طراحی دیوارهای سیل بند
ديوارهای سيل بند، سازههای طولی هستند كه در فواصل مختلف از كناره رودخانه و در امتداد آن ساخته میشود تا نقش سواحل مصنوعی را در دوره‌های سيلابی ايفا كنند. ديواره‌های سيل بند از جنس مصالح مختلف بتنی، سنگی، آجری، چوبی و … ساخته می‌شوند و عملكرد اصلی آنها هدايت رواناب و جلوگيری از گسترش سيل در منطقه مورد حفاظت است.
اصول اوليه طراحی سازه‌ای ديوارهای سيل بند و ديوارهای حايل شباهت زيادی به هم دارد و در واقع ديوار سيل بند نوع خاصی از ديوار حايل محسوب میشود، ولی از نظر كاربرد، ساخت و نگهداری با يكديگر تفاوت‌هايی دارند.
در طراحی ديوارهای سيل بند وجود آمار و اطلاعات كافی در زمينه‌های مختلف مطالعات از اهميت خاصی برخوردار است. بازديدهای صحرايی از مسير رودخانه، به ويژه در بازه ساماندهی و بررسی ايستگاههای هواشناسی، آب سنجی و رسوب سنجی و در صورت لزوم تاسيس و راه اندازی ايستگاههای جديد برای انجام مطالعات و جمع آوری ساير اطلاعات زمين شناسی، ژئوتكنيك، اقتصادی، اجتماعی، زيست محيطی و… ضروری است.
مزايای ديوارهای سيل بند
- كاربری مناسب ديوارهای سيل بند در رودخانه‌های كم عرض
- امكان ساخت ديوارهای سيل بند با استفاده از مصالح مختلف مانند بتن، سنگ، آجر، چوب و غيره كه در منطقه طرح موجود باشند.
- كاربری مناسب ديوارهای سيل بند در نزديكي پل‌ها و ساير تاسيسات در بستر يا نزديكی رودخانه برای حفاظت آنها
- ايجاد آثار اجتماعی مثبت به لحاظ جلوگيری از تخريب مناطق مسكونی و كشاورزی، زيباسازی، بهداشتی و زمينه‌های كاربری‌های مختلف در حاشيه رودخانه
معايب ديوارهای سيل بند
- ايجاد آثار زيان بار زيست محيطی در صورت تجمع زباله‌ها و آشغال در حد فاصل خالی بين ديوارهای سيل‌بند تا سواحل طبيعی رودخانه‌ها به ويژه در مناطق شهری
- ايجاد مناطق تجمع رسوبات ريز دانه رودخانه‌ای و بر هم زدن وضعيت ريخت شناسی رودخانه
- تغيير در رژيم جريان رودخانه‌ای و افزايش يا كاهش سرعت جريان
- هزينه بسيار زياد ساخت ديوارهای سيل بند به ويژه در مناطقی كه مصالح ساخت ديوار در دسترس نیست.
- هزينه نسبتاً زياد تعمير و نگهداری ديوارهای سيل بند
- مسايل اجتماعی و تملك اراضی
- قطع ارتباط كشاورزان با رودخانه و محدوديت برداشت آب
مطالعات هيدروليك در طراحی دیوارهای سیل بند
مطالعات هيدروليك يكی از مهم ترين جنبه‌های مطالعاتی تمامی پروژه‌های مهندسی رودخانه است. مطالعات هيدروليك در يك رودخانه معمولاً مشتمل بر دو بخش هيدروليك جريان و هيدروليك رسوب بوده كه هر يك به نوبه خود تاثير تعيين كننده‌ای در انتخاب روشهای مهار سيل و ساماندهی رودخانه و همچنين تعيين مبانی طراحی سازههای رودخانه‌ای از جمله ديوارهای سيل بند دارد.
در مطالعات هيدروليك، مشخصات جريان مانند سرعت، عمق، تراز و شيب (نيمرخ طولی) سطح آب، تنش برشی جريان، ظرفيت حمل رسوب، عمق آبشستگی و تعيين گستره سيلاب برای بده‌های مختلف و به ويژه سيل طراحی تعيين میشود. از طرف ديگر در صورت وجود موانع يا تغييرات ناگهانی در مسير جريان نظير سد، بند انحرافی، پل، پيچ‌های تند، آبشار، گشاد يا تنگ شدگی مقطع، تلاقی گاه و دو شاخگی بايد شرايط خاص جريان و تاثير اين موانع و يا تغييرات آن را بررسی نمود.
مشخصات هندسی رودخانه
مشخصات هندسی رودخانه‌ها از جمله عوامل مورد نياز در مطالعات هيدروليك جريان است. بدين جهت در پروژه‌های ساماندهی رودخانه لازم است با انجام عمليات نقشه برداری، مشخصات هندسی مورد نياز نظير سطح مقطع، شعاع هيدروليكی، عمق جريان و غيره تعيين شود. به علاوه ترسيم نيمرخ طولی به منظور بررسی تغييرات شيب و تاثير آن در رفتار هيدروليك جريان از جمله اطلاعات پايه مورد نياز است. در برداشت مقاطع عرضی رودخانه بايد به نكات زير توجه داشت.
- در فواصلی كه تغييرات قابل ملاحظه‌ای در سطح مقطع، ضريب زبری و يا شيب رودخانه صورت می‌گيرد، بهتر است مقطع عرضی برداشت شود.
- بر روی مقطع عرضی، تراز سطح آب رودخانه، تاريخ و ساعت برداشت ، نوع پوشش، محدوده و تراكم آن مشخص شود.
- مقاطع عرضی حتی المقدور عمود بر جهت جريان تهيه شوند.
- برداشت مقاطع از ساحل چپ رودخانه شروع و به ساحل راست ختم شود.
- فاصله نقاط برداشت شده نسبت به ابتدای مقطع روند افزايشی داشته باشد.
- از برداشت عوارض موضعی در امتداد مقطع عرضی كه معرف توپوگرافی عمومی محدوده آن نیست خودداری شود.
- گستره مقاطع عرضی در سيلابدشت حداقل تا بالاترين داغ آب و در دو طر ف برداشت شود.
مطالعات فرسايش و رسوب رودخانه
فرآيند فرسايش و رسوب گذاری با تاثيرگذاری بر رفتار ريخت شناسی و هيدروليك رودخانه‌ها، عملكرد و ساختار سازه‌ای و پايداری ديوارهای سيل بند را به صورت‌های مختلف تحت تاثير خود قرار می‌دهد. از اين رو در طراحی ديوارهای سيل بند لازم است با انجام مطالعات و بررسی‌های كارشناسی، روند فرسايش و رسوب گذاری و تبعات ناشی از آن مورد بررسی قرار گيرد. فرآيندهای مرتبط با رسوب از جمله فرسايش، حمل و ته نشينی از يك طرف تابع خصوصيات جريان (ميزان تلاطم جريان، قدرت حمل رسوب جريان، سرعت جريان و …) و از طرف ديگر، تابع خواص فيزيكی رسوبات (وزن مخصوص ابعاد و شكل) است.
طراحی هيدروليكی ديوار سيل بند
طراحی هيدروليكی ديوار سيل بند شامل طراحی هيدروليك جريان و هيدروليك رسوب است. در هيدروليك جريان، عوامل موثر بر سرعت جريان، نيمرخ سطح آب و ارتفاع ديوار سيل بند بررسی می‌شوند. در هيدروليك رسوب مسايل مربوط به آبشستگی عمومی ناشی از تنگ شدگی مقطع آبشستگی‌های موضعی و نيز رسوب گذاری احتمالی مورد بررسی قرار می گيرد. تنگ شدن مقطع رودخانه سرعت جريان را افزايش داده و احتمال وقوع فرسايش عمومي تشديد میشود. همچنين در اثر افزايش سرعت جريان، ممكن است به مرور زمان، پنجه ديوار سيل بند در سمت رودخانه فرسايش يافته و با خالی شدن قسمت زيرين آن زمينه لغزش ديوار سيل بند فراهم شود. تراوش آب در زير ديوار سيل بند نيز باعث زيرشويی و ناپايداری آن خواهد شد. توجه به آبشستگی زير شالوده ديوار بسيار مهم بوده و در صورت احتمال چنين مساله‌ای، بايد با لايه‌های سنگ‌چين بر اساس مشخصات فنی مربوط و ساير تمهيدات، حفاظت لازم در مقابل آن صورت گيرد.
تعيين ارتفاع آزاد و تراز تاج سيل بند
تعيين ارتفاع ديوار سيل بند به دليل اهداف خاصی كه مهم‌ترين آنها پايداری ديوار و به دنبال آن تامين امنيت مالی و جانی است، نياز به دقت و توجه خاصی را دارد. عبور جريان سيلاب از بالای ديوار علاوه بر بروز خسارت به خود ديوار سبب ورود سيلاب به اراضی حفاظت شده مجاور ديوار شده و خسارات جبران ناپذيری را به وجود می‌آورد. تراز تاج ديوار سيل بند از مجموع ارتفاع ترازسطح آب (سيلاب) و ارتفاع آزاد به دست می‌آيد.
محاسبه فرسايش عمومی بستر ناشی از تنگ شدگی مقطع
چنانچه ميزان آورد رسوب در مقطعی از رودخانه كم‌تر از حد پتانسيل انتقال يا ظرفيت حمل آن باشد، احتمال وقوع فرسايش وجود دارد. يكی از دلايل وقوع چنين فرايندی، كاهش عرض رودخانه بر اثر ساخت خاكريز يا ديوار سيل بند است. وقتی بازه رودخانه در اثر احداث ديوارهای ساحلی تنگ شود، انرژی اضافی ناشی از افزايش سرعت و تنش برشی صرف حمل رسوبات كف میشود، به طوری كه تراز بستر رودخانه در بازه مورد نظر پايين افتاده و پديده آبشستگی عمومی رخ می‌هد. با افزايش عمق، به تدريج سرعت و تنش برشی نيز كاهش می‌يابد تا حالت تعادل دوباره برقرار شده و ميزان رسوبات ورودی معادل رسوبات خروجی از بازه شود. از اين رو در شرايط تعادل، عمق آبشستگی تابعی از سرعت و ميزان تنگ شدگی مقطع خواهد بود.
محاسبه عمق آبشستگی در مجاورت پی
برای محاسبه عمق آبشستگی در مجاورت پی، لازم است آبشستگی موضعی در مجاورت ديوار سيل بند محاسبه شود. آبشستگی موضعی زمانی رخ می‌دهد كه نرخ رسوبات حمل شده از يك نقطه، بيش از نرخ رسوبات آورده شده به همان نقطه باشد. از آن جا كه با افزايش ميزان تنش برشی نرخ انتقال رسوب افزايش می‌يابد، بنابراين آبشستگی زمانی به وقوع می‌‌پيوندد كه تغيير شرايط جريان موجب ايجاد افزايشی در ميزان تنش برشی بر روی بستر شود. از اين رو در محل احداث سازه، پيش بينی تحليلی آبشستگی موضعی، نخست می‌تواند با پيش بينی نحوه توزيع تنش برشی بر بستر اطراف سازه صورت پذيرد. با پيشرفت آبشستگی، تنش برشی كاهش خواهد می‌یابد. آبشستگی هنگامی به آخرين حد خود می‌رسد كه تنش برشی در هر نقطه به حد بحرانی خود برسد، يا آن كه رسوبات حمل شده با رسوبات خارج شده يكسان شوند.
كنترل زيرشويی
در اثر جريان آب، به مرور زمان پنجه ديوار سيل بند در سمت رودخانه فرسايش يافته و با خالی شدن قسمت زيرين آن زمينه لغزش ديوار سيل بند را فراهم می‌آورد. همچنين تراوش آب در زير ديوار سيل بند باعث زيرشويی و ناپايداری آن خواهد شد. توجه به آبشستگی زير شالوده ديوار بسيار مهم بوده و در صورت احتمال چنين پديده‌ای بايد با لايه‌های سنگ چين و رعايت مشخصات فنی مربوط حفاظت در مقابل آن صورت گيرد.
ساخت پرده آب بند
ساخت پرده آب بند علاوه بر جلوگيری از زيرشويی سازه در سمت رودخانه، از تراوش جريان در زير آن جلوگيری می‌نمايد. اين روش بسيار پرهزينه بوده، به ويژه زمانی كه عمق آبشستگی محاسبه شده زياد باشد، استفاده از روش فوق مقرون به صرفه نیست. پرده آب بند می‌تواند شامل ترانشه پر شده با مصالح متراكم نفوذ ناپذير، ترانشه پر شده با گل بنتونيت، زبانه برشی بتنی در مقياس بزرگتر و يا سپر كوبيده شده باشد.
تجزيه و مديريت ريسك
برای طراحی سازههای هيدروليكی دو روش متداول وجود دارد.
- روش طراحی سنتی كه در آن پس از تعيين نيروهای وارد بر سازه و طراحی آن، ضريبی تحت عنوان ضريب اطمينان به منظور در نظر گرفتن عدم قطعيت‌های موجود به آن اعمال میشود.
- روش طراحی احتمالاتی كه در آن بارهای وارد شده و مقاومت سازه به صورت متغيرهای تصادفی تعريف شده و به طراح اجازه می‌دهد كه در مورد عدم قطعيت‌های مختلفی مانند داده، مدل و عامل بحث نمايد. بنابراين با استفاده از روش احتمالاتی و كمی نمودن ريسك می‌توان به طراحی بهينه سازه‌ها دست يافت.
بررسی و محاسبه نيروهای وارد بر ديوار سيل بند
يك ديوار سيل بند ممكن است تحت تاثير بارهای زير يا تركيبات نامساعدی از آنها قرار گيرند.
- بار مرده
- وزن خاك
- فشار جانبی خاك
- فشار آب زيرزمينی
- فشار بركنش
- فشار جانبی ناشی از سربار
- فشار برخورد امواج
- نيروهای زلزله
- فشار يخ
ملاحظات خاص برای ديوارهای سيل بند
عملكرد اصلی ديوارهای سيل بند هدايت جريان و جلوگيری از گسترش سيل در منطقه مورد محافظت ماست. ديواره سيل بند در يك وجه تحت تاثير بار گذاری فشار هيدرواستاتيك سيلاب و در وجه ديگر تحت تاثير فشار خاك و آب زير زمينی است. دو نوع اصلی سيل بندها عبارتند از سيل‌بندهای رودخانه‌ای و سيل بند‌های ساحلی. سيل بند‌های رودخانه‌ای در طول مشخصی از ساحل رودخانه يا مسير اجرا میشود. در هنگام سيلاب با جلوگيری از ورود سيل به اراضی كشاورزی و شهری، تحت تاثير فشار هيدرواستاتيك از سمت رودخانه تا تراز سيلاب قرار می‌گيرند. در مقابل سيل بند‌های ساحلی كه در كنار درياها اجرا می‌شوند، تحت تاثير 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 ترميم در ديوار ساحلی و همچنين شريان‌های حياتی مرتبط با آنها بسيار مشكل است. لذا بايد با اعمال تدابير طراحی و جزييات اجرایی مناسب، از عملكرد رضايت بخش ديوارها در شرايط بحرانی مطمئن شد.
ملاحظات زيست محيطی در طراحی ديوارهای سيل بند
حفظ كيفيت محيط زيست به صورت يك امر ملی اولويت خاصی دارد. بنابراين تصميم گيری در مورد موقعيت طرح و اجرای هر پروژ‌ه‌ای بايد به طريقی باشد كه از تاثيرات زيان بخش بر كيفيت محيط زيست از جمله گونه‌های گياهی و جانوری، چشم‌اندازهای محيط، موقعيت باستان شناسی، ارزش‌های اجتماعی و به طور كلی منابع با ارزش موجود در منطقه اجرای پروژه به حداقل برساند.
قدم اول تعيين گزينه‌های متعدد از مناطقی است كه بتوان ديوار سيل بند را به آسانی در آن مكان‌ها اجرا نمود. قدم دوم سازماندهی مطالعه منظم و دقيق برای تبيين اثر طرح‌های انتخابی متفاوت روی عوامل زيست محيطی شناسایی شده در گام نخست است. قدم سوم تهيه نقشه‌های مقدماتی برای مناطق مورد نظر و برآورد هزينه‌های مربوط است كه بر اساس اين برآوردها بتوان بهترين گزينه را درباره مسايل اقتصادی و محيط زيست انتخاب كرد.
ملاحظات اجتماعی در طراحی ديوارهای سيل بند
يكی از مراحل طراحی كه در آن ملاحظات اجتماعی مورد توجه قرار می‌گيرد، مرحله جانمايی ديوار سيل بند و اصلاح مسير رودخانه است. چنانچه در مرحله جانمايی ديوار سيل بند و اصلاح مسير رودخانه تنها ملاحظات سازه‌ای و مقاومت خاك مورد نظر قرار گيرد، ممكن است كه احداث ديوار سيل بند منجر به تسخير زمين‌هايی با كاربری مسكونی و جابجايی مردم اطراف با وسعت زياد شود.
ملاحظات اجتماعی يك معيار اساسی در تعيين دوره بازگشت سيلاب است. در واقع يكی از روشهای تعيين دوره بازگشت سيلاب، تعيين آن بر اساس ملاحظات اجتماعی است. در ادامه، روش انتخاب دوره بازگشت سيلاب بر اساس اين معيار در دو بخش اراضی غير كشاورزی و كشاورزی به طور مجزا بيان میشود.
ملاحظات معماری در طراحی ديوارهای سيل بند
در طراحی ديوار سيل بند لازم است كه ملاحظات معماری مورد توجه قرار گيرد. ديوار ساخته شده بايد زيبا، دارای چشم انداز مناسب و سازگار با محيط باشد. چنانچه پروژه پس از اجرا دارای چشم انداز خوبی باشد، موجب توسعه گردشگری و ايجاد جاذبه‌های توريستی خواهد شد. همچنين، زيباسازی و ايجاد جاذبه‌های توريستی و توسعه گردشگری نيز به نوبه خود عامل رونق اقتصادی پايدار خواهد بود.
