طراحی دیوارهای سیل بند

دیوار‌های سیل بند، ساز‌ه‌های طولی هستند که در فواصل مختلف از کناره رودخانه و در امتداد آن ساخته می‌شود تا نقش سواحل مصنوعی را در دوره‌های سیلابی ایفا کنند. دیواره‌های سیل بند از جنس مصالح مختلف بتنی، سنگی، آجری، چوبی و … ساخته می‌شوند و عملکرد اصلی آنها هدایت رواناب و جلوگیری از گسترش سیل در منطقه مورد حفاظت است.

اصول اولیه طراحی سازه‌ای دیوارهای سیل بند و دیوارهای حایل شباهت زیادی به هم دارد و در واقع دیوار سیل بند نوع خاصی از دیوار حایل محسوب می‌شود، ولی از نظر کاربرد، ساخت و نگهداری با یکدیگر تفاوت‌هایی دارند.

در طراحی دیوارهای سیل بند وجود آمار و اطلاعات کافی در زمینه‌های مختلف مطالعات از اهمیت خاصی برخوردار است. بازدیدهای صحرایی از مسیر رودخانه، به ویژه در بازه ساماندهی و بررسی ایستگا‌ه‌های هواشناسی، آب سنجی و رسوب سنجی و در صورت لزوم تاسیس و راه اندازی ایستگاه‌های جدید برای انجام مطالعات و جمع آوری سایر اطلاعات زمین شناسی، ژئوتکنیک، اقتصادی، اجتماعی، زیست محیطی و… ضروری است.

مزایای دیوارهای سیل بند

• کاربری مناسب دیوارهای سیل بند در رودخانه‌های کم عرض
• امکان ساخت دیوارهای سیل بند با استفاده از مصالح مختلف مانند بتن، سنگ‌، آجر، چوب و غیره که در منطقه طرح موجود باشند.
• کاربری مناسب دیوارهای سیل بند در نزدیکی پل‌ها و سایر تاسیسات در بستر‌ یا نزدیکی رودخانه برای حفاظت آنها
• ایجاد آثار اجتماعی مثبت به لحاظ جلوگیری از تخریب مناطق مسکونی و کشاورزی، زیبا‌سازی، بهداشتی و زمینه‌های کاربری‌های مختلف در حاشیه رودخانه

معایب دیوارهای سیل بند

• ایجاد آثار زیان بار زیست محیطی در صورت تجمع زباله‌ها و آشغال در حد فاصل خالی بین دیوارهای سیل‌بند تا سواحل طبیعی رودخانه‌ها به ویژه در مناطق شهری
• ایجاد مناطق تجمع رسوبات ریز دانه رودخانه‌ای و بر هم زدن وضعیت ریخت شناسی رودخانه
• تغییر در رژیم جریان رودخانه‌ای و افزایش یا کاهش سرعت جریان
• هزینه بسیار زیاد ساخت دیوارهای سیل بند به ویژه در مناطقی که مصالح ساخت دیوار در دسترس نیست.
• هزینه نسبتاً زیاد تعمیر و نگهداری دیوارهای سیل بند
• مسایل اجتماعی و تملک اراضی
• قطع ارتباط کشاورزان با رودخانه و محدودیت برداشت آب

مطالعات هیدرولیک در طراحی دیوارهای سیل بند

مطالعات هیدرولیک یکی از مهم ترین جنبه‌های مطالعاتی تمامی پروژه‌های مهندسی رودخانه است. مطالعات هیدرولیک در یک رودخانه معمولاً مشتمل بر دو بخش هیدرولیک جریان و هیدرولیک رسوب بوده که هر یک به نوبه خود تاثیر تعیین کننده‌ای در انتخاب روش‌های مهار سیل و ساماندهی رودخانه و همچنین تعیین مبانی طراحی ساز‌ه‌های رودخانه‌ای از جمله دیوارهای سیل بند دارد.

در مطالعات هیدرولیک، مشخصات جریان مانند سرعت، عمق، تراز و شیب (نیمرخ طولی) سطح آب، تنش برشی جریان، ظرفیت حمل رسوب، عمق آبشستگی و تعیین گستره سیلاب برای بده‌های مختلف و به ویژه سیل طراحی تعیین میشود. از طرف دیگر در صورت وجود موانع یا تغییرات ناگهانی در مسیر جریان نظیر سد، بند انحرافی، پل، پیچ‌های تند، آبشار، گشاد یا تنگ شدگی مقطع، تلاقی گاه و دو شاخگی باید شرایط خاص جریان و تاثیر این موانع و یا تغییرات آن را بررسی نمود.

مشخصات هندسی رودخانه

مشخصات هندسی رودخانه‌ها از جمله عوامل مورد نیاز در مطالعات هیدرولیک جریان است. بدین جهت در پروژه‌های ساماندهی رودخانه لازم است با انجام عملیات نقشه برداری، مشخصات هندسی مورد نیاز نظیر سطح مقطع، شعاع هیدرولیکی، عمق جریان و غیره تعیین شود. به علاوه ترسیم نیمرخ طولی به منظور بررسی تغییرات شیب و تاثیر آن در رفتار هیدرولیک جریان از جمله اطلاعات پایه مورد نیاز است. در برداشت مقاطع عرضی رودخانه باید به نکات زیر توجه داشت.

• در فواصلی که تغییرات قابل ملاحظه‌ای در سطح مقطع‌، ضریب زبری و یا شیب رودخانه صورت می‌گیرد، بهتر است مقطع عرضی برداشت شود.
• بر روی مقطع عرضی‌، تراز سطح آب رودخانه، تاریخ و ساعت برداشت ، نوع پوشش‌، محدوده و تراکم آن مشخص شود.
• مقاطع عرضی حتی المقدور عمود بر جهت جریان تهیه شوند.
• برداشت مقاطع از ساحل چپ رودخانه شروع و به ساحل راست ختم شود.
• فاصله نقاط برداشت شده نسبت به ابتدای مقطع روند افزایشی داشته باشد.
• از برداشت عوارض موضعی در امتداد مقطع عرضی که معرف توپوگرافی عمومی محدوده آن نیست خودداری شود.
• گستره مقاطع عرضی در سیلابدشت حداقل تا بالاترین داغ آب و در دو طر ف برداشت شود.

مطالعات فرسایش و رسوب رودخانه

فرآیند فرسایش و رسوب گذاری با تاثیرگذاری بر رفتار ریخت شناسی و هیدرولیک رودخانه‌ها، عملکرد و ساختار سازه‌ای و پایداری دیوارهای سیل بند را به صورت‌های مختلف تحت تاثیر خود قرار می‌دهد. از این رو در طراحی دیوارهای سیل بند لازم است با انجام مطالعات و بررسی‌های کارشناسی، روند فرسایش و رسوب گذاری و تبعات ناشی از آن مورد بررسی قرار گیرد. فرآیندهای مرتبط با رسوب از جمله فرسایش، حمل و ته نشینی از یک طرف تابع خصوصیات جریان (میزان تلاطم جریان، قدرت حمل رسوب جریان، سرعت جریان و …) و از طرف دیگر، تابع خواص فیزیکی رسوبات (وزن مخصوص ابعاد و شکل) است.

طراحی هیدرولیکی دیوار سیل بند

طراحی هیدرولیکی دیوار سیل بند شامل طراحی هیدرولیک جریان و هیدرولیک رسوب است. در هیدرولیک جریان، عوامل موثر بر سرعت جریان، نیمرخ سطح آب و ارتفاع دیوار سیل بند بررسی می‌شوند. در هیدرولیک رسوب مسایل مربوط به آبشستگی عمومی ناشی از تنگ شدگی مقطع آبشستگی‌های موضعی و نیز رسوب گذاری احتمالی مورد بررسی قرار می گیرد. تنگ شدن مقطع رودخانه سرعت جریان را افزایش داده و احتمال وقوع فرسایش عمومی تشدید می‌شود. همچنین در اثر افزایش سرعت جریان، ممکن است به مرور زمان، پنجه دیوار سیل بند در سمت رودخانه فرسایش یافته و با خالی شدن قسمت زیرین آن زمینه لغزش دیوار سیل بند فراهم شود. تراوش آب در زیر دیوار سیل بند نیز باعث زیرشویی و ناپایداری آن خواهد شد. توجه به آبشستگی زیر شالوده دیوار بسیار مهم بوده و در صورت احتمال چنین مساله‌ای، باید با لایه‌های سنگ‌چین بر اساس مشخصات فنی مربوط و سایر تمهیدات، حفاظت لازم در مقابل آن صورت گیرد.

تعیین ارتفاع آزاد و تراز تاج سیل بند

تعیین ارتفاع دیوار سیل بند به دلیل اهداف خاصی که مهم‌ترین آنها پایداری دیوار و به دنبال آن تامین امنیت مالی و جانی است، نیاز به دقت و توجه خاصی را دارد‌. عبور جریان سیلاب از بالای دیوار علاوه بر بروز خسارت به خود دیوار سبب ورود سیلاب به اراضی حفاظت شده مجاور دیوار شده و خسارات جبران ناپذیری را به وجود می‌آورد. تراز تاج دیوار سیل بند از مجموع ارتفاع ترازسطح آب (سیلاب) و ارتفاع آزاد به دست می‌آید.

محاسبه فرسایش عمومی بستر ناشی از تنگ شدگی مقطع

چنانچه میزان آورد رسوب در مقطعی از رودخانه کم‌تر از حد پتانسیل انتقال‌ یا ظرفیت حمل آن باشد، احتمال وقوع فرسایش وجود دارد. یکی از دلایل وقوع چنین فرایندی، کاهش عرض رودخانه بر اثر ساخت خاکریز‌ یا دیوار سیل بند است. وقتی بازه رودخانه در اثر احداث دیوارهای ساحلی تنگ شود، انرژی اضافی ناشی از افزایش سرعت و تنش برشی صرف حمل رسوبات کف می‌شود، به طوری که تراز بستر رودخانه در بازه مورد نظر پایین افتاده و پدیده آبشستگی عمومی رخ می‌هد. با افزایش عمق، به تدریج سرعت و تنش برشی نیز کاهش می‌یابد تا حالت تعادل دوباره برقرار شده و میزان رسوبات ورودی معادل رسوبات خروجی از بازه شود. از این رو در شرایط تعادل، عمق آبشستگی تابعی از سرعت و میزان تنگ شدگی مقطع خواهد بود.

محاسبه عمق آبشستگی در مجاورت پی

برای محاسبه عمق آبشستگی در مجاورت پی، لازم است آبشستگی موضعی در مجاورت دیوار سیل بند محاسبه شود. آبشستگی موضعی زمانی رخ می‌دهد که نرخ رسوبات حمل شده از یک نقطه، بیش از نرخ رسوبات آورده شده به همان نقطه باشد. از آن جا که با افزایش میزان تنش برشی نرخ انتقال رسوب افزایش می‌یابد، بنابراین آبشستگی زمانی به وقوع می‌‌پیوندد که تغییر شرایط جریان موجب ایجاد افزایشی در میزان تنش برشی بر روی بستر شود. از این رو در محل احداث سازه، پیش بینی تحلیلی آبشستگی موضعی، نخست می‌تواند با پیش بینی نحوه توزیع تنش برشی بر بستر اطراف سازه صورت پذیرد. با پیشرفت آبشستگی، تنش برشی کاهش خواهد می‌یابد. ‌آبشستگی هنگامی به آخرین حد خود می‌رسد که تنش برشی در هر نقطه به حد بحرانی خود برسد، یا آن که رسوبات حمل شده با رسوبات خارج شده یکسان شوند.

کنترل زیرشویی

در اثر جریان آب، به مرور زمان پنجه دیوار سیل بند در سمت رودخانه فرسایش یافته و با خالی شدن قسمت زیرین آن زمینه لغزش دیوار سیل بند را فراهم می‌آورد. همچنین تراوش آب در زیر دیوار سیل بند باعث زیرشویی و ناپایداری آن خواهد شد. توجه به آبشستگی زیر شالوده دیوار بسیار مهم بوده و در صورت احتمال چنین پدیده‌ای باید با لایه‌های سنگ چین و رعایت مشخصات فنی مربوط حفاظت در مقابل آن صورت گیرد.

ساخت پرده آب بند

ساخت پرده آب بند علاوه بر جلوگیری از زیرشویی سازه در سمت رودخانه، از تراوش جریان در زیر آن‌ جلوگیری می‌نماید. این روش بسیار پرهزینه بوده، به ویژه زمانی که عمق آبشستگی محاسبه شده زیاد باشد، استفاده از روش فوق مقرون به صرفه نیست. پرده آب بند می‌تواند شامل ترانشه پر شده با مصالح متراکم نفوذ ناپذیر، ترانشه پر شده با گل بنتونیت، زبانه برشی بتنی در مقیاس بزرگتر و یا سپر کوبیده شده باشد.

تجزیه و مدیریت ریسک

برای طراحی سازه‌های هیدرولیکی دو روش متداول وجود دارد.

• روش طراحی سنتی که در آن پس از تعیین نیروهای وارد بر سازه و طراحی آن، ضریبی تحت عنوان ضریب اطمینان به منظور در نظر گرفتن عدم قطعیت‌های موجود به آن اعمال می‌شود.
• روش طراحی احتمالاتی‌ که در آن بارهای وارد شده و مقاومت سازه به صورت متغیرهای تصادفی تعریف شده و به طراح اجازه می‌دهد که در مورد عدم قطعیت‌های مختلفی مانند داده، مدل و عامل بحث نماید. بنابر‌این با استفاده از روش احتمالاتی و کمی نمودن ریسک می‌توان به طراحی بهینه سازه‌ها دست یافت.

بررسی و محاسبه نیروهای وارد بر دیوار سیل بند

یک دیوار سیل بند ممکن است تحت تاثیر بارهای زیر ‌یا ترکیبات نامساعدی از آنها قرار گیرند.

• بار مرده
• وزن خاک
• فشار جانبی خاک
• فشار آب زیرزمینی
• فشار برکنش
• فشار جانبی ناشی از سربار
• فشار برخورد امواج
• نیروهای زلزله
• فشار یخ

ملاحظات خاص برای دیوارهای سیل بند

عملکرد اصلی دیوارهای سیل بند هدایت جریان و جلوگیری از گسترش سیل در منطقه مورد محافظت ماست. دیواره سیل بند در یک وجه تحت تاثیر بار گذاری فشار هیدرواستاتیک سیلاب و در وجه دیگر تحت تاثیر فشار خاک و آب زیر زمینی است. دو نوع اصلی سیل بندها عبارتند از سیل‌بندهای رودخانه‌ای و سیل بند‌های ساحلی. سیل بند‌های رودخانه‌ای در طول مشخصی از ساحل رودخانه یا مسیر اجرا می‌شود.‌ در هنگام سیلاب با جلوگیری از ورود سیل به اراضی کشاورزی و شهری، تحت تاثیر فشار هیدرواستاتیک از سمت رودخانه تا تراز سیلاب قرار می‌گیرند. در مقابل سیل بند‌های ساحلی که در کنار دریاها اجرا می‌شوند، تحت تاثیر 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 ترمیم 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.

ملاحظات زیست محیطی در طراحی دیوارهای سیل بند

حفظ کیفیت محیط زیست به صورت یک امر ملی اولویت خاصی دارد. بنابر‌این تصمیم گیری در مورد موقعیت طرح و اجرای هر پروژ‌ه‌ای باید به طریقی باشد که از تاثیرات زیان بخش بر کیفیت محیط زیست از جمله گونه‌های گیاهی و جانوری، چشم‌اندازهای محیط، موقعیت باستان شناسی، ارزش‌های اجتماعی و به طور کلی منابع با ارزش موجود در منطقه اجرای پروژه به حداقل برساند.

قدم اول تعیین گزینه‌های متعدد از مناطقی است که بتوان دیوار سیل بند را به آسانی در آن مکان‌ها اجرا نمود‌. قدم دوم سازماندهی مطالعه منظم و دقیق برای تبیین اثر طرح‌های انتخابی متفاوت روی عوامل زیست محیطی شناسایی شده در گام نخست است. قدم سوم تهیه نقشه‌های مقدماتی برای مناطق مورد نظر و برآورد هزینه‌های مربوط است که بر اساس این برآوردها بتوان بهترین گزینه را درباره مسایل اقتصادی و محیط زیست انتخاب کرد.

ملاحظات اجتماعی در طراحی دیوارهای سیل بند

یکی از مراحل طراحی که در آن ملاحظات اجتماعی مورد توجه قرار می‌گیرد، مرحله جانمایی دیوار سیل بند و اصلاح مسیر رودخانه است. چنانچه در مرحله جانمایی دیوار سیل بند و اصلاح مسیر رودخانه تنها ملاحظات سازه‌ای و مقاومت خاک مورد نظر قرار گیرد، ممکن است که احداث دیوار سیل بند منجر به تسخیر زمین‌هایی با کاربری مسکونی و جابجایی مردم اطراف با وسعت زیاد شود.

ملاحظات اجتماعی یک معیار اساسی در تعیین دوره بازگشت سیلاب است. در واقع‌ یکی از رو‌ش‌های تعیین دوره بازگشت سیلاب، تعیین آن بر اساس ملاحظات اجتماعی است. در ادامه، روش انتخاب دوره بازگشت سیلاب بر اساس این معیار در دو بخش اراضی غیر کشاورزی و کشاورزی به طور مجزا بیان می‌شود.

ملاحظات معماری در طراحی دیوارهای سیل بند

در طراحی دیوار سیل بند لازم است که ملاحظات معماری مورد توجه قرار گیرد. دیوار ساخته شده باید زیبا، دارای چشم انداز مناسب و سازگار با محیط باشد. چنانچه پروژه پس از اجرا دارای چشم انداز خوبی باشد، موجب توسعه گردشگری و ایجاد جاذبه‌های توریستی خواهد شد. همچنین، زیباسازی و ایجاد جاذبه‌های توریستی و توسعه گردشگری نیز به نوبه خود عامل رونق اقتصادی پایدار خواهد بود.