چکیده:

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.

1- 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[1]، 1983).

بر اساس آمار موجود، 150 تا 170 میلیون هكتار از 240 تا 250 میلیون هكتار اراضی آبی جهان به طریق سطحی و یا زیرزمینی زهكشی می­شود. مساحت اراضی­ای كه به زهكش­های زیرزمینی مجهز است به درستی معلوم نیست، اما واضح است كه احداث زهكش­های زیرزمینی در جهان به طور فزاینده­ای رو به گسترش است. در كشور ایران در سال­های گذشته سرمایه­گذاری عظیمی برای توسعه آبیاری انجام گرفته است به طوری كه سطح كل اراضی تحت شبكه­های مدرن آبیاری که در حال حاضر 2/1 میلیون هكتار می باشد، با اجرای طرح­های جدید به 9/1 میلیون هكتار خواهد رسید و متاسفانه بخشی از این اراضی به علت آبیاری بی­رویه یا فقدان سیستم زهكشی، 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[2]،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[3]) 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 كشور 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).

2- مروری بر پژوهش های پیشین

1-2- پوشش های زهکشی

به ماده متخلخلی كه در اطراف یك زهكش زیرزمینی برای محافظت در برابر رسوب­گذاری و بهبود عملكرد هیدرولیكی آن قرار داده می­شود پوشش زهكش[1] اطلاق شود(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383). پوششهای زهکشی و صافی ها[2] 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[3]، 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[4] (1967) انواع فیلترهای مختلف را مورد بررسی قرار داده است و عدم موفقیت برخی پروژه­ها را مدیون فیلتر نامناسب می­داند. دنیس و ترافورد[5] (1976) در آزمایشی به این نتیجه رسیدند در صورت استفاده از فیلتر در یك سیستم زهكش، فاصله لوله­های زهكش را تا 120 درصد می­توان اضافه نمود.                                                                    

پس از حفر ترانشه­ای كه در آن تنبوشه­ها قرار داده می­شوند معمولاً اطراف تنبوشه را با مواد نفوذپذیری می­پوشانند. استفاده از این مواد به منظور تأمین نكات زیر می­باشد:

الف – به عنوان مانعی تراوش­پذیر در برابر ورود بیش از حد ذرات خاك و خاكدانه­ها به داخل لوله­های زهكش كه ممكن است باعث گرفتگی لوله­ها شود. عمل نمودن پوشش به عنوان صافی یا فیلتر در ابتدای احداث زهكش بسیار مهم می­باشد ولی پس از نشست و تثبیت خاك­های اطراف و بالای لوله این تأثیر از اهمیت زیادی برخوردار نخواهد بود مگر در خاك­های ناپایدار. عمل نمودن پوشش به عنوان فیلتر در شرایطی كه امكان وارد شدن ذرات خاک به لوله­ها وجود دارد. برای این منظور اندازه منافذ فیلتر باید به دقت تعیین گردد تا با ذرات خاك اطراف هماهنگی فیزیكی داشته باشد. به تجربه ثابت شده است فیلترهایی خوب هستند كه برخی از ذرات كه اندازه آنها كوچك است را از خود عبور دهد. وجود فیلتر در خاكهای شنی نرم و سیلتی درشت الزامی می­باشد.

ب – بهبود هدایت هیدورلیکی در اطراف لوله: موادی كه در اطراف لوله قرار داده می­شوند معمولاً‌ دارای نفوذپذیری زیادی می­باشند كه این امر سبب می­شود كه افت انرژی در محل ورود آب به لوله و‌ سرعت آب در محل فیلتر كاهش پیدا كند و ذرات معلق آب رسوب کرده و به داخل لوله راه پیدا نكند. این دو منظور زمانی حاصل می­شود كه ضخامت پوشش حداقل 5 تا 10 میلی­متر و مقدار ضریب K در آن حدوداً‌ 10 برابر ضریب هدایت هیدرولیكی خاك باشد(بای بوردی، 1387).

ج – ایجاد یك بستر مناسب برای تنبوشه­ها : نقش بستری[6] در خاكهای ناپایدار عمدتاً‌ توسط پوشش سنگریزه­ای[7] صورت می­گیرد. سنگریزه باعث بهبود مكانیكی در سیستم “زهكش – پوشش – خاك” شده و به عنوان یك بستر و محافظ جانبی لوله­ها پلاستیكی عمل می­كند(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383)

د – برای تثبیت بستر طبیعی خاكی كه تنبوشه­ها در آن قرار داده می­شوند.

انواع پوشش­ها بر اساس مواد متشكله­شان به سه دسته زیر تقسیم می­شوند:

2-1-1 – پوشش­های معدنی[8]

پوشش­های معدنی به طور عمده شامل شن درشت،‌ سنگریزه­های ریز و سنگ­های شكسته شده است، كه به هنگام نصب لوله زهكشی با دانه بندی مشخص در زیر و اطراف آن قرار داده
می­شوند كه 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 خاك امریكا[9] و دفتر عمران امریكا[10] تهیه شده است كه می­توان نتایج این تحقیقات را در طرح­های زهكشی به كار برد. این پوشش­ها اگر به خوبی طراحی و جاگذاری گردند، كاملاً مورد اطمینان هستند زیرا حجیم بوده و می­توانند مقدار نسبتاً زیادی از مواد خاكی را در خود نگه دارند. این مواد در اكثر شرایط با موفقیت نقش خود را در دراز مدت ایفا نموده­اند. پوشش­های سنگریزه­ای دانه­بندی شده كه به طور مناسب طراحی شده­اند از نظر فیزیكی، پوشش­های ایده­آلی به شمار می­روند. گراول­های دانه­بندی شده باید یكنواخت 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 كه لوله­های زهكشی دارای قابلیت انعطاف­پذیری زیادی هستند كاربرد پوشش­های گراول­ای ضروری است زیرا این نوع پوشش­ها علاوه بر نقش فیلتری و هیدرولیكی باعث می­شوند كه یك بستر پایدار برای محافظت لوله در برابر تكانهای عمودی ناشی از بار وارده از طرف خاك به هنگام نصب یا بعد از آن بوجود آید(دایریکس، 1979).

2-1-2- پوشش­های آلی[11]

مواد پوششی آلی شامل كاه و پوشال، كلش غلات،‌ كلش كتان، كلش برنج، برگ سرو، خیزران، چوب ذرت، خرده­های چوب، نی، غلاف خار و بن، كتان خردشده، ساقه­های كتان، چمن، تورب و الیاف نارگیل می­باشند كه در مواردی كه هم نقش نگهداری ذرات و هم نقش هیدرولیكی پوشش مهم است، به صورت حجیم به كار می­روند. این مواد ممكن است به صورت نامنظم و نامتراکم روی لوله­های زهكشی در داخل ترانشه ریخته شوند، و یا ممكن است به صورت مواد از قبل پیچیدهء حلاجی شده[12] دور لوله زهكش قرار داده شوند. درگذشته نه چندان دور این مواد را به صورت نوارهایی در بالای لوله­های زهكش به كار می­برده­اند كه این روش اكنون منسوخ گردیده است(کمیته ملی آبیاری و زهکشی، 1383).

پوشش­های آلی در اكثر كشورهای اروپای غربی به كار برده می­شوند اما در مناطق مرطوب بخش شرقی آمریكا و كانادا كمتر مورد استفاده قرار می­گیرند(دایریکس، 1990). در هلند الیاف نارگیل و یا مخلوط آن دو به صورت حجیم به كار برده می­شود(دایریکس، 1992). مشكل عمده این پوشش­ها اینست كه اغلب مورد تجزیه بیولوژیكی قرار می­گیرند و در صورتی كه pH خاك بیش از 6 باشد بعد از 2 تا 5 سال به طور كامل تجزیه می­شوند(ون زیجتز[13]، 1992).

در کشورهای اسکاندیناوی، خاک اره حاصل از درختان مخروطی[14] اغلب به عنوان ماده پوششی برای لوله های زهکشی مورد استفاده قرار می گیرند(کابوسی و همکاران، 1388).

ریمیدیس و دایریکس[15] (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.

[1]– Envelope

[2] – Filter

[3] -Ministry of Agriculture and Food

[4]– Pillsburry

[5] -Dennis and Trafford

[6]– Bedding function

[7]– Gravel