ODWODNIENIA WYKOPÓW FUNDAMENTOWYCH.

PROJEKTOWANIE DRENAŻU OPASKOWEGO

I ODWODNIEŃ WGŁĘBNYCH.

Mechanika gruntów i fundamentowanie

Ćwiczenia audytoryjne

mgr inż. Natalia Bejga
A – 2 p. 235 c
E – mail:

[e-mail]

[e-mail]

www.marbej.user.icpnet.pl

7 kwietnia 2021

Klasyfikacja odwodnień

1. Odwodnienie powierzchniowe (pompowanie wody bezpośrednio,

drenowanie poziome)

2. Odwodnienie wgłębne (drenowanie pionowe)
3. Odwodnienie mieszane, łączące sposoby odwodnienia wyżej

wymienione.

Odwodnienie powierzchniowe stosuje się w gruntach przepuszczalnych

piaszczystych i żwirowych do głębokości 3 m, jeśli jest możliwe
zapewnienie prostymi środkami stateczności skarp i podłoża wykopu. W
innych gruntach można stosować do dowolnej głębokości, jeśli nie
zachodzi niebezpieczeństwo upłynnienia lub sufozji podłoża i skarp
wykopu.

Odwodnienie wgłębne stosowane jest w zasadzie tylko w gruntach

przepuszczalnych, jeśli głębokość odwodnienia jest większa niż 3 m. Przy
mniejszych głębokościach stosuje się tylko wtedy, gdy istnieją trudności
w zapewnieniu stateczności skarp i dna wykopu.

Klasyfikacja odwodnień

Drenowanie poziome składa się z sączków i studzienek. Stosuje się je do trwałego

odwodnienia terenu lub jako drenaż podczas prowadzenia robót budowlanych.

Drenowanie pionowe może być wykonane za pomocą studni, igłofiltrów oraz

innych elementów pionowo wprowadzanych w grunt. Stosowane do czasowego
obniżenia zwierciadła wód gruntowych.

Rys. Drenowanie poziome Rys. Drenowanie pionowe

Klasyfikacja odwodnień

Zależnie od głębokości elementów odwodnień w stosunku do warstwy

nieprzepuszczalnej rozróżnia się:

 drenowanie zupełne – jeśli elementy sięgają do warstwy nieprzepuszczalnej,
 drenowanie niezupełne – jeśli elementy są założone w warstwie

przepuszczalnej, w pewnej odległości od warstwy nieprzepuszczalnej

.

Rys. Drenowanie zupełne

Rys. Drenowanie niezupełne

Klasyfikacja odwodnień

Zależnie od ułożenia ciągów drenażowych w terenie rozróżnia się

drenowanie:

 systematyczne – polega na równomiernym rozłożeniu drenów poziomych

lub pionowych na całym terenie. Składa się z elementów
odprowadzających wodę do zbieraczy, dalej kolektorem głównym do
kanalizacji lub rowu,

 opaskowe – polega na ułożeniu wokół obiektu (obwodowo) sączków

połączonych ze studzienkami kontrolnymi i studnią zbiorczą, skąd
odprowadza się wodę do kolektora,

 warstwowe – polega na ułożeniu warstwy żwiru lub piasku bezpośrednio

pod fundamentem, w której zakłada się rurki sączkowe prowadzące
bezpośrednio do studzienki zbiorczej,

 czołowe i brzegowe – polega na przechwyceniu wody mającej zasilanie

boczne oraz wody przeciekającej do podłoża z rzeki lub ze zbiornika
wodnego.

Zasady projektowania i wykonywania poziomego

drenażu opaskowego

1. Obszar otoczony drenażem powinien być jak najmniejszy, a głębokość

założenia sączków zapewniająca dostateczne obniżenie zwierciadła wody.

2. Drenaż zakładany poniżej poziomu posadowienia musi być odsunięty od

fundamentu na odległość L ≥ h ∙ ctgφ (h – odległość od sieci
drenarskiej do spodu fundamentu, φ – kąt nachylenia krzywej depresji).

3. Drenaż stały powinien być założony poniżej głębokości przemarzania.
3. Ciągi drenarskie powinny być liniami prostymi, w każdym z załamań

powinna znajdować się studzienka.

4. W drenowaniu do celów budowlanych minimalna średnica sączka wynosi

100 mm.

Zasady projektowania i wykonywania poziomego

drenażu opaskowego

6. Minimalne spadki ciągów drenarskich powinny wynosić:

 DN 100 – 150 mm: i=0,005
 DN 150 – 200: i=0,005 – 0,003
 DN 200 – 300: i= 0,003 – 0,002

7. Obsypka filtracyjna powinna być wykonana ze żwiru, piasku grubego i

średniego, można stosować również maty filtracyjne.

8. Stosuje się studzienki w węzłach, narożach i w szeregu.
9. Wodę z drenażu odprowadza się do kanalizacji, przepompowni lub

naturalnych zbiorników wodnych.

Projektowanie drenażu opaskowego

1.

Ustalenie zasięgu depresji R

Promień zasięgu działania sączka ustala się doświadczalnie lub ze wzoru

Sichardta:

 dla k w m/dobę

 dla k w m/s

R – promień zasięgu działania drenu,
S – obniżenie poziomu wód licząc od

stanu nieobniżonego do poziomu wody
w rurce sączka,

k– współczynnik filtracji.

Rys. Dane goemtryczne

k

S

R 10



k

S

R 3000



Projektowanie drenażu opaskowego

2. Ustalenie rzędnej depresji h

d

Wzór Muftachowa:

b – połowa odległości między drenami,
m – wysokość wody w sączkach nad warstwą nieprzepuszczalną,
f – współczynnik zależny od b/m, wg nomogramu,
φ = φ

1

– φ

2

– współczynnik zależny od b/m i (R+b)/m, wg nomogramu,

r

0

– promień rurki drenarskiej





m

b

r

b

f

m

b

r

b

S

h

d

2

8

ln

2

8

ln

0

0











Projektowanie drenażu opaskowego

2. Ustalenie rzędnej depresji h

d

Rys. Nomogramy do wyznaczenia współczynników f, φ

1

i φ

2

Projektowanie drenażu opaskowego

3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich

Średnice sączków ustala się dla maksymalnego dopływu wody, a spadki ciągów

drenarskich muszą być tak dobrane, by prędkości przepływu wody mieściły
się w wartościach dopuszczalnych.

Przy założeniu sączka na podłożu nieprzepuszczalnym wydatek drenażu oblicza

się ze wzoru Dupuit:

Q

0

– wydatek sączka na 1 m jego długości w m

3

/dobę przy dopływie wody z 1

strony,

R – promień zasięgu działania drenu,
k– współczynnik filtracji,
H – miąższość warstwy wodonośnej,

h

0

– wysokość wypełnienia sączka wodą.

R

h

H

k

Q

2

2

0

2

0





Projektowanie drenażu opaskowego

3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich

Ponieważ h

02

<< H

2

wzór można uprościć do postaci:

m

3

/dobę

Całkowity wydatek drenu o długości L równa się: Q = Q

0

∙ L

R

H

k

Q

2

2

0



Projektowanie drenażu opaskowego

3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich

W przypadku opaskowego drenowania niezupełnego wydatek na 1 mb można

wyznaczyć ze wzoru Kostiakowa:

Q

0

– wydatek sączka na 1 m jego długości w m

3

/dobę przy dopływie wody z 1

strony,

R – promień zasięgu działania drenu,

r

0

– promień sączka,

k– współczynnik filtracji,

H

1

– zanurzenie rurociągu w warstwie wodonośnej,

h

0

– wypełnienie nad środkiem drenu,

α = π/2

Rys.





0

0

1

0

ln

7

,

0

r

R

h

H

k

Q







Projektowanie drenażu opaskowego

3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich

Przyjmując dla uproszczenia h

0

= 0 otrzymujemy:

Drenaże pozwalają na stosowanie prędkości w granicach 0,15 – 1,00 m/s.

Zbyt mała prędkość spowoduje zamulenie ciągu, zbyt duża – rozmywanie
gruntu. Optymalne prędkości wynoszą 0,5 – 0,7 m/s, natomiast
minimalne:

 dla gruntów spoistych: 0,15 – 0,20 m/s,
 dla gruntów niespoistych: 0,30 – 0,35 m/s.

0

1

0

ln

7

,

0

r

R

kH

Q





Projektowanie drenażu opaskowego

3.

Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich

Prędkość przepływu przez dren, przy całkowitym wypełnieniu wodą oblicza się

ze wzoru Chezy

:

,

d – średnica drenu,
I – spadek drenażu,
a – współczynnik szorstkości wewnętrznych ścianek rur.
Potrzebną średnicę sączka i minimalny spadek ciągu drenarskiego określa się ze

wzoru:

,

,

Q – całkowity wydatek drenu
ω – powierzchnia przekroju sączka.

dI

c

V

2



d

a

c

2

1

70





V

Q

d



2



V

Q





d

c

V

I

2

2

4



Projektowanie drenażu opaskowego

3. Ustalenie średnicy sączków i spadków ciągów drenarskich

Przy ustalaniu średnicy i spadku ciągu drenarskiego należy ustalać rzeczywistą

prędkość według wzoru V

1

= V ∙ η, gdzie współczynnik η zależy od stosunku

Q/Q

1

, określonego za pomocą nomogramu.

Q – rzeczywisty wydatek sączków w m

3

/s,

Q

1

– wydatek sączka w m

3

/s przy całkowitym napełnieniu, dla założonej średnicy

sączka i przyjętego spadku ciągu drenażowego, wyznaczany według wzoru:

Rys. Nomogram do wyznaczenia współczynnika η

2

1

2

5

1

39

,

0

I

cd

Q 

Projektowanie odwodnienia wgłębnego

Odwodnienie wgłębne polega na założeniu w podłoże elementów pionowych

(igłofiltry, igłostudnie, studnie wiercone), z których odpompowuje się
wodę. Poprzez stałe pompowanie wody powstaje wokół tych elementów
depresja, której zasięg stopniowo się powiększa, dążąc do maksimum.

Wybór optymalnej metody odwodnienia zależy od:
 przepuszczalności odwadnianej warstwy,
 głębokości dna wykopu,
 usytuowania dna wykopy nad warstw ą nieprzepuszczalną,
 miąższości i układu warstw przepuszczalnych.

Projektowanie odwodnienia wgłębnego

Igłofiltry – elementy wprowadzane do podłożą za pomocą wpłukiwania lub

wbijania. Stosuje się je do odwodnień wykopów fundamentowych,
kanalizacyjnych, względnie do odwodnień mieszanych.

Igłostudnie – stosuje się do odwodnień wgłębnych w gruntach o średniej i dużej

przepuszczalności, względnie w podłożu przewarstwionym cienkimi
warstwami gruntów małoprzepuszczalnych, umożliwiających usytuowanie
filtru w gruncie przepuszczalnym. Igłostudnie są pogrążane w podłoże metodą
wpłukiwania.

Konstrukcja igłostudni składa się z części podfiltrowej, przystosowanej do

wpłukiwania oaz filtru połączonego z rurą nadfiltrową. Średnica igłostudni na
ogół wynosi 50 – 150 mm, a długość 4 – 8 m.

Studnie wiercone – stosowane w każdych warunkach gruntowych i przy

obniżaniu zwierciadła wody gruntowej na każdą głębokość. Studnie zapuszcza
się w otworze wiertniczym, co pozwala na dobranie obsypki i filtru,
zapewniających właściwe działanie instalacji odwadniającej. Kosztowne i
pracochłonne.

Zasady projektowania i wykonywania odwodnienia z

igłofiltrów

1. Głębokość odwodnienia dla pojedynczego rzędu igłofiltrów wynosi s = 3 –

5 m. Dla odwodnień głębszych konieczne jest zastosowanie układów
wielostopniowych, których w sumie nie powinno być więcej niż 3.

2. Rozstaw igłofiltrów mieści się w przedziale 0,6 – 2,0 m.

3. Warunkiem zastosowania igłofiltrów jest występowanie gruntów

przepuszczalnych w warstwie o miąższości równej co najmniej długości
filtra plus około 1 m.

4. Igłofiltrów nie wpłukuje się w warstwy gruntów spoistych.

Zasady projektowania i wykonywania odwodnienia z

igłofiltrów

5. Rozmieszczenie igłofiltrów jest zależne od rodzaju i wymiarów wykopu:

 dla wąskich wykopów kanalizacyjnych do głębokości 3 m wystarczy

zastosować pojedynczy rząd igłofiltrów wewnątrz wykopu.

 dla innych wykopów wąskich igłofiltry umieszcza się w jednym rzędzie

poza wykopem

 dla wykopów wąskich, długich i głębokich stosuje się rzędy igłofiltrów

po obu stronach wykopu w układzie szachownicowym

Rys. Rozmieszczenie igłofiltrów

Zasady projektowania i wykonywania odwodnienia z

igłofiltrów

 dla wykopów głębokich do 5 m stosuje się igłofiltry rozmieszczone

wzdłuż boków wykopów

 dla wykopów głębszych niż 5 m igłofiltry rozmieszcza się w dwóch

poziomach.

Rys. Rozmieszczenie igłofiltrów

Projektowanie odwodnienia wgłębnego

Obliczenia wykonuje się metodą prób. Zakłada się wstępnie rozmieszczenie

studni i ich wymiary oraz wykonuje się wstępne obliczania, sprawdzając
prawidłowość przyjętych założeń.

Wstępne obliczenia obejmują:

1. Ustalenie potrzebnej depresji
2. Ustalenie obliczeniowych współczynników filtracji
3. Obliczenie promienia zasięgu depresji
4. Obliczenie promienia okręgu równoważnego R

0

odwadnianej powierzchni

5. Wstępne ustalenie wymiarów i rozstawu studni
6. Obliczenie uskoku hydraulicznego

Obliczenia zasadnicze obejmują:

1. Obliczenie całkowitego wydatku wody z instalacji
2. Sprawdzenie liczby i głębokości studni
3. Sprawdzenie obniżenia wody gruntowej w najniekorzystniejszych punktach

powierzchni

4. Obliczenie czasu potrzebnego do uzyskania pożądanej depresji

Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne

obliczenia

1. Ustalenie potrzebnej depresji

Zał. W najniekorzystniejszym punkcie odwadnianej powierzchni zwierciadło wody

powinno być obniżone o 0,5 m poniżej dna wykopu.

W sposób przybliżony rzędną depresji w środku wykopu można ustalić ze wzorów:

h

d

= H

0

+ (0,5 – 1 m)

h

d

= H

0

+ b/20

Rys. Dane geometryczne

Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne

obliczenia

3. Obliczenie promienia zasięgu depresji R
Promień zasięgu działania sączka ustala się doświadczalnie lub ze wzoru

Sichardta:

 dla k w m/dobę

 dla k w m/s

R – promień zasięgu działania drenu,
S – obniżenie poziomu wód licząc od stanu nieobniżonego do poziomu wody

w rurce sączka,

k– współczynnik filtracji.

k

S

R 10



k

S

R 3000



Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne

obliczenia

4. Obliczenie promienia okręgu równoważnego R

0

odwadnianej

powierzchni

F – wielkość odwadnianej powierzchni z uwzględnieniem poszerzenia

potrzebnego na zainstalowanie studni



F

R 

0

Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne

obliczenia

5. Wstępne ustalenie wymiarów i rozstawu studni
Ustala się wstępnie wymiary studni i oblicza ich wydatek, projektując je jako

zupełne. W przypadku studni niezupełnych miąższość strumienia
wodnego wynosi:

T = S + h

d

h

d

– głębokość od spodu filtru do obniżonego poziomu zwierciadła wody w

środku wykopu,

H

0

– wysokość zwierciadła wody w studni, liczona od dna studni, przeciętnie

3 – 5 m.

Rozstaw studni zależy od przepuszczalności podłoża, wg Sichardta powinien

spełniać warunek:

b ≥ 5 ∙ 2π R

0

Projektowanie odwodnienia wgłębnego – wstępne

obliczenia

6. Obliczenie uskoku hydraulicznego
Obniżenie poziomu wody przy zewnętrznej ścianie studni nie odpowiada

rzeczywistemu poziomowi wody wewnątrz studni. Po zewnętrznej stronie
studni następuje spiętrzenie wody nazywane uskokiem hydraulicznym,
określane ze wzoru Ehrenberga:

Rys. Uskok hydrauliczny





T

h

T

h

2

0

0







Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia

zasadnicze

1. Obliczenie całkowitego wydatku wody z instalacji
Dla studni zupełnych – wzór Forchheimera:

S – niezbędne, minimalne obniżenie zwierciadła wody w środku wykopu

(obwodu pierścieniowego),

x

1

, x

2

, x

n

– odległości studni od środka obwodu pierścieniowego,

T – miąższość strumienia wodnego.

Dla studni niezupełnych - przyjmować można miąższość strumienia T równą

głębokości studni i zwiększając obliczoną wartość o 20% lub stosując
wzory Zamarina.





n

x

x

x

n

R

S

S

T

k

Q

,...,

,

ln

1

ln

2

2

1









Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia

zasadnicze

2. Sprawdzenie liczby i głębokości studni
Studnię należy projektować tak, aby wydatek wynosił

, gdzie

n – liczba studni pracujących w zespole.

Ze względu na niebezpieczeństwo powstania zjawisk sufozji prędkość wody

dopływającej do filtru przyjmuje się w m/s:

 ze wzoru Sichardta

 ze wzoru Abramowa

Współczynnik przepuszczalności jednego metra zwilżonego filtru wyniesie:

r – promień filtru studziennego.

n

Q

q

15

max

k

v



3

max

65 k

v



15

2

k

r







Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia

zasadnicze

2. Sprawdzenie liczby i głębokości studni
Liczbę niezbędnych studni oraz długość filtru określa się z równań:

,

y

0

– długość filtru,

n – liczba studni,
y – poziom wody w środku okręgu o promieniu R

0.

Długość filtru i liczba studni powinna być tak dobrana, aby spełnione były

warunki:

,

,



Q

ny 

0

nr

R

kn

Q

y

y

0

2

0

ln









Q

ny 

0







Q

y

n





0

1

Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia

zasadnicze

3. Sprawdzenie obniżenia wody gruntowej w najniekorzystniejszych

punktach powierzchni

Po rozmieszczeniu studni i ustaleniu ich głębokości sprawdza się rzędną

depresji h

d

w środkowym punkcie wykopu, ze wzoru:

Instalacja jest dobrze zaprojektowana, jeśli h

d

– h

0

mieści się w granicach

0,5 – 1 m. Jeśli h

d

– h

0

< 0,5, to liczba studni jest za duża, jeśli h

d

– h

0

>

1, to liczba studni jest za mała.

R

b

k

q

h

h

d

2

ln

2

0

2







Projektowanie odwodnienia wgłębnego – obliczenia

zasadnicze

4. Obliczenie czasu potrzebnego do uzyskania pożądanej depresji
Orientacyjnie czas ten można wyliczyć ze wzoru:

n – porowatość gruntu,
Wg – objętość odwadnianego wykopu,
Q – ilość wody odprowadzanej z wykopu na godzinę.

Q

nWg

t 

Źródło

1.

Przystański J., Wykopy fundamentowe i odwodnienia gruntu, Wydawnictwo PP

Poznań, 1981.