Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська академія аграрних наук

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

УДК 631.67: 621.1/3;626.82;627.84;627.86

СТВОРЕННЯ ВОДООЩАДЛИВИХ КОНСТРУКЦІЙ КАНАЛІВ ЗРОШУВАЛЬНИХ СИСТЕМ

06.01.02 - сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ЧЕРНИШЕВСЬКА ЛЮДМИЛА ЮХИМІВНА

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук (УААН).

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік УААН і РАСГН КОВАЛЕНКО Петро Іванович, Інститут гідротехніки і меліорації УААН, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ГУРИН Василь Арсентійович, Український державний університет водного господарства та природокористування, завідувач кафедри експлуатації гідромеліоративних систем;

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент РАСГН ОЛЬГАРЕНКО Володимир Іванович, Новочеркаська державна меліоративна академія, завідувач кафедри експлуатації меліоративних систем;

доктор технічних наук, професор МІШИН Аркадій Володимирович, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри технології будівельного виробництва.

Провідна установа: Одеська державна академія будівництва та архітектури МОН України, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Захист відбудеться “ 23 ” квітня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 37

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: м.Київ-22, вул. Васильківська, 37

Автореферат розісланий 21 березня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, с.н.с. Топольнік Т.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема мінімізації фільтраційних втрат, економії води при проходженні її по каналах зрошувальних систем була актуальною і на початку створення зрошувальних систем в Україні, і через п'ятдесят років їх експлуатації.

Починаючи з 1951 року, в Україні побудовано понад 70 тис. км каналів зрошувальних систем, з них на даний час 11 тис. км (в тому числі магістральних і крупних розподільних) проходять у земляному руслі без облицювання. Фільтраційні втрати із необлицьованих каналів становлять до 30-40% об'єму забраної води в голові каналу. Багато існуючих каналів мають неефективні і нераціональні конструкції облицювання. Так, за даними Херсонського обласного управління Мінекобезпеки, щорічні втрати води на фільтрацію із Краснознам'янського каналу становлять 81 млн м³ води, а із Північно-Кримського каналу - 37 млн. м³ води, що призводить до погіршення еколого-меліоративного стану зрошуваних земель.

Незважаючи на те, що в Україні на даний час не ведеться нове будівництво, а виконуються роботи виключно з реконструкції та модернізації меліоративних систем і гідротехнічних споруд на них, актуальність проблеми боротьби з фільтраційними втратами за рахунок створення досконалих протифільтраційних облицювань каналів різного порядку, модернізації конструкцій та розробки методів розрахунку ще більше загострилась у зв'язку з погіршенням меліоративного стану на зрошуваних та прилеглих до каналів територіях.

Необхідність розвитку екологічно безпечних меліорацій передбачена Постановами Уряду, в тому числі Постановою Кабінету Міністрів України від 16 листопада 2000 р. № 1704 “Комплексна програма розвитку меліорації земель та поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь у 2001-2005 роках і прогноз до 2010 року”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася за державними науковими програмами і тематичними планами Інституту гідротехніки і меліорації УААН, в яких автор дисертації була науковим керівником або відповідальним виконавцем:

1968-1969 рр. Тема 0.52.102 “Дослідження фізико-механічних властивостей грунтів основи зрошувальних каналів при будівництві протифільтраційних облицювань із монолітного бетону стосовно умов Каховської зрошувальної системи”. Державна реєстрації № 68020219.

1970-1975 рр. Тема 0.52.126 в. “Дослідити фізико-механічні властивості слабких вапняків при будівництві дамб зрошувальних каналів. Дослідити роботу і протифільтраційну ефективність облицювань зрошувальних каналів на півдні України”. Державна реєстрація № 74001946.

1976-1980 рр. Тема 0.52.02. “Розробити і впровадити конструкції меліоративних систем з високим рівнем механізації і автоматизації технологічних процесів з застосуванням полімерних матеріалів, які забезпечують раціональне використання водних і земельних ресурсів”. Державна реєстрація № 78004867.

1981-1985 рр. Тема 0.52.03. “Створити технологічні процеси і організацію будівництва комбінованих протифільтраційних облицювань і нових конструкцій при будівництві каналів глибиною до 7 м”. Державна реєстрація № 81.092471.

1986-1990 рр. Тема 0.04.02Д. “Удосконалити методи розрахунків і конструкції гідротехнічних споруд в складних грунтових умовах на набухаючих і випинаючих грунтах”. Державна реєстрація № 01.87.004142.

1989-1991 рр. Тема 432. “Розробити раціональні конструкції і методи розрахунку гідротехнічних споруд меліоративних систем”. Державна реєстрація № 01.90.007558.

1992-1996 рр. Тема 3.03.02.21. “Оцінити ефективність конструкцій протифільтраційних облицювань зрошувальних каналів залежно від грунтових умов”. Державна реєстрація № 01.96U22806.

1996-2000 рр. Тема 02.01.03. “Розробити конструкції систем та комплекс технічних засобів поверхневого поливу сільськогосподарських культур з імпульсним режимом водоподачі”. Державна реєстрація № 0196U021782.

2001-2002р.р. Тема 01.06. “Розробити надійні екологічно безпечні конструкції каналів для їх застосування при модернізації та реконструкції зрошувальних систем”. Державна реєстрація № 0101U004616.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - наукове обгрунтування водоощадливих конструкцій каналів, удосконалення методів розрахунку, технології будівництва з врахуванням системи “облицювання - грунт”, спрямованих на мінімізацію фільтраційних втрат води.

Досягнення мети здійснювалося вирішенням таких задач:

- дослідження фільтраційних втрат і факторів, які впливають на них, на каналах різного порядку транспортуючої, розподільчої і регулюючої зрошувальної мережі і визначення ланок в мережі каналів з найбільшими фільтраційними втратами;

- розробка теоретичних основ переміщення води із зрошувальних каналів під дією капілярних, гравітаційних сил і глибини води в каналах;

- розробка аналітичних залежностей для визначення фільтраційних втрат із каналів залежно від водно-фізичних властивостей грунтової основи каналів і конструкцій облицювань, визначення елементів техніки поливу по борознах, які забезпечують мінімальні фільтраційні втрати;

- дослідження спільної роботи облицювання і встановлення причин і механізму руйнування різних конструкцій облицювань залежно від водно-теплового режиму роботи системи “облицювання - грунт”;

- удосконалення методу розрахунку міцності облицювань з врахуванням напружено-деформованого стану системи “облицювання - грунт”. Обгрунтування раціональних конструкцій облицювання на основі регулювання водно-теплового режиму грунтової основи із набухаючих і випинаючих грунтів;

- розробка технічних вимог до підготовки грунтової основи каналів і технології будівництва дамб каналів, в тому числі з місцевих матеріалів;

- оцінка протифільтраційної ефективності сучасних облицювань різних конструкцій та обгрунтування ефективних конструкцій протифільтраційних облицювань каналів різного порядку залежно від грунтових умов транспортуючих, розподільних каналів і регулюючої мережі каналів, в тому числі удосконалення конструкцій каналів на діючих зрошувальних системах після тривалої їх експлуатації.

Об'єктом дослідження є робота системи “облицювання - грунтова основа” на відкритих зрошувальних каналах транспортуючої, розподільної і регулюючої мережі, починаючи від водозабору і до поля залежно від грунтових умов. фільтраційний зрошувальний облицювання конструкція

Предметом дослідження є процес фільтрації із облицьованих і необлицьованих каналів, збереження води при транспортуванні по каналах із застосуванням раціональних конструкцій облицювання, вплив фільтрації на еколого-меліоративний стан зрошуваних земель, протифільтраційна ефективність та екологічна надійність облицювань різних конструкцій залежно від грунтових умов.

Методи дослідження базуються на способах і методах розв'язування задач математичної фізики, інженерної геології, теорії фільтрації, теорії пружності, гідравліки, механіки грунтів, статики і динаміки гідротехнічних споруд, математичного та фізичного моделювання, математичної статистики із застосуванням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше застосовано новий підхід до дослідження роботи і протифільтраційної ефективності облицювань, який розглядає систему “облицювання - грунт”. Одержано аналітичні залежності для визначення фільтраційних втрат із необлицьованих і облицьованих каналів в умовах вільної і підпертої фільтрації з врахуванням часу, водно-фізичних властивостей грунтів, глибини води в каналі і конструкцій протифільтраційних облицювань.

Визначено величини фільтраційних опорів сучасних конструкцій облицювань

Розроблено теоретичні основи режиму водоподачі в борозни.

На основі дослідження спільної роботи облицювання і грунтової основи встанов-лено причини і механізм руйнування різних конструкцій облицювання в процесі довго-тривалої експлуатації залежно від водно-теплового режиму роботи системи “облицю-вання - грунт”. Удосконалено метод розрахунку міцності монолітного бетонного облицювання залежно від напружено-деформованого стану системи “облицювання - грунт”. Обгрунтовано конструкції облицювання на основі регулювання водно-тепло-вого режиму системи “облицювання - грунт” на набухаючих і випинаючих грунтах.

Дано оцінку протифільтраційної ефективності різних конструкцій облицювань в ідентичних умовах будівництва і експлуатації каналів.

Обгрунтовано раціональні конструкції протифільтраційних облицювань транспор-туючих, розподільних, регулюючих каналів зрошувальних систем для різних грунтових умов, які забезпечують мінімальні фільтраційні втрати і збереження екології довкілля.

Розроблено технічні вимоги до підготовки грунтової основи каналів із вивітрілих слабких вапняків.

Практичне значення одержаних результатів.

Проведено обгрунтування заходів по зменшенню фільтраційних втрат по всій довжині каналів відкритої зрошувальної мережі від водозабору до поля: магістральний канал - розподільний канал - тимчасовий зрошувач - вивідна - поливна борозна, що забезпечує економію води, землі, паливно-мастильних матеріалів, зниження капітальних, трудових, енергетичних затрат, збереження природного ландшафту, можливість створення екологічно надійних меліоративних систем.

Реалізацію роботи здійснено в таких напрямках: науково обгрунтованого вибору раціональних конструкцій облицювань, що мають мінімальні фільтраційні втрати, залежно від грунтової основи, зокрема з місцевих грунтів; застосування технології будівництва дамб зрошувальних каналів з гравійно-галькових грунтів і вивітрілих вапняків; отримання достовірних даних про фільтраційні втрати із каналів при різних конструкціях облицювань і їх застосування для оцінки змін гідрогеологічного стану на Каховському зрошуваному масиві і Комсомольській зрошувально-обводнювальній системі в Саратовській області; обгрунтування застосування бетоно-укладальних комплексів “РАХКО” і “АЛЬКОНС” для будівництва бетонних монолітних облицювань; обгрунтування раціональних елементів техніки поливу по борознах; обгрунтування недопустимості застосування дощувальних машин з тимчасовими зрошувачами в земляному руслі в зонах підтоплення земель на півдні України.

Результати досліджень ввійшли в нормативні документи з питань технології будівництва дамб каналів з вивітрілих вапняків, проектування протифільтраційних облицювань, вибору раціональних елементів техніки поливу по борознах.

Результати досліджень впроваджено при проектуванні і будівництві Головного магістрального каналу і розподільних каналів Р-5, Р-5-1, Р-7, Р-8, Р-8-1, Р-9 Каховської зрошувальної системи, розподільних каналів Комсомольської зрошувально-обводнювальної системи, ІІ-ІV черг Північно-Кримського каналу, Перекопського каналу загальною довжиною 500 км.

Особистий внесок автора. Усі наукові положення, винесені на захист, одержано автором у процесі багаторічної роботи відповідальним виконавцем та науковим керівником науково-технічних програм. Наукові результати отримані особисто дисертантом: аналітичні залежності для визначення фільтраційних втрат із каналів залежно від водно-фізичних властивостей грунтової основи, фільтраційні опори різних конструкцій облицювань каналів, теоретичні основи режиму водоподачі, який забезпечує мінімізацію фільтраційних втрат, розрахункова схема і вдосконалення методу розрахунку облицювання з врахуванням напружено-деформованого стану системи “облицювання - грунтова основа”, рекомендації по вибору раціональних конструкцій облицювання мережі каналів залежно від грунтової основи.

Натурні та лабораторні дослідження проведено особисто автором за участю П.А. Сухорукова, С.Л.Топчія, С.М. Ворошнова,, Я.В.Шевчука, О.Н.Кафтана, О.С.Волошкіної, О.С.Ігнатової, В.П.Маркевич та інших співробітників відділу гідротехніки ІГіМ УААН.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень за темою дисертації багаторазово розглядались на вченій раді Інституту гідротехніки і меліорації УААН (1970 - 2002 рр.).

Основні положення і матеріали дисертації доповідались і отримали позитивну оцінку на численних союзних і республіканських семінарах, науково - технічних і науково - методичних конференціях, нарадах, виставках, в тому числі у Москві - 1970, 1972, 1986 рр., Ленінграді - 1972 р., Ташкенті - 1988 р., Саратові - 1984 - 1990 рр., Сімферополі - 1988 р., Ставрополі - 1988 р., Волгограді - 1975 р., Енгельсі - 1988 р., Рівному - 1986, 1989, 2001 рр., Києві - 1974,1989,1997 рр., ВДНГ СРСР (Москва) - 1985 р., ВДНГ УРСР (Київ) - 1988 р., на технічних нарадах Інституту “Укрводпроект”, на секціях НТР та експертних радах Держводгоспу України (1970 - 2002 рр.), УААН (1990 - 2002 рр.).

За розробку і впровадження технології будівництва дамб зрошувальних каналів із вивітрілих вапняків і наукове обгрунтування раціональних конструкцій облицювання в складних грунтових умовах дисертант в 1986 році нагороджена бронзовою медаллю ВДНГ СРСР.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 55 наукових роботах, з них 6 індивідуальних, в тому числі 27 статей у фахових виданнях. Матеріали дисертації ввійшли в п`ять відомчих нормативних документи.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація має вступ, вісім розділів, висновки, список використаних літературних джерел із 359 найменувань, чотирьох додатків. Текст роботи викладено на 391 сторінках, з яких 267 сторінок комп'ютерного тексту, а також 68 рисунків, 32 таблиці.

У роботі прийнято скорочення: ЗС - зрошувальна система; ЗОС - зрошувально-обводнювальна система; КЗС - Каховська ЗС; ТЗС - Татарбунарська ЗС; ПРЗС - Північно-Рогачицька ЗС; ПКК - Північно-Кримський канал; КЗОС - Комсомольська зрошувально-обводнювальна система; ЧГ - Чорноморська гілка; МК - магістральний канал; НВ - найменша вологоємкість; ПФО - протифільтраційне облицювання; ПФЕО - протифільтраційна ефективність облицювання; РГВ - рівень грунтових вод.

Зміст роботи

У вступі розкрито актуальність досліджень, направлених на зниження фільтраційних втрат обгрунтуванням водоощадливих конструкцій протифільтраційних облицювань; наведено наукову новизну, практичну цінність роботи; сформульовано мету і задачі досліджень.

У першому розділі проаналізовано еколого-меліоративний стан зрошуваних земель півдня України, роботу характерних типів конструкцій протифільтраційних облицювань і методи їх розрахунків; виконано аналіз стану сучасної мережі відкритих зрошувальних каналів, досліджень фільтраційних втрат із облицьованих і необлицьованих каналів, поставлено мету і задачу досліджень.

Фільтраційні втрати води із каналів є одним із негативних впливів меліорації на зрошувані землі. Вони зменшують коефіцієнт корисної дії зрошувальних систем, потребують більших розмірів каналів, збільшують водозабір із джерела зрошення, матеріальні і енергетичні витрати в процесі будівництва і експлуатації каналів.

Аналіз сучасного технічного стану зрошувальних каналів і зміни еколого-меліоративного стану зрошуваних земель під впливом фільтрації із каналів показав, що в багатьох випадках вони незадовільні: багато постійних каналів проходить в земляному руслі без облицювання або мають неефективні конструкції облицювання і під впливом фільтрації піднімаються рівні грунтових вод і відбувається підтоплення, заболочування, засолення зрошуваних земель.

Питаннями фільтрації займались теоретично і експериментально багато вітчизняних і зарубіжних вчених. Особливий розвиток теорії фільтрації припав на 50-60-ті роки, коли розпочалось будівництво великих гідромеліоративних систем.

Але конструкції каналів зрошувальних систем застосовували з врахуванням лише витрат води каналів, без врахування впливу грунтів на протифільтраційне облицювання в процесі експлуатації. Методи розрахунків конструкцій ПФО також не враховували дію грунтів на протифільтраційне облицювання.

Тому в дисертації розглянуто роботу системи “облицювання - грунт” та знайшла розвиток ідея М.М.Біляшівського про те, що ПФО працюють спільно з їх грунтовими основами і протифільтраційний ефект облицювань залежить від грунтової основи і при проектуванні, будівництві і експлуатації каналів потрібно розглядати систему “облицювання - грунт”.

У другому розділі викладено методику теоретичних, лабораторних і натурних досліджень, проведених в роботі.

Теоретичні дослідження виконано в напрямках:

розробка аналітичних залежностей для визначення фільтраційних втрат для умов вільної і підпертої фільтрації з необлицьованих і облицьованих каналів залежно від водно-фізичних властивостей грунтів;

розробка теоретичних основ режиму водоподачі, який забезпечує мінімізацію непродуктивних фільтраційних втрат;

вдосконалення розрахунку міцності монолітного бетонного облицювання з врахуванням нелінійно-деформованого стану системи "облицювання - грунт" для каналів на набухаючих і випинаючих грунтах.

На основі робіт W.Gargner, I.Widstoe, E.Buckkingham, A.Klute, I.Philip, L.Richards, N.Collis-George, E.Childs, A.Liakopoulos, Р.Слейчера, С.Ф.Авер'янова, І.І.Будаговського, В.В.Ведерникова, Л.М.Рекса, О.А.Роде, автора та інших дослідників обгрунтовано вибір для визначення кількісних характеристик першої стадії фільтрації із каналів нелінійного диференціального рівняння в часткових похідних другого порядку параболічного типу (вдосконалене рівняння дифузії):

(1)

де W - вологість грунту;

K(W) - коефіцієнт капілярної водопровідності;

D(W) - коефіцієнт дифузії;

H - напір, зумовлений гідростатичним тиском води.

У дисертації розв'язано окремі випадки рівняння (1), що характеризують переміщення вологи під дією капілярних, гравітаційних сил, глибини води в каналі у горизонтальному і вертикальному напрямках.

Рівняння (1) розв'язано аналітичним і чисельним методами.

Для розв'язування задачі вільної фільтрації із каналів застосовували наближений аналітичний метод осереднення функціональних поправок (метод Ю.Д.Соколова), апробований нами раніше.

Розбіжність між аналітичним і чисельним методами не перевищує 3 %.

У роботі теоретично визначено і підтверджено експериментально коефіцієнти вологоперенесення для різних типів грунтів.

У роботі коефіцієнт дифузії визначено за формулою:

D=D₀ exp (W-W₀), (2)

де W₀ - початкова вологість;

D₀ - коефіцієнт дифузії при початковій вологості.

У роботі визначено величини D₀ і для пісків, суглинків, глин.

Одержано теоретичні залежності для визначення переміщення вологи для умов вільної фільтрації із каналів залежно від часу та водно-фізичних властивостей грунтів, які апробовано в лабораторних умовах на фільтраційному лотоці і в натурних умовах на діючих каналах зрошувальних систем. Розбіжність між теоретичним рішенням і експериментальними даними не перевищує 8-10 %.

У роботі одержано формули для визначення оптимальних параметрів елементів техніки поливу по борознах: тривалості поливу, відстані між борознами, норм поливу залежно від водно-фізичних властивостей грунтів і глибини кореневої системи сільськогосподарських культур за відсутності непродуктивних фільтраційних втрат. Формули отримано на основі спільного розв'язування рівнянь, які описують переміщення води із борозни в грунт в горизонтальному напрямку під дією капілярних сил і в вертикальному напрямку під дією капілярних і гравітаційних сил залежно від деформацій контуру зволоження.

Для умов підпертої фільтрації із облицьованих каналів розрахунок фільтраційних втрат і кривих депресії проводили із застосуванням методу фільтраційних опорів. За основу взяли методику О.Я.Олійника для розрахунку фільтрації із необлицьованих каналів, але з введенням додаткових фільтраційних опорів, які характеризують вплив конструкції облицювання Ф_обл.

В роботі визначено величини фільтраційних опорів Ф_обл. для характерних типів сучасних конструкцій протифільтраційних облицювань.

Теоретичні дослідження по розрахунку міцності монолітного бетонного облицювання на набухаючих грунтах включали розробку розрахункової схеми “облицювання - грунт”, вибору розрахункових схем впливу набухання на облицювання, вибору методики розв'язування контрольної задачі, чисельні дослідження.

Запропоновано новий метод розрахунку міцності облицювання з врахуванням нелінійно-деформованої грунтової основи, який базується на методі С.М.Клепікова з застосуванням перемінного коефіцієнта жорсткості С, який визначається за формулою:

С = Р / S_і, (3)

де Р - середнє рівномірне розподілення тиску під підошвою облицювання;

S_і - деформації грунтової основи в і-тій точці.

У роботі виконано чисельне розв'язування задачі на ЕОМ міцності монолітного бетонного облицювання з грунтовою основою з легкосуглинистих і важкосуглинистих грунтів.

Розв'язано чисельним методом задачу промерзання грунтової основи каналів з різними конструкціями облицювань, яка зведена до рівняння:

, (4)

де W_T - джерело тепла

для мерзлої і немерзлої зон за певних граничних умов.

Напружено-деформаційні характеристики набухаючих грунтів: відносне набухання, тиск набухання, модуль деформації визначали приладами А.М.Васильєва, компресійним приладом ПНГ та струнним динамометром ДДГМ-1.

Детально визначено залежність величини набухання, тиску набухання, модуля деформації від початкової щільності і вологості набухаючих грунтів порушеної і непорушеної структури.

Оскільки в натурних умовах набухання залежить від

= f ( W, _d, T ), (5)

де - відносне набухання;

_d - щільність сухого грунту,

то в лабораторії проведено однофакторні експерименти (зі зміною або щільності або вологості) при постійній температурі, рівній Т=20^оС.

Початкову вологість грунтів змінювали від W₀ = 5% до W₀ = 29% через інтервал W = 2%. Щільність грунтів змінювали від _d = 1,10 - 2,10 г/см³ через _d= 0,1 г/см³.

Досліджено вплив циклів зміни “зволоження - висушування” грунту на величину і тиск набухання. Досліджено 7 циклів перемінного зволоження і висушування грунту на приладі НПГ і лотоці, обладнаному динамометрами ДДГМ-1.

Для перевірки отриманих теоретичних формул фільтрації було проведено за методикою С.Ф.Авер'янова і М.Г.Бугая фізичне моделювання фільтрації на фільтраційному лотоці розмірами 2 х 1 х 0,55 м.

В натурних умовах проведено системні дослідження спільної роботи системи “облицювання - грунт” із заданими будівельними щільністю і вологістю грунтової основи дослідних полігонів і каналів транспортуючої, розподільної і регулюючої мережі, починаючи з будівництва дамб каналів і першого дня їх експлуатації на Татарбунарській, Нижньодністровській, Каховській, Північно-Рогачицькій зрошу-вальних системах, ПКК, Комсомольській ЗОС у Саратовській області. Будівництво дослідних каналів і полігонів здійснювали трести “Дунайводбуд”, “Укрводбуд”, “Кримводбуд”, “Кримканалбуд”, “Головпівденводбуд”, “Головсередньоволгобуд” під керівництвом лабораторії гідротехніки ІГіМ УААН і безпосередньо автора.

Натурні дослідження носять довготривалий характер і проводяться з 1968 р. по теперішній час.

Канали мали глибину від одного до восьми метрів, проходили в різних грунтах порушеної і непорушеної структури: лесових суглинках, важких суглинках, вапняках, суміші вапняків з суглинками.

Технологію будівництва дамб каналів розробляли в кожному конкретному випадку безпосередньо при будівництві каналів.

Особлива увага приділялась розробці нових технологій будівництва дамб каналів із вивітрілих вапняків. Вапняк розрівнювали, дозволожували, ущільнювали на спеціальних картах будівельними машинами. При дослідному ущільненні змінювали вологість грунту, висоту шару насипу, число проходів котків по одному сліду, ущільнюючі механізми. Після кожної серії проходів проводили контроль щільності і вологості ущільненого шару грунту, відбирали проби для визначення гранулометричного складу. Всього виконано 1200 визначень цих параметрів грунтів, результати оброблено методом математичної статистики.

Фільтраційні втрати визначали методом ізольованих відсіків. Побудовано 44 ізольованих відсіки різної довжини, на яких досліджено роботу 30 конструкцій ПФО з їх грунтовою основою протягом 14 років експлуатації каналів.

Для визначення протифільтраційної ефективності різних конструкцій ПФО застосували метод полігонних досліджень, при якому досліджується конструкція облицювання в цілому, а не окремі її деталі і оцінюється вплив облицювання на рівневий режим грунтових вод.

Відсіки були обладнані поверхневими і глибинними марками, реперами, п'єзометричними свердловинами, гідрометеорологічними площадками, постами за спостереженням рівнів води, устаткуванням для подачі води у відсіки.

Спостереження за деформаціями ПФО і їх грунтової основи проводили регулярно протягом 14 років - весною, літом, восени, зимою.

Досліджено зміну стану ПФО в процесі експлуатації з фіксацією розвитку повздовжніх, поперечних і косих тріщин в облицюваннях з монолітного бетону і збірного залізобетонного облицювання з стабілізованою поліетиленовою плівкою і без неї.

Результати багаторічних спостережень за фільтраційними втратами оброблено методом математичної статистики з визначенням функціональної залежності фільтраційних втрат від глибини води в каналі і тривалості його роботи.

Методика полігонних досліджень протифільтраційної ефективності різних конструкцій облицювань позитивно оцінена спеціалістами Бюро меліорації США і в свій час була ними прийнята для дослідження протифільтраційної ефективності плівок американського виробництва.

У третьому розділі наведено результати натурних досліджень фільтраційних втрат із необлицьованих каналів і облицьованих різними конструкціями ПФО (монолітним бетонним облицюванням з поліетиленовою плівкою і без неї, збірним облицюванням із залізобетонних плит НПК і НПВК, монолітним бетонним облицюванням, побудованим бетоноукладальними комплексами “РАХКО”, “АЛЬКОНС”, “ЖЕТКО”) транспортуючої, розподільної і регулюючої мережі, а саме: із магістральних каналів, розподільних каналів, тимчасових зрошувачів, вивідних і поливних борозен на зрошувальних системах півдня України і Росії з врахуванням грунтової основи каналів із суглинистих грунтів із різною щільністю, що дало змогу визначити фактори, які впливають на величину фільтраційних втрат із каналів.

В роботі дана якісна і кількісна оцінка факторів, діючих на величину фільтраційних втрат: водно-фізичних властивостей грунтової основи, в першу чергу будівельних щільності і вологості, наявності і конструкції облицювання, глибини води в каналі, стадій фільтрації, розмірів каналу, режиму роботи каналу, водно-теплового режиму роботи системи “облицювання - грунтова основа”, гідрогеологічних умов.

Досліджено дві стадії фільтрації із каналів: вільну і підперту. При Q_ф ‹ Q_{відтоку} - вільна фільтрація спостерігається при будь-якій тривалості роботи каналу; Q_ф › Q_{відтоку} - підперта фільтрація спостерігається при довготривалій роботі каналу.

Схеми фільтрації із необлицьованих і облицьованих каналів показано на рис.1.

Процес фільтрації із облицьованого і необлицьованого каналів відрізняється якісно і кількісно.

а б

1 стадія - вільна фільтрація
Фаза поглинання
фаза капілярно-грунтового потоку
2 стадія - підперта фільтрація

Рис. 1 Схема фільтрації води з каналу: а - необлицьованого; б - облицьованого

У фазі поглинання першої стадії фільтрації спостерігаються найбільші фільтраційні втрати із каналів. Ці втрати не впливають на підняття рівня ГВ, але позначаються на розмірах поперечного перерізу каналу. Фаза поглинання спостерігається при першому заповненні водою каналу (що часто має місце при періодичній роботі каналів).

В умовах підпертої фільтрації втрати води зменшуються (в 3-10 разів) і впливають на підняття грунтових вод. Для зменшення фільтраційних втрат рекомендується режим постійного заповнення каналу водою.

Ці два крайні випадки фільтрації із каналів теоретично розглянуто в дисертації.

В натурних умовах на МК КЗС дослідження фільтраційних втрат і динаміки розтікання фільтраційного потоку під руслом каналу проводили в подових важких суглинках, які мають коефіцієнт фільтрації К_ф =0,002 - 0,003 м/доб. Дослідженнями встановлено, що фільтраційні втрати із МК невеликі: q= 0,0046 м³/доб з 1 м² поверхні каналу, що послужило обгрунтуванням для відмови від застосування ПФО в умовах подових грунтів при проектуванні МК КЗС. Фільтраційні води за 100 діб роботи каналу не досягли РГВ на глибині 20 м, а утворили два водоносних горизонти на даху суглинків важких червоно-бурих з К_ф = 0,002 м/доб.

Фільтраційні втрати із МК КЗОС, який має бетонне монолітне облицювання товщиною = 0,15 м, укладене бетоноукладальним комплексом “РАХКО” на суглинки з К_ф= 0,04 м/доб, дорівнюють для умов підпертої фільтрації q = 0,01 м³/доб з 1 м² поверхні каналу. Фільтраційні води за 5 діб досягли РГВ, який знаходився на глибині 15 м. Вплив фільтраційних вод на РГВ зафіксовано на відстані 1 км від каналу і за поливний сезон підняття РГВ становило 0,5 м.

Дослідження фільтрації із розподільних каналів проводили на Р-1 Татарбунарської ЗС, Р-4 Північно-Рогачицької ЗС, Р-5-1 КЗС, К-!, К-2, 2К-1 КЗОС.

Результати досліджень на дослідному полігоні каналу Р-1 ТЗС показали, що фільтраційні втрати через бетоноплівкове облицювання в 8-10 разів менші, ніж через монолітне бетонне облицювання, і не залежать від щільності грунтової основи. Фільтраційні втрати через бетонне монолітне облицювання залежать від властивостей грунтової основи, в першу чергу від щільності грунтів: чим більша щільність грунтової основи, тим менші фільтраційні втрати.

Дослідження фільтрації із каналу Р-4 ПРЗС, який проходить в суглинках з К_ф = 0,4 м/доб, дно і укоси якого закріплені щебенем товщиною 0,3 м, показали, що фільтраційні втрати змінюються від q = 0,7 м³/доб (на початку роботи каналу) до q = 0,1 м³/доб з 1 м² поверхні каналу (після 2-3 років експлуатації каналу). Фільтраційні води досягли РГВ, які знаходились на глибині 7 м, за 3 доби. За 5 років експлуатації каналу Р-4 вплив фільтрації на РГВ зафіксовано на відстані 2 км від каналу. Рівень ГВ біля каналу піднявся на 4 м.

Дослідження, проведені на каналі Р-5-1 КЗС, який має ПФО із монолітного бетону, укладеного комплексом “РАХКО”, і грунтову основу з К_ф =0,01 м/доб показали, що після 5 місяців спостережень величина фільтраційних втрат дорівнює q = 0,004 м³/доб з 1 м² поверхні каналу і при подальшій експлуатації зменшується. Дослідження показали, що за 7 років експлуатації каналу Р-5-1 КЗС РГВ біля каналу змінився лише на 1 м, піднявшись з глибини 21,5 до 22,5 м.

На розподільних каналах КЗОС досліджено фільтраційні втрати через бетонні облицювання, побудовані бетоноукладальними комплектами “АЛЬКОНС”, “ЖЕТКО”, а також через залізобетонні плити з випусками арматури (плити НПВК).

Результати фільтраційних досліджень представлено на рис. 2, з якого видно, що найменші фільтраційні втрати має монолітне бетонне облицювання, укладене комплектом “АЛЬКОНС”: при товщині = 0,12 м фільтраційні втрати дорівнюють q = 0,005 м³/доб з 1 м² поверхні каналу. Облицювання із збірних плит НПВК і укладені комплектом “ЖЕТКО” мають великі фільтраційні втрати (відповідно q = 0,06 і q = 0,043 м³/доб з 1 м² поверхні каналу). Досліджено вплив глибини води в каналах на величину фільтраційних втрат.

Досліджено вплив глибини води в каналах на величину фільтраційних втрат.

На Татарбунарській і Нижньодністровській ЗС досліджено фільтраційні втрати із тимчасової регулюючої мережі: тимчасових зрошувачів, вивідних і поливних борозен.

Дослідження показали, що фільтраційні втрати із тимчасових зрошувачів дорівнюють q = 0,24-0,30 м³/доб з 1 м², із вивідних борозен q = 0,48 м³/доб з 1 м². Великі поливні норми на цих системах (понад 600 м³/га ) призвели до підняття РГВ.

Аналіз фільтраційних втрат із мережі каналів різного порядку показав, що найменші фільтраційні втрати спостерігаються із постійної мережі облицьованих каналів, а найбільші фільтраційні втрати встановлено на періодично працюючих каналах без облицювання в умовах вільної фільтрації, що має місце на регулюючій мережі: тимчасових зрошувачах, вивідних і поливних борознах, і тут є можливість економії великих об'ємів води.

У четвертому розділі теоретично досліджено фільтрацію із каналів для умов вільної і підпертої стадій.

В роботі наведено два приклади чисельних розрахунків вологоперенесення при фільтрації із каналів через шви, тріщини, монолітний бетон облицювання з різними глибинами води в каналі за рівних інших умов, з яких видно, що при більшій глибині води швидше проходить переміщення фронту фільтраційних вод і підняття РГВ.

Для встановлення кількісних характеристик переміщення вологи під дією капілярних і гравітаційних сил, глибини води в каналі в ненасичених грунтах в умовах першої стадії фільтрації із каналів розв'язано окремі випадки рівняння (1):

- переміщення в горизонтальному напрямку під дією капілярних сил:

, ( 6 )

- переміщення в горизонтальному напрямку під дією капілярних сил і глибини води:

, (7)

- переміщення в вертикальному напрямку під дією капілярних і гравітаційних сил:

, (8)

- переміщення в вертикальному напрямку під дією капілярних, гравітаційних сил і глибини води в каналі:

(9)

за крайових умов:

W = W₁ при х, z = 0, t 0;

W = W₀ при х, z > 0, t = 0; (10)

W = W₀ при х, z = , t = 0.

У дисертації розширено границі застосування залежності D=D₀exp[(W-W₀)] практично для всіх типів грунтів півдня Україні. Для визначення параметрів і D₀ автором розроблено формули, які перевірено експериментально для різних типів грунтів: пісків, суглинків, глин. Величини і D₀ представлено в таблиці 1, в якій прийнято позначення W₁ - повна вологоємкість; W^* - зв'язана вологість; P₀ - тиск; К_гр - коефіцієнт фільтрації грунту.

Методом осереднення функціональних поправок Ю.Д.Соколова отримано аналітичні формули для визначення фільтрації залежно від водно-фізичних властивостей грунтової основи каналів: початкова вологість, повна вологоємність, зв'язана волога, коефіцієнт фільтрації, пористість, щільність, потенціал вологи, які підтверджені натурними дослідженнями на багатьох каналах ЗС України.

Таблиця 1

Значення параметрів грунтів

Грунт	W1	W0	W*	Kф, м/с	P0, Па	D0, м2/с
Пісок	0,40	0,20	0,04	1,15·10-5	2,0	1,04·10-5	5
	0,30	0,20	0,07	1,15·10-5	1,0	4,39·10-6	6
	0,35	0,20	0,08	1,15·10-5	1,0	1,87·10-6	10
	0,40	0,35	0,04	1.15·10-5	2,0	2,55·10-6	12
Суглинок	0,60	0,30	0,20	1,27·10-6	4,0	3,4·10-8	10
	0,47	0,20	0,27	1,27·10-6	3,0	3,24·10-8	35
	0,47	0,27	0,20	1,27·10-6	4,0	1,85·10-7	18
	0,47	0,30	0,27	1,27·10-6	3,0	2,6·10-8	33
Глина	0,47	0,30	0,27	1,15·10-7	4,0	3,4·10-9	33
	0,50	0,30	0,30	1,15·10-7	4,0	3,07·10-9	32
	0,40	0,35	0,30	1,15·10-7	4,0	4·10-7	30
	0,60	0,35	0,40	1,15·10-7	4,0	2,03·10-9	32
	0,47	0,30	0,27	1,15·10-7	4,0	5,36·10-8	33

Для оцінки впливу напору було розв'язано рівняння (7) і (9). Припускаючи, що напір гаситься в області фронту змочування за лінійним законом ()=Н/ і замінюючи = t D₀, D(W) = D₀e^W” W ^і = (W-W₀), розв'язано рівняння вологоперенесення під дією капілярних, гравітаційних сил і напору, яке представлене у вигляді:

. (11)

У дисертації одержано формули для визначення впливу напору на переміщення води залежно від водно-фізичних властивостей грунтів. Теоретичні дослідження показали, що напір впливає на швидкість переміщення води в ненасичених грунтах і із збільшенням часу вплив напору збільшується (рис. 3).

Установлено, що при нетривалій роботі каналів (t 15 діб) переміщення фронту зволоження по вертикалі пропорційно t, а при тривалій роботі каналів (t) переміщення фронту зволоження проходить пропорційно t, тобто переміщення вниз при великих t проходить з постійною швидкістю.

1 - =КD₀ t, без напору; 2 - =K_H D_ot, K_H = К·()/D₀, з напором.

При короткочасній роботі каналу (t <15 діб), коли переміщення границі фронту змочування описується законом , фільтраційні втрати дорівнюють:

, (12)

- об'єм профільтрованої води за час t дорівнює:

. (13)

При тривалій роботі каналу (t > 15 діб) фільтраційні втрати визначаються:

(14)

- об'єм профільтрованої води визначається за залежністю:

. (15)

Теоретичні залежності для визначення фільтраційних втрат підтверджено експериментальними дослідженнями в лабораторних умовах на фільтраційному лотоці і натурними даними, отриманими на багатьох зрошувальних каналах півдня України.

У роботі отримано наближену формулу для визначення тривалості поливу t₀ по борознах, протягом якого відбувається задана деформація контуру зволоження:

, (16)

де - коефіцієнт деформації контуру зволоження, який залежить від співвідношення переміщення контуру в горизонтальному і вертикальному напрямках: якщо _верт/_гор = 1, то коефіцієнт деформації дорівнює = 0,50; _верт / _гор= 1,5 - = 0,69; _верт / _гор = 2 - = 1,1; _верт / _гор = 3, - = 1,66.

,

де n - пористість.

Відстань між борознами визначається за формулою:

b = 2_гор + b_б + с , (17)

де b_б - ширина борозни;

с - відстань, на яку переміщається контур зволоження після припинення подачі води в борозну;

_гор - переміщення вологи в горизонтальному напрямку, визначається за формулою:

. (18)

Поливна норма визначається за формулою:

, (19)

де n - число борозен.

Формули (16) - (19) апробовано в натурних умовах при проведенні поливу по борознах в Миколаївській, Київській, Одеській областях, АР Крим.

Для стадії підпертої фільтрації із облицьованих каналів наведено розрахунки фільтрації з урахуванням впливу конструкцій облицювань, які базуються на методі фільтраційних опорів, застосованого О.Я.Олійником для необлицьованих каналів.

Вплив конструкції облицювання на фільтрацію характеризується додатковим фільтраційним опором Ф_обл:

Ф = Ф_к + Ф_обл, (20)

де Ф - загальний фільтраційний опір;

Ф_к - фільтраційний опір, який враховує гідродинамічну недосконалість каналу.

Формули для визначення фільтраційних опорів Ф_обл за рахунок конструкції облицювання, величини фільтраційних втрат із облицьованих каналів на стадії підпертої фільтрації апробовані в натурних умовах на каналі Р-5-1 КЗС, облицьованому монолітним бетонним облицюванням, укладеним комплексом “РАХКО”. Розходження між теоретичними розрахунками і результатами натурних досліджень не перевищує 10%.

Визначено величини фільтраційних опорів Ф_обл характерних типів сучасних конструкцій ПФО, величина яких змінюється від 10 м (плити НПК) до 128 м (монолітне бетоноплівкове облицювання).

У п'ятому розділі наведено результати лабораторних і натурних досліджень роботи системи “облицювання - грунт” і її напружено-деформованого стану.

Проведені протягом 14 років натурні дослідження спільної роботи ПФО і їх грунтових основ із суглинків важких і лесових, вапняків, суміші вапняків з суглинками на репрезентативних ділянках каналів ПКК, КЗС, ТЗС, Північно-Рогачицька ЗС, КЗОС показали, що система “облицювання - грунт” працює в складних водно-температурних умовах. Змінний в процесі експлуатації водно-тепловий режим призводить до деформацій системи “облицювання - грунт”, під впливом яких утворюються тріщини і руйнуються облицювання, що спричинює зменшення ПФЕО.

В результаті довготривалих натурних досліджень встановлено річні цикли зміни водно-теплового режиму роботи системи “облицювання - грунт”. Установлено, що грунтова основа щорічно має не менше 7 періодів зміни вологості і температури в процесі експлуатації каналу, які повторюються з року в рік з певною закономірністю. Кожний з періодів характеризується різними коефіцієнтами ущільнення грунтової основи каналів.

В роботі детально розглянуто деформації грунтової основи під впливом набухання і морозного здіймання.

Причиною деформації ПФО є набухання грунтової основи при її зволоженні профільтрованою водою із каналів, яка поступає через шви, тріщини, бетон. Процес зволоження має нестаціонарний характер. Фронт змочування на початковому періоді зволоження розповсюджується відповідно закону

=К (21)

Дослідження зміни щільності та вологості грунтової основи на трьох дослідних ділянках каналу Р-1 ТЗС з різними _d (1,5; 1,6; 1,7 г/см³), показали, що і величина W і грунту в процесі експлуатації залежить від будівельної щільності і вологості: чим менша будівельна вологість і більша щільність, тим інтенсивніше грунт розщільнюється при зволоженні.

Проведені дослідження показали, що в процесі експлуатації каналу на всіх трьох дослідних ділянках по мірі насичення грунтової основи фільтраційними водами, вслід за деяким початковим ущільненням більш рихлих грунтів, спостерігались процеси розщільнення грунту.

Складний характер зміни щільності грунтової основи призводить до деформації облицювання і утворення тріщин в ньому.

В роботі досліджено процес утворення тріщин в облицюваннях із монолітного бетону, монолітного бетону з плівкою, збірного залізобетонного облицювання із плит НПК з поліетиленовими плівками і без них залежно від грунтової основи.

На ТЗС досліджували розвиток тріщин у бетонному монолітному облицюванні з поліетиленовою плівкою і без неї на трьох ділянках каналу Р-1, які мали різні бу-дівельні щільності грунтової основи: _d1= 1,6 г/см³, _d2 =1,5 г/см³, _d3= 1,7 г/см³ (рис. 4).

Дослідження показали, що в перший рік експлуатації на всій довжині дослідної ділянки в облицюванні із монолітного бетону появилась повздовжня тріщина шириною 1-3 мм і потім розширилась до 4-7 мм. Потім тріщина виникла в облицюванні укосу, трохи вище рівня води в каналі.

На всіх ділянках, незалежно від щільності грунту, спостерігається більша кількість повздовжніх тріщин, ніж поперечних і косих. Як видно з результатів досліджень, утворення тріщин в облицюванні зменшується при наявності під ним плівки.

Найінтенсивніший розвиток тріщин в облицюванні каналу спостерігався на третій рік його експлуатації, на 4-6-й рік процес утворення тріщин стабілізувався. Величини тріщин залежать від щільності грунтової основи.

У результаті дослідження тріщинуватості збірного облицювання із плит НПК і НПВК на ЧГ ПКК і КЗОС установлено, що тріщинуватість облицювань із плит в декілька разів менша, ніж в облицюваннях з монолітного бетону чи монолітного залізобетону. Але навіть незначних тріщин (1 мм) в плитах досить для того, щоб підплитний простір через тріщини і шви в облицюванні заповнився водою, що призводить до значних фільтраційних втрат через збірне облицювання із плит НПК і НПВК з поліетиленовою плівкою або без неї.

На рис. 5 представлено результати досліджень зміни фільтраційних втрат у процесі експлуатації через монолітне бетонне і монолітне бетоноплівкове ПФО на каналі Р-1 ТЗС.

Як видно з графіків, фільтраційні втрати із каналу, облицьованого монолітним бетоноплівковим ПФО, не залежать від щільності грунтової основи. Фільтраційні втрати із каналу, облицьованого монолітним бетонним облицюванням повністю залежать від щільності грунтової основи: чим більша щільність грунтової основи, тим менші фільтраційні втрати.

Дослідження показали чітку залежність величини набухання і тиску від початкової щільності і вологості грунту: величина набухання грунтів порушеної і непорушеної структури обернено пропорційна початковій вологості і прямо пропорційна щільності. Експерименти показали, що початкова вологість впливає на набухання в більшій мірі, ніж щільність.

Лабораторні дослідження зміни деформації і тиску набухання грунту при семи циклах зміни “зволоження - висушування” грунту показали, що величини тиску і деформації набухання із кожним циклом збільшуються, але після п'яти циклів стабілізується.

В натурних умовах в 300 поперечних створах каналів зрошувальних систем досліджували одночасно деформації грунтової основи і деформації ПФО, починаючи з будівництва дамб каналів, першого дня заповнення каналів водою і протягом довготривалого часу експлуатації.

Після заповнення каналу водою йде процес набухання також залежно від будівельної щільності і вологості. Причому інтенсивніше піднімається верхній шар насипу. На 5-й рік експлуатації процес деформації грунтової основи стабілізувався.

На всіх ділянках, незалежно від початкової щільності і вологості грунту, спостерігається збільшення деформації набухання грунтів після спорожнення каналу.

В поперечному перерізі каналів в процесі їх роботи розвиваються вертикальні деформації, причиною яких є набухання грунту при його зволоженні.

Деформації в поперечному перерізі нерівномірні: спостерігається більш значне підняття верхньої частини укосу (до 50 мм), ніж дна каналу, тобто спостерігається залежність деформацій облицювання від висоти насипу каналу.

Різниця між вертикальними деформаціями дна і верхньою частиною укосу каналу при жорсткій конструкції облицювання створює в поперечному перерізі облицювання згинаючий момент, який сприяє розвитку повздовжньої тріщинуватості облицювання в процесі його експлуатації.

В зимовий період при від'ємних температурах згаданий вище характер деформації посилюється замерзанням зволоженого грунту.

Установлено, що спільна робота облицювання і грунтової основи проявляється, починаючи з будівельного періоду. Неоднорідний за щільністю і вологістю грунт основи періодично зволожується атмосферними водами і продовжує зволожуватись в експлуатаційний період фільтраційними водами. Найбільш інтенсивно впливає на стан облицювання морозне випинання вологих грунтів, коли канали спорожнюють на зиму.