ژئوممبران‌ها در سازه‌های هیدرولیکی

مروری بر کاربرد ژئوممبران‌ها در سازه‌های هیدرولیکی

اسماعیل تیموری، خسرو اسماعیلی

دانشجوی دکترای مهندسی عمران ، سازه های هیدرولیکی ، دانشگاه سمنان ، سمنان ، ایران

مهندسی عمران ، سازه های هیدرولیکی ، دانشگاه سمنان ، سمنان ، ایران

خلاصه

ژئوممبران ها عضوی از خانواده ی ژئوسنتتیک ها با نفوذ ناپذیری بالا هستند و از آنها در انواع کاربردهای هیدرولیکی مانند سد سازی، کانال ها، لوله ها، محل های دفن زباله، مخازن و غیره استفاده می شود. آنها به دلیل کاربردهای خاص و کارایی بالا، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. با این حال، هنگام استفاده در ساختارهای هیدرولیکی، موارد خاص پیشگیری و حفاظت باید در نظر گرفته شود. مطالعه حاضر به منظور بررسی کاربرد این ماده ژئوسنتتیک در سازه های هیدرولیکی و ذکر مختصری از موارد خاص کاربرد ژئوممبران ها در این سازه ها صورت پذیرفته است.

ژئوسنتتیک موادی است که با استفاده از انواع مختلف پلیمرها همراه با پیشرفت در صنعت پتروشیمی تولید می شود و با اشتیاق از آنها به عنوان مواد جدید در پروژه های آب و خاک استفاده می شود. به طور کلی، ژئوسنتتیک یک عنوان جامع برای توصیف صفحات نازک و انعطاف پذیر است که در توده خاک یا مواد خاکی برای اهداف مختلف مانند مسلح کردن، جداسازی، عایق رطوبتی، جلوگیری از فرسایش، فیلتر کردن، زهکشی و غیره تعبیه شده است. در بسیاری از موارد، ورق ها ترکیبی از نقش های ذکر شده را ارائه می دهند (رحیمی و همکاران ، ۲۰۰۴). ژئوسنتتیک ها از ژئوتکستایل و ژئوممبران تشکیل شده اند (نواک و همکاران ، ۲۰۰۷).

ژئوممبران ها عضوی از خانواده ژئوسنتتیک ها و با سطح قابل توجهی از نفوذ ناپذیری هستند. مهمترین ویژگی آنها این است که به عنوان ماده محافظ در برابر عبور مایعات در نظر گرفته می شوند. کاربرد گسترده آنها به ویژگی های شگفت انگیز آنها با توجه به وزن این محصولات متکی است. محصولات ژئوسنتتیک در پروژه های عمرانی کاربردهای مختلفی دارند. آنها به عنوان سپر محافظ در سطوح داخلی کانال ها، مخازن و لوله های آب استفاده می شوند؛ از نشت شیره زباله های دفن شده در خاک جلوگیری می کنند. از آنها برای کنترل فرسایش خاک نیز استفاده می شود (نیازخانی ، ۲۰۱۱).

ژیرود (۱۹۸۴) ژئوممبران ها را بر اساس فرآیند ساخت آنها به دو گروه اصلی طبقه بندی کرد. اولی مواردی است که در محل ساخت و ساز ساخته می شوند و دومی مواردی است که در کارخانه ساخته می شوند. وی همچنین هر گروه را به دو دسته دیگر طبقه بندی کرد: ژئوممبران هایی که با استفاده از الیاف تقویت می شوند و آنهایی که تقویت نمی شوند (به این نوع “همگن” نیز گفته می شود). تقویت کننده الیافی به منظور افزایش پایداری ترکیب در طی فرایند تولید، افزودن پایداری ابعادی به ترکیبات برای داشتن سطح انعطاف پذیری بالاتر در دماهای مختلف، جلوگیری از هر گونه آسیب در هنگام ازدیاد طول ژئوممبران در مواجهه با تنش ها مورد استفاده قرار می گیرد.(ژیرود، ۱۹۸۴). شکل ۱ این طبقه بندی را نشان می دهد.

کل ۱: تولید ژئوممبران ها (ژیرود، ۱۹۸۴)

آنچه در ادامه می آید، بررسی کاربرد ژئوممبران ها در سازه های هیدرولیکی بعلاوه بخشی اختصاص یافته به ملاحظات عملکرد و نتیجه گیری است.

۲- ژئوممبران ها در مهندسی سد

شروع کاربرد ژئوممبران ها به عنوان سیستم پوشش دهی در سدها را می توان در دو پروژه عمرانی دنبال کرد (بوازا و همکاران ، ۲۰۰۲). اولین پروژه برای سد Contrada Sabetta ایتالیا (سازوفی، ۱۹۸۷) و پروژه دیگر در Terzaghi Dam، کانادا (TerzaghiandLacroix، ۱۹۶۴) در اواخر دهه ۱۹۵۰ بود.

ژئوممبران ها از اهمیت زیادی در مهندسی سد برخوردار هستند زیرا در افزایش دوام سدها نقش مهمی ایفا می کنند. از آنها می توان در پروژه های عمرانی و بازسازی استفاده کرد. کاربرد ژئوممبران ها در سد از سال ۱۹۷۰ آغاز شد. ژئوسنتتیک کاربردهای مختلفی در مهندسی سد دارد. آنها به عنوان غشای نفوذ ناپذیر با ضخامت ۳-۴ میلی متر شناخته می شوند، به عنوان فیلترهای زهکشی برای کنترل نشت استفاده می شوند. آنها برای تقویت زمین در نظر گرفته شده اند، به عنوان مثال برای افزایش پایداری دامنه ها استفاده می شوند، برای کنترل فرسایش سطحی بسیار مفید هستند. سرانجام، برای جداسازی لایه های بین سدها استفاده می شوند (نواک و همکاران ، ۲۰۰۷).

وایتفیلد (۱۹۹۶) استفاده از ژئوممبران را به منظور بهبود ناتراوایی نسبت به آب یک سد بتونی فشرده شده با غلتک گزارش کرد. با این حال، وی اشاره کرد که چالشهایی در راه استفاده از این ماده ژئوسنتتیک در سد وجود دارد. بنابراین، او توصیه هایی را برای استفاده بهتر از این ماده ارائه داد:

• استخدام نیروهای متخصص ژئوسنتتیک به منظور کمک به توسعه مشخصات در پروژه، روش ساخت و توسعه یک برنامه خاص وابسته به مواد
• نظارت کامل بر تمام جزئیات ساخت و ساز از جمله تحویل و رسیدگی به مواد
• دستورالعمل و صلاحیت نصاب های ژئوممبران
• آموزش به سازندگان و پیمانکاران در مورد نحوه حفاظت از ژئوممبران
• مشورت با یک مشاور ژئوممبران ماهر قبل از ساخت و نصب (وایتفیلد، ۱۹۹۶)

شکل ۲: سیستم پوشش کامپوزیت با استفاده از ژئوممبران برای محل دفن زباله (بوازا و همکاران ، ۲۰۰۲).”

با این وجود ، بوآزا و همکاران (۲۰۰۲) پیشنهاد کرد که برای دستیابی به بهترین نتیجه در محل های دفن زباله ، یک سیستم ترکیبی با استفاده از ژئوممبران مناسب ترین انتخاب باشد (شکل ۲). این سیستم از نفوذ آب به زباله های زیرین جلوگیری می کند و اجازه می دهد تا از انتقال آلاینده ها و ناخالصی های محل دفن زباله به آب های زیرزمینی جلوگیری شود.

کانال های آبیاری قطعاً آب را به مزارع محلی می رسانند. آنها به برخی شرایط نامطلوب مانند شرایط نامساعد خاک، کمبود مواد مورد نیاز و محدودیت منابع لازم حساس هستند. همچنین، آنها باید دارای پوشش کارآمد باشند، باید بتوانند برای مدت زمان طولانی عملکرد داشته باشند و همچنین از نظر هزینه ها نیز قابل قبول باشند. هنگامی که خاک یک منطقه ضعیف است، ممکن است بستر کانال به دلیل نشت آب و فاضلاب در معرض خطر باشد. با توجه به هزینه های بالای روش های متداول آستر مانند رس فشرده، پوشش بتن یا ترکیبی از آنها، به منظور تهیه یک پوشش کارآمد و مقرون به صرفه برای کانال ها، استفاده از ژئوممبران ها توصیه می شود (فیروزی و نجدی ، ۲۰۱۱).

سیوهارد و هاینز (۲۰۰۰) گزارش کردند که با استفاده از پوشش ژئوممبران می توان میزان افت نشت را در کانال ها به ۹۰-۹۵٪ کاهش داد. همچنین، زورنبرگ و وبر (۲۰۰۳) ادعا کردند که در یک دوره طولانی مدت، می توان هزینه های ساخت کانال ها را با استفاده از ژئوممبران ها بازیابی کرد تا از هدر رفتن آب و تراوش جلوگیری کند.

نقش ژئوممبران ها در تأمین پوشش کانال ها بسیار ضروری است زیرا ممکن است پوشش های بتونی معمولی برای کانال ها در شرایط مختلف آب و هوایی، خاک ، و آب ناکارآمد باشند. همچنین، برخی از انواع خاکها در معرض درگیری با آب هستند مانند خاکهای انبساطی، خاکهای پراکنده، خاکهای جمع شونده و خاکهای مایع پذیر. بنابراین، ژئوممبران ها برای جلوگیری از هرگونه نشت در خاک بسیار مهم هستند، به خصوص به این دلیل که برخی از خاک ها حاوی مقادیر زیادی از مواد محلول در آب مانند نمک و گچ هستند (توتونچی و بلیغ جهرمی، ۲۰۰۹).

اگرچه نشان داده شده است که ژئوممبران ها یک گزینه مناسب برای سیستم های متداول پوشش مانند پوشش بتن هستند، اما به نظر می رسد یک شکاف تحقیقاتی برای تجزیه و تحلیل آسیب های احتمالی و ملاحظات نگهداری و اصلاح وجود دارد. در کانالهای برق آبی باید توجه ویژه ای شود که حتی یک پارگی کوچک در امتداد پوشش ژئوممبران نمی تواند نادیده گرفته شود زیرا باعث ضد آب شدن سیستم مورد بحث می شود و علاوه بر این ممکن است باعث ایجاد خرابی در توربین ها شود (شفر، ۲۰۰۶).

۵- ملاحظات عملکرد و نتیجه گیری

اگر قرار است از ژئوممبران ها در دامنه ها یا سطح عمود که خطر لغزش وجود دارد استفاده شود، ژئوممبران ها باید گره های مخصوص میخ مانند داشته باشند تا از بین پوشش عبور کرده و از لغزش ژئوممبران ها جلوگیری کنند. همچنین باید توجه ویژه ای به منظور جلوگیری از پارگی و سایش در سطح ژئوممبران ها صورت شود، زیرا این پارگی ها و سایش ها مقاومت پوشش را عمیقا کاهش می دهد. ژئوممبران به صورت رول و ورق به صورت تجاری موجود است. گاهی اوقات از دو یا چند لایه از ژئوممبران ها روی یک سطح استفاده می کنند. فرآیند چسبندگی با استفاده از چسب های مخصوص انجام می شود. با این حال، گاهی اوقات، یک ماده محلول برای چسباندن دو لایه ژئوممبران استفاده می شود که منجر به محلول لایه ها می شود (سادریان زاده ، ۲۰۰۴).

به طور کلی، ژئوممبران یکی از مهمترین مواد مصنوعی است که می تواند در مصارف مختلف از سد سازی تا کانالها و محل های دفن زباله مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، در ساخت و نصب ژئوممبران ها باید ملاحظات احتیاطی در نظر گرفته شود. همچنین، تلاش های محافظه کارانه باید به منظور تهیه یک چارچوب محافظتی مناسب جهت استفاده طولانی مدت از ژئوممبران ها در سازه های هیدرولیکی، استاندارد شود.

۳- ژئوممبران در مخازن

هی و دیگر همکاران (۲۰۰۹) گزارش کردند که استفاده از ورق ژئوممبران برای کنترل نشت در مخزن آب نیروگاه ذخیره سازی پمپ شده تایان موفقیت آمیز بود. آنها ادعا کردند که این مخزن به مدت چهار سال کاملاً بدون مشکل اساسی کار کرده است و میزان نشت بسیار کم و قابل اغماض بوده است. آنها همچنین اشاره کردند که استفاده از ژئوممبران در این پروژه می تواند تا میزان قابل توجهی در هزینه ها صرفه جویی کند و دوره ساخت را ۴-۶ ماه کاهش دهد.

بلانکو و همکاران (۲۰۱۲) اثربخشی سه نوع مختلف ژئوممبران، یعنی پلی وینیل کلراید پلاستیکی (PVC-P)، پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و مونومر اتیلن-پروپیلن-دینیک (EPDM)، به عنوان سیستم های پوشش در یک مخزن در اسپانیا را ارزیابی کردند. آنها این ارزیابی را از نظر ضخامت، خواص کششی، مقاومت سوراخ شدگی دینامیک و استاتیک، قابلیت تاه شدن در دمای پایین، سختی شور و مقاومت مفصل (تست برش و لایه برداری) انجام دادند. نتایج به دست امده حاکی از دوام طولانی مدت ژئوممبران ها، مستقل از ماهیت ماکرومولکولی آنها می باشد. آنها دریافتند که صرف نظر از ماهیت ماکرومولکولی آنها، هر سه نوع ژئوممبران توانایی بالایی در پوشش مخزن دارند.

برول و همکاران (۲۰۰۸) به منظور تهیه یک پوشش مقاوم در برابر نشت در مخزن آب، ژئوممبران قیری را به کار گرفتند. آنها این نوع ژئوممبران را انتخاب کرده اند زیرا همانطور که ادعا کردند، می توان آن را به راحتی روی هر کف معدنی قرار داد و نیازی به استفاده از یک لایه ماسه اضافی نیست، از آنجا که ضریب انبساط حرارتی آن مناسب است، و با توجه به قابلیت نصب آن در دمای بسیار پایین ، به عنوان مثال C30°- ، می تواند به راحتی در معرض لایه آب بندی مواد معدنی قرار گیرد، بنابراین، نصب آن تحت تأثیر شرایط آب و هوایی نیست.

همچنین استفاده از ژئوممبران در مخازن کوهستانی بسیار مهم است. مخازن کوهستانی به عنوان ذخیره آب در پیست های اسکی مورد استفاده قرار می گیرند و بیشتر آنها برای ساخت برف مصنوعی در نظر گرفته شده اند. این مخازن می توانند در برابر عوامل خطر مختلف حساس باشند زیرا به طور معمول در ارتفاعات ساخته می شوند. بنابراین، بسیار مهم است که از ژئوممبران ها با استفاده از یک لایه پوششی محافظت شود و لایه های پشتیبانی و همچنین زه کشی زیر ژئوممبران ها در مخازن کوهستانی را با دقت در نظر گرفته شود. (پولین و همکاران، ۲۰۱۱).

۴- ژئوممبران برای محل دفن زباله، لوله ها و کانال ها

ژئوممبران ها به عنوان یک سیستم خطی به طور گسترده ای برای جلوگیری از آلودگی سطح زیرین در تاسیسات مهار زباله استفاده می شود. آنها این کار را با کاهش مهاجرت مواد تشکیل دهنده زباله به محیط زیرین سطح انجام می دهند. چنین لایه محافظتی باید دارای مشخصات زیر باشد: مقاومت در برابر تنش های ناشی از ساخت و جایگزینی زباله، مقاومت در برابر آسیب هایی مانند سوراخ شدگی و پارگی، انعطاف پذیری برای جابجایی های آینده با پتانسیل کاهش هزینه ؛ قابلیت بالای زهکشی و تحمل در برابر عملیات مختلف دفن زباله (ردی و همکاران ، ۱۹۹۶).

در محل های دفن زباله، در نتیجه انباشت مواد زائد و زباله ها، شیرابه ها در زیر محل دفن زباله جمع می شود. این شیرابه به تدریج به داخل خاک اطراف رسوب می کند و باعث اثرات سو محیطی می شود. به منظور جلوگیری از این نفوذ، کف و دیواره های محل های دفن زباله با ژئوممبران ها پوشانده شده است. ژئوممبران ها همچنین برای پوشش سطح محل های دفن زباله استفاده می شوند زیرا آنها به طور موثری در برابر فراز و نشیب های ناشی از رسوب نامنظم زباله ها مقاومت می کنند (صدری زاده ، ۲۰۰۴).

از ژئوممبران ها می توان به روش های مختلفی برای ایجاد پوشش برای محل های دفن زباله استفاده کرد تا از نشت شیرابه به بافت خاک جلوگیری شود. یک روش برای استفاده از ژئوممبران ها ترکیب آنها در یک سیستم پوشش دوتایی است. در این سیستم یک لایه دارای دانه های ریز در بالا و دو آستر رسی وجود دارد. یک پوشش ژئوممبران بین لایه دانه ای و اولین آستر رسی وجود دارد و همچنین یک لایه زه کشی و یک لایه ژئوممبران  بین دو لایه رسی وجود دارد.

(شکل ۱ ، بواززا و همکاران ، ۲۰۰۲)

:منابع

Blanco, M., Castillo, F., Soriano, J., and Noval, A.M. (2012). Comparative study of three different kinds of

geomembranes (PVC-P, HDPE, EPDM) used in the waterproofing of reservoirs. 5th European Geosynthetics

Congress, Valencia, Spain.

Bouazza, A., Zornberg, J.G., Adam, D. (2002). Geosynthetics in waste containment facilities: recent advances.

Geosynthetics – 7 ICG – Delmas, Gourc& Girard (eds), Swets&Zeitlinger, Lisse, 445-507.

Breul, B., Huru, M., Palolahti, A. (2008). Use of Bituminous Geomembrane (BGM) Liner for Agnico Eagle Mine

InKittila (Finland). Proceedings of the 4th European Geosynthetics Conference, Paper number 245, Scotland.

Cazzuffi, D. (1987). The Use of Geomembranes in Italian Dams.International Journal of Water Power and Dam

Construction, 26(2): 44-52.

Firouzi, O., Najdi, M.H. (2011). Lining of Irrigation Canal Using Prefabricated Bituminous Geomembrane (PBGM)

(Case Study: Arayez Irrigation and Drainage Project – Khuzestan- Iran). ICID 21st International Congress on

Irrigation and Drainage, Tehran, Iran.

Giroud, J.P. (1984). Geotextiles and Geomembranes.Geotextiles and Geomembranes, 1, 5-40.

He, S.,Wu, Y.,Li, H. (2009). Application of geomembrane in seepage control technique in upper reservoir of Tai’an

pumped storage power station. Advances in Science and Technology of Water Resources, 29 (6), 78-82.

Niazkhani, E. (2011). The Role of Textile Industry in the Reduction of the Municipality’s Developmental Costs.

Iranian Journal of Urban Economy, 10 (special issue), 47-58.

Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C., Narayanan, R. (2007). Hydraulic Structures.Taylor& Francis, Fourth edition.

Poulain, D., Peyras, L., Meriaux, P. (2011). Feedback and guidelines for geomembrane lining systems of mountain

reservoirs in France. Geotextiles and Geomembranes, 29 (4), 415-424.

Rahimi, H., Ghobadinia, M., Ahmadi, H. (2004).Application of Geosynthetics as Drainage under Canal

Covering.Iranian Workshop on Drainage System under Canal Covering, Iranian National Committee on

Irrigation and Drainage, 113-134.

Reddy, K.R., Bandi, S.R., Rohr, J.J., Finy, M., and Siebken, J. (1996). Field Evaluation of Protective Covers for

Landfill Geomembrane Liners under Construction Loading. Geosynthetics International, 3 (6), 679-546.

Sadrianzadeh, M. (2004).An Introduction on Geosynthetics and their Application in Civil Engineering. The 11th

Conference of Civil Engineering Students in Iran, Hormozgan University, Hormozgan, Iran.

Schäfer, P. (2006). Basic Research on Rehabilitation of Aged Free Flow Canals with Geomembranes. Lehrstuhl und

Versuchsanstaltfür Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität München.

Swihart, J., and Haynes, J. (2002).Canal-Lining Demonstration Project Year 10 Final Report.Rep. No.R-02-03,

Bureau of Reclamation, US Department of the Interior, Denver, CO.

Terzaghi, K., and Lacroix, Y. (1964). Mission Dam: An Earth and Rockfill Dam on a Highly Compressible

Foundation. Geotechnique, 14(1): 13-50.

Totonchi, A., Baligh Jahromi, P. (2009). Determination of Ways to Mend Damaged Concrete and Increase Water

Resistance in Metal Structures and Water Canals in Maroun and Behbahan in Khuzestan Province. The

Bational Conference on Water Crisis Management, Islamic Azad University, Marvdasht Branch, Marvdasht,

Iran.

Whitfield, B.L. (1996). Geomembrane Application for an RCC Dam.Geotextiles and Geomembranes, 14, 253-264

Zornberg, J.G., and Weber, C.T. (2003). Geosynthetic Research Needs for Hydraulic Structures. Proceedings of the

GRI-17 Conference “Hot Topics in Geosynthetics”, GII Publications, Folsom, PA.