В современной отечественной практике проектирования гидротехнических сооружений под термином «коллектор» обычно подразумевается подземное линейное трубчатое сооружение, часто характеризующееся достаточно большим поперечным сечением (круглым или прямоугольным). Назначением коллекторов является пропуск всего стока водных объектов — рек или ручьёв. Планировочные и высотные параметры, а также характеристика поперечных сечений коллекторов принимаются исходя из гидравлических законов течения воды.
В условиях градостроительного освоения селитебных территорий коллекторы являются удобным и эффективным решением достаточно большого количества затруднений, связанных с наличием на застраиваемых землях русел природных водотоков. В общем случае для естественных русел ручьёв и рек могут назначаться те или иные мероприятия по благоустройству, рекультивации и даже инженерной защите. При этом в любом случае имеет место неэффективное использование ценных территорий. Это связано с тем, что земли вдоль береговой линии водного объекта оказываются в пределах водоохранной зоны, прибрежной защитной полосы и береговой полосы. А возведение капитальных сооружений в пределах указанных зон согласно законодательству или сильно ограничено, или недопустимо. К примеру, ширина водоохранной зоны ручья даже длиной менее 10 км составляет 50 м, что соответствует фактическому отчуждению полосы шириной 100 м. В этих условиях и оказывается выигрышным устройство коллектора. Принципиальным отличием коллекторов является тот факт, что согласно Водному кодексу для водотоков, заключаемых в коллекторы, водоохранная зона не назначается. Благодаря этому снимаются соответствующие ограничения на планировочные решения, и принципиально улучается генеральный план застройки.
По причине подземного расположения для коллекторов не требуется отведение постоянного землеотвода, что также является благоприятным фактором. Но на период строительства всё же требуется получение временного землеотвода.
При проектировании трассы коллектора важнейшим видом изысканий являются инженерно-гидрологические — в них устанавливаются расчётные величины расходов воды, пропуск которых должен быть обеспечен через новый коллектор в нормальном режиме. Диаметр трубопроводов коллектора и продольный уклон являются основными параметрами при прокладке трассы. Увеличение уклона ведёт к возможности пропуска большей величины расхода, и, соответственно, позволяет уменьшить диаметр коллектора; однако рост уклона ведёт к большему заглублению трассы и, следовательно, бóльшим затратам при строительстве. С другой стороны, увеличение диаметра позволяет пропустить тот же расход воды, но при этом избегнуть чрезмерного заглубления в основание; вместе с тем большой диаметр также ведёт к увеличению стоимости конструкций. В итоге конкретное оптимальное соотношение диаметра и уклона коллектора принимается по результатам гидравлического расчёта. Такой расчёт должен подтвердить обеспечение пропуска через коллектор расходов водотока для двух расчётных случаев — основного и поверочного. Сами величины расходов определяются в ходе инженерно-гидрологических изысканий. Назначение конкретных расходов базируется на величине вероятности превышения таких расходов, которая зависит от класса гидротехнического сооружения (см. Постановление Правительства России от 05.10.2020 № 1607). Коллекторы относятся к гидротехническим сооружениям IV класса, которому соответствуют следующие вероятности превышения расходов: 5 % — для расхода основного расчетного случая, 1 % — для расхода поверочного расчетного случая. Базовая формула для расчёта пропускной способности имеет вид:
Q = ω∙C∙(R∙i)0,5 или v = C∙(R∙i)0,5,
где:
Q — расход;
ω — площадь поперечного сечения;
R — гидравлический радиус;
i — уклон;
V — скорость потока.
Прокладка трассы коллектора обычно ведётся по тальвегу существующего открытого русла. Такой вариант трассы не всегда оптимален с точки зрения гидравлических условий течения, но часто оказывается предпочтительным как в части минимизации объёмов строительной выемки (т.к. проходит в естественной выемке в виде природной долины), так и в связи с возможностью минимизации нарушения уже сложившейся планировки микрорайона. Сильно нарушать последнюю часто оказывается крайне нежелательным, особенно в части подземных инженерных коммуникаций.
Основные сооружения в составе коллекторов:
– прямолинейные участки трубопроводов;
– смотровые колодцы — размещаются с определённым шагом вдоль всей трассы коллектора (по аналогии с проектированием дренажных и канализационных сетей);
– поворотные колодцы (камеры) — размещаются на всех поворотах трассы;
– входной и выходной порталы (оголовки) — сооружаются в начале и конце коллектора для, соответственно, забора речного стока и выпуска его обратно в открытое русло (или другой уже существующий участок коллектора).
В основном все описанные конструктивные составляющие коллекторов сооружаются из сборного железобетона. Меньшая доля приходится на конструкции из монолитного железобетона, из которого чаще возводятся нестандартные элементы. Достаточно большое внимание уделяется гидроизоляционным мероприятиям — во избежание избыточного обводнения вмещающего грунтового массива.
Сложным аспектом реализации любого проекта коллектора оказывается необходимость ведения строительных работ в пределах существующего русла водотока. В связи с этим:
– сроки проведения работ по возведению коллекторов всегда приурочивают к периодам межени;
– непосредственные работы по прокладке коллекторов обычно предваряются работами по устройству временных обводных русел, часто — в несколько последовательных очередей (захваток).
Отдельным вопросом при разработке проектной документации на коллектор является задача согласования принимаемых инженерных решений в государственных ведомствах. Здесь требуется выполнение:
а) процедуры согласования проектной документации, выполняемой в Федеральном агентстве по рыболовству (Росрыболовство);
б) процедуры получения «Решения о предоставлении водного объекта в пользование», выполняемой в Федеральном агентстве водных ресурсов (Росводресурсы).