Sifónové a elektropneumatické drény

Sanácia zosuvov odvodnením v horninovom prostredí, ktoré vykazuje malé nesústredené prítoky, je náročná na sledovanie a zabezpečenie odvedenia vody v dlhodobom časovom horizonte.

Vhodnou metódou na sanácie zosuvov odvodnením je metóda odvodnenia pomocou sifónových a elektropneumatických drénov. Dokazujú to početné aplikácie vo svete a už aj v Českej republike v lokalite Ležáky-Most, kde sa týmto spôsobom stabilizoval zosuvný svah starej hnedouhoľnej ťažobnej povrchovej jamy. Na Slovensku sa táto metóda uplatnila v Dolnom Kubíne pri sanácii dvoch zosuvov, ktoré ohrozovali zastavanú časť sídliska Banisko a priľahlé garáže.

Sifónové drény
V prípade znázornenom na obr. 1a nemôže ostať systém zaplnený, pretože atmosférický tlak je menší ako tlak vody, čím dochádza k vyprázdneniu systému.

Na udržanie stáleho prietoku v sifónovom potrubí treba zabezpečiť, aby atmosférický tlak pôsobil na obidva voľné povrchy na každom konci potrubia alebo každý koniec bol ponorený do nádoby s vodou (obr. 1b), prípadne sa použilo potrubie v tvare U (obr. 1c).

Na zabezpečenie vyprázdnenia vody z vrtu (studne) sa na jeho dno inštaluje zásobník s vodou, do ktorého sa ponorí jeden koniec sifónového potrubia (obr. 2), druhý koniec sifónového potrubia – výtokový sa na spodnej hrane svahu umiestni tak, aby boli s koncom ponoreným do zásobníka v jednej úrovni a vytvárali takzvanú referenčnú rovinu.

Ak sa úroveň vody vo vrte (studni) zdvihne, systém sa spustí a vyprázdni vodu zo studne. Prietok prebieha až do chvíle, kým úroveň vody neklesne. Zrýchleným prietokom sa vyplavia všetky bubliny, ktoré sa v potrubí nachádzali. Je dôležité nastaviť zásobník tak, aby sa dosiahol dostatočný prietok na zabezpečenie stáleho odčerpávania a vyplavovania bublín. Prietok pokračuje, až kým nie je systém vyčistený a bez bublín. Po vyčistení systému sa proces vyplachovania samočinne zastaví. Úroveň vody sa vo výplachovom systéme (v plastovom zásobníku) následne zdvihne na predur­čenú výšku. Prietok sa potom opäť obnoví a cyklus sa opakuje. Aby sa zabránilo upchatiu systému bublinami, na konci každého výplachového potrubia je umiestnený výtokový kus (obr. 3), ktorý automaticky reguluje výtok vody zo systému.

Usporiadanie systému
Implementácia hĺbkového drenážneho systému pomocou sifónových drénov vyžaduje vyhĺbenie radu studní, šácht a spájajúceho potrubia, cez ktoré systém komunikuje. Usporiadanie je znázornené na obr. 4.

Obr. 4 Základné zložky sifónového drenážneho systému

Časti systému
Systém tvoria tieto časti:

• studňová šachta s priemerom minimálne 800 mm a s hĺbkou minimálne 1,5 m vybavená rebríkom a krytom z liatiny. Šachta chráni zhlavie studne (drénu) a zároveň aj drenážne potrubie;
• studne s perforovanými plastovými rúrami s vnútorným priemerom 100 mm so štrkovým obsypom, inštalované cez vymedzený kruhový box s priemerom 300 mm, ktorý je osadený na dne každej šachty;
• termoplastické potrubie s priemerom 200 až 300 mm, v ktorom sa vedie sifónové potrubie medzi jednotlivými šachtami. Do tohto potrubia možno zároveň umiestniť elektrické káble a ostatné vedenia;
• počas inštalácie šácht a potrubia, ktorým sa šachty vzájomne spájajú, sa ukladá aj horizontálne potrubie na zabezpečenie povrchovej drenáže potrubia;
• potrubie sa vedie do výtokovej šachty, ktorá sa umiestňuje nižšie v porovnaní s drenážnymi studňami. Dno výtokovej šachty musí byť umiestnené o 0,7 m pod referenčnou rovinou (obr. 3 a 4). Výtoková šachta má všeobecne priemer 1 500 mm, a to z dôvodu zabezpečenia dostatočného priestoru na výplachový systém.

Vzdialenosť medzi šachtami (studňami) závisí od priepustnosti zeminy, ale vo všeo­becnosti sa pohybuje medzi 3 až 5 m. Z výtokovej šachty sa prúd vody vypúšťa do kanalizácie alebo vodného toku.

Konštrukcia čerpacích studní
Pred samotným vŕtaním studne sa vykope rigol, do ktorého sa umiestni skruž tvoriaca šachtu. Okolo šachty sa realizuje obsyp štrkom so zrnitosťou 2 až 4 mm. Po zrealizovaní šachty nasleduje vŕtanie studne. Studňa sa vŕta minimálne do hĺbky 12 m pod dnom šachty. Vrtný priemer studne je bežne 180 až 250 mm. Do studne sa umiestni sifónový drén – perforovaná plastová rúra s vnútorným priemerom 100 mm (veľkosť otvorov 1 mm). Na čistenie studne sa uplatňuje takzvaná air lift technika (čistenie stlačeným vzduchom).

Vybavenie sifónových studní (drénov)
V každej studni (dréne) sa nachádza zásobník so stálou vodnou rezervou (plastové potrubie s priemerom 50 mm v blízkosti dna studne), ktorý dovoľuje zahltenie sifónového systému vodou.

Používa sa sifónové potrubie s priemerom od 10 mm s možným prietokom asi 2,9 m³ za deň (teda 0,03 l/s) až po potrubie s priemerom 20 až 25 mm (na permanentný prietok) s prietokom asi 24 m³ za deň (teda 0,27 l/s) v prípade použitia solárneho systému pri veľkých sifónoch (násosky).

Každé sifónové potrubie sa vo výtokovej šachte ukončuje automatickým násoskovým zariadením, ktoré sa v prípade zvýšenej hladiny podzemnej vody v drenážnej studni otvorí, takže sa z nej začne čerpať voda. Poklesom hladiny vody pod referenčnú úroveň sa systém automaticky uzavrie.

Sifón (násoska) sa inicializuje natlakovaním dostatočného množstva čerstvej vody do systému. Jedenkrát inicializovaný systém ďalej pracuje už automaticky.

Počas prvých týždňov práce celého systému je možné, že sa do neho dostanú jemné častice vyplavené zo zeminy. Preto treba v tomto čase vykonávať kontrolné návštevy a pravidelne preverovať jeho funkčnosť.

Elektropneumatické drény
Hĺbková drenáž v hornine so slabou priepustnosťou k = 1 . 10–5 m/s v hĺbke viac ako je 6 m pod terénom, kde účinok filtrov už nie taký vysoký, je v súčasnosti technicky zložitá. Niekedy treba zasiahnuť všetky zvodnené horizonty v profile, ktorý môže byť hlboký až 40 m.

Elektropneumatickú drenáž sa odporúča navrhovať na čerpanie vody v objeme menšom ako 1,0 l/s na jeden drén.

Elektropneumatické drény sa vyvinuli na stabilizáciu zosuvov, a to čerpaním podzemnej vody z vertikálnych vrtov, ktoré zasiahnu všetky zvodnené horizonty. Tieto vrty musia byť dostatočne hlboké s perforovanými rúrami z plastu s vnútorným priemerom 110 mm, s vymedzením a s obsypom zo štrkovej frakcie, ktorou sa zabezpečí dobrá filtrácia vody pritekajúcej do vrtu. Elektrický kábel pripojený v čerpacej studni na detektor úrovne hladiny sa vyvádza cez prívodné potrubie na riadiaci panel a zvlášť na pripojené relé (súčiastka sa skladá zo spínača a cievky). Vzduchové potrubie pripojené k pumpe sa podobne ako solenoid (elektromagnet) a relé pripája na riadiaci panel cez prívodné potrubie. Na výpustné potrubie sa na povrchu pripája potrubie, ktorým sa voda odvádza od pumpy. Kompresor a prijímač môžu byť od riadiaceho panela vzdialené až 3 000 m, ak to vyžadujú podmienky zariadenia staveniska. Stlačený vzduch prichádzajúci do riadiaceho panela musí byť čistý a vysušený vzduchovým filtrom.

Základný princíp
Keď sa vrt (studňa) naplní vodou, vstúpi do elektropneumatickej pumpy cez spätný guľový ventil guľôčka a vyplní ho.

Vodné spojenie nastane vtedy, keď voda dosiahne spodný senzor a vystúpi až na úroveň horného senzora. Tieto dva senzory sú pripojené na relé, ktoré otvorí solenoid. Po spojení senzorov vodou sa začne stlačený vzduch tlačiť cez vstupné vzduchové potrubie do elektropneumatického drénu. Naplnený drén vzduchom vytlačí vodu z pumpy cez výpustné potrubie. Ďalší spätný ventil zabraňuje, aby sa voda vrátila naspäť do komory.

Usporiadanie systému
Implementácia hĺbkovej drenáže a systém elektropneumatických drénov vyžaduje sieť studní, šácht a spojovacieho potrubia, cez ktoré sa vedie potrubie stlačeného vzduchu, signálny kábel a výpustné potrubie. Všeobecné usporiadanie je podobné ako pri sifónových drénoch a je znázornené na obr. 5.

Obr. 5 Základné zložky elektropneumatického drenážneho systému

Konštrukcia čerpacích studní
Pred samotným vŕtaním studne sa vykope rigol, do ktorého sa umiestni skruž tvoriaca šachtu. Okolo šachty sa realizuje obsyp štrkom so zrnitosťou 2 až 4 mm. Po zrealizovaní šachty nasleduje vŕtanie studne. Studňa sa vŕta maximálne do hĺbky 40 až 50 m pod dnom šachty. Vrtný priemer studne je bežne 180 až 250 mm. Do studne sa umiestni elektropneumatický drén – perforovaná plastová rúra s vnútorným priemerom 100 mm (veľkosť otvorov 1 mm). Na čistenie studne sa uplatňuje takzvaná air lift technika (čistenie stlačeným vzduchom).

Hlavné časti systému
Vybudovanie a vybavenie studní elektropneumatickými pumpami zahŕňa:

• vloženie elektromagnetickej pumpy do každej studne;
• kompresorovňu, ktorá sa buduje ako malý tehlový objekt alebo podzemná šachta, alebo prenosný kontajner;
• uloženie kompresorovej techniky do kompresorovne;
• umiestnenie centrály monitoringu štandardne do kompresorovne alebo mimo ňu;
• vybudovanie zodpovedajúceho vedenia výtlačných a prívodných potrubí, signálnych káblov, potrubia na stlačený vzduch;
• zabezpečenie elektrického zdroja pre kompresor a riadiaci panel.

Jedenkrát zapojený a spustený elektropneumatický systém už ďalej funguje automaticky.

Údržba
Hlavná údržba prevádzky elektropneumatických drénov je riadená z riadiaceho panela a riadiacimi prvkami.
Spojenie a ochrana prvkov distribúcie stlačeného vzduchu sa musí starostlivo kontrolovať každý rok, aby nenastali nekontrolované straty vzduchu vo vedení alebo poruchy v dôsledku zlej filtrácie alebo sušenia vzduchu. Filtračné prvky vzduchového filtra sa za bežných prevádzkových okolností (po 4 000 hodinách) musia meniť jedenkrát za rok. Ak je to nevyhnutné, treba každý rok skontrolovať aj relé a solenoid. Kontrola sa vykoná stlačením kontrolného tlačidla na solenoide.

Počas údržby kompresora sa musí skontrolovať a vyprázdniť aj separátor kondenzácie.

Údržbu prevádzky elektropneumatických drénov treba vykonávať aspoň jedenkrát za rok, v závislosti od kvality vody. Komora elektropneumatickej pumpy, ktorá je ponorená vo vode, sa dá vybrať a vyčistiť prúdom čistej vody. Celá činnosť zaberie iba 10 až 15 minút.

Monitoring
Monitorovať zariadenie a sledovať potrebné údaje možno vďaka elektrickým a elektronickým súčastiam, ktoré systém obsahuje. Počet čerpacích cyklov sa zaznamenáva automaticky. V závislosti od sledovaného faktora treba na zabezpečenie správnej funkčnosti systému a efektívneho rozdelenia údržby inštalovať doplnkové zariadenia:

• vibračné vláknové piezometre na monitorovanie hladiny podzemnej vody vo vybraných studniach;
• dataloggery alebo vibračné vláknové piezonametre na sledovanie hladiny podzemnej vody v zosuve;
• prietokomer na meranie prietoku vody;
• inklinometre na sledovanie pohybu zemín v zosuve.

Všetky inštalované zariadenia sa napájajú na datalogger. Hodnoty sa zaznamenávajú v hodinových intervaloch. Tieto údaje možno preniesť cez sieť GSM a prezentovať zákazníkovi cez internetové pripojenie.

Sifónové a elektropneumatické drény sú výrobkami s registrovanou obchodnou značkou.

TEXT: Mgr. Peter Fekeč,
Ing. Boris Vrábel, PhD.
FOTO: Geotechnik SK

Mgr. Peter Fekeč je geológ IGHG firmy Geotechnik SK, s. r. o.

Ing. Boris Vrábel, PhD., je autorizovaný stavebný inžinier, geotechnik firmy Geotechnik SK, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.