Оформить заявку

ОТВОД ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД С ПОКРЫТИЙ

УДК

А.М. Аграновский, Н.А. Новиков, Н.А. Петров, Е.Н.Петрова

ОТВОД ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД С ПОКРЫТИЙ.

РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ КАФЕДРЫ ГИДРАВЛИКИ МАДИ

 

Аннотация: Применительно к полной раздельной системе  организации водоотвода приводятся состав основных сооружений, их классификация. Отмечается несоответствие схем гидравлического расчета реальным условиям и характеру работы сооружений. Это вызывает многочисленные затопления пониженных мест улиц городов, перронов аэропортов. Излагаются основные направления и результаты исследований отвода поверхностных вод, выполненные на кафедре гидравлики МАДИ. Приводятся примеры их использования в современной практике.

 

Актуальность изучения сооружений отвода поверхностных вод с городских покрытий вызвана регулярно повторяющимися затоплениями улиц городов, чаще всего в пониженных местах, в том числе транспортных тоннелей, вестибюлей станций метрополитена и пр. Это приводит к преждевременному износу и разрушению покрытий, значительному снижению безопасности движения на улицах и дорогах, нарушениям работы и простоям транспорта (пробкам), выходу из строя, прежде всего, легкового автотранспорта и трамваев с необходимостью последующего ремонта, неудобствам для пешеходов и т.п. Все это приводит к значительным материальным издержкам для городского хозяйства и моральным - для жителей городов.

В то же время, при проектировании систем сооружений поверхностного водоотвода в качестве основного исходного положения принимается недопущение затопления улиц. И лишь в исключительных случаев, не чаще одного, двух раз в течение года, если выпадет дождь с интенсивностью, превышающей интенсивность расчетного дождя всего лишь допускается возможность затоплений городских улиц.

Эти существенные несоответствия принимаемых в проектах  положений с реальной ситуацией и являются основанием для исследований установления причин, приводящих к затоплениям, и разработке мер, направленных на их исключение или сокращение масштабов этих, по сути, регулярных бедствий, как уже в сложившейся инфраструктуре городов, так и на осваиваемых в перспективе территориях.

Исследования работы сооружений отвода поверхностных вод с покрытий улиц г. Москвы были начаты на кафедре гидравлики МАДИв связи с затоплениями улиц города и возникшей задачей уточнения значений коэффициентов стока с покрытий городских территорий, целью которой было исключение ошибок при расчетах расходов, на пропуск которых должны проектироваться сооружения водоотвода. Составной частью задачи являлось измерение реальных расходов поверхностных вод в натурных условиях. Кафедре гидравлики МАДИ была поручена разработка методов измерения расходов на сооружениях городских водостоков и выполнение этих измерений.

Для реализации этого, совместно с институтом Мосинжпроект, ВНИИ ВОДГЕО, трестом «Горгидромост» на территории города были выбраны 14 полигонов для измерения расходов в натурных условиях (Филевская ул., Дмитровское шоссе, Сусоколовское шоссе, Новочеремушкинская ул., Ульяновская ул. от пл. Прямикова до эстакады на Садовом кольце, Садово-Сухаревская ул. от Колхозной пл. до Самотечной пл., Садово-Самотечная от Каретного ряда до Самотечной пл., ул.Тверская от Мэрии до центра, Новопетровская ул., Б.Академическая ул. от ул. Лихоборские бугры до Октябрьской ж/д., Проспект мира от Банного переулка до Крестовского вала, Севастопольский бульвар, проспект Вернадского).

Подготовительные работы включали измерение ширин улиц, на выбранных для исследований участках, продольных и поперечных уклонов водоотводных лотков, фиксацию планового и высотного расположения дождеприемных решеток, нанесение на проезжую часть координатных сеток.

На полигонах измерялись расходы в водосборных лотках перед и за дождеприемными решетками. Это позволяло определять расход, принимаемый решеткой. Расходы в лотках определялись по эпюрам скоростей. Попуски воды осуществлялись из групп поливо-моечных машин до 6 единиц. Одновременно пропускная способность решеток исследовалась в лаборатории кафедры гидравлики МАДИ на модели 1:1, т.е. на натурных стандартных решетках.

Проведенные исследования водоотводных лотков дождеприемных решеток и коллекторов водостоков позволили выявить неизвестные ранее, принципиальные положения, определяющие характер работы и пропускную способность сооружений поверхностного водоотвода с покрытий улиц большинства городов, имеющих пересеченный рельеф местности. На затяжных участках спусков в таких городах (к ним относится г.Москва) при продольных уклонах i0≥0,015 движение жидкости в водоотводящих лотках происходит при глубинах менее критической, т.е. поток становится бурным и, при преобладающей кинетической энергии, инерционным, вследствие чего, плохо управляемым.

При движении по лотку при некотором значении расхода, зависящего от продольного и поперечного уклонов лотка, часть расхода не принимается дождеприемной решеткой, обтекает ее, образуя, так называемый, расход «проскока». Эта часть расхода устремляется к следующей решетке, увеличивая расход в лотке перед ней. Иными словами реальная схема работы решеток, установленных на затяжных спусках, оказалась несоответствующей существовавшим представлениям о том, что к каждой решетке на спусках притекает и полностью принимается ею только расход с примыкающего микробассейна.

Также оказалась не соответствующей представлениям и схема реальной работы решеток, расположенных в пониженных местах лотков в конце затяжных участках спусков. В реальности при интенсивных дождях к этим дождеприемникам помимо расхода с примыкающего к ним микробассейна, поступают расходы «проскоков» со спусков, т.е. эти дождеприемники в реальной ситуации оказываются неспособны пропустить весь поступающий к ним расход.

Иными словами, в городах с пересеченным рельефом местности на затяжных участках спусков по характеру работы дождеприемные решетки объединены в группы. И в каждой из них работа любой решетки зависит от работы соседних. Это положение следует учитывать при определении пропускной способности  водоотвода на стадии проектирования.

Исследования распределения расходов по отверстиям «московской» решетки. установленной на участке лотка с продольным уклоном (таких решеток в г.Москве более 90%) показало большую неравномерность распределения расходов по отверстиям решетки и, как следствие, малую эффективность работы решеток. Отверстие первого ряда принимают примерно 70% от расхода, принятого решеткой, во втором и третьем рядах работают только крайние отверстия (примерно по 10%), остальные 10 отверстий во втором и третьем рядах практически не работают, их суммарный расход составляет около 6%. Полученные результаты показали, что для повышения пропускной способности решеток целесообразно увеличивать их ширину, нежели длину.

При исследованиях на прозрачных моделях коллекторов водостоков в лаборатории кафедры гидравлики МАДИ был впервые выявлен и изучен резко нестационарный режим работы сооружений. Установлены границы его существования, получена зависимость их определения.

По результатам исследования предложена классификация водоотводных лотков и дождеприемников, отражающая особенности их работы на затяжных участках спусков.

Водоотводные лотки классифицируются по двум признакам: по форме поперечного сечения, на лотки треугольной, односкатной формы сечения (чаще всего применяются в городах) и на лотки с двускатным поперечным сечением (на аэродромах); по форме продольного профиля, на лотки с продольным уклоном одного знака на протяженных участках спусков в городах с пересеченным рельефом местности, например, в г.Москве, и лотки с пилообразным продольным профилем в городах с плоским рельефом местности, например, в Санкт-Петербурге.

Дождеприемники подразделяются по типу отверстия: с горизонтальной решеткой, с вертикальным отверстием, комбинированные; по месту расположения: в водоотводном лотке на участках с продольным уклоном и в пониженных местах лотков. (Для городов с пересеченным рельефом – решетки в конце затяжных участков спусков и все решетки с лотках с пилообразным продольным профилем в городах с плоским рельефом местности).

В результате эскпериментальных исследований дождеприемных решеток во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, применительно к условиям их работы в водосборных лотках с пилообразным продольным профилем (при плоском рельефе местности) в г.Санкт-Петербурге было установлено, что при малых глубинах в лотке, решетки работают по схеме истечения через водослив с широким порогом, а с ростом расхода и увеличением глубины потока - по схеме истечения через отверстия. Были уточнены значения коэффициентов расхода для решеток в стандартных формулах истечения через водослив и через отверстие. Кроме того, был разработан параметр определения границы перехода от одной схемы работы решетки (водослив) к другой (отверстие).

Аналогичные зависимости и схемы работы дождеприемных решеток в треугольном лотке двускатного поперечного профиля приняты для расчета поверхностного водоотвода  на аэродромах.

Расчет пропускной способности дождеприемников по формулам ВНИИГ в полной мере соотносится с индивидуальной схемой работы каждой решетки. Результаты расчета пропускной способности для этих условий достаточно хорошо согласуются с ее реальными значениями. Вероятно, именно по этой причине, затоплений в городах с плоским рельефом местности практически не происходит, по крайней мере, информация об этом отсутствует.

Эти формулы, как было показано, не отражают реальной работы групп дождеприемников на участках затяжных спусков в городах с пересеченным рельефом местности, и потому расчеты по ним не могут соответствовать реальным значениям пропускной способности дождеприемников. Однако, они достаточно широко применялись, прежде всего потому, что о «проскоках» на затяжных участках спусков не было ничего известно, и, кроме того, иных методов расчетов не существовало. Именно это обстоятельство является причиной затоплений пониженных мест.

В результате выполненных исследований на кафедре гидравлики МАДИ была разработана методика расчета пропускной способности групп дождеприемников в лотках затяжных участков спусков.

Эта методика в 2008г. была использована при разработке проекта системы сооружений отвода поверхностных вод на ул. Ново-Ковшинской и Первомайской в г. Яхрома  Московской области, выполненной силами сотрудников компании «ГринТим» и кафедры гидравлики МАДИ.

Дождеприемные решетки отличаются большим разнообразием габаритных размеров, схемой расположения в водоотводных лотках, числом, формой стержней и отверстий, сквозностью и др.

В последние годы в странах Европы многими фирмами (АСО, HAURATON, MEAGARD и др.) разработаны и реализуются модульные схемы систем водоотвода. И в РФ многие предприятия перешли на выпуск подобной продукции, например, фирма «КОМЭН» с представительством в 22 городах РФ и др.

Системы из подобных элементов находят все более широкое применение, их можно встретить и в г.Москве. например, напротив входа в Большой театр. Подобные системы используются и в аэропортах.

В одном из них перроны терминала оснащены достаточно густой сетью дождеприемников с решетками типа  S300K системы АСО (рис.1).

 

Рис.1.

 

Общая протяженность решеток составляет 1349 м. При выпадении интенсивного дождя в середине июля 2012г. продолжительностью 1ч 19 мин выпали осадки, величина слоя которых составила 34,7 мм (примерно 1/3 месячной нормы осадков). При этом перроны терминала оказались затопленными на глубину до 20 см.

Выполненные сотрудниками МАДИ и фирмы «ГринТим» обследования дождеприемников на перронах терминала, тестовые гидравлические (по методике МАДИ) и гидрологические расчеты, позволили выявить причину затопления перронов - недостаточную пропускную способность лотков под решетками. Развитая и, по внешнему виду, надежная система водоотвода на перронах терминала в реальной ситуации оказалась неспособной пропустить расход дождя с интенсивностью меньшей, чем у расчетного дождя.

На кафедре гидравлики МАДИ в лабораторных условиях исследовался  нестационарный режим работы коллекторов водостока.

В проектной практике до сих пор коллектора водостоков рассчитываются по формуле Шези в предположении, что эти сооружения работают в режиме равномерного движения. В реальных условиях коллектора работают в широком диапазоне расходов от нуля до значений, превышающих расчетный расход. При этом происходят переходы от частичного наполнения к полному и наоборот.

В процессе исследований было установлено, что по мере увеличения расхода равномерное движение со свободной поверхностью в коллекторе перестает существовать при небольших наполнениях. Оно сменяется резко нестационарным «пробковым», за которым следует напорный режим.

При нестационарном «пробковом» режиме в коллекторе возникают и перемещаются вниз по течению сосредоточенные массы жидкости, заполняющие все сечение коллектора – «пробки», чередующиеся с замкнутыми воздушными включениями у шелыги. В этих воздушных объемах давление ниже атмосферного, т.е. вакуум. При выходе «пробки» из коллектора происходит срыв вакуума, уровень в верховом колодце поднимается, и цикл повторяется.

Пульсация вакуума может привести к выносу окружающего коллектор грунта через неплотности в стыках секций, просадкам и разрушению коллектора. Одна из наиболее крупных аварий подобного рода произошла на коллекторе реки Рачка (приток Яузы) с выносом грунта обратной засыпки и разрушением коллектора, образовалась промоина значительных размеров (глубина до 6м, с размерами в поперечнике до 8 м) под проезжей частью Устьинской набережной. Создалась чрезвычайная ситуация для транспорта на набережной.

Другой пример – 04.08.2005 произошел провал грунта на дорожном полотне размером 10х15 м глубиной 3 м на Яузской ул. д.3. Причиной стали сточные воды разрушенного водостока.

И, наконец, провал грунта на Бережковской набережной 29.05.2013 (рис.2).

 

 

Рис.2.

 

Выводы:

1. Причиной затоплений пониженных мест улиц городов с пересеченным рельефом местности (г.Москва и др.) является то, что расчет сооружений водостоков на них выполнялся по методике (формулам ВНИИГ), не отражающей реальной схемы работы сооружений. Пропускная способность дождеприемников, установленных на спусках, в расчетах завышалась, а дождеприемников в пониженных местах спусков- существенно занижалась по сравнению с реальными значениями.

2. Разработана методика расчета пропускной способности дождеприемников, учитывающая их работу в группах на затяжных участках спусков в городах с пересеченным рельефом, и индивидуальную работу каждой решетки в системах водоотвода в городах с плоским рельефом.

3. Методика расчета дождеприемников, разработанная на кафедре гидравлики МАДИ использовалась в современной практике. например, при разработке проекта системы сооружений отвода поверхностных вод на улицах г.Яхромы Мос. области и при анализе затоплений перронов одного из терминалов аэропорта дождевыми водами.

4. В результате исследований работы коллекторов водостоков впервые было установлено, что при определенных значениях расходов, сооружения начинают работать в резко нестационарном «пробковом» режиме, сопровождающимся образованием и пульсацией вакуума в трубопроводе, что может служить причиной разрушения коллекторов.

 

 

DIVERSION OF SURFACE WATER FROM THE ROAD COATINGS.

MODELS AND FEATURES OF OPERATION FACILITIES IN THE RESEARCH OF DEPARTMENT OF HYDRAULICS, MADI

A.Agranovsky, N.Novikov,

N.Petrov, H.Petrova

 

Abstract: With reference to a complete separate system of drainage organization its basic structure and its classification is quoted. The discrepancy between schemes of hydraulic calculation and the actual conditions and nature of the work facilities is pointed out. This leads to numerous flooding of low places of city streets, airport platform. There are main directions and results of surface-local waters drainage, performed at the Department of hydraulics, MADI. Examples of their use in modern practice are provided.

 

Аграновский Александр Матвеевич - Президент группы компаний «ГринТим»

Новиков Николай Алексеевич – ст. преп. МАДИ

Петров Николай Андреевич – канд.техн. наук. доц.

Петрова Елена Николаевна – канд.техн. наук. доц. МАДИ

Новости

Работы по благоустройству
11.08.2010
На объекте "Ferrero Russia" во Владимирской области начаты работы по благоустройству...
Новости с Ферреро
30.07.2010
На объекте Ferrero Russia окончен монтаж перелива стоков на очистных сооружениях...
Монтаж перелива стоков
19.05.2010
На объекте "Ferrero Russia" были начаты работы по монтажу перелива стоков,...