XI. Расчеты поверхностного водоотвода с проезжей части автомобильных дорог

Одной из задач проектирования современных автомагистралей является обеспечение отвода поверхностных вод от конструктивных элементов дороги.

Для обеспечения отвода воды с проезжей части автомагистралей устраивают водосбросные лотки вдоль кромки проезжей части с внешней её стороны. Поперечный уклон проезжей части на каждой полосе (для одностороннего движения) назначают в сторону этих лотков, а величину уклона назначают в зависимости от категории автомагистрали по СНиП II-Д.5-62. Подобные лотки запроектированы и построены на многих современных автомагистралях.

Сброс воды из прикромочных лотков проектируют поперечными выпусками в виде водосбросных лотков, размещаемых на откосах насыпей. Лотки на откосах устраивают по типу малых телескопических лотков, конструкция которых разработана Союздорпроектом и рекомендована для типового применения на автомагистралях.

Для организованного и быстрого сброса поверхностных вод с широких разделительных полос автомагистралей на них устраивают вогнутый поперечный профиль. Для приема и сброса воды с разделительной полосы применяют дождеприемные колодцы и асбестоцементные трубы для выпуска воды из колодцев за пределы земляного полотна.

На подходах к мостам и путепроводам сброс воды с разделительной полосы проектируют по лотку, устраиваемому по конусу насыпи у мостов и путепроводов. Лотки в этих случаях устраивают в виде длинномерных телескопических лотков.

Для отвода воды, стекающей с откосов выемок, и отвода её вдоль откосов насыпей проектируют водоотводные канавы. При продольных уклонах более 5 % и скоростях течения свыше 6 м/сек. Взамен быстротоков проектируют длинномерные телескопические лотки, производя соответствующие гидравлические расчеты.

Конструкции лотков у кромок проезжей части, малых и длинномерных телескопических лотков, а также гасителей на выходе из них разработаны Союздорпроектом и приведены в «Альбоме водоотводных устройств на железных и автомобильных дорогах общей сети Союза ССР». Инв. № 819.

Чтобы осуществить водоотвод с поверхности дороги типовыми конструкциями лотков необходимо знать минимальные расстояния между водосбросными сооружениями, что в свою очередь требует определения максимально допустимой пропускной способности водоотводных устройств и установления расчетных максимальных расходов притока воды.

Для решения такой задачи в Союздорпроекте были детально изучены существующие методы расчета стока, условия и особенности поверхностного стекания применительно к конструктивным схемам поперечных сечений дорог I - V технических категорий, а также сформулированы теоретические предпосылки расчетов, на основании которых и были установлены необходимые величины минимальных расстояний между водосбросными сооружениями (см. табл. 4, 5, 6).

Вероятность превышения (ВП) расчетного расхода при расчете водоотводных сооружений, обеспечивающих сток воды с поверхности дороги, следует принимать для дорог I и II категорий - 1 %, для дорог III категории - 2 %, для дорог IV - V - 3 %.

Величину максимального ливневого расхода в м3/сек находят по формуле (1) гл. IX, в которой

F - площадь водосбора, км2;

KJ - коэффициент изменения величины максимального расхода от наклона поверхности стекания (табл. 2);

a p - расчетная интенсивность дождя требуемой ВП при расчетной его продолжительности (табл. 3);

φ - коэффициент редукции поверхностного стока, зависящий от площади водосборов;

F км2         0,0001 0,001 0,005 0,01 0,05  0,1

φ               0,98    0,91  0,86  0,81 0,75  0,69

d0 - коэффициент потерь стока, определяемый для следующих поверхностей стекания:                                                                d0

Асфальтобетонная и цементобетонная                                1,0 - 0,9

Щебеночная и гравийная с пропиткой битумом                 0,9 - 0,85

Грунтовая, спланированная с травяной растительностью 0,85 - 0,80

Площадь водосбора определяют по формуле:

F = BL                                                                                               (1)

где B, L - соответственно ширина и длина водосбора, км.

Минимальное расстояние сброса воды от водораздельной точки поперечного сечения дороги до оси продольного сбросного лотка определяют независимо от категории дороги по следующей формуле:

B = Bп + Bл/2 + ∆b                                                                             (2)

где Bп - ширина проезжей части;

Bл - ширина лотка, принимаемая для дорог I - II категорий равной 0,75 м, для дорог III категории - 0,50 м;

∆b - дополнительное уширение (для дорог I категории при разделительной полосе шириной 2 м принимаемое равным 1,0 м).

В случаях устройства водосбросного лотка у кромки укрепленной обочины в формуле (3) необходимо дополнительно учитывать её ширину. Ширину укрепленной обочины принимают для дорог I категории равной 2,25 м. Для разделительной полосы ширину водосбора устанавливают для каждого случая индивидуально.

Расчетную продолжительность дождя tр (в мин.) принимают равной суммарному времени поверхностной концентрации при стекании по поверхности дороги в продольный водоотводный лоток tл и времени добегания по продольному водоотводному лотку:

tр = tп + tл                                                                                     (3)

Время поверхностной концентрации в мин. при стекании воды по поверхности дороги определяют по формуле:

tп = 0,0167B/(υ·cosφ),                                                                  (4)

где B - имеет то же обозначение, что и в формуле (2) и определяют в м;

cosφ - коэффициент, учитывающий изменение средней скорости стекания за счет растекания воды под углом к нормальному направлению поперечного уклона проезжей части. Угол растекания зависит от продольного и поперечного уклонов дороги и изменяется в зависимости от их различного сочетания в пределах 45 - 60°;

υ - скорость стекания с поверхности дороги, её определяют с учетом характера поверхностного стока по формуле равномерного течения при максимальном слое одновременного стока, равном 0,01 м при расчетном дожде 1 % ВП.

При вычислении скорости стекания в качестве расчетного применяют уклон по направлению расчетного угла растекания:

                                                                                      (5)

где Jпр - продольный уклон дороги;

Jпо - средневзвешенный поперечный уклон для проезжей части (Jп), обочин (Jо) и дополнительных полос на вираже, принимается с учетом данных табл. 1.

Таблица 1

Данные о выборе уклонов дороги

Категория дороги	Jо	Jп
I - III	0,04	0,02
IV - V	0,05	0,03

Расчетами установлено, что для дорог I - V категорий время поверхностной концентрации при стекании в продольный лоток составляет 0,25 - 1,19 мин. в зависимости от длины участка стекания и его уклона.

Время добегания воды в мин. по водоотводному лотку, устраиваемому вдоль дороги, определяют исходя из условия равномерного движения и нелинейного очертания кривой свободной поверхности воды с переменной глубиной заполнения живого сечения лотка по длине стекания по формуле:

                                                                   (6)

где n - расчетный коэффициент шероховатости;

L - длина расчетного лотка с уклоном;

K - коэффициент учета переменного заполнения лотка, определяется по формуле:

                                              (7)

где R1, R2, R3 - гидравлический радиус на каждом из трех расчетных участков лотка;

J1, J2, J3 - уклоны на расчетных участках.

При принятой схематизации построения кривой свободной поверхности, рассчитываемой по трем одинаковой длины участкам (1, 2, 3) и при конструктивно обусловливаемом расчетном заполнении живого сечения лотка в замыкающем створе средние глубины этих участков могут быть приняты постоянными по участкам независимо от общей длины лотка.

В результате расчетов установлено, что время добегания по продольному лотку длиной от 30 до 100 м и при уклоне 0,003 колеблется от 1,5 до 5 мин., а при длине лотка от 100 до 200 м - от 5,0 до 9,3 мин.

При длине лотка, равной 100 м и продольных уклонах дороги от 0,003 до 0,07, время добегания уменьшается от 5,0 до 1,43 мин.

Уменьшение времени добегания воды по лотку с увеличением продольного уклона дороги (J1) характеризует изменение расчетной продолжительности дождя (по сравнению с условиями стока, формирующимися при уклоне поверхности стекания, равном 0,003), которое независимо от длины лотка составляет:

J            0,003 0,01  0,02  0,03  0,04  0,05  0,06 0,07

1,0   0,75     0,53  0,44  0,37  0,33  0,31 0,28

Несколько иные данные получены для аналогичных соотношений суммарного времени добегания  с учетом времени стекания по поверхности дороги. Так, в интервале осредненных значений времени поверхностного стекания tп, равном 0,25 - 0,95 мин. для дорог I - IV категорий, соотношение  для продольного уклона J = 0,07 при длине лотка, до 30 м изменяется от 0,39 до 0,56. При больших длинах продольного лотка (от 30 до 200 м) это соотношение более устойчиво и колеблется от 0,32 до 0,36 для уклона 0,07.

Анализ расчетных данных показал, что с уменьшением площади водосбора продолжительность расчетного дождя уменьшается, как уменьшается и его зависимость от уклона поверхности стекания.

При увеличении площади водосбора с увеличением расчетной продолжительности дождя соотношение времени расчетного дождя в зависимости от уклона почти не изменяется по сравнению с приведенными выше данными для добегания воды по продольному лотку.

Проведенные исследования позволили установить зависимость коэффициента KJ от наклона поверхностей стекания (табл. 2), а также расчетные интервалы времени формирования максимальных расходов tф для различных площадей водосборов:

F, км2      0,0001 0,0005 0,0010  0,005    0,01

tф, мин.        4         6          9         14        19

Таблица 2

Значение коэффициента KJ

Поверхность стекания	Продольный уклон дороги, %
	0,03	1	2	3	4	5	6	7
	KJ
Асфальтобетонная цементобетонная	0,93	1,03	1,25	1,45	1,65	1,80	2,03	2,20
Щебеночная, гравийная	0,70	0,92	1,10	1,30	1,50	1,65	1,85	2,00
Грунтовая	0,65	0,83	1,05	1,22	1,36	1,56	1,75	1,96

 

Для установленных интервалов времени формирования максимального стока вычислены величины расчетных интенсивностей ливней (табл. 3) и произведено ливневое районирование территории СССР (рис. 39) с учетом особенностей распределения осадков во времени и по территории.

Для продольных уклонов дороги от 0,003 до 0,07 определена пропускная способность лотков устраиваемых из блоков Б-1 и Б-3.

Пропускная способность лотков на разделительной полосе дороги зависит от типа их укрепления и геометрических размеров и определена из условия назначения скорости воды в лотке менее или равной неразмывающей для данного типа укрепления или грунтов русла.

При сравнении поперечных сечений блоков Б-1, Б-3 и малых телескопических лотков установлено, что при уклонах 0,008 и более пропускная способность телескопических лотков наименьшая.

Рис. 39. Схема ливневых районов для расчета поверхностного водоотвода.

Таблица 3

Установленные интервалы времени формирования максимального стока

№ районов	ВП, %	Площади водосборов, км^2
		0,0001	0,0005	0,001	0,005	0,01
1	1	4,80	3,95	3,24	2,67	2,23
	2	4,24	3,48	2,85	2,36	1,96
	3	3,85	3,15	2,58	2,14	1,78
2	1	3,80	3,15	2,60	2,16	1,86
	2	3,10	2,58	2,15	1,78	1,53
	3	2,90	2,42	2,00	1,66	1,44
3	1	5,60	4,95	4,15	3,50	2,90
	2	4,85	4,15	3,47	2,95	2,47
	3	4,65	4,00	3,35	2,82	2,35
4	1	2,54	2,16	1,74	1,48	1,27
	2	2,28	1,88	1,48	1,28	1,08
	3	2,08	1,68	1,38	1,18	0,98

 

Эта величина пропускной способности является определяющей при установлении минимальных расстояний между водосбросами.

При продольных уклонах менее 0,008 наименьшей является пропускная способность лотков Б-1 и Б-3, которая изменяется в зависимости от продольных уклонов дороги и определяет минимальные расстояния между поперечными водосбросами для любых значений уклонов в этом интервале.

На затяжных уклонах более 0,03 из-за больших скоростей стекания наблюдается частичный проход воды мимо мест входа в телескопические лотки, расход которых при уклонах дороги 0,06 - 0,07 составляет 10 - 20 % от величины максимальной пропускной способности этих лотков, что уменьшает фактическую пропускную способность одних лотков и увеличивает её на других из-за переполнения продольных лотков.

Учет этого обстоятельства вызывает необходимость дополнительного уменьшения расстояний между поперечными водосбросами на этих участках, что может быть достигнуто уменьшением расчетной величины пропускной способности телескопических лотков.

Для продольных уклонов дорог от 0,03 до 0,07 приняты следующие значения расчетных величин пропускной способности телескопических лотков при их фактическом заполнении в начальном сечении:

J               0,03    0,04  0,05  0,06  0,07

Qп м3/сек 0,04  0,039 0,037 0,036 0,034

Некоторое уменьшение расстояний на затяжных участках дорог с уклонами более 0,03 вызвано также и необходимостью более быстрого отвода воды для обеспечения безопасности автотранспорта на крутых спусках с большими скоростями движения.

Для четырех климатических районов и различных размеров водосборных площадей, ограниченных интервалом ширин 3 - 25 - 18,0 м и длиной от 30 до 300 м, и продольных уклонов от 0,003 до 0,06 вычислены расходы отдельно для поверхностей стекания и разделительных полос применительно к параметрам дорог I - III категорий.

Определение минимальных расстояний между водосбросами произведено по величинам расчетной пропускной способности и графиком зависимости расходов от длин водосборов, построенным для каждой категории дороги, заданных в диапазоне 0,3 - 6 % уклонов и ВП стока.

Исходя из производственной целесообразности, полученные таким образом величины расстояний, были стандартизированы с точностью до 5 м.

Рекомендуемые расстояния между водосбросами приведены в табл. 4, 5, 6. Ширина разделительной полосы в табл. 5 и 6 принята равной 12,5 м.

Приведенные в табл. 6 расстояния применяют только для системы лотков Б-1, Б-3 и телескопических конструкций лотков, разработанных Союздорпроектом для типового «Альбома водоотводных устройств на железных и автомобильных дорогах общей сети Союза ССР», а также для сооружений, аналогичных рассмотренным и приведенных в других типовых проектах.

Однако в практике проектирования могут возникнуть случаи, когда требуется произвести расчеты для обеспечения поверхностного водоотвода индивидуально, например, для дорог IV - V категорий, при увеличении числа полос движения или ширины разделительной полосы, для других конструкций водосбросных сооружений и т.п. Для всех этих случаев определение расстояний между водосбросными сооружениями может быть выполнено по данному способу.

Телескопические лотки на откосах устраивают при продольных уклонах дороги, равных 0,3 % и более. Расстояние между лотками для различных величин продольных уклонов дороги определяют по табл. 4 путем интерполяции. Независимо от продольных уклонов дороги необходимо предусматривать постановку телескопических лотков перед водопропускными сооружениями.

 

Таблица 4

Расстояние между лотками для различных величин продольных уклонов дороги

Ливневой район	Блоки	Категория дороги, наличие укреплений и виражей	Продольный уклон дороги, %
			0,3	0,5	1	2	3	4	5	6
			Расстояния для сброса воды с проезжей части телескопическими лотками, м
I		I (с укрепленной обочиной)	60	70	60	50	40	30	25	25
		I (с неукрепленной обочиной)	70	90	80	70	60	50	40	30
	Б-1	II (без виража)	115	130	120	105	85	75	60	55
		II (с виражом)	65	80	70	60	50	40	35	30
		III (без виража)	120	140	130	110	90	75	65	60
	Б-3	III (с виражом)	65	80	70	55	45	35	30	25
II		I (с укрепленной обочиной)	75	90	80	60	50	40	30	25
	Б-1	I (с неукрепленной обочиной)	110	125	110	95	75	65	55	45
		II (без виража)	145	160	150	125	110	90	80	70
		III (с виражом)	90	110	100	75	60	45	40	35
		III (без виража)	145	160	150	125	110	90	80	70
	Б-3	III (с виражом)	90	110	100	70	55	45	40	35
III		I (с укрепленной обочиной)	45	60	45	35	30	25	25	20
		I (с неукрепленной обочиной)	65	80	70	60	50	40	35	30
	Б-1	II (без виража)	115	130	120	105	85	75	60	55
		II (с виражом)	65	80	70	60	50	40	35	30
		III (без виражом)	115	130	120	105	85	75	60	35
	Б-3	III (с виражом)	60	70	60	50	40	30	25	25
IV		I (с укрепленной обочиной)	110	125	110	95	75	65	55	45
	Б-1	I (с неукрепленной обочиной)	135	150	140	115	100	85	75	65
		II (без виража)	215	235	220	190	165	145	125	110
		II (с виражом)	120	140	130	110	90	75	65	60
		III (без виража)	215	235	220	190	165	145	125	110
	Б-3	III (с виражом)	120	140	130	110	90	75	65	60

Таблица 5

Расстояния между колодцами, м для сброса воды с разделительной полосы при отсутствии виражей

Район	Категория дороги	Продольный уклон дороги, %
		1	2	3	4
		Расстояния между колодцами, м для сброса воды с разделительной полосы при отсутствии виражей
1	1	380	220	130	95
2	1	490	270	170	115
3	1	330	180	120	80
4	1	710	400	260	180

 

Таблица 6

Расстояния между колодцами, м для сброса воды с разделительной полосы на виражах

Район	Категория дороги	Продольный уклон дороги, %
		1	2	3	4
		Расстояния между колодцами для сброса поверхностной воды с разделительной полосы на виражах
I	1	240	140	90	70
II	1	310	170	110	90
III	1	210	140	80	60
IV	1	470	250	150	100

 

Особое внимание при обеспечении отвода поверхностной воды должно быть обращено на проектирование продольного профиля дороги. Наиболее в неблагоприятных условиях находятся мосты и участки дорог на вогнутых вертикальных кривых, а также горизонтальные участки дорог с высокой насыпью.