مقاله تحلیلی:‌ روش‌ های کنترل آب‌ های زیرزمینی در خاک برداری

آب‌های زیرزمینی مشکلات ژئوتکنیکی حادی مانند شن های روان در بیشتر پروژه‌های ساخت و ساز مانند تونل سازی ایجاد می کند. مشکلات ناشی از آب‌های زیرزمینی باعث افزایش زمان و هزینه ساخت و ساز می شوند.؛ مگر این که آب‌های زیرزمینی که عامل اصلی مشکلات هستند به نحو مناسب کنترل شوند.

 دو روش اصلی برای کنترل آب‌های زیرزمینی شامل روش پمپاژ و روش جلوگیری از انتقال آب به محل حفاری وجود دارد که در شکل 1 نشان داده شده است.

دلایل استفاده از روش‌های جلوگیری از انتقال آب به محل حفاری

در مواردی که سفره آب های زیر زمینی و  یا خاک هایی با نفوذپذیری بالا وجود دارد ، استفاده از روش‌های پمپاژ برای کنترل آب‌های زیرزمینی توصیه نمی‌شود.

دلیل این است که استفاده از پمپ‌هایی با ظرفیت بالا برای زمین‌هایی با نفوذپذیری بالا و ایجاد چاه‌های نقطه‌ای در سنگ بسیار هزینه‌بر است.

بنابراین در نظر گرفتن روش‌های جلوگیری از انتقال آب به محل حفاری در این شرایط و موارد مشابه، مقرون‌به‌صرفه تر خواهد بود.

روش‌های جلوگیری از انتقال آب به محل حفاری برای کنترل آب های زیرزمینی در محل حفاری‌

تعدادی از روش‌هایی که با استفاده از آن‌ها می‌توان از ورود آب‌های زیرزمینی جلوگیری کرد، عبارت‌اند از:

• تشکیل موانع غیرقابل نفوذ با استفاده از دوغاب سیمان و سوسپانسیون رس
• تحکیم شیمیایی برای کنترل آب‌های زیرزمینی در حفاری
• کنترل آب‌های زیرزمینی با هوای متراکم
• کنترل آب‌های زیرزمینی به روش منجمد کردن

تشکیل مانع غیرقابل نفوذ با دوغاب سیمان، سوسپانسیون رس یا قیر

این روش در نقاط دارای سنگ‌های آب‌دار یا زمین‌هایی با نفوذپذیری بالا که در آن استفاده از پمپ‌هایی با ظرفیت بالا یا کندن چاه نقطه‌ای بسیار هزینه‌بر است، استفاده می‌شود.

در این روش، نفوذپذیری با ایجاد یک مانع غیرقابل نفوذ به واسطه تزریق مواد سوسپانسیون یا سیال به داخل شکاف‌های سنگ یا فضاهای متخلخل کاهش داده می‌شود. کوچک بودن ترک‌های موجود در سنگ‌ها یا نحوه توزیع اندازه‌ی ذرات خاک، نوع مصالحی که برای دوغاب ریزی استفاده می‌شود را تعیین می‌کنند. یعنی اندازه‌ی ذرات مصالح دوغاب باید نسبت به فضاهای متخلخل بسیار کوچک‌تر باشد. شکل 3 محدوده‌ی اندازه‌ی ذرات مصالح که می‌توان در آن از دوغاب‌های مختلف استفاده کرد را نشان می‌دهد.

از نسبت تزریق پذیری که حاصل تقسیم اندازه‌ی D15 خاک بر اندازه‌ی D85 ذرات مصالح دوغاب ریزی است، برای تعیین تناسب دوغاب سوسپانسیون استفاده می‌شود. بنابراین دوغاب‌های سوسپانسیون گزینه مناسبی برای خاک مد نظر نخواهند بود؛ مگر این که نسبت تزریق پذیری از 5:15 برای دوغاب رس و 11:25 بر ای دوغاب سیمان بالاتر باشد.

علاوه بر آن توجه به مقدار مصالح مورد استفاده برای دوغاب ریزی بسیار مهم است، زیرا استفاده بیش از حد از مصالح، می‌تواند بسیار هزینه‌بر باشد. این مورد ممکن است در صورت در نظر گرفتن دوغاب‌های شیمیایی که هزینه آن‌ها نسبت به مقدار مشابه رس و سیمان بیش‌تر است، مطرح باشد. دوغاب سیال نسبت به دوغاب سوسپانسیون مؤثرتر است، زیرا تمامی منفذها و فضاهای موجود در خاک را پر می‌کند درحالی که دوغاب سوسپانسیون، حفرات بسیار ریز را پر نمی‌کند.

بعد از تعیین روش دوغاب ریزی، توجه به سازه‌ها و تجهیزاتی مانند سیستم‌های فاضلاب در اطراف منطقه‌ی دوغاب ریزی اهمیت زیادی دارد. زیرا دوغاب ریزی با فشار بسیار زیادی انجام می‌شود و می‌تواند آسیب قابل توجهی به این تجهیزات وارد کند.

تحکیم شیمیایی برای کنترل آب‌های زیرزمینی در حفاری

روش تحکیم شیمیایی برای شن‌های ماسه‌ دار یا شن‌های ریز بسیار مناسب است. متداول‌ترین ماده‌ی شیمیایی که برای تحکیم شیمیایی استفاده می‌شود، سدیم سیلیکات است. در صورتی که سدیم سیلیکات با سایر مواد شیمیایی ترکیب شود ژل سیلیکای غیر محلول و نسبتاً مقاومی تولید می شود.

دو روش برای انجام تحکیم شیمیایی وجود دارد که عبارت اند از:  فرآیند تزریق دوگانه و تزریق منفرد. مورد دوم که متعارف تر است تا حدود زیادی جایگزین مورد اول شده است.

در فرآیند تزریق دوگانه، دو لوله با فاصله 50 سانتی‌متر داخل زمین رانده می‌شوند سپس سدیم سیلیکا به یک لوله و کلسیم سیلیکات به لوله دیگر تزریق می‌شود و لوله‌ها به تدریج به سمت بالا کشیده می‌شوند.

روش دیگر این است که یک ماده‌ی شیمیایی هنگام راندن لوله در زمین و ماده شیمیایی دیگر هنگام خارج شدن لوله از زمین تزریق شود.

در فرآیند تزریق منفرد دوغاب‌های شیمیایی قبل از فرآیند تزریق ساخته می‌شوند. بنابراین مهم‌ترین نکته در این روش به  تأخیر انداختن تشکیل ژل است. زیرا نفوذ دوغاب با ویسکوزیته ی پایین‌تر ساده‌تر است و بهره‌وری بیشتری خواهد داشت.

بنابراین بهتر است هنگام تزریق، دوغابی با ویسکوزیته پایین داشته باشیم و افزایش ویسکوزیته دوغاب پس از اتمام فرآیند تزریق اتفاق بیافتد.

در آخر باید عنوان کرد که تلاش‌های زیادی برای رسیدن به دوغآب‌هایی با چنین ویژگی‌های مطلوبی انجام شده است. رزین‌ها، لیگنین ها و پلیمرهای آکریلیک، نمونه‌هایی از این دوغاب ها هستند.

کنترل آب‌های زیرزمینی در حفاری با استفاده از روش هوای متراکم

عوامل متعددی ممکن است  استفاده از هوای متراکم در کنترل آب‌های زیرزمینی را توجیه کند. به عنوان مثال هرگاه استفاده از سایر روش‌های کنترل آب‌های زیرزمینی به دلیل شرایط هیدرولوژیکی ممکن نباشد، می‌توان از روش هوای متراکم استفاده کرد.

استفاده از هوای متراکم در مواردی که در آن‌ها با نگرانی‌هایی درباره محیط زیست مواجه هستیم، به خصوص هنگامی که آب‌های زیرزمینی به عنوان منبع آب آشامیدنی استفاده می‌شوند و در نتیجه استفاده از مصالح جامد همانند سیمان ممنوع است، توصیه می‌شود.

روش هوای متراکم برای کنترل آب‌های زیرزمینی در حفاری‌های تونل و شفت استفاده می‌شود.

کنترل آب‌های زیرزمینی با استفاده از هوای متراکم را فقط در شرایط خاصی می‌توان استفاده کرد: اولاً دیواره‌های کناری و سرپوش سازه‌ای که هوا در آن نگه‌داری می‌شود باید تقریباً غیر قابل نفوذ باشد. دوما فشار استاتیکی هوای متراکم باید برابر با فشار هیدرو استاتیک آب زیرزمینی در پایین‌ترین نقطه باشد تا خشک نگه داشته شود. سوما فشار استاتیک هوا در کل فضای خالی خشک سازه باید ثابت باشد.

برای رسیدن به شرایط بالا، فرآیندهای زیر باید در نظر گرفته شوند:

• دیواره‌های دیافراگمی – مشابه آنچه در شکل 8 نشان داده شده است- باید در اطراف سازه ای مانند تونل ساخته شوند. عمق دیواره باید تا زیر دال پایینی سازه ادامه یابد.

 پس از آن، باید درپوشی برای تونل ساخته شده و درز بین درپوش و دیوار دیافراگم هواگیری شود. در این مرحله، در صورتی که شرایط هیچ‌گونه مانعی ایجاد نکند، زهکشی اولیه باید انجام شود. توجه داشته باشید که دیواره‌های دیافراگم و سرپوش هم باید هوابندی شوند.

• دیواره جداکننده‌ ای باید برای کارگران و مصالح در ورودی تونل ساخته شود تا از خروج هوا به سمت دیگر تونل جلوگیری شود. دیواره دیافراگم موقت می‌تواند با فاصله مشخص در طول محور تونل و در قسمت درگاه انتهایی آن ساخته شود.
• ماشین‌آلات برقی و مکانیکی برای تخلیه نخاله‌ی مصالح مانند شکل 9 و واحد پشتیبانی و تهیه هوای متراکم سازماندهی می شوند.

در نهایت فرآیند حفاری و استفاده از هوای متراکم، زیر دریچه ورودی تونل شروع می‌شود.

در این روش برای جلوگیری از وقوع اتفاقات غیرمترقبه باید احتیاط بیشتری شود. دلیل این است که روش‌های هوای متراکم، سطح خطر بالایی به همراه دارند که می‌تواند باعث تلفات انسانی شود.

کنترل آب‌های زیرزمینی در حفاری با استفاده از انجماد

کنترل آب‌های زیرزمینی در حفاری با استفاده از انجماد توصیه نمی‌شود؛ مگر این که هیچ روش دیگری نتواند نتایج مطلوبی ایجاد کند یا به دلیل عوامل خاص نتوان از آن‌ها استفاده کرد. زیرا هزینه کنترل آب‌های زیرزمینی با استفاده از روش انجماد به دلیل تعداد زیاد سوراخ‌های مورد نیاز در اطراف محل حفاری، بسیار بالا است.

با این وجود مواردی هم هستند که انجماد در آن‌ها تنها روش عملی برای کنترل آب‌های زیرزمینی است، برای مثال در حفاری شفت‌هایی با عمق زیاد که در آن‌ها فشار آب‌های زیرزمینی بسیار بالا است.

برای جلوگیری از تشکیل فضاهای غیر منجمد در منطقه منجمد شده، سوراخ‌های منفذی باید دقیقاً عمودی بوده و خطاها باید تا حد ممکن به حداقل برسند و هم‌چنین باید فضاهای کمی میان سوراخ‌ها وجود داشته باشند.

با توجه به نقاط ضعف روش انجماد، زمان قابل توجهی برای حفر سوراخ‌ها، نصب تجهیزات و منجمد کردن زمین نیاز است و انواع خاصی از خاک ممکن است دچار تورم شوند.

با این وجود باید توجه داشت که بهترین مزیت روش انجماد، کنترل مؤثر آب‌های زیرزمینی است که سایر روش‌ها آن‌ها را ندارند.

فرآیند انجماد شامل حفر سوراخ‌هایی در اطراف منطقه‌ی حفاری است، سپس لوله‌ای با پوشش فولادی یا پلاستیکی با قطر 10-15 سانتی‌متر و لوله داخلی 3.8 تا 7.5 سانتی‌متر وارد سوراخ‌ها می‌شود، انتهای لوله بیرونی بسته شده و انتهای لوله درونی باز می‌شود.

قسمت انتهایی لوله درونی به تجهیزات انجماد وصل می‌شود که از آن آب‌نمک سرد شده به داخل لوله داخلی وارد شده و پس از آن مجدداً به تجهیزات انجماد برمی‌گردد. زمان لازم برای منجمد شدن زمین، بین 1 تا 4 ماه است.

در نهایت استفاده از نیتروژن مایع به جای آب‌نمک برای پایین آوردن زمان انجماد، توصیه می‌شود. ممکن است گفته شود که نیتروژن مایع بسیار گران است، اما هزینه‌های ساخت‌وساز کم می‌تواند این گران بودن را جبران کرده و خاک را 5 برابر سریع‌تر از آب‌نمک منجمد می کند.

توضیح ویراستار:

سوسپانسیون:‌ به مخلوط کلوئیدی جامد در مایع گفته می‌شود. به مخلوط غیرهمگنی که از پخش شدن ذرات جامد در مایع به وجود می‌آید (يا مايع در گاز) سوسپانسیون می‌گویند، مانند خاکشیر در آب، شربت آنتی بیوتیک، شربت معده، دوغ، آبلیمو، آب گل آلود. سوسپانسیون‌ها در حالت عادی ناپایدار هستند و پس از مدتی نگهداری در حالت سکون، لخته و ته‌نشین می‌شوند در اثر این پدیده فاز مایع از جامد جدا می‌شود.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.