دیوارهای سیل بند
عملکرد اصلی دیوارهای سیل بند هدایت رواناب و جلوگیری از گسترش سیل در منطقه مورد محافظت است. دیوارهای سیل بند، در یک وجه تحت تأثیر بارگذاری فشار هیدرواستاتیک سیلاب و در وجه دیگر تحت تأثیر فشار خاک و آب زیرزمینی است. دو نوع اصلی سیل بندها، عبارتند از سیل بندهای رودخانهای و سیل بندهای ساحلی.
سیل بندهای رودخانهای در طول مشخصی از ساحل رودخانه یا مسیل اجرا شده و در هنگام سیلاب با جلوگیری از ورود سیل به اراضی کشاورزی و شهری، تحت تأثیر فشار هیدرواستاتیک از سمت رودخانه تا تراز سیلاب قرار میگیرند. در مقابل سیل بندهای ساحلی که در کنار دریاها اجرا میشوند، تحت تأثیر بارهای کوتاه مدت ناشی از بالا آمدن آب در اثر موج، ضربات موج، یا اثر جزر و مد دریا هستند. امواج ساحلی ماهیت دینامیکی داشته و در مدت چند ثانیه بر سازه اثر میکند. در خلال طوفان، به علت سرعت باد و شدت برخورد امواج، اجرای عملیات ترمیمی در دیوار ساحلی و همچنین شریانهای حیاتی مرتبط با آنها بسیار مشکل است. لذا باید با اعمال تدابیر طراحی و جزییات اجرایی مناسب، از عملکرد رضایت بخش دیوارها در شرایط بحرانی مطمئن شد.
انواع دیوارهای سیل بند و ساحلی
انواع متعارف دیوارهای سیل بند به شرح زیر است.
دیوارهای سیل بند صلب
- دیوارهای وزنی (بنایی، بتنی و خاکی)
- دیوارهای غیروزنی (طرهای L ، I ، T، پشت بنددار و …)
- دیوارهای عمیق (سپرهای بتنی)
- دیوارهای صندوقهای
دیوارهای انعطاف پذیر
- سپرهای فولادی
- خاک مسلح (با شبکههای فولادی و یا پلیمری)
- دیوارهای گابیونی (توری سنگی)
- شمعهای پهلو به پهلو
دیوارهای طرهای T معکوس
اغلب دیوارهای سیل بند از نوع طرهای T معکوس هستند. این دیوارها شامل شالوده و دیوار (سیل بند) هستند. در صورتی که در روی خاک احداث شوند، برای افزایش ضریب اطمینان در مقابل لغزش میتوان از زبانه برشگیر استفاده نمود. در صورتی که روی سنگ احداث شوند، معمولاً نیاز به زبانه برشگیر نخواهند داشت. در صورتی که در زمین نامناسب احداث شوند، وجود فونداسیون شمعی لازم خواهد بود. استفاده از تدابیری جهت جلوگیری از فرسایش پای دیوار حایل در مقابل جریان آب لازم است.
دیوار طرهای I و L
دیوار طرهای I و L شامل سپر یا شمع فولادی است که در بالای آنها دیواری احداث شده است. این دیوارها در زمینهای نرم با ظرفیت باربری کم که احتمال فرسایش ناشی از جریان آب در آنها زیاد است استفاده میشود.
سپرهای بتنی مهار شده
این دیوارها متشکل از سپرهای بتنی استکه در مجاورت یکدیگر کوبیده شده اند و در بالای آنها کلاف بتنی به صورت درجا ریخته میشود که باعث یکپارچگی آنها میشود. کلاف به کمک اتصالات برشگیر با سپرهای پیش ساخته یکپارچه میشود. از این دیوارها به عنوان دیوارهای ساحلی به وفور استفاده میشود. استفاده از این دیوارها در مواردی که سطح آب زیرزمینی بالاست، ایدهال است.
سپرهای فولادی
از انواع دیگر دیوارهای سیل بند، سپرهای فلزی هستند که به صورت مهار شده یا مهار نشده هستند. نوع دیگری از سپرهای فولادی در آرایش سلولی نشان داده شدهاند. در کل استفاده از سپرهای فولادی به عنوان دیوارهای سیل بند از لحاظ اجرا، ساده و سریع، لیکن از لحاظ هزینه گران است.
دیوارهای صندوقهای
دیوارهای صندوقهای از انواع دیگر دیوارهای ساحلی هستند که در آنها به منظور کاهش وزن، حفرههای توخالی توسط دیوارههای بتنی ایجاد شده است.
دیوارهای بتن مسلح پشت بنددار
نوع دیگری از دیوارهای سیل بند است که در مواردی که ارتفاع دیوار بلند باشد، مورد استفاده قرار میگیرند. به علت وزن زیاد، استفاده از آنها در زمینهای با مقاومت کافی امکان پذیر است.
دیوارهای وزنی سیل بند
دیوارهای سیل بند وزنی در انواع خاکی، بنایی و بتنی متداول هستند. در ایران نوع سنگی برای ساحل سازی رودخانهها و مسیلها بسیار مورد استفاده قرار میگیرند. شرط استفاده از این دیوارها وجود زمین با مقاومت کافی در زیر آن است.
نوع خاکی نیز برای ترفیع دیوارههای رودخانه یا هدایت رواناب در کنارههای مسیل و جلوگیری از هجوم سیلاب به اراضی کشاورزی و شهری مورد استفاده زیاد است.
دیوارهای گابیونی (توری سنگی)
در رودخانههای آبرفتی، به علت وفور سنگ قلوه، دیوارهای گابیونی انتخاب مناسب و اقتصادی برای ساحل سازی و ایجاد دیوارهای سیل بند است. در این روش سنگ قلوه درون صندوقههای ساخته شده از توری ریخته شده و این توریها با ابعاد بزرگ، همانند دیوارهای سنگی روی هم چیده میشوند.
شمعهای پهلو به پهلو
در سواحل رودخانهها با آب زیرزمینی بالا و خاک ضعیف، شمعهای پهلو به پهلو گزینهای مناسب به عنوان جایگزین سپرهای فولادی و بتنی به منظور ساخت دیوارهای سیل بند است. در این روش شمعها در مجاورت یکدیگر به صورت چسبیده اجرا شده و سپس کلافی در بالای شمعها ساخته میشود. این کلاف باعث یکپارچگی شمعها به یکدیگر میشود.
ترکیبات بارگذاری دیوارهای سیل بند
حالت I1 بارگذاری سیل طراحی
در این حالت خاک پشت دیوار تا تراز نهایی، سربار، تراز آب در سمت رودخانه تا تراز سیل طراحی (به اندازه ارتفاع آزاد ۲ پایینتر از بالای دیوار) در نظر گرفته میشود.
حالت I2 آب تا بالای دیوار
این حالت مشابه حالت I1 است. جز اینکه تراز آب در سمت رودخانه تا بالای دیوار در نظر گرفته میشود.
حالت I3 بارگذاری زلزله
خاک پشت دیوار تا تراز نهایی و تراز آب سمت رودخانه در حالت عادی (غیرسیلابی)، نیروی برخاست، و آثار مؤلفههای افقی و قائم شتاب زلزله در خاک، آب و سازه.
حالت I4 بارهای آنی (کوتاه مدت) حین اجرا
دیوار سیل بند تحت تأثیر بارهایی که در حین اجرا ممکن است وجود داشته باشند قرار میگیرد. این بارها باید کوتاه مدت باشند نظیر بادهای قوی و سربار تجهیزات اجرا.
حالات بارگذاری دیوارهای سیل بند
تراز سیلاب طرح
در طراحی دیوارهای سیل بند یا ساحلی، اطلاعات لازم برای تعیین تراز سیلاب طرح باید در اسناد و اطلاعات هیدرولیکی / هیدرولوژی پروژه جمع آوری شود. مشخصات جریان که معمولاً مشتمل بر مدارک تاریخی براساس مشاهدات و یا اندازهگیریها موجود است. از جمله اطلاعات پایه در طراحی دیوارهای سیل بند رودخانهای است. طرح سیل بندهای ساحلی معمولاً مستلزم انجام شبیه سازی و مطالعه اثر موج دریا در شرایط مختلف است.
برخی از پارامترهای مؤثر بر پروفیل سطح آب و ارتفاع دیوارهای سیل بند، عبارتند از:
- بده سیلاب طرح و تغییرات کف رودخانه یا ساحل در اثر رسوب گذاری یا آب شستگی یا رشد و یا از بین رفتن پوششهای گیاهی.
- امواج و ارتفاع آنها.
- وجود آشغال، یخ و سایر مواد زاید.
- ناپایداری و ثابت نبودن پروفیل سطح آب در حاشیههای غیرهموار یا در پیچها.
- افت انرژیی آب به دلیل تغییرات سطح جریان در برخورد با پایه پلها یا در محل پیچها.
- تغییرات در نوع رژیم سیلاب به دلیل تغییرات در حوزه آبریز منطقه.
ارتفاع آزاد
ارتفاع آزاد، ارتفاعی است که در بالای تراز سیلاب یا موج طراحی تأمین میشود. هدف از منظور کردن ارتفاع آزاد، تأمین بعضی مقاصد طراحی و مقابله با نوسانات پیش بینی نشده سطح آب و بعضی عوامل ناشناخته و کمیت ناپذیر طراحی است. دلایل انتخاب ارتفاع آزاد به شرح زیرند.
- ارتفاع آزاد جهت مقابله با تغییرات پیش بینی نشدهای است که در سطح نیمرخ آب رخ میدهد و عموماً این نوسانات یا به دلیل کوچکی بیش از حد و یا به دلیل طبیعت غیرمنظم قابل اندازهگیری و کمیت پذیر نبوده و لذا امکان تعیین ضابطه مشخصی برای مقابله با آنها غیر از تأمین ارتفاع آزاد وجود ندارد. عوامل اصلی تأثیرگذار بر سطح نیمرخ آب، عوامل کمیت پذیری هستند که عموماً در طراحی و انتخاب سطح طراحی آب دخالت دارند نه در تعیین ارتفاع آزاد.
- نشست و یا چرخش دیوارهای سیل بند معمولاً به عنوان یک عامل طراحی در هنگام تعیین ارتفاع کل دیوار مدنظر قرار میگیرد و از عوامل منظور شده در ارتفاع آزاد نیست.
- طراحی ارتفاع آزاد باید در خلال پیشرفت مطالعات مرحله اول مورد توجه قرار گیرد و انتخاب آن نباید به مطالعات مرحله دوم (تهیه جزییات اجرایی) واگذار شود. سعی در تدقیق ارتفاع آزاد در هر مرحله از طراحی بر هزینههای کل طرح اثر مستقیم خواهد داشت و باید همواره مدنظر باشد.
کنترل نشت زیر دیوار (زیرنشت)
هدف اصلی از تحلیل جریان نشت در زیر دیوار، محاسبه گرادیان خروجی در لبه پنجه دیوارهای سیل بند و خاکریز دو انتها و مقایسه آن با مقدار گرادیان بحرانی که بین ۰/۸ تا ۱ متغییر است. در این راستا گرادیان مجاز در جهت اطمینان معادل ۰/۵ تا ۰/۸ انتخاب شده و در صورت افزایش شیب هیدرولیکی در لبه پنجه از این مقدار، کنترل زیر جریان صورت میگیرد. محاسبه شیب هیدرولیکی مذکور با هدف ارزیابی نیاز به کنترل نشت یا طراحی سیستمهای کنترلی خاص انجام میگیرد. برای این مقصود، خاک زیر شالوده دیوار به صورت دو لایه شامل یک لایه نسبتاً نفوذ ناپذیر که بر روی یک لایه نفوذ پذیر قرار گرفته، فرض میشود. جزییات تحلیل این مسئله در منابع مربوط به اصول ژئوتکنیک و نشت وجود دارد.
در مواردی که شرایط محل شامل شرایط هندسی، غیرهمگن بودن خاک محل و لایه بندی خاک زیر شالوده پیچیده باشند، نیاز به تحلیلهای دقیق بر پایه تحلیل خطوط جریان یا تحلیل اجزای محدود نشت خواهد بود.
انواع شالوده دیوار
دیوارههای سیل بند T وارونه به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرند و معمولاً در دو حالت شالوده افقی و شالوده مایل اجرا میشوند که هر یک از این دو نوع دارای مزایایی هستند که به شرح آن میپردازیم.
شالودههای افقی
- حجم عملیات خاکبرداری و حفاری در اجرای شالودههای افقی کمتر بوده و کلاً سهولت اجرایی بیشتری دارند.
- ظرفیت باربری این دو نوع شالوده و مقدار فشار وارده خاک مستقیماً قابل مقایسه نیست. لیکن برای دیواره هایی با ارتفاع مساوی، فشار وارد بر کف شالوده افقی به لحاظ کاهش سربار خاک و عرض بیشتر، در مقایسه با شالوده مایل مقداری کوچکتر است.
شالوده مایل
- اجرای شالوده مایل باعث کاهش طول زبانه برشی یا حذف کامل آن گشته، لذا میزان عملیات خاکبرداری را کاهش میدهد، همچنین کوتاه شدن عمق زبانه برشی یا حذف آن، باعث تولید لنگر کوچکتری در پاشنه و در نزدیکی زبانه میشود که این امر منجر به استفاده از شالوده کم عرضتری جهت تأمین ضریب ایمنی واژگونی خواهد شد.
- ضخامت بیشتر خاکریز موجود روی پاشنه شالوده مایل، احتمال گسیختگی این لایه را در هنگام تغییر مکان دیوار در خلال بارگذاری (سیل یا خاک) کاهش میدهد.
- برآیند نیروهای وارد بر شالوده مایل نزدیک به امتداد قائم بر آن است، لذا تمایل به لغزش سازه در قبال نیروهای جانبی کاهش مییابد.
- انجام آزمایشهای تمام مقیاس روی این دو نوع دیوار نشان میدهد که تغییر مکانهای دیوارههای با شالوده مایل نسبت به شالودههای افقی در خلال بارگذاریهای مختلف، کمتر است.
فشار افقی آب و خاک بر زبانه برشی
در مورد دیوارهایی که بر روی لایه رسی قرار دارند، معمولاً تراز کامل سیلاب طراحی به طور محافظه کارانه به عنوان فشار مؤثر بر کف زبانه برشی در نظر گرفته میشود و فشار افقی وارد بر آن نیز بر اساس فشار حاصل از تراز افقی آب در سمت رودخانه محاسبه میشود. در نتیجه شروع خط نشت از کف زبانه فرض میشود. وجهی از زبانه که در سمت خشکی قرار دارد، تحت تأثیر فشار مقاوم خاک قرار خواهد داشت.
مصالح نامناسب پی و پایداری ساحل
در برخورد با مصالح نامناسب در پی دیوار، میتوان با تغییر جانمایی دیوار و یا جایگزینی این مصالح با خاکریز مرغوب، شالوده دیوار را اصلاح نمود. یا آثار نامطلوب این مصالح را به حداقل رساند. در صورت وجود لایههای باربر در عمق مناسب، میتوان از شالودههای عمیق (شمع) یا نیمه عمیق نیز بهره برد. در بعضی حالات اقدام به جایگزینی مصالح نامناسب با مصالح مرغوب منجر به انجام عملیات خاکبرداری در محدوده حریم بستر رودخانه میشود. در بعضی حالات به لحاظ حریم قانونی ساحل رودخانه، دیوارهای سیل بند در نزدیکی لبه فوقانی ساحل یا حتی در محدوده بستر رودخانه به ساحل قرار میگیرد.
در چنین حالتی در صورت انجام تمهیدات لازم و دقت در اجرا، اجازه عملیات در لبه ساحل رودخانه داده میشود. در این راستا باید در پیدا کردن موقعیت مصالح غیر مناسب و برداشتن آنها و همچنین انتخاب مصالح مرغوب و ریختن آنها در محل به عنوان یک طرح بهسازی، دقت ویژهای مبذول داشت. مصالح جدید باید پس از حمل به محل، ریخته شده و بر اساس ضوابط مربوطه متراکم شوند تا کفایت باربری لازم به عنوان تکیه گاه دیوارهای سیل بند را تأمین نمایند.
حفاظت در مقابل آب شستگی
در اکثر موارد به لحاظ امتداد شکل و سرعت جریان سیلاب یا موجهای ساحلی، خصوصیات شیمیایی خاکریز پشت و توپوگرافی منطقه، دیوارههای سیل بند در معرض آب شستگیهای مختلف قرار میگیرند. توجه به آب شستگی زیر شالوده دیوار بسیار مهم بوده و در صورت احتمال چنین مسئلهای باید با لایههای سنگ چین براساس مشخصات فنی مربوطه و سایر تمهیدات لازم حفاظت در مقابل آن صورت گیرد. در نقاطی مثل تغییر امتداد، شروع و ختم دیوار، و موارد مشابه لازم است با ایجاد جزییات مناسب از یکپارچگی دیوار سیل بند مطمئن شد تا نقطه رسوخ امواج و خرابی دیوار نشود.
بازشوها (دسترسیها)
تعبیه تعدادی بازشو در دیوارهای سیل بند جهت تأمین دسترسی طرفین دیوار برای مقاصد رفت و آمد تجاری، امنیتی، و تفریحی در خلال رژیمهای کم آبی رودخانه لازم است که تعداد و اندازه آنها به شرایط و ضوابط خاص محلی بستگی خواهد داشت. بازشوهای مذکور باید دارای دریچههای مناسب باشند تا حین سیلاب بسته شوند. در حالت ساده دریچهها میتوانند به صورت بلوکهای بتنی باشند که به صورت قائم در شیارها تعبیه شده در دیوار انداخته میشوند یا در حالت پیچیدهتر به صورت ..دریچههای فلزی کشویی باشند. و در طراحی دریچهها بارگذاری حداکثر تراز آب و بار ترافیک در خلال کم آبی رودخانه، لازم است.
سازههای زهکشی
در مواردی که شرایط توپوگرافی منطقه، نوع شالوده و ملاحظات اقتصادی اجازه دهد، تأسیسات زهکشی شامل دریچهها و تلمبه خانه ارجح است به صورت واحدهای مستقل از دیوار حایل طراحی شوند. این واحدها باید در مقابل اختلاف نشست نامتقارن در حد فاصل دو واحد یا بین دو واحد مجاور هم کنترل شوند و آب بندی کامل بین واحد و واحدهای مجاور برقرار شود.
اتصال بین دیوارهای سیل بند و سیل بند خاکی
اتصال مستقیم دیوار سیل بند T و سیل بند خاکی توصیه نمیشود و این اتصال باید با استفاده از یک واحد تبدیل کوتاه متشکل از سپرکوبی و کلاهک بتنی انجام شود. از جمله نکات اساسی در طرح این تبدیل انتخاب جزییات به گونهای است که تغییر مکان نسبی (اختلاف تغییر مکان دیوارهای سیل بند و سیل بند خاکی) در محل درز اتصال به حداقل برسد. اجرای واحد تبدیل بهتر است به مدتی بعد از اجرای سیل بند خاکی موکول شود تا نشستهای خاکریز تکمیل شده باشد.
درزهای انقباضی و انبساطی
به منظور کنترل آثار حرارتی، و جلوگیری از ترک خوردگی بتن، دو نوع درز در دیوارهای سیل بند مورد استفاده قرار میگیرد.
- درزهای انقباضی
- درزهای انبساطی
درزهای انقباضی
درزهای انقباضی غالباً در فواصل ۷ تا ۱۰ متر در طول دیوار اجرا میشوند. در این درزها بتن قطع شده، لیکن آرماتورهای طولی ادامه مییابند. سطح قطع بتن باید قالب بندی شده و صاف باشد. در محل درز دو بتن قدیم و جدید مجاور یکدیگر با فاصله صفر اجرا میشوند. در عمل محل درزهای اجرایی بر درز انقباضی منطبق میشود. برای آب بندی لازم است در محل درز انقباضی نوار آب بند اجرا شود. در این خصوص ضوابط عمومی طراحی سازههای آبی بتنی باید مد نظر قرار گیرد.
درزهای انبساطی
درزهای انبساطی غالباً در فواصل ۳۰ تا ۳۵ متر در طول دیوار اجرا میشوند. در این درزها بتن و آرماتورهای طولی هر دو قطع میشوند و بین دو لبه بتن فاصلهای حدود ۱۲ تا ۲۰ میلیمتر ایجاد میشود. این فاصله باید با مصالح انقباضی مناسب پر شود. در درز انبساطی باید نوار آب بند تعبیه شود.
سازههای مجاور و حریم اطراف
معمولاً علت اجرای سازههای سیل بند عدم دسترسی به حریم کافی در کنار راه است و کم عرض بودن این حریم عمدتاً به علت وجود سازههای ساختمانی و غیرساختمانی در کنار مسیر است. وجود لولههای فاضلاب با درزهای باز، سازههای با طبقات زیرزمینی یا بخشهای مدفون یا وجود مناطق حفاری شده در نزدیکی دیوارههای سیل بند، پایداری آنها را به خطر میاندازد. علاوه بر این احداث سازههای جدید نیز چنین خطری را به همراه خواهد داشت.
وجود سازههای مدفون (نظیر طبقات مدفون یک ساختمان) یا وجود حفاری در سمت خشکی یک سیل بند باعث کوتاه شدن مسیر نشت گشته و وجود آنها در سمت آب (ساحل) در صورت نفوذ در لایه نفوذناپذیر یا کف پوش ناتراوا نیز باعث کاهش طول نشت میشود که در هر دو حالت مطلوب نیست. در چنین مواردی لازم است منطقه حفاری شده یا سازه زیرزمینی با استفاده از مصالح مشابه پی دیوار، خاکریزی شود. در صورتی که از چاههای فشارشکن برای کنترل نشت استفاده میشود، بهتر است که جانمایی آنها در حد فاصل پنجه دیواره و سازههای مجاور انتخاب شود.
ملاحظات معماری و آرایش ساختگاه
رعایت اصول معماری و زیبایی شناسی در طرح و اجرای دیوارههای سیل بند لازم است. تا حد ممکن هندسه دیوار باید از فرم توپوگرافی طبیعی زمین پیروی نماید. در واقع طرح دیوارهای سیل بند، باید براساس توافق فنی و اجرایی بین مهندس طراح، معمار طرح و مهندس معمار محوطه سازی باشد. باید در نظر داشت در موارد نادری که امکان تبعیت از وضعیت موجود و حفظ آرایش طبیعی ساختگاه وجود ندارد، با به کارگیری روشهای نو در طراحی و شیوههای ظریف اجرایی باید دست خوردگی در وضع طبیعی را به حداقل رساند. انتخاب جانمایی سازههای مختلف در ساختگاه و طراحی آنها باید با توجه به اثرپذیری محدوده داخلی طرح از شیوه مورد استفاده در اجرا صورت پذیرد.