Politechnika Śląska
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
OBEKTY LINIOWE NA TERENACH GÓRNICZYCH
ĆWICZENIE NR 1.
Temat nr 1: Analiza możliwości grawitacyjnego odprowadzenia ścieków kanałem zlokalizowanym w obrębie wpływów górniczych.
Barbara Pyrek Prowadzący ćwiczenia:
Wydział: ISiE mgr. Inż. Ewelina Sankiewicz
Specjalność: WiK
Stacjonarne studia II stopnia
Semestr: II
2. Charakterystyka kanału i jego pracy w warunkach pierwotnych 3
3. Pierwotne warunki posadowienia studzienek kanalizacyjnych 4
4. Ocena możliwości grawitacyjnego odpływu ścieków w warunkach wpływów eksploatacji górniczej 5
Tabela 1 . Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę kanału sanitarnego w warunkach pierwotnych. 4
Część Opisowa
Celem niniejszego opracowania jest sprawdzenie możliwości grawitacyjnego odprowadzenia ścieków sanitarnych kanałem zlokalizowanym na terenach, podlegających wpływom górniczym.
Praca obejmuje swoim zakresem:
Charakterystykę kanału działającego w warunkach pierwotnych tj. przed wystąpieniem deformacji górniczych
Określenie wartości obniżeń terenu i zagłębienia kanału wywołanych działalnością górniczą
Określenie warunków pracy kanału sanitarnego po uwzględnieniu deformacji
Ocenę możliwości grawitacyjnego odprowadzenia ścieków sanitarnych
Zalecenia dot. rozwiązań konstrukcyjnych i zabezpieczenia kanałów zlokalizowanych w obrębie szkód górniczych
Załączniki:
Mapa terenu , na którym zlokalizowany jest przewód kanalizacyjny wraz z oznaczeniem przewidywanych obniżeń górniczych (skala 1:10 000)
Profil podłużny kanału z uwzględnieniem prognozowanych obniżeń terenu (skala 1:100/500)
W opracowaniu poddano analizie fragment sieci kanalizacji sanitarnej. Rurociąg znajduje się na terenach niezagospodarowanych . W 0,460 km przechodzi pod istniejącą autostradą.
Długość badanego odcinka kolektora wynosi 1000m. Kolektor wykonano z rur PVC-U łączonych kielichowo. Średnica przewodów jest stała na całej długości i wynosi DN250 mm. Zapewniono minimalny spadek w kierunku północnym równy 4‰.
W odstępach co 100m zlokalizowano studnie rewizyjne o średnicach DN1000 mm. Są to przelotowe (brak zmiany kierunku przepływu ścieków). Wlot i wylot kanałów w każdej studni znajduje się na poziomie dennicy. Studnie zostały oznaczone symbolami: S1, S2, ... ,S10.
Założono przepływ ścieków sanitarnych w ilości 20 dm3/s oraz chropowatość wewnętrznej ścianki kanału k=0,1 mm. Po uwzględnieniu powyższych danych otrzymano następujące wartości opisujące pracę kanału:
Tabela 1 . Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę kanału sanitarnego w warunkach pierwotnych.
Odcinek | Materiał | Parametry rzeczywiste |
---|---|---|
Przepływ Q | ||
Studnia początkowa | Studnia końcowa | - |
S1 | S2 | PVC-U |
S2 | S3 | PVC-U |
S3 | S4 | PVC-U |
S4 | S5 | PVC-U |
S5 | S6 | PVC-U |
S6 | S7 | PVC-U |
S7 | S8 | PVC-U |
S8 | S9 | PVC-U |
S9 | S10 | PVC-U |
Zagłębienie najpłytszej studni S1 wynosi 1,8m, natomiast najgłębiej posadowiona jest studnia S10 – rzędna jej dna wynosi 114,90 m n.p.m. co przekłada się na zagłębienie
rzędu 5,9 m.
Jak widać w Tabeli 1. wielkości opisujące pracę kanału spełniają wszystkie warunki stawiane w normie PN-EN 752:2008 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne. Zapewniono odpowiednią prędkość przepływu ścieków – na tyle dużą, żeby było możliwe samooczyszczanie kanału, jednak nie powodującą ścierania wewnętrznej powierzchni rurociągu. Napełnienie
w kanale nie przekracza 60% średnicy nominalnej. Nie przekroczono również wartości granicznej zagłębienia przewodów tj. 6,0 m (przy zagłębieniu przekraczającym 6m zaleca się stosowanie przepompowni ścieków lub ciśnieniowego/podciśnieniowego systemu kanalizacyjnego).
Przewód kanalizacyjny znajduje się na terenach o niewielkich zmianach wysokości nad poziomem morza. Niekorzystny jest jednak fakt, iż kanał przebiega centralnie przez lekkie wzniesienie, w związku z czym na odcinku S1-S6 dochodzi do gwałtownego zwiększania się zagłębienia. Od studni S6 następuje powolne zmniejszanie się wartości zagłębienia – na tym odcinku teren się obniża, przy czym zachowano minimalny spadek kanału (ik<it).
Rzędne terenu i posadowienia dna studni, spadki terenu i kanału oraz różnice wysokości pomiędzy elementami kolejnych studni przedstawiono w Tabeli 2. Wielkości te zostały również wykorzystane do sporządzenia profilu podłużnego kanału (Załącznik 2). Oznaczono je kolorem ciemnoczerwonym.
Tabela 2. Posadowienie studni kanalizacyjnych – rzędne terenu i zagłębienia przed wystąpieniem deformacji górniczych
Studnia | Rzędna terenu | Rzędna dna rury | Zagłębienie | ΔHt | Spadek terenu | ΔHk | Spadek kanału |
---|---|---|---|---|---|---|---|
m n.p.m. | m n.p.m. | m | m | ‰ | m | ‰ | |
S1 | 120,30 | 118,50 | 1,8 | ||||
1,2 | 12 | 0,4 | 4,0 | ||||
S2 | 121,50 | 118,10 | 3,4 | ||||
0,5 | 5 | 0,4 | 4,0 | ||||
S3 | 122,00 | 117,70 | 4,3 | ||||
0 | 0 | 0,4 | 4,0 | ||||
S4 | 122,00 | 117,30 | 4,7 | ||||
0 | 0 | 0,4 | 4,0 | ||||
S5 | 122,00 | 116,90 | 5,1 | ||||
0 | 0 | 0,4 | 4,0 | ||||
S6 | 122,00 | 116,50 | 5,5 | ||||
0,1 | 1 | 0,4 | 4,0 | ||||
S7 | 121,90 | 116,10 | 5,8 | ||||
0,5 | 5 | 0,4 | 4,0 | ||||
S8 | 121,40 | 115,70 | 5,7 | ||||
0,3 | 3 | 0,4 | 4,0 | ||||
S9 | 121,10 | 115,30 | 5,8 | ||||
0,3 | 3 | 0,4 | 4,0 | ||||
S10 | 120,80 | 114,90 | 5,9 | ||||
W wyniku prowadzonej eksploatacji górniczej, na terenach posadowienia rurociągu może dojść do zmian ukształtowania powierzchni terenu.
Tabela 3. Prognozowane obniżenie terenu oraz rzędne terenu i zagłębienia kanału po jego uwzględnieniu.
Obniżenie | Rzędna terenu | Rzędna dna rury | Zagłębienie | ΔHt | Spadek terenu | ΔHk | Spadek kanału |
---|---|---|---|---|---|---|---|
m n.p.m. | m n.p.m. | m | m | ‰ | m | ‰ | |
1,75 | 118,55 | 116,75 | 1,80 | ||||
0,05 | 0,5 | 1,65 | 16,5 | ||||
3,00 | 118,50 | 115,10 | 3,40 | ||||
0,5 | 5 | 0,4 | 4,0 | ||||
3,00 | 119,00 | 114,70 | 4,3 | ||||
0 | 0 | 0,4 | 4,0 | ||||
3,00 | 119,00 | 114,30 | 4,70 | ||||
0 | 0 | 0,4 | 4,0 | ||||
3,00 | 119,00 | 113,90 | 5,1 | ||||
3 | 30 | 2,6 | -26,0 | ||||
0,00 | 122,00 | 116,50 | 5,5 | ||||
0,1 | 1 | 0,4 | 4,0 | ||||
0,00 | 121,90 | 116,10 | 5,8 | ||||
0,5 | 5 | 0,4 | 4,0 | ||||
0,00 | 121,40 | 115,70 | 5,7 | ||||
0,3 | 3 | 0,4 | 4,0 | ||||
0,00 | 121,10 | 115,30 | 5,8 | ||||
0,3 | 3 | 0,4 | 4,0 | ||||
0,00 | 120,80 | 114,90 | 5,9 | ||||
Zmiana spadku kanału na rozpatrywanym odcinku po wystąpieniu deformacji górniczych obliczono ze wzoru:
$$i_{\text{def.}} = \frac{H_{j} - H_{j - 1}}{L}\ \bullet 1000\ \ \ \lbrack\% 0\rbrack$$
Gdzie:
Hj - różnica rzędnych posadowienia dna studni Sj(początkowego i po deformacji)
Hj − 1 - różnica rzędnych posadowienia dna studniSj − 1 (początkowej i po
deformacji)
L - odległość pomiędzy studniami
Przykładowe obliczenia dla odcinka S1 –S2:
L = 100 m
H2 = 118, 10 − 115, 10 = 3, 00 m
H2 − 1 = 118, 50 − 116, 75 = 1, 75 m
$$i_{\text{def.}} = \frac{H_{2 - 1} - H_{2}}{L} \bullet 1000 = \frac{3,00 - 1,75}{100} \bullet 1000 = 12,5\ \lbrack\% 0\rbrack$$
Stąd spadek po wystąpieniu deformacji wynosi:
iS1 − S2=4 + 12, 5 = 16, 5 [%0]
Na mapie (Załącznik 1) zostały wyrysowane izolinie prognozowych obniżeń terenu, na podstawie których sporządzono Tabelę 3. Przewidywane maksymalne obniżenie wynosi Wmax = −3, 0 m. Według założeń prognostyków, wystąpi ono na obszarze pierwotnego wzniesienia.
Wskutek modyfikacji ukształtowania terenu, rzędne posadowienia studni ulegną zmianie. Spodziewane obniżenie studni S2, S3, S4 oraz S5 równe jest maksymalnemu obniżeniu Wmax . Rzędna dna studni S1 zmniejszy się o wartość WS1 = 1, 75m (WS1 < Wmax). Nie przewiduje się zmian w rzędnych posadowienia pozostałych 5 studni (S6-S10).
Zmiana rzeźby terenu spowodowała wpłynęła na warunki pracy kanału grawitacyjnego na odcinku S1-S5. Po uwzględnieniu deformacji wielkości charakterystyczne prezentują się następująco:
Tabela 4. Wielkości opisujące pracę kanału grawitacyjnego po uwzględnieniu wpływu eksploatacji górniczej.
Odcinek | Materiał | Parametry po wystąpieniu deformacji |
---|---|---|
Przepływ Q | ||
Studnia początkowa | Studnia końcowa | - |
S1 | S2 | PVC-U |
S2 | S3 | PVC-U |
S3 | S4 | PVC-U |
S4 | S5 | PVC-U |
S5 | S6 | PVC-U |
S6 | S7 | PVC-U |
S7 | S8 | PVC-U |
S8 | S9 | PVC-U |
S9 | S10 | PVC-U |
Zmiana spadku na odcinku S1-S2 spowodowała wzrost prędkości przepływu z 1,36 m/s do 1,58 m/s. Zwiększona prędkość przepływu mieści się jednak w zaleconym zakresie. Napełnienie w kanale odpowiednio zmalało.
Na etapie trasy od studni S2 do S4 obniżenie jest stałe – każdy z przewodów obniżył się
o tę samą wartość - nie wystąpiły tu zmiany spadku lub innych parametrów.
Komplikacja ma miejsce na odcinku S5-S6. Wg prognoz obniżenie dna studni S5 jest równe Wmax, natomiast posadowienie S6 nie ulegnie zmianie. Występuje tu kontrspadek kanału – przepływ grawitacyjny ścieków nie jest umożliwiony.
Tabela 5. Porównanie ukształtowania terenu i rzędnych posadowienia studni w warunkach rzeczywistych i po uwzględnieniu prognozowanych wpływów eksploatacji górniczej.
Warunki rzeczywiste | Po uwzględnieniu wpływów górniczych |
---|---|
Studnia | Rzędna terenu |
m n.p.m. | |
S1 | 120,30 |
S2 | 121,50 |
S3 | 122,00 |
S4 | 122,00 |
S5 | 122,00 |
S6 | 122,00 |
S7 | 121,90 |
S8 | 121,40 |
S9 | 121,10 |
S10 | 120,80 |
Z powyższej analizy wynika, iż prowadzona eksploatacja górnicza wywiera negatywny wpływ na przewody sieci kanalizacyjnej w związku ze zmianą warunków hydraulicznych. Ponadto może dojść do uszkodzenia konstrukcji rurociągów , w wyniku zgniatania przewodów (wskutek pionowych odkształceń terenu) lub ich rozrywania (związanego ze zjawiskiem pełzania gruntu).Wszystko to sprawia, że kanał nie będzie w pełni spełniać swoich funkcji. Należy również uwzględnić kwestie ekologiczne - duża zmiana spadku może spowodować uszkodzenia połączeń rur i wejść przewodów do studzienek, a zatem rozszczelnić sieć i narazić skanalizowane obszary na skażenie.
Przeciwdziałanie skutkom eksploatacji górniczej wymaga specjalnych rozwiązań technicznych i projektowych. Należy w miarę możliwości przewidzieć zachowania się przewodów w gruncie i uwzględnić je już na etapie projektowania .
Działania profilaktyczne:
Układanie kanałów z maksymalnymi spadkami w celu uzyskania rezerwy dla ewentualnych przeciwspadków lub ze spadkami powiększonymi o wielkości przewidywanych przeciwspadków
Zwiększenie przekroju projektowanego kanału, jako rezerwę w przypadku zmniejszenia jego przepustowości (przy obniżeniu spadku)
Trasowanie kanałów możliwie stycznie do izolinii obniżeń
Stosowanie usprawnionych, elastycznych połączeń odcinków rur.
Układanie przewodów jak najpłycej (ułatwienie ich naprawy w przypadku awarii)
Przewidzenie wybudowania zbiorników retencyjnych wraz z przepompownią.
Część Rysunkowa
Rysunek 1. Mapa terenu objętego wpływami eksploatacji górniczej z wyznaczonymi izoliniami obniżeń. Skala 1:10 000
Rysunek 2. Profil podłużny kanału sanitarnego z uwzględnieniem prognozowanych obniżeń terenu. Skala 1:100/500