راهنمای طراحی دیوارهای حائل : ضابطه شماره 308 | 3-7- کنترل نشت

1-3-7- ملاحظات کلی 

دیوار های سیل بند رودخانه اي و ساحلی، غالبا تحت تاثیر زیرنشت (جریان زه در پی دیوار)، نشت در اطراف و انتهـای دیوار و نشت از میان جسم دیوار می باشند. کنترل نشت از جمله ملاحظات اصلی در طرح دیـوار هـای سـیل بنـد اسـت. نشت کنترل نشده معمولا منجر به افزایش فشار، ایجاد فشار برخاسـت (بـرکنش) در زیـر دیـوار و کـاهش ضـریب ایمنـی پایداری خواهد شد. افزایش فشار منفذی در مصالح پی و در حوالی پنجه دیوار ممکن است شرایط ژئـوتکنیکی منجـر بـه جوشش ماسه و تورم خاک را در پی فراهم نماید. پدیده نشت در پی ممکن اسـت دارای چنـان سـرعتی باشـد کـه بـرای جابجایی مصالح غیر چسبنده پی و ایجاد رگاب کافی باشد. کنترل نشت مستلزم طراحی جزییاتی است تـا فشـار نشـت و سرعت حرکت آن در خاک در محدوده مجاز حفظ شود. در بعضی موارد ممکن است نشت کنترل شـده بـا وجـود بـزرگ بودن مقدارش، فاقد خطر جدی باشد. در صورتی که دیوار سیل بند برای محافظت منـاطق مسـکونی احـداث شـود، بایـد نشت آب از طریق پمپ تخلیه گردد. از آنجایی که بده نشت آب در مقایسه با دیگر منـابع کوچـک اسـت، بـه نـدرت لازم است که از جزییاتی خاص جهت کنترل و کاهش مقدار آب نشتی استفاده گردد. 

در سیل بندها، برای کنترل نشت در پی دیوار، مطابق شکل (7-1) از پرده آب بند (سپر فـولادی یـا بتنـی) و زهکـش پنجه استفاده می گردد. کنترل نشت در اطراف دیـوار، از طریـق سـاخت خـاکریز انتهـایی و آب بنـد نمـودن آن صـورت می گیرند که جزییات آن در بند 7-6 ارائه می شود. کنترل نشت از میان جسم دیوار از طریق نصب لاسـتیک هـای آب بنـد در درزهای اجرایی یا انبساطی صورت می گیرند که در بند 7-7 معرفی می شوند. 

2-3-7- کنترل نشت زیر دیوار (زیرنشت) 

گاهی دیوار های سیل بند روی نوعی مصالح آبرفتی اجرا می شوند که در آن، مصالح نفوذپذیر با ضخامتی قابل توجـه در زیر لایه ای نسبتا نفوذناپذیر قرار می گیرند و به صورت هیدرولیکی به رودخانه متصـل مـی شـود. بـه دلیـل لایـه ای بـودن مصالح آبرفتی، نفوذپذیری آن ها در امتداد افق به میزان قابل ملاحظه ای بزرگ تر از امتداد قایم است. مجموع ایـن شـرایط باعث وقوع پدیده نشت و جریان آب از زیر دیوار خواهد شد. زمانی که دیوار سیل بند بر خاک نفوذپذیر اجرا شـود (کـه در اکثر مواقع این گونه است) استفاده از پرده آب بند برای قطع زیرنشت، علاوه بر انجام زهکشی جریان آب در پنجـه دیـوار، باید مورد توجه قرار گیرد. 

هدف اصلی از تحلیل جریان نشت در زیر دیوار، محاسبه شیب هیدرولیکی خروجی در لبه پنجه دیـوار سـیل بنـد یـا خاکریز می باشد که در نهایت، به مقایسه آن با مقدار شیب هیدرولیکی بحرانی (بین 0/8 تا 1/0) می انجامد. 

در این راستا در جهت اطمینان، شیب هیدولیکی مجاز معادل 0/5 تا 0/8 انتخاب می شود که در صورت افزایش شیب هیدرولیکی لبه پنجه از این مقدار، کنترل زیر نشت صورت می گیرد. محاسبه شیب هیدرولیکی مذکور بـا هـدف ارزیـابی نیاز به کنترل نشت و طراحی سیستم های کنترلی خاص انجام می گیرد. به این منظور، خاک زیر شالوده دیوار بـه صـورت دو لایه شامل یک لایه نسبتا نفوذناپذیر بر روی یک لایه نفوذپذیر، فرض می شود. جزییات تحلیـل ایـن مسـاله در منـابع مربوط به اصول ژئوتکنیک و نشت وجود دارد. 

روش کنترل زیرنشت روش منحصر به فردی نیست. همچنین انتخاب یک الگو و شکل تحلیلی کاملا به شـرایط ویـژه محل مانند خواص نفوذپذیری خاک زیر دیوار، امتداد جریان نشت ،مسایل اجرایی و هزینه ها بسـتگی خواهـد داشـت. در مواردی که شرایط محل - شامل شرایط هندسی محل، غیرهمگن بودن خاک محل و لایه بندي خاک زیر شالوده - پیچیـده باشد، نیاز به تحلیل های دقیق بر پایه تحلیل خطوط جریان یا تحلیل اجزای محدود خواهد بود .پـاره ای از انـواع مختلـف کنترل زیرنشت در ادامه تشریح می شود.

3-3-7- پرده آب بند

اجرای دیواره آب بند در زیر پاشنه دیوار به طوری که وارد لایه نفوذپذیر گردد، یکی از راه حل های مفید جهـت کنتـرل زه جریان در زیر دیوار می باشد. پرده آب بند می تواند شامل ترانشه پرشده با مصالح متراکم نفوذناپذیر، ترانشـه پرشـده بـا گل بنتونیت، زبانه برشی بتنی در مقیاس بزرگ تر و یا سپر کوبیده شده در زمین باشد. 

پرده آب بند معمولا در انتهاي پاشنه دیوار قرار می گیرند. عمق نفوذ پرده آب بند باید بر اسـاس تحلیـل نشـت تعیـین گردد. پرده آب بند باید آنقدر عمیق باشد تا کاهش قابل توجه میزان جریـان آب در خـاك پـی مشـهود گـردد، هـر چنـد پرده هاي آب بند کوتاه تر نیز می توانند در کاهش فشار برخاست زیر دیوار موثر باشند. پرده های عمیق عموما مانع از تبادل عادی جریان آب زیرزمینی بین سفره  زیر سطحی و جریان رودخانه در مواقع غیرسیلابی شده و باید تنها در مـواردی کـه مطالعات جامع هیدرولوژی در این خصوص انجام شده باشد، (تـا مشـخص شـود کـه در چرخـه جریـان آب خلـل ایجـاد نمی کند) مورد استفاده قرار گیرند. 

نوع و عمق پرده آب بند باید بر پایه تحلیل نشت و شرایط واقعی محل تعیین گردد. سـپرهای فـولادی بـه علـت عـدم درزبندی مناسب در محل قفل و بست لبه ها، کاملا نفوذ ناپذیر نیستند، بـا ایـن حـال در کـاهش گرادیـان هیـدرولیکی و کاهش پدیده رگاب در پنجه شالوده های احداث شده در خاک های درشت دانه بسیار موثر می باشند. این امـر بـه گونـه اياست که اثر آن در کاهش فشار برخاست زیر شالوده های مستقر بر خاک درشت دانه، تا 50 درصـد نیـز مـی رسـد. ترسـیم نمودار فشار برخاست در تحلیل پایداری دیوار باید با فرض ارتفاع کامل فشار در نقطه B در وجه بیرون پرده آب بند (وجه محافظت نشده) انجام گیرد و از افت فشار به جهت حرکت جریان آب در خاک در طول مسیر AB صرف نظر گردد (شکل 7-2). ارتفاع فشار در نقطه ’B در سمت محافظت شده پرده آب بند باید به میزان 50 درصد اخـتلاف ارتفـاع فشـار در دو نقطه پاشنه و پنجه دیوار (نقطه B و نقطه C) کاهش یابد. محاسبات فشار برخاست به ترتیب زیر صورت می گیرد.

اثر پرده آب بند از نوع سپر فولادی، ممکن است در کاهش فشار برخاست به شرح گفته شـده در مـواردی بـیش از 50 درصد باشد که لحاظ کردن آن در محاسبات باید بر پایه وجـود تجربـه هـاي مشـابه و مـدارک کـافی صـورت گیـرد. اثـر پرده های آب بند در خاک های ریزدانه کم تر از مصالح درشت دانه می باشد، چرا که چسبندگی موجـود در مصـالح ریزدانـه منجر به وقوع ترک خوردگی یا جدایی خاك از پرده آب بند می گردد. 

4-3-7- زهکش پنجه

کلیه سیل بندهایی که در خشکی قرار می گیرند، باید مجهز به زهکش پنجه در سمت خشـکی مشـابه آنچـه در شـکل (7-1) نشان داده شده، باشند. نیاز به استفاده از این نـوع زهکـش در مـورد دیوارهـای سـاحلی بـا تحلیـل نشـت تعیـین می گردد. این نوع زهکش که در لبه شالوده دیوار در سمت خشکی قرار گرفته و به موازات آن امتداد مـی یابـد، بـه عنـوان مجرایی برای خروج جریان هاي موضعی زیر دیوار، کنترل کننده پدیده رگاب و فشار برخاست اضافی در نزدیکی شالوده به کار می رود. در مورد شالوده هاي مستقر بر خاک های نفوذناپذیر، تعبیه زهکش پنجه جهت کنترل نشت در زیر دیوار کافی است، درحالی که در مورد خاک های نفوذپذیر، استفاده از انواع دیگر سیستم های کنترل میبایست مـدنظر قـرار گیـرد. در مورد شالوده های مستقر بر شمع، نصب زهکش پنجه معمولا برای جلوگیری از شسته شدن و از بین رفتن مصـالح دانـه اي زیر پایه دیوار کافی است. زهکش نباید هیچگاه زیر شالوده قرار گیرد تا امکان نگهداری و قابلیت دسترسی بـه آن فـراهم باشد و از شکستگی احتمالی آن جلوگیری شود. زهکش های پنجه معمولا شامل لوله اي به قطـر 150 تـا 200 میلـی متـر می باشد که نیمه پایینی آن در فواصل مشخص سوراخکاری شده است و این لوله  در درون یک لایه مصالح فیلتر (مطـابق ضوابطی که در بخش هاي قبلی گفته شده است) با ضخامتی بین 150 تا 250 میلی متر محصـور اسـت. آبـی کـه توسـط زهکش جمع آوری می گردد معمولا به صورت ثقلی به درون کانال هـاي جمـع آوری یـا جـوی، حوضـچه هـاي سـطحی یـا ایستگاه های پمپاژ هدایت شده و از محل دور می شود. در هنگام طراحی و اجرا باید امکان دسترسی به زهکش جهت رفـع مشکل و اجراي عملیات نگهداری و مراقبت در محل تغییـر راسـتای آن و در فواصـلی کـم تـر از 150 متـر فـراهم گـردد. 

همچنین لوله های تخلیه نیز باید دارای شیرهاي یک طرفه باشند تا از ورود آب سطحی به زهکش جلوگیری شود. 

5-3-7- ترانشه زهکش   

در صورت کم بودن ضخامت لایه نفوذناپذیر فوقانی و یا عدم وجود چنین لایـه ای، اسـتفاده از ترانشـه زهکـش جهـت کنترل نشت دیوار در نزدیکی پنجه در نظر گرفته می شود. ترانشه زهکش عملکردی مشابه زهکش پنجه، امـا در مقیـاس بزرگ تر دارد و به صورت یک ترانشه می باشد که از سطح زمین شروع شده و تا درون لایه نفوذپذیر سطحی یا غیرسطحی (لایه اي که بعد از لایه نفوذناپذیر سطحی قرار دارد) امتداد می یابد. عمق نفوذ ترانشه به تجهیزات حفـاری موجـود و نیـاز خشک سازی منطقه بستگی خواهد داشت. انجام حفاری ترانشـه، قـرار دادن لولـه هـای زهکـش و خـاکریزی آن بایـد در خشکی کامل صورت گیرد و به منظور اطمینان از کفایت ظرفیت زهکشی، معمولا لوله هاي زهکـش را قـدری دسـت بـالا نسبت به محاسبات انجام شده در نظر می گیرند. خاکریزی مجدد درون ترانشه با مصالح فیلتر صـورت مـی گیرنـد. مشـابه زهکش پنجه، دسترسی به ترانشه زهکش در فواصل مشخص جهت بازبینی و انجام عملیات تعمیر و نگهـداری در فواصـل مشخص باید فراهم گردد و همچنین از پس زدگی جریان به داخل آن جلوگیری شود. انجام محاسبات نشت جهت تعیـین میزان جریان آب در زیر دیوار باید با فرض تراز پایین دست منطبق بر تـراز آب خروجـی در زهکـش انجـام شـود. امـا در صورتی که امکان راکد ماندن آب پشت دیواره سیل بند در سـمت خشـکی وجـود داشـته باشـد، انجـام محاسـبات فشـار برخاست باید با توجه به تاثیر مانداب انجام گیرد. 

6-3-7- چاه های تخلیه یا فشارشکن 

چاه های فشارشکن جهت کاهش فشار برخاست در عمق لایه نفوذپذیر به کار می روند که این فشار اضافی ممکن است باعث جوشش ماسه یا وقوع رگاب در مصالح پی گردد. عملکرد این چاه ها کنترل جوشـش ماسـه در خـاک هـای دانـه ای ،کاهش فشار به واسطه تخلیه آب زیرزمینی، با حفظ مصالح پی با استفاده از فیلتر و جداکننـده اسـت. مزیـت اسـتفاده از چاه های فشارشکن در صورت ضخیم بودن لایه نفوذپذیر یا بیش تر بـودن ضـخامت آن نسـبت بـه لایـه هـای نفوذناپـذیر، مشهود است. استفاده از این چاه ها، به خصوص در کنترل نشت زیاد آب در لایه های نفوذپذیری که در تمـاس مسـتقیم بـا رودخانه می باشند بسیار مفید است. از دیگر مزایای استفاده از این چاه ها، سهولت اجرای آن ها در مواردي است کـه فشـار پیزومتریک اندازه گیری شده در زمان سیلاب زیاد باشد و کنترل فشار نشت را الزامی نماید. طراحـی ایـن نـوع چـاه هـای زهکش در کتب تخصصی تشریح شده است. اصول کلی طراحی آن ها شامل انتخاب واصل، قطر و عمق آنها در یک خـط طرح می باشد به گونه ای که افت گرادیان مورد نظر در خط واصل بین پنجه دیوار و ردیف چاه ها تامین گردد. معمولا ایـن چاه ها در تقاطع با زه یا جریان های آب سطحی در خاک فاقد عملکرد مناسب و مـوثر مـی باشـند و در چنـین مـواردی از طرح ترکیب آن ها با زهکش  پنجه دیوار استفاده  میگردد. انجام آزمایش پمپاژ بـر روی ایـن چـاه هـا در هنگـام نصـب یـا راه اندازی لازم است. پس از مدتی به دلیل فرسایش بدنه چاه و گرفتگی های ناشـی از موجـودات ذره بینـی بـازده چـاه هـا کاهش می یابد. بنابراین، بازبینی و مراقبت منظم از چاه ها در دوره بهره برداری و انجام عملیات ترمیمی جهت اطمینـان از حفظ کیفیت و قابلیت های فنی سیستم زهکش، امری ضروری است. در طول دوره بهره برداری از چاه هـا، انجـام آزمـایش پمپاژ و مقایسه ظرفیت ویژه چاه (نسبت جریان به افت سطح ایستایی) با مقدار نظیر آن در ابتدای عمـر چـاه لازم اسـت. برای محاسبه فشار برخاست زیر دیوار، ارتفاع فشار در امتـداد مسـیر چـاه، بایـد مسـاوی میـانگین ارتفـاع آب در صـفحه چاه های فشارشکن فرض شود . 

7-3-7- کف پوش ناتراوا در سمت آب

استفاده از یک لایه نفوذناپذیر که اصطلاحاً کف پوش نفوذناپذیر یا ناتراوا خوانده می شود، روی لایـه نفوذپـذیر راه حـل مناسبی در کاهش مقدار نشت، فشار برخاست و گرادیان هیدرولیکی در سمت خشکی در زیر دیوار سـیل بنـد مـی باشـد.

جنس کف پوش می تواند از مصالح طبیعی نفوذناپذیر مثل خـاک رس و یـا مـواد پلیمـری مصـنوعی باشـد. تحلیـل تـاثیر کف پوش نفوذناپذیر بر موارد فوق با استفاده از روش اجزاي محدود، شبکه جریان و روابط تحلیلی امکان پذیر است. 

کف پوش ناتراوا در سمت رودخانه می تواند روی یک لایه نفوذناپذیر طبیعـی کـه خـود نقـش لایـه نـاتراوا را دارد، بـه منظور بهبود خواص طبیعی آن در کنترل نشت اجرا شود و یا ممکن است به طـور مسـتقیم روی مصـالح نفوذپـذیر اجـرا گردد. باید توجه داشت که گاهی شیب تند ساحل رودخانه  اجرای کف پوش نـاتراوا را غیرعملـی مـی سـازد، همچنـین بـه ندرت امکان اجرای این کف پوش روي لایه های نفوذپذیر رودخانه در زیر آب  وجود دارد. شواهد موجود حاکی از آن اسـت که وجود ناپیوستگی در کف پوش ناتراوا مـی توانـد تـاثیر منفـی در عملکـرد آن بگـذارد. همچنـین لازم اسـت بـین لایـه نفوذناپذیر و شالوده دیوار در سمت آب همپوشانی و اتصال کافی وجود داشته باشد تا بـه واسـطه تغییـر شـکل دیـوار بـه سمت خشکی در اثر فشار آب، گسیختگی و ناپیوستگی در لایه ناتراوا به وجود نیاید. 

کف پوش ناتراوا در سمت آب ممکن است در اثر تغییرات مداوم یا شدید رژیم رودخانه تحت اثر فرسایش قـرار گیـرد و یا در صورتی که در حین اجرا به طور کامل و پیوسته مرطوب نشده باشد، احتمـال تـرك خـوردگی وجـود دارد، بنـابراین جهت جلوگیری از وقوع چنین حالاتی حفاظت این کف پوش بلافاصله پس از اجـرا امـری ضـروری اسـت. معمـولا اجـرای مناسب پوشش گیاهی جهت مقاومت در مقابل چنین معضلاتی کافی است و در طول مسیر ساحل رودخانه یا نـواحی دور از ساحل، استفاده از سنگ چین یا دیگر تمهیدات حفاظتی مناسب خواهند بود.

8-3-7- خاکریز در سمت خشکی   

عملکرد خاکریزها در سمت خشکی، تامین ضخامت اضافی برای خاک سمت خشکی، طولانی تر کـردن مسـیر نشـت و در نتیجه کاهش گرادیان هیدرولیکی می باشد، عرض آن ها معمولا 30 تا 90 متر است (شکل 7-3). نظر بـه آنکـه معمـولا سیل بندها در محلی احداث می شوند که حریم ساحلی و یا فضای کافی جهت احداث تاسیسات جـانبی وجـود نـدارد، بـه ندرت از این شیوه استفاده می شود.

9-3-7- تزریق در درزهای لایه سنگی 

در صورتی که لایه سنگ، سطحی باشد و در نتیجه امکان قرار دادن مستقیم سازه سیل بند بـر روی آن وجـود داشـته باشد، انجام آزمایش ها و بررسی لایه سنگی و کنترل عدم وجود درز و ترک های باز در آن که به نوعی منجـر بـه نشـت آب گردند، ضروری است. کنترل این نوع درزه ها در صورت وجود و باز بودن آن ها، از طریـق تمیـز کـردن مـواد داخلـی و سپس انجام تزریق صورت می گیرند و بعد از آن شالوده سیل بند اجرا می گردد. در صورت احتمال فرار آب از لایـه سـنگی به درون لایه های نفوذپذیر و عدم عملکرد مناسب تزریق نقطه ای، اجراي یک پرده تزریقی در مسیر نشت، مفید می باشد.