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 پژوهش­های 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 كشاورزی جهانی[1] ………………………………..
11
2-3-2- راهنمایی­های سامانی و ویلاردسون[2] ……………………………………………………..
12
2-3-3-راهنمایی­های ولتمن و همكاران[3]…………………………………………………………….
13
2-4-  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[4] ……………………………………………………………………
18
2-4-2-2- معیار هیدرولیکی[5]…………………………………………………………………………
18
2-4-2-3-معیار جلوگیری از انسداد[6] …………………………………………………………….
20
2-4-2-4-معیار مکانیکی و استحکام[7]…………………………………………………………….
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[8] (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[9] (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 نازك 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
شكل شماره 2-2: الف) مقاومت جریان به سمت یك زهكش، ب) افت­های بار مربوطه
23
شكل 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