ОБД_проект АД / лекции по основам проектирования / лекция раздел_8_отвод воды

8. ОТВОД ВОДЫ ОТ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

8.1. Система поверхностного и подземного водоотвода

Система дорожного водоотвода состоит из конструктивных мероприятий и ряда инженерных сооружений, предназначенных для перехвата и отвода воды, поступающей к земляному полотну, или для предотвращения доступа воды в верхнюю часть земляного полотна и дорожную одежду.

Поверхностная вода, попадающая на дорогу в виде осадков, отводится путем придания поперечному профилю земляного полотна и проезжей части выпуклого очертания и укрепления обочин. Для ее отвода вдоль дороги устраивают боковые водоотводные канавы или используют для этого боковые резервы у невысоких насыпей, а также предусматривают нагорные канавы, перехватывающие воду, стекающую по склонам местности к дороге. Таким образом, складывается система поверхностного водоотвода, в которую в зависимости от конкретных условий входят те или иные элементы (рис. 8.1., 8.2).

При этом проезжей части придают поперечный уклон от середины к обочинам 15-20‰ , в зависимости от вида покрытия, а обочинам на 15-20‰ больше уклона покрытия.

На участках дорог с продольным уклоном более 30‰ для защиты обочины от размыва вдоль кромки проезжей части предусматривают продольные железобетонные лотки для сбора и отвода воды, стекающей с проезжей части. Через каждые 50-100 метров предусматривают сброс воды из лотков в ливневые водоприемные колодцы или железобетонными лотками по откосам насыпи в боковую канаву.

Рис. 8.1. Схема организации водоотвода из кюветов и канав в водотоки:

1 – кювет;

2 – перепады (быстроток);

3 – мост;

4 – водоотводная канава

Рис. 8.2. Нагорные канавы:

а – у насыпи;

б – у выемки;

1 – насыпь;

2 – нагорная канава;

3 – откос выемки

Рис. 8.3. Выпуск воды из нагорных канав и кюветов:

1 – нагорная канава;

2 – резерв;

3 – выемка;

4 – насыпь

Боковые канавы (кюветы) устраивают в выемках и у насыпей высотой до 1-1,2 м. Минимальный продольный уклон дна канав составляет 5‰ , что предотвращает их заиливание.

Нагорные канавы служат для перехвата воды, стекающей по косогору к дороге, и для отвода этой воды к ближайшим искусственным сооружениям, в резервы или пониженные места рельефа.

В степных районах, равнинной местности, застойных местах, где не удается отвести воду от дороги по боковым канавам в естественные понижения местности, устраивают в стороне от дороги испарительные бассейны, куда и производится сброс воды из боковых канав. Эти бассейны представляют собой котлованы, размер которых подбирается таким образом, чтобы влага, притекающая к бассейну во время дождя, успевала испариться между дождями. Так как эти бассейны требуют дополнительного отвода земли и ухода, то их устраивают в исключительных случаях.

Грунтовая вода перехватывается или понижается ее уровень с помощью системы сооружений подземного водоотвода, через которые эта вода также отводится в пониженные места рельефа или на очистные сооружения для последующего сброса в водоемы.

Различают прерывающий и понижающий дренаж.

Прерывающий (перехватывающий, экранирующий) дренаж устраивают на откосах выемок, рассекающих водоносные слои. Конструкция дренажа включает в себя дренажную трубу, укладываемую на основание из щебня или гравия. В качестве дренажных используют специальные керамические, пластиковые или асбоцементные перфорированные трубы или обычные трубы с промежутками в стыках между звеньями для свободного входа воды.

Трубы засыпают слоями одномерного щебня или гравия фракций 5-10, 10-20, 20-40, 40-70 мм и крупнозернистым чистым песком. Все это является фильтром для грунтовой воды. В качестве фильтров могут использоваться специальные тканевые материалы.

Для предотвращения проникания влаги в сторону выемки поперек водоносного слоя устраивают водонепроницаемый экран (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Экранирующий дренаж:

а – общая схема расположения дренажа; б – детали конструкции дренажа; 1 – дерн; 2 – утрамбованный глинистый грунт; 3 – два слоя дерна корнями вверх или грунт, обработанный битумом, толщиной 3-5 см; 4 – песок; 5 – водоносный слой; 6 – кривая депрессии; 7 – водоупор; 8 – мелкий щебень или гравий; 9 – крупный щебень или гравий; 10 – щебень, втрамбованный в грунт; 11 – дренажная труба; 12 – экран из мятой глины

В случае устройства перехватывающего (экранирующего) дренажа приток воды на погонный метр длины дрены (q) вычисляют по данным обследования водоносного слоя

q = k ∙ h ∙ i_в , (8.1)

где k – коэффициент фильтрации, определяемый испытанием образцов грунта; h – глубина воды в слое; i_в – уклон водоносного слоя.

На длине l_д собирается расход воды, подлежащий отводу

Q = q ∙ l_д = k ∙ h ∙ l_д ∙ i_в . (8.2)

Диаметр дренажной трубы для пропуска такого объема воды может быть найден из равенства

Q = k_д · i_д^1/2, (8.3)

где i_д – уклон дренажной трубы; k_д – расходная характеристика дренажной трубы, м³/с, вычисляемая для асбоцементных и гончарных труб по формуле

k_д = 24 · d^8/3, (8.4)

где d – диаметр дренажной трубы, м.

Скорость течения воды в трубе должна быть не менее 0,6 м/с (во избежание заиливания) и не должна превышать скорости, допускаемой для фильтрующей обсыпки дрены. Для круглой дренажной трубы она может быть посчитана по формуле:

V_д = W_д · i_д^1/2, (8.5)

где W_д – скоростная характеристика трубы, равная 30,4 · d^2/3.

Понижающий дренаж устраивают в выемках или насыпях, когда уровень грунтовой воды находится очень близко к конструкции дорожной одежды. Его располагают под водоотводными канавами (рис. 8.5). Конструкция понижающего дренажа, аналогична конструкции перехватывающего дренажа, особенностью является отсутствие водонепроницаемого экрана. В процессе работы дренажа благодаря фильтрации в дрену уровень грунтовых вод под дорожной одеждой понижается, образуется осушенная зона.

Рис. 8.5. Схема подкюветного дренажа выемки:

1 – изолирующий слой; 2 – дерн; 3 – иглофильтры; 4 – водоносный слой; 5 – водоупор; 6 – песок крупно- или среднезернистый; 7 – щебень (гравий) фракции 5-10 мм; 8 – щебень (гравий) фракции 20-40 или 40-70 мм; 9 – подушка из бетона или щебня толщиной 10-15 см; 10 – дренажная труба

В случае устройства понижающего дренажа боковые дрены должны быть заложены на глубину, обеспечивающую заданное понижение уровня грунтовых вод.

Если при этом дрены лягут на водоупор (рис. 8.6, а), то можно ограничиваться устройством одной верховой дрены (со стороны притока воды), расчет которой полностью совпадает с изложенным выше. За дреной пространство будет постепенно осушено. Такие дрены называют совершенными.

Рис. 8.6. Закрытые дрены:

а – совершенные; б – несовершенные

При глубоком залегании водоупора, устраивают две дрены, располагая их симметрично по обе стороны дороги, и оставляют их висячими – несовершенными (рис. 8.6, б). Каждая из дрен в этом случае осушает некоторое пространство, предельная ширина которого, отсчитываемая в одну сторону от дрены, называется радиусом действия дренажа (рис. 8.7)

(8.6)

где Н – глубина залегания дрены; tgα – тангенс угла наклона хорды, стягивающей кривую депрессии, зависящий от свойств грунта водоносного слоя.

Рис. 8.7. Подкюветный висячий дренаж

Форма кривой депрессии представляет собой параболу второй степени (рис. 8.7) с уравнением изменения глубины (h) вдоль потока

(8.7)

Зная расстояние между двумя дренами L, получаем расчетное уравнение понижения уровня воды в середине дороги

(8.8)

В свою очередь величина S имеет нормативные значения, зависящие от типа грунта рабочего слоя насыпи (верхняя часть земляного полотна) и определяется согласно СНиП [17]. Имея перечисленные сведения из уравнения (8.8), можно рассчитать глубину заложения дрены в водоносный слой (Н).

Приток воды в дренажную трубу, учитывая, что вода поступает с двух сторон, определяют по зависимости 8.2

. (8.9)

С учетом выражений 8.6 и 8.7

(8.10)

Подбор диаметра трубы осуществляется по зависимости 8.4.

Дренирующий (подстилающий, дополнительный) слой оснований дорожной одежды также можно отнести к системе подземного дорожного водоотвода. Его устраивают из песка, гравия и других крупнозернистых материалов. Этот слой собирает воду, проникающую в основание дорожной одежды через обочины, а также трещины и швы покрытия.

В весенний период в дренирующий слой поступает также вода, выделяющаяся из верхних слоев земляного полотна при таянии ледяных прослоек, которые образовались на пучинистых участках в процессе зимнего влагонакопления.

В зависимости от ширины проезжей части и климатического района строительства песчаные материалы для устройства дренирующего слоя должны в уплотненном состоянии иметь коэффициент фильтрации от 3 до 10 м/сут.

При этом вода из дренажного слоя может отводиться несколькими способами:

• путем вывода этого слоя по всей длине дороги на откосы насыпи, по которым вода попадает в боковые резервы или канавы;

• в благоприятных гидрогеологических условиях устраивают так называемые дренажные воронки, заполненные хорошо дренирующим материалом (одномерным щебнем, галькой размером 40-60 мм и др.), по которым вода просачивается на откос земляного полотна. Воронкам придают сечение 0,4x0,2 м и располагают их через 4-6 м в шахматном порядке (рис. 8.8);

• вывод воды через песчаный слой и дренажные воронки имеет недостаток, связанный с тем, что обочины покрытые зимой более толстым слоем снега, чем проезжая часть начинают оттаивать позже, чем грунт под проезжей частью и в результате, в наиболее ответственный для службы дороги период весеннего оттаивания, воронки находятся в промерзшем состоянии и не могут отводить воду, выделяющуюся при оттаивании грунта земляного полотна. Поэтому в местах с менее благоприятными грунтово-гидрологическими условиями воду из дренирующего слоя отводят поперечными и продольными дренажными трубками (рис. 8.9)

Рис. 8.8. Дренажные воронки:

а – разрез по полотну дороги;

б, в – примыкания воронки к песчаному слою при малых и больших уклонах;

1 – прослойка дерна или мха;

2 – щебень или гравий;

3 – дорожная одежда

Рис. 8.9. Дренажные трубы для

осушения песчаного основания:

а – продольная дрена;

б – поперечная дрена;

в – поперечная дрена в плане;

1 – обочина;

2 – дорожная одежда;

3 – песчаное основание;

4 – продольная трубчатая дрена

8.2. Принципы проектирования поверхностного водоотвода

Проектирование поверхностного водоотвода сводится к расчету размеров поперечного сечения водоотводных канав, определению скорости воды в них, в зависимости от которой, в дальнейшем, определяется тип укрепления дна водоотводных канав.

Расчет производят в следующей последовательности:

Во-первых, если длина канавы невелика, то расчет производят по единому значению расхода, собирающемуся только к замыкающему сечению расчетного участка. При большой длине канавы или при большой площади, с которой стекает вода, канаву делят на участки по длине и рассчитывают каждый участок на свою величину расхода.

Во-вторых, находят площадь (F), с которой стекает вода в канаву. Она определяется половиной ширины и длиной участка дороги, плюс площадью некоторой поверхности местности определяемой по плану в горизонталях (на рис. 8.10 - это участки ”б”)

Рис. 8.10. Схема малого бассейна:

1 – общий водораздел;

2 – местные водоразделы

В-третьих, рассчитывают объем ливневого стока к канаве (Q_лc) по зависимости

Q_лс = 87,5 ∙ а_мм/час ∙ F, (8.11)

где а_мм/час – интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин; F – площадь водосборного бассейна, км².

В-четвертых, используя уравнение равномерного движения жидкости, определяют оптимальное сечение канавы, скорость течения воды в ней и тип укрепления, используя табл. 8.1.

Т а б л и ц а 8.1

Тип укрепления	Допускаемая скорость, м/с
Засев трав	0,8
Одерновка плашмя Одерновка в стенку	1,0 1,8
Одиночное мощение на щебне камнем 15-25 см	2,5-3,5
Двойное мощение камнем 15-25 см	3,5-4,5
Укрепленный грунт толщиной 5 см тоже 10 см	1,0 2,5
Бетон низких марок	4-6
Бетонные плиты	5-7
Перепады	Более 5