М.В. НЕМЧИНОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ВОДОСТОКА
В ГОРОДАХ

Учебное пособие

Утверждено в качестве

учебного пособия

редсоветом МАДИ

МОСКВА 1988

Немчинов М.В. Проектирование водостока в городах: Учебное пособие / МАДИ. - М., 1988.

Рецензенты: доцент МИСИ, канд. техн. наук Л.П. Нецветов;

главный специалист мастерской № 4 института Мосинжпроект И.И. Гортунов

В учебном пособии рассмотрены основные вопросы организации поверхностного стока, включая характеристики дождей и вертикальную планировку городских территорий и улиц, принципы размещения и гидравлический расчет водоприемных колодцев, расчет лотка проезжей части и движения воды в коллекторе водостока. Изложены нормативные данные по проектированию основных элементов водостока и водосточной сети; гидрологический и гидравлический расчет водосточного коллектора; расчёт конструктивных элементов водосточной сети (по прочности); методы регулирования поверхностного стока. Даны таблицы для расчета коллектора водосточной сети.

Пособие предназначено для студентов специальности 2910, изучающих курс «Подземные инженерный сети».

ВВЕДЕНИЕ

Современная улица представляет собой сложное инженерное сооружение, в состав которого входит подземное, наземное и надземное оборудование, непосредственно связанное с движением транспорта и пешеходов, благоустройством и внешним видом улицы. Обязательным элементом оборудования являются устройства по отводу поверхностных и грунтовых вод.

Основным принципом водоотвода в городах является направление поверхностных вод со всех территорий города к улицам. Поэтому улицы следует рассматривать как сборные и отводящие каналы поверхностных вод. Под организованным водоотводом подразумевается организация стока дождевых и талых вод включающая: организацию стока воды по городской территории, отведение собранных поверхностных вод в водоемы или другие места за пределами городских территорий, очистку наиболее загрязненной части поверхностного стока.

Для отвода поверхностных вод строят водосточные сети. Грунтовые воды отводятся с помощью дренажных систем.

1. ОРГАНИЗАЦИЯ СТОКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

Поверхностный сток образуется дождевыми и талыми водами, а также водой от поливки и мойки улиц. При этом дождевые (ливневые, обложные) осадки в городах дают сток при слое осадков более 2 мм ввиду наличия значительных по площади водонепроницаемых покрытий (покрытий дворов, проезжей части улиц, крыши домов). В центральной части ЕТС число дней с осадками более 2 мм по многолетним данным в среднем составляет 70 дней в год.

Основными параметрами, характеризующими дожди, являются: интенсивность, продолжительность и повторяемость. Обычно рассматривают среднюю интенсивность дождя (рис. 1), которая определяется из выражения

и измеряется обычно в мм/мин. Здесь h_в - количество выпавших осадков за один дождь, t_д - продолжительность дождя, а - интенсивность дождя по слою. Используется еще один показатель - интенсивность дождя по объему:

q = 166,7 · a (л/с на 1 га территории),

где K = 166,7 - переводной коэффициент (для размерности)

Продолжительность дождя определяется в часах или минутах. Строгой закономерности выпадения дождей разной интенсивности не наблюдается. Однако установлена обратная пропорциональность между максимальной интенсивностью и продолжительностью дождей (рис. 2). Эта зависимость справедлива для дождей одинаковой вероятности появления.

Повторяемость дождей определяется в годах для дождей определенной интенсивности. Дожди большей интенсивности повторяются реже, чем меньшей интенсивности. Кривая связи этих показателей аналогична графику интенсивность - продолжительность дождя; обычно она изображается на клетчатке вероятности, т.е. в логарифмической системе координат: в этом случае кривая выпрямляется и её легко экстраполировать.

Организация стока поверхностных вод преследует цель сбора и удаления с территории города и улиц дождевых и талых вод. Достигается это путем вертикальной планировки городских территорий, сбора воды в лотки проезжей части проездов, затем улиц. Из лотков улиц вода поступает в систему водоотвода, которая может быть открытой или закрытой. Открытая система включает лотки, кюветы, канавы. В соответствии с действующими правилами (СНиП) в городах должна предусматриваться закрытая система водоотвода.

Из схемы вертикальной планировки (рис. 3) видно, что сначала стекающая вода попадает в дворовую (или внутриквартальную) сеть лотков проезжей части, а затем поступает на улицу. Внутри квартала также требуется устройство водосборной сети (например, в углу, где вертикальная отметка минимальная и откуда нет стока).

Системы городской канализации подразделяют на общесплавные, раздельные и полураздельные.

Общесплавная система канализации пропускает ливневые и талые, а также производственные и фекальные воды. Весь сток поступает на очистные сооружения, за исключением части расхода отводных береговых коллекторов, которые во время сильных дождей сбрасываются непосредственно через ливнеспуски. Эта система канализации довольно удобна, так как все сточные воды отводятся одной системой труб и каналов. Имеет она и некоторые санитарные преимущества. Её недостаток обусловливается резким увеличением размеров очистных сооружений и диаметра труб.

Рис. 1. Диаграмма хода дождя

Рис. 2. Связь интенсивности и продолжительности дождя (при одинаковой вероятности появления)

При полной раздельной системе предусматривается устройство двух самостоятельных сетей: для отвода фекальных и производственных вод и для отвода поверхностного стока - самостоятельная сеть ливневой канализации. Сброс фекальных вод в проточные водоемы, реки, водотоки осуществляется после их полной очистки.

При полураздельной системе канализации также устраиваются две самостоятельные системы уличных сетей, но с общими (общесплавными) отводящими коллекторами. При этом все бытовые и производственные сточные воды, весь талый и дождевой сток расчетной повторяемости поступают на очистные сооружения. При полураздельной системе отпадает необходимость устройства многочисленных отдельных очистных сооружений на городской территории.

Закрытая система водоотвода может включать:

- защитную (нагорную) сеть, перехватывающую поверхностные воды, стекающие к городу с возвышенной местности. Эта сеть может быть закрытой, но чаще устраивается открытой в виде нагорных каналов;

- водосборную (первичную) сеть, собирающую поверхностные воды, выпадающие на территории города;

- водоотводящую сеть, транспортирующую собранные поверхностные воды к водоему или другому месту сброса вод;

- водосточные сети специального назначения (например, водостоки, перехватывающие воду на оползневых склонах, дренажи различного назначения - для понижения уровня грунтовых вод, сопутствующие подземным коммуникациям, профилактические).

Вся водосточная сеть города слагается из бассейнов. Границы бассейна являются границами площади стока дождевых вод, притекающих к водосточной сети данного бассейна. Сеть водостоков в пределах отдельного бассейна разделяется на главный коллектор бассейна, боковые коллекторы и водостоки отдельных улиц. Главные коллекторы бассейнов располагаются по направлению основных тальвегов бассейна и имеют отдельные выпуски в проточные водотоки или коллекторы полураздельной канализации. Русла ручьев и малых речек, расположенных в пределах города, включаются в систему водоотвода в виде открытых или закрытых протоков на всем их протяжении или на отдельных участках.

Рис. 3. Вертикальная планировка квартала

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОСТОЧНОЙ СЕТИ ГОРОДА

Проект водосточной сети разрабатывается на основе генерального плана застройки города, генеральной схемы развития водосточной подземной сети. Проект водосточной сети включает:

- план бассейна с указанием направления стока по всем улицам, на котором показывается проектируемая сеть с выделением расчетных участков и точек; генплан района застройки (с геологией) с указанием размещения дождеприемных, смотровых и других колодцев;

- продольные профили коллекторов и сточных веток;

- конструктивные чертежи элементов и сооружений водосточной сети;

- расчетно-пояснительную записку, включающую гидрологический и гидравлический расчеты сети, ведомость объемов работ и сметно-финансовый расчет.

Проектирование водосточной сети города включает следующие операции:

1. Установление границ бассейнов, трасс главных коллекторов, мест выпуска воды.

2. Начертание сети коллекторов в каждом бассейне и установление границ частных бассейнов.

3. Размещение водоприемных колодцев на улицах и площадях в соответствии с трассами коллекторов.

4. Определение расчетных точек и расчетных участков на коллекторах.

5. Определение длины каждого расчетного участка и площади бассейна стока для расчетных участков.

6. Установление продольных уклонов каждого расчетного участка и составление профилей по трассам коллекторов.

7. Гидрологический и гидравлический расчеты коллекторов.

8. Разработка конструкции водосточной сети.

В начальной стадии проектирования вся территория города разбивается на систему бассейнов, в каждом из которых намечается главный коллектор с выпуском воды в водоем или другое место сброса вод. Границы бассейнов устанавливаются по рельефу местности. Обычно используют схемы или проекты вертикальной планировки, где указаны направления стока и водоразделы. Следует помнить, что рассматривается будущий рельеф местности (рис. 4).

В каждом бассейне различают частные бассейны стока. Общим является бассейн системы, имеющей главный коллектор. Частными являются отдельные бассейны, определяющие поверхностный сток по расчетным участкам сети. Желательно, чтобы площадь общих бассейнов находилась в пределах 75 ... 100 га. В этом случае диаметры коллекторов обычно не превышают 800 ... 1200 мм.

Начальные точки водосточных коллекторов, принимающих дождевые воды из первых водоприемных колодцев, намечаются из условия длины свободного пробега воды, т.е. с учетом расстояния от водораздела до первого водоприемного колодца, в пределах которого вода стекает по открытым лоткам. При этом должна учитываться допустимая высота наполнения лотков, при которой будет обеспечен пропуск расходов стока. Допустимое наполнение - 5 см.

Главные коллекторы обычно проектируют по тальвегам и по кратчайшим направлениям от наиболее удаленной точки бассейна до места сброса воды. Однако во всех случаях положение главного коллектора должно быть увязано с планировкой улично-дорожной сети города (существующей или перспективной). Наиболее целесообразно главные коллекторы прокладывать по магистральным улицам.

При относительно плоском бассейне желательно главный коллектор трассировать посередине бассейна. В водосточной сети на всех её участках должно быть самотечное движение воды. Поэтому все коллекторы (главные и второстепенные) прокладываются в направлении падения продольных уклонов.

Проектирование сети водостоков должно вестись вариантным методом. Выбор окончательного варианта проводится на основе технико-экономического сравнения вариантов. Основной задачей при проектировании является полное обслуживание всей территории города, всех улиц при наименьшей длине сети и наинизшей ее строительной стоимости.

В зависимости от ширины проезжей части на улице предусматривают прокладку одного или двух коллекторов. Критерием является длина водосточной ветки от дождеприемного колодца до коллектора (не более 40 м). Размещение коллектора в пределах улицы подчиняется общему размещению подземных коммуникаций в её поперечном профиле. Целесообразно размещать водосточный коллектор на удалении 1,5 ... 2,0 м от лотка проезжей части.

Рис. 4. Бассейны водосточной сети города

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЛОТКА ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ

В различных случаях важно знать или наполнение сооружения поверхностного водоотвода, или скорость протекания воды в нем. В городских условиях для сооружений закрытой системы водоотвода наиболее важно знать их наполнение. Глубины и скорости определяются, как правило, только для конечных точек расчетных участков (между дождеприемными колодцами - для лотка проезжей части).

Для определения скорости течения воды по лотку используем формулу Шези:

где С - коэффициент, который, по формуле Маннинга, равен

R - гидравлический радиус потока, n - коэффициент гидравлической шероховатости (для лотков на улицах города коэффициент гидравлической шероховатости может быть принят равным 0,02), J - уклон потока (продольный уклон улицы по лотку проезжей части).

Перепишем формулу Шези с учетом формулы Маннинга и величины коэффициента гидравлической шероховатости:

Расход воды

Q = ωV или

В выражениях для скорости и расхода потока множители перед уклоном принято объединять, обозначать единым показателем и называть:

для скорости W = 50 · R^2/3 - скоростная характеристика расчетного сечения потока;

для расхода K = 50 · ω · R^2/3 - расходная характеристика расчетного сечения потока.

W и K зависят от геометрического очертания и размеров поперечного сечения потока.

  

Имеются стандартные поперечные сечения водоотводных сооружений. Для лотка проезжей части поперечное сечение имеет вид, показанный на рис. 5.

Допустим, задана форма потока, протекающего по стандартному поперечному сечению. Для разных глубин можно вычислить характеристики потока W и K, построить график их зависимости от глубины (рис. 6).

Порядок расчета лотка (и любого другого водоотводного сооружения) следующий.

1. Подсчитывается расход потока по формуле

Q_ср = q · F · ψ · η,

где q - интенсивность расчетного дождя, л/с на 1 га территории; F - площадь бассейна, га; ψ - коэффициент стока; η - коэффициент, учитывающий неравномерность выпадения дождя.

2. По величине расхода и уклона лотка проезжей части подсчитывают расходную характеристику расчетного сечения потока K.

3. Значение расходной характеристики K_ф откладывают на оси абсцисс графика рисунка и графически находят фактическую глубину потока h_ф, соответствующую расходу Q_ф.

4. Из точки пересечения горизонтальной линии, проведенной на уровне h_ф, с кривой W находим по графику значение скоростной характеристики потока W_ф, а затем подсчитываем и фактическую скорость потока:

Рис. 5. Схема к расчету лотка проезжей части

Рис. 6. Расходная и скоростная характеристики потока

V_факт = W_факт ·

где J - уклон лотка.

Графики расходной и скоростной характеристик строятся для различных поперечных сечений водоотводных сооружений (рис. 7).

Для построения кривых расходной и скоростной характеристик используются следующие зависимости (рис. 8):

площадь поперечного сечения потока:

смоченный периметр:

гидравлический радиус:

 при m₁ = m₂ = m.

Зная гидравлический радиус, легко вычислить K и W:

  

На основе расчета скорости протекания потока в водоотводном сооружении решается вопрос об его укреплении. Допустимые скорости течения воды указаны в табл. 1.

4. РАЗМЕЩЕНИЕ ДОЖДЕПРИЕМНЫХ КОЛОДЦЕВ

Водоприемные колодцы предназначены для приема поверхностных вод, стекающих с территории кварталов и улиц. Для приема воды на колодцах установлены водоприемные решетки. Водоприемные колодцы помещаются на улицах и площадях: а) в пониженных местах, не имеющих стока; б) на перекрестках улиц в лотках проезжей части; в) у въездов и выездов в кварталы и микрорайоны; г) в лотках проезжей части между перекрестками. В этом случае расстояние между колодцами назначается по нормам (от 50 до 80 м, в зависимости от уклона) или определяется расчетом. Первый водоприемный колодец устанавливается от водораздельной линии на удалении 50 ... 200 м. Расстояние между дождеприемными колодцами легко определить на основании гидравлического расчета лотка проезжей части. Размещение колодцев на перекрестках показано на рис. 9; основная цель - обеспечить удобство пешеходам при переходе улиц и отвести воду из лотков проезжей части.

Рис. 7. Поперечное сечение кюветов

Рис. 8. Схема к расчету гидравлического радиуса потока

Рис. 9. Схемы размещения водоприемных колодцев на перекрестках улиц

Таблица 1

Значения средней неразмывающей скорости потока V_нр (м/с) при глубине потока h (м)

Пропускная способность одной горизонтальной водоприемной решетки определяется из выражений:

1. При напоре воды

2. При напоре

где H₀ = Н +  - полный напор; H - глубина потока воды на подходе к решетке, м; V - скорость течения воды, м/с; W - площадь всех отверстий решетки, м²; l - длина водосливного фронта, м (равна периметру решетки, а при примыкании решетки одной стороной к борту люка - сумме длин трех ее сторон).

Для полного использования пропускной способности решеток целесообразно с низовой стороны колодца устраивать обратный уклон на участке длиной 1,5 м.

Протяжение веток от водоприемного колодца до коллектора обычно не должно превышать 40 м. Уклон веток должен быть не менее 0,005. Рекомендуемый уклон - 0,02 ... 0,03. Диаметр веток в зависимости от обслуживаемой площади принимается 200 ... 300 мм. Глубина заложения колодца зависит от глубины заложения коллектора водосточной сети, но не менее глубины промерзания. В центральных районах СССР глубина заложения водоприемных коллекторов чаще всего находится в пределах 1,5 ... 1,8 м.

В случае нулевого продольного уклона (или очень малого - менее 0,004) приходится на поверхности проезжей части устраивать пилообразный продольный профиль в лотках.

5. ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ КОЛЛЕКТОРА

Продольный профиль коллектора устанавливает положение коллектора в вертикальной плоскости (т.е. высотное положение), отметки лотка и шелыги трубы (шелыга - верхняя часть трубы, лоток - нижняя часть), глубину заложения трубы и продольный уклон для каждого расчетного участка. Наименьшая глубина заложения принимается по местным условиям. Рекомендуется закладывать в начальных точках водосточной сети лоток коллектора при его диаметре до 500 мм на 0,3 м ниже наибольшей глубины промерзания грунта, а при диаметре коллектора более 500 мм - соответственно на 0,5 м ниже глубины промерзания. Нормальная глубина заложения водосточных коллекторов 2 ... 3 м, предельная (при открытом способе производства работ) - 5 ... 6 м. Во всех случаях от поверхности земли до верха трубы должно быть не менее 0,7 м.

Расчет движения воды в коллекторе и проверку достаточности продольного уклона или диаметра трубы можно выполнить следующим образом.

5.1. Гидравлический расчет движения воды в коллекторе

Уличные коллекторы, как правило, имеют круглое поперечное сечение. Вода в них протекает с одинаковой скоростью при одинаковых условиях: площади поперечного сечения, продольном уклоне и т.д. Так как водосточные коллекторы изготавливают из достаточно прочного материала (бетон, железобетон), то скорость протекания воды в них является определяющим фактором. Для коллекторов имеет значение наполнение их или колодцев (смотровых).

Рассмотрим движение воды в коллекторе. Так как поперечное сечение коллектора круглое, то при полном его заполнении водой гидравлический радиус потока

где ω - площадь поперечного сечения коллектора,  d - диаметр коллектора; χ - смоченный периметр, χ = 2 · π · R.

Независимо от материала, из которого изготовлен коллектор, через некоторое время после начала его эксплуатации стенки коллектора покрываются слизью. Поэтому коэффициент гидравлической шероховатости стенок всех труб можно принять равным примерно 0,014.

При равномерном течении воды её скорость определяют по формуле Шези:

где С - коэффициент в формуле Шези,

R - гидравлический радиус,

J - уклон потока.

Значения коэффициента C зависят от условий протекания потока. Для труб широко используется формула Маннинга:

где n - коэффициент гидравлической шероховатости стенок русла. Подставляя формулу Маннинга в выражение для скорости потока, получаем:

Расход потока Q = ω · V =

Обычно все множители, кроме продольного уклона потока, в этих выражениях объединяют и называют:

для скорости:

 - скоростная характеристика потока,

для расхода:

 - расходная характеристика потока.

Подставив в эти выражения величину коэффициента гидравлической шероховатости стенок трубы коллектора (для периода эксплуатации), приводим выражения для скоростной и расходной характеристик потока в коллекторе к виду:

                                     

Возможны два случая расчета коллектора:

1) коллектор заполнен частично и работает без напора;

2) коллектор заполнен целиком, уровень воды в смотровых колодцах поднят выше трубы коллектора, т.е. коллектор работает под напором.

Расчетная схема показана на рис. 10.

Рис. 10. Схема к расчету водосточного коллектора

На схеме обозначены:

J_кол - уклон коллектора; J_факт - фактический уклон потока в коллекторе (для второго случая расчета).

Граничным состоянием между первым и вторым случаями расчета коллектора является случай полного заполнения трубы коллектора (но чтобы вода в смотровых колодцах не поднялась выше трубы). Расход потока, соответствующий этому случаю наполнения, называется напорным.

Таким образом,  Если фактический расход потока меньше предельного (Q_ф < Q_нап), то глубина потока h меньше диаметра трубы d и коллектор работает без напора. В противном случае Q_факт > Q_нап, т.е. Q_факт >  Тогда глубина потока в коллекторе равна диаметру (h = d) и фактический уклон потока будет больше уклона коллектора:

J_факт > J_кол.

Величина фактического уклона потока может быть определена из выражения

Если пьезометрическая линия, соединяющая уровни воды в колодцах, будет выходить на поверхность улицы, то это приведет к её затоплению. В таком случае необходимо либо понизить коллектор (если это возможно), либо увеличить диаметр коллектора, величина которого очень сильно влияет на пьезометрический уклон.

6. СМОТРОВЫЕ КОЛОДЦЫ

Размещаются смотровые колодцы на водосточной сети в местах изменения направления уклона и диаметра коллекторов, а также в местах присоединения боковых коллекторов и веток дождеприемных колодцев. На прямых участках смотровые колодцы размещаются в зависимости от диаметра коллектора.

                   Диаметр водостока, м                  Расстояние между колодцами, м

                               0,3                                                         50 - 60

                          0,4 - 0,6                                                     60 - 70

                          0,7 - 1,0                                                     60 - 80

                          1,2 - 1,5                                                    70 - 100

                         Более 1,5                                                  80 - 130

Смотровые колодцы обычно устраивают по типовым чертежам.

При значительных продольных уклонах местности на трассе коллектора устраиваются быстротоки, водобойные колодцы или применяются чугунные или стальные трубы.

7. ВЫПУСКИ ВОДОСТОЧНОЙ СЕТИ

По санитарным соображениям, выпуски водосточной сети желательно устраивать вне границ застройки города, ниже его по течению. Но это не всегда экономически выгодно. Устройство выпусков на территории города позволяет:

уменьшить площадь бассейнов (увеличивая их число);

соответственно уменьшить размеры основных коллекторов каждого бассейна;

вести строительство водосточной сети отдельными участками в соответствии с очередностью застройки районов города. Однако в любом случае необходимо учитывать санитарные требования.

Выпуск на водосточной сети обычно устраивается незатопленным. Но иногда (по архитектурным соображениям) делают и затопленные выпуски. Тогда шелыга трубы должна быть на выходе ниже уровня воды и толщины ледяного покрова.

8. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛЛЕКТОРА

Гидрологическим расчетом определяются расчетные расходы на расчетных участках и в расчетных сечениях коллекторов водосточной сети. Каждый коллектор разбивается на расчетные участки. Каждый участок рассчитывается на пропуск расхода, формирующегося на низовом конце этого участка. Схема разбивки коллектора на участки показана на рис. 11. Границы участков определяются местами присоединения боковых коллекторов или изменением уклонов. Диаметр трубы коллектора (отверстие) определяется по расходу в низовом сечении.

Рис. 11. Схема разбивки коллектора на расчетные участки

Расчетный расход от дождевых вод находят по формуле

Q = q · ψ · F · η, л/с,                                                     (1)

где q - расчетная интенсивность дождя, л/с на 1 га территории водосбора; ψ - коэффициент стока; F - площадь стока, га; η - коэффициент, учитывающий неравномерность интенсивности дождя по площади бассейна. Этот коэффициент учитывается, если площадь бассейна превышает 300 га. Для этой площади он равен 0,96. При большей площади величина коэффициента η уменьшается. Например, для бассейна с площадью 2000 га он равен 0,87.

Расчетная интенсивность дождя определяется из условия, что продолжительность дождя равна времени добегания воды от наиболее удаленной точки бассейна до рассматриваемого (расчетного) сечения коллектора. При этом рассматривается дождь определенной вероятности повторения.

Продолжительность дождя, равная времени добегания воды, названа критической продолжительностью, а интенсивность такого дождя называется предельной интенсивностью. Предельная интенсивность дождя в настоящее время определяется по формуле

                                                        (2)

где t - продолжительность дождя, мин; А - расчетный параметр, являющийся функцией вероятности выпадения дождя (повторяемости), климатических характеристик местности и интенсивности дождя двадцатиминутной продолжительности (при вероятности превышения один раз в год).

                                                 (3)

где q₂₀ - интенсивность дождя продолжительностью 20 мин при вероятности выпадения один раз в год (для данной местности), л/с на 1 га; С - коэффициент, учитывающий климатические особенности районов СССР (для Европейской части СССР он изменяется от 0,85 до 1,5; в центральной части ЕТС С = 0,85); Р - период однократной повторяемости дождя с расчетной интенсивностью (в годах); n - числовой параметр (устанавливается по данным наблюдений за осадками).

Для определения интенсивности дождя двадцатиминутной продолжительности построены специальные карты. Для района г. Москвы q₂₀ = 80 л/с на 1 га. В случае отсутствия карт интенсивность дождя двадцатиминутной продолжительности можно подсчитать по формуле

 л/с на 1 га,

где H - среднегодовое количество атмосферных осадков в мм за период не менее 15 лет; d_в - средневзвешенная величина дефицита влажности за период не менее 5 лет (определяется по месячным количествам жидких осадков, мм).

Продолжительность расчетного дождя t принимается равной продолжительности добегания воды от наиболее удаленной точки бассейна до расчетного сечения и складывается из времени добегания воды от наиболее удаленных точек квартала и микрорайона до лотка проезжей части улицы (t_к), времени протекания воды по лотку до ближайшего водоприемного колодца (t_л), времени протекания воды по трубам водосточной сети до рассматриваемого расчетного сечения (t_тр). Таким образом, (рис. 12):

t = t_к + t_л + t_тр, мин.

Рис. 12. Схема к определению продолжительности расчетного дождя

Время добегания воды от наиболее удаленной точки квартала или микрорайона до лотка проезжей части, называемое временем поверхностной концентрации - t_к, принимают равным 5 ... 10 мин (без расчета). Меньшая продолжительность добегания принимается при наличии преимущественно водонепроницаемых поверхностей и при наличии в кварталах и микрорайонах водосточной сети с выпуском воды непосредственно в коллектор городской водосточной сети. При наличии озелененной территории, грунтовых участков в естественном или спланированном состоянии время добегания принимается равным 10 мин и даже может быть увеличено до 20 мин (в зависимости от состояния поверхности стока - наличия неровностей, ям и т.п.).

Продолжительность протекания воды по лотку проезжей части улицы (t_л) определяют из выражения

где l_л - длина пробега воды по лотку, м; V_л - скорость течения воды, м/с.

Продолжительность протекания воды по трубам до расчетного сечения определяется как сумма продолжительности пробега по расчетным участкам до рассматриваемого сечения по формуле

где l_тр - длина расчетных участков водостока, м; V_тр - скорость течения воды в трубах, м/с; K - коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на скорость течения воды.

При уклоне менее 1 % K = 2,0; от 1 до 3 % - 1,5; более 3 % - 1,2.

Если по расчету продолжительность расчетного дождя оказывается менее 10 мин, то в расчете принимается дождь продолжительностью 10 мин. При расчетной продолжительности дождя от 10 до 25 мин в формулу для определения расчетного расхода (1) вводится поправочный коэффициент K_р, величина которого зависит от продолжительности дождя и коэффициента стока (табл. 2).

Применение этого коэффициента целесообразно для верховых участков водосточной сети, где за сравнительно небольшой промежуток времени не успевает сформироваться сток со всего бассейна.

Таблица 2

Значения коэффициента К_р

Выпадающие на территории города атмосферные осадки далеко не полностью стекают и поступают в водосточную сеть. Часть осадков впитывается в почву, часть остается в виде смачивающего слоя на водонепроницаемых поверхностях и испаряется в атмосферу. При определении расчетного расхода этот факт учитывается с помощью коэффициента стока. Коэффициент стока имеет переменную величину, которая зависит от продолжительности и интенсивности дождя, характера покрытия на поверхности территории, уклона стока. В случае преобладания водонепроницаемых поверхностей стока принимают не зависящим от интенсивности и продолжительности дождя:

                                       Тип поверхности                                     Коэффициент стока

           Кровли, асфальто- и цементобетонные покрытия                       0,95

                Участки зеленых насаждений - парки,

                    сады, газоны (в зависимости от грунта)                          0,10 - 0,20

Для каждого бассейна выводится средний коэффициент стока - по типовому для данного бассейна участку - например, по жилому району или микрорайону с прилегающими улицами. Средний коэффициент стока определяют исходя из частных коэффициентов стока для разных поверхностей на рассматриваемой территории:

где ψ - частные коэффициенты стока для разных поверхностей; f - площадь отдельных поверхностей; F - общая площадь бассейна.

Для различных районов города эти коэффициенты стока известны (примерно). Например, для новых районов г. Москвы со значительной озелененной территорией принят коэффициент стока ψ_ср = 0,41 ... 0,45, для центральных районов, характеризуемых сплошной старой застройкой, коэффициент стока принят равным от 0,60 до 0,90.

Переменность величины коэффициента стока объясняется тем, что по мере хода дождя происходит насыщение поверхности стока водой и ее впитывание постепенно прекращается или стабилизируется (например, на песчаных и супесчаных грунтах). В этом случае коэффициент стока необходимо подсчитать по формуле

т.к. , то

При переменном значении коэффициента стока формула расчетного расхода принимает вид:

где z - среднее значение коэффициента стока. Частные значения коэффициента стока зависят от местных климатических условий (характеризуемых параметром А) и параметра n. Средние значения коэффициента стока z для водонепроницаемых поверхностей (кровли, асфальто- и цементобетонов) приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения среднего коэффициента стока

Для спланированных грунтовых поверхностей z = 0,064, для участков зеленых насаждений z = 0,028.

При нормальных условиях работы коллектор водосточной сети должен полностью пропускать расчетные расходы. В зависимости от условий работы коллектора и с учетом последствий при выпадении дождей, превышающих расчетный уровень, устанавливается период однократного выпадения дождей с расчетной интенсивностью.

Период однократного выпадения (или вероятность выпадения расчетного дождя) с расчетной интенсивностью принимается в зависимости от назначения обслуживаемой водостоком территории, вертикальной планировки этой территории, площади бассейна (табл. 4).

Таблица 4

Вероятность выпадения расчетного дождя

При переполнении водосточная сеть пропускает только часть расхода дождевого стока. Остальная часть воды течет по лоткам улиц. Однако не должна быть превышена предельно допускаемая высота затопления улиц. Такой предельной высотой принято считать высоту затопления, превышение которой на 0,1 м вызовет (или может вызвать) затопление подвалов и полуподвалов в зданиях.

Значения продолжительности периода однократного переполнения водосточной сети принимаются в зависимости от условий расположения коллектора в рельефе местности (табл. 5).

Благоприятным считается расположение коллектора на плоском рельефе, на водоразделе, в верховой части склона; неблагоприятным - в тальвеге с крутыми склонами или малым уклоном тальвега, при отводе воды из замкнутого пониженного места и в других подобных случаях.

Таблица 5

Продолжительность периода однократного переполнения водосточной сети (в годах)

Нормируются и наименьшие периоды превышения расчетной интенсивности дождя.

Соотношение предельного расхода (или точнее - расхода предельного периода) и расчетного расхода водостока зависит от пропускной способности лотков улицы, величины расхода предельного периода и регулирующего влияния свободной емкости водосточной сети города (или района):

Q_р = K · Q_пред,

где Q_р - расчетный расход; Q_пред - расход предельного периода; K - переходный коэффициент, K = K₁ · K₂, где K₁