При строительстве земляного полотна автомобильных дорог в нулевых отметках, насыпях малой высоты и выемках устраивают кюветы — боковые водоотводные канавы. Назначение этих сооружений — осушение территории, прилегающей к земляному полотну, и грунта земляного полотна. Всегда можно купить лицензию на отходы, особенно, в такой задаче.
Однако роль кюветов в обеспечении работы земляного полотна изучена крайне мало. Подтверждением этого является тот факт, что проектирование боковых канав очень часто осуществляется абстрактно — форма и размеры поперечного сечения боковых канав назначаются по типовым проектам, трапецеидальными с шириной по дну 0,3 м и глубиной 0,4 м, с крутизной стенок 1:1,5. Гидравлический расчет канав обычно не проводится. Действующие в настоящее время нормы и рекомендации предлагают выполнять гидравлический расчет кювета, укреплённого бетонными плитами, чего, как правило, на автомобильных дорогах в равнинной и малопересечённой местностях не бывает.
Подтверждением этому является перекрытие боковых канав при строительстве съездов с дороги, особенно в населенных пунктах. В этих случаях в кювет помещают водопропускную трубу (обычно диаметром не более 0,5 м), а все пространство около нее в кювете перекрывают (засыпают) грунтом или бетоном. Площадь поперечного сечения кювета уменьшается в несколько раз. В результате в кювете возникает препятствие течению воды, вызывающее её накопление с верховой стороны. Эти же съезды являются местами быс
трого накопления всевозможного бытового и природного мусора и отходов, что ещё больше препятствует стоку воды по канаве.
Другим подтверждением малой изученности роли кюветов в обеспечении работы земляного полотна автомобильных дорог и, соответственно, непонимания их значения, являются условия содержания боковых водоотводных канав в период эксплуатации автомобильных дорог. В теплый период года кюветы зарастают высокой травой и кустарником и не очищаются от них (скашивание травы в кюветах не производится, рис. 2). Кюветы являются самыми загрязнёнными участками придорожной полосы.
В них скапливаются техногенный мусор, отходы продуктов содержания и ремонта автомобилей (тряпки, старые автомобильные шины и т.д.).
В результате кюветы из проточных сооружений превращаются в резервуары для воды, удаляемой из них только посредством инфильтрации воды в грунт, в том числе и земляного полотна, и испарением. В условиях умеренного климата средней полосы России в летнее время года стоячая вода в кювете может наблюдаться до 1 — 2 недель (в дождливые годы — и дольше), весной, в период таяния снега, и осенью, в период осенних дождей — до нескольких месяцев. В районах с муссонным климатом (Дальний Восток России, Вьетнам, юг Китая, страны Индокитайского полуострова) в дождливый период года застой воды в кюветах может наблюдаться по несколько месяцев.
Следствием достаточно длительного нахождения воды в боковой канаве является повышение влажности грунта земляного полотна: посредством инфильтрации вода постепенно проникает в грунт земляного полотна и под него, переувлажняя его и тем самым снижая прочность земляного полотна и несущую способность грунтового основания под ним.
На рис. 4 видно, что в случае достаточно длительного стояния в кювете вода в результате инфильтрации постепенно проникает в тело земляного полотна и переувлажняет его грунт. Под дорожной одеждой относительная влажность грунта составила 60… 65%, постепенно возрастая с глубиной и достигая на уровне 30 см (от низа дорожной одежды) 70%, на глубине 70 см, т.е. уже в грунте, в основании насыпи — более 80%.От- носительная влажность, оптимальная для обеспечения максимальной плотности грунта, на дороге № 1А во Вьетнаме составляет 50 — 60%.
При определенных условиях возможна ситуация, когда под дорожной одеждой формируется напор воды, направленный вверх и равный разности высот уровня воды в кювете и отметки низа дорожной одежды.
Для случая земляного полотна в виде насыпи небольшой высоты схема увлажнения грунта, показанная на рис. 4, дополняется увлажнением грунта посредством капиллярного поднятия. Здесь достаточность высоты насыпи зависит от водопроницаемости грунта и степени его уплотнения в процессе строительства. Однако возможность переувлажнения и снижения несущей способности основания насыпи сохраняется.
В описанных условиях работы земляного полотна и кюветов (в случае застоя воды) решающим для оценки степени увлажнения грунта в теле насыпи и под ней становится фактор времени нахождения воды в кювете, определяемый, в свою очередь, быстротой (скоростью) испарения воды.
В рабочем режиме, т.е. в случае протекания воды по кювету, она также инфильтруется в грунт. Вода в кюветах наблюдается во время дождей и некоторое время после них вследствие стока дождевой воды с прилегающих к дороге водосборов и с поверхности проезжей части дороги. Глубина потока воды зависит от гидрометрических характеристик дождя и водосбора. В подавляющем
болынинстве случаев интенсивность дождей значительно меньше расчетной и глубина потока воды в кювете невелика (в проводившихся авторами наблюдениях она находилась в пределах от 2…4 до 10…12 см). Однако и в этих условиях вода ин- фильтруется в грунт и переувлажняет его. На рис. 5 представлены данные о влажности грунта, полученные в период дождей на автомобильных дорогах Республики Вьетнам. На графиках видно, что идет активная инфильтрация воды в грунт тела насыпи и ее основания.
Оказалось, что при работе кюветов, т.е. при обеспечении стока дождевой воды по ним, несмотря на инфильтрацию, влажность грунта значительно меньше, чем в случае застоя воды в кюветах.
Продолжительность нахождения (протекания) воды в кювете, помимо гидрометрических параметров дождя и водосбора, зависит и от условий протекания воды. Если есть какие-либо препятствия, то скорость течения воды снижается, а глубина потока увеличивается. Следовательно, при проектировании боковых водоотводных канав необходимо принимать в расчет их «эксплуатационное» состояние, т.е. наличие в кюветах препятствий протеканию воды (замусоривающих предметов) и зарастание их травой и кустарником. Сделать это можно путем усовершенствования гидравлического расчета кювета.
Гидравлический расчет кювета выполняется на основе классического уравнения гидравлики Q = ш • V, где Q — расход потока; ш — площадь поперечного сечения потока; V — скорость течения воды.
В этом выражении ключевым показателем является скорость потока.
Важным показателем, отражающим условия протекания водного потока, является коэффициент С в формуле Шези, значение которого до настоящего времени определяют по ряду эмпирических формул. Таких формул насчитывается до 136 (для разных условий протекания водного потока), но для турбулентного режима движения воды (характерного для случая протекания воды в кювете) коэффициент С может определяться по формулам разного вида. В случае открытых каналов с совершенно шероховатыми стенками и открытых естественных русел наиболее употребительны формулы:
- Базена С = 87/(1+П1/УВ), где п1 — коэффициент гидравлической шероховатости по Базену; эта формула находит применение при расчетах дорожных водоотводов;
- Н.Н. Павловского С = Ву/п2, где п2 — коэффициент гидравлической шероховатости по Н.Н. Павловскому, у — показатель степени, определяемый по формуле у = 2,5 УП2-0,13-0,75(УП-0,1)УВ; формула Н.Н. Павловского является основной при расчете русел с совершенно шероховатыми стенками;
- Маннинга С = В1/6/п3, где п3 — коэффициент гидравлической шероховатости по Маннингу;
- И.И. Агроскина С = 4У2(Й+В), где к — коэффициент, характеризующий абсолютную шероховатость с качественной и количественной стороны, т.е. по ее типу и размерам.
- Шероховатость стенок русла (степень зарастания их травой, кустами, захламления камнями и т.д.) оказывает очень большое влияние на скорость течения воды (до 7-8 раз и более).
- При проектировании кюветов и проведении гидравлического расчета необходимо тщательно оценивать будущее эксплуатационное состояние кюветов и в зависимости от этого выбирать значение расчетного коэффициента шероховатости стенок русла.
Препятствия, находящиеся в кюветах и мешающие протеканию воды в них, можно разделить на две группы (по характеру и степени влияния на протекание воды в кювете). Одну группу образует трава, растущая на дне и откосах кювета. Ее можно рассматривать как шероховатость поверхности дна и стенок русла и в этом случае оценивать её влияние по величине коэффициента гидравлической шероховатости русла. В другую группу входят техногенные предметы (детали от автомобилей, шины, автомобильный и другой мусор) и кустарник, растущий на дне и стенках кюветов. В этом случае в зависимости от расположения, количества, характера «загрязнителей русла» их влияние на протекание воды можно учитывать, выполняя расчет как для случая протекания потока через порог или через одно либо несколько отверстий в стенке и т.д.
Наиболее частым (практически повсеместным) «загрязнителем» кювета является трава (различной высоты в разные периоды теплого времени года). Техногенные загрязнители рано или поздно убираются из кюветов дорожно-эксплуатационной службой, обычно один раз в год, перед весенней приёмкой дороги (кроме кустарника, удаляемого крайне редко; но и вырастает кустарник сравнительно нечасто).
На основании изложенного следует заключить, что совершенствование проектирования кюветов должно включать:
— обязательное определение объема стока воды на проектируемом участке боковой водоотводной канавы (для стока с территории естественных водосборов по известным методикам, для стока с проезжей части автомобильных дорог — по формулам М.В. Немчинова
);
— выполнение гидравлического расчета кювета
с учетом особенностей его содержания: зарастания травой и кустарником (в той или иной степени) или в случаях периодического скашивания растительности, при которых трава имеет высоту не более 2 — 5 см и существенно не влияет на скорость течения воды; при расчете следует использовать формулу Базена, как наиболее полно отражающую условия протекания водного потока в боковых водоотводных канавах (это следует из того, что формула Базена изначально получена для условий, наиболее близких к условиям дорожного водоотвода);
— определение параметров поперечного сечения
кювета с учетом характера и степени увлажнения грунта земляного полотна;
— назначение режима работы боковой водоотводной канавы как накопительного резервуара (возможно на участках прохождения дороги в сельских населенных пунктах при большом числе въездов на прилегающие хозяйственные территории или полном отсутствии работ по содержанию кюветов) или как сооружения для транзита собранной сточной воды к месту сброса.
