Согласно ГОСТ 32871–2014 [3] под водопропускным трубопроводом понимается инженерное сооружение, укладываемое в теле насыпи автомобильной дороги для пропуска водного потока, к которому, как и к любому другому элементу автомобильной дороги, предъявляются требования по обеспечению надёжности, долговечности и бесперебойности эксплуатации, а также безопасности движения транспортных средств. Обеспечение вышеперечисленных требований закладывается на стадии проектирования при соблюдении необходимой технологии строительства. Отсюда следует исключительная ответственность в принятии каких-либо проектных решений, в том числе к выбору труб для ВПТ по внутреннему диаметру D.

Одно из них должно быть связано, как нам представляется, с тем, что в стране налажено крупнотоннажное производство ТПСС из полиэтилена (ПЭ) и полипропилена (ПП), причём характеристики, указанные в нормах на них (табл. 1), вполне удовлетворяют [4] стандартизированным техническим требованиям [5], предъявляемым к ВПТ автомобильных дорог, в том числе и по внутренним диаметрам D, например, труб из композитных материалов [6]: 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1250, 1400, 1500, 1600 и 2000 мм и более (при соответствующем техникоэкономическом обосновании ТЭО).

В этой связи видится, что использование ТПСС с правильно выбранными диаметрами D при устройстве ВПТ водопропускных сооружениях (ВПС) будет создавать хорошие условия для надёжной и долговечной службы автомобильных дорог на насыпях благодаря предотвращению их размыва дождевыми и талыми водами, которые и будут гарантированно отводиться от них по ВПТ.

Через ВПТ протекает только часть W стоков выпадающих осадков от общего объёма Wб дождевых и/или талых вод. При этом основными исходными данными для определения расчётного расхода являются [7] план бассейна — участка местности, с которого вода во время выпадения дождей и снеготаяния стекает к проектируемому водопропускному сооружению (ВПС), — с характеристикой его площади, длины главного лога, среднего уклона лога, склонов между принятыми водоразделами. Расчёт максимальных расходов ведётся по ливневому стоку и стоку талых вод. Здесь рекомендуется расчётный расход принимать по ливневому стоку. Для достаточно точного (на уровне современных представлений о рассматриваемой проблеме) определения максимального расхода ливневого стока необходимо, как правило, знать: ливневый район для заданной области; площадь водосборного бассейна; длину главного лога; средний уклон лога; уклон лога у сооружения и вероятность превышения паводка для ВПТ на автодороге соответствующей категории.

Причём в периоды времени от одного года до десяти лет и более величины Wб могут иметь значения отличающиеся друг от друга в разы, а иногда и в десятки раз. Для обслуживания автодорог устраиваются ВПТ, к которым должны поступать расходы стоков воды W, принимаемые для периодов однократного переполнения (обычно это десять лет).

Конкретные значения расходов W назначаются [3] с учётом категории автомобильных дорог по гидрографам и графикам расчётных паводков в размере: 1–2 % Wб (I категория), 2–3 % (II и III) и 3–5 % Wб (IV и V категории).

При длительной эксплуатации один и тот же ВПТ, при наполнении водосборного бассейна стоками воды, может пропускать либо весь расход W (рис. 1а), поступающий к насыпи в месте расположения на ВПТ входного оголовка, либо какую-то его часть Q, работая при этом практически синхронно с выпадением осадков в различных условно принятых режимах, переходящих непрерывно из одного в другой (безнапорный → полунапорный → напорный — и наоборот: напорный → полунапорный → безнапорный) в периоды времени, зависящие от интенсивности, например, выпадения дождей.

При безнапорном режиме входной оголовок не затоплен (рис. 1а) — ВПТ работает неполным сечением.

Затопление на входе за счёт сопротивлений по длине ВПТ приводит к тому, что на его пропускную способность, помимо сопротивлений на входном участке, оказывают влияние и сопротивления по длине. Верхней границей безнапорного режима является напор Нс, при котором происходит затопление входного оголовка: Нс/D = 1,0.

При затоплении входного оголовка безнапорный режим обычно сменяется полунапорным режимом (рис. 1б). При определённых значениях Нс в ВПТ происходит смена полунапорного режима напорным режимом (рис. 1в).

Считается, что формирование напорного режима в водопропускном трубопроводе приводит к увеличению его пропускной способности по сравнению с полунапорным режимом, которая тем значительнее, чем больше его строительный уклон I, принимаемый, как правило, параллельным дневной поверхности земли под ВПТ, то есть:

где hлвх и hлвых — отметки лотков у входа и у выхода ВПТ (рис. 2), принимаемые, как правило, равными отметкам поверхностей земли у входа hпвх и у выхода hпвых ВПТ; Lп — приведённая длина ВПТ:  Lп = L + Lэовх + Lэовых, (2)

где L — строительная длина ВПТ; Lовх и Lовых — эквивалентные длины входного и выходного оголовков, равноценные их местным сопротивлениям ξвх и ξвых.

Согласно действующим нормам [3] внутренний диаметр ВПТ может выбираться для любого из рассмотренных режимов. При этом считается, что напорный режим является самым экономичным, как по использованию живого сечения ω ВПТ, так и по скорости на выходе из него Vвых. Однако, к сожалению, напорный режим не получил широкого использования в отечественной проектной практике. Получилось это вроде бы из-за турбулентности (вихреобразования и существования вихревой воронки перед входом в ВПТ), насыщающей водный поток воздухом и как бы снижающей расчётный расход Q.

За рубежом, однако, с этим не считаются, и выбор именно напорного режима течения стоков воды при устройстве ВПТ автодорог является превалирующим.

В этой связи здесь будет рассматриваться выбор ТПСС по диаметрам для ВПТ, работающих в напорном режиме течения стоков воды. (Выбору диаметров ТПСС для ВПТ, работающих в безнапорном и/или в полунапорном режимах, могут быть посвящены специальные статьи, естественно, только в случае заинтересованности широкой научно-технической общественности и редакции журнала.)

Для определения внутренних диаметров D ТПСС для ВПТ автодорог предлагается использовать полученные в НИИМосстрое [8, 9] степенные формулы, аналогичные формулам Хазен-Вильямса, которые широко используются в США, Японии и в др. странах для гидравлических расчётов трубопроводов (в том числе и из полимерных труб) для расхода потока жидкости, протекающей по ВПТ:

Q = 31,7D2,625Iо 0,5; (3)

- для скорости движения потока жидкости по ВПТ:

Vвых = 40,4D0,625Iо 0,5; (4)

где Iо — общий гидравлический уклон, включая строительный уклон I, для напорного ВПТ.

Значения расчётного расхода Q принимаем априори как часть расхода стоков воды W, например, W = 1,3Q. Также априори принимаем значение скорости течения Vвых — незаиляющей ВПТ и неразмывающей материал укрепления поверхности (рис. 2, поз. 9 и рис. 3а) на выходе стоков воды из выходного оголовка: 1 м/с ≤ Vвых ≤ 6 м/с (табл. 2–4).

Далее по уравнению неразрывности потока в напорном трубопроводе:

Q = (π/4)D²V

определяем внутренний диаметр:

Используя любую из формул (3) или (4), определяем гидравлический уклон для напорного водопропускного трубопровода с диаметром D [м] при пропуске расчётного расхода Q [м³/с] стоков воды при скорости их движения по трубопроводу Vвых, м/с:

Для иллюстрации точности расчётов приводим пример.

Исходные данные для расчета: Q = 1 м³/с; V = 1 м/с.

Результаты определения D и I по формулам (5), (3) и (4):

Общий гидравлический уклон Iо будет включать в себя, как уже отмечалось выше, строительный уклон I (рекомендуется принимать параллельным дневной поверхности с обеих сторон насыпи) и гидравлический уклон Iс, создаваемый непосредственно стоками воды.

Отсюда следует, что: Iс = Iо – I. (8)

Здесь следует заострить внимание на том, что нами пренебрегается принятое на сегодня требование [11] различать ВПТ в зависимости от уклона его лотковой части: с нулевым уклоном (J = 0); с прямым малым уклоном (J < Jк); с уклоном равным критическому (J = Jк); с прямым бОльшим уклоном (J > Jк). Это, в свою очередь, позволяет определить напор стоков воды, который создаёт гидравлический уклон Iс, по формуле: H = (L + Lэовх + Lэовых)Iс. (9)

На данном этапе разработанности вопроса (принято во внимание то, что при эксплуатации местные сопротивления оголовков могут увеличиваться из-за появления всевозможных дефектов [12], каких именно — предстоит ещё установить; это не относится к ТПСС, гидравлическое сопротивление которых, как показывает опыт, практически не изменяется во времени) при проведении приближенных расчётов предлагается применять значения для Lэовх и Lэовых используемых в настоящее время оголовков: раструбных (3–5 и 2–3 м), обычных (4–6 и 3–4 м) и обтекаемых (2–3 и 1–2 м).

При этом необходимо чётко представлять себе, что основная функция оголовков на ВПТ — обеспечивать [13] его водонепроницаемое сопряжение с насыпью, создавать благоприятные условия протекания по нему стоков воды, а также предотвращать его продольные деформации от воздействия горизонтального давления грунта насыпи и транспортных нагрузок, а также температурных перепадов. Это может быть достигнуто на стадии монтажа ВПТ из ТПСС, что требуют особого рассмотрения. (При заинтересованности широкой научно-технической общественности и, естественно, редакции журнала этому можно посвятить специальную статью, может быть, даже несколько.)

Наибольшее применение получили портальные и раструбные оголовки. Портальные оголовки более просты в изготовлении, но их конструкция не обеспечивает плавные вход в ВПТ и протекание по ней воды, поэтому их, как правило, применяют при внутренних диаметрах 0,5–0,75 м, а также при малых расходах и небольших скоростях течения стоков воды. Раструбные оголовки, состоящие из портальной стенки и двух открылков постоянной или переменной высоты, развёрнутых в плане относительно оси ВПТ под углом 18–25°, обеспечивают наиболее плавное протекание стоков. Для обеспечения более полного использования поперечного сечения трубы при пропуске водного потока у входного оголовка иногда первые звенья труб устраивают с переменной высотой сечения. У воротниковых оголовков крайние части труб срезают наклонно в соответствии с углом заложения откоса насыпи и окаймляют поясом-воротником. Внешний вид трубы с таким оголовком привлекателен, но из-за неблагоприятных условий вхождения стоков воды в ВПТ такие оголовки применяют только при малых расходах. Обтекаемые оголовки имеют переменную высоту сечения в виде усечённого конуса, что обеспечивает благоприятные условия протекания стоков воды.

При проведении точных расчётов, на уровне современных знаний о рассматриваемой проблеме, потери напора на местных сопротивлениях следует определять по следующим формулам, для входных оголовков:

где g — ускорение свободного падения, м/с².

При всём этом значения коэффициентов местных сопротивлений оголовков ξвх и ξвых можно брать из нормативных либо литературных источников, но лучше определять опытным путём.

Исходя из того, что при выходе из ВПТ стоки воды должны иметь напор Hвых, высота стоков воды перед насыпью: Hс = H + Hвых. (12)

Нормами предусмотрено, чтобы высота стоков воды перед насыпью Hс была (рис. 1в) меньше высоты насыпи Hнас. То есть определённое значение высоты стоков воды перед насыпью может считаться приемлемым, если: Hнас – Hс ≥ 0,5 м. (13)

В руководстве [3] указывается, что для образования напорного режима высота стоков воды Hп (рис. 2) над шелыгой ВПТ должна быть более 0,15D (при раструбных оголовках), более 0,2D (при обычных) и более 0,4D (при обтекаемых оголовках), то есть:

Hп/D > 0,15, (14)
Hп/D > 0,2 и (15)
Hп/D > 0,4. (16)

Если какие-либо выражения из систем (12)–(13)–(14), (12)–(13)–(15) или (12)– (13)–(15) либо все в системе окажутся несправедливыми, то расчёты придётся повторить, но уже при других значениях Q, Vвых или I, либо для всех указанных показателей вместе, а также можно использовать ВПС с двумя (рис. 4), тремя и т.д. рядами ВПТ.

Здесь также следует иметь в виду, что русло водотока у входных и выходных оголовков, а также откосы насыпи около ВПТ являются ответственными конструктивными элементами. Ведь насыщение земляного полотна влагой — это крайне опасное явление, при котором значительно снижается прочность дорожной одежды, устойчивость земляного полотна и основания насыпей. Оголовки труб D = 0,5–0,75 м сооружают из портальной стенки, заглубляемой в грунт ниже глубины промерзания на 0,25 м, а D = 1–2 м устраивают, как правило, с использованием конического входного элемента и на фундаменте. Также производят укрепление откосов, особенно на входе в ВПТ от возможного размыва их [13]. Высота укрепления откосов насыпи у входного оголовка принимается равной подпорному горизонту воды плюс 0,25 м.

Тип укрепления (рис. 3б), во избежание фильтрации напорной воды через тело насыпи, чтобы исключить размыв из-за возможной фильтрационной суффозии грунта, выбирается с учётом глубины Hер естественного русла (табл. 5 [14]) на основе технико-экономического анализа и с учётом скорости Vвх [м/с] движения стоков воды на входе в ВПТ по следующей формуле:

Vвх = W/ωер, (17)

где ωер — площадь живого сечения естественного русла перед ВПТ, м².

Для более точного определения местных потерь напора на оголовках по формулам: где g — ускорение свободного падения [м/с²], следует использовать значения коэффициентов местных сопротивлений оголовков ξвх и ξвых, которые приводятся в нормативных или в литературных источниках, но лучше всего установленные опытным путём.

В заключение следует указать, что, как представляется авторам, знакомство проектировщиков с изложенным в статье подходом к выбору труб из полиолефинов со структурированной стенкой для водопропускных трубопроводов по диаметрам должно побудить их к использованию ТПСС для устройства ВПТ в насыпях автомобильных дорог.

Также следует указать и на то, что сейчас в ОАО «НИИМосстрой» проводятся научно-исследовательские работы с целью разработки норматива (пока неясно, будут ли это технические условия, стандарты организации, рекомендации либо своды правил — это во многом зависит от заинтересованности заказчиков) по проектированию, монтажу, эксплуатации и ремонту водопропускных трубопроводов из труб из полиолефинов со структурированной стенкой.

Их результаты, в случае заинтересованности широкой научно-технической общественности, будут опубликованы авторами в журнале С.О.К.