مقاله —d1277

دکتر مسعود نوشادی، استادیار بخش مهندسی آب..............................................................................
دکتر علیرضا سپاس خواه، استاد بخش مهندسی آب............................................................................. دکتر شاهرخ زندپارسا، دانشیار بخش مهندسی آب................................................................................
شهریور 1390
تقدیم به
خانواده ام،که لحظات ناب باور بودن، لذت و غرور دانستن، جسارت خواستن، عظمت رسیدن و تمام تجربه های یکتا و زیبای زندگیم، مدیون حضور سبز آنهاست.
پدربزرگم،
که راهنمایی هایش همیشه روشنگر راه آینده ام بوده و خواهد بود.
سپاسگزاری
بر خود می‌دانم که از زحمات بی‌دریغ، تلاش‌های بی‌وقفه و راهنمایی‌های ارزشمند استاد گرامی جناب آقای دکتر نوشادی، همچنین اساتید مشاورم آقایان دکتر سپاس خواه و زندپارسا به خاطر صرف وقت و نکته سنجی دلسوزانه که در راستای انجام این پروژه با راهنمایی های خود راهگشای اینجانب بوده اند کمال تشکر و سپاسگزاری را داشته باشم. از دوستان ارجمندم مائده محمودیان شوشتری، آرتمیس رودری، بهاره جمالدینی، روح ا... نادری، امین وفامند به خاطر کمک ها و محبت های بی دریغشان نهایت تشکر را دارم.

چکیده
ارزیابی پوشش های مصنوعی(زمین بافت) و گراولی در زهکش های زیرزمینی با استفاده از مدل آزمایشگاهی تانک خاک
به کوشش
مهسا جمالدینی
هدف از این تحقیق، بررسی عملکرد دو نوع پوشش مصنوعی PP450، تولیدی در داخل کشور و پوشش گراولی دانه بندی شده با استاندارد U.S.B.R در خاک سیلتی لوم در سه بار آبی 55، 75 و 105(غرقاب) سانتی متر از محور زهکش با استفاده از دو مدل فیزیکی مخزن خاک بوده است. نیمرخهای آب در اطراف لوله زهکش و نیز مقادیر افت های عمودی، افقی و شعاعی و ورودی در دو نوع پوشش نشان داد که پوشش گراولی کارآیی مؤثرتری برای تخلیه آب از نیمرخ خاک دارد. مقایسه دبی خروجی از زهکش ها نشان داد که در پوشش گراولی، دبی خروجی در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر و در حالت ماندگار به ترتیب 1/66، 3/65 و 6/90 درصد از پوشش مصنوعی بیشتر است. هدایت هیدرولیکی پوشش گراولی در ابتدای آزمایش بین 6 تا 10 برابر هدایت هیدرولیکی خاک اطراف زهکش (2/0 متر بر روز) بوده که در انتهای آزمایش به هدایت هیدرولیکی خاک اطراف رسید ولی در پوشش مصنوعی PP450 حدود 10 برابر کمتر از خاک اطراف زهکش بود. همچنین در هدایت هیدرولیکی و مقاومت ورودی لوله و پوشش در بار آبی 105 سانتی متر که حالت غرقاب است نسبت به دو بار آبی 55 و 75 سانتی متر در هر دو پوشش رفتار متفاوتی مشاهده شد. در پوشش گراولی مقاومت ورودی با افزایش بار آبی کاهش (5/45%) و در پوشش مصنوعی افزایش (57%) یافت. همینطور هدایت هیدرولیکی که با افزایش بار آبی در پوشش گراولی افزایش (3/36%) و در پوشش مصنوعی (8/53%) کاهش داشته است. ضریب مقاومت ورودی لوله و پوشش در پوشش گراولی در هر سه بار آبی بیشتر از پوشش مصنوعی بود و تغییرات آن از تغییرات هدایت هیدرولیکی تبعیت می کرد. نسبت گرادیان در پوشش مصنوعی از پوشش گراولی بیشتر بود که به دلیل کمتر بودن مجموع افتهای ایجاد شده توسط این پوشش در خاک بود. با بررسی نتایج مشخص شد که پوشش گراولی برای خاک مورد مطالعه مناسب تر می باشد.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1- مقدمه.......................................................................................................................................... 5
2- مروری بر مقالههای پیشین 2-1- پوششهای زهکشی......................................................................................................... 4
2-2-1- پوششهای معدنی................................................................................................6
2-2-2- پوششهای آلی...................................................................................................... 7
2-2-3- پوششهای مصنوعی............................................................................................. 8
2-2- عوامل موثر بر پایداری یا ناپایداری ذرات خاک....................................................... 8
2-2-1- بافت خاک............................................................................................................. 9
2-2-2- ساختمان خاک.................................................................................................... 9
2-3- پیش بینی نیاز یا عدم نیاز به پوشش......................................................................... 10
2-3-1-راهنماییهای سازمان خواربار و کشاورزی جهانی ...................................... 11
2-3-2- راهنماییهای سامانی و ویلاردسون .............................................................. 12
2-3-3-راهنماییهای ولتمن و همکاران...................................................................... 13
طراحی پوششهای زهکشی............................................................................................. 14
2-4-1- طراحی پوششهای معدنی.................................................................................. 14
2-4-1-1- معیارهای ترزاقی و گروه مهندسین ارتش آمریکا ........................... 15
2-4-1-2- معیار سازمان حفاظت خاک آمریکا (S.C.S) .................................. 16
2-4-1-3- معیار های دفتر عمران اراضی آمریکا (U.S.B.R)......................... 17
2-4-2- طراحی پوششهای مصنوعی.............................................................................. 17
2-4-2-1-معیار نگهداری ذرات .............................................................................. 18
2-4-2-2- معیار هیدرولیکی.................................................................................... 18
2-4-2-3-معیار جلوگیری از انسداد ...................................................................... 20
2-4-2-4-معیار مکانیکی و استحکام...................................................................... 21
2-5-جریان به طرف زهکش..................................................................................................... 22
2-6-روشهای تحقیق بر روی پوششها................................................................................ 24
2-6-1- روشهای تحقیق مزرعهای................................................................................. 25
2-6-2- روشهای تحقیق آزمایشگاهی.......................................................................... 25
2-6-2-1- مدلهای استوانهای عمودی با جریان شعاعی‌...................................... 26
2-6-2-2- مدلهای افقی.............................................................................................. 27
2-6-2-3- نفوذ سنج های جریان موازی (یک بعدی )....................................... 28
3- مواد و روشها 3-1- آزمایش خصوصیات فیزیکی خاک........................................................................... 38
3-2- تعیین پوشش گراول ................................................................................................. 38
3-3- طراحی و تهیه پوشش مصنوعی مناسب................................................................. 40
3-4- ابعاد مخزن و مراحل ساخت آن................................................................................ 41
3-5- لوله های زهکش........................................................................................................... 45
3-6- پیزومترها........................................................................................................................ 47
3-7- تهیه و آماده سازی خاک برای انجام آزمایش......................................................... 48
3-8- پر نمودن مخزن با خاک ............................................................................................ 49
3-9- شروع آزمایش و برقراری جریان آب ....................................................................... 53
3-10- اندازهگیری پارامترها.................................................................................................. 53
3-10-1- دبی جریان....................................................................................................... 54
3-10-2- اندازهگیری ارتفاع آب در اطراف لوله زهکش............................................ 54
4- نتایج 4-1- نتایج آزمایش دانه بندی خاک................................................................................... 55
4-2- تعیین چگالی ظاهری خاک........................................................................................ 56
4-3- تعیین هدایت هیدرولیکی خاک................................................................................ 56
4-4- شاخص شکل پذیری خاک(شاخص خمیری) ....................................................... 57
4-5- تعیین نسبت جذبی سدیم (SAR) ....................................................................... 60
4-6- تعیین نیاز یا عدم نیاز به پوشش زهکشی.............................................................. 61
4-7- دانه بندی پوشش گراولی .......................................................................................... 62
4-8- نیمرخ پیزومتریک در اطراف لوله زهکش با پوشش گراول و PP450 در بارهای آبی مختلف................................................................................................................... 63
4-9- دبی خروجی از لوله زهکش با پوشش گراولی وپوشش (PP450)............ 65
4-10- افت بارهای آبی در دو پوشش................................................................................. 81
4 -10-1- افت عمودی در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر.............................. 81
4-10-2- افت بار افقی و شعاعی در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر............ 85
4-10-3- افت ورودی و افت پوشش در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر...... 89
4-10-4- افت کل................................................................................................................... 94
4-11- تغییرات مقاومت ورودی لوله و پوشش در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر................................................................................................................................... 98
4-12- تغییرات هدایت هیدرولیکی در دو نوع پوشش گراولی و مصنوعی و در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر....................................................................................... 104
4-13- فاکتور هندسی مقاومت ورودی لوله و پوشش (α) در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر ................................................................................................................... 109
4-14- نسبت گرادیان (GR) در دو نوع پوشش و در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر........................................................................................................................ 113
5-نتیجه گیری.............................................................................................................................. 116
6-پیشنهادات................................................................................................................................ 118
7- منابع........................................................................................................................................... 219
پیوست ها
پیوست شماره (1): آزمایش چاهک وارونه برای تعیین هدایت هیدرولیکی خاک............. 123
پیوست شماره (2): نتایج آزمایش تعیین حد خمیری و حد روانی....................................... 125
پیوست شماره (3): جداول مربوط به عمق آب در پیزومترها در دو مخزن و در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر................................................................................................. 128
پیوست شماره (4): جداول مربوط به ارتفاع پیزومتریک و مجموع افتهای افقی و شعاعی و عمودی در سه بار آبی و دو پوشش گراولی و مصنوعی..........................................
135
فهرست جدولها
عنوان و شماره صفحه
جدول 1-2: رابطه بین دانه بندی پوشش و خاک اطراف آن (U.S.B.R). 19
جدول1-3- موقعیت پیزومترها نسبت به لوله زهکش در مخزن با فیلتر مصنوعی 47
جدول2-3- موقعیت پیزومترها نسبت به لوله زهکش در مخزن با فیلتر گراولی 48
جدول 1-4- میزان درصد رس، سیلت و شن در خاک منطقه مورد بررسی. 59
جدول 2-4- اطلاعات بدست آمده از منحنی دانه بندی خاک. 59
جدول 3-4- چگالی ظاهری خاک (گرم بر سانتی متر مکعب) محل نمونه برداری و ریخته شده در مخزن 59
جدول4-4- هدایت هیدرولیکی خاک منطقه به روش چاهک معکوس و خاک درون مخزن به روش بار ثابت. 60
جدول5-4- حدود اتربرگ خاک منطقه. 60
جدول 6-4- نتایج تجزیه شیمیایی خاک برای تعیین SAR. 61
جدول 7-4- اطلاعات بدست آمده از منحنی دانه بندی پوشش گراولی. 63
جدول 8-4- مقادیر دبی خروجی از زهکش در بار آبی 55 سانتی متر. 74
عنوان و شماره صفحه
جدول 9-4- مقادیر دبی خروجی از زهکش در بار آبی 75 سانتی متر. 76
جدول 10-4- مقادیر دبی خروجی از زهکش در بار آبی 105 سانتی متر. 77
جدول 11-4- افت بار عمودی در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر. 82
جدول 12-4- مجموع افت بار افقی و شعاعی در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر. 87
جدول 13-4- افت بار ورودی و پوشش در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر. 92
جدول 14-4- افت بار کل در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر. 96
جدول 15-4- مقاومت ورودی لوله و پوشش در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر. 99
جدول 16-4- هدایت هیدرولیکی در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر. 105
جدول 17-4- ضریب α در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر. 110
جدول 18-4- نسبت گرادیان در روزهای مختلف در بارهای آبی 55، 75 و 105 سانتی متر 114
فهرست شکلها
عنوان و شماره صفحه
شکل 1-2: الف) انسداد پوششهای مصنوعی نازک با خلل و فرج ریز، ب) انسداد پوششهای ضخیم با خلل و فرج ریز، ج) عدم انسداد پوششهای ضخیم با خلل و فرج درشت 21
شکل شماره 2-2: الف) مقاومت جریان به سمت یک زهکش، ب) افتهای بار مربوطه 23
شکل 3-2 - مدل آزمایشگاهی ارزیابی پوششها ارائه شده توسط ICW 27
شکل 4-2- شکل شماتیک یک نوع مدل افقی به منظور ارزیابی آزمایشگاهی پوششها ارائه شده توسط موسسه .R.I.J.P 28
شکل 5-2- مدل استوانهای عمودی به منظور ارزیابی پوششها 29
شکل 1-3: ترکیب سایزهای مختلف گراول برای تهیه پوشش معدنی مناسب 39
شکل 2-3: منحنی دانه بندی خاک، پوشش معدنی و حد پایین و بالای استاندارد USBR 40
شکل3-3: لوله زهکش با پوشش مصنوعی PP450 41
شکل 4-3- وضعیت قرار گیری لوله های زهکش پوشش و پیزومترها، الف)پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی 42
عنوان و شماره صفحه
شکل 5-3: شیر ورودی ومجرای شستشو نصب شده در زیر مخازن 43
شکل6-3: شیرهای کنترل کننده سطح آب، نصب شده در جداره مخزن آب 44
شکل7-3: نمایی از مخزن خاک 45
شکل8-3: نمایی از دو مخزن ساخته شده 46
شکل9-3: مسدود نمودن انتهای لوله های زهکش با درپوش پلاستیکی 46
شکل10-3: پیزومترهای بکار رفته به همراه توری پارچه ای 47
شکل11-3: محل خاکبرداری جهت انجام آزمایشات 50
شکل12-3: کوبیدن خاک قبل از ریختن به دورن مخازن 51
شکل13-3: ریختن خاک درون مخزن و کوبیدن آن 51
شکل14-3: قرار دادن لوله با پوشش مصنوعی در محل مورد نظر 51
شکل15-3: ریختن پوشش معدنی به ضخامت 10 سانتی متر در محل مورد نظر 52
شکل16-3: قرار گرفتن پیزومترها در جای مخصوص 52
شکل 1-4- منحنی دانه بندی خاک با استفاده از دستگاه مستر سایزر 57
شکل 2-4- منحنی دانه بندی خاک با استفاده از روش هیدرومتری 58
شکل 3-4- مثلث بافت خاک شکل 58
4-4- منحنی دانه بندی پوشش گراولی 62
عنوان و شماره صفحه
شکل5-4- الف- نیمرخ سطح آب در اطراف زهکش در بار آبی 55 سانتی متر در مخزن حاوی پوشش گراولی 66
شکل5-4- ب- نیمرخ سطح آب در اطراف زهکش در بار آبی 55 سانتی متر در مخزن حاوی پوشش مصنوعی 67
شکل6-4- الف- نیمرخ سطح آب در اطراف زهکش در بار آبی 75 سانتی متر در مخزن حاوی پوشش گراولی 68
شکل6-4-ب - نیمرخ سطح آب در اطراف زهکش در بار آبی 75 سانتی متر در مخزن حاوی پوشش مصنوعی 69
شکل7-4- الف- نیمرخ سطح آب در اطراف زهکش در بار آبی 105 سانتی متر در مخزن حاوی پوشش گراولی 70
شکل7-4 - ب - نیمرخ سطح آب در اطراف زهکش در بار آبی 105 سانتی متر در مخزن حاوی پوشش مصنوعی 71
شکل 8-4- تغیرات دبی خروجی از زهکش در سه بار آبی مختلف، الف) پوشش گراولی. ب): پوشش مصنوعی 78
شکل 9-4- تغییرات دبی خروجی (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 79
شکل10-4- تغییرات افت بار عمودی در روزهای مختلف و در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر: الف) پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی 83
شکل11-4- تغییرات افت بار عمودی در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 84
شکل12-4- تغییرات افت بار افقی و شعاعی در روزهای مختلف و در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر: الف) پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی. 88
عنوان و شماره صفحه
شکل13-4- تغییرات افت بار افقی و شعاعی در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 89
شکل14-4- تغییرات افت ورودی و پوشش در روزهای مختلف و در سه بار آبی 55، 75 و 105 سانتی متر الف) پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی. 93
شکل15-4- تغییرات افت بار ورودی و پوشش در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش. 94
شکل16-4- تغییرات افت بار کل در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 97
شکل17-4- تغییرات مقاومت ورودی لوله و پوشش در روزهای مختلف و در بار آبی 55 سانتی متر: الف) پوشش گراول، ب) پوشش مصنوعی 100
شکل18-4- تغییرات مقاومت ورودی لوله و پوشش در روزهای مختلف و در بار آبی 75 سانتی متر، الف) پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی 101
شکل19-4- تغییرات مقاومت ورودی لوله و پوشش در روزهای مختلف و در بار آبی 105 سانتی متر،الف) پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی. 101
شکل20-4- تغییرات مقاومت ورودی لوله و پوشش در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 102
شکل21-4- تغییرات هدایت هیدرولیکی در روزهای مختلف و درسه بار آبی 105، 75 و 55 سانتی متر، الف) پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی 108
شکل22-4- تغییرات هدایت هیدرولیکی در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 109
شکل23-4- تغییرات ضریب α در روزهای مختلف و درسه بار آبی 105، 75 و 55 سانتی متر، الف)پوشش گراولی، ب)پوشش مصنوعی. 111
عنوان و شماره
صفحه
شکل24-4- تغییرات ضریب α در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 112
شکل25-4- تغییرات نسبت گرادیان در پوشش گراولی و مصنوعی و در روزهای مختلف برای رسه بار آبی 105، 75 و 55 سانتی متر ،الف) پوشش گراولی، ب) پوشش مصنوعی. 115
شکل26-4- تغییرات نسبت گرادیان در 5 روز آخر (حالت ماندگار) در سه بار آبی و در دو پوشش 115
مقدمه
زهکشی در مناطقی نظیر ایران که تولید محصولات کشاورزی در آنها بستگی به آبیاری دارد، امری اجتناب ناپذیر بوده و با توجه به نقش و اهمیت زهکشی زیرزمینی و توجه ویژه به آن جهت کنترل سطح ایستابی، یافتن راه حلهای جدید و اقتصادی تر، خصوصا در ارتباط با تولید و بکارگیری انواع جدید لوله و مواد پوششی اطراف آنها ضروری است(حسن اقلی و لیاقت1383).
زهکشی عبارت است از خارج نمودن آب و املاح اضافی از خاک. زمینهایی که آبیاری می شوند به یک سیستم زهکشی نیازمند هستند و این زهکشی می تواند طبیعی باشد و یا به علت نوع خاک و سایر عوامل زمین شناسی مصنوعا تعبیه شود. در بعضی موارد نیز زهکشی مصنوعی تکمیل کننده زهکشی طبیعی می باشد(بای بوردی، 1387). زهکشی زیرزمینی یک تکنیک برای جابجا کردن آب اضافی از زمین به منظور ایجاد شرایط مناسب برای تولید محصول می باشد. در شرایطی که این احتمال وجود دارد که ذرات خاک وارد لوله های زهکشی شوند مواد مناسبی باید در اطراف لوله های زهکشی قرار داده بشوند (سکندار، 1983).
بر اساس آمار موجود، 150 تا 170 میلیون هکتار از 240 تا 250 میلیون هکتار اراضی آبی جهان به طریق سطحی و یا زیرزمینی زهکشی میشود. مساحت اراضیای که به زهکشهای زیرزمینی مجهز است به درستی معلوم نیست، اما واضح است که احداث زهکشهای زیرزمینی در جهان به طور فزایندهای رو به گسترش است. در کشور ایران در سالهای گذشته سرمایهگذاری عظیمی برای توسعه آبیاری انجام گرفته است به طوری که سطح کل اراضی تحت شبکههای مدرن آبیاری که در حال حاضر 2/1 میلیون هکتار می باشد، با اجرای طرحهای جدید به 9/1 میلیون هکتار خواهد رسید و متاسفانه بخشی از این اراضی به علت آبیاری بیرویه یا فقدان سیستم زهکشی، زهدار شدهاند(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1381).
در مطالعات و طراحی شبکه های زهکشی به علت عدم توجه کافی به تجارب منطقه ای داخل کشور و اتکاء به مطالعات و تحقیقات منابع خارجی و روشهای توصیه شده در منابع علمی خارجی اغلب نتیجه مطلوبی نداشته است. در بیشتر پروژه های زهکشی شکست خورده عامل اصلی، طراحی و اجرای نا مناسب پوشش اطراف لوله های زهکشی گزارش شده است. بنابراین در طرحهای زهکشی زیرزمینی اهمیت طراحی و اجرای صحیح پوشش اطراف لوله های زهکشی به مراتب بیش از پارامترهای دیگر طراحی است. پوششها بخش جدایی ناپذیر سیستم های زهکشی هستند که آسیب دیدن آنها موجب آسیب دیدن کل سیستم زهکشی می شود (قانع، 1385). اگرچه پوششها راندمان زهکشی را از طریق کاهش مقاومت ورودی به زهکش افزایش می دهند ولی بیش از همه برای جلوگیری از ورود و آبشویی ذرات خاک به درون زهکش به کار می روند. بنابراین پوششها بخصوص در خاکهای شنی غیر چسبنده مورد نیاز هستند و در خاکهای رسی چسبنده و پایدار نیازی به بکارگیری پوششهای زهکشی نیست(دایریکس و یونکونگلو،1982).
در ایران مواد پوششی در پروژه های زهکشی کاربرد وسیعی داشته و صافی های گراولی که رایج ترین نوع پوشش لوله ها است، بیشترین هزینه اجرایی یک طرح را به خود اختصاص داده است(حسن اقلی و لیاقت، 1383). پوشش های گراولی که هنوز رایج ترین نوع پوشش ها می باشند، مشکلاتی مانند کمبود معادن گراول در محل اجرای پروژۀ زهکشی، حمل و نقل گراول به محل اجرای پروژه و عملیات اجرایی ( کندن ترانشه های عریض، دانه بندی گراول و غیره) دارند. همه این موارد باعث می شود که استفاده از این نوع پوشش ها هزینه اجرایی پروژه های زهکشی را بطور چشمگیری افزایش دهد، چنانچه حتی برخی پروژه ها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشند. در چند سال اخیر محققین در صدد جایگزین نمودن پوشش های دیگر که هزینه کمتری دارند بجای پوشش های گراولی برآمده اند. پوشش های مصنوعی (زمین بافت) به خاطر مزایای زیادی که دارند، از جمله کاهش هزینه های نصب و اجرا، سرعت نصب بالا، کاهش تلفات زمین در اثر حفاری و غیره در کشورهایی مانند آمریکا، پاکستان، هلند و مصر در سطح وسیعی مورد استفاده قرار گرفته اند(قانع، 1385). زمین بافتها از جمله مصالحی هستند که امروزه بصورت گسترده ای در اجرای کارهای عمرانی مورد استفاده قرار می گیرند. از عمده ترین کاربردهای این مصالح، استفاده به عنوان پوشش می باشد. در طول چندین سال گذشته مبحث کاربرد زمین بافتها در مهندسی هیدرولیک و ژئوتکنیک بر اساس محاسن فنی و اقتصادی آنها در مقایسه با مصالح معمول افزایش روز افزونی داشته است. نتایج حاصل از تأثیر استفاده از این مصالح برای پوشش به عنوان جایگزین مصالح طبیعی و یا در ترکیب با آنها جهت کنترل تراوش آب در سازه های خاکی و کاهش هزینه های ساخت و تسریع در اجرا در مقایسه با سایر مصالح موجود در طراحی سیستم های صافی سازی و زهکشی کارهای خاکی، بویژه در مناطقی که مصالح با کیفیت مطلوب موجود نمی باشد و یا تأمین آنها هزینه زیادی را در بر دارد، کاربرد اساسی دارد.
علیرغم توسعه وسیع ساخت و کاربرد مواد مصنوعی در سطح جهان، کاربرد این مصالح در ایران هنوز آنچنان که شایسته می باشد مورد استقبال چندانی قرار نگرفته است که از جمله دلایل آن، می تواند عدم وجود تجربه و سابقه کاربرد این مصالح در ایران باشد. با توجه به رشد روزافزون صنایع پتروشیمی در کشور و تولید داخلی زمین بافتها با کیفیت مناسب و با بهره گیری از مواد پلیمری مصنوعی و ضایعات الیافی حاصل از کارخانجات فرش و موکت، جایگزینی آنها با مصالح سنتی از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه و عملی می باشد(حسن اقلی و لیاقت، 1383).
مروری بر مقالههای پیشین
2-1- پوششهای زهکشی
به ماده متخلخلی که در اطراف یک زهکش زیرزمینی برای محافظت در برابر رسوبگذاری و بهبود عملکرد هیدرولیکی آن قرار داده میشود پوشش زهکش اطلاق شود(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383). پوششهای زهکشی و صافی ها دو تکنیک متفاوت برای حل مشکلات زهکشی هستند. پوششهای زهکشی مواد نفوذ پذیری مانند گراول هستند که در اطراف لوله زهکش به منظور بهتر کردن شرایط جریان آب قرار داده می شوند. صافی ها در زهکشی نیز مواد نفوذ پذیری هستند مانند ژئوتکستایلها، که به منظور جلوگیری از ورود ذرات ریز دانه از خاک اطراف لوله زهکش توسط جریان آب زیر زمینی به درون لوله زهکشی به کار برده می شوند(وزارت کشاورزی و غذا، 2000).
امروزه به منظور بیان پوشش اطراف لوله های زهکشی بدون توجه به نقش آن عمدتا از واژه پوشش استفاده می شود. در واقع پوشش لوله های زهکش، از ضروری ترین بخشهای هر سیستم زیرزمینی است که در خاکهای ناپایدار استفاده از آن کاملا ضروری می باشد(کیخا، 1377).
پیلسبوری (1967) انواع فیلترهای مختلف را مورد بررسی قرار داده است و عدم موفقیت برخی پروژهها را مدیون فیلتر نامناسب میداند. دنیس و ترافورد (1976) در آزمایشی به این نتیجه رسیدند در صورت استفاده از فیلتر در یک سیستم زهکش، فاصله لولههای زهکش را تا 120 درصد میتوان اضافه نمود.
پس از حفر ترانشهای که در آن تنبوشهها قرار داده میشوند معمولاً اطراف تنبوشه را با مواد نفوذپذیری میپوشانند. استفاده از این مواد به منظور تأمین نکات زیر میباشد:
الف - به عنوان مانعی تراوشپذیر در برابر ورود بیش از حد ذرات خاک و خاکدانهها به داخل لولههای زهکش که ممکن است باعث گرفتگی لولهها شود. عمل نمودن پوشش به عنوان صافی یا فیلتر در ابتدای احداث زهکش بسیار مهم میباشد ولی پس از نشست و تثبیت خاکهای اطراف و بالای لوله این تأثیر از اهمیت زیادی برخوردار نخواهد بود مگر در خاکهای ناپایدار. عمل نمودن پوشش به عنوان فیلتر در شرایطی که امکان وارد شدن ذرات خاک به لولهها وجود دارد. برای این منظور اندازه منافذ فیلتر باید به دقت تعیین گردد تا با ذرات خاک اطراف هماهنگی فیزیکی داشته باشد. به تجربه ثابت شده است فیلترهایی خوب هستند که برخی از ذرات که اندازه آنها کوچک است را از خود عبور دهد. وجود فیلتر در خاکهای شنی نرم و سیلتی درشت الزامی میباشد.
ب - بهبود هدایت هیدورلیکی در اطراف لوله: موادی که در اطراف لوله قرار داده میشوند معمولاً‌ دارای نفوذپذیری زیادی میباشند که این امر سبب میشود که افت انرژی در محل ورود آب به لوله و‌ سرعت آب در محل فیلتر کاهش پیدا کند و ذرات معلق آب رسوب کرده و به داخل لوله راه پیدا نکند. این دو منظور زمانی حاصل میشود که ضخامت پوشش حداقل 5 تا 10 میلیمتر و مقدار ضریب K در آن حدوداً‌ 10 برابر ضریب هدایت هیدرولیکی خاک باشد(بای بوردی، 1387).
ج - ایجاد یک بستر مناسب برای تنبوشهها : نقش بستری در خاکهای ناپایدار عمدتاً‌ توسط پوشش سنگریزهای صورت میگیرد. سنگریزه باعث بهبود مکانیکی در سیستم "زهکش – پوشش – خاک" شده و به عنوان یک بستر و محافظ جانبی لولهها پلاستیکی عمل میکند(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383)
د – برای تثبیت بستر طبیعی خاکی که تنبوشهها در آن قرار داده میشوند.
انواع پوششها بر اساس مواد متشکلهشان به سه دسته زیر تقسیم میشوند:
2-1-1 - پوششهای معدنی
پوششهای معدنی به طور عمده شامل شن درشت،‌ سنگریزههای ریز و سنگهای شکسته شده است، که به هنگام نصب لوله زهکشی با دانه بندی مشخص در زیر و اطراف آن قرار دادهمیشوند که در این پوششها، نقش صافی بودن آن ها مطرح است. در مورد خصوصیات فیلترها از نظر اندازه و دانهبندی آن ضوابط گوناگونی توسط سازمان حفاظت خاک امریکا و دفتر عمران امریکا تهیه شده است که میتوان نتایج این تحقیقات را در طرحهای زهکشی به کار برد. این پوششها اگر به خوبی طراحی و جاگذاری گردند، کاملاً مورد اطمینان هستند زیرا حجیم بوده و میتوانند مقدار نسبتاً زیادی از مواد خاکی را در خود نگه دارند. این مواد در اکثر شرایط با موفقیت نقش خود را در دراز مدت ایفا نمودهاند. پوششهای سنگریزهای دانهبندی شده که به طور مناسب طراحی شدهاند از نظر فیزیکی، پوششهای ایدهآلی به شمار میروند. گراولهای دانهبندی شده باید یکنواخت و به صورت مخلوط دانهبندی شده مناسبی از شن تمیز و سنگریزه عاری از سیلت،‌ رس و مواد آلی باشد(کمیته ملی آبیاری و زهکشی،1383).
در مواردی که لولههای زهکشی دارای قابلیت انعطافپذیری زیادی هستند کاربرد پوششهای گراولای ضروری است زیرا این نوع پوششها علاوه بر نقش فیلتری و هیدرولیکی باعث میشوند که یک بستر پایدار برای محافظت لوله در برابر تکانهای عمودی ناشی از بار وارده از طرف خاک به هنگام نصب یا بعد از آن بوجود آید(دایریکس، 1979).
2-1-2- پوششهای آلی
مواد پوششی آلی شامل کاه و پوشال، کلش غلات،‌ کلش کتان، کلش برنج، برگ سرو، خیزران، چوب ذرت، خردههای چوب، نی، غلاف خار و بن، کتان خردشده، ساقههای کتان، چمن، تورب و الیاف نارگیل میباشند که در مواردی که هم نقش نگهداری ذرات و هم نقش هیدرولیکی پوشش مهم است، به صورت حجیم به کار میروند. این مواد ممکن است به صورت نامنظم و نامتراکم روی لولههای زهکشی در داخل ترانشه ریخته شوند، و یا ممکن است به صورت مواد از قبل پیچیدهء حلاجی شده دور لوله زهکش قرار داده شوند. درگذشته نه چندان دور این مواد را به صورت نوارهایی در بالای لولههای زهکش به کار میبردهاند که این روش اکنون منسوخ گردیده است(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383).
پوششهای آلی در اکثر کشورهای اروپای غربی به کار برده میشوند اما در مناطق مرطوب بخش شرقی آمریکا و کانادا کمتر مورد استفاده قرار میگیرند(دایریکس، 1990). در هلند الیاف نارگیل و یا مخلوط آن دو به صورت حجیم به کار برده میشود(دایریکس، 1992). مشکل عمده این پوششها اینست که اغلب مورد تجزیه بیولوژیکی قرار میگیرند و در صورتی که pH خاک بیش از 6 باشد بعد از 2 تا 5 سال به طور کامل تجزیه میشوند(ون زیجتز، 1992).
در کشورهای اسکاندیناوی، خاک اره حاصل از درختان مخروطی اغلب به عنوان ماده پوششی برای لوله های زهکشی مورد استفاده قرار می گیرند(کابوسی و همکاران، 1388).
ریمیدیس و دایریکس (2003) در لیتوانی طی یک تحقیق چهارساله بین سالهای 98-1994 نشان دادند که استفاده از پوشش خاک اره سبب بهبود کارکرد سیستم زهکشی گردید.

2-1-3- پوششهای مصنوعی
این نوع پوششها در کشورهایی نظیر هلند که تهیه شن و سنگریزه با مشکل همراه است مورد توجه قرار گرفت و برای اولین بار در سال 1960 میلادی از پوششهای پشمشیشه به صورت نوارهایی با طول، عرض و ضخامت متفاوت تولید شد. امتیاز آنها در این بود که به عنوان صافی بسیار مناسب میتوانست در زهکشهای زیرزمینی به کار رود. استفاده از این گونه صافیها کاهش هزینههای نصب و حمل و نقل را به دنبال داشت. به تدریج عدم کارایی این گونه مصالح به علت ریز بودن سوراخها و مسدود شدن در نتیجه رسوبات (از جنس ترکیبات آهن) گرایش به سوی سایر مواد ترکیبی را تشدید نمود. مطالعات انجام شده در خصوص تهیه پوششهای حجیم با قابلیت هدایت هیدرولیکی بالا منجر به تولید نمدهای پروپیلن و پلیاستر با وزن مخصوص کم گردید(ویلاردسون، 1987). این پوششها در طی سی سال گذشته به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفتند و استفاده از آنها غالبا موفقیت آمیز بوده است(پالمیرا و گاردونی، 2002).
2-2-عوامل مؤثر بر پایداری یا ناپایداری ذرات خاک
پایداری و ناپایداری خاک بستر تعیین کننده نیاز یا عدم نیاز به پوشش زهکشها میباشد. این ویژگیها شامل بافت،‌ ساختمان و خواص شیمیایی خاک میباشد. با توجه به این که بافت و ساختمان خاک تأثیر زیادی روی پایداری و ناپایداری ذرات خاک دارند لذا بررسی مکانیسم این تأثیر ضروری به نظر میرسد.
2-2-1- بافت خاک
منظور از بافت خاک،‌ اندازه و نسبت ذرات اصلی تشکیل دهنده آن و به عبارت دیگر درصد رس، سیلت و شن موجود در خاک میباشد که به تفکیک قابل بیان است. بافت خاک از طریق تجزیه مکانیکی تعیین میگردد و این شاخص،‌ از مهمترین پارامترهای پایداری خاک است که وجود ذرات ریز دانه مانند ذرات سیلت به میزان زیاد باعث ناپایداری خاک میگردد. ذرات مختلف خاک با سرعتهای متفاوت جریان آب در خاک جابجا میشوند. ذرات درشت برای جابجایی نسبت به ذرات ریز مثل سیلت به سرعتهای بالاتری نیاز دارند اما ذرات رس از این قاعده مستثنی هستند، وجود رس به علت اینکه بین ذرات خاک چسبندگی ایجاد میکند،‌ ذرات خاک را در مقابل جریان آب مقاوم میکند(قانع، 1385). به همین سبب از مقدار رس خاک به عنوان معیار مناسبی به منظور تعیین نیاز یا عدم نیاز به پوششهای زهکش به عنوان صافی استفاده میشود.
بر اساس نظر دیلمان و ترافورد(1976)، در صورتی که نسبت درصد رس به سیلت از 5/0 فراتر رود،‌ خطر گرفتگی مواد معدنی در لولهها به سرعت کاهش مییابد. در این حالت اندازه ذرات سیلت در حد 2 تا 20 میکرون خواهد بود. علت اینکه در خاکهای حاوی مقادیر زیاد سیلت خطرگرفتگی افزایش مییابد در این است که این خاکها محتوی ذراتی هستند که از یک سو بزرگی آنها به اندازهای است که از سوراخ های زهکشهای بدون پوشش عبور می کند و از سوی دیگر بزرگی آنها به حدی است که چسبندگی ندارند.
2-2-2- ساختمان خاک
ساختمان خاک نمایهای از طرز قرار گرفتن ذرات نسبت به یکدیگر میباشد. در طبیعت، ساختمان خاک از نحوه بهم چسبیدن ذرات خاک کم و بیش همراه با خلل و فرج یا به صورت متراکم تشکیل میشود. این امر تحت تأثیر بافت خاک، وجود مواد آلی یا سایر مواد چسبنده و نسبت بین کاتیونهای مختلف موجود در خاک است. توده خاک، بسته به میزان نیروی چسبندگی بین ذرات، میتواند در سه دسته بدون چسبندگی، چسبندگی ضعیف و چسبندگی متوسط تا قوی، طبقهبندی شود.
ساختمان خاک بدون چسبندگی،‌ که در آن ذرات به صورت منفرد قرار دارند، که به این نوع خاکها، خاکهای دانهای اطلاق میشود. این نوع خاکها فاقد ساختمان می باشند و تقریباً بدون چسبندگی هستند. از طرف دیگر چنانچه ذرات خاک طوری به هم چسبیده باشند که کلوخههای بزرگی را ایجاد کرده باشند از نظر ساختمانی به آنها خاکهای تودهای اطلاق میشود. بین این دو طیف یعنی در حد فاصل دانهای تا کلوخهای نوعی دیگر از ساختمان خاک وجود دارد که در آن ذرات خاک با هم دانههای نسبتاً‌ کوچک و بزرگی بنام خاکدانه یا خاک واحد را تشکیل دهند. در خاکهای دارای ساختمان، چگالی ظاهری خیلی مهم میباشد. چگالی ظاهری زیاد خاک اجازه نمیدهد که ذرات خاک از بین خلل و فرج بین خاکدانهها عبور کند. بدترین حالت زمانی است که خاک دارای چگالی ظاهری کم باشد در این حالت ذرات سست خاک از خاکدانهها جدا شده و به سمت زهکش راه پیدا میکند(دایریکس، 1990 و 1992).
2-3-پیشبینی نیاز یا عدم نیاز به پوشش
معمولا" در خاکهایی که از نظر ساختمان دارای استحکام ذاتی مناسب و کافی هستند زهکشهای زیر زمینی می توانند بدون احتیاج به مواد پوششی نصب گردند(کیخا، 1377)
درکشورهای گوناگون توصیههایی به صورت جدول، منحنی و یکسری کمیتها، براساس خواص خاک به منظور پیشبینی نیاز به پوشش توسط سازمانها و افراد مختلف ارائه شده است.که در اکثر آنها بافت خاک را در نظر گرفته و کمتر به ساختمان و خواص شیمیایی خاک و اثر آن بر پیشبینی نیاز به پوشش پرداخته شده است. در زیر به چند مورد از آنها اشاره شده است:
2-3-1-راهنماییهای سازمان خواربار و کشاورزی جهانی
دایلمان و ترافورد (1976) پارامترهای مهمی را در رابطه با نیاز و یا عدم نیاز به پوشش بر اساس معیارهای سازمان خواربار جهانی به شرح زیر ارائه نموده اند:
الف) ضریب یکنواختی دانهبندی ( Cu) : ضریب یکنواختی دانهبندی خاک تأثیر بسزایی در پتانسیل رسوبگذاری دارد و به صورت زیر تعریف میشود:
(1-2) Cu=d60d10 که در آن : Cu= ضریب یکنواختی دانهبندی ، d60 و d10 = قطری است که به ترتیب 10 و 60 درصد ذرات خاک از آن کوچکتر باشند.
با توجه به اینکه خاکهای دارای تنوع زیاد اندازه ذرات، مشکل رسوبگذاری جدی در لوله های زهکشی از خود نشان نمیدهند، اولبرتس و پرس(1965) مقادیری از ضریب یکنواختی (Cu) را به عنوان احتمال فرسایش به شرح زیر پیشنهاد کردهاند:
5> Cu> 1 خاک بسیار یکنواخت و بسیار حساس به فرسایش (تمایل به رسوبگذاری زیاد)
15> Cu> 5 خاک نسبتاً‌ یکنواخت و حساس به فرسایش (تمایل به رسوبگذاری کم)
15< Cu بدون خطر فرسایش و رسوبگذاری
ب) شاخص خمیری(PI):، عبارتست از تفاضل حد روانی (LL) و حد خمیری (PL) خاک. مطابق این معیار :
اگر 12 > PI، خاک تمایل به رسوبگذاری ندارد.
اگر 12 تا 6 = PI، تمایل به رسوبگذاری کم است.
اگر 6 < PI، تمایل به رسوبگذاری زیاد است.
ج) نسبت رس به سیلت : در صورتی که این نسبت برابر 5/0 باشد، از نظر رسوب گذاری محدودیتی بشمار نمیآید.
2-3-2- راهنماییهای سامانی و ویلاردسون
به هنگام عبور آب از داخل یک خاک اشباع، نیرویی بر ذرات خاک وارد میشود. طبق معادله برنولی نیروی وارد بر واحد حجم خاک توسط تراوش آب تحت گرادیان i، توسط سامانی و ویلاردسون(1981) به صورت زیر ارائه شده است :
(2-2) F=γ×iکه در آن: F = نیروی وارد بر واحد حجم خاک (نیوتن بر متر مکعب)، = وزن مخصوص آب، (نیوتن بر متر مکعب)، i = گرادیان هیدرولیکی (بدون بعد).
رابطه فوق نشان میدهد، با افزایش گرادیان هیدرولیکی، نیروی وارده از جریان آب بر ذرات خاک، افزایش مییابد. این افزایش نیرو تا زمانی ادامه دارد که ذرات خاک دیگر هیچ مقاومتی در برابر نیروی آب نداشته باشند. چنین گرادیانی که تحت آن ذرات خاک بدون مقاومت شروع به حرکت مینمایند، گرادیان شکست هیدرولیکی، نامیده میشود. در مجاورت زهکشها بدلیل همگرایی خطوط جریان، گرادیان هیدرولیکی به حداکثر مقدار میرسد. گرادیان در این نقطه، گرادیان خروجی نامیده میشود. اگر گرادیان خروجی بیش از گرادیان شکست هیدرولیکی باشد، در اینصورت ذرات خاک به طرف زهکش حرکت خواهد کرد.
به منظور پیشبینی نیاز یا عدم نیاز به پوشش تعیین گرادیان شکست هیدرولیکی و گرادیان خروجی سیستم زهکش ضروری میباشد. اندازهگیری مستقیم گرادیان شکست هیدرولیکی مشکل و پرهزینه میباشد. سامانی و ویلاردسون (1981)، رابطه زیر را برای تعیین گرادیان شکست هیدرولیکی ارائه نمودهاند :
(3-2)( 0.332-11400 K+1.07 lnPI ) EXP = H.F.G
که در آن: H.F.G = گرادیان شکست هیدرولیکی ( بدون بعد )، K = هدایت هیدرولیکی ( متر بر ثانیه )، PI =شاخص خمیری ( بدون بعد ).
گرادیان خروجی (i)، با استفاده از معادله دارسی در اطراف زهکش محاسبه میگردد. اگر H.F.G > i، در اینصورت نیاز به پوشش الزامی خواهد بود
(4-2) i=QK×Aکه در آن: i = گرادیان خروجی ( بدون بعد )، K = هدایت هیدرولیکی ( متر بر روز )، Q = دبی خروجی ( متر مکعب بر روز)، A: سطح ورود آب به لوله زهکش(متر مربع).
-راهنماییهای ولتمن و همکاران

ولتمن و همکاران (1997)، بر اساس درصد رس، نسبت جذب سدیم، شاخص پلاستیسیته، ضریب یکنواختی، گرادیان شکست هیدرولیکی و تستهای آزمایشگاهی و صحرایی، راهنماییهای زیر را به منظور تعیین نیاز به پوشش ارائه نمودهاند:
40% > درصد رس، پوشش مورد نیاز نمیباشد.
30% > درصد رس و 12-8 > نسبت جذب سدیم ممکن است پوشش مورد نیاز باشد.
12 > شاخص خمیری ( PI )، احتمالاً‌ پوشش مورد نیاز است.
15 > ضریب یکنواختی دانهبندی، احتمالاً‌ پوشش مورد نیاز نمی باشد.
گرادیان خروجی > گرادیان شکست هیدرولیکی، پوشش نیاز نمیباشد.
این توصیهها تقریباً‌ تمامی پارامترهایی که بر روی ناپایداری خاک مؤثر است در نظر گرفته و نسبت به راهنمایهای قبلی کاملتر میباشد.
طراحی پوششهای زهکشی
معیارهای کلاسیک برای طراحی و احداث پوششهای معدنی بر اساس یافته های آزمایشگاهی و بررسیهای تئوری به دست آمده و بعد از سالها تجربه در شرایط صحرایی، تعدیل و اصلاح شده اند. معیارهای مربوط به طراحی و احداث پوششهای مصنوعی نیز به همین صورت در حال پیشرفت و ترقی می باشند. فقط نیاز به تجارب صحرایی بیشتری در این زمینه می باشد. اگر چه معیارهای زیادی برای طراحی و احداث پوششها وجود دارد ولی هنوز روش واحدی برای طراحی و ارزیابی عملکرد پوششها ارائه نشده است. برای بیان اندازه ذرات خاک یا مواد پایه(خاک) و پوشش معدنی بترتیب از dxx و Dxx استفاده می شود. d مربوط به اندازه ذرات خاک می باشد که در ارتباط با پوششهای معدنی، آلی یا مصنوعی می باشد و D مربوط به اندازه ذرّات پوشش معدنی می باشد. اندازه منافذ پوششهای آلی و مصنوعی با Oxx نشان داده می شود. عدد xx که به صورت اندیس آمده است، درصد وزنی نمونه مورد نظر می باشد که اندازۀ ذرّات آن کوچکتر از d یا D ( درصد عبور تجمعی که این درصد توسط آزمایش الک تعیین می شود) می باشد. اندازه های ارائه شده بر حسب میکرون یا میلیمتر همراه با درصد xx می باشند که دلالت بر این موضوع دارد که چند درصد ذرّات کوچکتر از اندازۀ مورد نظر می باشند( ولتمن و همکاران، 2000).
2-4-1- طراحی پوششهای معدنی
طراحی یک پوشش معدنی برای زهکشی متفاوت از طراحی برای پوشش سازه های هیدرولیکی می باشد. زیرا یک پوشش زهکشی بایستی نقش فیلتری و نفوذ پذیری زیاد را تبا هم انجام دهد(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383).
جهت طراحی این پوششها، سازمانها و اشخاص مختلفی بر اساس منحنی دانه بندی خاک محل زهکشی، معیارها و ضوابطی ارائه نموده اند. در زیر برخی از این معیارها و ضوابط شرح داده شده است.
2-4-1-1- معیارهای ترزاقی و گروه مهندسین ارتش آمریکا
اولین معیارهای پیشنهادی توسط ترزاقی و انجمن مهندسین ارتش آمریکا (1941) ارائه شد. این معیارها عبارتند از:
الف - قطر 15 درصد از ذرات مواد پوششی (15D1)بایدحداقل چهار برابر قطر 15 درصد ذرات خاک(15d) باشد:
(5-2) D15≥4d15
این شرط باعث می شود تا نفوذ پذیری مواد پوششی اطراف لولۀ زهکش تقریبا" بیش از ده برابر نفوذ پذیری خاک باشد.
ب - قطر 15 درصد از ذرات مواد پوششی() نبایستی بیش از چهار برابرقطر85 درصد ذرات خاک (85 d) باشد، یعنی:
(6-2) D15≤4d85این شرط از شسته شدن ذرات ریز خاک به داخل مواد صافی ممانعت می کند
2-4-1-2- معیار سازمان حفاظت خاک آمریکا (S.C.S)

نتایج تحقیقات S.C.S پیرامون پوششهای معدنی به صورت دستورالعملی به منظور ارزیابی گراول که به صورت مصنوعی دانه بندی می شوند و به عنوان مواد پوششی زهکش بکار برده می شوند، تدوین شده است. توصیه برای مواد دانه بندی شدۀ طبیعی یا مخلوطی از گراول عبارتست از:
(7-2) D100≤38mmD30≥250μm(8-2)
(9-2) D5≥75μm12 < D50d50 < 58(10-2)
12 <D15d15 < 40(11-2)
برای لوله های زهکشی مشبک روابط زیر باید برقرار باشد :
D85 > 0.5 × عرض سوراخ یا شکاف(12-2)
D90< 19 mm(13-2)
D10 > 0.25 mm(14-2)
فقط در خاکهای یکنواخت که ضریب یکنواختی آنها برابر یا کمتر از یک و نیم است معادله (10-2) باید به صورت زیر باشد :
5 < D50d50 <10(15-2)
به منظور بررسی و تعیین وضعیت پایداری خاک اطراف لوله زهکش ضابطه دیگری نیز به صورت ذیل به روابط فوق اضافه می گردد :
D15d85 < 5(16-2)
هدایت هیدرولیکی خاک وپوشش معدنی در آزمایشگاه با استفاده از روش بار آبی ثابت تعیین می گردد(علیزاده، 1384).
2-4-1-3- معیار های دفتر عمران اراضی آمریکا (U.S.B.R)
در روش دفتر عمران اراضی آمریکا طراحی فیلتر بر اساس اطلاعات بدست آمده از منحنی دانه بندی خاک، بخصوص 60 d صورت می پذیرد. جدول 1-2 معیار طراحی پوشش اطراف لولۀ زهکش ضوابط U.S.B.R را نشان می دهد.
جهت طراحی پوشش ابتدا 60 d خاکهای موردنظر از روی منحنی دانه بندی خاک تعیین می شود . سپس بر اساس جدول1-2، محدوۀ بالا و پایین اندازۀ ذرات پوشش بدست آمده و منحنی های حد بالا و پایین رسم می گردد. در نهایت پوشش گراولی مناسب در آن محدوده، با اندارۀ ذرات و درصد های معینی از ذرات گراول طراحی می گردد.
در ارتباط با کیفیت پوشش معدنی مورد استفاده دو شاخص سنجش وجود دارد که عبارتند از:
(17-2 ) Cu=d60d10 ضریب یکنواختی
(18-2 ) Cc=(d30)2d10×d60 ضریب انحناء
ضریب یکنواختی در پوششهای معدنی باید بزرگتر از 5 و ضریب انحناء باید 1تا 3 باشد .
در جدول 1-2 حد بالا و پایین اندازۀ ذرات پوشش بر اساس 60 d خاک، طبق ضوابط U.S.B.R داده شده است(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383).
2-4-2- طراحی پوششهای مصنوعی
با استفاده از معیارها واستانداردهای موجود پوشش مصنوعی مناسب طراحی می گردد و برای طراحی پوششهای مصنوعی چهار معیار زیر در نظر گرفته می شود :
2-4-2-1-معیار نگهداری ذرات
طبق این معیار در طراحی پوششهای مصنوعی:
(19-2) (پوششهای نازک با ضخامت کمتر از2 mm ) O90d90≤2.5
(20-2) ( پوششهای ضخیم با ضخامت بیش از5 mm ) O90d90≤5
برای پوششهایی که ضخامتشان بین دو تا پنج میلی متر می باشد، این نسبتها را می توان به صورت خطی میان یابی کرد.
که درآنها : = قطر روزنه ای از پوشش مصنوعی که 90 درصد دیگر روزنه ها قطر شان از آن کمتر است یا قطری که 90 درصد از ذرات خاک که قطرشان از این مقدار کوچکتر است، از پوشش عبور می کنند و = قطری که 90 درصد ذرات خاک قطرشان از آن کوچکتر می باشند ( ولتمن و همکاران، 2000).
معیار هیدرولیکی
برای طراحی هیدرولیکی پوشش های مصنوعی دو معیار مشخص پیشنهاد شده است :
1-اندازۀ: توصیه می شود که باشد، تا انسداد اولیه و ثانویه رخ ندهد. تحت اثر شرایط خاص (خاک با دانه بندی خوب و ساختمان پایدار) میتوان را بین 100 تا 200 میکرومتر گرفت. اما برای اطمینان بیشتر حداقل را برابر 200 توصیه کرده اند.
جدول 1-2: رابطه بین دانه بندی پوشش و خاک اطراف آن (U.S.B.R).

2- میزان هدایت هیدرولیکی پوشش: برای میزان هدایت هیدرولیکی پوشش مصنوعی دو معیار ارائه شده است:
الف- کوئرنر (1994)، معیار میزان هدایت هیدرولیکی را بصورت Ke≥10Ks ارائه نموده است. ، هدایت هیدرولیکی پوشش و هدایت هیدرولیکی خاک اطراف زهکش است. این معیار کمتر قابل اعتماد است .
ب- کوئرنر (1994)، دومین معیار را به صورت ارائه نموده که این معیار زمانی توصیه می شود که شرایط بحرانی(از نظر اقتصادی و طول عمر پروژه) و شدید (از نظر هیدرولیکی مثل گرادیانهای بالا) وجود نداشته باشد( ولتمن و همکاران، 2000).
2-4-2-3-معیار جلوگیری از انسداد
اولین معیار برای جلوگیری از انسداد که توسط دایریکس و همکاران(a1993) پیشنهاد شد عبارت است از:
(21-2) O90d90≥1 درخاکهای درشت بافت ( ) اگر ژئوتکستایل کمتراز باشد در اینصورت مقدار کمتر از یک خواهد شد که این بر خلاف معادله (21-2) می باشد ولی مشکلی در برابر جریان آب بوجود نمی آورد. دومین معیار به صورت می باشد. دایریکس مقدار را توصیه می کند ولی منابع آمریکایی مقدار کمتر را نیز مجاز دانسته اند(ولتمن و همکاران، 2000 ).
2-4-2-4-معیار مکانیکی و استحکام
ویژگیهای استحکام مکانیکی برای حمل و نقل و نصب مهم می باشد. لوله های زهکشی که دورآنها ژئوتکستایل پیچانده شده اغلب تحت تأثیر زه آبها و هوای خاک، در معرض فساد طبیعی و شیمیایی هستند که بر روی کارکرد آنها تأثیر جدی می گذارد. بنابراین باید در مورد خصوصیات مکانیکی (ضخامت ، جرم واحد سطح، مقاومت مواد، استحکام نقاط اتصال مواد ژئوتکستایل، مقاومت استاتیکی، قابلیت تراکم و ساییدگی) اطلاعات کافی داشت (ولتمن، 1997). ضخامت هم جز معیارهای مکانیکی و هم جزء معیارهای جلوگیری از انسداد به شمار می آید که در طراحی پوششهای مصنوعی بسیار مهم است. طبق استاندارد ها حداقل ضخامت 3میلی متر و حداکثر ضخامت ژئوتکستایلها 8 میلی متر است(علیزاده، 1384).
نتایج تحقیقات آزمایشگاهی نشان میدهد که پوششهای مصنوعی نازک یا ضخیم با خلل و فرج ریز در برابر انسداد نسبت به پوششهای ضخیم با خلل و فرج درشت آسیبپذیرترند. پوششها با خلل و فرج ریز، ذرات خاک را درون روزنههای خود نگهداشته و خلل و فرج فعال به منظور عبور آب را مسدود میکنند در نتیجه کار زهکشی را مختل مینمایند. اما پوششهای ضخیم با خلل و فرج درشت اجازه میدهند که ذرات ریز خاک به داخل برخی خلل و فرج نفوذ کنند ولی خلل و فرج دیگر وظیفه زهکشی خود را به نحو احسن انجام دهند (شکل 1-2) (دنیس و تافورد، 1976).

شکل 1-2: الف) انسداد پوششهای مصنوعی نازک با خلل و فرج ریز، ب) انسداد پوششهای ضخیم با خلل و فرج ریز، ج) عدم انسداد پوششهای ضخیم با خلل و فرج درشت.
2-5-جریان به طرف زهکش
جریان به داخل زهکش را میتوان مجموعهای از جریان عمودی (از سطح آب زیرزمینی به طرف پائین و محل استقرار زهکش)، جریان افقی به سمت زهکش ،‌جریان شعاعی به زهکش و بالاخره ورود به آن دانست که هر کدام از این جریانها تحت تأثیر مقاومت مربوطه قرار میگیرند (شکل2-2- الف). برای جریان ماندگار، مقاومت کل را میتوان به طور تقریبی به صورت مجموعهای از مقاومتهای عمودی، افقی، شعاعی و ورودی دانست. این مقاومتها را میتوان با کارگذاری پیزومترها اندازگیری کرد (2-2-ب). سطح ایستایی درون پیزومترها معرف بار هیدرولیکی در نقاط مختلف میباشد و تفاوت بارهای هیدرولیکی مبین مقاومتهای بیان شده است.
افت بار عمودی (): عبارتست از اختلاف سطح آب بین پیزومترهای 1 و 2،‌ به نحوی که هر دوی آنها درست در وسط بین دو زهکش و در مجاورت یکدیگر قرار دارند.
افت بار افقی (): که عمدتاً با جریان افقی به سمت زهکش مرتبط است و عبارت از اختلاف سطح آب بین پیزومترهای 2 و 3 است که پیزومتر 2 در وسط بین دو زهکش و پیزومتر 3 در کنار زهکش و در فاصله D 7/0 قرار دارد (D فاصله بین زهکش تا لایه محدود کننده است).
افت بار شعاعی (): عبارت از اختلاف سطح آب بین پیزومترهای 3 و 4 میباشد که پیزومتر 3 در فاصله D 7/0 از زهکش و پیزومتر 4 در محل نصب زهکش و در مجاورت آن قرار دارد.
افت بار ورودی (): اختلاف سطح آب بین پیزومترهای 4 و5 می باشد که پیزومتر 5 در داخل لوله زهکش قرار دارد.
رابطه بین افت بار و مقاومتهای مربوطه را میتوان به صورت زیر ارائه داد:
(22-2) h*=q×l×w*که در آن: h : اختلاف بار (متر)، l : فاصله زهکش (متر)، q: ضریب زهکشی (متر بر روز)، w: مقاومت (روز بر متر)، و * : بیانگر پسوندهای v (عمودی) ، h (افقی) ، r (شعاعی) و e (ورودی) یا t (کل) میباشد.
لایه نفوذ ناپذیر
5
D
شکل شماره 2-2: الف) مقاومت جریان به سمت یک زهکش، ب) افتهای بار مربوطه
بدین ترتیب افت بار کل عبارت خواهد بود از :
(23-2) ht= hv+hh+hr+heکه در برخی مواقع مقاومتها، w، را با کمیتهای بدون بعد a که مستقل از هدایت هیدرولیکی خاک است جایگزین مینمایند.
w*=a*K* یا a*=K*×w* (24-2)
که در آن، K هدایت هیدرولیکی خاک (متر بر روز)؛ و a: فاکتور هندسی (بدون بعد است).
بار کل را میتوان به صورت زیر ارائه کرد : (25-2)
مقاومتهای عمودی و افقی بستگی به ویژگیهای خاک بین دو زهکش داشته و مستقل از نوع لولههای زهکشی به کار رفته میباشد اما میزان مقاومتهای شعاعی و ورودی با ویژگیهای خاک بین دو زهکش و همچنین نوع زهکش به کار رفته تعیین میگردد.
این نظریه و سایر نظریات مشابه مشتمل بر فرضیههایی هستند که تقریبهایی را به منظور محاسبه فاصله زهکشها به وجود میآورد ولی نتایج حاصل از این تقریبها برای کاربردهای عملی کفایت مینماید. یکی از این قبیل فرضیات مربوط به زهکش آرمانی بدون مقاومت ورودی است که به این ترتیب زهکش به عنوان خط هم پتانسیل عمل میکند و بطور کلی فرض میشود که مواد همجوار زهکش (مواد پوششی و خاکهای واریخته به درون ترانشه) در مقایسه با خاک دست نخورده دارای آنچنان هدایت هیدرولیکی بالایی است که مقاومت ورودی را میتوان قابل اغماض دانست. تجربیات عملی نشان داده است که این موضوع همواره صادق نیست و این مسأله هنوز نیاز به تحلیلهای نظری و تجربی بیشتری دارد زیرا در شرایطی ممکن است مقادیر قابل توجهی مقاومت ورودی وجود داشته باشد(استایت و همکاران، 2005).
2-6-روشهای تحقیق بر روی پوششها
قبل از طراحی و انتخاب پوشش مناسب، بایستی آزمایشات مختلفی بر روی انواع پوششها به عمل آید تا بر اساس نتایج حاصله بتوان پوشش بهینه را طراحی و انتخاب نمود.
آزمایش پوششهای زهکشی معمولاً‌ در دو مرحله متوالی صورت میگیرد، ابتدا در آزمایشگاه و سپس در مزرعه. بدین ترتیب،‌ پوششهایی که ابتدا بر اساس دادههای مطالعات آزمایشگاهی تائید میشوند در مزرعه مورد ارزیابی قرار میگیرند.
2-6-1- روشهای تحقیق مزرعهای
روشهای تحقیق مزرعهای بهترین و قابل اعتمادترین روشهای موجود به منظور مطالعه پوششهای زهکشی میباشند. در این روشها یک محل خاص از منطقه مورد نظر با خصوصیات مشابه کل منطقه در نظر گرفته شده، و چندین خط زهکش با پوششهای مورد نظر ایجاد می گردد. تغییرات سطح ایستابی، تغییرات دبی و همچنین میزان رسوبات در هر خط لوله اندازهگیری میشود. گرچه نتایج حاصله از روشهای تحقیق مزرعهای قابل اعتماد و کاربردی است، ولی به علت طولانی بودن زمان آزمایشات (بطور متوسط دو سال)،‌ هزینههای زیاد، عدم اعمال شرایط هیدرولیکی دلخواه و همچنین شرایط محیطی غیر قابل کنترل، در عمل کمتر مورد توجه قرار میگیرد.
2-6-2- روشهای تحقیق آزمایشگاهی
در مقابل روش صحرایی روشهای آزمایشگاهی (استفاده از مدلهای فیزیکی)‌ از متداولترین روشهای موجود برای بررسی و تحقیق در زمینه پوششها میباشند. سرعت عمل، سهولت، ارزانی، قابلیت کنترل و قابلیت تکرار از مزایای این روشها محسوب میشوند. در مقابل، بهم خوردن ساختمان خاک، آزمایش در حجم کوچکی از خاک به عنوان نمونه کل خاک و نبودن شرایط واقعی جریان در خاک از عمده معایب این روشها محسوب میگردد.
در روشهای آزمایشگاهی میتوان از بین چندین پوشش مختلف بطور نسبی بهترین پوشش را انتخاب نمود. سپس این پوشش انتخاب شده را در مزرعه آزمایش نمود و بدین ترتیب صرفهجویی زیادی در هزینهها نمود. برای آزمون پوششها در آزمایشگاه از مدلهای آنالوگ استفاده کرد که می توان به موارد زیر اشاره کرد و معمولا از یکی از این مدلها استفاده می شود (استایت و همکاران، 2005 ) :
1- مدل استوانهای عمودی با جریان شعاعی
2-مدل افقی
3-مدل استوانهای با جریان یک بعدی عمودی (نفوذ سنجها)
2-6-2-1- مدلهای استوانهای عمودی با جریان شعاعی‌
در شکل 3-2 نمونهای از این مدلها بطور شماتیک نشان داده شده است، که بیش از 13 سال توسط مؤسسه ICW در هلند مورد استفاده قرار گرفته است. در این مدل لولهای که قبلاً‌ دور آن پوشش قرار گرفته در مرکز استوانه قرار میگیرد. آب از دیوارههای استوانه بطور شعاعی به طرف زهکش جریان مییابد و سپس بوسیله سیفون از داخل زهکش تخلیه میشود. با استفاده از فرمول تیم – دویوئی (معادله 26-2)، که برای جریان آب به طرف چاهها ارائه شده، و نیز دادههای دبی و پیزومتری، هدایت هیدرولیکی نمونه خاک محاسبه میشود.
(26-2) K=2.3qlogRrπH2-h2که در آن: K : هدایت هیدرولیکی، h: ارتفاع سطح سفره آب در فاصله r از چاه اصلی،R: شعاع تاثیر چاه( بعد از شعاع تاثیر ارتفاع آب ثابت می ماند که همان H می باشد)، q: دبی پمپاژ.
همچنین با معلوم بودن اطلاعات مربوط به ارتفاع سطح آب داخل زهکش، ارتفاع پیزومتری کنار پوشش و میزان دبی در واحد طول لوله، مقاومت ورودی لوله و پوشش محاسبه میشود. یکی از مهمترین معایب این مدل آنست که فشردگی پوشش تحت تأثیر وزن خاک را شبیه سازی نمیکند(ولتمن و همکاران، 2000).

شکل 3-2 - مدل آزمایشگاهی ارزیابی پوششها ارائه شده توسط ICW
2-6-2-2- مدلهای افقی
یکی از این مدلها که توسط مؤسسه تحقیقات R.I.J.P هلند مورد استفاده قرار میگیرد، در شکل 4-2 بطور شماتیک نشان داده است. داخل مخزن، لوله زهکش بصورت افقی قرار میگیرد. بوسیله یک ظرف پراز مادهای متخلخل U شکل جریان شعاعی شبیه سازی میشود. دبی جریان و ارتفاع پیزومتریکی در داخل زهکش،‌ کنار پوشش و در فواصل مختلف از زهکش اندازهگیری میشود. عموماً یک رابطه خطی بین دبی و اختلاف بار پیرومتریک وجود دارد، که با استفاده از آن مقاومت ورودی محاسبه میشود. از مزایای این مدل شبیه سازی شرایط مزرعهای میباشد( ولتمن و همکاران، 2000).

شکل 4-2- شکل شماتیک یک نوع مدل افقی به منظور ارزیابی آزمایشگاهی پوششها ارائه شده توسط موسسه .R.I.J.P
2-6-2-3- نفوذ سنج های جریان موازی (یک بعدی )
مطالعات نفوذ سنجی با استفاده از جریان یک بعدی که جهت جریان آن رو به پائین یا بالا می باشد، انجام می شود. این نفوذسنجها معمولا"استوانه ای از جنس پلکسی گلاس (شکل 5-2) و ابعاد آنها طبق استاندارد، دارای قطر داخلی 100و ارتفاع حدود 250 میلی متر یا گاهی بزرگتر می باشد. در این نوع مدل یک صفحۀ سوراخ دار نقش زهکش را ایفاء می کند. پیزومترهایی که به تابلوی مانومتر متصل است، فشاردر نقاط مختلف ستون خاک و پوشش و اطراف زهکش را نشان می دهد. درآزمایشات نفوذ سنجی با مقادیر مختلف بارآبی که منجر به شیبهای هیدرولیکی مختلف می شود، آزمایشات انجام می شود(ولتمن و همکاران، 2000، ساندی و ویلاردسون، 1992).
صفحه بالایی با مجراهای روی آن

مانومترها
405765-594360تانک تامین کننده آب
با امکان تنظیم هدهای مختلف آ ب

لوله خروجی دبی
فیلتر مصنوعی
صفحه بالایی

خاک

صفحه زیرین
فیلتر مصنوعی

آب
خاک

آب

فیلتر گراولی
خاک
صفحه بالائی

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *