Ćwiczenia projektowe:

Podstawy Budownictwa Wodnego

– Budownictwo S 1 rok 3 sem. 5

Budownictwo wodne

– Budownictwo S 1, Organizacja i Zarządzanie w Budownictwie rok 2, sem. 3

1. Informacje o organizacji zajęć. Woda w gruncie. Ogólne wiadomości o filtracji.

2. Wydanie tematów. Ogólne wiadomości o odwodnieniach.

3. Określenie parametrów gruntu. Obliczenie nachylenia skarpy wykopu z wysączającą się wodą.

4. Obliczenie dopływu wody do wykopu (wielkiej studni).

5. Zakres stosowania i sposób wykonywania odwodnień bezpośrednich. Wnioski. Sprawdzenie zaawansowania projektu.

6. Rodzaje odwodnień wgłębnych. Rodzaje studni. Rodzaje filtrów. Sposoby wykonywania studni, igło studni, igłofiltrów.

7. Obliczanie odwodnień wgłębnych.

8. Obliczanie odwodnień wgłębnych c.d.

9. Obliczanie odwodnień wgłębnych c.d. Sprawdzenie zaawansowania projektu.

10. Rodzaje pomp. Dopuszczalne wielkości depresji. Zasada działania agregatu igłofiltrów.

11. Przyjęcie sposobu odpompowania, w zależności od wielkości depresji ‑pompy powierzchniowe, głębinowe.

12. Obliczanie oporów przepływu wody od miejsca poboru do odbiornika (rzeki) i dobór średnic rurociągów.

13. Dobór pomp. Rysunki. Sprawdzenie zaawansowania projektu.

14. Sprawdzian z wykładów i ćwiczeń.

15. Zaliczenie.

Zaprojektować odwodnienie wykopu budowlanego o wymiarach 3×I X 2×N [m] w gruncie jednorodnym o miąższości (I+N) m i współczynniku filtracji k= I/(1000×N) [cm/s]. Głębokość wykopu I m, a zaleganie zwierciadła wody I/2 m p. p. t. W odległości 10×I od dłuższego boku wykopu płynie rzeka, której zwierciadło wody układa się 0,5 m niżej niż w gruncie.

1. Określenie rodzaju gruntu na podstawie współczynnika filtracji.

Tab. 1 Orientacyjne wartości współczynników filtracji

stopień przepuszczalności	rodzaj gruntu	k [m/d]
bardzo mocno przepuszczalne	rumosz	250
	żwir (z większą ilością kamieni)	150÷250
mocno przepuszczalne	żwir	75÷150
	pospółka, piasek gruby	25÷75
średnio przepuszczalne	żwir gliniasty, pospółka gliniasta, piasek średni	10÷25
mało przepuszczalne	piasek drobny	1÷10
słabo przepuszczalne	piasek pylasty, piasek gliniasty	1×10^-1÷1
	pył piaszczysty	1×10^-2÷1×10^-1
bardzo słabo przepuszczalne	pył, glina piaszczysta, glina	1×10^-3÷1×10^-2
	glina pylasta, glina piaszczysta zwięzła	1×10^-4÷1×10^-3
praktycznie nieprzepuszczalne	glina zwięzła, glina pylasta zwięzła, ił piaszczysty	1×10^-5÷1×10^-4
	ił, ił pylasty	1×10^-6÷1×10^-5

2. Odwodnienie powierzchniowe.

2.1 Obliczenie kąta nachylenia nawodnionych skarp (α) przy odwodnieniu powierzchniowym

$$f = \frac{\gamma^{I} \bullet \cos{\alpha \bullet \text{tg}\Phi}}{\gamma \bullet p \bullet \text{tgα} + \gamma^{I} \bullet \text{sinα}} \geq 1,1$$

gdzie

γ^I = (1−p) • (γ_s−γ)

Parametry gruntu należy ustalić dla danego gruntu wg PN 81/B-03020, wiedząc, że γ=g·ρ

Tab. 2 Orientacyjne porowatości niektórych gruntów

Nazwa gruntu	p [%]
gleba torf muł świeży ił plastyczny glina less less gliniasty piasek o równomiernym uziarnieniu pospółka żwir margiel	43÷65 76÷89 50÷90 35÷70 24÷42 40÷65 25÷35 25÷50 15÷30 20÷55 20÷49

2.2.Zasięg depresji (R) wg Sichardta:

-dla współczynnika filtracji podanego w m/s:

$R = 3000 \bullet s_{0} \bullet \sqrt{k}$ [m]

-dla współczynnika filtracji podanego w m/d:

$R = 10,2 \bullet s_{0} \bullet \sqrt{k}$ [m]

2.3 Określenie rodzaju wykopu:

R/2>L ⇒wykop brzegowy,

R/2<L ⇒wykop lądowy

2.4 Promień wielkiej studni (r₀):

-dla wykopów brzegowych, gdy a/b>3

$$r_{0} = \frac{2 \bullet a + 2 \bullet b}{2 \bullet \pi}$$

-dla wykopów brzegowych, gdy a/b<3

$$r_{0} = \sqrt{\frac{a \bullet b}{\pi}}$$

-dla wykopów lądowych:

$$r_{0} = \eta \bullet \frac{a + b}{4}$$

Tab. 3 Wartości współczynnika η

b/a	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	≥0,6
η	1,05	1,08	1,12	1,144	1,16	1,174	1,18

2.5. Obliczenie dopływu (Q) do wykopu:

-do wykopu brzegowego

-do wykopu lądowego

gdzie współczynnik niezupełności wykopu $\xi = f\left( \frac{h}{H_{0}},\frac{H_{0}}{r_{0}} \right)$ określa się z tab. 4

Tab. 4 Wartości współczynnika niezupełności wykopu (ξ)

H0/r0 h/H0	0,5	1	5	10	30	100	200	500	1000
0,05	0,0100423	0,1350	2,300	12,6	35,5	71,9	94,0	126	149
0,10	0,0059100	0,1220	2,040	10,4	24,5	43,5	55,9	70,2	81,8
0,30	0,0029700	0,0808	1,290	4,79	9,20	14,5	17,7	21,8	24,9
0,50	0,0016400	0,0494	0,656	2,56	4,21	6,50	7,86	9,64	11,0
0,70	0,0005460	0,0167	0,237	0,879	1,69	2,67	3,24	4,01	4,58
0,90	0,0000482	0,0015	0,0251	0,128	0,302	0,537	0,677	0,867	1,01

2.6 Wnioski

Tab. 5 Orientacyjne dopuszczalne zagłębienie dna wykopu poniżej

poziomu wody gruntowej

Rodzaj gruntu	zagłębienie [m]
pył	do 0,2
piasek pylasty	0,2÷0,4
piasek drobny	0,4÷0,7
piasek średni, pospółka	0,7÷1,2
piasek gruby, żwir	1,2÷2,0

3. Obliczenia odwodnień wgłębnych

3.1 Założenia wstępne:

-studnie dogłębione (ξ=0),

-ilość studni (np. n=4),

-obniżenie zwierciadła wody (depresja) przy studniach (np. s_s=s_o+2m),

- promień (r, np. r=150:2 [mm])

Przyjmuje się następujące średnice

-igłofiltry 40÷74 mm,

-igłostudnie 75÷150 mm,

-studnie 150÷300 (450) mm

3.2.Zasięg depresji (R) wg Sichardta:

-dla współczynnika filtracji podanego w m/s:

$R = 3000 \bullet s_{s} \bullet \sqrt{k}$ [m]

-dla współczynnika filtracji podanego w m/d:

$R = 10,2 \bullet s_{s} \bullet \sqrt{k}$ [m]

3.3 Obliczenie natężenia dopływu wody do zespołu studni:

lub dla wykopu brzegowego:

Uwaga: przy obliczaniu promienia wielkiej studni r₀ (wg wzorów podanych przy obliczaniu odwodnienia powierzchniowego) należy uwzględnić, że studnie muszą znajdować się w pewnej odległości od dna wykopu (przy czym przy odwodnieniu wgłębnym skarpy mogą być

-nachylone do poziomu pod kątem równym kątowi tarcia wewnętrznego gruntu lub

-wykonane jako pionowe lecz wtedy należy zastosować obudowę wykopu i podać sposób wykonania tej obudowy (nie może być zbyt wysoka).

Studnie można umieścić tuż ponad statycznym zwierciadłem wody (dopuszcza się umieszczenie poniżej poziomu terenu).

3.4 Sprawdzenie:

lub dla wykopu brzegowego:

Obliczenia prowadzimy aż zostanie spełniony warunek |s_szal.−s_sobl| ≤ 0, 5 m, odpowiednio zmieniając założenia wstępne (w pierwszej kolejności s_szal.)

3. 5 Określenie długości czynnej filtra (l_f): l_f ≥ l_d

gdzie: v_d, k [m/d]

Przyjmuje się następujące długości filtrów:

-igłofiltry 0,3÷0,5 m,

-igłostudnie 2,0÷3,0 m,

-studnie do 6,0 m

3.6 Obliczenie odcinka swobodnego wysączania się wody (straty na filtrze):

gdzie

powierzchnia czynna filtra: F = 2 • π • r • l_f,

dla pierścieniowych (konturowych) układów studni:

$$\beta = \frac{\ln\frac{R}{r}}{\ln\frac{R^{n}}{n \bullet r_{0}^{n - 1} \bullet r}}$$

3.7 Określenie zasięgu (miąższości) strefy czynnej

H₀^I = α • (s_s+l_f)

Tab. 6 Wartość współczynnika α

$$\frac{\mathbf{s}_{\mathbf{s}}}{\mathbf{s}_{\mathbf{s}}\mathbf{+}\mathbf{l}_{\mathbf{f}}}$$	0,2	0,3	0,5	0,8	1,0
α	1,3	1,5	1,7	1,85	2,0

Jeśli H₀^I < H₀ to w dalszych obliczeniach należy przyjąć H₀=H₀^I

3.8 Sprawdzenie warunku dogłębienia studni:

m=H₀-s_s-Δh_z-l_f

Jeśli:

-0≤m≤2m przyjmujemy, że studnie są faktycznie dogłębione

-m<0 należy zmienić założenia (ilość i średnicę studni), ponieważ filtr nie może znajdować się w warstwie nieprzepuszczalnej,

-m>2m należy skorygować obliczenia uwzględniając współczynnik niezupełności studni ξ –z tab. 4 jako: $\xi = f\left( \frac{l}{M},\frac{M}{r} \right)$,

gdzie: $M = M_{0} - \frac{s_{s} - s_{0}}{2}$ oraz $l = l_{f} + \frac{s_{s} - s_{0}}{2}$

4. Odprowadzenie wody z odwodnienia wgłębnego oraz dobór pomp

Korzystając z tab. 7 i 8 należy dobrać średnicę rurociągów oraz odczytać wielkość strat Δh_r [m/mb].

4.1 Długość przewodu ssawnego w studni:

l_ss=1,0+0,5+s_s+Δh_z+l_f+0,5+(t – h)

Wysokość ssania pompy:

h_ss=0,5+ s_s+Δh_z+l_f+(t – h)+h_str

uwzględniając, że straty miejscowe wynoszą 20% strat na długości straty w rurociągu:

h_str=1,2·l_ss·Δh_r

Uwaga: długości 1,0; 0,5; 0,5 wynikają z położenia i wymiarów geometrycznych pompy i kosza ssawnego, wartości (t – h) nie należy uwzględniać wówczas jeśli pompa znajduje się nad statycznym zwierciadłem wody (a nie na poziomie terenu).

Na podstawie wysokości ssania pompy stwierdzić możliwość zastosowania pompy powierzchniowej.

4.2 Wysokość podnoszenia pompy:

H_pompy=h_ss+(t – h)+Σh_i

gdzie Σh_i suma strat na poszczególnych odcinkach rurociągów, których długości zależą od rozmieszczenia studni, a średnice od ilości przepływającej wody: q, 2·q, …n·q.

Uwaga: (t – h) należy uwzględnić, jeśli przy obliczaniu h_ss założono, że pompa znajduje się nad statycznym zwierciadłem wody (a nie na poziomie terenu).

4A Alternatywnie obliczenia odprowadzenia wody z odwodnienia wgłębnego oraz doboru pomp można dokonać korzystając ze wzorów hydraulicznych:

Obliczenie koniecznej średnicy rurociągu ze względu na prędkość ekonomiczną v_e=(1÷2)m/s:

$$d = \sqrt{\frac{4 \bullet Q}{\pi \bullet v_{e}}}$$

-przyjęto d=……………. standardowe średnice (10, 15, 20 25, 32, 40, 50…mm), wówczas:

$$v = \frac{4 \bullet Q}{\pi \bullet d}$$

Straty oblicza się przyjmując, że straty miejscowe wynoszą 20% strat na długości:

$h_{\text{str}} = 1,2 \bullet \frac{v^{2}}{2 \bullet g} \bullet \lambda \bullet \frac{l}{d}$ gdzie:

$$\frac{1}{\sqrt{\lambda}} = - 2 \bullet \log\frac{K}{3,71 \bullet d}$$

K - chropowatość rury: 0,025 mm dla rur winidurowych, 0,05 mm dla rur polietylenowych

Tab. 7 Straty ciśnienia w rurach stalowych

Natężenie przepływu	Średnica nominalna w calach i średnica wewnętrzna w mm
m3/h	l/min.
0,6	10
0,9	15
1,2	20
1,5	25
1,8	30
2,1	35
2,4	40
3	50
3,6	60
4,2	70
4,8	80
5,4	90
6	100
7,5	125
9	150
10,5	175
12	200
15	250
18	300
24	400
30	500
36	600
42	700
48	800
54	900
60	1000
75	1250
90	1500
105	1750
120	2000
150	2500
180	3000
240	4000
300	5000

Podane wartości strat ciśnienia w metrach odnoszą się do 100 m prostego odcinka rurociągu. W przypadku zastosowania na trasie rurociągu kolana, trójnika, zaworu zwrotnego, zasuwy odcinającej do długości prostego odcinka doliczamy 5 m na każdą sztukę w/w elementu.

Tab. 8 Straty ciśnienia w rurach z tworzyw sztucznych

Natężenie przepływu	Średnica zewnętrzna i wewnętrzna w mm
		25	32	40
m3/h	l/min.	20,4	26,2	32,6
0,6	10	1,8	0,7	0,3
0,9	15	4	1,2	0,6
1,2	20	6,4	2,2	0,9
1,5	25	10	3,5	1,4
1,8	30	13	4,5	2
2,1	35	16	6	2,5
2,4	40	22	7,5	3,4
3	50	37	11	4,8
3,6	60	43	15	6,5
4,2	70	50	18	8
4,8	80		25	10,5
5,4	90		30	12
6	100		39	16
7,5	125		50	24
9	150			33
10,5	175			38
12	200			50
15	250
18	300
24	400
30	500
36	600
42	700
48	800
54	900
60	1000
75	1250
90	1500
105	1750
120	2000
150	2500
180	3000
240	4000
300	5000

5. Zestawienie oznaczeń

a -dłuższy bok wykopu (wymiar na poziomie dna) [m],

b –krótszy bok wykopu (wymiar na poziomie dna) [m],

f –współczynnik stateczności,

F –powierzchnia czynna filtra [m²],

h –głębokość wykopu względem statycznego zwierciadła wody [m],

H₀ –rzeczywista miąższość warstwy wodonośnej [m],

H₀^I -(miąższość) strefy czynnej [m],

k -współczynnik filtracji [m/s, cm/s, m/d],

K –chropowatość materiału [m],

L – odległość wykopu od rzeki [m],

l_d –długość dopuszczalna (minimalna) filtra [m],

l_f -długość czynna filtra [m],

M₀ –wzniesienie zwierciadła wody pod dnem wykopu ponad warstwą nieprzepuszczalną [m],

n -ilość studni,

p –porowatość gruntu,

q –dopływ wody do pojedynczej studni [m³/s, m³/d],

Q –dopływ wody do zespołu studni [m³/s, m³/d],

Q_B - dopływ wody do wykopu brzegowego [m³/s, m³/d],

Q_L –dopływ wody do wykopu lądowego [m³/s, m³/d],

r – promień studni [m],

r₀ –promień wielkiej studni [m],

R -zasięg depresji [m],

s₀ - obniżenie zwierciadła wody pod dnem wykopu [m],

s_s -obniżenie zwierciadła wody (depresja) przy studniach [m],

t – głębokość wykopu [m],

v_d –dopuszczalna prędkość wody[m/s, m/d],

v_e -prędkość ekonomiczna w rurociągu[m/s],

α -kąt nachylenia skarp[⁰],

γ –ciężar objętościowy wody [kN/m³],

γ' -ciężar objętościowy gruntu z uwzględnieniem wyporu [kN/m³],

γ_s - ciężar objętościowy szkieletu gruntowego [kN/m³],

Δh_z -strata na filtrze [m],

ξ –współczynnik niezupełności wykopu lub studni,

Φ -kąt tarcia wewnętrznego gruntu [⁰]

6. Bibliografia

• Pazdro Z.: Hydrogeologia ogólna, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1983

• Sokołowski J., Żbikowski A.: Odwodnienia budowlane i osiedlowe, Wyd. SGGW, Warszawa 1993.

• Wiłun Z.: Zarys geotechniki, Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 1987

• PN 81/B-03020 Grunty budowlane - Posadowienie bezpośrednie budowli - Obliczenia statyczne i projektowanie

• http://www.hydro-vacuum.com.pl