Основные принципы функционирования дорожного водоотвода Основные принципы функционирования дорожного водоотвода по дисциплине «Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог и городских улиц» Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота» Калининград 2014 Введение Система дорожного водоотвода является важным элементом дороги. Задача водоотводных сооружений - предотвратить переувлажнение земляного полотна. По мере увеличения влажности физическое состояние грунта меняется от твердого к текучему, резко уменьшается способность сопротивляться нагрузкам. Для отвода поверхностной воды устраивают боковые и водоотводные канавы, которые собирают воду, стекающую как с дороги, так и с прилегающей местности, и отводят ее в пониженные места, прокладывают нагорные канавы для перехвата воды, текущей по склону к дороге. Канавы бывают трапециевидными и треугольными в зависимости от расчетного количества отводимой ими воды. Подземный сток воды осуществляется по тем пластам грунта, которые обладают хорошей водопроницаемостью. Такие пласты называют водоносными. Если водоносный слой залегает неглубоко от поверхности, возникает опасность переувлажнения грунтовыми водами земляного полотна и оказывается необходимым их искусственное понижение - удаление воды от земляного полотна на беопасное расстояние. Для перехвата, понижения уровня и отвода грунтовых вод применяют устройства, которые составляют систему подземного водоотвода - дренаж - сеть уложенных под землей труб или каменных набросок с крупными пустотами, по которым вода стекает быстрее, чем по порам окружающего водоносного грунта. Основные принципы функционирования дорожного водоотвода Важнейшую роль в обеспечении надлежащего уровня функционирования систем водоотвода автомобильных дорог играют правильное выполнение работ на стадии проектирования, своевременное обнаружение отклонений в технологическом процессе при строительстве водоотводных сооружений и принятие соответствующих мер по их устранению, а также работы по содержанию конструкций дорожного водоотвода в эксплуатационный период. Система дорожного водоотвода функционально и конструктивно сопряжена с устойчивостью земляного полотна и дорожных одежд, а также с пересечениями и примыканиями, откосными водопропускными, водоперепускными сооружениями, откосами выемок, прилегающими к автомобильной дороге склонами, водоемами и водотоками. На автомобильную дорогу оказывают влияние не только природные факторы (климат, рельеф, гидрологические и геологические условия проложения трассы), но и результаты строительства дороги и искусственных сооружений на ней, которые находятся во взаимосвязи между собой. Поэтому на стадии проектирования автомобильной дороги при оценке климатических, гидрологических и геологических условий района строительства и выборе схемы сбора и отвода поверхностных вод следует прогнозировать работу водоотводной конструкции в процессе эксплуатации, тем самым, уменьшая возможность изменения природных условий под влиянием производственной деятельности человека. Дождевые осадки оказывают определяющее воздействие на изменение водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд. На основе результатов многочисленных исследований, проведенных в России и за рубежом, было доказано, что влажность грунта земляного полотна возрастает при уменьшении расстояния от горизонта грунтовых вод, при сокращении расстояния от фильтрующего слоя, а также при увеличении среднего количества осадков за 15 сут. Земляное полотно - фундамент дорожной одежды, и его устойчивость определяет долговечность дорожной одежды. Устойчивость земляного полотна обеспечивается не только его рационально проектируемыми конструкциями, характеристиками грунтов и условиями их сложения, но также особенностями сбора, отвода воды, водоотводных конструкций и технологией строительства. Разрушения, возникшие в земляном полотне из-за отсутствия надлежащего отвода воды с поверхности покрытия, могут быть полностью устранены только в период проведения работ по реконструкции автомобильной дороги. Сопротивление сдвигу грунтов земляного полотна значительно изменяется при колебаниях их влажности и степени уплотнения, поэтому необходимо поддерживать водный режим земляного полотна постоянным в течение всего года. Насыщение грунта откосов земляного полотна дождевыми или паводковыми водами является основной причиной их сплывов и оползней, что в дальнейшем приводит к потере прочности всех элементов автомобильной дороги. Неудовлетворительная работа водоотводных конструкций приводит также к аккумуляции воды на поверхности покрытия и ее проникновению в грунт земляного полотна через обочины, трещины и швы в покрытиях. Согласно результатам многочисленных лабораторных исследований за рубежом, асфальтобетонные покрытия, в которых имеются усталостные трещины, пропускают 70-95 % воды по количеству, эквивалентному дождевым осадкам интенсивностью 50 мм/ч. Наибольший вред устойчивости дорожной конструкции причиняет свободная вода, находящаяся в ее конструктивных слоях, где под давлением колес транспортных средств происходит ее перемещение. Свободная вода в зернистом слое основания дорожной одежды при динамических нагрузках может снизить его прочность на 25 % и более. Интенсивные кратковременные летние дожди не оказывают существенного влияния на повышение влажности грунта земляного полотна из-за недостатка влажности воздуха и значительного испарения. Однако понижение температуры воздуха способствует миграции к поверхности покрытия связанной воды, содержащейся на различных глубинах промерзающего грунта земляного полотна. Кроме этого, водная пленка на поверхности проезжей части автомобильной дороги значительно ухудшает условия движения транспортных средств из-за снижения сцепных качеств дорожного покрытия и ограничения видимости при движении. Практически в 70 % дорожно-транспортных происшествий с особо тяжкими последствиями среди сопутствующих основной причиной являются неудовлетворительные дорожные условия. Дождевые осадки, выпадающие в летний период, непосредственно влияют на состояние покрытия и безопасность движения автомобилей. Вода, задерживаясь на дорожном покрытии, приводит к возникновению в зоне контакта шины колеса автомобиля с покрытием водяного клина, который растет по мере увеличения скорости движения. Возникает эффект аквапланирования, при котором колесо автомобиля полностью теряет продольное и поперечное сцепление. Наибольшее количество дорожно-транспортных происшествий, вызванных низкими сцепными качествами дорожных покрытий, происходит именно на мокрых покрытиях, когда не обеспечен отвод воды. На степень функционирования водоотводных конструкций также влияет качество устройства покрытия проезжей части автомобильной дороги. Застой воды на проезжей части и обочинах наблюдается в том случае, если не обеспечивается ровность покрытия (рис. <http://www.tehlit.ru/1lib_norma_doc/52/52577/>, <http://www.tehlit.ru/1lib_norma_doc/52/52577/>). Кроме того, температурные швы и мелкие трещины в дорожных покрытиях пропускают воду в количестве, более чем достаточном для появления разрушений (рис. 3 <http://www.tehlit.ru/1lib_norma_doc/52/52577/>, а). В процессе эксплуатации в асфальтобетонных покрытиях появляются усталостные трещины вследствие динамических нагрузок и деформаций дорожной одежды, в цементобетонных покрытиях всегда имеются трещины в местах сопряжения с обочинами, а температурные швы со временем теряют водонепроницаемость. Давление от колес транспортных средств вызывает перемещение воды в слоях дорожной одежды (см. рис. 3 <http://www.tehlit.ru/1lib_norma_doc/52/52577/>, б) и их разрушение (см. рис. 3 <http://www.tehlit.ru/1lib_norma_doc/52/52577/>, в). Рис. 1. Участок автомобильной дороги, где в неровностях покрытия скапливается вода Рис. 2. Аккумуляция воды в дорожном покрытии на участке просадки Рис. 3. Разрушение дорожной одежды: а - накопление воды на дорожном покрытии и ее проникание через трещины в нижележащие слои дорожной одежды; б - миграция воды в слоях дорожной одежды под действием нагрузки; в - разрушенный участок дорожной одежды Для принятия обоснованных решений необходима точная оценка расчетных гидрометеорологических условий в заданном районе с использованием имеющихся данных проектных разработок прошлых лет и опыта эксплуатации построенных сооружений. В случае применения новых схем и сооружений необходимо тщательно анализировать особенности их функционирования и при возможности проводить лабораторные исследования их работоспособности, так как косвенные, необоснованные аналогии с имеющимися конструкциями недопустимы. Кроме того, использование новых конструктивных элементов в системе дорожного водоотвода может потребовать проведения дополнительных исследований с целью разработки методов оценки исходных гидрометеорологических параметров проектирования. Конструкции дорожного водоотвода относятся к сооружениям специального назначения и не только испытывают воздействия природно-климатических факторов, но и под их влиянием способны оказывать негативное влияние на прилегающую природную среду. Преждевременные разрушения и засорение водоотводных конструкций, зачастую обусловленные отсутствием расчетов их пропускной способности и надлежащей апробации, а иногда и опыта строительства подобных сооружений, а также отсутствием оборудования для их содержания приводят, прежде всего, к переувлажнению грунтов земляного полотна. Выбор и назначение схемы водоотвода автомобильной дороги могут, как значительно уменьшать неблагоприятное влияние гидрологических и гидрогеологических факторов, так и ускорять их отрицательное воздействие на автомобильную дорогу в целом, что указывает на необходимость тщательной проработки всех возможных вариантов систем дорожного водоотвода на стадии проектирования. Некоторые водоотводные конструкции абсолютно не приемлемы для устройства на откосах насыпей автомобильных дорог, однако случаи строительства этих конструкций и их неудовлетворительного функционирования имели место. В настоящее время в практике проектирования и строительства автомобильных дорог в России и зарубежных странах существуют следующие схемы организации поверхностного водоотвода. Схема 1 характеризуется свободным стеканием воды по поверхности проезжей части автомобильной дороги на обочины, далее на откосы и затем в боковые водоотводные канавы (кюветы). Скорость стекания воды в этом случае определяется параметрами продольных и поперечных уклонов проезжей части и обочин, а также типом и состоянием покрытия проезжей части, регламентированным типовым проектом на дорожные одежды. При этом для защиты от размывов необходимо укреплять откосы земляного полотна и кюветы. Поперечные сечения водоотводных сооружений назначаются на основе результатов гидрологических и гидравлических расчетов. Различные способы укрепления обочин и откосов земляного полотна автомобильных дорог регламентируются типовыми проектными решениями, требованиями нормативных документов и методическими рекомендациями. Поверхностный сток, притекающий к подошве откосов земляного полотна, при прохождении автомобильной дороги в насыпи отводится с помощью кюветов, лотков, продольных и поперечных водоотводных канав; в выемке - кюветами или лотками. Выпуск воды из водоотводных канав, кюветов и лотков в пониженные места рельефа местности допускается при условии, что это не вызовет заболачивания местности и застоя воды у прилегающего земляного полотна. Как правило, кюветы устраиваются с поперечным сечением трапецеидальной формы, однако в ряде случаев допускается устраивать кюветы треугольного и прямоугольного сечения. Конструкции укреплений водоотводных канав и кюветов должны обеспечивать необходимую прочность, устойчивость всей дорожной конструкции и удобство при содержании в период эксплуатации. Кроме того, укрепление необходимо производить в строгом соответствии с типовыми конструкциями и нормативными требованиями, а также с учетом максимального использования местных материалов и механизмов. В настоящее время применяются типовые конструкции укреплений водоотводных канав щебнем с засевом трав на откосах, сборными бетонными плитами, торкретбетоном, монолитным бетоном, кюветными сборными лотками, бетонными сегментами, асфальтобетонными плитами и песчаным асфальтобетоном, лотками-желобами, железобетонными прямоугольными и рамными лотками Схема 2 характеризуется свободным стеканием воды по поверхности проезжей части автомобильной дороги к прикромочным водосборным лоткам, располагаемым с обеих сторон проезжей части, далее в открытые откосные водосбросные лотки, располагаемые через определенные расстояния друг от друга, затем в водоотводные укрепленные канавы, в очистные сооружения или на прилегающую территорию. В соответствии с этой схемой система поверхностного водоотвода на территории России и ряда зарубежных стран включает типовые железобетонные водосборные прикромочные и водосбросные откосные телескопические лотки, а также укрепленные водоотводные канавы. Кроме типовых прикромочных конструкций на автомобильных дорогах применяются водосборные лотки эллипсоидного, круглого, трапецеидального и прямоугольного поперечных сечений. Схема 3 характеризуется свободным стеканием воды по поверхности проезжей части автомобильной дороги к бордюрам, располагаемым с обеих сторон проезжей части, далее в открытые откосные водосбросные лотки, располагаемые через определенные расстояния друг от друга, затем в водоотводные укрепленные русла, в очистные сооружения, закрытую канализацию или на прилегающую территорию. Для увеличения скорости отвода воды с поверхности покрытия на автомагистралях, подходах к мостам и путепроводам, а также городских улицах широко применяются подземные ливнестоки с отводом воды за пределы земляного полотна. Особое внимание при организации поверхностного водоотвода по схемам 2 и 3 необходимо уделять узлам сопряжения прикромочных и откосных сооружений, участкам входа в откосный лоток, водогасителям в концевой части откосных лотков, укреплению нижнего бьефа откосного водосбросного сооружения и участкам его сопряжения с продольными водоотводными канавами, очистными сооружениями и прилегающей территорией. Одним из основных требований, предъявляемых к автомагистралям, является обязательное разделение встречных потоков движения автомобилей грунтовой или укрепленной полосой, которая не используется для проезда. Отвод воды с разделительной полосы выпуклого очертания осуществляется за счет поперечных и продольных уклонов. Поверхность выпуклых разделительных полос устраивается по типу основной проезжей части, и зачастую на ней устанавливаются металлические или бетонные барьерные ограждения, сопряженные с краевой укрепленной полосой. На участках виражей автомобильных дорог с выпуклой разделительной полосой поверхностные стоки из прилегающих к ней прикромочных лотков сбрасываются в дождеприемные колодцы и выводятся за пределы земляного полотна. Поверхность вогнутой разделительной полосы может укрепляться на всю ширину засевом трав, бетонной плиткой или монолитным бетоном либо на основании соответствующих расчетов укрепляется только русло разделительной полосы. Сбор и сброс поверхностных вод с разделительной полосы вогнутого очертания на вираже производится с помощью укрепленных подводящих русл на разделительной полосе, дождеприемных колодцев, водосточных труб под насыпью дороги и выходных русл. Одним из элементов дорожного водоотвода являются водопропускные трубы, которые подразделяются на определенные группы в зависимости от материала изготовления, формы отверстия, места укладки, форм и типов оголовков. Водопропускные трубы являются самыми распространенными искусственными сооружениями на автомобильных дорогах и используются для пропуска воды через тело земляного полотна, водообмена пересекаемых дорогой площадей водосбора, биологического и хозяйственного сообщения между разделенными территориями. В случае технико-экономического сравнения трубы и малого моста предпочтение обычно отдается трубе, так как эксплуатационные затраты на ее содержание значительно меньше, чем на содержание малого моста, а земляное полотно и конструкции дорожной одежды при ее прокладке не претерпевают существенных нарушений. Конструкция трубы зависит от расчетного расхода воды, высоты насыпи, нагрузки, несущей способности подстилающих грунтов, глубины промерзания, величины продольного уклона, особенности водотока, периода подтопления, наличия твердого стока. Водопропускные трубы необходимо устраивать в соответствии с типовыми проектами, выполнять укрепление входных и выходных русл и устраивать гасители. Основное назначение водогасящих устройств состоит в уменьшении на коротком участке кинетической энергии водного потока до размеров, не вызывающих угрозу размывов искусственного водоотводного русла или мест выброса воды на прилегающую территорию. В районах, где наблюдается паводковое подтопление, необходимо обеспечивать устойчивость подмостовых конусов и водосбросных лотков, расположенных на подмостовых откосах между мостами. Кроме того, всегда возникает необходимость отвода воды с поверхности автомобильной дороги через укрепляемые откосы подтопляемых насыпей - без устройства откосных лотков либо с откосным лотком. Выбор конструкций водоотводных лотков на откосах подтопляемых насыпей производится с учетом разрушающих воздействий речного потока - судовые и ветровые волны, скорость течения потока вдоль насыпи, размывы подошвы насыпей, ледоход, карчеход. Одно из существенных требований - необходимость устройства откосных лотков и сохранение прочности конструкции укрепления. В концевой части откосных лотков на подтопляемых насыпях устраиваются гасители энергии потока и стенки против размыва паводковыми водами. На высоких пойменных насыпях на неподтопляемых участках откосов допускается применение типовых телескопических лотков с выводом воды из них на укрепленные подтопляемые участки откосов. С целью снижения объема притока дождевых вод на подтопляемые откосы поверхности регуляционных сооружений придается уклон в сторону неподтопляемого откоса, при использовании грушевидных дамб - во внутреннюю их сторону с последующим отводом воды лотками, расположенными в местах сопряжения откосов дороги и дамбы. На участках высоких насыпей, подходах к мостам и путепроводам, ограниченным двусторонними выемками, сброс поверхностных вод из водоотводных канав и прикромочных лотков производится на низовую сторону. Кроме того, устраиваются закрытые перепуски через дорогу в начале и в конце насыпи, закрытые ливневые сети под прикромочной полосой или обочиной. При разработке проектов дорожно-мостовых сооружений поверхностные стоки с автомобильных дорог и мостовых переходов не всегда рассматривались и рассматриваются как основной источник загрязнения прилегающей территории и водоемов. Увеличение площади техногенных поверхностей при строительстве автомобильных дорог и мостовых переходов вызывает значительные изменения в гидрологическом режиме и инфильтрационных характеристиках прилегающей территории, что приводит к возрастанию объемов поверхностного стока и степени его загрязненности. В крупных городах и на внегородских скоростных автомобильных дорогах поверхностный сток представляет собой значительные объемы загрязненных вод, которые чаще всего без очистки, со значениями предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ, превышающих норму в несколько раз, попадают в водные объекты. При этом максимальное воздействие на окружающую среду и водные объекты оказывается тогда, когда загрязняющие компоненты попадают в поверхностные стоки во время дождей, снеготаяния и увлажнения покрытия с помощью поливомоечных машин. Загрязнение поверхностных стоков возникает за счет смывания атмосферными осадками с проезжей части и прилегающей территории пыли, мусора, почвы, нефтепродуктов, токсичных полимерных материалов и тяжелых металлов. Влияние загрязненного поверхностного стока на прилегающую к автомобильной дороге территорию оказывается наиболее интенсивным при отсутствии удовлетворительно функционирующей системы дорожного водоотвода и очистки сточных вод. Степень загрязнения прилегающей к автомобильной дороге территории и водоемов напрямую зависит от правильности примененной схемы организации поверхностного водоотвода и его работоспособности. Во избежание нарушения экологического баланса на территории, прилегающей к автомобильной дороге, и особенно в водоемах и водотоках, очистка поверхностных стоков с проезжей части является необходимой. Выбор инженерного решения по устройству конкретной системы очистки сточных вод, сопряженной с водоотводными конструкциями, производится на основе данных о величине поверхностного стока и его химическом составе, природно-климатических условиях района строительства, рельефа и степени загрязнения поверхности прилегающей территории. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для сохранения экологического баланса в природной среде при эксплуатации дорожно-мостовых сооружений необходимо соблюдение всех правил при сооружении дорожного водоотвода, что позволит не только сохранить прочность и целостность самих дорожно-мостовых сооружений, но и значительно снизить уровень техногенного влияния на окружающую среду. Заключение Своевременный и целенаправленный сбор и отвод воды с поверхности автомобильных дорог и последующая ее очистка от загрязнений - одна из основных задач повышения технического уровня автомобильных дорог, безопасного движения по ним и снижения техногенного влияния на окружающую среду. Особое место в этой проблеме занимают мероприятия, направленные на совершенствование методологии разработки оптимальных проектно-строительных решений и ремонтно-восстановительных мероприятий. При эксплуатации автомобильных дорог и мостов поверхностные стоки ливневых и талых вод и стоки от увлажнения покрытия поливомоечными машинами содержат в своем составе значительное количество загрязняющих компонентов, отрицательное воздействие которых на экологию оказывается наиболее интенсивно при отсутствии удовлетворительно функционирующей системы водоотвода и очистки сточных вод. Кроме того, необеспеченный поверхностный водоотвод приводит к снижению прочности дорожных одежд, нарушению устойчивости земляного полотна, сокращению межремонтных сроков, снижению уровня безопасности и удобства движения транспортных средств. Одной из проблем является то, что в отдельных областях России, особенно в последние годы, распространенным в зимнее время явлением оказывается чередование периодов оттаивания и замерзания снегового слоя, что создает определенные проблемы при обеспечении своевременного отвода талых вод с поверхности автомобильных дорог. Кроме этого, имеют место случаи одновременного выпадения дождевых и снеговых осадков в зимние месяцы, что нередко приводит к значительному затоплению проезжей части и нарушению бесперебойного движения транспортных средств. Таким образом, для решения проблемы организации дорожного водоотвода и очистки стоков с автомобильных дорог необходимо выполнять комплекс мероприятий, направленных на соблюдение технологического регламента при строительстве элементов водоотвода и проведение работ по содержанию системы водоотвода в состоянии удовлетворительной работоспособности в течение практически всего календарного года. Список литературы . Ильина А.А. Об основных требованиях и правилах устройства, содержания и ремонта сооружений поверхностного водоотвода автомобильных дорог // Автомоб. дороги: Науч.-техн. информ. сб. / Информавтодор. - М., 2001. - Вып. 1. . Ильина А.А. Проблема загрязнения окружающей среды поверхностными стоками с автомобильных дорог и мостовых переходов // Новости в дор. деле: Науч.-техн. информ. сб. / ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР». - М., 2003. - Вып. 3. 4. Balades J.D., Cathelain M., Merchandise P., Peybernard J., Pilloy J.C. Chronic pollution of intercity motorway runoff waters / Water Science and Technology. - 1985. . Wada Y, Miura H. Quantification of accumulated leads on road surfaces and their runoff characteristics / Water Science and Technology. - 1984.