4. Проектування системи водовідведення

Проектування споруд дорожнього водовідводу необхідно виконувати, керуючись розділом 7 ДБН В 2.3-4:2007. При хорошому стані водопропускних труб виконують лише їх подовження.

4.1. Розрахунок отворів водоперепускних труб

Для початку розрахунку, необхідно визначити межі водозбірних басейнів, довжину та похил логу. Визначені дані записують у табличній формі

Номер водозбір­ного басейну	Площа басейну, F, км2	Довжина логу, L, м	Похил логу, i ,%0	Імовірність перевищення розрахункових витрат, ІП, %
1	2	3	4	5

Розрахунок витрат зливових вод на малих водозборах .

Максимальна витрата (Q, м³/с) зливової води заданої імовірності перевищення на малих водозборах розраховується за формулою:

Q_P = 16,7 ×а_Р×F× a × j , (4.1)

де а_Р - розрахункова інтенсивність дощу, мм/хв;

F - площа водозбору, км²;

a - коефіціент втрати стоку (табл. 4.3);

• - коефіціент редукції.

Коефіціент редукції враховує неповноту стоку і для площі, меншої за 100 км² , визначається з формули:

(4.2),

для F £ 0.1 км² коефіціент j = 1.

Площа F визначається з кальки водозбірних басейнів.

Розрахункова інтенсивність дощу заданої імовірності перевищення:

а_р = а_г× К_t , (4.3)

де а_г - інтенсивність дощу протягом 1 год, мм /хв ( табл. 4.2 ).

К_t - коефіцієнт приведення інтенсивності зливи годинної до розрахункової (табл.4.4).

Дані, необхідні для розрахунків Q_Р визначаються з таблиць 4.1 – 4.4.

Отвори водоперепускних труб знаходять по таблицях пропускної здатності круглих залізобетонних труб (додаток, табл. Д.4)

При цьому враховується режим протікання (безнапірний, напівнапірний, напірний) в залежності від глибини підтоплення і типу вхідного оголовка. Товщина засипки між верхом труби та низом дорожнього одягу повинна бути не меншою за 0,5 м.

Результати проектування водоперепускних труб заносять у відомість штучних споруд.

2. Проектування канав

Стійкість та міцність земляного полотна значною мірою залежить від споруд, які забезпечують водовідведення поверхневих вод від дороги - канав.

До канав відносяться : бічні канави (кювети), водовідвідні канави, нагірні канави.

Для встановлення на ділянці дороги необхідних видів канав необхідно мати план траси (дороги) в горизонталях, повздовжній профіль та прийняті типи поперечних профілів земляного полотна.

На плані траси (дороги) намічають види канав, визначають відповідні водозбірні басейни та похил логу.

Відповідно до прийнятого типу поперечних профілів земляного полотна та повздовжнього профілю встановлюємо, де саме мусять бути запроектовані бічні канави (кювети) чи нагірні канави. При цьому необхідно знати геологічні умови (види грунтів на площі водозбірного басейну та відповідні допустимі швидкості течії потоку зливових вод), гідрологічні умови (глибину залягання грунтових вод та напрямок їх течії, розташування водоносних шарів, глибину залягання водоупорів). Початковою величиною для проектування канав є розрахункова витрата води заданої імовірності перевищення повені ( ІП, %), яка визначається з таблиці 4.1.

Таблиця 4.1. Імовірність перевищення розрахункової витрати ( І П ), %

Категорія Імовірність перевищення розрахункової витрати, % для

дороги кюветів, нагірних канав, інших водовідвідних (повздовж-

водозборів ніх та поперечних) канав

І 2 3

П - Ш 3 6

IV - V 5 10

Розрахункова витрата води при заданій імовірності перевищення повені:

Q_p = 87,5×аг×F×a (4.4)

де а_г - інтенсивність зливи годинної тривалості, визначається з таблиці 4.2

F - площа водозбору , км²;

a - коефіціент витрат , визначається з таблиці 4.3

Таблиця 4.2 Інтенсивність зливи годинної тривалості

№ Годинна інтенсивність дощу а_г, мм/хв , при ІП, %

зливових

районів

10 5 4 3 2 1 0.3 0.1

1 0.22 0.27 0.29 0.32 0.34 0.40 0.49 0.57

2 0.29 0.36 0.39 0.42 0.45 0.50 0.61 0.75

3 0.29 0.41 0.47 0.52 0.58 0.70 0.95 1.15

4 0.45 0.59 0.64 0.69 0.74 0.90 1.14 1.32

5 0.46 0.62 0.69 0.85 0.92 0.97 1.26 1.48

6 049 0,65 0,73 0,81 0,89 1,01 1,46 1,73

7 0,54 0,74 0,82 0,89 0,97 1,15 1,50 1,77

8 0,79 0,98 1,07 1,15 1,24 1,41 1,78 2,07

9 0,81 1,02 1,11 1,20 1,28 1,48 1,83 2,14

10 0,82 1,11 1,23 1,35 1,46 1,74 2,25 2,65

Таблиця 4.3 Коефіціент витрат стоку a

Коефіціент a при F, км²

Вид і характер поверхні

0 - 1 1 - 10 10 - 100

Асфальтобетон, скеля без тріщин, бетон 1. 00 1. 00 1. 00

Твердоглинисті грунти, такири та

такирні грунти ; 0.70-0.95 0.65-0.95 0.65-0.90

Суглинки, підзоли, підзолисті та

сірі лесові суглинки, сіроземи важко- 0,60-0,9 0,55-0,80 0,50-0,75

суглинисті,тундрові та болотисті грунти;

Чорноземи звичайні та південний,

світлокаштанові грунти, лес, карбонатні 0,55-0,75 0,45-0,7 0.35-0,65

грунти, темно-каштанові грунти;

Супіски, бурі та сіро-бурі пустельно-

степові, сіроземні супісчані та пісчані. 0,30-0,60 0,20-0,55 0,20-0,45

Пісчані, гравелисті, рихлі кам’янисті

грунти. 0,25 0,15-0,20 0,10

Примітка. Менше значення коефіціентів a відповідає добовим шарам опадів Н< 80 мм, а більше значення Н > 200 мм. В границях 80мм < Н < 200мм значення визначають інтерполяцією.

Таблиця 4.4 Коефіцієнт приведення інтенсивності до розрахункової

L, км	Похил басейну
	0,0001	0,001	0,01	0,10	0,20	0,30
0,15	4,21	X	X	X	X	X
0,30	2,57	3,85	X	Х	Х	X
0,50	1,84	2,76	3,93	X	X	X
0,75	1,41	2,08	2,07	4,50	5,05	X
1,00	1,16	1,71	2,53	3,74	4,18	4,50
1,25	1,00	1,49	2,20	3,24	3,60	3,90
1,50	0,66	1,30	1,93	2,82	3,15	3,40
1,75	0,80	1,16	1,75	2,58	2,84	3,06
2,00	0,73	1,07	1,59	2,35	2,64	2,85
2,50	0,63	0,92	1,37	2,02	2,26	2,44
3,00	0,56	0,82	1,21	1,79	2,00	2,16

де, L – довжина водозбірного басейну,

Х–повний стік – 5,24

Якщо вода у канаву потрапляє лише на її початку, витрата по всій довжині канави буде сталою (рис.4.1):

Q

Рис. 4.1. Витрата за наявності одного басейну.

Якщо вода потрапляє з декількох басейнів, то витрати розраховують на окремих ділянках за відповідними сумарними витратами, які надходять з окремих басейнів (рис.4.2):

Q₁ Q₂ Q₃

Q₁

Q₁ + Q₂

Q₁ + Q₂ + Q₃

_{Рис.4.2. Витрата за наявності декількох басейнів.}

Якщо протяжність канави дуже велика, а басейн, який примикає до неї, значно змінюється, витрату води визначають по характерних ділянках. Для кожної ділянки канави визначають витрату по площі басейну відповідно до протяжності канави - від її початку до кінця розрахункової ділянки (рис.4.3):

П ерелом

п охилу F1

F2 F3 F4

1 2 3 4

Q₄(F₁+F₂+F₃+F₄)

Q₁(F₁) Q₂(F₁+F₂) Q₃(F₁+F₂+F₃)

Рис.4.3. Витрата при значній протяжності канави.

Вихідні дані для проектування канав заносять в таблицю 4.5.

Таблиця 4.5 Вихідні дані для проектування канав.

№ п/п	Місце розташування канави	Вид канави	Поверхневе водовідведення
			ІП, %	Номер зливового району	Годинна інтенсивність дощу, аг	Площа водозбірного району; F, км2	Похил поверхні землі по трасі водовідведення, і0	Грунт водозбірного басейну	Допустима швидкість течії	Коефіцієнт витрат, α	Розрахункові витрати, Qр
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12

Поверхневу воду від дороги відводять в понижене місце рельєфу місцевості або до водоперепускних споруд бічними, водовідвідними або нагірними канавами.

Поздовжні водовідвідні канави влаштовують з нагірного боку насипу без резервів, з обох боків дороги при поперечному похилі місцевості 20 ^о/_оо та висоті насипу не більше 1,50 м, а також на болотах. Відстань від підошви насипу до внутрішньої брівки канави для ділянок земляного полотна, розташованих у сирих та мокрих місцях, призначають з умови, що між внутрішньою брівкою канави та кромкою проїзної частини повинно бути не менше 7 м при насипах із супісків та не менше 3 м - із суглинків та глин.

Для ділянок, розташованих на сухих місцях, при висоті насипу ( Н_НАС) менше 0.8 м, дозволяється будувати водовідвідні канави трикутної форми без берм.

Поперечні водовідвідні канави передбачаються для відводу води з безсточних впадин; для викидання води у бік з повздовжніх водовідвідних канав на затяжних спусках або з понижених місць на водорозділах; для відведення води до поглинаючих колодязів та випарювувальних басейнів, для підведення або відведення води на ділянках заглиблених труб.

Нагірні канави передбачаються: вздовж виїмок, розташованих на косогір’ї, вздовж насипів без резервів, розташованих на косогір’ї, які мають

значну площу водозбірного басейну. Відстань від брівки виїмки до брівки нагірної канави повинна бути не меньше 5 м , до підошви насипу не менше 2 м.

Бічні канави (кювети) влаштовуються з обох боків земляного полотна у виїмках та насипах висотою до 1 м.

Похил водовідвідних та нагірних канав визначається по плану в горизонталях після призначення виду канави і нанесення її осі на плані. Кожна наступна ділянка канави повинна мати однаковий або більший поздовжній похил, ніж попередній: і ₂³ і₁ .

Якщо і₂ < і₁ , для попередження затоплення та переливу води з канави перелом повздовжнього профілю дна канави необхідно змістити вниз по течії на довжину L= (h₂-h₁)/i_1, h₂, h₁ - рівень води на відповідних ділянках канави, м.

Якщо витрата води та розміри канави задані, повздовжній похил дна канави визначається за формулою:

і=V²/W²=j²/w²W² , (4.5)

де j - витрата, м³/с; W- швидкісна характеристика ,м/с; w - площа живого перерізу канави, м².

Похил кюветів дорівнює поздовжньому профілю тих ділянок земляного полотна , де вони розташовані.

У усіх випадках повздовжній профіль дна канав повинен бути не менше 5 ^О/_ОО ( у виключних випадках не менше 3 ^О/_ОО ).

При проектуванні належить прагнути до призначення таких поздовжніх похилів канав, які не потребують укріплення дна та укосів.

Розміри поперечного перерізу канав повинні відповідати розрахунковим витратам води, яку повинна пропустити канава, і повздовжньому похилу дна .

В залежності від геометричної форми поперечного перерізу загальні її розміри визначаються за формулами таблиці 4.6.

Таблиця 4.6.

№ Геометрична Площа живого Змочений Ширина Закладення

форма попе- перерізу периметр вільної по- укосу

п/п речного верхні по

рерізу току

1 2 3 4 5 6

B

1 Н

h b+(m₁+ а₁=m₁h

а₁ b а₂ + m₂)h а₂=m₂h

B

2 h H (b+mh)h b+2mh mh

a b a

B

3 h H mh² 2mh mh

a a

B

4 h H ( m₁+m₂)h a₁=m₁h

a₁ a₂ a₂=m₂h

Для нагірних та водовідвідних канав ширина по дну приймається 0,6м та 0,4 м для кюветів.

Брівка канави повинна бути не менше, ніж на 0,2 м вищою рівня поверхні води в канаві. Таким чином глибина канави дорівнює H = h + 0,2.

Глибина потоку визначається у відповідності з витратою, повздовжнім похилом дна, станом поверхні дна та стін русла (коефіцієнт шорсткості n) методом підбору.

Приймаємо глибину h і встановлюємо:

площу живого перерізу w, м² ; змочений периметр ¦, м; гідравлічний радіус R=w/ ¦ ,м; коефіціент шорсткості n (з таблиці 4.7).

Таблиця 4.7. Коефіціент шорсткості n

Укріплення величина n Укріплення величина n

Засів травою 0.025 Бетонні плити 0.017

або одерновка

Неукріплені

Мощення 0.020 канави 0.030

Таблиця 4.8. Швидкісна характеристика W, м/с

R	Швидкісні характеристики W при коефіцієнтах шорсткості n
	0,012	0,014	0,017	0,020	0,025	0,030	0,033	0,040	0,050
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
0,10	19,1	15,6	12,0	9,75	7,10	5,60	5,54	4,45	3,36
0,12	21,4	17,6	13,6	11,1	8,14	6,40	6,36	5,10	3,86
0,14	23,6	19,5	15,1	12,4	9,15	7,19	7,15	5,71	4,36
0,16	25,6	21,3	16,6	13,6	10,1	7,98	7,90	6,32	4,86
0,18	27,8	23,0	17,9	14,8	11,0	8,76	8,60	6,90	5,75
0,20	29,8	24,8	20,6	16,0	12,0	9,54	9,27	7,50	6,00
0,22	31,8	26,4	21,8	17,1	12,9	10,2	9,95	8,04	6,49
0,24	33,4	27,8	22,0	18,1	13,7	10,9	10,60	8,57	6,62
0,26	35,2	29,4	23,2	19,2	14,5	11,7	11,20	9,12	7,01
0,28	37,0	30,8	24,0	20,3	15,4	12,3	11,90	9,60	7,47
0,30	38,6	32,3	25,2	21,4	16,2	13,1	12,50	10,10	7,88
0,32	40,2	33,6	26,8	22,2	17,0	13,7	13,10	10,70	8,27
0,34	41,8	35,1	27,9	23,2	17,8	14,4	13,70	11,20	8,67
0,36	43,4	36,4	29,0	24,2	18,6	15,0	14,20	11,70	9,05
0,38	44,8	37,6	30,1	25,2	19,3	15,7	14,80	12,10	9,46
0,40	46,4	39,2	31,2	26,2	20,2	16,3	15,40	12,60	9,85
0,45	49,9	42,1	33,8	28,4	21,9	17,9	16,90	13,80	10,80
0,50	53,5	44,6	36,4	30,6	23,8	19,4	18,10	14,90	11,70
0,55	56,8	48,0	39,0	32,6	25,6	20,8	19,40	16,00	12,60
0,60	60,2	51,0	41,4	34,8	27,3	22,4	20,60	17,00	13,50
0,65	63,1	53,3	43,6	36,8	29,0	23,8	22,00	18,10	14,30
0,70	66,1	56,4	45,8	38,7	30,6	25,1	23,20	19,2	15,20
0,75	69,3	59,0	48,1	40,6	32,2	26,6	24,30	20,2	16,00
0,80	72,4	61,6	50,4	42,7	33,9	28,8	25,40	21,2	16,80
0,85	75,1	64,3	52,6	44,5	35,4	29,4	26,70	22,2	17,70
0,90	78,1	66,7	54,8	46,5	37,0	30,8	27,80	23,10	18,40
0,95	80,5	69,0	56,8	48,1	38,5	32,1	28,90	24,10	19,20
1,00	83,3	71,4	58,8	50,0	40,0	33,3	30,00	25,00	20,00

Середня швидкість ,м/с;

Витрата води Q= wV м³/с.

Порівнюємо отриману витрату з розрахунковою і, якщо

, (4.6 )

приймаємо нове значення глибини потоку h; повторюємо розрахунок. Підбір h завершується тоді, коли буде виконуватись нерівність ( 4.6) .

При проектуванні необхідно прагнути до мінімальних розмірів канави і, таким чином, до мінімального об’єму земляних робіт.

Прийняті або отримані за розрахунками розміри повинні бути не менше мінімально допустимих : ширина по дну після укріплення - не менше 0,5 м для нагірних та водовідвідних канав, і не менше 0,4 м для кюветів ; глибина - не менше 0,6 м для нагірних та водовідвідних канав, і не менше 0,3 м для кюветів; крутість укосів повинна відповідати прийнятим типам поперечних профілів земляного полотна і бути не більше, ніж 1 : 1,5.

2. Призначення типу укріплення канав

Тип укріплення канав залежить від швидкості протікання в них потоку води.

Швидкість потоку залежить від витрати, поздовжнього профілю дна та укосів канави.

При відомих витратах та розмірах живого перерізу потоку :

V=Q/w , (4.7)

де Q-витрата, м³/с; w - площа живого перерізу потоку

V=WÖ i (4.8)

Розрахункове значення швидкості потоку повинно відповідати виду ґрунтів у руслі. Для різних видів ґрунтів допустимі середні швидкості течії V_ДОП визначають з таблиці 4.9.

Таблиця 4.9. Допустимі швидкості течії для зв’язаних грунтів.

Г рунт

Р ізновиди грунтів

Донна швидкість, V доп, м/с

Середня нерозмивна швидкістьV,м/с, при значенні для природних русел 0,7 0,9

Середня нерозмивна швидкість V, м/с, при плоскому рівномірному русі води та глибині русла, м 0,2-0,5 1,0 2,0 3 та більше

супісок малощільний 0,20 0,30 0,20 0,20 0,25 0,30 0,35

середньощільний 0,30 0,45 0,35 0,30 0,40 0,45 0,50

щільний 0,40 0,55 0,45 0,40 0,50 0,55 0,60

дуже щільний 0,50 0,70 0,55 0,50 0,60 0,70 0,80

г лина та малощільний 0,35 0,50 0,40 0,35 0,40 0,45 0,50

сугли- середньощільний 0,70 1,00 0,80 0,70 0,85 0,95 1,10

нок щільний 1,00 1,40 1,10 1,00 1,20 1,40 1,50

дуже щільний 1,40 2,00 1,55 1,55 1,40 1,90 2,10

малощільний 0,30 0,45 0,35 0,30 0,40 0,45 0,50

л ес середньощільний 0,60 0,60 0,85 0,65 0,60 0,70 0,80

щільний 0,80 1,15 0,90 0,80 1,00 1,20 1,30

дуже щільний 1,00 1,55 1,20 1,10 1,30 1,50 1,70

де d коефіцієнт переходу від V до V_ДОП .

Якщо розрахункова швидкість потоку буде більше за V_ДОП , приймають тип укріплення русла канави, допустима швидкість для якого відповідає

розрахунковій швидкості (таблиця 4.10).

Таблиця 4.10. Допустима швидкість течії для укріплення.

Тип укріплення

Розмір каменю, см

Допустима швидкість течії, м/с, при середній глибині потоку, м 0,4 1,0 2,0 3,0

Одернування суцільне -- 0,9 1,1 1,3 1,4

в стінку -- 1,5 1,8 2,0 2,2

Кам’яна накидка 7,5 2,0 2,4 2,8 3,1

булижника з галькою

Грунти, укріплені -- 2,3 2,7 3,0 3,3

бітумом

Одиночне мощення 15 2,5 3,0 3,5 4,0

на щебені 20 3,0 3,5 4,0 4,5

25 3,5 4,0 4,5 5,0

Одиночне мощення з 20 3,5 4,5 5,0 5,5

п ідбором лиця і грубим 25 4,0 4,5 5,5 5,5

приколом на щебені 30 4,5 5,0 6,0 6,0

Подвійне мощення із 15 - 20 3,5 4,5 5,0 5,5

рваного каменю на

щебені

Бутова кладка -- 3,0 3,5 4,0 4,5

з вапняку

Бетон марки 150 -- 6,0 7,0 8,0 9,0

Бутова кладка з ка-

меню міцних порід -- 6,5 8,0 10,0 12,0

Бетонні лотки -- 12,0 14,0 16,0 18,0

Для проміжних глибин допустимі швидкості приймаються за найближчим табличним значенням глибини.

Для того, щоб потік води не розмивав русло, при швидкостях течії в канавах, які перевищують допустимі швидкості для ґрунту, передбачають його укріплення . Тип укріплення вибирають з таблиці 4.10.

В районах з помірним та вологим кліматом при ґрунтах, придатних для вирощування трав, при швидкості течії до 1 м/с приймають укріплення - засів травою.

У сприятливих ґрунтових та кліматичних умовах при швидкості води до

3,5 м/с при економічній доцільності призначають укріплення бетонними плитами, а при агресивних потоках води - ґрунти, укріплені бітумом або асфальтобетонними плитами.

Якщо переріз канав призначають не за гідравлічним розрахунком, тип укріплення вибирають в залежності від величини поздовжнього похилу, беручи за основу багаторічний досвід:

- при поздовжньому похилі до 10 ^о/_оо в піщаних ґрунтах і до 20 ^о/_оо в суглинках - без укріплення;

• при похилі до 30 ^о/_оо - укріплення одернуванням;

• від 30 ^о/_оо до 50 ^о/_оо – укріплення мощенням;

• більше 50 ^о/_оо – влаштування перепадів та лотків.