УДК 626.826

doi:

Расчеты установившейся свободной фильтрации

из необлицованных каналов
Аннотация. Цель: получить расчетные зависимости для определения свободной и подпертой фильтрации из оросительных каналов. Материалы и методы: в исследовании использовались методы теории фильтрации из необлицованных и облицованных каналов гидромелиоративных систем. Результаты: свободная фильтрация из каналов при установившемся движении потока показывает значительные потери воды, достигающие до 30 % от расхода. В результате снижается коэффициент полезного действия (КПД) каналов, что способствует подтоплению приканальных территорий, последующему засолению земель, заболачиванию и постепенному выбытию их из сельскохозяйственного оборота. Свободная установившаяся фильтрация из каналов будет наблюдаться при отсутствии непроницаемых водоупорных слоев на глубине, или при залегании уровня грунтовых вод (на глубине более 20–25 м от поверхности земли).
В связи с этим, для определения фильтрационного расхода при свободной фильтрации рекомендуются расчетные зависимости Н. Н. Павловского, В. В. Ведерникова,
А. Н. Костякова, С. Ф. Аверьянова и Ю. М. Косиченко. В случае, когда происходит подпертая фильтрация при установившемся движении, для расчета может использоваться метод фильтрационных сопротивлений и формулы С. Ф. Аверьянова и Н. Н. Веригина, А. Я. Олейника, учитывающие неустановившийся процесс фильтрации с учетом дифференциального уравнения неустановившегося движения потока типа Фурье. Выводы: полученные решения задач фильтрации при установившемся движении позволили найти расчетные зависимости и методы расчета для свободной и подпертой фильтрации из оросительных каналов. Разработана классификация фильтрационных потерь из оросительных каналов для условий свободного потока.

Ключевые слова: фильтрация, оросительный канал, установившееся движение, потери воды, свободная и подперта фильтрация, необлицованное русло
Original article

Calculations of steady-state free filtration from unglazed channels

Annotation. Purpose: to obtain calculated dependencies for determining free and backed filtration from irrigation channels. Materials and methods: the research used methods of the theory of filtration from unglazed and lined channels of hydro-reclamation systems.

---

Results: free filtration from channels with steady flow movement shows significant water losses reaching up to 30 % of the flow rate. As a result, the efficiency of the channels decreases, which contributes to flooding of the channel territories, subsequent salinization of land, waterlogging and their gradual retirement from agricultural circulation. Free steady-state filtration from channels will be observed in the absence of impermeable water-resistant layers at a depth, or when the groundwater level lies (at a depth of more than 20-25 m from the earth's surface). In this regard, the calculated dependences of N. N. Pavlovsky, V. V. Vedernikov, A. N. Kostyakov, S. F. Averyanov and Yu. M. Kosichenko are recommended to determine the filtration flow rate with free filtration. In the case when backed filtration occurs with steady motion, the method of filtration resistances and the formulas of
S. F. Averyanov and N. N. Verigin, A. Ya. Oleinik can be used for calculation, taking into account the unsteady filtration process taking into account the differential equation of unsteady flow motion of the Fourier type. Conclusions: the obtained solutions to filtration problems with steady motion allowed us to find calculation dependencies and calculation methods for free and backed filtration from irrigation channels. A classification of filtration losses from irrigation channels for free flow conditions has been developed.

Keywords: filtration, irrigation channel, steady motion, water loss, free and backed filtration, unpaved channel

Введение. Основными потерями воды в оросительных каналах принято считать потери воды на фильтрацию, которые составляют до 50 % от общих потерь. Вследствие значительных потерь воды из каналов в земляных руслах наблюдаются негативные последствия: подтопление приканальной территории, заболачивание и затопление вдоль каналов, засоление приканальной территории, вплоть до вывода их из использования.

Процент потерь воды на фильтрацию из каналов зависит от их параметров, водопроницаемости грунтов в основании и отметок залегания уровня грунтовых вод. Фильтрацию из оросительных каналов различают на свободную и подпертую, установившуюся и неустановившуюся.

По способам подачи воды каналы бывают самотечные и с машинным подъемом воды насосными станциями. В самотечных каналах вода течет под действием силы тяжести. Если уровень воды в месте водозабора из источника (водохранилища или реки) ниже, чем по условиям командования в канале, то на канале сооружают насосные станции для подъема воды.

Материалы и методы. Наибольшие потери воды из оросительных каналов происходят при фильтрации в грунт основания. Кроме потерь на фильтрацию также наблюдаются потери на испарение, которые, как правило, незначительны, и составляют порядка 2–4 % от общего объема потерь. Особенно опасна фильтрация на косогоре, где периодически происходят оползания дамб каналов, что имело место на Головном участке Большого Ставропольского канала.

Фильтрация воды из каналов может быть свободной (без подпора),

---

а в случае подпора такая фильтрация является подпертой. Свободная фильтрация (рисунок 1, а) происходит, когда фильтрационный поток не подпирается грунтовыми водами. В этом случае на некоторой глубине имеется сильнопроницаемый слой грунта, который может приниматься за дренаж. Отвод профильтровавшейся воды через сильнопроницаемый слой осуществляется за пределы приканальной территории.

а	б

а – свободная фильтрация; б – подпертая фильтрация;

– коэффициент фильтрации грунта, м/сут; – ширина канала по урезу воды, м;

– нормальная глубина в канале, м; – коэффициент заложения откоса; – ширина канала по дну, м; – ширина распространения фильтрации, м; – мощность
грунтового основания, м; – испарение; – уровень грунтовых вод; – бытовая
глубина грунтовых вод над водоупором, м; – глубина потока над уровнем воды
(над водоупором), м

Рисунок 1 – Схемы фильтрации из оросительных каналов
На каналах кроме свободной фильтрации, зачастую наблюдается подпертая фильтрация (см. рисунок 1, б), которая бывает при близком залегании грунтовых вод, когда фильтрационный поток взаимодействует с грунтовым.

Неустановившаяся фильтрация, как правило, наблюдается
в начальный период работы канала и отличается тем

---

, что изменяются уровни грунтовых вод во времени, а также скорости движения и фильтрационный расход.

Установившаяся фильтрация происходит при длительной работе канала, когда скорость и другие параметры фильтрационного потока, в том числе уровни грунтовых вод будут постоянными.

Максимальная фильтрация из канала будет наблюдаться при высоком уровне воды, а затем она в течение времени снижается до значения расхода при установившейся фильтрации. При этом потери воды из канала при свободной фильтрации будут в несколько раз больше потерь, чем при подпертой.

Установившиеся потери воды на фильтрацию могут быть получены экспериментальным методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА). Данный метод был разработан акад. Н. Н. Павловским. В дальнейшем метод нашел большое применение при изучении фильтрации на масштабных моделях ЭГДА в период 1920–2000 гг., когда строились гидроузлы на многих реках, и требовалось их моделирование на масштабных моделях (в том числе с помощью установок ЭГДА в масштабе 1:10–1:250).

Кроме метода ЭГДА, также применяется метод графического построения гидродинамической сетки движения фильтрационного потока и расчета по теоретическим формулам.

Так, движение грунтовых вод при установившейся фильтрации подчиняется закону Дарси:

, (1)

где – средняя скорость фильтрации, м/сут;

– коэффициент фильтрации грунта, м/сут;

– градиент фильтрации, который характеризуется изменением действующего напора ( ) к длине потока на единицу длины ( ).

Следует отметить, что наряду с прибором ЭГДА, который применялся для установившегося движения фильтрационного потока, в настоящее время используются более усовершенствованные приборы для изучения неустановившегося движения фильтрационного потока марки «КММ» (комбинированная математическая модель) и др.

Результаты. Далее рассмотрим методы расчета фильтрации из необлицованных и облицованных каналов.

Расчет свободной фильтрации из каналов (см. рисунок 1, а) происходит лишь в случае отсутствия водоупора или при наличии уровней грунтовых вод на глубине более 20–25 м.

---

К формулам, не учитывающим действие капиллярных сил, относятся зависимости А. Н. Костякова [9] для установившегося движения свободной фильтрации ( , м³/сут):

, м³/сут, (2)

где – длина участка канала, м.

Н. Н. Павловский [6] получил формулу для криволинейного русла канала или полигонального сечения, которые близки между собой по очертанию:

, м³/сут. (3)

Ширина канала по урезу воды , м, определяется по выражению:

, м. (4)

Б. К. Ризенкампф [1940] предложил формулу для трапецеидального сечения с учетом параметра μ:

, м³/сут, (5)

где – параметр, зависящий от отношения и , принимаемый по табличным данным [10].

В. В. Ведерников [7] представил формулу для трапецеидального сечения с учетом параметра А:

, м³/сут, (6)

где – параметр, зависящий от отношения и , принимаемый по табличным данным [10];

– высота, м, принимается при малых значениях по зависимости:

, м, (7)

где – коэффициент, принимаемый в пределах 0,75–1,0;

– высота капиллярного поднятия воды, м.

Б. К. Ризенкампф [1940] с использованием условия В. В. Ведерникова на свободной поверхности получил решение задачи для канала нулевой глубины шириной

---

Смотрите также файлы

• экология.docx

• Сед ноги вместе, руки вперед наклоны вперед, касаясь руками пола около ступни.rtf

• Пенсионное обеспечение (4 часa) (материнский капитал) Задание 1.docx

• Тест начат Пятница, 7 апреля 2023, 13 22Состояние ЗавершеноЗавершен Пятница, 7 апреля 2023, 13 46Прошловремени23 мин. 56 сек. Баллы.pdf

• Анализ воспитательной работы мбоу Бирюлинская средняя общеобразовательная школа За 2021 2022 учебный год.docx