Способ создания безоболочных мелиоративных водоводов-влагообменников
METHOD FOR CREATING SHELL-LESS RECLAMATION WATER LINES-MOISTURE EXCHANGERS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, благоустройства городской среды, осушения грунтовых массивов и основания сооружений городских и сельских поселений, водного хозяйства и может быть использовано при строительстве новых и реконструкции существующих осушительно-оросительных систем для транспортирования требуемых объемов воды в почвенной толще в заданном направлении для насыщения или удаления избытка.
Известен способ строительства осушительной системы, который заключается в прокладке в грунте или почве траншеи с заданным уклоном, выравнивании дна, на которое производят укладку трубы с щелыгой, обернутой защитно-фильтрующим материалом, с обкладкой стыков труб фильтрующим материалом. Далее осуществляют присыпку дренажной трубы над ее шелыгой водопроницаемым рыхлосвязным супесчано-песчаным почвогрунтом, срезаемым с бровок траншеи. Затем осуществляют разравнивание почвогрунта, вынутого при отрывке траншеи, по понижениям строительной полосы трубопровода и рекультивацию магазинированного слоя почвы по строительной полосе бульдозером с поворотным отвалом. Последовательно на закрытых трубопроводах сооружаются смотровые колодцы и устьевые сооружения (Авторское свидетельство RU №219530).
Недостатком способа является то, что можно производить строительство дренажа только вне сооружений и в открытых грунтах. Трубопровод производит отвод избыточных вод только при достаточных уклонах, а при малых скоростях удаляемого потока начинается активное заиление.
Известен способ устройства системы внутрипочвенного орошения с керамическими пористыми трубами. Способ заключается в устройстве траншей на глубину 300 мм для подводящих трубопроводов из пластмассовых труб и подключенным к ним внутирипочвенных керамических пористых увлажнителей. Систему используют для регулирования водного и воздушного режимов почвы, а также для подачи в корнебитаемый слой микроэлементов, бактериальных препаратов, удобрений и других целей.
Источник информации: Григоров М.С. Внутрипочвенное орошение. - М. Колос, 1983. 128 с.
Недостатком известного способа является регулирование влажности только в сторону восполнения влагозапасов. При этом влагонасыщение происходит неравномерно по длине увлажнителя, верхние слои почвы над увлажнителем могут оставаться сухими. Возможно заиление трубопроводов.
Наиболее близким, к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков относится способ устройства трубы дренажной с фильтрующим наполнителем из полистирола. Диаметр внутренний 110 мм внешний 250 мм включает в себя дренажную трубу, которая окружена наполнителем, изготовленным из пенополистирола. Пенополистирол и труба обернуты фильтрующим элементом геотекстилем. Геотекстиль используют как фильтр, который предотвращает забивание водоприемных отверстий на трубе и защищает наполнитель дренажной системы от попадания в него песка и частиц грунта, тем самым во много раз увеличивает эффективность и срок службы дренажной системы. Основной отличительной особенностью данных труб является то, что при монтаже не требуется щебень, так как, роль щебня выполняет наполнитель (Патент на полезную модель RU №177754).
Основным недостатком представленного способа является - сложный и трудоемкий процесс строительства водовода, в виду того, что предусматривает укладку в траншею готовых коротких труб отрезками по три метра и соединение между собой муфтами для дренажа, что не учитывает местных условий и усложняет процесс строительства.
Из анализа известных аналогичных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала средств для осушения грунтовых массивов и оснований сооружений городских и сельских поселений, водного хозяйства.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение урожайности сельскохозяйственных культур, за счет создания безоболочных мелиоративных водоводов-влагообменников в корнеобитаемой толще почвы или по-другому в зоне аэрации, позволяющих оперативно и продуктивно регулировать режим влажности, что является ключевым фактором, определяющим урожайность сельхозкультур.
Для решения поставленной проблемы и достижения указанного технического результата в способе создания безоболочных мелиоративных водоводов-влагообменников, включающем формирование полости в почвенной толще, укладку по всей длине полости влагоемкого, фильтрующего инертного наполнителя, имеющего достаточную плотность, чтобы выдерживать нагрузки от внешнего грунта и не сминаться под его тяжестью, в качестве водопроводящего, фильтрующего инертного наполнителя используют фибросубстрат, состоящий из следующих компонентов, мас. %: портландцемент - 10,0-15,0; каолиновое волокно - 75,0-80,0; редиспергируемый органический полимер - 1,5-3,5; эфир целлюлозы - 0,1-0,8; льняное масло - 0,5-0,8, при этом тело мелиоративного водовода-влагообменника из фибросубтрата формируют путем сухого или мокрого торкретирования после затворения сухой фибросмеси водой в соотношении 1:5-10, в первом случае, при сухом торкретировании, распушенный фибросубстрат потоком сжатого воздуха подают в полость водовода одновременно с водой, распыляемой под давлением в виде дождевого факела, а при мокром торкретировании сухую фибросмесь предварительно смешивают с водой и подготовленную таким образом торкретируемую массу наносят на поверхность формирования тела водовода.
При этом реализуется задача удаления избыточной влажности из зоны аэрации почвы и обеспечения активного влагообмена между насыщенным слоем почвы и безоболочным водоводом-влагообменником из фибросубстрата. Капельно-жидкая суспензия или поток за счет разности потенциалов влажности из влагонасыщенной почвы фильтруется через открытое поровое пространство поверхности фибросубстарата. На внешней оболочке водообменной поверхности формируется капельно-жидкая суспензия в виде потока, при этом растворенные взвешенные твердые частицы почвы отфильтровываются и задерживаются в верхних слоях фибросубстарата. Отдельные водные струи просачиваются вовнутрь тела водовода по проточным порам, где, непосредственно, образуется сосредоточенный поток. Далее поток через открытое поровое пространство фибросубстрата вдоль по уклону водовода отводится к водоприемнику.
Регенерацию порового пространства на поверхности обеспечивают обратным током воды или продувкой тела фибросубстарата сжатым воздухом. Для этого в голове водообменника устраивают колодец, в него по шлангам от компрессора организуется подача сжатого воздуха непосредственно в тело фибросубстрата.
Кроме того предложенный способ дает возможность обеспечение насыщения влагой почвенной толщи до требуемой консистенции, которая заключается в нагнетании в головную часть водовода-влагообменника под определенным давлением необходимых объемов воды в поровое тело фибросубстрата. Вода растекается по пустотному пространству фибросубстрата в направлении уклона и равномерно по периметру через поры на поверхности безоболочного водовода просачивается, впитывается, переливается в почвенную толщу. За счет перечисленных процессов насыщаются сухие слои почвы на заданном пространстве до требуемого уровня влажности и глубины промачивания. Насыщение верхних слоев почвы происходит под действием капиллярных сил, средние и нижние слои насыщаются под действием гравитационных и капиллярных сил.
Использование в качестве конструктивной основы влагопроницаемого и влагопроводящего тела - фибросубстрата, который обладает достаточной плотностью и прочностью, позволяющий сохранять структуру под воздействием внешней нагрузки наружного грунта. Структура фибросубстрата включает каолиновую вату (муллитокремнеземистое волокно) с добавлением портландцемента, в качестве вяжущего структурообразователя, специальные добавки, обеспечивающие сцепление частиц цемента с волокнами, а также добавки обеспечивающие гидрофильные или гидрофобные свойства, в зависимости от предназначения безоболочных водоводов-водообменников. Состав фильтрующего тела инертен, не вступает в химические реакции, не подвержен гниению и зарастанию.
Фибросубстрат получают из сухой строительной фибросмеси на основе каолиновой ваты, образующейся путем экструдирования каолинового или, как вариант, базальтового сырья, предназначенного для изготовления каменной ваты, то есть производится плавкой в электрической печи чистых оксидов алюминия и кремния с последующим образованием волокна методом раздува. В результате образуются минеральные фиброволокна диаметром от 0,5 до 10,0 мкм. Перед смешиванием производится измельчение фиброволокон до длины 50-100 мм, таким образом получают каменную вату. Затем в бункере смесителя строительных смесей рубленная каменная вата перемешивается в определенной пропорции с сухим связующим из цементного сырья (портландцемента) с добавками из льняного масла, обеспечивающих высокую равномерность сцепление частиц цемента с минеральным волокном. Пылеватые частицы портландцемента после гидратации обеспечивают адгезию каменноватных волокон между собой в полости и к стенам траншеи или скважины, а также формируют внутреннюю структурную прочность и связность полученного фибросустрата.
Кроме того, в качестве специальных гидрофобных или гидрофильных добавок в состав входит редиспергированный органический полимер, который является по своему составу сухим порошком, полученным в результате сушки эмульсии из латекса. Органический полимер используется в сухой строительной фибросмеси для того, чтобы повысить затворенному водой фибросубстрату прочность и улучшить его гидрофобные свойства после гидратации цемента. Кроме того, органические полимеры придают строительной фибросмеси пластичность, термостойкость, влагостойкость, повышают ее прочность, обеспечивают определенные удобства при проведении работ, гарантируют получение качественного конечного результата. Водорастворимые эфиры целлюлозы или поливиниловый спирт, или полиэтиленоксид полисахариды добавляют в фибросмесь для повышения водоудерживающей способности и снижения водоотделения из полученного фибросубстрата.
Состав сухой фибросмеси включает следующие компоненты, мас. %:
Портландцемент - 10,0-15,0; Каолиновое волокно - 75,0-80,0; Редиспергируемый органический полимер - 1,5-3,5; Эфир целлюлозы - 0,1-0,8; Льняное масло - 0,5-0,8.
Предложенный способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема расположения оборудования для создания безоболочных конструктивных водоводов-влагообменников из фибросубстрата. На фиг. 2 представлен разрез с поперечным сечением тела фибросубстрата водовода-влагообменника: а) - в открытой траншее; б) - в скважине горизонтального бурения.
На схеме изображены: 1 - концевой колодец; 2 - труба коллектора; 3 - сбросная задвижка; 4 - сливной патрубок; 5 - заглушка концевая; 6 - формируемое тело фибросубстрата; 7 - стенки скважины горизонтального бурения на всей протяженности водовода круглого сечения; 8 - сопло со спринклерами для подачи сухой фибросмеси и смачивания ее в воздухе; 9 - колесная тележка для перемещения и фиксации сопла; 10 - полиэтиленовый шланг для подачи сухой фибросмеси сжатым воздухом; 11 - шланг для подачи воды под давлением; 12 - намоточный механизированный барабан для намотки водяного шланга с заданной скоростью; 13 - водяная помпа, обеспечивающая заданный напор и расход воды для создания водяного облака; 14 - резервуар с технической водой; 15 - намоточный механизированный барабан для намотки полиэтиленового шланга для подачи сухой фибросмеси с заданной скоростью; 16 - агрегат типа EOLE В380, EOLE S220 для предварительного распушения и подачи сжатым воздухом фибросмеси в трубопровод; 17 - складированные мешки с готовой фибросмесью.
Способ реализуется следующим образом.
Предварительно необходимо проведение земляных работ на протекторатном участке с целью создания формы для заполнения сухой фибросмеси, затворенной водой. Разработку формы для заполнения фибросмеси можно производить открытым (траншейным) и бестраншейным методом. Подготовка трассы для мелиоративного водовода-влагообменника производится по нормам и правилам для подобных видов линейных гидротехнических сооружений. Если на участке присутствуют близкозалегающие грунтовые воды, то по трассе траншеи, или кротовины, или скважины горизонтального бурения необходимо обеспечить водоотвод на время производства строительных работ, например, с использованием системы иглофильтров. Системой иглофильтров производят, откачки и опускают уровень грунтовых вод по трасе ниже отметки дна траншеи или горизонтальной скважины до времени окончательной гидратации фибросмеси.
Параметры длина и размера поперечного сечения водовода определяются водохозяйственным расчетом. Длина принимается в пределах 10-100 м по условиям равномерности водообмена, допустимой поливной нормы и времени добегания потока, или с учетом нормы осушения и допустимого времени водоотведения, а также по условиям производства работ при горизонтальном бурении. Поперечное сечение в траншее прямоугольное или трапециидальное, ширина траншеи от 150 мм до 500 мм. В случае бестраншейной кротовины и скважины горизонтального бурения эффективный диаметр в пределах - 100-350 мм. Разрабатывают траншеи и скважины на заданной глубине от 0,2 до 1,1 м с расчетным уклоном. В головной и концевой части водовода устраивают смотровые колодцы для подачи и сброса воды с подключением к водоподводящему тракту и водоотводящему тракту соответственно.
Тело фибросубтрата водовода-влагообменника устраиваются способом сухого или мокрого торкретирования после затворения сухой фибросмеси водой в соотношении 1:5-10 (не допуская жидкой консистенции). При отсутствии агрегатов для механизированного нанесения возможно производить работы вручную, засыпая требуемым слоем фибросмесь в траншею с последующим ее затворением водой в требуемой пропорции.
При торкретировании нагнетательным агрегатом черед сопло распылителя или разбрызгивателя набрасывают в траншею или в полость скважины затворенную водой фибросмесь. Торкретирование начинают осуществлять от концевого участка водовода, где предварительно устанавливают заглушку с выводным патрубком для монтажа сбросной задвижки. Задвижка перекрывает доступ к водосборно-сбросному коллектору, обычно трубчатого. Перечисленные элементы водовода должны располагаться в смотровом колодце.
Мокрое торкретирование заключается в подаче затворенного раствора фибросмеси к месту торкретированного набрызга. При применении мокрого способа торкретируемую массу получают путем смешивания сухого материала с водой в смесительной камере агрегата до подачи насосом в торкретное устройство. Сухую фибросмесь предварительно смешивают с водой в миксере и затем нагнетают нагнетательным насосом через подающий шланг к торкретному устройству - распылительному соплу, которым выбрасывают торкретируемую массу на поверхность формирования тела водовода, используя сжатый воздух через инжекторное устройство. При мокром торкретировании сопло перемещают вручную или механически вдоль траншей обеспечивая заданную толщину сечения водовода. Обычно в торкретируемую массу добавляют реагент для улучшения схватывания у сопла до того, как торкретируемый материал будет нанесен на поверхность стенки траншеи или скважины.
При сухом торкретировании скважины или кротовины сопло тросом с помощью домкрата заводится в скважину. После начала набрызга шланг с заданной скоростью, равной скорости формирования слоя тела фибросубстрата в полости, подтягивается вращающим механизированным намоточным барабаном к отметке начала водовода. Синхроно происходит наматывание водяного шланга в этом же направлении. Сухое торкретирование фибросмеси на поверхность скважины или траншеи производят штукатурными агрегатами типа EOLE В380, EOLE S220, которые отличает компактность и высокая производительность - 1,5-2 м3/мин.
При сухом торкретировании затворение фибросмеси происходит не в штукатурном агрегате, а непосредственно в пространстве вблизи с обрабатываемой поверхностью. Подача сухой распушенной фибросмеси из приемного бункера к соплу производится потоком сжатого воздуха через длинные продуктопроводы, перемещение которых производится при помощи механического намоточного барабана на колесах. Для продуктопроводов используются полиэтиленовый гофрированный шланг диаметром 50-100 мм, к концу шланга подключена удерживающая колесная тележка сопла со спринклерами. Одновременно к расположенным на сопле дождевальным спринклерами под давлением подводится вода, которая в виде дождевого факела наносится на напыляемую поверхность. Водяной шланг от помпы также управляется с помощью намоточного барабана. Затворение фибросмеси происходит в воздушном пространстве и ударом наносится на поверхность, где формируется монолитно-пористое тело фибросубстрата, которое после окончательной гидратации используется как мелиоративный водовод-влагообменник (рис. 1).
После набрызга и формирования тела фибросубстрата необходимо дать время для затвердения, которое определяется скоростью гидратации портландцемента. Через 3-10 часов процесса затвердевания в зависимости от температуры и влажности среды, а также качества водостойкого цемента, получается твердый прочный пластичный фибросубстрат с устойчивой открытой пустотно-пористой структурой (до 75% от объема) с минимальным присутствием замкнутых поровых пространств, через которые свободно фильтруется влага как в виде пара, так и росы или сосредоточенного потока.
Готовый мелиоративный водовод-влагообменник представляет собой линейную подземную конструкцию, образованную фибросубстатом (рис. 2). Полученный сплошной фильтрующий фибросубстрат прочно прикреплен к стенкам скважин или траншей, устойчив к восприятию нагрузок, образует несминаемый кристаллический каркас, из-за высокой скважности не подвержен заилению, инертен к воздействию химических элементов и биологических веществ. Полученный методом торкретирования фибросубстрат обладает большей равномерностью водопоглащающих и водопроводящих свойств, лучшими физическими несущими свойствами требуемой плотности монолитной структуры образованного безоболочного каркаса, чем полученные способом ручной укладки в траншею или по сравнению с прототипом.
За счет проточных некапиллярных пор в теле фибросубстрата обеспечивается водопроницаемость и воздухообмен с почвой. В свою очередь имеющиеся капиллярные поры обусловливают водоудерживающую способность фибросубстрата, тем самым обеспечивают дополнительную подвешенную влагу для почвы, которая используется как запас доступной для растений влаги.
Основное преимущество безоболочного водовода-влагообменника со сплошным фибросубстратом является низкая скорость продвижения потока вдоль уклона. Скорость потока может находится в пределах 0,05-0,15 м/с в зависимости от уклона и удельной плотности фильтрующего фибросубстрата. Пониженная скорость течения позволяет увеличить эффективное впитывание влаги и удерживать ее в подвешенном состоянии в почвенных слоях вокруг мелиоративного водовода-влагообменника, что является целью орошения.
В зависимости от назначения мелиоративного водовода-влагообменника варьируя плотностью фильтрующего фибросубстрата, то есть отношением весовой консистенции портландцемента и каолинового волокна, можно увеличивать водопроницаемость за счет уменьшения сопротивляемости потоку. Ограничением является допустимый предел по сминаемости сечения, то есть сопротивление давлению внешнего грунта. Для случая, когда необходимо увеличить скорость оттока избыточных вод применяются повышенные дозировки гидрофобных добавок, которые уменьшают количество непроточных капилляров.
Важным преимуществом безоболочного фибросубстрата по сравнению с трубопроводными системами является его проницаемость корневой системой растений и забор влаги непосредственноиз тела водовода. При этом структура водовода не разрушается, остается стабильной и сохраняет водопроводящие свойства.
Расход потока и объем впитывания влаги определяет сечение водовода и водно-физические свойства субстрата. Определяющими технические параметры водовода-влагообменника являются физико-механические и агрохимические свойства фибросубстрата: удельная плотность - 350-450 кг/м3; пористость или скважность - 75% от объема; влагоемкость - 85%; влагопроводность - 0,05-0,15 м/с; инертность к воздействию химических и биологических веществ; негорючесть; не токсичность для людей и растений. Субстрат не дает буферных реакций и изменения рН среды находится в пределах 5,0-6,5. Это оптимально для развития корневой системы растений, поэтому субстрат дает преимущество в скорости и качестве развития растений по сравнению с традиционным, изготовленным с применением связующего на основе фенолформальдегидных смол.
Технико-экономические и экологические преимущества изобретения по сравнению с прототипом заключаются в том, что создание безоболочных мелиоративных водоводов-влагообменников в корнеобитаемой толще почвы или по-другому в зоне аэрации позволяет оперативно и продуктивно регулировать режим влажности - ключевой фактор, определяющий урожайность сельхозкультур. Оперативное регулирование положения уровней грунтовых вод создает благоприятные условия эксплуатации подземных частей сооружений.