بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به معیارهاي موجود براي طراحی ژئوتکستایل، سه نمونه ژئوتکستایل 250 و300 و 350 گرم بر متر مربع از شرکت بهسازنسج انتخاب و سپس آنها را جـایگزین فیلتـر دانـهاي پـاییندسـت کـرده و تغییرات افزایش تعداد لایهها از یک تا 20 لایه، با میزان تراوش بـا نـرمافـزار (GeoSlope SEEP/W)
بررسی شدند. با توجه به نتایج به دست آمده، نمونه 250 گرم برمترمربع در 18 لایه با هزینه 94 میلیـون تومان و با 41/97 درصد کاهش هزینه نسبت به هزینه فیلتر دانهاي، نمونـه 300 گـرم برمترمربـع در 14
لایه و با هزینه 101 میلیون تومان و با 37/65 درصد کاهش هزینه و نمونه 350 در 11 لایـه بـا هزینـه
107 میلیون تومان و با 33/95 درصد کاهش هزینه، تراوشی برابر با تراوش فیلتر دانهاي دارند. باتوجه به اینکه هزینه تولید فیلتر دانهاي پاییندست 162 میلیون تومان برآورد شده، بنـابراین از میـان گزینـههـاي فوق، نمونه 300 گرم بر سانتی متر مربع با 37/65 درصد کاهش هزینه، از لحاظ اقتصـادي و هـم از نظـر تعداد لایهها مناسب به نظر میرسد، که براي اجرا پیشنهاد میشود.
واژههاي کلیدي: سد خاکی، فیلتر دانهاي، فیلتر ژئوتکستایل، تراوش، نرمافزار SEEP/W
مقدمه
با توجه به نقش و اهمیت فیلتر در سدهاي خاکی، فیلتر از جمله مصالحی است که تهیه آن پرهزینـه و طراحی آن از نظر ایمنی بسیار مهم می باشد. در جاهایی کـه امکـان تهیـه مصـالح فیلترهـاي دانـهاي نیست، می توان استفاده از ژئوتکستایل را به عنوان یک گزینه، مورد بررسی قرار داد. فیلتر ژئوتکستایل به لحاظ آسانی نصب، کاهش هزینه و مهمتر از همه کارایی بالا می تواند جایگزین مناسبی براي فیلترهـاي
157
دانهاي باشد. در طینیم قرن اخیر استفاده از مواد و مصالحهندسـیمصنوعی در پروژههـاي عمـران بـه
صــورت تــدریجی در حــال پیشــرفت بــوده اســت. بــا ابــداع مــواد مصــنوعی بــادوام و قابــل اطمینــان (Geosrothetic) افزایش کاربرد آنها در کارهاي مهندسی را بـه دنبـال داشـته اسـت. درتعریـف کلـی، ژئوسنتتیکها منسوجات یا پوششهاي ساخته شده از الیاف متشکل از انواع پلیمرها و مواد پلاستیکی ماننـد پلی وینیل کلراید، پلی پروپیلن، نایلون و سایر رزینهاي مصنوعیاند کـه ایـن پلیمرهـا در مقابـل عوامـل شیمیایی و بیولوژیکی بسیار مقاومند. مزیت آنها نسبت به مسلحکنندههاي فلزي، فسادناپذیر بودن آنها در مقابل عوامل خورنده درون خاك، بیشتر بودن دامنه ضرایب تغییر شکل و دامنه مقاومت کششی مـواد پلیمري، کاهش سختی خاك و تنوع فراوان این محصولات است. ژئوسنتتیکها بـه دلیـل امکـان کنتـرل کیفیت آنها در ساخت، نصب سریع و دسترسی گسترده و ارزان بودن نسـبی آنهـا، کـاربرد فراوانـی در کارهاي عمرانی دارند.
از مشتقات ژئوسنتتیکها میتوان به ورقههاي مصنوعی پلاستیکی که نسبت به عبور سیالاتی مثـل آب نفوذپذیرنــد یــا ژئوتکســتایلها (Geotextiles)، غشــاءهاي غیرقابــل نفــوذ یــا ژئــوممبرینهــا (Geomembranes)، شبکههاي توري روباز غیر قابل انعطاف یا ژئوگریدها (Geogrids) و یا ترکیبـی از این تولیدات یعنی ژئوکامپوزیت (Geocomposites)، ژئودرینها (Geodrains)، ژئوسلهـا (Geocells)
و... اشاره نمود. هر یک از این محصولات بر اساس ویژگیهاي آن، کاربرد خاصی داشـته و در راه و بانـد، آب و سد، هیدرولیک، خاك، ژئوتکنیک، نفت و گاز و پتروشیمی و ساختمان مورد استفاده قـرار مـیگیـرد
.(ICOLD, 1986)
طبقهبندي خصوصیات اصلی ژئوسنتتیکها
خصوصیات ژئوسنتتیکها همانند هر مـاده دیگـري کـه در فعالیتهـاي مهندسـی مـورد مصـرف قـرار میگیرد، به مواد به کار رفته در تولید آنها، چگونگی ساخت وشکل فیزیکی محصول نهایی بستگی دارد.
خصوصیات اصلی آنها را میتوان به سه گروه زیر تقسیم نمود:
-1 خصوصیات فیزیکی: (وزن مخصوص، ضخامت، انعطاف پذیري،...) -2 خصوصیات مکانیکی: (دوام، مقاومت کششی، مقاومت به سـوراخ شـدگی، مقاومـت بـه خصوصـیات
اصطکاکی) -3 خصوصیات هیدرولیکی: (تخلخل، نفوذپذیري، قابلیت انتقال).
خصوصیات هیدرولیکی ژئوتکستایلها، توانایی آنها را جهت انجام وظیفه به عنوان فیلتـر و زهکـش تعیین مینماید .(Koerner, 1986)
انواع ژئوتکستایلها
ژئوتکستایلها می توانند به صورت بافته (Woven) و نبافته (Non-Woven) باشند. آزمایشات نشـان
158
داده که الیاف نبافته در مقابل پارگی از الیاف بافته مقاومترند دلیل این امر درهـم بـودن الیـاف در نبافتـه است که باعث انتقـال نیـرو بـه تعـداد الیـاف بیشـتري مـی شـود. در شـکل (1) تصویرمیکروسـکوپی از ژئوتکستایلهاي بافته و نبافته ارایه شده است (کلهري، .(1384
شکل :1 تصویر SEM (میکروسکوپ الکترونی) ژئوتکستایل بافته شده (راست،) نبافته (چپ)
مزایاي ژئوتکستایلها
-1 کیفیت بهتري نسبت به مصالح دانهاي دارند.
-2 حتی در شرایط دشوار وسخت از نظر نوع خاك بستر نیز نصب آنها ساده وسریع صورت میگیرد. -3 حجم خاکبرداري را کم کرده ومقدار مصالح دانهاي مورد نیاز راکاهش میدهد.
-4 اجازه میدهند که از مصالح دانهاي ارزانتري استفاده شود. -5 قرار دادان آنها به صورت افقی، عمودي و مایل راحت است.
-6 مشخصات هیدرولیکی آنها از قبل قابل تغییر است (چون در کارخانه ساخته میشوند). -6 مقاومت کششی مستقلی دارند.
-7 حفظ پایداري خاك مورد حفاظت با اجازه عبور آب از خاك. -8 توزیع فشار هیدرواستاتیک وکنترل جریان آب.
-9 افزایش عمر مفید سازه.
-10 کاهش قابل توجه در هزینههاي مواد، نیروي کار و زمان. -11 سازگاري با محیط. (Koerner, 1986)
خواص هیدرولیکی ژئوتکستایلها (Koerner, 1986)
تخلخل (Porosity)
این پارامترمعمولاً ازطریق خواص ژئوتکستایل واز رابطه (1) محاسبه میشود.
159
(1) m n 1 −
ρ t
که در آن :n تخلخل، :m جرم واحد سطح، : ρ چگالی ژئوتکستایل، :t ضخامت ژئوتکستایل.
بر اساس رابطه فوق میزان تخلخل با ضخامت نسبت مسـتقیم دارد. دامنـه تغییـرات تخلخـل بـراي ژئوتکستایلهاي بافته شده بین 50 تا100 درصد میباشد.
درصد فضاي باز : (POA)
درصد فضاي باز (Percent of Opening Area) نشانگر درصدي از سطح ورقه ژئوسنتتیک میباشد که توسط روزنهها پوشیده شده است یا درصد فضاي باز نسبت سطح خالی (فضـاهاي خـالی بـین الیـاف مجاور) به مساحت کل نمونه است. این پارامتر براي ژئوتکستایلهاي بافته شده مهم می باشد. براي الیـاف پیوسته، واحد وتاب نخوردهتقریباً برابر صفر است. دامنه تغییرات آن براي ژئوتکستایلهاي بافته شده بین
1 تا 36 درصد میباشد.
اندازة منافذ معادل (EOS) یا ظاهري : (AOS)
(Equivalent Opening Size) EOS یا ( Opening SizeApparent) AOS هـردو اصـطلاحات هم ارزي هستند و نشاندهنده قطر مؤثر منافذ ورقه ژئوسنتتیک بوده و معادل شماره الک استانداردي که از نظر اندازه نزدیکترین سوراخها را به سوراخهاي ژئوتکستایل دارد می باشد. طبق تعریف، این دو کمیـت برابر O95 و نشاندهنده اندازهاي می باشد که 95 درصد ذرات خاك مجاور فیلتر از آن کوچکترنـد. دامنـه تغییرات آن بین شماره الک 10 تا200 میباشد.
نفوذپذیري در صفحه عرضی : (Permittivity)
وقتی که ژئوتکستایل به عنوان فیلتر استفاده میشود باید آب بتواند از مقطع عرضی آن عبـور کنـد و در عین حال جلوي حرکـت ذرات ریـز دانـه گرفتـه شـود. بنـابراین در ایـن کـاربرد میـزان نفوذپـذیري ژئوتکستایل در صفحه عرضی اهمیت دارد و از آنجاییکه فشار وارد بر سطح ژئوتکستایل باعـث تغییـر در ضخامت آن می شود این مسئله روي نفوذپذیري آن تأثیر گذاشته و از اینرو پارامترهاي جدیدي با عنـوان نفوذپذیري (Ψ) جهت سنجش میزان نفوذپذیري درصفحه عرضی براي ژئوتکستایلها تعریف میشود:
Ψ ktn (2) k n ضریب نفوذپذیري درصفحه عرضی ژئوتکستایل، :t ضخامت ژئوتکستایل
160
نفوذپذیري داخل صفحهاي : (Transmissivity)
براي جریان آب از داخل صفحه ژئوتکستایل واسـتفاده ازآن بـه عنـوان زهکـش تغییـرات ضـخامت
(دراثر فشار وارده بر سطح آن) مهم است. بنابراین پارامترهاي جدیدي بـه نـام گـذردهی یـا نفوذپـذیري داخل صفحهاي (θ) براي ژئوتکستایلها تعریف میشود و ضخامت در آن دخالت داده میشود:
θ kp t (3)
: kp ضریب نفوذپذیري در صفحه عرضی ژئوتکستایل، : t ضخامت ژئوتکستایل.
قابلیت نگهداري خاك توسط ژئوتکستایل:
براي تعیین میزان قابلیت نگهداري خاك توسط ژئوتکستایل، مخلوط آب وخاك به صورت گـل روان از آن عبور داده میشود. در حین انجام آزمایش تغییرات دبی عبوري با زمان و نیز مقدار ذرات خاکی کـه از ژئوتکستایل عبور میکنند اندازهگیري می شود. بدین ترتیب درجه انسـداد و قابلیـت نگهـداري توسـط ژئوتکستایل معین میشود.
طراحی محدوده فیلتر ژئوتکستایل فرضی براي سد کینهورس
براي طراحی فیلتر ژئوتکستایل با توجه به مشخصات هسته سد، اطلاعات کافی از قبیل دانـهبنـدي، نفوذپذیري و کیفیت مصالح مورد نیاز است (جدول .(1 با فرض اینکه حالـت بحرانـی در شـرایط جریـان پایدار اتفاق میافتد و با فرض ماندگاري سطح آب در رقوم نرمال در بازه زمانی به اندازه کافی بـزرگ، از نمودار شرایط جریان پایدار (Steady-State)، شکل (2) براي انتخاب معیار نگهـداري اسـتفاده مـی شـود
.(Giroud, 2000)
جدول -1 مشخصات فنی هسته سد کینه ورس
حد روانی % 25 -47
شاخص خمیري % 8 - 27
میزان عبوري از الک % 200 25 - 95
هدایت هیدرولیکی(cm s k 1×10−7
حد روانی کمتر از 50 خاك از نوع CL
161
شکل -2 نمودار معیارهاي نگهداري عددي براي شرایط جریان پایدار Steady-State)،) (Giroud, 2000)
بــا توجــه بــه مشخصــات خــاك مبنــا، جــدول (1) و شــکل (2)، میــانگین قطــر روزنــه AOS، O95 0.21mm براي اندازه روزنهها به دست میآید. با توجه به مشخصات ارایه شده توسـط شـرکت بهساز نسج، جدول (3) و عدد بـه دسـت آمـده بـراي AOS، از ژئوتکسـتایل پلـی اسـتر نبافتـه سـوزنی 250 (polyester Nonwoven Needle Punched) و300 و 350 گرم بر مترمربع براي انجـام آنالیزهـا
استفاده میشود.
162
شکل -3 مشخصات فنی ژئوتکستایل (پلی استر نبافته سوزنی) ارایه شده توسط شرکت بهساز نسج
با توجه بـه انتخـاب ژئوتکسـتایل250، 300 و 350 گـرم بـر مترمربـع و مشخصـات فیلتـر دانـهاي
(نفوذپذیري s k 0.01cm ، ضخامت 3 متر، با تراوش day 0.121m3 و هزینه یک میلیارد و ششصد و بیست میلیون ریالی)، نمونه ژئوتکستایلها به جاي فیلتر پاییندست مطابق شکل (4)، به صـورت مایـل جایگزین می شود. سپس با افزایش تعداد لایههاي ژئوتکستایل از یک تا 20 لایه، آنالیز تراوش با نرمافزار SEEP/W براي آنها انجام میگردد. پس از آن، میزان تراوش حاصل و هزینه کل اجـراي آن محاسـبه می شود که در جدول (4) ارایه شده است. شکلهاي (5)، (6) و (7) نمودار تغییرات تراوش با ضـخامت را براي ژئوتکستایل 250، 300 و 350 گرم بر متر مربع نشان میدهد.
با توجه به فهرست بهاي سدسازي سال 87 مطابق جدول (2) هزینههاي مربوط به تولید مصالح اجرا محاسبه میشود.
163
جدول -2 فهرست بهاي واحد پایه رشته سدسازي سال1387، فصل اول، عملیات خاکی و تخریب
شماره شرح واحد بهاي واحد (ریال)
011801 تهیه مصالح و اجراي لایه صافی (فیلتر) ریزدانه از مصالح مترمکعب 48200
رودخانهاي، با حداکثر اندازه دانه 15 میلی متر
011802 تهیه مصالح و اجراي صافی (فیلتر) درشت دانه از مصالح مترمکعب 42300
رودخانهاي، با حداکثر اندازه دانه 25 میلی متر
با توجه به جدول (3)، هزینههاي مربـوط بـه تهیـه و اجـراي ژئوتکسـتایلها انتخـاب شـده محاسـبه میگردد. براي این کار با توجه به نقشههاي موجود سـطح تقریبـی فیلتـر پـایین دسـت برابـر 7490/68
مترمربع برآورد شده است.
