Осушение земель при грунтовом водном питании производится в основном путем понижения уровня грунтовых вод. По сплошности и равномерности потока грунтовые воды можно разделить на сплошные потоки и жильные, характеризующиеся неравномерным распределением фунтового потока. Последние чаще встречаются на торфяных и слоистых минеральных почвах. 

Скорость движения грунтовых вод v, м/сут, описывается уравнением (законом) Дарси:

где  k — коэффициент фильтрации, м/сут; I — пьезометрический уклон.

Пьезометрический уклон определяют по отношению

где Δh — разница напора в двух точках, м; l — расстояние между этими точками, м.

Если естественного дренирования почв на территории объекта недостаточно, то применяют искусственное понижение уровня грунтовых вод с помощью дренажа. Согласно современным теоретическим представлениям грунтовая вода поступает в дрену по всему смоченному периметру, образуя линии тока, перпендикулярные поверхности равного напора (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Гидродинамическая схема притока воды к несовершенной (лежащей выше водоупора) дрене: 1 — линии тока; 2 — линии равного напора

Основной причиной движения воды в сторону дрены является разность напоров грунтовых вод в дрене и прилегающей грунтовой области фильтрации. Разность напоров грунтовых вод создается в результате различного сопротивления движению воды в дрене (малое сопротивление) и грунте (во много раз больше). Возникающий при этом градиент напора (гидравлический уклон) и является энергетической причиной движения грунтового потока к дрене. В соответствии с этим проектируется дрена горизонтального дренажа (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Поперечный разрез типичной постоянной дрены горизонтального дренажа: 1 — растительная земля; 2 — засыпка из крупного или среднего песка; 3 — фильтр-сепаратор из геоткани; 4 — объемный фильтр из щебня твердых пород;  5 — гофрированная перфорированная дрена из ПНД, ПВХ; 6 — префильтр дрены из геоткани; 7 — слой щебня донного фильтра; 8 — слой песка донного фильтра

Коэффициент фильтрации минеральных почв зависит от гранулометрического состава, особенностей сложения почв. В торфах эта зависимость определяется изменением плотности торфа в процессе осадки после осушения. По данным исследований на низинных болотах после осушения коэффициент фильтрации уменьшается в 2 — 3 и более раз.

Водоотдачу почв и грунтов оценивают коэффициентом водоотдачи δ, который равен отношению объема вытекшей воды V₀ к объему осушенной толщи почвы Vт:

При повышении уровня грунтовых вод значение коэффициента водоотдачи характеризует недостаток насыщения почвы, расположенной выше поверхности грунтовых вод. Процесс водоотдачи очень сложный и длительный.

Коэффициент водоотдачи различен в различных грунтах:

Торф ………………. 0,07...0,15
Суглинок …………. 0,005... 0,05
Супесь …………….. 0,05... 0,10
Песок:
мелкозернистый …. 0,10...0,15
среднезернистый …    0,15... 0,20
крупнозернистый … 0,20... 0,25

При использовании систематического дренажа и равномерном расположении дрен осушающее действие дренажа зависит при прочих равных условиях от типа водного питания, глубины заложения дрен и расстояний между ними (рис. 3.15). При этом минимальная глубина заложения дрен должна быть больше нормы осушения, зависящей от типа почв и вида растений.

Рис. 3.15. Схема осушительной сети при грунтово-напорном типе питания: а — перехват и понижение напорных вод ловчим каналом (дреной) и глубокими дренами; б — перехват и понижение напорных вод ловчим каналом (дреной) и глубокими дренами, а также ускорение отвода поверхностных вод закрытыми собирателями; 1 — водоупор; 2 — водоносный пласт; 3 — магистральный канал (река); 4 — слабопроницаемый грунт; 5 — пьезометрический уровень до осушения; 6 — пьезометрический уровень после осушения; 7 — глубокая дрена; 8 — ловчий канал; 9 — закрытые собиратели

Рекомендуемую минимальную глубину заложения дрен bmin определяют по уравнению

где amax — максимальная норма осушения, м; Hmin — минимальный подъем середины кривой депрессии над уровнем воды в дренах, м; h₀ — расстояние от дна дрен до поверхности воды в дренах, м.

Минимальную глубину заложения дрен в минеральных почвах принимают, как правило, равной 1... 1,2 м, а в торфах (ввиду их осадки со временем) — 1,2... 1,4 м.

Приток грунтовых вод к дрене может происходить в различных условиях по-разному. Существует три схемы притока грунтовых вод к дрене:

• при близком залегании водоупора;
• при глубоком залегании водоупора;
• при промежуточном залегании водоупора.

При близком залегании водоупора траншея для укладки дрены прорезает весь водоносный горизонт до водоупора. В этом случае поверхности равных напоров можно принять плоскими, а площадь сечения — равной произведению текущей ординаты на единицу длины дрены.

При глубоком залегании водоупора приток воды в дрену подразделяется на две составляющие:

• приток из области, находящейся ниже уровня заложения дрены;
• приток из области, находящейся выше уровня заложения дрена.

Приток из области, находящейся ниже уровня заложения дрены, можно определить, принимая линии равного напора близкими к окружности.

При промежуточном залегании водоупора и возрастании мощности водоносного пласта степень совершенства дрены (в результате ее последовательного возвышения над водоупором) убывает. Для этого случая предложено учитывать несовершенство дрены по степени вскрытия водоносного пласта введением специальной поправки:
 

где Вд — расстояние между дренами, м; В₀ — предварительное расстояние между дренами, м; Hв — расстояние от уровня воды в дрене до водоупора, м; N — поправка на несовершенство дрен по вскрытию пласта, равная 2,941 g2Hв/πd (d — диаметр дрены, м).

Предварительное расстояние между дренами Во, м, определяют по формуле

где qд — модуль дренажного стока или интенсивность инфильтрационного питания, м3/с, га; Hп — глубина от водоупора до поверхности грунтовых вод, м.

Исходя из этих теоретических представлений предложено много расчетных формул, но рекомендуется пользоваться формулами, приведенными в действующих нормативах. Для расчета по этим формулам необходимо руководствоваться расчетной схемой, на которой показаны основные параметры почвенно-грунтового профиля, заложение дрен и норма осушения (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Расчетная схема для определения междренного расстояния: dd — расстояние от поверхности земли до оси дрены; hd — расстояние от оси дрены до водоупора; h1...h3 — мощность почвенно-грунтового горизонта; k1...k3 — коэффициент фильтрации соответствующего почвенно-грунтового горизонта; Jnd— норма осушения; ad — расстояние между дренами

Рассмотрим различные случаи проведения фильтрационных расчетов.

1. Фильтрационные расчеты горизонтального дренажа в однородных грунтах при атмосферном и грунтовом водном питании следует проводить по следующим формулам:

где hd — расстояние от оси дрены до водоупора, м; ad — расстояние между дренами, м; Lʄ— общие фильтрационные сопротивления по степени и характеру вскрытия пласта, м; Н — расчетный напор, м; Тп — проводимость пласта, м2/сут; qи — интенсивность инфильтрационного питания (средний за расчетный период приток к закрытым дренам, каналам), м/сут; kʄ — коэффициент фильтрации грунта, м/сут; D — наружный диаметр дрены, м; Li — фильтрационные сопротивления по характеру вскрытия пласта, м.

При использовании формул (3.1) и (3.2) не известна величина hd, т.е. расстояние от оси дрены до водоупора. Эту величину можно получить непосредственно «в поле» при проведении бурения или шурфования. Для определения первоначального расстояния между дренами можно воспользоваться местными данными.

Общие фильтрационные сопротивления определяются по формуле 

где h₀ — это половина расчетного напора, м (h₀ = 0,5Н).

Расчетный напор следует определять по формуле 

где dd — глубина до оси дрены, м; Jnd — норма осушения, м.

Проводимость пласта Тп, м2/сут, определяют по формуле

Интенсивность инфильтрационного питания определяется на основании региональных данных или находится по формуле

 где W — количество (слой) воды, подлежащей отводу, м; tн — время понижения уровня грунтовых вод до нормы осушения, сут. 

Количество (слой) воды, подлежащей отводу, определяется по формуле 

где hs — слой воды, оставшейся на поверхности после схода весенних или ливневых вод (с учетом мероприятий по организации поверхностного стока hs следует принимать 0,01 м); Р₀ — количество осадков, выпавших за расчетный период, м, принимаются для пашни, пастбищ и объектов ландшафтной архитектуры 10%-й и сенокосов 25%-й вероятности превышения; Е — суточный слой испарения за расчетный период в год 10%-й вероятности превышения для пашни, пастбищ и объектов ландшафтной архитектуры и 25%-й для сенокосов.

Значения фильтрационных сопротивлений по характеру вскрытия пласта Li, в зависимости от конструкции дрен:

Керамические трубы без фильтра	8
Керамические трубы без фильтра с оберткой стыков рулонными защитно-фильтрующими материалами	3
Керамические трубы без фильтра со сплошной оберткой	1
Гофрированные пластмассовые трубы без фильтра	4
Гофрированные пластмассовые трубы с оберткой рулонными защитно-фильтрующими материалами	0,5
Гофрированные пластмассовые трубы с устройством объемных фильтров толщиной 20 см и более	0

Примечание. Если коэффициент водоотдачи не был определен при изысканиях, то его величину можно принять по разработанным рекомендациям или рассчитать по формулам:

для минеральных почв —

для торфяных почв —

Для расчета расстояний между открытыми каналами следует принимать D = 0,53χ, где χ — смоченный периметр канала, Li = 0, величины H, dd и hd необходимо отсчитывать от уровня воды в канале.

2. Расчет расстояний между дренами при подпочвенном увлажнении следует определять по формуле (3.1). При этом 

где Н₀ — напор воды в дрене, м; h1 — расстояние от оси дрены до уровня грунтовых вод перед увлажнением в середине между дренами, м; h2 — расстояние от оси дрены до уровня грунтовых вод после увлажнения; ty — время увлажнения, сут; Е — суточный слой испарения за расчетный период в год расчетной вероятности превышения, м/сут; Рс — среднесуточное количество осадков за расчетный период в год расчетной вероятности превышения, м/сут. 

Таблица 3.3. Значения коэффициента поверхностного стока

Водопроницаемость грунтов	Коэффициент поверхностного стока при
	коэффициенте фильтрации, м/сут	уклоне водосборной площади
		слабом (менее 0,01)	среднем (0,01-0,05)	большом (более 0,05)
Хорошая	2,0	0,1 ...0,2	0,15...0,25	0,2...0,3
Средняя	1,0	0,15...0,25	0,2...0,3	0,25...0,4
Ниже средней	0,5	0,2... 0,3	0,25...0,45	0,35...0,6
Слабая	0,1	0,25...0,4	0,3... 0,6	0,5...0,75
Мерзлый грунт	—	0,3...0,6	0,4...0,75	0,8...0,95

3. Расстояния между открытыми каналами при их расчете на отвод поверхностного стока следует определять по формуле 

где i — уклон поверхности; n — коэффициент шероховатости поверхности (принимается по опытным данным, а при их отсутствии равный: для борозд вдоль уклона на вспаханной поверхности — 0,05; для ровной укатанной поверхности — 0,08; для вспаханной поперек уклона поверхности без борозд — 0,12; для поверхности с высоким травостоем — 2,3); σр — расчетный коэффициент поверхностного стока (при отсутствии данных принимается по табл. 3.3); h — слой осадков, мм, выпавших за время t₀, ч; t₀ — время выпадения осадков, ч; tп — время отвода поверхностных вод, ч.

Расчет междренных расстояний по формулам требует, как правило, достаточно точного определения исходных данных во время почвенно-мелиоративных исследований или изысканий. Если объект по своим размерам невелик, то очень часто такие изыскания просто не проводятся. В этом случае, в соответствии с отечественной и зарубежной практикой, может использоваться метод определения междренных расстояний по гранулометрическому составу минеральных почв. Чем тяжелее почва, тем меньше ее водопроницаемость и тем меньшими должны быть междренные расстояния. Используя прямые наблюдения за действием дренажных систем и физико-механическими свойствами осушаемых почв, удалось установить графическую связь между междренными расстояниями, оказывающими оптимальное влияние на водный режим, и их гранулометрическим составом*** (Полученную графическую зависимость можно назвать графиком Ф.Р. Зайдельмана, предназначенным для определения междренных расстояний при осушении минеральных почв под пашню) (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Номограмма для определения расстояний между дренами при осушении минеральных почв под пашню (по Ф.Р.Зайдельману)

Приближенно определить расстояния между дренами на минеральных и торфяных почвах на основе обработки, главным образом, отечественных полевых и литературных материалов для применения на объектах ландшафтной архитектуры можно также при помощи формулы (3.3) и табл. 3.4 и 3.5. Сопоставление данных по графику, представленному на рис. 3.17, указывает на незначительные расхождения без учета темпов понижения уровня грунтовых вод. Последняя поправка (формула (3.3)) оценивается как существенная именно в условиях территорий, отводимых под объекты ландшафтной архитектуры. Поправочный коэффициент на время достижения нормы осушения 

где tн — время понижения уровня грунтовых вод до нормы, сут.

Таблица 3.4. Рекомендуемые расстояния между дренами

Название почвы по гранулометрическому составу (по Н. А. Качинскому)	Содержание физической глины (частиц размером менее 0,01 мм), %		Глубина дренажной траншеи, м	Расстояние между дренами, м
	Интервал	Среднее значение
Глина тяжелая	Более 80	75	0,8... 1,0	7... 10
Глина средняя	65...80			10... 12
Глина легкая	50...65			12...14
Суглинок тяжелый	40...50	45	0,9... 1,1	14...16
Суглинок средний	30...40	35		16...19
Суглинок легкий	20...30	25	1,0... 1,2	19...22
Супесь	10...20	15		22...25
Песок связный	5...10	5	0,8...1,0	25...30
Песок рыхлый	0...5
Торф низинный	—	—	1,0... 1,3	30...40
			0,8... 1,0
Торф переходный	—	—	1,0... 1,3	25...35
			0,8... 1,0
Торф верховой	—	—	1.2... 1.4	20...30
			0,8... 1,0

Примечания: 

1. При проектировании дренажа для посадки деревьев с глубокой корневой системой глубина дренажных траншей принимается на 0,2...0,3 м больше расчетной глубины проникновения корней.
2. Приведенные показатели рассчитаны на применение в условиях Московской области и ближайшего Подмосковья.
3. Почвенные показатели характерны для почв подзолистого типа почвообразования.
4. Для торфяных почв указаны два значения глубины траншеи (в числителе — до осадки торфа; в знаменателе — после).

Таблица 3.5. Поправочные коэффициенты на расстояние между дренами

Глубина дренажной траншеи, м	Коэффициенты при преобладании почв
	глинистых	легких суглинков и супесей	песков	низинных торфов
0,4	0,46	0,53	0,58	0,40
0,6	0,65	0,70	0,76	0,55
0,8	0,84	0,87	0,90	0,78
1,0	1,00	1,00	1,00	1,00
1,2	1,09	1,14	1,17	1,14
1,4	1,16	1,26	1,32	1,23
1,6	1,22	1,37	1,46	1,26

Пример. Определить расстояние между дренами в условиях Московской области. Почвы среднесуглинистые, глубина траншей под дрены — 0,7 м, время понижения уровня грунтовых вод — 5 сут.

Среднее расстояние между дренами — 17,5 м; поправка на глубину траншей (по интерполяции) — 0,78. Определяем поправку на время понижения грунтовых вод:

Определяем расчетное расстояние: а = 17,5 х 0,78 х 0,708 = 9,66 ≈ 10 м.

 

Источник: Строительство и эксплуатация объектов ландшафтной архитектуры. Теодоронский В.С.