Коэффициенты полезного действия

Каналы работают периодически

Когда каналы работают периодически, то грунт водой не насыщен, поэтому нет фильтрации, происходит впитывание и потери на фильтрацию , л/с, определяются по зависимости А.Н. Костякова:

(14)

Каналы периодического действия в единицу времени теряют воды на фильтрацию больше, чем каналы постоянного действия.

Коэффициенты полезного действия каналов и оросительной системы являются основными показателями работы системы и ее звеньев.

Значение коэффициента полезного действия зависит от величины непроизводительных потерь в системе: , м³ - потери из оросительных каналов на фильтрацию и испарение с водной поверхности; , м³ - потери с орошаемого поля на фильтрацию и испарение; , м³ - эксплуатационные потери (утечки, холостые сбросы); , м³ - технологические потери. При проектировании различают следующие КПД: всей оросительной системы; системы отдельных каналов и отдельного канала. Значение коэффициента полезного действия всей оросительной системы (см. рисунок 3) определяется по зависимости:

(15)

где - полезно используемый объем воды, м³;

- объем воды, забираемый в голове системы, м³;

- объем воды, используемый на системе повторно, м³.

Объем воды, забираемый в голове системы , м³, состоит из следующих:

. (16)

Полезно используемый объем (нетто) , м³,можно определить как:

(17)

где - расход нетто, поданный на поливные модули, м³/сут;

продолжительность подачи этого расхода, сут.

Объем, забираемый в голове (брутто) , м³, определяется:

(18)

где - расход (брутто) в голове системы, м³/сут;

- продолжительность подачи этого расхода, сут.

При правильном водопользовании, когда нет холостых сбросов:

(19)

Аналогично определяется коэффициент полезного действия системы отдельных каналов (хозяйственного распределителя) :

, (20)

где - расход нетто хозяйственного (другого) распределителя, л/с;

- расход брутто хозяйственного распределителя, л/с.

Коэффициент полезного действия отдельного канала равняется:

, (21)

где - расход в конце канала, л/с;

- расход в начале канала, л/с.

Значение коэффициентов полезного действия должно находиться в следующих пределах: системы=0,75-0,85; системы отдельных распределителей =0,80-0,85; внутрихозяйственных распределителей =0,85-0,90 для каналов в земляном русле.

Если в результате расчетов значения коэффициентов полезного действия системы или отдельного какого-то канала оказываются ниже, предусмотренным СНиП, тогда в проекте предусматриваются противофильтрационные мероприятия.

17.3 Проектирование противофильтрационных
экранов и одежд на каналах

При больших потерях воды на фильтрацию ухудшается мелиоративное состояние земель, они заболачиваются и засоляются, увеличиваются эксплуатационные затраты на очистку каналов от наносов, сорной растительности, на оплату электроэнергии при механическом орошении и др. Для уменьшения потерь воды из каналов применяются противофильтрационные мероприятия.

Все существующие меры уменьшения потерь делятся: на эксплуатационные и технические или строительные.

К эксплуатационным мерам относится своевременный ремонт каналов рыхление поверхности, уменьшение протяженности одновременно действующих каналов и т.д.

Мерами строительными предусматривается создание противофильтрационных одежд и или облицовок, гидроизоляций и экранов водонепроницаемых из естественного грунта, нефтяного битума и пластмассовых пленок. Жесткие облицовки строятся из бетона и железобетона сборного или монолитного.

Критерием для оценки и выбора противофильтрационных мероприятий служит слой воды, теряемый из канала через смоченный периметр в течение суток. Если из канала теряется слой воды более 30 см, то противофильтрационное мероприятие обязательно предусматривается; когда этот слой находится в пределах 5 - 10 см, то канал работает удовлетворительно и никакие мероприятия не проектируются; и если канал теряет 15 - 20 см, - на усмотрение специалиста, в зависимости от гидрогеологических условий района.

В отдельных случаях при весьма неблагоприятных инженерно-геологических условиях (просадочные, оползневые грунты, косогорные участки и др.) потери воды из оросительных каналов не допускаются.

Экраны из естественного грунта. Противофильтрационные экраны проектируются по периметру канала. Создается слабоводопроницаемый слой из естественного грунта путем уплотнения русла канала динамическим методом специальными машинами или ударами плиты весом от 0,5 - 3,0 т, которая сбрасывается экскаватором с высоты 1 -3 м несколько раз, в зависимости от толщины создаваемого экрана, свойств почвы и ее влажности. Желаемое уплотнение обеспечивается при оптимальной влажности почвы: на легких почвах 16 -18 %, средних - 20 - 22 %, тяжелых - 22 - 26 % от плотности сухой почвы. Допускается отклонение 4 - 5 % от оптимальной влажности. При повышенной влажности качество уплотнения значительно снижается. (На Азовской оросительной системе при строительстве применялся этот метод, но из-за близкого расположения уровня грунтовых вод достигнуть уменьшения потерь не удалось).

Противофильтрационная эффективность экрана определяется по следующей зависимости:

(22)

где - потери воды на фильтрацию до уплотнения, м³/с;

- потери воды на фильтрацию после уплотнения, м³/с.

Потери на фильтрацию до уплотнения , м³/с, и после , м³/с, определяются так:

и

где и - соответственно коэффициенты фильтрации до и после уплотнения, м/сут.;

и - градиенты напора до и после уплотнения, м/м.

При глубине воды в канале 3 м, толщина создаваемого экрана 1 м, градиент напора =1, а =4. Отношение и равняется 40, тогда - противофильтрационная эффективность экрана.

Основные показатели качества ударного уплотнения: водопроницаемость, которая характеризуется коэффициентом фильтрации К_ф до и после уплотнения; плотность почвы, характеризующаяся объемной массой до и после уплотнения; толщина создаваемого экрана t, в м.

С увеличением толщины, потери уменьшаются, но она имеет свой экономический предел: для малых каналов (<1 м) толщина экрана принимается 50 -70 см, а для больших каналов (>1 м) - 70 - 100 см.

Экраны из нефтяного битума. Отрывается русло канала по длине с некоторым перебором по сечению, которое соответствует величине защитного слоя и зависит от условий эксплуатации, обычно 30 см.

Поверхность канала планируется, этим обеспечивается толщина создаваемого экрана в среднем 7 - 10 мм, для чего расходуется 6 - 7 кг битума на 1 квадратный метр. Поверхность канала обрабатывается гербицидами, чтобы не росли сорняки и не «пробивали» экран. Битум подвозят специальными машинами при T ⁰= 200 ^oС к месту укладки и с помощью специальных распылителей наносят на поверхность канала, по дну за один проход, а по откосу за 2 - 3 прохода. Битум быстро твердеет и через несколько часов приступают к укладке защитного слоя, вначале мелкозернистого грунта, чтобы не разрушить экран, на дно, а затем по откосу, двигаясь снизу вверх.

Для придания прочности экран может быть покрыт гравием.

Экраны из пластмассовых пленок в настоящее время проектируются для борьбы с потерями воды на фильтрацию. Это полиэтиленовые и полихлорвиниловые пленки. Технология строительства экрана зависит от размеров канала.

Большой канал отрывается с перебором по периметру на толщину создаваемого экрана (0,3 м), поверхность канала обрабатывается гербицидами, в русле канала укладывается пленка толщиной 0,2 мм, края пленки закрепляются выше максимального уровня воды, и создается защитный слой из мелкозернистого грунта, чтобы не порвать пленку сначала по дну, а затем - по откосам.

По водопроницаемости железобетонные облицовки делятся на 3 группы: 1 группа - сравнительно-водопроницаемые облицовки, в сутки теряется слой воды 1 - 5 см; 2 группа - слабоводопроницаемые - слой теряемой воды не более 1 см/сут.; 3 группа - практически водонепроницаемые, потери воды практически равны нулю.

Когда облицовки нужны для сокращения потерь воды на фильтрацию и повышения КПД, применяются облицовки первой группы.

Если основная цель - предотвращение подъема уровня грунтовых вод или борьба с оползнями и деформациями, то применяются облицовки 2-й или 3-й группы.

В конструктивном отношении все облицовки делятся на 2 типа: монолитные и сборные, которые могут быть однослойными и многослойными.

Однослойные облицовки сборной конструкции состоят из отдельных плит, имеют много швов, которые заделываются битумом. Они относятся к 1 группе и сравнительно водопроницаемые.

Когда требуется почти полная гидроизоляция, применяются облицовки многослойные.

Толщина облицовки зависит от размеров канала, климатических условий (промерзания, резких колебаний температуры), и от хозяйственно-экономических условий. Бетонная облицовка для крупных каналов делается толщиной 10-15 см, а для малых - 7-10 см (рисунок 4).

Облицовка сборной конструкции для крупных каналов делается 6-10 см, а для малых каналов 4-6 см.

Монолитная бетонная облицовка укладывается непосредственно на поверхность грунта, в котором выполнено русло (рисунок 4).

В больших каналах предусмотрены продольные швы.

На малых каналах применяется траншейный метод, при котором отрывается траншея, дно углубляется на толщину защитного слоя по сравнению с проектной отметкой, все обрабатывается гербицидами, по дну и откосам укладывается пленка, которая закрепляется и траншея полностью засыпается грунтом и по трассе канала канавокопателем отрывается нужное русло. Лучше, если пленка черного цвета, она не пробивается растениями. Потери при экранах из пленок равны нулю.

Жесткие облицовки. Облицовки из асфальтобетона (вяжущего нефтяного битума и заполнителя из песка и щебня). Отрывается канал нужного профиля с перебором на 5 - 10 см, что соответствует толщине облицовки.

Поверхность канала выравнивается и обрабатывается гербицидами. Асфальтобетон вырабатывается на заводе и при температуре 200 °С на самосвалах доставляется к месту укладки. Затем экскаватором с грейдерным ковшом переносится в асфальтобетоноукладчик и распределяется по периметру канала.

Излишки материала срезаются шаблоном, уплотнение производится вибратором, никаких швов не предусматривается. Стоимость зависит от наличия механизации и толщины создаваемого экрана.

К асфальтобетону предъявляются следующие требования: асфальтобетон должен быть жестким, чтобы удерживаться на откосах, которые должны иметь заложение не более чем 1:1,5, и пластичным, чтобы не образовывалось трещин.

Бетонные и железобетонные облицовки несмотря на высокую стоимость получили распространение в ирригационной практике строительства. При хорошем качестве и правильной эксплуатации служат долго.

Основное назначение облицовок - уменьшение потерь воды на фильтрацию и предотвращение размыва каналов, в которых скорость ожидается 2,4 - 4,0 м/с, в этом случае применяются бетонные облицовки, а если скорость может быть более 4,0 м/с, то тогда проектируется железобетонная облицовка.

Облицовка сборной конструкции на малых каналах также укладывается без предварительной подготовки на грунт, при облицовке крупных каналов плиты укладываются на тщательно спланированную песчано-гравелистую подготовку, чтобы они плотно опирались на поверхность (а если будут неровности - плиты лопнут, попадет вода и все размоется).

Многослойная облицовка. Ее конструкция не зависит от размеров канала. На поверхность канала наносится основание из железобетона и прокладывается гидроизоляция из рулонных материалов (толь, рубероид, пленка). Гидроизоляция покрывается защитным слоем из монолитного или сборного железобетона или бетона (рисунок 5). Если применяется сборный материал, то поверх гидроизоляции делается цементная стяжка, а затем на нее укладываются плиты. Необходимо учесть усадку и возможность образования трещин в результате изменения температуры, а поэтому предусматриваются усадочные швы, которые делаются по конструкции ложными, глубина шва равняется 1/3 толщины облицовки. Поперечные швы в монолитной облицовке делаются при сопряжении дна с откосами в больших каналах и по откосу, если длина его более 6 м. При близком залегании грунтовых вод возможно промерзание грунта, выпучивание, поэтому предусматривается дренаж. Дренажные трубки укладываются на гравелистую подготовку.

Лекция 18