МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 532.5

СРАВНЕНИЕ МЕТОДИК РАСЧЁТА РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ

 ДОЖДЕПРИЁМНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

 

М.В. Беспрозванный –  аспирант;  Н.В. Ханов – д.т.н., доцент;  

ФГОУП ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Составляющая часть гидравлического расчёта водоотводных систем заключается в определении расстояний между дождеприёмными решётками, установленными на затяжных уклонах, из условия незатопляемости проезжей части дорожного полотна. Это условие оговорено в СНИП 2.04.03-85. В нём сказано, что ширина водного потока в прибордюрном лотке не должна превышать 2 м. Следовательно, при помощи дождеприёмных устройств, необходимо «обеспечить» такой расход в прибордюрном лотке, чтобы соблюдалось это условие. При проектировании водостоков особое внимание следует уделять расположению дождеприёмных устройств, так как недостаточное их количество уменьшает эффективность затрат и снижает безопасность движения, а избыточное количество приводит к увеличению стоимости строительства и эксплуатации [2]. Существующие рекомендации  по определению расстояний между дождеприёмниками  отличаются между собой, что видно из табл. 1.

Таблица 1

Расстояния между дождеприёмниками lp в зависимости от продольного уклона лотка [2]

 

Автор, источник, год

Условия использования

Расстояния lp, м при i0, %0

2

3

4

5

6

7-10

11-30

31-80

ТуиН Н-1016(1962)

Вул.<=24 м

50

50

50

60

60

70

80

60

ВСН-Э-63

Вул.<=24 м

50

50

50

60

60

70

80

60

СНИП-П-32-74

Вул.<=30 м

50

50

50

60

60

70

80

60

Молоков М.В. (1964)

Вул.<=24 м

50

50

50

60

60

70

80

60

Меркулов Е.А. (1973)

Сток только с улицы и тротуаров

50

50

50

60

60

70

80

90

Бакутис В.Э. (1970)

 

50

50

60

60

60

70

80

60

 

В таблице Вул.   ширина улицы. В этой таблице авторы не дают обоснования выбора расстояния, также не ясно, почему с увеличением продольного  уклона расстояния сначала увеличиваются, а затем уменьшаются.

В настоящее время существуют две основные методики определения величины расчётного расхода, в зависимости от которого определяются расстояния между водоотводными устройствами (см. рис. 1) [8].

 

 

Рис. 1. Расчётная схема для определения расстояний между

водоотводными устройствами

Все водоотводные устройства рассчитываются на дождевой сток, так как предполагается, что снег с дорог убирается регулярно [1, 2, 4]. Расчёт заключается в определении расстояния от водораздельной точки до первого устройства L0. На этом участке формируется расчётный расход Q0, определяющий необходимую ширину водного потока в прибордюрном лотке, равную 2 м. На последующих участках, расстояния Li будут определяться с учётом образования расхода проскока мимо дождеприёмного устройства, который зависит от пропускной способности конкретного водоотводящего устройства. Поэтому, чтобы «сохранить» прибордюрный расход Q0 необходимо, чтобы расчётный расход на втором участке был меньше расхода на первом на величину расхода проскока. То есть Qрасч.i = Q0 - Qпр.i, где  Qпр.i – расход проскока. По величине Qрасч.i будут определяться расстояния Li по той же методике расчёта, что и L0. Эти расстояния будут меньше L0, так как расчётный расход Qрасч.i < Q0  на величину расхода проскока Qпр.i  [5].

Определение расчётного расхода по Инструкции для проектирования систем водоотвода на аэродромах /Аэродромная методика/ [1, 4].

Расчёт водоотводных систем на дождевой сток следует производить по методу предельных интенсивностей [1, 4]. По этому методу расчётный расход Q равен

                                                               Q = S F,                                                                 (1)

где  S – величина стока,  л/с с 1 га; величина S равна

                                                         S = ,                                                         (2)

где y – коэффициент стока, определяется по рекомендациям [4] в зависимости от материала покрытия, y = 0,95 для асфальтобетона;   D – параметр, равный интенсивности одноминутного дождя принятой повторяемости, мм/мин;  t – продолжительность дождя, равная времени добегания воды до рассчитываемого сечения, мин;

                                                            t= tскл + tлот.                                                             (3)

tскл – время добегания воды по склону (время поверхностной концентрации ), мин;  tлот.   время добегания воды по лотку, мин;  n – показатель степени, который характеризует изменение расчётных интенсивностей дождей во времени.

Значение параметра D равно

                                                                                             (4)

где q20 – параметр, равный интенсивности дождя продолжительностью 20 мин при Р = 1 год., л/с на 1 га;  С – коэффициент, учитывающий климатические особенности районов РФ, С = 0,85;  Р – период повторяемости расчётных интенсивностей дождей в годах.

Величины q20, n, C определяются по картограммам, приведёнными на рис. 1-5 в [4] , а период повторяемости  расчётных интенсивностей дождей   Р  принимается равным 1 году [8];  F – площадь водосбора для рассчитываемого сечения, га. F = L×В/10000, где  L – длина водосбора, м; в наших расчётах L = L0 – искомая величина;  B – ширина водосбора, м.

Время добегания воды по склону (время поверхностной концентрации) определяется по формуле (5) [1, 4]

 

(5)

где   Врасч. – расчётная ширина склона стока, м;   Iрасч. – расчётный уклон склона;   n* – коэффициент шероховатости (СНИП 2.05.02-85) [7], в разных источниках даются разные значения для асфальтобетона.

При соотношении продольных и поперечных уклонов склона Iпрод/Iпопер. ³ 0,5 расчётные величины уклона и длины склона принимаются по линии наибольшего ската и определяются по формулам (6) и (7):

                                                                                                   (6)

                                                                                          (7)

где  Iпрод. – продольный уклон;    Iпопер. – поперечный улон;   В – фактическая ширина склона.

При соотношении   Iпрод./ Iпопер. < 0,5   Iрасч. = Iпопер., а  Врасч.     [1, 4].

Время добегания воды по лотку tлот. определяется по формуле (8) или по номограмме  [4]

 

  (8)

где  lлот. – длина участка лотка (дороги), м;  vлот. – скорость движения дождевых вод в конце лотка, м/с.

Значение vлот. определяется по формуле (9)

 

(9)

где  hл – глубина потока в лотке в низовом сечении расчётных участков  [1, 4];  Iпрод. – продольный  уклон прибордюрного лотка. По данной методике был произведён расчёт зависимости L = f (Q) для автодороги с  Iпрод. = 0,005, Iпопер. = 0,02, B = 7,5 м – ширина дорожного полотна (2-полосная дорога). По требованиям безопасности ширина водного потока в лотке – 2 м. (см. рис. 2). Соответствующий этой ширине водного потока расход Q0 в прибордюрном лотке определяется по формуле (10) при n = 0,018 – (шероховатость асфальтобетона), i0 = Iпрод. = 0,005;  iп  = Iпопер. = 0,02;  Q0 = 11,5 л/с.

Методика расчёта расстояний между дождеприёмными решётками по СНИП 2.04.03-85 [5, 6, 8 ]

Определяем  Q0 – расход в лотке при В = 2 м – максимально допустимый прибордюрный расход  [5, 8].

                                                                                               (10)

м3/с = 11,5 л/с.

Расход, формирующийся на водосборе площадью F СНИП 2.04.03-85 рекомендует определять по формуле (11) [6]:

                                                  л/с                                                (11) 

где    zmid    среднее значение коэффициента, характеризующего поверхность бассейна стока. Для  асфальтобетонных покрытий дорог zmid зависит от А и определяется по таблице [6],  zmid = 0,273;  А - параметр, определяемый по результатам обработки многолетних записей самопишущих дождемеров, зарегистрированных в данном конкретном пункте.

При отсутствии обработанных данных допускается параметр А определять по формуле (4) [6

                                                                                                 (12)

где q20 – интенсивность дождя, л/с на 1га, для данной местности продолжительностью 20 мин. при Р = 1 год, определяемая по чертежу 1 [6].  Для Москвы  q20 = 80 л/с/га;  n  показатель степени, определяемый по табл. [6],  n = 0,71;  mr – среднее количество дождей за год, принимаемое по табл.4 [6],  mr = 150;   P – период однократного превышения расчётной интенсивности дождя, принимаемый по табл.5 [6],  Р = 1;  g  – показатель степени, принимаемый по табл.4 [6] ,  g = 0,71.

,

где  tr расчётная продолжительность дождя, мин  tr = tп +  tд ;  tп – время поверхностной концентрации и стекания воды по поверхности дороги, определяемое, исходя из условия смачивания поверхности  водосбора  предыдущими  дождями

                                                                                                          (13)

где   0,0167 – переходный коэффициент от секунд в минуты [5, 6];   Врасч. – фактическое расстояние сброса от водораздельной точки поперечного сечения автодороги до оси продольного водосбросного лотка;  cosj    коэффициент, учитывающий замедление скорости стекания за счёт растекания воды под углом к нормальному направлению поперечного уклона проезжей части  (угол растекания принят равным 45-60°). Угол j зависит от продольного  i0 и поперечного iп уклонов дороги и изменяется в зависимости от их различного сочетания в пределах 45-60°. Определяя скорость стекания, в качестве расчётного нужно применять уклон по направлению расчётного угла растекания, который равен  ; [14]

 v – скорость стекания воды  с поверхности дороги, м/с, определяется по формуле (14) [5].

                                                                                                              (14)

где   n* = 0,018 – коэффициент шероховатости для асфальтобетона;   iп = 0,02 – поперечный уклон;   h1% = 0,01м – максимальный слой одновременного стока при дожде расчётной повторяемости, принимаемый для дождя 1% вероятности превышения  равным 0,01 м [6];  tд – время добегания по лотку до рассчитываемого сечения, мин., определяется по формуле (15) [6]

                                                       ,                                                      (15)

где    m – обратная величина коэффициента шероховатости,    m = 55,5 (асфальтобетон);

L – расстояние между расчетными сечениями;   h0 – максимальная глубина воды в лотке  h0 = 0,04 м, уменьшенная вдвое, h0 = 0,02 м. [5]; 0,0167 – переводной коэффициент из секунд в минуты.

Рис. 2. Схема к расчёту максимальной глубины наполнения лотка

       

        Сравнение двух методик

Для нижеприведённых исходных данных были проведены расчёты расстояний между дождеприёмными устройствами.

Расчёт проводился в таблицах EXCEL с определением расходов Q в зависимости от  величины L0. В процессе расчёта задавались произвольные значения L0, по которым рассчитывались по нижеприведённым формулам (1-15) величины tлот., tскл., vлот., F и другие, вычислялись значения расходов Q, формирующиеся на водосборе площадью F. Только одному значению L0 соответствует расход в прибордюрном лотке Q0. При заданных условиях были получены следующие результаты расстояний: по «Аэродромной методике» расходу в прибордюрном лотке, равному 11,5 л/с соответствует расстояние от водораздела до первой решётки, равное 95 м., а по методике СНИП 2.04.03-85 – 65 м. В табл. 2 приведено сравнение вычисляемых промежуточных величин (tскл, tлот., tрасч., vлот.) для расстояний 65 и 95 м, полученных по обеим методикам.

Таблица 2

Промежуточные значения  величин для определения L0

 

tскл., мин

tлот., мин

tрасч., мин

vлот., м/с

L0, м

«Аэродромная методика»

0,96 (по 5)

5,47 (по 8 и 15)

6,43 (по 3)

0,29 (по 9)

95

Методика по СНИП 2.04.03-85

0,31 (по 13 )

3,75 (по 8 и 15)

4,06 (по 3)

0,29 (по 9)

65

 

Если сравнивать промежуточные значения, то можно увидеть, что время добегания воды по лотку одинаково при равных расстояниях в обеих методиках; отличия наблюдаются лишь в значениях времени поверхностной концентрации стока (tскл.). Величины tлот. и vлот. при заданных одинаковых расстояниях совпадают.  По методике СНИП 2.04.03-85 tп = 0,31 мин, а по «Аэродромной методике»  tп = 0,96 мин. Дальнейший анализ показал, что различие во времени происходит из-за различных значений гидрологического параметра n. По табл. 3 [6]  n = 0,71, а по карте-схеме [4]  n = 0,67. Если принять в качестве верного коэффициент n из табл. 3 [6], равный 0,71 и посчитать время поверхностной концентрации стока по формуле (5), так как она учитывает больше факторов, влияющих на формирование стока, чем формула (13), то обе методики дают одинаковое значение расстояния от водораздела до первой решётки, равное 82 м. Формула (13) требует определение значения h1%– максимального слоя одновременного стока при дожде расчётной повторяемости, принимаемый для дождя 1%-й вероятности превышения  равным 0,01м. Скорее всего, на разных поверхностях эта величина будет также разной и это предположение справедливо для грунтовых поверхностей при приблизительных расчётах. Кроме того, величина угла растекания воды j, также будет зависеть от материала и типа покрытия, а не только от геометрических и геодезических параметров поверхности. Поэтому формула (13) применима лишь для приблизительных расчётов, в то время, как формула (5) учитывает не только геометрические параметры покрытия, но и характеристику проницаемости покрытия в виде коэффициента стока y. Поэтому, этой формуле мы отдаём предпочтение в наших расчётах. Заменив формулу (13) в методике из СНИП 2.04.03-85 формулой (5) и проведя расчёт для исходных данных, получаем искомую величину L0 = 82 м, которой сответствует расход в прибордюрном лотке Q0 = 11,5 л/с. При  других продольных уклонах был проведён расчёт расстояний и сравнительный анализ расстояний при учёте величины Iрасч. и Врасч. (6), (7).

 

Таблица 3

Расстояния между дождеприёмными устройствами в зависимости

от продольных уклонов дорожного полотна

 

I0

Iрасч

Врасч, м

V лот., м/с

Tсклон.

Q0, л/с

L0, м

0,003

0,02

7,5

0,22

0,89

9

65

0,004

0,02

7,5

0,26

0,89

10,4

75

0,005

0,02

7,5

0,29

0,89

11,5

82

0,01

0,02

8,39

0,41

0,94

16,4

92

0,015

0,03

9,38

0,5

0,98

20,1

89

0,02

0,03

10,61

0,58

1,03

23,2

82

0,03

0,04

13,52

0,71

1,14

28,4

67

 

Из таблицы 3 видно, что с увеличением продольного уклона расстояния между дождеприёмниками сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Причину этого явления ещё предстоит выяснить.

Используя формулу (5), можно определять расстояния между дождеприёмными устройствами по любой из двух методик при различных сочетаниях продольных и поперечных уклонов, а также для различных ширин автодороги и материала покрытия. Таким образом, используя скорректированную методику расчёта, можно получить научно обоснованные расстояния между водоотводными устройствами, что позволит избежать затоплений на проезжей части автодорог.

 

Библиографический список

 

1.      Блохин В.И., Белинский И.А. Аэродромы гражданской авиации (Вертикальная планировка, водоотвод и дренаж покрытия). – М.: Воздушный транспорт, 1996.

2.      Карагодин В.Л.,  Молоков М.В.  Отвод  поверхностной воды с городской территории. – М.: Стройиздат, 1974.

3.      Овчинников И.Г. Проезжая часть автодорожных мостов (Дорожная одежда, гидроизоляция, водоотвод). – Саратов, 2003.

4.      Инструкция по проектированию систем водоотвода на аэродромах. – М., 1982.

5.      Ильина А.А. Методика расчёта и проектирования водоотвода с поверхности автомагистралей. Автореф. дис....канд. техн. наук. – М.: МАДИ, 1999.

6.      СНИП 2.04.03-85. Канализация.

7.      СНИП 2.05.02-85. Автомобильные дороги.

8.      Отчёт о НИР 3. «Разработка усовершенствованных конструкций и методик расчета         сооружений для отвода и очистки вод поверхностного стока с покрытий дорог и мостов с составлением рекомендаций». – М.: МГУП, 2004.