Zasady projektowania i budowy sieci kanalizacyjnych na terenach górniczych

Sieci kanalizacyjne należą do obiektów budowlanych bardzo wrażliwych na wpływy podziemnej eksploatacji górniczej, zwłaszcza na nierównomierne obniżenia i deformacje terenu. Układa się je zazwyczaj z minimalnym spadkiem niezbędnym do uzyskania grawitacyjnego spływu ścieków. Nierównomierne obniżenie terenu zwiększa lub zmniejsza ten spadek. Zmniejszenie spadku, a zwłaszcza wystąpienie lokalnych przeciwspadków spowalnia spływ ścieków, sprzyja sedymentacji osadów i w skrajnych przypadkach prowadzi do utraty drożności sieci. Sieci kanalizacyjne buduje się ze stosukowo niewielkich elementów – krótkich rur, studzienek, komór – niezależnych konstrukcyjnie, ale powiązanych funkcjonalnie. Deformacje terenu powodują ich wzajemne przemieszczenie. W przypadku rozluźnienia gruntu w kierunku równoległym do osi sieci dochodzi do rozszczelnienia połączeń, a w przypadku zagęszczania gruntu – do wzajemnego napierania i niszczenia elementów. Odkształcenie gruntu zmienia też wielkość i rozkład obciążeń zewnętrznych. Elementy nieprzystosowane do tych przemieszczeń i zmian obciążeń ulegają uszkodzeniom. Zmiany spadków oraz wzajemne przemieszczenia i uszkodzenia elementów sieci są główną przyczyną zwiększonej awaryjności sieci na terenach górniczych. Awarii można uniknąć, przystosowując sieć do przewidywanych obniżeń i deformacji terenu przez:

• ułożenie elementów sieci ze spadkiem uwzględniającym najniekorzystniejsze nachylenia terenu,
• ułożenie elementów sieci z dystansem zapewniającym możliwość wzajemnych przemieszczeń przy zachowaniu szczelności połączeń,
• zastosowanie elementów o odpowiednim kształcie i wymaganej nośności.

Do poprawnego zaprojektowania i zbudowania sieci na terenie górniczym oraz zapewnienia ciągłego jej funkcjonowania w wymaganym, ekonomicznie uzasadnionym, okresie niezbędna jest znajomość przebiegu procesu obniżania i deformowania terenu wzdłuż trasy sieci, poczynając od terminu rozpoczęcia budowy aż do całkowitego zakończenia eksploatacji górniczej w jej rejonie.

To, że teren będzie podlegał wpływom eksploatacji górniczej wynika z decyzji organu administracji terenowej o warunkach zabudowy lub decyzji o lokalizacji inwestycji celu publicznego oraz z postanowienia właściwego terenowo organu urzędu górniczego (OUG) w sprawie warunków górniczych dla zamierzenia inwestycyjnego. Do postanowienia OUG dołączana jest opinia zakładu górniczego charakteryzująca te wpływy.

Gdy gmina (miasto) posiada miejscowy plan zagospodarowania terenu górniczego, wpływy eksploatacji górniczej na powierzchnię są opisane w tym planie. W miarę postępu robót górniczych wpływy te i wynikające z nich warunki górnicze dezaktualizują się. Informacji o aktualnych warunkach górniczych udzielają wówczas zakłady górnicze (IWEG).

Opis przewidywanych obniżeń i deformacji terenu zawarty we wspomnianych dokumentach jest uproszczony. Sprowadza się zazwyczaj do podania wielkości maksymalnych obniżeń terenu oraz wartości wskaźników deformacji terenu: najniekorzystniejszych nachyleń terenu, poziomych odkształceń gruntu i minimalnych promieni krzywizny terenu, jednak bez określenia kierunków, zwrotów, krotności i czasu ich ujawniania się na powierzchni. W przypadku obiektów liniowych do informacji dołączana jest mapa izolinii końcowych obniżeń terenu oraz mapa kategorii górniczych terenu. Dokumenty te stanowią obecnie podstawę do projektowania sieci na terenach górniczych. W praktyce korzysta się tylko z załączników mapowych.

Przewidywane spadki sieci wyznacza się na podstawie mapy izolinii końcowych obniżeń terenu. Zakłada się, że teren będzie się obniżał jednocześnie na całej długości trasy sieci, a przyrosty obniżeń będą proporcjonalne do obniżeń końcowych.

Przewidywane deformacje terenu – poziome odkształcenia gruntu i promienie krzywizny terenu – wzdłuż trasy sieci ustala się na podstawie mapy kategorii deformacji terenu i tablicy wskaźników deformacji terenu [1]. Do obliczeń przyjmuje się najniekorzystniejsze (graniczne) wartości wskaźników deformacji dla poszczególnych kategorii, traktując je jako wielkości obliczeniowe (ze współczynnikiem bezpieczeństwa γ_f = 1,0). Przyjmuje się, że deformacje terenu będą przebiegały w kierunku równoległym do osi sieci i że przemieszczenia elementów sieci będą dwuzwrotne o tej samej wielkości. Obroty bosych końców rur w kielichach się pomija. Zakłada się, że sieć będzie budowana w terenie górniczo uspokojonym, a deformacje terenu zaczną się ujawniać na powierzchni dopiero po zakończeniu budowy.

Opisane zabezpieczenia sieci mogą się okazać niewystarczające, przesadne lub zbędne, ponieważ:

• obniżenia terenu mogą być nierównomierne i mogą objąć tylko część trasy sieci, a przejściowe nachylenia terenu mogą być większe od nachyleń końcowych, wynikających z mapy izolinii obniżeń terenu, i zwrócone dowolnie, także niezgodnie ze spadkiem sieci, co może czasowo utrudniać lub nawet uniemożliwiać jej funkcjonowanie;
• wartości wskaźników deformacji terenu wzdłuż trasy sieci w kierunku równoległym do jej osi mogą być dużo mniejsze od wartości granicznych dla podanych kategorii górniczych terenu, a przyjęte zabezpieczenia – zbyt asekuracyjne;
• wpływy eksploatacji górniczej mogą się ujawniać na powierzchni już podczas budowy sieci i utrudniać budowę, a nawet wystąpić wcześniej, zanim budowa się rozpocznie i wówczas zabezpieczenia można ograniczyć lub w ogóle z nich zrezygnować.

W tej sytuacji, aby mieć pewność grawitacyjnego spływu ścieków, spadki sieci trzeba dostosować do nachyleń terenu wynikających z mapy kategorii górniczych terenu. W płaskim terenie prowadzi to zazwyczaj do znacznego przegłębienia sieci. Tak można projektować tylko krótkie odcinki sieci na terenach górniczych niskich kategorii. Aby uniknąć budowy sieci na terenie górniczo czynnym, okres budowy trzeba uzgodnić z działem mierniczo-geologicznym zakładu górniczego.

Generalnie podstawę do projektowania i budowy sieci kanalizacyjnych na terenach górniczych powinna stanowić prognoza wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię [1]. Prognoza, oprócz map izolinii końcowych obniżeń i kategorii terenu, powinna podawać:

• obwiednie maksymalnych nachyleń terenu w kierunku równoległym do osi sieci, o zwrocie zgodnym i przeciwnym do jej spadku;
• obwiednie ekstremalnych odkształceń gruntu spowodowanych jego rozluźnieniem i zagęszczeniem w kierunku równoległym i prostopadłym do osi sieci oraz krzywizn terenu w kierunku równoległym do osi sieci;
• czas ujawniania się wpływów eksploatacji górniczej na powierzchni ze szczególnym uwzględnieniem okresu przewidywanej budowy sieci.

W prostych przypadkach prognozę może sporządzić doświadczony projektant, po zapoznaniu się z projektem zagospodarowania złoża i planem ruchu w dziale mierniczo-geologicznym zakładu górniczego. W trudniejszych przypadkach można skorzystać z pomocy rzeczoznawców górniczych (SiTG). Gdy przewidywane są wielokrotne wpływy eksploatacji górniczej, opracowanie prognozy trzeba powierzyć specjalistom z zakresu górnictwa lub jednostkom naukowo-badawczym (GIG, Politechnika Śląska, AGH).

Zgodnie z zasadami obowiązującymi obecnie w budownictwie oraz instrukcją [1] wartości wskaźników deformacji terenu (ε, T i R = 1/K) podane w prognozie należy traktować jako oddziaływania charakterystyczne. Obliczeniowe wartości oddziaływań uzyskuje się, mnożąc wartości charakterystyczne oddziaływań przez częściowe współczynniki bezpieczeństwa γ_f:

– dla poziomych odkształceń gruntu ε   –   γ_f,ε = 1,3;

– dla nachyleń terenu T                            –    γ_f,T = 1,2;

– dla krzywizn terenu K = 1/R                 –    γ_f,K = 1,7.

Do utrzymania właściwych spadków w całym przewidywanym okresie użytkowania sieci rury powinny być ułożone ze spadkiem ig nie mniejszym niż spadek minimalny powiększony o maksymalne (przejściowe lub końcowe) nachylenie terenu w kierunku przeciwnym do spadku sieci

i_g = i_n + T γ_f,T

gdzie: i_n – spadek minimalny przyjmowany w terenie niegórniczym [mm/m];
T – maksymalne nachylenie terenu wzdłuż osi sieci, w kierunku przeciwnym do jej spadku, według prognozy [mm/m].

Zgodnie z instrukcją (rozdział 9 [1]) przy ustalaniu wzajemnych przemieszczeń i obrotów krótkich elementów sieci (rur, studzienek, komór) w połączeniach kielichowych wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa γ_r przyjmuje się większe od γ_f i różne dla rozluźnienia i zagęszczenia gruntu. Wyznacza się je w zależności od średniej długości sąsiadujących ze sobą elementów sieci l_śr z wykresu rys. 1.

Rys. 1 Wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa γ_r;
γ_r,ε+ – dla poziomego rozluźnienia gruntu, gdy l_śr < 10,5 m;
γ_r,ε^– – dla poziomego zagęszczenia gruntu, gdy l_śr < 25 m;
γ_r,K – dla krzywizn terenu K = 1/R, gdy l_śr < 4,5 m

Aby nie dopuścić do wzajemnego napierania i niszczenia elementów w przypadku poziomego zagęszczenia gruntu w kierunku równoległym do osi sieci, wszystkie elementy powinny być ułożone z dystansem Δ^– nie mniejszym niż Δ^– = 0,5 (l₁ + l₂) ε- γ_r,ε-
gdzie: l₁ i l₂ – długości sąsiadujących ze sobą elementów sieci [m];
ε- – poziome zagęszczenie gruntu według prognozy [m/m].

Aby nie dopuścić do utraty ciągłości sieci (rozszczelnienia) w przypadku rozluźnienia gruntu w kierunku równoległym do osi sieci, długość kielichów A+ we wszystkich połączeniach elementów nie może być mniejsza niż

Δ⁺ = 0,5 (l₁ + l₂) ε+ γ_r,ε+

gdzie: ε+ – poziome rozluźnienie gruntu według prognozy [m/m].

W przypadku przewidywanych dwuzwrotnych wzajemnych przemieszczeń elementów sieci, długość (głębokość) kielicha Δ nie może być mniejsza niż

Δ = Δ^– + Δ⁺

Kąty obrotu bosych końców rur w połączeniach kielichowych są małe, nie większe niż

δ ≤ ± 0,5 (l₁ + l₂) K_r γ_r,K

gdzie: K_r – krzywizna terenu (wklęsła lub wypukła) według prognozy [1/m].

Brak odpowiedniego dystansu między elementami i możliwości swobodnego obrotu w połączeniach prowadzą do niekontrolowanego wzrostu sił wewnętrznych w sieci.

Wszystkie elementy konstrukcyjne sieci wymagają sprawdzenia na działanie obciążeń zewnętrznych wynikających z użytkowego obciążenia naziomu, ciężaru nawierzchni, ciężaru, parcia i odporu gruntu, a na terenach górniczych – także z dodatkowych obciążeń spowodowanych prognozowanym odkształceniem gruntu [3].

W przypadku poziomego zagęszczenia gruntu (ε-) w kierunku prostopadłym do osi rury dodatkowe obciążenie przejawia się w postaci dwustronnego parcia gruntu (rys. 2)

Rys. 2 Obciążenie spowodowane zagęszczeniem gruntu w kierunku prostopadłym do osi rury

p_hg ≈ 1,65 E_s ε- γ_f

gdzie: E_s – moduł sieczny gruntu [kN/m²].

Wartość siecznego modułu sprężystości gruntu (E_s) zależy od rodzaju gruntu, wskaźnika jego zgęszczenia oraz wielkości przykrycia rury gruntem [2]. Przykładowo dla obsypki wykonanej z gruntów niespoistych o zagęszczeniu od 75 do 90% (według zmodyfikowanej metody Proctora) i przykrycia 2,0-4,0 m, minimalne wartości modułu E_s zestawiono w tabeli.

Tab. Minimalne wartości siecznego modułu, sprężystości gruntu E_s [kN/m²]

Niewielkie zagęszczenie gruntu (rzędu I–II kategorii) w kierunku prostopadłym do osi sieci jest korzystne dla pracy statycznej rur, ponieważ zmniejsza zróżnicowanie pionowych i poziomych składowych obciążeń. Skutkuje to zmniejszeniem obwodowych momentów zginających w ściance rur. W przypadku rur z tworzyw sztucznych prowadzi do zmniejszenia owalizacji przekroju. Przy dużym zagęszczeniu gruntu (rzędu III–IV kategorii) obciążenie poziome może nawet być większe niż obciążenie pionowe.

Poziome rozluźnienie gruntu (ε⁺) w kierunku prostopadłym do osi rury przejawia się w postaci zmniejszenia parcia gruntu od wartości parcia spoczynkowego (K_o ≈ 0,5) dla ε = 0 do wartości parcia czynnego (K_o ≈ 0,3) dla ε ≥ 2,0 mm/m. Zmniejszenie parcia jest zawsze niekorzystne dla pracy statycznej rur. Skutkuje zwiększeniem obwodowych momentów zginających, a w przypadku rur z tworzyw sztucznych – zwiększeniem owalizacji przekroju.

Poziome odkształcenie gruntu w kierunku równoległym do osi sieci powoduje wystąpienie dwuzwrotnych obciążeń stycznych, wywołanych przemieszczeniem gruntu względem rur Układ obciążeń stycznych spowodowanych rozluźnieniem gruntu przedstawia rys. 3a (dla zagęszczenia gruntu zwrot obciążeń jest przeciwny). Rozkład obciążeń stycznych zależy od warunków ułożenia rur w gruncie, ich długości i odkształcalności oraz wielkości poziomego odkształcenia gruntu. Dla dłuższych rur mało odkształcalnych ułożonych w gruntach niespoistych podlegających dużym odkształceniom poziomym obciążenia styczne są rozłożone, tak jak to przedstawia rys. 3b: dla małych przemieszczeń gruntu względem rury rzędu kilku (1–8) milimetrów obciążenia styczne są proporcjonalne do wielkości przemieszczenia, a dla większych przemieszczeń – stałe (graniczne), wynikające z tarcia gruntu o pobocznicę rur [4]. Obciążenie graniczne wyznacza się ze wzoru:

t_g = π d_z p_śr µ

gdzie: d_z – średnica zewnętrzna rury (wraz z izolacją) [m]; p_śr – średnie obciążenie normalne, prostopadłe do powierzchni rury, wynikające z użytkowego obciążenia naziomu, ciężaru nawierzchni oraz ciężaru i parcia spoczynkowego gruntu [kN/m₂]; µ – współczynnik tarcia gruntu o rurę (izolację).

Rozkład sił osiowych dla dłuższych rur mało odkształcalnych przedstawia rys. 3c. W obliczeniach szacunkowych można przyjąć, że na rurę działają wyłącznie graniczne obciążenia styczne. Wykres sił osiowych ma wtedy kształt trójkąta, a maksymalna siła osiowa w środku długości rury wyraża się wzorem

N_max = ± t_g l_o

gdzie l_o jest połową długości rury [m].

W przypadku krótkich rur mało odkształcalnych i niewielkich odkształceń gruntu, obciążenia styczne na ich końcach mogą nie osiągać wartości granicznych.

Rury odkształcalne pod działaniem obciążeń stycznych ulegają wydłużeniu (lub skróceniu). Największe odkształcenia występują w przyśrodkowej części odcinka. Gdy odkształcenia rury zrównają się tu z odkształceniem gruntu, obciążenia styczne zanikną. Koncentrować się będą na końcach odcinka, gdzie przemieszczenia gruntu względem rury są największe. W efekcie w przypadku dłuższych rur odkształcalnych rozkład obciążeń stycznych przybierze kształt jak na rys. 3d.

Rozkład sił osiowych dla dłuższych rur odkształcalnych przedstawia rys. 3e. Na przyśrodkowej części odcinka, gdzie odkształcenia rury są równe odkształceniu gruntu, maksymalna siła osiowa jest stała, równa

N_max = ± E_r A_r ε γ_f

gdzie: E_r – moduł sprężystości materiału rury [kN/m²];
A_r – pole przekroju poprzecznego rury [m²];
ε – poziome odkształcenie gruntu, według prognozy [m/m].

W obliczeniach szacunkowych można przyjąć, że na rurę działają wyłącznie graniczne obciążenia styczne rozłożone na końcach odcinka o długości l_k. Do zrównania odkształceń rury i gruntu może dojść wtedy, gdy długość tych odcinków będzie mniejsza od l_o

Rys. 3 Obciążenia i siły wewnętrzne wynikające z odkształcenia gruntu w kierunku równoległym do osi rury

W przypadku krótkich rur odkształcalnych i niewielkich odkształceń gruntu obciążenia styczne na ich końcach mogą nie osiągać wartości granicznych.

Zasady wyznaczania obciążeń i sił osiowych w sieciach uzbrojenia (z uwzględnieniem wpływów eksploatacji górniczej) są opisane szczegółowo w [4].

Wpływ krzywizny terenu na wielkość sił wewnętrznych w krótkich rurach i innych elementach konstrukcyjnych sieci kanalizacyjnych można pominąć.
Sprawdzenie elementów konstrukcyjnych sieci na terenach górniczych pod względem wytrzymałościowym sprowadza się do wykazania, że ekstremalne siły wewnętrzne nie przekroczą nośności konstrukcji. W przypadku rur wykonanych z materiałów sprężystych, izotropowych, pracujących w dwuosiowych stanach naprężeń, sprawdzenie konstrukcji polega na wykazaniu, że ekstremalne naprężenia osiowe σ_a i obwodowe σ_t oraz maksymalne naprężenia zredukowane σ_red wyznaczone dla najniekorzystniejszego z możliwych zestawów obciążeń nie przekroczą wytrzymałości materiału rur na rozciąganie lub ściskanie σ_R (w przypadku rur z tworzyw sztucznych miarodajna jest wytrzymałość długoczasowa) [4].

Maksymalne naprężenie zredukowane σ_red wyznacza się ze wzoru Hubera:

Największe naprężenia zredukowane występują wtedy, gdy naprężenia składowe σ_a i σ_t są różnych znaków.
Wszystkie elementy konstrukcyjne sieci na terenach górniczych powinny się charakteryzować zwiększoną wytrzymałością, odpowiednią do wielkości przewidywanych deformacji terenu. Kielichy rur powinny być wydłużone i poszerzone stosownie do przewidywanych wzajemnych przemieszczeń. Studzienki i komory powinny być wyposażone w odpowiednie gniazda i króćce. Bose końce rur i króćców powinny mieć naniesioną trwałą miarę pozwalającą na określenie wielkości ich wsunięcia do kielicha lub gniazda. Aby ułatwić usuwanie osadów ograniczających swobodę przesuwu elementów, dna kielichów i gniazd powinny być stożkowe. Elementy muszą być ułożone w rozstawie i w spadku zgodnie z projektem. Podsypka i obsypka rur powinna być wykonana z gruntów niespoistych.

Sieci kanalizacyjne powinny być budowane na terenach górniczo uspokojonych, ponieważ podczas ujawniania się wpływów eksploatacji górniczej na powierzchni nie da się poprawnie wytyczyć sieci w terenie ani ułożyć elementów z właściwym dystansem i spadkiem. W budownictwie uznaje się teren górniczy za uspokojony, gdy przyrost obniżeń nie przekracza 3 mm/miesiąc [1]. Gdy przyrost ten jest większy, budowa powinna być prowadzona pod nadzorem projektanta sieci, przy udziale służb mierniczych zakładu górniczego.

W przypadku terenów poddawanych wielokrotnym wpływom eksploatacji górniczej trzeba zwrócić uwagę na aktualność podkładów mapowych. Większe zadania inwestycyjne należy dzielić na etapy i realizować według oddzielnych projektów. Wykonawca sieci przed przystąpieniem do budowy powinien się upewnić, że w okresie budowy teren będzie górniczo uspokojony. Podczas budowy sieci wykonawca powinien prowadzić okresowe pomiary obniżeń terenu. Raport z tych pomiarów oraz końcowy operat geodezyjny należy dołączyć do dokumentacji powykonawczej.

dr inż. Rudolf Mokrosz

Literatura

1. Instrukcja nr 364/2007 Wymagania techniczne dla obiektów budowlanych wznoszonych na terenach górniczych, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2007.
2. L.E. Janson, J. Molin, Projektowanie i wykonawstwo sieci zewnętrznych z tworzyw sztucznych, Wyd. AKA-PRINT A/S, Arhus, Denmark.
3. J. Kwiatek, Obiekty budowlane na terenach górniczych, Wyd. GIG, 2007.
4. R. Mokrosz, Podstawy statyki sieci ciepłowniczych z rur preizolowanych, Wyd. Politechniki Śląskiej, 2013.