Cezary Madryas Andrzej Kolonko Leszek Wysocki KONSTRUKCJE PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH

Transkrypt

1 Cezary Madryas Andrzej Kolonko Leszek Wysocki KONSTRUKCJE PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroc³awskiej Wroc³aw 2002

2 Wydanie publikacji dofinansowa³ Komitet Badañ Naukowych Recenzenci Józef DZIOPAK Andrzej KULICZKOWSKI Opracowanie redakcyjne Aleksandra WAWRZYNKOWSKA Projekt ok³adki Zofia i Dariusz GODLEWSCY Copyright by Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw 2002 OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROC AWSKIEJ Wybrze e Wyspiañskiego 27, Wroc³aw ISBN X Druk: Wroc³awska Drukarnia Naukowa PAN im St. Kulczyñskiego, Spó³ka z o.o.

3 Spis treœci Przedmowa HISTORIA ROZWOJU KANALIZACJI (A. Kolonko, C. Madryas) Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej Wprowadzenie Okres od powstania pierwszych cywilizacji do pocz¹tków naszej ery Akwedukty Okres od pocz¹tków naszej ery do koñca XIX wieku Rozwój kanalizacji miast polskich Wprowadzenie Historia kanalizacji Warszawy Okres przed rokiem Okres po 1878 roku Historia kanalizacji Wroc³awia Okres przed rokiem Okres po 1945 roku Historia kanalizacji Krakowa ROZWI ZANIA MATERIA OWE PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH (A. Kolonko, C. Madryas, L. Wysocki) Przewody kamionkowe Etapy rozwojowe przewodów kamionkowych Surowce do produkcji rur kamionkowych Technologia produkcji W³aœciwoœci rur kamionkowych Odpornoœæ chemiczna Parametry wytrzyma³oœciowe kamionki i rur kamionkowych Z³¹cza rur kamionkowych Z³¹cza rur kamionkowych uk³adanych w wykopach otwartych Z³¹cza rur kamionkowych uk³adanych metodami bezwykopowymi Badania Wprowadzenie Wyznaczanie jednostkowej si³y niszcz¹cej FN Wyznaczanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie przy zginaniu σ bz Wyznaczanie momentu niszcz¹cego przy zginaniu w kierunku pod³u nym (RMF) Badanie wodoszczelnoœci rur Typoszeregi rur kamionkowych Oznaczenia Kolektory murowane

4 Materia³y konstrukcyjne Wykonawstwo kolektorów Kszta³ty przekrojów poprzecznych Przewody eliwne Wprowadzenie eliwo szare i sferoidalne Parametry wytrzyma³oœciowe eliwa sferoidalnego Technologia produkcji metod¹ odlewania w formach piaskowych Technologia produkcji metod¹ odlewania odœrodkowego Obróbka koñcowa odlanych rur Pow³oki ochronne Wprowadzenie Zewnêtrzne pow³oki ochronne rur eliwnych Wewnêtrzne pow³oki ochronne rur eliwnych W³aœciwoœci wewnêtrznej wyk³adziny z zaprawy cementowej Z³¹cza rur eliwnych Zakres zastosowañ Badania Wprowadzenie Badanie wytrzyma³oœci eliwa na rozci¹ganie R m Badanie wytrzyma³oœci przy zginaniu rury w kierunku pod³u nym Badanie sztywnoœci pierœcieniowej S Badanie szczelnoœci po³¹czeñ rur w przypadku nadciœnienia Oznaczenia Przewody betonowe Przewody monolityczne Wymagania materia³owe Rozwi¹zania konstrukcyjne Kolektory prefabrykowane Wymagania materia³owe Wymagania konstrukcyjne Produkcja rur Asortyment wyrobów Przewody stalowe Wprowadzenie Technologia produkcji Zabezpieczenia antykorozyjne Po³¹czenia rur stalowych z wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej Asortyment produkcji Oznaczenia Przewody z polimerobetonu Wprowadzenie W³aœciwoœci polimerobetonu i wyprodukowanych z niego rur Technologia produkcji rur z polimerobetonu Typoszeregi rur z polimerobetonu Po³¹czenia rur polimerobetonowych

5 Badania rur z polimerobetonu Badania materia³owe Badanie wodoszczelnoœci Badanie wytrzyma³oœci rur na obci¹ enie zewnêtrzne Oznaczenia Przewody z tworzyw sztucznych Wiadomoœci wstêpne Przewody podatne z tworzyw termoplastycznych Wprowadzenie Przewody z polietylenu W³aœciwoœci polietylenu Produkcja i asortyment rur polietylenowych ¹czenie elementów polietylenowych Przewody z polichlorku winylu Produkcja rur z polichlorku winylu W³aœciwoœci rur z polichlorku winylu Po³¹czenia rur i elementów z PCW Asortyment wyrobów z PCW Przewody z polipropylenu Produkcja i w³aœciwoœci rur z polipropylenu Po³¹czenia rur i elementów z PP Asortyment wyrobów z PP Przewody z duroplastów Wiadomoœci wstêpne Produkcja rur GRP w procesie odlewania odœrodkowego Produkcja rur GRP w procesie nawojowym W³aœciwoœci i badania rur GRP Po³¹czenia rur i elementów z GRP Asortyment wyrobów Badania polimerów OBLICZENIA STATYCZNO-WYTRZYMA OŒCIOWE PRZEWODÓW (A. Kolonko,C. Madryas, L. Wysocki) Przewody u³o one w wykopach Wprowadzenie Pocz¹tki rozwoju teorii obliczeniowych Pocz¹tki rozwoju teorii dotycz¹cych rur sztywnych Pocz¹tku rozwoju teorii dotycz¹cej rur podatnych Badania doœwiadczalne Wspó³czesne metody obliczeniowe Wprowadzenie Za³o enia do metod obliczeniowych Rury sztywne i podatne Wspó³praca uk³adu ruroci¹g oœrodek gruntowy Sztywnoœæ obwodowa rury Reologiczne w³aœciwoœci uk³adu ruroci¹g oœrodek gruntowy Kryteria wymiarowania

6 Metoda skandynawska wymiarowania Omówienie metody Przyk³ad obliczeniowy Metoda wymiarowania wed³ug wytycznych ATV-DVWK-A Omówienie metody Przyk³ad obliczeniowy dla rury podatnej Za³o enia obliczeniowe dla rury sztywnej Przewody u³o one technikami bezwykopowymi Za³o enia teoretyczne Przyk³ad obliczeniowy Przewody ciœnieniowe Wprowadzenie Dobór gruboœci œcianki rury Ruroci¹gi u³o one poza oœrodkiem gruntowym Ruroci¹gi ciœnieniowe u³o one w gruncie Uderzenie hydrauliczne Bloki oporowe Zabezpieczanie ³uków Zabezpieczanie kszta³tek Zabezpieczenie zwê ek Zagadnienie rozszerzalnoœci termicznej WYKONAWSTWO PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH (C. Madryas, L. Wysocki) Wykonawstwo przewodów metod¹ wykopow¹ Roboty ziemne Podzia³ gruntów na kategorie Prace wstêpne Dobór sposobu odwodnienia wykopów Realizacja wykopów Sposoby zabezpieczania œcian wykopów Odkrycia wykopaliskowe Uk³adanie przewodów Uk³adanie przewodów posadowionych powy ej zwierciad³a wody gruntowej Uk³adanie przewodów posadowionych poni ej zwierciad³a wody gruntowej Uk³adanie ruroci¹gów na s³abych gruntach Wykonywanie prac w okresie obni onych temperatur Usuwanie obudowy wykopu Próba szczelnoœci Bezwykopowe techniki uk³adania przewodów kanalizacyjnych Historia rozwoju i podzia³ technik bezwykopowych Porównanie technik bezwykopowych Przeciski hydrauliczne (Pipe Jacking) Historia technologii i zakres jej stosowania Opis technologii Urz¹dzenia do przeciskania i ich dobór

7 Przyk³ad Mikrotunelowanie Historia technologii i zakres jej stosowania Opis technologii Dobór g³owicy Materia³owe rozwi¹zania rur stosowanych w mikrotunelowaniu Wymagania dotycz¹ce placu budowy Przyk³ady zastosowañ mikrotunelowania do budowy sieci kanalizacyjnej Przewierty sterowane (Horizontal Directional Drilling HDD) Za³o enia techniki i zakres jej stosowania Badania geologiczne i rozpoznanie terenu Projektowanie przewiertu i placu budowy Wykonywanie otworu pilotowego Poszerzanie otworu pilotowego i monta rury technologicznej Wybrane przyk³ady zastosowañ sterowanych metod budowy ruroci¹gów do budowy kanalizacji w Polsce Wiercenia kierunkowe (Directional Drilling) Opis technologii Przyk³ady zastosowañ metody do budowy przewodów kanalizacyjnych w Polsce Ekonomiczne aspekty stosowania metod bezwykopowych Wprowadzenie Ró nicowe kryterium kosztów Oceny wielostopniowe (procedury eksperckie) Metody oceniania technicznych cech przedsiêwziêcia Metody oceniania finansowych i spo³ecznych kosztów przedsiêwziêcia Kolizje z innymi obiektami BADANIA PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH (C. Madryas) Wprowadzenie Badania dla celów aprobacyjnych Za³o enia ogólne Badania chemiczne Badania makroskopowe Badania sztywnoœci obwodowej Okreœlanie si³y niszcz¹cej Wyznaczenie stopnia udarnoœci Szczelnoœæ po³¹czenia Wytrzyma³oœæ po³¹czeñ na rozerwanie Badania elementów komory roboczej i trzonu studzienki (krêgów) Badania eksploatacyjne Za³o enia ogólne Charakterystyka wybranych metod kontroli Kontrola wnêtrza przewodu Badanie szczelnoœci Metody pomiaru rys, przemieszczeñ oraz geometrii przekroju i niwelety

8 Badania struktury i gruboœci œcian przewodów metodami nieniszcz¹cymi Badania warunków gruntowych w otoczeniu kana³u Podsumowanie Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych Kolektory elbetowe Wprowadzenie Opis obiektów Opis badañ Wyniki badañ Kolektory ceglane Wprowadzenie Przyk³ady badanych kolektorów ceglanych Kolektor w ul. Nowy Œwiat i Ruskiej we Wroc³awiu Inne kolektory Podsumowanie STUDZIENKI KANALIZACYJNE (A. Kolonko, L. Wysocki) Wprowadzenie Wymagania Rozwi¹zania materia³owe studzienek kanalizacyjnych Po³¹czenia Po³¹czenia elementów studzienek kanalizacyjnych Po³¹czenia studzienek z przewodami kanalizacyjnymi Badania Inne obiekty na sieci ZAGRO ENIA KOROZYJNE W KANA ACH ŒCIEKOWYCH (A. Kolonko, L. Wysocki) Przewody betonowe i murowane Rodzaje zagro eñ Podstawowe wymagania w zakresie ochrony przed korozj¹ Sposoby ochrony przed korozj¹ Przewody stalowe i eliwne Rodzaje zagro eñ korozyjnych Podstawowe wymagania w zakresie ochrony przed korozj¹ Charakterystyka œrodowisk, czynników i procesów korozyjnych Sposoby ochrony ruroci¹gów przed korozj¹ LITERATURA

9 9 Przedmowa Przewody kanalizacyjne stanowi¹ jeden z najwa niejszych i najkosztowniejszych elementów podziemnej infrastruktury technicznej miast. Wymagaj¹ one tak e znacznych nak³adów na eksploatacjê. Niezmiernie wa ne jest zatem preferowanie takich rozwi¹zañ projektowych, materia³owych i wykonawczych, które pozwalaj¹ na osi¹ganie jak najlepszej jakoœci budowli przy jak najmniejszych kosztach ³¹cznych, tzn. inwestycyjnych i eksploatacyjnych liczonych w odniesieniu do ca³ego okresu u ytkowania. Przez jakoœæ budowli nale y rozumieæ tu zdolnoœæ przewodów do realizacji ich funkcji na wymaganym poziomie niezawodnoœci w za³o onym, zazwyczaj bardzo d³ugim, okresie eksploatacji. Zwi¹zane z tym wymagania dotycz¹ przede wszystkim d³ugotrwa³ej odpornoœci materia³ów na zniszczenia powodowane obci¹ eniami mechanicznymi, chemicznymi i biologicznymi. O sukcesie przedsiêwziêcia decyduj¹ wiêc przede wszystkim przyjête rozwi¹zania konstrukcyjno-materia³owe projektowanych przewodów oraz sposób ich wybudowania. Szczególnego znaczenia nabiera tu problem kompleksowej analizy statyczno-wytrzyma³oœciowej, gdy obci¹ enia taborem komunikacyjnym, gruntem, nierównomierne osiadania i wahania poziomu wody gruntowej tworz¹ niejednokrotnie z³o one uk³ady obci¹ eñ mechanicznych, których rozwi¹zania wymagaj¹ g³êbokiego rozumienia tematu. Zasadniczy wp³yw na obci¹ enia mechaniczne maj¹ tak e technika instalowania rur oraz ich sztywnoœæ zale na od rodzaju konstrukcji. Ci¹g³a zmiana sk³adu chemicznego wód gruntowych i œcieków powoduje z kolei, e dobór materia³u rur, maj¹cy podstawowy wp³yw na odpornoœæ przewodów, na obci¹ enia chemiczne i biologiczne, staje siê znacz¹cym problemem. W monografii przedstawiono historiê rozwoju kanalizacji miast, tradycyjne i najnowsze rozwi¹zania materia³owe przewodów, zasady obliczeñ statyczno-wytrzyma³oœciowych ich konstrukcji oraz wykopowe i bezwykopowe techniki wykonawstwa. Analizê problemów statyczno-wytrzyma³oœciowych wzbogacono o przyk³ady obliczeniowe, co wobec braku krajowych normatywów dotycz¹cych projektowania konstrukcji ruroci¹gów podziemnych mo e okazaæ siê bardzo przydatne. Wiele miejsca poœwiêcono tak e problemowi ochrony przewodów przed korozj¹ chemiczn¹ i biologiczn¹. Przedstawiono ponadto wybrane techniki aprobacyjnych i eksploatacyjnych badañ przewodów, ilustruj¹c je przyk³adami w³asnych doœwiadczeñ w tym zakresie. Jeden z rozdzia³ów poœwiêcono rozwi¹zaniom studni rewizyjnych jako budowli integralnie zwi¹zanych z przewodami kanalizacyjnymi.

10 10 Przedmowa Ksi¹ kê napisano na podstawie obszernych studiów literaturowych i wieloletnich, w³asnych doœwiadczeñ jej autorów, jakie wynikaj¹ z badañ przewodów kanalizacyjnych wykonanych w Zak³adzie In ynierii Miejskiej Instytutu In ynierii L¹dowej Politechniki Wroc³awskiej. Jako koncepcjodawca uk³adu i treœci monografii stara³em siê je tak dobraæ, aby nawi¹zuj¹c do historii rozwoju kanalizacji w miastach przedstawia³y najnowsze rozwi¹zania materia³owe, konstrukcyjne i wykonawcze przewodów oraz zwi¹zane z tym obszary analiz teoretycznych i badañ. Ksi¹ ka jest wynikiem pracy kierowanego przeze mnie zespo³u. Nazwiska autorów poszczególnych rozdzia³ów wymieniono w spisie treœci. Opracowanie jest adresowane przede wszystkim do pracowników stosownych instytutów badawczych, ekspertów, projektantów, wykonawców, eksploatatorów sieci, producentów oraz dystrybutorów rur i studni, a tak e studentów wybranych wydzia- ³ów wy szych uczelni technicznych. Przekazuj¹c Czytelnikom z wymienionych œrodowisk niniejsz¹ ksi¹ kê, wyra am g³êbok¹ nadziejê, e wychodzi ona naprzeciw ich aktualnym potrzebom i zainteresowaniom. Cezary Madryas

11 1. Historia rozwoju kanalizacji 1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej Wprowadzenie D¹ enie do poprawy warunków ycia charakteryzuje kolejne etapy rozwojowe ka - dej cywilizacji. Przejawem tego jest m.in. budowa przewodów doprowadzaj¹cych wodê pitn¹ oraz przewodów odprowadzaj¹cych œcieki, podjêta ju w staro ytnych miastach. Pierwsze przewody funkcjonowa³y jako kana³y o przep³ywie grawitacyjnym. W historycznym ujêciu rozwoju techniki kana³y budowano w celu doprowadzania wody pitnej do miast z wy ej po³o onych obszarów, najczêœciej z terenów podgórskich. Inne kana- ³y budowano z myœl¹ o odprowadzaniu œcieków bytowo-gospodarczych do ni ej po³o- onych odbiorników, którymi najczêœciej by³y rzeki. Sieci wodoci¹gowe w dzisiejszym rozumieniu to uk³ady przewodów ciœnieniowych, które zaczê³y powstawaæ dopiero po wprowadzeniu ciœnieniowego przesy³u wody dziêki zastosowaniu wie ciœnieñ lub odpowiednio wydajnych pomp. Londyñskie wodoci¹gi uwa ane s¹ za pierwsze w Europie od czasów upadku Imperium Rzymskiego w roku 97 n.e. Powsta³y one dopiero w roku 1582, gdy pochodz¹cy z Niemiec mechanik Peter Maurice zbudowa³ na Tamizie pod mostem London Bridge stacjê pomp napêdzan¹ du ym ko³em wodnym. Stacja ta pompowa³a wodê z rzeki do miejskiej sieci wodoci¹gowej. W rozdziale tym przedstawiono etapy rozwoju sieci kanalizacyjnych od staro ytnoœci do koñca XIX w., opracowane na podstawie wydanych publikacji [210, 156, 113, 72, 85, 81]. Omówiono ciekawsze rozwi¹zania konstrukcyjne, ilustruj¹c je rysunkami Okres od powstania pierwszych cywilizacji do pocz¹tków naszej ery Na najstarsze œlady staro ytnych kana³ów natrafiono podczas badañ prowadzonych przez archeologów niemieckich w latach na terenie dzisiejszej pó³nocnej Syrii. Podczas wykopalisk odkryto osadê nad brzegiem Eufratu w pobli u miejscowoœci Habuba Kabira, gdzie w okresie od 3500 do 3000 roku p.n.e. istnia³a wysoko rozwiniêta cywilizacja. Znaleziono tam m.in. œlady kana³ów o przekrojach prostok¹tnych i ko³owych (z rur ceramicznych) doprowadzaj¹cych wodê pitn¹ i odprowadzaj¹cych œcieki bytowe. Prostok¹tne przekroje poprzeczne mia³y kana³y otwarte. Kana³y zag³êbione w gruncie budowane by³y z krótkich rur o zmiennym przekroju pod³u nym, w którym mo na by³o wyró niæ koniec bosy i kielich. Szczegó³y techniczne tego rozwi¹zania przedstawiono na rys [85].

12 12 1. Historia rozwoju kanalizacji Rys Najstarsze elementy kana³ów kamionkowych znalezione na terenie dzisiejszej Syrii ( r. p.n.e.) W Egipcie przywi¹zywano du ¹ wagê do czystoœci nie tylko w ci¹gu ycia, ale tak- e po œmierci. Przyk³adem mo e byæ grobowiec w pobli u miejscowoœci Saqquara u ujœcia Nilu z ok roku p.n.e., w którym znajduje siê komora przeznaczona na toaletê dla zmar³ych. Bardzo interesuj¹cy system odprowadzania œcieków i wód opadowych rurami z blachy miedzianej odkryto w pobli u œwi¹tyni króla Sahure ( p.n.e.). Schemat posadowienia takiego kana³u przedstawiono na rys [85], a jego widok w obecnym stanie na rys [85]. Wzmianki o wyposa eniu egipskich domów w toalety mo na te znaleÿæ w zapiskach Herodota ( p.n.e.). Oko³o roku 2510 p.n.e. w rozwiniêtych kulturach Œrodkowego i Dalekiego Wschodu, a wiêc w miastach Mezopotamii i cywilizacji nad Indusem (obszar dzisiejszego Pakistanu) zak³adane by³y systemy kana³ów do odprowadzania œcieków do miejskich do³ów kloacznych. W Mezopotamii wesz³y do u ycia toalety, z których wyp³ukiwano Rys Schemat posadowienia kana³u z rur miedzianych w staro ytnym Egipcie oko³o 2700 roku p.n.e.: a rynna wy ³obiona w kamieniu, b miedziana rura os³oniêta zapraw¹ gipsow¹, c kamienna p³yta przykrywaj¹ca

13 1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej 13 Rys Obecny widok kana³u z rur miedzianych w staro ytnym Egipcie z oko³o roku 2700 p.n.e. fekalia bezpoœrednio do kana³ów œciekowych. Kana³y œciekowe w miastach sumeryjskich mia³y rozga³êzienia. Boczne kana³y odbiera³y œcieki z poszczególnych domów. Kana³y te by³y budowane z rur glinianych b¹dÿ murowane z wypalanych cegie³ i przykryte prostok¹tnymi p³ytami ceramicznymi (rys ) [85]. By³y one uk³adane z du ym spadkiem pod³u nym, co powodowa³o szybkie odprowadzanie œcieków do kana³ów g³ównych. Z samych budynków do kana³ów bocznych prowadzi³y pionowe rury odp³ywowe stanowi¹ce instalacje wewnêtrzne. Rury te by³y u góry przykryte du ymi p³ytami, w œrodku których znajdowa³ siê okr¹g³y otwór wlotowy. Kana³y g³ówne by³y czêsto murowane i mia³y sklepienie kolebkowe (technika sklepienia kolebkowego po raz pierwszy zosta³a wykorzystana w roku 2605 p.n.e. w Egipcie przy budowie mastaby faraona Djosera i niezale nie w grobowcach nekropolii staro ytnego miasta Ur). G³ówne kana³y przebiega³y pod brukowanymi ulicami i odprowadza³y œcieki bezpoœrednio do du ych rzek lub do centralnych do³ów podsadzkowych b¹dÿ odstojnikowych. Oko³o roku 2447 p.n.e. sumeryjskie miasto-pañstwo Ur po³o one na terenie dzisiejszego po³udniowego Iraku (na po³udnie od Eufratu) zosta³o wyposa one w pe³ny system kanalizacyjny. Wykopaliska archeologiczne w Babilonie i Ninivie (staro ytne miasto na terenie dzisiejszego Iraku) daj¹ œwiadectwo, e na tamtych terenach ju w trzecim

14 14 1. Historia rozwoju kanalizacji Rys Schemat murowanego kana³u przykrytego p³ytami ceramicznymi z oko³o roku 2510 p.n.e. tysi¹cleciu przed nasz¹ er¹ nie tylko budowano kanalizacjê komunaln¹, ale tak e wyposa ano niektóre budowle w sp³ukiwane toalety i umywalnie. Œwiadczy o tym pa³ac królewski Tell Asmar z ok roku p.n.e. po³o ony na terenie Mezopotamii, w którym odkryto szeœæ toalet i murowany kana³ sklepiony odprowadzaj¹cy œcieki. Przyk³adowe rozwi¹zania systemów odprowadzania œcieków do gruntu poprzez stosowane w tamtym okresie studnie ch³onne przedstawiono wraz ze szczegó³em konstrukcji kana³u z rur ceramicznych na rys [85]. Oko³o roku 2000 p.n.e. rozwija³a siê pe³na przepychu cywilizacja kreteñska. Pa³ace (m.in. w Knossos na Krecie) by³y wyposa one w wodoci¹gi i kanalizacjê oraz inne instalacje, jak np. ogrzewanie pomieszczeñ ciep³ym powietrzem. Oko³o roku 1810 p.n.e. w pa³acu w Mari (Mezopotamia) powsta³ podziemny system kanalizacyjny zbudowany z glinianych rur, po³¹czony z miejsk¹ sieci¹ kanalizacyjn¹. W Egipcie ju oko³o roku 1580 p.n.e. stosowano kanalizacjê z regulacj¹ iloœci przep³ywu wody. W tym czasie zakoñczono tak e budowê kolejnego monumentalnego pa³acu w Knossos. Do osobliwoœci architektonicznych zalicza siê przede wszystkim kanalizacjê oraz luksusowo urz¹dzone pokoje k¹pielowe. Zaopatrzenie w wodê odbywa³o siê ze studni,

15 1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej 15 Rys Schematy odprowadzania œcieków do studni ch³onnych z oko³o 2350 roku p.n.e. ze zbiorników na wody opadowe (na potrzeby sanitarne) oraz z dalszych Ÿróde³ systemem rur z wypalanej gliny. Zasady higieny u Izraelitów zosta³y œciœle opisane w Starym Testamencie, a nastêpnie w Talmudzie. W Jerozolimie za czasów panowania króla Dawida (oko³o roku 1000 p.n.e.) budowano toalety oraz kana³y. Znany jest z tamtego okresu przykryty kolektor kanalizacyjny o przekroju prostok¹tnym i wymiarach 2,0 0,6 m oraz d³ugoœci ponad 600 m. Na prze³omie IX i VIII w. p.n.e. w Transkaukazji [113] zosta³ zbudowany kana³ d³ugoœci oko³o 70 km doprowadzaj¹cy wodê pitn¹. Jego konstrukcja by³a mieszana: przebiega³ on poszczególnymi odcinkami w ska³ach jako kana³ otwarty powierzchniowy lub zag³êbiony, a tak e jako kana³ w wykopie oraz jako kana³ drewniany. Z inskrypcji znajduj¹cych siê na ca³ej d³ugoœci kana³u wynika, e zosta³ on wybudowany na rozkaz króla Menuasa oko³o roku 800 p.n.e. Kana³ ten jest czynny do dziœ i zaopatruje miasto Van w wodê do nawadniania upraw rolnych i ogrodowych. W staro ytnej Smyrnie (dzisiejszy Izmir) znajduj¹ siê œlady przewodu do transportu wody pitnej, wbudowanego odcinkami w mur obronny oko³o VIII VII w. p.n.e. Konstrukcja kana³u by³a wykonana z odpowiednio u³o onych kamieni. Podobny kana³ o wysokoœci 1,20 m i szerokoœci 0,60 m znajduje siê w Efezie. W czasach staro ytnych w krajach arabskich przewody do transportu wody budowano najczêœciej z rur ceramicznych. Ich œrednica dochodzi³a nawet do 1000 mm w œwietle. Du ¹ wagê do higieny zaczêto przyk³adaæ w staro ytnej Grecji w wyniku kontaktów z wy ej rozwiniêtymi miastami Bliskiego Wschodu i Egiptu, zw³aszcza w okresie od 750 do 650 roku p.n.e. W Atenach systemy doprowadzania wody pitnej (czêœciowo ciœnieniowe) i odprowadzania œcieków zaczê³y powstawaæ oko³o VI w. p.n.e., zastêpuj¹c dotychczasowe do³y kloaczne. W nastêpnym stuleciu powsta³ na terenie ateñskiej

16 16 1. Historia rozwoju kanalizacji a) b) Rys Widok ogólny (a) i przekrój poprzeczny (b) Wielkiego Kana³u w Atenach z VII w. p.n.e. Agory tzw. Wielki Kana³ o przekroju prostok¹tnym. Jego konstrukcjê przedstawiono na rys a oraz 1.1.6b [85]. W rzeczywistoœci nie by³ on a tak wielki, mia³ oko³o 1,0 m wysokoœci i by³ zbudowany z ciosów kamiennych. Przykrycie stanowi³y p³yty kamienne. W trakcie eksploatacji do³¹czano do niego inne, mniejsze kana³y. Podobnie jak w Persji i Syrii, tak e w miastach staro ytnej Grecji wodê pitn¹ dostarczano przewodami wyposa onymi w studzienki wentylacyjne. Przyk³adowo kana³ dostarczaj¹cy wodê z pobliskich terenów podgórskich do Aten by³ wyposa ony w 110 studzienek wentylacyjnych o œrednicach od 1,20 do 1,50 m, zbudowanych w rozstawie m. W staro ytnych Atenach znajdowa³o siê 18 ró nych przewodów przeznaczonych zarówno do doprowadzania wody pitnej, jak i do odprowadzania œcieków bytowo-gospodarczych. Jeden z nich doprowadza³ wodê z rzeki Ilissos. Ujêcie stanowi³a zbudowana pod dnem rzeki studzienka o przekroju kwadratowym (1,30 1,30 m), która

17 1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej 17 ³¹czy³a siê z kana³em posadowionym od 2,0 do 2,5 m pod skalistym korytem rzeki. Kana³ by³ wyposa ony w studzienki wentylacyjne o rozstawie od 57 do 65 m. Studzienki te spotyka siê po obu brzegach rzeki, co œwiadczy o tym, e kana³ przecina³ jej bieg. Na terenie nizinnym kana³ by³ zbudowany jako otwarty. W XIX w. woda pitna by³a dostarczana do Aten starym przewodem, który w roku 1877 zosta³ gruntownie oczyszczony a do ujêcia. Szerokoœæ kana³u o zag³êbieniu od 8,0 do 9,0 m wynosi³a 0,7 m, a wysokoœæ 0,6 m. Œciany kana³u zosta³y uszczelnione zapraw¹ gipsow¹. Na odcinkach, gdzie kana³ przebiega przez spêkane ska³y lub przez tereny bez ska³, zastosowano murowan¹ konstrukcjê przewodu ze sklepieniem kamiennym. Œrednica studzienek wentylacyjnych w opisywanym przypadku wynosi³a od 1,20 do 1,50 m. Badania archeologiczne pozwoli³y na odkrycie w pobli u Aten wodoci¹gu o d³ugoœci oko³o 2 km, zbudowanego zasadniczo z rur kamiennych o œrednicy 0,3 m i d³ugoœci od 1,2 do 1,5 m, a górny odcinek przewodu z rur ceramicznych i kamiennych o œrednicy 0,19 m, d³ugoœci 0,5 m i gruboœci œcianki 0,04 m. Rury kamienne stanowi³y jedynie wzmocnienie dla rur ceramicznych znajduj¹cych siê wewn¹trz tych pierwszych. W najg³êbiej u³o onych odcinkach przewodu do rur kamiennych wprowadzano rury z o³owiu lub br¹zu. Interesuj¹cy z technicznego punktu widzenia kana³ z tamtego okresu przebiega³ pomiêdzy Calandri¹ a Heraklej¹ nad Zatok¹ Tyrenck¹. Jego zag³êbienie osi¹ga³o miejscami a 45 m. O antycznym tunelu w mieœcie Samus w Azji Mniejszej s³u ¹cym jako kana³ do transportu wody pitnej wspomina Herodot (ok p.n.e.). W ten sposób dostarczana by³a do miasta woda ze Ÿród³a na górze Castro. W tunelu, d³ugoœci oko³o 1000 m, szerokoœci i wysokoœci po 2,5 m, znajdowa³y siê rury z czerwonej gliny o œrednicy od 150 do 200 mm. Stosowano ponadto rury kamienne. Pocz¹tki rozwoju kanalizacji w staro ytnym Rzymie wi¹ ¹ siê z wczeœniejszymi osi¹gniêciami kultury etruskiej (VIII IV wiek p.n.e.). Stosowano wówczas usystematyzowane planowanie miast, uwzglêdniaj¹ce budowê otwartych kana³ów wzd³u g³ównych ulic. Oko³o 610 roku p.n.e. za czasów panowania pi¹tego króla Rzymu Lucjusza Tarkwiniusza Priscusa ( p.n.e.) powsta³ funkcjonalny system odprowadzania œcieków miejskich do Tybru g³ównym kana³em, zwanym Cloaca Maxima, który funkcjonuje do czasów obecnych. Ogólny widok jego konstrukcji przedstawiono na rys [85], a przebieg kana³u w najstarszej czêœci Rzymu na rys [85]. Kanalizacja pocz¹tkowo by³a odkryta i s³u y³a g³ównie regulacji strumieni, osuszeniu bagnistej ziemi w kotlinie miêdzy wzgórzami oraz odprowadza³a nadmiar wody deszczowej. Do tego systemu wkrótce zaczêto powszechnie odprowadzaæ œcieki. Wzrastaj¹ce natê enie nieprzyjemnych zapachów spowodowa³o koniecznoœæ przykrycia kana³u sta³ym sklepieniem, co przeprowadzono w II wieku p.n.e. Przekrój poprzeczny kana³u Cloaca Maxima by³ bardzo zmienny; w pobli u ujœcia najszerszy, miejscami szerokoœæ i wysokoœæ kana³u pozwala³a na poruszanie siê ³odzi¹. Dno kana³u wy³o ono tufem (ska³a sk³adaj¹ca siê g³ównie z piasku i popio³ów wulkanicznych). Materia³em tym by³y te wy³o one ulice w Rzymie. Œciany boczne kana³u by³y zbudowane z 3 5 warstw du ych bloków tufu. Pojedynczy blok by³ szeroki na 1 m, d³ugi na 2,5 m i wy-

18 18 1. Historia rozwoju kanalizacji Rys Widok konstrukcji rzymskiego kana³u Cloaca Maxima z VII w. p.n.e. Rys Przebieg trasy rzymskiego kana³u Cloaca Maxima

19 1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej 19 Rys Przyk³adowe przekroje poprzeczne rzymskiego kana³u Cloaca Maxima soki na 0,8 m. Spoiny nie by³y wype³nione zapraw¹, lecz spinano kamienne bry³y elaznymi ³ukowatymi klamrami pokrytymi o³owiem. Kolebkowe sklepienia kana³u by³y zbudowane z kliñców, u³o onych w siedmiu do dziewiêciu warstwach, spojonych ze sob¹ ponad kr¹ yn¹. Miejscami kana³ by³ przykryty tylko grubymi p³ytami kamiennymi, a na innych odcinkach sklepieniem ceglanym. W wielu miejscach w kanale Cloaca Maxima zbudowano studzienki, do których doprowadzano œcieki domowe. Budowniczowie rzymscy byli te prekursorami wspó³czesnego betonu. Do budowy sklepieñ kana³ów stosowali oni mieszankê z zaprawy wapiennej i kruszywa naturalnego lub z okruchów cegie³, któr¹ wylewano na wczeœniej przygotowane deskowanie. Przekroje poprzeczne kana³u Cloaca Maxima przedstawiono na rys [85]. Podobnie jak w Rzymie, tak e w miastach prowincji pierwsze kana³y œciekowe powsta³y pod koniec VII wieku p.n.e. Równie wiele warowni wyposa ono w kana³y œciekowe. W obozach wojskowych kana³y spe³nia³y wiele zadañ: odbiera³y œcieki, drenowa³y grunty i odprowadza³y wody opadowe. Czêsto w takich przypadkach kana³y nie koñczy³y siê przy rzece, lecz mniej lub bardziej przypadkowo; œlepo przy murach fortyfikacji, w polu, w oszalowanych drewnem b¹dÿ omurowanych rowach otaczaj¹cych obóz. Zdarza³o siê te, e system œciekowy zamkniêtym pierœcieniem otacza³ obozowisko. Oko³o roku 97 p.n.e. Sekstus Julius Frontinius opublikowa³ pracê na temat kutych i lutowanych rur o³owianych. Od tego czasu rozpoczynaj¹ siê nowe mo liwoœci zaopatrywania miast w wodê. Nie zdawano sobie wówczas sprawy z zagro eñ, jakie niesie woda pitna ska ona toksycznym o³owiem. Rury o przekroju owalnym lub w kszta³cie kropli wody by³y wykonywane z odpowiednio giêtej blachy. W staro ytnym Rzymie przewody z rur o³owianych by³y bardzo rozpowszechnione jako rozdzielcze, doprowadzaj¹ce wodê do poszczególnych budynków. Mia³y one od 2 do 3 m d³ugoœci i gruboœæ œcianki oko³o 7 mm, a ich œrednica wewnêtrzna wynosi³a zwykle 100 mm. Poszczególne rury ³¹czono ze sob¹ przez lutowanie.

20 20 1. Historia rozwoju kanalizacji Akwedukty Grawitacyjny transport wody pitnej z uwagi na ukszta³towanie terenu bywa³ niekiedy trudny do realizacji. W IV w. p.n.e., buduj¹c kana³y doprowadzaj¹ce wodê pitn¹ do miast z du ych odleg³oœci, napotykano problemy techniczne zwi¹zane z przejœciami w poprzek g³êbokich dolin. Rozwi¹zanie stanowi³y interesuj¹ce konstrukcje in ynierskie znane jako akwedukty. Ich budowa by³a jednak bardzo kosztowna i pracoch³onna. Dlatego przy wiêkszych przeszkodach (du e ró nice poziomów) stosowano tañsze rozwi¹zanie w postaci przewodów ciœnieniowych (przejœcia syfonowe), co zosta³o zapocz¹tkowane oko³o roku 180 p.n.e. System ten umo liwia³ te rozprowadzanie wody w miastach. Do tego celu staro ytni Grecy i Rzymianie u ywali rur kamiennych, ceramicznych oraz o³owianych. W Chinach stosowano tak e rury bambusowe. Przyk³adem przejœcia syfonowego z wykorzystaniem rur o³owianych jest romañski akwedukt pod Lyonem, który sk³ada³ siê z dziewiêciu równoleg³ych przewodów z rur o³owianych o œrednicy od 300 do 450 mm i gruboœci œcianki 25 mm pozwalaj¹cej na przeniesienie ciœnienia wewnêtrznego dochodz¹cego do 0,6 MPa (6 atm). Akwedukty to w¹skie i wysokie budowle o murowanej konstrukcji ³ukowej (rodzaj arkad), na których wspiera³ siê kana³ w formie rynny. Najczêœciej stosowanym materia³em by³a kostka kamienna, a ³uki wykonywano przewa nie z kliñca. W celu zabezpieczenia przed zanieczyszczeniami oraz zmniejszenia nagrzewania siê wody promieniami s³onecznymi kana³y czêsto przykrywano. Przekroje poprzeczne samych kana³ów by³y zró nicowane. Na akweduktach wielopiêtrowych, na kolejnych piêtrach uk³adano przewody, które w Rzymie dostarcza³y wodê nie bezpoœrednio do u ytkowników, lecz do centralnego zbiornika, tzw. zamku wodnego. Z niego z kolei woda przep³ywa³a do kilku zbiorników bocznych, z których zasilano ³aŸnie miejskie, domy oraz fontanny i zbiorniki publiczne. Pierwszy akwedukt Aqua Appia w Rzymie zbudowano w roku 312 p.n.e. Na Wschodzie (Asyria, Babilon, Egipt, Persja) akwedukty budowano jeszcze wczeœniej, bo ju w X w. p.n.e. Najwa niejsz¹ budowl¹ s³u ¹c¹ doprowadzeniu wody pitnej do Konstantynopola by³ akwedukt zbudowany w roku 386 naszej ery, dwupiêtrowy o wysokoœci 22,70 m i d³ugoœci 1170 m. W XIX w. bywa³ on jeszcze u ywany w sytuacjach awaryjnych. Jedn¹ z najwspanialszych budowli zastosowanych do transportu wody by³ akwedukt staro ytnej Kartaginy o d³ugoœci 132 km, zbudowany przez Rzymian w II w. naszej ery. Zniszczony zosta³ dopiero w XVII w. przez muzu³manów. Do dziœ zachowa³ siê odcinek tego akweduktu w pobli u Tunisu. Jego wysokoœæ wynosi 8 m, rozstaw podpór 4,5 m, a ich szerokoœæ 4,0 m. W niektórych miejscach wysokoœæ tego akweduktu osi¹ga³a ponad 15 m. W rejonach o zimniejszym klimacie przy przejœciach kana³ów nad dolinami z wykorzystaniem akweduktów nale a³o uwzglêdniæ wp³ywy termiczne. Chodzi³o tu przede wszystkim o zabezpieczenie kana³u przed zamarzaniem wody. W takich przypadkach zwiêkszano gruboœæ œcian oraz przekrycia, które dodatkowo pokrywano warstw¹ gruntu, stanowi¹cego skuteczn¹ izolacjê termiczn¹.