17. Odwodnienie wykopów budowlanych. Zasady ogólne: projektowanie i wykonawstwo.

Podstawowym tworzywem do konstrukcji budowli ziemnych jest grunt budowlany.

W większości przypadków są to kruszywa naturalne, zawierające pewne ilości wody, w

różnej postaci. Ponadto w warunkach zewnętrznych, następuje ciągła zmiana zawartości

wody w gruncie, przy znacznych zmianach temperatur. Szczególnie w warunkach zimowych,

przy przewilgoceniach gruntu mogą powstać istotne destrukcje budowli ziemnej. Dlatego też,

zadaniem podstawowym przy ich eksploatacji jest odwodnienie, lub co najmniej

kontrolowanie ilości wody znajdującej się w obrębie danej budowli. W tym zakresie

posługujemy się budową określonych urządzeń odwadniających. Urządzenia te, wzajemnie

powiązane i współpracujące tworzą integralny system obiektów inżynierskich odwadniania

budowli ziemnych.

W przypadku komunikacyjnych budowli ziemnych wszelkie obiekty inżynierskie, w tym

obiekty odwodnienia, muszą spełniać określone warunki techniczne i być stosownie

usytuowane. (Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja

2000r.). W sposób szczegółowy zagadnienia te reguluje PN-S-02204 - Odwodnienie dróg.

Kwestie odwodnień w budownictwie kolejowym oprócz regulacji specyficznych,

odpowiadają zasadom ogólnym. Do podstawowych urządzeń odwadniających należą; rowy,

dreny i przepusty. W zakresie podstawowych zasad budowy nie różnią się istotnie przy

poszczególnych rodzajach budowli ziemnych. Są nawet wspólne w innych dziedzinach

gospodarczych, np. w rolnictwie gdzie stosuje się meliorację.

Nie mniej, odmienne warunki techniczne jakie powinny spełniać budowle autostradowe,

drogowe i kolejowe determinują różnice kryteriów konstrukcyjnych urządzeń

odwadniających.

Odwodnienie budowli ziemnych to głównie rowy, przepusty, dreny oraz odwodnienie technologiczne.

Sposoby ochrony budowli ziemnych przed działaniem wody mogą być podzielone na dwie

grupy:

a) ujęcie i odprowadzenie wód powierzchniowych

b) odwodnienie wgłębne podłoża gruntowego.

Odwodnienie powierzchniowe przeprowadza się przez:

- nadanie powierzchniom robót ziemnych odpowiednich spadków podłużnych i

poprzecznych

- wykonanie ścieków oraz rowów przydrożnych i stokowych

- założenie kanalizacji

- wykonanie rowów melioracyjnych

- wykonanie przepustów dla odprowadzenia wód.

1. Rowy

   1. Rowy trapezowe

Przekroje poprzeczne rowów trapezowych przedstawia rysunek l.

1.2. Rowy trójkątne

Przekroje poprzeczne rowu trójkątnego przedstawia rysunek 2.

1.3. Rowy opływowe

Rowy opływowe są to płytkie rowy trójkątne o wyokrąglonych kształtach. Kształt i wymiary rowów opływowych zgodnie z wymaganiami normatywnymi pokazano na rysunku 3.

1.4. Ścieki brukowane

Zaleca sieje stosować w wykopach. Są to płytkie utwardzone łożyska przeznaczone dla

małych strug wodnych. Przekroje poprzeczne ścieków dwuskrzydłowych i jednoskrzydłowych są pokazane na rysunku 4.

1.5. Ścieki betonowe

Ścieki tego rodzaju układa się z gotowych elementów prefabrykowanych. Kształt i wymiary

ścieków betonowych przedstawia rysunek 5.

1.6. Rowy skarpowe górne (stokowe)

Stosuje się na odcinkach dróg przebiegających po zboczach górskich lub w głębokich

wykopach. Przekrój poprzeczny drogi z rowem stokowym przedstawia rysunek 6.

1.7. Warunki techniczne

Ilość wody odprowadzanej rowem każdego rodzaju zależy od powierzchni jego przekroju

poprzecznego, stopnia szorstkości dna i skarp na obwodzie zwilżonym oraz od spadku

podłużnego. Gdy spadek podłużny jest za duży, grozi to rozmyciem dna rowu, a jeśli zbyt

mały - zamuleniem. Przeciwdziałanie rozmyciu polega na umacnianiu dna i skarp rowów

poprzez darniowanie, brukowanie, układanie elementów prefabrykowanych itp., bądź

wykonanie ścieków, rynien lub kaskad. Rozmycie nie wystąpi, jeśli spadki podłużne nie

przekroczą wielkości krytycznych dla danego rodzaju gruntu, w którym wykonany jest rów

Największe dopuszczalne pochylenia podłużne rowów w zależności od rodzaju gruntu i

sposobu umocowania dna rowu zestawiono w tablicy l. Zamulenie rowu następuje przy

szybkości wody mniejszej od 0,4 m/s, a zarastanie roślinnością - przy szybkości mniejszej od

0,6 m/s. Szybkość ta występuje przy pochyleniu podłużnym rowu mniejszym od 2%.

Obowiązuje zasada, że w większości przypadków spadek rowu powinien odpowiadać lub

powinien być zbliżony do spadku niwelety trasy. Przykłady sposobów umocnienia rowów przedstawiają rysunki 6, 7 i 8.

1.8. Konstrukcja rowów

Pochylenie podłużne i kształt poprzeczny rowów wynika z klasy technicznej drogi lub

kategorii kolei. Zależy także od ukształtowania terenu, rodzaju gruntu oraz od

wykorzystanych przez wykonawcę środków technicznych do umocnienia dna i skarp przed

rozmywaniem. Ponadto, aby rowy spełniały swą funkcję, musi istnieć należyty spływ wody.

Zaznaczyć należy, że projektowanie niwelety trasy w stosunku do wymienionych

uwarunkowań może spowodować wzrost objętości robót ziemnych lub zwiększenie

szerokości pasa wywłaszczenia. Konstrukcja rowów dla dróg samochodowych i dla kolei jest nieco odmienna. Przekroje

rowów dróg samochodowych mają z powodów bezpieczeństwa łagodniejsze pochylenia skarp

i mniejsze głębokości niż rowy kolejowe. W obu przypadkach chodzi o dobór takich

kształtów i wymiarów rowów, aby uzyskać w każdych warunkach odwodnienie zlewni

ciążącej do danego rowu. Uwzględniając wspomniane czynniki mogące podrożyć koszty

odwodnienia, stosuje się albo minimalne spadki dna rowów, aby ich nie umacniać, albo

maksymalne - dla stosowanego sposobu zabezpieczenia, bądź zmienia się ich kształt, stosując

rynny i kaskady, najczęściej w terenie górzystym.

Największe dopuszczalne prędkości wody w rowach nie umocnionych, w zależności od

gruntu, w którym zostały wykonane, podano w tablicy 2. Natomiast dopuszczalne prędkości wody w rowach w zależności od rodzaju umocnienia zestawiono w tablicy 3.

Prędkości obliczeniowe wody w rowach mogą przekraczać największe dopuszczalne wartości

podane w tab. 2 i 3 o 20%, gdyż woda w pobliżu dna zmniejsza swą prędkość z powodu tarcia

do 0,8 prędkości strugi.

Prędkość przepływu wody w rowach nie może powodować rozmywania dna i skarp, ani

zamulania (Vmin 0,4 m/s) lub zarastania trawą (Vmin = 0,6 m/s). Dlatego należy projektować

wypośrodkowane pochylenia podłużne dla danego rodzaju gruntu i unikać gwałtownych

załamów lub zmiany przekroju rowów. W gruntach suchych głębokości rowów i spadki mogą

być minimalne, a na wododziałach, gdy zwierciadło wody występuje poniżej l,50m od

krawędzi torowiska, rowów można nie stosować. Zabezpieczenie rowu przed rozmyciem

polega na umocnieniu dna i skarp w zależności od prędkości przepływu wody. Według

niegdyś obowiązującej normy branżowej BN-67/8936-01 sposoby umocnienia rowów

zestawiono w tab.4.

Uformowane podczas robót kształty poprzeczne przekopów (ukopów) i nasypów (odkładów)

oraz rowów wymagają utrwalenia, w celu zapobiegania jakimkolwiek odkształceniom, a

głównie odkształceniom z powodu erozji. Stosowane są następujące sposoby umacniania

skarp:

– roślinnością (odpowiednimi trawami lub krzewami),

– darniną (kilka sposobów),

– płotkami wiklinowymi lub faszyną,

– brukiem,

– elementami betonowymi,

– chemicznie.

2. Przepusty

Dla ułatwienia pracy, były Centralny Zarząd Dróg Publicznych Ministerstwa Komunikacji

wydał "Projekty typowych przepustów drogowych", które zawierają typowe rysunki konstrukcyjne

przepustów drogowych rurowych o średnicach 0,60, 0,80, 1,00, 1,25, i 1,50 m.

Są to powszechnie używane typy przepustów jedno, dwu- i trzyrurowych, prostych i ukośnych. Elementy przepustów (rury betonowe i żelbetowe) układa się na zagęszczonym gruncie

podłoża. Na podłoże należy stosować żwiry i grunt stabilizowany cementem o grubości

warstwy zależnej od wytrzymałości gruntu rodzimego według odpowiednich typów.

Przepust jako obiekt drogowy buduje się dla przepuszczenia wód opadowych zbierających się w najniższych miejscach zlewni z jednej strony drogi na drugą.

Przykłady typowych przepustów przedstawiono na rys. 10 i 11.

3. Dreny

Bezpośrednimi lub pośrednimi odbiornikami wód podziemnych mogą być: rzeki, potoki,

rowy, jeziora, stawy, zbiorniki wodne, parowy i wąwozy.

Odbiornik wód podziemnych powinien umożliwiać wytworzenie i utrzymanie takich

stosunków wodnych w gruntach, jakie narzuca sposób ich zagospodarowania. Dlatego

decydujące znaczenie ma utrzymanie w odbiorniku odpowiednio niskich stanów wody,

umożliwiających grawitacyjny dopływ wód podziemnych.

Obniżenie zwierciadła wody w cieku odwadnia przyległy teren dzięki obniżeniu poziomu

wód podziemnych. Takie rezultaty można uzyskać dzięki wyprostowaniu zatoki, skróceniu

trasy, zwiększeniu spadków i pogłębieniu koryta. W pewnych szczególnych wypadkach, gdy

zagadnienia melioracyjne mają duże znaczenie dla regulacji stosunków wodnych, projekt

szlaku komunikacyjnego musi być poprzedzony projektem melioracji podstawowych,

opracowywanym przez specjalistów budownictwa wodnego lub melioracyjnego.

Odwodnienie wgłębne obszarów chronionych może być prowadzone dwoma sposobami, a

mianowicie:

– system rowów otwartych,

– system drenażu.

W budownictwie komunikacyjnym do odwodnień wgłębnych najchętniej jest stosowany

system drenarski.

Na terenach chronionych, nadmiernie nawodnionych i o zbyt wysokim poziomie wody

podziemnej, których osuszenie następuje wyłącznie wskutek parowania, z reguły konieczne

jest stosowanie systemów drenarskich, w celu szybkiego odprowadzenia nadmiaru wody.

Działanie ciągu drenarskiego założonego poniżej zwierciadła wody gruntowej polega na

przesączaniu się wody do wnętrza rur przez szczeliny stykowe, a częściowo przez ścianki.

Zasadę działania drenów przedstawia rysunek 12.

W zależności od sposobu zakładania drenów rozróżnia się trzy rodzaje drenowania:

- drenowanie poziome (rys. 12); konstrukcję drenu przedstawia rys. 13

- drenowanie pionowe, przy którym wykonuje się pionowe otwory rozmieszczone w

odpowiednich odstępach, wypełnione materiałem drenującym. Zadaniem ich jest

skierowanie wód gruntowych z odwadnianej warstwy poprzez pokłady gruntów

nieprzepuszczalnych w głąb do niżej zalegającej warstwy gruntu przepuszczalnego (rys.

14)

- drenowanie kombinowane, które stanowi odpowiednie powiązanie obu rodzajów drenaży

W budowlach komunikacyjnych odwadniające systemy drenarskie są stosowane:

– w drogownictwie - drenaż: korony drogi, skarp, koryta drogi, podstawy nasypu,

odwadniający powierzchnie poślizgu dla stabilizacji osuwisk;

– w kolejnictwie - drenaż: równi stacyjnych, rozjazdów, urządzeń zabezpieczenia

ruchu pociągów, terenów nawodnionych w rejonie osuwisk;

– w budownictwie lotnisk - drenaż lotniskowy służy do szybkiego odprowadzania

wód podziemnych, zarówno spod nawierzchni dróg startowych, jak i nawierzchni

trawiastej;

– w budownictwie tunelowym - drenaż warstw kontaktowych między górotworem a

obudową;

– w budownictwie mostowym - drenaż przyczółków mostowych oraz mostów

sklepionych.

Przy zastosowaniu systemu drenarskiego, w zakres odwodnienia wchodzi drenaż:

– korony drogi,

– nawierzchni drogowych, skarp,

– ochronny,

– podstawy nasypu,

– płytowy.

4. Ceramiczne rurki drenarskie

Ceramiczne rurki drenarskie są używane do wykonywania drenarskich systemów

odwadniających.

Ceramiczne rurki drenarskie mogą mieć postać rurek wypalanych z gliny lub kamionkowych

perforowanych.

Ceramiczna rurka drenarska wypalana z gliny powinna mieć wewnątrz kształt cylindryczny, z

zewnątrz natomiast kształt walca, graniastosłupa równoramiennego lub dwunastobocznego.

Wymiary ceramicznych rurek drenarskich wypalanych z gliny: Rury kamionkowe perforowane są produkowane z wysokogatunkowych glin, mają szklistą

powłokę, są stosunkowo gładkie, odporne na działanie korozyjnych wód podziemnych.

Wymiary kamionkowych rur dziurkowanych:

5. Odwodnienie technologiczne

Hasło to zawiera pojęcie odwodnienia terenu robót ziemnych przed i po ich wykonaniu.

Najbardziej skuteczne a jednocześnie efektywne są takie rodzaje urządzeń i sposobów, które

są urządzeniami stałymi, trwale przewidzianymi w projekcie.

Zrealizowane w pierwszej kolejności wypełniają swoją funkcję przez cały cykl realizacji i

eksploatacji danej budowli ziemnej. W znaczeniu tymczasowych odwodnień -technologicznych- następują wówczas gdy część

powierzchni pasa wywłaszczenia, na której będzie formowana budowla ziemna wymaga

reakcji natychmiastowej.

Należyte odwodnienie terenu robot ziemnych, przed i w czasie wykonywania budowli, ma

istotny wpływ na:

- zwiększenie postępu robót (wydajności),

- zmniejszenie awaryjności maszyn i sprzętu,

- lepszą jakość i dokładność wykonywanych budowli,

- zmniejszenie zagrożenia stateczności budowli, oraz

- zwiększenie bezpieczeństwa pracy.

Odwodnienie terenu robót ziemnych w przekopach można uzyskać przez wykonanie rowów

stokowych (górnych) i budowanie przekopu w kierunku wzniesienia niwelety osi drogi.

Zapewnić to powinno naturalny spływ wód zastoisk powierzchniowych oraz sączących się

wód opadowych ze skarp .Można również nadać jednostronny spadek poprzeczny dna

przekopu, jak to przedstawiono na rysunku dalej.

Odwodnienie technologiczne robót ziemnych na odcinku nasypów polega na wykonaniu

przepustów w linii cieków (strumyków), względnie mostów, które umożliwiają swobodny

przepływ wód, a następnie rowów, górnych i odprowadzających. Rys.

Klasycznym przykładem urządzeń do odwadniania technologicznego są igłofiltry. Są stosowane

w przypadkach odwodnienia przekopów bądź" przecięcia" zawilgoconych warstw

gruntów spoistych.

Igłofiltry to zestawy rur metalowych o średnicach od 50mm do 150mm, których zaostrzone

końce pozwalają na wbijanie ich w równych odstępach w skarpę warstwy z której mogą

nastąpić wypływy filtrującej wody. Ściany rur są perforowane i wypełnione porowatym

materiałem filtrującym. Wytworzone przy pomocy pomp podciśnienie, przeniesione gumowymi

przewodami do rur sprawia, że następuje "odbiór" wody z warstwy gruntu. Skuteczność

igłofiltrów zależy od przepuszczalności gruntu oraz od czasu ich instalacji. Zestawy

igłofiltrów są każdorazowo dobierane do zakresu wykonywanych robót ziemnych.

Igłofiltry stosowane są do doraźnego odwadniania gruntów piaszczysto-żwirowych, piaszczystych,

pylastych, a nawet gliniastych, o współczynniku filtracji w granicach l0-7 m/s < kf <

10-3 m/s i miąższości warstwy wodonośnej od 0,5 m do kilku metrów.

W drobnoziarnistych gruntach pylastych, gliniastych i ilastych o bardzo małej odsączalności

i przepuszczalności, przy współczynniku k w granicach: l0-7 m/s < kf < 10-5 m/s i miarodajnej

średnicy ziaren d10 rzędu 0,03 - 0,003 mm i gdzie grawitacyjny ruch wody jest utrudniony,

igłofiltry działają na zasadzie wytwarzania próżni w nawodnionym gruncie. Tutaj dopływ

wody do igłofiltrów jest zazwyczaj bardzo mały, a działanie ich polega tak na wysysaniu

wody z gruntu jak i na zapobieganiu jej wypływowi ze ścian wykopu, a także na zagęszczeniu

i stabilizacji gruntu.

Podciśnienie, wytworzone ssącym działaniem igłofiltreów w wodzie wypełniającej pory

gruntu, zapobiega jej wypływowi do wykopu, gdyż na jego skarpy działa ciśnienie

atmosferyczne. Różnica między ciśnieniem działającym na skarpę a podciśnieniem

panującym w gruncie powoduje jego zagęszczenie i stabilizację, podobnie jak odwodnienie.

Liczne doświadczenia wykazały, że skuteczność wytworzonej próżni obejmuje przestrzeń o

promieniu 1,0—2,0 m od igłofiltru. Powstaje więc konieczność stosowania małych odstępów,

zarówfto między poszczególnymi igłofiltrami, jak i między barierą a skarpą wykopu. Zestaw igtofiltrowy składa się zazwyczaj z 50-100 sztuk igłowiftrów, tj. rur filtrowych o

średnicy 37-100 mm, z filtrem o długości 1,0-2,0 m, rozmieszczonych pionowo w odstępach

0,6-1,8 m, w zależności od warunków miejscowych.

Igłofiltry zagłębia się zazwyczaj na zewnątrz wykopu, jakkolwiek możliwe jest również

umieszczenie ich wewnątrz wykopu u podnóża skarpy. Igłofiltry są połączone z przewodem

zbiorczym za pomocą łączników, wykonanych z rur i kształtek stalowych albo ze zbrojonych

rur gumowych. Kolektor ssawny jest zazwyczaj wykonany z cienkościennych rur stalowych,

o średnicy 100-200 mm, wyjątkowo 250 mm, przy czym poszczególne odcinki przewodu

łączone bywają na luźne kołnierze lub na tzw. złącza "momentalne" z uszczelką gumową.

Urządzeniem czerpiącym wodę z układu i utrzymującym w nim podciśnienie może być

pompa przeponowa, ewentualnie pompa wirowa samozasysająca, albo normalna pompa

wirowa z przystawką samozasysająca lub najczęściej ze zbiornikiem separacyjnym -

próżniowym i pompą próżniową. Czerpana woda może odpływać albo grawitacyjnie do

dowolnego odbiornika albo być do niego przepompowywana pod ciśnieniem.

Przy większych instalacjach, każda pompa pracująca powinna mieć 100-procentową rezerwę

wydajności. Zakres działania układu igłofiltrowego jest ograniczony wysokością ssania

pompy. Na ogół obniżenie poziomu wody, uzyskiwane tą metodą, nie przekracza 4,0-4,5 m, a

w wyjątkowo sprzyjających okolicznościach 5,0-5,5 m. Jeśli konieczne jest większe

obniżenie poziomu wody, to instaluje się dwa lub więcej rzędów pięter igłofiltrów,

umieszczonych na różnych wysokościach, lub stosuje się igłofiltry o specjalnej konstrukcji.

6. Zasady stosowania igłofiltrów

Wspólną cechą igłofiltrów stosowanych w budownictwie jest hydrauliczne ich zagłębienie, tj.

wpłukiwanie w grunt za pomocą strumienia wody pod ciśnieniem. Możliwe jest również

pogrążenie ich na sucho, za pomocą młotów wibracyjnych lub przez wkręcenie w grunt.

Większość produkowanych konstrukcji igłofiltrów wpłukiwanych jest przystosowana do

bezpośredniego wpłukiwania, a tylko nieliczne - do ustawienia w uprzednio wpłukiwanej

rurze okładzinowej.

Konstrukcja igłofiltrów musi zapewniać:

– szybkie pogrążenie w dowolnym gruncie, przy minimalnym zużyciu wody na

wpłukiwanie,

– łatwy pobór wody z gruntu bez naruszenia jego struktury,

– szybkie wydobycie z gruntu i wielokrotne użycie,

– możliwość stosowania w różnych gruntach.

Jednocześnie spełnienie wszystkich tych warunków nie jest łatwe, czego dowodem jest

istnienie wielu różnych konstrukcji igłofiltrów - od prostych do bardzo skomplikowanych.