Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения устойчивости откосов транспортирующего осушительного канала

1. Область техники

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к комплексной мелиорации агроландшафтов, и может быть применено при осушении почв Нечерноземной зоны, в т.ч. и закрытым дренажом, использовании осушаемых земель и эксплуатации осушительных систем, а также при проведении реконструкции, капитального и текущего ремонтов транспортирующих осушительных каналов. Предложенное распространяется и на внутренний для осушительной системы откос нагорного канала.

2. Уровень техники

Проводящие осушительные каналы первого порядка именуют магистральными. Они впадают непосредственно в водоприемник. Каналы второго и последующих порядков, впадающие в проводящую сеть более высокого порядка, относят к транспортирующим. Проводящие каналы должны иметь достаточную глубину для бесподпорного приема воды из ограждающей и регулирующей сетей и отвода ее в водоприемник и необходимую устойчивость поперечного и продольного профилей, обеспечить возможность их строительства и нормальной эксплуатации современными механизмами.

Многолетняя практика мелиоративного строительства в Нечерноземной зоне показала, что осушительные каналы, построенные с соблюдением их проектных размеров, часто через 3…4 года выходят из строя. Иногда они становятся неработоспособными на другой год после строительства. Основная причина - оплывание и обрушение откосов каналов. В результате необходима повторная подчистка почвогрунта по дну канала, выравнивание и планировка его откосов. При этом осушительные проводящие каналы имеют большую протяженность, а работы по обеспечению устойчивости их откосов в процессе строительства и эксплуатации трудоемки и требуют значительных затрат. Поэтому предотвращение оплывания и обрушения откосов имеет первостепенное значение. Важнейшее условие предотвращения этого - правильно выбранная крутизна откоса. Состояние проводящей сети открытых каналов зависит как от потери общей устойчивости почвогрунта откоса канала, так и от потери его местной устойчивости.

Проблемы общей устойчивости откосов крупных гидротехнических сооружений (плотин, дамб, крупных каналов) в настоящее время изучены достаточно полно, разработан ряд методов и способов их расчета и проектирования. Так, известен способ расчета устойчивости откоса каналов и определения коэффициента запаса его устойчивости по методу круглоцилиндрических поверхностей сдвига и по методу плоских поверхностей сдвига (ВСН 04-71. Указания по расчету устойчивости земляных откосов / Минэнерго СССР, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева; P. P. Чугаев. - Л.: Энергия, Ленинградское отд-ние, 1971. - 105 с.). Способ весового давления, относящийся к методу круглоцилиндрических поверхностей сдвига, является наиболее простым, а способ наклонных сил, относящийся к методу плоских поверхностей сдвига, имеет примерно ту же точность, что и способ весового давления.

В примечании к параграфу 1 «Содержание и область применения» Указаний указывается, что земляные откосы следует подвергать расчету только при достаточно большой их высоте (например, при высоте более 5 м), но расчеты устойчивости откосов являются в значительной мере приближенными. Результаты этих расчетов, носящих часто характер «расчетных прикидок», должны соответствующим образом увязываться с данными практики. Намеченные «расчетные случаи» для откоса заданного очертания и сложенного из имеющих место на объекте осушения грунтов должны отвечать наиболее тяжелым эксплуатационным условиям работы данного откоса.

Необходимо отметить, что Межведомственная комиссия Госстроя СССР, рассмотревшая данные Указания, отметила, что они, в отличие от других имеющихся ведомственных нормативных документов, более всего отвечают современным взглядам на подобного рода расчеты.

Откосы осушительных каналов по своим размерам, условиям строительства и воздействию на них природных и климатических факторов резко отличаются от откосов крупных каналов.

Известны предложения по оценке местной устойчивости откосов (Методические указания по оценке местной устойчивости откосов и выбору способов их укрепления в различных природных условиях / Всесозный НИИ транспортного строительства; Коллектив авторов. - М.: 1970. - 82 с.). Их рекомендуют использовать при проектировании мероприятий по обеспечению местной устойчивости откосов выемок, а также откосов, подверженных деформациям в условиях их эксплуатации. Начальными очагами нарушения местной устойчивости откосов могут быть трещины по бровке и их поверхности. При этом они могут стать очагами дальнейшего развития деформаций.

Основные причины, ведущие к снижению прочности грунта в поверхностных слоях откоса: промерзание и оттаивание, набухание и усадка при изменении влажности. В первый год после сооружения эти процессы вызывают необратимые изменения свойств грунта, накопление которых во времени происходит с постоянно затухающей интенсивностью. После создания откоса интенсивность изменений особенно велика у его подошвы, уменьшаясь по высоте откоса от подошвы. Поэтому выделяют подводную и надводную части откоса (см. ниже).

Поверхностные воды и дождевые осадки, попадая на откос, вызывают эрозионную деформацию его в виде смыва грунта.

По степени опасности возникновения нарушения местной устойчивости различают: особо опасные - все глинистые грунты мягкопластичной консистенции, пылеватые (не менее 40% пыли и больше, чем песка) суглинки и супеси, сильно набухающие и усадочные грунты; опасные - все глинистые грунты тугопластичной консистенции, сильно набухающие глинистые грунты, переуплотненные глинистые грунты; малоопасные - песчаные, гравелистые, ненабухающие и слабонабухающие глинистые грунты, нормально уплотненные, твердой и полутвердой консистенции.

При расположении выемок на склонах и при пересечении водоразделов оценку опасности образования верховодки производят в зависимости от элементов рельефа, вскрытых выемкой: опасное - подошвы затяжных склонов, средние части склонов с вогнутым профилем, замкнутые котловины водоразделов; малоопасное - средние части однородных склонов, плоские вершины водоразделов; безопасное - узкие вершины водоразделов, верхние части склонов.

При малой толщине оползающего слоя (до 10…15 см) смещение его происходит при переходе грунта в текучепластичное состояние.

В качестве мер по обеспечению местной устойчивости откосов проводят укрепление откосов против сплывов.

В реальных условиях наблюдается совместное действие набухания-усадки и промерзания-оттаивания. С момента окончания оттаивания откоса происходит просачивание талых вод, которое заканчивается после схода снежного покрова.

Весной грунт откоса оттаивает сверху и снизу. Оттаивание сверху начинается после схода снежного покрова. До этого может оттаять только небольшая часть толщи грунта под влиянием тепла воды, стекающей с откоса под снегом. Пока не исчезнет снежный покров, грунт оттаивает преимущественно снизу за счет теплового потока из глубины его слоев. В том случае, когда грунты на откосе оттаивают быстрее, чем сходит снежный покров, происходит просачивание талых вод в защитный слой.

Оплывание откоса имеет место и при движении воды по откосу под снегом.

Откосы каналов должны быть не круче угла естественного откоса данного грунта.

Каналы открытой проводящей сети, как правило, размещают по наиболее низким отметкам осушаемой территории. К концу зимнего периода транспортирующие каналы, как правило, полностью заносятся снегом.

Снегонакопление на откосе канала в начальный период идет с учетом господствующего направления ветра и ориентации откоса. Снег на откосе образуется в виде клина с наибольшей толщиной у подошвы откоса. Это определяет и ход промерзания откоса, и ход накопления влаги в почвогрунте.

Осушительные проводящие каналы выполняют, как правило, в основном с равнобоким трапецеидальным поперечным сечением. Известно, что при этом коэффициент заложения откоса m, соответствующий котангенсу угла его наклона к горизонту, определяют расчетом из условия устойчивости и сравнивают затем со значением, приведенным в табл. 1 (Мелиорация и водное хозяйство. Осушение: Справочник / Коллектив авторов; Сост. Е.И. Кормыш; Под ред. Б.С. Маслова. - М.: Ассоциация «Экост», 2001. - С. 247…249, 262…264, 277…286). Если значение больше табличного, то принимают его равным или меньшим значению, приведенному в табл. 1, но при этом для обеспечения устойчивости откосы укрепляют. Если расчетное значение меньше или равно табличному, то принимают расчетное значение m без крепления откоса. Для предупреждения развития эрозии откосов от воздействия дождевых (поверхностных) вод, температурных и других факторов применяют их биологическое и биохимическое укрепление: одерновка, залужение откосов (гидропосев), пригрузка растительным слоем почвы или торфокрошкой, дерново-травяные ковры.

Известно также, что и ленинградские мелиораторы (Справочник мелиоратора / А.И. Климко, М.Б. Черняк, Ю.Г. Янко. - Санкт-Петербург: изд-во Политехнического университета, 2009. - С. 83…84) крутизну откосов каналов равнобокого трапецеидального сечения принимают в зависимости от глубины канала и характеристик почвогрунтов (табл. 2). Известны и способы укрепления откосов проводящих каналов осушительных систем (Даишев Т.И. Проектирование крепления проводящих каналов осушительных систем. - В сб. научных трудов СевНИИГиМ под ред. Н.И. Дружинина «Орошение культурных пастбищ на мелиорируемых землях в Нечерноземной зоне РСФСР».- Л.: Ленгипроводхоз, 1975. - С. 51…64) и способы производства работ (Нетреба Н.Н., Даишев Т.И., Борщев Т.С. Производство работ по креплению проводящих каналов осушительных систем. -Там же. - С. 142…153).

Известны и результаты исследований деформаций и устойчивости откосов осушительных каналов, выполненных в геолого-почвенных и климатических условиях Ленинградской (А.А. Севриков, 1973) и Московской (К.Г. Егорова, 2000) областей.

По СНиП 2.06.03-85 (прил. 15, табл. 1) коэффициент заложения откоса каналов, устраиваемых также по равнобокой трапеции, рекомендуют принимать по табл. 3 в зависимости от строения почвенного профиля, гранулометрического состава почвогрунта и положения откоса над или под водой. Поскольку это предложение является наиболее близким к рассматриваемому в предполагаемом изобретении, то оно и принято за прототип.

Известные способы расчета устойчивости и назначения коэффициента заложения откосов канала и способы укрепления каналов, приведенные выше, в т.ч. и прототип, не учитывают ход накопления снега на откосе канала и накопления влаги в его почвогрунте, ход снеготаяния, а также и ход оттаивания почвогрунта откоса и возникающие при этом нагрузки, влияющие на устойчивость откоса. В условиях осушаемых земель с пересеченным рельефом Нечерноземной зоны эти факторы в значительной степени определяют ориентация откоса канала, положение канала на склоне и господствующее направление ветра в холодный период года. Однако в известных способах расчета, проектирования и строительства и проведенных до сих пор исследованиях эта проблема не нашла отражения. Каналы выполняют, как правило, в виде равнобокой трапеции, коэффициенты заложения обоих откосов канала принимают одинаковыми. Данные же натурных обследований осушительных каналов проводящей сети свидетельствуют, что каждый из двух откосов даже одного канала подвержен деформации в разном объеме. При этом откосы канала наиболее часто подвержены деформациям в весенний период. В итоге поперечное сечение канала стабилизируется, как правило, в виде неравнобокой трапеции.

Необходимо также учитывать, что, по мнению широко известного среди специалистов ученого проф. Р.Р. Чугаева (см. работу, приведенную выше), «Расчеты устойчивости откосов являются в значительной мере приближенными. Результаты этих расчетов, носящих часто характер «расчетных прикидок», должны соответствующим образом увязываться с данными практики».

3. Раскрытие изобретения

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении устойчивости откосов транспортирующего осушительного канала путем введения поправочного к коэффициенту заложения надводной части откоса коэффициента, учитывающего ориентацию откоса канала, размещение канала на склоне и господствующий в холодный период года ветер северо-западного направления, а также соответствующее им накопление снега на откосе и влаги в его почвогрунте и промерзание, продолжительность таяния снега и оттаивания почвогрунта откоса.

Технический результат заключается в создании усовершенствованной расчетной схемы устойчивости откосов транспортирующего осушительного канала, повышении устойчивости откосов этих каналов, надежности и долговечности их действия не ниже нормативного срока службы, экономном использовании средств на строительство транспортирующих каналов и снижении затрат на их эксплуатацию, повышении надежности и долговечности действия и дренажных систем, из которых в них сбрасываются избыточные воды.

Поставленная задача достигается тем, что способ повышения устойчивости откосов транспортирующего осушительного канала включает подводную и надводную части с коэффициентами заложения откосов соответственно m_п и m_н, зависящими от строения профиля почвогрунта, его гранулометрического состава и выклинивания почвенно-грунтовых вод на откос. Поперечное сечение надводной части канала отрывают в виде неравнобокой трапеции. При этом коэффициент заложения каждого из двух откосов надводной части канала, положение которой фиксируют на конец снеготаяния на поле с учетом действия приоткосного дренажа, принимают раздельно в зависимости от ориентации каждого откоса канала х, положения канала на склоне у и господствующего в холодный период года ветра северо-западного направления путем умножения m_н на величину поправочного коэффициента k_H=f(x,y,), определяемого для каждого откоса с учетом накопления снега на откосе и влаги в его почвогрунте, промерзания откоса, продолжительности таяния снега и оттаивания почвогрунта откоса. Значение m_н устанавливают с учетом глубины надводной части канала. Для откосов каналов k_н, прокладываемых в глинистых, суглинистых и супесчаных почвогрунтах, величину k_н устанавливают с учетом ориентации каждого откоса канала и положения канала на склоне по таблице 4, разработанной для господствующего в холодный период года ветра северо-западного направления. Дополнительно применяют биологическое и биохимическое укрепление откосов канала: одерновку, пригрузку растительным слоем почвы или торфокрошкой и залужение откосов (гидропосев), использование дерново-травяных ковров.

4. Осуществление изобретения

Коэффициент k_н (табл. 4) установлен для надводной части откоса с учетом господствующего в холодный период года ветра северо-западного направления, накопления снега на откосе и влаги в его почвогрунте и промерзания, интенсивности и продолжительности таяния накопленного на откосе снега и оттаивания почвогрунта откоса. Естественно, что учтена также и нагрузка на откос от снега в процессе оттаивания верхнего слоя почвогрунта, в т.ч. и оттаивание почвогрунта под снегом, и влияние нагрузки на оплывание почвогрунта откоса (по методу плоской поверхности сдвига). При этом надводную часть откоса устанавливают на дату схода снежного покрова с поверхности прилегающего к каналу поля. В случае применения приоткосного дренажа дополнительно учитывают его влияние на выклинивание кривой депрессии на откос. Значение m_н принимают с учетом глубины надводной части канала. При этом если она превышает 1,5 м, то значение m_н принимают по табл. 1. Определение величины k_н для других условий, не приведенных в табл. 4, осуществляют по данным изысканий на ранее реализованных в натуре объектах-аналогах.

Коэффициент заложения откоса, установленный с учетом k_н, соответствует замеряемому в натуре в процессе эксплуатации канала после стабилизации его профиля. Использование же в практике строительства транспортирующих каналов значения k_н обеспечивает экономное использование средств на строительство транспортирующих каналов и снижение затрат на их эксплуатацию.

Пояснение изложенного выше представлено на чертеже в виде фрагмента поперечного профиля канала в момент схода снежного покрова на поле: 1 - поверхность поля, 2 - дно канала, 3 - откос подводной части канала, 4 - уровень воды в канале, 5 - откос северной ориентации надводной части канала, 6 - мерзлый почвогрунт, 7 - кривая депрессии, 8 - нерастаявший снег на откосе.

Масса снега в рассматриваемый момент времени зависит от ориентации откоса канала, положения канала на склоне и господствующего в холодный период года ветра северо-западного направления. Наибольшую величину в рассмотренном примере она имеет при расположении канала на нижней части склона и северной ориентации его откоса, наименьшую - при расположении канала на верхней части склона и южной ориентации его откоса. Глубина промерзания почвогрунта откоса зависит от господствующего в холодный период года ветра северо-западного направления и хода накопления снега и имеет обратную зависимость с мощностью снега.

Учитывая теорию проблемы, изложенное (см. чертеж), по-видимому, недопустимо не учитывать при расчете устойчивости откоса как по методу круглоцилиндрических поверхностей сдвига, так и по методу плоских поверхностей сдвига, приведенным выше.

В данном предлагаемом изобретении рассмотрены только те деформации, которые обусловлены ориентацией откоса канала, расположением канала на склоне и господствующим в холодный период года ветром северо-западного направления и связаны с такими факторами, как освещенность (учет действия закона Киргофа), роза ветров в зимний период (см., например: Климатические параметры холодного периода года. - СНиП 23-01-99, табл. 1) и перераспределение снежного покрова в сравнении с ровной поверхностью, глубина промерзания откоса, продолжительность таяния снега и оттаивания почвогрунта на откосе. При этом предложенное распространяется и на внутренний для осушительной системы откос нагорного канала.

Вследствие воздействия отрицательных температур меняются качественные и количественные характеристики перераспределения влаги. И.М. Нестеренко приводит данные об увеличении количества влаги, мигрирующей к фронту промерзания откоса на осушаемых землях: количество влаги в промерзшем слое в минеральных почвогрунтах увеличивается на 80…100 мм, в торфяных - на 40…60 мм.

При обследовании состояния проводящих осушительных каналов в течение многолетнего периода учитывали тип почвогрунта, слагающего зону откоса, влияние погодно-климатических факторов (глубина промерзания, высота снежного покрова, осадки, температура), строение почвенного профиля в откосе, высоту откоса и его экспозицию, размещение канала на склоне (верх, середина, низ). На основании полученных данных установлено следующее:

1. Действие осушительной системы в значительной степени зависит от состояния проводящей сети открытых каналов, которое зависит не столько от потери общей устойчивости почвогрунта откоса канала, сколько от потери его местной устойчивости.

2. Наиболее подвержены деформациям откосы и дно каналов при весеннем оттаивании в первые годы после отрывки русла канала. При этом образование сплывов наблюдается, когда в толще откоса имеет место ослабленный прослой почвогрунта, который, как правило, формируется на границе оттаивания грунта из-за резкого уменьшения его прочности - переходе грунта из мерзлого состояния в талое, и в местах концентрации вытаявших линз и прослоев льда.

3. Потери местной устойчивости откоса канала (оплывание и оползание поверхностного слоя почвогрунта откоса) имеют место в основном в весенний период. Основная причина - потеря структурной связности почвогрунтов откоса и их переувлажнение вследствие миграции влаги и накопления ее в этой зоне (сверх полной влагоемкости); дополнительная причина - гидродинамическое давление выклинивающихся на откос вод. Происходит отмеченное во всех суглинках и глинах.

4. Оползание с обрушением значительных масс почвогрунта откоса в весенний период. Основная причина - потеря структурной связности почвогрунта откоса, образование ледяных прослоек и линз льда толщиной до 10 см, расположенных параллельно откосу вследствие миграции влаги к фронту промерзания; образование продольных трещин на откосе и прилегающей к каналу полосе шириной 4…5 см, глубиной до 1 м; дополнительная - та же, что и в п. 3. Происходит отмеченное в глинах, пылеватых суглинках, позднеледниковых ленточных отложениях с четко выраженной слоистостью при чередовании глинистых прослоек с мелкими песчаными, супесчаными или пылеватыми прослойками.

5. Оползание нижней части откоса с обрушением вышележащей части. Происходит преимущественно в весенний период, но возможно и при затяжных дождях в летний и осенний периоды. Это наблюдается в супесях и песках, особенно ярко выражено в мелких пылеватых песках и супесях при высоком стоянии уровня почвенно-грунтовых вод.

6. Выпор почвогрунта дна и нижней части откоса при гидродинамическом давлении напорных грунтовых вод в случае глинистых почвогрунтов, подстилаемых водонасыщенными песками.

Изобретение промышленно применимо. Заявленный способ включает следующие операции:

1. Разметку предварительного размещения транспортирующих каналов на осушаемой площади.

2. Проведение комплексных инженерно-геологических и почвенно-мелиоративных изысканий на объекте осушения и ранее реализованных объектах-аналогах.

3. Установление по данным проведенных изысканий строения почвенного профиля почвогрунта по длине каналов.

4. Установление по данным изысканий глубины воды в канале на дату схода снега с поля и выклинивания кривой депрессии на откос.

5. По данным, полученным в п. 2…4, установление по табл. 3 коэффициента заложения откоса для подводной m_н и надводной m_н его частей, при глубине надводной части канала большей 1,5 м значение m_н принимают по табл. 1.

6. Уточнение размещения канала на склоне и экспозиции откоса по табл. 4 или по данным изысканий на объектах-аналогах соответствующего им значения поправочного к m_н коэффициента k_н господствующего в холодный период года ветра северо-западного направления для надводной части откоса, а путем умножения m_н для надводной части откоса на k_н - определение для надводной части коэффициента заложения рассматриваемого откоса.

7. Завершение проектирования осушительной системы, проведение необходимых согласований; осуществление экспертизы проекта, его рассмотрения на научно-техническом совете и утверждения - получение разрешения на производство работ.

8. Проведение работ по переносу трассы канала в натуру и осуществление выполнения земляных работ - отрывку канала на местности.

9. Проверку соответствия качества выполненных работ предъявляемым требованиям.

Результаты реализации заявленного способа в Тверской области на объекте осушения «Марьино» - примеры расчета коэффициента заложения откосов по предполагаемому изобретению при господствующем направлении ветра северо-западного направления приведены в табл. 5. Необходимо отметить, что часть из рассмотренных откосов до сих пор выполняют с запасом устойчивости.

5. Технический результат

Предложенный дифференцированный подход к назначению коэффициента заложения откосов транспортирующего осушительного канала и усовершенствованная конструкция откосов их надводной части обеспечивают ожидаемый технический результат. При этом в отличие от применяемого до последнего времени поперечного сечения осушительного канала в виде равнобокой трапеции оно имеет вид, как правило, неравнобокой трапеции. Кроме этого, например, в среднем суглинке по прототипу m_н=1,0, а по предложенному способу в рассмотренных случаях коэффициент заложения откоса может изменяться от 1,0 до 1,5, а в супесях при m_н=1,5 - соответственно от 1,3 до 1,7 (табл. 5). При этом глубина подводной части канала с учетом кривой депрессии к нему не превышает 0,3 м, надводной - не превышает 1,5 м. Значение m_н, как и m_п, установлено по табл. 3, величина m_п в суглинке принята равной 1,5, а в супеси - 1,7.

В настоящее время заявленный способ и приведенное в табл. 4 находятся в стадии дальнейшего совершенствования, полевые испытания продолжаются.