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
Informacje o organizacji zajęć. Woda w gruncie. Ogólne wiadomości o filtracji.
Wydanie tematów. Ogólne wiadomości o odwodnieniach.
Określenie parametrów gruntu. Obliczenie nachylenia skarpy wykopu z wysączającą się wodą.
Obliczenie dopływu wody do wykopu (wielkiej studni).
Zakres stosowania i sposób wykonywania odwodnień bezpośrednich. Wnioski. Sprawdzenie zaawansowania projektu.
Rodzaje odwodnień wgłębnych. Rodzaje studni. Rodzaje filtrów. Sposoby wykonywania studni, igło studni, igłofiltrów.
Obliczanie odwodnień wgłębnych.
Obliczanie odwodnień wgłębnych c.d.
Obliczanie odwodnień wgłębnych c.d. Sprawdzenie zaawansowania projektu.
Rodzaje pomp. Dopuszczalne wielkości depresji. Zasada działania agregatu igłofiltrów.
Przyjęcie sposobu odpompowania, w zależności od wielkości depresji -pompy powierzchniowe, głębinowe.
Obliczanie oporów przepływu wody od miejsca poboru do odbiornika (rzeki) i dobór średnic rurociągów.
Dobór pomp. Rysunki. Sprawdzenie zaawansowania projektu.
Sprawdzian z wykładów i ćwiczeń.
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
gdzie
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:
[m]
-dla współczynnika filtracji podanego w m/d:
[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
-dla wykopów brzegowych, gdy a/b<3
-dla wykopów lądowych:
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
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. ss=so+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:
[m]
-dla współczynnika filtracji podanego w m/d:
[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
, odpowiednio zmieniając założenia wstępne (w pierwszej kolejności
)
3. 5 Określenie długości czynnej filtra (lf): lf ≥ ld
gdzie: vd, 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:
,
dla pierścieniowych (konturowych) układów studni:
3.7 Określenie zasięgu (miąższości) strefy czynnej
Tab. 6 Wartość współczynnika α
|
0,2 |
0,3 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
α |
1,3 |
1,5 |
1,7 |
1,85 |
2,0 |
Jeśli
to w dalszych obliczeniach należy przyjąć
3.8 Sprawdzenie warunku dogłębienia studni:
m=H0-ss-Δhz-lf
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:
,
gdzie:
oraz
4. Odprowadzenie wody z odwodnienia wgłębnego oraz dobór pomp
Korzystając z tab. 7 i 8 należy dobrać średnicę rurociągów oraz odczytać wielkość strat Δhr [m/mb].
4.1 Długość przewodu ssawnego w studni:
lss=1,0+0,5+ss+Δhz+lf+0,5+(t - h)
Wysokość ssania pompy:
hss=0,5+ ss+Δhz+lf+(t - h)+hstr
uwzględniając, że straty miejscowe wynoszą 20% strat na długości straty w rurociągu:
hstr=1,2·lss·Δhr
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:
Hpompy=hss+(t - h)+Σhi
gdzie Σhi 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 hss 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 ve=(1÷2)m/s:
-przyjęto d=……………. standardowe średnice (10, 15, 20 25, 32, 40, 50…mm), wówczas:
Straty oblicza się przyjmując, że straty miejscowe wynoszą 20% strat na długości:
gdzie:
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 |
||||||||||||
|
|
1/2" |
3/4" |
1" |
1 1/4" |
1 1/2" |
2" |
2 1/2" |
3" |
3 1/2" |
4" |
5" |
6" |
m3/h |
l/min. |
15,75 |
21,25 |
27 |
35,75 |
41,25 |
52,5 |
68 |
80,25 |
92,5 |
105 |
130 |
155,5 |
0,6 |
10 |
9,9 |
2,4 |
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9 |
15 |
20 |
4,9 |
1,6 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,2 |
20 |
33,5 |
8 |
2,6 |
0,7 |
0,35 |
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
25 |
50 |
12 |
4 |
1 |
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
1,8 |
30 |
69,5 |
16,5 |
5,3 |
1,4 |
0,7 |
0,25 |
|
|
|
|
|
|
2,1 |
35 |
91,5 |
21,5 |
7 |
2 |
0,9 |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
2,4 |
40 |
|
27,7 |
8,8 |
2,3 |
1,2 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
3 |
50 |
|
41,5 |
13 |
3,5 |
1,7 |
0,55 |
0,16 |
|
|
|
|
|
3,6 |
60 |
|
57,7 |
18,5 |
4,8 |
2,4 |
0,75 |
0,22 |
|
|
|
|
|
4,2 |
70 |
|
76,5 |
24 |
6,5 |
3 |
1 |
0,3 |
0,15 |
|
|
|
|
4,8 |
80 |
|
|
30,9 |
8 |
4 |
1,3 |
0,4 |
0,18 |
|
|
|
|
5,4 |
90 |
|
|
38,5 |
9,9 |
5 |
1,6 |
0,5 |
0,21 |
|
|
|
|
6 |
100 |
|
|
46,5 |
12 |
6 |
2 |
0,6 |
0,25 |
0,13 |
|
|
|
7,5 |
125 |
|
|
70,5 |
18 |
9 |
3 |
0,85 |
0,36 |
0,18 |
0,1 |
|
|
9 |
150 |
|
|
|
25 |
12 |
4 |
1,15 |
0,5 |
0,26 |
0,14 |
|
|
10,5 |
175 |
|
|
|
33,5 |
16,7 |
5,2 |
1,5 |
0,65 |
0,35 |
0,19 |
|
|
12 |
200 |
|
|
|
42,5 |
21,5 |
6,6 |
1,9 |
0,85 |
0,45 |
0,25 |
0,1 |
|
15 |
250 |
|
|
|
64,9 |
32,3 |
10 |
2,9 |
1,3 |
0,65 |
0,35 |
0,13 |
|
18 |
300 |
|
|
|
|
45,5 |
14 |
4 |
1,8 |
0,9 |
0,5 |
0,17 |
0,1 |
24 |
400 |
|
|
|
|
78,2 |
24 |
6,9 |
3,1 |
1,5 |
0,85 |
0,3 |
0,13 |
30 |
500 |
|
|
|
|
|
36,5 |
10,5 |
4,7 |
2,4 |
1,3 |
0,5 |
0,2 |
36 |
600 |
|
|
|
|
|
51,8 |
14,7 |
6,5 |
3,3 |
1,8 |
0,65 |
0,25 |
42 |
700 |
|
|
|
|
|
|
19,5 |
8,7 |
4,4 |
2,4 |
0,85 |
0,35 |
48 |
800 |
|
|
|
|
|
|
25,2 |
11,5 |
5,6 |
3,1 |
1 |
0,45 |
54 |
900 |
|
|
|
|
|
|
31,5 |
14 |
7 |
3,75 |
1,33 |
0,55 |
60 |
1000 |
|
|
|
|
|
|
38,5 |
17 |
8,5 |
4,6 |
1,6 |
0,68 |
75 |
1250 |
|
|
|
|
|
|
|
26 |
13 |
7,1 |
2,5 |
1,1 |
90 |
1500 |
|
|
|
|
|
|
|
39,9 |
18,5 |
9,9 |
3,5 |
1,45 |
105 |
1750 |
|
|
|
|
|
|
|
|
24,8 |
13,5 |
4,7 |
1,95 |
120 |
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
31,9 |
17,5 |
6 |
2,5 |
150 |
2500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
26,5 |
9,3 |
3,8 |
180 |
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13,1 |
5,5 |
240 |
4000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22,8 |
9 |
300 |
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14,5 |
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 |
50 |
63 |
75 |
90 |
110 |
125 |
140 |
160 |
180 |
m3/h |
l/min. |
20,4 |
26,2 |
32,6 |
40,8 |
51,4 |
61,4 |
73,6 |
90 |
102,2 |
114,6 |
130,8 |
147,2 |
0,6 |
10 |
1,8 |
0,7 |
0,3 |
0,09 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9 |
15 |
4 |
1,2 |
0,6 |
0,2 |
0,06 |
|
|
|
|
|
|
|
1,2 |
20 |
6,4 |
2,2 |
0,9 |
0,3 |
0,11 |
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
25 |
10 |
3,5 |
1,4 |
0,5 |
0,18 |
0,09 |
|
|
|
|
|
|
1,8 |
30 |
13 |
4,5 |
2 |
0,6 |
0,22 |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
2,1 |
35 |
16 |
6 |
2,5 |
0,7 |
0,27 |
0,12 |
|
|
|
|
|
|
2,4 |
40 |
22 |
7,5 |
3,4 |
0,95 |
0,35 |
0,16 |
0,07 |
|
|
|
|
|
3 |
50 |
37 |
11 |
4,8 |
1,4 |
0,5 |
0,25 |
0,09 |
|
|
|
|
|
3,6 |
60 |
43 |
15 |
6,5 |
1,9 |
0,7 |
0,35 |
0,13 |
0,06 |
|
|
|
|
4,2 |
70 |
50 |
18 |
8 |
2,5 |
0,8 |
0,4 |
0,18 |
0,07 |
|
|
|
|
4,8 |
80 |
|
25 |
10,5 |
3 |
1,3 |
0,5 |
0,25 |
0,08 |
|
|
|
|
5,4 |
90 |
|
30 |
12 |
3,5 |
1,4 |
0,6 |
0,3 |
0,09 |
0,05 |
|
|
|
6 |
100 |
|
39 |
16 |
4,6 |
1,8 |
0,7 |
0,35 |
0,12 |
0,07 |
|
|
|
7,5 |
125 |
|
50 |
24 |
6,6 |
2,5 |
1,1 |
0,5 |
0,2 |
0,1 |
0,06 |
|
|
9 |
150 |
|
|
33 |
8,5 |
3,5 |
1,4 |
0,6 |
0,25 |
0,15 |
0,08 |
|
|
10,5 |
175 |
|
|
38 |
11 |
4,5 |
1,8 |
0,8 |
0,3 |
0,18 |
0,09 |
|
|
12 |
200 |
|
|
50 |
14 |
5,5 |
2,4 |
1 |
0,4 |
0,21 |
0,12 |
0,06 |
|
15 |
250 |
|
|
|
21 |
8 |
3,7 |
1,5 |
0,6 |
0,35 |
0,18 |
0,1 |
0,07 |
18 |
300 |
|
|
|
28 |
10,5 |
4,6 |
1,9 |
0,8 |
0,45 |
0,25 |
0,15 |
0,09 |
24 |
400 |
|
|
|
|
19 |
8 |
3,6 |
1,4 |
0,8 |
0,45 |
0,25 |
0,15 |
30 |
500 |
|
|
|
|
28 |
11,5 |
5 |
2 |
1,2 |
0,65 |
0,35 |
0,2 |
36 |
600 |
|
|
|
|
37 |
15 |
6,6 |
2,6 |
1,5 |
0,8 |
0,45 |
0,3 |
42 |
700 |
|
|
|
|
47 |
24 |
8 |
3,5 |
1,9 |
1,1 |
0,6 |
0,4 |
48 |
800 |
|
|
|
|
|
26 |
11 |
4,5 |
2,6 |
1,4 |
0,8 |
0,5 |
54 |
900 |
|
|
|
|
|
33 |
13,5 |
5,5 |
3,2 |
1,7 |
0,95 |
0,6 |
60 |
1000 |
|
|
|
|
|
40 |
16 |
6,5 |
4 |
2,2 |
1,2 |
0,75 |
75 |
1250 |
|
|
|
|
|
|
25 |
9 |
5 |
3 |
1,6 |
0,95 |
90 |
1500 |
|
|
|
|
|
|
33 |
13 |
8 |
4,1 |
2,3 |
1,4 |
105 |
1750 |
|
|
|
|
|
|
44 |
17,5 |
9,8 |
5,8 |
3,3 |
2 |
120 |
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
23 |
13 |
7 |
4 |
2,5 |
150 |
2500 |
|
|
|
|
|
|
|
34 |
18 |
10,5 |
6 |
3,5 |
180 |
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
45 |
27 |
14 |
7,5 |
5,5 |
240 |
4000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
43 |
24 |
13 |
7,5 |
300 |
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
33 |
18 |
11 |
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],
-(miąższość) strefy czynnej [m],
k -współczynnik filtracji [m/s, cm/s, m/d],
K -chropowatość materiału [m],
L - odległość wykopu od rzeki [m],
ld -długość dopuszczalna (minimalna) filtra [m],
lf -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],
QB - dopływ wody do wykopu brzegowego [m3/s, m3/d],
QL -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],
ss -obniżenie zwierciadła wody (depresja) przy studniach [m],
t - głębokość wykopu [m],
vd -dopuszczalna prędkość wody[m/s, m/d],
ve -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],
γs - ciężar objętościowy szkieletu gruntowego [kN/m3],
Δhz -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
Ćwiczenia projektowe: Podstawy Budownictwa Wodnego i Budownictwo wodne
Opracowanie: dr inż. Zbigniew Mroziński, dr inż. Dorota Libront, Katedra Budownictwa Wodnego 9