podst. wodociągów i kanalizacji - wykład 5 (26.03.10)

Ujęcie wody gruntowej za pomocą studni kopanej - rys 36-42

Studnie kopane (szybowe) najczęściej były stosowane w gospodarstwach wiejskich. Były wykopywane w warstwie wodonośnej, a następnie obudowywane ściankami np. drewnianymi, później murem np. kamiennym. Obecnie wykonuje się za pomocą kręgów żelbetowych. Studnie były zagłębiane pod zwierciadło wody, od ok. 0,6-1m przy czerpaniu wiadrem, lub głębsze przy czerpaniu pompą. Studnie głębsze wykonuje się metodą studniarską, która polega na wybieraniu ziemi z dna studni przy jednoczesnym zapuszczaniu kręgów.

Studnie kopane dla potrzeb wodociągowych mają znacznie większą średnicę i zwykle od 2 do 5m, a głębokość zapuszczania - ok. 10-15m. Zapuszczanie studni ponad 30m jest nieekonomiczne. Głębsze wody ujmuje się wyłącznie (często) za pomocą studni wierconych.

Rodzaje ujęć za pomocą studni 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 wodonośnej

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

- przy studni zawieszonej, przy niezbyt dużym strumieniu wody gruntowej, głębokość wody pod studnią musi być większa od średnicy studni

Studnie kopane składają się z nast. części:

1. wieńca (noża) - rys. 39 - podstawowy element studni kopanej, za pomocą którego studnia pod własnym ciężarem może zagłębiać się w grunt. Wieńce mogą być żeliwne, stalowe, żelbetowe, dla mniejszych stosowane są nawet drewniane

2. muru płaszczowego (płaszcza) - z cegły na zaprawie cementowej, żelbetu, cegły. Mury z cegieł i żelbetu muszą być zabezpieczone kotwami, które chronią przed urwaniem w czasie zapuszczania dolnej części studni, na skutek przechwycenia przez nacisk ziemi jej górnej części (studnia się przekrzywi, zaprze o grunt, w środku pęka)

kotwy przebiegają od wieńca, pionowo, do górnej części studni, dł. ok 2m, powinna ona odpowiadać wysokości poszczególnych elementów roboczych studni. W murze co ok. 2m zakładane są poziome pierścienie wiążące wykonane z płaskowników stalowych do których przymocowuje się kotwy górne i dolne. Daje to silne połączenie górnych i dolnych segmentów i zabezpiecza mur ocembrowania studni przed urwaniem się. Studnie żelbetowe oblicza się na urwanie, a więc dodatkowe zabezpieczenie studni żelbetowych jest zbędne.

3. obudowy górnej - górna część studni może być zakończona pokrywą, lub wykonujemy pomieszczenia dla przepompowni (pompowni) - zależy to od warunków miejscowych i potrzeb.

Wykonanie studni

- na sucho - polega na tym, że wykonujemy obniżenie zwierciadła wody gruntowej za pomocą pompowania i

- na mokro -

Wykonanie studni w wykopie

1. Wykonanie studni w terenie wykopu (niezabezpieczonego) na głębokość 2-3m (maksymalnie do poziomu wody gruntowej. Skarpy wykopu w piaskach, pochylenie 1:1, w glinach piaszczystych 1:0,75, w iłach 1:0,5. W gruntach nasypowych należy zabezpieczyć dno wykopu.

2. Wyrównanie dna wykopu, następnie na wyrównanym dnie ustawia się wieniec podstawowy (jedno lub wielosegmentowy), wieniec należy ustawić pionowo na dnie, na krótkich balach, lub na podmurówce z cegieł, lub na słabej zaprawie. Podłoże to służy do ustalenia położenia studni, przeciwdziała nierównomiernemu zagłębieniu po wykonaniu pierwszego segmentu

3. Na tak wykończonym wieńcu ustawia się płaszcz, na wysokość 2-3m pamiętając o kotwach i pierścieniach. Mur musi być wykonany starannie, aby opuszczanie studni odbywało się ściśle pionowo. Powierzchnia zewn. musi być gładka, dla zmniejszenia tarcia między gruntem a płaszczem studni (rys 41a)

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

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

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

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

8. Pod wodą grunt wydobywa się za pomocą różnego rodzaju czerpaków (41-42)

9. Studnia powinna opuszczać się równomiernie bez skoków, a nierównomierności osiadania studni możemy przeciwdziałać przez dociążenie studni, a przeszkody pod wieńcem należy rozbijać/usuwać

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

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

1. obciążenie boków studni dodatkowym ciężarem, przez wybudowanie nad studnią podestu i układanie na nim ciężkich przedmiotów, np. szyny lub dźwigary stalowe

2. obniżenie w czasie bagrowania poziomu wody w studni (obniżania) - w ten sposób przez wywołanie różnicy ciśnień wody zewn. i wewn. studni, doprowadzenie do rozluźnienia i wypłukania gruntu z pod wieńca, przez wpływającą z zewnątrz wodę. Sposób ten jest niepewny, można doprowadzić do skrzywienia studni, a nawet uszkodzenia jej przez nagłe obsunięcie

Taką studnię po wykonaniu, wprowadzamy do głębokości nurka, aby sprawdzić, czy trzeba powybierać jeszcze grunt, a jeśli nie, wykonujemy korek pod wodą, potem ponownie schodzi nurek i sprawdza czy nie ma przecieków, jeśli ok, wypompowana woda, muł, zalewane betonem ostatecznie, zbrojenie itd.

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 tym samym opory tarcia. Sposób ten daje korzystne wyniki w gruntach słabo przepuszczalnych.

4. Wypłukiwanie gruntu spod wieńca przez wtłoczenie 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 bardzo poważnie tarcie między gruntem a murem, tak, że stosunkowo mały ciężar studni wystarczy do pokonania oporów tarcia.

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

8. Lub 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).

Ujmowanie wód podziemnych za pomocą studni wierconych

Za pomocą studni wierconych ujmuje się powszechnie zarówno wody płytkie jak i głębokie. Budowę studni wierconej muszą poprzedzać badania w celu ustalenia zasobów wody. Studnia wiercona składa się z następujących podstawowych części:

1. Rury filtrowej, którą zakłada się w warstwie wodonośnej. Jest ona przystosowana do przepuszczania wody i zatrzymania materiału wodonośnego.

2. Rury eksploatacyjnego (okładzinowej) stanowiącej osłonę i zabezpieczenie otworu studziennego od warstwy wodonośnej aż do powierzchni ziemi (do obudowy studni). Rury okładzinowe mogą składać się z rur o różnych średnicach, zależnie od głębokości założenia rury filtrowej.

3. Obudowa studni jest zakończeniem studni i jednocześnie zabezpieczeniem przed jej uszkodzeniem (rys 55,64,68)

Rodzaje studni wierconych (rys 43)

a) studnie bezfiltrowe (rys 43,a,b) - studnie te mają rury okładzinowe doprowadzone do warstwy wodonośnej i zamiast filtru mają otwór (w przypadku warstwy wodonośnej skalistej) lub lej (w przypadku warstwy wodonośnej i piaszczystej).

b) studnie filtrowe (rys 43,c,d,e) - studnie filtrowe mają rury okładzinowe początkowo doprowadzane do dna warstwy wodonośnej, a następnie po założeniu filtru, podciągnięcie w górę dla odsłonięcia filtru, pozostając jako rury eksploatacyjne (rys 43c) - albo okładzinowe, po założeniu filtru z przedłużoną rurą nadfiltrową zostają całkowicie wyciągnięte (rys 43d), wreszcie przy znacznych głębokościach, wykonanie jest podobne jak w przypadku (rys 43c) z tym, że dla dojścia z rurą okładzinową na konieczną głębokość, niezbędne jest uprzednie zapuszczenie rury prowadnikowej, ewentualnie zastosowanie dodatkowo rur pośrednich (teleskopowo) (rys 43e)

Studnie bezfiltrowe stosuje się przeważnie do ujmowania wody artezyjskiej pod ciśnieniem.

Studnie filtrowe - zasadniczym elementem tych studni jest filtr, umożliwia on dopływ wody do studni z równoczesnym zatrzymaniem ziaren warstw wodonośnych.

Urządzenia czerpne (rury ssawne pomp, pompy głębinowe) znajdują się wewnątrz studni

Rura filtrowa składa się z 3 części: (rys 43e,44,45,46,47,48,49)

1. Rury podfiltrowej, która jest osadnikiem, powinna być zagłębiona w warstwę nieprzepuszczalną, by nie tracić długości czynnej (rys 48,49)

2. Rura nadfiltrowa stanowi przedłużenie filtru właściwego, wchodzi w rurę eksploatacyjną, a między tymi dwoma rurami zakłada się uszczelnienie (rys 50,51,52)

3. Filtr właściwy o długości L - decyduje o wydajności studni

Filtry studzienne (rys 57-64)

Konstrukcje filtrów są różnorodne pod względem elementów składowych jak i materiałów. Można je podzielić na:

1. Filtry perforowane wykonane z rur zaopatrzone w otwory okrągłe lub prostokątne (rys 57,58,59)

2. Siatkowe wykonane z siatek różnego rodzaju, różnej gęstości osadzonych na rurach szkieletowych perforowanych (rys 60,61,63)

3. Filtry żwirowe których powierzchnia filtrująca wykonana jest z obsypki piaskowo żwirowej wokół rur szkieletowych perforowanych (rys 54,62). Obsypka żwirowa złożona z dwóch lub trzech warstw nie powinna być w sumie cieńsza niż 15cm

Wykonanie studzien wierconych (rys 47,65,65,66,67,68,69,70)

Studnie wiercone wykonuje się przez odwiercenie odpowiedniego otworu wiertniczego, zabezpieczenie go przez zarurowanie, ustawienie filtru na ustalonej głębokości oraz na wykonaniu obudowy studni.

---