۱-۱- مقدمه: بکارگیری دو نوع خاک ریزدانه و درشت دانه و در نظر گرفتن متغیر های پایداری شیب جانبی کانال در دو حالت ساخت و بهره برداری و همچنین تعیین نقش کاهش سریع سطح آب و پارامتر زمان در پایداری شیب
احداث شبکه های آبیاری مدرن به منظور استفاده بهینه از منابع آب استحصال شده، به عنوان یکی از راهکارهای اساسی مقابله با وضعیت بحرانی آب، همواره مورد توجه بوده و است. در این راستا تاکنون نزدیک به ۲ میلیون هکتار از اراضی تحت کشت آبی به شبکه های مدرن آبیاری و زهکشی مجهز گردیده است. با این وجود هنوز از نظر کمی، توان بالقوه زیادی در افزایش سطح زیر شبکه های مدرن آبیاری و زهکشـــی وجود دارد و با انجام این مهم حجم زیادی از منابع آب و خاک کشور در چرخه تولیــــد قرار می گیرد. از طرفی بررسی های انجام شده در خصوص عملکرد و وضعیت بهره برداری این شبکه ها نشان داده اند که اغلب این شبکه ها در مراحل مختلف بهره برداری دچار مسائل و مشکلاتی هستند که در اثر این مشکلات اهداف اولیه آنها مورد مخاطره قرار گرفته است. نتایج مطالعات و تحقیقات انجام شده در این خصوص نشان داده اند که عوامل مربوط به شرایط ژئوتکنیکی بستر این گونه سازه ها بیشتر از سایر موارد نمود داشته و عدم توجه به آنها نه تنها باعث تخریب سازه ها و شیـب کنـاری کانال ها در سالهای اول بهره برداری گردیده، بلــکه امر اصلاح و بازسازی را نیز، مشــکل و غیــر اقتصادی می نماید. نتیجه تحقیقات نشان داده است که طراحی ضعیف، عملیات نامناسب ساخت، کیفیت پایین مواد تشکیل دهنده، عملکرد و نگهداری ضعیف، شرایط بهره برداری، مسائل فرهنگی و اجتماعی و سر انجام عدم توجه به ویژگی های ژئوتکنیکی خاک بستر کانال از مهمترین دلایل تخریب کانال ها می باشند. عدم توجه به پارامتر های ژئوتکنیکی خاک بستر و همچنین توجه نکردن به پارامترهای پایداری شیب کناری سازه های انتقال آب همواره عواقب سنگینی را در پی داشته است، به عنوان مثال احداث کانال برروی خاک های مسئله دار بویژه خاک های متورم شونده، بدون در نظر گرفتن شرایط ژئوتکنیکی، منجر به تخریب شیب کناری کانال و در نتیجه آسیب دیدگی پوشش بتنی می شود. اجرای عملی مقطع طراحی شدۀ کانال در میدان، یک وظیفه چالش برانگیز می باشد، چراکه پایداری شیب کناری باید تضمین گردد. پایداری شیب کناری کانال به شدت وابسته به شرایط محلی خاک، مشخصات هندسی مقطع و شرایط بهره برداری از کانال می باشد. در بسیاری از مواقع، شیب کناری با در نظر گرفتن زاویه شیب آزاد خاک انتخاب می شود. این در صورتی است که در انتخاب شیب مناسب و پایدار کانال لازم است نقش عوامل متعدد یاد شده یعنی، هندسه مقطع و شرایط بهره برداری مورد توجه قرار گیرد.
۱-۲- اهمیت و ضرورت تحقیق:
با توجه به محدودیت منابع آب کشور، هر اقدامی در خصوص استفاده بهینه از منابع آب موجود و جلوگیری از هدر رفت آن امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. طراحی شیب مناسب و پایدار با توجه به نوع و خواص خاک و در مرحله بعد تثبیت بدنه کانال های انتقال آب با پوشش بتنی غیر مسلح یکی از راهکارهای اصولی در کاهش نشت آب و افزایش راندمان انتقال آب می باشند. این نوع از کانال ها به علت تکنولوژی اجرایی نسبتاً ساده از مرسوم ترین گزینه ها جهت انتقال آب، برای مصارف گوناگون می باشند. گرچه از نظر هندسی مقطع عرضی کانالهای انتقال آب را می توان به شکلهای متفاوت نظیر؛ مستطیلی، دایره ای، سهمی و ذوزنقه ای اجرا نمود، لیکن به لحاظ مسائل فنی و اجرائی در پروژه های عمرانی معمولاً از مقطع ذوزنقه ای استفاده می شود. همچنین تعیین شکل و ابعاد هندسی کانال ها اغلب بر اساس مسائل هیدرولیکی صورت گرفته و به پارامترهای ژئوتکنیکی بستر توجه چندانی صورت نمی گیرد. در حالیکه احداث کانال بر روی خاک های مسئله دار، بدون توجه به مسائل ژئوتکنیکی منجر به آسیب دیدگی شیب خاکریز و پوشش بتنی کانال ها شده و خسارات جبران ناپذیری را بدنبال خواهد داشت. مطالعات و بررسی های انجام شده در این خصوص نشان می دهند اغلب تخریب های صورت گرفته در اینگونه سازه ها به دلیل عدم توجه کافی به مسائل و شرایط ژئوتکنیکی بستر است، رحیمی و عباسی (۲۰۰۸). لذا، بررسی مسائل ژئوتکنیکی مربوط به نوع خاک، جنس خاک، زاویه اصطکاک داخلی خاک، میزان تراکم خاک و نحوه خاکبرداری و خاکریزی، تعداد لایه های خاکریز، شیب خاکریز، ابعاد و مقطع کانال، سطح آب در کانال، سرعت تغییر سطح آب در کانال و از همه مهمتر ضریب ایمنی پایداری شیب جانبی به منظور کاهش آسیب های وارده بر کانال ها از اهمیت خاصی برخوردار است. شرایط مناسب ژئوتکنیکی بسترکانال ها و توجه به طراحی مناسب شیب جانبی خاکریز تا حدود زیادی تضمین کننده افزایش عمر بهره برداری اینگونه کانال ها می باشد. یکی از پدیده های رایج و اجتناب ناپذیر در شرایط بهره برداری کانال ها، پدیده ی کاهش سریع سطح آب می باشد. نیروی زیر فشـــار وارد بر کف کانال در حالت کاهش سریع سطح آب و یا اعمـــــال نیروی وزن آب در حالت پر باعث ایجاد تغییر شکل های خمشی در پوشش می شود. حالت کاهش سریع، که بصورت یک سطح آب نسبتاً بالا در زمان سیلاب نمایان شده و در زمان کوتاهی هم از بین می رود، یکی از شدیدترین شرایط بارگذاری است که می تواند به خاکریز کانال های انتقال آب وارد شود. طی این شرایط، فشار آب حفره ای موجود در خاک دیواره های کانال زمان کافی برای محو شدن ندارد، بنابراین منجر به افزایش لنگرهای خمشی و شکستگی های کم عمق و یا عمیق در شیب خواهد شد. بار آبی موجود در کانال ها یکی از عوامل مقاوم در برابر لغزش شیب می باشد، کاهش سریع ارتفاع آب و در نتیجه آن کاهش بار آبی باعث بالا رفتن فشار آب حفره ای در خاک اشباع زیرین شده که این امر باعث کاهش مقاومت برشی خاک و وقوع شکست در شیب می شود. علی رغم مطالعات صورت گرفته روی این مسأله بدلیل پیچیدگی های رفتاری خاک و مسائل اندر کنشی، همچنان ابهاماتی در خصوص تحلیل این سازها وجود دارد. با عنایت به موارد عنوان شده، اهمیت مطالعه و تحقیق بر روی این موضوع بیش از پیش نمایان می شود.

۱-۳- فرضیه تحقیق:
یکی از علت های اصلی خرابی کانال ها، عدم طراحی مناسب پایداری شیب می باشد، به این صورت که شیب پایدار در یک خاک با توجه به پارامترهای طراحی کانال و همچنین شرایط ساخت و بهره برداری ممکن است متفاوت باشد. بنابراین تعیین یک هندسه دقیق در مورد بدنه کانال برای پایداری آن بسیار حائز اهمیت است. لذا در این پروژه فرضیه های زیر مورد بررسی و آزمون قرار گرفتند:
الف) هندسه مقطع عرضی کانال در پایداری شیب جانبی آن تأثیر گذار است.
ب) شیب پایدار کانال در خاک های مختلف متفاوت می باشد.
ج) شرایط بهره برداری در پایداری شیب مؤثر می باشد.
۱-۴- اهداف تحقیق:
در تحقیق حاضر با بکارگیری دو نوع خاک ریزدانه و درشت دانه و در نظر گرفتن متغیر های پایداری شیب جانبی کانال در دو حالت ساخت و بهره برداری و همچنین تعیین نقش کاهش سریع سطح آب و پارامتر زمان در پایداری شیب، مدلسازی دوبعدی انجام شده و اقدام به ارائه یکسری ضوابط فنی جهت کم کردن اثرات نامطلوب کاهش سریع آب بر پایداری شیب جانبی خاکریز خواهد شد.
۲-۱- مقدمه:
در صورتی که سطح زمین بصورت شیبدار، تحت زاویه ای با افق قرار گرفته باشد، تشکیل یک سطح شیبدار را می دهد که ممکن است به یکی از سه حالت شیب های طبیعی زمین، شیب های که به وسیله خاکبرداری ها بوجود می آیند و شیب های که توسط خاکریزها بوجود می آیند باشد. در خیلی از حالات لازم می شود ایمنی یک شیب طبیعی یا مصنوعی، که ممکن است در اثر گودبرداری یا خاکریزی ایجاد شده باشد توسط مهندسین کنترل گردد. در این کنترل می باید تنش های برشی ایجاد شده در امتداد بحرانی ترین و محتمل ترین سطح لغزشی محاسبه شده و با مقاومت برشی خاک مقایسه گردد. به چنین فرایندی تحلیل پایداری شیب اطلاق می گردد.
شکل (۲-۱): لغزش شیروانی خاک[۱]
همانطور که در شکل (۲-۱) نشان داده شده است، در این شیب خاکی یکی از مولفه های وزن تمایل به حرکت دادن توده خاک به سمت پایین دارد. وقتی این مولفه به قدر کافی بزرگ باشد لغزش شیب خاک رخ می دهد. از دیدگاه ایستایی، لغزش وقتی رخ می دهد که نیروهای رانش ناشی از مولفه وزن، بر نیروهای مقاوم ناشی از مقاومت برشی خاک در سطح لغزش غلبه نمایند. لغزش سطح شیبدار مخصوصاً اگر بالای سطح آن ساختمان و یا تأسیساتی بنا شده باشد و یا لغزش شیب ها در سدهای خاکی و سازه های انتقال آب از جمله کانال های آب، خسارت جبران ناپذیری را بوجود می آورد. به همین دلیل این سطوح باید طوری طراحی شوند که با رعایت کامل اصول از نقطه نظر اقتصادی، دارای ضریب اطمینان کافی و مطمئن و همچنین پایدار باشد. در این سطوح نیرو های ثقلی و تراوش، عامل اصلی برهم زننده پایداری شیب ها، اعم از طبیعی یا غیر آن می باشد. به طور کلی، می توان علت اصلی شکست سطوح شیبدار را بیشتر شدن تنش برشی از مقاومت برشی در سطح شکست دانست و بنابراین محاسبات پایداری سطوح شیبدار، در حقیقت مقایسه نیروهایی که باعث گسیختگی می شوند با نیروهای که از گسیختگی جلوگیری می کنند در سطح شکست می باشد. نیروهای که در محاسبات مربوط به پایداری سطوح شیبدار در نظر گرفته می شوند، عبارتند از:
الف) نیروهای مخرب:
به مجموع نیروهای که باعث لغزش سطوح شیبدار می شوند، نیروهای مخرب می گویند. یکی از مهمترین این نیروها، وزن توده خاک بالای سطح شکست می باشد. ممکن است ترکیبی از چند عامل باعث لغزش شود. برخی از این عوامل عبارتند از:
*- افزایش بار خارجی روی سطح شیبدار نظیر ساختمان، آب و….
*- افزایش وزن واحد حجم خاک در اثر ازدیاد درصد رطوبت
*- خاکبرداری در قسمتی از سطح شیبدار
*- ایجاد تونلی توسط زه آب
*- ضربه نظیر انفجار و یا زلزله
ب) نیروهای مقاوم:
به مجموع نیروهایی که از لغزش سطوح شیبدار جلوگیری می کنند، نیروهای مقاوم می گویند. که مهمترین عامل آن مقاومت برشی خاک در سطح شکست می باشد. کاهش مقاومت برشی در این سطح، باعث لغزش سطح شیبدار می شود. برخی از عوامل که باعث کاهش مقاومت برشی خاک می شوند، عبارتند از:
*- تورم رس به علت ازدیاد درصد رطوبت
*- فشار آب منفذی
*- ترک های ایجاد شده در اثر خیس و خشک شدن متناوب خاک
*- انتقال و پیشرفت گسیختگی در مورد خاک های حساس
*- از بین رفتن عناصر چسباننده ذرات خاک
*- از بین رفتن فشار منفذی منفی
یافتن سطح لغزش واقعی یکی از مشکلات اساسی در محاسبه پایداری سطوح شیبدار می باشد، زیرا تحقیقات مکانیک خاک هنوز موفق به تعیین دقیق شکل سطوح لغزش و نوع توزیع تنش های داخلی در این سطوح نگردیده است. در امر طراحی یک سطح لغزش، به عنوان اولین آزمون، در نظر گرفته می شود. شکل این سطح بستگی به نوع لغزش خاک دارد. با در نظر گرفتن شرایط تعادل بین نیروهای مخرب و مقاوم، مقدار ضریب اطمینان سطح منظور شده را در مقابل لغزش محاسبه می کنند. برای یک سطح شیبدار معمولاً چندین سطح لغزش اختیار کرده و برای همه آنها ضریب اطمینان را محاسبه می کنند. سطحی که کمترین ضریب اطمینان را دارد، به عنوان سطح لغزش واقعی مورد بررسی قرار می گیرد.
مقدار ضریب اطمینان هر سطح لغزش را به این ترتیب تعیین می کنند که، ابتدا کلیه نیروهای مخرب و مقاوم را روی سطح فوق مشخص کرده و سپس، گشتاور این نیروها را نسبت به مرکز سطح لغزش محاسبه می کنند. با در دست داشتن گشتاور نیروها، از رابطه زیر ضریب اطمینان بدست می آید[۱]:
حداقل ضریب اطمینان برای خاک های که فاقد چسبندگی هستند ۱/۷ و برای بقیه خاک ها ۱/۵ در نظر گرفته می شود.
۲-۲- انواع گسیختگی:
انواع مهم گسیختگی خاک در شیب ها عبارتست از:
الف) لغزش های چرخشی ب) لغزش های انتقالی ج) لغزش های مرکب
الف) در لغزش های چرخشی، سطح گسیختگی ممکن است دایره ای یا غیر دایره ای باشد. بطور کلی لغزش های دایره ای در خاک های همگن و غیر دایره ای در خاک های غیر همگن رخ می دهد.
شکل (۲-۲)- الف: لغزش چرخشی دایره ای [۱] ب: لغزش چرخشی غیر دایره ای[۱]
ب) لغزش های انتقالی معمولاً در شرایطی پیش می آیند که شکل سطح گسیختگی تحت تأثیر لایه زیرین، که در عمق کمی از سطح شیبدار قرار گرفته است و مقاومت آن به مقدار قابل ملاحظه ای با لایه رویی تفاوت دارد، قرار گرفته باشد. در این حالت سطح گسیختگی، کم و بیش یک سطح مستوی موازی شیب می باشد.
شکل (۲-۳): لغزش انتقالی [۱]
ج) لغزش های مرکب نیز در شرایطی پیش می آیند که شکل سطح گسیختگی تحت تاثیر لایه زیرین، که در عمق زیادی از سطح شیبدار قرار گرفته است و مقاومت آن به مقدار قابل ملاحظه ای با لایه رویی تفاوت دارد، قرار گرفته باشد. در این حالت سطح گسیختگی، شامل قسمت انحناء دار و مستوی می باشد.
شکل (۲-۴): لغزش مرکب [۱]
در عمل، روش های که مبتنی بر تعادل محدود می باشند، برای حل مسائل،مورد استفاده قرار می گیرد. به این ترتیب که فرض می شود شکست، در یک سطح گسیختگی فرضی، در آستانه وقوع است. مقاومت برشی لازم برای حفظ شرایط تعادل محدود با مقاومت برشی خاک مقایسه و ضریب اطمینان برای پایداری شیب بدست می آید. از بین سطوح فرضی مختلف، آنکه دارای ضریب اطمینان کمتری است، سطح گسیختگی احتمالی می باشد.
۲-۳- ضریب اطمینان:
ضریب اطمینان که نشان دهنده میزان پایداری یک توده خاکی در برابر گسیختگی است، در حالت کلی به صورت زیر تعریف می شود[۱]:
ضریب اطمینان را می توان بر اساس پارامترهای مختلفی انتخاب نمود. در مورد پایداری شیب های خاکی، بر اساس پیشنهاد فلنیوس (۱۹۲۷) ضریب اطمینان عبارت است از نسبت مقاومت برشی موجود به مقاومت برشی لازم برای پایداری[۱]:
در فرمول (۲-۳) داریم[۱]:
C و پارامترهای موجود مقاومت برشی و و حداقل این موارد به منظور پایداری می باشند.
چنانچه ۱ > بدست آید لغزش حتما اتفاق می افتد و برای ۱ < قاعدتاً شیروانی پایدار است، در حالی که ۱ = باشد شیروانی درست در شرایط تعادل حدی است. اگر مشخصه خاصی از خاک یا شیروانی مورد نظر باشد می توان ضریب اطمینان را بر اساس آن تعریف نمود. به عنوان مثال نسبت به چسبندگی ، نسبت به ضریب اصطکاک و نسبت به ارتفاع بحرانی موجود شیب داریم[۱]:
مقدار ضریب اطمینان در اکثر سازه های خاکی از ۱/۲۵ تا ۱/۵ در نظر گرفته می شود. از آنجای که ضریب اطمینان محاسبه شده بر مبنای مشخصات هندسی یک مقطع مشخص بدست می آید ولی مشخصات هندسی و فیزیکی مقاطع مختلف در امتداد یک شیروانی باید با احتساب متوسط مقادیر ضریب اطمینان چند مقطع بدست آیـــــد. به عنـــــوان مثال اگر ، ضریب اطمیـــنان در سه مقطع به مساحتهای ، باشد، مقدار متوسط ضریب اطمینان این شیروانی ها عبارت است از[۱]: