. Lucrari DE Drenaj Permanent In Mediul Urban

CUPRINS

PARTEA I

CAPITOLUL 1: INTRODUCERE 5

Scop 5

Sursele apei subterane 5

Necesitatea de a controla apa subterană 6

Eliminarea permanentă a apei subterane 6

CAPITOLUL 2: CARACTERISTICILE MEDIILOR SUBTERANE 7

2.1 Granulozitatea 7

2.2 Coeficientul de uniformitate al pământului 8

2.3 Coeficientul de permeabilitate (permeabilitatea intrinsecă) 8

2.4 Porozitatea 9

2.5 Indicele porilor 9

2.6 Gradul de îndesare 9

CAPITOLUL 3: CARACTERISTICILE APEI SUBTERANE 10

3.1 Compresibilitatea 10

3.2 Vâscozitatea 10

3.3 Conductivitatea hidraulică 10

3.4 Transmisivitatea 10

3.5 Energia apei 10

3.6 Compoziția chimică a apei subterane 11

CAPITOLUL 4: LUCRĂRI DE DRENAJ 12

4.1 Generalități 12

4.2 Determinarea elementelor stratului acvifer 12

4.3 Tipuri de drenaje 13

4.4 Lucrări de investigații și planificări 14

4.4.1 Studii topografice 15

4.4.2. Studii hidrologice 15

4.4.3. Studii geologice, geotehnice și hidrogeologice 15

4.4.4 Studii în vederea stabilirii măsurilor de protecție

a mediului înconjurător 17

CAPITOLUL 5: DIMENSIONAREA DRENURILOR 18

5.1 Calculul distanței între drenuri.

Calculul drenajelor în regim permanent 18

5.1.1 Soluri cu profil omogen 18

5.1.2 Soluri cu profil stratificat 19

5.2 Calculul diametrului și lungimii tubului de drenaj 27

5.3 Debitul evacuat prin sistemul de drenaj 30

PARTEA II-STUDIUL DE CAZ

CAPITOLUL 1: DATE GENERALE ȘI STUDII DE TEREN 32

Date generale despre amplasament 32

Studii de teren 32

CAPITOLUL 2: STUDII HIDROGEOLOGICE 34

CAPITOLUL 3: MODELUL MATEMATIC 36

Prezentarea programului Groundwater Modeling System 36

Rezolvarea studiului de caz cu ajutorul programului GMS 36

Modelarea suprafeței amplasamentului 36

Modelarea forajelor executate pe amplasament 37

Modelarea subsolului 38

3.2.4 Definirea modelului cu ajutorul programului GMS 39

3.2.5 Descrierea modelului 40

CAPITOLUL 4: REZULTATELE MODELĂRII MATEMATICE

4.1 Variante analizate 41

4.2 Tehnologia de execuție a forajului orizontal dirijat 43

PARTEA III-ANEXE ȘI PLANȘE

Anexa nr.1. Fișa forajului nr. F1 49

Anexa nr. 2. Fișa forajului nr. F1-2 50

Anexa nr. 3. Fișa forajului nr. F1-3 51

Anexa nr. 4. Fișa forajului nr. F2 52

Anexa nr. 5. Fișa forajului nr. F2-3 53

Anexa nr. 6. Fișa forajului nr. F3 54

Anexa nr. 7. Fișa forajului nr. S1-S2 55

Planșa nr. 1. Schița generală a amplasamentului 56

Planșa nr. 2. Nivelul piezometric în situația fără drenuri 57

Planșa nr. 3. Varianta A de amplasare a drenurilor 58

Planșa nr. 4. Secțiunea A-A prin dren pentru varianta A 59

Planșa nr. 5. Curgerea în situația drenurilor montate varianta A 60

Planșa nr. 6 Detaliu cheson cu drenuri radiale pentru varianta A

de montaj a drenurilor 61

Planșa nr. 7 Varianta B de amplasare a drenurilor 62

Planșa nr. 8 Curgerea în situația drenurilor montate varianta B 63

Planșa nr. 9 Detaliu cheson cu drenuri radiale pentru varianta B

de montaj a drenurilor 64

Planșa nr. 10 Secțiunea B-B prin dren pentru varianta B 65

BIBLIOGRAFIE 66

PARTEA I

CAPITOLUL 1: INTRODUCERE

Scop

Apa este una din cele mai răspândite substanțe în natură, găsindu-se în toate cele trei stări de agregare: solidă (gheață, zăpadă, grindină), lichidă (apă de ploaie, ape subterane, oceane, mări, fluvii, râuri, lacuri) și gazoasă (vapori de apă din atmosferă).

Apa subterană neadministrată corespunzător poate duce la pierderi de stabilitate a terenurilor de fundare, făcându-le astfel necorespunzătoare pentru construcții.

Pentru eliminarea apei subterane din interiorul terenului de fundare pe durata executării construcției se utilizează lucrări de epuismente iar pentru eliminarea apei subterane după execuția construcției se utilizează lucrări de drenaj.

Prin drenaje înțelegem lucrările hidroameliorative menite să coboare nivelul apelor subterane din sol.

Lucrările de drenaj sunt necesar a fi executate în acele zone unde apa freatică se află la adâncimi mai mici de 1 m față de nivelul terenului sau acolo unde, în urma studiilor (inclusiv prin modelare matematică) se constată că există posibilitatea ca aceasta să crească până la acest plafon.

Variabilitatea cauzelor care produc excesul de apă, complexitatea condițiilor naturale în care se produce și multitudinea formelor de manifestare a necesitat organizarea unor activități de studii și cercetări de inginerie tehnologică.

Sursele apei subterane

Există mai multe surse de apă subterane care se poate infiltra sub terenul de fundare al unei construcții:

-apa provenită din precipitații care se infiltrează în sol;

-apa infiltrată din sistemele de alimentare cu apă necorespunzător izolate;

-apa capilară care se ridică din apa subterană de bază;

-nivelul ridicat al apei freatice;

-canale de irigații necorespunzător izolate;

-infiltrații din canalele de irigații și lacuri cu cotă mai înaltă;

-canale înfundate;

-apa infiltrată prin malurile râurilor.

Fig. 1. Circuitul apei subterane

Necesitatea de a controla apa subterană

Drenajul este necesar pentru rezolvarea următoarelor categorii de probleme: menținerea unui anumit nivel al apei subterane; eliminarea umidității în exces acolo unde acesta împiedică desfășurarea normală a activităților social-economice; îmbunătățirea condițiilor de stabilitate a construcțiilor hidrotehnice prin reducerea presiunii curenților de infiltrație asupra stratelor sau a corpului construcțiilor.

Execuția unor lucrări, fără măsuri corespunzătoare de drenaj sunt însoțite de o ridicare importantă a nivelului apei subterane cu implicații negative asupra obiectivelor social-economice sau a mediului înconjurător, iar rolul drenajului în menținerea condițiilor naturale ale mediului înconjurător trebuie considerat prioritar.

Interceptarea și îndepărtarea apei subterane din mediul urban este necesar pentru a menține fundațiile construcțiilor în uscat. Interceptarea se face prin drenuri iar îndepărtarea se face prin pomparea acesteia din puțul de colectare sau dren. Acest tip de control trebuie să conțină și filtre, pentru prevenirea afuierii particulelor fine și posibila dezvoltare a golurilor în terenul ce trebuie drenat.

Eliminarea permanentă a apei subterane

Eliminarea apei subterane din terenul de fundare al construcțiilor deja existente este importantă, deoarece, în timp mișcarea apei poate produce goluri și astfel se poate pierde stabilitatea terenului de fundare și deci avarierea construcției.

Sistemele permanente de drenaj trebuie să includă măsuri de inspecție, întreținere și monitorizare a comportării sistemului mult mai detaliate decât cele necesare sistemelor temporare. Sistemele permanente trebuie de asemenea să fie proiectate pentru a face față unei creșteri a nivelului apei subterane datorat închiderii unor puțuri de alimentare, scăderii eficienței sistemului de drenaj sau dezvoltarea de microorganisme în sistemul filtrant.

Deoarece aceste sisteme permanente de control trebuie să funcționeze continuu, fără întreruperi, trebuie proiectate eficient și simplu din punct de vedere mecanic, pentru a evita nevoia de echipament complex de control care se poate defecta și care are nevoie de personal calificat pentru operare.

Fig. 2. Adâncimea apei subterane

CAPITOLUL 2: CARACTERISTICILE MEDIILOR SUBTERANE

Mediile subterane (pământurile) sunt un amestec de compuși minerali și organici aflați pe o anumită adâncime de la suprafața globului terestru redusă ca dimensiune comparativ cu geosfera. Sunt caracterizate de:

2.1 Granulozitatea

Granulozitatea reprezintă distribuția particulelor solide în funcție de diametru.

Fracțiunea granulară reprezintă ansamblul particulelor solide care au dimensiunea cuprinsă între un anumit interval dat.

Moduri de analiză granulometrică:

metoda directă (măsurare) se aplică la particule cu d > 125 mm;

metoda cernerii se aplică la particule cu d > 0.063 mm; constă în utilizarea unui set de site și ciururi puse în ordine descrescătoare, cantitatea de pământ rămasă pe fiecare sită se cântărește iar rezultatul se exprimă procentual;

metoda sedimentării se aplică la particule cu d < 0.063 mm;

metoda mixtă pentru pământuri ce conțin particule mai mari de 125 mm și mai mici de 0,063 mm.

Moduri de reprezentare a granulozității:

curba granulometrică – este o curbă cumulativă și crescătoare;

histogramă – reprezintă fracțiunea dominantă;

diagrama ternară – pentru pământuri exclusiv formate din nisip, argilă și praf.

Fig. 3. Curba granulometrică

2.2 Coeficientul de uniformitate al pământului

Coeficientul de uniformitate al pământului reprezintă raportul între diametrul corespunzător la 60% din particulele solide și diametrul corespunzător la 10% din particulele solide.

În funcție de putem clasifica pământurile astfel:

<5 -pământ foarte uniform

=5÷15 -pământ uniform

> 15 -pământ neuniform

2.3 Coeficientul de permeabilitate (permeabilitatea intrinsecă)

Coeficientul de permeabilitate reprezintă capacitatea pământurilor de a permite curgerea apei și depinde de: granulozitate-prin dimensiunea particulelor, de natura lichidului-prin vâscozitate, de porozitatea totală și de direcția de curgere în raport cu stratificația pământului.

Permeabilitatea intrinsecă reprezintă rezistența pe care o opune pământul curgerii, consecință a texturii și structurii pământul. Textural distribuția granulometrică determină mărimea suprafeței specifice și intensitatea forțelor de adsorbție iar structural modul de dispunere al granulelor determină direcția de curgere.

Tabel 1. Coeficient de permeabilitate aproximativ pentru diverse nisipuri

Formule empirice

TERZAGHI

K – coeficientul de permeabilitate

d102 –diametrul corespunzător la 10% din particule

c – constantă cuprinsă între 45 (nisip argilos) și 150 (nisip curat)

ALLEN-HAZEN

K – coeficientul de permeabilitate

d102 –diametrul corespunzător la 10% din particule

c – constantă cuprinsă între 45 (nisip argilos) și 150 (nisip curat)

2.4 Porozitatea

Porozitatea reprezintă volumul relativ al porilor raportat la volumul total aparent al unei probe de pământ.

(%)

2.5 Indicele porilor

Indicele porilor reprezintă volumul relativ al porilor raportat la volumul fazei solide al unei probe de pământ.

(%)

2.6 Gradul de îndesare

Pământurile necoezive se caracterizează prin așezarea mai afânată sau mai îndesată a fazei solide. Gradul de îndesare sau de compactare a unui pământ se definește prin raportul:

e – indicele porilor în stare naturală

emax – indicele porilor pentru același pământ adus în starea cea mai afânată

emin – indicele porilor pentru același pământ adus în starea cea mai îndesată

CAPITOLUL 3: CARACTERISTICILE APEI SUBTERANE

Anumite proprietăți ale apei subterane au o mare influență asupra modului de curgere prin mediile subterane și deci asupra eficienței instalației de drenaj.

3.1 Compresibilitatea

Compresibilitatea este proprietatea fluidelor de a-și modifica volumul sub acțiunea unei variații de temperatură sau a unei variații de presiune.

Pentru o variație de temperatură (dT) compresibilitatea se definește: unde: α – coeficientul de dilatare termică volumică; W – volumul.

Pentru o variație de presiune(dP) compersibilitatea se definește: unde: β – coeficientul de compresibilitate; W – volumul.

3.2 Vâscozitatea

Vâscozitatea este proprietatea fluidelor de a opune rezistență la deplasare, deformare, curgere. Acest fenomen este însoțit de mișcarea particulelor de fluid și se datorează forțelor de legătură dintre molecule și mișcării moleculare.

3.3 Conductivitatea hidraulică

Conductivitatea hidraulică este-volumul de apă care traversează o secțiune unitară din terlometrică – este o curbă cumulativă și crescătoare;

histogramă – reprezintă fracțiunea dominantă;

diagrama ternară – pentru pământuri exclusiv formate din nisip, argilă și praf.

Fig. 3. Curba granulometrică

2.2 Coeficientul de uniformitate al pământului

Coeficientul de uniformitate al pământului reprezintă raportul între diametrul corespunzător la 60% din particulele solide și diametrul corespunzător la 10% din particulele solide.

În funcție de putem clasifica pământurile astfel:

<5 -pământ foarte uniform

=5÷15 -pământ uniform

> 15 -pământ neuniform

2.3 Coeficientul de permeabilitate (permeabilitatea intrinsecă)

Coeficientul de permeabilitate reprezintă capacitatea pământurilor de a permite curgerea apei și depinde de: granulozitate-prin dimensiunea particulelor, de natura lichidului-prin vâscozitate, de porozitatea totală și de direcția de curgere în raport cu stratificația pământului.

Permeabilitatea intrinsecă reprezintă rezistența pe care o opune pământul curgerii, consecință a texturii și structurii pământul. Textural distribuția granulometrică determină mărimea suprafeței specifice și intensitatea forțelor de adsorbție iar structural modul de dispunere al granulelor determină direcția de curgere.

Tabel 1. Coeficient de permeabilitate aproximativ pentru diverse nisipuri

Formule empirice

TERZAGHI

K – coeficientul de permeabilitate

d102 –diametrul corespunzător la 10% din particule

c – constantă cuprinsă între 45 (nisip argilos) și 150 (nisip curat)

ALLEN-HAZEN

K – coeficientul de permeabilitate

d102 –diametrul corespunzător la 10% din particule

c – constantă cuprinsă între 45 (nisip argilos) și 150 (nisip curat)

2.4 Porozitatea

Porozitatea reprezintă volumul relativ al porilor raportat la volumul total aparent al unei probe de pământ.

(%)

2.5 Indicele porilor

Indicele porilor reprezintă volumul relativ al porilor raportat la volumul fazei solide al unei probe de pământ.

(%)

2.6 Gradul de îndesare

Pământurile necoezive se caracterizează prin așezarea mai afânată sau mai îndesată a fazei solide. Gradul de îndesare sau de compactare a unui pământ se definește prin raportul:

e – indicele porilor în stare naturală

emax – indicele porilor pentru același pământ adus în starea cea mai afânată

emin – indicele porilor pentru același pământ adus în starea cea mai îndesată

CAPITOLUL 3: CARACTERISTICILE APEI SUBTERANE

Anumite proprietăți ale apei subterane au o mare influență asupra modului de curgere prin mediile subterane și deci asupra eficienței instalației de drenaj.

3.1 Compresibilitatea

Compresibilitatea este proprietatea fluidelor de a-și modifica volumul sub acțiunea unei variații de temperatură sau a unei variații de presiune.

Pentru o variație de temperatură (dT) compresibilitatea se definește: unde: α – coeficientul de dilatare termică volumică; W – volumul.

Pentru o variație de presiune(dP) compersibilitatea se definește: unde: β – coeficientul de compresibilitate; W – volumul.

3.2 Vâscozitatea

Vâscozitatea este proprietatea fluidelor de a opune rezistență la deplasare, deformare, curgere. Acest fenomen este însoțit de mișcarea particulelor de fluid și se datorează forțelor de legătură dintre molecule și mișcării moleculare.

3.3 Conductivitatea hidraulică

Conductivitatea hidraulică este-volumul de apă care traversează o secțiune unitară din teren, în unitatea de timp, în prezența unui gradient hidraulic unitar. Este direct proporțională cu permeabilitatea terenului și cu densitatea fluidului și invers proporțională cu vâscozitatea fluidului. Se măsoară în m/s.

Unde: K-conductivitate hidraulică

k-permeabilitatea intrinsecă

ρw-masa volumetrică a apei

μw-coeficient de vâscozitate dinamică a apei

3.4 Transmisivitatea

Transmisivitetea este volumul de apă care poate curge printr-o secțiune a unui acvifer cu lățimea unitară și înălțimea egală cu grosimea acviferului, în unitatea de timp, în prezența unui gradient hidraulic unitar.

Unde: d- grosimea stratului acvifer

K- conductivitatea hidraulică

3.5 Energia apei

Potențialul apei într-un anumit punct este raportul dintre energia mecanică (lucrul mecanic) și unitatea de masă.

Unde: L1 – lucrul mecanic necesar ridicării masei de apă de la cota 0 la cota z;

L2 – lucrul mecanic necesar accelerării masei de apă de la viteza 0 la viteza v;

L3 – lucrul mecanic efectuat asupra masei de apă pentru a-i modifica presiunea

de la p0 la p.

3.6 Compoziția chimică a apei subterane

Compoziția chimică a apei subterane este importantă din punct de vedere al conținutului de săruri dizolvate, oxigen dizolvat, compuși chimici agresivi (hidrogen sulfurat), metale dizolvate și al pH-ului, care pot avea un efect coroziv asupra conductelor, elementelor metalice și pompelor instalației de drenaj, sau din punct de vedere al carbonaților și bicarbonaților care pot forma cruste în interiorul filtrelor și conductelor conducând la reducerea capacității de drenaj a instalației.

CAPITOLUL 4: LUCRĂRI DE DRENAJ

4.1 Generalități

Pentru combaterea efectelor negative ale nivelului ridicat al apelor freatice, se pot executa o gamă diversă de lucrări de drenaj atât pentru protecția construcțiilor subterane (fundații, tunele, galerii), cât și a celor de suprafață (drumuri, căi ferate, ziduri de sprijin).

Drenul este un element constructiv permeabil, orizontal, nevizitabil (dren propriu-zis) sau vizitabil (galerie), care așezat în calea curentului subteran de apă, pe care îl captează și conduce apa captată spre unul din capete, la un puț colector. Prin urmare rolul dublu pe care îl are drenul este de: captarea apei din strat; transportul acesteia la puțul colector.

Topografia, geologia, condițiile amplasamentului (straturi de pământ cu permeabilitate scăzută care restricționează curgerea gravitațională a apei cantonată în depresiuni), bariere construite (drumuri, baraje, stavile, poduri ) pot bloca parțial sau total curgerea apei ducând la producerea de drenaje de slabă calitate.

Lucrările de drenaj au diverse aplicații, cum ar fi: eliminarea excedentului de apă din jurul locuințelor, terenurilor de sport, parcărilor, autostrăzilor, pistelor de aterizare ale aeroporturilor, pentru eliminarea apei de ploaie, pentru asigurarea fundării în uscat a unor clădiri și structuri, pentru asigurarea stabilității versanților sau a pereților unor excavații.

Fig. 4. Drenuri subterane instalate în jurul unei locuințe

4.2 Determinarea elementelor stratului acvifer

Pentru dimensionarea corectă a captărilor de apă subterană, este necesar să fie cunoscute cât mai bine elementele hidrogeologice ale stratului. Pentru o cât mai bună cunoaștere, ținând seama de faptul că stratele subterane diferă în fiecare amplasament, se procedează de obicei la determinarea acestora prin măsurători și încercări pe teren.

Determinarea prealabilă a zonei în care se află straturi de apă subterană se face după una din metodele următoare:

-se consultă o hartă hidrogeologică (realizată și existentă pentru toate zonele țării);

-se caută informații la institutele care au făcut studii legate de apa subterană;

-se verifică pe teren dacă au mai fost făcute lucrări în zona respectivă, cine le-a făcut și care sunt rezultatele.

Elementele hidrologice ale unui strat acvifer sunt:

-natura stratului – cu nivel liber sau sub presiune, din material granular sau rocă fisurată;

-grosimea stratului de apă și cota nivelului liber al apei în stratul netulburat;

-mărimea pantei hidraulice și direcția de curgere a curentului subteran;

-porozitatea stratului purtător de apă;

-granulozitatea stratului purtător de apă;

-debitul maxim (capabil) al stratului;

-transmisivitatea.

Pentru determinarea pe teren a acestor elemente se recurge la executarea de foraje de studiu. Forajul este o gaură verticală, de dimensiuni transversale relativ reduse și care se execută (cu utilaje mecanice sau manuale) în scopul străpungerii stratelor succesive din subsolul terenului, pentru a determina caracteristicile acestora, pentru a extrage eșantioane de rocă sau pentru a extrage materiale utile.

4.3 Tipuri de drenaje

În funcție de destinația lucrării de drenaj, acestea se împart în:

a. Drenaje de suprafață

Presupun eliminarea excesului de apă de suprafață prin realizarea unor pante continue ce ghidează apa către puțuri colectoare. Drenajele de suprafață pot fi realizate prin canale deschise, lucrări de nivelare a terenului, orificii de evacuare subterane sau prin oricare combinație a acestor metode pentru ghidarea apei spre gura de evacuare.

Acest tip de drenaj se aplica în cazul solurilor cu permeabilitate redusă, sau pentru straturi de sol permeabil de 20 cm-50 cm deasupra unui strat impermeabil, sau în zonele unde topografia terenului se compune din denivelări ce împiedică curgerea naturală a apei de suprafață.

b. Drenaje subterane

Presupun eliminarea apei cantonate în interiorul stratului de pământ și facilitarea solubilizării sărurilor din sol și menținerea unui echilibru de salinitate.

Drenajele subterane se folosesc pentru soluri ude, cu conductivitate hidraulică suficientă astfel încât apa drenată să fie condusă, gravitațional sau prin pompare, către un dispozitiv de evacuare corespunzător.

În funcție de poziția conductei de dren în raport cu stratele solului se pot împărți în: dren perfect – atunci când conducta se așează pe stratul impermeabil; dren imperfect – atunci când conducta de dren se așează pe un strat permeabil.

Un dren amplasat la baza unui strat acvifer a cărei pantă piezometrică în regim natural este mai mare de 0,01, drenul se numește dren de coastă și se consideră că primește apă dintr-o singură parte, iar dacă drenul este amplasat în strat acvifer cu panta piezometrică mai mică de 0,01 drenul se numește dren în bazin și se consideră că primește apă din ambele părți.

c. Drenaje de intercepție

Sistemele de drenaj de intercepție elimină apa în exces provenită de la infiltrarea apei de ploaie sau pierderile din sistemele de irigație sau din canalele de curent vechi. Drenurile de intercepție sunt canale deschise sau conducte îngropate așezate perpendicular pe direcția de curgere a curentului de apă. Sunt instalate în special pentru intercepția curgerii descendentă a apei subterane.Cu toate că această metodă de drenaj poate intercepta și devia ambele curente de suprafață și subteran, se adresează în general eliminării apei subterane.

Fig. 5. Schemă generală a unui dren

d. Drenaj prin pompare

Pompele sau sistemele de pompare au multe aplicații în sistemele de drenaj. Pompele pot fi folosite pentru drenajele de suprafață și subterane în cazul în care evacuarea gravitațională nu este posibilă sau în cazul în care adâncimea canalului de evacuare nu satisface cerințele minime de adâncime.

.

Fig. 6. Rezistența la curgere a apei către dren

4.4 Lucrări de investigații și planificări

Obiectivul acestor studii este de a obține anumite cote, topografia și caracteristicile terenului, pentru a putea proiecta sistemul și a alcătui planurile, pentru anumite specificații, estimări și devize.

Dimensiunile, obiectivul lucrării, complexitatea zonei, a apei subterane, caracteristicile amplasamentului, caracteristicile materialelor și tehnologiilor de execuție a lucrărilor determină tipul și numărul de investigații ce trebuie efectuate.

Prin aceste investigații se determină fezabilitatea proiectului considerat, se asigură o înțelegere corectă și completă a problemei și se determină un cost estimativ al lucrării.

Studiile și investigațiile lucrărilor de drenaj se efectuează pentru diferite scopuri și la diferite scări.

Următoarele tipuri de studii sunt necesar a fi efectuate:

studii topografice;

studii hidrologice;

studii geologice, geotehnice și hidrogeologice;

studii în vederea stabilirii măsurilor de protecție a mediului înconjurător.

4.4.1 Studii topografice

Sunt necesare planuri de situație la scara 1:500, 1:200 și 1:1000 care să reflecte cât mai fidel orografia terenului, cât și profile longitudinale și transversale prin lucrare la scări, care să pună în evidență particularitățile amplasamentului și ale soluției adoptate.

Informațiile obținute din studiul topografic sunt folosite în zonele plane pentru a localiza rigole, derenuri deja existente, șosele, drumuri și alte instalații. Tipul de studiu depinde de tipul problemei de drenaj și poate varia de la un caroiaj sau un contur detailat al zonei până la cote disparate și intersecție de cote joase.

4.4.2. Studii hidrologice

La lucrările de drenaj realizate în vecinătatea cursurilor de apă, principalele probleme sunt cele legate de stabilitatea lucrării în condițiile existenței apelor mari și mici pe râu. Studiile hidrologice vor stabili debitele și nivelele minime și maxime ale râului la diferite grade de asigurare, care vor folosi la stabilirea măsurilor antipoluante și de apărare împotriva apelor mari. În cadrul sistemului hidrologic este necesar a fi precizate și următoarele elemente:

Regimul hidrologic;

Morfologia zonei;

Regimul viiturilor;

Regimul debitelor și nivelelor;

Existența unor lacuri de acumulare în zonă;

Chimismul apelor;

Existența surselor de poluare și a folosințelor actuale și de perspectivă a apelor din bazinul hidrografic.

4.4.3. Studii geologice, geotehnice și hidrogeologice

La fazele preliminare, aceste studii au rolul de a stabili condițiile de amplasare pentru lucrarea de drenaj, natura terenului de fundare, litologia, straturile acvifere. Pentru aceste faze, studiile se stabilesc pe bază de cartări geologice și un minim de prospectări geologice.

Pentru fazele următoare, studiile au rolul de a indica, pentru amplasamentul ales, caracteristicile de detaliu ale terenului de fundare al lucrării de drenaj.

Pentru precizarea acestor elemente se vor preleva probe suficiente pe baza cărora se vor stabili în laborator caracteristicile geologice definitive.

Aceste studii vor cuprinde:

– Studiul hidrogeologic asupra zonei de amplasare se va referi la calcule de prognoză a nivelului și calității pânzei de apă subterană (nivele, debite, caracteristici de calitate, direcție de curgere).

Principalii parametrii hidrogeologici care trebuie determinați sunt:

Porozitatea (n);

Conductivitatea hidraulică (k);

Transmisivitatea (T);

Coeficientul de înmagazinare (S) – indică volumul de apă înmagazinată sau eliberată pe unitatea de suprafață de acvifere, atunci când este supus unei variații unitare a sarcinii piezometrice

Tabel 2. Investigații in situ și determinări în laborator

– Studiul geotehnic regional al amplasamentului drenajului cu detalierea zonelor de prăbușire, zone erodabile sau instabile, modificarea structurii geologice a unei zone sau regiuni apropiate; se va preciza de asemenea seismicitatea amplasamentului.

– Studiul materialelor de construcții din amplasament (argila și materialul granular) care ar putea fi folosite ca strat primar de etanșare al bazei, respectiv ca filtru mineral. Pentru aceasta vor trebui să fie precizate următoarele:

• Rezerva de materiale, structura, grosimea stratului exploatabil, variația nivelului apei

freatice în zona de exploatare;

• Coeficientul de permeabilitate în stare compactată, atât perpendicular pe straturi (Kv), cât și paralel (Kh).

4.4.4 Studii în vederea stabilirii măsurilor de protecție a mediului înconjurător

Lucrările de drenaj influențează anumiți factorii de mediu:ape subterane; vegetația; solul; aspectul general al zonei – peisajul.

Unele efecte negative ale lucrărilor de drenaj asupra mediului sunt: modificarea morfologiei zonei prin eroziunea solului în imediata apropriere a drenului, scăderea conținutului de materie organică, afectarea vegetației din zona prin scăderea nivelului apei subterane sub nivelul normei de drenaj (condițiile minime de apă cerute de plante).

Este absolut necesar ca pe parcursul exploatării, principalii factori de mediu ce ar putea fi afectați de o activitate necorespunzătoare, să fie monitorizați.

CAPITOLUL 5: DIMENSIONAREA DRENURILOR

Drenurile au ca scop evacuarea apei în exces din sau de pe sol sau colectarea apei în vederea folosirii ei în scopuri industriale sau pentru băut. Pentru combaterea efectelor negative ale nivelului ridicat al apelor freatice, se pot executa o gamă diversă de lucrări de drenaj atât pentru protecția construcțiilor subterane (fundații, tunele, galerii), cât și a celor de suprafață (drumuri, căi ferate, ziduri de sprijin) sau pentru redarea în circuitul agricol a terenurilor.

Un sistem de drenaj orizontal este alcătuit din: drenuri absorbante captează apa subterană în exces și o evacuează în drenurile colectoare. Ele sunt alcătuite din tuburi drenate și material filtrant. Tubul drenat este prevăzut cu orificii pentru accesul apei. Drenuri colectoare primesc apa captată de drenurile absorbante și o transportă la canalele de evacuare. Canale de evacure colectează apa de la drenurile colectoare în rețeaua hidrografică.

5.1 Calculul distanței între drenuri. Calculul drenajelor în regim permanent

Pentru reglarea nivelului apelor freatice și menținerea la o adâncime constantă se utilizează o rețea de drenuri orizontale, așezate la distanțe, de regulă, între 20 și 60 m. Aceste drenuri adsorbante se varsă în drenuri colectoare cu scopul evacuării într-un emisar.

Pentru alegerea distanței între aceste drenuri adsorbante se cunosc mai multe metode:

5.1.1 Soluri cu profil omogen

Fig. 7. Elementele de calcul ale drenajului în profil omogen

Cu notațiile din figura 7. putem să scriem debitul drenat în secțiunea x:

Separând variabilile și integrând între limitele D+h și D avem:

și rezultă distanța între drenuri:

5.1.2 Soluri cu profil stratificat

Metoda lui Hooghoudt

Cu notațiile din figura 8. se stabilește grosimea stratului echivalent d în care se asigură mișcarea apei spre dren în stratul inferior cu coeficientul de filtrație K2.

unde rezistența orizontală este:

iar rezistența radială este:

Fig. 8. Elemente de calcul al drenajului în profil stratificat

Expresia debitului ce se drenează în secțiunea x este:

Integrând avem:

și rezultă expresia distanței între drenuri:

Fig. 9. Nomograma de calcul al distanței între drenuri după Hooghoudt

Metoda lui Ernst

Pentru demonstrarea relației de calcul vom considera un profil omogen (fig. 10) cu un canal deschis care drenează.

Pierderea de sarcina h este necesară pentru realizarea drenării se va compune dintr-o pierdere de sarcină în mișcarea apei drenate; pe verticală, pe orizontală, radială și la intrarea prin filtru și dren:

Fig. 10. Elemente de calcul al distanței între drenuri, profil omogen

Debitul q, trecând printr-o secțiune unitară, avem pierderea:

– din curent vertical

Unde: K-este permeabilitatea;

hv-pierderea de sarcină verticală;

Dv- este lungimea liniilor de curent veticale.

Rezultă că

– din curentul orizontal

Integrând între 0 și h0 pe lungimea L/2 avem:

Rezulta că

din curentul radial

Se consideră că admisia apei în dren se face pe jumătate de perimetru al canalului , unde r ar fi raza drenului cu filtru.

Funcția liniilor echipotențiale este:

Unde:

Familia curbelor φ se obține într-un curent subteran din :

Unde pierderea de sarcină radială

Obținem :

Deoarece calculăm pierderea de sarcină hr în mișcarea radială de la o rază exterioară la raza interioară r, obținem:

Și obținem:

Unde: K- este permeabilitatea

Dv- lungimea liniilor de curent verticale;

L- lungimea între două drenuri;

U- perimetrul udat al drenului;

Do-diametrul exterior al tubului de drenului.

Cazuri particulare întâlnite în practică

Profil omogen și

În acest caz se poate neglija pierderea de sarcină verticală și formula devine:

Unde .

Profil cu două strate de sol, planul de separație intersectând drenul sau canalul.

Conform figurii 11. avem 3 cazuri:

Fig. 11. Elemente de calcul al distanței între drenuri, într-un profil de sol stratificat, limita de separație intersectând drenul.

K1<>K2, se poate neglija pierderea de sarcină verticală

Fig. 12. Nomograma de calcul al distanței între drenuri după Ernst

Profil cu două straturi de sol, planul de separație fiind sub dren sau canal

Fig. 13. Elemente de calcul al distanței între drenuri, într-un profil de sol stratificat, limita de separație fiind sub dren

Având în vedere că drenul este situat în stratul K1, rezistența radială va fi influențată de stratul K2 și în consecință trebuie făcută corecția rezistenței radiale cu coeficientul a.

Unde și se determină din nomograma lui Ernst și nomograma pentru determinarea coeficientului de corecție “a” la solul stratificat (fig. 14).

Profil omogen și

În situația în care stratul impermeabil este la mare adâncime și , se pot neglija rezistențele verticale și orizontale și expresia de calcul rămâne:

-rezistența la intrarea în dren

Pierderea de sarcină hi la intrarea apei în dren are o însemnătate deosebită și depinde în primul rând de condițiile de execuție. Pentru a ne da seama de tipurile de drenuri utilizate cu filtre inverse se prezintă în tabelul 3. de mai jos, o clasificare.

În relația pierderii de sarcină totale , se notează ultimii doi termeni cu în care hR se numește rezistența hidraulică a drenului, care se poate scrie sub forma:

Coeficienții pierderilor de sarcină radiale și cel de la intrare sunt dați în tabelul 3.

Fig. 14. Nomogramă pentru determinarea coeficientului „a” la solul stratificat

Tabelul arată importanța rezistențelor hidraulice la intrarea în tub. Această concluzie este întărită și de situația când ea poate fi agravată de blocarea perforațiilor cu particule de sol. Datele din tabel sunt valabile când drenul captează prin întreaga secțiune.

Cum însă, de regulă, drenurile funcționează cu o secțiune redusă, înseamnă că rezistența este mai mare. În particular, dacă un dren captează pe jumătate de secțiune vom avea:

Tabel 3.Tuburi de drenaj și filtre

În realitate, situația este mai bună deoarece drenul este înconjurat de un material filtrant, care ușurează intrarea apei spre dren și are ca efect reducerea coeficientului de rezistență hidraulică . Prin măsuri practice se poate ajunge ca să fie redus la valoarea sa ideală , prin folosirea unor materiale filtrante și metode de execuție corespunzătoare.

Tabel 4.Valori ale coeficienților pierderilor de sarcină la drenuri

Drenurile executate pe timp uscat au rezistența hidraulică redusă, pe când cele executate în perioade de ploaie au rezistențe hidraulice mult mai mari, ceea ce explică prin colmatarea orificiilor cu particule fine, antrenate de apele de ploaie.

Deci, în condiții de execuție pe timp uscat se poate admite iar în condiții de execuție nefavorabile (precipitații și sol nestabil) valoarea , unde β este un coeficient în funcție de condițiile de lucru.

Tabel 5.Coeficientul calității execuției drenajului

Problema trebuie rezolvată prin încercări, impunând un L pentru a calcula și apoi conducem complet calculul pentru a determina valoarea lui L cu relația:

Unde: α – coeficient de corecție a mișcării radiale;

a – coeficient de influiență a stratului K2 asupra drenajului;

U – perimetrul udat al drenului;

Do – diametrul exterior al tubului de dren;

– coeficientul de pierdere de sarcină la intrarea apei în dren.;

Dv – lungimea liniilor de curent verticale;

L – lungimea între două drenuri.

5.2 Calculul diametrului și lungimii tubului de drenaj

Mișcarea apei în drenurile orizontale se produce datorită gradientului hidraulic ce se realizează pe seama diferenței de nivel între secțiunea amonte și secțiunea aval a drenului

Fig. 15. Drenuri orizontale

Problemele ce sunt de rezolvat, după determinarea distanței L între drenuri sunt:

– lungimea drenului, în situația în care sunt date materialul, diametrul și panta drenului;

– diametrul drenului, în cazul în care se impune panta și lungimea drenului.

Numeroși cercetători s-au preocupat de ajustarea relației ce exprimă viteza de curgere a apei în dren în funcție de panta hidraulică cu coeficienți de corecție care să cuantifice caracteristicile materialului tubului de drenaj, geometria și dispunerea orificiilor de acces a apei în dren, condițiile de funcționare a drenului.

Considerând un dren în regim de curgere uniform, pierderea de sarcină z (m), după Darcy-Weisbach este:

unde: L – lungimea tubului de dren;

D – diametrul interior al tubului;

v – viteza apei în dren;

λ – coeficientul Darcy (factorul de rezistență) care depinde de rugozitatea pereților și de regimul hidraulic.

Relația este echivalentă cu relația care exprimă panta hidraulică:

unde:

Relația exprimă faptul, constatat experimental, că între coeficientul Darcy, λ, și expresia care conține numărul Reynolds, Re, există o relație de tip liniar, coeficientul a luând valori în funcție de existența sau inexistența unor orificii cu un grad de finisare foarte diferit:

Tabel 6.Valorile coeficientului a

Dacă numărul Reynolds este calculat cu relația:

unde: υ = 1,31·10−6 (m2/s) este coeficientul de vâscozitate cinematică, atunci rezultă o relație generală de calcul a vitezei de curgere de forma:

unde: a1 și m sunt coeficienți funcție de diametru și rugozitatea tubului.

În ultimii ani, tuburile utilizate pentru drenaj sunt din polietilenă de înaltă densitate (PEID) și aparțin clasei tuburilor “extrem de netede”, caracterizate printr-o rugozitate absolută ε, foarte redusă și care se menține timp îndelungat, ceea ce conduce la o eficiență sporită a drenajului.

Pentru astfel de tuburi cu un diametru D ales, relația capătă expresia:

– pentru tuburi neperforate:

– pentru tuburi perforate

Tabel 7.Valorile coeficienților a1 și m în funcție de diametrul tubului

Cu notațiile din figura 16., scriind ecuația de continuitate în secțiunea de calcul aflată la distanța x de originea axelor, și ținând seama de expresia vitezei din relația de mai sus se obține:

Fig. 16. Elementele unui dren

Dacă se înlocuiește panta hidraulică cu:

Atunci

Integrând între limitele: și rezultă:

Determinarea lungimii drenului LDA se poate face cu relația:

5.3 Debitul evacuat prin sistemul de drenaj

Debitul toatal Q de apă în exces, provenit din stratul freatic al suprafeței drenate, evacuate printr-o rețea de drenuri orizontale se determină cu relația:

În care: q – este debitul modul

s – este supafața drenată.

Debitul modul q în cazul unui strat freatic cu nivel liber se determină cu relația:

În care: A- este umiditatea solului corespunzătoare capacității totale pentru apă;

B – este umiditatea optimă a solului;

H1 și H2 sunt nivelurile apei freatice la adâncimea de drenaj proiectată, respectiv în situația terenului nedrenat;

tp – este durata durata intervalului de timp ploios în care apa freatică se ridică de la nivelul H1 la nivelul H2 (de obicei tp= 1…4 zile);

e- evapotranspirația în intervalul tp;

ho- este cantitatea de apă infiltrată în sol în intervalul de timp tp

În cazul unui strat freatic sub presiune, debitul modul q, se determină cu relația:

În care: k- este permeabilitatea terenului;

hd – este adâncimea de pozare a drenului;

z – norma de drenaj;

L – este distanța dintre drenuri;

d – este diametrul drenului.

PARTEA II –STUDIUL SE CAZ

CAPITOLUL 1: DATE GENERALE ȘI STUDII DE TEREN

Date generale despre amplasament

Amplasamentul analizat se situează în zona nord-estică a municipiului București, fiind localizat geografic în Câmpia Română, interfluviul râul Valea Saulei – râul Colentina. Relieful este în general plan, cu diferențe de nivel reduse față de cota generală a zonei (92,00 – 100,00 m n.M.N.) (planșa 1).

Studii de teren

Forajele executate înainte de realizarea construcției au pus evidență sub solul vegetal a cărui grosime este de 0,40 – 0,60 m, o succesiune litologică compusă din trei niveluri individualizate, atât din punct de vedere litologic cât și geotehic:

Nivelul 1 – coeziv

Constituit din argilă prăfoasă cafeniu gălbuie, macroporică la partea superioară; începând de la 1,30 – 1,60 m adâncime apar concrețiuni calcaroase și intercalații negricioase, culoarea devine roșiatică iar procentul de calcar crește semnificativ;

Starea de consistență variază de la tare la partea superioară la plastic consisentă la bază;

Forajele adânci au deschis acest nivel pe grosimi de 8,00 m, respectiv 10,20 m.

Nivel 2a – slab coeziv

Argilă nisipoasă, nisip argilos, cu lentile de argilă cafeniu – gălbuie, cu concrețiuni calcaroase și intercalații cenușii negricioase;

Starea consistentă variază de la plastic vârtoasă la plastic consistentă;

Forajele au deschis nivelul pe grosimi de 2,0 m, respectiv 3,50 m.

Nivelul 2b – necoeziv

Argilă și argilă grasă cafeniu – roșcată cu intercalații cenușii și concrețiuni calcaroase;

Consistență tare;

Nivelul a fost deschis pe o grosime de 4,20 m.

Nivelul 3 – necoeziv

Nisip fin mijlociu cu rar pietriș cu intercalații de nisip prăfos, cenușiu gălbui;

Stare de îndesare medie și saturată;

Stare de consitență plastic consistentă;

Nivelul a fost deschis pe grosimi cuprinse între 0,10 m și 3,80 m.

Nivelul piezometric a fost interceptat la cote variind între 84,72 m și 85,54 m, respectiv la 7,00 – 9,40 m sub cota terenului natural. Fundația clădirii nou realizate se găsește la adâncimi de aproximativ 5,00 m sub cota terenului.

Ca urmare nu au fost motive să se pună problema inundării prin infiltrațiile apei subterane a construcțiilor subterane realizate. Cu toate acestea după mai puțin de un an de la punerea în exploatare a clădirii în subsolul acesteia au apărut infiltrații semnificative care s-au acumulat sub forma unui strat de apă, scoțând din funcțiunea normală aceste dotări.

Pornind de la aceste constatări s-a impus luarea unor măsuri care să redea acestor construcții funcționalitatea inițială la parametri proiectați. Pentru a putea evalua corect soluțiile de remediere au fost realizate un set de foraje hidrogeologice de explorare.

Scopul principal al acestor investigații de teren a fost de a găsi o explicație a sursei creșterii nivelurilor apei subterane.

Au fost forate un set de 6 foraje grupate după adâncimea la care au fost realizate în trei categorii:

Foraje a căror lungime ajunge până la adâncimea de 18,00 m (F1, F2, F3);

Foraje a căror lungime ajunge până adâncimea de 8,00 m (F1-3);

Foraje a căror lungime ajunge până adâncimea de 7,00 m (F1-2, F2-2).

În tabelul 1 se prezintă sintetic rezultatele investigațiilor geologice:

Tabel 1. Rezultatele investigațiilor geologice

În afară de aceste foraje, au fost executate și 2 sondaje geologice, până la nivelul de apariție al apei subterane executate la adâncimea de 1,30 m (S1, S2).

CAPITOLUL 2: STUDII HIDROGEOLOGICE

În cele 6 foraje executate pentru investigarea situației create s-au realizat pompări de probă, în vederea determinării coeficientului de permeabilitate.

În tabelul 2 se prezintă rezultatele pompărilor de probă efectuate în cele 6 foraje:

Tabel 2 Rezultatele pompărilor de probă

Nivelele hidrostatice ale apei subterane în forajele menționate anterior, au fost determinate în data de 24.04.2006. respectiv 02.06.2006, și se prezintă în tabelul 3:

Tabel 3 Valorile nivelurilor hidrostatice

În planșa 2 anexată, se prezintă distribuția spațială a hidroizohipselor rezultate pe baza măsurătorilor nivelelor apelor subterane în foraje, în datele menționate anterior.

Nivelurile de apă măsurate în cele 2 sondaje de probă au variat între 0,9 – 1,07 m

Principalele date obținute în urma analizei caracteristicilor rezultate din aceste foraje, relevante pentru scopul acestei lucrări sunt următoarele:

Nivelul piezometric al apei subterane este foarte ridicat, în medie la 2,5 – 2,7 m sub cota amenajată a terenului, cu mici variații de la un foraj la altul;

Gradientul hidraulic este nesemnificativ, astfel că apa subterană este foarte apropiată de regim static (local);

Nivelul piezometric este datorat presiunii apei subterane din acviferul de mică adâncime situat la adâncimea de aproximativ 10 m sub cota terenului;

Coeficient de permeabilitate k = 0.157 m/zi. Acest coeficient a fost obținut pe baza măsurării denivelării nivelului apei într-un interval de timp de 2,5 ore, în forajul F1-2;

Este greu de găsit o explicație pentru această creștere semnificativă a nivelului pizometric; cu toate acestea este posibil ca această creștere să se datoreze încărcării acviferului în afara zonei analizate;

Rezultă astfel că aria afectată de această creștere este semnificativă și în consecință se impune găsirea unei soluții locale de menținere în limite controlate a nivelurilor piezometrice;

CAPITOLUL 3: MODELUL MATEMATIC

Prezentarea programului Groundwater Modeling System (GMS 4.0)

Programul Groundwater Modeling System (GMS 4.0) este un program grafic, multilateral, ce permite utilizatorului să execute: modelări ale suprafeței terenului, modelări ale subsolului utilizând informații din foraje, simulări ale mișcării apei subterane, simulări ale mișcării poluanților.

Întregul sistem GMS este compus dintr-o interfață grafică (programul GMS) și un număr de coduri de analiză (MODFLOW, MT3DMS, RT3D, SEAM3D, MODPATH, SEEP2D, FEMWATER, NUFT, UTCHEM).

Programul suportă diferite tipuri de modeluri, iar facilitățile sunt prevăzute să distribuie informații între diferitele tipuri de modeluri.

Instrumentele sunt prevăzute pentru caracterizarea amplasamentului, conceptualizarea modelului, generarea rețelei și post-procesare.

Rezolvarea studiului de caz cu ajutorul programului GMS

Modelarea suprafeței amplasamentului

Realizarea modelului s-a început cu modelarea suprafeței terenului amplasamentului, utilizând modulul Triangulated Irregular Network (TIN).

O rețea de TIN-uri este construită prin triangularea unui set de vertexuri (set de puncte de coordonate x,y,z) prin segmente pentru a forma o rețea de triunghiuri.

Algoritmul triangulării presupune că fiecare vertex triangulat este unic în planul x,y (două puncte nu pot avea aceleași coordonate x,y).

Triangularea rezultată satisface criteriul Delauney. Criteriul Delauney asigură că nici un vertex nu se găsește în interiorul cercurilor circumscrise triunghiurilor rețelei.

Dacă este satisfăcut criteriul Delauney pentru toată rețeaua de TIN-uri, unghiul interior al tuturor triunghiurilor este maximizat.

Suprafața se consideră a varia liniar peste fiecare triunghi.

TIN-urile sunt folosite pentru reprezentarea suprafeței elementelor geologice sau pentru reprezentarea unei suprafețe definite printr-o funcție matematică.

Suprafața modelată pentru acest studiu este de dimensiuni de 400 x 400 m, iar domeniul de interes este de dimensiuni de 175 x 100 m, centrat domeniului mare. S-a ales un domeniu cu dimensiuni mai mari pentru a se observa influență straturilor de pământ asupra curgerii prin domeniu.

Fig. 1. Reprezentarea suprafeței amplasamentului

Modelarea forajelor executate pe amplasament

Modelarea forajelor executate pe amplasamentului s-a făcut pe baza informațiilor din fișele de foraj anexate (anexele 1-7).

Această modelare s-a făcut cu ajutorul modulului Borehole, al programului GMS.

Utilizând informațiile despre stratigrafia solului sunt furnizate de fișele forajelor anexate, s-au modelat diferitele straturi de pământ întâlnite pe lungimea forajelor.

Straturile de pământ sunt reprezentate prin segmente și contacte. Un segment reprezintă grosimea unui anumit strat de pământ, iar un contact reprezintă interfața între segmente.

Fig.2. Așezarea forajelor pe amplasament

Modelarea subsolului

Modelarea subsolului se bazează pe datele din modelarea forajelor și se realizează prin orizonturi. Termenul de orizont se referă la partea superioară a fiecărei unități stratigrafice care va fi reprezentat în solid.

Orizonturile sunt numerotate consecutiv în ordinea în care straturile s-ar fi depozitat în mod natural (de la bază spre suprafață). Orizonturile sunt definesc la contactele din foraje, interfața dintre diferitele tipuri de materiale întâlnite pe lungimea unui foraj. Fiecare contact pe care utilizatorul dorește să îl includă în construirea solidului trebuie să aibe un id. Dacă utilizatorul dorește să ignore un contact, acest lucru se poate face setând id-ul orizontului ca fiind zero.

Orizonturile fiind stabilite, utilizatorul selectează comand Horizons->Solids din modulul Borehole. Această comandă convertește orizonturile specificate într-un set de puncte dispersate, unic pentru fiecare orizont.

Acest set de date este apoi folosit pentru interpolarea suprafeței fiecărui orizont. Începând de la orizontul cel mai de jos, suprafața este generată și solidul este creat din suprafață în suprafață.

Modulul Solid al programului GMS este utilizat pentru constructia unui model tri-dimensional al stratigrafiei. Solidurile sunt folosite pentru caracterizarea amplasamentului și vizualizare, model putând fi ulterior „tăiat” în diferite secțiuni, pentru a genera imagini realistice.

Fig. 3. Reprezentarea solidului

Fig. 4. Reprezentarea stratigrafiei amplasamentului

3.2.4 Definirea modelului cu ajutorul programului GMS

Modflow este un model tri-dimensional, centrat în celulă, pentru medii poroase, izotrope sau anizotrope, saturate sau nesaturate, bazat pe diferențe finite.

Modflow poate efectua analize și în regim constant și în regim tranzitoriu, și are a varietate largă de condiții de margine și valori de intrare.

Un model Modflow poate fi creat în GMS folosind două metode: asignarea și editarea valorilor direct celulelor rețelei de calcul (metoda grid), sau prin construirea unui model cu o precizie mai mare folosind meniul Feature objects din modulul Map care permite GMS-ului să asigneze automat valorile celulelor din rețeaua de calcul (metoda modelului conceptual). Modelul conceptual este în general cel mai eficient.

Avantajele modelului conceptual sunt numeroase, în primul rând modelul poate fi definit independent de rezoluția rețelei de calcul.

Utilizatorului nu trebuie să piardă timp calculând conductanța adecvată pentru a o asigna unei celule-râu, calculată pe baza lungimii râului care ajunge în celula respectivă. Acest tip de calcul este efectuat automat.

Parametri tranzitorii, cum ar fi rata de pompare pentru puțuri pot fi asignați independent de discretizarea modelului. Parametri tranzitorii sunt introduși în model sub forma unei curbe de tip solicitare vs. timp.

Atunci când modelul conceptual este transformat în model numeric, valorile tranzitorii ale solicitării sunt asignate perioadei de solicitare adecvate.

Din moment ce modelul conceptual este definit independent de o discretizare temporală și spațială a modelului numeric, modelul conceptual poate fi modificat cu ușurință și rapiditate, generându-se astfel un nou model numeric.

Acest lucru îi permite utilizatorului să evalueze numeroase alternative ale modelului conceptual într-un interval de timp necesar evaluării unui singur model, rezultând un proces de modelare mult mai eficient și precis.

3.2.5 Descrierea modelului

Unul dintre primii pașii care trebuie parcurși pentru a realiza modelul conceptual într-o modelare Modflow, este creearea zonei de acoperire de tip MODF/MT3D Local Source/Sinks. Acest tip de zona de acoperire este utilizat pentru a defini solicitările locale ce includ sarcini impuse, râuri, drenuri, celule, bariere, puțuri.

Solicitările definite în zona de acoperire MODF/MT3D Local Sources/Sinks sunt construite folosind o combinație de puncte, arce și poligoane.

Calculul s-a făcut pe un domeniu de 400 x 400 m și de adâncime -12 m sub suprafața terenului, tipul de pământ fiind argilă.

Discretizarea domeniului este de 100 x 100 de celule pe direcțiile x și y, și 3 celule pe direcția z.

Pentru acest caz s-au definit sarcinile impuse domeniului prin arcele verticale ce delimitau domeniul, bariere care reprezintă limitele clădirilor și arce care definesc drenurile care urmează a fi montate la limita clădirilor.

Ca date de intrare în model s-au folosit  discretizarea domeniului și valorile pentru: permeabilitatea pământului, porozitatea pământului, anizotropie verticală și orizontală, și valori pentru reîncărcarea acviferului, definite prin zona de acoperire Recharge.

Tabel 4 Valorile permeabilitate și poroiztate

Folosind pachetul Layer Propery Flow-LPF, am definit conductivitatea hidraulică orizontală și verticală pentru fiecare strat.

MODFLOW estimează apoi conductanța pentru fiecare celulă utilizând valorile pentru permeabilitate și geometria stratului.

Câteva exemple de pachete utilizate în această modelare se regăsesc mai jos. Anumite pachete sunt întotdeauna necesare pentru o simulare, iar altele sunt opționale, în funcție de tipul modelului (curgerea apei subterane în mod natural, curgerea apei prin drenuri, puțuri, traseul poluanților).

Basic Package (BAS6) – Utilizat pentru a specifica dimensiunea rețelei, pașii de calcul și pachetele care urmează a fi utilizate.

Block Centered Flow Package (BCF6) – Realizează calcule curgerii prin celule. Informațiile introduse în acest pachet se referă la tipul de strat, valori ale coeficientului specific de înmagazinare și transmisivitate.

Layer Propery Flow Package (LPF) – Realizează calcule ale curgerii prin celule. Informațiile introduse în acest pachet se referă la tipul de strat, valori ale coeficientului specific de înmagazinare și transmisivitate.

River Package (RIV1) – Simulează condițiile de margine pentru râuri.

Recharge Package (RCH1) – Simulează reîncărcarea acviferelor din precipitații.

Well Package (WEL1) – Simulează alimentarea/ extracția din puțuri.

Drain Package (DRN1) – Simulează condițiile de margine pentru dren.

Evapotranspiration Package (EVT1) – Simulează efectele evapotranspirației.

Preconditioned Conjugate Gradient Package, Version 2 (PCG2) – Un solver iterativ bazat pe tehnica gradientului pre-condiționat conjugat.

CAPITOLUL 4: REZULTATELE MODELĂRII MATEMATICE

4.1 Variante analizate

Pentru a se realiza un studiu cât mai exact al situației din amplasament s-au analizat mai multe variante de poziționare a drenurilor din punct de vedere al tehnicii de execuție, al rezutatelor obținute și din punct de vedere al costurilor. Alegerea soluției tehnice finale s-a bazat pe îndeplinirea acestor trei criterii într-un mod cât mai eficient.

S-au făcut următoarele ipoteze simplificatoare:

straturile de pământul se consideră a fi omogene și izotrope,

straturile de pământ sunt considerate orizontale și paralele,

stratigrafia este următoarea: umplutură până l m, argilă până la -12 m, nisip până la -16 m și argilă până la -18 m.

precipitațiile se consideră a fi uniforme pe toată suprafața modelată.

Varianta A.

Această variantă presupune realizarea a două chesoane de beton (planșele 4 și 6) poziționate la limitele clădirilor și apoi pozarea a opt drenuri radial (planșa 3).

Fig 5. Schiță de amplasare a drenulrilor în varianta A

Adâncimea de pozare s-a stabilit a fi la cota -8 m în dreptul chesonului, tuburile având o panta ascendentă de 5‰ astfel ajungând până la cota -7,9 m.

Tuburile de dren sunt fabricate din PVC cu lungimea de 20 m și diametrul de 250 mm.

Din punct de vedere al execuției tehnice această variantă se realizează relativ simplu. Se realizează chesoanele iar apoi pornind radial, prin metoda forajului orizontal dirijat se pozează tuburile de dren în poziția finală.

Din punct de vedere al rezultatelor obținute în urma modelării acestea sunt:

cota nivelului piezometric este de -7,5 m,

dar există zone cu nivel piezometric ridicat până la cota de -5,5 m, aproape de limita de fundare a clădirilor (planșa 5).

Există astfel riscul de a se produce noi infiltrații

Debitul drenat de un cheson este de 84 m3/zi, iar de celălalt este de 58 m3/zi.

Din punct de vedere al costurilor această variantă necesită:

240 m de tub de drenaj PVC de diametru 250 mm

5 role de geotextil de dimensiuni 2 x 50 m

un volum aproximativ de 15 m3 de beton pentru realizarea unui singur cheson.

Varianta B.

Această variantă presupune realizarea unui singur cheson de beton (planșa 9) poziționat la limita exterioară a clădirilor, la jumătatea distanței între cele două clădiri, tuburile de dren fiind poziționate radial (planșa 7).

Fig. 6 Schiță de amplasare a drenurilor în varianta B

Adâncimea de pozare s-a stabilit la cota de -8 m în dreptul chesonului, tuburile având o pantă ascendentă de 5‰ ajungând până la cota de –7,7 m.

Tuburile de dren sunt fabricate din PVC cu lungimea de 60 m și diametrul de 250 mm.

Din punct de vedere al tehnicii de execuție această soluție se realizează astfel: se construiește un singur cheson, apoi utilizând metoda forajului orizontal dirijat se pozează tuburile de dren în poziție, pornind din cheson.

Din punct de vedere al rezultatelor obținute în urma modelării acestea sunt:

cota nivelului piezometric este de -7,4 m,

nu mai există zone cu nivel piezometric ridicat, fundațiile fiind în totalitate în uscat (planșa 8).

Debitul drenat de cele 5 drenuri în cheson este de 140 m3/zi.

Din punct de vedere al costurilor de execuție, pentru această variantă sunt necesare următoarele materiale:

300 m tub drenant PVC de diametru 250 mm

6 role de material geotextil de dimensiuni 2 x 50 m

și pentru realizarea chesonului un volum aproximativ de 15 m3 de beton.

Luând în considerare rezultatele obținute precum și costurile de execuție s-a ales ca soluție tehnică varianta B de amplasare a drenurilor și chesonului.

4.2 Tehnologia de execuție a forajului orizontal dirijat

Procedeul de forare orizontală Cala

Cu ajutorul procedeului de foraj orizontal dirijat se pot poza conducte pe sub drumuri naționale și județene, căi ferate, râuri, lacuri, platforme industriale, depouri de tramvai, incinte, canale de irigație, aeroporturi, poduri și podețe etc, înlocuind săpătura deschisă și excavarea acestora.

Este o metoda rapidă, exactă, igienică și economică și permite conservarea monumentelor istorice și arhitectonice. Sunt evitate prăbușirile de teren și efectele amplasării utilajelor care afectează în special zona de la marginea ariei de forare deschisă și care constau în alterarea structurii subsolului prin amestecul de straturi.

Elimină operațiile de transport și depozitare a materialului excavat prin procedee tradiționale de forare. Permite instalarea conductelor și a cablurilor în orice anotimp. Structura naturală a solului de deasupra zonei forate rămâne nealterată.

Lungimea de forare este de 300 m, cu diametrul de forare între 0-600 mm și cu diametrul produsului pozat între 0-500 mm.

Metoda se încadrează în grupa lucrărilor fără săpătură și presupune 3 etape:

Forajul pilot

Acesta presupune introducerea prăjinilor de foraj în pământ și stabilirea traseului subtraversării. Se realizează cu ajutorul capului de forare care cu ajutorul suspensiei de forare și jeturilor de înaltă presiune formează un tunel.

Localizarea capului de forare se bazează pe unde electromagnetice emise de un emițător aflat în capul de forare și preluate de un detector de la suprafață, care le transformă în coordonate, localizând astfel adâncimea, poziția și înclinația în acel moment. Obstacolele întâlnite în calea forării sunt identificate și evitate de la suprafață prin măsurarea undelor electromagnetice emise de capul de forare și schimbarea traiectoriei pe o anumită rază de curbură. Distanța de detectare este de 20 m.

Faza a doua constă în lărgiri succesive cu freze lărgitoare, până la obținerea unui tunel cu 20% mai mare decât al țevii ce urmează a fi pozate .

Menținerea intactă a tunelului se face cu ajutorul suspensiei de foraj, care conține bentonită, aceasta umplând golurile rămase și formând o turtă de colmatare în jurul tunelului, evitând astfel infiltrațiile din sol în tunel și implicit surparea acestuia.

Alt rol al bentonitei, prin proprietățile ei, fiind acela de a acționa ca un mijloc de lubrifiere a produsului de pozat .

Faza a treia constă în pozarea țevii în tunelul deja obținut .

Sectiunea circulară între conductă și marginea tunelului este umplută de un amestec de bentonită și sol dezlocuit, care în timp datorită adiționării moleculelor de apa de către bentonită, se întărește formând o protecție suplimentară a conductei ce a fost pozată .

Avantajele tehnologiei:

Utilizarea tehnologiei conform fișei tehnice garantează următoarele:

NU dislocă terenul și NU se produc tasari;

NU crează goluri sau prabușiri în timpul lucrului sau după execuție;

Precizia lucrărilor prin urmărirea de la suprafață a întregului proces;

Lucrările de subtraversare executate cu procedeul de foraj orizontal dirijat  NU produc disconfort în traficul feroviar sau rutier și NU periclitează siguranța circulației;

Scurtarea timpilor de execuție în raport cu alte tehnologii;

Ocuparea unui teren redus pentru montarea echipamentelor și execuție;

Fiabilitatea lucrărilor de foraj dirijat este similară cu durata de viața a produsului îngropat;

Zgomot redus în timpul execuției, comparativ cu alte tehnologii de foraj;

Costuri de execuție mai scăzute, fără cheltuieli suplimentare pentru refacerea carosabilului, trotuare;

Respectă toate normele europene de protecția mediului și siguranța vieții.

Mașinile de drenaj fără tranșee, pot fi folosite în condiții hidrogeologice dificile:

-pământuri nerezistente și mâloase, în care tranșeea nu își menține stabilitatea;

-terenuri înghețate până la adâncimea de 25 cm cu soluri turboase și până la 15 cm în solui minerale;

-pământuri conținând pietre cu diametrul până la 30 cm.

La pozare se folosesc numai tuburi continue, elastice din plastic. Tuburile de drenaj flexibile din material plastic au aparut în 1965, folosirea lor conducând la pozarea drenurilor prin metoda fără tranșee. Tuburile flexibile denumite și riflate au peretele ondulat sub formă inelară sau elicoidală.

Filtrul este un element constructiv, principal al drenurilor, necesar în majoritatea situațiilor ce impun introducerea amenajărilor de drenaj.

Se folosesc ca materiale filtrante, materiale de tip granular, naturale sau sintetice care îndeplinesc parțial sau în totalitate următoarele funcțiuni:

-protejeaza tubul împotriva colmatării cu particule solide transportate de apa ce se drenează din sol;

-reduc rezistența hidraulică în zona de acces a apei în dren;

-îmbunătățesc condițiile de așezare a tuburilor în tranșeea drenantă sporind durabilitatea tuburilor.

Alegerea materialului filtrant se face în funcție de structura granulometrică și permeabilitatea terenului în care se execută drenajul.

Materialul filtrant se recomandă la această tehnologie să fie prefabricat pe tub.

Procedeul de forare orizontală Preussag

Sistemul Preussag poate realiza drenuri tubulare în toate stratele acvifere, poate realiza în jurul tubului un filtru din material granular, tehnologia s-a impus în ultimii 50 de ani, atât pentru captarea apelor subterene, cât și pentru coborârea nivelurilor acestor ape.

O primă etapă este realizarea unui puț de diametru relativ mare (2-5m), din tuburi de beton executate la nivelul solului și lansate prin greutate proprie sau cu ajutorul unor prese.

În peretele puțului se execută goluri prin care trece tubul de foraj. Acesta este împins în strat cu ajutorul unor prese hidraulice.

Capul de foraj are perforații prin care poate trece materialul granular din acvifer, care va fi antrenat de presiunea hidrostatică.

În unele tipuri de sol se introduce o conductă suplimentară care introduce apă sub presiune care spală terenul.

Materialul granular antrenat în puțul de diametru mare este evacuat. Se introduce coloana filtrantă și se recuperează tubul de foraj. Prin alegerea corespunzătoare a diametrelor celor două coloane se poate realiza și filtrul granular.

Fig. 7. Faze de execuție

Fig. 8. Introducerea tubului de foraj

Procedeul de forare orizontală dirijată Flowtex

Tehnologia de foraj orizontal dirijat reprezintă un sistem de foraj rotativ, hidrodinamic, dirijat și axat pe trei principii tehnologice de bază:

-Utilizarea unei scule de săpare având forma unui sfredel cu daltă în lance;

-Avansarea pe orizontală în sistem rotativ și prin dislocarea terenului pe baza injectării sub presiune înaltă a unui jet cu fluid special de foraj, care îndeplinește concomitent și funcția de agent de lubrifiere;

-Pilotarea dirijată de la suprafață a tijelor și dispozitivului de forare prin teleghidaj, ce permite ocolirea obstacolelor preexistente și ieșirea cu precizie la locul dorit a forajului subteran, prin intermediul unui emițător de unde electromagnetice și al unui calculator de parametrii (unghiul de înclinare, viteza și direcția forării).

Acest procedeu de foraj orizontal dirijat, tip FLOWTEX, cuprinde două etape tehnologice consecutive de realizare:

-Etapa inițială a forajului pilot, realizabil prin forarea terenului, presarea laterală a materialului grosier și fixarea acestuia în pereți prin crusta noroiului utilizat, spălarea și evacuarea celui fin odată cu suspensia de bentonită;

-Etapa finală a forajului de lărgire, realizabil prin retragerea la punctul inițial de plecare a tijelor de forare și (după caz) a tubului de protecție în teren necoeziv, la care se atașează un dispozitiv special lărgitor, concomitent cu intoducerea și pozarea obiectivelor dorite (conducte de apă sau gaz, cabluri, filtre drenante).

Fig. 9. Etapa inițială de foraj și etapa finală de lărgire și introducere a filtrului

Prin utilizarea a șapte tipuri de utilaje sau instalații tip FLOWTEX se pot obține următoarele particularități constructive ți performanțe tehnice:

Forța de avansare și tracțiune maximă a utilajelor= 15-4000 KN;

Debitul de noroi utilizat = 30-200 l/min;

Presiunea de injectare a noroiului de foraj = 30-1500 bari;

Lungimea de avansare maximă a unei curse de foraj subteran (între două locații de lucru la suprafață) = 50-2000 m;

Adâncimea maximă de foraj orizontal = 300 m;

Tehnica de locație = prin teleghidaj (unde radio și unde magnetice);

Raza curbei de avansare (îndoire) =8-200 m;

Diametrul maxim final forat, după lărgirea găurii inițiale = 1600 mm;

Diametrul conductelor pozate =75-1400 mm;

Diametrul tubajului de protecție = 110-1500 mm;

Precizia de ghidare orizontală și verticală la capătul tunelului = ±5 ÷ ±20 cm;

Natura terenului de forare =orice tip de teren coeziv, terenuri necoezive cu granulație moderată (soluri fiabile, nisipuri, pietriș), excepție făcând bolovănișurile de dimensiuni mai mari decât diametrul maxim de forare;

Natura conductelor pozabile= plastic, oțel, fontă, filtre de drenaj (din polietilenă poroasă);

Fluidul de foraj este biodegradabil.

PARTEA III

BIBLIOGRAFIE

Irigații și drenaje – V. Blidaru; Ghe. Pricop; A. Wehry; Editura Didactică și Pedagoică, București, 1981;

Drenaje – M.Șelărescu; I Mihnea; Ghe. Dimache; Editura Institutului de Construcții București, 1990;

Exploatarea captăriilor din ape subterane – Al. Mănescu, I. Nimereală, EM.Blitz; Editura Tehnică, București 1973;

Probleme actuale în tehnica drenajului – A. Wehry, I. David, T.E. Man;Editura Facla Timișoara 1982;

Rețele edilitare – Al. Dimache; M. Mănescu; Editura Matrix Rom București 2006;

Buletinul construcțiilor volumul 11 din 1998, editat de Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare in Construcții și Economia Construcțiilor;

www.cala.ro/tehnologia_dich_witch.php – Tehnologia de execuție a forajului orizontal;

http://www.forajorizontaldirijat.ro/foraj.html -Tehnologia de execuție a forajului orizontal;

http://www.info.usda.gov/CED/ftp/CED/EFH-Ch14.pdf -Water management (drainage);

ftp://ftp.fao.org/agl/aglw/docs/idp60.pdf- Materials for subsurface land drainage systems ;

http://www.e-referate.ro/referate/Hidrologie_-_drenaj_orizontal2007-03-05.html

ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/010/ah832e/ah832e01.pdf -Environmental consideration in drainage projects;

http://www.univ-ovidius.ro/faculties/civil_eng/publicatii/anale_1999/ – Considerații asupra calculului drenurilor cu pantă mică sau foarte mică din Polietilenă de înaltă densitate (PEID) în condițiile unui regim mixt de funcționare drenaj-irigație.;