Odwodnienie konstrukcji obiektów mostowych – cz. I

Ogólnie wiadomo, że właściwe odwodnienie obiektów budowlanych, w tym konstrukcji mostów, ma bezpośredni wpływ na trwałość tych budowli. Nieprawidłowy sposób odwodnienia bądź też zły ich stan techniczny ma również istotny wpływ na nośność, a tym samym bezpieczeństwo konstrukcji mostowych. Niewłaściwe utrzymanie wiąże się też bezpośrednio z ponoszeniem dodatkowych nakładów finansowych. Biorąc pod uwagę ogromną wartość tych budowli i ich znaczenie dla właściwego funkcjonowania systemu transportu, poruszany problem nabiera szczególnego znaczenia.

Fot. 1 Widok ogólny mostu Golden Gate i sposób jego odwodnienia w obrębie jezdni i chodnika (fot. autor)

Pomimo wszystko zarówno w Polsce, jak i za granicą temat ten nie zawsze do końca jest doceniany. Przykładem tego stanu jest chociażby dobrze wszystkim znana ikona światowego mostownictwa, tj. wzniesiony w roku 1937 most Złote Wrota w San Francisco. Zakres techniczny i finansowy przeprowadzonego niedawno wieloletniego kosztownego remontu jego konstrukcji został opisany na łamach „IB” nr 6/2011. Sposób jego odwodnienia ilustruje
fot. 1: woda opadowa z powierzchni jezdni na całej długości jego konstrukcji jest odprowadzona wprost do oceanu poprzez szczeliny między pomostem a stalowymi belkami usztywniającymi, natomiast z powierzchni chodnika przez otwory wywiercone w jego betonowej płycie pomostowej.

Ze względu na obszerność tematyki odwodnień zagadnienia te zostaną omówione w trzech spójnych artykułach: I – „Odwodnienie konstrukcji obiektów mostowych”, II – „Odwodnienie wgłębne obiektów mostowych”, III – „Przykłady niewłaściwego odwadniania obiektów mostowych”.

Rys. 1 Typowy schemat konstrukcji mostowej z wyszczególnieniem elementów jej wyposażenia

Rys. 2 Znaczenie systemu odwodnienia mostów dla zrównoważonego rozwoju

Niniejszy artykuł stanowi syntetyczne omówienie pierwszej części przedmiotowego zagadnienia. Następne artykuły ukazywać się będą sukcesywnie na łamach „Inżyniera Budownictwa”.

Jednym z zasadniczych elementów wydłużenia trwałości obiektów mostowych jest ich ochrona przed negatywnymi wpływami środowiska, w tym głównie przed wodą opadową i środkami odladzającymi.

Temat jest bardzo szeroki, dlatego też dla pogłębienia wiedzy autor odsyła wszystkich zainteresowanych do coraz bogatszej literatury dotyczącej przedmiotu, m.in. [2], [3], [7].

Na rys. 1 znajduje się typowy schemat konstrukcji mostowej i podstawowe elementy jej wyposażenia. Należy zauważyć, że elementy związane z systemem odwodnienia stanowią znaczną ich grupę.

Fot. 2 Przykłady uszkodzeń elementów konstrukcji obiektów mostowych spowodowanych złym stanem technicznym odwodnienia: a) mostu o konstrukcji żelbetowej, b) mostu o konstrukcji stalowej (fot. autor)

Wpływ odwodnienia na trwałość eksploatacyjną mostów

O trwałości obiektu mostowego decyduje wiele czynników, jednak jednym z najistotniejszych jest odporność jego konstrukcji na negatywne czynniki środowiska [1], [2], [3], [6]. Na nadanie cech dużej odporności konstrukcji obiektu największy wpływ mają jego twórcy – projektant i wykonawca. Obiekty inżynierskie powinny być tak zaprojektowane i wykonane, aby w przyjętym okresie użytkowania i poziomie utrzymania była zapewniona ich trwałość, rozumiana jako zdolność użytkowania obiektu przy zachowaniu cech wytrzymałościowych i eksploatacyjnych [14].

Przykłady uszkodzeń elementów noś­nych obiektów mostowych spowodowanych niewłaściwym funkcjonowaniem elementów odwodnienia, a co za tym idzie destrukcyjnym działaniem wody przedstawiono na fot. 2 i 3.

Istnieje konieczność ujednolicenia zagadnień dotyczących odwodnienia mostów w ramach przepisów prawnych. Przykładem tego typu działań w zakresie dróg i obiektów inżynierskich były prace prowadzone na zlecenie GDDKiA w latach 2006–2008, wykonywane w ramach grupy roboczej o nazwie GRODWOD z udziałem wielu uznanych krajowych specjalistów w tej dziedzinie. Wynikiem tych prac są m.in. obecnie obowiązujące zalecenia, np. [16], [17], [18].

W tabeli przedstawiono zakres tematyczny projektów wspomnianych zaleceń.

Tab. Zakres tematyczny projektów zaleceń na temat odwodnień dróg i obiektów inżynierskich opracowywanych w IBDiM przez GRODWOD w latach 2006–2008 [4]

	GRUPA ROBOCZA DS. ODWODNIENIA (GRODWOD) WARSZAWA 2006 r. Zlec: Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad
Numer zeszytu	Nazwa zeszytu
PG1 – Zeszyt 1	„Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia dróg i przystanków komunikacyjnych”
PG2 – Zeszyt 2	„Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia obiektów mostowych”
PG3 – Zeszyt 3	„Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia tuneli, przejść podziemnych i przepustów”
PG4 – Zeszyt 4	„Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia konstrukcji oporowych”
PG5 – Zeszyt 5	„Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia parkingów i MOP-ów”
PG6 – Zeszyt 6	„Wytyczne diagnostyki odwodnienia dróg i obiektów inżynierskich”
PG7 – Zeszyt 7	„Zagadnienia ekologiczne odwodnienia pasa drogowego”
Koordynacja grupy roboczej GRODWOD: prof. dr hab. inż. Dariusz Sybilski, doc. dr hab. inż. Adam Wysokowski Osoby odpowiedzialne za poszczególne zeszyty: dr inż. B. Strycharz, dr W. Jasiński,  mgr inż. A. Łęgosz, doc. dr hab. inż. A. Wysokowski, prof. dr hab. inż. C. Madryas, mgr inż. J. Sudyka, dr inż. K. Germaniuk, prof. dr hab. inż. T. Kuczyński, prof. U. Kołodziejczyk i inni.

Fot. 3 Przykłady uszkodzeń elementów konstrukcji podpór obiektów mostowych spowodowanych uszkodzeniem elementów odwodnienia (fot. autor)

Ogólny opis właściwego systemu odwodnienia konstrukcji mostu

Jak wspomniano, elementy składowe systemu odwodnienia powinny zapewniać sprawne odprowadzanie wody z konstrukcji obiektu mostowego. Wymagania odnośnie rozmieszczenia urządzeń odwadniających i warunków, jakie muszą one spełniać, sprecyzowano w rozporządzeniu [14]. Rozporządzenie to w szczególności określa zasady projektowania poszczególnych urządzeń odwadniających oraz definiuje wymagania dotyczące całego systemu odprowadzania wód deszczowych.

Prawidłowo zaprojektowany i zrealizowany system odwodnienia wymaga:

– odpowiednio przyjętego nachylenia niwelety jezdni na obiekcie,

– optymalnie przyjętych spadków poprzecznych (w tym ukształtowania trasy w planie),

– uszczelnienia miejsc styku elementów wyposażenia w celu uniemożliwienia przenikania wody w głąb, a tym bardziej zalegania jej w tych stykach,

– trwałej i szczelnej powłoki izolacji przeciwwodnej wykonanej na powierzchni konstrukcji nośnej,

– sprawnego i trwałego systemu drenażowego na poziomie izolacji, umożliwiającego odpływ wody spod nawierzchni, odpowiednio dobranego do potrzeb i zainstalowanych elementów odbierających wodę (wpusty, sączki, dreny) oraz właściwego ich podłączenia do kolektorów instalacji zbiorczej,

– właściwie zaprojektowanego i zlokalizowanego systemu kolektorów zbiorczych i rur spustowych,

– właściwego i wydajnego odbioru wody z systemu odwodnienia – odwodnienie wgłębne (np. system kanalizacji zbiorczej, systemy retencji, rozsączania) [11].

Fot. 4 Przykład nadania spadków powierzchniowych na etapie montażu zbrojenia konstrukcyjnego płyty pomostowej (fot. autor)

System odwodnienia to nie tylko wpusty, kolektor i rury spustowe. Nikogo nie trzeba przekonywać, jak ważne są również pozostałe elementy wymienionego systemu.

Jak uczy doświadczenie, najkorzystniejsze cechy będzie miał taki obiekt, który zostanie zlokalizowany na prostym odcinku drogi o jednostajnym spadku podłużnym w przedziale 0,5–4,0%. Takie rozwiązanie umożliwia w sposób naturalny prosty i sprawny spływ wody z całej powierzchni obiektu do punktów odbioru, czyli wpustów lub ścieków skarpowych. Zapewnienie tym elementom najkorzystniejszych cech ma duży wpływ na skuteczność działania odwodnienia. W przypadku obiektów o małej rozpiętości można zrezygnować z wpustów i tym samym budowy instalacji zbiorczej, a obiekt będzie skutecznie odwodniony poprzez wymagane spadki podłużne i poprzeczne. [5].

Fot. 5 Przykład odwodnienia elementów aerodynamicznych belki usztywniającej mostu podwieszonego w Osace, Japonia (fot. autor)

Elementy właściwego systemu odwodnienia konstrukcji mostowych

Na podstawie wieloletniej praktyki inżynierskiej wypracowano ujednolicony pod względem funkcjonalnym, użytkowym i zapewnienia trwałości system odwodnienia mostów, z powodzeniem stosowany zarówno dla nowo projektowanych i budowanych obiektów, jak i przy ich przebudowie i remontach [7], [9]. Składa się on z:

– odwodnienia powierzchniowego,

– wpustów, sączków i drenaży,

– kolektorów zbiorczych i rur spustowych,

– wyposażenia,

– odwodnienia podpór (m.in. odwodnienie fundamentów filarów, drenaż zaprzyczółkowy) i odwodnienia wgłębnego – wraz z ewentualną retencją (zagadnienie to będzie przedmiotem kolejnego artykułu na ten temat).

Fot. 6 Zamontowany sączek odwadniający hydroizolację pomostu wraz z zastosowanym drenażem (fot. autor)

Odwodnienie powierzchniowe

Spadki

W celu właściwego odprowadzania wód opadowych z obiektu inżynierskiego powinny być zaprojektowane i wykonane odpowiednie pochylenia nawierzchni jezdni i chodników. Pochylenia te należy uzyskać przez odpowiednie zaprojektowanie i wykonanie konstrukcji obiektu mostowego, jak również niwelety jezdni i chodników [12].

Spadki nawierzchni jezdni na obiektach mostowych powinny być nie mniejsze niż i_p ≥ 2,0% dla obiektów w ciągu drogi na odcinku prostym i powinny być skierowane w stronę urządzeń odwadniających (osi ścieku).

W przypadku chodników i ścieżek rowerowych, niezależnie od pochylenia poprzecznego jezdni, wg [14] spadek ten powinien wynosić:

1) na chodnikach dla pieszych i ścieżkach rowerowych, gdy liczba pasów ruchu:

   a) jest nie większa niż 2 – nie mniej niż 3%,

   b) jest większa niż 2 – nie mniej niż 2,5%,

2) na chodnikach dla obsługi – nie mniej niż 4%.

Wymagane wartości spadków powierzchniowych najczęściej nadawane są już na etapie montażu zbrojenia konstrukcyjnego płyty pomostowej (fot. 4).

Odwodnieniu powinny podlegać wszystkie elementy konstrukcji mostowych narażone na działanie wód opadowych.

Szczególnie w przypadku dużych obiektów mostowych mamy do czynienia z elementami konstrukcyjnymi o dużych powierzchniach, np. belkami usztywniającymi, których zewnętrzne fragmenty często służą celom aerodynamicznym i estetycznym. Rozwiązanie ich odwodnienia musi być odpowiednio zaprojektowane i wykonane; przypadki te dobrze ilustruje przykład japońskiego mostu podwieszonego w ciągu autostrady zatokowej w Osace (fot. 5).

Rys. 3 Przekrój typowego wpustu odwadniającego: a) wpust odwadniający drogowy obiekt mostowy, b) wpust odwadniający kolejowy obiekt mostowy [19]

Drenaże i sączki

Aby właściwie odprowadzić wody opadowe z warstwy wykonanej izolacji na obiekcie mostowym,powinno się zastosować odpowiednie drenaże i sączki.

Drenaże mogą być wykonane w szczególności jako:

– koryta uformowane lub wycięte w warstwie ochronnej izolacji lub w warstwie wiążącej nawierzchni, wypełnione warstwą filtracyjną z grysu jednofrakcjowego, otoczonego kompozycją z żywicy;

– paski o szerokości nie mniejszej niż 3 cm z podwójnie złożonej geowłókniny filtracyjnej, ułożone na warstwie izolacji i obłożone warstwą filtracyjną z grysu bazaltowego jednofrakcjowego otoczonego kompozycją z żywicy.

Elementy drenażu powinny być umieszczone w newralgicznych miejscach na powierzchni izolacji, m.in. w obrębie urządzeń dylatacyjnych czy w miejscach przewidywanych zastoisk wody opadowej z izolacji.

Według rozporządzenia [14]: Sączki odwadniające izolację powinny być trwale osadzone w konstrukcji płyty pomostu i rozmieszczone w odstępie od 3,0 do 5,0 m.

Zamontowany sączek zbierający wodę z hydroizolacji przedstawiono na fot. 6.

Fot. 7 Widok liniowego wpustu odwadniającego konstrukcję kładki dla pieszych prowadzącej do centrum BMW w Monachium (fot. autor).

W dolnej lewej części zdjęcia pokazano widok szczelinowego liniowego systemu odwodnienia (fot. Hauraton)

Wpusty

Elementami pośrednimi pomiędzy odwodnieniem powierzchniowym a kolektorami zbiorczymi są wpusty deszczowe. Przejmują one wody opadowe z powierzchni nawierzchni i poprzez rury spustowe odprowadzają je do głównych kolektorów zbiorczych. Najczęściej wpusty deszczowe składają się z części powierzchniowej (kratka odwadniająca) i zasadniczej – umiejscowionej w konstrukcji płyty pomostowej obiektu. Wpusty deszczowe mogą być dodatkowo wyposażone w różne elementy, np. w osadnik na odpady stałe niesione przez wody opadowe [8], [10], [13], [15].

W zależności od konstrukcji woda opadowa spływa do wpustu trzema sposobami:

– od góry – nasada jednospadowa lub muldowa,

– z boku – nasada z wpustem bocznym (jako przedłużenie konstrukcji krawężnika),

– jednocześnie z góry i z boku – nasada z wpustem kombinowanym.

Według [14]: Wpusty powinny być wyposażone w:

1) kołnierz wokół dolnej części wpustu, o szerokości nie mniejszej niż 80 mm – do przymocowania izolacji wodoszczelnej,

2) osadnik na zanieczyszczenia, z zastrzeżeniem ust. 4,

3) otwory na obwodzie górnej części wpustu – do umożliwienia spływu wody z izolacji wodoszczelnej,

4) kratki ściekowe o przekroju przepływu nie mniejszym niż 500 cm², o prętach kratki umieszczonych prostopadle do osi podłużnej obiektu i o prześwicie kratek na powierzchniach przeznaczonych do ruchu:

   a) pieszych – nie większym niż 20 mm,

   b) pojazdów – nie większym niż 36 mm, zabezpieczone przed wyjmowaniem przez osoby postronne,

5) element dociskający izolację do kołnierza dolnej części wpustu,

6) rurę odpływową o średnicy wewnętrznej nie mniejszej niż 150 mm.

Przykład przekroju typowego wpustu mostowego drogowego i kolejowego przedstawiono na rys. 3.

Nowoczesność w zakresie wpustów polega na rozwiązaniach wieloelementowych wraz ze stosowaniem odpowiednich śrub rektyfikacyjnych. Umożliwia to odprowadzenie wody zarówno z powierzchni nawierzchni, jak i powierzchni hydroizolacji, a także dokładne wypoziomowanie i ustawienie pokrywy wpustu, co ma duże znaczenie dla komfortu użytkowników mostu.

W przypadku m.in. kładek dla pieszych możliwe jest stosowanie liniowych wpustów odwadniających. Umożliwiają one szybkie zbieranie wody przy jednoczesnym zachowaniu komfortu użytkowania tego typu konstrukcji. Na fot. 7 przedstawiono przykłady takich systemów na kładce dla pieszych.

Pozostałe równie istotne elementy systemu odwodnienia konstrukcji obiektów mostowych zostaną omówione w cz. II artykułu.

prof. UZ, dr hab. inż. Adam Wysokowski

kierownik Zakładu Dróg i Mostów

Uniwersytet Zielonogórski

Literatura

1. Analiza metod poprawy stanu odwodnienia dróg i należących do nich drogowych obiektów inżynierskich WS-09, praca wykonana na zlecenie GDDKiA, IBDiM, Warszawa 2006.

2. R. Edel, Odwodnienie dróg, WKiŁ, Warszawa 2002.

3. R. Edel, Odwodnienia powierzchni dróg, placów i parkingów. Ogólne zasady cz. I, magazyn „Autostrady” nr 8-9/2005, cz. II nr 10/2005.

4. W. Jasiński, A. Wysokowski, Projekt zaleceń projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia obiektów mostowych, materiały konferencyjne II Ogólnopolskiej Konferencji Technicznej pt. „Odwodnienie dróg i ulic a ekologia – prawo, projektowania, wykonawstwo” Zakopane, październik 2006.

5. J. Karda, A. Wysokowski, Wpływ systemu odwodnienia na trwałość mostu, „Materiały Budowlane” nr 4/2007.

6. W. Radomski, Odwodnienie obiektów mostowych – kilka uwag na znany z pozoru temat, „Obiekty Inżynierskie” nr 2/2013.

7. Z. Szling, E. Pacześniak, Odwodnienia budowli komunikacyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004.

8. T. Wójcicki, Nowoczesne urządzenia odwodnienia dróg i oczyszczania ścieków opadowych, „Drogownictwo” nr 8/98.

9. A. Wysokowski, A. Staszczuk, Systemy odwodnienia obiektów mostowych, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 4/2007.

10. A. Wysokowski, Odwodnienie parkingów i miejsc obsługi podróżnych, cz. IOdwodnienie powierzchniowe, „Inżynier Budownictwa” nr 10(77), październik 2010.

11. A. Wysokowski, Odwodnienie parkingów i miejsc obsługi podróżnych, cz. IIOdwodnienie wgłębne, „Inżynier Budownictwa” nr 11(78), listopad 2010.

12. PN-S-02204:1997 Drogi samochodowe. Odwodnienie dróg.

13. PN-EN 476 Wymagania ogólne dotyczące elementów stosowanych w systemach kanalizacji grawitacyjnej.

14. Rozporządzenie MTiGM z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (Dz.U. z 2000 r. Nr 63, poz. 735).

15. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U. z 2006 r. Nr 137, poz. 984).

16. Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia drogowych obiektów mostowych, GDDKiA, Warszawa 2009.

17. Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia tuneli samochodowych, przejść podziemnych i przepustów, GDDKiA, Warszawa 2009.

18. Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia dróg oraz przystanków komunikacyjnych, GDDKiA, Warszawa 2009.

19. Materiały informacyjne i katalogi firm produkujących systemy i elementy odwodnienia (m.in. Amitech, DWD System, DrenKar, Ekobudex, Haba-Beton, Hauraton, Hobas, Höllko, Keramo Steinzeug, MEA, Omega, Polyteam, Wavin, Vlcek, ViaCon, Sytec).