Wykład - Andrzej Kotowski

Odwadnianie obiektów i wykopów
budowlanych
(Wstęp, bilans wód)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Odwadniać, czy nie odwadniać?
Odwadnianie na czas budowy - doraźne
Literatura podstawowa:
1.
E. Mielcarzewicz (1990), Odwadnianie terenów zurbanizowanych i
przemysłowych. Systemy odwadniania. PWN, Warszawa.
2.
A. W. Żuchowicki (2008), Systemy odwadniające do regulacji
stosunków wodnych na obszarach zurbanizowanych. Wyd.
Politechniki Koszalińskiej, Koszalin.
3.
R. Edel (2010), Odwodnienie dróg. WKŁ, Warszawa.
4.
A. Kotowski (2011 i 2015), Podstawy bezpiecznego wymiarowania
odwodnień terenów. Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa.
Optymalny poziom wód podziemnych na
terenach zabudowanych
Poziom zwierciadła wody podziemnej na terenach
zurbanizowanych powinien być na takiej głębokości,
przy której wznios kapilarny nie sięga fundamentów
budowli lub posadzki piwnic.
W zależności od rodzaju gruntu jest to:
– 0,5 ÷ 1,2 m dla gruntów piaszczystych,
– 0,8 ÷ 2,0 m dla gruntów pylastych i gliniastych,
poniżej fundamentów budowli.
Głębokość zalegania zwierciadła wody podziemnej
Gdy warunki te nie mogą być spełnione należy
przewidzieć:
- izolacje przeciwwodne budowli,
- drenaże (obwodowe, opaskowe, płytowe).
Głębokość zalegania zwierciadła wody podziemnej
Głębokość zalegania zwierciadła wody
podziemnej - pod drogami i ulicami powinno
znajdować się na głębokości równej co najmniej
wysokości wzniosu kapilarnego, powiększonego
o:
– 0,6 m w przypadku ruchu o średnim natężeniu,
– 1,0 m w przypadku ruchu o dużym natężeniu.
Głębokość zalegania zwierciadła wody podziemnej –
tereny niezabudowane
Głębokość zalegania zwierciadła wody podziemnej
na terenach niezabudowanych miast (parki, zieleńce,
ogrody itp.) nie powinna przekraczać głębokości :
1,0 ÷ 1,5 m p.p.t.
- większe głębokości wymuszają zwiększone zużycie
wody na zraszanie.
Głębokość zalegania zwierciadła wody podziemnej –
tereny rolnicze
Optymalny poziom zwierciadła wody
podziemnej dla gruntów rolnych:
–
–
–
–
sady
pola uprawne
pastwiska
łąki
1,0 ÷ 1,3 m
0,75 ÷ 1,25 m
0,60 ÷ 0,80 m
0,40 ÷ 0,60 m
Orientacyjne głębokości fundamentowania obiektów,
urządzeń i przewodów podziemnych
Opis obiektu
Głębokość fundamentowania
mierzona od powierzchni terenu
Ściany zewnętrzne budynków nie
podpiwniczonych
1.0 ÷ 1.8 m
Budynki podpiwniczone, z użytkowaniem
przemysłowym piwnic (magazyny,
chłodnie, garaże)
2.0 ÷ 4.0 m
Budynki wysokościowe, schrony
przeciwlotnicze
3.0 ÷ 5.0 m
Tunele uliczne dla ruchu pieszego
3.0 ÷ 5.0 m
Przewody sieci wodociągowej
1.5 ÷ 2.5 m
Przewody sieci kanalizacyjnej
2.0 ÷ 4.0 m
Kolektory kanalizacyjne
3.0 ÷ 6.0 m
Kanały ciepłownicze
1.5 ÷ 3.0 m
Kanały zbiorcze na przewody uzbrojenia
podziemnego
3.0 ÷ 4.0 m
Piece hutnicze
4.0 ÷ 6.0 m
Skutki wysokich stanów wód
Nadmiernie wysokie stany wody podziemnej
(utrzymujące się przez większą część roku)
niekorzystnie wpływają na lokalny klimat.
Wysokie stany wód powodują m.in.:
–
–
–
–
–
wysoką wilgotność powietrza (do 100%),
częste i długo utrzymujące się zamglenia,
oszronienia obiektów (np. dróg, mostów, itd.),
pogorszenie samopoczucia mieszkańców,
wysoką zachorowalność na górne drogi oddechowe.
Skutki wysokich stanów wód
Niekorzystne warunki terenowe i
geologiczne w połączeniu z wysokim stanem
wód podziemnych mogą być przyczyną:
– osuwisk terenu – zagrożenie budowli nadziemnych
i podziemnych, dróg kołowych i kolejowych,
– przemarzania gruntu – powstawanie wysadzin na
powierzchni dróg i ulic,
– powstawania kurzawek – płynny grunt.
Konsekwencje nadmiernego nawodnienia
Nawodnienie gruntu utrudnia i podnosi koszty:
– wykonywania wykopów pod fundamenty budowli,
– układania przewodów uzbrojenia podziemnego (np.
sieci wodociągowej, kanalizacyjnej, ….).
W silnie nawodnionych gruntach trudno jest zachować zgodne
z projektem parametry budowli (np.: spadki kanałów).
Podtopienia terenów - sztuczne i naturalne
Podtopienia dzielimy na:
– naturalne,
– sztuczne.
Sztuczne podtopienia terenów powodowane są
gospodarczą działalnością człowieka.
(- występują najczęściej na obszarach z gruntami
słabo przepuszczalnymi jak np. piaski pylaste, pyły,
pyły piaszczyste, piaski gliniaste czy lessy).
Przyczyny sztucznego podtopienia terenów
Przyczyny sztucznego podtopienia terenów:
– pogorszenie spływu wód powierzchniowych, w wyniku
czego następuje przedostawanie się ich w głąb gruntu,
– przeciekanie instalacji wodociągowych i
kanalizacyjnych,
– wznoszenie budowli wodnych w bliskim sąsiedztwie
terenów budowlanych,
– infiltrujące działanie rzek i kanałów (szczególnie w
okresach podwyższonych stanów),
– utrata drożności systemów drenarskich
odwadniających.
Przyczyny sztucznego podtopienia terenów
Nadmierny (sztuczny) dopływ wód obcych
spowodowany jest np:
– usunięciem szaty roślinnej,
– naruszeniem wierzchniej warstwy gruntu,
– wykopami, bruzdami oraz otworami, które powodują
nadmierne wsiąkanie wód powierzchniowych,
– dużym obciążeniem gruntu wywołanym posadowieniem
budowli,
– powierzchniowym składowaniem mas ziemnych (hałdy)
na terenach źródliskowych.
Obciążenie gruntu - osiadanie
Obciążenie gruntu powoduje osiadanie podłoża co przekłada
się na zmniejszenie porowatości strefy przepływu i
podniesienie się zwierciadła wody gruntowej
Podtopienie terenu spowodowane usypaniem hałdy w strefie odpływowej wód gruntowych
Przyczyny sztucznego podmakania gruntu
Podtopienie budynku w wyniku
podniesienia zwierciadła wody w rzece
Podtopienie terenu ma skutek
przecieków z nieszczelnej kanalizacji
Przyczyny sztucznego podmakania gruntu
Zamknięcie spływu powierzchniowego nasypem drogowym bez wykonania rowów i
przepustu
Przyczyny sztucznego podmakania gruntu
1 – ława fundamentowa
2 – pal fundamentowy
3 – grunt zagęszczony wibracją
4 – naturalne zwierciadło wody
gruntowej
5 – zwierciadło spiętrzonej wody
Spiętrzenie strumienia wody gruntowej wywołane częściowym zagęszczeniem gruntu i
przegrodzeniem strumienia przez fundamenty
Przyczyny sztucznego podmakania gruntu
1 – nasyp
2 – wykop
Podtopienie terenów przemysłowych wskutek wcięcia tarasu na pokłady gliny z
wkładkami piasku wodonośnego
Przyczyny sztucznego podmakania gruntu
1 – sączki
2 – przerwany zbieracz drenażu
Okresowe podtapianie budynku wywołane uszkodzeniem drenażu
Przyczyny sztucznego podmakania – budowle
hydrotechniczne
Hydroizohipsa – linia łącząca na mapie punkty swobodnego
zwierciadła wody podziemnej, leżące na tej samej wysokości
względem przyjętego poziomu odniesienia
Wpływ spiętrzenia rzeki jazem na zmianę przebiegu hydroizohips wody gruntowej w
dolinie rzeki
Podtopienia naturalne
Podtopienia naturalne spowodowane są
najczęściej przez:
–
–
–
–
–
–
obecność wód powierzchniowych (stawy, jeziora, cieki),
wysoki stan zwierciadła wód gruntowych,
ukształtowanie terenu (rzeźba),
budowę geologiczną podłoża,
infiltrację wód obcych,
czynniki klimatyczne (opady atmosferyczne, temperatura i
wilgotność powietrza).
Przykłady podtopień naturalnych – rzeźba
terenu
1 – obszar podmokły (podtopiony)
2 – obszar zabagniony
Zabagnienia i podtopienia na terenach o pofałdowaniem powierzchni
Przykłady podtopień naturalnych – rzeźba
terenu
uszczelniony
brzeg rzeki
1 – obszar okresowo podtapiany
2 – obszar okresowo zabagniany
3 – normalny stan wody gruntowej
4 – podwyższony stan wody gruntowej wywołany infiltracją wód opadowych
Zabagnienie i podtapianie terenu doliny rzecznej spływającymi wodami
opadowymi
Przykłady podtopień naturalnych – sieć
hydrograficzna
1 - Stany niskie
2 - Stany średnie
3 - Stany wysokie
Układ hydroizohips w dolinie aluwialnej w zależności od stanów wody w
rzece
Przykłady podtopień naturalnych – budowa
geologiczna
Niekorzystne ukształtowanie
nieprzepuszczalnego podłoża
powodujące zabagnienie gruntu
Niekorzystne ukształtowanie
nieprzepuszczalnego podłoża
powodujące podmoknięcie budowli
Przykłady podtopień naturalnych – budowa
geologiczna
Zasilanie powierzchniowych warstw gruntu wodami
naporowymi przez:
-okno hydrogeologiczne
- szczelinę uskokową
- bezpośredni kontakt (na wychodniach
wodonośnych warstw podłoża)
Przykłady podtopień naturalnych – budowa
geologiczna i warunki hydrogeologiczne
Podtopienie i zabagnienie terenu napływającą wodą gruntową
Obieg wody w przyrodzie
Obieg wody na Ziemi odbywa się w dwóch
fazach:
– atmosferycznej w której woda w postaci pary
wodnej uchodzi z powierzchni ziemi do atmosfery i
pozostaje w niej do czasu skroplenia i powrotu na
ziemię w postaci opadu atmosferycznego
– litosferycznej w której woda przebywa na
powierzchni ziemi lub w gruncie - w ciekłym lub
stałym stanie skupienia
Zasoby wodne – udział procentowy
Równanie bilansu wodnego
P + K + D1 + Q1 = E + D2 + Q2 ± DR
gdzie:
P – opady atmosferyczne
K – kondensacja pary wodnej
D1 i D2 – dopływ i odpływ wód powierzchniowych
Q1 i Q2 – dopływ i odpływ wód podziemnych
DR – zmiana zasobów wody (powierzchniowej i podziemnej)
Bilans wykonuje się dla określonego obszaru i w określonym
okresie czasu (w m3, mm, m)
Opady atmosferyczne - P
Odpływy – D1 i D2 oraz Q1 i Q2
Odpływy dzielimy na:
– powierzchniowe - wód pochodzenia
atmosferycznego (D1 i D2),
– podziemne (Q1 i Q2).
Im mniejszy obszar, tym większą rolę w odpływie odgrywa
spływ powierzchniowy D.
W bilansach niewielkich obszarów i krótkich okresów
należy oddzielnie traktować spływy po powierzchni terenu i
odpływu drogą wsiąkania i przesączania podziemnego.
Spływ powierzchniowy
Sumaryczna wielkość spływu w okresie
obliczeniowym:
D2 = ψ P
gdzie:
ψ – współczynnik spływu, -,
P – suma wysokości opadów (deszcz + śnieg), mm
Odpływ podziemny - Q
Odpływ podziemny odbywa się w sposób ciągły –
wyrównuje przepływy w strumieniach i rzekach (zasilają je
podwodnie lub poprzez źródła w okresach suchych,
retencjonuje wodę w okresach wzmożonego wsiąkania).
Przy krótkich okresach bilasowych(mniej niż rok), ze
względu na retencję wody w gruncie, należy przeprowadzić
dokładny bilans wód podziemnych.
Składniki bilansu wód podziemnych (krótki okres
bilansowania)
Składniki bilansu wód podziemnych:
–
–
–
–
–
–
wsiąkanie opadów atmosferycznych,
dopływ obcych wód podziemnych (z przyległych obszarów),
kondensacja pary wodnej w strefie nawietrzonej (aeracji),
odpływ podwodny i przez źródła do strumieni i rzek,
odpływ podziemny do przyległych obszarów,
parowanie podziemne do strefy nawietrzonej oraz pobór
wody przez rośliny,
– pobór wody przez ujęcia wodociągowe i urządzenia
melioracyjne,
– straty wody na wiązanie w procesach geochemicznych.
2. Odwadnianie obiektów i
wykopów budowlanych
(Wody podziemne, cechy gruntów)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Systematyka wód podziemnych (wg Pazdro)
Strefa
Nawietrzenia
(aeracji)
Typ wody
Stan fizyczny
wody
higroskopowa
błonkowata
kapilarna
przywierająca
(adhezyjna)
wsiąkowa
zawieszona
Nasycenia
(saturacji)
zaskórna
gruntowa
wgłębna
głębinowa (juwenilna)
wolna
(grawitacyjna)
Rodzaje wód
warstwowe
szczelinowe
krasowe
Wody przywierające - adhezyjne
Wody adhezyjne (= wody związane z gruntem) –
zwilżają poszczególne ziarna gruntu.
Wody adhezyjne dzielimy w zależności od stopnia i sposobu
wiązania cząstek wody z cząstkami gruntu na:
• higroskopowe,
• błonkowate,
• kapilarne.
Woda higroskopowa
Woda higroskopowa adsorbowana jest przez ziarna gruntu z
pary zawartej w powietrzu wypełniającym pory gruntowe (stan
zbliżony do ciała stałego).
Molekuły wody higroskopowej przywierają do ziaren gruntu
z siłą mierzoną w giga paskalach.
Ilość wody higroskopowej waha się od setnych części
procentu - w piaskach grubych do 20 % - w ciężkich iłach.
- woda higroskopowa w
postaci osobnych molekuł
wody
- woda higroskopowa w postaci
otoczki o grubości 1÷140 średnic
drobiny wody
Woda błonkowata
Woda błonkowata powstaje gdy grunt osiągnie
maksymalną wilgotność higroskopową (- występuje
już w stanie ciekłym).
Na powierzchni ziaren gruntu otoczonych wodą
higroskopową powstaje pole elektryczne.
Woda błonkowata
Pole elektryczne powoduje przyciąganie
dipoli wody do powierzchni cząstek gruntu.
- grubość warstewki wody
błonkowatej – ok. 0.5 mm
Siła przyciągania maleje wraz z odległością od powierzchni cząstki
gruntu, w pewnej odległości zanika – przeważa wówczas siła
grawitacji (woda wolna).
Wilgotność molekularna w zależności od rodzaju
gruntu
Rodzaj gruntu
Średnica ziaren
Maksymalna wilgotność
molekularna w zależności od
ciężaru gruntu suchego
Piasek gruboziarnisty
1.00 ÷ 0.50 mm
1.57 %
Piasek średnioziarnisty
0.50 ÷ 0.25 mm
1.60 %
Piasek drobnoziarnisty
0.25 ÷ 0.10 mm
2,73 %
Mułek piaszczysty
0.10 ÷ 0.05 mm
4.75 %
Mułek
0.05 ÷ 0.005 mm
10.18 %
Ił
< 0.005 mm
44.85 %
Woda kapilarna
Woda kapilarna (włoskowata) wypełnia włoskowate
kanaliki (= kapilary) pomiędzy cząsteczkami gruntu lub
szczelinki - w skałach litych.
Woda kapilarna istnieje dzięki sile napięcia
powierzchniowego - powstającego wskutek przyciągania wody
przez zwilżoną powierzchnię cząstek gruntu. Pod wpływem tych
sił woda może poruszać się w dowolnych kierunkach – dążąc z
miejsc bardziej wilgotnych do bardziej wysuszonych.
Wznoszenie kapilarne trwa dopóki ciśnienie hydrostatyczne
słupa wody nie zrównoważy ciśnienia włoskowatego.
Woda kapilarna
Wysokość wznoszenia kapilarnego zależy przede
wszystkim:
• od wymiarów kanalików porowatych – uziarnienia
gruntu,
• składu geochemicznego,
• zawartości części organicznych.
Woda kapilarna
Woda kapilarna związana jest z wodą wolną - w strefie
aeracji tworzy strefę wznoszenia kapilarnego.
Woda kapilarna zawieszona i stykowa występują również w
strefie aeracji.
Woda wolna - grawitacyjna
Woda wolna wypełnia w gruncie pory lub szczeliny, w
których wskutek nadmiaru cząstek wody zostaje
przekroczona siła przylegania (adhezji) i cząstki nie
podlegające adhezji mogą przemieszczać się pod wpływem
siły ciężkości.
Woda wolna z opadów atmosferycznych przesiąka pod
wpływem siły ciężkości w głąb warstwy gruntu - tworząc
strefę nasycenia (saturacji).
Strefa saturacji
Strefa saturacji (nasycenia) – to zbiornik lub strumień wody
podziemnej, nad którą istnieje strefa nawietrzenia (aeracji).
Granica pomiędzy strefą saturacji i aeracji - to zwierciadło
wody podziemnej.
Woda wsiąkowa i zawieszona
Woda wsiąkowa - to woda przesączająca się w dół przez strefę aeracji.
Woda wsiąkowa zatrzymana na stropie warstwy nieprzepuszczalnej
nazywana jest wodą zawieszoną.
Woda zaskórna
Woda zaskórna - występuje w strefie tak zbliżonej do powierzchni ziemi,
że położona nad nią strefa wznoszenia kapilarnego łączy się z obszarem
parowania wody z gruntu i zasięgiem korzeni roślin lub osiąga powierzchnię.
Woda gruntowa
Woda gruntowa jest oddzielona od powierzchni ziemi strefą
aeracji;
Zwierciadło wody gruntowej (granica pomiędzy strefą
saturacji i aeracji) nie stanowi fizycznej granicy między gruntem
wilgotnym a suchym;
Położenie zwierciadła wody gruntowej uzależnione jest
głównie od opadów atmosferycznych (- z opóźnieniem
wynikającym z konieczności pokonania drogi przesiąkania).
Zwierciadło wody swobodne i napięte
Zwierciadło wody może być swobodne lub napięte;
Zwierciadło napięte oznacza że górna powierzchnia strefy
nasycenia - ukształtowana jest stosownie do spągu
przykrywającej ją nieprzepuszczalnej warstwy (woda
naporowa).
Ciśnienie wywierane przez zwierciadło napięte to ciśnienie
piezometryczne:
– gdy zwierciadło statyczne wznosi ponad powierzchnię ziemi = ciśnienie
artezyjskie,
– gdy zwierciadło statyczne nie osiąga powierzchni terenu = ciśnienie
subartezyjskie.
Woda wgłębna
Woda wgłębna - to suma wszystkich wód podziemnych
zasilanych przez opady atmosferyczne lecz znajdująceychsię w
warstwach wodonośnych pokrytych utworami
nieprzepuszczalnymi (- nie mającymi bezpośredniego kontaktu
z powierzchnią ziemi).
Zasilanie wód wgłębnych odbywa się poprzez infiltrację
opadów atmosferycznych na tzw. wychodniach warstw bądź za
pośrednictwem innych warstw wodonośnych.
Wody wgłębne – występowanie wód
artezyjskich
1. Warstwa wodonośna
2. Warstwa nieprzepuszczalna
3. Obszar zasilania
4. Studnia artezyjska
5. Poziom równowagi hydrostatycznej (linia ciśnień piezometrycznych)
6. Studnia subartezyjska
7. Źródło artezyjskie
Występowanie wód wgłębnych
1 – warstwa nieprzepuszczalna
2 – warstwa wodonośna
Zasilanie wody wgłębnej wodą gruntową – na tzw. wychodniach warstw wodonośnych
Woda wgłębna
1 – warstwa wodonośna
2 – warstwa nieprzepuszczalna
3 – zasilana warstwa wodoprzepuszczalna
Zasilanie wody wgłębnej wodą gruntową przez szczelinę uskokową
Woda wgłębna
1 – warstwa wodonośna
2 – warstwa nieprzepuszczalna
3 – zasilana warstwa wodoprzepuszczalna
Zasilanie wody wgłębnej wodą gruntową przez okno hydrogeologiczne w
nieprzepuszczalnym stropie
Woda głębinowa
Woda głębinowa (= juwenilna) pochodzi z powstającej w
głębi ziemi pary wodnej wydzielającej się ze stygnącej magmy.
Woda głębinowa nie ma kontaktu z pozostałymi formami
wody wolnej.
Charakterystyka gruntów
W nomenklaturze geologicznej wszystkie utwory budujące
skorupę ziemską nazywane są skałami.
W budownictwie skały nazywane są gruntem.
Skały
Skały sypkie
(np. piaski,
żwiry)
Skały spoiste
(np. iły, gliny)
Skały zwięzłe
(np. granity,
piaskowce)
Klasyfikacja gruntów budowlanych
Skaliste
nieskaliste
Skały
mineralne
organiczne
nasypowe
Lite, mało spękane, średni spękane, bardzo spękane
kamieniste
wietrzelina, wietrzelina gliniasta,
rumosz, rumosz gliniasty, otoczaki
gruboziarniste
żwiry, żwir gliniasty, pospółka, pospółka
gliniasta
drobnoziarniste
niespoiste
sypkie
piasek gruby, średni,
drobny i pylasty
spoiste
piasek gliniasty, pył
piaszczysty, glina
piaszczysta, glina, glina
pylasta zwięzła, ił
piaszczysty, ił, ił pylasty
grunt próchniczy, namuł, torf
nasyp budowlany, nasyp niekontrolowany
Podstawowe cechy hydrogeologiczne gruntów
Wyróżniamy następujące parametry fizyczne
opisujące właściwości gruntów:
• skład granulometryczny
• porowatość
• wodochłonność i odsączalność
• wysokość wznoszenia kapilarnego
• Wodoprzepuszczalność.
Skład granulometryczny gruntu
Skład granulometryczny (= uziarnienie) – określa wymiary
ziaren gruntu - co ma decydujący wpływ na jego właściwości
techniczne oraz opisową klasyfikację.
Skład granulometryczny gruntu określa się na podstawie
analizy sitowej (grunty piaszczyste i żwirowe) lub
areometrycznej (stosuje się dla gruntów o d < 0.05 mm):
– analiza sitowa polega na badaniu frakcji uziarnienia gruntu na drodze
przesiewania przez kalibrowane sita;
– analiza areometryczna określa prędkość opadania cząstek gruntu w
wodzie (za pomocą areometru).
Wykres uziarnienia gruntu
Wykres uziarnienia gruntu przedstawia się w postaci krzywej
sumowej - w skali półlogarytmicznej;
Wykres uziarnienia gruntu stanowi podstawę do określenia
nazwy gruntu, miarodajnej (efektywnej) średnicy gruntu
ziaren gruntu de oraz wskaźnika nierównomierności
uziarnienia U.
Metoda sitowa (wg PN-B-04481:1988 )
Etapy analizy sitowej:
1. Suszenie i ważenie próbki gruntu,
2. Przesiewanie próbki gruntu przez zestaw sit o różnych
wymiarach oczek,
3. Oznaczenie ciężaru cząstek zatrzymanych na
poszczególnych sitach,
4. Określenie ich procentowego udziału w wadze całej
próbki,
5. Sporządzenie krzywej sumowej uziarnienia gruntu.
(PN-B-04481:1988 Grunty budowlane - Badania próbek gruntu)
Krzywa sumowa uziarnienia gruntu
Średnica miarodajna gruntu de
Średnica zastępcza to średnica cząstki kulistej o tej
samej gęstości właściwej co cząstka gruntowa (nieregularna),
opadającej w wodzie z taką samą prędkością jak rzeczywista
cząstka gruntu (w praktyce operujemy średnicą zastępczą).
Średnica zastępcza ziaren jednorodnego ośrodka
porowatego, charakteryzuje się tymi samymi
własnościami jak grunt rzeczywisty.
Z krzywej uziarnienia można odczytać
charakterystyczne średnice zastępcze:
• d50 – średnica, która wraz z ziarnami mniejszymi stanowi wagowo 50%
próbki,
• d10 – średnica, która wraz z ziarnami mniejszymi stanowi wagowo 10 %
próbki,
• d60 – średnica, która wraz z ziarnami mniejszymi stanowi wagowo 60 %
próbki
Wskaźnik równomierności uziarnienia U
Wskaźnik równomierności uziarnienia U
d 60
U
d10
Na tej podstawie określamy rodzaj gruntu:
• U < 5 - grunt równoziarnisty,
• 15 > U > 5 - grunt nierównoziarnisty,
• U > 15 - grunt bardzo nierównoziarnisty .
Frakcje uziarnienia– podział ziaren i cząstek
gruntów
Nazwa frakcji
Średnice zastępcze ziaren i
cząstek
Kamienista
> 40 mm
Żwirowa
40 ÷ 2 mm
Piaskowa
2 ÷ 0.05 mm
Pyłowa
0.05 ÷ 0.002 mm
Iłowa
ziarna > 0.05 mm
cząstki < 0.05 mm
< 0.002 mm
Klasyfikacja żwirów i piasków
Nazwa gruntu
Zawartość ziaren
o wymiarach
udział w procentach
Żwir
> 2 mm
≥ 50 %
Pospółka
> 2 mm
10 ÷ 50 %
Piasek gruboziarnisty
> 0.5 mm
≥ 50 %
Piasek średni
> 0.25 mm
≥ 50 %
Piasek drobny
> 0.25 mm
< 50 %
Piasek pylasty
> 0.25 mm
< 50 %
w tym:
frakcja pyłowa: 10 ÷ 30 %
frakcja iłowa: 0 ÷ 2 %
Uziarnienie piasku i żwiru
Piasek
Żwir
0.25 ÷ 0.50 mm
2 ÷ 3 mm
0.50 ÷ 0.75 mm
3 ÷ 4 mm
0.75 ÷ 1.0 mm
4 ÷ 6 mm
1.0 ÷ 1.5 mm
6 ÷ 8 mm
8 ÷ 12 mm
12 ÷ 16 mm
16 ÷ 25 mm
25 ÷ 35 mm
Badania polowe
Wyjaśnienie przyczyn zabagniania gruntów,
opracowanie prognozy zmian stanów wody podziemnej a
także zaprojektowanie racjonalnego sposobu
odwodnienia wymagają przeprowadzenia odpowiednich
studiów i badań polowych mających na celu określenie:
• rodzaju, rozmieszczenia i rozmiarów warstw wodonośnych,
• zmienności w czasie i przestrzeni stanów zwierciadła wody lub
ciśnienia piezometrycznego i ich zależności od czynników
meteorologicznych, hydrologicznych i innych,
• składu fizykochemicznego wody podziemnej z punktu
widzenia trwałości i długoletniej sprawności urządzeń
melioracyjnych.
Badania polowe
Badania polowe obejmują:
• badania geologiczne,
• pomiary stanów wody podziemnej,
• pomiary prędkości, kierunku i strumienia przepływu wody
podziemnej,
• pompowania badawcze (próbne).
Profil geologiczny otworu wiertniczego
Przekrój geologiczny terenu
Porowatość gruntu
Wolne przestrzenie pomiędzy ziarnami gruntu nazywamy
porami.
Wielkość por zależy od:
• wielkości ziaren,
• kształtu ziaren,
• wzajemnego ułożenia ziaren.
Porowatość to stosunek objętości porów do całkowitej
objętość próbki gruntu:
n
Vp
V
Porowatość gruntu cd.
Zamiast porowatości stosuje się wskaźnik porowatości e
– jako stosunek objętości porów do objętości ziaren szkieletu
gruntowego:
e
Vp
Vz
Porowatość gruntu można przeliczyć na wskaźnik
porowatości za pomocą wzoru:
n
e
1 n
Wpływ kształtu ziaren i nierównomierności
uziarnienia na porowatość gruntu
Ziarna wyokrąglone,
uziarnienie równomierne
Ziarna wyokrąglone,
uziarnienie równomierne
Ziarna ostrokrawędziaste blaszkowate
Porowatość wybranych gruntów budowlanych
Nazwa gruntu
Porowatość w %
Gleba
43 ÷ 65
Torf
76 ÷ 89
Muły świeże
50 ÷ 90
Iły plastyczne
35 ÷ 70
Gliny
24 ÷ 42
Lessy
40 ÷ 65
Lessy gliniaste
25 ÷ 35
Piaski o równomiernym uziarnieniu
25 ÷ 50
Pospółki
15 ÷ 30
Żwiry
20 ÷ 55
Margle
20 ÷ 49
Wodochłonność i odsączalność gruntu
Wodochłonność (w) to zdolność wchłonięcia i utrzymania przez grunt
określonego typu wody (adhezyjnej i wolnej).
W praktyce wyróżnia się pełną nasycalność wodną (całkowitą
wodochłonność) gruntu - gdy wszystkie szczeliny w gruncie wysycone są
wodą – stan saturacji.
Gn  Gs
w
Gs
w
n w

Gn – ciężar gruntu całkowicie
nasyconego wodą, N
Gs – ciężar gruntu suchego, N
w – ciężar właściwy wody, N/m3
 – ciężar objętościowy gruntu, N/m3
Odsączalność
Odsączalność wagowa to zdolność całkowicie
nasyconego wodą gruntu do oddawania wody wolnej pod
działaniem sił ciężkości.
Odsączalność wagowa to stosunek ciężaru odsączonej
wody do ciężaru gruntu suchego:
Gn  Gm
m
Gs
Gm – ciężar gruntu o maksymalnej wilgotności molekularnej (woda
błonkowata i zakątkowa)
Wysokość wznoszenia kapilarnego
Wysokość wznoszenia kapilarnego w gruncie nieskalistym
zależy od:
•
•
•
•
•
uziarnienia,
składu mineralnego,
zawartości części organicznej,
składu chemicznego wody,
temperatury wody.
Wysokość wznoszenia kapilarnego hk w
niektórych gruntach
Wodoprzepuszczalność gruntu
Wodoprzepuszczalność gruntu to zdolność do przewodzenia
cieczy – charakteryzowana jest przez współczynnik filtracji kf.
Wodoprzepuszczalność zależy od:
• geometrycznych cech gruntu (- wymiaru i kształtu ziaren),
• porowatości,
• fizykochemicznych cech wody (- głównie lepkości).
Współczynnik filtracji kf
Współczynnik filtracji został wprowadzony przez Darcy - dla
filtracji laminarnej:
vf = kf I
Gdzie:
vf – prędkość filtracji – jako vf = Q/A
I – spadek hydrauliczny – jako I = ∆H/L
Spadek hydrauliczny I - to stosunek straty wysokości
rozporządzalnej ciśnienia ∆H do długości drogi przesączania L.
Prawo filtracji Darcy
vf = kf I
vf – prędkość filtracji – jako vf = Q/A
I – spadek hydrauliczny – jako I = H/L
Współczynnik filtracji
Współczynnik filtracji wyznaczyć można na podstawie :
• wzorów empirycznych,
• badań laboratoryjnych,
• badań polowych.
Wartości współczynników filtracji kf gruntów
nieskalistych
Obliczenia współczynnika filtracji w gruntach
anizotropowych i niejednorodnych
W gruncie jednorodnym i izotropowym - wartość
współczynnika filtracji jest jednakowa w każdym punkcie i
niezależna od kierunku przepływu wody (- założenie
większości metod obliczeniowych w hydrogeologii).
W naturze, rozróżniamy grunty jednorodne anizotropowe
oraz niejednorodne.
W gruncie jednorodnym anizotropowym współczynnik filtracji jest
jednakowy w każdym punkcie, ale zależy od kierunku przepływu wody.
Anizotropię gruntu (w 2D) scharakteryzować można za pomocą elipsy
anizotropii.
Elipsa anizotropii
Elipsa anizotropii to obwiednia końców wektorów określających wartości współczynnika kf w różnych kierunkach.
Grunt jednorodny anizotropowy
Stopień anizotropii to stosunek kfmax do kfmin
Średnia wartość współczynnika filtracji kfsr - w gruntach
jednorodnych anizotropowych, obliczyć można z wzoru:
k fsr  k f max k f min
Grunt niejednorodny
W gruntach niejednorodnych wartość współczynnika filtracji jest
zależna od punktu położenia.
W przypadku filtracji równoległej do warstw gruntu o różnej grubości hi
i różnych współczynnikach kf - do obliczeń należy posługiwać się wartością
średnią współczynnika filtracji:
k fr
k h


h
fi
i
i
Grunt niejednorodny
W przypadku filtracji prostopadłej wartość współczynnika
filtracji obliczamy z wzoru:
k fp
h


h k
i
i
fi
3. Odwadnianie obiektów i
wykopów budowlanych
(Melioracje podstawowe i drenaż systematyczny)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Prognoza zmiany stanów wód podziemnych
Trwałe podniesienie stanu wody w odbiorniku
– obliczenia rozpoczyna się od przekroju położonego najbliżej linii
brzegowej (1)
Założenia:
1.
2.
3.
4.
5.
Ruch równomierny, ustalony
Grunt jednorodny, izotropowy
Pozioma warstwa nieprzepuszczalna
Q = const
Stromy brzeg odbiornika
Spiętrzenie wody podziemnej - w warunkach ruchu
ustalonego
Przekrój 1:
y1  y0 2   h12  h02  , m
Przekrój 2:
y2  y12   h22  h12  , m
Gdzie: y0 – znane lub założone spiętrzenie wody w odbiorniku nad
podłożem nieprzepuszczalnym
Ogólnie: przekrój (i+1)
yi 1  yi 2   hi21  hi2  , m
Spiętrzenie wody podziemnej - w warunkach ruchu
ustalonego przy cofnięciu się linii brzegowej
Przekrój 1
y1  y0 2 
x
h12  h02  , m

x  x0
Przekrój 2
y2  y12   h22  h12  , m
Założenia:
1. Ruch równomierny ustalony
2. Grunt jednorodny, izotropowy
3. Pozioma warstwa nieprzepuszczalna
4. Q = const
5. Cofnięta linia brzegowa
Spiętrzenie wody podziemnej - w warunkach ruchu
ustalonego - dla i>0
i l
 i l 
y1  y02  h12  h02   1   i  l1  h0  h1  y0   1 , m
2
 2 
2
Założenia:
1. Ruch równomierny ustalony
2. Grunt jednorodny, izotropowy
3. i > 0
4. Q = const
5. Stromy brzeg odbiornika
Spiętrzenie wody podziemnej - w warunkach ruchu
ustalonego - dla i<0
i l
 i l 
y1  y02  h12  h02   1   i  l1  h0  h1  y0   1 , m
2
 2 
2
Założenia:
1. Ruch równomierny ustalony
2. Grunt jednorodny, izotropowy
3. i < 0
4. Q = const
5. Stromy brzeg odbiornika
Podział systemów melioracji
Melioracje
Melioracje
podstawowe
oczyszczanie
koryta
odbiornika
regulacja
koryta
odbiornika
skracanie
biegu rzeki
Melioracje
szczegółowe
pogłębianie
koryta
odbiornika
rowy
opaskowe
plantowanie
drenaż
kanalizacja
deszczowa
Melioracje podstawowe
Melioracje podstawowe – mają najistotniejszy
wpływ na poprawę warunków wodnych w gruncie.
Melioracje podstawowe mają za zadanie
stworzenie odpowiednich warunków do budowy i
należytego działania urządzeń zaliczanych do
melioracji szczegółowych.
Ochrona terenów przed podmakaniem i
zabagnianiem
Ochrona przeciwpowodziowa polega na:
• gromadzeniu fal powodziowych w zbiornikach
retencyjnych,
• budowie wałów ochronnych,
• budowie kanałów odciążających,
• budowie polderów.
Zbiorniki retencyjne i wały powodziowe
Zbiorniki retencyjne wykorzystywane są do
przechwycenia i spłaszczanie szczytu fali powodziowej
Wały powodziowe zabezpieczają odcinki dolin
rzecznych przed zalewaniem. Na wysokości miast czy
zakładów przemysłowych buduje się obwałowania
nieprzelewowe - tzw. zimowe - obliczane na
zatrzymanie największych wielkich wód o częstości
występowania: 1 raz na 200 ÷ 1000 lat.
Wały powodziowe
Ze względów bezpieczeństwa korona wałów
powinna być wzniesiona o 0.8 ÷ 1.2 m powyżej
najwyższego stanu spiętrzonej wody;
Szerokość korony (so) powinna wynosić:
so = 0.25 H + 2.0 m
Po stronie odpowietrznej wykonuje się rowy,
dreny lub sączki nadbrzeżne przechwytujące wody
przesiąkowe.
Typowy przekrój wału przeciwpowodziowego - z
jądrem uszczelniającym
1 – jądro uszczelniające
2 – ławka
3 – sączek kamienny lub żwirowy
4 – rów przywałowy
Kanały odciążające
Kanały odciążające - tzw. kanały ulgi budowane są w obrębie miasta w celu zmniejszenia spiętrzenia
wielkich wód wywołanych obwałowaniem rzeki
1 – kanał odciążający
2 – śluza wlotowa
3 – śluza wylotowa
4 – wały przeciwpowodziowe
Poldery
Poldery budowane są w celu zmniejszenia
spiętrzenia wielkich wód (zalewane są z reguły
wodami wiosennymi).
Poldery zwiększają retencję doliny rzecznej i tym
samym obniżają szczyt fal powodziowych.
Poldery umieszczane są powyżej obszarów
chronionych. Napełniane są przez przelewy lub śluzy
wpustowe.
Metody poprawy odwadniającego działania
odbiorników wód podziemnych
Metody poprawy odwadniającego działania
odbiorników wód podziemnych to:
• oczyszczanie koryta odbiornika,
• regulacja koryta odbiornika,
• skracanie biegu rzeki,
• pogłębianie koryta odbiornika.
Oczyszczanie koryta odbiornika
Zaniedbanie koryta odbiornika (rzeki, potoku, rowu)
powoduje wysokie stany wody w odbiorniku.
Szczególnie wrażliwe są małe rzeki i strumienie nizinne o
prędkościach przepływu poniżej 0,5 m/s – szybkie odkładanie
się namułów (- podnoszenia dna).
Roślinność powoduje znaczny wzrost oporów przepływu, a
tym samym spiętrzenie wody.
Regulacja koryta odbiornika
Regulacji koryta odbiornika dokonuje się w celu zwiększenia
przepustowości odbiornika.
Regulacji dokonuje się w szczególności, gdy koryto odbiornika :
• posiada nieregularny i zmieniający się z biegiem kształt
przekroju poprzecznego;
• posiada lokalne przewężenia;
• posiada rozlewiska i meandry.
Regulacja koryta odbiornika
Regulacja polega na:
• nadaniu biegowi rzeki kształtu zapewniającego
jednostajną i optymalną prędkość przepływu,
• utworzeniu koryta o regularnym i zwartym przekroju ,
• utrzymaniu stałej głębokości;
W tym celu buduje się tamy:
• podłużne,
• poprzeczne.
Regulacja koryta odbiornika
Tamy podłużne (- równoległe):
• nadają rzece nowe stałe brzegi,
• wytwarzają łagodną w planie linię nurtu,
• stały przekrój poprzeczny,
• stałą głębokość.
Regulacja koryta odbiornika
Tamy poprzeczne (tzw. ostrogi - prostopadłe do rzeki)
stosowane przy małych spadkach dna; ostrogi zapewniają
szybkie zalądowanie przestrzeni między tamami.
Skracanie biegu rzeki
Rzeki i potoki o małym spadku (- na równinach) tworzą
zazwyczaj szereg zakoli - wydłużających znacznie bieg rzeki.
„Wyprostowanie trasy”:
• zwiększa spadek jednostkowy
zwierciadła wody,
• zwiększa prędkość przepływu,
• zmniejsza przekrój czynny,
• zmniejsza poziom wody w rzece i otoczeniu.
Pogłębianie koryta odbiornika
Pogłębienie koryta stosuje się, gdy wymagane jest duże
lokalne obniżenie zwierciadła wody w odbiorniku:
Przykłady rozwiązania pogłębienia dna rzeki i obniżenia poziomu średniej wody pod mostami
Melioracje szczegółowe
Melioracje szczegółowe:
• rowy opaskowe i odwadniające,
• plantowanie powierzchni terenu,
• podnoszenie powierzchni terenu przez zalądowanie,
• odwadnianie - drenowanie gruntu,
• izolacje wodoszczelne budowli podziemnych.
Rowy opaskowe
Rowy opaskowe – przejmują wody opadowe (tj.
deszczowe i roztopowe) spływające z przyległych
obszarów.
Rowy umieszcza się od strony napływu wód obcych –
wzdłuż dróg, granic parcel.
Rowy odprowadzają wody do strumieni czy rzek (lub
kanalizacji deszczowej).
Rowy opaskowe
– głębokość rowu otwartego - do 1.5 metra
– szerokość dna rowu otwartego: od 0.2 ÷ 0.4 m
Plantowanie powierzchni terenu
Plantowanie to sztuczne kształtowanie powierzchni terenu,
celem stworzenia jak najlepszych warunków dla spływu
powierzchniowego wód deszczowych i roztopowych - do
naturalnych lub sztucznych odbiorników.
Odbiornikami na terenach zabudowanych są:
• wpusty deszczowe,
• rowy.
Plantowanie
Odprowadzenie wód opadowych (= ścieków) z
nawierzchni ulic uzyskuje się przez nadanie im
poprzecznych i podłużnych spadków.
Placom i zieleńcom otoczonym ulicami nadaje się
spadki w kierunku ulic (gdy jest to technicznie
możliwe).
Optymalne spadki terenu 1 ÷ 5 %
Kształtowanie spadków terenu
Kształtowanie spadków terenu
Podnoszenie powierzchni terenu przez
zalądowanie
Zalądowanie – podniesienie powierzchni terenu
przez wykonanie nasypu odpowiedniej wysokości.
Grunty użyte do zalądowania powinny być
przepuszczalne (np. piaszczysto-żwirowe) – eliminacja
wody zawieszonej lub kapilarnej.
Izolacje budowli podziemnych
Izolacje wodoszczelne powinny być zawsze
stosowane.
Nawet gdy fundamenty znajdują się w strefie aeracji, w tym poza
zasięgiem podciągania kapilarnego, to woda wsiąkowa może
powodować zawilgocenie konstrukcji fundamentowej.
Do izolacji stosuje się np.:
• asfalty powlekane na zimno
lub gorąco (np. Abizol),
• papy asfaltowe,
• klinkier na zaprawie asfaltowej.
Odwadnianie (drenowanie) gruntu
Drenowanie = odwadnianie – odprowadzanie z danego
obszaru w części lub w całości zasobów statycznych i
dynamicznych wód podziemnych.
Drenaż – układ urządzeń służących do odwadniania terenu.
Podstawowy podział systemów drenaży
Drenaże
drenaż
poziomy
drenaż
pionowy
drenaż
mieszany
Podział systemów drenaży
Drenaż poziomy
•
•
•
•
•
•
rowy
koryta
sączki filtracyjne
rurki drenarskie
galerie
sztolnie
Drenaż pionowy
•
•
•
•
studnie
igłofiltry
otwory chłonne
otwory spływowe
Klasyfikacja sposób drenowania - w zależności od
układu urządzeń odwadniających
drenaż
systematyczny
Systemy drenarskie
(pionowy, poziomy
lub mieszany)
drenaż
opaskowy
drenaż
nadbrzeżny
drenaż okólny
Drenaż poziomy
Drenaż poziomy stosuje się gdy:
• zwierciadło wody podziemnej zalega na niewielkiej głębokości,
• warstwa wodonośna ma małą miąższość,
• wymagane obniżenie poziomu zwierciadła wody nie przekracza 2.0 ÷
3.0 m.
Drenaże poziome układa się w wykopach otwartych do
głębokości 6.0 ÷ 8.0 m – przy głębszych stosuje się sztolnie
drenażowe.
Drenaż pionowy
Drenaż pionowy stosuje się gdy:
• zwierciadło wody podziemnej zalega na dużej głębokości
i wymaga znacznego obniżenia,
• warstwa wodonośna ma dużą miąższość i niewielką
przepuszczalność,
• budowa drenażu poziomego byłaby utrudniona np. przez
istniejącą zabudowę lub gęstą infrastrukturę podziemną.
Drenaż systematyczny – warunki stosowania i
zasada działania
Drenaż systematyczny stosuje się głównie na
obszarach, gdzie zasoby wód podziemnych zasilane są
w głównej mierze z wsiąkania opadów
atmosferycznych lub z głębiej położonych zasobnych
zbiorników wody artezyjskiej.
Drenaż systematyczny poziomy to sieć „równoległych” drenów przechwytujących wodę z gruntu i odprowadzających ją do zbieraczy, a
następnie do kolektorów.
Drenaż systematyczny - poziomy
1 – dren
2 – zbieracz
3 – kolektor
4 – studzienka
Drenaż systematyczny - poziomy
Drenaż systematyczny poziomy stosuje się zazwyczaj do
wód zaskórnych, płytkich wód gruntowych lub wód
zawieszonych – gdy wymagane jest niewielkie obniżenie
zwierciadła wód gruntowych.
Drenaż systematyczny poziomy stosuje się np:
• na terenach niezabudowanych (np. boiska, ogrody, parki, place i
lotniska),
• w dzielnicach o luźnej zabudowie (willowej).
Drenaż systematyczny - pionowy
Drenaż systematyczny pionowy stosuje się
zazwyczaj na obszarach o dużej miąższości warstw
wodonośnych;
Drenaż systematyczny pionowy składa się ze studni
wierconych lub kopanych, połączonych w grupy, z których
woda odprowadzana jest lewarami, przewodami ssawnymi lub
tłocznymi.
Drenaż systematyczny - pionowy
1 – studnia odwadniająca
2 – lewar (lub przewód ssawny)
3 – lewar zbiorczy
Drenaż systematyczny - mieszany
Drenaż systematyczny mieszany stosuje się, gdy
odwadniany obszar podtapiany jest jednocześnie przez wody
wsiąkające z opadów atmosferycznych oraz naporowe - w
głębokich dobrze przepuszczalnych warstwach;
Wówczas, drenaż poziomy przechwytuje wody wsiąkające z powierzchni
terenu, a pionowy drenuje wody naporowe.
1 – dren poziomy (sączek)
2 – dren pionowy (sączek)
Obliczenia drenażu systematycznego poziomego
Wymiarowanie drenażu systematycznego - poziomego
polegają na wyznaczeniu rozstawu drenów – wzajemnej
odległości i obliczeniu obciążenia hydraulicznego drenów.
Rozstaw drenów zależy od:
• przepuszczalności gruntu,
• sposobu i wielkości zasilania odwadnianej warstwy,
• głębokości założenia drenów.
Sposób obliczeń zależy od lokalizacji drenów nad podłożem
nieprzepuszczalnym.
Drenaż zupełny (dogłębiony)
Warunki:
i=0
h0 ≈ dcz (wypełnienie
I
drenu)
hmax  H w  t
dcz
h 0
2
0
Rozstaw drenów:
l2
h
2
max
 h02  k f W  g  , m
l  2  H w  t  k f W  g  , m
i=0
zapas 0.2 ÷ 0.5 m
Gdzie:
W – wsiąkanie, m3/s m2
g – straty wody w sieci
wodociągowej, m3/s m2
dcz – średnica drenu wraz z obsypką, m
Wsiąkanie – W i wpływ nieszczelności sieci
wodociągowej - g
Zagospodarowanie terenu
Wsiąkanie – W, m3/s m2 = m/s
Gęsto zabudowa śródmieścia
miast skanalizowanych
0.012∙10-6
Zabudowa luźna, miasta
skanalizowane
0.038∙10-6
Tereny niezabudowane bez
kanalizacji
0.076∙10-6
Straty wody (g) w sieci wodociągowej (w przypadku braku danych) należy
przyjmować w wysokości 10 ÷ 15% Qśrd.
Obliczenia na terenach zabudowanych
Na terenach zabudowanych bardziej dogodne jest
przyjmowanie rozstawów drenów - Ɩ – na podstawie planu
sytuacyjnego (ulic, dróg), a następnie obliczanie wysokości
wzniesienia zwierciadła hmax:
hmax
l

,m
2 k f / (W  g )
Drenaż zupełny (dogłębiony)
Obciążenie hydrauliczne:
• jednostkowe:
q  W  g  l , m / s mb
• odcinkowe:
Q  q  L, m / s
• czas potrzebny na
obniżenie zwierciadła wody
3
3
T
0l 2  H w  0.68hmax 
20  H w  hmax  k f
, doby
Drenaż zawieszony (- niedogłębiony)
dcz
- wysokość wzniesienia
obniżonego zwierciadła
wody gruntowej:
hmax
l (W  g )
l
ln
,m
 kf
dcz
0l 2  z  0.68hmax 
- czas potrzebny na obniżenie T 
zwierciadła wody:
20  z  hmax  k f
B  1  1.55
B
, doby
dcz ( H w  z )
2  z2
zapas 0.2 ÷ 0.5 m
Wysokość swobodnego wypływu
Wysokość swobodnego dopływu
określić można ze wzoru
Wiedernikowa:
q
h  0.22
kf
Obliczenia drenażu systematycznego pionowego
Obliczenia hydrogeologiczne drenażu
systematycznego pionowego polegają na:
• określeniu rozstawu studni,
• określeniu wydajności studni i całego układu,
• określeniu obniżenia zwierciadła wody podziemnej;
Studnie rozmieszcza się w odległości mniejszej niż R – w
zasięgu leja depresji pojedynczej studni.
Współdziałanie hydrauliczne studzien z układem
odbiorczym obliczane jest w dwóch etapach:
• obliczenia wpływu wzajemnego oddziaływania studni na depresję w
każdej z nich,
• obliczenia wpływu przewodów odbiorczych (- metoda
Forchheimera).
Obliczenia drenażu systematycznego pionowego
s
s
Zwierciadło swobodne
s p  s  s
R  575  s  k f  H w , m
1.365  k f  s  2 H w  s  3
Q
,m /s
R
lg
rcz
Zwierciadło napięte
R  3000  s  k f , m
2.73  k f  m  s 3
Q
,m /s
R
lg
rcz
Obliczenia drenażu systematycznego pionowego
Wysokość swobodnego dopływu do studni:
s  0.01 a
Q1  s  s 
k f  2  rcz  l f
,m
Gdzie: a – współczynnik zależny od rodzaju filtra studziennego:
a = 6 ÷ 10 – filtr perforowany,
a = 15 ÷ 25 – filtr żwirowy (15), siatkowy (25).
Długość czynna filtra lf:
• zwierciadło swobodne: lf = Hw – s, m
• zwierciadło napięte: lf = m – (1 ÷ 2), m
4. Odwadnianie obiektów i
wykopów budowlanych
(Drenaż okólny, opaskowy i nadbrzeżny)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Drenaż okólny (obwodowy)
• Drenaż okólny stosowany jest do ochrony przed podtopieniem
pojedynczych budynków – szczególnie podpiwniczonych i
głęboko posadowionych obiektów przemysłowych;
• Drenaż okólny - poziomy zalecany jest na obszarach
występowania wód zaskórnych i płytkich wód gruntowych o
małym spadku zwierciadła wody.
1 - trasa drenu dla terenu bez
wsiąkania opadów
2 – trasa drenu dla terenu z
wsiąkaniem opadów
Drenaż okólny (obwodowy)
Drenaż okólny poziomy może być stosowany do
odwodnienia większych kompleksów zabudowy pod
warunkiem zabezpieczenia obszaru przed infiltracją wód
opadowych i nieszczelnymi sieciami wod-kan (W + g).
2 – dodatkowe dreny w przypadku
wsiąkania opadów wewnątrz obszarów
Pionowy drenaż okólny w układzie ssawnym
1 – studnia odwadniająca
2 – kolektor ssawny
3 – pompa
Kombinowany drenaż ogólny z grawitacyjnym
odpływem wody ze studni
1 – studnia
2 – dren poziomy
3 – słabo przepuszczalna warstwa gruntu
4 – dobrze przepuszczalna warstwa wodonośna
5 – odprowadzenie wody
Drenaż okólny - poziomy zupełny
Hydrauliczne obciążenie jednostkowe przy dopływie jednostronnym:
H w2  h02 3
q  kf
, m / sm
2R
Gdy: h0 = 0 - dren zagłębiony w podłożu nieprzepuszczalnym lub h0 << Hw:
H w2
q  kf
, m3 / s m
2R
Q  q  L, m3 / s
Drenaż poziomy okólny zupełny w zbiorniku
wody gruntowej – zwierciadło swobodne
Zasięg wpływu drenu zupełnego pracującego w zbiorniku wód gruntowych:
R
H
W
kf
2
w
 h02  , m
Rzędne obniżonego zwierciadła wody:
hx  h02 
gdy h0 ≈ 0
hx  H w
x
H w2  h02  , m

R
x
,m
R
x – odległość punktu w którym obliczamy
rzędną hx - od osi drenu, m
Zasady obliczania pionowego drenażu okólnego
Obliczenia drenażu okólnego - pionowego składającego się
grupy oddziałujących studzien, prowadzi się wg następujących
kroków:
•
•
•
•
zamiana rzeczywistego obrysu na zastępczy o promieniu (R0),
wydajność drenażu (Q) – wg tzw. „metody wielkiej studni”,
obliczenie dopływu do jednej studni (q),
określenie obniżenia zwierciadła wody w środku ciężkości układu
(h0).
Zasady obliczania pionowego (dogłębionego)
drenażu okólnego – zwierciadło swobodne
R0 
 ( a  b)
,m
R0 
4
R  575  s  H w  k f , m
q=
p k f s( 2H w - s)
ln
R2g
, m3 / s
n× r × R0n-1
- dopływ do jednej studni
Q
F

,m
Rg  R  R0 , m
Q  n  q, m3 / s
1.36  k f  s  (2  H w  s) 3
,m /s
Rg
lg
- wydajność drenażu
R0
h0  H w2 
Rg
Q
 ln , m
 kf
R0
h0 wyliczyć można również ze wzoru Forchheimera
h0  H w2 
q
 n ln Rg  ln  x1  x2  ...  xn  , m
kf
Zasady obliczania pionowego (dogłębionego)
drenażu okólnego – zwierciadło napięte
R0 
 ( a  b)
,m
4
R  3000  s k f , m
q
2  k f  m  s
ln
n
g
R
n  r  R0
, m3 / s
R0 
F

,m
Rg  R  R0 , m
dopływ do jednej studni
n 1
Q  n  q, m3 / s
Q
2.73  k f  m  s 3
,m /s
Rg
lg
R0
wydajność drenażu
R 
n  q ln  g 
 R0  , m
h0  H w 
2  k f  m
h0 wyliczyć można ze wzoru Forchheimera
h0  H w
q
 n ln Rg  ln  x1  x2  ...  xn   , m
2 k f m
Drenaż opaskowy - stosowanie
Drenaż opaskowy - dla:
– dużych spadków terenu
(i > 0.03%),
– małej infiltracji opadów oraz
nieszczelności (W+g).
zasięg wpływu
drenażu
Obliczenia drenażu opaskowego poziomego
zupełnego
Drenaż opaskowy - poziomy zupełny przyjmuje w całości
zasoby dynamiczne wody – obliczenia obciążenia
hydraulicznego drenu polega na określeniu tych zasobów.
qd
Hw
Obliczenia drenażu opaskowego poziomego
zupełnego
qd  H w  k f  J , m3 / s mb
Obciążenie jednostkowe (na 1 mb) drenu opaskowego,
J – lokalny spadek zwierciadła wody gruntowej
Całkowity dopływ do drenu (suma dopływu do Li –
odcinka (o danym kfi i Hwi)
Qd   qdi  Li , m3 / s
qd
Hw
Obliczenia drenażu poziomego zawieszonego
(niezupełnego)
Obliczenia prowadzi się drogą kolejnych przybliżeń:
- zakłada się zagłębienie drenu, następnie
• określa się dopływ do drenu,
• oblicza się rzędne krzywej depresji.
Obliczenia drenażu poziomego zawieszonego
(i = 0)
q0 
k f  hd2  h02 
2l0
, m3 / s mb
q  k f  J  H w , m3 / s mb
hx  h  2 xq0 k f , m
2
0
i=0
Strumień jednostkowy wody przepływającej poniżej
drenu w kierunku odbiornika
Strumień jednostkowy dopływu wód gruntowych
Rzędne obniżonego zwierciadła wody
Obliczenia drenażu poziomego zawieszonego
(i > 0)
q0 
k f  hd  h0   hd  h0  il0 
2l0
ix
hx 

2
h
0
, m3 / s mb
 ix 2   2 xq0 k f , m
2
q  k f  J  H w , m3 / s mb
qd  q  q0 , m3 / s mb
i>0
Obliczenia drenażu poziomego zawieszonego
(i < 0)
q0 
k f  hd  h0   hd  h0  il0 
2l0
ix
hx  
2
h
0
, m3 / s mb
 ix 2   2 xq0 k f , m
2
q  k f  J  H w , m3 / s mb
qd  q  q0 , m3 / s mb
i<0
Drenaż opaskowy zawieszony – wpływ infiltracji
opadów i nieszczelności sieci podziemnych (W+g)
hx1  hx2 
W g
x  l0  x  , m
kf
Rzędne obniżonego zwierciadła wody z
uwzględnieniem dopływu : W+g
hd
Drenaże nadbrzeżne
Drenaże nadbrzeżne stosowane są głównie do ochrony
terenów przed wodami infiltrującymi ze zbiorników wody
powierzchniowej (- piętrzą wody podziemne).
(NWW)
Podtopienie terenu przez wysokie
stany wody w rzece (NWW)
Zastosowanie drenażu nadbrzeżnego
Podtopienie terenu przez niskie
bądź średnie stany wody w rzece
Podtopienie terenu przez niskie
bądź średnie stany wody w rzece –
drenaż zespołowy opaskowonadbrzeżny
Zastosowanie drenażu nadbrzeżnego
Drenaż nadbrzeżny podwójny – w
międzyrzeczu
Drenaż nadbrzeżny - przywałowy
Zasady obliczeń hydrogeologicznych drenaży
nadbrzeżnych (poziomych i pionowych)
cykl iteracji obliczeń
Procedura obliczeń drenaży nadbrzeżnych:
1. Określenie racjonalnego położenia ciągu drenarskiego
bądź bariery studzien względem obszaru zasilania,
2. Ustalenie odpowiedniej głębokości ułożenia drenu bądź
optymalnych odstępów studzien i depresji,
3. Określenie obciążenia jednostkowego drenu bądź
wydajności pojedynczej studni i całkowitego odpływu,
4. Obliczenie krzywych obniżonego (dynamicznego)
zwierciadła wody na terenie chronionym,
5. Uwzględnienie infiltracji opadów i nieszczelności,
6. Uwzględnienie zeskoku hydraulicznego.
Zasady obliczeń hydrogeologicznych drenaży
nadbrzeżnych (poziomych i pionowych)
Drenaż nadbrzeżny uznajemy za optymalny - gdy przy
założonym (wymaganym) obniżeniu zwierciadła wody na
terenie chronionym odpływ z drenażu będzie najmniejszy.
Należy więc minimalizować łączną długość drenażu i głębokość
jego założenia lub wielkość depresji w studniach.
Założenia wyjściowe:
• Jednorodność i izotropowość gruntu,
• Poziomy układ warstwy nieprzepuszczalnej,
• Wpływ infiltracji opadów W i eksfiltracji z sieci g uwzględnia się
dodatkowo.
Obliczenia poziomych drenaży nadbrzeżnych w
międzyrzeczu – zwierciadło napięte
q
kf s
, m3 / s mb
m  l1l2
ln

 r l0 m
- jednostkowe obciążenie hydrauliczne drenu
lx 
ql
q
hx  H 2  B
  H1  H 2   1
 k f l0 
mk f
B = ln 1- eA
A= -
p ( x - x0 )
m

, m

- rzędne krzywej depresji
Obliczenia poziomych drenaży nadbrzeżnych w
międzyrzeczu – zwierciadło swobodne
Ciąg pojedynczy drenów poziomych:
q  q1  q2  q3
q1 
k f  y12  y02 
2l1
, m3 / s mb
q2 
k f  y22  y02 
lx 
ql
q
hx  H 2  B '
  H1  H 2   1
 k f l0 
0 k f
2l1

, m

B  ln 1  e A
  x  x0 
A  
0
y1  y2
0   
,m
2
 k f  H s  h0 
q3 
  l1l2
ln

 r l0
Obliczenia poziomych drenaży nadbrzeżnych w
międzyrzeczu – zwierciadło swobodne
Ciąg podwójny drenów poziomych:
- dren I: q  q1  q3
q1 
dren II:
2
k f  y12  y01

q  q2  q4
2l1
 k f  H   h01 
q3 
  l1l2
ln

 r1 l0
hx  H 2  B1
ql  ql1 
q
q lx 
 B2
  H1  H 2   1
, m
kf
 k f l0 
0 k f 
B1  ln 1  e , A1  
A1
  x  x01 
w0
H’
H’’
Obliczenia pionowych drenaży nadbrzeżnych w
międzyrzeczu – zwierciadło swobodne
 k f s  2H s  s  3
q1 
, m / sm
2 l1l2
a
ln

2 r
al0
lx  2
2ql1 
q
2
hx  H  B '
  H  H 2  
, m
 k f l0  1
ak f 
2
2
B  ln 1  e A
A  
2  x  x0 
a
Obliczenie zw. wody w punkcie A pomiędzy
studniami
tA 
l0  0.44a
a
, G  1.47 lg
l0  2aG
2 r
5. Odwadnianie obiektów i
wykopów budowlanych
(Drenaż płytowy, igłofiltry, osiadanie gruntów)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Drenaż płytowy (warstwowy)
Drenaż płytowy stosowany jest:
– przy posadowieniu budowli w gruntach pylastych,
gliniastych itp., tj. o małej wodoprzepuszczalności ale dużej
wodochłonności i wysokim wzniosie kapilarnym.
Drenaż płytowy ma za zadanie:
– odciąć dostęp wód kapilarnych,
– przejąć wodę wypływającą z gruntu i utrzymywać jej poziom na
wysokości wypełnienia drenów,
– utrzymywać w stanie suchym zewnętrzną powierzchnię chronionych
budowli,
– wzmacniać podłoże fundamentów budowli.
Zastosowanie drenażu płytowego
Drenaż płytowy można stosować do ochrony przed
podtopieniem lub zawilgoceniem obiektów takich jak:
–
–
–
–
–
pojedyncze budynki podpiwniczone,
tunele i przejścia komunikacyjne,
nawierzchnie drogowe, uliczne i pasy startowe,
obiekty sportowe,
fundamenty pieców przemysłowych.
Obliczenia drenażu płytowego – drenaż płytowy
zupełny
R0
Q
 k f s  2H w  s 
R  R0
ln
R0
, m3 / s
R
Obliczenia drenażu płytowego – drenaż płytowy
zawieszony


2 R0
s
Q  kf s 

 ln R  R0   B  0.5 R0 ln R  R0

R0
2

4


 , m3 / s


B  2arcsin
R0
   2  R02
Przykłady zastosowania drenażu płytowego
- brak trwałej posadzki betonowej
- nieszczelna żelbetowa płyta posadzkowa
1 – rurki drenarskie 2 – warstwa drenażowa 3 - izolacja 4 – nowa posadzka 5 –
studzienka kontrolna 6 – studzienka zbiorcza 7 – pompa samozasysająca 8 –
bruzdy w płycie betonowej
Drenaż warstwowy kanału zbiorczego
1 – przewód drenarski
2 – warstwa piasku
3 – warstwa żwiru
4 – obniżone zwierciadło wody
podziemnej
Drenaż nawierzchni drogowej i ulicznej
1 – nawierzchnia
2 – fundament
3 – drenaż warstwowy
4 – dren rurkowy
Odwodnienie lotnisk (pas startowy)
Odwodnienie torowiska
Odwodnienia wykopów budowlanych –
studzienki zbiorcze
Studzienka drewniana
Studzienka betonowa
Odwadnianie wykopów
Do odwadniania wykopów stosujemy:
– drenaże (systemu poziomego, pionowego lub
mieszanego):
• systematyczne
• opaskowe
• okólne
• płytowe
– igłofiltry
– elektrodrenaże
Wykorzystanie drenażu warstwowego do odwadniania
wykopów w gruntach kurzawkowych
1 – stalowa ścianka szczelna
2 – warstwa drenażowa
3 – włóknina
4 – dren rurkowy
5 – szybik zbiorczy
6 – pompa
Drenaż płytowy wykopu
Ścianka szczelna
Igłofiltry
Urządzenia igłofiltrowe stosuje się do doraźnego odwadniania
- wykopów budowlanych w gruntach:
•
•
•
•
piaszczysto-żwirowych,
piaszczystych,
pylastych,
gliniastych.
Miąższość warstwy wodonośnej - do kilkunastu metrów.
Zakres współczynnika filtracji - od 10-7 do 10-3 m/s.
Schemat igłofiltru
1 – filtr
2 – rurka centralna
3 – rurka nadfiltrowa
4 – kolektor ssawny
5 – uszczelnienie (glina lub ił)
Zasady stosowania igłofiltrów
W drobnoziarnistych gruntach (- pylaste, gliniaste i iłowe) o małej
odsączalności i przepuszczalności - igłofiltry działają na zasadzie
wytwarzania próżni w nawodnionym gruncie.
Zasięg leja depresji igłofiltru to ok. 1.0 do 2.0 m; Filtry rozmieszcza
się w odległości od 1 do 5 m – od ścian wykopu.
Z uwagi na kształt tworzonego leja depresyjnego, koniec igłofiltra
powinien być umieszczony ok. 1 ÷ 2 m poniżej oczekiwanej
głębokości, do której powinien zostać obniżony poziom wody.
Schemat działania urządzeń igłofiltrowych do
odwadniania gruntu i stabilizacji skarp wykopu
1 – filtr
2 – rurka nadfiltrowa ssawna
3 – obsypka
4 – kolektor ssawny
5 – pompa
6 – przewód tłoczny
7 – grunt piaszczysty
8 – piasek gliniasty
9 - pospółka
Dwustopniowe urządzenie igłofiltrowe
Opis: 1 – kolektor ssawny układu górnego 2 – kolektor ssawny układu dolnego 3 –
igłofiltry układu górnego 4 – igłofiltry układu dolnego 5 – wykop otwierający,
wykonywany na sucho 6 – statyczne zwierciadło wody gruntowej 7 – pierwszy
etap odwadniania 8 – drugi etap odwadniania 9 – dno wykopu
Instalacja igłofiltru
Igłogfiltry instaluje się w gruncie poprzez wpłukiwanie:
1.
2.
3.
4.
Do rury wpłukującej (obsadowej) kierowany jest strumień wody pod
ciśnieniem;
Po wprowadzeniu rury osłonowej do gruntu, wąż wpłukujący zostaje
odłączony, a do rury wprowadzany jest igłofiltr;
Po wprowadzeniu igłofiltru, rura wpłukująca wyciągana jest z gruntu;
Zainstalowany igłofiltr podłączany
jest do kolektora ssącego.
Głowica igłofiltru – ze zintegrowaną rurą
osłonową
siatka filtracyjna
rura centralna
szkielet nośny
Instalacje igłofiltrowe
Typowy zestaw zawiera 50 lub 100 szt. Igłofiltrów.
Dostępne są instalacje igłofiltrowe o średnicach od 32 do
100 mm (najczęściej stosuje się 32 i 63 mm).
Średnice rur obsadowych (osłonowych) to 51 i 133 mm.
Rura wpłukująca o średnicy 51 mm służy do instalowania
igłofiltrów w gruntach nie wymagających obsypki filtracyjnej;
Rura wpłukująca o średnicy 133 mm służy do instalowania
igłofiltrów z obsypką filtracyjną.
Elementy instalacji igłofiltrowej
Schemat instalacji igłofiltrowej
Zasady obliczania urządzeń igłofiltrowych
Straty w kolektorze ssawnym pomija się
ze względu na małe prędkości (v < 1.0 m/s)
Dopływ do pojedynczego igłofiltru:
wg Szechy
h0  H w  s, m
q
kf
H

ln R r
2
w
M
p0  p

,m
 3h02  2h0 M  , m3 / s
wg Kovacsa
s  M H w2  h02 3
q  kf
,m /s
s
ln R r
Q  n  q, m3 / s
M - wysokość podciśnienia, m
p – wielkość podciśnienia w
igłofiltrze, Pa
p0 – ciśnienie atmosferyczne, Pa
 – ciężar właściwy wody, N/m3
h0 – w przypadku braku danych
przyjmować 3.0 m
Elektrodrenaż
Elektrodrenaż wykorzystuje zjawisko
elektroosmozy powstające w czasie
przepływu prądu stałego przez
nawodniony grunt.
Jest stosowany dla gruntów od kf < 10-7
m/s oraz uziarnieniu mniejszym od
0,003 mm.
1 – katoda (studnia)
2 – anoda (pręt metalowy)
3 – obsypka
4 – linie pola elektromagnetycznego
Zasada działania elektrodrenażu
Przy laminarnym przepływie prądu stałego przez
ośrodek porowaty, ogólna prędkość filtracji wyniesie:
v0 = vf + ve = kfI + keE,
Gdzie:
ve – prędkość filtracji elektroosmotycznej,
I – spadek hydrauliczny ciśnienia,
ke – współczynnik filtracji elektroosmotycznej,
E – spadek potencjału elektrycznego.
m/s
Elektrodrenaż a drenaż tradycyjny
Efektywność odwodnienia
100%
50%
0%
Piasek
Pyły
Glina
Iły
Przykład zabezpieczenia wykopu (Trondheim,
Norwegia)
Electrokinetic geosynthetic (EKG)
http://www.electrokinetic.co.uk
Osiadanie gruntów pod wpływem odwodnienia
Obniżenie zwierciadła wody podziemnej powoduje
zagęszczenie gruntu i tym samym do jego osiadanie - w wyniku
zmiany rozkładu sił (- ciśnienia) i wzrostu naprężeń w gruncie.
W wyniku znacznych przemieszczeń gruntu - może to
doprowadzić do uszkodzenia obiektów np. pękania
fundamentów, ścian budynków, przewodów infrastruktury
podziemnej.
Osiadanie gruntu
Nierównomierne osiadanie gruntu ma miejsce w
warunkach:
• dużego zróżnicowania depresji wywołanej odwodnieniem
(największe obniżenie przy drenie),
• zróżnicowanego rodzaju gruntu, występującego na
odwadnianym terenie.
Przebieg procesu osiadania zależy od rodzaju
(zwięzłości) gruntu - czyste żwiry i piaski odwadniają
się i osiadają znacznie szybciej niż grunty zwarte - iły.
Przyczyny osiadania gruntu
Osiadanie gruntu powoduje:
• Wzrost ciężaru szkieletu gruntowego odwodnionego pokładu - na
który przestał działać wypór wody,
• Obciążenie szkieletu gruntowego wodą kapilarną i błonkowatą
(szczególnie istotne w gruntach drobnoziarnistych, pylastych i
gliniastych),
• Sufozję gruntu.
Wielkość osiadania gruntu – wzrost ciśnienia w
gruncie
Wielkość osiadania gruntu można wyznaczyć przy założeniu,
że jest ono proporcjonalne do wzrostu ciśnienia (naprężeń) w
gruncie:
  1   0 , N / m2
Zagęszczenie gruntu wyrażane jest jako różnica pomiędzy
wskaźnikiem porowatości początkowej e0 i końcowej e1
e  e1  e 0
Współczynnik ściśliwości gruntu
Współczynnik ściśliwości gruntu:
e 0  e1 e
as  

, m2 / N
 1   0 
Współczynnik ściśliwości dzieli grunty na:
• b. ściśliwe
as > 0.05∙10-6 m2/N
• ściśliwe
0.05 > as > 0.01∙10-6 m2/N
• słabo ściśliwe as < 0.1∙10-6 m2/N
Krzywa osiadania
as 
e


0
1
, N/m2
Obliczenia wielkości osiadania Δh
poziom terenu
hk
t
h
hk
s1 = t1
s2 = t2
Obliczenia wielkości osiadania h
Wskutek obniżenia zwierciadła wody o wartość t
następuje przyrost ciśnienia Δp spowodowany:
• brakiem wyporu wody wolnej:
t w 1  n 
• wodą higroskopijną i błonkowatą pozostałą w odwadnianej
warstwie:
t wm 1  n 
• wodą kapilarną:
hk  w n
Obliczenia wielkości osiadania
Przyrost ciśnienia wyniesie maksymalnie:
p  1  n  t w  wm  t  hk   hk  wn,
N / m2
Wielkość osiadania ∆h:
as
h  p h
, cm
1 e
h  p h as 1  n  , cm
gdzie: ∆h – wysokość warstwy podlegająca zagęszczeniu,
przyjmuje się 8 ÷ 12 m
Dopuszczalne wartości wielkości osiadania
gruntu
Maksymalne dopuszczalne wielkości dla równomiernego
osiadania gruntu:
• budynki mieszkalne: hdop ≈ 5 ÷ 8 cm
• budynki szkieletowe: hdop ≈ 5 ÷ 10 cm
• budowle sztywne z masywnymi fundamentami hdop ≈ 12
÷ 20 cm
• silosy na ciągłych płytach żelbetowych: hdop ≈ 20 ÷ 30 cm
6. Odwadnianie obiektów i
wykopów budowlanych
(Drenaże powierzchniowe, obsypki drenów)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Projektowanie drenaży powierzchniowych sączki
Sączki – najstarszy sposób odwadniania terenów (datowany
przed wynalezieniem rurek wypalanych z gliny)
żwirowy
1.0 m
żerdziowy
z kiszek
faszynowych
kamienny
1 – darń
2 – grunt rodzimy
3 – darń ułożona odwrotnie
z chrustu
Obliczenia hydrauliczne sączków
W sączkach - typu żwirowego, z kiszek faszynowych oraz
chrustu zakłada się że ruch wody nie podlega liniowemu prawu
Darcy – lecz prawu filtracji turbulentnej (fluacji) :
v  k fl i
gdzie: kfl - współczynnik fluacji, m/s.
Obliczenia hydrauliczne sączków
Prędkość przepływu dla fluacji wyznaczamy z wzoru:
  0.01n S m   m2 dm3mi , m / s
Gdzie:
n – porowatość wypełnienia sączka (0.35 ÷ 0.45),
S = 20 – 14/dm
m = 2 – 0.34/dm2
 – kinematyczny współczynnik lepkości, cm2/s,
dm – miarodajna średnica wypełnienia, cm (dm = dśr),
i - spadek dna sączka (4 ‰ < imin < 5 ‰).
Obliczenia hydrauliczne sączków
Przepustowość sączka:
Qs    n  Fs , m3 / s
Projektowanie polega na obliczeniu wymiarów sączka (Fs) np.
dla danych:
Qs = 2.8∙10-3 m3/s
i=4‰
dm = 3.2 cm
n = 0.35
Qs
Wówczas:
v = 0.017 m/s  Fs = 0.465 m2
Przyjęto wymiary sączka: szerokość - 1.0 m, wysokość 0.5 m.
Projektowanie drenaży powierzchniowych –
rowy, rynny i bystrza
Obliczenia hydrauliczne drenaży powierzchniowych opierają
się na wzorach dla przepływu ze swobodną powierzchnią:
  C Rh J , m / s
- wzór Chezy
1 2/3 1/2
  Rh J , m / s - wzór Manninga
n
Rh  F / U , m
Q  F   , m3 / s
Sposoby ubezpieczania skarp i dna rowów
humus 10 cm
darń 5÷10 cm
kołek ø2/25 cm
dno
Nachylenie skarp:
• z ubezpieczeniem: n = 1, 1.25, 1.5 i 2.0
• przy braku zabezpieczenia: n = 2.0, 2.5, 3.0
Sposoby ubezpieczania skarp i dna rowów
obsiać trawą
Darniowanie w kratę (oszczędne)
Darniowanie rębem (naprawa uszkodzeń)
Sposoby ubezpieczania skarp i dna rowów
Ubezpieczenie podstawy skarpy płotkiem z
chrustu
Kiszka faszynowa impregnowana
Ścianka z okrąglaków (żerdzi)
Sposoby ubezpieczeń rynien
Rynna ze ścianką zakładaną
z rozparciem ramowym
1 – Okrąglaki ø15 cm
2 – Półokrąglaki
3 – Mech lub obsypka
4 – Bruk
Rynna ze ścianką
zakładaną za palisadę
5 – Palisada ø15 cm
6 – Oczep
7 – Darń
Rynna ze ścianką żaluzjową
(grunty kurzawkowe)
Sposoby ubezpieczeń rynien
Rozparcie ramowe żelbetowe
z brusami żelbetowymi
Ubezpieczenia bystrzy (bystrotoków)
Bystrze betonowe (spadki dna od 2 % do 10 %)
Ubezpieczenia bystrzy (bystrotoków)
Bystrze brukowane
1 – bruk
2 – żwir lub mech
3 – palisada
4 – gruz lub tłuczeń
5 – darnina rębem lub kożuchowo
Zasady projektowania obsypek drenarskich
Kształt obsypki zależy od:
• przepuszczalności i uziarnienia gruntu,
• typu zastosowanego drenażu,
• wymiarów i rozmieszczenia otworów chłonnych drenów.
W gruntach jednorodnych można stosować obsypki oszczędne
- przerywane;
W gruntach niejednorodnych obsypka jest ciągła - w skrajnych
przypadkach może stanowić wypełnienie całego wykopu.
Zasady projektowania obsypek - przerywana
1 – dren
2 – obsypka filtracyjna
3 – grunt rodzimy
Zasady projektowania obsypek - ciągła
Obsypka jednowarstwowa ma zazwyczaj 10 ÷ 20 cm grubości;.
Obsypka wielowarstwowa składa się z 2 lub 3 warstw o
grubości 10 ÷ 15 cm i uziarnieniu zwiększającym się w miarę
oddalania się od drenu;
W gruntach o małej przepuszczalności wykonuje się
podwyższoną obsypkę - ściana lub komin filtracyjny, które
sięgają zwierciadła wód gruntowych.
Obsypki drenów - z obustronnym dopływem
wody
darń
komin
filtracyjny
- grunty dobrze
przepuszczalne
jednorodne
1 – dren
2 – obsypka filtracyjna
-grunty
niejednorodne,
dobrze
przepuszczalne
- grunty niejednorodne o
małym współczynniku
filtracji warstw
Obsypki drenów - z jednostronnym dopływem
wody
ekran
wodoszczelny
ekran
wodoszczelny
ekran
wodoszczelny
Dobór materiału obsypki drenaży poziomych
Grunty drobnoziarniste wymuszają stosowanie kilku
warstw obsypki - o różnym uziarnieniu.
Zewnętrzna warstwa wykonana z najdrobniejszego
materiału, a warstwa przylegająca do drenu z najgrubszego.
Zalecane wartości wskaźników:
S = D50/d50(gr) ≤ 10 (5) (S - współczynnik strukturalny)
U = D60/D10 ≤ 5
D15/d85 < 4 – stabilizacja gruntu
D15/d15 > 4 – dobra przepuszczalność
•
•
W gruntach piaszczystych o uziarnieniu d50 > 0.2 mm zaleca się obsypkę jednowarstwową
W gruntach drobnoziarnistych o d50 między 0.2 mm a 0.05 mm stosuje się dwie warstwy
Włókniny filtracyjne (geowłókniny)
Włókniny filtracyjne (- geowłókniny) chronią grunt przed
szkodliwymi zmianami jego struktury wywołanymi filtracją
wody przy jednoczesnym nie utrudnianiu odpływu wody z
obszaru odwadnianego.
Geowłókniny - cechy
Geowłóknina zastępująca naturalny materiał filtracyjny
musi mieć następujące cechy:
• dobra wodoprzepuszczalność,
• zdolność do przepuszczania dopuszczalnej liczby cząstek gruntu
chronionego o najdrobniejszym uziarnieniu,
• odporność na kolmatację mechaniczną, biologiczną i chemiczną,
• odporność na działanie mikroorganizmów, pleśni i grzybów,
• nietoksyczność,
• duża wytrzymałość na rozerwanie,
• duża trwałość w tym odporność na działanie czynników
atmosferycznych.
Współczynnik filtracji dla geowłóknin: od 80 ÷ 250 m/d
Wodochłonność drenów
Zdolność drenu do pochłaniania wypływającej wody
powinna znacznie przekraczać maksymalny jednostkowy
dopływ.
Chłonność drenu q zależy od wielkości zewnętrznej
powierzchni zwilżonej obsypki oraz dopuszczalnej prędkości
wypływu wody z gruntu:
q = (2h + b) vmax , m3/s∙mb
vmax 
1
kf
30  45
7. Odwadnianie obiektów i
wykopów budowlanych
(Obiekty sieciowe, układy odbiorcze)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Obiekty drenaży poziomych i pionowych
Na sieciach drenaży poziomych i pionowych
wyróżniamy następujące obiekty:
•
•
•
•
•
•
•
studnie drenażowe
studzienki rewizyjne
studzienki połączeniowe
studzienki kaskadowe
przepusty drogowe
wyloty do odbiorników
pompownie
Studzienki drenarskie
Studzienki na sieciach drenarskich - umieszcza się w
punktach:
• zmian przebiegu trasy,
• zmian średnicy drenu,
• zmian spadku dna,
• w miejscach kaskad,
• połączeń kilku drenów.
Zalecane spadki minimalne i maksymalne
Średnica drenu
D
Spadek minimalny
imin
0.050 m
6.0 ‰
0.075 m
3.0 ‰
0.050 m
60 ‰
0.100 m
2.5 ‰
0.075 m
47 ‰
0.150 m
2.0 ‰
0.100 m
29 ‰
.
.
0.150 m
15 ‰
.
.
0.200 m
9‰
.
.
0.250 m
7‰
0.500 m
1.0 ‰
0.300 m
5‰
vmin = 0.15 m/s - grunty zwięzłe
vmin = 0.35 m/s - grunty pylaste
vmin = 0.24 m/s - dreny z obsypką
Średnica drenu
D
Spadek
maksymalny
imax
Spadki maksymalne dla:
v = 1.0 m/s
h/d = 1
vmax = 1.0 m/s - dreny z obsypką
Studzienka rewizyjna H > 3.0 m
pokrywa z włazem
żeliwnym lub
żelbetowym
szyb włazowy D = 0,80
m
komora robocza D =
0,80 ÷ 1,2 m, H > 1,80
m
odsunięcie rur od 3 do
5 cm
osadnik (piaskownik) h
= 0,30 ÷ 0,50 m
Studzienka rewizyjna (kontrolna) H < 3.0 m
Studzienki rewizyjne umożliwiają kontrolę
działania drenażu oraz czyszczenie przewodów
drenarskich.
Rozstaw studzienek rewizyjnych:
D < 0,30 m – od 25 do 50 m
D ≥ 0,30 m – od 50 do 75 m
D > 1,0 m – do 100 m
piaskownik
- właz ciężki
właz lekki
Studzienka połączeniowa
Studzienki na terenach niezabudowanych
pokrywa żelbetowa
- studzienka nadziemna
- studzienka kryta
Studzienka kaskadowa
Studzienki kaskadowe służą do
miejscowego pokonywania różnic
wysokości - unikania nadmiernych
spadków.
W terenie niezabudowanych
dla płytko położonych drenów
stosuje się studzienki kaskadowe
kryte.
Szybiki studzienek mają
wymiary od 0,20 do 0,40 m
Studzienka kaskadowa kryta
Studzienka kaskadowa dla głębokiego drenażu w
terenie zabudowanym
Wyloty drenaży do odbiornika
Wyloty rowów do odbiorników zabezpiecza się brukiem lub
okładziną betonową.
Wyloty z drenaży należy zabezpieczyć przed
przedostawaniem się do wnętrza zwierząt (kraty).
Wyloty do rzek i strumieni należy wyposażyć w klapy
zwrotne.
Wyloty drenaży do odbiornika
Wyloty z rowów - do
kanalizacji deszczowej
realizowane są w
studzienkach
kanalizacyjnych.
Studzienki wyposaża się w kraty
- o prześwicie 20 do 50 mm oraz
piaskownik.
Wylot rowu do kanału deszczowej
Wyloty drenaży do odbiornika
- wylot betonowy z wymienną siatką
NWW
NWW
bruk
- klapa zwrotna na wylocie z
wymienną siatką
Wyloty drenaży do odbiornika
NWW
klapa zwrotna
narzut kamienny
(kamień łamany)
ścianka szczelna
Prefabrykowany wylot betonowy
Drenaż okólny (przyścienny) piwnic budynków
min. 30 cm
darń korzeniami do góry
piwnica
obsypka filtracyjna
dren
tłuczeń
ława fundamentowa
Minimalna odległość drenu okólnego od
budynku
a  l  b / 2   H  h  ctg  , m
 – kąt tarcia wewnętrznego gruntu
Rodzaje perforacji drenów i rur filtrowych
- pasowy prosty
Perforacja otworowa
- w szachownicę
- pasowy w
szachownicę
- w szachownicę
Perforacja szczelinowa
Filtry studzienne
króciec z
gwintem
pierścień
pręty
1 – siatka tkana
2 – siatka pleciona
filtr siatkowy
filtr prętowy
filtr żwirowy
Obudowa prefabrykowana studni - z kręgów
betonowych
1 – pokrywa włazu
2 – uszczelka gumowa
3 – żelbetowa płyta stropowa
4 – gładź cementowa
5 – kręgi betonowe o średnicy 1.2 do 1.5 m
6 – głowica studni
7 – rura nadfiltrowa
8 – rura tłoczna
9 – kabel elektryczny
10 – pokrywa głowicy
11 – wieszak
12 – drabinka
Obudowa studni - wylewana na mokro
1
2
3
4
5
–
–
–
–
–
szyb montażowy
właz
głowica
przewód ssawny
przewód tłoczny
6 – izolacja przeciwwilgociowa (lekka)
7 - izolacja przeciwwilgociowa (ciężka)
8 – osłona izolacji z muru ceglanego
9 – fundament pompy
10 - drabinka
Czyszczaki
1 – na rurociągu tłocznym
2 – na rurociągu lewarowym
Układy odbiorcze wody drenażowe
W zależności od wielkości depresji, ukształtowania terenu i
konstrukcji studzien, stosowane są następujące sposoby
ujmowania i odprowadzania wody:
• grawitacyjne,
• lewarowe,
• pompowe (tłoczne),
• ssawne.
Układy grawitacyjne
Drenaż pionowy z grawitacyjnym kanałem zbiorczym
Drenaż
grawitacyjny ze
studniami
spływowymi w
stropie kanału
zbiorczego
(odwodnienie
wyrobiska)
Drenaż
grawitacyjny ze
studniami
umieszczonymi
poniżej kanału
zbiorczego
1 – studnia
2 – studnia zbiorcza
(rząpie)
3 – kanał zbiorczy
(sztolnia)
4 – pompy
5 - filtr
Układ lewarowy ze sztucznym odpowietrzaniem
1
2
3
4
5
–
–
–
–
–
studnia
lewar
przewód próżniowy (podciśnieniowy)
przewód ssawny pompy
studnia zbiorcza
Odpowietrzanie długiego lewara
1
2
3
4
5
–
–
–
–
–
studnia
lewar
przewód próżniowy (podciśnieniowy)
przewód ssawny pompy
studnia zbiorcza
Samoczynne odpowietrzanie lewara - wg
systemu Lindleya
1
2
3
4
5
6
–
–
–
–
–
–
studnia
lewar
rura spadowa
przewód próżniowy do zalewania lewara
przewód ssawny pompy
studnia zbiorcza
Układ ssawny - ze zbiornikiem próżniowowodnym
1
2
3
4
5
–
–
–
–
–
studnia
zbieracz ssawny
zbiornik próżniowo-wodny
przewód ssawny pompy
przewód próżniowy
Układy tłoczne
• W układach tłocznych każda studnia
wyposażona jest we własną pompę
• Zależnie od głębokości położenia zwierciadła
statycznego i dynamicznego zwierciadła wody
stosuje się pompy z wałem poziomym,
pionowym lub pompy głębinowe
Współpraca hydrauliczna 3 studni z pompami
głębinowymi
Zasady projektowania pompowni
melioracyjnych
Pompownie melioracyjne można podzielić na:
• odwadniające zawala i tereny depresyjne,
• wód drenażowych.
Pompownie odwadniające zawala i tereny
depresyjne
Do odwadniania zawala wymagana jest duża wydajność pomp przy
niewielkiej wysokości podnoszenia – stosuje się najczęściej pompy z
ślimakowe, śmigłowe, helikoidalne i śrubowe.
Pompownia bezprzewodowa w układzie
blokowym - do odwadniania zawala
Pompownia lewarowa - monoblok do
odwadniania zawala
Pompownie podziemnych wód drenażowych
Pompownia z pompami
zatapialnymi
Pompownia z pompami o wale pionowym (diagonalna)
Pompownie wód drenażowych zespolonych ze
studnią zbiorczą
Pompy wirowe o
poziomej osi obrotu
Pompy wirowe o
pionowej osi obrotu
Zasady projektowania studni zbiorczej
pompowni drenażowej
Objętość wody Vs - konieczna do sterowania pracą pomp zależy od wydajności pomp i czasu trwania cyklu pracy.
Objętość użyteczna Vu studni zbiorczej powinna
odpowiadać wydajności jednej z zainstalowanych pomp - w
przeciągu 5 min.
Najwyższy poziom zwierciadła wody powinien znajdować
się poniżej dna przewodów doprowadzających grawitacyjnie
wody drenażowe.
Maksymalna wydajność pomp Qpmax powinna być większa
od obliczonego maksymalnego dopływu wód drenażowych
Qdmax.
Schemat obliczeniowy pompowni - z pompami
wirowymi
Współpraca pomp wirowych
Wykres współpracy 3 pomp wirowych połączonych równolegle
Przejście szczelne rurociągu przez ścianę
pompowni
- bez osłony z pośrednim
kołnierzem uszczelniającym
- z osłoną i ruchomym
kołnierzem
- z osłoną i kołnierzem
stałym
- z osłoną, uszczelnieniem
dławicowym i kompensacją falistą
8. Odwadnianie obiektów i
wykopów budowlanych
(Materiały dla drenaży, odwadniania dróg)
prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski
Drenaż rurkowy
Drenaż rurkowy składa się z trzech podstawowych elementów:
• rur drenarskich,
• obsypki filtracyjnej,
• przepony wodoszczelnej (- w drenażu opaskowym,
okólnym lub nadbrzeżnym)
Przewody drenarskie
Rury drenarskie przejmuje wodę bezpośrednio z gruntu
bądź poprzez obsypkę i grawitacyjnie odprowadzają ją poza
odwadniany obszar.
Rury drenarskie muszą charakteryzować się odpowiednią
wodoprzepuszczalnością ale jednocześnie zapewniać
stateczność gruntu
i zabezpieczać dren przed
wnikaniem ziaren gruntu
lub obsypki.
Obsypka filtracyjna
Obsypka filtracyjna charakteryzuje się większą
przepuszczalnością od gruntu, ma za zadanie ułatwić dopływ
wody do przewodu drenarskiego.
W wyniku działania drenażu tworzy się naturalny filtr
odwrócony wokół obsypki – powoduje to wzrost
przepuszczalności gruntu bez
deformacji jego szkieletu (wynik
wypłukiwania drobnych cząstek
gruntu).
Przewody drenarskie
Przewody drenarskie
wykonywane są z:
• kamionki,
• betonu,
• PCV, PEHD, PP,…
Rury kamionkowe
www.steinzeug-keramo.com
Elementy systemu drenarskiego PCV (wavin.pl)
Rury drenarskie PCV (PN-C-89221:1998)
Rury drenarskie PCV (PN-C-89221:1998)
Rury drenarskie PCV
Nomogram do doboru rur karbowanych Wavin
Kształtki systemu drenarskiego PCV
Kształtki systemu drenarskiego PCV
Kształtki systemu drenarskiego PCV
Studzienka drenarska PCV
Wyposażenie dodatkowe systemu drenarskiego
PCV
Wyposażenie dodatkowe systemu drenarskiego
PCV
Wyposażenie dodatkowe systemu drenarskiego
PCV
Wyposażenie dodatkowe systemu drenarskiego
PCV
Wymiarowanie odwodnień dróg
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu i
Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 roku (Dz. U. Nr 43,
poz. 430) – urządzenia (tj. sieci i obiekty) do odwadniania dróg
wymiaruje się odpowiednie częstości (prawdopodobieństwa)
występowania deszczu - w zależności od klasy drogi:
Prawdopodobieństwo p i częstość c występowania
deszczu w zależności od klasy drogi
Prawdopodo
bieństwo
Częstość
Klasa drogi
100%
c = 1 rok
drogi klasy L (lokalne) lub D (dojazdowe)
50%
c = 2 lata
drogi klasy G (główne) lub Z (zbiorcze)
20%
c = 5 lat
drogi klasy GP (główne ruchu przyśpieszonego)
10%
c = 10 lat
drogi klasy A (autostrady) lub S (ekspresowe)
5 – 10%
c od 20
do 10 lat
zalecenie dla dróg przebiegających w wykopach (pod
wiaduktami, skrzyżowaniami podziemnymi etc.)
p
100%
c
c
100%
p
22
Rys.. Zależność natężenia q od czasu trwania t deszczu o określonym prawdopodobieństwie
p pojawiania się - częstości występowania C
Dotychczasowe metody wymiarowania odwodnień w Polsce
Do wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej w Polsce stosowano
dotychczas najczęściej dwie metody obliczeniowe:
– metodę stałych natężeń (MSN – uproszczona dla zlewni do 50 ha),
– metodę granicznych natężeń (MGN).
Obie metody wykorzystywały wzór W. Błaszczyka, który oparty został na
opadach zarejestrowanych w Warszawie w latach 1837÷1891 i 1914÷1925 – czyli
ok. 100 lat temu:
6.631 3 H 2 C
q
t 2/3
gdzie:
q – jednostkowe natężenie opadu deszczu, dm3/(s·ha),
C – częstość deszczu o natężeniu q z przewyższeniem, lata,
H – wysokość opadu normalnego (średniego z wielolecia), mm,
t – czas trwania deszczu miarodajnego, min.
Dzisiaj wiemy już, że opady nie są stacjonarne w czasie – a zwłaszcza na przestrzeni
wieków.
Współczesne modele opadów
Dzisiejsze związki intensywności (IDF) czy wysokości (DDF) opadów
deszczu z czasem trwania i częstością występowania opracowane dla
wielu regionów geograficznych Europy są zbliżone do siebie jakościowo.
Ekstremalne opady zarejestrowane w Polsce nie różnią się znacząco od
notowanych w krajach ościennych, podobnie jak też opady we
Wrocławiu w porównaniu do Warszawy.
Tab. 2. Ekstremalne wysokości opadów (w mm) w wybranych krajach Europy
na tle Wrocławia (Strachowice) i Warszawy (Bielany)
Kraj /
miasto
Polska
Niemcy
Czechy
Wrocław
Warszawa
Czas trwania opadu
godziny
minuty
doby
5
25,3
29,8
10
80
126
39,8
15
79,8
50,2
30
126
40
79,9
1
176,1
200
92,8
2
117,9
239
117
3
220
246
126,6
6
221,8
112
158,5
12
203,6
1
300
312
345,1
2
428
379,9
380
3
557
458
536,7
13,1
20,6
18,7
21,9
24,7
28
32,9
36,6
35,3
40,8
57,7
49,5
61,9
50,4
63,1
57
64,2
68
80,1
80,1
103,9
109,7
116,9
113,3
Miarodajne obecnie natężenia opadów deszczowych
Dla ilustracji, przykładowo:
obecne wartości natężeń deszczy o czasie trwania 10 minut,
są znacznie wyższe od obliczanych z wzoru Błaszczyka - tab. 2.
Tab. 2. Natężenia deszczy 10-minutowych dla wybranych polskich miast - z atlasu KOSTRA na tle
zmierzonych we Wrocławiu oraz obliczonych z wzorów Błaszczyka i Bogdanowicz-Stachy
Lp.
1
2
3
4
5
6
Miejscowość
Szczecin
Gubin
Zgorzelec
Wrocław
Wg wzoru Błaszczyka
Wg BogdanowiczR1
Stachy dla regionu:
R2
Natężenie deszczu q10,C w dm3/(s∙ha)
dla częstości występowania:
C = 1 rok
C = 2 lata
C = 5 lat
C = 10 lat
144,7
157,1
147,7
148,3
100,9
-
177,6
201,9
186,9
183,3
127,6
185,2
154,7
221,1
261,1
238,6
230,0
172,5
270,8
220,9
254,0
305,9
277,8
261,7
217,3
322,0
260,4
Okres pomiarowy,
uwagi
1960÷1990
1960÷2009
H = 600 mm
1960÷1990
26
Model opadów maksymalnych Bogdanowicz i Stachy
Bogdanowicz i Stachy, na podstawie ogólnopolskich pomiarów deszczy (1960÷1990) na 20 stacjach
meteorologicznych IMGW, opublikowali w 1998 roku tzw. „charakterystyki projektowe” opadów,
w postaci regionalnego modelu probabilistycznego:
hmax  1,42t 0,33   ( R, t )  ( ln p) 0,584
gdzie:
hmax - maksymalna wysokość opadu, mm,
t - czas trwania deszczu, min,
p - prawdopodobieństwo przewyższenia opadu: p  (0; 0,5),
α - parametr (skali) zależny od regionu Polski (R) i czasu trwania deszczu (t).
a)
b)
c)
R3
R2
R1
Wrocław
R1
Wrocław
R1
Wrocław
R3
Rys. 6.10. Regiony opadów maksymalnych: R1 - region centralny; R2 - region północno-zachodni; R3 - regiony południowy i nadmorski;
dla czasów trwania deszczy: a) t  [5; 60) min; b) dla t  [60; 720) min; c) dla t  [720; 4320] min
27
Lokalny model probabilistyczny opadów - dla Wrocławia
Dla Wrocławia, na podstawie pomiarów deszczy na stacji IMGW z lat 1960÷2009, opracowano na
PWr. model opadów maksymalnych - oparty na kwantylu rozkładu prawdopodobieństwa FisheraTippetta typu IIImin, o postaci:


hmax  4,583  7,412t 0, 242  97,105t 0,0222  98,675  ln p 
0,809
a przekształcony na maksymalne natężenia opadów ma postać (2):


qmax  166,7[4,583  7,412t 0, 242  97,105t 0,0222  98,675  ln p 
gdzie:
hmax - maksymalna wysokość opadu, mm,
qmax - jednostkowe maksymalne natężenie opadu, dm3/(s·ha),
t - czas trwania opadu: t  [5; 4320] min,
p - prawdopodobieństwo przewyższenia opadu: p  [1; 0,01] (tj. C  [1; 100] lat).
0,809
]t 1
Różnice natężeń jednostkowych obecnych deszczy
Wiarygodność dotychczasowych metod wymiarowania
odwodnień terenów
Wzór W. Błaszczyka zaniża o ok. 40% obecne wartości natężeń jednostkowych
deszczy, a założenia wyjściowe MGN odnośnie retencji kanałowej i terenowej
dodatkowo redukują strumień spływu wód opadowych (Q), w stosunku do
innych tzw. metod czasu przepływu - stosowanych w Europie (np. MWO,
MZWS) – w podobnych warunkach hydrologicznych.
Różnice obliczanych strumieni ścieków deszczowych sięgać mogą 100% (Q), co
skutkuje zaniżeniem średnic kanałów deszczowych o ok. 30% (D).
30
Rys. Zależność względnej średnicy kanału od względnego strumienia objętości
Na rysunku porównano jakościowo względne zależności: di/d1 od Qi/Q1 ≡ qmi/qm1 – wyliczone z
MGN i MWO - dla całkowicie wypełnionych kanałów.
Z wykresu wynika np., że dwukrotne zwiększenie wartości częstości deszczu z C = 1 rok na C = 2
lata powoduje wzrost wartości strumienia deszczu o wartość mnożnika: 1,27 - wg wzoru
Błaszczyka (MGN) lub o 1,3 - wg wzoru Reinholda (MWO), a więc wymaga wzrostu
przepustowości kanału o rząd 30%, co wymaga z kolei wzrostu średnicy kanału tylko rzędu 10%.
Zasady bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów
W celu zwiększenia bezpieczeństwa działania systemów odwodnień terenów,
budowanych czy modernizowanych w Polsce, zgodnie z wymaganiami PN-EN
752:2008, konieczne było zmodyfikowanie MGN do postaci tzw. metody
maksymalnych natężeń - MMN poprzez:
• wyeliminowanie czasów koncentracji terenowej i retencji kanałowej, a
więc uzależnianie opóźnienia spływu powierzchniowego jedynie od czasu
trwania opadu (t) - równego czasowi przepływu ścieków w kanałach (- na
wzór MWO),
• przyjmowanie wartości współczynnika spływu powierzchniowego nie
tylko w zależności od stopnia uszczelnienia terenu, ale także od
natężenia deszczu (C) i spadków powierzchni (- wg zaleceń DWAA118:2006).
- wg: Kotowski A., Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Wyd. Seidel-Przywecki
(Wydanie I, Warszawa 2011); Wydanie II, Tom I – Sieci kanalizacyjne, Tom II – Obiekty specjalne,
Warszawa 2015.
32
MMN
Miarodajny strumień deszczu Qm (w dm3/s), wg metody maksymalnych
natężeń (MMN), obliczać należy z wyjściowej postaci wzoru:
Qm  qmax (t d , C )  s  F
gdzie:
qmax(td, C) - maksymalne natężenie jednostkowe deszczu (w dm3/(s ha)) dla czasu trwania td = tp
i częstości występowania C – z wiarygodnych obecnie modeli opadów maksymalnych
(krzywych IDF),
ψs - maksymalny (szczytowy) współczynnik spływu wód deszczowych, przyjmowany w
zależności od stopnia uszczelnienia powierzchni (ψ), nachylenia terenu (it) i częstości (C)
deszczy,
F powierzchnia zlewni deszczowej, ha.
Spływ wód deszczowych
Ogólnie, współczynnik spływu powierzchniowego Ψ
- to stosunek wielkości spływu z danej powierzchni do wielkości
opadu na tą powierzchnię:

Qsp
Qop
1
Ogólne wartości współczynników spływu
Wartość współczynnika spływu
Rodzaj powierzchni
0.90 – 0.95
dachy szczelne
0.85 – 0.90
jezdnie asfaltowe
0.75 – 0.85
bruki kamienne, klinkerowe, kostka
betonowa
0.50 – 0.70
bruki j.w. bez zalanych spoin
0.25 – 0.60
drogi tłuczniowe
0.15 – 0.30
drogi żwirowe (szutrowe)
0.10 – 0.20
powierzchnie nieuszczelnione
(podwórza, tereny niezabudowane)
0 – 0.10
parki, ogrody, zieleńce, łąki
Współczynniki spływu - w zależności od rodzaju i
spadku powierzchni
Zastępczy współczynnik spływu
n
1 F1   2 F2  ...   n Fn
Z 

F1  F2  ...  Fn
 F
i
i 1
Fi
i
Modelowanie działania kanalizacji
Tak zwymiarowane (MMN), większe systemy kanalizacyjne (F > 200 ha) powinny
być sprawdzane w modelowaniu hydrodynamicznym ze względu na przeciążenia –
wylewy – o dopuszczalnych częstościach występowania wg PN-EN 752:2008.
Pomocne są tutaj zalecenia niemieckie (wg DWA-A118:2006), wprowadzające
pojęcie częstości nadpiętrzenia do poziomu terenu.
Tab. 4. Częstości nadpiętrzeń do poziomu terenu do modelowania nowoprojektowanych bądź
modernizowanych systemów kanalizacyjnych wg DWA-A118:2006
Rodzaj zagospodarowania terenu
Tereny wiejskie
Tereny mieszkaniowe
Centra miast, tereny usług i przemysłu
Podziemne obiekty komunikacyjne, przejścia i
przejazdy pod ulicami, itp.
Częstość nadpiętrzenia
[1 raz na C lat]
2
3
rzadziej niż 5
rzadziej niż 10*
*Gdy nie są stosowane lokalne środki zabezpieczające, częstość nadpiętrzenia i wylania
należy przyjmować jako 1 raz na 50 lat.
Opady do symulacji hydrodynamicznych:
•
•
•
Opady modelowe (wzorcowe) - tworzone z krzywych IDF lub DDF;
Rzeczywiste serie intensywnych opadów z wielolecia;
Opady generowane losowo (w fazie eksperymentów).
Ideą opadów modelowych jest oddanie w sposób zbliżony do rzeczywistości przebiegu
typowych opadów - o zmiennej w czasie intensywności. Przykładem jest model Eulera typu
II, zalecany m.in. do symulacji działania kanalizacji w Niemczech, a obecnie w Polsce.
Rys. 3. Przykładowy opad modelowy Eulera typu II - o C = 3 lata i t = 90 min dla Wrocławia
Scenariusze opadów do modelowania przeciążeń kanalizacji w
przyszłości
Biorąc pod uwagę obecną wiedzę na temat trendów zmian klimatu do 2100 roku,
dostosowanie typowych opadów projektowych do wymiarowania i modelowania
odwodnień terenów - wg obecnych standardów PN-EN 752:2008 i DWA-A118:2006
można dokonać poprzez korektę:
•
•
intensywności opadów – na krzywych IDF bądź DDF o obecnych częstościach
występowania, lub
częstości występowania współczesnych opadów projektowych.
Wg badań Willemsa dzisiejsze intensywności opadów należy zwiększyć: o 20% dla
C = 1 rok aż do 50% dla C = 10 lat, co jest równoznaczne ze zredukowaniem o około 2
razy częstości występowania obecnych opadów.
Na tej podstawie wydano wytyczne do identyfikacji przyszłych przeciążeń
hydraulicznych w systemach kanalizacyjnych w Belgii.
- wg: Willems P., Revision of urban drainage design rules based on extrapolation of design rainfall statistics.
12th Int. Conf. on Urban Drainage, Porto Alegre, 11-16 September 2011.
Zalecenia dostosowawcze w Niemczech
W Bawarii zalecono już korektę częstości opadów projektowych do weryfikacji
nadpiętrzeń i wylewów - do standardu DWA-A118:2006
- wg: Staufer P., Leckebusch G., Pinnekamp J., Die Ermittlung der relevanten Niederschlagscharakteristik für die Siedlungsentwässerung im
Klimawandel. Korrespondenz Abwasser, Abfall 2010, nr 12.
Mianowicie, Krajowy Urząd ds. Środowiska w Bawarii wydał zalecenia do
identyfikacji przyszłych przeciążeń kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej:
Rodzaj zagospodarowania
terenu
Częstości projektowe opadów do symulacji:
- nadpiętrzeń w kanałach
- wylewów z w kanałów
[1 raz na C lat]
Tereny wiejskie
3 w miejsce 2
50 w miejsce 10
Tereny mieszkaniowe
Centra miast, tereny usług i
przemysłu
5 w miejsce 3
100 w miejsce 20
10 w miejsce 5
100 w miejsce 30
Przykładowo, dla terenów mieszkaniowych przyjęto scenariusz opadów C = 5 lat zamiast C = 3 lata - do
weryfikacji występowania przyszłych nadpiętrzeń oraz scenariusz opadów ekstremalnych o C = 100 lat dla zapewnienia wymaganej obecnie dopuszczalnej częstości wylewów - raz na 20 lat.
Przykład interpretacji częstości opadów w przyszłości
C=25
C=10
C=5
C=2
C=1
C=0,5
400
300
3
natężenie deszczu, dm /(s ha)
350
250
200
150
100
50
0
1
10
100
1000
czas, min
Rys. 4. Obecne krzywe jednostkowych natężeń deszczy (IDF) dla Wrocławia - z okresu 1960-2009
Kryteria do badań przeciążeń kanalizacji w przyszłości
Pierwszym etapem do identyfikacji przeciążeń kanałów i obiektów w
przyszłości
powinna
być
symulacja
działania
istniejącego
czy
nowoprojektowanego systemu odwodnienia.
Według Siekmanna i Pinnekampa parametrami kryterialnymi do
wykazania konieczności dostosowania danego systemu odwodnienia do
zmian klimatycznych mogą być:
• objętość właściwa wylewów (OWW),
• stopień zatopienia studzienek kanalizacyjnych (SZS),
• stopień wykorzystania kanałów (SWK).
- wg: Siekmann M., Pinnekamp J., Indicator based strategy to adapt urban drainage systems in
regard to the consequences caused by climate change. 12th Int. Conf. on Urban Drainage.
Porto Alegre, 11-16 September 2011.
Parametry oceny:
Objętość właściwa wylewów (OWW w m3/ha) dotyczy obliczonej objętości
wylewów z kanałów (V w m3) względem uszczelnionej powierzchni zlewni (F w
ha):
V
OWW 
F
Stopień zatopienia studzienek (SZS) ujmuje stosunek liczby zalanych (do
powierzchni terenu) studzienek (Nz) do ogólnej liczby studzienek (N) systemu:
SZS 
N
N
z
Stopień wykorzystania kanałów (SWK) określa średni ważony stopień
wykorzystania przepustowości hydraulicznej sieci danego systemu:
SWK 
n
Qmax,i
1
proj,i
Q
l
 li
Wartości graniczne parametrów oceny
Wartości graniczne parametrów OWW, SZS i SWK powinny być ustalane
indywidualnie - dla danego systemu.
Przykładowo, na podstawie badań Siekmanna i Pinnekampa – dla trzech
systemów kanalizacyjnych w Północnej Westfalii-Nadrenii ustalono
wartości graniczne kryterialnych parametrów na:
OWW > 13 m3/ha,
SZS > 0,3
oraz
SWK > 1,1,
- jako wskazujące na wysoką potrzebę adaptacji kanalizacji do skutków
zmian klimatu.
Dalsze kroki …
Gdy zidentyfikowane zostaną lokalne przeciążenia konieczne są dalsze
analizy (GIS czy in-situ), a w przypadku stwierdzenia rozległych przeciążeń,
niezbędna jest dodatkowa symulacja działania systemu w połączeniu z
cyfrowym modelem terenu.
Zalecane jest to zwłaszcza w przypadku, gdy co najmniej dwa kryterialne
parametry (OWW i SZS lub SWK) wskazują na wysoką potrzebę adaptacji
systemu.
Dalsze kroki planowania powinny polegać m.in. na wskazaniu potencjalnych
rezerwuarów (np. zagłębień terenowych) do retencjonowania fali powodzi
lub ewentualnie kierowania spływu powierzchniowego na tereny słabiej
zagospodarowane (ogrody działkowe, boiska sportowe, nieużytki).
Przykładowo, w Kanadzie na opady ekstremalne o C = 100 lat, które nie mieszczą się
w kanałach deszczowych (wymiarowanych na C = 1÷25 lat), już od lat
siedemdziesiątych XX wieku wymagane jest wyznaczanie tras spływu
powierzchniowego (- podwyższone krawężniki, obwałowania, zastawki itp.).
Zastosowania metodyki
Przydatność prezentowanej metodyki badań sprawdzono w warunkach
wrocławskich, na modelowej zlewni mieszkaniowej o powierzchni 2 km2.
Mianowicie, dla zwymiarowanej wg MMN na C = 2 lata kanalizacji deszczowej
symulowano przeciążenia wywołane opadami modelowymi Eulera typu II o
częstości występowania C = 3 lata, a następnie o C = 5 lat.
W obu przypadkach nie stwierdzono występowania przeciążeń kanałów
(wylewów).
Dla ekstremalnego - potencjalnego obciążenia zlewni obecnymi opadami o C = 100
lat, stwierdzono już liczne wylewy z kanałów.
Określono wartości wskaźników SZS = 0,59 i OWW = 25,8 m3/ha, a tym samym
wskazano na potencjalną potrzebę adaptacji przedmiotowego systemu
kanalizacyjnego do skutków prognozowanych zmian klimatu - w przyszłości.
- wg Kotowski A., Kaźmierczak B., Nowakowska M.: Analiza obciążenia systemu odwadniania terenu w
przypadku prognozowanego zwiększenia częstości i intensywności deszczów z powodu zmian
klimatycznych. Ochrona Środowiska 2013, vol. 35, nr 1, s. 25-32.
Szczegółowe zasady wymiarowania odwodnień
dróg
Współczesne modele opadów maksymalnych i bezpieczna
metoda (MMN) wymiarowania kanalizacji deszczowej, w tym
do odwadniania dróg, podane są w podręczniku:
Kotowski A.:
Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień
terenów. Wyd. Seidel-Przywecki,
Warszawa 2011 (I wydanie) i 2015 (II wydanie).