Каналы и движение воды в них 1. Конструкция каналов. 2. Понятие о живом сечении, периметре смоченности и гидравлическом радиусе канала. 3. Движение воды в канале. каналы
• Каналы – это инженерные сооружения для транспортировки воды, которые устраиваются в соответствии с проектом. • Канавы сооружаются без расчета на примитивных не инженерных оросительных системах. d с в е h а Схема канала: а – ширина по дну, в – ширина по верху, с – берма, d – кавальер, е – бровка, h – глубина.
Элементы канала 1. Кавальер – это вал (дамба), идущий параллельно каналу и образованный за счет грунта, вынутого при устройстве канала. Ширина сверху для небольших каналов равна 0, 41, 0 м, для крупных – 3 -6 м. Дамбы крупных каналов используются для устройства дорог. 2. Ширина канала по дну – для небольших каналов равна 0, 2 -1, 0 м, для крупных – 5 -10 м и более. 3. Глубина канала – для малых каналов 0, 6 -1, 0 м, для крупных – 3 -4 м, иногда больше. 4. Ширина канала по верху – для небольших 0, 8 -2, 0 м, для крупных – 10 -15 м и более. 5. Бровка канала – линия перехода горизонтальной плоскости к откосу канала. 6. Бермы, или уступы – устраивают для того, чтобы откосам придать большую устойчивость.
• Стенки каналов имеют откосы различной крутизны, которая характеризуется углом откоса, коэффициентом откоса и его заложением. • Углом откоса называется угол (L), образованный линией откоса и горизонтом. • Коэффициент откоса равен котангенсу угла откоса. • Заложением откоса называется его горизонтальная проекция. L откос вертик. проекция L горизонт. проекция
• Величина откоса различна в грунтах разного генезиса и зависит от назначения канала. • В водопроводящих каналах вода фильтруется из канала в грунт, давление направлено в сторону пород. • В дренажном водоотводящем канале давление воды имеет противоположное направление, поэтому водоотводящие каналы всегда имеют более пологие откосы. • При расчете параметров канала учитывают угол естественного откоса грунта – это угол между поверхностью грунта после осыпания и сползания грунта и горизонтом. • Откосы в каналах для большей устойчивости устраивают более пологими, чем угол естественного откоса.
• - Коэффициенты естественного откоса: Торф 4, 0 -1, 0 Чернозем 1, 7 -1, 2 Песок мелкий 1, 7 -1, 5 Глина сухая 1, 7 -1, 1 Песок крупный 1, 6 -1, 3 Глина мокрая 5, 7 -1, 7 • При проектировании оросительных каналов используют следующие коэффициенты откоса: - Для глин и суглинков 1, 0 -1, 25 - Для супесей 1, 5 -1, 75 - Для песков 1, 75 -2, 25 Меньшая цифра относится к каналам с малой глубиной наполнения (менее 1 м), большая цифра – к каналам с глубиной наполнения 2 -3 м.
Форма поперечного сечения каналов Зависит от грунта и характера облицовки. 1. Прямоугольная – в скальных породах 2. Трапецеидальная – в рыхлых отложениях 3. Параболическая – такую форму приобретают земляные каналы в процессе эксплуатации 4. Треугольная – небольшие каналы, нарезаемые канавокапателями плужного типа 5. Полигональная – каналы из сборных железобетонных лотков 6. Ложбинообразные – водоотводящие каналы 1 2 3 4 5 6
• Покрытие каналов: бетонное, полиэтиленовая пленка, глиняные экраны, железобетонное и др. Железобетонные лотки Бетон сборный • Каналы характеризуются уровнем командования – превышением уровня воды в канале над самой высокой отметкой поверхности орошаемого поля. Он неодинаков при разных способах полива: - по бороздам – не менее, чем 5 -10 см - по полосам – 10 -15 см - затопление по чекам – не менее 20 -25 см.
• Каналы устраивают в выемке (1), в выемке-полунасыпи (2) и в насыпи (3). 1 2 3
• Каналы в выемке устраивают для подводящей, водосборной и дренажной сети, т. е. в тех случаях, когда не возникает необходимости иметь командование, или оно достигается напором воды или её подачей на необходимую отметку с помощью насосов. • Канал в выемке-полунасыпи отличается тем, что часть воды пропускается в кавальерах. Имеет меньшую площадь отчуждения, является типичным каналом регулирующей сети. Легко обеспечивает командование и экономичное распределение объема извлекаемого грунта. • Канал в насыпи устраивают при выровненном безуклонном рельефе для создания необходимого уровня командования над орошаемым полем. Обладает повышенной фильтрацией и отчуждает значительную площадь сельскохозяйственных земель.
• Живое сечение канала – поперечник канала, занятый протекающей водой. Определяется как площадь геометрической фигуры, которую оно представляет. Для канала треугольной формы: F=h 2·ctg α, Для канала трапецеидальной формы: F=(в+h·ctg α)·h, где F – площадь живого сечения, м 2; h – глубина воды в канале, м; сtg α – коэффициент откоса; в – ширина канала по дну, м.
• Периметр смоченности (Р) – длина линии соприкосновения воды с дном и стенками канала. От величины Р зависит величина фильтрации воды из канала и размер сопротивления ложа канала движению воды. • В канале треугольного сечения: Р = 2 h√(ctg α)2+1 В канале трапецеидального сечения: Р=в+2 h√(ctg α)2+1 • Гидравлический радиус (R) – это отношение площади живого сечения к периметру смоченности: R = F: Р Гидравлический радиус выражается в метрах, его величина входит в формулы, определяющие движение воды в канале.
• Движение воды в канале характеризуется уклоном потока, его скоростью и расходом воды. • Уклон потока – это угол, который поверхность потока образует с горизонтом, т. е. разность высот между двумя точками, отнесенная к расстоянию между ними: i = Δh: L i = sin α α Где Δh – разность высот, h 1 h 2 L – расстояние между точками. L Уклон – величина безразмерная, выражается десятичной дробью. • Скорость потока, при которой ламинарное движение воды в потоке переходит в турбулентное, называется критической. • В каналах движение является турбулентным, скорость превышает критическую.
• В оптимальных условиях движение воды в канале должно осуществляться при некоторых средних значениях, т. к: - при малых скоростях из потока на дно оседает много взвешенных частиц и происходит быстрое заиление канала - при больших скоростях возникает угроза эрозии и размыва откосов канала. * Оптимальная скорость движения воды в канале колеблется в пределах 0, 25 -0, 30 м/сек.
• Формула Шези для расчета скорости движения воды в канале: V = C · √R · i, где V – скорость потока, С – скоростной коэффициент; R – гидравлический радиус, i – уклон потока. Для определения С используют формулу Н. Н. Павловского: С = 1/n ·R ·у, где n – коэффициент шероховатости; у – показатель, зависящий от R и n. При R<1 у = 1, 5 · √n При R>1 у = 1, 3 · √n Коэффициент шероховатости берется из справочника. Формула Павловского может быть использована при: 0, 1
Скорость потока можно определить следующими способами: 1. Поплавком 2. Батометром 3. Гидрометрической вертушкой. Поплавок – это деревянный кружок диаметром 10 -25 см, толщиной 4 -6 см. Его бросают в поток и по скорости движения его между двумя створами судят о скорости движения воды.
• Батометр системы В. Г. Глушкова сконструирован, исходя из зависимости между скоростью движения воды и количеством ее, поступившим в какой-либо приемник. *Для измерения используют резиновый мешок емкостью 1 литр, в который через трубку диаметром 6 мм поступает вода. *Батометр предварительно тарируется (устанавливается зависимость между количеством воды, поступившей в мешок в течение определенного времени, и скоростью её движения). К прибору прилагается тарировочный лист. Батометр бутылка Батометр Нискина
• Гидрометрическая вертушка состоит из следующих элементов: 1) корпуса со счетным механизмом; 2) лопастей; 3) стабилизатора (удерживает вертушку против потока воды). Лопасти вращаются движущейся водой. Скорость их движения тем больше, чем больше скорость движения воды. Количество оборотов лопастей регистрируется счетным механизмом. Определив скорость вращения лопастей по тарировочному листу, приложенному к прибору, находят скорость движения воды.
Расход воды в канале (Q) – это объем воды, протекающей через его поперечное сечение в единицу времени: Q = V·F, где V – скорость, F – живое сечение потока. Расход воды в канале можно определить с помощью водосливов. Водослив – водомерное устройство, которое состоит из подпорной стенки, перегораживающей поток, через специальный вырез которой происходит свободный перелив воды.
Водослив с тонкой стенкой: Н: С>2 Водослив с широким порогом: Н: С<2 В незатопленном водосливе уровень воды в нижнем бьефе ниже порога водослива, в затопленном – выше. Расчет веду по формуле: Q = 1, 86·B·Н 1, 5, где Q – расход воды (л/с, м 3/с), В – ширина порога (м), Н – напор (м). верхний бьеф С Н В нижний бьеф С –ширина стенки, Н – напор, В – ширина порога. Существуют водосливы с разной формой выреза отверстия
Потери воды из каналов 1. Причины и оценка потерь воды из каналов. 2. Борьба с потерями воды из оросительной сети.
От источника орошения до поля теряется большое количество (до 40%) поливной воды. Статьи потерь: 1. Испарение с водной поверхности и с поверхности поля. 2. На утечку воды в сооружениях, при прорыве дамб, на сброс воды, оставшейся в каналах после полива. 3. Инфильтрация в дно и стенки каналов. Причины потерь на испарение на полях: бесструктурность, отставание междурядной обработки от поливов. Для избегания этих потерь необходимо рыхление. Для уменьшения потерь на испарение с водной поверхности используют мономолекулярные пленки на поверхности активных веществ (гексадециловый спирт, синтетические жирные спирты, жирные спирты из хлопкового масла, кашалотового жира, стеарина. Их недостаток – сбиваются ветром, уничтожаются рыбами. Проводят посадки деревьев вдоль каналов. На испарение теряется воды в 20 -30 раз меньше, чем на инфильтрацию.
• Эксплуатационные потери выражаются в сбросе воды из каналов для их опорожнения после поливов. Достигают 50% от фильтрационных потерь. Необходимо соблюдать круглосуточность поливов. • Последствия потерь на фильтрацию: 1) ухудшается водообеспеченность оросительной системы, 2) повышается уровень грунтовых вод, что способствует вторичному засолению и заболачиванию почв.
• Коэффициент полезного действия оросительной системы: К. п. д. =Мнетто: Мбрутто, где Мнетто – количество воды, использованное растениями, Мбрутто – количество воды, полученное в голове оросительной системы. Необходимо стремиться к ликвидации потерь воды и доведению к. п. д. до 1, 0. Нормативы к. п. д. для каналов: - Каналы в земляном русле – 0, 9, - Каналы с бетонной, пленочной, асфальтобитумной одеждой, в железобетонных лотках – 0, 96, - Для трубопроводов – 0, 98. В целом к. п. д. оросительной системы с каналами в земляном русле должен быть не менее 0, 75 -0, 80, при меньших значениях применяют противофильтрационные одежды.
Оценка потерь воды на фильтрацию В двух створах изучаемого отрезка канала определяют расход воды и по разности расходов в верхнем и нижнем створах рассчитывают потери воды. Если известна площадь смоченной поверхности канала, то делением потерь расхода воды между двумя створами (ΔQ, м 3/с, л/с) на смоченную площадь (F, м 2) можно рассчитать фильтрацию (Ф, м/с) на исследуемом участке: Ф = (Q 1 -Q 2): F=ΔQ: F Эмпирическая формула А. Н. Костякова для определения процента потерь расхода воды на 1 км длины канала (σ): σ=А: Qm, где А и m – константы, которые зависят от проницаемости грунта, Q – расчетный расход воды в канале (м 3/с). - Для малопроницаемых грунтов: А=0, 7 m = 0, 4 - Для среднепроницаемых грунтов: А=1, 9 m=0, 4 - Для сильнопроницаемых грунтов: А=3, 4 m=0, 5
Мероприятия по борьбе с фильтрацией: 1. Технические 2. Механические и гидромеханические 3. Физико-химические и химические. Технические мероприятия заключаются в создании на поверхности канала или в теле грунта противофильтрационной одежды из искусственных или природных материалов с низкой водопроницаемостью. 1. Бетонная одежда – почти полностью исключает фильтрацию, выдерживает большие скорости воды (6 -10 м/с). Имеет толщину 6 -10 см. Недостаток: дороговизна и сложность устройства, возможность коррозии при неблагоприятном химическом Бетонная облицовка для канала составе воды. Грунты, склонные к деформациям, не пригодны для устройства бетонных облицовок.
2. Покрытия из сборного железобетона – имеют толщину 6 см. Облицовки делают однослойными, на ответственных местах канала – многослойными. Перед устройством их необходимо подготовить основание: производится замочка, уплотнение просадочных и насыпных грунтов, устройство дренажа при близких грунтовых водах. 3. Битумные, асфальтовые, асфальтобетонные облицовки - поверхностные и скрытые. При поверхностной укладке на поверхности грунта создается экран из этих материалов слоем 5 -8 см; при скрытой укладке – слой битума, асфальтобетона. Облицовка перекрывается сверху 30 -50 -см слоем грунта.
4. Глиняная одежда – готовится из перемятой жирной глины, которая наносится слоем 5 -15 см на небольших каналах и 30 -40 см – на крупных. Сверху её прикрывают защитным песчано-гравийным слоем. Рекомендуется к глине добавлять измельченную солому и поваренную соль. Скорость воды не должна превышать 0, 5 м/с. Фильтрация уменьшается в 5 -6 раз, используется такая одежда 6 -8 лет. Глина наносится вручную или током воды, из которой она потом оседает. Недостаток: легко пробивается корнями растений, при опорожнении канала и просыхании растрескивается и разрушается.
5. Антифильтрационные тонкие плёнки: - Бризол вулканизированный – толщина 1 мм, вес 1 м 2 – 1, 1 кг; - Пленка полиэтиленовая – толщина 0, 15 мм, вес 1 м 2 – 0, 125 кг; - Пленка полихлорвиниловая – толщина 0, 2 -0, 3 мм, вес 1 м 2 – 0, 3 кг. Пленочные экраны всегда устраивают закрытыми с защитным слоем грунта. Располагают их только по смоченному периметру канала. Недостаток: пробиваются корнями растений и повреждаются грызунами. 6. Фашинная одежда – пучки хвороста. Предотвращают разрушение откосов каналов и способствуют уменьшению фильтрации. Недостаток: недолговечна, является временным мероприятием.
7. Многослойные экраны – представляют собой закономерно переслаивающиеся слои грунта, резко отличающиеся по своим свойствам (торф, супесь). Принцип их действия: если взять два материала, различных по гран. составу и капиллярным свойствам, и расположить их слоями, то водопроницаемость суммы слоев окажется меньшей, чем водопроницаемость каждого в отдельности и чем водопроницаемость их гомогенной смеси. Происходит это потому, что на контакте слоев образуются мениски, затрудняющие фильтрацию воды и оказывающие значительное сопротивление мигрирующему потоку. Чем чаще чередуются слои и чем они тоньше, тем больше формируется менисков и тем резче снижается водопроницаемость многослойного экрана.
Механические и гидромеханические способы 1. Уплотнение ложа и стенок канала – производится путем ударных действий на грунт трамбующей плиты экскаватора (вес 0, 5 -3 тонны, высота падения 1 -3 м). При этом создается уплотненный слой мощностью до 1 м, снижаются порозность грунта на 10%, потери на фильтрацию в 5 -7 раз. Также применяют прикатывание специальными прицепными катками. Длительность последействия 3 -4 года. Перед уплотнением производится рыхление и планировка поверхности. Трамбующая виброплита Трамбующие катки
Кольматация каналов – искусственное изменение гранулометрического состава грунта путем вмывания в его поры илистых частиц. В результате в верхней толще грунта формируется тонкий слой (до 10 см), обогащенный тонкими частицами. Фильтрация снижается в 2 -6 раз. Последействие сохраняется неопределенно долго, со временем эффект возрастает за счет заиливания пор грунта наносами из оросительной воды.
Физико-химические и химические способы Заключаются в обработке грунта полимерами, жидким стеклом или в усилении таких п/о процессов, которые вызывают обесструктуривание грунта и снижают их водопроницаемость. 1. Метод осолонцевания предложен акад. А. Н. Соколовским. Принцип: насыщение почвы ионом Na+ и создание искусственного солонца. Происходит: 1) увеличение набухаемости, 2) пептизация коллоидов, 3) обесструктуривание, 4) резкое падение фильтрационных свойств. Затем пептизированные коллоиды вмываются вглубь и образуют плотный водонепроницаемый слой (как солонцовый). Используется поваренная соль (1 -4 кг/м 2) или сильвинит (калийное удобрение: хлористый калий + хлористый натрий). Неэффективен на карбонатных породах, песках, галечниках. Последействие 5 -6 лет. Снижение потерь на фильтрацию 3 -5 раз.
Техника осолонцевания: 1. Ложе канала поливается крепким раствором соли, после чего в конце обрабатываемого участка ставится перемычка, канал заполняется водой на 1 -2 суток. 2. Удаляется верхний слой ложа канала, на поверхность наносится слой сухой соли, которая прикрывается слоем почвы. Подается вода, соль растворяется и реагирует с почвой, вызывая осолонцевание. 3. Производится смешивание грунта с солью за пределами канала. Полученная смесь наносится на дно и стенки канала.
2. Метод оглеения предложен А. С. Вознесенским и С. Г. Хлебниковым (1950 г. ). В зоне смоченного периметра укладывают растительный материал (траву, листья, солому) слоем 5 -10 см и перекрывают его защитным слоем грунта мощностью 10 -15 см. В анаэробной среде при оглеении происходит переход в подвижное состояние железа, органического вещества, кальция. Минеральная масса грунта утрачивает агрегированность, уменьшается её водопроницаемость в 6 -10 раз. Методы осолонцевания и оглеения наиболее эффективны в суглинистых и глинистых грунтах.