Анотація до роботи:

Чернишевська Л.Ю. Оптимізація водоощадливих конструкцій каналів зрошувальних систем з урахуванням грунтової основи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 06.01.02 – сільськогосподарські меліорації (технічні науки). – Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2006 р.

У дисертації розроблено наукові основи оптимізації водоощадливих конструкцій каналів при проектуванні, будівництві, експлуатації зрошувальних систем у різних грунтових умовах, які забезпечують мінімізацію фільтраційних утрат і впливу на еколого-меліоративний стан масивів зрошення.

Проведено системні дослідження роботи облицювання спільно з їх грунтовими основами в процесі будівництва, експлуатації каналів з різними конструкціями облицювання на зрошувальних системах півдня України і Поволжя.

На основі багаторічних досліджень визначено фільтраційні втрати, коефіцієнти фільтрації і протифільтраційну ефективність, фільтраційні опори сучасних конструкцій облицювань.

У результаті досліджень розроблено технічні вимоги до підготовки грунтової основи каналів, у тому числі із нетрадиційних для гідротехнічного будівництва грунтів, таких як вивітрілі вапняки.

Розроблено заходи щодо мінімізації фільтраційних утрат із каналів різного порядку при про-ектуванні та будівництві нових і після довготривалої експлуатації існуючих зрошувальних систем.

Оптимальні конструкції облицювань в складних грунтових умовах, методи їх розрахунку, технологія будівництва дамб каналів із вапняків впроваджено при проектуванні, будівництві і експлуатації каналів загальною довжиною 500 км на зрошувальних системах України і Росії, що дало значний економічний і екологічний ефект.

У рамках виконання дисертаційної роботи проведено комплекс теоретичних, лабораторних і натурних досліджень, спрямованих на оптимізацію конструкцій каналів, які залежно від грунтових умов, забезпечують мінімальні фільтраційні втрати і не погіршують еколого-меліоративний стан довкілля. Комплексний підхід до роботи каналів показав, що при довготривалій експлуатації необхідно враховувати дію грунтової основи на облицювання і розглядати спільну роботу облицювання і грунтової основи. Сформульовано основні принципи оптимальності і обгрунтовано оптимальні конструкції каналів залежно від грунтової основи, які мають мінімальні фільтраційні втрати і спрямовані на забезпечення екологічної безпеки довкілля.

1. Оптимальна водоощадлива конструкція каналів – конструкція, яка найбільше відповідає визначеним умовам та вимогам для забезпечення найменших фільтраційних утрат і збереження екологічної безпеки довкілля. Застосування оптимальних конструкцій сприяє економії ресурсів (води, землі, будівельних і паливно-мастильних матеріалів тощо), збереженню навколишнього середовища, включаючи запобігання зрошуваних земель від підтоплення, заболочування і засолення. Для оптимізації водоощадливих конструкцій каналів з урахуванням грунтової основи у дисертації розроблено нові критерії оптимальності, а саме: коефіцієнт протифільтраційної ефективності ПФО, який дає можливість порівняти протифільтраційну ефективність різних конструкцій з урахуванням грунтової основи; фільтраційні опори конструкцій облицювань, які враховують протифільтраційний ефект конструкції; показник екологічної безпеки каналів, який характеризується гранично допустимими значеннями фільтраційних утрат і коефіцієнтів фільтрації, за яких рівні грунтових вод не піднімаються вище критичних; оптимальні параметри ущільнення грунтової основи (будівельні щільність і вологість ґрунту), які забезпечують найкращий напружено-деформаційний стан системи “облицювання – ґрунтова основа”.

У дисертації оптимізація конструкцій виконана шляхом. досліджень у натурних умовах, з використанням фізичних моделей в лабораторних умовах, математичного моделювання процесів, аналітичними рішеннями. При проведенні лабораторних і натурних досліджень застосовано статистичний підхід до планування експерименту, що дало змогу істотно зменшити кількість проведення багатофакторних дослідів і отримати розрахункові залежності, які адекватно описують досліджувані процеси.

2. Системні тридцятип’ятирічні дослідження роботи каналів на багатьох зрошувальних системах півдня України і Поволжя, проведені автором починаючи з їхнього будівництва, першого дня заповнення водою і протягом довготривалої експлуатації, показали, що ПФЕО залежить від взаємодії облицювань з грунтовою основою. Аналіз конструктивних рішень каналів сучасних зрошувальних систем показав, що в багатьох випадках при проектуванні не враховано спільну роботу облицювань і грунтової основи. Це призвело до невиправдано широкого застосування збірних конструкцій ПФО із залізобетонних плит, які, як показали проведені нами дослідження, мають великі фільтраційні втрати. Із багатьох каналів фільтруються значні об’єми води. Тому найінтенсивніше проходить підтоплення територій в зонах впливів водосховищ та каналів. При цьому часто робота протифільтраційних облицювань виявляється незадовільною: незадовільний технічний стан, деякі канали мають нераціональну конструкцію облицювання без урахування грунтових умов або відпрацювали нормативний термін експлуатації, приблизно 15% (а це десятки тисяч кілометрів) постійних каналів (в тому числі і великих магістральних) не мають облицювання, проходять в земляному руслі, що призводить до великих фільтраційних утрат (20–40% водозабору) і погіршення еколого-меліоративного стану довкілля, спричиняючи підняття рівнів грунтових вод, і додаткових витрат електроенергії на подачу непродуктивних утрат води на фільтрацію. Тому такі канали потребують реконструкції та модернізації з урахуванням роботи системи “облицювання – ґрунтова основа” і застосування оптимальних водоощадливих конструкцій каналів залежно від грунтової основи.

У дисертації розроблено рекомендації по обгрунтуванню при проектуванні, будівництві, експлуатації, реконструкції, модернізації зрошувальних систем оптимальних водоощадливих конструкцій каналів, застосування яких забезпечує мінімальні фільтраційні втрати та екологічну безпеку навколишнього природного середовища для різних грунтових і гідрогеологічних умов.

3. Коефіцієнт корисної дії каналів є недостатнім критерієм для оцінки ефективності роботи каналів, оскільки він не враховує вплив фільтраційних утрат на еколого-меліоративний стан зрошуваних земель. У зв’язку з цим запропоновано ввести до числа показників технічного рівня зрошувальних систем додатковий показник екологічної безпеки каналів, який характеризується гранично допустимими величинами фільтраційних утрат, які не спричинюють підняття грунтових вод вище критичного рівня.

4. На величину фільтраційних утрат впливають: 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 системи “облицювання – грунтова основа”, глибина води в каналі, ширина каналу, гідрогеологічні умови. Установлено, що найбільші питомі фільтраційні втрати мають місце в необлицьованих каналах, що працюють в умовах першої стадії фільтрації, періодично за-повнюються водою, мають невеликі розміри, тобто в тимчасових зрошувачах, вивідних борознах.

5. Отримано аналітичні залежності для визначення фільтраційних утрат води в умовах вільної фільтрації із каналів періодичного і постійного функціонування залежно від водно-фізичних властивостей грунтів: початкової вологості, повної вологоємкості, зв’язаної вологості, пористості, щільності, коефіцієнта дифузії, коефіцієнтів фільтрації, коефіцієнта капілярної водопровідності. Теоретичні залежності апробовано в лабораторних умовах на фільтраційному лотоці і в натурних умовах на каналах зрошувальних систем півдня України і Поволжя, що підтвердило адекватність теоретичних залежностей експериментальним даним.

Отримано аналітичні залежності між водопоглинальною здатністю грунту, відстанню між борознами, розмірами контуру зволоження, тривалістю поливу, раціональний режим подачі води в борозни, що забезпечує кореневу систему сільськогосподарських рослин водою на потрібній глибині і виключає непродуктивні фільтраційні втрати води в глибинні шари грунту, які визна-чаються водно-фізичними властивостями грунтів і глибиною розвитку кореневої системи рослин.

6. Протифільтраційні облицювання каналів працюють спільно з їхньою грунтовою основою і ПФЕО залежить від водно-фізичних властивостей грунтової основи, насамперед від W_о і r_о при будівництві. Під впливом зміни циклів водно-температурного режиму системи “облицювання – грунтова основа” щільність грунтової основи змінюється, що призводить до деформації, тріщиноутворення, руйнування ПФО і зменшення ПФЕО.

У процесі експлуатації каналів в облицюваннях утворюються косі, поперечні і повздовжні тріщини з розкриттям від 0,5 мм до 10 мм. Останніх найбільша кількість. Монолітне бетоноплівкове облицювання має меншу тріщинуватість, ніж монолітне без плівки. Облицювання із плит НПК мають меншу тріщинуватість, ніж монолітний бетон.

Досліджено, що під впливом набухання нерівномірність деформацій між дном і верхньою частиною укосу в поперечних перерізах каналів півдня України досягає 50 мм, а від морозного випинання – до 60 мм, що спричинює розвиток повздовжніх тріщин у бетонному облицюванні.

7. Для запобігання тріщиноутворення в монолітному бетонному облицюванні на укосах каналів вище нормального рівня вод в каналах на висоту капілярного підняття потрібно влаштовувати повздовжні деформаційні шви.

Оптимальними конструкціями облицювання в складних грунтових умовах на набухаючих і випинаючих грунтах є такі, при яких забезпечується: оптимальна щільність і вологість грунтової основи при будівництві; обмеження зволоження грунтової основи в процесі експлуатації за допомогою полімерних плівок; захист від морозного випинання грунту морозозахисними і теплоізоляційними шарами із матеріалів з низькими коефіцієнтами теплопровідності.

8. Слабкі вивітрілі вапняки можна застосовувати для будівництва дамб каналів зрошувальних систем. Доведено, що із вапняків можна одержати монолітний насип з низькими коефіцієнтами фільтрації. Для будівництва дамб каналів із слабких вивітрілих вапняків визначено технологічні оптимальні параметри (товщина шару грунту, будівельні вологість і щільність, комплекти механізмів, кількість проходів ущільнюючих механізмів по одному сліду), які забезпечують монолітність дамб із вивітрілих вапняків з r_d =1,85–1,92 г/см³ і К_ф=0,01–0,06 м/доб. Розроблено технічні вимоги на будівництво дамб каналів, у тому числі із місцевих грунтів.

9. Найменші фільтраційні втрати має монолітне бетоноплівкове облицювання
(q = 0,002–0,003 м³/доб з 1 м² поверхні каналу).

Збірне облицювання із плит НПК за сучасної технології будівництва не є ефективним протифільтраційним облицюванням – фільтраційні втрати дорівнюють q = 0,021 м³/доб з 1 м² каналу. Досліджено причини низької протифільтраційної ефективності і запропоновано заходи щодо підвищення ПФЕО цієї конструкції.

10. Мінімізація фільтраційних утрат із каналів при проектуванні, будівництві і реконструкції після тривалої експлуатації зрошувальних систем здійснюється шляхом обгрунтування оптимальних водоощадливих конструкцій каналів, які забезпечують нормативний коефіцієнт корисної дії і екологічну безпеку каналів залежно від різних грунтових умов.

Результати роботи, які включають теоретичні розрахунки фільтрації із каналів, обгрунтування оптимальних конструкцій ПФО в складних грунтових і гідрогеологічних умовах, обгрунтування ефективності комплексів “РАХКО”, “АЛЬКОНС”, обгрунтування режиму заповнення каналів, технологію будівництва дамб каналів із місцевих матеріалів, одержані величини фільтраційних утрат і ПФЕО впроваджено при проектуванні, будівництві і експлуатації МК, Р-5, Р-5-1, Р-7, Р-8, Р-8-1, Р-9 КЗС; розподільних каналів КЗОС, ІІ–ІV черг ПКК, Перекопського каналу загальною довжиною 500 км.

Тридцятип’ятирічна експлуатація каналів зрошувальних систем півдня України і Росії підтвердила правильність ідей, наукових положень, методик, розроблених автором в дисертації, основаних на тому, що ПФЕО каналів залежить від роботи системи “облицювання – ґрунтова основа”. Канали, оптимальні конструкції яких запроектовано і побудовано за рекомендаціями автора, після довготривалої експлуатації мають хороший технічний стан, мінімальні фільтраційні втрати і не погіршують екологію довкілля.

Список основних опублікованих наукових

праць за темою дисертації

Статті у наукових фахових виданнях

1. Беляшевский Н.Н., Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е. Изучение физико-механических свойств грунтов основания оросительных каналов при устройстве противофильтрационных облицовок из монолитного бетона применительно к условиям Каховской оросительной системы // Труды ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Научные исследования по гидротехнике. – Л.: Энергия. – 1971. – С. 237–239.

2. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е. Исследование фильтрации на опытном участке магистрального канала Каховской оросительной системы // Экспресс-информация ЦБНТИ Минводхоза СССР. – М.,1971. – Серия 6. – Вып. 7. – С. 29–31.

3. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е. Влияние физико-механических свойств оснований из лессовых грунтов нарушенной структуры на состояние и противофильтрационные свойства тонких монолитных бетонных облицовок оросительных каналов // Экспресс-информация ЦБНТИ Минводхоза СССР. – М., 1971. – Серия 6. – Вып. 7. – С. 23–27.

4. Чернышевская Л.Е., Бодрик А.Г. Выбор коэффициента диффузии при решении задач о передвижении влаги в ненасыщенных почво-грунтах // Мелиорация и водное хозяйство. – 1972. – Вып. 23. – С. 77–83.

5. Беляшевский Н.Н., Сухоруков П.А.,Чернышевская Л.Е. Изучение фильтрационнных потерь на опытном участке магистрального канала Каховской оросительной системы // Труды ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Научные исследования по гидротехнике. –Л.: Энергия. –1973. – С. 465–466.

6. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Топчий С.Л. О возможности строительства дамб оросительных каналов из переработанного выветрелого известняка // Технология и организация строительства гидромелиоративных систем.–К.: УкрНИИГиМ.–1973. –С.105–113.

7. Беляшевский Н.Н., Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е. Результаты натурных исследований неустановившейся фильтрации в условиях подовых грунтов из магистрального канала Каховской оросительной системы // Мелиорация и водное хозяйство.–1974.–Вып. 30.–С.62–69.

8. Беляшевский Н.Н, Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Пащенко С.В., Старостин С.М. Разработка технических условий на возведение земляных плотин из суглинистых грунтов с включением щебенисто-дресвяных фракций для условий Крыма // Труды ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Научные исследования по гидротехнике. – Л.: Энергия. – 1974. – С. 98–100.

9. Беляшевский Н.Н., Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Топчий С.Л. Исследование физико-механических свойств слабых известняков при строительстве дамб оросительных каналов // Труды ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Научные исследования по гидротехнике. – Л.: Энергия. – 1975. – С. 218–220.

10. Чернышевская Л.Е., Зеленый Р.М. Моделирование на БУСЭ–70 неустановившейся фильтрации из распределительного канала // Мелиорация и водное хозяйство. – 1979. – Вып. 46.– С. 55–60.

11. Волошкина Е.С., Чернышевская Л.Е. Расчет фильтрационных потерь из облицованных каналов по методу фильтрационных сопротивлений // Мелиорация и водное хозяйство.–1988.–Вып. 68. – С. 76–81.

12. Денисов С.М., Чернышевская Л.Е., Ворошнов С.Н., Шевчук Я.В. Исследование противофильтрационной эффективности облицовок, уложенных комплектом “Альконс” // Труды ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова. – М. –1989. – С. 162–168.

13. Чернышевская Л.Е., Шевчук Я.В, Денисов С.М. Исследование фильтрационных расходов из каналов под ДМ “Кубань”, облицованных сборными железобетонными плитами НПВК // Научные исследования по гидротехнике и мелиорации. – К., 1990. – С. 14–19.

14. Чернышевская Л.Е., Ворошнов С.Н., Шевчук Я.В., Денисов С.М. Изучение противофильтрационной эффективности облицовок, построенных комплексом “Альконс” // Мелиорация и водное хозяйство. – 1991.– Вып. 75.– С. 57–60.

15. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Шевчук Я.В. Методика полигонных испытаний противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов // Мелиорация и водное хозяйство. –1991. – Вып.74. – С. 62–67.

16. Чернишевська Л.Ю., Ворошнов С.М., Шевчук Я.В., Денисов С.М. Дослідження фільтраційних утрат через бетонні облицювання каналів для ЕДМФ “Кубань” // Вісник аграрної науки. – 1992. – № 9. – С. 42–43.

17. Шевчук Я.В., Чернишевська Л.Ю. Методика обробки результатів горизонтальних внутрішньосхилових деформацій // Меліорація і водне господарство.– 1993.–Вип.79.–С. 62–64.

18. Ляшко І.І., Чорний М.Й., Пришляк К.С., Чернишевська Л.Ю. Розв’язування задач вологопереносу поблизу облицьованих каналів // Меліорація і водне господарство. – 1994. – Вип. 80. – С. 74–77.

19. Чернышевская Л.Е. Выбор рациональных видов облицовок в зависимости от грунтового основания // Вісник аграрної науки. –1995. – №5. – С. 74–87.

20. Чернышевская Л.Е. Оценка действия капиллярных и гравитационных сил на передвижение влаги в ненасыщенных почво-грунтах // Вісник аграрної науки. – 1997. –№ 12. – С. 56–59.

21 Чернишевська Л.Ю. Визначення елементів техніки поливу по борознах залежно від водно-фізичних властивостей грунтів // Вісник аграрної науки. – 1998. – №12. – С. 52–57.

22. Чернишевська Л.Ю. Фільтраційні втрати із каналів і заходи щодо їх мінімізації // Водне господарство України. – 1999. – №1-2. – С. 20–25.

23. Чернишевська Л.Ю. Розрахунок фільтрації із зрошувальних каналів // Меліорація і водне господарство. – 2001. – Вип. 87. – С. 178–189.

24. Чернишевська Л.Ю., Ігнатова О.С. Вплив фільтрації із зрошувальних каналів на режим грунтових вод // Вісник аграрної науки. – 2001. – № 1. – С. 63–67.

25. Ворошнов С.М., Чернишевська Л.Ю., Шевчук Я.В. Зрошення картоплі поливом по борознах // Механізація та електрифікація сільського господарства. – 2002. – Вип.86. – С.172–175.

26.ЧернишевськаЛ.Ю., Богуславська Р.Л., Міхоноша Т.І. Дослідження впливу глибини води в каналах на фільтраційні втрати в умовах вільної фільтрації // Меліорація і водне господарство. – 2002. – Вип. 88. – С.172–180.

27. Чернишевська Л.Ю. Щодо реконструкції магістрального каналу Красно-знам’янської зрошувальної системи // Вісник аграрної науки. – 2002 .– № 6. – С. 69–70.

28. Чалий Б.І., Чернишевська Л.Ю., Ворошнов С.М., Шевчук Я.В. Дослідження протифільтраційних облицювань каналів зрошувальних систем // Меліорація і водне господарство. – 2004. – Вип. 90. – С.166–175.

29. Цивін М.Н., Чернишевська Л.Ю. Статистичний підхід до оцінки ущільнення різних типів грунтів / Вісник аграрної науки. – 2005. – Ювілейний випуск. – С. 58–61.

30. Чернишевська Л.Ю., Шевчук Я.В., Кафтан О.Н., Ігнатова О.С., Міхоноша Т.І. Дослідження ефективності і зміни технічного стану монолітного бетонного облицювання в процесі довготривалої експлуатації // Меліорація і водне господарство. – 2005. – Вип. 92. – С. 183–190.

31. Чернишевська Л.Ю. Напрями мінімізації фільтраційних утрат із каналів зрошувальних систем / Вісник аграрної науки. – 2005. – Ювілейний випуск. – С. 62–65.

Брошури

1. Инструкция по применению разнородных выветрелых известняков при строительстве дамб оросительных каналов (для условий Украинской ССР). – Киев, Минводхоз УССР. 1986. – 39 с.

2. Тимчасові рекомендації по організації поверхневого поливу по борознах на діючих зрошувальних системах з дощувальними машинами. – Київ, 1997. – 33 с.

3. Проектування протифільтраційних облицювань і кріплень каналів зрошувальних систем (Посібник до ДБН В.2.4-1-99 “Меліоративні системи та споруди”) К: ІВЦ Держкомстату України –2006. – 80 с.

Тези наукових конференцій, проспекти, статті

1. Чернышевская Л.Е. К вопросу об исследовании передвижения влаги при подпочвенном орошении // Материалы Всесоюзной научно-технической конференции молодых специалистов-гидротехников и мелиораторов. Тезисы докладов. – М. –1970.– С.21–22.

2. Чернышевская Л.Е. Исследование передвижения влаги при подпочвенном орошении // Тезисы докладов симпозиума молодых ученых сельского хозяйства.– М.– Л.– 1971.–С. 77–81.

3. Ворошнов С.Н., Сухоруков П.А., Топчий С.Л., Чернышевская Л.Е. К вопросу о противофильтрационной эффективности бетонопленочных облицовок оросительных каналов // Тезисы докладов третьей научно-производственной конференции по проектированию, строительству и эксплуатации оросительных систем в Поволжье.–Волгоград.–1976.–С.237–238.

4. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е. Противофильтрационная эффективность тонких монолитных бетонных облицовок в условиях лессовидных суглинков. – К. – 1978. – 4 с.

5. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Шевчук Я.В. Выбор типа облицовок оросительных каналов в зависимости от грунтового основания // Республиканская научно-техническая конференция «Повышение эффективности использования мелиорированных земель». Тезисы докладов. – Ровно. –1984. – С. 34–37.

6. Сухоруков П.А., Ворошнов С.Н., Чернышевская Л.Е., Шевчук Я.В. Строительство каналов в районах распространения слабых выветрелых известняков. –К. –1986. – 4 с.

7. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Шевчук Я.В. Исследование противофильтрационной эффективности облицовок разных конструкций // Республиканская научно-техническая конференция «Достижения НТП – в мелиорацию и водное хозяйство». Тезисы докладов. – Ровно. –1987. – С. 3.

8. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Шевчук Я.В., Ворошнов С.Н. Полигонные испытания противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов. – К. –1988. – С. 2–3.

9. Сухоруков П.А., Чернышевская Л.Е., Шевчук Я.В., Ворошнов С.Н. Оценка противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов. – К. – 1989.– С. 2–3.

10. Чалий Б.І., Чернишевська Л.Ю., Ацеховський Г.Н. Поверхневий полив // Сучасний стан, основні проблеми водних меліорацій та шляхи їх вирішення /За ред. П.І.Коваленка. – К.:Аграрна наука. – 2001. – С.69–72.