Odwadnianie nasypów i wykopów komunikacyjnych.

Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Odwadnianie nasypów i wykopów komunikacyjnych. Realizacja wykopowych robót ziemnych wiąże się między innymi z zabezpieczeniem wykopu przed napływem wód opadowych oraz gruntowych. Na skutek przesączania się przez skarpy odsłoniętych warstw wodonośnych może dojść do utraty stateczności skarpy. Odwadnianie jest realizowane zgodnie z (PN-S-02205:1998): wykonywanie wykopu w kierunku podnoszenia się niwelety, ujęcie wód opadowych za pomocą rowów, ujęcie wód gruntowych za pomocą drenów, odprowadzenie wód poza teren robót. W normie PN-S-02204:1997 wyróżnia się następujące rodzaje rowów: przydrożny - odprowadzający wodę opadową spływającą z pasów drogowych; wykonywany w formie rowu trapezowego, trójkątnego lub opływowego, stokowy - trapezowy rów zabezpieczający skarpę przed rozmyciem na skutek spływów powierzchniowych; odpływowy - łączący rów przydrożny z rowem stokowym lub odbiornikiem. Rys.1. Usytuowanie rowów w obrębie drogi: 1 - nawierzchnia, 2 - rów boczny, 3 - skarpa boczna, 4 - skarpa rowu stokowego Wody opadowe spływające ze skarp powinny w sposób nie związany docierać do graniczącego z drogą terenu i tam wsiąkać. Jeżeli jest to niemożliwe ze względów geologicznych lub prawnych (np. teren prywatny), należy zaplanować urządzenia odwadniające zbierające wody opadowe do odbiornika. Spływające po skarpie wody opadowe w przypadku prowadzenia drogi w wykopie, nie mogą w żadnym wypadku przedostawać się na powierzchnię jezdni. Należy je skanalizować za pomocą muld, rynien lub rowów i skierować do istniejącego odbiornika wód opadowych (np. cieków lub studni chłonnych). Za małe spadki dna rowów, brak czynności utrzymaniowych oraz źle usytuowane lub wybrane odbiorniki są powodem i zarzewiem dużych problemów ze zmianą parametrów 1

mechanicznych gruntów podłoża, ich uplastycznieniem i wywoływaniem zjawisk ogólnie zwanych destrukcyjnymi dla nośności i stateczności drogi. a) b) c) Fot. 1 (a, b, c). Przepełnienie i woda stojąca w rowach drogowych to z reguły duże problemy utrzymaniowe. 2

Najmniejszy dopuszczalny spadek dna rowów wynosi 0,2 lub 0,1 % na odcinkach nieprzekraczających 200 m. Wartości maksymalne zależą od rodzaju gruntu, w którym jest wykonany dno rowu oraz umocnienia dna i skarp rowu. W przypadku gdy spadek dna rowu przekracza 15%, są stosowane bystrotoki lub kaskady. Niweleta drogi powinna być wzniesiona ponad zwierciadło wody gruntowej co najmniej 0,7 m w gruntach przepuszczalnych, a 1,1 m w gruntach o średniej przepuszczalności i 1,6 m w gruntach nieprzepuszczalnych. W przypadkach wysokiego poziomu zwierciadła wody gruntowej należy je obniżyć, stosując ciągi drenarskie, które umieszcza się pod poboczami lub pod rowami. Rys. 2. Rozstaw drenów w przekroju poprzecznym nasypu drogowego [2] Przy założonym rozstawie drenów L oblicza się zagłębienie obniżonego zwierciadła wody gruntowej w stosunku do konstrukcji nawierzchni H wg wzoru: H = h0 + h1 h 0 = L 2 q 0 k w którym: h0 - obniżone zwierciadło wody gruntowej [m]; h1, - pierwotne położenie zwierciadła wody gruntowej [m]; q0 - spływ jednostkowy do drenu [m 3 -dobę -1 -m -2 ]; k - współczynnik filtracji gruntu [m-dobę -1 ]. Drenaż skarp wykonuje się, aby zapobiec wyciekom wody na powierzchnie skarpy, prowadzącym do zniszczeń erozyjnych. Drenaż skarp zazwyczaj wykonuje się w formie sączków kamiennych, a zbierająca się woda odprowadzana jest sączkami prostopadłymi do drenu rurowego (rys.3). Lokalne osuszenie skarp z mniejszymi wyciekami wodnymi można przeprowadzić wg konstrukcji jak na rys.4. Dolna część drenażu skarp powinna być poniżej granicy przemarzania gruntu. 3

Rys. 3. Przekrój powierzchniowego sączka skarpowego.[2] a) b) Fot.2 (a, b). Sączki skarpowe z wylotami drenów 4

Fot. 3. Prefabrykowane koryta naskarpowe. Fot. 4. Odwodnienie podstawy skarpy za pomocą narzutu kamiennego. 5

Fot. 5. Przykład odwodnienia podstawy skarpy za pomocą narzutu kamiennego. Fot. 6. Przykład odwodnienia podstawy skarpy w bezpośrednim sąsiedztwie ciągów rowerowo -pieszych za pomocą koszy gabionowych z narzutem kamiennym. 6

a) b) c) Rys.4 (a, b, c). Sączki wgłębne (poprzeczne) odwadniające z wylotami do rowu. 7

Powierzchniowe odpływy na skarpach powinny być umocnione narzutem kamiennym. Brak takiego umocnienia lub tylko częściowe umocnienie sprzyja zjawisku erozji na skarpach i ich niszczeniu. Rys.5. Zebrana warstwa gruntu (jeśli zachodzi konieczność humusowania; nie dotyczy w przypadku stosowania hydroobsiewu.[2] Dla wszystkich rodzajów gruntów, za wyjątkiem gruntów gruboziarnistych, należy przewidzieć drenaże w następujących przypadkach: - dla dróg jedno- i dwujezdniowych po obu stronach warstw konstrukcyjnych, jeżeli poziom dołu konstrukcji nawierzchni znajduje się poniżej lub na równi z terenem sąsiadującym z drogą, - niezależnie od położenia drogi w stosunku do terenu w przypadku dróg dwujezdniowych w obrębie pasa dzielącego. Z uwagi na odwodnienie warstwy mrozoochronnej drogi przebiegającej w nasypie celowe okazać się może wykonanie - zamiast sączków z materiałów mineralnych sięgających do powierzchni skarpy - ciągu drenarskiego usytuowanego w obrębie pobocza. 8

Rys. 6. Rodzaje drenaży drogowych. [1] Rozwiązania takie należy rozważyć szczególnie w następujących przypadkach - przy znacznym dopływie wody infiltracyjnej, np. przy nawierzchniach z kostki naturalnej lub sztucznej, - w zagłębieniach niwelety, - przy bardzo zwięzłym (słabo przepuszczalnym) materiale dolnych warstw nawierzchni (podbudowy i podłoża sztucznego), - przy skarpach nieodpornych na działanie erozyjne wody, - w przypadku często występujących -i długotrwałych okresów występowania temperatur ujemnych (głębokość przemarzania gruntu >1,2 m). Przykłady rozwiązań odwodnienia dolnych warstw nawierzchni drogi w nasypie przedstawione zostały na rys. 6. Problemy z odwodnieniem może spowodować nieumocniony pas dzielący dwie jezdnie. Wody opadowe wsiąkające w tym obszarze nie powinny pod żadnym pozorem przedostać się do warstw konstrukcyjnych nawierzchni drogowej. W celu zapobieżenia takiemu niepożądanemu działaniu wody infiltracyjnej wykonuje się częściowe profilowanie podłoża podstawy konstrukcji nawierzchni (podłoża gruntowego), ze spadkiem co najmniej 4% w kierunku pasa dzielącego. Spadek ten powinien rozpocząć się około 1,0 m, licząc od wewnętrznej krawędzi rozpatrywanej jezdni. Przykłady możliwych rozwiązań przedstawiono na rys. 7. Przy przebiegu drogi w wykopie lub na poziomie terenu sąsiadującego z nią, w przypadku podłoża gruntowego drobnoziarnistego lub o uziarnieniu mieszanym, trzeba, niezależnie od 9

rodzaju konstrukcji nawierzchni i spadku poprzecznego, wykonać odwodnienie podłużne w obrębie muld drogowych oraz pasa dzielącego dla dróg dwujezdniowych. Wody gruntowe działające na korpus drogowy w wykopie należy zebrać przy pomocy drenażu i odprowadzić poza obręb korpusu drogi, zaś otwarte ujście drenażu zabezpieczyć zaworem klapowym przed przedostawaniem się drobnych zwierząt do jego wnętrza. Przykłady rozwiązań odwodnienia w obrębie muld drogowych przy przebiegu drogi w wykopie lub na poziomie otaczającego terenu przedstawiają rys.8. Rys.7. Rodzaje odwodnienia pasa środkowego [1] Z doświadczenia wiadomo, że trwałość i niezawodność działania drenaży zależna jest od staranności ich wykonania (liniowy przebieg, staranne połączenia elementów, dobór materiału filtracyjnego itp.). Dlatego też należy z dużą uwagą nadzorować przebieg prac budowlanych. Przebieg ważnych dla stabilności skarp drenaży powinno się tak zaplanować, aby możliwa była kontrola ich działania, a w razie potrzeby także ich naprawa. Głębokość ułożenia drenaży dobiera się w taki sposób, aby również w okresie mrozów utrzymywały one swoją funkcjonalność, o ile z innych względów nie wymagają większej głębokości. Drenaż poniżej warstwy odsączającej konstrukcji jezdni układa się tak, aby sklepienie rury znajdowało się około 20 cm poniżej odwadnianej warstwy. 10

Rys.8. Odwodnienia z kanałem zbiorczym.[1] 1.1. Rów infiltracyjny. Do ujęcia i odprowadzenia wody z warstwy podłoża gruntowego, znajdującego się bezpośrednio pod warstwami konstrukcyjnymi jezdni drogowej, można zamiast ciągu drenarskiego zastosować rów infiltracyjny. Rozwiązanie takie jest korzystne w sytuacji, gdy ilość odprowadzanej wody jest duża lub też, gdy zawartość żelaza w wodzie gruntowej mogłaby spowodować uszkodzenie ciągu drenarskiego. Często też stosuje się rowy infiltracyjne do odprowadzania wód opadowych z powierzchni drogi. Rów infiltracyjny ma z reguły kształt prostokątny ze ścianami z wodoprzepuszczalnego materiału np. maty plecionej z twardego drewna. Jako zabezpieczenie ścian przed podmywaniem i obsypywaniem stosuje się umocnienie palami drewnianymi, natomiast dno umacnia się prefabrykatami ażurowymi lub tłuczniem. Dla zabezpieczenia przed przenikaniem drobin mineralnych z warstw filtracyjnych można zastosować warstwę filtracyjną z tkaniny geotekstylnej. 11

Rys.9. Rów infiltracyjny [1] Innym rozwiązaniem może być budowa małych zbiorników retencyjnych. Zgodnie z zasadą działania małe zbiorniki retencyjne mają zdławiony wypływ do kolektora deszczowego lub odbiornika wód deszczowych (o ile ten nie jest w stanie przyjąć i odprowadzić maksymalnego dopływu). Efekt zmniejszenia ilości wypływających ze zbiornika ścieków uzyskuje się dzięki zmagazynowaniu na pewien okres części dopływających wód deszczowych. Pozwala to na wydłużenie czasu odpływu ze zbiornika w wyniku spłaszczenia szczytu fali deszczowej. 1.2. Studnia chłonna. Przy projektowaniu odwodnienia deszczowego na terenie płaskim, przy braku naturalnych odbiorników wód opadowych oraz gdy budowa kanalizacji jest niemożliwa lub nieopłacalna, wykonuje się studnie chłonne. Wody powierzchniowe zebrane za pomocą rowu, drenażu lub krótkich odcinków kanalizacji infiltrują w obrębie studni chłonnej w głąb przepuszczalnych warstw gruntowych lub skalnych leżących poniżej powierzchni terenu. Przy lokalizacji studni chłonnej należy uwzględnić możliwość zanieczyszczenia wód gruntowych i z tym związanych zabiegów zabezpieczających - zdolność samooczyszczania w obrębie studni chłonnych jest znacznie niższa niż w przypadku zbiornika chłonnego. Zdolność chłonna studni Qf określa ilość wody, która może wsiąknąć ze studni w jednostce czasu. Wyznacza się ją doświadczalnie na podstawie próby wsiąkania w terenie lub rachunkowo na podstawie rozpoznania warunków hydrogeologicznych, przyjętych wymiarów studni i odwadnianej powierzchni. Zdolność chłonną wyraża się w m 3 /s. 12

Rys. 10. Schemat konstrukcji studni chłonnej. h 0 2 z 2 = Q π k ln x r Q = π k(h o 2 H 2 ) ln R r Zależnie od wodoprzepuszczalności gruntu oraz poziomu zw. wód gruntowych wyróżnia się cztery podstawowe rodzaje studni chłonnych: typ 1 - studnia o głębokości wody w studni hs znajduje się całkowicie w warstwie przepuszczalnej powyżej swobodnego zwierciadła wody gruntowej; typ 2 - studnia o głębokości wody w studni hs znajduje się w warstwie nieprzepuszczalnej o miąższości równej głębokości studni lub większej, przy zwierciadle swobodnym wody gruntowej poniżej dna studni; 13

Rys.11. Rodzaje studni chłonnych. [1] typ 3 - studnia znajduje się w górnej swej części w warstwie nieprzepuszczalnej, natomiast w dolnej części w warstwie przepuszczalnej (przebija warstwę nieprzepuszczalną). Swobodne zwierciadło wody gruntowej znajduje się do wysokości //wewnątrz studni, natomiast poziom wody w studni wynosi hs ; typ 4 - studnia znajduje się całkowicie w warstwie nieprzepuszczalnej aż do jej spągu (tzn. dolnej powierzchni warstwy). Woda gruntowa występuje w postaci napiętej i sięga (po rozprężeniu) do wysokości H wewnątrz studni. Efektywność tego typu studni jest niepewna z uwagi na działanie siły naporu dążącej do wyrównania poziomów zwierciadła wody w studni. Zdolność chłonna studni zależy nie tylko od jej przekroju poprzecznego i wodoprzepuszczalności gruntu, ale także od wysokości słupa wody nad warstwami filtru odwrotnego. 14

Rys.12. Schemat studni chłonnej. [1] Rys.13. Konstrukcja gruntowej studni chłonnej.[1] 15

Rys. 14. Przykład konstrukcji studni chłonnej z elementów prefabrykowanych. [1] Studnie chłonne i zbiorniki wodne powinno się umieszczać w odległości min. 20,0 m od podstawy nasypu drogowego. 16

Fot. 7. Przykład niefrasobliwego projektowania krawędź zbiornika zbyt blisko krawędzi jego pojemność. Woda stojąca ingeruje w konstrukcję drogową. jezdni i zbyt mała Fot. 8. Poziom wody w zbiorniku retencyjnym uniemożliwia odwodnienie pasa drogowego. W ostatnich latach pojawiły się w praktyce budowlanej urządzenia nowego typu przewyższające swoją zdolnością chłonną tradycyjne studnie chłonne. Ich istota polega na znacznym zwiększeniu powierzchni kontaktu (tzn. powierzchni chłonnej) z gruntem. Do urządzeń tych zaliczamy skrzynki i komory chłonne. 17

Rys. 15. Tworzenie zespołu rozsączającego ze skrzyń lub komór. [1] 1.3. Odwodnienie w wykopach. Budowa ciągów komunikacyjnych łączy się często z wykonywaniem głębokich wykopów o pionowych ścianach, np. pod posadowienie podpór obiektów mostowych czy wykopów towarzyszących wykonywaniu tuneli drogowych lub kolejowych. Realizacja głębokich wykopów wiąże się z zagrożeniem występowania odkształceń podłoża gruntowego w bezpośrednim sąsiedztwie. Największe przemieszczenia pionowe powierzchni terenu występują w strefie o szerokości od 0,5 do 0,75 H. Przyczyną występowania odkształceń są: zmiany stanu naprężenia i odkształcenia w gruncie, związane z przemieszczeniami obudowy wykopu, odkształcenia podłoża gruntowego powstałe w wyniku jego odciążenia wykopem, a następnie obciążenia nową konstrukcją osiadania powierzchni terenu spowodowane obniżeniem zwierciadła wody gruntowej Stosowanie obudowy wykopu ma na celu zabezpieczenie jego ścian przed utratą stateczności. 18

Literatura: 1. Edel R.: Odwodnienie dróg. WKiŁ Warszawa 2006 2. Głażewski M., Piechowicz K., Nowocień E.: Roboty ziemne, rekultywacyjne i pratotechnika w drogownictwie. Drogownictwo 3/2013, 19