مقدمه

ژئوممبران‌ها به‌عنوان لایه‌های پلیمری با نفوذناپذیری بسیار بالا، یکی از اصلی‌ترین اجزای سامانه‌های آب‌بندی در پروژه‌های ژئوتکنیکی و محیط‌زیستی محسوب می‌شوند. این لایه‌ها که عمدتاً از پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، پلی‌اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE) و PVC تولید می‌شوند، به دلیل دوام طولانی‌مدت، مقاومت شیمیایی مطلوب و عملکرد مؤثر در جلوگیری از نشت، به‌طور گسترده در مخازن ذخیره، لاگون‌ها، استخرهای تبخیری، کانال‌ها و محل‌های دفن پسماند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با وجود کارایی بالا، ژئوممبران‌ها ممکن است در شرایط میدانی با مشکلاتی مواجه شوند که یکی از مهم‌ترین آن‌ها تشکیل حباب‌ها یا برآمدگی‌های گازی است؛ پدیده‌ای که در ادبیات فنی با نام‌هایWhales،  Hippos یا Gas Bubbles شناخته می‌شود. این حباب‌ها معمولاً ناشی از تجمع گازهای ناشی از خاک پایه یا نفوذ مایعات از لایه‌های زیرین هستند این حباب‌های عظیم گازی یا مایع، که از زیر پوشش صعود می‌کنند، نه تنها ظاهر پروژه را نازیبا می‌کنند، بلکه می‌توانند باعث نازک‌شدن، پارگی و حتی نشت‌های زیست‌محیطی فاجعه‌بار شوند

ایجاد یک سیستم زهکشی مؤثر و طراحی صحیح مقطع عرضی پروژه، نقش کلیدی در پیشگیری از این حوادث دارد. زهکشی مناسب می‌تواند گازها و مایعات تجمع یافته را کنترل کند، فشارهای اضافی را تخلیه نماید و عمر مفید و عملکرد ایمن ژئوممبران را تضمین کند. در این مقاله، به بررسی عوامل ایجاد حباب‌های زیر ژئوممبران، روش‌های طراحی زهکشی و راهکارهای اجرایی برای پروژه‌های ایمن پرداخته می‌شود تا مهندسین و طراحان با استفاده از آن بتوانند خطرات احتمالی را به حداقل برسانند.

تعریف حباب‌های ژئوممبران (Geomembrane Bubbles، Whales، Hippos)

حباب‌های ژئوممبران به برآمدگی‌ها، تورم‌ها یا تغییرشکل‌های موضعی و غیرموضعی گفته می‌شود که در اثر تجمع گاز، بخار یا هوای محبوس در زیر غشاء ژئوممبران ایجاد می‌گردند. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که فشار سیال یا گاز زیر ژئوممبران از مقاومت و سختی غشاء در برابر تغییرشکل خارج از صفحه (Out-of-Plane Deformation) بیشتر شود و غشاء را به سمت بالا منحرف کند(Koerner & Koerner, 2015). بسته به نوع محیط (خشکی یا محل‌های دارای آب)، شکل، ابعاد و شدت تورم، این برآمدگی‌ها با نام‌های مختلفی شناخته می‌شوند:

• Bubble یا حباب: معمولاً برای برآمدگی‌های کوچک تا متوسط در محیط‌های خشک مانند پوشش نهایی لندفیل‌ها به کار می‌رود.
• Whale یا نهنگ: به برآمدگی‌های طولی و بزرگ در محیط‌های آبدار، استخرها و حوضچه‌ها گفته می‌شود.
• Hippo یا اسب‌آبی: به برآمدگی‌های حجیم و کروی‌تر در محیط‌های آبی گفته می‌شود که ابعاد بزرگ‌تری دارند.

این پدیده نه‌تنها ظاهر سطح پوشش را مخدوش می‌کند، بلکه می‌تواند کارایی عملکردی ژئوممبران را به خطر بیندازد.

از نظر سازوکار مهندسی، تشکیل حباب ناشی از افزایش فشار زیر غشاء و عدم وجود مسیر مناسب برای خروج گاز است. ژئوممبران‌ها به دلیل نفوذناپذیری بالا، اجازه عبور گاز یا مایع را نمی‌دهند و بنابراین در صورت تجمع گاز در زیر آن‌ها، غشاء مانند یک پوسته انعطاف‌پذیر رفتار کرده و تحت فشار داخلی به سمت بالا تغییر شکل می‌دهد(Koerner & Koerner, 2014, 2015; Thiel, 2016).

شکل ۱ نمونه از حباب های تشکیل شده در زیر ژئوممبران(Koerner & Koerner, 2014; Thiel, 2016)

 

ویژگی‌های کلیدی این حباب‌ها عبارت‌اند از:

1. تغییرشکل موضعی شدید: غشاء در محدوده حباب بیشترین تغییرمکان را داشته و تنش‌های کششی غیرمتعارفی را تجربه می‌کند.
2. کاهش ضخامت موضعی: در برخی موارد، ژئوممبران در ناحیه قله حباب تا حد نزدیک‌شدن به کرنش تسلیم نازک می‌شود.
3. رفتار نامتقارن تحت فشار: بسته به میزان فشار، حباب می‌تواند شکل کروی، بیضوی یا خطی به خود بگیرد.
4. تغییرات پویا: حباب‌ها ممکن است در طول روز با تغییرات دما و تابش آفتاب بزرگ و کوچک شوند.
5. پتانسیل گسیختگی: در صورت افزایش فشار گاز یا ضعف در غشاء، حباب می‌تواند منجر به پارگی غشاء، شکاف‌ یا حتی انفجار شود.

دلایل ایجاد حباب‌ها (Whales/Hippos)

بر اساس مطالعات موردی ، به نظر می‌رسد که دلایل زیر برای ایجاد این نوع حباب‌ها به شرح زیر باشد:

1. تجزیه مواد آلی موجود در زیرلایه زیر ژئوممبران می‌تواند یکی از دلایل اصلی باشد. این فرآیند معمولاً با افزایش دمای زیرلایه که به‌دلیل وجود استخر ذخیره سطحی ایجاد می‌شود، تشدید می‌گردد. مقدار مواد آلی موجود در خاک و  افزایش دمایی که در این ناحیه رخ می‌دهد، کاملاً وابسته به شرایط محل بوده و باید در فرآیند بررسی و شناسایی زیرلایه در نظر گرفته شود.

1. بالا آمدن هیدروکربن‌ها در سایت‌های آلوده نیز یک عامل وابسته به شرایط محلی است و معمولاً با افزایش دمای زیرلایه تشدید می‌شود.
2. بالا آمدن سطح ایستابی آب (Groundwater Table) به‌ویژه در مناطق ساحلی موجب ایجاد حباب شده است.
3. در حوضچه‌های سطحی واقع‌شده بر روی خاک‌های ریزدانه متراکم‌پذیر (سیلت و رس)، رفتار فشاری این خاک‌ها در طول زمان باعث خروج هوا از خلل‌وفرج و سپس خروج احتمالی آب تحت فشار حفره‌ای اضافی می‌شود.
4. نشتی ژئوممبران که طی آن مایع موجود در مخزن از طریق نقص‌ها یا سوراخ‌ها به زیر ژئوممبران نفوذ می‌کند، یک دلیل پذیرفته‌شده برای ایجاد حباب است. این فرآیند باعث می‌شود فشار هیدرواستاتیکی بالا و پایین ژئوممبران به‌تدریج برابر شود و ژئوممبران به سمت بالا حرکت کند تا جایی که به سطح مایع برسد. فراتر رفتن از این ارتفاع نیازمند وجود فشار گاز است که ممکن است همراه این فرآیند باشد.
5. همچنین تغییرات فشار جوی نیز به عنوان یک علت احتمالی مطرح شده است، اما تاکنون هیچ مورد مستندی از وقوع آن گزارش نشده است.

جدول ۱ این شش وضعیت را خلاصه می‌کند و مشخص می‌کند که عامل آزادشونده گاز است یا مایع، زیرا طراحی سیستم زیرزیرین (underdrain/venting) باید روی دو نوع کاملاً متفاوت از روش‌های تخلیه متمرکز باشد.

 

 

 

جدول ۱ علل و ملاحظات رفع گازها و مایعات محبوس‌شده زیر ژئوممبران (Whales/Hippos)(Koerner & Koerner, 2015)

ردیف	علت	عامل آزادشونده	جهت حرکت	روش تخلیه پیشنهادی
۱	تجزیه مواد آلی در زیرلایه	گاز (متان، CO₂ و …)	به سمت بالا	دریچه‌های تخلیه در بالای شیب
۲	تبخیر و صعود VOCهای آلاینده	گاز (بخار هیدروکربن)	به سمت بالا	دریچه‌های تخلیه در بالای شیب
۳	بالا آمدن سفره آب زیرزمینی	گاز	به سمت بالا	دریچه‌های تخلیه در بالای شیب
		مایع (آب)	به سمت پایین	لوله‌های خروجی یا سامپ
۴	تحکیم خاک‌های فشردنی (سیلت و رس)	گاز (هوای محبوس)	به سمت بالا	دریچه‌های تخلیه در بالای شیب
		مایع (آب منفذی)پ	به سمت پایین	لوله‌های خروجی یا سامپ
۵	نشت از خود ژئوممبران (نشت مایع حوضچه به زیر لاینر)	مایع (محتویات حوضچه)	به سمت پایین	لوله‌های خروجی یا سامپ
۶	تغییرات فشار بارومتریک	گاز	به سمت بالا	دریچه‌های تخلیه در بالای شیب

مقاطع عرضی مرسوم برای جلوگیری از تشکیل حباب‌های زیر ژئوممبران

برای پیشگیری از تشکیل Whales/Hippos ، وجود یک لایه زهکشی فعال (Underdrain) زیر پایین‌ترین ژئوممبران در تمام حوضچه‌های سطحی الزامی است.

بر اساس توصیه‌های مؤسسه ژئوسنتتیک (GSI) و تجربیات جهانی، مقاطع عرضی زیر پیشنهاد می‌شوند (از پایین به بالا):

 

جدول ۲ مقاطع عرضی پیشنهادی و غیرقابل قبول برای حوضچه‌های سطحی آب بندی شده با ژئوممبران(Koerner & Koerner, 2015)

	ردیف	مقطع عرضی (از پایین به بالا)	توضیحات
	(a)	خاک زیرین / ژئوممبران (GM)	پیشنهاد نمی‌شود (بدون زهکشی زیرین)
	(b)	خاک زیرین / ژئوممبران (GM) / خاک پوششی	پیشنهاد نمی‌شود (بدون زهکشی زیرین)
	(c)	خاک زیرین / ژئوتکستایل (GT) / ژئوممبران (GM)	قابل قبول – مناسب برای گاز کم
	(d)	خاک زیرین / ژئوتکستایل (GT) / ژئوممبران (GM) / ژئوتکستایل (GT) / خاک پوششی	قابل قبول – مناسب برای گاز کم + حفاظت بالا
	(e)	خاک زیرین / ژئوتکستایل (GT) / ژئوممبران (GM) / ژئونت (GN) / ژئوممبران (GM)	بسیار خوب – دوجداره، مناسب برای نشت زیاد
	(f)	خاک زیرین / ژئوتکستایل (GT) / ژئوممبران (GM) / ژئونت (GN) / ژئوممبران (GM) / خاک پوششی	عالی – دوجداره با پوشش خاکی
	توضیحات: مقاطع (a) و (b) در هیچ شرایطی نباید استفاده شوند، زیرا فاقد هرگونه سیستم زهکشی زیر ژئوممبران اصلی هستند و تجربه جهانی نشان می‌دهد در بیش از ۹۵٪ موارد منجر به تشکیل Whales/Hippos می‌شوند. مقاطع (c) و (d) تنها در مواردی که تولید گاز زیرسطحی بسیار ناچیز و نشت ژئوممبران نزدیک به صفر باشد، قابل قبول هستند. مقاطع (e) و (f) به‌عنوان بهترین روش اجرایی  برای پروژه‌های صنعتی، پسماند و حساس زیست‌محیطی توصیه می‌شوند.

 

 

شکل ۲ مقاطع عرضی پیشنهادی و غیرقابل قبول برای حوضچه‌های سطحی آب بندی شده با ژئوممبران(Koerner & Koerner, 2015)

طراحی زهکش زیرین برای بلندشدن گاز

در هر نوع مقطع لاینر حوضچه سطحی، وجود یک سیستم زهکشی فعال زیر پایین‌ترین لایه ژئوممبران الزامی است. هنگامی که عامل اصلی بلندشدگی، گاز (متان، دی‌اکسید کربن، بخارهای آلی فرار یا هوای محبوس) باشد، معمولاً یک لایه ژئوتکستایل نبافته سوزن‌زده سنگین به‌تنهایی کافی است، به شرطی که شیب کف زیرلایه به‌صورت معکوس (upward-oriented gradient) طراحی شود؛ یعنی پایین‌ترین نقطه در مرکز کف حوضچه و بالاترین نقاط در لبه‌ها و بالای شیب‌های جانبی قرار گیرد.

این شیب معکوس باعث می‌شود گازهای تولیدشده به‌طور طبیعی به سمت بالا حرکت کنند و از طریق دریچه‌های تخلیه گازی (Gas Vents) که در فواصل منظم در بالای شیب‌ها و دور تا دور محیط حوضچه تعبیه می‌شوند، به اتمسفر خارج شوند. وجود هرگونه نقطه مرتفع یا فرورفتگی موضعی در مسیر این شیب یکنواخت ممنوع است، زیرا گاز در چنین نقاطی محبوس شده و نهنگ‌های موضعی و خطرناک ایجاد می‌کند.

رعایت دقیق شیب معکوس در کف حوضچه، مهم‌ترین تفاوت طراحی زهکشی برای گاز و عدم توجه به آن، رایج‌ترین دلیل بروز نهنگ‌های بزرگ و گسترده در حوضچه‌های صنعتی به‌شمار می‌رود(Koerner & Koerner, 2015).

طراحی زهکش زیرین برای بلندشدگی ناشی از نشت مایع

برخلاف حالت گاز که نیاز به شیب معکوس (به سمت بالا) دارد، در حالتی که علت اصلی حباب‌ها (Whales/Hippos) نشت مایع از سوراخ‌ها یا نقص‌های ژئوممبران باشد، جهت شیب کف حوضچه باید کاملاً برعکس باشد:

شیب به سمت پایین (downward gradient) از مرکز به سمت لبه‌ها و پایین شیب‌های جانبی، به‌گونه‌ای که مایع نشتی به سمت لوله‌های جمع‌آوری در پایین شیب هدایت شده و سپس به سامپ یا چاه تخلیه منتقل شود.

در این حالت، استفاده از ژئوتکستایل سنگین به‌تنهایی کافی نیست و باید از مواد با ظرفیت زهکشی بالا مانند ژئونت (Geonet) یا ژئوکامپوزیت زهکشی (Geocomposite) استفاده شود(Koerner & Koerner, 2015).

روش کلی طراحی زهکش زیرین و محاسبه ضریب اطمینان

طراحی هر نوع سیستم زهکشی زیر ژئوممبران (چه برای تخلیه گاز و چه برای جمع‌آوری مایع نشتی) بر پایه مقایسه دو مقدار اصلی انجام می‌شود:

• q_allow (جریان مجاز یا ظرفیت عبوردهی مجاز): مقدار جریانی که لایه زهکشی (ژئوتکستایل، ژئونت یا ژئوکامپوزیت) در شرایط واقعی پروژه (فشار عمودی، شیب، دما و زمان بارگذاری) می‌تواند بدون کاهش بیش از حد عملکرد، از خود عبور دهد. این مقدار از آزمایش‌های استاندارد به‌دست می‌آید:
  • برای مایعات → آزمایش ASTM D4716 (یا داده‌های کاهش‌یافته دیتاشیت سازنده با اعمال ضرایب کاهش)
  • برای گاز → آزمایش عبوردهی هوا (Air Transmissivity) یا داده‌های آزمایشگاهی خاص
•  q_reqd (جریان مورد نیاز یا جریان واقعی): مقدار واقعی گاز یا مایع که در پروژه تولید یا نشت می‌کند و باید توسط لایه زهکشی تخلیه شود. این مقدار از مطالعات زمین‌شناسی، آزمایش‌های تولید گاز، تخمین نشت ژئوممبران و هندسه حوضچه محاسبه می‌شود.

در مرحله نهایی، این دو مقدار با یکدیگر مقایسه می‌شوند و ضریب اطمینان (FS) به صورت زیر به‌دست می‌آید:

FS = q_allow / q_reqd

هرگاه FS به‌دست‌آمده بزرگ‌تر از مقدار هدف طراحی باشد، لایه زهکشی انتخاب‌شده ایمن و مناسب است؛ در غیر این صورت باید ظرفیت لایه زهکشی افزایش یابد یا هندسه و شیب کف اصلاح شود.

 

 

 

نتیجه‌گیری

تشکیل حباب‌های گازی و مایع زیر پوشش‌های ژئوممبران که در ادبیات فنی با نام‌های Whales و Hippos شناخته می‌شوند، یکی از جدی‌ترین تهدیدها علیه یکپارچگی و عملکرد بلندمدت سامانه‌های آب‌بندی در حوضچه‌های سطحی، لاگون‌ها، مخازن ذخیره و محل‌های دفن پسماند به شمار می‌رود. شواهد و تجربیات جهانی طی چهار دهه اخیر به روشنی نشان می‌دهند که در بیش از ۹۵ درصد پروژه‌هایی که فاقد سیستم زهکشی فعال زیر پایین‌ترین لایه ژئوممبران بوده‌اند، این پدیده به وقوع پیوسته و در بسیاری از موارد به پارگی غشاء، نشت گسترده آلاینده‌ها و خسارات سنگین اقتصادی و زیست‌محیطی منجر شده است.

بنابراین، طراحی و اجرای صحیح سیستم زهکشی زیرین نه یک گزینه جانبی، بلکه الزامی فنی، قانونی و اخلاقی است. حتی باکیفیت‌ترین ژئوممبران و دقیق‌ترین عملیات جوشکاری نیز نمی‌تواند در برابر فشارهای محبوس‌شده ناشی از گازهای زیست‌تخریب‌پذیر، بخارهای آلی فرار، هوای فشرده‌شده یا مایع نشتی مقاومت دائمی داشته باشد. تنها راه تضمین پایداری پروژه، پیش‌بینی مسیرهای کنترل‌شده و دائمی خروج گاز و جمع‌آوری مایع نشتی با رعایت شیب مناسب کف، انتخاب مصالح زهکشی با ظرفیت کافی و تأمین ضریب اطمینان بالا در محاسبات است.

 منابع

Koerner, R. M., & Koerner, G. R. (2014). In-Situ Repairs of Geomembrane Bubbles, Whales and Hippos (GSI White Paper #30, Issue.

Koerner, R. M., & Koerner, G. R. (2015). Underdrain Design for Geomembrane Lined Surface Impoundments to Avoid Whales/Hippos from Occurring (GSI White Paper #33, Issue.

Thiel, R. (2016). Recommendations for Design of Exposed Geomembrane-Lined Ponds to Control Uplifting Gas Pressures. Proceedings for Eurogeo6, 25-28.