Определение характеристик склонового стока, при которых начинается водная эрозия

№41-2,

технические науки

Работа посвящена определению характеристик склонового стока, при которых начинается водная эрозия

Похожие материалы

Эрозия почвогрунтов – процесс не только гидромеханический, но и физико-химический и биологический. Размывающую скорость водного потока следует рассматривать как функцию генезиса почв и их минералогического и гранулометрического состава и последующего воздействия сложных физико-химических и биологических процессов.

Из всего комплекса физико-химических свойств почвогрунтов, определяющих размываемость, самыми показательными являются сцепление при полной влагоемкости, размеры отрывающихся частиц. Сопротивление размыву возрастает с увеличением сил сцепления при полной влагоемкости, интегрально отражающих весь комплекс физико-технических и химических свойств и характеризующих сопротивляемость размыву (прочность, водопрочность связей, устойчивость против разрушающего воздействия водного потока).

Наиболее простой и удобный метод определения сил сцепления – метод Цитовича с последующим применением методов математической статистики при обработке полученных данных.

Для исследования сопротивляемости почв в различных почвенных зонах КБР принят метод расчета по предельному состоянию для определения допускаемых (неразмывающих) скоростей водного потока.

О целесообразности применения этого метода свидетельствует то обстоятельство, что прогноз возможной перегрузки и снижение устойчивости против средних расчетных значений основан на теории вероятностей и обработки данных опытов и наблюдений методами математической статистики. Без применения этого метода невозможно правильно учитывать изменчивость свойств почвогрунтов и описывать процесс эрозии.

Начало эрозии определяется минимальной скоростью склонового стока. Для установления этого критерия с возможно полным учетом факторов, обуславливающих явления, водонасыщенную почву представляют в виде однородных агрегатов (отдельностей), связанных между собой силами сцепления. Будем считать, что агрегат имеет форму шара диаметром d. Известно, что агрегат, летящий на дне потока, подвергается лобовому воздействию потока (Ру) и воздействию подъемной силы (Ро) (рис. 1).

Рассматривая условие устойчивости имеем, что силы, действующие на агрегат почвогрунта, уравновешиваются при предельном состоянии силами сцепления между агрегатом и дном, а также весом агрегата. Тогда имеем:

(1)

  • n' – коэффициент перегрузки;где mp и mи – коэффициенты условий деформации агрегатов, соответственно, на растяжение и изгиб;
  • Fs – площадь опорной части агрегата почвы, м2;
  • δ1 – плечо лобового сопротивления, м;
  • Gpc – наименьшее возможное сопротивление почвогрунтов на растяжение (принимаем сопротивляемость почвы на растяжение и изгиб равными), Н/м2;
  • W1 – момент сопротивления опорной части, м3;
  • G'b – вес агрегата частицы почвы, Н.

Показатель Gpc получается как произведение нормативного (среднего) сопротивления G2pc и коэффициента однородности Ко, характеризующего изменчивость показателя связности почвы

Схема для расчета сопротивления почвы смыву

Рисунок 1 – Схема для расчета сопротивления почвы смыву

Gpc = G2pc Ко. (2)

Ввиду динамического воздействия турбулентно-пульсирующего потока на агрегат за нормативное сопротивление следует принимать предел прочности на разрыв при динамической нагрузке Gнg. Этот показатель следует установить по опытным данным усталости связных грунтов для данного региона

Grg = Gнg. (3)

Лобовое результирующее усилие:

(4)

Равнодействующая подъемного усилия

(5)

Вес агрегата почвы можно представить в виде:

(6)

Площадь опорной части агрегата:

(7)

Момент сопротивления опорной части:

(8)

В приведенных формулах приняты следующие обозначения:

  • Vo – скорость потока на высоте выступов шероховатости, м/с;
  • γ2, γо – соответственно, удельный вес агрегата и воды, Н/м3;
  • δ4d – диаметр опорной части агрегата, м;
  • δ2d2, δ3d2 – площадь миделевого сечения, соответственно, для лобового и подъемного усилия, м2;
  • δ2, δ3, δ4 – коэффициенты равномерности почвенного агрегата.

При анализе процесса отрыва частиц от поверхности почвы или грунта водопрочность выражается размером отрываемых частиц

где

  • di – средняя арифметическая крупность агрегатов данного размера, м;
  • Pi – процентное содержание агрегатов этих размеров по объему.

Подставляя выражения (4) и (8) в уравнение (1) имеем

(9)

Решая уравнение (9) относительно Vo, получим

(10)

Таким образом, выражая данную скорость через среднюю скорость потока, получимВ работах установлено, что распределение скоростей в предельной области наилучшим образом описывается логарифмическими зависимостями.

где

  • Н – глубина потока воды, м;
  • Δ – высота выступа шероховатости, м.

Если принять Δ=0,7d получим

(11)

Подставляя выражение (11) в выражение (10) и полагая λо=0,42; λх=0,1; δ1=0,4; δ2=0,5; δ3=0,785; δ4=0,9, получим выражение для расчета предельных (неразмывающих) донных и средних скоростей, предшествующих отрыву частиц почвогрунта водным потоком

(12)

(13)

где

  • VoH_доп – допускаемая (неразмывающая) донная скорость (т.е. скорость на уровне выступов шероховатости русла), м/с;
  • VH_доп – средняя по глубине потока допускаемая (неразмывающая) скорость, м/с;
  • Н – глубина потока, м;
  • d – средний размер отрывающихся отдельностей, м;
  • g – ускорение свободного падения, м/с2;
  • k – коэффициент, учитывающий условия размыва, который рассчитывается по выражению k=R1R2R3;
  • R1 – коэффициент, зависящий от состояния растительности и почвы, при котором протекает процесс;
  • R2 – коэффициент, зависящий от присутствия в потоке наносов (наносы в коллоидном состоянии R2=1,4, чистый поток R2=1, донные коррозионные наносы R2=0,85);
  • R3 – коэффициент, зависящий от исходной влажности грунта и изменяющийся от 1 (водонасыщенное состояние) до 0,04 (пересохшие грунты, содержащие гидрофильные материалы);
  • η' – коэффициент, учитывающий влияние пульсационного характера скоростей на размывающую способность потока, равный квадрату отношения пульсационной мгновенной донной скорости к осредненной донной скорости (=1…4); Gну – нормативная усталостная прочность на разрыв, т/м3.

Нормативная усталостная прочность для различных состояний почвогрунта не одинакова. Для приближения к истинным значениям дифференцированные коэффициенты следует определять по возможности на основании обработки данных наблюдений и экспериментов методами математической статистики.

По мере накопления новых данных можно уточнять влияние отдельных факторов, не меняя формулы для расчета предельных скоростей.

Отклонения показателей сцепления почвогрунтов характеризуются коэффициентом однородности Ко, который определяется по формуле

(14)

где

  • α0 – коэффициент, характеризующий вероятность сопротивления почвогрунтов (принимается равным 2–3);
  • С – среднее сцепление грунта;
  • σср – среднеквадратическое отклонение сцепления С.

Значение коэффициента однородности следует устанавливать на основе статистической обработки данных по большому количеству типов почв.

Значение среднего сцепления грунта рассчитывается по формуле

(15)

где

  • Р – нагрузка на штамп, Н;
  • D – диаметр штампа, см;
  • So – глубина вдавливания штампа под нагрузкой Р, см;
  • μ – коэффициент, учитывающий значение сцепления за счет учета сил трения (изменяется от 1 до 1,22 при изменении угла внутреннего трения φ от 0 до 30о).

Значение φ берется в зависимости от влажности границы раскатывания в шнур и коэффициента пористости.

Размывающая способность потока зависит от отношения максимальных пульсационных скоростей к средним скоростям течения в точке близ дна, а это отношение зависит от шероховатости: с увеличением шероховатости оно растет и в обычных турбулентных русловых потоках стремится к 2.

Влияние пульсации на размывающую способность потока следует учитывать коэффициентом перегрузки

(16)

где

  • Vomax – пульсационная мгновенная максимальная скорость на высоте выступов шероховатости, м/с;
  • Vо – осредненная по времени донная скорость в той же точке.

Установлено, что на связность грунта и сопротивляемость размыву влияет растительность. В зависимости от вида и степени развития корневой системы она закрепляет поверхностный слой грунта (как бы армирует его). Это состояние почвы и грунтов учитывается коэффициентом k1 . Этим коэффициентом учитываются также факторы, улучшающие сопротивляемость почвы размыву. К таким факторам следует отнести влажность склона и почвогрунтов до воздействия водного потока.

Установление предельных (неразмывающих) скоростей течения позволяет путем введения приведенных дифференциальных коэффициентов более точно прогнозировать эрозию почв на склоновых землях.

Кроме того, в полученном нами общем уравнении разрушения почвы впервые учтены размывающая скорость водного потока не только как функция генезиса почв и комплекса физико-механических и химических свойств почвогрунтов, но и влияние на нее фактора перегрузки, т.е. отношения максимальных пульсационных скоростей и средних скоростей течения в точке близ дна. Это положение характеризует не только смыв почвы со склоновых земель, но и может быть использовано при разработке противоселевых сооружений, что является актуальной проблемой в КБР в период паводков.

Список литературы

  1. Пат. RUS 2549781 12.03.2013 г.
  2. Мишхожев А.А., Мишхожев В.Х. ПОВЫШЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА КОРМОВЫХ УГОДИЙ НА ГОРНЫХ СКЛОНАХ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ МОДИФИЦИРОВАННЫМ ПЛОСКОРЕЗОМ // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) – 2015 г. – № 39; URL: http://novainfo.ru/archive/39/povyshenie-produktivnosti-i-kachestva-kormovykh-ugodiy
  3. Мишхожев А.А. ОЦЕНКА ЗАТРАЧИВАЕМОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПЛОСКОРЕЗА НА ГОРНЫХ СКЛОНАХ // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) – 2016 г. – № 41; URL: http://novainfo.ru/article/4366
  4. Габаев А.Х., Мишхожев А.А. ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ГОРНЫХ КОРМОВЫХ УГОДИЙ В УСЛОВИЯХ КАБАРДИНО-БАЛКАРСКОЙ РЕСПУБЛИКИ // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) – 2015 г. – № 38; URL: http://novainfo.ru/archive/38/vosstanovlenie-produktivnosti-gornykh-kormovykh-ugodiy
  5. Габаев А.Х., Мишхожев А.А. Агротехнические мероприятия по улучшению естественных кормовых угодий в горных районах Кабардино-Балкарской республики // НАУКА И УСОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ. Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Нальчик-2015г. – 43 с.
  6. Габаев А.Х., Мишхожев А.А. Особенности эксплуатации сельскохозяйственной техники в горных районах // НАУКА И УСОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ. Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Нальчик-2015г. – 66 с.
  7. Мишхожев А.А., Афасижев Т.А., Хежева З.Х. Влияние плоскорезной обработки на растительный покров кормовых угодий // IV-я Межвузовская научно-практическая конференция сотрудников, магистрантов и студентов аграрных вузов СКФО».2015г. 94-97 с.
  8. Мишхожев А.А., Гордогожева М.Х. Оценка степени влияния рабочих оргонов модифицированного плоскорезам на тяговое сопротивление агрегата // IV-я Межвузовская научно-практическая конференция сотрудников, магистрантов и студентов аграрных вузов СКФО».2015г. 97-100 с.
  9. Мишхожев А.А., Гордогожев З.М. Энергетическая эффективность плокорезной оброботки горных пастбищ // IV-я Межвузовская научно-практическая конференция сотрудников, магистрантов и студентов аграрных вузов СКФО».2015г. 100-102 с.
  10. Мишхожев А.А. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕССА ПРОТРАВЛИВАНИЯ СЕМЯН СЕРИЙНЫМИ МАШИНАМИ // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) – 2016 г. – № 40; URL: http://novainfo.ru/article/4315
  11. Мишхожев А.А. Естественно-производственные условия проведения работ по обработке горных кормовых угодий в Кабардино-балкарской республике // Научно-практический журнал Известия КБГАУ им. В.М. Кокова. №1– Нальчик, 2015. – 72 с.
  12. Мишхожев А.А. Влияние плоскорезной обработки на агрофизические характеристики почвы // Научно-практический журнал Известия КБГАУ им. В.М. Кокова. №1– Нальчик, 2015. – 107 с.
  13. Мишхожев А.А., Ашинов А.М., Энергетическая оценка применения плоскореза на горных склонах Кабардино-Балкарской республики // Актуальные вопросы развития аграрной науки в современных экономических условиях: .2015. С. 215-216
  14. Мишхожев А.А. Повышение продуктивности сенокосов и пастбищ // Научно-практический журнал Известия КБГАУ им. В.М. Кокова. №2 – Нальчик, 2013. – 148 с.
  15. Мишхожев А.А. Безопасные приемы использования горных пастбищ и сенокосов // Научно-практический журнал Известия КБГАУ им. В.М. Кокова. №1 – Нальчик, 2013. – 115 с.
  16. Мишхожев А.А. Исследование работы плоскореза с целью обоснования его параметров и режимов работы на горных кормовых угодьях // Магистерская диссертация. Нальчик., КБГАУ 2012. – 69 с.
  17. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Сельскохозяйственный машины» для студентов бакалавров по направлению 110800.62 «Агроинженерия» Мишхожев В.Х., Тешев А.Ш., Урусмамбетов Х.Г., Бекаров А.Д., Мишхожев А.А., Габаев А.Х. Нальчик, 2014. Том Часть 1. – 89 с.
  18. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Сельскохозяйственный машины» для студентов бакалавров по направлению 110800.62 «Агроинженерия» Мишхожев В.Х., Тешев А.Ш., Урусмамбетов Х.Г., Бекаров А.Д., Мишхожев А.А., Габаев А.Х. Нальчик, 2014. Том Часть 2. – 101 с.
  19. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Сельскохозяйственный машины» для студентов бакалавров по направлению 110800.62 «Агроинженерия» Мишхожев В.Х., Тешев А.Ш., Урусмамбетов Х.Г., Бекаров А.Д., Мишхожев А.А., Габаев А.Х. Нальчик, 2014. Том Часть 3. – 72 с.