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
1.1. 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., bądz

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, bądz
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 bądz
" 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 doraz
nego 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 luz
ne 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.