии;
при этом длина присоединяемой дренажной линии не превышает ее предельно допустимой длины.
При сопряжении впритык сопряжение дренажных линий выполняют под углом 60…70° к направлению течения воды в трубе коллектора. При сопряжении внахлест отверстие в стенке крайней трубки присоединяемой дренажной линии устраивают как можно ближе к ее наружному краю, выполняя отверстие в сопрягаемых трубах диаметром не менее 0,8 внутреннего диаметра трубы присоединяемой дренажной линии, тщательно прикрывая место сопряжения лентой рулонного фильтрующего материала и прижимая его утрамбованным слоем почвогрунта, закрывая свободный конец трубки, ее торец, фильтрующим материалом с пробкой или обломком кирпича (камня с хотя бы одной плоской поверхностью) впритык. При устройстве узла сопряжения используют также и соединительные фасонные как гончарные, так и пластмассовые элементы.
Сопряжение присоединяемой дренажной линии с коллектором выполняют так, что уровень воды в коллекторе при пропуске расчетного расхода не создавал подпора воды в присоединяемой дренажной линии. Поэтому, в частности, учитывают наполнение трубы закрытого коллектора ниже узла сопряжения на два диаметра присоединяемой дренажной линии, что позволяет учесть расход воды, сбрасываемый в коллектор и из присоединяемой дренажной линии.
Применение способа (2) возможно и в случае (1), а способа (3) - как в случае (1), так и в случае (2), но при этом надежность узла сопряжения и вероятность его безотказной работы будет снижена, а увеличение перепада высот между сопрягаемыми дренажными линиями повлечет за собой уменьшение уклона присоединяемой к коллектору дренажной линии, снижение качества ее укладки и надежности в течение многолетней эксплуатации. В заявленном изобретении способ сопряжения внахлест применен в той части коллектора, где его глубина в меньшей степени лимитирует глубину присоединяемой дренажной линии.
На устройство одного сопряжения гончарных труб с пробивкой отверстий дренажным молотком по способу «внахлест» требуется 18…24 мин, а по способу «впритык» - 10…12 мин, при применении фасонной трубки и коловорота - 2,5…4 мин.
Коллектор служит для сбора воды из регулирующих элементов осушительной сети и отвода ее в открытую проводящую сеть. Различают коллектор первого (высшего) порядка, который впадает непосредственно в открытую проводящую сеть, и коллекторы второго, третьего и последующих порядков, которые впадают в коллектор предыдущего порядка.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
дл
3
На всем протяжении от истока к устью расход воды в закрытом коллекторе возрастает. Применяемые диаметры труб стандартизированы, применяют в основном керамические трубы диаметром 75…200 мм, реже пластмассовые диаметром более 75 мм, асбестоцементные и бетонные. Регулирующую сеть сопрягают непосредственно с коллектором, если его диаметр не превышает 200 мм. В противном случае устраивают вспомогательный коллектор предыдущего порядка. По длине закрытого коллектора имеет место переменно постоянное поперечное сечение в соответствии со стандартом применяемых труб, при этом минимальный диаметр - в истоке. Например, коллектор длиной L состоит из 3-х участков: первый от устья коллектора длиной L и диаметром d, второй - длиной L и диаметром d, третий - длиной L и диаметром d. При этом L=L+L+L, d>d>d, диаметр присоединяемой дренажной линии d, как правило, меньше d, а ее длина не превышает предельно допустимую.
Гидравлический расчет коллектора ведут по формулам равномерного безнапорного движения. Определяют пропускную способность стандартной трубы при полном ее заполнении водой (Мелиорация: Энцикл. Справочник. / Под общ. ред. А.И. Мурашко. - Мн.: Белорус. Сов. Энцикл., 1984. - С.227). Это необходимо для нахождения места перехода от меньшего диаметра к большему в зависимости от величины пропускаемого расхода, устанавливаемого в зависимости от площади водосбора в рассматриваемом створе коллектора и величины расчетного модуля дренажного стока.
Часть коллектора, работающую по его длине неполным сечением, обычно рассчитывают по кривым заполнения. Причем значения неполного заполнения обычно относят к водопропускной способности трубы, работающей полным сечением (См., например, работу Р. Эггельсманна «Руководство по дренажу». - М.: Колос, 1984. - С.121…122).
При сопряжении внахлест открытый конец дренажной трубки, ее торец, закрывают фильтрующим материалом с пробкой или обломком кирпича (камня) впритык, а для предотвращения продольного перемещения верхней трубы в сторону стенки траншеи в торце ее забивают колышек-упор или укладывают камень массой 8…10 кг. Места всех сопряжений и соединений защищают фильтрующим материалом и засыпают в пределах соединения почвогрунтом с трамбованием. Мощность засыпаемого слоя над узлом сопряжения - не менее 30 см. После этого осуществляют присыпку почвой и засыпку труб по всей длине присоединяемой дренажной линии.
Для сопряжения дренажных линий используют тройники, колена, патрубки и трубы с фиксирующими отверстиями. Конструктивно их разделяют на два типа: узел сопряжения состоит из двух деталей, соединенных шарнирно; узел сопряжения представляет собой одну деталь. Шарнирное соединение позволяет подсоединить дрену к коллектору при различных углах сопряжения.
Заявленный способ повышения надежности закрытого горизонтального трубчатого дренажа при реализации точного земледелия включает выполнение следующих операций:
1. Проектирование закрытого дренажа на осушаемом объекте:
- определение расстояния между дренами или закрытыми собирателями и глубины их заложения;
- определение расчетного модуля дренажного стока;
- определение предельно допустимой длины дрен и закрытых собирателей при пропуске расчетного расхода в безнапорном равномерном режиме и полном наполнении труб;
- определение диаметра труб закрытых коллекторов при пропуске расчетного расхода в безнапорном равномерном режиме и полном наполнении труб;
- конструирование дренажных систем на площади осушаемого объекта;
дл
- определение наполнения трубы каждого закрытого коллектора по его длине и, в частности, в точках на 2d ниже узла сопряжения с присоединяемыми дренажными линиями;
- разметка на плане каждой дренажной системы, на нулевом пикете каждой присоединяемой к коллектору дренажной линии, способа ее сопряжения с закрытым коллектором: сопряжение впритык по центру при соблюдении требования (1), сопряжение впритык «полусверху» при соблюдении требования (2) и сопряжение внахлест при соблюдении требования (3);
- подбор типа соединительных фасонных деталей для реализации установленных способов сопряжения дренажных линий в натуре;
- вынос трасс закрытых коллекторов в натуру.
2. Строительство дренажных систем:
- строительство закрытого коллектора первого порядка и контроль качества его укладки;
- строительная разбивка присоединяемых к закрытому коллектору дренажных линий с отметкой способа их сопряжения и соответствующей ему соединительной фасонной детали;
- устройство сопряжения присоединяемой дренажной линии с коллектором на нулевом ее пикете и укладка закрытого дренажа с соблюдением предъявляемых требований;
- контроль качества укладки дренажа, в т.ч. и качества сопряжения дренажных линий, и составление акта на скрытые работы, который подписывает и мастер дренажных работ;
- повторение приведенных выше операций по коллекторам второго, третьего и последующих порядков.
Данное изобретение направлено на обеспечение долговечности закрытого горизонтального трубчатого дренажа и его надежного гидрологического действия в течение как минимум нормативного срока службы. Предложенный способ промышленно применим.