Совершенствование технологии противоэрозионной защиты откосов сооружений гидропосевом трав

Обеспечение водоэрозионной защиты так называемых «незатопляемых» откосов земляных мелиоративных сооружений, к которым относят их обратные откосы или части откосов, не подверженные воздействию русловых процессов, выполняют, как правило, по технологиям, включающим использование растительности: кустарников и травяных покрытий.

В России, в начале XX века, наиболее известным фундаментальным трудом по защите откосов водоемов от водной эрозии с применением растительности являлась работа И. О. Польковского «Материалы для описания русских рек», изданная в Санкт-Петербурге в 1903 г. [1].

В данной работе «.рекомендовалось для откосов крутых, незатопляемых для защиты их от водной эрозии и придания хорошего вида» применять дернпри этом «дерн должен быть сухим, не проросшим мхом, толщина дерна 2−3 дюйма, уложен он должен быть на спланированные откосы и скреплен грунтом колышками». В работе также освещены способы защиты откосов от водной эрозии с применением фашин, для изготовления которых «рекомендовался хворост из лиственных пород, произрастающих в воде, достаточно гибких и длинных по 6−10 футовых ветвей, комлевые части которых не толще 0,5 дюйма».

Положительная роль растительности в обеспечении водоэрозионной защиты откосов земляных сооружений связана с тем, что корневая система, создавая густую сеть, армирует почву, повышая устойчивость на размыв и механическую прочность поверхностного слоя грунта откоса [2−4]. Густая и глубоко распространенная корневая система растительного покрова выдерживает скорости потока размыва, равные 2,5.3,0 м/с [5]. Эффективность защиты откосов травяным покровом проявляется также в повышении фильтрационной способности почвы и снижении поверхностной испаряемости.

Практическую значимость среди технологий по защите откосов земляных сооружений от водной эрозии, обеспечивающих образование на поверхности откосов плотного растительного покрова имеют одерновка, укрепление травяными коврами и гидропосев трав [6−10].

Из указанных выше биологических способов защиты откосов перспективными являются укрепление откосов травяными коврами и гидропосевом многолетних трав [11].

В настоящее время широко применяется способ защиты откосов сооружений от водной эрозии гидропосевом многолетних трав. Однако ряд технологических операций для его осуществления требует существенного усовершенствования, поиска научного обоснования и внедрения эффективных пленкообразующих веществ, разработки надежных в эксплуатации машин и рабочих органов, позволяющих повысить производительность труда, экономично использовать трудовые и энергетические ресурсы.

Технологический процесс защиты откосов сооружений гидропосевом трав включает: поверхностную планировку и рыхление откосов, подготовку компонентов рабочих растворов с последующей заправкой их в гидросеялку, нанесение рабочих растворов, содержащих семена многолетних трав на подготовленную поверхность откоса сооружения. Важнейшей технологической операцией является предохранение засеянной поверхности откоса от ее водной эрозии до образования травяного покрова. Для этой цели суспензии гидропосева изготавливают на основе водных растворов латексных или битумных эмульсий, обладающих структурирующими в почвенном слое свойствами. Основными требованиями к таким растворам являются: недефицитность, биологическая нейтральность (т.е. не оказывать отрицательного влияния на рост и развитие травяного покрова), устойчивость к водной эрозии за счет проявления структурирующих для почвы свойств [12].

В качестве пленкообразующих и структурирующих для почвы веществ (структурообразователей) в СССР испытывались латексы (наиритовый J1−7, дивинилстиролъные СКС- 65ГП, дивиниловые СКД-1) и битумные эмульсии [13,14,15]. Широкого применения латексы и битумные эмульсии не нашли из-за их нетехнологичности, связанной с их коагуляцией при смешении с другими компонентами рабочих растворов и взаимодействием с металлом гидролиний установок для гидропосева.

Номенклатура структурирующих для почвы веществ, пригодных для технологии гидропосева многолетних трав, до сего времени практически ограничивается одним веществом — полиакрил амидом, производственные испытания которого были проведены Воронежской государственной лесотехнической академией совместно с Белорусским НИИ мелиорации и луговодства с участием автора [16]. С 1991 года основное производство полиакрил амида оказалось за рубежом, в связи с этим возникла необходимость поиска научного обоснования и внедрения новых структурообразователей, особенно на основе отходов местных химических производств.

Решению этой задачи посвящена настоящая работа, конечная цель которой заключалась в совершенствовании существующей технологии гидропосева многолетних трав для защиты от водной эрозии незатопляемых откосов сооружений до образования на них устойчивого травяного покрова путем применения новых экологически и экономически обоснованных водорастворимых полимерных суспензий, включая разработку и оптимизацию технологических процессов их приготовления и нанесения на откосы сооружений.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

диссертации.

В настоящее время в мелиоративном и дорожном строительствах все более широкое применение находит технология защиты откосов от водной эрозии гидропосевом многолетних трав с использованием структурирующих почву материалов. Используемые в качестве структурирующих веществ латексные и битумные эмульсии оказались технологически непригодными в технологии гидропосева, поскольку коагулируют при взаимодействии с другими ингредиентами рабочих составов гидропосева и с внутренними поверхностями гидролиний гидросеялок. Номенклатура пригодных для технологии гидропосева многолетних трав до сего времени практически ограничивается одним веществом — гелем полиакрил амида. Однако его применение в технологии гидропосева весьма затруднительно из-за высокой энергоемкости процесса приготовления рабочих составов на его основе и, кроме того, основное производство полиакриламида с 1991 года оказалось за рубежом. В связи с этим существует актуальная необходимость поиска, научного обоснования и внедрения в практику технологии гидропосева новых структурообразователей, особенно на основе отходов химических производств, как России, так и в ближайшей перспективе единого государства России и республики Беларусь. Разработка суспензий гидропосева на основе отходов местных производств является важной актуальной задачей также и для совершенствования технологии гидропосева, включая конструктивное совершенствование отдельных рабочих органов установки для нанесения на защищаемые от водной эрозии откосы суспензий гидропосева. Такая усовершенствованная технология гидропосева имеет важное народнохозяйственное значение для России и стран СНГ.

Связь работы с программами и темами.

Диссертационная работа выполнялась автором на основе договора о научно-техническом сотрудничестве между Белорусским научно-исследовательским институтом мелиорации и водного хозяйства (в настоящее время УП «БелНИИ Мелиорации и Луговодства») и производственным объединением по изысканиям исследованиям проектированию и строительству водохозяйственных объектов в России и за рубежом — ПО «Совинтервод», по заданию Минводхоза СССР 0.07. 01.03, входящему в комплексную научно-техническую проблему 0.52.03 «Разработать и внедрить высокоэффективные технологические процессы и технические средства для водохозяйственного строительства, содержания и ремонта мелиоративных систем», заданием программы «Мелиорация Республики Беларусь 04.09.04.10.(1991;1995гг.), заданию 07.04 «Разработать технологические средства механизации работ по эксплуатации мелиоративных систем» (1996;2000), входящему в Государственную научно-техническую программу «Земледелие и растениеводство», заданию 03.09 «Разработать средства механизации для выполнения ремонтно-эксплуатационных работ на мелиоративных системах», входящему в Государственную научно-техническую программу республики Беларусь 2001;2005г. Отчеты по выполненным заданиям обсуждены и одобрены Учеными Советами БелНИИМиВХ (БелНИИМиЛ) и ПО «Совинтервод».

Цели и задачи исследований.

Целью исследований являлась разработка научно обоснованной, усовершенствованной механизированной технологии гидропосева семян многолетних трав для защиты от водной эрозии незатопляемых откосов земляных мелиоративных сооружении (в дальнейшем — откосов) с использованием суспензий гидропосева на основе промышленно выпускаемых водорастворимых полимерных эмульсий «ВРП» и «ВРП (ВЭП)», представляющих собой продукты переработки отходов химических производств.

Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие исследования:

• на основе анализа существующих биологических технологий водоэрозионной защиты откосов мелиоративных земляных сооружений обосновать выбор для исследования технологии защиты откосов сооружений гидропосевом многолетних трав с использованием полимерных структурообразователей;

• теоретически и экспериментально обосновать выбор водных полимерных эмульсий «ВРП» и «ВРП (ВЭП)» в качестве состава суспензий в технологии гидропосева;

• теоретически и экспериментально установить продолжительность технологического процесса приготовления растворов эмульсий;

• теоретически и экспериментально установить параметры оптимизации технологического процесса приготовления суспензий на основе «ВРП» и «ВРЩВЭП)» для гидропосева;

• разработать и научно обосновать технологический процесс и параметры оптимизации по нанесению на откосы сооружений суспензий на основе «ВРП» и «ВРЩВЭП)»;

• выполнить производственные испытания усовершенствованной технологии защиты откосов от водной эрозии гидропосевом трав;

• определить по данным биологических, физико-механических и гидравлических испытаний качество образовавшегося травяного покрытия и технико-экономическую эффективность усовершенствованной технологии гидропосева.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования являются существующие технологии защиты откосов земляных мелиоративных сооружений от водной эрозии при гидропосеве трав. Усовершенствование отдельных технологических операций данных технологий и замена их на ресурсосберегающие, экономически целесообразные и создающие надежную водоэрозионную защиту откосов земляных мелиоративных сооружений.

Гипотеза. Если возможна технология защиты откосов от водной эрозии путем гидропосева трав с использованием структурообразователей на основе латексных и битумных эмульсий, то возможно заменить ее менее материале — и энергоемкой механизированной технологией гидропосева трав с применением более эффективных структурообразователей на основе водорастворимых полимерных эмульсий.

Методология и методы выполненного исследования.

Для решения поставленной цели, построения научной теории и проверки результатов исследований были использованы системы руководств и методик: «Руководство по креплению откосов земляных сооружений на мелиоративных объектах гидропосевом трав ВТР-С-11−77» разработанные БелНИИМиВХ- «Временные указания по укреплению откосов земляных сооружений гидропосевом трав с применением водных растворов эмульсии ВЭП-2», разработанные с участием автора, БелНИИМиВХ и «Дорстройтехника», методические указания по теории расчета компонентов смеси для гидросеялок, разработанные под руководством доктора технических наук, профессора В. Н. Скотниковаметодика планирования исследований путем постановки многофакторного экспериментаметодика определения прочности дернового покрова, разработанная доктором технических наук, профессором В. Н. Кондратьевым, а также разработанные с участием автора методики определения параметров технологического процесса по приготовлению водных растворов эмульсий «ВРП» и «ВРП (ВЭП)», оценки их структурирующих для почвы свойств, по приготовлению рабочих составов для гидропосева их нанесению на откосы земляных сооружений, оценки качества травяного покрова на основании данных биологических, физико-механических и гидравлических испытаний определяющих эффективность водоэрозионной защиты откосов сооружений. Научная новизна и значимость полученных результатов Диссертация содержит научно обоснованные разработки, использование которых в мелиоративном гидротехническом и дорожном строительствах обеспечивает решение прикладной задачи — защиту от водной эрозии откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав с применением водорастворимых полимерных эмульсий. На основании теоретического анализа существующих способов защиты откосов от водной эрозии гидропосевом трав и результатов экспериментальных исследований усовершенствована технология гидропосева, включая разработку отдельных рабочих органов средств механизации для ее осуществления. (Патент РБ № 3263).

На основании теоретических и экспериментальных работ, выполненных в лабораторных и производственных условиях, обоснован выбор для технологии гидропосева промышленно выпускаемых водорастворимых эмульсий «ВРП» и «ВРП (ВЭП)>>.

Теоретически и экспериментально обоснован новый состав суспензии на основе эмульсии «ВРП» и «ВРП (ВЭП)».

Предложена математическая модель процесса приготовления суспензий для гидропосева, экспериментально реализованная путем постановки многофакторного эксперимента.

Установлены оптимальные значения энергетических и качественных параметров технологического процесса приготовления суспензий «ВРП» и.

ВРП (ВЭП)" для гидропосева.

Теоретически разработана методика определения времени приготовления водополимерных эмульсий. Время приготовления водополимерных эмульсий, вычисленное по данной методике, подтверждено экспериментальными данными, что позволило в производственных условиях совместить процессы приготовления водополимерных эмульсий и суспензий для гидропосева на основе «ВРП» и «ВРП (ВЭП)» в один технологический процесс.

Состав суспензии гидропосева защищен авторским свидетельством.

Разработана конструкция центробежной насадки к распределительным устройствам гидросеялки для нанесения эмульсий на откосы сооружений, выполнены экспериментальные исследования, установившие эффективность ее применения.

На основании теоретических предпосылок предложена математическая модель влияния параметров распределительного устройства с круглым вырезом насадок к гидрометателю на дальность полета струи суспензии «ВРП» и «ВРП (ВЭП)», равномерность и ширину ее распределения на откосах сооружения.

Исследования, выполненные путем постановки многофакторного эксперимента, позволили определить параметры оптимизации процесса нанесения суспензии «ВРП» и «ВРП (ВЭП)» на откосы сооружений.

Практическая значимость полученных результатов исследований.

Результаты исследований практически применены для защиты откосов каналов мелиоративных систем, при укреплении откосов дороги МоскваМинск (отметка 611,7).

Результаты исследований практически применены при разработке «Пособия по укреплению откосов каналов дамб и плотин гидропосевом трав с применением водорастворимых синтетических полимеров" — «Исходных требований на разработку агрегата для ухода за гидротехническими сооружениями АУГ-3 (порядковый номер ИТ-009−2001)" — технического задания на разработку агрегата для ухода за гидротехническими сооружениями АУГ-3 (порядковый номер ТЗ-013−2001) — в учебных процессах Воронежской государственной лесотехнической академии и Московской государственной академии тонкой химической технологии им М. В. Ломоносова.

Экономическая значимость полученных результатов.

Разработанная усовершенствованная технология защиты откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав с применением водорастворимых полимерных эмульсий нашла применение в мелиоративном и дорожном строительствах. Применение данной технологии обеспечивает снижение стоимости по сравнению с технологией использования суспензий на основе 1,5% геля полиакриламида в 1,15 суспензий на основе латекса СКС-65ГПв 1,44.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Усовершенствованная технология защиты откосов земляных мелиоративных сооружений от водной эрозии с использованием водорастворимых полимерных эмульсий «ВРП» и «ВРП (ВЭП)», обеспечивающая высокое качество производства работ и эксплуатации сооружений при снижении материальных ресурсов и энергоемкости технологических операций, исключении дорогостоящих ингредиентов суспензий для гидропосева трав. К основным положениям диссертации, выносимых на защиту, относятся также результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению продолжительности приготовления водополимерных эмульсий.

Теоретически и экспериментально обоснованный новый состав суспензии для гидропосева трав (патент РБ№ 3351, приложения).

Математическая модель процесса приготовления суспензий для гидропосева, экспериментально обоснованная путем постановки многофакторного эксперимента, на основании которого были установлены оптимальные значения энергетических и качественных параметров технологического процесса приготовления суспензий ВРП для гидропосева, совмещенного в один процесс с процессом приготовления рабочих растворов эмульсий.

Результаты исследований процесса нанесения суспензий и эмульсий гидропосева с применением насадки круглой с вырезом и универсальной центробежной насадки поливочной штанги (патент РБ № 3263, приложения), установившие эффективность их примененияматематическая модель влияния параметров распределительного устройства с круглым вырезом насадок к гидрометателю на дальность полета струи суспензии «ВРП» и «ВРП (ВЭП)», равномерность и ширину ее распределения на откосах сооружениярезультаты производственных испытаний по трем технологическим схемам производства работ: при строительстве канала, его эксплуатации и при строительстве откосов автомобильных дорог, по определению качества образованного травяного покрова на основе данных биологических, физико-механических и гидравлических испытаний.

Личный вклад соискателя.

Диссертационная работа выполнена на материалах теоретических и экспериментальных исследований, математических расчетов, полученных лично автором. Обоснована и разработана усовершенствованная технология зашиты откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав с применением водорастворимых полимерных эмульсий «ВРП», предложен и исследован новый состав суспензии (патент РБ № 3351,приложения.), исследованы конструкции насадок к гидрометателю и центробежных насадок поливочных штанг для распределения эмульсий на откосы сооружения (патент РБ № 3263, приложения). Исследованы и определены технологические параметры приготовления растворов эмульсий необходимых концентраций, экспериментально обоснована предложенная математическая модель приготовления суспензий для гидропосева и математическая модель влияния параметров распределительного устройства с круглыми насадками к гидрометателю на дальность полета струи суспензии «ВРП» и «ВРП (ВЭП)>>, равномерность и ширину ее распределения на откосах сооружения, а также оптимальные параметры центробежных насадок. Выполнены производственные испытания с целью определения качества образованного травяного покрова на основе данных биологических, физико-механических и гидравлических испытаний. Автор диссертации принимал непосредственное участие в разработке технологической, конструктивной и нормативной документации на экспериментальные опытные образцы рабочих органов которые создавались по результатам исследований.

Апробация результатов диссертаций.

Основные результаты выполненной работы были доложены на международной научно-практической конференции «Экология и природопользование» (г. Москва 1995), на Международной научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве посвященной 50-летию БелНИИМСХ» (г. Минск 1997), на Международной конференции «Эколого-экономические принципы эффективного использования мелиорированных земель», посвященной 90-летию С. Г. Скоропанова (г. Минск 2000), на Международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (г. Воронеж 2000), на 4-ой.

Международной научно-практической конференции «Биологическая рекультивация нарушенных земель», посвященной 30-летию Воронежской школы рекул ьтиваторщиков" (г. Воронеж, 1999), научном семинаре, посвященном 80-летию ВНИИГиМ (Москва, 2004).

Публикации.

Результаты исследований по теме диссертации изложены в 22 публикациях в том числе: временные указания-1, пособие-1, отчеты НИР — 2 (номера госрегистрации 1 993 124 и 1 997 215), авторское свидетельство — 1, патенты на изобретения — 2, статьи и тезисы -15, Лауреат Всесоюзного выставочного центра с вручением золотой медали (удостоверение № 1714).

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит 172 стр. машинописного текста, включающего введение, общую характеристику работы, четырех глав, 60 рисунков и 48 таблиц, выводов, списка использованных источников в количестве 157 (из них 13 — иностранных дальнего зарубежья) и приложений.

Выводы.

1. Анализ литературных источников по проблеме предотвращения водной эрозии незатопляемых откосов мелиоративных сооружений установил, что наиболее перспективной технологией образования травяного покрытия на откосах является технология гидропосева трав с применением суспензий гидропосева, включающих структурирующие грунт полимерные водорастворимые эмульсии.

2. Теоретические предпосылки исследовании, выполненные на основе анализа литературных источников, позволили установить, что такими структурообразующими веществами являются полимер синтетический водорастворимый «ВРП» (ТУ РБ280 198.026.96) и водополимерная эмульсия «ВРП (ВЭП)"(ТУ РБ20 718 117 020−94), с использованием которых обоснована и экспериментально реализована гипотеза о возможности совмещения процессов приготовления растворов водополимерных эмульсий и суспензий на их основе в один технологический процесс.

3. Определены параметры оптимизации совмещенных в один процесс процессов приготовления растворов водополимерных эмульсий и суспензий на их основе по показателям «крутящий момент» и «качество суспензии». Количественные значения параметров оптимизации процесса приготовления суспензии гидропосева следующиечисло оборотов вала мешалки — 110 мин" 1, количество лопастей — 7пгг., диаметр лопастей — 0,50 м. Время приготовления суспензий — 13 мин. За это время равномерность распределения семян трав в цистерне гидросеялки достигает 88. 91%. При этом предложенная математическая модель процесса приготовления суспензий гидропосева, имеющая вид полинома второго порядка, обоснована экспериментальными исследованиями. На состав суспензии получен патент.

4. Установлено, что при использовании водополимерных эмульсий «ВРП» и «ВРЩВЭП)» энергозатраты на приготовление суспензий гидропосева существенно ниже (до 900%), чем при использовании геля полиакрил амида.

5. Определены параметры оптимизации технологического процесса нанесения суспензий гидропосева с применением универсальных, щелевых и круглых с вырезом насадок установил, среди которых наиболее эффективными являются насадки круглые с вырезом.

6. Обоснован выбор центробежных насадок поливочных штанг, параметры которых обеспечивают возможность их применения для водоэрозионной защиты откосов сооружений гидропосевом трав. Предложена конструкция универсальной центробежной насадки с регулируемыми диаметрами сопла, выполнены исследования и производственные полевые испытания, установившие её работоспособность. На универсальную центробежную насадку с регулируемыми диаметрами сопла получен патент.

7. Усовершенствованная технология противоэрозионной защиты откосов земляных сооружений с использованием водополимерных эмульсий «ВРП» и «ВРП (ВЭП)» была применена при строительстве и эксплуатации следующих объектов: откосов каналов мелиоративных систем и откоса покрытия автодороги Москва-Минск. Исследования гранулометрического состава грунтов, результатов биологических, физико-механических и гидравлических испытаний свидетельствуют о положительном влиянии обработки грунтов водополимерными эмульсиями. Так содержание фракции менее 0,25 мм для обработанного водополимерными эмульсиями грунта снизилось в 2.3 раза, коэффициент задернованности в первый год вегетации увеличился в 1,3. 1,5, коэффициент балльной оценки водоэрозионной устойчивости — в 7. 8 раз.

8. Установлена технико-экономическая эффективность усовершенствованной технологии гидропосева. Применение данной технологии обеспечивает снижение стоимости по сравнению с технологией использования суспензий на основе 1,5% геля полиакрил амида в 1,15, суспензий на основе латекса СКС-65ГПв 1,44 раз.

9. Результаты исследований практически применены при разработке.

Временных указаний по укреплению откосов земляных сооружений гидропосевом трав с применением водных растворов эмульсии ВЭП" — выпуска «Пособия по укреплению откосов каналов, дамб и плотин гидропосевом трав с применением водорастворимых синтетических полимеров" — «Исходных требований на разработку агрегата для ухода за гидротехническими сооружениями АУГ (порядковый № ИТ-009−2001) — технического задания на разработку агрегата для ухода за гидротехническими сооружениями АУГ-3 (порядковый № ТЗ-013−2001) — проекта технического задания на изготовление опытной партии центробежных насадок для поливочных штангметодически реализованы в учебных процессах Воронежской государственной лесотехнической академии и Московской государственной академии тонкой химической технологии им М. В. Ломоносова.

По результатам исследований авторами получены авторское свидетельстводва патента на изобретениезолотая медаль ВВЦ-2003.