Проектирование водостока в городах



В учебном пособии рассмотрены основные вопросы организации поверхностного стока, включая характеристики дождей и вертикальную планировку городских территорий и улиц, принципы размещения и гидравлический расчет водоприемных колодцев, расчет лотка проезжей части и движения воды в коллекторе водостока. Изложены нормативные данные по проектированию основных элементов водостока и водосточной сети; гидрологический и гидравлический расчет водосточного коллектора; расчёт конструктивных элементов водосточной сети (по прочности); методы регулирования поверхностного стока. Даны таблицы для расчета коллектора водосточной сети. 

Пособие предназначено для студентов специальности 2910, изучающих курс "Подземные инженерные сети". 

ВВЕДЕНИЕ


Современная улица представляет собой сложное инженерное сооружение, в состав которого входит подземное, наземное и надземное оборудование, непосредственно связанное с движением транспорта и пешеходов, благоустройством и внешним видом улицы. Обязательным элементом оборудования являются устройства по отводу поверхностных и грунтовых вод. 

Основным принципом водоотвода в городах является направление поверхностных вод со всех территорий города к улицам. Поэтому улицы следует рассматривать как сборные и отводящие каналы поверхностных вод. Под организованным водоотводом подразумевается организация стока дождевых и талых вод, включающая: организацию стока воды по городской территории, отведение собранных поверхностных вод в водоемы или другие места за пределами городских территорий, очистку наиболее загрязненной части поверхностного стока. 

Для отвода поверхностных вод строят водосточные сети. Грунтовые воды отводятся с помощью дренажных систем. 

1. ОРГАНИЗАЦИЯ СТОКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД


Поверхностный сток образуется дождевыми и талыми водами, а также водой от поливки и мойки улиц. При этом дождевые (ливневые, обложные) осадки в городах дают сток при слое осадков более 2 мм ввиду наличия значительных по площади водонепроницаемых покрытий (покрытий дворов, проезжей части улиц, крыши домов). В центральной части ETC число дней с осадками более 2 мм по многолетним данным в среднем составляет 70 дней в год. 

Основными параметрами, характеризующими дожди, являются: интенсивность, продолжительность и повторяемость.
Обычно рассматривают среднюю интенсивность дождя (рис.1), которая определяется из выражения

и измеряется обычно в мм/мин. Здесь hb - количество выпавших осадков за один дождь, tg - продолжительность дождя, а - интенсивность дождя по слою. Используется еще один показатель - интенсивность дождя по объему: 
q=166,7•а (л/с на 1 га территории), 
где К=166,7 - переводной коэффициент (для размерности)


Продолжительность дождя определяется в часах или минутах. Строгой закономерности выпадения дождей разной интенсивности не наблюдается. Однако установлена обратная пропорциональность между максимальной интенсивностью и продолжительностью дождей (рис. 2). Эта зависимость справедлива для дождей одинаковой вероятности появления. 

Повторяемость дождей определяется в годах для дождей определенной интенсивности. Дожди большой интенсивности повторяются реже, чем меньшей интенсивности. Кривая связи этих показателей аналогична графику интенсивность - продолжительность дождя; обычно она изображается на клетчатке вероятности, т.е. в логарифмической системе координат: в этом случае кривая выпрямляется и её легко экстраполировать. 

Организация стока поверхностных вод преследует цель сбора и удаления с территории города и улиц дождевых и талых вод. Достигается это путем вертикальной планировки городских территорий, сбора воды в лотки проезжей части проездов, затем улиц. Из лотков улиц вода поступает в систему водоотвода, которая может быть открытой или закрытой. Открытая система включает лотки, кюветы, канавы. В соответствии с действующими правилами (СНиП) в городах должна предусматриваться закрытая система водоотвода. 

Из схемы вертикальной планировки (рис. 3) видно, что сначала стекающая вода попадает в дворовую (или внутриквартальную) сеть лотков проезжей части, а затем поступает на улицу. Внутри квартала также требуется устройство водосборной сети (например, в углу, где вертикальная отметка минимальная и откуда нет стока). 

Системы городской канализации подразделяют на общесплавные, раздельные и полураздельные. 

Общесплавная система канализации пропускает ливневые и талые, а также производственные и фекальные воды. Весь сток поступает на очистные сооружения, за исключением части расхода отводных береговых коллекторов, которые во время сильных дождей сбрасываются непосредственно через ливнеспуски. Эта система канализации довольно удобна, так как все сточные воды отводятся одной системой труб и каналов. Имеет она и некоторые санитарные преимущества. Её недостаток обусловливается резким увеличением размеров очистных сооружений и диаметра труб.

Рис. 1. Диаграмма хода дождя

Рис.2. Связь интенсивности и продолжительности дождя (при одинаковой вероятности появления) 

При полной раздельной системе предусматривается устройство двух самостоятельных сетей: для отвода фекальных и производственных вод и для отвода поверхностного стока - самостоятельная сеть ливневой канализации. Сброс фекальных вод в проточные водоемы, реки, водотоки осуществляется после их полной очистки. 

При полураздельной системе канализации также устраиваются две самостоятельные системы уличных сетей, но с общими (общесплавными) отводящими коллекторами. При этом все бытовые и производственные сточные воды, весь талый и дождевой сток расчетной повторяемости поступают на очистные сооружения. При полураздельной системе отпадает необходимость устройства многочисленных отдельных очистных сооружений на городской территории. 

Закрытая система водоотвода может включать: 

- защитную (нагорную) сеть, перехватывающую поверхностные воды, стекающие к городу с возвышенной местности. Эта сеть может быть закрытой, но чаще устраивается открытой в виде нагорных каналов; 

- водосборную (первичную) сеть, собирающую поверхностные воды, выпадающие на территории города; 

- водоотводящую сеть, транспортирующую собранные поверхностные воды к водоему или другому месту сброса вод; 

- водосточные сети специального назначения (например, водостоки, перехватывающие воду на оползневых склонах, дренажи различного назначения - для понижения уровня грунтовых вод, сопутствующие подземным коммуникациям, профилактические). 

Вся водосточная сеть города слагается из бассейнов. Границы бассейна являются границами площади стока дождевых вод, притекающих к водосточной сети данного бассейна. Сеть водостоков в пределах отдельного бассейна разделяется на главный коллектор бассейна, боковые коллекторы и водостоки отдельных улиц. Главные коллекторы бассейнов располагаются по направлению основных тальвегов бассейна и имеют отдельные выпуски в проточные водотоки или коллекторы полураздельной канализации. Русла ручьев и малых речек, расположенных в пределах города, включаются в систему водоотвода в виде открытых или закрытых протоков на всем их протяжении или на отдельных участках.

Рис.3. Вертикальная планировка квартала 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОСТОЧНОЙ СЕТИ ГОРОДА


Проект водосточной сети разрабатывается на основе генерального плана застройки города, генеральной схемы развития водосточной подземной сети. Проект водосточной сети включает: 
- план бассейна с указанием направления стока по всем улицам, на котором показывается проектируемая сеть с выделением расчетных участков и точек; генплан района застройки (с геологией) с указанием размещения дождеприемных, смотровых и других колодцев; 
- продольные профили коллекторов и сточных веток; 
- конструктивные чертежи элементов и сооружений водосточной сети; 
- расчетно-пояснительную записку, включающую гидрологический и гидравлический расчеты сети, ведомость объемов работ и сметно-финансовый расчет. 

Проектирование водосточной сети города включает следующие операции: 
1. Установление границ бассейнов, трасс главных коллекторов, мест выпуска воды. 
2. Начертание сети коллекторов в каждом бассейне и установление границ частных бассейнов. 
3. Размещение водоприемных колодцев на улицах и площадях в соответствии с трассами коллекторов. 
4. Определение расчетных точек и расчетных участков на коллекторах. 
5. Определение длины каждого расчетного участка и площади бассейна стока для расчетных участков. 
6. Установление продольных уклонов каждого расчетного участка и составление профилей по трассам коллекторов. 
7. Гидрологический и гидравлический расчеты коллекторов. 
8. Разработка конструкции водосточной сети. 

В начальной стадии проектирования вся территория города разбивается на систему бассейнов, в каждом из которых намечается главный коллектор с выпуском воды в водоем или другое место сброса вод. Границы бассейнов устанавливаются по рельефу местности. Обычно используют схемы или проекты вертикальной планировки, где указаны направления стока и водоразделы. Следует помнить, что рассматривается будущий рельеф местности (рис.4). 

В каждом бассейне различают частные бассейны стока. Общий является бассейн системы, имеющей главный коллектор. Частными являются отдельные бассейны, определяющие поверхностный сток по расчетным участкам сети. Желательно, чтобы площадь общих бассейнов находилась в пределах 75…100 га. В этом случав диаметры коллекторов обычно не превышают 800…1200 мм. 

Начальные точки водосточных коллекторов, принимающих дождевые воды из первых водоприемных колодцев, намечаются из условия длины свободного пробега воды, т.е. с учетом расстояния от водораздела до первого водоприемного колодца, в пределах которого вода стекает по открытым лоткам. При этом должна учитываться допустимая высота наполнения лотков, при которой будет обеспечен пропуск расходов стока. Допустимое наполнение - 5 см. 

Главные коллекторы обычно проектируют по тальвегам и по кратчайшим направлениям от наиболее удаленной точки бассейна до места сброса воды. Однако во всех случаях положение главного коллектора должно быть увязано с планировкой улично-дорожной сети города (существующей или перспективной), Наиболее целесообразно главные коллекторы прокладывать по магистральным улицам. 

При относительно плоском бассейне желательно главный коллектор трассировать посередине бассейна. В водосточной сети на всех её участках должно быть самотечное движение воды. Поэтому все коллекторы (главные и второстепенные) прокладываются в направлении падения продольных уклонов. 

Проектирование сети водостоков должно вестись вариантным методом. Выбор окончательного варианта проводится на основе технико-экономического сравнения вариантов. Основной задачей при проектировании является полное обслуживание всей территории города, всех улиц при наименьшей длине сети и наинизшей ее строительной стоимости. 

В зависимости от ширины проезжей части на улице предусматривают прокладку одного или двух коллекторов. Критерием является длина водосточной ветки от дождеприемного колодца до коллектора (не более 40 м). Размещение коллектора в пределах улицы подчиняется общему размещению подземных коммуникаций в её поперечном профиле. Целесообразно размещать водосточный коллектор на удалении 1,5…2,0 м от лотка проезжей части.

Рис. 4. Бассейны водосточной сети города 

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЛОТКА ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ


В различных случаях важно знать или наполнение сооружения поверхностного водоотвода, или скорость протекания воды в нем. В городских условиях для сооружений закрытой системы водоотвода наиболее важно знать их наполнение. Глубины и скорости определяются, как правило, только для конечных точек расчетных участков (между дождеприемными колодцами - для лотка проезжей части). 

Для определения скорости течения воды по лотку используем формулу Шези: 


где С - коэффициент, который, по формуле Маннинга, равен 


R - гидравлический радиус потока, n - коэффициент гидравлической шероховатости (для лотков на улицах города коэффициент гидравлической шероховатости может быть принят равным 0,02), J - уклон потока (продольный уклон улицы по лотку проезжей части). 

Перепишем формулу Шези с учетом формулы Маннинга и величины коэффициента гидравлической шероховатости: 



Расход воды 



В выражениях для скорости и расхода потока множители перед уклоном принято объединять, обозначать единым показателем и называть: 
для скорости  - скоростная характеристика расчетного сечения потока; 
для расхода  - расходная характеристика расчетного сечения потока. 
W и K зависят от геометрического очертания и размеров поперечного сечения потока. 



Имеются стандартные поперечные сечения водоотводных сооружений. Для лотка проезжей части поперечное сечение имеет вид, показанный на рис.5. 

Допустим, задана форма потока, протекающего по стандартному поперечному сечению. Для разных глубин можно вычислить характеристики потока W и K, построить график их зависимости от глубины (рис.6). 

Порядок расчета лотка (и любого другого водоотводного сооружения) следующий. 

1. Подсчитывается расход потока по формуле 


где q - интенсивность расчетного дождя, л/с на 1 га территории; F - площадь бассейна, га; ? - коэффициент стока; ? - коэффициент, учитывающий неравномерность выпадения дождя. 

2. По величине расхода и уклона лотка проезжей части подсчитывают расходную характеристику расчетного сечения потока К. 

3. Значение расходной характеристики Kф откладывают на оси абсцисс графика рисунка и графически находят фактическую глубину потока hф, соответствующую расходуQф. 

4. Из точки пересечения горизонтальной линии, проведенной на уровне hф, с кривой W находим по графику значение скоростной характеристики потока Wф, а затем подсчитываем и фактическую скорость потока: 


где J - уклон лотка.


Читать далее >>>