Cztery cylindryczne zbiorniki retencyjne z betonu sprężonego o łącznej pojemności V = 60 000 m3 na terenie przepompowni Port Południe we Wrocławiu

Przedmiotem zgłoszenia do Konkursu są cztery cylindryczne zbiorniki z betonu sprężonego (każdy o pojemności jednostkowej V = 15 376 m3) stanowiące zasadniczą część oddanego do użytkowania w listopadzie 2022 roku systemu retencyjnego dla miasta Wrocław. Zbiorniki retencyjne o łącznej pojemności 61 504 m3 zostały wybudowane na terenie przepompowni Portu Południe we Wrocławiu i stanowią jeden z największych systemów retencji ścieków wykonany z betonu sprężonego w Europie. Zbiorniki o podobnym przeznaczeniu (ale oparte o inne rozwiązanie konstrukcyjne) w Polsce znajdują się tylko w Warszawie. W skali kraju, w przedmiotowej inwestycji przyjęto i zrealizowano niestandardowe rozwiązania konstrukcyjne jak dla obiektów sprężonych o tej pojemności.
Zaprojektowane i wybudowane zbiorniki przeznaczone są do okresowego retencjonowania nadmiarowych, ogólnospławnych ścieków pogody deszczowej w ilości Q=4,5 m3/s z centralnych i południowych obszarów Wrocławia do chwili unormowania się po ponadnormatywnych opadach atmosferycznych pracy Oczyszczalnia Ścieków w Janówku i możliwości ich oczyszczenia. Zrealizowana inwestycja pozwala na zabezpieczenie przed awaryjnymi zrzutami ścieków pogody deszczowej przelewem burzowym do rzeki Odry a w konsekwencji do poprawy stanu wód w Odrze – drugiej najdłuższej rzece w Polsce. Dodatkowo, zbiorniki retencyjne stanowią bufor pozwalający na magazynowanie nadmiarowej ilości ścieków (ponad hydrauliczną wydajność Oczyszczalnia Ścieków w Janówku) w okresach szczytowej jej pracy, dzięki któremu możliwe będzie wyrównanie stopnia wykorzystania oczyszczalni w cyklu dobowym.
Zbiorniki zaprojektowano jako monolityczne, wolnostojące cylindryczne zbiorniki z betonu sprężonego o promieniu wewnętrznym R=23,25 m, wysokości ściany H=11,82 m i grubości ściany h=0,40 m. Komory zbiorników przykryto geometrycznymi, samonośnymi aluminiowymi kopułami, przymocowanymi do cylindrycznych ścian na ich górnej krawędzi. Każdy ze zbiorników posadowiono na niezależnej płycie fundamentowej o stałej grubości wynoszącej 70 cm w części środkowej i 80 cm w części obejmującej koryto obwodowe. Z uwagi na zmienny stopień zagęszczenia gruntów niespoistych występujących w podłożu gruntowym poniżej poziomu posadowienia (od ID=0,45 do ID=0,60) posadowienie zbiorników w sposób bezpośredni na podłożu rodzimym groziło nierównomiernym osiadaniem zbiorników. Możliwe było zastosowanie posadowienia pośredniego w postaci pali fundamentowych lub wzmocnienie/wymiana istniejącego podłoża gruntowego. Po przeprowadzeniu analizy techniczno-ekonomicznej wariantów posadowienia zbiorników zdecydowano się na zaprojektowanie wgłębnego dogęszczenia warstw powierzchniowych gruntu metodą wibroflotacji do ID ≥ 0,60. Wybrany wariant pozwolił na ograniczenie robót ziemnych i geotechnicznych do minimum przy jednoczesnym skróceniu czasu realizacji posadowienia obiektów względem wariantów obejmujących wymianę gruntu bądź palowanie.
Płyty fundamentowe stanowiące zarazem dna zbiorników (każda z płyt o średnicy 64,56 m) zaprojektowano w postaci żelbetowych płyt kołowych, monolitycznie połączonych z elementami przegród technologicznych rozdzielających tzw. „tory spłukujące”. Przegrody technologiczne dzielą płytę denną zbiornika na wycinki koła o kącie 45⁰ a w części centralnej ukształtowano tzw. „komory spiętrzające”, posiadające funkcję retencyjną, oddzielone od pozostałej przestrzeni zbiornika ścianami żelbetowymi. Taki sposób ukształtowania dna zbiornika wraz z korytem obwodowym o przekroju 1,80 x 2,60 m pozwala na wprowadzenie automatyzacji pracy zbiornika w trakcie jego eksploatacji w procesach jego opróżniania i czyszczenia (spłukiwania). Płyty fundamentowe zaprojektowano z betonu klasy C35/45 W-8 F-100, zbrojone prętami ze stali zbrojeniowej B500B (klasa ciągliwości B) i B500SP (klasa ciągliwości C) w kierunku obwodowym i promieniowym oraz w części centralnej siatką ortogonalną. Pod płytą fundamentową zaprojektowano warstwę betonu podkładowego klasy C12/15 grubości 10 cm, na której wykonano warstwę ślizgową składającą się z: 1 warstwy folii PE typ 500 oraz 1 warstwy maty bentonitowej z przygrzana do niej folią PE. Z uwagi na duże wymiary płyt w rzucie oraz ich znaczną grubość konieczne było opracowanie projektu technologii jej betonowania z doborem mieszanki betonowej, podziałem na sekcje i podaniem kolejności realizacji poszczególnych segmentów. Pozwoliło to na zniwelowanie niekorzystnych efektów skurczu betonu i naprężeń termicznych we wczesnym okresie jego dojrzewania przy jednoczesnym ograniczeniu ilości wymaganej stali zbrojeniowej. W przypadku niezgodnej z projektem technologicznym realizacji płyt fundamentowych występowało duże ryzyko zarysowania płyt fundamentowych w okresie dojrzewania betonu (faza przed eksploatacyjna) a w konsekwencji utraty szczelności zbiorników.
Ściany zbiorników zaprojektowano z betonu klasy C40/50 W-10 F-150, zbrojonego prętami ze stali zbrojeniowej B500B (klasa ciągliwości B) i B500SP (klasa ciągliwości C) w kierunku obwodowym i pionowym.
Biorąc pod uwagę wymaganą najwyższą klasę szczelności zbiorników retencyjnych oraz optymalizację kosztów inwestycji, zdecydowano się ścianę każdego ze zbiorników zaprojektować jako sprężoną 20 obwodami kabli wewnętrznych typu 7x7ϕ5 mm ze stali sprężającej wysokiej wytrzymałości Y 1860. Każdy z obwodów stanowią 3 cięgna dwuprzęsłowe kotwione w pilastrach parzystych lub 3 cięgna dwuprzęsłowe kotwione w pilastrach nieparzystych (celem równomiernego rozłożenia siły sprężającej na obwodzie zbiornika). Na obwodzie każdego ze zbiorników rozmieszczono 6 pilastrów o szerokości 3,25 m i grubości 0,80 m. Zakotwienia poszczególnych kabli sprężających zlokalizowano w gniazdach na czołach pilastrów. Ściana zbiornika podzielona została trzema poziomymi oraz 24 pionowymi połączeniami konstrukcyjnymi. Każde pasmo betonowania (pomiędzy poziomymi połączeniami konstrukcyjnymi) składało się z: 6 segmentów o długości ok. 4,0 m złożonych z pilastrów z obustronnymi fragmentami ścian o długości ok. 0,4 m; 6 segmentów ścian o długości ok. 16,5 m, 12 segmentów uzupełniających ścianę, o długości ok. 2,0 m (segmenty betonowane pomiędzy wcześniej wykonanymi segmentami z piastrami i segmentami ściennymi). Podobnie jak w przypadku płyty fundamentowej, projekt wykonawczy ściany obejmował również projekt technologii realizacji, w tym: dobór mieszanki betonowej podział na pasma i segmenty wraz z kolejnością ich realizacji oraz programem sprężania . Przyjęta technologia realizacji ściany w etapach pozwoliła na zniwelowanie niekorzystnych efektów skurczu betonu i naprężeń termicznych we wczesnym okresie jego dojrzewania przy jednoczesnym ograniczeniu ilości wymaganej stali zbrojeniowej.
Konieczność retencjonowanie dużej ilości ścieków z jednoczesnym zachowaniem bardzo wysokiej wydajności podczas procesu napełniania i opróżniania zbiornika (Q=4,5 m3/s) wymusiła wykonanie wielkośrednicowych otworów w sprężonych ścianach cylindrycznych do wprowadzania rurociągów technologicznych o średnicach rzędu DN 1200. Zastosowanie tak dużych średnic rurociągów technologicznych, szczególnie tych zlokalizowanych w dolnej części ściany skutkowało koniecznością niekonwencjonalnego rozwiązania połączenia ściany z dnem (jak dla zbiorników sprężonych o tak dużej pojemności). Połączenie to wykształcono jako monolityczne we wszystkich etapach wznoszenia i pracy zbiornika, tworzące podatny węzeł żelbetowy między ścianą cylindryczną - korytem obwodowym – i przykrawędziową strefą centralnej części płyty fundamentowej a nie jako przegubowo-przesuwne (na etapie sprężania) i przegubowe (na etapie eksploatacji) jak to się robi zazwyczaj. Zastosowanie takiego rozwiązania konstrukcyjnego pozwoliło na zmianę (podniesienie) położenia wypadkowej siły z bryły obwodowych naprężeń rozciągających i poprawne zaprojektowanie zbiornika w 3 (najwyższej) klasie szczelności.
Zwieńczenie każdego ze zbiorników stanowi aluminiowa powłoka geometryczna o wyniosłości ok. 6 m i rozpiętości 46,50 m. Ukształtowanie przykrycia zbiornika w postaci powłoki geometrycznej pozwoliło nie tylko na wyeliminowanie konieczności stosowania podpór wewnętrznych ale również wyeliminowanie sił rozporu na górnej krawędzi ściany zbiornika, które są generowane przy stosowaniu tradycyjnych kopuł o przekroju kołowo-symetrycznym.
Oprócz projektu samych zbiorników, zadanie obejmowało również projekty obiektów towarzyszących, tj. komory technologiczne oraz armaturę i podkonstrukcje dla rurociągów technologicznych (stalowe kryzy przejść szczelnych, podpory rurociągów, koryta przelewowe itp.)
Podstawowe dane dotyczące zaprojektowanych zbiorników:
˗ Powierzchnia zabudowy pojedynczego zbiornika, bez uwzględnienia komór połączeniowych: 1 783,22 m2
˗ Kubatura brutto pojedynczego zbiornika: 27 234,07 m3
˗ Średnica wewnętrzna zbiornika: 46,5 m.
˗ Rzędna korony części żelbetowej: 123,14 m n.p.m.
˗ Rzędna szczytu kopuły zbiornika: 131,07 m n.p.m.
˗ Rzędna terenu wokół zbiorników: 116,00 m n.p.m.
˗ Wysokość zbiorników ponad projektowany teren: 15,07 m;
˗ Wysokość czynna zbiornika (od poziomu najniższego bez uwzględnienia koryt odpływowych): 9 m.
˗ Poziom posadowienia w części centralnej zbiornika : 112,44 m n.p.m. – 112,58 m n.p.m.
˗ Poziom posadowienia obwodowego koryta odpływowego: 110,51 m n.p.m.(lokalnie przy komorze odpływowej 110,20 m n.p.m.)

Do chwili obecnej w zbiornikach okresowo retencjonowano ponad 1,5 miliona metrów sześciennych ścieków pogody deszczowej. Zbiorniki zostały (do chwili obecnej) również trzykrotnie wykorzystane do czasowego retencjonowania ścieków bytowych na czas wyłączenia z użytkowania (trwającego 1-2 doby) Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków (WOŚ) Janówek i przeprowadzenia prac remontowych.

Inwestycja zrealizowana dla miasta Wrocław pod nazwą „Budowa zbiorników retencyjnych z pompownią i infrastrukturą towarzyszącą wraz z rozbiórką obiektów kolidujących z projektowanym układem retencji na sieci kanalizacyjnej na terenie przepompowni Port Południe we Wrocławiu” stanowi odpowiedź współczesnych dużych miast i metropolii na problemy związane ze zmianami klimatu i koniecznością ochrony środowiska naturalnego. Zrealizowana inwestycja wpisuje się ideę zrównoważonego rozwoju społeczeństwa XXI wieku.