وبلاگ تخصصی مهندسین مرتع و آبخیزداری

 3  پایدارسازی با تکنیک های بیومهندسی 

1-3 مقدمه
استفاده از شیوه های بیولوژیکی جهت پایدارسازی شیب های ناپایدار، گرچه دیرتر از روشهای ساختمانی مطرح گردیده اند، اما امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفت هاند.
پوشش گیاهی ضمن اینکه به تنهایی به عنوان یک روش پایدارسازی بکار برده می شوند، می توانند جهت طولانی نمودن عمر مفید سایر سازه های فنی مطرح گردند . همچنین می توان پوشش گیاهی بومی در محل طرح، عمر پروژه را طولانی و حتی دائمی نمود . روشهای ب یومهندسی اگرچه ممکن است از نظر تاثیر جنبه حفاظتی، پایدارسازی و منظرسازی نسبت به سازه های مکانیکی زمان طولانی تری را بخود اختصاص دهند، اما غالبًا ارزانتر و بادوام تر می باشند و می توانند بصورت تلفیقی در کنار سایر روشهای پایدارسازی و یا به صورت مجزا بکار رو ند. در این مبحث ضمن اشاره کلی به نقش پوشش گیاهی در پایداری دامنه، شیوه های بیومهندسی بطور خاص مورد بررسی قرار م یگیرد. 
2-3 اثرات مثبت و منفی پوشش گیاهی در پایدارسازی دامن هها 
1-2-3 اثرات مثبت
گرینوی 1 در مورد اثرات هیدرومکانیکی پوشش گیاهی که به پایدا ری دامنه مربوط م یگردد نکات جالبی را ارائه می دهد. وی هر دو جنبه مثبت و منفی را مورد بررسی قرار داده است.
اثرات مثبت پوشش گیاهی عبارتند از:
مسلح نمودن خاک : ریشه ها از نظر مکانیکی از طریق تبدیل تنش برشی در خاک به مقاومت کششی در ریشه ها خاک را مسلح می کنند.
کاهش رطوبت خاک : تبخیر و تعرق توسط ریشه و گیرش بارش توسط شاخ و برگ درختان می تواند موجب کاهش فشار آب منفذی گردد. ایجاد شمع مهار : ساقه ها می توانند به صورت مهار شمع یا پایه های قوسی عمل نمایند و با نیروهای برشی دامنه مقابله نمایند.
بارگذاری: وزن پوشش گیاهی د ر مواردی خاص می تواند از طریق افزایش تنش عمودی بر سطح گسیختگی پایداری را افزایش دهند.
مشهوترین اثر پوشش درختی در افزایش پایداری، مسلح نمودن خاک توسط ریشه م یباشد. مطالعات آزمایشگاهی در مورد نقش حفاظتی الیاف ریشه نشان می دهد که مقدار کمی از الیاف مقاومت برش ی را به مقدار قابل توجهی افزایش می دهد. راندو وتسوروتا 2 به وسیله آزمایش های برشی قطعات خا کهای حاوی ریش ه های زنده، تأثیر مستقیم ریشه را بر مقاومت برشی خاک اثبات کرده اند. نتایج نشان داد که افزایش مقاومت مستقیمًا با تراکم ریشه ها متناسب است.
منبیون 1 به وسیل ه آزمای شهای برشی آزمایشگاهی بر روی نمون ههای سیستم ریش ههای زنده، اثر ریش هها را بر مقاومت خاک مطالعه نمود . او نشان داد که مقاومت حداکثر و مقاومت باقیمانده در اثر وجود ریشه ها به ترتیب تدریجًا دو و چهار برابر افزایش می یابد. 
2-2-3  اثرات منفی
مهمترین تأثیر منفی پوشش درختی بر پایداری دامنه به وزن ظاهری درختان و خطر واژگونی یا ریشه کنی آنها در بادها و جریانات شدید مربوط می گردد. چنانچه توده ریشه ای حجیم از زمین کنده شود، بسته به موقعیت درخت نسبت به دامنه می تواند پایداری نهایی را کاهش دهد . این موضوع برای درختان بزرگی که بر خاکریزهای
نسبتًا کوچک رشد م یکنند بحران یتر می باشد.
با توجه به وزن ظاهری، دامنه های خاکریز معمو ً لا به آن اندازه کم عمق هستند که بخش مهمی از وزن اضافی به صورت عمود بر سطح گسیختگی عمل م یکنند تا موازی و در هر حال پایداری را افزایش م یدهند.
روش جالب جهت کاهش اثرات منفی پوشش گیاهی عمل شاخه زدایی است . شاخه زدایی نوعی هرس یا شاخه زنی است که تولید درختان جدید را از کنده های درختان قدیمی موجب می گردد . در این روش سیستم ریشه ای دست نخورده باقی می ماند در حالی که چندین ساقة کوچک نزدیک قسمت قطع شده ایجاد می گردد. عمل شاخه زدایی دو اثر منفی بارگذاری و تأثیر باد را کاهش داده در حالی که اثرات مثبت را هم حفظ می کنند.

3-3 نکات مهم جهت اجرای پروژه های بیومهندسی
برخی از نتایج مورد انتظار از رو شهای بیولوژیکی عبارتند از:
  - کاهش فرسایش سطحی ناشی از آ بهای جاری
  - تثبت خاکهای تحت الارضی به وسیله سیستم ریش های
  - اصلاح شرایط هیدرولوژیکی مناطق لغزشی همچون کاهش آب زیرزمینی
  - ویژگی های زهکشی قبل و بعد از انجام پروژه جهت انتخاب نوع گونه مهم می باشد.
  - ساختمان و حاصلخیزی خاک : اساسًا جهت تعیین روش کاشت و پرورش گیاه، اطلاعاتی در مورد ساختار و حاصلخیزی خاک لازم م یباشد..
جهت نیل به اهداف مذکور در موفقیت پروژه های بیومهندسی نکات ویژه ای می بایست مورد توجه قرار گیرند .
عواملی چون تعیین نقش های پ وشش گیاهی، ویژگی های محلی، انتخاب گونه مناسب و مدیریت پروژه، عواملی هستند که در یک برنامه ایجاد پوشش گیاهی بر دامنه باید مورد بررسی قرار گیرند.
1-3-3 نقش های پوشش گیاهی
نقش مورد انتظار از پوشش گیاهی، انتخاب گونه و مدیریت بعدی آن را متأثر می سازد. تعیین نوع پوشش گیاهی و نقش آن بسیار اهمیت دارد، زیرا تعیین نوع گونه، هزینه های آماده سازی زمین استقرار و نوع مدیریت به نقش مورد نظر بستگی دارد . به عنوان مثال نقش علف های چمنی برای پایداری سطحی به بیش از یک فصل رشد برای اجراء و اعمال مدیریت دراز مدت نیاز دارد.

3-3 روش های کشت
برای آن که صریحًا به نتایج مطلوب پوشش گیاهی برسیم لازم است رو ش های کشت مناسبی انتخاب گردد. روش هایی نظیر استفاده از کشت نباتات پوششی، درختان و درختچه ها، حاصلخیز نمودن خاک و استفاده از مواد مغذی برای گونه های مناسب یا جوامع گیاهی ویژه تمامًا همین هدف را دنبال م ی کنند. سریع الوصول ترین روش ها روش انتقال خاک های حاوی ریشه و گیاه و یا گیاهان منفرد به محل مورد نظر م ی باشد . در این روش بذرپاشی که مهمترین مرحله رشد گیاه است وجود ندارد . هزینه و نیروی کار زیاد از معایب این روش می باشد .
روش مزبور به مکان های بسیار باارزش حفاظتی طبیعی، چشم اندازهای مهم با جایی که درختان و درختچ ه ها بیشتر برای کاربردهای بیومهندسی استفاده م یشوند محدود می گردد. 
3-3-3  مدیریت و رفتارسنجی
هدف از مدیریت او ً لا حصول اطمینان از نقش مورد انتظار پوشش گیاهی و نیز حفاظت از آن می باشد . همان گونه که اشاره گردید زمان استقرار بسته به نوع گیاه متفاوت م یباشد. یکی از علل شکست برنام ههای ایجاد پوشش گیاهی عدم شناخت نیازهای مدیریتی برای پوشش های گیاهی خاص و فقدان راهنما و دستورالعمل جهت اعمال مدیریت می باشد.
به علت تنوع زیاد، رشد گیاه از محلی به محل دیگر و از سالی به سال دیگر، تعیین شاخ صها یا آستان ههای اجرایی که موجب اعمال مدیریت می گردد لازم می باشد. مث ً لا قطع روزمره گل های وحشی موجب افزایش رشد علف ها می گردد و یا چنانچه فوری ها قبل از اینکه گل دهد قطع شوند م یتوانند به گ لهای وحشی خسارتی جدی وارد سازد.
برنامه های ساده رفتارسنجی جهت تعیین آستانه های اجرایی می توانند اطمینان دهند که مدیریت تنها زمانی که ضروری است اعمال می شود و م یتواند در بسیاری مواقع موجب صرف هجویی اقتصادی گردد.
4-3 انتخاب نوع پوشش گیاهی
انواع مشخصی از گیاهان بهتر از انواع دیگر وظایف بیومهندسی را ایفا می کنند. وظایف مورد نظر عبارتند از: مسلح نمودن خاک، جذب و انتقال آب، حفظ سطح در مقابل تردد و نیروهای فعال آب و باد، حفاظت کناره و آبراهه ها و ایجاد سایه یا حفاظ . در جدول زیر وظایف مورد نظر همراه با کمیت های مورد نظر جهت ایفای وظایف مزبور و ملاحظات مهم در مورد هر یک ارائه گردیده است.
پوشش درخ تی با ریشه های عمیق و قوی، حفاظ مکانیکی بهتری فراهم نموده، نقش مهار و شمع را بهتر ایفا می کند. به همین دلیل گیاهان درختی برای پایداری توده ها بهتر می باشند. از طرف دیگر پوشش علف و بوت ه ای نزدیک سطح زمین رشد کرده و یک پوشش متراکم و محکم سطحی ایجاد می کنند ک ه برای مقابله با فرسایش سطحی مناسب می باشد. بوته ها در مقایسه با درختان دارای ریش ه های عمیق نم یباشند و نم یتوان انتظار داشت همچون درختان به صورت شم عهای مقاوم عمل کنند.

5-3  نقش ریشه ها در پایداری دامنه
ریشه ها از نظر نفوذ به دو نوع ریشه های سطحی و عمیق تقسیم بندی می شوند که با توجه به عمق لغزش نسبت به انتخاب گیاه مناسب باید اقدام نمود . در این نوع تقسیم بندی معمو ً لا ریشه های سطحی به صورت افقی رشد نموده و از 30 سانتیمتری سطح زمین تا عمق دو متری را شامل می شود ولی ریشه های عمقی به صورت عمودی بوده و نفو ذ آن از 20 متری تا 30 متری و حتی بیشتر ادامه م ییابد. برای این که ریشه ها تأثیر قابل توجه بر جای گذارند می بایست از میان سطح گسیختگی عبور نمایند . تأثیر مسلح بودن خاک و مقاوم کردن آن توسط ریشه برای اشکال مختلف در شیب ها در جدول بعد ارائه شده است . مؤثرترین ن قش حفاظتی ریشه ها زمانی اعمال می گردد که ریشه از میان پوشش خاک به درون درزه ها و خرد شدگی های سنگ بستر زیرین نفوذ کنند و یا زمانی که ریشه ها به درون خاک برجا یا منطقه انتقالی (میانی) که مقاومت برشی و تراکمی با عمق افزایش می یابد نفوذ کنند.

4 روشهای پایدارسازی مکانیکی
1-4 مقدمه
روشهای پایدارسازی مکانیکی با هدف افزایش نیروهای مقاوم در برابر لغزش در یک شیب انجام می شوند. این روشها از نظر عملکرد به دو دسته زیر قابل دست هبندی می باشند:
الف- روشهایی که باعث اعمال نیروهای مقاوم در پنجه توده لغزش می شوند.
ب- طرحهایی که مقاومت داخلی توده لغزشی را افزایش می دهند.
از میان روشهای مورد بررسی در این بخش طرح دیوار حائل، سپری، پرده دیافراگم و مسلح کردن خاک جزء همان دسته ای هستند که در واقع یک نیروی مقاوم در پنجه لغز ش ایجاد می نمایند و روش تزریق شیمیائی و بهسازی خاک در دسته ای قرار م یگیرد که باعث افزایش مقاومت مصالح توده لغزنده م یشوند. 
2-4  دیوارهای حائل
1-2-4 دیوارهای حائل وزنی
دیوارهای حائل وزنی جهت مقابله با نیروهای وارده از طرف خاک به وزن خود اتکا م ی کنند و از جمله کاربردهای آنها حفاظت سطوح شیبدار، خاکریزها، جدار پلها و تراس بندیها می باشد. انتخاب نوع دیوار بستگی به عواملی نظیر موجود بودن مصالح، دسترسی به پیمانکار متخصص، عمر لازم، شرایط بارگذاری، سرعت و سهولت ساختمان، مطابقت با تغییرات زمین، بلندی و هزینه دارد.
در طراحی دیوار، برای طرح باید پارامترهای پایة خاک یعنی وزن مخصوص، زاویة اصطکاک و چسبندگ هم برای خاکریز پشت دیوار و هم برای خاک زیر پایه معلوم باشد . از پارامترهای مربوط به خاکریز پشت، طراح، فشار جانبی و از پارامترهای مربوط به خاک زیر پایه، طراح، ظرفیت باربری مجاز خاک را برای تحمل فشار زیر پایه به دست می آورد.
در طراحی دیوار حائل دو مرحله وجود دارد . اول با معلوم شدن فشار جانبی، پایداری کل سازه کنترل می شود. کنترل های پایداری شامل کنترل در مقابل واژگونی، لغزش، ظرفیت باربری خاک زیر شالوده، مسئله نشست و ک نترل پایداری کلی می باشد. بنابر این ابعاد اولیه برای دیوار حدس زده م یشود و با انجام کنتر ل های پایداری، این ابعاد باید آن قدر تغییر یابند تا شرایط مناسب حاصل گردد.
در مرحلة دوم طراحی سازه ای اجرای مختلف دیوار در مقابل نیروهای وارده انجام می شود . نتیجه ای ن مرحله تعیین ضخامت دقیق دیوار و مقادیر میلگردها و … می باشد.
حفاری زیر شالوده دیوار باید تا رسیدن به خاک محکم طبیعی و تا زیر خط یخبندان انجام گیرد . در اقلیم های معتدل برای جلوگیری از خطر تورم ناشی از یخبندان معمو ً لا این عمق در حدود یک متر در نظر گرفته می شود. جهت طرح دقیق مخلوط بتن دیوارهای حائل به منابع مقتضی مراجعه شود. در جائی که دیوار در معرض دید عمومی قرار م یگیرد بهتر است در قال ببندی آنها دقت کافی به عمل آید.
به علت بارندگی و جریان آب های سطحی، مصالح خاکریز پشت دیوار حائل ممکن است به حال اشباع درآیند. اشباع خاک باعث افزایش فشار و در نهایت ناپایداری دیوار می شود . به همین علت باید با استفاده از سوارخ های زهکشی در دیوار و یا لول ههای سوراخدار، شرایط مناسبی برای زهکشی پشت دیوار به وجود آورد  شکل (1-4 )

در صورت استفاده از سوراخ زهکش در دیوار، قطر آن نباید کمتر از 10 سانتیمتر شود و فواصل آنها نیز باید مناسب باشد . همیشه این امکان وجود دارد که ریزدانه های خاک شسته شده و به سمت سوراخ زهکش و یا لوله سوراخدار روان شده و باعث گرفته شدن آنها گردند . برای جلوگیری از این پدیده در پشت سوراخ های زهکش و در اطراف لول ههای سوراخدار باید مصالح فیلتر تعبیه گردد. 
2-2-4  کنترل های پایداری دیوارهای حایل 
برای کنترل پایداری دیوارهای حایل، انجام گا مهای زیر ضروری است.
  1. کنترل در مقابل واژگونی در حول پنجه
  2. کنترل در مقابل لغزش در امتداد و پایه 
  3. کنترل برای باربری پایه
  4. کنترل برای نشست
  5. کنترل برای پایداری کلی
1-2-2-4 کنترل برای واژگونی 
درشکل (4-2)  نیروهای وارد بر یک دیوار حایل طر های و دیوار حایل وزنی با فرض فشار محرک رانکین موثر بر سطح قائم مار بر انتهای پاشنة دیوار نشان داده شده است.

3-2-24 کنترل برای نشست
هنگامی که پی دیوار حایل روی خاک دانه ای قرار گیرد، بیشترین نشست تا اتمام ساخت دیوار و پر کردن خاکریز پشت دیوار صورت می گیرد. وقتی که خاک چسبنده در زیر پی باشد، نشست تحکیم تا مدتی بعد از اتمام ساخت دیوار ادامه خواهد یافت . چنانچه برآیند عکس العمل زیر پی، نزدیک به وسط پی باشد، شاهد نشست یکنواخت و کاهش در چرخش (tilting) دیوار خواهیم بود . شدت فشار خاک در پنجه، به هنگامی که خارج ازمرکزی نیروی برآیند در فاصله B/6  (  ب عرض دیوار می باشد)پی دیوار روی سنگ قرا گیرد توجه به دو نکته ضروری است . نخست می بایست چرخش کافی پی و دیوار را داشته باشیم تا فشار حالت محرک پدید آید . این موضوع با قرار دادن یک لایه خاک به ضخامت 150-300 میلیمتر در زیر پی انجام می گیرد. و یا دیو ار باید با انعطاف پذیری کافی ساخته شود تا بتواند با فشار خاک تغییر شکل مناسب دهد . دومین نکته اجتناب از ایجاد فشار بالا در پنجه می باشد که ممکن است به شکستن قسمت پنجه منجر شود . این مسئله با متناسب نمودن پی به منظور قرارگیری نیروی برآیند در نزدیکی مرکز پی انجام می گردد.
نشستهای متفاوت در امتداد طول دیوار در صورت وجود ظرفیت های باربری متفاوت به وقوع خواهد پیوست و ممکن است ترک های عمودی در دیوار ظاهر شود . در این صورت استفاده از خاک مناسب، تراکم خاک، تثبیت خاک و افزایش عرض پی راه حل های مناسبی برای حل این مسئله هستند. موقعی که نشس ت های محاسبه شده (نشست الاستیک و نشست تحکیم) بزرگ باشند، استفاده از شمع ضروری است.

4-2-2-4 کنترل برای گسیختگی برش سطحی
در حالت کلی ضریب اطمینان در مقابل لغزش افقی کمتر از ضریب اطمینان در مقابل گسیختگی برشی 1 باشد گسیختگی برشی سطحی در زیر / سطحی است . بنابر این اگر ضر یب اطمینان در مقابل لغزش بزرگتر از 5 پایه به وجود نخواهد آمد. 
1-4-2-2-4 کنترل برای گسیختگی برشی عمیق
چنانچه در عمقی در حدود 5/1 برابر ارتفاع دیوار حائل، یک لایة ضعیف خاک وجود داشته باشد،گسیختگی برشی عمیق می تواند در امتداد سطح لغزش استوان های ABC آید .شکل(4-5)

در چنین حالاتی برای پیدا کردن سطح لغزش بحرانی - آزمون و بررسی های متعددی با انتخاب مراکز گوناگون نظیرo شکل ( 4-9)انجام شود . سطح گسیختگی که به ازای آن حداقل ضریب ایمنی به وجود می آید،سطح لغزش بحرانی نامیده می شود.
3-2-4  دیوارهای حایل با مصالح بنایی
این نوع دیوار وزنی بوده و عمدتًا از سنگ ساخته می شود شکل (4-6)