13. Расчет осушителей

Задача расчета заключается в определении притока воды к осушителю, построении кривой депрессии и определении расстояния между осушителями.

Рассмотрим две схемы осушителей, наиболее часто встречающихся в практике осушения.

Осушители на водоупоре с инфильтрацией атмосферных осадков.

Поступление грунтовой воды в канал происходит только через откосы канала.

Рис. 3.18. Схема осушителей на водоупоре с инфильтрацией атмосферных осадков.

1 – кривая депрессии; 2 – капиллярная зона; 3 – зона пленочного увлажнения; 4 – водоупор.

Гидромеханические решения являются сложными для инженерных расчетов. Поэтому практически ограничиваются гидравлическим расчетом, рассматривая движение воды к осушителю с образованием кривой депрессии с использованием формул Дарси и Дюпюи:

(3.39)

(3.40)

Расход воды на единицу длины осушителя при двустороннем притоке на расстоянии Х от канала определяется следующим образом. Возьмем произвольное живое сечение с глубиной грунтовой воды «у».

1) (3.41)

С другой стороны тот же расход будет равен инфильтрующемуся количеству воды

(3.42)

где А – модуль внутреннего стока, т.е. объем воды, поступающий в канал от просочившихся атмосферных осадков с единицы поверхности в единицу времени, м³/(с∙м²).

Приравняв оба выражения для Q , получим:

Проинтегрировав это выражение для у от h до y и для х от 0 до х найдем уравнение кривой депрессии

(3.43)

Наиболее высокий уровень воды будет посредине между осушителями при х = S = L/2:

(3.44)

Если значение h0 мало по сравнению с h , то им можно пренебречь и тогда

(3.45)

Обычно задача сводиться к определению расстояния между осушителями L = 2S, при которой достигалось бы необходимое понижение уровня воды от поверхности земли С = l + a. Величина С, равная расстоянию от точки перегиба кривой депрессии до дневной поверхности залежи, является нормой осушения. Выполнив расчет по формуле (3.45), определим расстояние между осушителями для заданной величины h или С.

(3.46)

Для получения величины удельного двустороннего притока воды в канал в форме инфильтрации надо принять х = 0, что дает

Если в это уравнение вместо А подставить его значение из формулы (3.45), то для двустороннего притока воды к осушителю получим

(3.47)

Модуль внутреннего стока определяет количество воды, поступающее в осушители от просочившихся атмосферных осадков. Наиболее совершенной формулой для определения модуля внутреннего стока является зависимость академика А.Н. Костякова

(3.48)

где P – количество атмосферных осадков, выпавших за расчетный период, м; α – коэффициент просачивания осадков; β – коэффициент, зависящий от скорости просачивания воды и степени осушения; t – число суток периода; η = 1 – σ – коэффициент поглощения осадков почвой, где σ – коэффициент поверхностного стока.

Коэффициент β приближается к единице по мере увеличения проницаемости грунта и интенсивности осушения. Для торфяных грунтов значение β мало отличается от 1.

Для определения коэффициента α академик А.Н. Костяков приводит его среднемесячные значения для минеральных и торфяных грунтов (табл. 3.14).

Таблица 3.14

Значения коэффициента α

Грунт	Значение коэффициента α по месяцам
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Мине-ральный	0,57	0,66	0,97	0,43	0,30	0,22	0,20	0,08	0,14	0,27	0,39	0,47
Торф-яной	0,80	0,96	1,00	0,57	0,35	0,10	0,12	0,11	0,19	0,43	0,39	0,60

Числовые значения коэффициента поглощения η по данным А.Н. Костякова изменяются в пределах 0,6 – 0,9, а в среднем составляет 0,75. Из-за чрезвычайно большой влагоемкости торфов, особенно верховых, коэффициент поглощения η для них будет приближаться к крайнему пределу 0,9.

Пример.3.4 Рассчитать кривую депрессии и расстояние между осушителями для следующих данных.

Торф верховой, R = 25 %, шейхцериево-сфагновый; Кф = 0,210^-5 м/с;норма осушения С = 1,0 м. Глубина залегания водоупора H0 = 1,8 м. За 14 суток выпало 74 мм осадков. Тверская область. Торфяное месторождение «Оршинский Мох».

Решение. Найдем модуль внутреннего стока А для июня

Расстояние между осушителями

С учетом требований технологии добычи торфа принимаем L = 20 м. (S = 10 м).

Рассчитаем и построим кривую депрессии. По формуле (3.41) рассчитаем ординаты «у» для различных значений «х». Результат расчета сведем в таблицу.

х, м	2,0	4,0	6,0	8,0	10,0
у, м	0,56	0,63	0,68	0,70	0,71

Рис. 3.19. Расчетная депрессионная кривая

Осушители в водоносном слое с инфильтрацией атмосферных осадков

Для рассматриваемого случая можно воспользоваться решением академика А.Н. Костякова для закрытых дрен, перенеся его на открытую осушительную сеть. Расчетная схема приведена ниже (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Схема осушителей в водоносном слое

Инфильтрующееся количество атмосферных осадков из формулы (3.42) приравниваем к количеству воды, поступающей в осушитель на единицу длины. Для определения притока осушителя фильтрующая поверхность ω принимается круговой

(3.49)

где α (угол в радианах) – принимается по А.Н. Костякову:

(3.50)

где угол φ принят равным тангенсу среднего угла депрессии φ = tgφ = h/S.

Величина его зависит от характера грунта и определяется опытным путем или теоретически из уравнения

. (3.51)

Приняв начало координат на уровне воды в осушителях, расход при градиенте dy/dx получим равным

(3.52)

Приравняв оба выражения притока, будем иметь

(3.53)

Проинтегрировав это выражение в пределах для «x» от b0 до «x» (сечение канала приближается к прямоугольному) и для «у» от 0 до «у» находим ординату кривой депрессии

(3.54)

Если b0<<S , то ею можно пренебречь и тогда при х = S и y = H глубина грунтового потока между осушителями будет равна

. (3.55)

Представляя уравнение (3.55) в виде

(3.56)

можно определить расстояние между осушителями L = 2S при заданной норме осушения. Это определяется графически построением двух кривых F1 и F2 как функции S. Левую часть уравнения (3.56) обозначим как F1, а правую – как F2. Точка пересечения дает искомое значение S.

В мелиоративной практике применяется большое количество теоретических и эмпирических формул, по которым можно определить расстояние между открытыми и закрытыми осушителями. Для расчета расстояний между картовыми каналами можно пользоваться формулами С.Ф. Аверьянова, А.Н. Костякова, А.И. Ивицкого, В.Н. Шестакова, А.Я. Олейника, А.И. Мурашко и др.[8].

Для определения расстояния между каналами может быть использована формула И.Роте

(3.57)

где hос – норма осушения;

ε – коэффициент инфильтрации, характеризующий количество выпадающих атмосферных осадков за расчетный период на единицу площади, вызывающих подъем УГВ.

Формула С.Ф. Аверьянова

В =2,07∙√ Кф∙t∙Tc∙α/[δ∙lg

или формула А.И. Головинова

B = 2

где t – расчетное время;

Tc – мощность водоносного слоя;

α – коэффициент висячести;

δ ­– водоотдача;

H0 – превышение УГВ по середине полосы между дренами над уровнем воды в них в начале расчетного времени;

Т – гидравлическая проводимость слоя;

С – скорость снижения уровня воды у дрен;

φ1 – коэффициент, определяемый по специальной таблице в зависимости от относительного времени.

Л.И. Кутаисом и А.И. Басукинским предложена эмпирическая формула, позволяющая ориентировочно определить эффективное расстояние между картовыми каналами для торфяной залежи верхового типа, которая имеет вид

,

где hk – глубина картового канала;

ho – положение грунтовых вод (норма осушения). (Все величины в этой формуле выражены в сантиметрах).

ПРИМЕР.

hk = 180 см; ho = 120 см. Тогда В = (180-120)²/2 = 1800 см или 18 м.

Здесь под глубиной осушителей понимается эффективная глубина, которая остается после выпора дна, оплывания откосов вслед за копающей машиной и глубиной воды в осушителе.

На практике, с учетом многолетнего опыта и требований технологии, принято расстояние между картовыми каналами для верховой залежи равным 20 м, для низинной – 40 м.

Для участков добычи кускового торфа фрезформовочным способом расстояние между картовыми каналами составляет 30 м.