GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2012 Tom 7 Zeszyt 1 Piotr KALISZ Główny Instytut Górnictwa, Katowice WPŁYW EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ NA RUROWE ZBIORNIKI RETENCYJNE Streszczenie. W artykule przedstawiono zagadnienia oddziaływania deformacji podłoża, powodowanych podziemną eksploatacją górniczą, na rurowe zbiorniki retencyjne związane z sieciami kanalizacyjnymi. Zbiorniki rurowe poddawane są oddziaływaniu poziomych odkształceń przypowierzchniowej warstwy gruntu, krzywizn podłoża, a także zmian nachylenia powierzchni, wywołanych nierównomiernymi jej obniżeniami. Oddziaływania te powinny być uwzględniane przy projektowaniu i ocenie odporności rurowych zbiorników retencyjnych na wpływy podziemnej eksploatacji górniczej. IMPACT OF MINING EXPLOITATION ON TUBULAR RETENTION TANKS Summary. Issues concerning the impact of subsoil deformations, caused by underground mining exploitation, on retention tubular tanks related to sewage system were presented. The tanks are subjected to the impact of horizontal strains of the soil layer adjacent to the surface, curvatures and also tilt changes of the surface caused by its uneven subsidence. This impact should be taken into account in the processes of designing and resistance assessing of the tanks in mining areas. 1. Wprowadzenie Wpływ podziemnej eksploatacji górniczej na obiekty budowlane, zagłębione w przypowierzchniowej warstwie gruntu, przejawia się w oddziaływaniu obniżeń i poziomych przemieszczeń, a w konsekwencji poziomych odkształceń, krzywizn i nachyleń terenu. Deformacje te powodują zmiany obciążeń obiektów częściowo lub całkowicie zagłębionych w gruncie, a niekiedy pogorszenie ich właściwości użytkowych. Do obiektów takich należą między innymi sieci uzbrojenia terenu wraz z obiektami towarzyszącymi.
88 P. Kalisz Niniejszy artykuł obejmuje zagadnienia oddziaływania deformacji podłoża, spowodowanych podziemną eksploatacją górniczą, na rurowe zbiorniki retencyjne związane z sieciami kanalizacyjnymi. W szczególności rozpatrzono przypadki obciążenia zbiorników wielokomorowych jako skutku działania poziomych odkształceń przypowierzchniowej warstwy gruntu i ich koncentracji wokół tych obiektów. 2. Rurowe zbiorniki retencyjne Zbiorniki retencyjne służą do przechwytywania i czasowego zatrzymywania szczytowych przepływów wód deszczowych, które obciążają sieć kanalizacji ogólnospławnej lub rozdzielczej. Zapewniają one znaczne zmniejszenie jednostkowego natężenia przepływu i spowolnienie odpływu ścieków deszczowych [1, 3], umożliwiając odciążenie określonych odcinków istniejących sieci, które przy zwiększonych opadach mają zbyt małą przepustowość. Pozwalają także na zmniejszenie przekrojów kanałów projektowanych sieci kanalizacyjnych. Zbiorniki retencyjne są stosowane także w układach grawitacyjnopompowych przy przepompowniach ścieków. Zbiorniki te mogą być budowane z połączonych hydraulicznie baterii rur, w których w odpowiedniej kolejności następuje magazynowanie ścieków. Retencyjne zbiorniki rurowe zachowują wszystkie cechy przewodu rurowego i stanowią alternatywę dla zbiorników zamkniętych z żelbetu [6]. Zbiorniki rurowe mogą być budowane jako: pojedyncze o konstrukcji monolitycznej, pojedyncze zbudowane z rur o połączeniach nasuwkowych, wielokomorowe (monolityczne lub o złączach nasuwkowych) szeregowe lub równoległe. Mogą one być budowane z rur wielkogabarytowych o zaślepionych końcach, np. rur z żywic poliestrowych wzmacnianych włóknem szklanym o połączeniach nasuwkowych (rys. 1) lub z rur strukturalnych o konstrukcji monolitycznej (rys. 2).
Wpływ eksploatacji górniczej na rurowe zbiorniki 89 Rys. 1. Wielokomorowy zbiornik rurowy w układzie równoległym [1] Fig. 1. Tubular multi-chamber tank in parallel system [1] Rys. 2. Zbiornik wielokomorowy, wykonany z rur z tworzyw sztucznych [6] Fig. 2. Multi-chamber tank made of plastic pipes [6] Przykładem konstrukcji rurowego zbiornika retencyjnego może być zbiornik, którego przestrzeń wewnętrzna jest podzielona na sekcje przegrodami umieszczonymi w studzienkach lub komorach kanalizacyjnych. Zbiornik taki może być usytuowany w linii kanału ściekowego systemu kanalizacyjnego i połączony z nim przez rewizyjną komorę wlotową oraz komorę wylotową, w których następuje zwiększenie geometrii kanału [1]. Rurowy zbiornik retencyjny może być także usytuowany poza linią kanału ściekowego systemu kanalizacyjnego w formie by-passa, co przedstawiono na rys. 3.
90 P. Kalisz Rys. 3. Zbiornik retencyjny poza linią kanału ściekowego [1]: 1 - komora wlotowa, 2 i 3 - przegrody, 4, 5 i 6 - komory, 7 i 8 - sekcje, 9 - kanał dopływowy, 10 - kanał odpływowy, 11 - regulator odpływu, 12 - przewód awaryjny, 13 - komora wylotowa Fig. 3. Retention tank out of the main course of sewer [1]: 1 - inlet chamber, 2 and 3 - partitions, 4, 5 and 6 - chambers, 7 and 8 - sections, 9 - inlet sewer, 10 - outlet sewer, 11 - outlet regulator, 12 - emergency pipe, 13 - outlet chamber 3. Analiza wpływu eksploatacji górniczej na zbiorniki rurowe Deformacje górnicze podłoża powodują dodatkowe obciążenia obiektów budowlanych zagłębionych w gruncie [4, 8, 14]. Zbiorniki poddawane są oddziaływaniu poziomych odkształceń przypowierzchniowej warstwy gruntu, krzywizn podłoża, a także zmian nachylenia powierzchni wywołanych jej nierównomiernymi obniżeniami. Poziome odkształcenia przypowierzchniowej warstwy gruntu powodują zmiany obciążeń rurowych zbiorników retencyjnych zarówno na kierunku poprzecznym, jak i podłużnym. Następują zmiany parcia gruntu na ich ściany, a także zmiany sił wewnętrznych oraz odkształcenia i przemieszczenia. Pierwotny stan obciążeń poprzecznych zbiorników można opisać tak, jak dla rurociągów wielkogabarytowych [5, 11, 12, 18]. Rozluźnianie gruntu powoduje zmniejszenie parcia na ściany zbiorników. W przypadku przekrojów o małej podatności szybko występuje czynny stan graniczny i do obliczeń można wtedy przyjmować parcie czynne. Zagęszczanie gruntu powoduje zwiększenie parcia, a wartość odkształceń przy ścianach zbiorników ulega koncentracji, szczególnie w przypadku obiektów o małej podatności. Może ono wówczas osiągnąć wartość parcia biernego. Parcie gruntu można określić, znając wartość poziomych odkształceń tuż przy ścianach zbiorników. Dla pojedynczego zbiornika jest ono zależne od jego długości i średnicy. W przypadku zbiorników lub ich komór o schemacie obciążenia przedstawionym na rys. 4
Wpływ eksploatacji górniczej na rurowe zbiorniki 91 obciążenie σ 22 ścian zbiornika dla zagęszczania gruntu można scharakteryzować z wykorzystaniem współczynnika rozporu bocznego ξ [7, 8]: gdzie: σ =σ ξ σ ξ ξ ξ 1 σ 11 obciążenie pionowe σ 11 = γh + p, γ h ciężar objętościowy gruntu, średnie zagłębienie zbiornika, p n obciążenie naziomu, m 22 11 = 11 z ( z 0 ) z kr n, (1) ξ 0, ξ z współczynnik rozporu bocznego gruntu w spoczynku i w biernym stanie granicznym, odkształcenie gruntu w pobliżu ścian zbiornika, = k0 lub ze wzoru (2), odkształcenie gruntu wywołane eksploatacją górniczą, k 0 współczynnik koncentracji odkształceń na kierunku poprzecznym; dla segmentów rurowych o małej podatności przyjmuje wartość k = 1, 0 5 [8], dla obiektów podatnych można przyjmować wartości mniejsze, z odkształcenie krytyczne przy zagęszczaniu gruntu, przy którym występuje bierny stan kr graniczny, dla gruntów niespoistych średnio z = 31 mm/m, kr m współczynnik doświadczalny, dla gruntu niespoistego średnio m = 3,1. W przypadku obiektów o małej podatności występuje koncentracja poziomych odkształceń gruntu w pobliżu ich ścian, którą można określić na podstawie wzoru [7, 16]: gdzie: L długość obiektu, H wysokość obiektu równa średnicy segmentu rurowego. L = 1+ 2H, (2) Parcie gruntu na ściany zbiorników podczas zagęszczania może osiągnąć wartość parcia biernego, szczególnie na ściany (zaślepienia rur) na kierunku podłużnym obiektów niepodatnych o znacznej długości i bez dylatacji. W tym przypadku należy brać pod uwagę nawet niewielkie wartości poziomych odkształceń podłoża, w tym również wywoływanych wstrząsami górniczymi [15]. Wynika to ze wzoru (2), zgodnie z którym wraz z długością obiektu rośnie bezwzględna wartość odkształceń gruntu przy jego ścianach.
92 P. Kalisz x 2 A A d h parci e A-A L parcie przy zagęszczaniu gruntu Rys. 4. Schemat obciążeń jednokomorowego zbiornika rurowego Fig. 4. Load diagram of tubular single-chamber tank Wartość odkształceń gruntu przy ścianach zbiorników wielokomorowych w porównaniu z pojedynczymi zbiornikami ulega dodatkowej koncentracji. Strefa zaburzeń odkształceń wokół obiektów posadowionych blisko siebie może ponadto ulec zwiększeniu w porównaniu z obiektami pojedynczymi. Dotyczy to w szczególności obiektów o małej podatności, takich jak zbiorniki zbudowane z rur żelbetowych, polimerobetonowych oraz z żywic wzmacnianych włóknem szklanym. Oddziaływanie poziomych odkształceń przypowierzchniowej warstwy gruntu na zbiornik złożony z komór o przekroju kołowym przedstawiono schematycznie na rys. 5. Zakłada się, że odległość a między komorami jest mniejsza od zasięgu strefy koncentracji odkształceń S, to znaczy a < S. x 2 S d a d a d S Rys. 5. Przekrój poprzeczny rurowego zbiornika wielokomorowego Fig. 5. Cross-section of tubular multi-chamber tank
Wpływ eksploatacji górniczej na rurowe zbiorniki 93 W przypadku gdy odległość między komorami będzie mała, strefy koncentracji odkształceń dla pojedynczych komór nałożą się na siebie i koncentracja odkształceń wokół obiektów ulegnie zwiększeniu [2]. Spowoduje to dodatkowe obciążenia ścian zbiornika. W takim układzie dla zachowania równowagi musi wytworzyć się jednakowe parcie na ściany zbiorników, a tym samym takie same wartości odkształceń dla każdej komory. Skrócenie odcinka o długości obejmującej dwa zagłębione w gruncie obiekty niepodatne o jednakowej średnicy d i strefie zaburzeń odkształceń S wokół nich (S+d+a+d+S), spowodowane poziomymi odkształceniami o wartości, musi być równe skróceniu sumy odcinków obejmujących strefy zaburzeń odkształceń i przestrzeni między komorami (S+a+S). Można to zapisać w postaci warunku: + + ( S + d + a + d + S) = S + a + S. 2 2 Po przekształceniu otrzymuje się wartość odkształceń przy ścianach zbiorników dwukomorowych o jednakowej średnicy: ( ) S + 2d + a 2d = = 1+ S + a S + a, (3) gdzie a jest odległością między nimi, która spełnia warunek a < S. Dla trzech komór o jednakowej średnicy i rozstawieniu wartość odkształceń przy ścianach zbiorników można obliczyć ze wzoru: 3d = 1+ S + 2a. (4) W przypadku zbiorników złożonych z n d jednakowych komór, rozstawionych w równych odległościach a, wzór na wartość odkształceń przyjmuje postać: gdzie n d jest liczbą komór. nd d = 1 +, (5) S + ( nd 1) a Strefa zaburzeń odkształceń wokół segmentu rurowego może być określona jako wielokrotność jego średnicy S = ( n 1 2)d, gdzie n jest wielokrotnością średnicy komór i dla pojedynczego obiektu można przyjmować n = 5 [8]. Analizując oddziaływanie deformacji górniczych podłoża, należy również uwzględnić siły wynikające z tarcia ziaren gruntu o zewnętrzną powierzchnię komór zbiorników. Siły styczne powodują dodatkowe siły ściskające lub rozciągające, które mają znaczenie przede wszystkim przy oddziaływaniu odkształceń na kierunku podłużnym zbiornika. Obciążenie zbiorników na
94 P. Kalisz kierunku głównym, prostopadłym do kierunku występowania odkształceń głównych 22 =, również ulega zwiększeniu, jednak przyrost tych obciążeń jest znacznie mniejszy, gdyż σ33 = ν σ 22. Wówczas parcie gruntu na ściany boczne σ33 ξ 0σ11 + ν σ 22 =. Wartość ekstremalnych sił można określić jako sumę podłużnych sił stycznych działających na ich obwodzie. Ekstremalne wartości tych sił są wywoływane w środkowej części zbiornika lub w segmentach oddzielonych dylatacjami [2]. Dla rozluźniania gruntu (rozciągania) wzdłuż osi zbiornika lub komory można je obliczyć ze wzoru: Z ekstr π r ( ξ + 1)( γh + p + q) dl n f =. (6) 4 Dla zagęszczania gruntu (ściskania) należy dodatkowo uwzględnić parcie na ściany zaślepień rur; wtedy ekstremalne siły podłużne można obliczyć ze wzoru: gdzie: f Z [ ν( ξ -ξ ) + ξ + 1]( γh + p + q) 2 πdl 0 0 n f πd = + ξ( γh pn ), (7) 4 4 ekstr + współczynnik tarcia gruntu o powierzchnię zbiornika, ξ r współczynnik rozporu bocznego gruntu w czynnym stanie granicznym, ν współczynnik Poissona dla gruntu, q ciężar zbiornika lub komory. W przypadku zbiorników o bardzo dużej chropowatości lub zewnętrznym użebrowaniu siły styczne mogą być równe wartościom sił ścinających grunt w pobliżu ścian oraz dna. Wówczas siły te należy przyjąć do obliczeń. Dodatkowe obciążenia zbiorników są wywoływane głównie poziomymi odkształceniami przypowierzchniowej warstwy gruntu, ale mogą być także powodowane krzywiznami podłoża. Krzywizny wklęsłe lub wypukłe powodują dodatkowe momenty zginające w konstrukcji. Krzywizna terenu wywołuje momenty zginające, występujące na długości rurociągu objętej wpływami eksploatacji górniczej. W przypadku pionowej krzywizny K przypowierzchniowej warstwy gruntu, która powoduje wystąpienie takiej samej krzywizny komór zbiorników rurowych, średnia wartość momentów zginających M może być wyznaczona ze wzoru [7, 8]: gdzie: E I moduł sprężystości materiału rur, moment bezwładności przekroju poprzecznego rurociągu. M = KEI, (8)
Wpływ eksploatacji górniczej na rurowe zbiorniki 95 Dla rurociągów nieodkształcalnych ekstremalne momenty zginające występują nad krawędzią eksploatacji [7, 8]; ich wartość można obliczyć ze wzoru: 4 πdckl M =, (9) 384 gdzie C jest współczynnikiem proporcjonalności (znamieniem) podłoża Winklera. W przypadku gdy podłużne siły rozciągające w komorze zbiornika rurowego, wynikające z tarcia ziaren gruntu, przy jego rozluźnianiu i/lub podłużne siły ściskające przy jego zagęszczaniu są zbyt duże, komorę taką należy podzielić na segmenty z zastosowaniem złączy kompensujących deformacje podłoża. Tak samo jak w przypadku budynków [13], złącza z dylatacjami przeciwdziałają także niekorzystnemu wpływowi krzywizn powierzchni. Powinny one charakteryzować się zdolnościami kompensacyjnymi l, wynikającymi z poziomych odkształceń i krzywizn o promieniu R: ( 2 + d / R)( 1 n M ( l) ) l = l + lk = l + p, (10) gdzie współczynnik zmienności M (l) wskaźników deformacji musi uwzględniać rozrzut losowy ich wartości [17, 19] dla odcinka o długości segmentów l [9]. Nierównomierne obniżenia powodują zmiany pierwotnej osi podłużnej oraz względne ustawienie komór zbiorników rurowych i ze względów użytkowych należy je brać pod uwagę przy projektowaniu i ocenie odporności zbiorników. 4. Wnioski Z uwagi na oddziaływanie podziemnej eksploatacji górniczej na zbiorniki rurowe, wykorzystywane w systemach kanalizacyjnych jako zbiorniki retencyjne, należy uwzględnić wpływ poziomych odkształceń i przemieszczeń, krzywizn podłoża, a także zmian nachylenia powierzchni. Skutkiem oddziaływania deformacji przypowierzchniowej warstwy gruntu są dodatkowe obciążenia, odkształcenia oraz przemieszczenia obiektów w niej zagłębionych. Może to powodować przekroczenie nośności elementów konstrukcyjnych tych obiektów oraz pogorszenie ich właściwości użytkowych. Na podstawie przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że w przypadku zbiorników wielokomorowych, złożonych z komór posadowionych blisko siebie, występuje zwiększona koncentracja poziomych odkształceń w porównaniu ze zbiornikami pojedynczymi. Koncentracja ta jest tym większa, im mniejsza jest odległość między komorami i im większa
96 P. Kalisz jest ich liczba. Powoduje to zwiększenie parcia gruntu na ich ściany w porównaniu z pojedynczym obiektem. W przypadku zbiorników segmentowych przerwy dylatacyjne umożliwiają przeniesienie dodatkowych sił wywoływanych w konstrukcji obiektów, gdyż zmniejszają ich koncentrację na kierunku podłużnym obiektu i tym samym wartość parcia na jego ściany. W celu ograniczenia tego parcia do minimalnej wartości i zapewnienia właściwej pracy zbiornika należy uwzględnić także możliwość większego przemieszczenia skrajnych segmentów z uwagi na zwiększone parcie na ich ściany. BIBLIOGRAFIA 1. Dziopak J., Stec A., Słyś D.: Rurowy zbiornik retencyjny ścieków deszczowych. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, marzec-kwiecień 2011. 2. Kalisz P., Zięba M.: Analiza wpływu eksploatacji górniczej na zbiorniki zagłębione w przypowierzchniowej warstwie gruntu. Praca statutowa GIG, Katowice 2011. 3. Kisiel A., Kisiel J., Malmur R., Mrowiec M.: Retencyjne zbiorniki jako elementy nowoczesnych rozwiązań sieci kanalizacyjnych. Czasopismo Techniczne Ś, z. 1-Ś/2008, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2008, s. 41-63. 4. Kliszczewicz B.: Przegląd metod obliczeniowych podatnych rurociągów zlokalizowanych na terenach górniczych. Kwartalnik GIG, Górnictwo i Środowisko, nr 4/1/2010, Katowice 2010, s. 143-154. 5. Kuliczkowski A.: Projektowanie konstrukcji przewodów kanalizacyjnych. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2003. 6. Kwacz M., Zadrosz J.: Przykłady zastosowań systemów rurowych z tworzyw sztucznych w sieciach podziemnych. Wavin Metalplast-Buk Sp. z o.o., KWH Pipe Poland Sp. z o.o. 7. Kwiatek J. i in.: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. GIG, Katowice 1997. 8. Kwiatek J.: Obiekty budowlane na terenach górniczych. GIG, Katowice 2007. 9. Kwiatek J.: Opracowanie probabilistycznej metody oceny skutków podziemnej eksploatacji górniczej w obiektach budowlanych. Projekt badawczy własny. GIG, Katowice 2006. 10. Lessaer S.: Miejskie tunele, przejścia podziemne i kolektory. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1979. 11. Madryas C. i in.: Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002. 12. Mendec J.: Kształtowanie przekroju podziemnych kanałów ze względu na łączne kryteria hydrauliczne i konstrukcyjne. Praca doktorska, Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice 1980. 13. Mika W.: Wpływ poziomych odkształceń podłoża górniczego na zmiany szerokości szczelin dylatacyjnych w budynkach dwusegmentowych. Rozprawa doktorska. GIG, Katowice 1996. 14. Mokrosz R.: Wprowadzenie do mechaniki budowli liniowych zagłębionych w gruncie na terenach górniczych. Zakład Narodowy im. Ossolińskich PAN, Wrocław 1985. 15. Mutke G.: Wpływ drgań wywołanych wstrząsami górotworu na rurociągi uzbrojenia podziemnego. Projekt badawczy zamawiany PBZ-016-06 pt. Ochrona obiektów
Wpływ eksploatacji górniczej na rurowe zbiorniki 97 budowlanych przed szkodami powodowanymi podziemną eksploatacją górniczą. GIG, Katowice 1996. 16. Ochrona powierzchni przed szkodami górniczymi. Praca zbiorowa. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1980. 17. Popiołek E.: Rozproszenie statystyczne odkształceń poziomych terenu w świetle geodezyjnych obserwacji skutków eksploatacji górniczej. Zeszyty Naukowe AGH, s. Geodezja, z. 44, Kraków 1976. 18. Stomatello H. i in.: Kanalizacja. T. 1. Arkady, Warszawa 1974. 19. Zych J., Drzęźla B., Strzałkowski P.: Prognozowanie deformacji powierzchni terenu pod wpływem eksploatacji górniczej. Skrypty Uczelniane, nr 1684, Politechnika Śląska, Gliwice 1993. Abstract Retention tanks collects and temporarily stores the peak flows of rain water which loads combined and separate sewage system. They are also used in gravitational-pump systems near sewage pumping stations. Retention tanks can be built using large-size tubes as single or multi-chamber with monolithic construction or sleeve joints. Tubular tanks are subjected to the impact of horizontal strains of the ground layer adjacent to the surface, curvatures and also tilt changes of the surface caused by its uneven subsidence. This impact should be taken into account in the processes of designing and resistance assessing of the tanks in mining areas. Horizontal strains of the ground layer adjacent to the surface cause the load changes of chambers of tubular retention tanks both transverse and longitudinal direction. There occur changes in earth pressure on walls, internal forces changes, deformations and displacements of individual elements of the tanks. Earth pressure on walls of single tank is dependent on its length and diameter, and it is related to the value of horizontal strains. Around the objects, especially those with low flexibility, there is the concentration of horizontal strains of ground near the walls. The value of ground strains beside the walls of multi-chamber tanks in transverse direction is subjected to additional concentration, because the disturbance zones of deformations overlap when chambers lay close. There are presented formulas for the value of the strains for multichamber tanks and for the values of longitudinal forces in the chambers of tanks resulting from the friction of soil grains on their outer surface. Curvatures of the surface cause additional bending moments in the construction and the deviation angle of pipe segments, especially in theirs longitudinal direction. Against unfavourable effects of horizontal strains and curvatures of the surface there are used expansion joints in the tanks. Joints of the tanks should have the compensation abilities which are determined with taking into account the random dispersion of deformation indicators. Uneven subsidence cause changes of the primary longitudinal axis and the settings of chambers of tubular tanks and they can lead to the deterioration of their use properties.