Анализ устойчивости глубоко разрыхленных склонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ устойчивости глубоко разрыхленных склонов

А.А. Михайлин, С.В. Филонов

НИМИ ФГБОУ ВПО ДГАУ

Ростовская область в ЮФО является крупнейшей по использованию орошаемого земледелия. Общий фонд регулярного орошения превышает 220 тыс. га и в основном расположен на равнинной территории. Склоновые же земельные массивы испытывают на себе многие факторы деградации (переуплотнение, дефляция, поверхностный смыв). Неоправданное применение вспашки, особенно на склонах, в Ростовской области, вследствие резких перепадов температур в осенне-зимнее время (15ч25⁰С) при сильных ветрах ведет к обесструктуриванию верхнего плодородного слоя. Все это отражается на потере потенциально возможной продуктивности обрабатываемых склоновых земель [1].

Поскольку склоновые земли в основном являются богарными, а их площадь в земледелии Ростовской области и Южного Федерального округа высока, возникает необходимость в качественном улучшении физико-механических свойств поверхностного обрабатываемого слоя этих земель. Обычно, верхний 20-ти см слой почвы, как правило, обесструктурен, а ниже лежащие слои переуплотнены. При атмосферных осадках верхний слой коагулируется, а нижние горизонты воду не достаточно впитывают из-за переуплотнения. Вода стекает по склону, смывая плодородный слой почвы, что часто приводит к заболачиванию и засолению подножья склонов [2]. Устранить вышеперечисленные негативные факторы или свести к минимуму их влияние являлось целью наших исследований по обработке склонов.

В настоящее время разработано большое количество приемов по задержанию талых вод и атмосферных осадков на склонах. Среди них: террасирование, устроение естественных преград на обрабатываемом склоне, мульчирование, щелевание и др. Однако все они либо очень дороги и трудоемки или малоэффективны [3].

Результаты анализа текущего состояния физико-механических свойств, склоновых земель с/х назначения и агротехники на юге РФ показали, что требуется разработать специальную обработку склоновых земель на базе глубокого рыхления [4]. Нами был предложен новый способ обработки склоновых земель с устроением внутрипочвенных стенок и получен патент на изобретение № 2255450 «Способ обработки склоновых почв». В результате представляется возможным разработать ресурсосберегающую технологию обработки склоновых земель, предусматривающую глубокое рыхление, направленное на снижение эрозионных процессов и аккумуляцию внутрипочвенной влаги на склоне [6,7].

Рисунок 1 - Вертикальная проекция склона обработанного новым способом

На рисунке 1 представлено поперечное сечение склона, обработанного новым способом с устройством поперечных внутрипочвенных стенок 2 чередующихся с глубоко разрыхлёнными участками 1, при глубине разуплотнения д = до 0,6ч0,7м.

По нашим предварительным расчётам устройство внутрипочвенных стенок в сочетании с разрыхленными промежутками позволяет препятствовать внутрипочвенному стоку вод, что снижает поверхностную эрозию склонов, улучшает плодородие сельхозугодий, возвращает сильно эродированные участки в оборот, устраняет заболоченность земель у подножия склонов [5, 6].

При значительной аккумуляции внутрипочвенной влаги на обработанном новым способом склоновом участке резко увеличивается его масса. При этом склон может перейти в неустойчивое состояние. Для избежания непредвиденного оползня необходимо рассчитать параметры предельного устойчивого равновесия глубоко разрыхленного предлагаемым способом влагонасыщенного склона [7].

Расчёт устойчивости получаемого влагонасыщенного профиля склона - достаточно сложная задача, поэтому необходимо провести исследования данного вопроса в первом приближении [7- 9].

Установим, что почва - это пористое и неупругое тело. Также будем учитывать, что рассматриваемые склоны изначально являются устойчивыми, угол наклона к общей горизонтали не более 20⁰, толщина грунта, лежащего под плодородным слоем, составляет не менее 1,5 м. Расчёт на устойчивость был выполнен с использованием программного комплекса «FlexPDE 2.0». Для этого использовался метод конечных элементов.

При описании механического состояния устойчивости обработанного склона составляем математическую модель - уравнения равновесия частиц грунта [9-11]:

склоновый земля рыхление эрозионный

(1)

где: S_x и S_y - нормальные напряжения по осям Х и У; T_xy - касательное напряжение; F_x и F_y проекции приложенных сил на соответствующие координатные оси.

 (2)

где: ex = U dx; ey = V dy; gxy = U dy + V dx; для исследуемого склона можем принять C13 = C23 = 0; C11 = G; C12 = G ? з; C22 = G; C33 = G*(1- з)/2.

Обработанный склон будем представлять ансамблем треугольных конечных элементов.

Механическое состояние устойчивости обработанного склона будем описывать следующими дифференциальными уравнениями:

dx[U dx + з* V dy] + p1*dy[U dy + V dx] = 0

dy[V dy + з * U dx] + p1*dx[U dy + V dx] - с *ga/G = 0 (3)

где p1 = (1- з)/2; з - коэффициент Пуасона; U,V - смещение частиц грунта в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно, с - плотность грунта; ga - ускорение свободного падения; G = E/(1- з²); Е - модуль Юнга.

В результате вычислений с применением программы-расчётчика «FlexPDE 2.0» получились следующие результаты.

Рисунок 2 - Х смещение для необработанного участка

На рисунках 2 и 3 приведены смещения по осям Х и У для необработанного участка. В рисунках 4 и 5 показаны смещения по осям Х и У для участка на котором применяется новый способ обработки почвы.

Рисунок 3 - У смещение для необработанного участка

Рисунок 4 - Х смещение для участка обработанного новым способом

Рисунок 5 - У смещение для участка обработанного новым способом

На основании вышеприведённых графиков, полученных в результате произведенных вычислений, применяя метод конечных элементов, используя программу-расчётчик «FlexPDE 2.0», можно сделать вывод, что предложенный новый мелиоративный способ обработки склоновых земель не увеличивает возможность сползания обработанного горизонта склона предлагаемым способом, по сравнению с необработанным. Следовательно, применение нового способа обработки склоновых земель на базе глубокого рыхления, возможно, позволит аккумулировать внутрипочвенную влагу на склоновых землях, что приведёт к повышению урожайности выращиваемых сельскохозяйственных культур и потенциально возможной продуктивности обрабатываемых склоновых земель.

Литература

Гаврилюк, Ф.Я. Полевые исследования и картирование почв [Текст]: Рекомендации / Ф.Я. Гаврилюк. - Ростов-н/Д.: Ростовский ун-т, 1981. - 208с.

Иванова, Н.А. Способы снижения уплотнения почв и их эффективность [Текст]: Сборник трудов ЮжНИИГиМ / Н.А. Иванова. - Новочеркасск, 1990г. - 380с.

Мамаев, З.М. Комплексная механизация мелиоративных работ [Текст]: Каталог ВНИИГиМ / З.М. Мамаев. - М.: ВНИИГиМ, 1986. - 300с.

Винокуров А.А. К вопросу применения в руслах горных водотоков бассейна Верхней Кубани поперечных сооружений, селеспусков и террасирования склонов// А.А. Винокуров. - Вестник Волг ГАСУ. Сер.: Стр-во и архит., 2008.-№11(30).-с. 105

Михайлин А.А. Разработка новой ресурсосберегающей технологии обработки склоновых земель [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. - Режим доступа: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1525 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

Михайлин, А.А. Анализ устойчивости обрабатываемых влагонасыщенных склоновых почв [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. - Режим доступа: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1182 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

Михайлин А.А. Влияние технических характеристик орудия на показатели качества глубокого разрыхления орошаемых земель// А.А. Михайлин, В.П. Максимов, И.В. Клименко. - Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации 2013г. №3.- c. 134-147.

Волосухин В.А. Методика проведения инженерного мониторинга лотковых каналов оросительных систем Южного Федерального округа [монография]/ В.А. Волосухин, М.А. Бандурин - Новочерк. гос. мелиор. акад. - Новочеркасск, 2007. - 40с.

Balci, O.: Verification, Validation and Testing, in Handbook of Simulation, J. Banks, ed., John Willy, New York, 1998. Pp. 335-393.

Caquot, A. (1966). et Kerisel. J.,`Traitй de Mйcanique des Sols', 4иme йdn, 240 p

Lambe J.W., Whitman R.V. Soil mechanics. New Delhi, Wiley eastern limited, 1984,  522 p.

Размещено на Allbest.ru