Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ОПТИМІЗАЦІЯ ВОДООЩАДЛИВИХ КОНСТРУКЦІЙ КАНАЛІВ ЗРОШУВАЛЬНИХ СИСТЕМ З УРАХУВАННЯМ ГРУНТОВОЇ ОСНОВИ

06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки)

ЧЕРНИШЕВСЬКА ЛЮДМИЛА ЮХИМІВНА

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано 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 Шавва Кузьма Іванович, Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри енергетичного і водогосподарського будівництва;

доктор технічних наук, професор Сергієв Борис Іванович,

Кримський інститут економіки Київського Національного економічного університету ім. В. Гетьмана Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Михайлов Юрій Олексійович, Інститут гідротехніки і меліорації УААН, головний науковий співробітник.

Провідна установа Національний університет водного господарства та

природокористування Міністерства освіти і науки України,

м. Рівне

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Раціональне використання і поліпшення навколишнього природного середовища - актуальна проблема сучасності. В Україні охорона навколишнього середовища поставлена в ранг державної політики. У “Законі України про охорону навколишнього природного середовища“, прийнятому Верховною Радою України в 1991 році, одним із пріоритетів є “вирішення питань охорони навколишнього середовища з урахуванням антропогенної залежності територій, сукупності дії факторів, які негативно впливають на екологічні обставини”. Екологічні проблеми меліорації (підтоплення, заболочування, засолення грунтів) значною мірою зумовлені фільтраційними втратами води із каналів зрошувальних систем. Проблема мінімізації фільтраційних утрат, економії води при проходженні її по каналах зрошувальних систем була актуальною як на початку створення зрошувальних систем, так і через п'ятдесят років їхньої експлуатації.

Із введенням в експлуатацію зрошувальних систем у 60-80 роках ХХ століття розпочалося підняття рівнів грунтових вод на півдні України. Широкомасштабне зрошення, здебільшого без урахування його впливу на екосистему, вважається важливим впливовим фактором виникнення і розвитку підтоплення на півдні України. Фільтраційні втрати із каналів (за даними численних досліджень різних науковців, до 50% від водозабору із необлицьованих каналів) є одним із вагомих чинників поповнення грунтових вод як локально, так і регіонально, що призводить до порушення екологічної рівноваги, особливо в Причорноморській зоні України. Оптимізація водоощадливих конструкцій каналів з метою мінімізації фільтраційних утрат є важливою проблемою на сучасному етапі розвитку меліорації і водного господарства.

Актуальність теми загострилась у зв'язку з погіршенням екологічного стану на півдні України, де гостро стала проблема ліквідації та попередження підтоплення. На вирішення цієї проблеми, для успішної боротьби та запобігання підтопленню територій Верховною Радою та Кабінетом Міністрів України прийнято цілий ряд відповідних державних, цільових, комплексних та галузевих природоохоронних програм, до завдань яких увійшли заходи щодо ліквідації, попередження підтоплення земель, реконструкції зрошувальних систем.

Погіршення еколого-меліоративного стану на зрошуваних землях потребує застосування оптимальних конструкцій, удосконалення методів розрахунку, розроблення технології будівництва каналів з урахуванням грунтової основи при проектуванні, будівництві, експлуатації, реконструкції та модернізації зрошувальних систем, які спрямовані на забезпечення мінімальних фільтраційних утрат і екологічної безпеки довкілля. На вирішення цих завдань і пов'язаних з ними аспектів спрямована дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконували 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.

2001-2005 рр. Тема 01.06. “Розробити надійні екологічно безпечні конструкції каналів для їх застосування при модернізації та реконструкції зрошувальних систем”. Державна реєстрація
№ 0101U004616.

2006 р. Тема 03.03.04. “Дослідити динаміку технічного стану каналів зрошувальних систем в процесі довготривалої експлуатації та їхній вплив на еколого-меліоративний стан прилеглих територій, удосконалити технології екологічно безпечної експлуатації каналів”. Державна реєстрація № ДР 0106U004951.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - наукове обгрунтування оптимальних водоощадливих конструкцій каналів зрошувальних систем, удосконалення методів розрахунку, технології будівництва з врахуванням системи “облицювання - грунтова основа”, спрямованих на мінімізацію фільтраційних утрат води.

Досягнення мети здійснювалося вирішенням таких задач:

- дослідження фільтраційних утрат і факторів, які впливають на них, на каналах різного порядку транспортувальної, розподільної і регулювальної зрошувальної мережі і визначення ланок у мережі каналів з найбільшими фільтраційними втратами;

- розроблення аналітичних залежностей для визначення фільтраційних утрат 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 грунтової основи, встановлення причин і механізму руйнування конструкцій облицювань залежно від водно-температурного режиму та удосконалення методу розрахунку міцності облицювань з врахуванням напружено-деформованого стану системи “облицювання - грунтова основа”. Обгрунтування раціональних конструкцій облицювання на основі регулювання водно-температурного режиму грунтової основи із набухаючих і випинаючих грунтів;

- розроблення 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 транспортувальних, розподільних каналів і регулювальної мережі каналів, у тому числі удосконалення конструкцій каналів на діючих зрошувальних системах після довготривалої їхньої експлуатації.

- оптимізація конструкцій каналів, які забезпечують мінімальні фільтраційні втрати і екологічну безпеку навколишнього середовища для різних грунтових умов.

Об'єктом дослідження є робота системи “облицювання - грунтова основа” на відкритих зрошувальних каналах транспортувальної, розподільної і регулювальної мережі, починаючи від водозабору і до поля залежно від грунтових умов протягом усього терміну експлуатації, починаючи з будівництва і першого дня експлуатації каналів.

Предметом дослідження є процес фільтрації із облицьованих і необлицьованих каналів зрошувальних систем у різних грунтових умовах протягом довготривалої експлуатації.

Методи дослідження грунтуються 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 - грунтова основа”. Одержано аналітичні залежності для визначення фільтраційних утрат із необлицьованих і облицьованих каналів в умовах вільної і підпертої фільтрації з врахуванням часу, водно-фізичних властивостей грунтів, конструкцій ПФО. Визначено величини фільтраційних опорів сучасних конструкцій облицювань. Розроблено теоретичні основи режиму водоподачі в борозни.

На основі дослідження спільної роботи облицювання і грунтової основи встановлено причини і механізм руйнування різних конструкцій облицювання в процесі довготривалої експлуатації залежно від водно-температурного режиму роботи системи “облицювання - грунтова основа”, удосконалено метод розрахунку міцності монолітного бетонного облицювання залежно від напружено-деформованого стану системи, обгрунтовано конструкції облицювання на основі регулювання водно-температурного режиму системи на набухаючих і випинаючих грунтах.

Установлено критерії оптимізації конструкцій облицювань каналів: коефіцієнт протифільтраційної ефективності, фільтраційні опори, показник екологічної безпеки каналів, параметри будівельної щільності і вологості грунтової основи для різних типів грунтів.

Дано порівняльну оцінку протифільтраційної ефективності різних конструкцій облицювань в ідентичних умовах будівництва і експлуатації каналів. фільтраційний канал зрошувальний грунтовий

Обгрунтовано оптимальні конструкції протифільтраційних облицювань транспортувальних, розподільних, регулювальних 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.

Достовірність отриманих результатів зумовлена проведенням багаторічних натурних, лабораторних і аналітичних досліджень, застосовуванням математичних методів моделювання, методів планування багатофакторних і однофакторних експериментів, обробки експериментальних даних.

Практичне значення одержаних результатів.

Проведено обгрунтування заходів по зменшенню фільтраційних утрат 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: оптимізація конструкцій каналів, 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 з різними конструкціями облицювань і застосування їх для оцінки змін гідрогеологічного стану на Каховському зрошуваному масиві та Комсомольській зрошувально-обводнювальній системі в Саратовській області; обгрунтування застосування бетоноукладальних комплексів “РАХКО” і “АЛЬКОНС” для будівництва бетонних монолітних облицювань; обгрунтування оптимального режиму роботи каналів різного порядку, оптимізація 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 увійшли в нормативні документи з питань технології будівництва дамб каналів з місцевих грунтів, проектування протифільтраційних облицювань каналів, вибору оптимальних 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 500км.

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

Натурні та лабораторні дослідження проведено за методикою автора і особисто автором за участю П.А. Сухорукова, С.Л. Топчія, С.М. Ворошнова, Я.В. Шевчука, О.Н. Кафтана, О.С. Ігнатової, В.П. Маркевич та інших співробітників відділу гідротехніки ІГіМ УААН. Ідеї співавторів наукових робіт у дисертації не використано.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень за темою дисертації розглядали на вченій раді Інституту гідротехніки і меліорації УААН (1970 - 2006 рр.).

Основні положення дисертації апробовано на численних союзних, міжнародних, 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, 2000, 2001 рр., Одесі-2002 р., Києві - 1974, 1989, 1997, 2005 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 - 2006 рр.), УААН (1990 - 2006 рр.).

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

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 60 наукових роботах, в тому числі, 31 стаття у фахових виданнях, визначених ВАК України, із яких сім індивідуальних. Матеріали дисертації увійшли в шість відомчих нормативних документів.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація має вступ, сім розділів, висновки, список використаних літературних джерел із 393 найменувань, сім додатків. Текст роботи викладено на 415 сторінках, з яких 267 сторінок комп'ютерного тексту, 68 рисунків, 32 таблиці.

В авторефераті 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 ПКК; МК - магістральний канал; Р - розподільний канал, НВ - найменша вологоємність; ПФО - протифільтраційне облицювання; ПФЕО - протифільтраційна ефективність облицювання; РГВ - рівень грунтових вод.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Аналіз протифільтраційної ефективності сучасної зрошувальної мережі каналів” 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 утрат із облицьованих і необлицьованих каналів, сформульовано мету і задачі 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 та 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 у земляному руслі без облицювання або мають неефективні конструкції облицювання і під впливом фільтрації піднімаються РГВ, відбувається підтоплення, заболочування, засолення земель.

Питаннями фільтрації займались теоретично і експериментально багато вітчизняних і зарубіжних учених. Найбільший 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.

На основі аналізу публікацій про планування експерименту зроблено висновок, що при проведенні натурних досліджень роботи каналів в різних грунтах необхідно використати плани багатофакторного експерименту.

Для оптимізації водоощадливих конструкцій каналів розроблено критерії оптимальності конструкцій каналів (коефіцієнт протифільтраційної ефективності облицювання, показник екологічної безпеки каналів, фільтраційні опори облицювання, оптимальні параметри ущільнення грунтової основи), дотримання яких забезпечує мінімальні фільтраційні втрати і екологічну безпеку каналів залежно від грунтових умов.

Комплексний підхід до роботи каналів дав змогу зробити висновок, що при проектуванні, будівництві, експлуатації каналів потрібно розглядати спільну роботу облицювання і грунтової основи, що реалізовано в дисертації.

У другому розділі “Методика досліджень” викладено методику теоретичних, лабораторних і натурних досліджень, проведених у роботі.

Оптимізацію конструкцій каналів виконано шляхом дослідження в натурних умовах, використання фізичних моделей у лабораторних умовах, адекватних об'єкту, де проходять реальні процеси; математичного моделювання досліджуваних процесів на ЕОМ, аналітичних рішень.

Для теоретичного розв'язування поставлених задач застосували детермінований і статистичний методи. У першому випадку застосовано два способи розв'язування: чисельний (дискретний) і аналітичний.

У дисертації застосовано теорію вологопереносу в ненасичених грунтах для розв'язання задач першої стадії фільтрації із каналів і теорію теплопереносу для розв'язання задач промерзання грунтової основи необлицьованих і облицьованих різними конструкціями ПФО каналів.

На основі аналізу математичних моделей, представлених в роботах С.Ф. Авер'янова, І.І. Будаговського, В.В. Ведерникова, Л.М. Рекса, О.А. Роде, Р. Слейчера, W. Gargner, I. Widstoe, E. Buckkingham, A. Klute, I. Philip, L. Richards, N. Collis-George, E. Childs, A. Liakopoulos, автора та інших дослідників, зроблено висновок про те, що одномірна задача переміщення вологи у вертикальному напрямку в умовах першої стадії фільтрації із каналів в ненасичених грунтах при постійній температурі описується нелінійним диференціальним рівнянням у часткових похідних другого порядку параболічного типу:

(1)

за відповідних крайових умов на межі області зволоження.

Тут W - вологість грунту, K(W) - коефіцієнт капілярної водопровідності, D(W) - коефіцієнт дифузії, t - час, z - вертикальна координата

У дисертації розв'язано задачі переміщення вологи під дією капілярних, гравітаційних сил у горизонтальному та вертикальному напрямках.

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

Оскільки від точності визначення коефіцієнтів вологоперенесення залежить точність і достовірність розв'язку, то цьому питанню приділено особливу увагу. У роботі коефіцієнти вологоперенесення визначали за формулами С.Ф. Авер'янова, Гарднера, експериментально в лабораторних умовах за методиками С. С. Корчунова, Г.І. Афанасика і за формулами автора.

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

Для визначення фільтраційних утрат для умов підпертої фільтрації із облицьованих каналів застосували метод фільтраційних опорів. При визначенні фільтраційних утрат із облицьованих каналів застосували методику О.Я. Олійника визначення фільтраційних утрат із необлицьованих каналів, доповнивши загальний фільтраційний опір каналів додатковим опором, який ураховує протифільтраційний ефект ПФО каналів:

Ф = Ф_к + Ф_обл , (2)

де Ф - загальний фільтраційний опір, Ф_к - фільтраційний опір, який ураховує гідродинамічну недосконалість каналу, Ф_обл - фільтраційний опір конструкції ПФО.

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

Теоретичні дослідження з розрахунку міцності монолітного бетонного облицювання на набухаючих грунтах включали розробку розрахункової схеми “облицювання - грунтова основа”, вибір розрахункових схем впливу набухання на облицювання, вибір методики розв'язання контрольної задачі, чисельне розв'язування.

Запропоновано новий метод розрахунку міцності облицювання з урахуванням нелінійно-деформованої грунтової основи, який грунтується 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'язання задачі на ЕОМ міцності монолітного бетонного облицювання з грунтовою основою з піщаних і важкосуглинистих грунтів.

У дисертації представлено чисельне моделювання задачі промерзання грунтової основи каналів з різними конструкціями облицювань, що описується рівнянням:

(4)

за відповідних граничних і початкових умов для мерзлої і немерзлої зон.

Тут Т - температура грунту, с - об'ємна теплоємність, л_с - коефіцієнт теплопровідності, W_T - джерело тепла.

Чисельним методом розв'язано чотири задачі промерзання грунтової основи облицьованих різними конструкціями облицювань і необлицьованих каналів.

Експериментальні дослідження в лабораторних і натурних умовах включали визначення водно-фізичних і фізико-механічних властивостей численних монолітів грунтової основи каналів, ущільнення грунтової основи, дослідження фільтраційних утрат із каналів, дослідження факторів, які впливають на роботу системи “облицювання - грунтова основа”, порівняльна оцінка протифільтраційної ефективності ПФО каналів.

У лабораторних і натурних умовах проведено багатофакторні і, як окремі випадки, однофакторні експерименти. У дисертації застосовано статистичний підхід до планування експерименту, що дало змогу скоротити об'єм експериментів і отримати розрахункові залежності, які адекватно описують досліджувані процеси.

У лабораторних умовах визначено напружено-деформаційні характеристики набухаючих грунтів: відносне набухання, тиск набухання, модуль деформації приладами А.М.Васильєва та компресійними приладами ПНГ.

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 в діапазоні _d = 1,10 - 2,10 г/см³ через _d = 0,1 г/см³. Планування однофакторних експериментів проводили за методикою
М.М. Гольдштейна.

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 в лабораторних умовах.

У натурних умовах проведено системні дослідження спільної роботи системи “облицювання - грунтова основа” із заданими будівельними щільністю і вологістю грунтової основи дослідних полігонів і каналів транспортувальної, розподільної і регулювальної мережі, починаючи з будівництва дамб першого дня експлуатації каналів на Татарбунарській, Нижньодністровській, Каховській, Північно-Рогачицькій зрошувальних 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. дотепер.

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.

Особливу увагу приділяли 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

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

Для визначення протифільтраційної ефективності різних конструкцій ПФО застосували метод полігонних досліджень, за яким досліджується конструкція облицювання в цілому, а не окремі її деталі і оцінюється вплив облицювання на рівневий режим грунтових вод. Відсіки обладнано поверхневими і глибинними марками, реперами, п'єзометричними свердловинами, гідрометеорологічними площадками, постами за спостереженням рівнів води, устаткуванням для подачі води у відсіки. Слід сказати, що методику полігонних досліджень ПФЕО використано для виконання програми науково-технічного співробітництва Інституту гідротехніки і меліорації із Бюро меліорації США і позитивно оцінено спеціалістами Бюро меліорації США.

Багаторічні спостереження за деформаціями ПФО і їхньої грунтової основи проводили регулярно протягом кожного року - 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 експериментальних спостережень оброблено методом математичної статистики з визначенням математичних статистик (дисперсія, середньоквадратичні відхилення, мінімальні і максимальні значення, коефіцієнт регресії, коефіцієнт кореляції).

Розрахунок коефіцієнтів поліноміальної моделі і графічну інтерпретацію багатофакторного експерименту проводили за програмами, розробленими М.Н. Цивіним на макромові MATLAB

У третьому розділі ”Дослідження факторів, які впливають на фільтраційні втрати” наведено результати натурних досліджень фільтраційних утрат 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”) транспортувальної, розподільної і регулювальної 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 грунтів із різною щільністю, що дало змогу визначити фактори, які впливають на величину фільтраційних утрат із каналів.

У роботі дано якісну і кількісну оцінку факторів, які впливають на величину фільтраційних утрат: водно-фізичних властивостей грунтової основи, насамперед будівельних щільності і вологості, наявності і конструкції облицювання, глибини води в каналі, стадій фільтрації, розмірів каналу, режиму роботи каналу, водно-температурного 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.

Процеси фільтрації із облицьованого і необлицьованого каналів різняться якісно і кількісно.

У фазі поглинання першої стадії фільтрації спостерігаються найбільші фільтраційні втрати із каналів. Ці втрати не впливають на підняття РГВ, але позначаються на розмірах поперечного перерізу каналу. Фаза поглинання спостерігається при першому та наступних заповненнях водою каналів, що має місце при їхньому періодичному функціонуванні.

В умовах підпертої фільтрації втрати води зменшуються (у 3 - 10 разів) і впливають на підняття грунтових вод. Для зменшення фільтраційних утрат 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 утрат 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 ПРЗС, 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 у 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 закріплено шаром щебеню 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 товщиною = 0,12 м, укладеного комплексом “РАХКО”, і суглинисту грунтову основу з К_ф=0,01 м/доб показали, що після 5 місяців спостережень величина фільтраційних утрат 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 м 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 натурних фільтраційних досліджень представлено на рис. 1, 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 утрат.

На Татарбунарській і Нижньодністровській ЗС досліджено фільтраційні втрати із тимчасової регулювальної 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

За методом статистичного аналізу отримано функціональну залежність фільтраційних утрат із каналів від незалежних факторів, які впливають на них. Ці фактори за ранжиром розташовуються в такій послідовності: наявність облицювання, тип конструкції облицювання; водно-фізичні властивості грунтової основи, тривалість неусталеної фільтрації (сюди входять залежні фактори: стадії фільтрації, періодичність роботи каналу), водно-температурний режим роботи системи “облицювання - ґрунтова основа”, глибина води в каналі, ширина каналу. Показово, що ширина каналу має незначний вплив на питомі фільтраційні втрати лише за умов усталеної фільтрації - залежність між фільтраційними втратами і шириною каналу обернено пропорційна.

Аналіз факторів, що впливають на величину фільтраційних утрат із каналів різного порядку, показав, що найменші фільтраційні втрати спостерігаються із постійно діючої мережі облицьованих каналів, укладених на грунтову основу з оптимальною будівельною щільністю і вологістю. Виявлено, що найбільші фільтраційні втрати мають місце на періодично працюючих каналах без облицювання в умовах вільної фільтрації, тобто на регулювальній мережі: тимчасових зрошувачах, вивідних і поливних борознах, і тут є можливість економії великих об'ємів води шляхом застосування заходів щодо мінімізації фільтраційних утрат води.

У четвертому розділі “Теоретичні дослідження фільтрації із каналів” теоретично досліджено фільтрацію із каналів для умов вільної і підпертої стадій.

У роботі наведено чисельне розв'язання двовимірної задачі вологоперенесення в ненасичених грунтах при фільтрації через шви, тріщини в монолітному бетоні облицювання каналу з різними параметрами грунтів, з якого видно, що параметри грунтів впливають на швидкість переміщення фронту фільтраційних вод і підняття рівнів грунтових вод.

У дисертації теоретично визначено і підтверджено експериментально коефіцієнти дифузії для різних типів грунтів.

Розширено границі застосування залежності Гарднера

D=D₀exp[(W-W₀)], (6)

де W₀ -початкова вологість; D₀ - коефіцієнт дифузії при початковій вологості; -параметр грунту, практично для всіх типів грунтів півдня України (рис.2). Для визначення параметрів і D₀ автор розробила формули, які перевірено експериментально для різних типів грунтів: пісків, суглинків, глин.

Отримано формули для визначення фільтраційних утрат із каналів постійного і періодичного функціонування. Установлено, що при неусталеній фільтрації переміщення фронту зволоження проходить пропорційно , а при тривалій роботі каналів (t ) переміщення фронту зволоження проходить пропорційно t, тобто проходить з постійною швидкістю.

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

, (7)

об'єм профільтрованої води за час t дорівнює:

. (8)

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

, (9)

об'єм профільтрованої води визначають за залежністю:

. (10)

Теоретичні залежності для визначення фільтраційних утрат 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:

, (11)

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.

, (12)

де n - пористість, W - повна вологоємність.

Відстань між борознами визначають за формулою:

b = 2_гор + b_б + с , (13)

де b_б - ширина борозни; с - відстань, на яку переміщається контур зволоження після припинення подачі води в борозну; _гор - переміщення вологи в горизонтальному напрямку, визначають за формулою:

 . (14)

Формули (11) - (13) апробовано в натурних умовах при проведенні поливу по борознах у Миколаївській, Київській, Одеській областях, АР Крим.

Для стадії підпертої фільтрації із облицьованих каналів наведено розрахунки фільтрації з урахуванням впливу конструкцій облицювань.

Формули для визначення фільтраційних опорів Ф_обл конструкції облицювання, величини фільтраційних утрат із облицьованих каналів на стадії підпертої фільтрації апробовано 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%.

За даними натурних досліджень визначено величини фільтраційних опорів Ф_обл характерних типів сучасних конструкцій ПФО каналів зрошувальних систем півдня України та Поволжя.

У дисертації розроблено методику визначення фільтраційних утрат із каналів залежно від властивостей грунтової основи.

Наведено приклад розрахунку підпертої фільтрації із облицьованих каналів, визначено величину фільтраційного опору конструкції облицювання із монолітного бетону, фільтраційних утрат, криву депресії. Теоретичні розрахунки підтверджено результатами натурних досліджень на каналі Р-5-1 КЗС.

У п'ятому розділі “Лабораторно-натурні дослідження спільної роботи системи “облицювання - грунтова основа” і її напружено-деформованого стану” наведено статистичний підхід до планування багатофакторного експерименту, результати лабораторних і натурних досліджень роботи системи “облицювання - ґрунтова основа” та її напружено-деформованого стану.

При розробленні технології підготовки грунтової основи за функцію відгуку прийняли щільність ґрунту с_d , яка залежить від трьох основних незалежних факторів: типу ґрунту, початкової вологості ґрунту, кількості проходів ущільнювального механізму по одному сліду, тобто:

у = f (Х₁; Х₂; Х₃) , (15)

де у - щільність грунту с_d , г/см³; Х₁ - тип ґрунту; Х₂ - кількість проходів ущільнювального механізму по одному сліду n; Х₃ - початкова вологість грунту W, %.

Ці фактори відповідають основним вимогам теорії планування експерименту - вони незалежні, сумісні, керовані.

Для визначення критерію першого фактора Х₁ - типу ґрунту - застосували гранулометричний склад грунтів, зокрема так звані коефіцієнти сортування або неоднорідності, які представляють собою відношення діаметрів визначальних точок гранулометричної кривої. Ці точки різними авторами вибираються по-різному, виходячи з уявлень про те, які власне частинки впливають на поведінку ґрунту. Для характеристики грунтів вибрали найбільш ефективну класицікацію В.В. Охотіна, за якою грунти характеризуються вмістом глинистих частинок 0,005 мм.

Для визначення другого фактора Х₂ (кількість проходів котка по одному сліду) і третього фактора Х₃ (вологість грунту) провели експериментальні дослідження в натурних умовах для двох типів грунтів: вапняків і важких лесовидних суглинків.

Товщина шару грунту була постійною і дорівнювала 0,4 м. Кількість проходів котка по одному сліду була: n₁ = 4, n₂ = 8, n₃ = 12, n₄ = 16, n₅ = 20. Після цього відбирали проби ґрунту (із розрахунку одна проба на 300 м³ грунта) для визначення щільності, вологості, гранулометричного складу. Дослідне ущільнення проводили пошарово до висоти дамби 2,0 м. Проби ґрунту відбирали у шестикратній повторності. На рис. 3 представлено графік залежності щільності від вологості для заданої кількості проходів котка по одному сліду для переробленого вивітрілого вапняку.

Аналіз досліджень показав, що для грунтів півдня України вміст глинистих частинок 0,005 мм (фактор Х₁) становить від 4 % до 34 %, кількість проходів котка по одному сліду n (фактор Х₂) може змінюватися від 4 до 20, вологість грунтів W (фактор Х₃) - від 6 % до 24%. Ці величини факторів було використано при плануванні експерименту.

Однією з найскладніших задач при плануванні експерименту є вибір плану експерименту, особливо, коли математичну модель можна визначити лише приблизно, що маємо в нашому випадку.

Для планування експерименту застосували наближений D - оптимальний план Бокса В₃ з одною нульовою точкою в центрі плану, який має найкращі інтерполяційні властивості. Всього було реалізовано 15 дослідів у 6-кратній повторності (табл. 1).

Експериментальні дані однорідні, відповідають критерію Кохренса:

G=у²_max / ? у² =0,08 < 0,7 . (16)

З понад 50 альтернативних моделей вибрали математичну модель, адекватну за критерієм Фішера:

у =1,9144 - 0,1124Х₁ + 0,1158Х₂ + 0,1337Х₃ - 0,0703Х₁Х₂ + 0,0115Х₁Х₃ -

0,0823Х₂Х₃ - 0,1982Х₁² - 0,0512Х₂² - 0,1297Х₃² + 0,0978Х₁Х₂Х₃ (17)

Розрахункові значення за формулою (17) і експериментальні величини щільності показали, що математична модель адекватна експериментальним даним (дисперсія неадекватності у² =0,002).

Графічну інтерпретацію впливу факторів (Х₁ , Х₂ , Х₃) на функцію відгуку (у) показано на рис. 4, 5. Кількість обраних факторів (три) зумовила розмірність досліджуваного факторного простору: отримано графіки тривимірної поверхні з лініями однакових значень щільності ґрунту с_d .

Таблиця 1

Результати планування експерименту по ущільненню грунтів

№	Кодові значення факторів	Рівні факторів	Щільність рd , г/см3	Дисперсія, у2
	Х1	Х2	Х3	X1	X2	Х3	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6
1	-	-	-	4	4	6	1,70	1,75	1,68	1,65	1,76	1,74	1,713	0,001906
2	+	-	-	34	4	6	1,20	1,25	1,24	1,22	1,21	1,23	1,225	3,50000E-4
3	-	+	-	4	20	6	1,88	1,83	1,90	1,85	1,91	1,89	1,877	9,46667E-4
4	+	+	-	34	20	6	1,30	1,28	1,35	1,25	1,33	1,29	1,300	0,00128
5	-	-	+	4	4	24	1,78	1,76	1,80	1,81	1,75	1,76	1,780	5,8667E-4
6	+	-	+	34	4	24	1,53	1,54	1,51	1,54	1,56	1,50	1,530	4,80000E-4
7	-	+	+	4	20	24	1,80	1,82	1,85	1,78	1,76	1,83	1,807	0,001106
8	+	+	+	34	20	24	1,65	1,66	1,71	1,70	1,60	1,68	1,667	0,001586
9	-	0	0	4	12	15	1,80	1,84	1,85	1,77	1,86	1,83	1,825	0,001150
10	+	0	0	34	12	15	1,60	1,56	1,55	1,62	1,59	1,52	1,573	0,001346
11	0	-	0	19	4	15	1,77	1,72	1,75	1,80	1,81	1,71	1,760	0,001680
12	0	+	0	19	20	15	1,91	1,95	1,97	1,90	1,87	1,99	1,932	0,002096
13	0	0	-	19	12	6	1,72	1,70	1,68	1,74	1,75	1,76	1,725	9,50000E-4
14	0	0	+	19	12	24	1,81	1,85	1,87	1,78	1,80	1,75	1,810	0,001960
15	0	0	0	19	12	15	1,97	2,01	1,95	2,06	1,92	1,99	1,983	0,002386
												Сума	0,029953
												Середнє значення	0,001302
												Макс. значення	0,002386
												Критерій однорідн.	0,079679

Розглянемо вплив вологості (Х₃) і кількості проходів (Х₂) на щільність важкого лесовидного суглинку (Х₁ =+1). Вплив факторів Х₂ и Х₃ на щільність при фіксованому значенні Х₁ = +1 (важкий лесовидний суглинок) показано на рис. 4, із якого видно, що на щільність важкого лесовидного суглинку при його укладанні в насип дамби більш істотно впливає вологість ґрунту (фактор Х₃), ніж кількість проходів ущільнювальних механізмів по одному сліду (фактор Х₂). Залежність щільності ґрунту від кількості проходів (Х₂) нелінійна, оптимальної щільності грунту досягають при n =10.

Максимальної щільності важкого лесовидного суглинку (с_d =1,76 г/см³) досягають при кількості проходів n =10 (Х₂ = -0,1) і вологості W = 24 % (Х₃ = +1). Мінімальне значення щільності важкого лесовидного суглинку (с_d =1,4 г/см³) спостерігається при вологості грунту W = 6 %.

...