آزمایشهای فیلتراسیون در طراحی فیلتر برای سدهای خاکی و سنگریزه‌ای

فرسایش‌داخلی (Internal Erosion) و رگاب (Piping) مشکلات فراوانی را برای سازه‌های خاکی بخصوص سدهای خاکی و سنگریزه‌ای بوجود می‌آورند. فرسایش داخلی حمل تدریجی ذرات ریز خاک توسط جریان آب می­باشد که در حالت توسعه یافته موجب ایجاد یک آبراهه (Pipe) در سازه خاکی می­گردد. <?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

رگاب یکی از اصلی‌ترین علل خرابی سدها است و مطابق آمار موجود تا سال 1986، 48 درصد از تخریب سدهای خاکی و سنگریزه‌ای بزرگ بر اثر رگاب بوده است. از این میان رگاب مصالح بدنه سد، به ویژه مصالح هسته، بالاترین درصد (33%) را به خود اختصاص داده است.

فیلترها و زهکش­ها برای جلوگیری از رگاب در بالادست و پایین­دست هسته سدهای خاکی و سنگریزه‌ای بکار برده می­شوند. حجم فیلترها و زهکش‌ها در حدود 4 تا 7 درصد از کل حجم عملیات خاکریزی و هزینه آنها حدود 10 تا 20 درصد از کل هزینه خاکریزی در سدهای خاکی و سنگریزه ای را شامل می‌گردند. از این‌رو فیلتر از اجزای مهم، نه تنها به لحاظ ایمنی سد، بلکه از نقطه‌نظر اقتصادی نیز، می‌باشد. نظر به اینکه کشور ایران از لحاظ تعداد سدهای در دست اجرا، در دنیا مقام سوم را دارد و تعداد قابل توجهی از این سدها از نوع خاکی یا سنگریزه‌ای هستند، طرح و اجرای فیلتر بهینه باعث حصول اطمینان بیشتر و صرفه‌جویی اقتصادی قابل توجهی می‌گردد.

طراحی فیلتر در سدهای خاکی و سنگریزه‌ای مدرن، بر اساس معیارهای ارائه شده توسط Sherard و Dunnigan (1985) که بر اساس آزمایشهای فیلتر مانع فرسایش (No Erosion Filter test) یا  NEF  می‌باشند، صورت می­پذیرد. این معیارهای طرح فیلتر توسط مؤسساتی نظیر USBR (1987 و 1999)،ICOLD (1994) و USACE (1994) پذیرفته و قابل اطمینان شناخته شده‌اند، لیکن این موسسات توصیه می‌کنند که برای پروژه‌های مهم و سدهای بزرگ، آزمایش فیلتر برروی مصالح فیلتر و هسته برای تدقیق طراحی فیلتر صورت پذیرد.

توصیه مراجع مبنی بر استفاده از آزمایشهای فیلتر برای تدقیق طرح فیلتر، شامل کلیه آزمایشهای فیلتر نظیر آزمایشهای معمولی فیلتر یا Conventional Filter Tests نیز می­شود. آزمایشهای معمولی فیلتر بیشتر برای طرح فیلتر و بررسی فرسایش داخلی در مصالح غیرچسبنده، درشت­دانه، زهکش­ها و ... بکار برده می‌شود.

در طول حدود 20 سال پس از ارائه معیارهای Sherard و Dunnigan (1985) تحقیقات و موارد عملی طراحی فیلتر نشان داده که این معیارها برای تمامی انواع خاکها قابل کاربرد نبوده و موجب طرح فیلتر ایمن و بهینه نخواهند شد. موارد، شواهد و نمونه­های عملی توسط سروش و همکاران (2006) ارائه شده است. بر خلاف سایر آزمایشهای مطرح در مورد مصالح سدهای خاکی و سنگریزه‌ای، آزمایشهای فیلتر در مراجعی همچون ASTM و غیره ذکر نشده و روش استاندارد برای انجام این آزمایشها در دست نیست. این امر به دلیل پیچیدگی آزمایش و تنوع پارامترهای موثر در روند و نتایج آزمایش می‌باشد. قابلیت اطمینان نتایج آزمایش فیلتر بستگی به صحت روش انجام آزمایش و تفسیر نتایج دارد. به همین دلیل و نظر به اهمیت آزمایشهای فیلتر و بویژه آزمایش NEF ، حتی در سالهای اخیر که نزدیک به یک قرن از آغاز مطالعات فیلتر می‌گذرد، مطالعات آزمایشگاهی فیلتر توسط محققین مختلف صورت گرفته است.

علی­رغم فراوانی سدهای خاکی و سنگریزه‌ای در دست ساخت در کشور، طراحی فیلترها در اکثر موارد بر اساس معیارهایی از قبیل USBR (1987)، بدون توجه به شرایط خاص مصالح سدها  و نحوه اجرا و از همه مهمتر بدون توجه به توصیه مراجع مذکور مبنی بر لزوم انجام آزمایش فیلتراسیون برای پروژه‌های مهم صورت می‌گیرد. چنین امری علاوه بر اینکه ممکن است طراحی ایمن سد را مورد تردید قرار دهد، در اغلب موارد منجر به گران و زمان بر شدن پروسه تهیه فیلتر، می‌شود.

در طی چند سال اخیر تحقیقاتی تخصصی در زمینه فیلتراسیون، آزمایشهای فیلتر و فرسایش داخلی در دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه صنعتی امیرکبیر صورت پذیرفته است. این مرکز هم اکنون با دارا بودن دانش فنی موضوع فرسایش داخلی، دستگاههای فیلتراسیون با مقیاسهای مختلف و کلیه ابزار لازم جهت بررسی و ارزیابی فیلتراسیون و فرسایش داخلی، به تحقیقات آکادمیک در زمینه فرسایش و فیلتراسیون و همچنین طراحی فیلتر و زهکش برای پروژه­های سدسازی می­پردازد.