۳- این تصور که امتداد مماس بر دایره ای به شعاع می باشد کاملا صحیح نیست. هرچند که خطای حاصل از این تصور اندک بوده و چندان قابل توجه نمی باشد. البته هنگامی که به صفر نزدیک می شود مقدار خطا نیز به صفـــــر می رسد.
۴- برای اینکه اثر فشار آب منفذی در نظر گرفته شود، باید نموداری رسم گردد تا فشار آب منفذی وارد بر سطح لغزش را نشان دهد. آنگاه سطح لغزش را به تعدادی قطعات تقسیم کرده و پس از محاسبه نیروی وارد بر هر سطح، منتجه آنها، ، تعیین می گردد. این منتجه که از می گذرد با نیروی وزن و عکس العمل ترکیب می شود تا نیروی بدست آید.
۵- با فرض مقداری برای ضریب اطمینان مثلاً ،زاویه مشخص شده و مسئله حل می شود. آنگاه نسبت به دست می آید. اگر دو مقدار و مساوی نشد مقادیر دیگری از ضریب اطمینان آزمایش می شود تا مقادیر و با تقریب قابل قبول مساوی گردند. می توان مقادیر بدست آمده برای و را در هر محاسبه به صورت نقطه ای روی محورهای مختصاتی که یک محور آن و محور دیگر آن است نشان داده و سپس این نقاط را به هم متصل نمود. خطی که با زاویه ۴۵ درجه از مبدا مختصات رسم شود و منحنی حاصل از اتصال نقاط را قطع کند جواب مسئله را نشان می دهد.
۲-۶- تغییرات ضریب ایمنی در شیروانی های خاکریزهای رسی واقع بر روی رس اشباع:
شکل (۲-۱۶-الف)، یک خاکریز کوتاه رسی را نشان می دهد که بر روی رس اشباع نرم احداث شده است. فرض کنید که نقطه ای از سطح لغزش بحرانی که قوسی از دایره است، می باشد قبل از اجرای خاکریزی، فشار نقطه ای در نقطه می تواند توسط رابطه زیر تعریف شود[۱]:
اجرای خاکریز یکنواخت فرض می شود. بدین معنی که مطابق شکل (۲-۱۶-ب)، ارتفاع خاکریز از لحظه ، به طور خطی افزایش پیدا می کند و در لحظه ارتفاع آن به مقدار مطلوب یعنی H می رسد و از آن به بعد (یعنی )، مقدار آن ثابت می ماند. در این شکل، همچنین افزایش تنش برشی در روی سطح لغزش بحرانی به علت اجرای خاکریز نشان داده شده است. مقدار تا به طور خطی افزایش پیدا کرده و از آن به بعد ثابت می ماند.
فشار حفره ای در نقطه (۲-۱۶-الف)، در مدت اجرای خاکریز مطابق شکل (۲-۱۶-پ)، افزایش می یابد. در زمان ، مقدار می باشد. افزایش فشار حفره ای به علت نفوذپذیری کم لایه رسی که از زهکشی سریع آب جلوگیری می کند، می باشد. بعد از اتمام مرحله اجــرای خاکریز، به عبارت دیگر برای زمان ، فشـــار حفره ای به تدریج همواره با زهکشی آب کاهش می یابد که این عمل با تحکیم لایه رسی همراه است. در زمان حدوداً [۱]:
شکل (۲-۱۶): تغییرات ضریب ایمنی با زمان برای خاکریزی روی رس نرم [۱]
برای سهولت، اگر اجرای خاکریز سریع فرض شود، عملاً در حین اجرا، هیچگونه زهکشی رخ نداده و مقاوت برشی متوسط رس از لحظه تا با مقدار مساوی (مقاومت برشی زهکشی نشده)، ثابت خواهد ماند. این موضوع در شکل (۲-۱۶-ت)، نشان داده شده است. برای زمان ، با توسعه تحکیم، مقدار مقاومت برشی بتدریج افزایش پیدا می کند. در زمان ، به عبارت دیگر بعد از اینکه عمل تحکیم تکمیل شد، مقاومت برشی متوسط رس مساوی[۱]:
خواهد شد، شکل (۲-۱۶-ت). ضریب ایمنی خاکریز در امتداد سطح لغزش بحرانی به صورت زیر تعریف می شود[۱]:
با توجه به رابطه فوق، طبیعت عمومی تغییرات ضریب ایمنی در شکل (۲-۱۶-ث) نشان داده شده است. همان طور که از این شکل پیداست، مقدار در ابتدا به صورت تابعی از زمان کاهش می یابد. در پایان اجرا (زمان )، مقدار ضریب ایمنی حداقل می باشد. بعد از این نقطه، مقدار با پیشرفت زهکشی تا زمان افزایش می یابد.
*- خاکبرداری در رس اشباع:
شکل (۲-۱۷-الف) ، نشان دهنده شیروانی یک ترانشه در رس نرم اشباع می باشد. که در آن سطح بحرانی لغزش است. در حین پیشرفت عملیات ترانشه برداری، تنش برشی متوسط در روی سطح بحرانی لغزش که از نقطه عبور می کند، افزایش می یابد. حداکثر مقدار تنش برشی متوسط در پایان کار یعنی در زمان به وجود می آید که در شکل (۲-۱۷-ب)، نشان داده شده است. به واسطه خاکبرداری، فشار سربار مؤثر در نقطه کاهش پیدا می کند. این مسئله باعث کاهش فشار حفره ای آب خواهد شد. در شکل (۲-۱۷-پ)، منحنی تغییرات، تغییر فشار حفره ای خالص، ، نشان داده شده است. بعد از اتمام خاکبرداری ( )، فشار حفره ای اضافی خالص منفی، بتدریج زایل می شود. در زمان ، مقدار مساوی صفر خواهد شد. تغییرات مقاومت برشی متوسط رس بر حسب زمان در شکل (۲-۱۷-ت)، نشان داده شده است. توجه شود که مقاومت برشی خاک بعد از خاکبرداری، بتدریج کاهش می یابد. این مسئله به علت زایل شدن اضافه فشار حفره ای منفی است. اگر ضریب ایمنی شیروانی ترانشه برداری در امتداد سطح لغزش بحرانی توسط رابطه [۱]:
بیان شود، تغییرات آن مطابق شکل (۲-۱۷-ث)، خواهد شد. توجه شود که مقدار با زمان کاهش می یابد و حداقل مقدار آن در زمان به دست می آید.
شکل (۲-۱۷): تغییرات ضریب ایمنی شیروانی گودبرداری در خاک رس [۱]
۳-۱- مقدمه:
یکی از عوامل اصلی در ساخت کانال های انتقال آب، توجه به ویژگی های ژئوتکنیکی خاک بستر و پایداری شیب جانبی کانال در شرایط ساخت و بهره برداری می باشد. در سال های اخیر محققین آزمایش های فراوانی بر روی خاک بستر کانال های انتقال آب انجام داده اند و به این نتیجه رسیدند که، یکی از عوامل تخریب ها، عدم توجه به شرایط ژئوتکنیکی در ساخت و تأثیر پارامترهای شیب بر پایداری آن می باشد. همچنین در شرایط بهره برداری وقوع پدیده ای به نام کاهش سریع سطح آب تأثیر بسزای بر روی کاهش پایداری سطوح شیب دار خواهد داشت. در ادامه به بررسی خلاصه ای از مقالات مربوطه که در دو بخش آزمایشگاهی و تحلیلی ارائه شده است، پرداخته می شود.
۳-۲- تحقیقات آزمایشگاهی:
رحیمی و عباسی (Rahimi & Abbasi’ ۲۰۰۸)، به بررسی مسأله ساخت پوشش بتنی کانال ها، که معمولترین شکل مشکلات موجود در شبکه های آبیاری و زهکشی در ایران می باشد پرداخته و پی بردند که، طبیعت و دلایل این مشکلات، در پروژه های مختلف تفاوت دارد[۲]. رحیمی و عباسی (۲۰۰۸)، این دلایل را بصورت زیر طبقه بندی می نماید: طراحی ضعیف، عملیات نامناسب ساخت، کیفیت پایین مواد تشکیل دهنده، عملکرد و نگهداری ضعیف، مسائل فرهنگی و اجتماعی و سرانجام، خصوصیات ژئوتکنیکی مواد بستر. در میان این دلایل، عدم توجه مناسب به ویژگیهای ژئوتکنیکی مواد بستر کانال، مهمترین دلیل بوده است که نه تنها باعث آسیب به پوشش در سال اول عملکرد می باشد، بلکه همچنین در برخی موارد، تعمیراتِ آنها را دشوار و غیر اقتصادی نموده است. این محققین، علل خرابی پوشش بتنی کانال مربوط به پروژه خط انتقال ساوه را که برروی بستر ماسه ای ساخته شده بود مورد مطالعه قرار دادند. با نمونه برداری از مسیر کانال و انجام آزمایش به بررسی مشخصات بستر پرداخته و پی بردند که در نمونه ها خاصیت واگرایی وجود دارد و این پدیده با نفوذ آب و شسته شدن بستر، نهایتاً تخریب کانال را به همراه داشته است. آنها به منظور بررسی و مطالعه دلایل تخریب کانال ساوه، به یکسری بررسی های ژئوتکنیکی شامل برخی بازدیدهای میدانی، مرور گزارشات قبلی، حفر گودالهای آزمایشی و نمونه برداری در طول کانال، مخصوصاً در مجاورت محل های دارای آسیب، و نیز انجام برخی آزمایشهای میدانی و آزمایشگاهی پرداختند. به منظور ارزیابی نوع آسیب و برنامه ریزی برای فازهای بعدی مطالعات، سایت پروژه در چندین مرحله مورد بازدید قرار گرفت. در این بازدیدها، نوع آسیب از جنبه های زمین شناسی و نوع خاک بستر مورد آزمون قرار گرفت و محل قرارگیری گودالهای آزمایشی برای نمونه برداری، و نیز آزمایشهای مورد نیاز میدانی و آزمایشگاهی تعیین شد. این نتیجه که آسیب های بوجود آمده در پوشش کانال و ترک خوردگی ها به علت شستشوی مواد بستر وشکستگی بتن می باشد، حاصل شد. طبق گزارشات تهیه شده در طول کارهای تعمیراتی، سوراخهایی تا قطر۵۰ سانتی متر در پشت صفحات بتنی تخریب شده مشاهده گردید. بررسی های میدانی نشان دادند که بیشتر خاک بستر شامل رسوبهای تثبیت نشده، با ماسه های ریز تا ترکیبی از خاک رس سیلتی بود. برای نمونه برداری، تعداد ۱۲ گودال با عمق ۴ متر حفر گردید. گودالهای آزمایشی در ۶ محل قرار داشتند، دو گودال در هر مکان، که یکی در نقطه آسیب دیده در کانال و دیگری در فاصله حدود ۲۰ متری از محور کانال حفر شد. تجربیات آزمایشگاهی را به دو صورت فیزیکی و شیمیایی تقسیم کردند. آزمایش ها را با توجه به رفتار خاک بستر زیر پوشش بتنی کانال و نیز با توجه به وجود آب انتخاب کردند. برای این منظور، آزمایشهای شاخص شامل توزیع سایز دانه و حدود اتربرگ و نیز آزمایشهای شیمیایی برای تعیین ph و مقدار یون مثبت بر اساس استانداردهای ASTM انجام گرفت. آنها بعد از انجام بازدیدهای میدانی به این نتیجه رسیدند که، نتایج قبلی مطالعات زمین شناسی و نیز بازدیدهای مکرر از سایت و زمینهای اطراف نشان دهنده این بود که، خاک بستر در منطقه اساساً از نوع ماسه ریز و ماسه لای دار بود که می تواند نشان دهنده مشکل ساز بودن خاک باشد. بعلاوه، نتایج آزمایشهای سنجش چگالی ناحیه در بستر کانال نشان داد که وزن خشک در جای[۱] مواد، بین ۱/۵ تا ۱/۵۶ گرم بر سانتی متر مکعب، تغییرات داشت، که بصورت کم تا خیلی کم در نظر گرفته شد. چگالی درجای کم به همراه طبیعت ماسه ای خاک، می توانند نقش مهمی را در نوع آسیب مشاهده شده داشته باشند. مقدار طبیعی رطوبت در نمونه ها بین ۶ تا ۲۲ درصد بوده، که برای خاک های محتوی رس و لای این درصد دارای مقدار بیشتر و برای خاکهای ماسه ای دارای مقدار کمتری بود. همچنین طبق آزمایش های صورت گرفته در کانال ها، یکی از دلایل اصلی آسیب به پوشش می توانست بعلت وجود گچ در خاک بستر باشد، و از آنجایکه ذرات سفید در خاک مشاهده شدند، چندین آزمایش به منظور تعیین دقیق مقدار گچ موجود در خاک انجام گرفت و مشخص شد که در این نمونه وجود گچ عامل اصلی تخریب نمی باشد. بعد از بررسی های صورت گرفته بر روی مشخصات هیدرولیکی و ژئوتکنیکی کانال به معرفی عوامل اصلی تخریب کانال پرداختند و در اولین گام مشخص کردند که عرض کف در نظر گرفته شده با کانال متناسب نبوده و دارای مقدار کمتری می باشد. به هر حال، پایداری شیب های کناری در حالت اشباع[۲] نشان داد که در بدترین شرایط، ضریب ایمنی بیشتر از ۱/۵ می باشد. همچنین، مشاهدات مربوطه در طول کانال و توپوگرافی محیط اطراف ناحیه نشان داد که شیب های طبیعی پایدار بوده و هیچگونه اثری از زمین لغزه[۳] مشاهده نشد. از لحاظ ساخت، فشرده سازی نامناسب بستر و کیفیت پوشش بتنی می توانند باعث ایجاد آسیب های موجود شوند. مشاهدات عینی در برخی از قسمتهای کانال، جاییکه صفحات بتنی خارج شده اند، نشان داد که سطح بستر بطور نامناسبی ناهموار بوده، بطوریکه ضخامت بتن بین ۳ تا ۱۵ سانتی متر تغییرات داشته است. بنابراین، این نتیجه حاصل شد که در برخی از نقاط بستر کانال، خاک بطور کامل فشرده سازی نشده و وزن خشک بسیار پایین دارد. این امر می تواند بعلت استقرار نادرست صفحات بتنی باشد، که می تواند باعث جابجایی یا ایجاد ترک شود. تستهای مقاومت فشردگی نشان دادند که کیفیت خود بتن قابل قبول می باشد. در نتیـــجه، تأیید شد که علیرغم ناکارآمدی های ساخت، این عوامل دلیل اصلی آسیب گسترده مشاهده شده نمی باشند. با توجه به نوع آسیب مشاهده شده و نیز نوع تغییر شکلها و ترکهای پوشش کانال، مخصوصا وجود حفره های بزرگ در پشت پوشش، تخریب بعلت عدم وجود تکیه گاه می باشد، یعنی همان ناپایداری شیب. علت این است که مواد بستر خارج شده و صفحات بتنی نازکِ باقیمانده، قادر به تحمل ممانهای خمشی ایجاد شده در اثر وزن بتن و آب بالای آن نمی باشند. عوامل بسیاری می توانند در این پدیده سهم داشته باشند. به غیر از عوامل مرتبط به طراحی نامناسب و عملیات ساخت، فرایندهای ژئوتکنیکی زیر می توانند نقش مهمی را ایفا کنند:
*- شستشوی[۴] مواد محلول خاک بستر، که باعث ایجاد تخلخل و بنابراین خرابی بیشتر می شوند.
*- تغیییر مکان[۵] ذرات خاک و در نتیجه فرسایش داخلی خاک
این محققین، سرانجام بعد از بررسی های گسترده برروی پروژه مذکور، پی بردند تخریب پوشش کانال بعلت وجود لنزهای شنی در خاک بستر کانال اصلی ساوه بوده است. بنابراین، راه حل ها بایستی اساساً بر روی این مسأله تمرکز داشته باشند. از آنجاییکه کارهای تعمیراتی معمولاً پرهزینه می باشند، بنابراین، انتخاب روش مناسب بایستی بر اساس گستردگی و نوع آسیب از یک سو، و جنبه های اقتصادی و فنی از سوی دیگر باشد. در نهایت اقدام به معرفی سه راه حل، برای جلوگیری از خرابی و تعمیرات کردند:
۱- تعویض خاک بستر
۲- تغییر مسیر کانال
۳- عملیات بر روی خاک بستر
از آنجا که کانال ساختــه شده و به بهره برداری رسیـده، بنابراین تعویض خاک و تغییر مسیـــر کانال بستر راه حل های اقتصادی و عملی نیستند. بنابراین، با در نظر گرفتن شرایط پروژه، خالص سازی خاک بستر تنها گزینه عملی و اقتصادی می باشد. در ادامه برای انجام عملیات بر روی خاک بستر مراحل زیر را پیشنهاد کردند:
الف) هدایت جریان آب به سمت بیرون
ب) آب بندی مجدد اتصالات باز و ترک ها
ج) تعویض صفحات بتنی آسیب دیده و خالص سازی خاک بستر تا عمق ۳۰ سانتی متر با مواد زیر:
*- خاک رس لای دار با پلاستیسیته پایین
*- آهک هیدراته بصورت ترکیب شده با مواد محلی (۲۵۰ کیلوگرم آهک به ازای هر متر مکعب از خاک)
*- سیمان پورتلند بصورت ترکیب شده با مواد محلی (۱۵۰ کیلوگرم سیمان پورتلند به ازای هر متر مکعب از خاک). پس از خالص سازی مناسب بستر، پوشش جدید می تواند اعمال شود.
*- بازدید دوره ای مقاطع سالم: مقطع بایستی از لحاظ وجود هرگونه ترک یا جابجایی احتمالی، مورد نظارت و مانیتورینگ قرار گیرد، تا در صورت وجود حفره های مخفی، ملات مناسب در آنها تزریق گردد.
کِرکز و فَست (Kerkes & Fassett’ ۲۰۰۶)، طی یک سری آزمایش پی بردند، که کاهش سریع ارتفاع آب یکی از شدیدتـــرین شرایط بارگذاری است که شیــب های خاکی می تواننـد تجربه کنند[۲]. جاری شدن سیل در رودخانه های مجاور که به یکباره باعث افزایش سطح آب می شود، به سرعت و به همان نسبت در زمان فروکش کردن سیلاب ها کاهش می یابد. در حالی که امکان توسعه سطوح گسیخته عمقی وجود دارد، اثر بر روی دامنه های خاکی جانبی اغلب به صورت خرابی های شیب نسبتاً کم عمق دیده می شود، که اگر بدون توجه بماند باعث تخریب شیب های خاکی کانال می شود. این وضعیت بیشتر در شیب بالادست سدهای خاکی و کانال های انتقال آب رخ می دهد. با این حال گسیختگی ها در شیب های طبیعی و یا مصنوع که در امتداد رودخانه ها و کانال های زهکشی ساخته شده توسط بشر می باشد، به عنوان یکی از پیامدهای سیل بسیار معمول است. وقوع سیل می تواند، سطح آب را در رودخانه ها و کانال های زهکشی برای مدت قابل توجهی از زمان بالا نگه دارد و سپس، نسبتاً به سرعت، در هنگامی که سیلاب ها فروکش کرد سطح آب را پایین بیاورد. اثر این طغیان بر روی شیب های خاکی کناره کانال ها، هم قبل و هم پس از کاهش ارتفاع آب، اصل وضعیت کاهش سریع ارتفاع آب می باشد. بنابراین، برای درک کاهش سریع ارتفاع آب در نظر گرفتند، که چه اتفاقی برای شیب خاکی و خاک تشکیل دهنده آن، هم از نظر مقاومت خاک و هم توسعه فشار منفذی می افتد.
حالت کاهش سریع ارتفاع آب با بهره گرفتن از دو روش مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت:
الف) حالت تنش کل
ب) حالت تنش مؤثر
روش تنش مؤثر را می توان برای هر دو اجرای بلند مدت و کوتاه مدت استفاده کرد. مشکل در استفاده از روش تنش مؤثر برای وضعیت کوتاه مدت در تعیین فشار منفذی است که برای وضعیت بارگذاری خاص وجود دارد. اغلب تصور می کنند که این مشکل را می توان با بهره گرفتن از مقاومت برشی زهکشی نشده و انجام تحلیل تنش کل برطرف کرد، با این حال، این رویکرد آنچنان که در ابتدا به نظر می رسد ساده نیست. تعیین مقدار مناسب برای مقاومت برشی زهکشی نشده برای استفاده در یک تجزیه و تحلیل افت سریع بسیار پیچیده تر از آن است که بسیاری می پندارند. به منظور استفاده از یک مقاومت برشی زهکشی نشده ابتدا نمونه خاک باید تحت حالت تنش موجود در شیب، قبل از کاهش سریع ارتفاع آب به تعادل برسد. توزیع تنش در خاک در طول شیب در پاسخ به عدم بارگذاری که به عنوان یک نتیجه از خاکبرداری برای کانال زهکــــشی شده رخ می دهد تغییر خواهد کرد. علاوه بر این، باید به حدی که درجه اشباع خاک از افزایش سطح آب در کانال تغییر کرده و همچنین به هر گونه نرمی در نتیجه برجستگی خاک های رس از انعطاف پذیری بالا، توجه شود. سپس باید آزمایش آزمایشگاهی در نمونه آزمون با همان تغییر در فشارها که در شیب در طول بارگذاری کاهش سریع ارتفاع آب رخ می دهد تکرار شود. مقاومت خاک هنوز توسط حالت تنش مؤثر نمونه اداره می شود، و اگر اجرای شرایط بارگذاری به درستی تکرارشود، سپس در تئوری، تغییر در فشارهای منفذی نمونه آزمون همان گونه که در این زمینه است رخ خواهد داد و همه اینها درمقاومت برشی زهکشی نشده به دست آمده از آزمون منعکس خواهد شد. متأسفانه، یک واقعیت دیگر که تجزیه و تحلیل را پیچیده می کند این است که قبل و در طول کاهش سریع، هم حالت اولیه تنش و هم تغییر در فشار منفذی در طول شیب در این زمینه متفاوت است. در نتیجه، یک مقدار از مقاومت برشی زهکشی نشده برای تمام شیب مناسب نیست. با در نظر گرفتن تغییرات فشار منفذی در خاک ممکن است، مناسب نباشد که به سادگی به بررسی توزیع فشار منفذی در شیب بلافاصله پس ازکاهش سطح آب بیرونی پرداخته شود. همچنین باید به شیوه ای که در آن تغییرات فشار منفذی در خاک به عنوان یک نتیجه از تنشهای برشی در طول بارگذاری بدست آمده توجه شود. در یک خاک اشباع شده که تمایل به تجربه افزایش حجم یا متسع شدن درزمان برش دارد (خاک متراکم یا تثبیت شده)، یک کاهش در فشار منفذی در نتیجه افزایش در فشارهای مؤثر وجود خواهد داشت، در حالی که فشار منفذی در خاک های اشباع شده تحت یک کاهش حجم در طول برش (خاک های شل و یا به طور معمول تثبیت شده) تمایل به افزایش خواهد داشت.
یکی از مزایای استفاده از تجزیه و تحلیل تنش مؤثر این است که مؤلفه های کلیدی از تجزیه و تحلیل می تواند به صورت جداگانه در نظر گرفته شود. درست مانند تجزیه و تحلیل تنش کل، انتخاب پارامترهای مقاومتی مناسب برای تجزیه و تحلیل تنش مؤثر نیز ضروری است. شواهد قابل توجهی نشان می دهد که مقاومت برشی بسیج شده در ثبات طولانی مدت خاکهای رس سفت در واقع کمتر از مقادیر اندازه گیری شده در آزمایشگاه است و یک گواهی عالی از این موضوع توسط مصری و شاهین (۲۰۰۳)[۹]، داده شده است. مشاهدات مشابه توسط استارک و دانکن (۱۹۹۱)[۱۰]، در بررسی آنها از یک لغزش رخ داده در شیب بالادست سد سان لوئیس درنتیجه کاهش ارتفاع آب بدست آمده است. استارک و دانکن به این نتیجه رسیدند که گسیختگی را می توان به کاهش مقاومت در یک خاک رس سفت با انعطاف پذیری بالا در فونداسیون نسبت داد که برای اولین بار خیس و نرم شده و سپس در معرض بارگذاری چرخه ای همراه با وقوع متعدد کاهش ارتفاع آب مخزن در طی یک دوره حدود ۱۴ ساله قرارگرفته است. در نتیجه، فقط به عنوان یک تجزیه و تحلیل تنش کل وقت آن است که، طراح شیوه ای را در نظر بگیرد که در آن پارامترهای مقاومت تنش مؤثر به احتمال زیاد در طول عمر پروژه تغییر می کند. شاید سخت ترین جنبه تجزیه و تحلیل تنش مؤثر، تعریف فشار آب منفذی در زمان کاهش سریع ارتفاع آب است، که ممکن است دلیل اصلی که برخی از طراحان روش فشار کل را ترجیح می دهند همین باشد. در حالی که تعدادی از عوامل این جنبه تجزیه و تحلیل را پیچیده می کنند، درک عناصر اساسی فشارهای منفذی و زهکشی دشوار نیست. در واقع، درک این مفاهیم اساسی طراح را به ایجاد برخی فرضیات ساده که می تواند تجزیه و تحلیل را تسریع کند، قادر می سازد.
یکی ازدلایلی که تجزیه و تحلیل تنش کل ممکن است برای مهندسان جذاب به نظر برسد، ایده اجتناب از موضوع توزیع فشار منفذی مرتبط با زهکشی شیب، مستقل از فشارهای منفذی است که ممکن است به عنوان یک نتیجه از تغییرشکل برشی بوجود آید. با ظهور روش های عددی کامپیوتری این مشکل مانند آنطورکه در ابتدا بود، هنگامی که راهی برای توسعه شبکه جریان برای افت ارتفاع آب نیازمند است ارعاب انگیز نیست. شکل (۳-۱) کاهش سریع ارتفاع آب شبکه جریان برای یک مدل از یک شیب خاکی به طور کامل اشباع شده بالای یک پی غیر قابل نفوذ را نشان می دهد. شبکه جریان الگوی زهکشی پس از کاهش لحظه ای را نشان می دهد، زمانیکه شیب شروع به زهکشی می کند. توجه داشته باشید که بالاترین خط پتاسیل هنوز هم در همان ارتفاع سطح آب قبل از افت است. به طور طبیعی، درجه ای که شیب در طول افت زهکشی می شود عملکرد نفوذپذیری خاک در شیب و سرعتی است که در آن سطح آب افت می کند، اما شبکه جریان در شکل (۳-۱) بدترین حالت را نشان می دهد، که در آن در واقع هیچ زهکشی صورت نگرفته است. فشار کل (Ht) در امتداد هر خط هم نیرو ثابت است و برابر با مجموع هد ارتفاع (he) و هد فشار (hp) در هر نقطه مربوطه در امتداد خط هم پتاسیل است که در معادله زیر بیان شده است[۳] :
تغییر در فشار کل نیز () بین خطوط هم پتاسیل در هر شبکه جریان داده شده ثابت است. در نتیجه، فاصله بین نقاط درجاییکه خطوط هم پتاسیل با سطح شیب برخورد می کند نیز باید ثابت و برابر با تغییر در هد ارتفاع () بین نقاط مربوطه باشد. دلیل این کار این است که پس از افت، هد فشار (hp) در تمام نقاط در امتداد سطح شیب، صفر درجه است (فشار اتمسفر)، بنابراین، از معادله ()، بزرگی فشار کل (Ht) باید برابر با هد ارتفاع (he) در نقطه ای که در آن خط هم نیرو با سطح شیب برخورد می کند باشد.
*- خط جریان: خطی است که ذرات آب در امتداد آن از بالادست به پایین دست در خاک نفوذپذیر جریان می یابد. در واقع مسیر تقریبی عبور آب در خاک را خط جریان می گویند.
*- خط هم پتانسیل: خطی است که نقاط واقع بر آن بار آبی یکسانی دارند(یعنی اگر پیزومترهای در روی نقاط واقع در روی یک خط هم پتانسیل نصب شود، تراز سطح آب در تمام پیزومترها یکسان خواهد بود).
شکل( ۳-۱ ): شبکه جریان برای یک شیب اشباع شده پس از کاهش لحظه ای [۳]
با اشاره دوباره به شکل ( ۳-۱ )، با توجه به نقطه ، یک فاصله پایین تقاطع سطح شیب و خط هم نیرو که بر آن نقطه قرار دارد، واقع شده است. از بحث قبلی ثابت شده است که مقدار هد () که در امتداد خط هم نیرو برابر است با هد ارتفاع (he) جاییکه در آن خط هم نیرو با سطح شیب متقاطع است، و بزرگی هد ارتفاع در نقطه (he @ A) به سادگی است، بنابراین، هد فشار در نقطه A(hp @ A) را می توان از معادله (۲-۳) به سادگی محاسبه کرد [۳] :
می دانیم که فشار منفذی به سادگی محصول سر فشار ( ) و واحد وزن آب است. فشار منفذی در نقطه در شکل (۳-۱)، به سادگی و بطورمحافظه کارآنه، () به عنوان فاصله عمودی بین نقطه و سطح شیب درست در بالای نقطه محاسبه شده است. از یک آزمایش از شبکه جریان در شکل (۳-۱) می توان مشاهده کرد که این تقریب در نقاط نزدیک به سطح شیب و در نزدیکی پای شیب خیلی بد نیست، اما در اعماق شیب، مانند نقطه ، تقریب می تواند کاملا محافظه کارآنه باشد. در این مثال خاص، ارزش تقریبی حدود پنجاه درصد بیشتر از فشار واقعی منفذی است. تقریب محافظه کارآنه تر است هنگامی که به کانال های زهکشی با دامنه های خاکی جانبی می رسد، برخلاف سدهای خاکی، به این دلیل که شیب کلی کانال ممکن نیست به طور کامل در طول زمان که در طی آن سطح آب در کانال در مرحله سیلاب است اشباع شود. در نتیجه، اگر فرض شود که شیب به طور کامل اشباع شده، سپس زیاد برآوردکردن فشارهای منفذی در عمق شیب می تواند برای سطوح گسیخته عمیق عوامل ایمن بسیارنگهدارنده ایجاد کند. همواره باید آن حدی را که منطقه اشباع احتمالا در طول دوره آب گرفتگی شیب کانال پیشروی می کند در نظر گرفته شود. تعدادی از عواملی که بر محل منطقه اشباع در شیب جانبی کانال به عنوان یک نتیجه از جاری شدن سیل تاثیر خواهند گذاشت، عبارتند از: (۱) نفوذ پذیری مواد در شیب، (۲) محل سطح آب زیرزمینی در شیب قبل از آبگیری، (۳) درجه اولیه اشباع در مناطق غیر اشباع، و (۴) مدت زمانی که سطح آب در کانال در مرحله سیل باقی می ماند.
این محققین به منظور بررسی اثر کاهش سریع سطح آب، یک شیب خاکی با ارتفاع ۲۰ فوت با شیب جانبی ۳/۵ افقی به ۱ عمودی در نظر گرفتند. حداکثر ارتفاع آب در کانال در زمان سیلاب ۱۵ فوت و سطح آب زیر زمینـــــی ۲ فوت پایین تر از کف کانال می باشد. درجه اشباع اولیــــه ۸۰% و برای خاک سه ضریب نفوذپذیری ( ) در نظر گرفته شد، شکل های ( ۳-۲ ) ، ( ۳-۳ ) و ( ۳-۴ ). سپس پیشرفت منطقه اشباع را به عنوان تابعی از زمان مورد بررسی قرار می دهند. با توجه به اینکه در یک شیب واقعی تقریباً انتظار نمی رود، اما نفوذپذیری را در سرتاسر شیب یکسان فرض کردند. یکی از عوامل مهم در این مسئله این است که ترک های ایجاد شده به احتمال زیاد بر روی شیب توسعه می یابند، بویژه در خاک های رسی با پلاستیسیته بالا، که بطور قابل ملاحظه ای پیشروی منطقه اشباع را تحت تأثیر قرار خواهد داد. این ترک ها معمولاً تا عمق چند فوتی گسترش خواهند یافت.
شکل ( ۳-۲ ): موقعیت منطقه اشباع به عنوان یک تابع از زمان، با سطح آب در کانال در مرحله سیل، نفوذپذیری خاکفوت در دقیقه [۳]
