کالورت بتنی

امروزه یکی از چالش های اساسی در مدیریت بحران، کنترل صحیح و هدایت جریان آب های سطحی و روان آب ها و عدم مسدود سازی این شریان ها می باشد، استاد گرانقدر آقای احمد حامی در کتاب مصالح ساختمانی انتشارات دانشگاه تهران بیان می کند که تخریب مسیر جریان آب و یا تخریب رودخانه می تواند منجر به تخریب خانه شما شود! از طرف دیگر و با پیشرفت چشمگیر تکنولوژی حمل و نقل، بزرگراه ها، ریل های راه آهن و جاده های دسترسی جزو شریان های حیاتی یک کشور محسوب شده و از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند، حال تقاطع این دو جریان مهم را تصور کنید یعنی تقاطع مسیر عبور روان آب و جاده (یا راه آهن)؛ هر کدام از این جریان ها به نوبه خود از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و می بایست همواره بدون مداخلات و مخصوصا در زمان بحران به درستی کار کنند، جهت کنترل هرچه بهتر هر دو جریان، این تقاطع ها عمدتاً غیر همسطح بوده و مسیر عبور آب از زیر جاده خواهد بود که برای این منظور از سازه هایی با نام کالورت استفاده می شود که وظیفه هدایت جریان آب های سطحی، آب های زراعی و روان آب ها به پایین دست را بر عهده دارند.

 

کالورت چیست

کالورت سازه ای است که جریان سیال را در زیر جاده یا راه آهن هدایت می کند و ممکن است به عنوان یک پل کوچک برای عبور وسایل حمل و نقل و ترافیکی از روی آن عمل کند، کالورت ها معمولا در مسیر جریان طبیعی آب از بالادست جریان به پایین دست جریان احداث شده و وظیفه کنترل جریان سیالات (آب های جاری، آب های زراعی و روان آب های ناشی از بارش نزولات جوی) را بر عهده دارند. در حین اجرای عملیات ترافیکی به منظور احداث جاده یا خط راه آهن عمدتا در برخی مقاطع، خاکریز هایی ایجاد می شود و از آنجایی که نباید وجود خاکریز ها مانع جریان آب و عبور سیلاب گردند، سازه کالورت ایجاد می گردد.

علت اصلی احداث کالورت در واقع حفظ مسیر طبیعی جریان آب می باشد، در مقیاس بزرگ رودخانه و در مقیاس کوچک نهر آبی را در نظر بگیرید؛ این مسیر که به طور طبیعی و در اثر گذشت سالیان متمادی ایجاد شده نباید دستخوش تغییرات انسانی گردد، چرا که بروز هرگونه تغییر در مسیر رواناب می تواند آثار مخربی به همراه داشته و همانطور که در سال های اخیر در کشور شاهد هستیم با جاری شدن سیلاب، آثار غیر قابل جبرانی به بار آورد.

کالورت میتواند به منظور حفظ یکپارچگی سطح جاده و جلوگیری از بروز شیب های تند، سطح دو خاکریز را به یکدیگر متصل کرده و علاوه بر ایجاد مسیری مطمئن جهت عبور جریان آب، به فرآیند عملیات احداث جاده یا راه آهن نیز کمک شایانی نماید، بر این اساس اجزای اصلی سازه کالورت عبارتد از؛

• شانه ی پیاده روی سازه
• جان پناه سازه
• دیواره اصلی
• دیواره جانبی
• تاج سازه
• پیش آمدگی سازه
• خاکریز جاده
• ورودی کالورت
• مسیر اصلی جریان آب
• خروجی کالورت
• فونداسیون سازه

کالورت و سیلاب

کالورت می تواند مثل یک زهکش دائمی برای کنترل جریان آب رفتار کند و همچنین می تواند به منظور حفاظت و بهره برداری مفید، مدفون در خاک باشد که این امر به مطالعات زمین شناسی و آبخیزداری منطقه احداث سازه کالورت بستگی دارد. اگر در مسیر جریان آب کالورت ایجاد نشده و با عملیات خاکی مسیر مسدود گردد چه اتفاقی می افتد؟ پاسخ ساده است. با انباشته شدن جریان آب در بالادست، خاکریز و لایه های سازه ای همچون اساس و زیر اساس به تدریج فرسوده شده و از بین خواهند رفت. این تازه شروع کار است؛ با فرسودگی لایه های زیرین، سطح نهایی جاده و یا ریل راه آهن به شدت آسیب پذیر شده و در مقابل بارهای وارده تدریجاً تخریب شده و بعضا راه های دسترسی مسدود می گردد. باز هم اینجا پایان ماجرا نیست؛ مواردی که ذکر شد متاثر از زمان بوده و در صورت وجود بازرسی های دوره ای و مشاوره با تیم مهندسی شرکت هیلتی ایران ، امکان اصلاح وجود خواهد داشت. اما طی چند سال اخیر شاهد بارش نزولات جوی و جاری شدن سیلاب هستیم، حال اگر سیلاب در محل ذاتی خود قرار گیرد آثار مخربی نخواهد داشت، اما وقتی سیلاب درون نهر جاری شده و پس از شدت گرفتن موضعی به بن بستی میرسد که ناشی از ساخت و ساز و یا عدم وجود کالورت بوده و مسیر عبور جریان آب را مختل کرده باشد، سیلاب چاره ای جز طغیان و ویرانی نخواهد داشت…

 

کالورت زیر جاده

کالورت زیر جاده با هدف هدایت جریان های آب، امروزه با مسایل دیگری نیز روبرو شده است؛ با رشد روز افزون تکنولوژی و گسترش خط های راه آن و هم چنین رشد تکنولوژی قطارها، امروزه سرعت برخی قطارها تا ۳۰۰ کیلومتر در ساعت رسیده و بار محوری واگن ها تا ۳۰ تن افزایش یافته است، حال کالورت بتنی زیر جاده که دوره عملیاتی آن تا ۱۰۰ سال ضروری است باید قابلیت این افزایش بارها را داشته باشد. از سوی دیگر وجود ممتد جریان سیلاب، آب های سطحی و زراعی از بالا دست به پایین دست پارامترهای طراحی و بهره برداری کالورت زیر جاده را تحت تاثیر قرار داده و سازه را دچار فرسایش نموده است.

با تحت تاثیر قرار گرفتن کالورت زیر جاده، محدودیت سرعت مجاز جهت عبور و مرور و تردد اعمال شده که این امر می تواند ظرفیت ترانزیتی جاده یا راه آهن را کاهش دهد. طی تحقیق صورت گرفته در سال ۲۰۰۵ الی ۲۰۱۵ در ایالت کارولینای شمالی، کاهش ظرفیت باربری کالورت های زیر جاده ناشی از فرسودگی در دوره تحقیق تقریبا دو برابر شده و تاثیرات چشمگیری روی سامانه های حمل و نقلی و ظرفیت جابجایی محموله در ایالت مذکور را داشته که بر این اساس افزایش نیاز به ارائه راهکارهای نوین برای تعمیر و تقویت کالورت زیر جاده کاملاً مشهود است. تیم مهندسی گروه تخصصی هیلتیران قادر است تا میزان آسیب کالورت بتنی زیر جاده را بررسی دقیق نموده و کاهش ضرایب باربری را مشخص نماید.

کالورت بتنی

کالورت بتنی مرسوم ترین سیستم اجرای کالورت در کشور ما می باشد، چرا که امروزه بتن به عنوان دومین ماده پرمصرف در دنیا شناخته شده، مصالح تشکیل آن در کشور به وفور و با قیمت مناسب یافت شده و همچنین سازه کالورت بتنی در برابر آسیب های محیطی همچون بارندگی های شدید، برف و یخبندان مقاوم است. در ادامه باید اشاره کرد که سازه کالورت بتنی قادر به مقاومت در برابر تنش هاییست که می تواند باعث آسیب به دیواره و مجرای عبور سیلاب شود. در اجرای کالورت بتنی معمولا چند رشته آرماتور به موازات مسیر اصلی جاده در تاج کالورت جایگذاری شده تا ظرفیت باربری کالورت ناشی از عبور وسایل نقلیه افزایش یابد. نکته اساسی در انتخاب کالورت بتنی انعطاف پذیری بتن و امکان ایجاد سازه کالورت بتنی متناسب با شرایط محیطی و مطالعات زمین شناسی است.

از سوی دیگر امکان کاشت میلگرد در کالورت بتنی به منظور مقاوم سازی، افزایش مقطع و ژاکت های بتنی جهت افزایش ضرایب باربری از دیگر ویژگی های مهم این سازه به شمار می رود که میتواند منجر به افزایش قابلیت تحمل ماشین آلات و یا واگن های روی سطح جاده شده و ظرفیت ترافیکی مقطع را افزایش دهد. در نهایت به عنوان آخرین عامل مهم در سازه کالورت بتنی می توان به امکان اجرای انواع پوشش های کامپوزیتی روی دیواره و کف کالورت به منظور افزایش مقاومت در برابر سایش و نفوذناپذیر نمودن سازه بتنی اشاره کرد.

بهسازی کالورت

در بهسازی کالورت موضوع مهمی که باید مورد توجه قرار گیرد، ضرایب ایمنی تاسیسات به ویژه در نوع کالورت های لوله ای می باشد، بهسازی کالورت با روند فعلی تغییر اقلیم در کشور و در نتیجه سرازیر شدن سیلاب‌های فصلی و موسمی، پراهمیت تر شده و زمانی که میزان بارندگی روزانه و ماهانه چندین برابر مقادیر متوسط باشد، باعث جاری شدن سیلاب شده و آبگرفتگی معابر و شریان های حیاتی ترافیکی افزایش می یابد. بهسازی کالورت بتنی زمانی اهمیت می یابد که بدانیم این سازه ها عمدتا مورد بهره‌برداری طولانی ‌مدت قرار می گیرند، نکته حایز اهمیت اینکه بسیاری از کالورت های موجود در سطح کشور بیش از  ۱۰۰ سال مورد بهره‌برداری قرار می گیرند.

بهره برداری طولانی مدت بدون بهسازی کالورت، منجر به فرسودگی فیزیکی قابل توجه سازه های کالورت بتنی شده که می تواند آثاری همچون کاهش ظرفیت های بهره برداری و محدودیت تردد را به همراه داشته باشد. از این رو برای بهینه سازی ظرفیت باربری، نیاز به فناوری های نوین در خصوص بهسازی کالورت شدیدا احساس می شود که نتیجتاً بتوان قابلیت اطمینان شریان های حیاتی کشور یعنی جاده ها و مسیر های راه آهن در شرایط بحران، علی الخصوص بحران های مربوط به جاری شدن سیلاب در اقصی نقاط کشور پس از بارش های موسمی را تضمین نمود.

مقاوم سازی کالورت

مقاوم سازی کالورت موضوع بسیار حایز اهمیتی می باشد، چرا که افزایش باران های موسمی و سرازیر شدن سیلاب از یکسو و اعمال فشارهای استاتیکی و دینامیکی ناشی از عبور وسایل حمل و نقل از سوی دیگر می تواند این سازه را تحت تاثیر قرار دهد، مقاوم سازی کالورت از دو منظر متفاوت قابل بررسی خواهد بود. در منظر اول سازه کالورت تحت بارهای دینامیکی و استاتیکی و به مرور زمان ناشی از اثرات کهولت سنجی فرسوده شده و اتصالات سازه ای و اجزای باربر باید مورد بررسی قرار گرفته و ظرفیت های باربری ناشی از عبور وسایل نقلیه از روی سازه باید کنترل گردند.

برای مقاوم سازی کالورت بتنی در این حالت عمدتا از روش های حجمی استفاده می شود، در روش های حجمی با افزایش ضریب مقاطع سعی در افزایش ضرایب باربری خواهیم داشت؛ کاشت میلگرد جهت مقاوم سازی کالورت ها یکی از بهترین روش های حجمی باشد که عمدتا در دیواره و یا در کف کالورت، عملیات کاشت میلگرد انجام شده و با آرماتور بندی و بتن ریزی مجدد و ایجاد ژاکت بتنی، سازه کالورت پایداری ارتعاشی مطلوب تری داشته و در برابر بارهای وارده ناشی از ترافیک وسایل نقلیه، عملکرد بهتری خواهد داشت.

منظر دیگر در بحث مقاوم سازی کالورت ، مقاوم سازی دیواره و کف سازه در برابر نیروهای سایشی می باشد؛ در پی افزایش جریان عبوری سیالات از داخل سازه کالورت بتنی، نیروهای سایشی افزایش پیدا کرده که این امر می تواند یکپارچگی بدنه سازه را تحت تاثیر قرار داده و منجر به بروز ترک در سازه گردد، به محض ایجاد ترک و ترک های مویی در سازه کالورت جریان سیال از سد یکپارچگی بدنه سازه عبور کرده و با نشت در دیواره، کف و یا حتی سقف کالورت عملکرد سازه را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد.

به منظور مقاوم سازی کالورت در برابر بارهای سایشی عمدتا از کوتینگ ها یا روکش های سازه ای استفاده می شود، روکش های محاظ کامپوزیتی که عمدتا مستخرج از فرآورده های پتروشیمی می باشند می توانند مقاومت سایشی دیواره کالورت را تا حد قابل توجهی افزایش داده و مانع از نشت جریان به داخل بدنه کالورت شوند. پر واضح است که راهکار جامع یا از پیش تعیین شده ای برای مقاوم سازی کالورت وجود نداشته و علی رغم طرح موضوعات بالا، هر سازه باید توسط کارشناسان گروه تخصصی هیلتیران بررسی شده و پس از آسیب شناسی موضعی، راهکار بهینه جهت مقاوم سازی کالورت بتنی ارائه گردد.

کالورت بتنی پیش ساخته

کالورت بتنی پیش ساخته یکی از پرکاربردترین و مقرون به صرفه ترین محصولات بتنی پیش ساخته با کارایی سازه ای در بازار امروز هستند، یکپارچگی سازه ای قابل اعتماد، انعطاف‌پذیری در طراحی و سهولت اجرا در این نوع کالورت ها منجر به صرفه‌جویی قابل ‌توجه در هزینه پروژه های پرشتاب زیر ساخت امروزی می شود و به همین منظور در راستای بکارگیری اصول مهندسی ارزش به منظور افزایش کیفیت زیر ساخت های جاده ای در برابر کنترل هزینه، استفاده از کالورت بتنی پیش ساخته رو به افزایش است.

از جمله موارد استفاده از کالورت بتنی پیش ساخته می توان به موارد زیر اشاره کرد؛

• مسیر های بزرگراه و راه آهن
• زهکشی طوفان و مسیر عبور سیلاب
• ایجاد زیرگذرهای عابر پیاده
• احداث تونل های شهری
• جمع آوری آب های زیرزمینی
• سازه های انباشت آب

از جمله ویژگی های حایز اهمیت کالورت بتنی پیش ساخته سهولت در اجرا و سرعت بالای نصب و بهره برداری است. گاهاً دیده شده برای اجرای سازه کالورت در یک مسیر ریلی و یا بزرگراه، مسیر دسترسی تا ۶۰ روز جهت اجرای عملیات مسدود می گردد که این فرآیند منطقه عملیات را با مشکلات عدیده ای روبرو می کند که سازه کالورت بتنی پیش ساخته راه حل بسیار خوبی برای حل این قبیل مشکلات می باشد چرا که با مطالعات زمین شناسی منطقه و طراحی اولیه سازه، کالورت در محل کارخانه و به صورت پیش ساخته قالب بندی، بتن ریزی و عمل آوری شده و در کمتر از ۱۰ روز پس از اجرای فونداسیون در محل نصب و راه اندازی می گردد.

یکی دیگر از ویژگی های مهم کالورت بتنی پیش ساخته اجرای دهانه های بلند می باشد، چرا که دهانه کالورت شدیداً متاثر از دبی جریان عبوری در حالت بحرانی و علی الخصوص در حال جاری شدن سیلاب می باشد، این در حالی است با اجرای کالورت بتنی پیش ساخته با دهانه بلند، کمتر به استفاده از فرآیند شمع کوبی در اطراف دهانه کالورت نیاز داشته و همین امر سبب می شود تا  مداخلاتی در فرآیند عملکرد سفره های آب زیر زمینی ایجاد نگرد. بر اساس مطالعات مهندسی ارزش تیم مهندسی گروه تخصصی هیلتیران، در صورت طراحی کالورت بتنی پیش ساخته به صورت قطعات پازلی و نصب و تکمیل در حل پروزه می توان تا حد زیادی به سمت هزینه اقتصادی حرکت کرد؛ با چند قطعه سازی کالورت بتنی پیش ساخته همچون تصویر بالا هزینه های حمل قطعات به شدت کاهش یافته و در زمان با استفاده از جرثقیل های سبک تر می توان قطعات کالورت بتنی را روی هم سوار و با استفاده از المان های کششی محکم کرد.

طراحی هیدرولیکی کالورت

طراحی هیدرولیکی کالورت بر اساس استاندارد مدیریت بزرگراه های فدرال آمریکا FHWA پارت زیر ساخت، با دو فرضیه تعریف می شودکه عبارتند از کنترل جریان ورودی و یا کنترل جریان خروجی؛ کنترل جریان ورودی خود یک عامل تعیین کننده است چرا که بر اساس معیارهای طراحی و موقعیت زمین شناسی منطقه احداث، مشخص می کنیم که چقدر آب امکان ورود به تجمع در بالادست و ورودی دهانه سازه را دارد، اما در کنترل جریان خروجی وضعیت این چنین نیست بلکه با استفاده از فرمول های هیدرولیکی و محاسبه شدت جریانی که از ورودی به داخل کالورت سرازیر می شود قابل ارزیابی است. رویکرد طراحی هیدرولیکی کالورت ابتدا به ساکن شامل محاسبه ارتفاع آب ورودی در بالادست سازه کالورت می باشد و فرض بر اینست که کنترل جریان ورودی حاکم است. در ادامه ارتفاع سرریز نیز با این فرض که کنترل خروجی حاکم است، بدست آمده و این دو مقدار با یکدیگر مقایسه شده و مقدار بالاتر به عنوان مبنای طراحی هیدرولیکی کالورت انتخاب می شود.

طراحی هیدرولیکی کالورت بتنی اغلب بر اساس دبی عبوری طرح انجام می شود، نکته قابل توجه اینکه در دبی عبوری طرح، افزیش عمق غیر قابل قبول در بالادست مد نظر قرار نخواهد گرفت، بنابراین، برای اینکه بتوان یک طراحی هیدرولیکی کالورت بدون نقص داشته باشیم، عمق آب تخلیه طراحی باید به طور قابل اعتمادی پیش‌بینی شده و ضرایب اطمینان لحاظ گردد؛ در کشور ما عموماً ضریب اطمینان تخلیه طراحی برای حالت سیلاب برابر ۳ درصد سالانه می باشد. برآورد دقیق عمق تخلیه آب بالادست، طراح کالورت را مطمئن می سازد که دبی جریان عبوری در حالت سیلاب به طور ایمن و بدون تجاوز به خاکریز از داخل سازه کالورت عبور می کند.