УДК 627.83:628.32
Исследование пропускной способности малых
дождеприёмных решёток
,
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Одной из основных задач повышения технического уровня автомобильных дорог, безопасного движения по ним и их экологического функционирования является обеспечение своевременного и целенаправленного сбора и отвода воды с поверхности автомобильных дорог и последующая ее очистка от загрязнений. Проведенные многочисленные обследования дорог и искусственных сооружений на них показали, что в большинстве случаев имеет место неудовлетворительная работа системы поверхностного водоотвода с покрытий дорог и мостов. Возникла необходимость в проведении исследований, направленных на решение вопроса водоотвода с искусственных твёрдых покрытий.
Актуальность этих исследований объясняется еще и тем, что в практике проектирования и строительства автомобильных дорог применяются типовые решения, разработанные более 20…30 лет назад по ранее действовавшим нормативным документам. В настоящее время эти решения нуждаются в пересмотре и переработке 
.
Проявлениями плохого водоотвода являются затопление пониженных участков дорог общей сети и городских, что сопровождается ощутимыми материальными и моральными издержками. Они связаны с нарушением работы и простоями транспорта, неудобствами для пешеходов, преждевременным разрушением дорожных покрытий вследствие снижения несущей способности (разуплотнения) увлажнённого грунтооснования, кроме того, происходит снижение безопасности движения транспорта. Всё вышеуказанное доказывает необходимость своевременного и быстрого отвода воды с покрытия и от земляного полотна.
Натурные наблюдения показали, что именно из-за неудовлетворительной работы дождеприёмных устройств происходит загрязнение окружающей среды нефтепродуктами, тяжёлыми металлами и другими губительными для природы токсичными веществами. Таким образом, негативная работа водоотводных дорожных сооружений не выгодна природопользователям (проектным и эксплуатационным организациям, транспортника), а также наносит вред природной среде. Решение данного вопроса не должно быть односторонним. Так, позиция транспортников будет, прежде всего, учитывать интересы перевозчиков, мало касаясь экологического аспекта. Другая «зелёная» позиция, естественно будет ущемлять интересы природопользователей. Значит, решение данной проблемы необходимо осуществлять только в рамках Природообустройства, при разумном согласовании интересов природопользователей и требований по защите окружающей среды.
Наиболее сложным и ответственным является водоотвод с мостовых переходов. Очень часто при их обследовании наблюдаются следующие негативные явления:
вода с покрытия моста попадает на нижележащие конструкции, загрязняет их и приводит к преждевременному разрушению;
вода не отводится быстро с проезжей части моста, в дождливое время на мосту наблюдается сплошной поток;
вода попадает на несущие конструкции крайних пролетов, разрушает конусы и их укрепления 
.
Поэтому при строительстве новых сооружений также встаёт вопрос об устройстве безопасных для транспорта и надёжных систем поверхностного водоотвода. Все имеющиеся типовые проекты, схемы и решения по водоотводу устарели и не отвечают современным требованиям безопасности и защите окружающей среды. Анализ их работы выявил, что в большинстве случаев имеет место неудовлетворительная работа этих систем 
.
Одна из новых целесообразных и возможных с технической точки зрения схем предусматривает попролётный сбор объема поверхностного стока с отведением его открытыми прибордюрными лотками до локальных очистных сооружений, установленных на опорах моста. При этом вода будет поступать в очистное сооружение через дождеприёмники малых размеров (площадь менее 0,1 м2).
Целесообразным представляется разработка конструкции малых дождеприёмных решёток для применения их на искусственных сооружениях, обладающей повышенной пропускной способностью, и адаптация для разработанной конструкции методики расчета оптимальных, научно обоснованных расстояний между ними. Мы сочли необходимым усовершенствовать существующую конструкцию малой дождеприёмной решётки, разработанной в 1973 году институтом «СОЮЗДОРПРОЕКТ» (новое название ГП «РОСДОРНИИ»). Для этого необходимо было провести серию экспериментов на модели дорожного полотна.
Таким образом, главной целью работы стало определение пропускной способности дождеприёмной решётки и проведение качественного анализа её работы. Модельные и натурные внешние размеры решёток совпадали .
Экспериментальная установка была создана в лаборатории гидравлики МГУП. Гидравлическая модель дорожного полотна была изготовлена из деревянных брусьев и фанеры с покраской. Ее прототипом являлось автодорожное полотно моста, имеющее уклоны: продольный i0 = 0,02 и поперечный iп = 0,02. Это максимальные допустимые уклоны для дорог первой и второй категорий, при этих параметрах наблюдаются большие скорости движения потока и большие расходы, решётки работают в предельных режимах 
. Модель состоит из следующих составных частей: дорожного полотна длиной 4,5 м и шириной 0,6 м, выставленного с проектными уклонами; дождеприёмной решётки, установленной посередине дорожного полотна у стенки лотка (в натурных условиях у бордюра). Для измерения расхода, принятого дождеприёмной решёткой, использовался треугольный мерный водослив, установленный под дорожным полотном. На водосливе расход определялся по формуле Томсона Q = 1,4H
. Измерение напоров на водосливе производилось по пьезометру. Уровень в пьезометрах снимался измерительной иглой – шпитценмасштабом. Пьезометр для измерения напора на водосливе располагался за успокоительной решёткой до начала кривой спада, то есть соблюдалось условие L>3Hmax 
. В конце установки, в приёмном баке, располагался другой мерный треугольный водослив для измерения общего расхода, прошедшего через установку. В этой работе ставилась задача исследовать конструкции малых дождеприёмных решёток с разными рисунками отверстий с целью выбора последних, обладающих повышенной пропускной способностью. Таким образом, проводилось качественное исследование дождеприёмных решёток. Решётка, показанная на рис. а, разработанная в ГП «РОСДОРНИИ», уже используется на мостовых переходах для отвода дождевых вод. Она устанавливается над воронкой, из которой вода поступает в локальный отстойник . Ширина стержней ds = 20 мм была назначена для обеспечения прочностных характеристик решётки. Внешние размеры других разработанных нами решёток, совпадали с аналогичными размерами решётки «РОСДОРНИИ» и отличались только рисунками отверстий . Поэтому при разработках решёток для проведения сравнительного анализа их работы, мы сочли необходимым учитывать два фактора: 1 – чтобы в новых решётках ширина стержня была ds = 2 см; 2 – чтобы площади отверстий в новых решётках совпадали или были близки площади отверстий (ωотв.) решётки «РОСДОРНИИ». По условию безопасной эксплуатации дорог требуется, чтобы ширина водного потока в прибордюрном лотке не превышала 2 м перед дождеприёмной решёткой . При такой ширине потока и поперечном уклоне iп= 0,02, то есть при максимальном расчетном расходе, глубина воды перед решёткой до начала кривой спада должна составить h0=4 см. На установке мы воспроизводили фрагмент треугольного прибордюрного лотка в натурных условиях. Создавая на экспериментальной установке такой гидравлический режим, при котором перед решёткой устанавливалась глубина h0 = 4 см, мы выясняли максимальную пропускную способность каждой решётки и делали их срав-нительный анализ.
По результатам лабораторных исследований представлена итоговая таблица значений пропускной способности малых дождеприёмных решёток при максимальной допустимой глубине воды в прикромочном лотке h 0 = 4 см .
Результаты исследований дождеприёмных решёток
Решётки, представленные на рисунках | ωотв, мм2 | Q0, л/с | Qдожд., л/с | Qпр, л/с | Δ1, % | Δ2, % |
Рис. а | 33532,5 | 24,25 | 11,25 | 13,0 | 0 | 0 |
Рис. б | 33599,575 | 24,25 | 11,7 | 12,55 | 4,0 | 0,2 |
Рис. в | 33693,75 | 24,25 | 11,4 | 12,85 | 1,33 | 0,48 |
Рис. г | 29898,884 | 24,25 | 10,35 | 13,9 | -8,0 | -10,83 |
Рис. д | 33349,976 | 24,25 | 11 | 13,25 | -2,22 | -0,54 |
Рис. е | 33142,31 | 24,25 | 9,1 | 15,15 | -19,11 | -1,16 |
Примечание: ωотв – площадь отверстий исследуемых дождеприёмных решёток;
Q0 - расход, подаваемый на установку; Qдожд – расход, принимаемый дождеприёмной решёткой; Qпр – расход проскока, проходящий мимо дождеприёмной решётки; Δ1 – относительная разница пропускной способности исследованных дождеприёмных решёток по отношению к Qдожд решётки «РОСДОРНИИ» ( рис. а ); Δ2 – относительная разница площадей отверстий исследованных дождеприёмных решёток по отношению к ωотв решётки «РОСДОРНИИ»
Как видно из таблицы, наибольшей пропускной способностью из исследованных обладают решётки, показанные на рис. а, б. Две решётки, из новых разработанных (рис. б, в) пропускают больший расход по сравнению с решёткой «РОСДОРНИИ» (рис. а) . В дальнейшем было проведено подробное исследование этих «перспективных» решёток с большим диапазоном подаваемых на установку расходов, изучена кинематика потока в районе решётки. Для решёток, представленных на рисунке, были определены значения предельных расходов Q*, то есть расходов, полностью принимаемых решётками, без образования расхода проскока . Одновременно с этим по методике определения предельных расходов для больших дождеприёмных решёток, разработанной в МАДИ и А. Уймой, были найдены теоретические значения предельных расходов, которые с небольшой разницей совпали с экспериментальными значениями. Таким образом, было доказано, что данная методика применима и для малых дождеприёмных решёток. В результате проведённых исследований дождеприёмных решёток на модели дорожного полотна были определены расходы воды, принимаемые решётками, а также выявлены новые «перспективные» решётки с повышенной пропускной способностью, сохранившие основные прочностные характеристики исходной решётки. Была экспериментально подтверждена правомерность применения методики определения предельных расходов для малых дождеприёмных устройств.
а
| б
|
в
| г
|
д
| е
|
Схемы разработанных и исследованных дождеприёмных решёток
Библиографический список
1. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
2. СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги». М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.152 с.
3. Перевозников водоотвода на автомобильных дорогах. – М.: Автомобильные дороги: Обзорная информация / ЦБНТИ Росавтодор, 1992. Вып.с.
4. Отчёт о НИР НИЧ МГУП Разработка усовершенствованных конструкций и методик расчёта сооружений для отвода и очистки вод поверхностного стока с покрытий дорог и мостов - с составлением рекомендаций. Этап 3. Разработка и гидравлическое исследование конструкций поверхностного водоотвода. М., 20с.
5. Штеренлихт . М.: Энергоатомиздат, 1991. В 4-х кн.
