10.3. Сооружения поверхностного водоотвода
Несмотря на все многообразие сооружений поверхностного водоотвода их можно разделить на несколько типов.
1. Для дорог I-III категорий водоотвод может обеспечиваться прикромочными водоотводными лотками, расположенными вдоль кромок проезжей части (рис. 10.1).
Прикромочные лотки проектируют на участках дорог I-III категорий с продольными уклонами более 3‰, насыпями высотой более 4,0 м, в местах вогнутых вертикальных кривых, перед мостами и путепроводами и за ними. На участках дорог с односкатным поперечным профилем (виражом) специальный водоотвод устраивается только с низовой части поперечного профиля (внутренней стороны закругления).
На дорогах II-III категорий взамен прикромочных лотков может применяться специальная конструкция щебеночных обочин (рис. 10.1д), которая действует по принципу растекания и поглощения водного потока, стекающего с проезжей части. Эта же конструкция может применяться при стадийном строительстве покрытий на дорогах I категории на первой стадии строительства на участках вогнутых вертикальных кривых и коротких участках высоких насыпей.
Рис. 10.1. Водоотвод с проезжей части дорог прикромочными лотками: а – лоток непрерывного формования из асфальтобетона; б – то же, из монолитного бетона или бетонных плит; в – то же, из монолитного бетона или бетонных блоков; г – борт из бетонных бортовых блоков; д – щебеночные обочины
Прикромочные лотки устраивают способом непрерывного формования из асфальтобетона (рис. 10.1а), бетона или сборных бетонных элементов (рис. 10.1в, г).
На автомобильных дорогах IV-V категорий водоотвод с поверхности насыпей, как правило, обеспечивается равномерным площадочным стеканием воды с проезжей части на обочину, затем по откосу в кювет-резерв или другую водоотводную систему. В этом случае скорость стекания воды с проезжей части и обочин полностью зависит от их поперечного уклона, типа и состояния дорожного покрытия. Необходимые конструктивные мероприятия по обеспечению поверхностного водоотвода выявляются в процессе проектирования для каждого конкретного случая. При этом может оказаться целесообразным укрепление откосов дорожного полотна от размывов поверхностным стеканием воды.
Для автомобильных дорог с разделительной полосой дополнительно требуется отвод воды с поверхности этой полосы и вывод за пределы земляного полотна. Сброс воды с разделительных полос выпуклого очертания обеспечивается продольными и поперечными уклонами. Для приема и сброса воды с разделительных полос вогнутого очертания требуются подводящие укрепленные русла, расположенные на разделительных полосах, дождеприемные колодцы, водосточные трубы под насыпью, а также выходные русла. Из-под высокой насыпи воду выводят в поперечные откосные водосбросные лотки.
2. Боковые канавы (кюветы) устраивают в выемках и у насыпей высотой до 1,0-1,2 м (рис. 10.2). Эти канавы служат для отвода воды, стекающей во время дождя и таяния снега с поверхности дороги и прилегающей к ней местности. Боковые канавы способствуют также осушению верхней части земляного полотна в связи с испарением влаги с внутренних откосов боковых канав. Однако положительное действие боковых канав сказывается лишь при быстром отводе из них воды.
Рис. 10.2. Виды различных водоотводных канав: а – канавы, совмещенные с боковыми резервами; б – трапецеидальные и треугольные боковые канавы; в – нагорные канавы у выемок
При водонепроницаемых грунтах и малоудовлетворительных условиях поверхностного стока боковым канавам придают трапецеидальное сечение с шириной по дну 0,4 м и глубиной обычно 0,7-0,8 м (до 1,0-1,2 м как максимум), считая от бровки насыпи. Откосам канав в выемках придают крутизну 1:1,5, а у насыпей внутренний откос канав имеет крутизну 1:3 (рис. 10.2а).
Если земляное полотно возводят в сухих местах с обеспеченным быстрым стоком поверхностных вод, а грунтовые воды расположены глубоко, боковые канавы устраивают треугольного сечения глубиной не менее 0,3 м от поверхности земли (рис. 10.2б). Крутизна откосов таких канав 1:3 и менее обеспечивает автомобилям возможность безопасного съезда с насыпи. В водопроницаемых песчаных, щебенистых и гравелистых грунтах, обеспечивающих быстрое впитывание воды в любое время года, канавы не устраивают.
В выемках, расположенных в гравелистых, щебенистых грунтах или легковыветривающихся скальных породах, устраивают трапецеидальные канавы глубиной не менее 0,3 м с откосами 1:1.
Глубину канав в равнинной местности назначают по опыту эксплуатации в указанных выше пределах, проверяя в случаях необходимости при значительном притоке воды с окружающей местности достаточность пропускной способности канав гидравлическими расчетами. При этом глубину канав назначают так, чтобы низ выхода дренажного слоя дорожной одежды на откос (или дренажных воронок) возвышался над дном канавы не менее чем на 20 см. При помощи боковых водоотводных и нагорных канав поверхностные воды отводятся в пониженные места (лога, тальвеги) и пропускаются через дорогу, для чего в логах строят водопропускные трубы под насыпями и малые мосты.
Если приток воды слишком большой, водоотводные канавы или резервы могут переполняться, и не будут выполнять своих функций по осушению земляного полотна. В связи с этим вода из боковых канав и резервов, расположенных с нагорной стороны, сбрасывается на низовую сторону дороги перепускными трубами, располагаемыми не реже чем через 500 м вдоль дороги на спуске к тальвегу.
Поверхностные воды притекают к рассматриваемому участку дороги с некоторой площади, называемой водосбором (бассейном). Бассейн оконтурен водоразделом, т. е. линией, от которой сток воды происходит в обе стороны (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Схема малого бассейна: 1 – общий водораздел; 2 – местные водоразделы
Площадь бассейна делится на две части:
с площади а вода притекает по тальвегу непосредственно к водопропускному сооружению (мосту, трубе) и по водоотводным канавам не проходит;
с площади б, а также с поверхности дороги вода притекает сначала к канавам или к резервам, а по ним либо к перепускным трубам (если длина спуска дороги к тальвегу велика), либо к водопропускному сооружению на тальвеге.
Водораздел, окаймляющий весь бассейн, легко устанавливается по карте в горизонталях. Водоразделы, окаймляющие площадки б, которые питают канавы, проводятся в виде наклонных линий, перпендикулярных к горизонталям на плане бассейна.
Из двух возможных видов стока (ливневых и талых вод) наиболее опасным для канав и резервов всегда является ливневый. Особенность стока с очень малых площадок (к которым относятся и площадки б на рис. 10.3) – постоянный расход в течение весьма длительного времени. К водопропускным сооружениям (мостам и трубам) вода притекает с достаточно больших площадей, и график притока как ливневых, так и талых вод меняется, что отражается на длительности пика паводка (рис. 10.4).
Рис. 10.4. Графики притока воды во времени: а – к кюветам; б, в – ливневых и талых вод к малым мостам и трубам; г – ливневых и талых вод со значительных площадей
При этом ливневые воды притекают по почти треугольному гидрографу, а талые – чаще всего по трапецеидальному, но с верхним основанием, значительно меньшим нижнего при весьма значительных площадях бассейнов. Талые воды притекают к дорожным водопропускным сооружениям по треугольным гидрографам.
При проектировании водоотводных канав, являющихся элементами земляного полотна, исходят из вероятностей превышения расчетных расходов воды: для I и II категории – 2%, III – 3%, IV и V – 4%.
Для того чтобы быстро отвести воду, боковым канавам придают продольный уклон, который не должен быть менее 5‰. Если это требование удовлетворить нельзя, рабочую отметку насыпи необходимо настолько увеличить, чтобы низ дорожной одежды возвышался над уровнем длительного стояния вод на требуемую высоту. На участках дорог с большими продольными уклонами боковые канавы укрепляют по гидравлическому расчету исходя из количества воды, притекающей с дороги и прилегающей местности.
3. Нагорные канавы служат для перехвата воды, стекающей по косогору к дороге, и для отвода этой воды к ближайшим искусственным сооружениям, в резервы и пониженные места рельефа (рис. 10.2в и 10.5).
Рис. 10.5. Нагорные канавы: а – у насыпи; б – у выемки; 1 – насыпь; 2 – нагорная канава; 3 – откос выемки
Нагорным канавам придают трапецеидальное поперечное сечение, размеры которого всегда приходится обосновывать гидравлическим расчетом. При расчете длинных канав учитывают увеличение бассейна вдоль канавы по мере удаления от водораздела. Поэтому сечение нагорных канав обычно подбирают по отдельным участкам по мере возрастания площади водосборных бассейнов. Нагорные канавы трассируют на местности с таким продольным уклоном, при котором вода не размывала бы грунт.
Во избежание сплывов и оползания откосов выемки из-за переувлажнения грунта, которое может возникнуть в результате случайного засорения нагорной канавы, расстояние от края выемки до канавы должно быть не менее 5 м. На косогорах с откосом круче 1:5 грунт из нагорных канав используют для устройства невысокого валика (банкета) между выемкой и канавой. Банкет повышает безопасность дороги от затопления при переполнении нагорной канавы. В местах перехода дороги из выемки в насыпь канавы отводят с нагорной стороны в резерв, а с низовой выводят на поверхность грунта в сторону выемки (рис. 10.6). Для стока воды дно резерва по окончании земляных работ тщательно планируют с уклоном 20‰ от насыпи. Резервам, ширина которых превышает 6 м, придают вогнутый профиль с уклоном к середине. При продольном уклоне резерва менее 5‰ для лучшего отвода воды в середине резерва делают канаву шириной по дну 0,4 м. Канавы, отводящие воду из резервов, должны быть укреплены против размыва.
Рис. 10.6. Выпуск воды из нагорных канав и кюветов в резервы
По боковым кюветам и нагорным канавам вода стекает со скоростью, зависящей от их продольного уклона, поперечного профиля канавы, глубины потока и степени шероховатости стенок канавы. При скорости течения, меньшей 0,3-0,4 м/с, канава засоряется и в ней возникает застой воды. Поэтому не допускается уклон водоотводных канав менее 2‰.
При слишком большой скорости течения грунт начинает размываться, в связи с чем дно и откосы канав необходимо укреплять против размыва. Откосы канав укрепляют сплошной одерновкой, дно – щебнем, грунтом, обработанным органическими вяжущими материалами, одиночным мощением и каменной кладкой на цементном растворе. Часто применяют бетонные укрепления. Укрепления канав назначают по гидравлическому расчету.
4. В равнинной местности, застойных местах, когда нельзя отвести воду от дороги по боковым водоотводным канавам в естественные понижения местности или к водопропускным сооружениям, устраивают в стороне от дороги испарительные бассейны. Эти бассейны представляют собой котлованы, вокруг которых делают земляные валики для того, чтобы преградить доступ воды, поступающей со стороны, не из канав. Иногда вместо специальных испарительных бассейнов можно использовать резервы, которые в этом случае располагают на большем расстоянии от дороги, чем обычно.
На участках, где под испарительный бассейн используется резерв, следует предусматривать насыпь с бермой. Ширина бермы между подошвой откоса и бровкой резерва или водоотводной канавы принимается не менее 2 м; для насыпей высотой до 1,5 м допускается уменьшение ширины бермы до 1 м.
Размеры испарительного бассейна должны быть подтверждены расчетом, учитывающим местные климатические и гидрологические условия. Емкость испарительного бассейна не должна превышать 200-300 м3. Глубина испарительного бассейна должна быть не более 1,5 м. Вынутый грунт отсыпается вокруг бассейна для защиты от притока воды. Уровень воды в испарительном бассейне следует рассчитывать так, чтобы он был ниже дна боковых канав. Вода из боковых канав выводится в испарительный бассейн поперечными канавами.
5. При наличии на глубине 1,5-2,5 м от поверхности земли и ниже глубины промерзания хорошо дренирующих (поглощающих) воду грунтов (галька, гравий, крупнозернистый песок, трещиноватые известняки), при достаточно низком горизонте грунтовых вод и отсутствии оползневых явлений вблизи земляного полотна по согласованию с органами по охране природы разрешается отводить поверхностные воды из канав и прочих водоотводных сооружений в поглощающие колодцы.
Сечение колодца может быть круглое диаметром 0,7 м или прямоугольной формы размером от 0,6x0,6 до 1x1 м, в зависимости от глубины; сечение устанавливается по расчету как обратный дренаж с учетом местных климатических и гидрологических условий. Колодец заполняется дренирующими материалами (рис. 10.7).
Рисунок 10.7. Поглощающий колодец: 1 – защитный валик из грунта; 2 – водонепроницаемый грунт; 3 – крупнозернистый песок; 4 – гравий; 5 – кривая инфильтрации (депрессии) воды в грунт; 6 – щебень; 7 – дренирующий грунт; у – ордината кривой депрессии на расстоянии (r) от оси колодца, м; rо – радиус колодца, м; r – расстояние от оси колодца до кривой депрессии (переменная величина), м; R – радиус влияния, м; Н – бытовая глубина в водоносном слое, м; h0 – толщина водоносного слоя грунта, м
Для защиты от попадания воды из окружающей площади у колодца предусматривается защитный валик из грунта.
Колодцы размещаются не ближе 10 м от земляного полотна в обычных условиях и не ближе 75-100 м – на макропористых лессовидных просадочных грунтах.