چكیده:
در این مقاله به كاربرد نوع خاصی از ژئوسنتتیك‌ها به نام ژئوممبران در دیوارهای آب بند اشاره گردیده است. ژئوممبران به دلیل طبیعت پلیمری خود, نفوذپذیری اندكی دارد و به همین دلیل كاربردهای گسترده‌ای در سازه‌های كنترل جریان یافته است. دیوار آب بند كه در سازه‌های آبی و محل‌های دفن زباله به كار می‌رود در واقع یك دیوار قائم است كه در داخل زمین ساخته می‌شود معمول ترین روش ساخت آن حفر ترانشه‌ای است كه با دوغاب پایدار می‌گردد و در نهایت با خاك- بتونیت, خاك- سیمان, سیمان- بنتونیت یا خاک- سیمان- بنتونیت پر می‌شود. نگرانی‌هایی در مورد اجرا, بازرسی و دوام چنین دیوارهایی به وجود آمده است. یك روش دیگر كه می‌توان آن را به صورت مكمل نیز به كار 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 تكنیك‌های اجرایی خاصی دارد كه در این مقاله به جزییاتی از آن اشاره گردیده است.
کلمات کلیدی: ژئوممبران، آب بند، پلیمر، ترانشه، نفوذپذیری
مقدمه:
دیوارهای آب بند برای كنترل موقت یا دائم جریان آب داخل ترانشه‌ها یا زیر خاكریزهای نگهدارنده آب و یا جلوگیری از نشست آلاینده‌های مختلف به آب زیرزمینی به كار می‌روند سال‌هاست كه دیوارهای آب بند در كاربردهای مهندسی به كار رفته‌اند. ایده اولیه عبارتست از ساخت یك دیوار قائم به صورت درجا كه به عنوان یك جدا كننده بین دو ناحیه عمل می‌كند دیوارها با استفاده از حفر یك ترانشه كه توسط دوغاب پایدار شده اجرا می‌شوند این دوغاب در نهایت توسط خاك- بنتونیت, خاك- سیمان, سیمان- بنتونیت یا خاك- سیمان- بنتونیت پر می‌شود.
برخی از عواملی كه ممكن اسن منجر به عدم یكنواختی این دیوارها شود, عبارتنداز:
- ریزش دیوارهای ترانشه در هنگام خاكبرداری و پس از آن
- تركیب نامناسب دوغاب جایگزین
- ناپایداری دیوارهای ترانشه در هنگام خاكریزی
- رسوب ماسه در هنگام حفر ترانشه
- رسوب ماسه, شن و سایر مصالح در كف ترانشه
- مشكلات كنترل كیفیت به دلیل آنكه عمده فعالیتها زیر سطح زمین انجام می‌گیرد و در معرض دید نیست.
- ناپیوستگی در درزها در طول توقف كار- رفتار تر و خشك شدگی دیوار در هنگام نوسان سطح آب زیر زمینی
- مقاومت شیمیایی دیوار در مقابل سیالات موجود
- نفوذ پذیری نهایی مصالح پركننده
در دیوارهای آب بند معمولی عمدتاً از بتونیت سدیم به همراه خاك 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 كلسیم دلیل اصلی این انتخاب است. در صورتی كه آب زیر زمینی یا مایع نگهداری شده حاوی مقادیر بالایی از كاتیون‌های دو ظرفیتی نظیر كلسیم و منیزیم و یا هیدروكربنها باشد خاصیت تورم‌پذیری بنتونیت سدیم تحت تأثیر قرار گرفته و باعث افزایش نفوذپذیری دیوار آب بند می‌گردد.
یك راه برای افزایش دوام و كاهش نفوذ پذیری این دیوارها استفاده از ژئوممبران ها است .ژئوممبران ها, ورق‌های پلیمری با ضخامت بسیار اندك هستند كه به عنوان عایق در برابر نفوذ آب و سیالات به كار برده می‌شوند طبق آمار موجود , مصرف این محصول عمدتاً در كاربردهای زیست محیطی نظیر محل‌های دفن زباله و نیز در سازه‌های كنترل و نگهداری جریان نظیر سدها, كانال‌ها و مخازن آب و مواد شیمیایی بوده است. ژئوممبران ها در دیوارهای آب بند از اوایل دهه نود به كار گرفته شده‌اند و هم به تنهایی و هم به صورت تركیبی با خاك- سیمان یا سیمان- بنتونیت به صورت دیوار مركب به كار گرفته شده‌اند نوع ژئوممبران به كار رفته در اغلب قریب به اتفاق موارد پلی اتیلن فشرده (HDPE) بوده است. استفاده از مصالح دیگر امكان پذیر است, ولی HDPE هم از لحاظ در دسترس بودن و هم از لحاظ سابقه طولانی و موفق در سایر كاربردهای ژئوتكنیكی 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 یكدیگر ساخته می‌شوند روشهای اتصال متفاوت و متنوعی وجود دارد و آب بند كردن اتصال‌ها نیز از طریق مختلف ممكن است. این مقاله به چند جنبه از دیوارهای آب بند می‌پردازد. این موارد عبارتنداز: جایی كه این دیوارها می‌توانند استفاده شوند, تكنیك های غالب نصب, خصوصیات ژئوممبران‌ها, روش اتصال آنها و تجربیات قبلی .
كاربردها
دیوارهای آب بند شامل ژئوممبران در هر جایی كه كنترل جریان آب یا سایر مایعات مد نظر است كاربرد دارد. استفاده از یك ژئوممبران در دیوار راهی برای اطمینان از پیوستگی دیوار است. در واقع استفاده از ژئوممبران ضریب اطمینان را افزایش می‌دهد.
انواع مختلفی از كاربرد این دیوارها در شكل‌های 1 تا 4 نشان داده شده‌اند. شكل 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 یك سیستم جمع‌آوری شیرابه را نیز شامل شود. شكل‌های 2 تا 4 نشان می‌دهند كه چگونه دیوارها را می‌توان برای تأثیرگذاری در جریان آب به كار برد این كاربردها شامل هدایت جریان آب در اطراف محل ساخت (شكل 2) پایین آوردن سطح آزاد آب در محل ساختگاه (شكل 3) , یا به حداقل رساندن جریان آب زیر یك سد , دایك یا بند (شكل 4) می‌باشد.
شکل 1 – دیوار آب بند ژئوممبران در محل دفن زباله به همراه درپوش ژئوممبران
شکل 2 – کنترل جریان آب توسط دیوار آب بند ژئوممبران
شکل 3 – پایین آوردن سطح آب موجود با استفاده از دیوار آب بند ژئوممبران
شکل 4 – دیوار آب بند ژئوممبران در یک سد ، دایک یا بند آب خاکی
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 خاكهای 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 كاربرد را برای ساخت دیواره‌های آب بند از جنس HDPE داشته است این روش تا عمق حدود 38 متر و طول 20 كیلومتر به كار رفته است. عرض پانلها معمولاً بین 3 تا 8 متر می‌باشد عمق حداكثر تا جایی است كه بتوان ترانشه را با دوغاب پایدار نمود.
روش نصب به این صورت است كه پانل ژئوممبران به طور موقت به یك قاب فولادی نگهدارنده متصل می‌شود قاب‌های فولادی تگیه گاهی برای پانلهای انعطاف پذیر HDPE در حین نصب هستند. قاب اول كه 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 یكدیگر باقی می‌مانند این عملیات ادامه می‌یابد تا نصب آخرین پانل به پایان برسد. مصالح جایگزین معمولاً خاك- بنتونیت, خاك- سیمان, بنتونیت- سیمان یا خاك- بنتونیت- سیمان است. البته می‌توان خاك محلی را در صورتیكه نفوذپذیری آن كم باشد نیز به كار برد.
روش لرزشی
در این روش اطلاعات گمانه‌ها بسیار اهمیت دارد. نصب لرزشی دیوار آب بند HDPE مشابه کوبش سپر فولادی است , چرا كه حفاری صورت نمی‌گیرد. تجهیزات آن شامل یك چكش لرزنده است. در خاكهای غیر چسبنده كه قطر دانه‌ها كمتر از حدود 7 سانتیمتر باشد این روش امكان پذیر است. به دلیل گرمایی كه در هنگام نصب ایجاد می‌شود عمق حداكثر ژئوممبران محدود به تقریباً 13 متر است . روش لرزشی مشكلات مربوط به حفر ترانشه را حذف می‌كند همچنین سرعت اجرای آن نسبت به روشهای دیگر بیشتر است محلهایی كه روش لرزشی برای آنها مناسب است. معمولاً محلهایی هستند كه خاك نا مناسب و سست داشته و یا در نزدیكی سازه‌های دیگر قرار دارند.
روش ترانشه برداری عمیق یك نوبتی (PASS DEEP TRENCHING-ONE)
این روش از تجهیزات ویژه‌ای جهت ترانشه برداری و كارگذاری همزمان پانلهای ژئوممبران تا عمق 8 متر استفاده می‌كند و امكان جاگذاری لوله‌های كلكتور و پمپ كردن دوغاب به پایین ترانشه را نیز دارد. حداكثر عمق ممكن 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 كه در آنها از ديوار آب بند ژئوممبران استفاده گرديده است.
|
طول ديوار (km)
|
عمق ديوار (m)
|
مصالح پر كننده
|
روش نصب
|
كاربرد
|
مرجع
|
|
3/0
|
10
|
دوغاب رس و سيمان
|
Slurry trench
|
زباله‌های خطرناك
|
Brunette, Schmelnecht (1995)
|
|
24
|
15
|
ماسه
|
Slurry trench
|
ديوار آب بند سدخاكی
|
Bliss,Brunette (1995)
|
|
4/0
|
5/4
|
ماسه
|
Slurry trench
|
مواد زايد نفتي
|
Brunette,Pierce (1994)
|
|
5/0
|
14
|
ماسه
|
Slurry trench
|
زباله‌های خطرناك
|
Brunette,Pierce (1994)
|
|
1/0
|
9
|
دوغاب سيمان بنتونيت
|
Slurry trench
|
ديوار آب بند سدخاكی
|
Scuero et.al.(1990)
|
ژئوممبران‌ها
خصوصیات لازم یك ژئوممبران برای استفاده در دیوار آب بند به شرح زیر است:
- سختی بالا برای آسانی نصب
- مقاومت بالا در مقابل انواع مواد شیمیایی كه شامل حلال‌های آلی نیز می‌باشد
- امكان نصب پروفیل‌های قفل و بست روی لبه صفحات ژئوممبران
- دوام مناسب در حالت مدفون
HDPE برای اكثر موارد بالا انتخاب مناسبی است. این ماده سختی كافی ندارد تا بتوان آن را مثل صفحه فولادی مستقیماً به داخل خاك راند ولی همانگونه كه توضیح داده شده راه های زیادی برای نصب آن وجود دارد. وقتی كه هزینه و در دسترس بودن آن نیز مد نظر قرار گیرد دیده می‌شود كه در این نوع كاربرد انتخاب طبیعی می‌باشد. دلیل دیگر برای انتخاب HDPE قابلیت شكل یافتن آن توسط عملیات اكستروژن است. قفل و بستها شكل‌های پیچیده ای دارند كه توسط فرآیند اكستروژن ساخته می‌شوند و سپس به طول مورد نظر بریده شده و به پانلهای ژئوممبران جوش امتزاجی داده می‌شوند. اكنون به عملكرد HDPE در حالت مدفون در دراز مدت پرداخته می‌شود. غیر از تنش كه ممكن است منجر به ایجاد ترك در مواردی شود عوامل كمی می‌توانند عمر ژئوممبران HDPE را در حالت مدفون كوتاه كنند یكی از آنها قرار گرفتن د رمعرض مواد شیمیای است. تا كنون صدها آزمایش سازگاری طبق استاندارد9090 EPA بر روی HDPE با انواع مواد شیمیایی انجام گرفته است كه در هیچ یك از این آزمایش‌ها تخریب مشاهده نشده است.
در مورد هیدروكربنها با غلظت زیاد (هیدروكربن‌های كلرینه و آروماتیك نامطلوبترین آنها هستند) كاهش مقاومت حد تسلیم كششی تا 30% می‌تواند رخ دهد. این به خاطر روان شدگی فیزیكی است كه HDPE را نرم می‌كند. البته این واكنش قابل برگشت است، یعنی زمانی كه اجازه خروج به مواد شیمیایی داده شود، مقاومت اولیه باز می‌گردد.
یكی از مهمترین خصوصیات دیوارهای آب‌بند، نفوذناپذیری در مقابل مواد شیمیایی است. لازم است نفوذپذیری شیمیایی ژئوممبران از نفوذپذیری كه معمولاً در مهندسی ژئوتكنیك به آن اشاره می‌شود متمایز شود. در حالت خاك‌ها و سایر مواد متخلخل، انتقال آب (یا سایر مواد شیمیایی) از حفرات خاك، تركها یا شكستگیها رخ می‌دهد. در صورتی كه در نفوذپذیری شیمیایی، ماده شیمیایی از یك غشا غیر متخلخل در سطح مولكولی عبور خواهد كرد. مولكولهای می‌توانند به طریقی خود را از بین زنجیرهای پلیمری عبور دهند.
HDEP یك ماده پلاستیك نیمه بلوری است كه آن را د رمقابل نفوذپذیری شیمیایی مقاوم می‌سازد. باید دانست كه هیچ پلیمری نسبت به مواد شیمیایی كاملاً عایق نیست همیشه مقداری تراوش رخ می‌دهد. سوال اساسی این است كه آیا مقدار نفوذپذیری قابل قبول است یا خیر.
عوامل زیادی در مقدار نفوذپذیری شیمیایی ژئوممبران تاثیر می‌گذارد. این عوامل شامل تمركز شیمیایی، دما و ضخامت ورق است. نفوذپذیری دو مولفه عمده دارد كه شامل نرخ انتشار (Diffusivity) و انحلال‌پذیری است. نرخ انتشار، نرخ انتقال یك ماده شیمیایی از یك مانع است. انحلال‌پذیری مقدار ماده شیمیایی كه یك مانع می‌تواند نگهداری كند. بنابراین نفوذپذیری مربوط به مقدار حجم زاید یك پلمیر و سازگاری ماده شیمیایی با ژئوممبران است. در واقع، نفوذپذیری مرتبط با این است كه چه مقدار ماده شیمیایی می‌تواند توسط غشا جذب شود و سرعتی كه ماده شیمیایی از مانع عبور می‌كند. 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 كه به لبه پانلهای ژئوممبران جوش داده می‌شوند. داخل قفل و بستها از لاستیك هیدروفیلیلك یا دوغاب به عنوان آب‌بند استفاده می‌شود. پانلها را می‌توان با گرما به یكدیگر جوش داد ولی این روش معمولاً به كار نمی‌رود. قفل و بستها بسیار مهم هستند. چرا كه می توانند نفوذپذیرترین بخش دیوار باشند. بعلاوه محاهای اتصال ممکن است در طول نصب یا در صورتیکه نشست یا تغییر شكل جانبی رخ دهد دچار تنش شوند. بنابراین لازم است مقاومت در برابر نفوذ در مورد محل‌های اتصال تعیین شود.
چهار نوع اتصال كه در آنها از لاستیك هیدروفیلیك استفاده می‌شود. ماده تشكیل‌دهنده لاستیك هیدروفیلیك عمدتاً لاستیك نئوپرن است و طوری طراحی می‌شود كه در تماس با آب افزایش حجم یابد. تغییر حجم می‌تواند تا 8 برابر حجم اولیه باشد كه باعث ایجاد فشار آب‌بندی می‌گردد. اتصال نوع A طوری طراحی شده كه تحت فشارهای تا kPa800 تنها مقدار ناچیزی آب از آن عبور نماید. دو نوع قفل و بست وجود دارد كه با دوغاب به كار می‌روند، قابل توجه هستند. زیرا ضخامت اضافی دوغاب باعث می‌شود كه عبور مواد شیمیایی از آن بسیار مشكل شود. بهر حال در این حالت چسبندگی به پلی‌اتیلین مشكل است. توجه كنید كه یك اتصال می‌تواند هم با لاستیك هیدروفیلیك و هم دوغاب به كار رود كه 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 كنترل سیل به طول كلی 24 كیلومتر و عمق 17 متر در ایالات متحده به كار رفت. این دایك‌ها 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 كرده و سپس آن را تدریجاً تخلیه می‌كردند. با گذشت زمان و با ریزش باران‌های شدید، ترك‌هایی در جهات طولی و عرضی در بدنه دایك‌ها ایجاد گردید. این تركها در اثر نشست‌های نامتقارن پی، تشدید شده بودند. بررسی‌هایی به منظور انتخاب موثرترین روش جهت كاهش نفوذپذیری دایك‌ها انجام گرفت كه نشان داد حفر یك ترانشه در تاج سد و سپس قرار دادن پانلهای مجزای EDPE در آن و اتصال آنها به یكدیگر، 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 كارآمد بودن روش مزبور، ناحیه‌ای از كل دایك‌ها به طول حدود 400 متر كه از لحاظ ترك‌خوردگی در وضعیت نامطلوبی قرار گرفت. به این ترتیب كه 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 كه قابلیت لغزش در جهت قائم را داشته و نشست‌های نامتقارن را پوشش می‌دادند. یك نوار لاستیك آب‌بند كننده همزمان با اتصال هر پانل به پانل قبلی در محل اتصالات جاگذاری می‌شد.این لاستیك 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 كه سرعت باد از 35 كیلومتر بر ساعت تجاوز می‌كرد باعث ایجاد مشكلاتی گردید. به همین جهت پیمانكار طرح، برنامه زمان‌بندی را در جهت حذف این مشكل تغییر داد.
با اتمام عملیات اجرایی، مقطع به مدت 30 روز به طور آزمایشی بهره‌برداری گردید. سطح آب مخزن درمقدار حداكثر سیل (PMF) تنظیم شد. ارزیابی توسط چاه‌های مشاهده‌ای، پیزومترها و ابزارهای اندازه گیری نشست انجام شد. بررسی‌ها نشان داد كه دیوار آب‌بند ژئوممبران عملكرد مطلوب داشته و نهایتاً تمام طول دایك‌ها در مدت 15 ماه و شش ماه جلوتر از برنامه زمان‌بندی توسط این روش نفوذناپذیر گردید.
نتیجه‌گیری
استفاده از ژئوممبران در دیوارهای آب‌بند یك روش بسیار كارآمد و موثر در كنترل جریان می‌باشد. مهمترین مزایای این روش، نفوذپذیری اندك خصوصاً در مقابل مواد شیمیایی و سرعت اجرای آن است. پیشرفت دانش پتروشیمی و دستیابی ارزان به مواد پلیمری، ژئوممبران را در سازه‌های كنترل جریان از جمله دیوارهای آب‌بند به عنوان یك گزینه قابل رقابت مطرح كرده است. مهمترین مسأله در این خصوص روش اجرایی است كه باید مورد توجه بیشتری قرار گیرد.
پیشنهاد می‌شود، مانند بسیاری از كشورهای دنیا در كنار روشهای مرسوم، استفاده از این تكنولوژی در طراحی و اجرای دیوارهای آب‌بند مدنظر قرار گیرد.