Wybrane zagadnienia projektowania i budowy sieci wodociągowej; Cz. 1. Budowa i rodzaje rur

System wodociągowy może występować z pompowaniem jedno- lub wielostopniowym. W górach można niekiedy spotkać układ grawitacyjny – bez pompowni, bazujący na wodzie źródlanej gromadzonej w wysoko położonym zbiorniku terenowym. Każdy system wodociągowy składa się z ujęcia wody [3], stacji uzdatniania wody, zbiornika wodociągowego, pompowni wodociągowej [4], sieci wodociągowej i instalacji wodociągowej [5].

Ze względu na sposób korzystania z wody systemy wodociągowe można podzielić na [13]:

• ogólnego przeznaczenia – woda na cele komunalne i przemysłowe dostarczana jest do odbiorców za pomocą wspólnej sieci rurociągów wodociągowych,

• półrozdzielcze – woda na cele komunalne i przemysłowe dostarczana jest do odbiorców za pomocą dwóch niezależnych układów sieci rurociągów wodociągowych,

• rozdzielcze – woda na cele spożywcze (do picia), gospodarcze (do utrzymania higieny i czystości) i przemysłowe dostarczana jest do odbiorców za pomocą trzech niezależnych układów sieci rurociągów wodociągowych (rzadko stosowany).

Natomiast ze względu na zasięg terenowy systemy wodociągowe można podzielić na [13]:

• zagrodowe – swoim zasięgiem obejmują jedno gospodarstwo,

• lokalne – obejmują jedną miejscowość (wieś albo miasto) lub jeden zakład przemysłowy,

• centralne – obejmują jedną miejscowość (wieś albo miasto), w której zlokalizowana jest stacja uzdatniania wody, oraz pobliskie miejscowości,

• grupowe – obejmują kilka miejscowości oraz kilka stacji uzdatniania wody, które mogą współpracować ze sobą dzięki wspólnej sieci wodociągowej.

Budowa sieci wodociągowej

Do budowy sieci wodociągowej stosuje się zarówno wykopy wąskoprzestrzenne o ścianach pionowych odeskowanych i rozpartych, jak i szerokoprzestrzenne o ścianach skarpowych. Wybór rodzaju wykopu i zabezpieczenia ścian wykopu zależy od warunków lokalnych i hydrogeologicznych oraz głębokości wykopu.

W przypadku wystąpienia wód gruntowych wykop należy odwodnić przed ułożeniem rurociągu.

Rurociągi sieci wodociągowej zaleca się układać równolegle do powierzchni terenu, a głębokość przykrycia rurociągu hg powinna być o 0,4 m większa od głębokości przemarzania gruntu (tab. 1), jeżeli nie stosuje się izolacji cieplnej oraz środków zabezpieczających podłoże i rurociąg przed przemarzaniem.

Sposób układania rur uzależniony jest od rodzaju podłoża (rys. 1). Gdy jest ono suche, bez kamieni, w gruntach z piasku grubego, średniego i drobnego rury można układać bezpośrednio na wyrównanym podłożu rodzimym z wyprofilowanym odpowiednio dnem, które stanowi łożysko nośne rury (rys. 1a). Natomiast na podłożu z gruntów skalistych (skały, rumosze, zwietrzeliny), gliniastych (piaski gliniaste, gliny) i ilastych (piaski ilaste, iły) rury układa się na zagęszczonej podsypce o minimalnej miąższości 0,1 m (rys. 1b).

W przypadku podłoża z gruntu o niskiej nośności, jak torf, ale małej miąższości, należy usunąć torf i wypełnić zagęszczoną podsypką z piasku do poziomu posadowienia rury (rys. 1c). Natomiast w torfach o dużej miąższości na dnie wykopu należy wykonać płytę fundamentową z betonu lub żelbetu, na której na zagęszczonej podsypce o minimalnej miąższości 0,1 m układa się rury z tworzywa sztucznego (rys. 1d).

Rury z żeliwa sferoidalnego można układać bezpośrednio na ławie fundamentowej (niekiedy na palach) i je zabetonować. Wykop wokół rury wypełnia się warstwami z piasku (obsypka), zagęszczając każdą warstwę. Nad rurą wykonuje się zasypkę z piasku o miąższości 0,4 m, którą zagęszcza się na całej szerokości wykopu. W miejscu łączenia rur kielichowych wykonuje się dołki montażowe o głębokości ok. 10 cm i szerokości 50 cm (rys. 1e), żeby ułatwić ich montaż i nie zabrudzić bosego końca piaskiem.

Warto także przeczytać: Przemarzanie gruntów w aspekcie eksploatacji systemów dystrybucji wody

Przed połączeniem rur koniec bosy i uszczelkę gumową należy posmarować środkiem przeciwadhezyjnym, żeby zmniejszyć tarcie. Złącza rur zasypuje się dopiero po wykonaniu próby szczelności. Wykop powyżej zasypki z piasku wypełnia się warstwami z gruntu rodzimego, zagęszczając każdą warstwę.

Przy zmianie kierunku rurociągu wodociągowego, który pracuje pod ciśnieniem, powstaje w łuku w wyniku parcia wody duża siła dążąca do wyrwania kształtki łukowej ze złączy. W związku z tym rurociąg wodociągowy należy zabezpieczyć przed uszkodzeniem złączy lub nawet rozerwaniem rurociągu na łukach.

W celu stabilizacji ułożonego w wykopie rurociągu wodociągowego, a w szczególności zabezpieczenia przed wysunięciem się bosego końca rury z kielicha, co może wystąpić przy łukach, kolanach, trójnikach, uzbrojeniu i korkach na końcu rurociągu, należy go zakotwić lub zastosować bloki oporowe, które przeniosą na grunt siły osiowe występujące w rurociągu. Stosuje się bloki oporowe prefabrykowane lub wykonywane na miejscu budowy.

Bloki oporowe w wykopie muszą się opierać na gruncie rodzimym (nienaruszonym). Szerokość bloku nie powinna być mniejsza niż odległość ścian wykopu od zewnętrznej ścianki rurociągu wodociągowego. Niedopuszczalne jest zasypywanie powstałej szczeliny między blokiem oporowym a ścianą wykopu gruntem. Jeżeli taka szczelina powstanie, należy ją wypełnić chudym betonem. Natomiast długość bloku oporowego musi być tak dobrana, żeby między kielichem poprzedniej rury lub kształtki a początkiem bloku oporowego pozostała wolna przestrzeń ok. 0,5 m [8], która w razie potrzeby umożliwi naprawę uszczelnienia.

Blok oporowy w wykopie należy układać w pobliżu środka łuku rurociągu, gdzie występuje największa siła parcia wody. W przypadku gdy należy zastosować bloki oporowe długie, które nie zapewniają 0,5 m wolnej odległości od kielicha, taki blok oporowy odsuwa się nieco od rurociągu wodociągowego, zapełniając betonem powstałą przestrzeń o kształcie trapezowym lub schodkowym. Między blokiem oporowym a wyrównującym betonem należy ułożyć dwie warstwy papy, co umożliwi osiadanie bloku oporowego bez oddziaływania na rurociąg wodociągowy przy bezpośrednim jego obetonowaniu.

Przejście rurociągu wodociągowego przez przeszkodę terenową, np. drogę lub tory kolejowe, wykonuje się w rurze osłonowej, w której należy unikać połączeń rurociągów. Wewnętrzna średnica rury osłonowej powinna być większa przynajmniej o jeden wymiar od zewnętrznej średnicy rury wodociągowej. Po obu stronach przeszkody terenowej na rurociągu wodociągowym montuje się zasuwy odcinające. Przejście rurociągu wodociągowego pod drogą lub torami kolejowymi wykonuje się obecnie metodą bezwykopową za pomocą przecisku pneumatycznego lub hydraulicznego.

Z kolei przejście rurociągu wodociągowego przez ciek wodny wykonuje się za pomocą akweduktu lub syfonu. W przypadku akweduktu rurociąg wodociągowy musi być zabezpieczony przed przemarzaniem za pomocą waty szklanej lub pianki izolacyjnej. Jako akwedukt wykorzystać można most, pod którym podwiesza się rurociąg wodociągowy. Przejście rurociągu przez ciek wodny za pomocą syfonu również wykonuje się w rurze osłonowej metodą bezwykopową za pomocą wiertnic do przewiertów sterowanych. Rurociąg wodociągowy pod dnem rzeki powinien być układany na głębokości od 1,0 do 1,5 m [8].

Po ułożeniu rurociągu wodociągowego w wykopie częściowo się go zasypuje, pozostawiając odkryte jedynie wszystkie złącza do czasu próby ciśnieniowej (szczelności rurociągów), którą należy przeprowadzić zgodnie z normą PN-EN 805 [9].

Przed przystąpieniem do przeprowadzenia próby ciśnieniowej należy sprawdzić, czy wszystkie urządzenia pomiarowe zostały skalibrowane oraz, czy są w stanie gotowości do pracy i zostały odpowiednio rozmieszczone na rurociągach sieci wodociągowej. Rurociągi należy napełniać wodą powoli, a wszystkie urządzenia odpowietrzające muszą być w tym czasie otwarte. Natomiast w trakcie przeprowadzania próby ciśnieniowej wszystkie urządzenia odpowietrzające muszą być zamknięte, a zasuwy pośrednie zamontowane na rurociągach – otwarte.

Napełnianie należy rozpocząć, jeżeli jest to możliwe, w najniższym punkcie rurociągu w taki sposób, żeby poniżej punktu napełniania nie utworzył się syfon i by powietrze uszło przez urządzenia do odpowietrzania.

Ciśnienie próbne dla każdego badanego rurociągu należy ustalić w następujący sposób [9]:

• bez uwzględniania uderzenia hydraulicznego – do maksymalnego ciśnienia projektowego należy dodać 10 m H₂O,

• z uwzględnieniem uderzenia hydraulicznego – należy maksymalne ciśnienie projektowe zwiększyć o 50% oraz do maksymalnego ciśnienia projektowego dodać 50 m H₂O, po czym wybrać mniejszą wartość.

Próbę ciśnieniową przeprowadza się przez 30 minut. Uznaje się ją za udaną, jeśli krzywa ciśnienia stale rośnie przez cały okres badań. Jeżeli w czasie badań krzywa ciśnienia maleje, świadczy to o przecieku w systemie. Należy wtedy przerwać próbę ciśnieniową, usunąć przecieki i próbę powtórzyć. Dopiero kiedy próba ciśnieniowa wypadnie pomyślnie, zasypuje się odkryte złącza. Podczas zasypywania wykopu należy dokładnie zagęścić grunt po obu stronach rurociągu oraz nad nim, żeby uzyskać zagęszczenie o wielkości przynajmniej 90% stanu pierwotnego. Słabsze zagęszczenie gruntu może spowodować jego osiadanie i wzdłuż osi ułożenia rurociągu powstanie zagłębienie na powierzchni terenu.

Rodzaje rur

Rury wykorzystywane do budowy sieci wodociągowej powinny być od wewnątrz jak najgładsze, żeby podczas transportu wody straty hydrauliczne ciśnienia były jak najmniejsze. Powinny mieć odpowiednią wytrzymałość pod względem dynamicznym i statycznym i odporność na chemiczne działanie transportowanej wody wewnątrz oraz wody i gruntu na zewnątrz.

Obecnie sieć wodociągową buduje się najczęściej z rur z tworzywa sztucznego (tab. 2 i tab. 3) – PVC lub PE, rzadziej z rur stalowych z wewnętrzną wykładziną cementową czy polietylenową albo rur żeliwnych.

Polecamy również: Wpływ wyników obliczeń normy PN-EN 12831:2006 na dalsze wyliczenia instalacji c.o. (cz. 1)

Rury z tworzyw sztucznych mają liczne zalety: mały ciężar, szczelność, odporność na chemiczną agresywność środowiska, dobre właściwości hydrauliczne, brak inkrustracji, łatwość obróbki mechanicznej, łatwy oraz szybki i niewymagający dużych nakładów montaż, łatwość łączenia z rurami i armaturą z innych materiałów, możliwość stosowania na obszarach objętych wpływami sejsmicznymi i parasejsmicznymi (np. obszary szkód górniczych), małe koszty eksploatacji oraz długi okres eksploatacji (określany na minimum 50 lat).

Do budowy sieci wodociągowej wykorzystuje się również rury z żeliwa sferoidalnego z wewnętrzną wykładziną z zaprawy cementowej (tab. 4), która poprawia parametry hydrauliczne przepływu wody, zapobiega zarastaniu rury tlenkami żelaza (inkrustracji) i chroni ją przed korozją.

Ochrona antykorozyjna wykładziny z zaprawy cementowej polega na tym, że tłoczona woda, przenikając przez warstwę zaprawy cementowej, staje się silnie alkaliczna i nie stanowi zagrożenia korozyjnego, gdyż w takich warunkach żelazo pozostaje pasywne, będąc zabezpieczone cienką warstwą tlenku.

Rury z betonu sprężonego wykorzystuje się rzadko, przede wszystkim do budowy rurociągów wodociągowych tranzytowych o dużych średnicach.

Rury z tworzywa sztucznego PVC i żeliwa sferoidalnego łączy się kielichowo za pomocą uszczelki gumowej, a rury z PE – zgrzewając je doczołowo lub za pomocą kształtki elektrooporowej. W zgrzewaniu doczołowym (rys. 2a) dwa końce rury z PE (1) po obróbce specjalnym strugiem dociska się za pomocą uchwytów (2) do gorącej tarczy grzejnej (3), wskutek czego końce rury ulegają upłynnieniu.

Temperatura tarczy grzejnej powinna wynosić 210–225ºC, a temperatura zgrzewania utrzymywać się w przedziale 200–220ºC. Po upływie określonego czasu nagrzewania usuwa się tarczę grzejną (3), a końce rury z PE dociska za pomocą uchwytów, łącząc ze sobą. Po połączeniu dwóch końców rury powstanie podwójna wypływka (4). Chłodzenie połączenia musi się odbywać w warunkach otoczenia.

Kształtka elektrooporowa (rys. 2b) zawiera cewkę z drutu oporowego (8) umieszczoną w pobliżu powierzchni zgrzewanej (9). Dwa końce rury z PE umieszcza się w kształtce (5) i do końcówek (6) cewki z drutu oporowego podłącza źródło prądu o napięciu 24–40 V. Prąd, płynąc w obwodzie, powoduje wydzielanie się ciepła w cewce z drutu oporowego, które stapia otaczające drut tworzywo. Po schłodzeniu kształtki elektrooporowej uzyskuje się szczelne połączenie dwóch końców rury z PE.

Podsumowanie

Obecnie w Polsce sieci wodociągowe buduje się najczęściej z rur z tworzywa sztucznego – PVC lub PE. W związku z tym podczas układania rurociągu z tworzywa sztucznego w wykopie należy pamiętać, żeby pod ten rurociąg nie podkładać żadnych kamieni lub klocków drewnianych, a jeżeli z jakichś powodów były one podkładane, to przed zasypaniem rurociągu należy je usunąć. Jeśli pozostaną, w tych miejscach średnica rurociągu ulegnie deformacji i może nawet dojść do jego pęknięcia.

Warte przeczytania: Wpływ wyników obliczeń normy PN-EN 12831:2006 na dalsze wyliczenia instalacji c.o. (cz. 2)

Literatura

1. Denczew S., Kompleksowa koncepcja odnowy technicznej przewodów wodociągowych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 4/2000.

2. Gabryszewski T., Wodociągi, Arkady, Warszawa 1983.

3. Kalenik M., Ujęcia wód podziemnych dla wodociągów grupowych i indywidualnych gospodarstw domowych, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2015.

4. Kalenik M., Projektowanie i eksploatacja układów hydroforowo-pompowych, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2014.

5. Kalenik M., Badanie współczynników oporów miejscowych ζ w kolankach żeliwnych i PVC, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2013.

6. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.

7. Katalog firmy Generik, 2005.

8. Petrozolin W., Projektowanie sieci wodociągowych, Arkady, Warszawa 1974.

9. PN-EN 805 Zaopatrzenie w wodę. Wymagania dotyczące systemów zewnętrznych i ich części składowych.

10. PN-B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowe. 

11. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych (DzU nr 124/2009, poz. 1030).

12. Speruda S., Radecki R., Ekonomiczny Poziom Wycieków – nowe wytyczne eksploatacji sieci wodociągowych, „Instal” nr 7–8/2004.

13. Szpindor A., Zaopatrzenie w wodę i kanalizacja wsi, Arkady, Warszawa 1998.

14. Katalog firmy Gamrat, www. gamrat.pl (19.02.2015).

15. Katalog firmy Jafar, www. jafar.com.pl (19.02.2015).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!