Odwadnianie wykopów

Spora część robót wykopowych podczas budowy systemu kanalizacyjnego oraz innych budowli infrastruktury wodno-ściekowej, szczególnie tych podziemnych, np. pompowni i zbiorników, odbywa się poniżej zwierciadła wody gruntowej.

Często stosowane przy odwadnianiu wykopów ścianki szczelne są kłopotliwe w eksploatacji, a ich użycie okazuje się stosunkowo kosztowne. Jednocześnie poza ściankami szczelnymi cały czas utrzymywany jest wysoki poziom wody gruntowej, będący jedną z bezpośrednich przyczyn upłynniania się gruntu i występowania tzw. kurzawki.

Współczynnik filtracji

Współczynnik filtracji w najprostszym ujęciu charakteryzuje grunt pod względem prędkości przemieszczania się w nim cieczy. Współczynnik ten zmniejsza się nieznacznie wraz ze spadkiem temperatury wody, dlatego zwykle przyjmuje się, że jego wartość określana jest dla temperatury wody równej 10°C. W praktyce napotykane podczas prowadzenia robót odwodnieniowych grunty nigdy nie są jednorodne i dokładne wyliczenie współczynnika filtracji stanowi wyzwanie dla projektantów. Najpopularniejszym skutecznym sposobem pomiaru wartości współczynnika filtracji jest próbne pompowanie z wcześniej zbudowanej studni lub otworu obserwacyjnego.

 

Tab. 1. Orientacyjne wartości współczynnika filtracji (wodoprzepuszczalności)¹

Nazwa gruntu	Współczynnik filtracji k [cm/s]
Drobny żwir	10-10 -1
Piasek gruboziarnisty i średnioziarnisty	10-1-10-2
Piasek drobnoziarnisty	10-2-10-3
Piasek pylasty	10-3-10-4
Less o strukturze nienaruszonej	10-3-10-4
Less o strukturze przerobionej	10-5 ? 10-7
Pyły	10-4-10-6
Gliny	10-6-10-8
Gliny zwięzłe	10-7-10-9
Iły	10-8-10-10

W przypadku niewielkich powierzchniowo wykopów, prowadzonych w gruntach względnie stabilnych o małym napływie wody, można zmniejszać poziom wody w nich za pomocą odwadniania bezpośrednio z wykopu (grunty o współczynniku filtracji k w zakresie od 1 do 10^-3 cm/s). Należy jednak zapewnić prawidłowy napływ wody do zbiorczych studni i niecek, jednocześnie dbając o stałe i nieprzerwane pompowanie. Sytuacja, w której podczas odwadniania dopuścimy do rozmycia dna wykopu i wypłukiwania gruntu jest bardzo niebezpieczna, gdyż grunt destabilizuje się. Dlatego pompowanie wody bezpośrednio z wykopu powinno być stosowane tylko w gruntach piaszczystych i spoistych, natomiast nieskuteczne i niebezpieczne będzie odwadnianie w gruntach pylastych, czyli takich o współczynniku filtracji na poziomie ok. k < 10^-3 cm/s.

 

Do odwadniania wody bezpośrednio z wykopu stosuje się w głównej mierze pompy zatapialne lub pompy samozasysające, umożliwiające pompowanie cieczy zawierających niewielkie ciała stałe. Pompy samozasysające wykorzystuje się w wykopach o głębokości maksymalnie ok. 7 m.

W przypadku pompowania wody bezpośrednio z wykopu rzadko stosowane są pompy głębinowe, narażone na szybkie zużycie w przypadku obecności piasku w cieczy oraz nieefektywne ekonomicznie ze względu na przeznaczenie do pompowania wody z dużymi wysokościami tłoczenia i małą wydajnością. W przypadku odwadniania wody bezpośrednio z wykopu na ogół preferowana jest wydajność, a nie wysokość tłoczenia (dla pomp głębinowych zwykle jest to minimum 40-50 m).

Liczba i umiejscowienie oraz wydajność zastosowanych pomp do odwadniania bezpośrednio z wykopu (a konkretnie ze studni odwadniającej, zbudowanej w obrębie wykopu i sięgającej poniżej poziomu docelowego zwierciadła wody gruntowej) powinna być odpowiednio dopasowana do warunków gruntowych i wielkości wykopu oraz wysokości ssania i tłoczenia. Wydajność pomp zatapialnych i samozasysających można regulować odpowiednim przymknięciem zaworu na linii tłocznej. Ważne jest jednak to, żeby zastosowana pompa nie była zbyt wydajna, gdyż zbyt mocne jej dławienie zaworem na wylocie nie zawsze jest ekonomicznym i ekologicznym rozwiązaniem ze względu na pracę pompy w zakresie jej niewielkich sprawności i możliwość wystąpienia zjawisk mogących spowodować przerwanie pompowania lub uszkodzenie pompy.

W przypadku pomp samozasysających należy stosować odpowiednie kosze ssawne, zapobiegające przedostawaniu się dużych elementów do wnętrza pompy. Otwory kosza ssawnego powinny być dopasowane do możliwości wynikających z konstrukcji pompy i warunków odwodnienia. Warto pamiętać również o tym, że wydajność wirowej pompy samozasysającej zmniejsza się wraz z wysokością ssania, której graniczna wartość wynika z maksymalnej wartości podciśnienia możliwej do wytworzenia przez pompę oraz pozostałych występujących w rurociągu ssawnym strat. W praktyce maksymalna wysokość zasysania samozasysających pomp wirowych to z reguły ok. 8 m. W przypadku takiej pompy należy zwrócić szczególną uwagę na rurociąg ssący. Jego średnica nie powinna być mniejsza niż średnica nominalna ssania pompy, a ilość zagięć i łuków winna być możliwie jak najmniejsza.

Ujęcia wgłębne ? studnie depresyjne

Innym skutecznym i popularnym sposobem odwadniania wykopów jest umiejscowienie wzdłuż nich studni depresyjnych. W celu ich budowy należy użyć wiertnicy. Po uprzednim wykonaniu odwiertu w rurze osłonowej do jego wnętrza trzeba wprowadzić rurę filtracyjną o średnicy mniejszej o ok. 5 ? 7 cm od średnicy wierconej studni. Na gruntach o średniej i dużej przepuszczalności często stosuje się rury filtracyjne szczelinowe średnicy 150 mm, umiejscowione w studni o wewnętrznej średnicy 200 mm. W gruntach o niewielkiej przepuszczalności ? np. iłach i piaskach pylastych ? należy zwiększać średnicę studni (do 300-800 mm) w celu zwiększenia powierzchni filtracyjnej. W przypadku tych gruntów dużą poprawę efektywności studni zapewnia żwirowa obsypka wokół filtra, przeciwdziałająca zamulaniu i zatykaniu otworów filtracyjnych. Jeżeli chodzi o samą wydajność studni, to jej średnica nie ma na nią znacznego wpływu ? bardziej istotna jest długość części filtracyjnej. Dodatkowe zwiększenie wydajności można uzyskać także dzięki zastosowaniu podkładu żwirowego pod studnią, umożliwiającego dopływ do niej także od spodu. W tak zbudowanych studniach montuje się standardowe pompy ssące z zaworem zwrotnym lub odpowiednio wąskie pompy głębinowe, dopasowane średnicą i wydatkiem do wielkości i wydajności studni. Pompy głębinowe muszą być dobrane w ten sposób, aby podczas pracy z maksymalną wydajnością cały czas pozostawały zanurzone w cieczy, w przeciwnym razie szybko może dojść do awarii silnika i pompy. W przypadku studni o większych średnicach można rozważyć zastosowanie pompy zatapialnej przeznaczonej do odwadniania wykopów, która zwykle jest bardziej odporna na obecność w pompowanej cieczy drobnych cząstek ściernych i posiada większą wydajność. Odwadnianie wykopu powinno być prowadzone w trybie ciągłym, dlatego rekomenduje się, by na zapleczu budowy posiadać pompy rezerwowe, mogące zastąpić przynajmniej ok. 25% pomp pracujących.

Ujęcia wgłębne ? igłofiltry

Systemy igłofiltrowe, ze względu na swoje uniwersalne zastosowanie i inny charakter działania, są obecnie powszechnie stosowane do obniżania zwierciadła wody gruntowej podczas długotrwałego osuszania wykopów budowlanych. Aktualnie odwadnianie za pomocą igłofiltrów jest coraz częściej uwzględniane na etapie projektowania i tworzenia kosztorysu dla inwestycji. Sam igłofiltr to w praktyce przewód rurowy o niewielkiej średnicy, w dolnej części zakończony filtrem szczelinowym lub specjalną perforacją i siatką filtracyjną. Stosowane w kraju igłofiltry w zależności od zastosowanego systemu mogą być wykonane z PE, PCV lub stali ocynkowanej.

Ze względu na to, że igłofiltry są próżniową metodą odwadniania, wymagają mniejszej odległości pomiędzy kolejnymi ujęciami. Standardowe systemy igłofiltrowe posiadają rozstaw ujęć wynoszący ok. 1 m. Wynikiem mniejszej odległości pomiędzy kolejnymi igłofiltrami oraz podciśnieniowego charakteru pracy systemu filtrów igłowych jest bardziej poziomy lej depresyjny oraz jego dużo mniejszy zasięg (dla pojedynczego igłofiltra) niż w przypadku studni wierconych lub odwadniania w obrębie wykopu. Mniejszy zasięg i możliwość większej kontroli leja depresyjnego zapewniają mniej kłopotliwe odwadnianie w miejscach znajdujących się nieopodal budowli, szczególnie narażonych na możliwość wystąpienia katastrofy budowlanej, spowodowanej źle prowadzonym osuszaniem wykopu. Mimo tych zalet, należy zawsze szczegółowo przeanalizować warunki gruntowe, gdyż podobnie jak w przypadku wcześniej opisanych metod, zasięg leja depresyjnego zależy od charakterystyki gruntu i współczynnika filtracji oraz kilku innych czynników. W przypadku piasków średnio- i gruboziarnistych lej depresyjny może sięgać nawet kilkuset metrów.

Szereg filtrów igłowych łączy się w system odwodnieniowy za pomocą podłączenia ich do tzw. kolektorów ssących. Ustawienie igłofiltrów względem wykopu może być różne, w zależności od rozmiaru wykopu oraz napływu wody gruntowej.

Igłofiltry, w zależności od systemu, mogą być podłączane do kolektorów bezpośrednio przy pomocy uszczelki (jak np. najpowszechniej stosowane igłofiltry elastyczne IGE-81/32 o średnicy zewnętrznej rury filtracyjnej wynoszącej 32 mm) lub dzięki zastosowaniu dodatkowego elastycznego łącznika pomiędzy igłofiltrem i kolektorem w przypadku filtrów o większej średnicy (np. 50 mm). Średnica kolektorów powinna być dopasowana tak, aby minimalizować straty hydrauliczne wynikające z prędkości przepływu cieczy w rurociągu. Najbardziej powszechne w naszym kraju typy systemów igłofiltrowych oparte są na rurociągach o średnicy 108 i 133 mm. Kolektory ssące najczęściej są wykonane z aluminium lub ze stali ocynkowanej, rzadziej z PE lub PCV. Kolektory stalowe są cięższe od aluminiowych oraz trudniejsze w regeneracji po ewentualnym ich uszkodzeniu, dlatego te drugie zyskały największą popularność w naszym kraju.

Igłofiltry najczęściej wprowadzane są do gruntu metodą wpłukiwania. Najczęściej następuje ono przy wykorzystaniu rur wpłukujących o średnicy ok. 20 ? 30% większej od średnicy igłofiltra, do których za pomocą węża wpłukującego (najczęściej typu ?strażackiego?) podłączany jest strumień wody. Jej źródłem zwykle jest hydrant, beczkowóz, motopompa spalinowa lub pompa zatapialna. Ważne jest to, aby pompa była w stanie wytworzyć odpowiednie ciśnienie na wylocie (np. 3 bary i więcej) przy zachowaniu odpowiednio wysokiej wydajności. To, jakie ciśnienie będzie odpowiednie, zależy od rodzaju gruntu, obecności kamieni i problemów napotykanych przy wpłukiwaniu. W szczególnie trudnych przypadkach do wpłukiwania stosowane są specjalne, wysokociśnieniowe agregaty pompowe. Ich funkcję mogą pełnić np. wielostopniowe pompy wirowe stosowane w rolnictwie do nawadniania za pomocą deszczowni. Oprócz wprowadzania filtrów igłowych za pomocą rury wpłukującej, używane są także igłofiltry samowpłukujące z wbudowanym zaworem zwrotnym, wpłukiwane bezpośrednio do gruntu. Po każdym wpłukaniu igłofiltra należy uszczelnić pozostałą wokół niego otwartą przestrzeń spoiną, którą może być np. masa ilasta, stanowiąca swego rodzaju odpad z procesu wpłukiwania.

Gdy wpłukiwanie igłofiltrów jest utrudnione bądź niemożliwe ze względu na występowanie grubych warstw gliny i iłów pomiędzy kolejnymi warstwami, bardziej przepuszczalnymi, jedyną rozsądną alternatywą wydaje się użycie wiertnicy.

Kolektory ssące wraz z zamocowanymi igłofiltrami muszą zostać połączone z agregatem pompowym, umożliwiającym, oprócz pompowania wody, ewakuację powietrza znajdującego się wraz z wodą w warstwach przepuszczalnych gruntu. Połączenie takie realizowane jest powszechnie przez zastosowanie łącznika elastycznego, wykonanego z giętkiego przewodu gumowego lub PCV wraz z odpowiednimi złączami na obu końcach.

Praca całego systemu igłofiltrowego odbywa się zwykle przy podciśnieniu sięgającym wartości w zakresie od -0,5 do -0,9 bara. Wymaga to zwrócenia szczególnej uwagi na szczelność wszelkich połączeń oraz rurociągu ssącego. Miejsca, w których montaż igłofiltra został pominięty, zaślepia się odpowiednim korkiem gumowym lub metalową zaślepką (w zależności od stosowanego systemu igłofiltrowego). Także końce rurociągu ssącego (ostatnie kolektory ssące) muszą być zaślepione. Należy zwrócić uwagę na to, że każda, nawet drobna nieszczelność spowoduje pogorszenie sprawności całego systemu odwodnieniowego. W przypadku, gdy do instalacji dostaje się powietrze bezpośrednio z atmosfery, zmniejsza się wartość wytwarzanego podciśnienia w układzie, co może doprowadzić do tego, że instalacja igłofiltrowa przestanie działać. Jeżeli wartość podciśnienia w układzie będzie mniejsza niż najniższa wymagana jego wartość dla efektywnego odwadniania, zależna w głównej mierze od głębokości posadowienia igłofiltrów i oporów hydraulicznych rurociągu ssawnego, to instalacja nie będzie posiadać zdolności zasysania wody zalegającej w gruncie. W celu sprawnego zdiagnozowania takiej sytuacji warto obserwować wskazania wakuometrów umiejscowionych na pompie lub w ciągu instalacji igłofiltrowej.

Standardowo jeden poziom igłofiltrów umożliwia sprawne odwadnianie do głębokości maksymalnie ok. 4 ? 5 metrów. Jeżeli wykop musi być głębszy, stosuje się tzw. ustawienie piętrowe. W tym przypadku ponad metr nad dnem odwodnionego za pomocą pierwszej instalacji wykopu tworzy się specjalną przestrzeń, w ramach której montuje się kolejny zestaw igłofiltrowy z agregatem pompowym, umożliwiając w ten sposób zwiększenie głębokości o kolejne 4 m. W praktyce zdarzają się instalacje igłofiltrowe stworzone z nawet kilku pięter igłofiltrów, umożliwiające obniżenie poziomu wody gruntowej o kilkanaście metrów.

Agregaty pompowe do igłofiltrów

W naturalnym gruncie w warstwach przepuszczalnych znajduje się nie tylko woda gruntowa. Oprócz samej cieczy występuje również spora ilość pęcherzyków powietrza. Podstawową cechą pompy przeznaczonej do odwadniania za pomocą instalacji igłofiltrowej jest możliwość ewakuacji powietrza i wytworzenia odpowiedniego podciśnienia, a dzięki temu odwadniania metodą próżniową.

Na rynku można znaleźć wiele rodzajów pomp wirowych i wyporowych, które bardzo dobrze sprawdzą się podczas odwadniania powierzchniowego, jednak nie wszystkie takie pompy nadają się do pracy z instalacją igłofiltrową. Popularne motopompy ?szlamówki? oraz standardowe wirowe pompy ssące, mimo że bardzo dobrze sprawują się przy odwadnianiu wody z wykopu za pomocą kosza ssawnego, w praktyce nie nadają się do pracy w próżniowym systemie odwodnieniowym. W przypadku większości pomp wirowych stosowanych do odwadniania za pomocą igłofiltrów standardowa pompa wirowa wspomagana jest dodatkową pompą próżniową. Obecność tej ostatniej można uznać za parametr krytyczny dla zespołu pompy wirowej przeznaczonej do pracy z igłofiltrami. Taki wspólny układ wraz z odpowiednim rozwiązaniem separacji powietrza w układzie ssącym pompy umożliwia właściwe działanie i osiągnięcie dużej wydajności całego systemu odwodnieniowego.

W pompach igłofiltrowych stosowane są różne rodzaje pomp próżniowych, np. olejowe, bezolejowe, membranowe, a także z pierścieniem wodnym. Najczęściej spotykane modele posiadają możliwość ewakuacji powietrza w zakresie od 25 do 100 m³/h. Ogólny opis konstrukcji oraz zalet i wad przykładowych pomp próżniowych stosowanych do pracy z igłofiltrami zawarto w tabeli 2.

Tab. 2. Opis konstrukcji oraz zalet i wad przykładowych pomp próżniowych

Rodzaj pompy próżniowej	Konstrukcja	Zalety	Wady
Łopatkowa olejowa	Ściśle dopasowana do korpusu łopatki, obraca się z dużą prędkością w kąpieli olejowej	– możliwa duża wydajność – tania i popularna – niski poziom głośności	– wymaga bieżącej obsługi (np. codzienna kontrola stanu oleju i obecności kondensatu) – nieekologiczna ze względu na emisję oparów oleju
Bezobsługowa (lobowa, bezolejowa)	Dwie precyzyjnie dopasowane do siebie zębatki, umieszczone w bezolejowej komorze, powodują wytwarzanie w niej podciśnienia	– bardzo dobra wydajność i wytwarzane podciśnienie – wysoka sprawność, niskie zapotrzebowanie na moc – ekologiczna – tania w eksploatacji	– wymaga dobrej sprawności separatora
Membranowa	Gumowa membrana napędzana mimośrodowym wałem, wspomagana zaworami zwrotnymi na wlocie i wylocie pompy	– stosunkowo cicha – tania w eksploatacji – wysoka tolerancja na obecność ewentualnej wody, która dostała się do pompy próżniowej	– spadająca wydajność powietrzna, szczególnie przy dużej wartości podciśnienia (np. podczas odwadniania z głębokości powyżej 6 m)
Z pierścieniem wodnym	Obudowa jest częściowo wypełniona cieczą, a pracujący wirnik i wlot/wylot w odpowiednim miejscu powodują efekt zasysania i wytwarzanie próżni. Ciecz jest pobierana z zewnętrz i częściowo wytłaczana razem z powietrzem, dlatego istnieje konieczność jej ciągłego uzupełniania.	– wytwarza wysokie podciśnienie – cichobieżna	– konieczność zapewnienia czystej wody w zbiorniku ? ryzyko zamarznięcia podczas postoju w niskich temperaturach

Napęd pompy igłofiltrowej może być spalinowy lub elektryczny. W przypadku prac odwodnieniowych w miejscach, gdzie istnieje dostęp do zasilania z sieci energetycznej, warto rozważyć zastosowanie agregatu pompowego elektrycznego. W przeciwnym wypadku najbardziej optymalnym rozwiązaniem będzie zastosowanie pompy z silnikiem spalinowym (bez obudowy lub w obudowie dźwiękochłonnej pochłaniającej wytwarzany przez silnik i pompę hałas).
Innym rodzajem pomp igłofiltrowych są pompy tłokowe. Jest to jeden z podtypów pomp wyporowych, które charakteryzują się inną zasadą działania niż pompy wirowe. Obecne na polskim rynku konstrukcje odznaczają się niskim spalaniem paliwa oraz wydajną pracą z igłofiltrami w ilości 50-80 sztuk. Można przyjąć, że pompy tłokowe osiągają swoją maksymalną wydajność niezależnie od wysokości ssania i podnoszenia, a dodatkowo charakteryzują się pulsacyjną pracą.Pompy igłofiltrowe wirowe wspomagane pompą próżniową z reguły nie wymagają zalewania przed rozpoczęciem pracy.

Instalacja igłofiltrowa i agregat pompowy

W celu dokonania prawidłowego doboru zestawu igłofiltrowego należy wziąć pod uwagę szereg czynników, m.in.:

• czynnik użytkowy (jaki będzie czasookres prac ? krótkie, kilkudniowe odwodnienia lub np. długie, kilkumiesięczne roboty, jaka będzie długość odwadnianych wykopów, jaka jest specyfika i wodoprzepuszczalność odwadnianych gruntów, jaka będzie maksymalna długość odwadnianego odcinka),
• czynnik ekonomiczny (koszt zakupu, koszt eksploatacji ? zużycie paliwa, koszt części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych),
• czynnik logistyczny (waga całego zestawu, łatwość transportu i posadowienia igłofiltrów w gruncie).

W ramach niewielkich robót odwodnieniowych i wykonywania przyłączy do kanalizacji wystarczy niewielki mobilny zestaw igłofiltrowy, składający się z 25 igłofiltrów oraz odpowiedniego osprzętu z pompą o średnicy wlotu/wylotu wynoszącą 3 cale (ok. 75 mm) i wydajności maksymalnej rzędu 30-90 m³/h. W przypadku średniej wielkości robót i pracy z igłofiltrami w ilości 50-80 sztuk warto zainteresować się pompami wirowymi wspomaganymi pompą próżniową o wydajności wodnej ponad 170 m³/h lub standardową pompą tłokową o wydatku ok. 90 m³/h. Wyższa wydajność pompy wirowej wynika z tego, że podczas pracy z igłofiltrami osiągają one mniejszą wydajność, wynikającą z oporów rurociągu ssącego i tłocznego oraz geometrycznej wysokości ssania i tłoczenia. Nie oznacza to jednak, że są one mniej efektywne, gdyż sprawność pompy zmienia się wraz z wysokością podnoszenia, a maksymalna wydajność nigdy nie jest osiągana w punkcie maksymalnej sprawności pompy.
W przypadku największych zestawów igłofiltrowych (w praktyce nie więcej niż 120-150 sztuk) ze względu na duże straty wynikające z obecności długiego rurociągu ssawnego oraz bardziej kłopotliwej eksploatacji, optymalnym wyborem będzie wydajna pompa wirowa do igłofiltrów (min. 350 m³/h wydajności wodnej). Takie pompy posiadają średnicę wlotu/wylotu ok. 6 cali (150 mm).

Nie zawsze zakup własnego zestawu igłofiltrowego jest najlepszym rozwiązaniem. W przypadku, gdy prace odwodnieniowe są prowadzone sporadycznie, warto rozważyć opcję wynajmu zestawu odwodnieniowego.

Temat odwodnień wykopów, zarówno tych powierzchniowych, jak i z ujęć wgłębnych, jest bardzo rozległy, a spotykane w praktyce warunki prowadzenia robót często się różnią, nawet w ramach jednej inwestycji. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na profesjonalnie przygotowany projekt odwodnienia. Poza tym zawsze warto korzystać z usług doświadczonych fachowców, posiadających odpowiedni sprzęt i wiedzę w zakresie odwadniania wykopów.

Sławomir Kolud, ?Klaudia?

 

Źródła

1. Wiłun Z.: Zarys Geotechniki. WKŁ. Warszawa 2010.
2. www.klaudia.eu/iglofiltry-iglofiltry_zastosowanie.html.