روش‌های مهار فرسایش و تثبيت رودخانه‌ها

[Amir R. Haddadi 9164]

روش‌های مهار فرسایش و تثبيت رودخانه‌ها

روش‌هاي حفاظت سواحل رودخانه‌ها بر اساس عملكرد سازه‌ها

روش‌هاي حفاظت سواحل از ديدگاه عملكرد سازه ها به دو گروه كلي ذيل تقسيم‌بندي مي‌شوند.

الف- روش‌هاي حفاظت مستقيم[1]

ب- روش‌هاي غيرمستقيم[2]

· روش‌هاي حفاظت مستقيم

در اين روش‌ها با احداث سازه‌هايي كه مستقيماً روي ساحل يا بستر رودخانه اجرا مي‌شوند از فرسايش و آبشستگي ديواره‌ها و بستر جلوگيري بعمل مي‌آيد. روکش ها عمومي‌ترين شكل اين‌گونه روش‌ها مي‌باشند و كارايي آنها بستگي مستقيم به مقاومت مصالح آن روي شيب ديواره دارد.

روكش‌هاي نفوذپذير به منظور سهولت بخشيدن بهتر به تراوش آب از ديواره و جلوگيري از شسته‌شدن ذرات‌ريز مصالح تشكيل‌دهندة آن توصیه می شوند، استفاده از يك لايه ***** مناسب در بين ديوارة طبيعي و لاية روكش لازم بنظر مي‌رسد.

نفوذپذيري سازه‌هاي روكش سبب مي‌شود تا در زمان سيلاب و افزايش سطح آب، به تدريج با جذب رسوبات در ديواره تزريق شده و پايداري آنرا افزايش دهد (1986، Peterson) بطور كلي روكش‌هاي ساختماني انعطاف‌پذير و نفوذپذير مناسب‌تر بوده زيرا به تدريج با جذب رسوبات قابليت تثبيت طبيعي و گياهي را پيدا مي‌كنند. برخي از اين روكش‌ها عبارتند از:

 

الف) روكش سنگريزه‌اي:

با استفاده از سنگ‌هاي دانه‌بندي شده و پخش آن‌ها بر روي ديواره از اثر مستقيم جريان بر ديواره طبيعي جلوگيري به عمل مي‌آيد.

ب) روكش توري‌سنگي[1] :

در صورتي‌كه سنگ با دانه‌بندي مطلوب در دسترس نباشد مي‌توان از سنگ‌هاي كوچك نيز استفاده كرد كه در اين صورت جهت افزايش پايداري سنگ‌ها از سبدهاي تورسيمي استفاده مي‌گردد. توري‌سنگ‌ها در روكش با ضخامت كم به كار برده مي‌شوند و ضخامت آنها معمولاً كمتر از 30 سانتیمتر مي‌باشند. اين روش براي سرعت‌هاي 4/2 تا 5/4 متر بر ثانيه مناسب بوده و براي پيچ هايي با شعاع انحناء بيش از 250 متر مؤثر مي‌باشند.

ج) روكش بتني مفصل‌دار:

روكش بتني صلب علاوه بر هزينه زياد و پيچيدگي فني، تخريب‌پذير مي‌باشد. در اين روش روكش بتني بصورت بالشتك‌هاي بتني مفصل‌دار بوده كه علاوه بر تأمين پايداري ديواره، قابليت انعطاف و نفوذپذيري دارد. اين روش براي رودخانه‌هاي بزرگ و سرعت‌هاي زياد مناسب است.

د)روكش كيسه‌اي:

در اين روش معمولاً كيسه‌هايي از جنس كنف يا كرباس را با مخلوطي از خاك و سيمان، ماسه و سيمان و يا فقط با خاك پر كرده و به شكل مناسبي روي شيب ديواره مي‌چينند.

ه) روكش آسفالتي:

وقتي مصالح مناسب از قبيل شن و ماسه و همچنين مواد نفتي (قير) در دسترس باشد، از روكش آسفالتي براي حفاظت سطح ديواره در بالاتر از سطح متوسط كم آبي استفاده مي‌گردد. اين روش نفوذناپذير بوده و انعطاف‌ناپذيري كمي دارد كه اينها از معايب اين روش مي‌باشد.

و) پوشش گياهي

پوشش‌هاي گياهي به دو گروه گياه علفي و بوته‌اي، درختچه‌ها و درختان تقسيم مي‌شوند پوشش گياهي بعنوان يكي از اقتصادي‌ترين روش‌هاي حفاظت سواحل شناخته شده است و تنها روشي است كه قابليت ترميم طبيعي و بازسازي خود را دارد. نقش اين پوشش گياهي به گونه‌اي است كه گروهي عدم وجود آنرا بر روي يك ديواره، نشانه فرسايش‌پذيري آن مي‌دانند.

پوشش گياهي با بالا بردن ويژگي ها مناسب خاك ديواره باعث تقليل فرسايش آنها گرديده و از طرفي با افزايش زبري كانال سبب كاهش سرعت و در نتيجه كاهش تنش برشي جريان مي‌گردد و همچنين درختچه‌هايي كه عمق ريشه آنها زياد است از لغزش ديواره‌ها جلوگيري مي‌كنند.

 

· روش‌هاي حفاظت غيرمستقيم

در اين روش با ساخت سازه‌هايي باعث انحراف خطوط جريان از ديواره‌هاي فرسايش‌پذير ‌شده و قابليت رسوب‌گذاري جريان افزايش مي‌يابد.

برخي از اين روش‌ها عبارتند از

الف) روش شبكه‌اي[2] :

اين سازه‌ها معمولاً از يك يا دو رديف شمع كوبيده شده تشكيل گرديده‌اند كه بوسيله شبكه‌اي از جنس توري بهم متصل مي‌گردند.

ب) آب‌شكن‌هاي پره‌اي[3] :

اين آبشكن‌ها سازه‌هاي كوتاهي هستند كه با زاويه‌ی كمي نسبت به امتداد جريان، در رودخانه و در چند رديف قرار مي‌گيرند. ارتفاع آنها بالاتر از سطح متوسط آب ولي كمتر از آب‌شكن‌هاي معمولي است.

ج) ديواره‌هاي خاكريز طولي[4] :

اين سازه‌ها از سرريز شدن سيلاب در داخل دشت سيلابي جلوگيري مي‌كنند و باعث مي‌شوند تا جريان در كانال‌هاي اصلي حركت كند. ولي اين ديواره‌ها در مقابل جريان‌هاي سيلابي قابليت فرسايش دارند و ممكن است بخش وسيعي از زمين‌هاي مجاور را اشغال كنند.

د) آب‌شكن‌ها:

اين سازه‌ها ديواره‌هاي عرضي هستند كه در كناره ساحل رودخانه ساخته شده و با دور كردن جريان از ساحل و متمركز كردن آن در وسط به حفاظت ديواره‌ها كمك مي‌كنند. آب‌شكن ها به دو صورت نفوذپذير و نفوذناپذير ساخته مي‌شوند. نفوذپذيري آب‌شكن موجب ميرا شدن سرعت جريان گرديده و ته‌نشيني رسوبات را تسهيل مي‌نمايد. ولي آب‌شكن‌هاي نفوذناپذير باعث دفع جريان يا تغيير جهت جريان مي‌شوند.

آب‌شكن‌هاي نفوذپذير به علت نداشتن بدنه صلب آسيب‌پذيري كمتري نسبت به تغيير شكل محدود دارند. هم‌چنين به علت عدم تغيير شكل ناگهاني خطوط جريان؛ جريان‌هاي گردابي[5] با شدت كمتري از آب‌شكن‌هاي نفوذناپذير بوجود مي‌آيد ودر نتيجه آب‌شستگي موضعي محدودتر خواهد بود ولي آب‌شكن‌هاي نفوذناپذير داراي عدم مقاومت كافي در مقابل نيروهاي ناگهاني اعمالي از سوي اجسام خارجي مانند يخ‌هاي شناور، كنده‌هاي چوب و ... هستند.

 

روش‌هاي حفاظت رودخانه بر اساس نوع مصالح پوششي

تقسيم‌بندي زير بر اساس نوع مصالح پوششي صورت پذيرفته است.

الف) روش ساختماني:

در اين روش با استفاده از مصالح ساختماني و بنايي از انواع سازه‌هاي مقاوم نظير روكش ها، سازه‌هاي هدايت (نظير آبشكن ها) و يا سازه‌هاي تثبيت بستر، ساخته و اجرا مي‌گردد. اين سازه‌ها عمدتاً نياز به مصالح و امكانات فني نسبتاً زيادي دارند و بجز در شرايطي كه عوامل فرسايش دهنده ديواره‌ها و بستر شديد باشند پيشنهاد نمي‌گردد.

ب) روش طبيعي:

در اين روش با استفاده از امكانات طبيعي نظير پوشش گياهي مناسب اقدام به حفاظت سطح ديواره‌ها و تثبيت طبيعي مسير جريان مي‌گردد. اين روش اگرچه از نظر اقتصادي برتري ويژه‌اي نسبت به روش‌هاي ساختماني دارد ولي معمولاً عمر مفيد كوتاه آنها مستلزم حفاظت و نگهداري پيوسته مي‌باشد.

ج) روش طبيعي- ساختماني[6]:

اين روش تلفيقي از دو روش بالا است كه بعلت قابليت تطبيق آن با شرايط مختلف امروزه اقتصادي‌تر و در عين‌حال مؤثر‌تر از روش‌هاي ديگر مي‌باشد. به طور مثال در سازه‌هاي روكش ديوارة رودخانه تا سطح جريان كم آبي با روش ساختماني و در حد بالاتر از آن توسط پوشش گياهي محافظت مي‌گردد.

 

ويژگيهاي سازه‌هاي تثبيت رودخانه

سازه‌هاي تثبيت رودخانه بر حسب نوع مصالح داراي ويژگي‌هاي فيزيكي و مكانيكي زير مي‌باشند.

· انعطاف‌پذير يا صلب[7]

· آبگذر يا غيرقابل نفوذ[8]

· موقت يا دائمي

به‌طور كلي سازه‌هاي انعطاف‌پذير عملكرد مناسب‌تري نسبت به سازه‌هاي صلب دارند. اين سازه‌ها بعلت ويژگي شكل‌پذيرشان قدرت تحمل تغيير شكل‌هاي بيشتري را نسبت به سازه‌هاي صلب دارند. اين تغيير شكل‌ها مي‌توانند ناشي از نشست ناهمگون پي سازه در اثر پديدة زيرشويي[9] و يا آب‌شستگي موضعي[10] باشند همچنين سازه‌هاي انعطاف‌پذير در صورت تخريب جزئي قابليت ترميم و بازسازي مجدد را دارا مي‌باشند.

نفوذپذيري سازه‌هاي آبگذر به آنها در مقايسه با سازه‌هاي غير قابل نفوذ برتري ويژه اي از نظر هيدروليكي مي‌دهد چرا كه اين سازه با عبور آب از داخل خود سبب كاهش فشار جريان در وجه بالادست خود شده و همچنين با كاهش سرعت جريان موجب افزايش ته‌نشيني رسوبات گرديده و عملاً سبب تثبيت بيولوژيكي بستر و ديواره‌ها مي‌گردند.

 

آب‌شستگي

در اين مبحث سعي داريم تا علاوه بر شناخت اجمالي پديدة آبشستگي و بررسي عوامل مؤثر بر آن، نسبت به انتخاب پارامترهاي مهم‌تر جهت انجام مطالعات در زمينة آبشستگي موضعي اقدام شود. تغيير ويژگي‌هاي جريان در يك رودخانه در حال تعادل سبب تغيير ويژگي‌هاي بستر جهت نيل به حالت تعادل جديد گرديده، به‌طوري‌كه عموماً تراز بستر چه بصورت رسوبگذاري و چه به صورت آب‌شستگي سعي در رسيدن به اين حالت تعادل دارد. پديده آب‌شستگي در هر كجا افزايش سرعت روي دهد بوقوع مي‌پيوندد. اين افزايش سرعت مي‌تواند ناشي از كاهش سطح مقطع جريان (چه در صورت تنگ‌شدگي مقطع و چه در حالت بالا آمدن كف در جريان‌هاي زير بحراني)، افزايش دبي عبوري از مقطع و كاهش زبري بستر يا افزايش شيب بستر باشد.

 

· آبشستگي عمومي

ايجاد تنگ‌شدگي و كاهش عرض جريان يكي از دلايل مهم بروز آب‌شستگي در مقطع متعادل مي‌باشد. اكثر سازه‌هايي كه در مسير رودخانه ساخته مي‌شوند موجب تنگ‌شدگي مقطع و در نتيجه آب‌شستگي در بستر رودخانه مي‌گردند. مثلاً مي‌توان به ساخت پايه پل‌ها و آب‌شكن‌ها اشاره كرد كه مستقيماً سبب تنگ‌شدگي جريان گرديده و آب‌شستگي را نتيجه مي‌دهد. برخي از سازه‌ به طور غير مستقيم سبب بروز آب‌شستگي مي‌گردند. بعنوان مثال مي‌توان از پوشش هايي نام برد كه براي جلوگيري از فرسايش سواحل رودخانه بر روي آنها ساخته شده و با افزايش مقاومت كناره‌ها سبب مي‌گردند كه در حالت پرآبي رودخانه جهت رسيدن به تعادل بيشتر به كندن بستر خود پرداخته و در نتيجه آب‌شستگي بيشتري روي دهد.

اعمال تنگ‌شدگي در مقطع عملاً با كاهش سطح جريان موجب افزايش سرعت و در نتيجه افزايش تنش‌برشي اعمالي به كف بستر مي‌گردد. اين انرژي صرف كندن و حمل رسوبات بستر بصورت بار كف شده و پديدة آب‌شستگي عمومي رخ مي‌دهد. اين آب‌شستگي تا هنگامي ادامه مي‌يابد كه ميزان تنش‌برشي اعمالي به كف كمتر از ميزان تنش برشي بحراني بستر گردد. در اين صورت روند افزايش عمق ناشي از آب‌شستگي متوقف گرديده و مقطع به حالت تعادل جديد مي‌رسد.

· آب‌شستگي موضعي

به علت برخورد جريان با موانعي نظير آب‌شكن يا پايه‌هاي پل جهت جريان تغيير يافته و به علت اختلاف فشار هيدرواستاتيكي در بالادست و پايين‌دست مانع، يك سري جريان‌هاي گردابي در پيرامون آن بوجود مي‌آيند كه عامل اصلي ايجاد آب‌شستگي موضعي در اطراف مانع مزبور مي‌باشند. آب‌شستگي كه در پاي آب‌شكن‌ها بوجود مي‌آيد اغلب شبيه آب‌شستگي موضعي ايجاد شده در پايه‌های پل است. و تنها تفاوت اين دو آب‌شستگي ناشي از تفاوت شكل آب‌شكن ها با پايه پل‌ها مي‌باشد.

در مطالعات مربوط به آب‌شستگي عمومي ناشي از تنگ‌شدگي مقطع معمولاً از جريان غير يكنواختي كه در ناحية تبديل مقطع معمولي به مقطع تنگ‌شده بوجود مي‌آيد چشم‌پوشي گرديده و فقط جريان يكنواختي را در مقاطع بالادست و پايين‌دست ناحية تبديل در نظر مي‌گيرند. اما در تنگ‌شدگي موضعي، تنها جرياني كه بر ميزان آب‌شستگي موضعي مؤثر است، همان جريان غيريكنواختي است كه در اطراف عامل تنگ‌كننده ايجاد مي‌گردد، و معمولاً يك جريان سه‌بعدي بسيار پيچيده مي‌باشد كه با جريان دو بعدي موجود در اطراف بدنة آب‌شكن و مقطع تنگ‌شده متفاوت است. جرياني كه به عامل تنگ كننده نزديك مي‌گردد؛ به داخل چالة ناشي از آب‌شستگي شيرجه رفته و موجب تشكيل گرداب هاي نعل اسبي و جريان هاي مارپيچ در داخل چالة آب‌شستگي گرديده و سپس از انتهاي چاله خارج و با بخشي از جريان كه تحت اثر تنگ‌شدگي قرار نگرفته است مخلوط و به پايين‌دست هدايت مي‌گردد. سرعت‌ها وتنش هاي برشي موضعي ناشي از جريان‌هاي گردابي مهم‌ترين عواملي هستند كه موجب گسترش آب‌شستگي موضعي در پاي مقطع تنگ‌شده مي‌گردند.

· آب‌شستگي موضعي در دماغه آب‌شكن‌ها

بعلت تمركز جريان در مقطع تنگ‌شده و تلاطم و آشفتگي جريان در اطراف سازة آب‌شكن معمولاً در اطراف مقطع تنگ‌شده آب‌شستگي بوجود مي‌آيد. در مورد يك آب‌شكن منفرد كه به صورت عمود بر امتداد جريان ساخته شده است مي‌توان دريافت كه بيشترين آب شستگي در دماغة آن بوجود مي‌آيد. اين آب‌شستگي بيشينه اساساً از تراكم جريان در مقطع تنگ شده و ايجاد جريانهاي گردابي در آب‌شكن رخ مي‌دهد.

در اثر برخورد جريان با آب‌شكن كه به عنوان مانعي در مقابل آن عمل مي‌كند. خطوط جريان در نزديكي آن تغيير جهت داده و موجب ايجاد جريان‌هاي گردابي در وجه بالاي سازه مي‌گردد. اين جريان هاي گردابي در امتدادي كه تقريباً عمود بر امتداد سازه آب‌شكن مي‌باشد به سمت پايين‌دست حركت مي‌كنند. آشفتگي جريان و همچنين ايجاد سرعت‌هاي موضعي ناشي از اين جريان‌هاي گردابي عامل اصلي ابجاد آب‌شستگي در پاي آب‌شكن‌ها مي‌باشند.

معمولاً مقدار آب‌شستگي موضعي بخصوص در مواقع سيلابي، بسيار بيشتر از ميزان آب‌شستگي عمومي بستر مي‌باشد و اين آبشستگي عامل اصلي تخريب بسياري از آب‌شكن‌ها در مقابل اثر جريان مي باشد. به همين دليل تخمين ميزان اين آب‌شستگي بيشينه در طراحي سازه آب‌شكن‌ها حائز اهميت فراوان بوده ومهندس طراح به منظور تأمين محافظت كافي از سازه در مقابل اثر فرسايشي جريان و هم‌چنين تخمين عمقي كه مي‌بايست شالوده سازه در آن عمق ساخته شود تا از اثرات ناشي از فرسايش بستر در امان بماند احتياج به تخمين معقولي از ميزان عمق آب‌شستگي بيشينه در اطراف آب‌شكن دارد.

· پارامترهاي مؤثر بر پديدة آب شستگي موضعي

 

از نقطه‌نظر تئوري، مسئله آب‌شستگي موضعي در دماغه آب‌شكن‌ها، مشابه حالت آب‌شستگي در پاية پل‌ها مي‌باشد. در واقع تأثير سه‌بعدي الگوي جريان بر آب‌شستگي در دهانة آب‌شكن‌ها از پيچيدگي خاص برخوردار است؛ كه مي‌بايست با يك‌سري فرضيات ساده كننده روابطي منطقي جهت تخمين مقدار فرسايش و آب‌شستگي موضعي ارائه نمود.

براي دستيابي به اين مهم ابتدا پارامترهايي كه بر پديدة آب‌شستگي مؤثر مي‌باشند را شناسايي و سپس با انتخاب مهم‌ترين آن‌ها و چشم‌پوشي از ساير پارامترهايي كه معمولاً اثر چنداني بر پديدة مزبور ندارند، به برقراري رابطه‌اي بين ميزان آب‌شستگي و پارامترهاي مزبور اقدام نمود.

Garde در (1961)اين پارامترها را به صورت زير دسته‌بندي نمود:

1- پارامترهايي كه وضعيت كانال و سازه آب‌شكن را نشان مي‌دهد:

B: عرض كانال (با فرض كانال مستطيلي)

L: طول آب‌شكن

: زاويه تمايل آب‌شكن

S: شيب كانال

2- پارامترهايي كه ويژگي‌هاي جريان را توصيف مي‌كنند:

V: سرعت متوسط

ds: عمق آب‌شستگي بيشينه

3- پارامترهايي كه ويژگي‌هاي سيال را توصيف مي‌كند:

: جرم ويژه آب

: اختلاف وزن ويژه آب و هوا

: ويسكوزيتة ديناميكي

4- پارامترهايي كه ويژگي‌هاي رسوب را توصيف مي‌كنند:

d50: قطر متوسط رسوب

: اختلاف وزن ويژه رسوب با آب (با فرض رسوب كروي)

سرعت سقوط ذره و تنش برشي بحران tc را نيز مي‌توان در اين گروه‌ها جا داد محققين مختلف بسته به ديدگاه خود از مسئله آب‌شستگي، معمولاً برخی از پارامترهاي پيش گفته را مؤثر دانسته و نسبت به تعيين ارتباطي بين پديدة آب‌شستگي با پارامتر انتخابي خويش اقدام نموده‌اند. روابط ارائه شده براي تخمين عمق آب‌شستگي دماغه آبشكن در بخش طراحي ارائه خواهد شد.