Tadeusz Solecki* WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 25 ZESZYT OPIS PROBLEMU ODWODNIENIA OBIEKTU BUDOWLANEGO

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 25 ZESZYT Tadeusz Solecki* PROJEKTOWANIE ODWODNIEÑ BUDOWLANYCH OTWORAMI WIERTNICZYMI W WARUNKACH OGRANICZONEGO DYSPONOWANIA TERENEM NA PRZYK ADZIE BUDOWNICTWA MIESZKALNEGO** 1. OPIS PROBLEMU ODWODNIENIA OBIEKTU BUDOWLANEGO Celem ka dego projektu odwodnienia jest w szczególnoœci okreœlenie iloœci wód przewidzianych do usuwania z poziomu wodonoœnego wraz ze wskazaniem wymaganej rzêdnej obni onego poziomu zwierciad³a wody, wielkoœci depresji rejonowej i zasiêgu oddzia³ywania projektowanego odwodnienia oraz prognoza spodziewanych szkód. Planowana do realizacji inwestycja to siedmiokondygnacyjny budynek mieszkalny z gara em podziemnym [10]. Poziom posadzki kondygnacji podziemnej 3,60 m = 202,90 m n.p.m., a poziom wykopu 4,20 m = 202,30 m n.p.m. Woda podziemna na przedmiotowym terenie wystêpuje w warunkach swobodnych przy rzêdnej zwierciad³a 204,00 m n.p.m., co skutkuje koniecznoœci¹ obni enia zwierciad³a wody co najmniej o 2,20 m pod ka dym elementem fundamentowym. Z doœwiadczeñ praktycznych wiadomo, e odwodnienie budowlane mo e byæ przeprowadzone z zastosowaniem rowów, drenów poziomych, drenów pionowych lub ig³ofiltrów. W literaturze i praktyce spotyka siê najczêœciej dreny pionowe zlokalizowane na zewn¹trz wykopu w oddaleniu kilku metrów od jego krawêdzi [4, 11]. W analizowanym przypadku planuje siê obiekt budowlany o skomplikowanym kszta³cie, który bêdzie siê znajdowa³ na dzia³ce w kszta³cie prostok¹ta, z maksymalnym wykorzystaniem powierzchni zabudowy w stosunku do wymaganej powierzchni biologicznie czynnej. Z tego powodu nie jest mo liwe usytuowanie drenów pionowych poza zewnêtrznymi krawêdziami wykopu budowlanego, niezbêdnego dla posadowienia kondygnacji podziemnej, poniewa otwory te utrudnia³yby swobodne prowadzenie zaplanowanych robót budowlanych. * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków ** Praca wykonana w ramach badañ w³asnych WWNiG AGH 647

2 Ustalono na podstawie oceny warunków hydrogeologicznych, e w analizowanym przypadku najbardziej racjonalne jest zastosowanie drenów pionowych. Po ocenie wielowariantowej lokalizacji otworów odwodnieniowych zaprojektowano system trzyotworowy z usytuowaniem drenów pionowych wewn¹trz wykopu budowlanego, powoduj¹cy najmniej uci¹ liw¹ kolizjê z pracami budowlanymi. W dalszej czêœci pracy przeprowadzono analizê mo liwoœci i skutecznoœci zastosowania tego systemu. 2. CHARAKTERYSTYKA HYDROGEOLOGICZNA TERENU Teren lokalizacji obiektu budowlanego po³o ony jest w Krakowie. W budowie geologicznej terenu, rozpoznanej wierceniami, udzia³ bior¹ utwory trzeciorzêdu i czwartorzêdu. Utwory trzeciorzêdowe to morskie utwory mioceñskie warstw skawiñskich wykszta³cone w postaci i³ów, i³o³upków, mu³ków miejscami z wk³adkami gipsów i i³ów piaszczystych. Mi¹ szoœæ trzeciorzêdu jest zmienna i waha siê w granicach od kilkunastu do kilkudziesiêciu i wiêcej metrów, co zale y od ukszta³towania stropu starszego pod³o a. Utwory czwartorzêdowe to osady wodno-lodowcowe sto ka Pr¹dnika. Na terenie lokalizacji obiektu budowlanego stwierdzono wierceniami [2] osady rzeczne o maksymalnej g³êbokoœci 15 m p.p.t. wykszta³cone jako przemiennie wystêpuj¹ce warstwy piasków, wirów i wirów z piaskiem i otoczakami. W stropowej partii utworów luÿnych przewa aj¹ piaski o granulacji drobno- i œrednioziarnistej, a ze wzrostem g³êbokoœci daje siê zauwa yæ wzrost granulacji a do wirów i otoczaków. Wody podziemne w rejonie lokalizacji obiektu budowlanego wystêpuj¹ w obrêbie utworów czwartorzêdowych osadów piaszczysto- wirowych pochodzenia akumulacyjnego o zwierciadle swobodnym na g³êbokoœci ok. 2 3 m p.p.t. Poziom ten eksploatowano w przesz³oœci studni¹ wiercon¹ zlokalizowan¹ na terenie lokalizacji obiektu budowlanego. Czwartorzêdowa warstwa wodonoœna charakteryzuje siê œrednim wspó³czynnikiem filtracji k = 3, m/s. Utwory trzeciorzêdowe i³y i i³o³upki s¹ praktycznie bezwodne. Teren znajduje siê w obrêbie G³ównego Zbiornika Wód Podziemnych, okreœlanego jako GZWP 450 Dolina rz. Wis³a [3]. Charakterystyczne parametry tego zbiornika s¹ nastêpuj¹ce: zbiornik w utworach doliny rzeki, szacunkowe zasoby dyspozycyjne 20 tys. m 3 /dobê, œrednia g³êbokoœæ ujêæ m. 3. ZA O ENIA PROJEKTOWE I WYMAGANIA W ZAKRESIE ODWODNIENIA PLANOWANEGO WYKOPU Realizacja tego obiektu budowlanego bêdzie mo liwa, je eli pod dowolnie wybranym punktem fundamentu zwierciad³o wody podziemnej kszta³towaæ siê bêdzie podczas wykonywania prac zwi¹zanych z budow¹ kondygnacji podziemnej na rzêdnej Z w = 201,80 m n.p.m., czyli 0,5 m poni ej poziomu posadzki kondygnacji podziemnej budynku. Planowany wykop dla posadowienia obiektu wymaga prowadzenia ci¹g³ych prac odwodnieniowych podczas prac budowlanych zwi¹zanych z posadowieniem kondygnacji podziemnej. Odwodnienie konieczne jest ze wzglêdu na mo liwoœæ wyst¹pienia zwierciad³a wody podziemnej na rzêdnej 204 m n.p.m. oraz wymagany poziom zwierciad³a wody przy fundowaniu budynku rzêdna obni onego zwierciad³a wody nie wy sza ni 201,80 m n.p.m. 648

3 Na tle rzutu parteru budynku wrysowanego na mapê sytuacyjno-wysokoœciow¹ przedstawiono na rysunku 1 rozmieszczenie drenów pionowych 1, 2 i 3 oraz punktów kontrolnych po³o enia zwierciad³a wody podziemnej M1, M2 i M3. Rys. 1. Rozmieszczenie drenów pionowych i punktów kontrolnych Objaœnienia w tekœcie Za³o enia projektowe dotycz¹ce lokalizacji, liczby drenów pionowych, promienia otworu drenów pionowych, po³o enia punktów kontrolnych wysokoœci zwierciad³a wody na skrajnych naro ach budynku, s¹ nastêpuj¹ce: rzêdna zwierciad³a wody naturalna Z n = 204,00 m n.p.m.; rzêdna fundamentu Z f = 202,30 m n.p.m.; rzêdna sp¹gu warstwy wodonoœnej Z s = 191,00 m n.p.m.; rzêdna zwierciad³a wody wymagana Z w =201,80 m n.p.m.; mi¹ szoœæ warstwy wodonoœnej H = 13,00 m; maksymalna depresja S max =6,5 m; wspó³czynnik filtracji k = m/s = 25,92 m/d; wymagana wysokoœæ zwierciad³a wody w punkcie kontrolnym h M =10,80 m; 649

4 promieñ otworu drenów pionowych r 0 = 0,20 m; liczba otworów drenów pionowych n = 3 szt.; odleg³oœæ drenu pionowego 1 od punktu kontrolnego M1X1=17 m; odleg³oœæ drenu pionowego 2 od punktu kontrolnego M2X2=38 m; odleg³oœæ drenu pionowego 3 od punktu kontrolnego M3X3=59 m. 4. OBLICZENIE PROGNOSTYCZNE ODWODNIENIA PLANOWANEGO WYKOPU 4.1. Obliczenie prognostyczne wstêpne Problematyka dop³ywu wody podziemnej do drenów pionowych w warunkach wzajemnego oddzia³ywania by³a przedmiotem rozwa añ teoretycznych wielu badaczy, jednak za najbardziej rozpowszechnion¹, wielokrotnie sprawdzon¹ i szeroko stosowan¹ uznaje siê teoriê Forchheimera [1, 2, 4, 5, 11]. W analizowanym przypadku obliczenia rozk³adu wielkoœci depresji od drenów pionowych wspó³dzia³aj¹cych wykorzystano zasadê superpozycji (zasadê Forchheimera) mówi¹c¹ o tym, e wypadkowy strumieñ wód podziemnych jest prost¹ sum¹ algebraiczn¹ strumieni sk³adowych. Wypadkowa zmiana po³o enia zwierciad³a wody (obni enie lub podniesienie) w dowolnym punkcie pod wp³ywem pracy zespo³u drenów pionowych jest wiêc równa sumie zmian, jakie wywo³a³yby poszczególne dreny pionowe pracuj¹ce oddzielnie. W przeprowadzonych obliczeniach projektowych przyjêto, maksymalny mo liwy dop³yw do drenu pionowego przy s max = H/2 = 6,5 m. Zasiêg leja depresji R dla s max obliczono ze wzoru Kusakina [1, 4, 5] dla warunków swobodnych, stosuj¹c zale noœæ R = 575s kh (1) Obliczony maksymalny zasiêg oddzia³ywania R max = 233,41 m. Dop³yw wody do wspó³dzia³aj¹cych drenów pionowych podczas prowadzenia odwodnieñ okreœlono na podstawie równania Forchheimera 2 2 hm kh ( ) Q = 1 0, 73 lg R lg( x1x2k xn ) n (2) Uzyskane wyniki obliczeñ wydajnoœci otworów przeprowadzonych wg wzoru (2) s¹ nastêpuj¹ce: wydajnoœæ grupy drenów pionowych Q 0 = 0, m 3 /s = 92,10 m 3 /h; wydajnoœæ pojedynczego drenu pionowego Q = 0, m 3 /s = 30,7 m 3 /h; wysokoœæ obni onego zwierciad³a podczas pracy wspó³dzia³aj¹cych drenów pionowych i prowadzenia odwodnieñ okreœlono na podstawie przekszta³conego równania (2) Q 1 h H R x x x k n = 0, 73 lg lg( 1 2 K n) (3) 650

5 Uzyskane wyniki prognostyczne obliczeñ wysokoœci zwierciad³a wody w drenach pionowych przeprowadzonych wg wzoru (3) s¹ nastêpuj¹ce: wysokoœæ zwierciad³a w drenie pionowym 1 h 01 = 8,75 m; wysokoœæ zwierciad³a w drenie pionowym 2 h 02 =8,33 m; wysokoœæ zwierciad³a w drenie pionowym 3 h 03 = 8,09 m. Prognozowane depresje na œcianie poszczególnych drenów pionowych podczas prowadzenia odwodnieñ okreœlono równie na podstawie równania (3), a ich wartoœci s¹ nastêpuj¹ce: depresja na œcianie drenu pionowego 1 s 1 = 4,25 m; depresja na œcianie drenu pionowego 2 s 2 = 4,67 m; depresja na œcianie drenu pionowego 3 s 3 = 4,91 m Obliczenia prognostyczne skorygowane Wykorzystuj¹c zale noœci (1) (3), przeprowadzono metod¹ kolejnych przybli eñ obliczenia korekcyjne. Otrzymano nastêpuj¹ce prognozowane wyniki: skorygowany promieñ zasiêgu leja depresyjnego R s = 165,58 m; wydajnoœæ grupy drenów pionowych Q 0 = 0, m 3 /s = 123,70 m 3 /h; wydajnoœæ pojedynczego drenu pionowego Q = 0, m 3 /s = 41,23 m 3 /h; wysokoœæ zwierciad³a w drenie pionowym 1 h 01 = 7,93 m; wysokoœæ zwierciad³a w drenie pionowym 2 h 02 = 7,29 m; wysokoœæ zwierciad³a w drenie pionowym 3 h 03 = 6,91 m; depresja na œcianie drenu pionowego 1 s 1 = 5,07 m; depresja na œcianie drenu pionowego 2 s 2 = 5,71 m; depresja na œcianie drenu pionowego 3 s 3 = 6,09 m; 5. OBLICZENIE WIELKOŒCI WYDATKU DOPUSZCZALNEGO I ZDOLNOŒCI PRZEPUSTOWEJ FILTRA Ka dy dren pionowy zostanie wyposa ony w filtr. Dopuszczaln¹ prêdkoœæ wlotow¹ do filtra obliczono, stosuj¹c wzór Abramowa [1, 5] Vdop = 65 3 k (4) gdzie k wspó³czynnik filtracji, m/d. Obliczona dopuszczalna prêdkoœæ V dop = 192,16 m/d = 8,00 m/h = 0,00222 m/s. Dopuszczalny wydatek drenu pionowego okreœla zale noœæ Q dop = Vdop Dz lf π (5) Obliczona wielkoœæ wydatku dopuszczalnego (Q dop ) przy lf = 6,0 m i dla D z = 0,406 m wynosi Q dop = 61,25 m 3 /h. Wydajnoœæ pojedynczego drenu pionowego, okreœlona w podrozdziale 5.2 wynosi Q = 0, m 3 /s = 41,23 m 3 /h. Natomiast zdolnoœæ przepustow¹ filtra ustalono na podstawie nomogramów producenta filtrów [12]. Dla szczelin 1,5 mm przepustowoœæ filtra DN250 wynosi zgodnie z nomogramem 7,0 m 3 /h, na ka dy 1mb przy prêdkoœci nap³ywu 0,03 m/s. Ca³kowita zdolnoœæ przepustowa filtra o d³ugoœci 6,0 m (dla 651

6 szczelin 1,5 mm) wynosi 42,0 m 3 /h, co gwarantuje przep³yw przez filtr obliczeniowej iloœci wody z warstwy wodonoœnej do drenu pionowego, z zachowaniem ograniczeñ wynikaj¹cych z dopuszczalnej prêdkoœci wlotowej do filtra V dop. Jak wynika z obliczeñ przeprowadzonych z wykorzustaniem zale noœci (2) i (5), warunek, aby Qobl. < Qdop, jest spe³niony. 6. PROJEKTOWANA KONSTRUKCJA ODWODNIENIOWEGO DRENU PIONOWEGO Projektuje siê dreny pionowe do wykonania technologi¹ wiertnicz¹. Konstrukcjê odwodnieniowych drenów pionowych opracowano, wykorzystuj¹c Ÿród³owe archiwalne materia³y geologiczne [2] oraz wytyczne zawarte w Polskich Normach [6 9]. Projektowan¹ konstrukcjê otworu wiertniczego przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Projekt geologiczno-techniczny odwodnieniowego drenu pionowego 652

7 7. WNIOSKI 1) Odwodnienie budowlane mo e byæ przeprowadzone z zastosowaniem ró nych rozwi¹zañ techniczno-technologicznych rowów, drenów poziomych, drenów pionowych lub ig³ofiltrów, a wybór sposobu odwodnienia zale y od warunków hydrogeologicznych i organizacyjnych dotycz¹cych prac budowlanych. 2) W praktyce najczêœciej stosuje siê dreny pionowe umiejscowione na zewn¹trz wykopu budowlanego w oddaleniu kilku metrów od jego krawêdzi, lecz w analizowanym przyk³adowym przypadku takie usytuowanie nie jest mo liwe, poniewa otwory te poniewa otwory te stanowi³yby przeszkodê dla swobodnego prowadzenia zaplanowanych robót budowlanych. 3) W warunkach takich, jak opisane w przyk³adzie, stosuje siê zazwyczaj osiem drenów pionowych w oddaleniu kilku metrów od krawêdzi wykopu budowlanego, jednak ze wzglêdu na ograniczenia organizacyjne procesu budowlanego w projekcie odwodnienia przyjêto system trzyotworowy z usytuowaniem pionowych drenów odwodnieniowych wewn¹trz planowanego wykopu. 4) Zastosowanie pionowych drenów odwodnieniowych, odpowiednio skonstruowanych i rozmieszczonych wewn¹trz wykopu budowlanego, prowadzi do zmniejszenia liczby drenów i ograniczenia kosztów przedsiêwziêcia. 5) Przeprowadzone obliczenia prognostyczne w zakresie wydajnoœci drenów pionowych i ich parametrów konstrukcyjnych potwierdzi³y za³o enie projektowe, e w analizowanym przypadku skuteczne wykonanie odwodnienia jest mo liwe, po zastosowaniu trzech pionowych drenów odwodnieniowych, odpowiednio skonstruowanych i rozmieszczonych wewn¹trz wykopu budowlanego. LITERATURA [1] Gabryszewski T., Wieczysty A.: Ujêcia wód podziemnych. Warszawa, Arkady 1985 [2] Karta rejestracyjna nr 894 studnia wiercona (nr banku hydro ). Wojewódzkie Archiwum Geologiczne w Krakowie [3] Kleczkowski A.: Mapa obszarów G³ównych Zbiorników Wód Podziemnych. Kraków, AGH 1990 [4] Kulma R.: Podstawy obliczeñ filtracji wód podziemnych. Kraków, Wyd. AGH 1995 [5] Pazdro Z.: Hydrogeologia ogólna. Warszawa, Wyg. Geol [6] PN-88/B-06715: Studnie wiercone Piaski i wiry filtracyjne [7] PN-G-02318:1994: Studnie wiercone Zasady projektowania, wykonania i odbiór [8] PN-93/G-02319: Studnie wiercone Rury pe³ne i filtrowe z PVC Wymiary i wymagania ogólne [9] PN-G-02321:1997: Studnie wiercone Obudowa i wyposa enie Wymagania [10] Projekt budowlany budynku mieszkalnego wielorodzinnego z gara em podziemnym oraz infrastruktur¹ techniczn¹ i komunikacyjn¹. ARS, Projekt Kraków 2006 [11] Soko³owski J., bikowski A.: Odwodnienia budowlane i osiedlowe. Warszawa, Wyd. SGGW 1993 [12] Wyroby do wyposa enia studni g³êbinowych. Materia³y informacyjne firmy Pol-BUD, ódÿ,