شبيه‌سازي عملكرد هيدروليكي پوشش مصنوعي PP450 و پوشش معدني با استفاده از نفوذسنج در شرايط آزمايشگاهي

Simulation of hydraulic performance in synthetic envelope pp450 and mineral envelope using Permeameter in laboratory condition

سابقه و هدف: يكي از مهم‌ترين فاكتورهاي تاثيرگذار بر روي عملكرد سيستم‌هاي زهكشي، گرفتگي به‌وسيله ذرات خاك مي‌باشد. در اكثر موارد در طراحي سيستم‌هاي زهكشي توجه چنداني به مطالعات صحرايي و آزمايشگاهي نمي‌شود و معمولاً اكثر پارامترهاي مهم در طراحي سيستم‌هاي زهكشي براي تمامي شرايط يكسان در نظر گرفته مي‌شود. همچنين مطالعات انجام شده در هلند نشان مي‌دهد كه حدود 80 درصد از شكست در پروژه‌هاي زهكشي در نتيجه عدم طراحي مناسب پوشش‌هاي زهكشي مي‌باشد. با توجه به اين‌كه مطالعات صحرايي به‌منظور ارزيابي پوشش‌هاي زهكشي هم‌زمان‌بر و هم از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نيست بنابراين ارزيابي آزمايشگاهي اين پوشش‌ها منطقي به‌نظر مي‌رسد. اهداف اصلي اين پژوهش ارايه يك سري روابط تجربي براي تخمين پارامترهاي هيدروليكي و گرفتگي با استفاده از بار هيدروليكي و دبي خروجي از زهكش (كه اندازه‌گيري آن‌ها آسان است) و حذف تاثير پيزومترهاي نصب شده در بدنه نفوذسنج مي‌باشد. مواد و روش‌ها: بدين‌منظور دستگاه نفوذسنج كه مطابق با استاندارد 5101ASTM- طراحي و ساخته شده مورد بررسي قرار گرفت. پوشش 450PP و پوشش معدني (مطابق با استاندارد دفتر عمران اراضي امريكا) استفاده شد. خاك مورد استفاده در اين پژوهش از يك پروژه زهكشي در شمال خرمشهر و در عمق 65/1 متري تهيه شد. اين پژوهش در شرايط آزمايشگاهي و با استفاده از نفوذسنج و با اعمال چهار بار هيدروليكي (25، 50، 75، 100 سانتي‌متر) انجام شد و با اندازه‌گيري بار هيدروليكي، دبي خروجي و قرايت پيزومترهاي كه در بدنه نفوذسنج نصب شده بود، پارامترهاي ويژه (هدايت هيدروليكي خاك- پوشش، خاك، پوشش و نسبت گراديان) محاسبه شد. يافته‌ها: بعد از انجام آزمايش‌ها، شبيه‌سازي مقادير هدايت هيدروليكي براي سيستم‌هاي خاك- پوشش، خاك و پوشش و همچنين نسبت گراديان به انجام رسيد. ارتباط بين پارامترهاي مختلف با استفاده از نرم‌افزار Sigma Plot بسط داده شد كه در آن مقادير هدايت هيدروليكي براي سيستم‌هاي مختلف به‌صورت تابعي از بار هيدروليكي و دبي خروجي از زهكش‌ها ارايه گرديد. خطاي معادلات ارايه شده و همچنين اختلاف بين مقادير شبيه‌سازي شده و اندازه‌گيري شده با استفاده از شاخص‌هاي آماري مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج حاصله نشان داد كه مدل‌هاي مورد بررسي تخمين دقيقي از پارامترهاي مورد بررسي دارند. نتيجه‌گيري: ضريب همبستگي اين روابط براي پوشش 450PP و براي هدايت هيدروليكي خاك- پوشش، هدايت هيدروليكي خاك و هدايت هيدروليكي پوشش و نسبت گرايان به‌ترتيب مقادير 96/0، 96/0، 62/0و 96/0، براي پوشش معدني نيز به‌ترتيب 98/0، 98/0، 63/0 برآورد گرديد. گرفتگي پوشش در حين انجام آزمايش باعث كم شدن ضريب همبستگي تخمين هدايت هيدروليكي شد. استفاده از معادلات ارايه شده مي‌تواند عملكرد هيدروليكي و گرفتگي در پوشش‌هاي زهكشي را در شرايط مختلف طراحي شبيه‌سازي كند.

Background and Objectives: The effect of mineral clogging by soil particles is one of the main factors affecting the performance of drainage systems. Many drainage system designs do not pay attention to laboratory and local studies on certain important parameters and some of them are specific for a given conditions. Several studies carried out in The Netherlands have shown that nearly 80% of drainage projects’ failure happens as a result of inappropriate performance of drain filters. Since field studies in order to evaluate drain envelopes is not economical from viewpoint of time and cost, therefore laboratory evaluation is proper for envelopes. The main goal of this study was obtaining a set of empirical equations in order to estimate hydraulic and clogging parameters using hydraulic head and discharge through drains which are easy to measure. Removing the effect of piezometers installed the Permeameter was another goal. Materials and Methods: To conduct this research, The Permeameter which designed and was made according to ASTM-5101 standard, was used PP-450 and gravel envelope were evaluated according to USBR standard. Required soil for this experiment was collected from a drainage project in the north of Khorramshahr at 1.65 m depth. The test was conducted in laboratory using Permeameter by producing 4 different hydraulic pressure head (25, 50, 75, 100 cm). In this study, special parameters (envelope hydraulic conductivity, soil hydraulic conductivity, soil-envelope hydraulic conductivity, gradient ratio) were calculated by measurement of outflow changes in soil envelope system and hydraulic pressure head of manometer. Results: After the tests were completed, the values of hydraulic conductivity for soil-envelope system, soil and geotextile envelope were estimated as functions of hydraulic head and outflow values. Furthermore, other relations were proposed for gradient ratio. The relations between different parameters were analyzed by Sigma Plot software and proper relations were proposed. The errors of the fitting equations and the difference between measured and estimated values were analyzed using the statistic indices. Results showed that these models are accurate estimation of assessed parameters. Conclusion: Correlation coefficient of these equations for pp450 envelope for soil-envelope hydraulic conductivity, soil hydraulic conductivity, envelope hydraulic conductivity and gradient ratio are 0.96, 0.96, 0.62 and 0.96 respectively and for gravel envelope for soil-envelope hydraulic conductivity, soil hydraulic conductivity and envelope hydraulic conductivity are 0.98, 0.98 and 0.63 respectively. Low correlation coefficient for estimation of envelope hydraulic conductivity is related to envelope clogging during experiment time. Using of proposed equations can be useful to estimate clogging and hydraulic performance of drainage envelopes in different conditions.