Podstawy wodociągów i kanalizacji

05.11.2007

Mgr B. Sajko

Ad.1.2.2. Ujęcia wód potoków i małych rzek mogą być źródłem zasilania wodociągu pod warunkiem, że ….. tych ujęć pokryje potrzeby ….. .

Dla stworzenia odpowiedniej głębokości która jest niezbędna dla poboru wody oraz zatrzymywania materiału dennego, ujęcia te wymagają z reguły spiętrzenia wody za pomocą jazu lub ….

Ujęcia mogą być wykonywane za pomocą studni kopanej (zapuszczanej) w gruntach wodonośnych, wodonośnych korycie potoku.

Innym sposobem ujmowania wody może być wykonanie ujęcia dennego:

- ujęcia wody za pomocą jazu stałego lub ruchomego (rys. ) woda w tego rodzaju ujęciach spiętrzana jest za pomocą jazu na głębokości około 2,5m

- ujęcia za pomocą progu spiętrzającego (rys. 20) stosowane do poboru małych ilości wody, na potokach górskich i małych ciekach nizinnych.

- ujmowanie za pomocą małych progów. Rozwiązanie jest podobne do ujęć a progami z tą różnicą, że korona progu znajduje się na poziomie dna cieku (rys. 21). Tego rodzaju ujęcia powinny być budowane z jednoczesnym wybudowaniem powyżej łapaczy rumowiska. Musimy mieć pewność, że rumosz prowadzony wodami powodziowymi niesie zawiesiny ziarniste bez domieszek gliny i iłu (żeby ujęcie nie było zamulane i zasypywane).

- ujęcie wody denne drenowe (rys. 22, 23, 24) jest szczególnie podatne na zamulanie i musimy mieć pewność, że rumosz prowadzony wodami powodziowymi niesie zawiesiny ziarniste bez domieszek gliny i iłu.

Ujęcie denne dla potoku buduje się w formie betonowej skrzyni (zbiornika) z ułożonymi na dnie sączkami drenarskimi o średnicy 80-100mm. Zbiornik taki jest wypełniony do poziomu koryta potoku materiałem filtracyjnym żwirowo-piaskowym, sączki ułożone są w poprzek koryta ze zbieraczem o średnicy 150-200mm, odprowadzającym wodę do studni zbiorczej skąd woda przepompowywana jest do dalszej obróbki.

Ad.1.3. Są to ujęcia wód powierzchniowych stojących ze zbiorników. Zbiorniki naturalne (jeziora, zalewy) jako źródło wody mają wiele zalet, do których zaliczamy nieznaczne wahania poziomu zwierciadła wody w ciągu roku. Zasoby wodne zależne dą od wielkości zbiornika i zlewni. Temperatura wody w jeziorach głębokich jest prawie stała odpowiadająca średniej rocznej temperaturze. Jeziora i zalewy są naturalnymi osadnikami, osadnikami, których skutek wytrącania się zawiesin jakość wody poprawia się. Bakterie chorobotwórcze giną w znacznej części, zmniejsza się barwa wody, poprawia przezroczystość. Im dłużej woda jest w zbiorniku tym lepsze następuje samooczyszczenie. Na większych głębokościach (15-30m) gdzie światło prawie nie dochodzi giną drobnoustroje. Najwięcej zanieczyszczeń znajduje się na powierzchni wody, gdzie gromadzą się wszelkie zanieczyszczenia pływające, organiczne i mineralne, oraz przy samym dnie ze względu na dużą koncentrację opadających osadów pochodzenia organicznego zwiększającego nieorganicznego oraz zwiększającego zanieczyszczenia chemicznego - zasolenie wody. Przy ujęciu ze zbiorników naturalnych głębokość zbiornika w miejscu ujęcia powinna umożliwić prawidłowe zainstalowanie urządzeń do czerpania wody. Miejsce ujęcia nie powinno być narażone na działanie dominujących kierunków wiatru ze względu na niszczące działanie fal, sączenie wody podczas falowania, nawiewanie zanieczyszczeń pływających (liście itp. zwałów lodu okresie odwilży). W strefie (15-30m) poniżej zwierciadła wody oraz 3-5m powyżej dna woda jest najbardziej klarowna i najlepiej nadaje się do celów wodociągowych. Przy czerpaniu wody ze zbiorników naturalnych zależnie od warunków lokalnych i głębokości zbiorników można stosować (rys. 26,27):

- dla wodociągów średnich i dużych - czerpnie typu wieżowego (ujęcia wieżowe) lub brzegowego (ujęcia brzegowo-komorowe)

• dla wodociągów małych przy brzegach płaskich można projektować czerpnie zatopione (ujęcia nurtowo-zatopione)rys.28

Ad. 1.4.

Ujęcia wód powierzchniowych stojących ze zbiorników sztucznych.

Zbiorniki sztuczne z reguły służą w takim celu jak: przeciwpowodziowym, energetycznym, żeglugowym, melioracyjnym i potrzebom wodociągowym. Zbiornik przeznaczony całkowicie lub częściowo na cele wodociągowe musi odpowiadać pod względem sanitarnym i pod względem pojemności. Ujęcia ze sztucznych zbiorników ze zwiększonym zwierciadłem wody mogą być:

1. O stałym poziomie wody: Projektuje się je zgodnie z zasadami jak ujęcia ze zbiorników naturalnych stojących.

2. O zmiennym poziomie wody: Mogą to być ujęcia typu wieżowego, brzegowego, dennego (omawiane poprzednio) lub z zaporze - szybowe (rys. 29). Ujęcie w zaporze budowane jest równocześnie wraz z budową zapory. Z uwagi na występowanie różnych zmiennych poziomów wody przy zaporze, okna wlotowe ujęcia projektuje się na różnych poziomach. Górna krawędź okna powinna znajdować się na głębokości 15 ÷ 20 m pod aktualnym poziomem wody. Dolna, najniżej usytuowanego okna, 3 ÷ 20 m powyżej dna. Prędkość wlotowa w oknach powinna wynosić 0,2 ÷ 0,3 m/s. Odprowadzenie wody odbywa się przewodami rurowymi zainstalowanymi w szybie i sztolni. Tam zapewniony jest dostęp do przewodów oraz istnieje możliwość zamocowania ich do ścian szybów i dna sztolni. Wlot do okna na zewnątrz powinien być zaopatrzony w zasuwę płytową, a od wewnątrz szybu w zasuwę wodociągową (rys. 29, 30). Na wlocie należy montować kraty podgrzewane. Przewody w szybie muszą być uzbrojone w kompensację i zasuwy. Główne dojście do szybu powinno być umieszczone w korpusie zapory. Dla czyszczenia krat stosowany jest tabor pływający.

Ad. 2.

Ujęcia wód podziemnych:

1. Ujęcia płytkich wód podziemnych za pomocą płytkich ciągów drenażowych.

Ujęcia te są stosowane dla wodociągów małych o wydajności ≤ 25 dm³/s. Wodę ujmuje się z płytkich wód podziemnych położonych na głębokości 5 ÷ 7 m poniżej poziomu terenu. Są to ciągi drenażowe ułożone w przygotowanym wykopie na jego dnie i obsypane materiałem filtracyjnym (rys. 32). Obsypka najczęściej jedno-, dwu- lub więcej-warstwowa składa się z kalibrowanych ziaren żwiru i grubego piasku, dostosowana do uziarnienia warstwy wodonośnej i otworu w rurach drenażowych. Materiał obsypki musi charakteryzować się dużą przepuszczalnością, odpornością na działanie wody i powietrza, wytrzymałością mechaniczną, kształt kruszywa okrągły (należy unikać tłuczni lub grysów); obsypka powinna zapewniać stabilizację gruntu. Grubość warstwy obsypki 0,2 ÷ 0,3 m, od góry rów drenażowy należy przykryć warstwą iłu lub tłustej gliny o grubości co najmniej 0,5 m. Warstwa ta stanowi zabezpieczenie przed dostawaniem się wód opadowych bezpośrednio do drenu. Pod względem materiałowym najlepsze dreny to ceramiczne i perforowane rury kamionkowe oraz dreny z tworzyw sztucznych. Średnica perforacji 15 ÷ 20 mm, perforacja rozmieszczona na całej ścianie zewnętrznej rury równomiernie. Układ drenażowy składa się z następujących elementów (rys. 32, 33, 34):

1. kilku ciągów drenażowych,

2. studni zbiorczej do której dopływa woda z ciągów drenażowych,

3. pompowni lub urządzeń lewarowych odprowadzających wodę ze studni zbiorczej do następnych urządzeń wodociągowych, np. stacji uzdatniania wody.

Ciągi z reguły układa się na spągu warstwy wodonośnej (jeśli jest to możliwe) w odstępach co 30 ÷ 50 m. Na ciągach należy montować studnie kontrolne o średnicy 1m. Minimalne spadki drenów powinny wynosić dla rur o Φ150 ÷ Φ200 mm spadek i_min = 3 ÷ 5 ‰, dla rur Φ200 ÷ Φ300 i_min = 3 ‰, dla rur o średnicy większej niż Φ300 i_min = 1 ÷ 2 ‰. Prędkość przepływu v = 0,5 ÷ 0,7 m/s, v < 1 m/s. W gruntach piaszczystych prędkość v > 0,3 m/s, w utworach gliniastych v > 0,15 m/s. Przekrój i spadek ciągu drenażowego należy dobrać na podstawie wyliczonego przepływu na końcu danego odcinka przyjmując pięćdziesięcioprocentowe napełnienie drenu. Projekt opracowuje się w oparciu o dokumentację hydrogeologiczną zasobów wodnych kategorii B.

2. Ujęcia płytkich wód podziemnych za pomocą galerii zbiorczych. (rys. 35)

Dla ujmowania płytkich wód podziemnych, przy zaleganiu 4 ÷ 5 m, dla wodociągów średnich o maksymalnej wydajności < 200 l/s współczynnik filtracji k należy ustalać na podstawie pompowań próbnych lub zgodnie z obowiązującymi normami. Prędkości wlotowe do galerii dostosowane są do uziarnienia warstwy wodonośnej zgodnie z zasadami podanymi dla drenażu. Przekrój galerii może być przełazowy (np. 0,75 ÷ 1,25m - kanały przełazowe to takie, których największy wymiar jest większy od 1m) lub nieprzełazowy (< 1 m). Galerie buduje się z cegły kanalizacyjnej, betonowe i żelbetowe. Otwory w ścianach galerii wykonywane są jako okrągłe lub szczelinowe (prostokątne). Obsypka filtracyjna piaskowo-żwirowa ścian i sklepień powinna być grubości > 50 cm; powinna się składać z warstw poszczególnych frakcji po 10 cm. Spadek dna galerii 1 ÷ 3 ‰. Galerię z góry należy zabezpieczyć przed przedostawaniem się wód opadowych bezpośrednio do galerii podobnie jak w przypadku ciągów drenażowych (> 50 cm iłu lub gliny). Woda z galerii odpływa do studni zbiorczej, skąd czerpana jest przy pomocy lewara lub pomp i przekazywana jest do następnych urządzeń (np. stacji uzdatniania wody). Dostęp do galerii poprzez studzienki kontrolne ustawione co 50 ÷ 100 m.

3. Ujęcia wody gruntowej za pomocą studni kopanej. (rys. 36 ÷ 42)

Studnie kopane (szybowe) najwcześniej były stosowane w gospodarstwach wiejskich. Były wykopywane w warstwie wodonośnej, a następnie obudowane ściankami drewnianymi, w późniejszym okresie murem kamiennym lub ceglanym. Obecnie wykonuje się je z kręgów żelbetowych o średnicy 1 m jako studnie zapuszczane. Studnie zagłębiane były pod zwierciadło wody około 0,6 ÷ 1 m przy czerpaniu wody wiadrem lub głębiej przy czerpaniu pompą. Studnie głębsze wykonuje się metodą studniarską, która polega na wybieraniu gruntu, ziemi z dna studni przy jednoczesnym zapuszczaniu kręgów. Studnie kopane dla potrzeb wodociągów mają znacznie większą średnicę, zwykle 5 m, a głębokość zapuszczania wynosi około 10 ÷ 15 m. Zapuszczanie ponad 30 m staje się nieekonomiczne dla potrzeb wodociągowych. Głębsze wody ujmuje się wyłącznie za pomocą studni wierconych. Rodzaje ujęć za pomocą studzien kopanych mogą być różne w zależności od miąższości warstwy wodonośnej i od głębokości ujęcia (rys. 36). Pobór wody może być:

• boczny - przez otwory ścienne (po zapuszczeniu studni do warstwy nieprzepuszczalnej i po zabetonowaniu dna - rys. 36a),

• boczny i denny - stosowany jest jeżeli miąższość warstwy wodonośnej jest duża (rys. 36b), studnia jest zawieszona w warstwie wodonośnej,

• denny - (rys. 36c) stosowany przy studni zawieszonej i niezbyt głębokim strumieniu wody gruntowej; w tym przypadku głębokość wody pod studnią musi być większa od średnicy studni.

Technologia wykonania i zapuszczania studni:

Studnie kopane składają się z następujących głównych części:

1. Wieńca (noża) (rys. 39) - jest to podstawowy element studni kopanej, za pomocą którego studnia pod własnym ciężarem może zagłębić się w grunt. Wieńce mogą być żeliwne, stalowe, żelbetowe, a dla mniejszych średnic drewniane.

2. Muru płaszczowego (płaszcza) - mur może być wykonany z cegły na zaprawie cementowej, betonu lub żelbetu. Mury z cegieł i betonowe muszą być zabezpieczone kotwami przed urwaniem się studni w czasie zapuszczania dolnej części studni na skutek przechwycenia przez nacisk ziemi jej górnej części. Kotwy przebiegają od wieńca pionowo do górnych segmentów studni. Długość kotew: około 2 m; długość powinna odpowiadać wysokości poszczególnych segmentów roboczych studni. W murze co około 2 m zakładane są poziome pierścienie wiążące wykonane z płaskowników stalowych, do których przymocowane są kotwy dolne i górne, co daje silne połączenie górnych i dolnych segmentów, i zabezpiecza mur ocembrowania studni przed urwaniem się. Studnie żelbetowe oblicza się m.in. na urwanie się studni, a więc dodatkowe zabezpieczenia studni żelbetowych są zbędne.

3. Obudowy górnej - górna część studni może być zakończona pokrywą lub wykonuje się pomieszczenia, np. dla pompowni. Zależy to od warunków miejscowych i potrzeb.

Wykonanie studni.

Studnie można wykonywać dwoma sposobami:

• na mokro,

• na sucho - polega na wykonaniu sztucznego obniżenia poziomu wody gruntowej za pomocą pompowania i wykonanie studni w przygotowanym suchym wykopie.

Normalny tryb wykonania studni polega na:

1. Wykonanie w terenie wykopu (z reguły niezabezpieczonego) na głębokość 2 ÷ 3m (maksymalnie do poziomu wody gruntowej). Skarpy wykopu w piaskach muszą mieć pochylenie 1:1, w glinach piaszczystych 1:0,75; w iłach 1:0,5. W gruntach nasypowych należy wykonać zabezpieczenie wykopu.

2. Wyrównanie dna wykopu, następnie na wyrównanym dnie ustawia się wieniec podstawowy (jedno lub więcej segmentowy). Wieniec ustawia się poziomo na dnie na krótkich balach lub podmurówce z cegły lub słabej zaprawy. Podłoże to służy do ustalenia położenia studni i przeciwdziała nierównomiernemu zagłębianiu się po wykonaniu pierwszego segmentu.

3. Na tak ustawionym wieńcu wykonuje się mur studni, czyli płaszcz (z cegły, betonu, żelbetu) na wysokość około 2 ÷ 3m, pamiętając o kotwach i pierścieniu w/w. Mur musi być wykonany starannie, aby opuszczanie studni odbywało się ściśle pionowo. Powierzchnia zewnętrzna muru musi być wyprawiona gładko dla zmniejszenia tarcia miedzy gruntem a płaszczem studni (rys. 41a).

4. Następnie wybieramy ziemię ze środka studni likwidując symetrycznie uprzednio wykonaną podporę pod nożem (należy zwracać uwagę, aby nie skrzywić studni). Pozbawiony podpory nóż wieńca, pod wpływem ciężaru nadbudowanego segmentu muru zacznie się zagłębiać w głąb gruntu (rys. 41b).

5. Gdy pierwszy segment wciśnie się w grunt, a opory tarcia nie pozwolą na dalsze zagłębianie segmentu pomimo podbierania gruntu spod noża, nadbudowuje się następny segment studni pamiętając o kotwach i pierścieniach.

6. Tok postępowania powtarzamy aż osiągniemy żądaną głębokość (rys. 41c).

7. Najbardziej odpowiedzialną pracą jest podbieranie gruntu spod noża. Dopóki nóż znajduje się powyżej poziomu wody gruntowej to podbieranie może być kontrolowane bezpośrednio przez pracowników wykonujących podbieranie metodą ręczną lub mechaniczną.

8. Pod wodą ziemię wydobywa się za pomocą różnego rodzaju czerpaków (rys. 40, 42).

9. Studnia powinna opuszczać się równomiernie bez skoków. Nierównomierności osiadania studni możemy przeciwdziałać przez dodatkowe dociążanie studni, przeszkody takie jak kamienie pod wieńcem należy rozbijać lub usuwać (albo pod kamieniem szukać skarbu...).

10. W gruntach łatwo wymywalnych można wykorzystywać metodę hydromechanicznego podbierania gruntu pod wieńcem, stosując koparki hydromechaniczne, wymulacze lub podnośniki strumieniowe, itp.

Środki zaradcze w przypadku, gdy ciężar studni jest niewystarczający do pokonania oporów tarcia:

1. Obciążenie muru studni dodatkowym ciężarem przez wybudowanie nad studnią podestu i układanie na nim ciężkich przedmiotów, jak np. szyny i dźwigary stalowe.

2. Obniżanie w czasie bagrowania poziomu zwierciadła wody w studni i w ten sposób przez wywołanie różnicy ciśnień zewnątrz i wewnątrz studni doprowadzenie do rozluźnienia i wypłukiwania gruntu spod wieńca przez wypływającą wodę. Sposób ten jest jednak niepewny, można doprowadzić do skrzywienia studni, a nawet uszkodzenia przez jej nagłe obsunięcie się.

3. Podwyższenie poziomu wody w studni ponad zwierciadło wód gruntowych, przez co wpływająca w grunt pod wieńcem woda zmniejsza kąt tarcia między gruntem a murem studni, zmniejszając w tym samym opory tarcia. Sposób ten daje korzystne wyniki w gruntach słabo przepuszczalnych.

4. Wypłukiwanie gruntu spod wieńca przez tłoczenie pod ciśnieniem wody przez dysze umieszczone w wieńcu studni. Nadaje się do gruntów przepuszczalnych.

5. Zastosowanie ciężkich wibratorów na murze studni, co równocześnie ułatwia równomierne opuszczanie studni.

6. Zastosowanie cieczy tiksotropowych wprowadzonych pod ciśnieniem między grunt a mur studni za pomocą systemu przewodów z wylotami ponad wieńcem. Ciecz tiksotropowa zmniejsza poważnie tarcie między gruntem a murem, tek, że stosunkowo mały ciężar studni wystarczy do pokonania oporów tarcia.

7. Wykonanie lekkiego rozszerzenia płaszcza studni ku dołowi (rozszerzenie wykonuje się zwykle na 1/3-1/4 wysokości studni; wynosi ono od1/20 przy studniach od 8m głębokości, do 1/50 przy studniach ponad 15m głębokości.

8. Wykonanie wieńca o nieco większej średnicy zewnętrznej (ok. 0,10-0,20m z każdej strony) niż średnica zewnętrzna muru studni (sprzyja to jednak odchyleniu studni od pionu).

---