کاربرد نوعی پلیمر در سازه های کنترل جریان جهت جلوگیری از نفوذپذیری

 

هادی فغانی نوبری

چکیده:

در این مقاله به کاربرد نوع خاصی از ژئوسنتتیک‌ها به نام ژئوممبران در دیوارهای آب بند اشاره گردیده است. ژئوممبران به دلیل طبیعت پلیمری خود| نفوذپذیری اندکی دارد و به همین دلیل کاربردهای گسترده‌ای در سازه‌های کنترل جریان یافته است. دیوار آب بند که در سازه‌های آبی و محل‌های دفن زباله به کار می‌رود در واقع یک دیوار قائم است که در داخل زمین ساخته می‌شود معمول ترین روش ساخت آن حفر ترانشه‌ای است که با دوغاب پایدار می‌گردد و در نهایت با خاک- بتونیت| خاک- سیمان| سیمان- بنتونیت یا خاک- سیمان- بنتونیت پر می‌شود. نگرانی‌هایی در مورد اجرا| بازرسی و دوام چنین دیوارهایی به وجود آمده است. یک روش دیگر که می‌توان آن را به صورت مکمل نیز به کار برد مشتمل است بر استفاده از یک ژئوممبران به تنهایی یا به همراه مواد دیگری که در دیوارهای آب بند معمولی بکار می رود. استفاده از این محصول در دیوارهای آب بند نیاز به تکنیک‌های اجرایی خاصی دارد که در این مقاله به جزییاتی از آن اشاره گردیده است.

 

 

کلمات کلیدی :   ژئوممبران ، آب بند ، پلیمر ، ترانشه ، نفوذپذیری

 

 

مقدمه:

دیوارهای آب بند برای کنترل موقت یا دائم جریان آب داخل ترانشه‌ها یا زیر خاکریزهای نگهدارنده آب و یا جلوگیری از نشست آلاینده‌های مختلف به آب زیرزمینی به کار می‌روند سال‌هاست که دیوارهای آب بند در کاربردهای مهندسی به کار رفته‌اند. ایده اولیه عبارتست از ساخت یک دیوار قائم به صورت درجا که به عنوان یک جدا کننده بین دو ناحیه عمل می‌کند دیوارها با استفاده از حفر یک ترانشه که توسط دوغاب پایدار شده اجرا می‌شوند این دوغاب در نهایت توسط خاک- بنتونیت| خاک- سیمان| سیمان- بنتونیت یا خاک- سیمان- بنتونیت پر می‌شود

برخی از عواملی که ممکن اسن منجر به عدم یکنواختی این دیوارها شود| عبارتنداز:

-                   ریزش دیوارهای ترانشه در هنگام خاکبرداری و پس از آن

-                   ترکیب نامناسب دوغاب جایگزین

-                   ناپایداری دیوارهای ترانشه در هنگام خاکریزی

-                   رسوب ماسه در هنگام حفر ترانشه

-                   رسوب ماسه| شن و سایر مصالح در کف ترانشه

-                   مشکلات کنترل کیفیت به دلیل آنکه عمده فعالیتها زیر سطح زمین انجام می‌گیرد و در معرض دید نیست.

-                   ناپیوستگی در درزها در طول توقف کار- رفتار تر و خشک شدگی دیوار در هنگام نوسان سطح آب زیر زمینی

-                   مقاومت شیمیایی دیوار در مقابل سیالات موجود

-                   نفوذ پذیری نهایی مصالح پرکننده

در دیوارهای آب بند معمولی عمدتاً از بتونیت سدیم به همراه خاک جهت ایجاد نفوذپدیری حدود 10^-7cm/s ×1استفاده می‌شود خاصیت تورم پذیری زیاد و آب بندی بنتونیت سدیم در مقایسه با سایر رسهای مونت موریلونیتی مانند بنتونیت کلسیم دلیل اصلی این انتخاب است. در صورتی که آب زیر زمینی یا مایع نگهداری شده حاوی مقادیر بالایی از کاتیون‌های دو ظرفیتی نظیر کلسیم و منیزیم و یا هیدروکربن‌ها باشد خاصیت تورم‌پذیری بنتونیت سدیم تحت تأثیر قرار گرفته و باعث افزایش نفوذ‌پذیری دیوار آب بند می‌گردد

یک راه برای افزایش دوام و کاهش نفوذ پذیری این دیوارها استفاده از ژئوممبران ها است .ژئوممبران ها| ورق‌های پلیمری با ضخامت بسیار اندک هستند که به عنوان عایق در برابر نفوذ آب و سیالات به کار برده می‌شوند طبق آمار موجود | مصرف این محصول عمدتاً در کاربردهای زیست محیطی نظیر محل‌های دفن زباله و نیز در سازه‌های کنترل و نگهداری جریان نظیر سدها| کانال‌ها و مخازن آب و مواد شیمیایی بوده است. ژئوممبران ‌ها در دیوارهای آب بند از اوایل دهه نود به کار گرفته ‌شده‌اند و هم به تنهایی و هم به صورت ترکیبی با خاک- سیمان یا سیمان- بنتونیت به صورت دیوار مرکب به کار گرفته شده‌اند نوع ژئوممبران به کار رفته در اغلب قریب به اتفاق موارد پلی اتیلن فشرده (HDPE) بوده است. استفاده از مصالح دیگر امکان پذیر است| ولی HDPE هم از لحاظ در دسترس بودن و هم از لحاظ سابقه طولانی و موفق در سایر کاربردهای ژئوتکنیکی ترجیح داده می‌شود مقاومت شیمیایی بالا و نفوذ پذیری پایین از دیگر برتری‌های این ماده می‌باشد.

دیوارها معمولاً با قرار دادن پانل‌های مجزای ژئوممبران داخل ترانشه و اتصال آنها به یکدیگر ساخته می‌شوند روش‌های اتصال متفاوت و متنوعی وجود دارد و آب بند کردن اتصال‌ها نیز از طریق مختلف ممکن است. این مقاله به چند جنبه از دیوارهای آب بند می‌پردازد. این موارد عبارتنداز: جایی که این دیوارها می‌توانند استفاده شوند| تکنیک های غالب نصب| خصوصیات ژئوممبران‌ها| روش اتصال آنها و تجربیات قبلی .

 

کاربردها

دیوارهای آب بند شامل ژئوممبران در هر جایی که کنترل جریان آب یا سایر مایعات مد نظر است کاربرد دارد. استفاده از یک ژئوممبران در دیوار راهی برای اطمینان از پیوستگی دیوار است. در واقع استفاده از ژئوممبران ضریب اطمینان را افزایش می‌دهد.

انواع مختلفی از کاربرد این دیوارها در شکل‌های 1 تا 4 نشان داده شده‌اند. شکل 1 محل دفن زباله ای را نشان می دهد ژئوممبران دیوار آب بند می‌تواند به ژئوممبران در پوش جوش داده شود این سیستم به راحتی قابل مونیتور است و می‌تواند یک سیستم جمع‌آوری شیرابه را نیز شامل شود. شکل‌های 2 تا 4 نشان می‌دهند که چگونه دیوارها را می‌توان برای تأثیرگذاری در جریان آب به کار برد این کاربردها شامل هدایت جریان آب در اطراف محل ساخت (شکل 2) پایین آوردن سطح آزاد آب در محل ساختگاه (شکل 3) | یا به حداقل رساندن جریان آب زیر یک سد | دایک یا بند (شکل 4) می‌باشد.

 

 

روشهای نصب

برای انتخاب روش نصب باید ابتدا خصوصیات محل را مورد توجه قرار داد این خصوصیات شامل اطلاعات گمانه‌ها| سطح آب زیر زمینی| دسترسی| عمق و طول دیوار| وجود خاکهای آلوده و مقدار تراوش مجاز می‌باشد. از بین روشهای معمول به سه مورد شرح زیل اشاره می‌شود.

 

روش SLURRY WALL

با توجه به آمار این روش عمده‌ترین کاربرد را برای ساخت دیواره‌های آب بند از جنس HDPE داشته است این روش تا عمق حدود 38 متر و طول 20 کیلومتر به کار رفته است. عرض پانل‌ها معمولاً بین 3 تا 8 متر می‌باشد عمق حداکثر تا جایی است که بتوان ترانشه را با دوغاب پایدار نمود.

روش نصب به این صورت است که پانل ژئوممبران به طور موقت به یک قاب فولادی نگهدارنده متصل می‌شود قاب‌های فولادی تگیه گاهی برای پانلهای انعطاف پذیر HDPE در حین نصب هستند. قاب اول که شامل ورق ژئوممبران است در داخل ترانشه حاوی دوغاب قرار داده می‌شود و در محل تعیین شده قرار می‌گیرد سپس قاب دوم به داخل ترانشه وارد می‌شود و پانلهای اول و دوم متصل به یکدیگر باقی می‌مانند این عملیات ادامه می‌یابد تا نصب آخرین پانل به پایان برسد. مصالح جایگزین معمولاً خاک- بنتونیت| خاک- سیمان| بنتونیت- سیمان یا خاک- بنتونیت- سیمان است. البته می‌توان خاک محلی را در صورتیکه نفوذپذیری آن کم باشد نیز به کار برد.

 

روش لرزشی

در این روش اطلاعات گمانه‌ها بسیار اهمیت دارد. نصب لرزشی دیوار آب بند ‌‌HDPE مشابه کوبش سپر فولادی است | چرا که حفاری صورت نمی‌گیرد.  تجهیزات آن شامل یک چکش لرزنده است. در خاکهای غیر چسبنده که قطر دانه‌ها کمتر از حدود  ‌7 سانتیمتر باشد این روش امکان پذیر است. به دلیل گرمایی که در هنگام نصب ایجاد می‌شود عمق حداکثر ژئوممبران محدود به تقریباً 13 متر است . روش لرزشی مشکلات مربوط به حفر ترانشه را حذف می‌کند همچنین سرعت اجرای آن نسبت به روشهای دیگر بیشتر است محل‌هایی که روش لرزشی برای آنها مناسب است. معمولاً محلهایی هستند که خاک نا مناسب و سست داشته و یا در نزدیکی سازه‌های دیگر قرار دارند.

 

روش ترانشه برداری عمیق یک نوبتی(   PASS DEEP TRENCHING-ONE)

این روش از تجهیزات ویژه‌ای جهت ترانشه برداری و کارگذاری همزمان پانلهای ژئوممبران تا عمق 8 متر استفاده می‌کند و امکان جاگذاری لوله‌های کلکتور و پمپ کردن دوغاب به پایین ترانشه را نیز دارد. حداکثر عمق ممکن جایگذاری به این روش محدود به 8 متر است. در جدول 1 به مشخصات تعدادی از پروژه‌های اجرا شده با دیوار آب بند ژئوممبران اشاره گردیده است.

 

جدول 1- فهرست تعدادی از پروژه هایی که در آنها از دیوار آب بند ژئوممبران استفاده گردیده است.

 

ژئوممبران‌ها

خصوصیات لازم یک ژئوممبران برای استفاده در دیوار آب بند به شرح زیر است:

-                   سختی بالا برای آسانی نصب

-                   مقاومت بالا در مقابل انواع مواد شیمیایی که شامل حلال‌های آلی نیز می‌باشد

-                   امکان نصب پروفیل‌های قفل و بست روی لبه صفحات ژئوممبران

-                   دوام مناسب در حالت مدفون

HDPE برای اکثر موارد بالا انتخاب مناسبی است. این ماده سختی کافی ندارد تا بتوان آن را مثل صفحه فولادی مستقیماً به داخل خاک راند ولی همانگونه که توضیح داده شده راه های زیادی برای نصب آن وجود دارد. وقتی که هزینه و در دسترس بودن آن نیز مد نظر قرار گیرد دیده می‌شود که در این نوع کاربرد انتخاب طبیعی می‌باشد. دلیل دیگر برای انتخاب HDPE  قابلیت شکل یافتن آن توسط عملیات اکستروژن است. قفل و بست‌ها شکل‌های پیچیده ای دارند که توسط فرآیند اکستروژن ساخته می‌شوند و سپس به طول مورد نظر بریده شده و به پانل‌های ژئوممبران جوش امتزاجی داده می‌شوند. اکنون به عملکرد HDPE

در حالت مدفون در دراز مدت پرداخته می‌شود. غیر از تنش که ممکن است منجر به ایجاد ترک در مواردی شود عوامل کمی می‌توانند عمر ژئوممبران  HDPE را در حالت مدفون کوتاه کنند یکی از آنها قرار گرفتن د رمعرض مواد شیمیای است. تا کنون صدها آزمایش سازگاری طبق استاندارد9090 EPA بر روی HDPE با انواع مواد شیمیایی انجام گرفته است که در هیچ یک از این آزمایش‌ها تخریب مشاهده نشده است.

در مورد هیدروکربنها با غلظت زیاد (هیدروکربن‌های کلرینه و آروماتیک نامطلوبترین آنها هستند) کاهش مقاومت حد تسلیم کششی تا 30% می‌تواند رخ دهد. این به خاطر روان شدگی فیزیکی است که HDPE را نرم می‌کند. البته این واکنش قابل برگشت است، یعنی زمانی که  اجازه خروج به مواد شیمیایی داده شود، مقاومت اولیه باز می‌گردد.

یکی از مهمترین خصوصیات دیوارهای آب‌بند، نفوذناپذیری در مقابل مواد شیمیایی است. لازم است نفوذپذیری شیمیایی ژئوممبران از نفوذپذیری که معمولاً در مهندسی ژئوتکنیک به آن اشاره می‌شود متمایز شود. در حالت خاک‌ها و سایر مواد متخلخل، انتقال آب (یا سایر مواد شیمیایی) از حفرات خاک، ترکها یا شکستگیها رخ می‌دهد. در صورتی که در نفوذپذیری شیمیایی، ماده شیمیایی از یک غشا غیر متخلخل در سطح مولکولی عبور خواهد کرد. مولکولهای می‌توانند به طریقی خود را از بین زنجیرهای پلیمری عبور دهند.

HDEP  یک ماده پلاستیک نیمه بلوری است که آن را د رمقابل نفوذپذیری شیمیایی مقاوم می‌سازد. باید دانست که هیچ پلیمری نسبت به مواد شیمیایی کاملاً عایق نیست همیشه مقداری تراوش رخ می‌دهد. سوال اساسی این است که آیا مقدار نفوذپذیری قابل قبول است یا خیر.

عوامل زیادی در مقدار نفوذپذیری شیمیایی ژئوممبران تاثیر می‌گذارد. این عوامل شامل تمرکز شیمیایی، دما و ضخامت ورق است. نفوذپذیری دو مولفه عمده دارد که شامل نرخ انتشار (Diffusivity) و انحلال‌پذیری است. نرخ انتشار، نرخ انتقال یک ماده شیمیایی از یک مانع است. انحلال‌پذیری مقدار ماده شیمیایی که یک مانع می‌تواند نگهداری کند. بنابراین نفوذپذیری مربوط به مقدار حجم زاید یک پلمیر و سازگاری ماده شیمیایی با ژئوممبران  است. در واقع، نفوذپذیری مرتبط با این است که چه مقدار ماده شیمیایی می‌تواند توسط غشا جذب شود و سرعتی  که ماده شیمیایی از مانع عبور می‌کند. بنابرین غلظت، دما و ضخامت ژئوممبران بر مقدار نفوذپذیری تاثیر می‌گذارد.

 

اتصالات

چون در حال حاضر روشهای اصلی نصب دیوارهای آب‌بند پلیمری شامل پانلهای جداگانه HDPE هستند، باید پانلها به نحوی به هم متصل شوند. اتصالات معمولاً به صورت پروفیل‌های قفل و بست می‌باشند که به لبه پانل‌های ژئوممبران جوش داده می‌شوند. داخل قفل و بست‌ها از لاستیک هیدروفیلیلک یا دوغاب به عنوان آب‌بند استفاده می‌شود. پانل‌ها را می‌توان با گرما به یکدیگر جوش داد ولی این روش معمولاً به کار نمی‌رود. قفل و بستها بسیار مهم هستند. چرا که می توانند نفوذپذیرترین بخش دیوار باشند. بعلاوه محاهای اتصال ممکن است در طول نصب یا در صورتیکه نشست یا تغییر شکل جانبی رخ دهد دچار تنش شوند. بنابراین لازم است مقاومت در برابر نفوذ در مورد محل‌های اتصال تعیین شود.

چهار نوع اتصال که در آنها از لاستیک هیدروفیلیک استفاده می‌شود در شکل 5 نشان داده شده‌اند. ماده تشکیل‌دهنده لاستیک هیدروفیلیک عمدتاً لاستیک نئوپرن است و طوری طراحی می‌شود که در تماس با آب افزایش حجم یابد. تغییر حجم می‌تواند تا 8 برابر حجم اولیه باشد که باعث ایجاد فشار آب‌بندی می‌گردد. اتصال نوع A طوری طراحی شده که تحت فشارهای تا kPa800 تنها مقدار ناچیزی آب از آن عبور نماید. دو نوع قفل و بست وجود دارد که با دوغاب به کار می‌روند، آنها در شکل 6 نشان داده شده‌اند و قابل توجه هستند. زیرا ضخامت اضافی دوغاب باعث می‌شود که عبور مواد شیمیایی از آن بسیار مشکل شود. بهر حال در این حالت چسبندگی به پلی‌اتیلین مشکل است. توجه کنید که یک اتصال می‌تواند هم با لاستیک هیدروفیلیک و هم دوغاب به کار رود که در این حالت دو حفاظت در مقابل مواد شیمیایی ایجاد می‌شود. مقاومت  این اتصالات در مقابل بخار آب و مواد شیمیایی نیاز به تحقیقات بیشتر دارد.

 

تجربیات قبلی

 در سال 1995، ژئوممبران به منظور نفوذناپذیر نمودن تعدادی بند کنترل سیل به طول کلی 24 کیلومتر و عمق 17 متر در ایالات متحده به کار رفت. این دایک‌ها در سال 1977 و با استفاده از مصالح رس و لای ساخته شده بودند و در هنگام وقوع سیل آب را به طور موقت ذخیره کرده و سپس آن را تدریجاً تخلیه می‌کردند. با گذشت زمان و با ریزش باران‌های شدید، ترک‌هایی در جهات طولی و عرضی در بدنه دایک‌ها ایجاد گردید. این ترک‌ها در اثر نشست‌های نامتقارن پی، تشدید شده بودند. بررسی‌هایی به منظور  انتخاب موثرترین روش جهت کاهش نفوذپذیری دایک‌ها انجام گرفت که نشان داد حفر یک ترانشه در تاج سد و سپس قرار دادن پانل‌های مجزای EDPE در آن و اتصال آن‌ها به یکدیگر، از لحاظ فنی و اقتصادی بیشترین بازده را خواهد داشت. به دلیل عمق زیاد، روش Slurry trench انتخاب گردید. برای اطمینان از اجرایی بودن و خصوصاًَ کارآمد بودن روش مزبور، ناحیه‌ای از کل دایک‌ها به طول حدود 400 متر که از لحاظ ترک‌خوردگی در وضعیت نامطلوبی قرار گرفت. به این  ترتیب که برم‌هایی در اطراف این ناحیه ایجاد شد و سپس سطح داخلی آنها با ژئوممبران EDPE پوشش داده شد. دیوار آب‌بند با استفاده از ژئوممبران HDPE به ضخامت 2 میلیمتر و با نفوذپذیری حدود  (در مقابل آب) اجرا گردید. عرض پانل‌های ژئوممبران 8 متر و طول آنها 18 متر بود. قفل و بست‌ها طوری طراحی شده بودند که قابلیت لغزش در جهت قائم را داشته و نشست‌های نامتقارن را پوشش می‌دادند. یک نوار لاستیک آب‌بند کننده همزمان با اتصال هر پانل به پانل قبلی در محل اتصالات جاگذاری می‌شد.این لاستیک از قابلیت افزایش حجمی  معادل 8 برابر حجم اولیه خود در هنگام تماس با آب برخوردار بود و این باعث ایجادفشار آب‌بندی می‌گردید قرار دادن پانل‌ها درساعاتی که سرعت باد از 35 کیلومتر بر ساعت تجاوز می‌کرد باعث ایجاد مشکلاتی گردید. به همین جهت پیمانکار طرح، برنامه زمان‌بندی را در جهت حذف این مشکل تغییر داد.

با اتمام عملیات اجرایی، مقطع به مدت 30 روز به طور آزمایشی بهره‌برداری گردید. سطح آب مخزن درمقدار حداکثر سیل (PMF)  تنظیم شد. ارزیابی توسط چاه‌های مشاهده‌ای، پیزومترها و ابزارهای اندازه گیری نشست انجام شد. بررسی‌ها نشان داد که دیوار آب‌بند ژئوممبران عملکرد مطلوب داشته و نهایتاً تمام طول دایک‌ها در مدت 15 ماه و شش ماه جلوتر از برنامه زمان‌بندی توسط این روش نفوذناپذیر گردید

 

نتیجه‌گیری

استفاده از ژئوممبران در دیوارهای آب‌بند یک روش بسیار کارآمد و موثر در کنترل جریان می‌باشد. مهم‌ترین مزایای این روش، نفوذپذیری اندک خصوصاً در مقابل مواد شیمیایی و سرعت اجرای آن است. پیشرفت دانش پتروشیمی و دستیابی ارزان به مواد پلیمری، ژئوممبران را در سازه‌های کنترل جریان از جمله دیوارهای آب‌بند به عنوان یک گزینه قابل رقابت مطرح کرده است. مهمترین مسأله در این خصوص روش اجرایی است که باید مورد توجه بیشتری قرار گیرد.

پیشنهاد می‌شود، مانند بسیاری از کشورهای دنیا در کنار روش‌های مرسوم، استفاده از این تکنولوژی در طراحی و اجرای دیوارهای آب‌بند مدنظر قرار گیرد.

 

مراجع

Bliss|M.and Brunette| P.T (1995)|”Reach 11 Dikes Modification: A Vertical Barrier wall of HDPE Geomembrane|” Proc. Geosynthetics ‘95| IFAI| pp.147-160

Brunette| P. And Schmednecht| E.(1995)|”Vibrating beam| Curtain Wall and Jet Grouting Used to Form a Vertical Barrier  Wall|” Proceedings| Polluted and MarginaiLand’95|London| England.

Brunette| P. And Pierce| D.(1994)|”Recent Developments for the Contament of Lateral Migration of Petroleum Hazardous Waste in Ground Water|” Proceedings| Petro- Safe’94

Michalangeli| a. (1995)| “Italian experience with HDPE Geomembranes  in landfill Liners| “Proc. Geosynthetics ’95| IFAI| PP.569- 583

Scuero| A.M.| Nuzzo| G. and Salvemini| A.(1990)|”A Continuous Barrier from Bottom to Crown in Hydraulic Earth filed Structures|”Proc.4^th IGS Conference on Geosynthetics| den Hoedt| Ed.| Balkema| PP.425- 429

 Thomas|R.W. and  Koerner|R.M.(1995)|:advances InHDPE Barrier Walls.” Proceedings of the 9^th GRI GSE Technical Report(1997)|” HDPE Vertical Membrane barrier systems”

 

 

بهبود پورتال پورتال پرتال پرتال سازمانی پورتال سازمانی پورتال شرکتی سامانه سازمانی سامانه شرکتی پرتال شرکتی وب سایت شرکتی وب سایت سازمانی مدیریت آسان مدیریت محتوا مدیریت محتوا بدون دانش فنی پنل ویژه همکاران نظرسنجی آنلاین فیش حقوقی آپلود فیش حقوقی مدیریت بیمه مدیریت خدمات بیمه خدمات بیمه بیمه تکمیلی آموزش پیشنهادات انتقادات مدیریت جلسات فرم ساز مدیریت منو مدیریت محتوا مدیریت سئو پنل مدیریتی چند کاربره ریسپانسیو گرافیک ریسپانسیو