دیوارهای سیل بند
عملكرد اصلی ديوارهای سيل بند هدايت رواناب و جلوگيری از گسترش سيل در منطقه مورد محافظت است. ديوارهای سيل بند، در يك وجه تحت تأثير بارگذاری فشار هيدرواستاتيك سيلاب و در وجه ديگر تحت تأثير فشار خاك و آب زيرزمينی است. دو نوع اصلی سيل بندها، عبارتند از سيل بندهای رودخانه‌ای و سيل بندهای ساحلی.
سيل بندهای رودخانه‌ای در طول مشخصی از ساحل رودخانه يا مسيل اجرا شده و در هنگام سيلاب با جلوگيری از ورود سيل به اراضی كشاورزی و شهری، تحت تأثير فشار هيدرواستاتيك از سمت رودخانه تا تراز سيلاب قرار می‌گيرند. در مقابل سيل بندهای ساحلی كه در كنار درياها اجرا می‌شوند، تحت تأثير بارهای كوتاه مدت ناشی از بالا آمدن آب در اثر موج، ضربات موج، يا اثر جزر و مد دريا هستند. امواج ساحلی ماهيت ديناميكی داشته و در مدت چند ثانيه بر سازه اثر می‌كند. در خلال طوفان، به علت سرعت باد و شدت برخورد امواج، اجرای عمليات ترميمی در ديوار ساحلی و همچنين شريان‌های حياتی مرتبط با آنها بسيار مشكل است. لذا بايد با اعمال تدابير طراحی و جزييات اجرايی مناسب، از عملكرد رضايت بخش ديوارها در شرايط بحرانی مطمئن شد.
انواع ديوارهای سيل بند و ساحلی
انواع متعارف ديوارهای سيل بند به شرح زیر است.
ديوارهای سيل بند صلب
- ديوارهای وزنی (بنایی، بتنی و خاكی)
- ديوارهای غيروزنی (طره‌ای L ، I ، T، پشت بنددار و …)
- ديوارهای عميق (سپرهای بتنی)
- ديوارهای صندوقه‌ای
ديوارهای انعطاف پذير
- سپرهای فولادی
- خاك مسلح (با شبكه‌های فولادی و يا پليمری)
- ديوارهای گابيونی (توری سنگی)
- شمع‌های پهلو به پهلو
دیوارهای طره‌ای T معکوس
اغلب ديوارهای سيل بند از نوع طره‌ای T معکوس هستند. این ديوارها شامل شالوده و ديوار (سيل بند) هستند. در صورتی كه در روی خاك احداث شوند، برای افزايش ضريب اطمينان در مقابل لغزش می‌توان از زبانه برشگير استفاده نمود. در صورتی كه روی سنگ احداث شوند، معمولاً نياز به زبانه برشگير نخواهند داشت. در صورتی كه در زمين نامناسب احداث شوند، وجود فونداسيون شمعی لازم خواهد بود. استفاده از تدابيری جهت جلوگيری از فرسايش پای ديوار حایل در مقابل جريان آب لازم است.
دیوار طره‌ای I و L
دیوار طره‌ای I و L شامل سپر يا شمع فولادی است كه در بالای آنها ديواری احداث شده است. اين ديوارها در زمين‌های نرم با ظرفيت باربري كم كه احتمال فرسايش ناشی از جريان آب در آنها زياد است استفاده میشود.
سپرهای بتنی مهار شده
اين ديوارها متشكل از سپرهای بتنی استكه در مجاورت يكديگر كوبيده شده اند و در بالای آنها كلاف بتنی به صورت درجا ريخته مي‌شود كه باعث يكپارچگی آنها میشود. كلاف به كمك اتصالات برشگير با سپرهای پيش ساخته يكپارچه میشود. از اين ديوارها به عنوان ديوارهای ساحلی به وفور استفاده میشود. استفاده از اين ديوارها در مواردی كه سطح آب زيرزمينی بالاست، ايده‌ال است.
سپرهای فولادی
از انواع ديگر ديوارهای سيل بند، سپرهای فلزي هستند كه به صورت مهار شده يا مهار نشده هستند. نوع ديگري از سپرهای فولادی در آرايش سلولی نشان داده شدهاند. در كل استفاده از سپرهای فولادی به عنوان ديوارهای سيل بند از لحاظ اجرا، ساده و سريع، ليكن از لحاظ هزينه گران است.
ديوارهای صندوقه‌ای
ديوارهای صندوقه‌ای از انواع ديگر ديوارهای ساحلی هستند كه در آنها به منظور كاهش وزن، حفر‌ه‌های توخالی توسط ديواره‌های بتنی ايجاد شده است.
ديوارهای بتن مسلح پشت بنددار
نوع ديگری از ديوارهای سيل بند است كه در مواردی كه ارتفاع ديوار بلند باشد، مورد استفاده قرار می‌گيرند. به علت وزن زياد، استفاده از آنها در زمين‌های با مقاومت كافی امكان پذير است.
ديوارهای وزنی سیل بند
ديوارهای سيل بند وزنی در انواع خاكی، بنايی و بتنی متداول هستند. در ايران نوع سنگی برای ساحل سازی رودخانه‌ها و مسيل‌ها بسيار مورد استفاده قرار می‌گيرند. شرط استفاده از اين ديوارها وجود زمين با مقاومت كافی در زير آن است.
نوع خاكی نيز برای ترفيع ديواره‌های رودخانه يا هدايت رواناب در كناره‌های مسيل و جلوگيری از هجوم سيلاب به اراضی كشاورزی و شهری مورد استفاده زياد است.
ديوارهای گابيونی (توری سنگی)
در رودخانه‌های آبرفتی، به علت وفور سنگ قلوه، ديوارهای گابيونی انتخاب مناسب و اقتصادی برای ساحل سازی و ايجاد ديوارهای سيل بند است. در اين روش سنگ قلوه درون صندوقه‌های ساخته شده از توری ريخته شده و اين توریها با ابعاد بزرگ، همانند ديوارهای سنگی روی هم چيده می‌شوند.
شمع‌های پهلو به پهلو
در سواحل رودخانه‌ها با آب زيرزمينی بالا و خاك ضعيف، شمع‌های پهلو به پهلو گزينه‌ای مناسب به عنوان جايگزين سپرهای فولادی و بتنی به منظور ساخت ديوارهای سيل بند است. در اين روش شمع‌ها در مجاورت يكديگر به صورت چسبيده اجرا شده و سپس كلافی در بالای شمع‌ها ساخته میشود. اين كلاف باعث يكپارچگی شمع‌ها به يكديگر میشود.
تركيبات بارگذاری ديوارهای سيل بند
حالت I1 بارگذاری سيل طراحی
در اين حالت خاك پشت ديوار تا تراز نهايی، سربار، تراز آب در سمت رودخانه تا تراز سيل طراحی (به اندازه ارتفاع آزاد ۲ پايينتر از بالای ديوار) در نظر گرفته میشود.
حالت I2 آب تا بالای دیوار
این حالت مشابه حالت I1 است. جز اينكه تراز آب در سمت رودخانه تا بالای ديوار در نظر گرفته میشود.
حالت I3 بارگذاری زلزله
خاك پشت ديوار تا تراز نهايی و تراز آب سمت رودخانه در حالت عادی (غيرسيلابی)، نيروی برخاست، و آثار مؤلفه‌های افقی و قائم شتاب زلزله در خاك، آب و سازه.
حالت I4 بارهای آنی (كوتاه مدت) حين اجرا
ديوار سيل بند تحت تأثير بارهايی كه در حين اجرا ممكن است وجود داشته باشند قرار می‌گيرد. اين بارها بايد كوتاه مدت باشند نظير بادهای قوی و سربار تجهيزات اجرا.
حالات بارگذاری دیوارهای سیل بند
تراز سيلاب طرح
در طراحی ديوارهای سيل بند يا ساحلی، اطلاعات لازم برای تعيين تراز سيلاب طرح بايد در اسناد و اطلاعات هيدروليكی / هيدرولوژی پروژه جمع آوری شود. مشخصات جريان كه معمولاً مشتمل بر مدارك تاريخی براساس مشاهدات و يا اندازه‌گيری‌ها موجود است. از جمله اطلاعات پايه در طراحی ديوارهای سيل بند رودخانه‌ای است. طرح سيل بندهای ساحلی معمولاً مستلزم انجام شبيه سازی و مطالعه اثر موج دريا در شرايط مختلف است.
برخي از پارامترهای مؤثر بر پروفيل سطح آب و ارتفاع ديوارهای سيل بند، عبارتند از:
- بده سيلاب طرح و تغييرات كف رودخانه يا ساحل در اثر رسوب گذاری يا آب شستگی يا رشد و يا از بين رفتن پوشش‌های گياهی.
- امواج و ارتفاع آنها.
- وجود آشغال، يخ و ساير مواد زايد.
- ناپايداری و ثابت نبودن پروفيل سطح آب در حاشيه‌های غيرهموار يا در پيچ‌ها.
- افت انرژيی آب به دليل تغييرات سطح جريان در برخورد با پايه پل‌ها يا در محل پيچ‌ها.
- تغييرات در نوع رژيم سيلاب به دليل تغييرات در حوزه آبريز منطقه.
ارتفاع آزاد
ارتفاع آزاد، ارتفاعی است كه در بالای تراز سيلاب يا موج طراحی تأمين میشود. هدف از منظور كردن ارتفاع آزاد، تأمين بعضی مقاصد طراحی و مقابله با نوسانات پيش بينی نشده سطح آب و بعضی عوامل ناشناخته و كمیت ناپذير طراحی است. دلايل انتخاب ارتفاع آزاد به شرح زيرند.
- ارتفاع آزاد جهت مقابله با تغييرات پيش بينی نشده‌ای است كه در سطح نيمرخ آب رخ مي‌دهد و عموماً اين نوسانات يا به دليل كوچكی بيش از حد و يا به دليل طبيعت غيرمنظم قابل اندازه‌گيری و كميت پذير نبوده و لذا امكان تعيين ضابطه مشخصی برای مقابله با آنها غير از تأمين ارتفاع آزاد وجود ندارد. عوامل اصلی تأثيرگذار بر سطح نيمرخ آب، عوامل كميت پذيری هستند كه عموماً در طراحی و انتخاب سطح طراحی آب دخالت دارند نه در تعيين ارتفاع آزاد.
- نشست و يا چرخش ديوارهای سيل بند معمولاً به عنوان يك عامل طراحی در هنگام تعيين ارتفاع كل ديوار مدنظر قرار می‌گيرد و از عوامل منظور شده در ارتفاع آزاد نيست.
- طراحی ارتفاع آزاد بايد در خلال پيشرفت مطالعات مرحله اول مورد توجه قرار گيرد و انتخاب آن نبايد به مطالعات مرحله دوم (تهيه جزييات اجرايی) واگذار شود. سعی در تدقيق ارتفاع آزاد در هر مرحله از طراحی بر هزينه‌های كل طرح اثر مستقيم خواهد داشت و بايد همواره مدنظر باشد.
كنترل نشت زير ديوار (زيرنشت)
هدف اصلی از تحليل جريان نشت در زير ديوار، محاسبه گراديان خروجی در لبه پنجه ديوارهای سيل بند و خاكريز دو انتها و مقايسه آن با مقدار گراديان بحرانی كه بين ۰/۸ تا ۱ متغییر است. در اين راستا گراديان مجاز در جهت اطمينان معادل ۰/۵ تا ۰/۸ انتخاب شده و در صورت افزايش شيب هيدروليكی در لبه پنجه از اين مقدار، كنترل زير جريان صورت مي‌گيرد. محاسبه شيب هيدروليكی مذكور با هدف ارزيابی نياز به كنترل نشت يا طراحی سيستم‌های كنترلی خاص انجام می‌گيرد. برای اين مقصود، خاك زير شالوده ديوار به صورت دو لايه شامل يك لاية نسبتاً نفوذ ناپذير كه بر روی يك لايه نفوذ پذير قرار گرفته، فرض میشود. جزييات تحليل اين مسئله در منابع مربوط به اصول ژئوتكنيك و نشت وجود دارد.
در مواردی كه شرايط محل شامل شرايط هندسی، غيرهمگن بودن خاك محل و لايه بندی خاك زير شالوده پيچيده باشند، نياز به تحليل‌‌های دقيق بر پايه تحليل خطوط جريان يا تحليل اجزای محدود نشت خواهد بود.
انواع شالوده ديوار
ديواره‌های سيل بند T وارونه به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گيرند و معمولاً در دو حالت شالوده افقی و شالوده مايل اجرا می‌شوند كه هر يك از اين دو نوع دارای مزايايی هستند كه به شرح آن می‌پردازيم.
شالوده‌های افقی
- حجم عمليات خاكبرداری و حفاری در اجرای شالوده‌های افقی كمتر بوده و كلاً سهولت اجرايی بيشتری دارند.
- ظرفيت باربری اين دو نوع شالوده و مقدار فشار وارده خاك مستقيماً قابل مقايسه نیست. ليكن برای ديواره هايی با ارتفاع مساوی، فشار وارد بر كف شالوده افقی به لحاظ كاهش سربار خاك و عرض بيشتر، در مقايسه با شالوده مايل مقداری كوچكتر است.
شالوده مايل
- اجرای شالوده مايل باعث كاهش طول زبانه برشی يا حذف كامل آن گشته، لذا ميزان عمليات خاكبرداری را كاهش می‌دهد، همچنين كوتاه شدن عمق زبانه برشی يا حذف آن، باعث توليد لنگر كوچكتری در پاشنه و در نزديكی زبانه میشود كه اين امر منجر به استفاده از شالوده كم عرض‌تری جهت تأمين ضريب ايمنی واژگونی خواهد شد.
- ضخامت بيشتر خاكريز موجود روی پاشنه شالوده مايل، احتمال گسيختگی اين لايه را در هنگام تغيير مكان ديوار در خلال بارگذاری (سيل يا خاك) كاهش می‌دهد.
- برآيند نيروهای وارد بر شالوده مايل نزديك به امتداد قائم بر آن است، لذا تمايل به لغزش سازه در قبال نيروهای جانبی كاهش می‌يابد.
- انجام آزمايش‌های تمام مقياس روی اين دو نوع ديوار نشان می‌دهد كه تغيير مكان‌های ديواره‌های با شالوده مايل نسبت به شالوده‌های افقی در خلال بارگذاری‌های مختلف، كمتر است.
فشار افقی آب و خاك بر زبانه برشی
در مورد ديوارهايی كه بر روی لايه رسی قرار دارند، معمولاً تراز كامل سيلاب طراحی به طور محافظه كارانه به عنوان فشار مؤثر بر كف زبانه برشی در نظر گرفته میشود و فشار افقی وارد بر آن نيز بر اساس فشار حاصل از تراز افقی آب در سمت رودخانه محاسبه میشود. در نتيجه شروع خط نشت از كف زبانه فرض میشود. وجهی از زبانه كه در سمت خشكی قرار دارد، تحت تأثير فشار مقاوم خاك قرار خواهد داشت.
مصالح نامناسب پی و پايداری ساحل
در برخورد با مصالح نامناسب در پی ديوار، می‌توان با تغيير جانمايی ديوار و يا جايگزينی اين مصالح با خاكريز مرغوب، شالوده ديوار را اصلاح نمود. يا آثار نامطلوب اين مصالح را به حداقل رساند. در صورت وجود لايه‌های باربر در عمق مناسب، می‌توان از شالوده‌های عميق (شمع) يا نيمه عميق نيز بهره برد. در بعضی حالات اقدام به جايگزينی مصالح نامناسب با مصالح مرغوب منجر به انجام عمليات خاكبرداری در محدوده حريم بستر رودخانه میشود. در بعضی حالات به لحاظ حريم قانونی ساحل رودخانه، ديوارهای سيل بند در نزديكی لبه فوقانی ساحل يا حتی در محدوده بستر رودخانه به ساحل قرار می‌گيرد.
در چنين حالتی در صورت انجام تمهيدات لازم و دقت در اجرا، اجازه عمليات در لبه ساحل رودخانه داده میشود. در اين راستا بايد در پيدا كردن موقعيت مصالح غير مناسب و برداشتن آنها و همچنين انتخاب مصالح مرغوب و ريختن آنها در محل به عنوان يك طرح بهسازی، دقت ويژ‌ه‌ای مبذول داشت. مصالح جديد بايد پس از حمل به محل، ريخته شده و بر اساس ضوابط مربوطه متراكم شوند تا كفايت باربری لازم به عنوان تكيه گاه ديوارهای سيل بند را تأمين نمايند.
حفاظت در مقابل آب شستگی
در اكثر موارد به لحاظ امتداد شكل و سرعت جريان سيلاب يا موج‌های ساحلی، خصوصيات شيميايی خاكريز پشت و توپوگرافی منطقه، ديواره‌های سيل بند در معرض آب شستگی‌های مختلف قرار می‌گيرند. توجه به آب شستگی زير شالوده ديوار بسيار مهم بوده و در صورت احتمال چنين مسئله‌ای بايد با لايه‌های سنگ چين براساس مشخصات فنی مربوطه و ساير تمهيدات لازم حفاظت در مقابل آن صورت گيرد. در نقاطی مثل تغيير امتداد، شروع و ختم ديوار، و موارد مشابه لازم است با ايجاد جزييات مناسب از يكپارچگی ديوار سيل بند مطمئن شد تا نقطه رسوخ امواج و خرابی ديوار نشود.
بازشوها (دسترسی‌ها)
تعبيه تعدادی بازشو در ديوارهای سيل بند جهت تأمين دسترسی طرفين ديوار برای مقاصد رفت و آمد تجاری، امنيتی، و تفريحی در خلال رژيم‌های كم آبی رودخانه لازم است كه تعداد و اندازه آنها به شرايط و ضوابط خاص محلی بستگی خواهد داشت. بازشوهای مذكور بايد دارای دريچه‌های مناسب باشند تا حين سيلاب بسته شوند. در حالت ساده دريچه‌ها می‌توانند به صورت بلوك‌های بتنی باشند كه به صورت قائم در شيارها تعبيه شده در ديوار انداخته می‌شوند يا در حالت پيچيده‌تر به صورت ..دريچه‌های فلزی كشويی باشند. و در طراحی دريچه‌ها بارگذاری حداكثر تراز آب و بار ترافيك در خلال كم آبی رودخانه، لازم است.
سازههای زهكشی
در مواردی كه شرايط توپوگرافی منطقه، نوع شالوده و ملاحظات اقتصادی اجازه دهد، تأسيسات زهكشی شامل دريچه‌ها و تلمبه خانه ارجح است به صورت واحدهای مستقل از ديوار حايل طراحی شوند. اين واحدها بايد در مقابل اختلاف نشست نامتقارن در حد فاصل دو واحد يا بين دو واحد مجاور هم كنترل شوند و آب بندی كامل بين واحد و واحدهای مجاور برقرار شود.
اتصال بين ديوارهای سيل بند و سيل بند خاكی
اتصال مستقيم ديوار سيل بند T و سيل بند خاكی توصيه نمی‌شود و اين اتصال بايد با استفاده از يك واحد تبديل كوتاه متشكل از سپركوبی و كلاهك بتنی انجام شود. از جمله نكات اساسی در طرح اين تبديل انتخاب جزييات به گونه‌ای است كه تغيير مكان نسبی (اختلاف تغيير مكان ديوارهای سيل بند و سيل بند خاكی) در محل درز اتصال به حداقل برسد. اجرای واحد تبديل بهتر است به مدتی بعد از اجرای سيل بند خاكی موكول شود تا نشست‌های خاكريز تكميل شده باشد.
درزهای انقباضی و انبساطی
به منظور كنترل آثار حرارتی، و جلوگيری از ترك خوردگی بتن، دو نوع درز در ديوارهای سيل بند مورد استفاده قرار می‌گيرد.
- درزهای انقباضی
- درزهای انبساطی
درزهای انقباضی
درزهای انقباضی غالباً در فواصل ۷ تا ۱۰ متر در طول ديوار اجرا می‌شوند. در اين درزها بتن قطع شده، ليكن آرماتورهای طولی ادامه می‌يابند. سطح قطع بتن بايد قالب بندی شده و صاف باشد. در محل درز دو بتن قديم و جديد مجاور يكديگر با فاصله صفر اجرا می‌شوند. در عمل محل درزهای اجرايی بر درز انقباضی منطبق میشود. برای آب بندی لازم است در محل درز انقباضی نوار آب بند اجرا شود. در اين خصوص ضوابط عمومی طراحی سازههای آبی بتنی بايد مد نظر قرار گيرد.
درزهای انبساطی
درزهای انبساطی غالباً در فواصل ۳۰ تا ۳۵ متر در طول ديوار اجرا می‌شوند. در اين درزها بتن و آرماتورهای طولی هر دو قطع می‌شوند و بين دو لبه بتن فاصله‌ای حدود ۱۲ تا ۲۰ ميليمتر ايجاد میشود. اين فاصله بايد با مصالح انقباضی مناسب پر شود. در درز انبساطی بايد نوار آب بند تعبيه شود.
سازههای مجاور و حريم اطراف
معمولاً علت اجرای سازههای سيل بند عدم دسترسی به حريم كافی در كنار راه است و كم عرض بودن اين حريم عمدتاً به علت وجود سازههای ساختمانی و غيرساختمانی در كنار مسير است. وجود لوله‌های فاضلاب با درزهای باز، سازههای با طبقات زيرزميني يا بخش‌های مدفون يا وجود مناطق حفاری شده در نزديكی ديواره‌های سيل بند، پايداری آنها را به خطر می‌اندازد. علاوه بر اين احداث سازههای جديد نيز چنين خطری را به همراه خواهد داشت.
وجود سازههای مدفون (نظير طبقات مدفون يك ساختمان) يا وجود حفاری در سمت خشكی يك سيل بند باعث كوتاه شدن مسير نشت گشته و وجود آنها در سمت آب (ساحل) در صورت نفوذ در لايه نفوذناپذير يا كف پوش ناتراوا نيز باعث كاهش طول نشت میشود كه در هر دو حالت مطلوب نيست. در چنين مواردی لازم است منطقه حفاری شده يا سازه زيرزمينی با استفاده از مصالح مشابه پی ديوار، خاكريزی شود. در صورتی كه از چا‌ه‌های فشارشكن برای كنترل نشت استفاده میشود، بهتر است كه جانمایی آنها در حد فاصل پنجه ديواره و سازههای مجاور انتخاب شود.
ملاحظات معماری و آرايش ساختگاه
رعايت اصول معماری و زيبايی شناسی در طرح و اجرای ديواره‌های سيل بند لازم است. تا حد ممكن هندسه ديوار بايد از فرم توپوگرافی طبيعی زمين پيروی نمايد. در واقع طرح ديوارهای سيل بند، بايد براساس توافق فنی و اجرايی بين مهندس طراح، معمار طرح و مهندس معمار محوطه سازی باشد. بايد در نظر داشت در موارد نادری كه امكان تبعيت از وضعيت موجود و حفظ آرايش طبيعی ساختگاه وجود ندارد، با به كارگيری روش‌های نو در طراحی و شيو‌ه‌های ظريف اجرايی بايد دست خوردگی در وضع طبيعی را به حداقل رساند. انتخاب جانمايی سازههای مختلف در ساختگاه و طراحی آنها بايد با توجه به اثرپذيری محدوده داخلی طرح از شيوه مورد استفاده در اجرا صورت پذيرد.
