При конструировании оросительной сети определяют: высотное положение элементов по отношению к поверхности земли, форму поперечного сечения каналов, наличие и материал покрытия, экрана или искусственного русла канала, материал труб.
Сечение в неглубокой выемке устраивают, когда не требуется командование уровня воды в канале над поверхностью земли. Такие условия бывают на холостых (транзитных, без раздачи воды) участках магистральных и межхозяйственных каналов и на открытой сети при поливе дождеванием. Сечение в полувыемке-полунасыпи устраивают для рабочей части оросительных каналов при поверхностном способе полива, требующем командования уровня воды в канале над поверхностью земли. Сечение в насыпи необходимо для создания командования канала на малоуклонных местностях и при пересечении каналом пологих понижений. Сечение в глубокой выемке характерно для головных участков магистральных каналов и при пересечении каналом небольших возвышенностей, холмов. Канал на косогоре применяют при поперечном уклоне местности. Для повышения устойчивости таких каналов требуется крепление низовой дамбы и перехват поверхностных вод с верхнего склона.
Форма поперечного сечения каналов в земляном русле может быть различной. Её выбирают из условий устойчивости русла, экономичности сечения, возможности механизированного строительства и ремонта. Наиболее распространено трапецеидальное сечение. Для крупных каналов применяют параболические и сложные сечения. В слоистых грунтах возможно полигональное сечение. Для временной сети иногда применяют треугольное сечение.
Каналы в земляном русле имеют наименьшую стоимость строительства, но у них есть существенные недостатки: неустойчивость русла, размывы дна и откосов, обрушения и оползания откосов, большие потери воды на фильтрацию в грунт. Поэтому экономически и экологически целесообразно применять на каналах защитные покрытия и экраны или искусственные русла. Покрытием, облицовкой, одеждой канала называют слой защитного материала, уложенного на дно и откосы канала. В зависимости от материала покрытия оно может укреплять русло, снижать фильтрацию воды из канала или выполнять сразу обе функции. Экраном называют слой непроницаемого материала, уложенного по периметру сечения под небольшим слоем грунта, защищающего экран. Экраны устраивают для снижения фильтрации воды из канала.
Крепление русла позволяет увеличить скорость течения воды и соответственно уменьшить площадь поперечного сечения канала; сделать откосы более крутыми, уменьшить ширину канала по верху и площадь отчуждений под канал. Для покрытий каналов чаще всего используют монолитный и сборный бетон и железобетон, синтетические пленки, реже – асфальт, асфальтобетон, битум, глинистые грунты, гравийные и щебеночные отсыпки, каменную наброску и мощение, бутовую и кирпичную кладку. Для экранов применяют глинистые грунты, синтетические пленки, асфальтовые и глинистые материалы.
Поперечное сечение облицованных и экранированных каналов выполняют в основном трапецеидальной формы по условиям производства работ. Выбор защитного материала для канала зависит от его стоимости, прочности, долговечности, степени и надежности защиты, наличия местных материалов.
Часто оказывается технически и экономически целесообразным применение лотков. Лотковые каналы применяют для уменьшения фильтрации воды из канала, на участках в насыпи, на скальных грунтах, на неустойчивых, просадочных, пучинистых грунтах, на косогорах, при повышенных скоростях воды в канале, для устройства быстротоков и акведуков.
Лотковые каналы представляют собой сборные железобетонные конструкции, состоящие из отдельных лотковых звеньев длиной 5...8 м, установленных на опорах. Достоинствами лотковой сети являются: малые потери воды, отсутствие размыва русла и зарастания его, возможность обеспечить командование, индустриальные методы строительства. Недостатками лотковых каналов являются трудности транспортирования лотков, их хрупкость, несовершенство стыков между лотками, отсутствие средств механизации для очистки каналов от наносов.
Трубчатую стационарную сеть устраивают из труб различных материалов: асбестоцементных, железобетонных, стальных, чугунных, пластмассовых. Выбор материала труб зависит от напора воды в сети, характера и режима работы трубопроводов, района строительства, грунтов, стоимости труб, сложности монтажа. Значения предельно допустимых давлений для разных труб приводятся в каталогах, справочниках. Так, асбестоцементные и пластмассовые трубы могут выдерживать давление до 1 МПа и применяются при напорах в сети до 100 м. При более высоких напорах применяют железобетонные (на давление до 2 МПа), стальные (до 2,4 МПа), чугунные (до 1,6 МПа). На просадочных, пучинистых и других неустойчивых грунтах, а также в районах сейсмической опасности применяют только металлические трубы.
По стоимости наиболее дешевы асбестоцементные и железобетонные трубы. Их широко применяют на оросительных системах. Все чаще используют железобетонные трубы со стальным сердечником и тонкостенные стальные трубы с различными антикоррозийными покрытиями. Пластмассовые трубы в наибольшей степени отвечают требованиям оросительных сетей, так как они прочны, долговечны, легки, не подвержены коррозии, имеют малые гидравлические сопротивления.
Глубина укладки трубы стационарной сети зависит от промерзания грунтов и сохранности труб при переездах техникой. Передвижную трубчатую сеть монтируют на поверхности земли из облегченных труб с быстроразборными соединениями. Материал гибких переносных труб – капрон, полиэтилен, прорезиненная ткань. Для жестких передвижных трубопроводов применяют асбестоцементные, алюминиевые, тонкостенные стальные трубы.
Размеры конструктивных элементов оросительной сети, скорости, напоры, уклоны определяют из условий обеспечения требуемой пропускной способности сети, командования на всех водовыпусках, устойчивости и надежности, соответствия параметрам строительных машин и механизмов, возможности автоматизации управления работой сети. Для проведения соответствующих расчетов необходимо определить величины расходов воды, подаваемых в каждый элемент сети. Эти расходы называют расходами брутто Qбр, они учитывают как потребности орошаемых сельскохозяйственных культур в воде (расход нетто Qнт), так и потери воды в процессе ее подачи по сети Qпот:
Qбр = Qнт + Qпот
Основой для определения расходов нетто оросительной сети при поверхностном способе полива является график гидромодуля, построенный в результате разработки режима орошения сельскохозяйственных культур. По максимальной и минимальной ординатам графика гидромодуля определяют максимальный и минимальный расходы нетто в канале, обслуживающем орошаемый участок, для которого составлен график гидромодуля.
На крупных каналах кроме орошения могут быть и другие потребители воды, тогда соответственно учитывают подаваемые им расходы воды. Перечисленные выше каналы и более старшие распределители постоянно действуют в течение поливного сезона. Младшие каналы и трубопроводы обычно работают периодически в соответствии с графиком поливов отдельных полей. Расходы старших каналов распределяют на младшие каналы так, чтобы соблюдались сроки и продолжительность поливов, обеспечивалась работа поливной техники, выполнялись технологии поливов, допускались своевременные послеполивные обработки почвы и сельскохозяйственные работы.
При поливе дождеванием расход нетто на севооборотный участок определяют по числу одновременно работающих дождевальных машин. Расходы воды в распределительном трубопроводе, подающем воду к полям, обычно изменяют по участкам трубопровода и определяют для случая неблагоприятного расположения машин на участке. Расходы воды в поливных трубопроводах, проходящих по полям, из экономических соображений обычно принимают минимально возможными.
Потери воды из оросительной сети происходят на испарение, фильтрацию в грунт и различные эксплуатационные утечки. Потери на испарение и утечки составляют 4...8 % суммарных потерь, что находится в пределах точности определения потерь и обычно не учитывается. В трубопроводах нет потерь воды на испарение и фильтрацию, поэтому для трубчатой сети принимают запас (1...3 %) на случайные утечки.
В каналах основной объем потерь воды идет на фильтрацию в грунт через дно и откосы канала. Величина фильтрационных потерь зависит от водопроницаемости грунта, размеров и формы поперечного сечения канала, расхода воды в нем, глубины уровня грунтовых вод или водоупора под каналом. Расчетные формулы для определения фильтрационных потерь на единицу длины канала приведены в справочной литературе.
Потери оросительной воды снижают эффективность использования водных ресурсов. Степень полезного использования воды оценивают коэффициентом полезного действия оросительной сети (КПД):
η = Qнт/Qбр,
В Qбр должны быть учтены потери воды во всех одновременно действующих элементах сети.
Для отдельных элементов сети КПД составляет: для временных оросителей 0,95...0,96; для выводных борозд и передвижных трубопроводов 1,0; для стационарных трубопроводов 0,98...0,99; для младших внутрихозяйственных (участковых) каналов в бетонированном русле 0,97...0,98; в земляном русле 0,90...0,92; для лотковых каналов на 1 км длины 0,98...0,99. Для оросительной сети, состоящей из элементов разного порядка, КПД равен произведению КПД составляющих элементов.
В зависимости от протяженности для открытой сети с противофильтрационными мероприятиями ориентировочно КПД = 0,80...0,85, для трубчатой сети – 0,96...0,97.
Размеры поперечных сечений элементов оросительной сети определяют гидравлическим расчетом, для чего необходимы: расходы воды, уклоны каналов, отметки поверхности воды в них для обеспечения командования, требуемые напоры на водовыпусках из трубчатой сети, заложение откосов каналов, коэффициенты шероховатости русел и труб.
Для постоянно действующих каналов в земляном и облицованном руслах расчетными расходами воды являются нормальные, форсированные и минимальные. Нормальным называют максимальный расход брутто в начале рассчитываемого канала или участка, полученный исходя из максимальной ординаты графика гидромодуля. По нормальному расходу определяют размеры поперечного сечения, проверяют скорости воды, проектируют вертикальное сопряжение элементов сети.
Форсированный расход равен Qфорс = Qнорм Кфорс, где Кфорс – коэффициент форсирования (запаса), определяемый нормативами. По форсированному уровню воды в канале назначают высоту дамбы или глубину каналов.
Минимальным считают расход брутто, полученный расчетом по минимальной ординате графика гидромодуля. По минимальному расходу проверяют условия командования канала на водовыпусках в младшие каналы, при необходимости размещают подпорные сооружения.
Для каналов периодического действия расчетными являются нормальные расходы, для всех лотковых каналов - форсированные, для трубопроводов – нормальные.
Расчетные геодезические уклоны для каналов определяют по линии нормального уровня воды в канале. Эту линию проектируют на продольном профиле канала из условия командования на водовыпусках. Превышение уровня воды в старшем канале над уровнем воды в голове младшего канала должно быть не менее величины потерь напора в водовыпуске.
На водовыпусках из трубчатой сети в открытую регулирующую сеть достаточны свободные напоры 0,3...0,5 м. При поливе дождеванием на гидрантах-водовыпусках требуются напоры, соответствующие техническим характеристикам дождевальных устройств.
Заложение откосов каналов зависит от угла естественного откоса грунтов или прочности покрытия канала и определяется по справочникам, нормативам или специальными расчетами. Коэффициент шероховатости влияет на скорости движения воды и потери напора. Он зависит от материала и состояния русла канала или трубопровода, его значения приведены в справочниках.
Гидравлические расчеты каналов и трубопроводов проводят по формулам равномерного установившегося движения воды. Скорости течения воды в каналах и трубопроводах должны быть в допустимых пределах: vмин<v<vмакс. Минимальный предел скорости установлен для предотвращения процессов зарастания и заиления. По условию зарастания русел каналов vмин = 0,3 м/с. Предел скорости по условию заиления зависит от крупности наносов, содержащихся в воде. Для определения скорости начала осаждения наносов сравнивают мутность воды (содержание наносов в единице объема воды) и транспортирующую способность потока (количество наносов в единице объема воды, которое может транспортировать поток без их осаждения). Транспортирующую способность потоков определяют по формулам, приведенным в справочниках. Для каналов минимальная скорость бывает порядка 0,3...0,5 м/с. Для трубопроводов обычно принимается vмин = 0,8 м/с.
Максимальную допустимую скорость в земляных руслах принимают по условию неразмываемости грунта. Для различных грунтов эти скорости приведены в справочниках. В облицованных и лотковых каналах максимальная скорость воды ограничена условием спокойного течения на поворотах и водовыпусках, обычно vмакс = 6 м/с.
В трубопроводах максимальная скорость ограничена опасностью гидравлического удара и допустимой величиной потерь напора в трубчатой сети. Для обеспечения требуемых напоров на водовыпусках определяют необходимый напор в начале сети
H = Hсв + Hгеод + hпот,
где Hсв – свободный напор на расчетном гидранте-водовыпуске; Hгеод – геодезическое превышение, т. е. высота подъема воды от уровня или напора в начале сети до отметки земли у расчетного водовыпуска; hпот – сумма потерь напора по длине и местных от начала сети до расчетного водовыпуска.
Необходимые напоры в сети могут образоваться за счет понижения местности по трассам трубопроводов, т. е. когда Hгеод < 0. Такие трубчатые сети или отдельные трубопроводы называются самонапорными. В противном случае нужна насосная станция.
Изменением диаметров труб на участках трубчатой сети в пределах допустимых скоростей можно изменять hпот и напор H в начале сети. Например, при больших уклонах местности и запасах по напорам в самонапорной сети могут быть уменьшены диаметры труб и снижена стоимость сети. В системах с механическим подъемом воды (с насосной станцией) некоторое увеличение диаметров (повышение капиталовложений) позволяет снизить напор и мощность насосной станции и соответственно затраты энергии на подачу воды.
На отдельных участках крупных каналов скорости рассчитывают при неравномерном режиме работы канала, создаваемом работой гидротехнических сооружений (подпоры и спады уровней). Трубчатую сеть проверяют на опасность возникновения гидравлического удара, в результате чего могут быть выбраны противоударные устройства или более прочный материал труб.
В период эксплуатации оросительной сети при нарушениях проектных условий или недостаточно детальном учете условий при проектировании возможны нарушения формы и размеров поперечных сечений каналов, называемые деформациями. Наиболее часто различные деформации происходят на каналах в земляном русле: заиление, зарастание, размыв, оползание и обрушение откосов, просадочные явления.
Заиление возможно при малых скоростях и большой мутности воды. Если при проектировании канала нет возможности обеспечить достаточные уклоны и скорости, то в период эксплуатации приходится выполнять большие объемы работ по очистке каналов от наносов. Возможно также понижение мутности воды путем устройства в начале оросительной сети бассейна-отстойника или перехвата наносов в конструкции головного водозаборного сооружения.
При зарастании дна и откосов канала в период эксплуатации необходимо косить или сжигать (что нежелательно) растительность, применять ядохимикаты (что тоже нежелательно), разводить травоядные виды рыб. Последний способ приносит двойную пользу, но требует изменения режима работы канала. Предотвращает зарастание каналов применение покрытий и экранов, при устройстве которых основание обрабатывается гербицидами.
Размывы русла можно предотвратить, если при проектировании уменьшить уклоны (путем устройства перепадов, быстротоков) или предусмотреть облицовку канала, возможно также и повышение шероховатости русла.
Обрушения и оползания откосов происходят из-за нарушения угла естественного откоса грунта, из-за неоднородности грунтов по трассе каналов. Для предотвращения таких деформаций устраивают более пологие откосы, что увеличивает ширину канала по верху, или крепят откосы. Просадки грунтов проявляются в виде неравномерных осадок и трещин при увлажнении лессовых грунтов. При строительстве каналов и сооружений на лессовых грунтах нужны надежные противофильтрационные меры, предварительное замачивание грунта перед строительством, замена лессового грунта на устойчивый, изменение размеров сечений и сооружений с учетом будущих просадок.
При выборе конструкций и расчетах каналов большое внимание уделяют снижению фильтрационных потерь из каналов, повышению их КПД. Выше говорилось об отрицательных последствиях таких потерь: излишние затраты воды, увеличение подаваемых расходов и размеров поперечных сечений каналов и сооружений, опасность подъема уровня грунтовых вод, заболачивания и засоления земель. Снизить фильтрационные потери из каналов можно уменьшением водопроницаемости грунтов путем их уплотнения, кольматации, химической обработки, пропитывания битумом и др. Против фильтрации широко применяют облицовки и экраны, замену каналов в земляном русле на лотковые или на трубопроводы при реконструкции. При эксплуатации оросительной сети снижению потерь воды способствует четкое соблюдение планов водоподачи.