INFRASTRUCTURA DRUMURILOR-CURS 2-Evacuarea Apelor, Santuri, Rigole, Drenuri, Calcul Debite [PDF]

Zitiervorschau

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

DRUMURI II: INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 COLECTAREA SI EVACUAREA APELOR

Drumurile sunt supuse actiunii mai multor categorii de ape: - apele din precipitatii atmosferice (ploaia), care se pot cumula, în functie de regiune, cu cele din topirea zapezilor. Aceste ape trebuie colectate si evacuate din zona drumului prin asigurarea pantelor transversale pe partea carosabila si acostamente, prin construirea de santuri si rigole laterale, canale de evacuare si descarcare etc. Apele din precipitatii pot stagna în zona drumului, ducând la o acumulare excesiva de umiditate în fundatie, ceea ce face ca rezistentele pamântului din corpul drumului sa scada si sa se micsoreze mult caracteristicile intrinseci ale acestuia. Aceasta umezire si / sau îmbibare cu apa a pamântului din corpul drumului influenteaza rezistenta si stabilitatea terasamentelor. Un alt fenomen ce poate sa apara din cauza apelor din precipitatii este acela de erodare sau chiar spalare a taluzurilor. Prin infiltrari se poate ajunge la alunecari sau chiar curgeri ale pamântului. - apa de suprafata care se scurge spre terasamente (de exemplu, pentru un drum asezat pe o coasta) de pe terenul înconjurator. Ca masuri de prevenire în acest caz se protejeaza terasamentele: se colecteaza apele de la o oarecare distanta de ampriza si se evacueaza direct în depresiuni si în albiile cursurilor de apa. Se realizeaza prin santuri de garda si canale de evacuare a apei. - apa subterana (de tipul: vapori, apa de higroscopicitate, apa adsorbita, apa libera etc.). Pentru protectie se realizeaza drenuri, santuri de descarcare si canale de evacuare. - ape curgatoare (râuri, pârâuri), care pot afuia permanent sau periodic picioarele rambleelor sau pot eroda terenul pe care sunt executate lunecari de terasament. Ca masuri de protectie se realizeaza regularizari de râuri, aparari de taluzuri si de maluri, constructii pentru combaterea râpelor, canale de scurgere etc.

1

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

COLECTAREA SI EVACUAREA APELOR DE SUPRAFATA Colectarea si îndepartarea apelor de suprafata din zona drumului se realizeaza prin proiectarea si executarea de dispozitive speciale pentru colectarea si evacuarea apelor meteorice: - santuri la marginea platformei - santuri de garda - rigole la marginea platformei - rigole la bordura trotuarului - rigole de acostament - casiuri (pentru descarcarea rigolei de acostament la rambleu) - lucrari de canalizare - canale de evacuare - puturi absorbante Santuri laterale Ele pot fi cu sectiune neprotejata, partial pavata, pavata sau betonata. La deblee se executa obligatoriu, la marginea platformei, rigole / santuri cu rolul de a colecta apele de pe taluz si platforma si de a le evacua în punctele de descarcare (vai, depresiuni etc).

a l o g i r t n a s

La rambleele mici se prevad la piciorul taluzului santuri sau rigole pentru colectarea si evacuarea apelor de suprafata.

1 : 1

3 : 2

0.50

3 : 2

1.75

sant trapezoidal

0.50

2

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

3 : 2

1.00 0.25

1 : 1

3 : 1

rigola

Forma si dimensiunile dispozitivelor de colectare si evacuare a apelor de suprafata se stabilesc de la caz la caz, în functie de reflief, debitul si viteza apei, natura terenului, conditii de circulatie etc.

1 :m

sant trapezoidal

h

n 1:

d

1:

n

rigola h

1: m

Rigolele sunt santuri triunghiulare ce au de obicei peretii laterali captusiti. În general rigola se prefera în regiunile accidentate, datorita pantelor mari de scurgere, în ciuda sectiunii reduse. Se recomanda ca din motive de siguranta împotriva accidentelor de circulatie, sa se prevada doar rigole pentru evacuarea apelor în afara zonei drumului. Recurgerea la santuri de forma trapezoidala se va face atunci când rigolele nu pot asigura îndepartarea întregului debit de apa prevazut a fi colectat în zona. Atât rigolele cât si santurile pot fi cu sectiune neprotejata (din pamant), partial pavata (fundul santului) sau pavata cu pereu sau placi prefabricate din beton simplu. În regiunile de munte, unde apele se scurg repede, se pot amenaja rigole taiate direct în stânca. Evacuarea apelor din santuri se face la cel mult 500 m iar a apelor din rigole la cel mult 250 m, în depresiuni sau în cursuri de apa. Adâncimea santurilor si a rigolelor se stabileste astfel încât sa se poata capta si apele din patul drumului prin intermediul drenurilor de acostament. Adâncimile minime si maxime prevazute sunt urmatoarele: - rigole: 0.20 m ... 0.40 m (atunci când se justifica tehnic si economic) - rigolele de acostament: 0.05 m ... 0.10 m - santuri: 0.30 m ... 0.50 m Latimea fundului santului trapezoidal este de 0.20 ... 0.50 m. Valoarea maxima se foloseste atunci când santul nu este protejat.

3

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Înclinarile peretilor santului sunt de: m = 1.5 (1:1.5) si n = 1 iar ale rigolei, de: m = 1.5...3 (1:1.5 ... 1:1.5) si n = 1. Câteva exemple de dispozitive pentru colectarea si evacuarea apelor din precipitatii sunt prezentate mai jos.

Rigola la marginea platformei cu sectiune neprotejata

Rigola la marginea platformei cu sectiunea partial pavata

Rigola la marginea platformei cu sectiunea pavata (pereu sau placi prefabricate din beton simplu) 4

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Rigola cu sectiunea betonata la marginea platformei

Rigola cu sectiunea betonata în interiorul acostamentului cu placuta carosabila din beton armat

Rigola de acostament cu sectiunea pavata sau placa prefabricata din beton simplu pentru partea carosabila

5

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Sant la marginea platformei cu sectiune pavata sau cu placa prefabricata din beton simplu

ht

0.15

u /u tn n i en t mo ac t s t on ca an e er dd t na er r t d s

hr

Oservatie: pentru a se asigura conditia ca fundul santului sau al rigolei sa fie situat la o cota cu 15 cm mai mica decât cota la care sunt situate gurile de descarcare ale drenurilor de acostament, în functie de de grosimea structurii rutiere, înaltimea de la marginea platformei pâna la fundul rigolei / santului (ht) poate rezulta diferita de înaltimea (adâncimea) rigolei / santului (hr, hs):

Santuri de garda Santurile de garda (de aparare) au rolul de a colecta apele de pe coasta si de a le conduce la punctele de descarcare, în scopul protejarii taluzurilor împotriva degradarilor prin eroziune de catre apele de suprafata. Se executa pe baza studiilor geotehnice. Santurile de garda protejeaza terasamentele si împiedica supraîncarcarea santurilor laterale ale drumului cu apele care se scurg de pe versanti. Se recomanda pereerea sau pavarea santurile de garda pentru a putea asigura îndepartarea rapida a tuturor apelor. Dimensiunile sunt aceleasi ca ale santurilor trapezoidale laterale. În debleu, santurile de garda se amplaseaza la distanta minima de 5.00 m de la muchia taluzului iar în rambleu, pentru apararea piciorului rambleului de apele care vin în sens transversal se vor executa la distante de minim 2.00 m de la piciorul taluzului. În regiunile de munte cu coaste lungi si pante mari, pentru mai multa siguranta, se pot executa doua sau mai multe santuri de garda.

6

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Santuri de garda pentru rambleu

Santuri de garda în profil mixt

Santuri de garda în debleu În figurile de mai sus sunt folosite urmatoarele notatii: Amp – ampriza drumului P – platforma drumului A – acostament hr, hs – adâncimea rigolei / santului ht – înaltimea de la marginea platformei pâna la fundul rigolei / santului R – rigola Zs – zona de siguranta 7

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Ed / Ec – dren de acostament / strat drenant continuu hd – înaltimea de la partea inferioara a capului de dren pâna la fundul rigolei / santului a, b – elemente geometrice ale rigolei / santului

Casiuri Folosesc pentru descarcarea rigolelor de acostament pe taluzurile de rambleu. Se trateaza diferit în functie de înaltimea rambleului: - h = 1.50 ... 3.00 m:

- h = 3.00 ... 5.00 m:

8

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

- h > 5.00 m:

9

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Notatii: 3 – pereu din piatra 4 – sant prefabricat 5 – element prefabricat din beton simplu pentru casiuri pe taluzuri 6 –pat de beton simplu 7 – dig local în zona casiului, pentru mentinerea apei în sant si evitarea patrunderii acesteia pe câmp 8 – camera de cadere pentru atenuarea energiei apei

Se recomanda urmatoarele: - pentru ramblee cu h ≤ 0.50 m: utilizarea rigolelor de tip rigola la marginea platformei cu sectiunea neprotejata, partial pavata sau cu sectiune pavata, în vederea sporirii sigurantei circulatiei - pentru ramblee cu h = 0.50 ... 3.00 m: utilizarea rigolelor de tip rigola la marginea platformei cu sectiunea neprotejata, partial pavata sau cu sectiune pavata sau santuri de tip sant la marginea platformei cu sectiunea neprotejata, partial pavata sau cu sectiune pavata - pentru ramblee cu h = 3.00 ... 5.00 m: utilizarea rigolelor si santurilor de tip rigola/sant la marginea platformei cu sectiunea neprotejata, partial pavata sau cu sectiune pavata împreuna cu rigole de acostament în cazul curbelor convertite si supraînaltate atunci când se suprapun cu racordari concave în profilul în lung; decarcarea rigolelor de acostament se face prin casiuri - pentru ramblee cu h > 5.00 m: utilizarea rigolelor si santurilor de tip rigola/sant la marginea platformei împreuna cu rigole de acostament si casiuri pe taluz pentru evitarea ravinarii taluzurilor - pentru deblee: utilizarea, de la caz la caz, a rigolelor si santurilor sau a altor lucrari speciale de colectare si scurgere a apelor meteorice (de exemplu canalizari) în functie de cantitatile de apa si de posibilitatile de evacuare. În general, panta fundului santului o urmeaza pe cea a drumului. Pe portiunile unde drumul este în palier, trebuie sa se asigure fundului santului o panta de cel putin 0.25% în teren natural, sau de 0.1% daca se paveaza fundul (santuri pereate). Daca santurile sau rigolele sunt neprotejate, pantele maxime admise sunt în functie de tipul de pamânt: - pentru pamânturi coezive: 2 ... 3% - pentru pamânturi necoezive: 2 ... 5 % (valoarea creste cu cresterea dimensiunii maxime a particulei) Daca santurile sau rigolele sunt protejate, pantele maxime admise sunt în functie de tipul de protectie: - pereu uscat din piatra bruta negeliva, rostuit: 5% 10

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

- pereu zidit din piatra bruta negeliva sau piatra de râu cu mortar de ciment sau pereu din dale prefabricate din beton simplu pe pat din beton: 15% - pereu din dale de beton simplu turnat monolit pe pat de nisip: 10% - casiuri pe taluzuri înalte din piatra bruta sau piatra de râu zidita cu mortar de ciment pe pat de beton : 67% Cascade si canale de fuga

p

Daca drumul are o declivitate accentuata (se depasesc valorile de mai sus), apa capata viteza mare si poate eroda fundul santului; în acest caz trebuie luate masuri pentru a împiedica eroziunea: se proiecteaza cascade sau canale de fuga prin prevederea de trepte care sa conduca la caderi de nivel de pâna la 50 .. 60 cm. Atât la cascade cât si canalele de fuga este necesara amplasarea la capetele lor a disipatoarelor pentru amortizarea socului produs de apa în cadere, recomandându-se ca acestea sa fie realizate din saltele de apa si praguri.

b

Cascada

p

e r a z i t r o m a e d n i z a b

b

l

Canal de fuga Distanta, d, între punctele de rupere ale pantei se stabileste în functie de înaltimea de cadere propusa, h: d=

unde

h i − i0

(m)

i este panta terenului i0 – panta fundului santului

11

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

i

h

i0

d

Daca pe sectorul de sant considerat se executa “n” trepte iar H este diferenta de nivel totala între capetele sectorului, atunci avem: H = n ⋅ h + (n − 1)d ⋅ i0

Fundul santului poate avea latime constanta sau variabila. Elementele unei cascade: - pragul cascadei (punctul de cadere) care împarte constructia în doua parti: bieful superior si bieful inferior - peretele cascadei (zidul de cadere), care se face vertical sau cu un mic fruct - radierele de intrare si de iesire din cele doua biefuri - camera de amortizare a caderii - praguri pentru linistirea apei - aripi laterale pentru consolidarea taluzurilor Cascadele si canalele de fuga se pot executa din zidarie de piatra bruta sau din beton. În amonte si în aval de cascade si de canalele de fuga, santurile se consolideaza pentru a se împiedica eroziunea si afuierea, iar capetele acestora se fac evazate. Canale de evacuare a apei Canalul de evacuare se executa pentru evitarea construirii unui podet.

12

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Lungimea canalului este de minim 500 m iar panta longitudinala trebuie sa fie peste 0.5 – 0.7 %. Latimea canalului la fund este ≥ 0.40 m iar adâncimea este ≥ 0.50 m. Dimensionarea dispozitivelor de colectare si evacuare a apelor de suprafata Pentru rezolvarea acestei probleme se executa doua categorii de calcule: -

calcul hidrologic, în urma caruia rezulta debitul hidrologic

-

calcul hidraulic, în urma caruia rezulta debitul hidraulic

Calculul hidrologic consta în determinarea cantitatii apelor de suprafata colectata în bazinul de receptie aferent fiecarui dispozitiv de colectare si evacuare în parte în functie de debitul maxim dat de apele de ploaie. În calculul hidrologic, ploile sunt caracterizate prin: -

durata: timp, în minute, de la începerea pâna la încetarea ploii

-

intensitate: grosimea stratului de apa cazuta în unitatea de timp pe o suprafata de 1 m2

-

frecventa: numarul de repetari ale unei ploi de aceeasi durata si cu intensitatea mai mare sau cel putin egala cu cea considerata, într-o anumita perioada de timp

Debitul hidrologic, Qhg se determina cu urmatoarea relatie: Qhg = m ⋅ S ⋅ ic ⋅ F

[l/s]

unde: m este un coeficient de reducere care tine seama de capacitatea de înmagazinare pe santuri si canale; se stabileste în functie de durata de curgere, t: - pentru t < 40 min., m = 0.8 - pentru t > 40 min., m = 0.9 S – suprafata bazinului de receptie aferent santului sau canalului, [ha] – se alege suprafata cea mai defavorabila în lungul drumului

S

Determinarea suprafetei bazinului de receptie

13

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

ic – intensitatea de calcul a ploii: ic = f

k t

[l/s ha]

Studii statistice facute în tara noastra arata ca relatia dintre ic si t este de tipul unei parabole. k – coeficientul ecuatiei parabolice ce exista între ic si t; se stabileste în functie de zona: ses, deal, munte f – frecventa ploii de calcul, în functie de importanta drumului (f = 1/1 pentru drumuri obisnuite, f = 1/2, pentru autostrazi, f = 1/3, 1/5 pentru aeroporturi) t – durata ploii de calcul, [min.] (15 minute pentru ses, 10 minute pentru deal, 5 minute pentru munte)

Curbe de intensitate a ploilor de egala frecventa F – coeficient de scurgere (< 1), dat de raportul între cantitatea de apa care se scurge si cantitatea de apa din precipitatii. Depinde de natura pamântului, de panta transversala, de gradul de acoperire cu vegetatie a suprafetei respective. Situatia locala Munte Munte Deal Podisuri Ses

1000 m 500 – 1000 m 150 – 500 m 150 m 150 m

Coeficientul de scurgere, F Teren Teren Teren permeabil impermeabil semipermeabil 0.70-0.60 0.60-0.50 0.50-0.30 0.60-0.50 0.50-0.30 0.30-0.20 0.50-0.30 0.30-0.20 0.20-0.10 0.30-0.20 0.20-0.10 0.10-0.05 0.20-0.10 0.10-0.05 0.05-0.00 14

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Calculul hidraulic consta în determinarea capacitatii de scurgere a dispozitivelor de colectare si evacuare a apelor din precipitatii, care depinde de forma si de marimea sectiunii transversale, de panta longitudinala si de rugozitatea fundului si a peretilor. Debitul hidraulic se calculeaza cu urmatoarea relatie: Qhc = v ⋅ ω

[m3/s]

unde: v este viteza medie admisibila în sectiune: [m/s]

v =C R⋅I

C – coeficientul de viteza functie de rugozitatea si raza hidraulica (Chézy, Pavlovski, Bazin): C=

87 n 1+ R

(Bazin)

n – coeficient de rugozitate al sectiunii, cu valori diferite în functie de peretii santului (beton, piatra, pamânt): n = 0.06 pentru pereti din beton sclivisit n = 0.16 pentru pereti din beton nesclivisit n = 0.46 pentru pereti din zidarie de piatra bruta rostuita n = 1.30 pentru pereti din pamânt de sectiune regulata n = 1.75 pentru pereti neregulati, din pamânt, pietris, stânca bruta neprelucrata C=

1 y R n

(Pavlovski)

y – coeficient dat în tabele n – coeficient de rugozitate: n = 0.011 pentru tencuiala din mortar de ciment (peerti sclivisiti) n = 0.013 pentru beton neted, zidarie de piatra cioplita foarte bine n = 0.017-0.03 pentru zidarie din piatra bruta cu mortar de ciment n = 0.020-0.027 pentru pavaj din bolovani n = 0.020 pentru canale (santuri) în pietris, pamânt, stânca bine cioplita n = 0.035 pentru canale si râuri cu profil neregulat R – raza hidraulica: R=

ω P

[m]

15

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

P – perimetrul udat al sectiunii, [m] I – panta hidraulica a santului sau canalului în ipoteza scurgerii uniforme (se considera egala cu declivitatea drumului pe zona respectiva)

ω – sectiunea efectiva de scurgere, [m2] (cu 5 cm mai putin plina decât sectiunea totala). Se pune în final conditia ca debitul hidrologic sa fie mai mic decât debitul hidraulic. Se tinde spre egalitate (fie prin micsorarea sectiunii dispozitivului, fie prin marirea suprafetei de pe care colectam apele). Daca debitul hidrologic este mai mare decât debitul hidraulic, cantitatea de apa ce ajunge la dispozitivul de colectare si evacuare depaseste capacitatea sectionala a dispozitivului. În acest caz se impune micsorarea marimii bazinului de receptie sau marirea debitului hidraulic prin sporirea gradului de netezire al suprafetei (C) sau sporirea dimensiunilor dispozitivului de scurgere (ω). COLECTAREA SI EVACUAREA APELOR SUBTERANE Apele subterane Apele care se gasesc si care se misca în straturile de sub nivelul terenului natural se numesc ape subterane iar stratul de roci în care se afla si circula apa subterana se numeste strat acvifer. Pozitia si nivelul stratului acvifer se stabilesc prin sondaje si se raporteaza pe harta curbele de nivel ale suprafetei apelor subterane. Apa infiltrata si retinuta în straturile superficiale ale terenului este provenita în special din precipitatiile atmosferice si se prezinta sub forma unor acumulari izolate. Cantitatea acestor ape, nivelul lor si modul lor de repartizare sunt strâns legate de regimul ploilor si al zapezilor din regiunea respectiva. Aceste ape dispar de obicei pe timp calduros si uscat. Apele care se gasesc sub forma libera, în straturile de la suprafata terenului sunt numite de unii specialisti ape freatice. Apele subterane sunt apele din pamânt care pot fi de mai multe tipuri: - apa sub forma de vapori: apa care tinde sa migreze catre zone reci unde condenseaza - apa higroscopica: apa ce rezulta din condensarea vaporilor de apa pe granulele solide; cu cât granulele sunt mai fine cu atât cantitatea de apa higroscopica este mai mare - apa adsorbita: apa fixata pe suprafata granulelor de pamânt si retinuta de acestea datorita atractiei moleculare; este o apa puternic legata (legatura mai puternica pentru granule fine); nu poate fi eliminata prin mijloace curente sau prin drenaje ci numai prin uscare naturala sau artificiala a pamântului

16

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

- apa libera sau gravitationala: apa nelegata; poate fi captata si îndepartata cu ajutorul drenurilor; provine din infilitratii, circula prin straturile aluvionare sau prin crapaturile rocilor masive, se aduna si se scurge întotdeauna pe suprafata unui strat impermeabil - apa capilara: apa retinuta care circula în golurile cu dimensiuni capilare dintre granulele pamântului datorita tensiunilor superficiale; ascensiunea capilara este cu atât mai mare cu cât granulele pamântului sunt mai fine; nu poate fi îndepartata direct dar prin scaderea nivelului apelor gravitationale scade si nivelul apelor capilare Ascensiunea capilara poate fi împiedicata prin interpunerea unui strat format dintr-un material cu granule peste 0.5 mm sau având particulele cu dimensiuni neegale si repartizare neuniform în grosimea stratului - apa solidificata (gheata): acumulare sub forma de gheata, în partile expuse frigului în timpul iernii, din cauza variatiilor de temperatura care se transmit în interiorul terasamentelor si care produc o redistribuire a apelor Aceste ape, daca patrund în corpul terasamentului, îl pot umezi, iar patul drumului poate capata deformatii ireversibile. Pentru a evita problemele ce pot aparea ca urmare a umezirii pamântului din terasamentul drumului trebuie luate masuri care sa combata accesul apei spre patul drumului prin executia unor constructii speciale numite drenuri. Prin lucrari de drenaj se pot îndeparta doar apele gravitationale. Prin asigurarea unei evaporari si a unei ventilari intense se poate obtine o modificare importanta si a cantitatii de apa adsorbita. Drenuri Drenul este o constructie subterana cu permeabilitate ridicata care are rolul de a intercepta apele libere, de a le colecta si de a le evacua. Drenurile au un usor efect si asupra apelor capilare, deoarece coboara nivelul apelor care alimenteaza capilaritatea precum si asupra apei libere. Nu au efect asupra vaporilor. Drenurile trebuie sa absoarba si sa îndeparteze în mod permanent si cu maximum de eficienta apele care patrund, care se scurg sau care stagneaza în pamânt. Drenurile sunt constructii necesare pentru: o colectarea si evacuarea organizata a apelor de infiltratie; o coborârea nivelului pânzei freatice când aceasta poate influenta defavorabil comportarea corpului drumului; o asigurarea stabilitatii taluzurilor si versantilor; o asigurarea stabilitatii zidurilor de sprijin si infrastructurilor podurilor Drenurile pot fi executate: - izolat 17

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

- în grupuri - în retele. Dupa directia de scurgere a apei colectate sunt: - drenuri verticale - drenuri orizontale Dupa adâncimea la care colecteaza apa, drenurile orizontale pot fi - acoperite - descoperite Clasificarea drenurilor Criterii principale de clasificare a drenurilor: − modul de functionare; ƒ drenuri care functioneaza gravitational; ƒ drenuri care functioneaza prin ventilatie; ƒ drenaj prin lucrari de inginerie biologica. − functia drenului si întretinerea lui; ƒ drenuri de asanare; ƒ drenuri de consolidare pentru taluzuri, terasamente si versanti alunecatori; ƒ drenuri de evacuare a apei; ƒ drenuri asociate la ziduri de sprijin. − tehnologia de executie; ƒ drenuri executate în sapatura deschisa, manual sau mecanizat; ƒ drenuri executate prin forare de la suprafata terenului sau din chesoane deschise; ƒ drenaj realizat prin lucrari de inginerie biologica. − terenul în care se fundeaza radierul drenului; ƒ drenuri perfecte ƒ drenuri imperfecte − pozitia drenului în raport cu axul drumului. ƒ drenuri longitudinale; ƒ drenuri transversale; 18

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

ƒ drenuri ventuza sau drenuri pe taluz; ƒ drenuri spice de captare. Drenuri orizontale deschise Atunci când stratul acvifer este aproape de suprafata terenului, pentru colectarea apelor se pot întrebuinta santuri drenante. Apele subterane patrund în santuri infiltrându-se prin fund si prin peretii laterali, acestia nefiind protejati cu straturi impermeabile.

În cazul în care apele colectate în sant se pot infiltra, atunci fundul santului va fi coborât în stratul imperemeabil.

Daca nivelul apelor subterane este coborât, sunt necesare santuri foarte adânci; în acest caz se înlocuiesc cu drenuri închise. Drenuri orizontale închise Se compun dintr-un sant a carui adâncime trebuie sa coboare în stratul acvifer. În functie de grosimea stratului acvifer putem avea drenuri perfecte (cu baza în stratul impermeabil - strabat complet stratul acvifer) sau imperfecte (cu baza în stratul permeabil – stratul acvifer are grosime mare, nu se poate coborâ pâna la stratul impermeabil). Drenul perfect poate intercepta si evacua în întregime stratul acvifer, în timp ce drenul imperfect coboara nivelul apelor subterane.

19

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL 60 .. 80 cm

NAS (ape subterane)

curba de depresiune

strat permeabil

strat impermeabil

radier

Dren perfect

strat permeabil

strat impermeabil

Dren imperfect Stratul permeabil este pânza acvifera, iar daca acesta este foarte aproape de suprafata este pânza freatica. Nivelul apelor subterane (NAS) este strâns legat de nivelul precipitatiilor. La drenuri se asigura scurgerea longitudinala a apelor. Elementele drenului sunt urmatoarele: -

radier pentru colectarea si evacuarea apelor

-

corp drenant (umplutura drenanta)

-

capac de acoperire (închidere)

Panta longitudinala a drenurilor depinde de declivitatea drumului si de rugozitatea peretilor dispozitivului de evacuare si are valori de 0,2 … 10%. Corpul unui dren este reprezentat mai jos.

20

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL capac de inchidere

umplutura drenanta

H

radier pt. colectarea si evacuarea apelor 2%

2%

10 cm

L

Elementele corpului drenului Atunci când se executa prin sapatura manuala: - pentru o latime L de 0.6 m înaltimea H a drenului trebuie sa fie între 1 si 1.5 m - pentru o latime L de 0.8 m înaltimea H a drenului trebuie sa fie între 1.5 si 2.0 m - pentru o latime L de 1.20 m înaltimea H a drenului trebuie sa fie între 2.0 si 4.0 m Atunci când se executa prin sapatura mecanizata latimea drenului se stabileste în functie de latimea cupei utilajului de sapat dar nu mai putin de 25 cm, Radierul, de regula, se încastreaza în stratul impermeabil pe o adâncime de cca 30 .. 50 cm si se executa din zidarie sau beton simplu. În cazul drenurilor imperfecte nu se executa radier, pentru ca sub coloana de apa de sub curba de depresiune vor avea loc infilitratii. Radierul se executa pe fundul transeei sapata sub forma de rigola (cuneta), prin care se scurg apele. Radierul drenului poate fi: o rigid

- se realizeaza din beton simplu

- se foloseste în terenuri stabile, practic incompresibile, cu compresibilitate redusa sau medie - pentru pante longitudinale de 0.2 ... 0.5 % o elastic - se realizeaza prin compactarea terenului din talpa sapaturii drenului (pentru drenuri perfecte) sau dintr-un strat de balast de 20 cm grosime (pentru drenuri imperfecte) - se foloseste în pamânturi cu compresibilitate mare sau foarte mare, sau în pamânturi afectate de fenomene de instabilitate - pentru pante longitudinale de 0.5 ... 10 %

21

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

În cazul radierului rigid, colectarea apelor se face prin capace semirotunde din beton, prin tub de P.V.C. sau polietilena sau printr-un canal de zidarie uscata. În cazul radierului elastic colectarea apelor se face prin tub de P.V.C. sau polietilena.

Umplutura drenanta trebuie sa respecte regula filtrului invers: viteza de intrare a apei din strat în dren nu trebuie sa produca antrenari hidrodinamice. Daca totusi se produc, debitul solid trebuie sa fie retinut de umplutura drenanta. Umplutura drenanta are un coeficient de permeabilitate mai mare decât cel al stratului în care se executa drenul. Pe masura executiei, apele din pânza freatica se scurg în dren, se colecteaza în cuneta radierului si se evacueaza. Umplutura drenanta poate fi alcatuita din: -

pietris ciuruit sau piatra sparta de cariera, cu filtru din nisip sau geosintetice

22

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

-

balast fara filtru (pentru evitarea colmatarii se executa filtru invers: unul sau mai multe straturi de nisip si pietris)

-

prefabricat geotextil drenant profil din material plastic

geotextil

tub perforat

La alegerea materialului de filtru se recomanda: - coeficientul de neuniformitate U pentru fiecare strat sa fie cuprins între 5 si 10 iar între diametrele granulelor a doua straturi vecine sa existe raportul: 1 1 d1 d 2 = = ... = ... d 2 d3 4 6

- daca D este diametrul unei fractiuni din filtru si d este diametrul unei fractiuni din pamantul stratului acvifer, sa fie satisfacute conditiile: D15 ≥5 d15

D15 ≤5 d85

D50 ≤ 25 d 25

D5 > 75μ

unde D15, D50, D5 sunt diametrele corespunzatoare procentelor de 15, 50, 5 de pe curba de granulozitate a materialului din filtru d15, d85, d25 – diametrele fractiunilor corespunzatoare procentelor de 15, 85 si 25 de pe curba de granulozitate a pamântului din stratul acvifer Când filtrul se executa din mai multe straturi, materialul fin se aseaza spre exterior iar materialul grosier spre interiorul umpluturii.

23

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Capacul de închidere. Drenul se închide la partea superioara astfel încât apele de suprafata sa nu patrunda în dren: -

fie cu pereu din piatra bruta asezat pe un strat de beton sau mortar, sub forma unei cunete sau casiu (când are rolul de a colecta apele de suprafata din zona drenanta) sau a unei rigole (când acopera drenurile longitudinale amplasate la marginea platformei)

-

fie cu argila batuta cu maiul în straturi de 20 cm grosime, acoperita cu pamant vegetal.

Drenurile fara tuburi sunt acelea la care tubul este înlocuit cu o umplutura permeabila care trebuie sa asigure scurgerea întregului debit de apa colectata. Pentru ca umplutura sa fie suficient de permeabila si totodata sa nu se colmateze, drenurile fara tub se executa din mai multe straturi, cu materiale permeabile, cu granule de marimi diferite.

Stratul de lânga peretele de pamant se executa din nisip grauntos. Straturile urmatoare se executa fiecare din materiale cu granulele cu diametrul de 4..6 ori mai mare decât al celor din stratul precedent. Declivitatea acestor drenuri este mai mare si anume de 1 .. 5 %.

24

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Drenuri orizontale forate: se elimina executia santului si a umpluturii drenante, executându-se foraj orizontal cu panta de scurgere de 5 .. 10%. Astfel umplutura drenanta si dispozitivul evacuare a apelor sunt introduse într-o transee executata prin sapatura deschisa, prevazuta sprijiniri de protectie. Se poate realiza si o retea alcatuita din tuburi de drenaj si conducte evacuare introduse în pamânt.

un de cu de

Executia se începe din aval si consta în a realiza la nivelul stratului impermeabil un foraj cu diametrul de 10 .. 20 cm .Daca peretii nu se surpa, pe masura executiei se extrag tuburile metalice. Daca peretii se surpa, forajul pastreaza în interior tuburile metalice. Când forajul a atins limita pe care poate functiona (10 .. 20 .. 30 m) se introduc în interior tuburi din material plastic cu fante de 1 cm înaltime si 1 mm latime. Un astfel de tub poate rezista la o sarcina de cca 70 kg. Au lungimi de 10 .. 100 cm. Tuburile se introduc bucata cu bucata în foraj si daca forajul este protejat metalic, pe masura ce se introduc tuburile de plastic, se scot cele metalice. Prezinta avantajul ca drenul se poate executa în câteva ore. Drenuri verticale: se construiesc sub forma de puturi circulare în care se colecteaza apa. Foarte rar, evacuarea apei se face prin pompare. De obicei apa este eliminata prin scurgere libera în straturile permeabile situate mai jos de straturile din care s-au colectat. În acest caz drenurile se numesc puturi absorbante. Ele se executa cu diametrul de 500 .. 600 mm.

25

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

La partea inferioara putul se poate fi umplut în întregime cu material alcatuit din bucati mari. Puturile absorbante pot fi puturi forate si puturi de mina. Puturile forate au diametrul de 150 .. 160 mm si se umplu cu 2 – 3 straturi de material drenant. Tuburile cilindrice concentrice care se folosesc la executie, se scot pe masura ce se realizeaza umplutura. Puturile se mai pot executa cu tuburi perforate drenante. Puturile de mina se executa din beton armat cu sectiune dreptunghiulara (1.5 x 1.5m ... 2.0 x 1.5 m la interior) sau cu sectiune circulara cu diametrul de 1.0 ... 1.75 m. În pereti sunt gauri pentru patrunderea apei în put. Puturi de aerisire: asigura eliminarea apei peliculare si a vaporilor de apa din straturile drenante. Se executa la capatul amonte al drenului si la primul camin de vizitare pentru asigurarea aerisirii si ventilatiei. Sunt tuburi prefabricate cu diametrul de 30 cm, montate în poztie verticala. Executia drenurilor Drenurile se executa pe tronsoane de 5 .. 6 m lungime. Când primul tronson este gata, al doilea este în stadiul de executie a radierului, al treilea la stadiul sapaturii santului de dren. Iesirea la suprafata a drenurilor Daca un dren nu se leaga la un alt dren orizontal sau vertical, atunci trebuie sa i se dea scurgere la suprafata.

Drenarea terasamentelor Drenurile folosite la interceptarea, colectarea si evacuarea sau coborârea nivelului apelor subterane se vor împarti, dupa pozitia lor, în urmatoarele tipuri: -

drenuri executate sub santuri laterale ale drumului, nu în apropierea acestora

-

drenuri executate în taluzurile debleelor

-

drenuri executate pentru drenarea rambleelor

-

drenuri executate pentru drenarea straturilor permeabile din fundatia drumului

26

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

-

drenuri executate în spatele zidurilor de sprijin

Atunci când nivelul apelor subterane este foarte ridicat si prin capilaritate apa se poate ridica pâna la nivelul fundatiei, supraumezind patul drumului se procedeaza la coborârea nivelului apelor subterane sau la ridicarea cotei platformei drumului, pâna când complexul rutier iese din zona de influenta a acestor ape. Când conditiile locale permit, este mai avantajos sa se execute o retea de drenuri.

Coborârea nivelului apelor subterane Drenul executat in axa (B) coboara nivelul apelor subterane, protejând corpul drumului. Drenurile de sub acostament (C) au un efect mai redus iar cele de sub santuri (A) efectul cel mai redus. Totusi, cele mai indicate sunt drenurile de sub santuri datorita posibilitatii întretinerii lor. Cazul unui rambleu situat pe coasta: dren longitudinal situat în amonte, sub santul de garda.

27

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Cazul unui profil mixt si exista o pânza de apa freatica: dren longitudinal sub sant.

Cazul unui debleu, când taluzul strabate un strat acvifer : dren longitudinal deasupra crestei taluzului. Când exista pericolul deranjarii echilibrului natural, solutia de consolidare consta în executia unui sistem de drenuri în spic.

Drenarea straturilor permeabile din fundatia drumului: dren transversal de acostament sau dren longitudinal de acostament:

28

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Prescriptii de amplasare - drenurile longitudinale se amplaseaza în lungul drumului sub rigola, sant sau sub o parte a acostamentului

- drenurile transversale de interceptie se amplaseaza pe sectoare de drum cu declivitati mai mari de 4% sub patul drumului, la 50...100 m distanta între ele si înclinare, în sensul pantei, sub un unghi de cca 60º fata de axul drumului, la o adâncime H = 1.0 ... 1.5 m; are rolul de a intercepta si evacua apele care circula prin fundatia drumului.

29

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

- drenurile ventuza se amplaseaza pe taluzurile debleelor în scopul de a capta si evacua apele din izvoare; evacuarea se face printr-un cap de dren

- drenurile de taluz se compun din drenuri transversale unite cu drenuri în forma de unghi; drenurile transversale se amplaseaza la distanta de 6 m iar cele în unghi pe unul sau mai multe niveluri, în functie de înaltimea taluzului

30

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Calculul drenurilor Prezenta unui dren într-un strat acvifer are ca efect coborârea nivelului apei subterane, dupa o suprafata curba, care în sectiune transversala reprezinta o parabola denumita curba de depresiune. Se fac doua tipuri de calcule: - calcul hidrologic: se determina cantitatea de apa colectata de dren - calcul hidraulic: se determina dimensiunile tubului de dren

Debitul de apa care se scurge în dren (formula lui Darcy): Q=k

unde

H − h0 S = k⋅I ⋅S L

k este coeficientul de permeabilitate care depinde de caracteristicile pamântului (m/s) I – panta medie a curbei de depresiune (panta piezometrica sau gradientul hidraulic) S – sectiunea transversala a masei de pamânt prin care se infiltreaza apa

Viteza teoretica de infilitrare: v=

Q dy = kI = k S dx

Debitul de apa pe unitatea de lungime de dren si pentru un singur perete: Q = Sv = ( y ⋅ 1)kI = ky

dy dx

Q ⋅ dx = k ⋅ y ⋅ dy

Prin integrare: H

Q ⋅ dx = ∫ k y dy h0

QL =

k k 2 ( H 2 − h0 ) = ( H + h0 )( H − h0 ) 2 2

31

INFRASTRUCTURA DRUMURILOR CURS 2 – conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL

Dar

H − h0 =I L

gradient hidraulic

ho este mult mai decât H (grosimea stratului permeabil): Q=

kIH 2

h0 este aproximativ diametrul tubului. Debitul hidraulic total: QT = 2 ⋅ Q ⋅ lungimea

32