Wykład - Andrzej Kotowski
Transkrypt
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 hi21 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: l2 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 ql ql1 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 m2 dm3mi , 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).