Учебное пособие по организации поверхностного стока и проектированию водосточных сетей МАДИ, Москва, 1988 г.

Учебное пособие МАДИ

Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом МАДИ

Москва, 1988

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.

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.

Поверхностный сток образуется дождевыми и талыми водами, а также водой от поливки и мойки улиц. Основными параметрами, характеризующими дожди, являются: интенсивность, продолжительность и повторяемость. Обычно рассматривают среднюю интенсивность дождя, которая определяется из выражения a = h_в / t_г (мм/мин), где h_в — количество выпавших осадков за один дождь, t_г — продолжительность дождя. Используется также интенсивность дождя по объему: q = 166,7 · a (л/с на 1 га территории).

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. В соответствии с действующими правилами (СНиП) в городах должна предусматриваться закрытая система водоотвода.

Системы городской канализации

• Общесплавная система — пропускает ливневые и талые, а также производственные и фекальные воды. Весь сток поступает на очистные сооружения.
• Полная раздельная система — предусматривает две самостоятельные сети: для отвода фекальных и производственных вод и для отвода поверхностного стока (ливневая канализация).
• Полураздельная система — также две сети, но с общими (общесплавными) отводящими коллекторами. Все бытовые и производственные сточные воды, весь талый и дождевой сток расчетной повторяемости поступают на очистные сооружения.

Закрытая система водоотвода включает:

• защитную (нагорную) сеть, перехватывающую поверхностные воды, стекающие к городу с возвышенной местности;
• 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).

Проект водосточной сети разрабатывается на основе генерального плана застройки города, генеральной схемы развития водосточной подземной сети. Проект включает:

• план бассейна с указанием направления стока по всем улицам, с выделением расчетных участков и точек;
• 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.

Последовательность проектирования: установление границ бассейнов и трасс главных коллекторов; начертание сети коллекторов; размещение водоприемных колодцев; определение расчетных точек и участков; определение длин и площадей бассейнов; установление продольных уклонов; гидрологический и гидравлический расчеты; разработка конструкции.

Для определения скорости течения воды по лотку используется формула Шези: V = C · √(R · J), где C — коэффициент, определяемый по формуле Маннинга: C = (1/n) · R^1/6. R — гидравлический радиус потока, n — коэффициент гидравлической шероховатости (для лотков на улицах города n = 0,02), J — уклон потока.

Расход воды определяется как Q = ω · V. Вводятся понятия скоростной характеристики W = ω · R^2/3 / n и расходной характеристики K = W · √R. Графики зависимости W и K от глубины потока позволяют находить фактическую глубину и скорость.

Порядок расчета лотка:

• подсчет расхода Q = q · ψ · F · η;
• по расходу и уклону находят расходную характеристику K;
• по графику K = f(h) находят фактическую глубину h_ф;
• по графику W = f(h) находят скоростную характеристику W_ф и вычисляют скорость V = W_ф · √J.

Водоприемные колодцы предназначены для приема поверхностных вод. Устанавливаются на улицах и площадях: в пониженных местах, на перекрестках, у въездов в кварталы, в лотках проезжей части между перекрестками. Расстояние между колодцами назначается по нормам (50–80 м в зависимости от уклона) или определяется расчетом.

Пропускная способность одной горизонтальной решетки определяется по формулам для водослива с широким порогом. Протяжение веток от водоприемного колодца до коллектора обычно не более 40 м. Уклон веток не менее 0,005, рекомендуемый — 0,02…0,03. Диаметр веток 200…300 мм.

Наименьшая глубина заложения принимается по местным условиям. Рекомендуется закладывать лоток коллектора при его диаметре до 500 мм на 0,3 м ниже наибольшей глубины промерзания грунта, а при диаметре более 500 мм — на 0,5 м ниже. Нормальная глубина заложения 2…3 м, предельная — 5…6 м.

Коллекторы имеют круглое поперечное сечение. При полном заполнении гидравлический радиус R = d/4. Скорость определяется по формуле Шези с использованием коэффициента Маннинга (n = 0,014 для эксплуатационного периода). Вводятся скоростная и расходная характеристики.

Возможны два случая расчета: коллектор работает без напора (частичное заполнение) и под напором (полное заполнение, уровень воды в колодцах поднят выше трубы). Предельный расход Q_нап = K · √J. Если Q_ф > Q_нап, то h = d и фактический уклон потока J_факт = (Q_ф / K)².

Размещаются на водосточной сети в местах изменения направления уклона и диаметра коллекторов, а также в местах присоединения боковых коллекторов и веток дождеприемных колодцев. На прямых участках расстояние между смотровыми колодцами зависит от диаметра коллектора (от 50–60 м при d=0,3 м до 80–130 м при d > 1,5 м). Смотровые колодцы устраивают по типовым чертежам.

Выпуски водосточной сети желательно устраивать вне границ застройки города, но это не всегда экономически выгодно. Устройство выпусков на территории города позволяет уменьшить площадь бассейнов и размеры коллекторов. Выпуск обычно устраивается незатопленным, но иногда делают затопленные выпуски.

Расчетный расход от дождевых вод: Q = q · ψ · F · η, где q — расчетная интенсивность дождя (л/с на 1 га), ψ — коэффициент стока, F — площадь стока (га), η — коэффициент неравномерности (учитывается при F > 300 га).

Расчетная интенсивность дождя: q = A / tⁿ, где A = q₂₀ · (1 + c · lg P) · 20ⁿ, t — продолжительность дождя (мин), P — период однократного выпадения, n — числовой параметр.

Продолжительность расчетного дождя: t = t_к + t_л + t_тр, где t_к — время поверхностной концентрации (5–10 мин), t_л — время протекания по лотку, t_тр — время протекания по трубам.

Коэффициент стока ψ зависит от типа поверхности. Средний коэффициент стока для бассейна: ψ_ср = Σ(ψ · f) / F. При переменном значении коэффициента стока используется параметр Z.

Расчет производится по формулам Шези и расхода потока: Q = ω · V, V = C · √(R · J). Коэффициент С определяется по формуле Маннинга: C = (1/n) · R^1/6. Вводятся скоростная и расходная характеристики. Расчет выполняется обычно в табличной форме.

10.1. Расчет прочности труб — определение глубины заложения или подбор сечения стенки. Расчетный изгибающий момент в стенке трубы определяется от постоянной (вес грунта, собственный вес трубы) и временной (нагрузка от колес автомобилей) нагрузок. Для бетонных, железобетонных, асбоцементных и керамических труб используются разные расчетные зависимости.

10.2. Основания под водосточные трубы — рассчитываются на прочность как балки на упругом основании.

10.3. Расчет прочности смотровых и дождеприемных колодцев — крышка рассчитывается как балка на двух опорах или плита, опертая по контуру. Стенки колодцев рассчитываются как плиты на воздействие нагрузки от автомобилей.

Для уменьшения размеров поперечного сечения крупных коллекторов применяют регулирующие пруды. Они задерживают часть стока и сбрасывают его после спада дождя. Уравнение баланса: W = W_пр + W_обв. Объем воды, задерживаемой прудом, определяется по формуле W_пр = 60 · K · Q_p · t_p. Зарегулированный расход (по обводному коллектору): Q_обв = α · Q_p, где α — коэффициент регулирования.

Лотки, кюветы и канавы используются для направления стекающей воды. Форма канав — трапециевидная. Минимальная ширина по дну 0,3 м, глубина 0,4 м, уклон не менее 0,005. Откосы укрепляются в зависимости от грунта. Гидравлический расчет канав выполняется по тем же формулам, что и для лотков. Расчетная скорость должна быть меньше неразмывающей и больше незаиляющей.

Малые протоки (речки, ручьи) на территории городов заключаются в трубы-коллекторы. Расчетный расход определяется с учетом стока с городской территории и транзитного расхода с внегородской части бассейна. Коллекторы могут иметь сечение до 3–3,5 м в диаметре или прямоугольное сечение.

В пособии приведены основные методы расчета и проектирования водосточных сетей, включая гидрологический и гидравлический расчеты, конструктивные решения и регулирование стока. Материал предназначен для студентов специальности 2910, изучающих курс «Подземные инженерные сети».

Примечание: В оригинале документа приведены подробные таблицы гидравлического расчета коллекторов (для разных диаметров и уклонов), а также список литературы. При привязке к конкретным условиям проектирования уточняются расчетные параметры.