6. Výkopy s úrovní dna pod hladinou podzemní vody

V praxi se velmi často setkáváme s tímto problémem. V současné době se velmi často řeší navržením nepropustného pažení. Je to samozřejmě velmi spolehlivá metoda (obvykle s nezpochybnitelně pozitivním vlivem na objekt i po jeho dostavbě) - z ekonomického hlediska ovšem často předimenzovaná.

V některých případech lze nepropustné pažení nahradit provizorním odvodněním, provizorním odvodněním v kombinaci s propustným pažením, či dalšími metodami - viz schémata 6a, 6b.

Metody zajištění stavební jámy proti přítoku podzemní vody - sch. 6a

Na schématu sch. 6b jsou uvedeny vhodné metody zabezpečení stavební jámy proti přítoku vody pro jednotlivé typy zemin dle součinitele filtrace a křivky zrnitosti.

Společné znaky a vztahy

Cílem všech metod odvodnění je snížit hladinu podzemní vody min. na úroveň 0,5 m pod úroveň základové spáry objektu.

Některé veličiny a charakteristiky
k	ms-1	koeficient filtrace - zjišťuje se čerpacím pokusem nebo zjednodušeným výpočtem
R	m	poloměr deprese
r0	m	náhradní poloměr
H	m	výška počáteční HPV nad nepropustným podložím
s	m	hloubka dna pod nesníženou hladinou
h0	m	výška snížené HPV nad nepropustným podložím ve středu čerpacího systému
s0 = H-s	m	snížení HPV ve středu čerpacího systému
Q	m3s-1	celkové čerpané množství
q	m3s-1	kapacita 1 studny, čerpací jehly
rs	m	poloměr studny
st	m	snížení HPV ve studni
t	m	hloubka studny pod nesníženou hladinou
vd	ms-1	vstupní rychlost do studny
n	ks	počet studní nebo čerpacích jehel v systému

Poloměr deprese R
Existuje několik metod výpočtu,
pro osově symetrické proudění - studny a stavební jámy např.:

Náhradní poloměr r₀
Vychází ze zjednodušené představy kruhové stavební jámy o ploše A:
Stavební jáma libovolného tvaru se přepočítá na kruhový tvar podle vzorce

r₀ = ( A /  )^-2    [m]

Vstupní rychlost do studny v_d [ms^-1]
Existuje několik metod výpočtu:

Náhradní hloubka H_a [m]
     - aktivní hloubka filtrace:
Pro nedokonalou stavební jámu (studnu) H_a = 3s₀

Povrchové odvodnění

Doporučený rozsah použití:   k = 0,5.10^-3 - 0,5.10^-1 ms^-1.

- nejvýhodnější odvodnění z ekonomického hlediska.
Je omezené zrnitostním složením odvodňované zeminy, bezpečností proti prolomení dna a ohrožením stability svahů.

Povrchové odvodnění se neodporučuje v zeminách, které mají víc než 20% zrn menších než 0,1 mm. Pokud se v místě odvodňované stavební jámy vyskytuje vrstva jemného písku, respektive siltu, je ohrožena stabilita svahů, popř. dna jámy.

Popis:

Povrchové odvodnění se obvykle skládá ze sběrných drénů a sběrné studny ( viz obr. 6d ).
Drény přivádějí vodu do studny, odkud se voda obvykle odčerpává do kanalizace.

Půdorysné rozměry výkopiště musí umožnit provedení odvodňovacích příkopů mimo navržený nový stavební objekt.

Jáma se začne kopat v suchu až po hloubku cca 0,5 m nad úroveň HPV. Vyhloubí se odvodňovací příkopy pro snížení hladiny podzemní vody. Příkopy se provádějí pro každou postupně sníženou úroveň výkopu - viz obr. 6e . Současně se prohlubuje sběrná studna.

Příkopy se provádějí buď jako otevřené - obr. 6g1, nebo s vloženou perforovanou trubkou ve štěrkopískovém obsypu (pro větší plochu dna výkopu než 400 m²) - obr. 6g2 .

Sběrná studna může být vybudovaná jako spouštěná skružová o průměru 1-1,5 m, nebo jako šachta zapažená hnaným nebo štětovým pažením - min. 2x2 m. Mezi dnem studny a spodkem sacího koše by mělo být cca 0,5 m, povrch sacího koše má být cca 0,5 m pod hladinou vody.

!!! Snižování hladiny podzemní vody musí probíhat pomalu, aby nedošlo k porušení stability svahů výkopu.
Doporučené hodnoty pro snížení hladiny:
   3 m     0,50m / 24h
  3-6 m    0,25m / 24h

V zeminách s vložkami jemnozrnných písků se doporučuje snížit tyto hodnoty na polovinu.

!!! Během snižování HPV nesmí dojít k přerušení čerpání - nutno mít cca 10-20% záložních čerpadel a 100% zálohu v dodávce energie.

Při povrchovém odvodnění je potřeba prověřit stabilitu dna proti prolomení, musí být splněná podmínka i < i_krit = 0,5

i = h / l

Hloubkové odvodnění pomocí vrtaných studní

Doporučený rozsah použití: k = 0,5.10^-4 - 0,5.10^-1 ms^-1.

Hladina podzemní vody ve stavební jámě se snižuje pomocí skupiny čerpacích studní umístěných po obvodě stavební jámy - viz obr. 6h .
Na obr. 6hi - 6hiii jsou vyznačeny některé možnosti umístění studní:
obr. 6hi - studny vně jámy pažené propustným pažením,
obr. 6hii - studny na lavičce v mezivýkopu,
obr. 6hiii - studny vně svahovaného výkopu.

Studny se umístí po obvodě jámy. Jejich optimální vzdálenost se předpokládá 25d - 35d, kde d = 2r_s = průměr studny.
d = obvykle 150-600 mm - přičemž je třeba brát ohled na použité čerpadlo.

Na obr. 6i je naznačena sestava studní v řezu a odvedení čerpané vody do kanalizace.

Postup provádění ( obr. 6j ):

Vrtá se obvykle pod ochranou ocelové výpažnice. Do vrtu se vloží perforovaná zárubnice (opět ocelová trubka - obr. 6k) obalená geotextilií. Prostor za rubem zárubnice se vyplní filtračním materiálem (filtr). Vnitřní průměr zárubnice musí umožnit , aby se do studny vešel sací koš čerpadla a byl přitom vzdálený min. 10 cm od stěny. Dno studny se chrání 20-50 cm vrstvou filtračního materiálu, aby se při čerpání zabránilo vyplavování jemného materiálu do studny.

Perforace zárubnice by měla tvořit alespoň 20% celkové plochy pláště.

Filtrační obsyp studny:
Obvykle stačí jednovrstevný o tloušťce 7-10 cm.
Pro zrnitost obsypu platí: D₆₀ / d₄₀    8-10  a zároveň  D₆₀ / d₁₀    5-10
D - průměr zrn filtračního obsypu
d - průměr zrn odvodňované zeminy

Doporučená maximální přípustná rychlost snižování hpv:
1m / 24h       pro snížení hpv 3 m
0,5m / 24h    pro snížení hpv v rozmezí 3-6 m
V zeminách s vložkami jemnozrnných písků je doporučeno tyto hodnoty o polovinu snížit.
Vyčerpanou vodu je třeba odvést potrubím do kanalizace, toku, případně vsakovací jámy.

Zjednodušený výpočet počtu studní

Tento výpočet lze použít pokud platí následující podmínky:

• podzemní voda s volnou hladinou (ne tlaková)
• s₀    5 m
• r₀    30 m

Studny pro snížení podzemní vody s volnou hladinou se z výpočtového hlediska dělí na: dokonalé (dosahující do nepropustného podloží) - viz obr. 6h1 a
nedokonalé (nedosahující do nepropustného podloží) - viz obr. 6h2 .

Potřebný počet studní lze zkusit odhadnout z následujících vztahů:
Jednotlivé veličiny - viz společné znaky a vztahy
n = Q / q   [m³s^-1]
q = • d • l • v_d   [m³s^-1]   - přítok do 1 studny
Q - celkový přítok do jámy

Dokonalá studna:

Zároveň by ale měla být splněna podmínka týkající se max. optimální vzdálenosti mezi studnami v_max = 35 průměrů studny. Proto možná bude třeba větší počet studní než vypočtené n, nebo vetší poloměr studny.

Po návrhu a rozmístění studní je třeba kontrolně spočítat hodnotu Q_k a porovnat tuto hodnotu s Q:

Pokud platí  Q Q´ - návrh vyhoví

Nedokonalá studna

Pro čerpání vody ze studny se používají různé typy čerpadel. Vždy by se mělo jednat o čerpadla na vodu znečištěnou abrazivními látkami nebo kalová čerpadla. Často se jedná o ponorná čerpadla. Pro menší dopravní výšky - horizontální čerpadla. Navržená čerpadla musí mít dostatečnou dopravní výšku a zároveň dostatečný průtok. Na obrázcích 6n až 6n2e jsou zobrazeny některé typy čerpadel včetně závislosti dopravní výšky na průtoku.

Na obr. 6n1 je znázorněno čerpadlo fy HCP PUMP, typ AS, na obr. 6n1a jsou závislosti dopravní výšky na průtoku pro různá čerpadla AS, na obr. 6n1b jsou v tabulce parametry čerpadel AS a na obr. 6n1d vnitřní konstrukce čerpadla.

Na obr. 6n2e je čerpadlo fy Flygt - typ Ready - a jeho parametry, na obr. 6n2c jsou charakteristiky jednotlivých typů čerpadel Ready.

Na obr. 6n je čerpadlo fy Sigma.

Odvodnění stavební jámy čerpacími jehlami

Vhodnost použití

Tato metoda je vhodná pro zeminy s propustností   k = 10^-6 - 10^-4 m/s.
Maximální odvodňovací výška je 6 m. Pro větší hloubky je nutno použít více stupňový systém.

Hladina podzemní vody ve stavební jámě se snižuje pomocí skupiny čerpacích jehel umístěných po obvodě stavební jámy - viz obr. 6m1 .
Řez potrubím s jehlami - viz obr. 6m2 .
Vzdálenost mezi dvěma sousedními jehlami činí cca 600-1200 mm. Jednotlivé jehly jsou připojeny k hlavnímu čerpacímu potrubí, které odvádí vodu z jehel.

Hlavní (sběrné) potrubí je tvořeno ocelovými přírubovými rourami o průměru cca 150-250 mm (viz obr. 6p, obr. 6q).
Osa potrubí má být asi 0,5-0,6 m od os čerpacích jehel. Výškově se osa sběrného potrubí umisťuje max. 5,5 m nad požadovanou úroveň snížené hpv.
Hlavní (sběrné) potrubí čerpacího systému zaúsťuje do čerpací stanice, která slouží vždy pro několik desítek jehel.

Čerpací stanice je osazena v úrovni hlavního potrubí. Používají se samonasávací čerpadla, schopná nasát podzemní vodu do čerpacích jehel a hlavního potrubí.

Tento systém je levnější a jednodušší než velkoprůměrové studny.

Provádění

Čerpací jehly jsou vháněny (vplachovány) do zeminy pomocí vysokého tlaku vody.
Postup prací:

• (vplachovací pokus)
• Přípravné výkopové práce - odkop zeminy nad úroveň hpv (min. alespoň rýha v místě čerpacího systému
• Položení jednotlivých trub sběrného potrubí po obvodě jámy a montáž sběrného potrubí - důraz na těsnost spojů!
• Vplachování čerpacích jehel
• Připojení jehel ke sběrnému potrubí

Doporučená maximální přípustná rychlost snižování hpv - stejná jako u čerpacích studní:
1m / 24h       pro snížení hpv  3 m
0,5m / 24h    pro snížení hpv v rozmezí 3-6 m

!? Otázky

1. Vyjmenujte hlavní faktory, které ovlivňují výběr typu zajištění stavební jamy proti podzemní vodě nad úrovní dna výkopu.
2. Pro které zeminy se nedoporučuje navrhovat snížení hpv ve výkopu pomocí povrchového odvodnění?
3. Pro jaké hydrogeologické podmínky byste uvažovali o možnosti odvodnění výkopu pomocí čerpacích studní?
4. Popište odvodňovací systém s čerpacími jehlami.
5. Jaké mohou být výhody, popř. nevýhody zajištění snížení hladiny podzemní vody ve stavební jámě - po dobu cca tří měsíců - pomocí čerpacích studní ve srovnání se zapažením pomocí nepropustného pažení?

předchozí kapitola 5

následující kapitola 7

zpět na obsah