автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Разработка конструкции поглотительной колонки для дренажа промерзаемых слабоводопроницаемых грунтов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ-СПЕЦИАЛИЗИОВАННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

«ГОСЭКОМЕЛИОВОД»

На правах рукописи

Р.

ЕРЦЕВ ГЕННАДИИ НИКОЛАЕВИЧ

АЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ КОЛОНКИ ДЛЯ ДРЕНАЖА ПРОМЕРЗАЕМЫХ АБОВОДОПРОНИЦАЕМЫХ ГРУНТОВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

специальность 05.23.07- гидротехническое и мелиоративное строительство

Научный руководитель кандидат сельскохозяйственных наук Гусенков Е.П.

МОСКВА-1 §99

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

1. Применение дренажных систем для осушения земель 11

1.1. Состояние и перспективы развития осушения минеральных 11 почвогрунтов

1.2. Строительство дренажа на слабоводопроницаемых грунтах 17

1.3. Выводы и постановка задачи 32

2. Условия проведения полевых исследований 34

2.1. Природно-климатические условия Республики Коми 34

2.2. Метеорологические условия в годы наблюдений 43

2.3. Постановка полевых опытов 50

3. Водный режим минеральных слабоводопроницаемых грунтов на 60 опытных участках

3.1. Уровни почвенно-грунтовых вод 60

3.2. Дренажный сток 80

4. Разработка и испытания конструкций поглотительных колонок 99 из пенополистирольных плит и фильтров водоотводящих для строительства дренажа

4.1. Лабораторные исследования дрен с поглотительными колонками 100 из пенополистирольных плит и водоотводящих фильтров

4.2. Определение коэффициента фильтрации пенополистирола на 122 приборе КФ-ООМ

4.3. Расчеты коэффициента фильтрации по эмпирическим формулам 128

5. Расчеты коэффициента фильтрации и пористости 133 пенополистирола используемого для поглотительных колонок

при строительстве дренажа

6. Рекомендации по строительству дренажа с поглотительными 142 колонками из пенополистирольных плит

Заключение 149

Литература 154

Приложения: 179

1.Протокол № 6 Научно-технического совета секции «Мелиорация и гидротехнические сооружения» Главнечерноземмелиоводхоза при Госагропроме Нечерноземной зоны РСФСР от 6 августа 1990 года

2. Справка о внедрении объемов строительства осушительных систем с ПК из ПСБ

3.Письмо Пажгицркой ПМК о строительстве дренажа с фильтрами водоот^одящцми в 1991 году

Введение

На любом континенте нет ни одной страны, где бы не было очевидно важное значение мелиорации земель для развития экономики. Большая часть переувлажненных сельскохозяйственных угодий в Финляндии, Швеции, Нидерландах осушена, в ФРГ и США осушено 60 % земель, а в России осушено менее чем 20% сельхозугодий. В США общая площадь осушенных земель около 60 млн. га, в России - менее 20 млн. га. (65, 66) .

Мелиорация в руках заинтересованных землепользователей становится мощным экономическим фактором развития страны. Природные условия, в которых расположена большая часть страны, сложные и для получения устойчивых урожаев, снижения колебаний урожайности сельхозкультур от климатических условий предусматривается программа мелиорации земель, осуществление которой основано на научном обеспечении мелиоративного строительства, на внедрении достижений науки и техники в мелиоративное производство, на повышении эффективности использования мелиорированных земель.

Актуальность проблемы. Еще в 1931 году Н.И. Вавилов отмечал, что освоение земель достаточно увлажненной Северной зоны "осеверение земледелия" - одна из первостепенных народнохозяйственных задач. В 1936 году Д.Н. Прянишников писал: «Разделка пустошей и болот стоит гораздо дешевле, чем орошение, и поэтому может осуществлена в большом масштабе. Вывод ясен: не снижая темпов орошения, надо в должном масштабе расширять культуру на Севере для страхования от засухи и для снижения колебаний валового урожая» (120).

Проведение мелиоративного строительства в северных районах России вызвало необходимость разработки более совершенных осушительных систем, обеспечивающих отвод избыточной влаги в условиях глубокого и длительного промерзания грунтов, преобладания осадков над испарением, малого количества положительных температур. Построенные ранее в слабоводопроницаемых грунтах осушительные системы не обеспечивают своевременный отвод избыточной влаги не создают достаточную для прохода сельхозмашин, несущую способность грунтов. В условиях севера дренажные системы должны обеспечивать отвод избыточной влаги весной и осенью, что позволяет раньше начать полевые работы и при достаточной несущей способности грунта убирать урожай. В результате увеличения продолжительности вегетационного периода при раннем севе и поздней уборке появляется возможность получать проектную урожайность овощей и картофеля.

Применяемые материалы и конструкции дренажных систем и в первую очередь на слабоводопроницаемых грунтах, не отвечают предъявляемым требованиям, поэтому была поставлена задача по разработке и внедрению высокоэффективных дренажных систем, в том числе с поглотительными колонками или фильтрующими элементами. Предлагались поглотительные колонки из песка, песчано-гравийной смеси, торфяных плит, однако их применение значительно увеличивает стоимость строительства, не обеспечивает отвод воды при наличии прослойки мерзлого грунта, повышает трудоемкость строительства.

В связи с этим исследования строительства дренажа с поглотительными колонками из несмерзающихся материалов при осушении слабоводопроницае-

мых грунтов в условиях севера является актуальной работой.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследованиях новой конструкции поглотительной колонки из синтетических материалов пригодных для строительства дренажа при осушении слабоводопроницаемых грунтов в условиях Республики Коми.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

-проведен анализ применяемых конструкций дренажа, выбраны мероприятия позволяющие повысить скорость отвода воды в дренаж при осушении слабоводопроницаемых грунтов;

- разработаны новые конструкции поглотительных колонок из синтетических материалов;

-определены фильтрационные свойства пенополистирольных плит, водо-отводящих фильтров с применением различных методов и приборов;

- получены данные по уровням грунтовых вод (УГВ), дренажному стоку, времени отвода воды опытными дренажными системами с поглотительными колонками построенными в слабоводопроницаемых грунтах на опытно-производственных участках (ОПУ) Дырнос и Выльгортские пашни ;

-на основании теории неустановившейся вертикальной фильтрации П.Я.Полубариновой-Кочиной получены теоретические формулы для определения по данным опытов величин коэффициента фильтрации и пористости;

-установлены в гидротехнической лаборатории скорости отвода воды дреной с поглотительной колонкой из плиты пенополистирольной и с водоот-водящим фильтром;

- получены данные по температуре воздуха, по количеству осадков, мощности снежного покрова, глубине промерзания и температуре грунтов, по объему дренажного стока и уровням почвенно-грунтовых вод;

- разработаны "Временные рекомендации по применению плит из пено полистирола (ПСБ) для устройства поглотительных колонок (ПК) при строительстве дренажа", "Руководство по проектированию осушительных систем в Коми ССР".

Объекты исследований. Полевые исследования проводились на опытно-производственном участке в пригороде Сыктывкара. Лабораторные работы проводились в ГУП «Комимелиоводхозпроект».

Научная новизна работы заключается в том, что: -разработана и испытана в полевых и лабораторных условиях новая конструкция поглотительной колонки из пенополистирольных плит, обладающих высокими фильтрационными свойствами, что позволяет на слабоводопроницаемых грунтах значительно ускорить отвод избыточной влаги. Важным свойством пенополистирольных плит является их способность не смерзаться и отводить воду в весенний период при наличии мерзлотных прослоек грунта; - впервые в условиях северной зоны России получены данные по эффективности строительства дренажных систем, построенных с применением бестраншейного и траншейного дреноукладчиков с поглотительными колонками из пенополистирольных плит, с кольцевыми водоприемниками, с засыпкой дренажной полости рыхлым грунтом с помощью ступенчатого присыпателя; -в лаборатории получены результаты испытаний новой конструкции фильтра

водоотводящего (ФВ) из полотна иглопробивного мелиоративного (ПИМ) с наполнением отходами производства синтетических полотен, щепой, опилками; - разработаны «Временные рекомендации по применению плит из пенополи-стирола для устройства поглотительных колонок при строительстве дренажа».

Полученные данные по расчету и исследованиям дренажа с поглотительными колонками при осушении слабоводопроницаемых грунтов имеют новизну для Северной зоны России.

Практическая ценность. Производству предложены конструкции поглотительной колонки из пенополистирольных плит и фильтра водоотводящего, подготовлены рекомендации по расчету поглотительных колонок и строительству закрытого дренажа с поглотительными колонками из пенополистирольных плит, определены дополнительные требования к дренажным системам строящимся в условиях Северной зоны России.

Результаты исследований и разработанные рекомендации по строительству закрытого дренажа с ПК из ПСБ используются ГУП «Комимелиоводхоз-проект» при проектировании осушительных систем и рекомендованы Главне-черноземмелиоводхозом для применения в Нечерноземной зоне.

Защищаемые положения. На защиту выносятся результаты исследований и рекомендации по расчету и строительству дренажа с поглотительными колонками из пенополистирольных плит при осушении слабоводопроницаемых грунтов в условиях Республики Коми.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются сопоставлением результатов полевых исследований с результатами моде-

лирования в фильтрационном лотке и лабораторными определениями фильтрационных свойств пенополистирольных плит различными методами на приборах, что позволяет достоверно определить параметры материала пригодного для поглотительных колонок на дренаже при осушении слабоводопроницаемых грунтов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на Научно-практической конференции "Тимано-Печорский ТГЖ и научно-технический прогресс", Сыктывкар, 1986 г;

- на Ученом совете СевНИИГиМ, Ленинград, 1987, 1988, 1989 годы;

- на Научно-техническом Совете при Дирекции "Комиводстрой" в 1987, 1988 гг., впоследствии на Научно-техническом Совете ПСПЭО "Комимелиорация" в 1989, 1990, 1991 гг., Сыктывкар;

- на семинарах специалистов водохозяйственных организаций ПСПЭО «Комимелиорация», 1989, 1990 гг;

- на совещании мелиораторов Агропрома Коми ССР, март 1989 г;

- на Научно-техническом совете секции "Мелиорация земель и гидротехнические сооружения" Главнечерноземмелиоводхоза при Госагропроме Нечерноземной зоны РСФСР, 1990 г, Москва;

- на совещании главных инженеров проектных институтов Нечерноземной зоны РСФСР в г. Твери, декабрь 1990 г;

- на Выставке передового опыта Агропромышленного комплекса Коми ССР, 1991 г, Сыктывкар;

- на съезде гидроэкологов СССР, секция "Мелиорация и водное хозяйство", 1991 г. Москва.;

- на научно-технической конференции Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Коми, г. Сыктывкар, 1998 г.

Реализация результатов исследований. На объектах мелиорации построено 20 км дренажа с поглотительными колонками из пенополистирольных плит и 9,7 км дренажа с фильтрами водоотводящими.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 статьях, во «Временных рекомендациях по применению плит из пенополи-стирола (ПСБ) для устройства поглотительных колонок (ПК) при строительстве дренажа», в «Руководстве по проектированию осушительных систем в Коми АССР».

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии включающей 190 наименований, приложений. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 22 таблицы и 29 рисунков. Общий объем 182 страницы.

1. Применение дренажных систем для осушения земель 1.1. Состояние и перспективы развития осушения минеральных почвогрунтов

Мелиорация земель в руках заинтересованных землепользователей мощный экономический фактор развития страны. Классическим примером такого рода является применение гончарного дренажа в XIX веке в Англии. Гончарный дренаж был причиной аграрной революции в Англии. После изобретения в 1843 году англичанином Д. Ридом трубчатого дренажа за 13 лет было осушено свыше 600 тысяч гектаров. Это позволило Англии потеснить своего конкурента - Россию - на хлебном рынке Европы (66). В Англии к 1880 году площадь осушенных земель составила 6,2 млн. га или все переувлажненные земли были дренированы более ста лет назад (5).

Развитие сельского хозяйства на основе осушения земель закрытым дренажем происходило в большинстве Европейских стран. В Финляндии закрытый дренаж действует на 40 % осушаемой площади (99), из 2,4 млн. га сельскохозяйственных угодий осушено более 1 млн. га и ежегодно осушается около 35 тыс.га (95). В Швеции ежегодно дренаж строится на площади до 50 тыс.га (6 ). В Норвегии 60 % сельскохозяйственных земель осушено и ежегодно осушается до 7,5 тыс.га земель (18). Осушение переувлажненных земель достаточно развито в Голландии (33), Франции (190), в Германии (60, 189) , в Дании (127).

Природные условия России со всей очевидностью предопределяют необходимость мелиорации почв и в первую очередь в районах Нечерноземной зоны, где проживает значительная часть населения.

Мелиоративный фонд в Нечерноземной зоне составляет более 10 млн. га, из них сельскохозяйственных угодий около 8 млн. га (4) .Подъём и интенсификация сельского хозяйства могут быть решены при развитии комплексных сельскохозяйственных мелиораций. Необходимо учитывать, что мелиорация эффективна только на фоне культурного земледелия и заинтересованности землепользователя в результатах труда (8, 53, 59, 66, 119, 120, 128).

Освоение природных ресурсов Северной зоны России связано с необходимостью развития сельскохозяйственного производства, которое в сложных природных условиях должно обеспечивать свое население, занятое в промышленности и в сельском хозяйстве, продуктами питания. Задача эта чрезвычайной важности как по её народнохозяйственной значимости, так и по объёмам работ (120).

Своеобразие почвенно-климатических условий севера вызывает необходимость изучения закономерностей формирования водно-воздушного, теплового и питательного режимов почв при мелиорации земель. Требуется проведение научно-исследовательских работ по новым конструкциям осушительных систем.

В целом сельскохозяйственными мелиорациями на севере Европейской части нашей страны охвачены незначительные площади - около 450 тыс.га из 3 млн.га сельскохозяйственных угодий или 15%. Мелиоративный фонд на перспективу по Северному экономическому району оценивается в 1,4 млн.га (123),

по Республике Коми переувлажнено более 170 тыс. га сельхозугодий и без отвода избыточной влаги и культуртехнических мероприятий использование земель с применением техники невозможно (53,106),

Отвод избыточной влаги в условиях севера Нечерноземной зоны ранее осуществлялся в основном с помощью открытых каналов. В последние тридцать лет развивается строительство осушительных дренажных систем из деревянных, а позднее из гончарных и пластмассовых труб. Эффективность осушения сельскохозяйственных угодий дренажем зависит от природно-климатических свойств территории, от водно-физических свойств почв, от конструкций дренажных систем. Отставание в мелиоративном строительстве на севере Нечерноземной зоны по сравнению с другими областями и регионами Европейской части России не позволило создать необходимое научное обеспечение по конструкциям дренажных систем на основе многолетних наблюдений. Требуется ускоренное создание опытно-производственных участков и проведение научно-исследовательских работ по конструкциям дренажных систем.

На 1.01.1998 года в Республике Коми осушено около 50,8 тыс.га, или 17% сельхозугодий, в том числе закрытым дренажем 23,5 тыс.га. Построенные дренажные системы в хозяйствах южной и центральной агропроизводственных зон Республики Коми в грунтах с коэффициентом фильтрации более 0,3 м/сут обеспечивают своевременный отвод воды и получение проектных урожаев сельхозкультур.

Недостаток исследований и отсутствие конструкций фильтрующих элементов, испытанных в природно-климатических условиях севера,не позволяют

расширить осушение дренажем слабоводопроницаемых грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут.

В составе мелиоративного фонда Республики Коми около 60% занимают слабоводопроницаемые почвы (182). Несмотря на высокое потенциальное пло