Wykonywanie głębokich wykopów często wiąże się z koniecznością wykonania odpowiednej obudowy, która zapewni stateczność ścian wykopu. Obudowa wykopu pełni szereg funkcji, w odniesieniu do odwodnienie jest to ograniczenie dopływu wody. 

Istnieje szereg metod ograniczających dopływ wody do wykopu. Ciekawym przypadkiem jest prowadzenie odwodnienia w wykopie zabezpieczonym obudową dogłębioną do gruntów słaboprzepuszczalnych, które stanowią naturalną przesłonę przeciwfiltracyjną. W takim przypadku firma projektująca i wykonująca odwodnienie stoi przed zadaniem odpompowania wód statycznych z wykopu wygrodzonego obudową oraz przechwycenia dopływów wody przez obudowę oraz ewentualnych sączeń z warstwy słaboprzepuszczalnej. Niestety, żadna obudowa nie jest w stanie całkowicie odciąć dopływu wody do wykopu, może jedynie go ograniczyć. W zależności od rodzaju obudowy, z różnym skutkiem.

Celem wykonywanego sytemu odwodnienia jest obniżenie poziomu wody gruntowej do docelowej rzędnej wymaganej depresji, a następnie utrzymanie tego poziomu oraz przejęcie dopływów wody przez obudowę i dno wykopu. W tym celu projektuje się igłostudnie/studnie depresyjne, igłofiltry wewnątrz wykopu wygrodzonego obudową. Dodatkowo zalecane jest wykonanie piezometrów na zewnątrz wykopu, które służą do monitoringu poziomu położenia zwierciadła wody gruntowej. Na ich podstawie możliwa jest ocena szczelności oraz w przypadku nieszczelności, sprawdzenie stopnia oddziaływanie odwodnienia na zewnątrz wykopu.

Poniżej przedstawiono przykłady wybranych realizacji odwodnienia w warunkach odcięcia bocznego w zależności od rodzaju zastosowanej obudowy (pale DSM, ścianka szczelna, ściana szczelinowa). 

Palisady mogą być wykonane z różnych rodzajów pali. Wyróżniamy palisady, w których pomiędzy palami pozostaje przestrzeń (brak szczelności) oraz w obrębie których pale nachodzą na siebie. Palisady, w zależności od rodzaju, mogą ograniczyć dopływ wody, ale nie są wodoszczelne.

Obudowa wykopu w postaci ścianki szczelnej składa się z pionowych elementów łączonych z sąsiednimi za pomocą specjalnych zamków. Elementy ścianki szczelnej pogrąża się w grunt za pomocą wibrowania lub wciskania. Zadaniem ścianki jest podtrzymanie ścian wykopu, a także ograniczenie dopływu wody.

Ściany szczelinowe to najczęściej betonowe konstrukcje, które formuje się w pionowych szczelinach w gruncie. Ściana szczelinowa pełni funkcję tymczasowej obudowy wykopu oraz jednocześnie konstrukcji docelowej. Ważną zaletą jest możliwość wykonania ściany na duże głębokości.

Obiekt hotelowy, Władysławowo 

Jednym z pierwszych projektów realizowanych na terenie Polski przez WJ Groundwater było odwodnienie dla budowy obiektu hotelowego we Władysławowie. Przedmiotem naszych prac było odwodnienie wykopu o powierzchni około 1850 m² zabezpieczonego na całym obwodzie obudową w postaci pali DSM dogłębionych do warstwy słaboprzepuszczalnych iłów.  W tym celu zaprojektowaliśmy system ośmiu studni depresyjnych oraz zewnętrzny piezometr monitoringowy. Istniejąca studnia została wykorzystana jako monitoringowa, w celu kontroli poziomu wody wewnątrz wykopu, z możliwością późniejszego włączenia jej do systemu. 
 

Schemat systemu odwodnienia – Obiekt hotelowy, Władysławowo

Przekrój geologiczno-konstrukcyjny – Obiekt hotelowy, Władysławowo

Studnie zostały uzbrojone w pompy głębinowe o łącznej możliwej wydajności 20 l/s, który przy założeniu wystąpienia stropu iłów na całej powierzchni wykopu oraz szczelności pali DSM na poziomie 95% powinny w ciągu sześciu dni skutecznie odpompować wodę z wykopu oraz uzyskać wymaganą depresję s=4,5m. Po upływie tygodnia od uruchomienia oraz spompowaniu około 5000 m² wody uzyskano depresję s=2m. Po przeprowadzeniu kontroli systemu zaobserwowano zwiększoną wydajność dwóch studni (DW06 i DW07), co pozwoliło ocenić, w którym miejscu palisada z kolumn DSM posiada nieszczelności skutkujące zwiększonym infiltrowaniem wody do wykopu.

Dokumentacja określająca warunki gruntowo-wodne wykonana przed rozpoczęciem inwestycji określiła występowanie ciągłej warstwy gruntów słaboprzepuszczalnych w obrębie wykopu na rzędnej -5,00 m npm. Przeprowadzone uzupełaniające badania geotechniczne stwierdziły występowanie iłów w miejscu nieszczelności palisady na rzędnej -8,00 m npm. Wykonana odkrywka palisady DSM potwierdziła nieszczelność kolumn. Jako rozwiązanie tego problemu zastosowane zostały zestawy igłofiltrowe zapłukane w pobliżu miejsca nieszczelności palisady. 

Instalacja odwodnieniowa – Obiekt hotelowy, Władysławowo

Zastosowany system studni depresyjnych wspomaganych miejscowo przez barierę igłofiltrową skutecznie obniżył zwierciadło wody i pozwolił na prowadzenie dalszych prac budowlanych w „suchym” wykopie.

W powyżej opisanym przykładzie widać, jak powiązane są ze sobą obudowa i dostosowane do przyjętych założeń odwodnienie. Kolejnym ważnym aspektem jest szczegółowe rozpoznanie warunków gruntowych, które to umożliwia prawidłowe dobranie rodzaju obudowy oraz głębokość jej posadowienia.

Obiekt użyteczności publicznej, okolice Poznania

Na początku 2019 r. w okolicach Poznania realizowaliśmy odwodnienie pod budowę obiektu użyteczności publicznej na zlecenie firmy Hochtief Polska S.A. Naszym celem było odwodnienie wykopu o powierzchni 2360 m², zabezpieczonego ścianką szczelną dogłębioną do gruntów słaboprzepuszczalnych w postaci gliny piaszczystej. Podłoże projektowanego obiektu stanowiły osady wodnolodowcowe wykształcone jako piaski o różnej granulacji. Po zapoznaniu się ze wszystkimi materiałami i wnikliwej analizie, stworzyliśmy system odwodnienia oparty na studniach depresyjnych. Bazując na doświadczeniu, założyliśmy możliwy dopływ wody przez obudowę, który nie powinien przekroczyć 15 m³/godz. (tj. około 4 l/s, czyli 1,7 l/s/1000 m²). Wykonaliśmy system sześciu studni depresyjnych uzbrojonych w pompy głębinowe o wydajności około 2 l/s każda. 
 

Schemat systemu odwodnienia – Obiekt użyteczności publicznej, okolice Poznania

  Przekrój geologiczno-konstrukcyjny – Obiekt użyteczności publicznej, okolice Poznania

Dodatkowo odwierciliśmy dwie studnie monitoringowe, które pozwalały nam na monitoring poziomu zwierciadła wody w wykopie. Studnie monitoringowe mogły zostać w razie potrzeby uzbrojone w pompy głębinowe. Poza wykopem wygrodzonym ścianką odwierciliśmy cztery piezometry, które pozwalały na kontrolę położenia zwierciadła wody oraz potwierdzały szczelność zastosowanej obudowy. 

Wiercenie studni depresyjnych – Obiekt użyteczności publicznej, okolice Poznania

Po uruchomieniu systemu generowanego przez studnie sumaryczny wydatek wynosił 4,5 l/s (tj. 16,2 m³/godz.). Zaobserwowano znacznie wolniejsze niż zakładane obniżanie się zwierciadła wody w studniach monitoringowych. Dodatkowo stwierdzono obniżenie poziomu wody w piezometrach zewnętrznych zaraz po uruchomieniu odwodnienia, co świadczyło o nieszczelności obudowy wykopu. 

W celu wspomagania systemu zostały podjęte dodatkowe czynności tj. uruchomienie pompy w studni monitoringowej MW01 oraz zapłukanie 15 igłofiltrów. Przez wykonawcę obudowy zostały podjęte również działania mające na celu identyfikację przecieków na zamkach larsenów oraz ich uszczelnienie.

Budynek biurowo-usługowy, Wrocław

Kolejnym z przykładów prowadzenia odwodnienia w warunkach odcięcia bocznego jest zrealizowany przez WJ Groundwater w 2017 r. na zamówienie Skanska S.A. projekt budynku biurowo-usługowego we Wrocławiu. Przedmiotem prac było wykonanie odwodnienia budowlanego wykopu fundamentowego o powierzchni około 4500 m² dla budynku biurowego z garażem podziemnym. Wykop został zabezpieczony ścianą szczelinową dogłębioną do warstwy glin, stanowiącej warstwę słaboprzepuszczalną.

Każdy temat traktujemy indywidualnie i z należytą starannością, tak było również i w tym przypadku. Naszym celem było uzyskanie czterometrowej depresji. Zaprojektowaliśmy system sześciu igłostudni depresyjnych posadowionych w gruntach piaszczystych, pozwalających uzyskać wydajność pompowania około 12,5 l/s. Dodatkowo zostały wykonane piezometry zewnętrzne, w celu kontrolowania poziomu wody gruntowej poza obudową wykopu. 

Schemat systemu odwodnienia – Budynek biurowo-usługowy, Wrocław

Przekrój geologiczno-konstrukcyjny – Budynek biurowo-usługowy, Wrocław

Instalacja odwodnieniowa WJ Groundwater – Budynek biurowo-usługowy, Wrocław

Na poniższym wykresie zobrazowano przebieg odwodnienia poprzez przedstawienie poziomu zwierciadła wody oraz wielkości uzyskanego wydatku. Po okresie około czterech dni udało się uzyskać wymaganą depresję dla poziomu głównego posadowienia budynku, a po siedmiu dniach dla przegłębienia.

Wykres poziomów piezometrycznych/dynamicznych oraz przepływów – Budynek biurowo-usługowy, Wrocław

Jak widać na wykresie, początkowy wydatek pompowania wynosił około 40-30 m³/godz. (tj. 11-8 l/s), były w tym czasie spompowywane zasoby statyczne. Jednak po usunięciu zasobów statycznych z wykopu nasza praca się nie kończy. Kolejnym etapem jest utrzymywanie żądanej depresji przez przechwytywania dopływów przez obudowę i dno wykopu. W oparciu o wykres można określić wielkość dopływów wody, która utrzymywała się na poziomie około 2 m³/godz. (tj. około 0,56 l/s). Wartość przecieków przez obudowę wyniosła około 0,1 l/s/1000 m². Ściana szczelinowa w znacznym stopniu ograniczyła dopływ wody do wykopu. Również patrząc na poziom zwierciadła wody w piezometrach zewnętrznych, nie zauważa się oddziaływania odwodnienia poza obrys wygrodzonego wykopu. Lekkie wahania poziomu wody można uważać za naturalne wahania zwierciadła wody.

Budynki biurowo-usługowe, Kraków.

Jedną z ostatnich realizacji odwodnienia w warunkach odcięcia bocznego jest zrealizowana na zlecenie Rivabella sp. z o.o. inwestycji budynków biurowo-usługowych w Krakowie. Wykonaliśmy odwodnienie pod budowę dwóch budynków biurowych, które stanowią początek, nowopowstającego kompleksu obiektów biurowych w Krakowie. Przedmiotem naszych pracy był wykop o powierzchni około 8800 m² zabezpieczony ścianą szczelinową dogłębioną do warstwy słaboprzepuszczalnej w postaci iłów mioceńskich. Wartość przecieków przez obudowę szacowano na około 0,5 l/s/1000 m² (tj. około 4,4 l/s na całą powierzchnię wykopu). Na potrzeby odwodnienia w wykopie odwierciliśmy dwie igłostudnie oraz dwie igłostudnie monitoringowe, zlokalizowane w środkowej części wykopu pozwalające na pomiar położenia zwierciadła wody.  Wszystkie igłostudnie uzbroiliśmy w pompy głębinowe. Na zewnątrz wykopu odwierciliśmy dwa piezometry, które służyły nam do kontroli położenia zwierciadła wody oraz do oceny szczelności wykonanej obudowy.  

Wiercenie igłostudni depresyjnych – Budynki biurowo-usługowe, Kraków

Schemat systemu odwodnienia – Budynki biurowo-usługowe, Kraków

Przekrój geologiczno-konstrukcyjny – Budynki biurowo-usługowe, Kraków

Zastosowany system pozwolił nam uzyskać prawie dziesięciometrową depresję, potrzebną do prowadzenia prac budowlanych w suchym wykopie. Na poniższym wykresie można zobaczyć, jak poziom wody został skutecznie obniżony dobranym systemem odwodnienia.

W początkowej fazie pompowania, kiedy były sczerpywane zasoby statyczne, wydatek odwodnienia wynosił około 8,5 l/s. Po usunięciu z wykopu zasobów statycznych przepływ obniżył się do około 0,5 l/s, była to wielkość dopływów wody przez obudowę. Zastosowana ściana szczelinowa jako obudowa wykopu okazała się doskonałym rozwiązaniem, ograniczyła maksymalnie dopływ wody do wykopu, który w tym konkretnym przypadku wyniósł około 0,05 l/s/1000 m². Dopływ okazał się znacznie mniejszy niż ten zakładany. 

Na wykresie można również zauważyć, że w piezometrach zewnętrznych nie ma zmiany poziomu położenia zwierciadła wody, co również oznacza, że zastosowana obudowa okazała się szczelna i prowadzone odwodnienie nie oddziaływało na najbliższy teren. 

Ze względu na przepisy wodno-kanalizacyjne w mieście Krakowie, nie mogliśmy odprowadzić całej ilości odpompowanych wód z wykopu do kanalizacji, dlatego w tym celu odwierciliśmy dwie studnie chłonne RW01 i RW02. Studnie chłonne zostały odpowiednio uzbrojone w głowicę i rury ciśnieniowe. W ten sposób część wód z odwodnienia mogliśmy zatłoczyć z powrotem do warstwy wodonośnej poza wygrodzonym ścianą szczelinową wykopem. 

Prace odwodnieniowe dla etapu I budowy The Park Kraków zostały zakończone sukcesem. Teraz niecierpliwie czekamy na kolejne etapy!

Budynki mieszkalne, Wrocław

Obecnie realizowanym odwodnieniem są prace prowadzone we Wrocławiu na zlecenie Keller Polska sp. z o.o. Przedmiotem naszych prac było wykonanie odwodnienia w celu umożliwienia prowadzenia prac ziemnych w wykopie o powierzchni około 2300 m², dla budowy budynku mieszkalnego wielorodzinnego. Wykop został zabezpieczony ścianą szczelinową dogłębioną do warstwy słaboprzepuszczalnej w postaci gliny piaszczystej. Podłoże objęte inwestycją zbudowane jest głównie z utworów czwartorzędowych w postaci piasków o różnej granulacji oraz pospółek z soczewkami gliniastymi. Teren prac znajduje się w bliskim sąsiedztwie koryta rzeki Odry, który wpływa na wysoki stan wody gruntowej. Bazując na doświadczeniu w realizowaniu odwodnienia w ramach podobnych inwestycji, założyliśmy, że dopływ wody do wykopu nie przekroczy 2 l/s. Zaprojektowaliśmy system odwodnienia oparty na igłostudniach, którego maksymalny wydatek wynosił około 4 l/s. 

Schemat systemu odwodnienia – Budynki mieszkalne Wrocław

Przekrój geologiczno-konstrukcyjny – Budynki mieszkalne, Wrocław 

Odwierciliśmy cztery igłostudnie, które zostały uzbrojone w pompy głębinowe oraz jedną igłostudnię monitoringową. Podobnie jak we wcześniej przytoczonych projektach, również tutaj wykonaliśmy piezometry zewnętrzne w celu kontroli poziomu położenia zwierciadła wody poza wykopem. 
 
Wiercenie igłostudni depresyjnych – Budynki mieszkalne, Wrocław

Nasz system odwodnienia pozwolił osiągnąć w ciągu czterech dni wymaganą depresję dla poziomu głównego posadowienia budynku A oraz w ciągu 10 dni dla najniższego przegłębienia. Zostało to dokładnie przedstawione na poniższym wykresie. 

Szacowany przez nas początkowy wydatek na 4 l/s okazał się nieznacznie niższy. Po spompowaniu zasobów statycznych, wydatek odwodnienia, a zarazem dopływ wody do wykopu, wynosi 0,25 l/s, tj. 0,1 l/s/1000 m². Również w tym przypadku zastosowana ściana szczelinowa spełniła swoje zadanie i w maksymalnym stopniu odcięła dopływ wody do wykopu. Poziom zwierciadła wody w zewnętrznych piezometrach monitoringowych ulega wahaniom naturalnym, nie mającym związku z prowadzonym odwodnieniem.

Obecnie trwają prace budowalne, ale już w całkowicie suchym wykopie.

Podsumowanie

Prowadzenie odwodnienia w warunkach odcięcia bocznego opiera się na sczerpaniu zasobów statycznych, a w następnym etapie przejmowaniu dopływów przez obudowę i dno wykopu. Dlatego tak ważny jest rodzaj zastosowanej obudowy, posadowienie oraz jej szczelność. Rodzaj obudowy w dużym stopniu definiuje to, jak powinniśmy zaprojektować system odwodnienia. Od szczelności obudowy zależy wydatek konieczny do utrzymywania wymaganej depresji, która umożliwia dalsze prace budowlane w suchym wykopie.

W przytoczonych wcześniej przykładach prac realizowanych przez WJ Groundwater, mieliśmy styczność z trzema rodzajami zabezpieczenia wykopu: palisada DSM, ścianka szczelna oraz ściana szczelinowa. Palisada DSM ze względu na duże nieszczelności oraz niedogłębienie do gruntów słaboprzepuszczalnych na całym obwodzie okazała się najmniej skuteczną obudową, pozwalającą na znaczny dopływ wody do wykopu. Skutkowało to koniecznością zastosowania wspomagającego systemu odwodnienia opartego na igłofiltrach. Ścianka szczelna również wykazała duże nieszczelności. Podobnie zastosowano igłofiltry w celu wspomagania systemu do czasu uszczelnienia ścianki w miejscach przecieków. Jednak oba te rodzaje zabezpieczenia wykopu w odniesieniu do odwodnienia posiadają wady.

Najlepiej dopływ wody do wykopu ogranicza ściana szczelinowa, która w maksymalnym stopniu odcina przecieki wody. Przy stosowaniu ściany szczelinowej dopływ wody w wcześniej przytoczonych przykładach nie przekroczył 0,1 l/s/1000 m², co pozwoliło nam zaprojektować systemy oparte na kilku studniach/igłostudniach, które skutecznie poradziły sobie nawet z wykopami o powierzchni 8 tys. m² (The Park Kraków, 2020 r.)

Porównując zabezpieczenia wykopu przed napływem wody gruntowej, oczywiste wydaje się, że element o długości kilku metrów (ściana szczelinowa) posiada mniej płaszczyzn styków, niż ma to miejsce w przypadku palisady czy ścianki szczelnej, gdzie styków jest zdecydowanie więcej, a co się z tym wiąże, więcej jest potencjalnych nieszczelnych miejsc, którymi woda dostaje się do wykopu.

Różnica pomiędzy ścianą szczelinową, a ścianką szczelną i palisadą oraz wyborem rodzaju obudowy leży również w koszcie i zakresie robót. Mimo zapewnienia największej szczelności przy zastosowaniu ściany szczelinowej, to właśnie ścianka szczelna czy palisada jest dużo tańszym rozwiązaniem co decyduje o ich wyborze.