بررسی آزمایشگاهی اثر خاک بر مقدار نشت آب از لوله‌های پلی اتیلن

امیر مهدوی : دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی عمران – آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران- amir.mahdavi@ut.ac.ir

میلاد لطیفی : دانشجوی دکتری، مهندسی عمران – آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

سید تقی (امید) نایینی : استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشکده های فنی، دانشگاه تهران

مقاله بررسی آزمایشگاهی اثر پارامترهای خاک بر مقدار نشت آب از لوله‌های پلی اتیلن چهاردهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، زاهدان02 تا 22 آبان 1394 ارائه شده است.
چکیده : نشت از لوله‌های آب تابع عوامل مختلفی مانند فشار آب، جنس لوله، نوع درز و ترک‌ها و رژیم جریان در محل درزها است. برای بررسی اثر این عوامل پژوهش‌های مختلفی انجام شده است. ولی تحقیقات قابل توجهی برای بررسی اثر مشخصات خاک اطراف لوله پلی اتیلن بر روی مقدار نشت از لوله انجام نگرفته است. در این تحقیق، با انتخاب چند نمونه خاک با مشخصات مختلف، نشت از لوله در شرایط آزمایشگاهی شبیه‌سازی شده است. در روابط بدست آمده از اثر فشار صرف نظر شده و از پارامترهای قطر ذرات ریزتر از 05 درصد دانه‌ها D50 شاخص خمیری PI و ضریب هدایت هیدرولیکی K خاک برای معرفی جنس خاک استفاده شده است. ملاحظه گردید که با تغییر این مشخصات در خاک اطراف لوله، مقدار نشت نیز تغییر می‌کند. در این تحقیق روابطی ارائه شده است که تاثیر پارامترهای فوق را در مقدار نشت از لوله نشان می‌دهد. همچنین نتایج تحقیق فوق نشان می دهد که این پارامترها در برآورد دبی نشت از اهمیت یکسانی برخوردارند.

کلمات کلیدی: نشت آب از لوله، پارامترهای خاک، ضریب هدایت هیدرولیکی، شبکه‌های توزیع آب, لوله پلی اتیلن

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
بحران آب و کاهش دسترسی به منابع آب شیرین به معضلی جهانی بدل شده است تا جایی که سازمان ملل برای هزاره سوم میلادی مشکل کم آبی را پیش بینی می‌کند . همچنین هزینه‌های بالای احداث سد، ایجاد خطوط انتقال، تصفیه و توزیع آب بین مصرف کنندگان، مدیران را بر آن داشته تا هرچه بیشتر از پدیده نشت و هدر رفت آب گرانبها جلوگیری کنند.
نشت، فرار فیزیکی آب از شبکه‌های توزیع و انشعابات مشترکین است که از طریق منافذ و ترک‌های طولی و پیرامونی و یا شکستگی‌های لوله‌ها،
.( انشعابات، شیرآلات و اتصالات شبکه، روی می‌دهد )نشریه 005 معاونت برنامه‌ریزی و نظارت راهبردی رییس جمهوری، 1391 برای آشنایی با پدیده نشت و دستیابی به رابطه‌ای دقیق برای توصیف دبی نشت مطالعات مختلفی صورت گرفته است. نشت یک لوله متاثر از فشار آب، مساحت و شکل ترک یا سوراخ، جنس لوله، دما و شرایط محیطی لوله خواهد بود. طبق آزمایشات انجام گرفته، فشار بیشترین تاثیر را بر میزان نشت دارد و با توجه به مفهوم اریفیس رابطه اساسی نشت- فشار تبیین گردیده است. سرعت خروج آب از یک اریفیس با استفاده از رابطه محاسبه می‌گردد.
.
با جمع‌بندی موارد ذکر شده ملاحظه میگردد که پژوهش‌های متعددی برای تعیین تأثیر متغیرهای مختلف از قبیل فشار درون لوله، جنس لوله،
نوع درز و ترک، زبری لوله، رژیم جریان برای پیشبینی دبی نشت انجام گرفته است. همچنین تلاش‌های گسترده‌ای برای یافتن روابط دقیق‌تری جهت توصیف نشت تحت اثر ترک‌ها، شکست و سوراخ‌های با ابعاد مختلف انجام شده است.
با توجه به ماهیت و مکانیسم نشت از لوله، جنس و خصوصیات ژئوتکنیکی خاک اطراف لوله می‌تواند در مقدار دبی نشت موثر باشد. این موضوع در تحقیقات گذشته چندان مورد توجه قرار نگرفته است. در این تحقیق، با ترتیب دادن تعدادی آزمایش تاثیر جنس خاک اطراف لوله در مقدار دبی نشت مورد بررسی قرار می‌گیرد.
روش شناسی
در پژوهش حاضر به بررسی آزمایشگاهی اثر خاک بر دبی نشت پرداخته شده است. برای این منظور، جنس لوله و ابعاد ترک (یا سوراخ) به صورت ثابت و خاک اطراف لوله به عنوان متغیر در نظر گرفته شده است. خاک‌ها به صورت دستی با ترکیب خاک‌های الک شده تهیه شده است و تلاش شده که این ترکیبها، بیشترین بازه انواع خاک را در برگیرد و نماینده طیف گسترده‌ای از مناطق و زمینها از قبیل درشتدانه و ریزدانه باشند. پارامترهای دانه‌بندی، نفوذپذیری و حدود روانی و خمیری خاک به عنوان عوامل و متغیرهای موثر در معرفی جنس خاک در نظر گرفته شده است.
به منظور انجام آزمایشها، یک مجموعه آزمایشگاهی به صورت یک شبکه تک حلقه‌ای متشکل از مخزن، پمپ، دو عدد شیر فلکه، فشارسنج و یک جعبه جهت شبیه سازی محیط خاکی ساخته شده است. 

به منظور شبیه سازی شرایط آزمایش با شرایط میدانی موجود در شهرها، از لوله پلی اتیلن استفاده شده است که در حال حاضر پرکاربردترین جنس در شبکه‌های آب شهری است. بر روی لوله بوسیله مته، سوراخی به شکل دایره و با قطر 1 میلیمتر ایجاد شده است. لازم به ذکر است قطر سوراخ به صورت تجربی با انجام تعدادی آزمایش برای قطرهای مختلف بدست آمده است به این ترتیب که در قطرهای بالا به دلیل سرعت زیاد بوجود آمده مسئله آب شستگی در خاک مطرح بوده است. به منظور زهکشی و تخلیه آب از جعبه، در کف آن سوراخی تعبیه گردید و دبی به صورت دستی و بوسیله بشر یک لیتری اندازه‌گیری شد.
برای دست یابی به دانه‌بندی مورد نظر مقدار لازم از هر قطر ذرات خاک ترکیب شدند. با توجه به تست‌های مقدماتی، برای رسیدن به حداکثر  تراکم بین 17 درصد (در خاکهای درشتدانه) تا 22 درصد وزنی (در خاکهای ریزدانه) آب اضافه شد. پس از ترکیب، خاک در سه لایه (مشابه آزمایش پروکتور استاندارد) داخل جعبه ریخته و با شرایط خاص کوبیده و متراکم شدند.
در اولین آزمایش دبی تخلیه در هوای آزاد مورد بررسی قرار گرفت. سپس سه نوع خاک با دانه‌بندی‌های مختلف داخل جعبه ریخته شده و بوسیله کوبه متراکم شدند. 

نتیجه گیری
در این تحقیق اثر پارامترهای جنس خاک بر میزان نشت از لوله‌ها مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور با انتخاب چند نمونه خاک، نشت از لوله در حضور خاک در آزمایشگاه شبیه‌سازی شد. برای حذف اثر تغییرات فشار، بر میزان نشت از خاک‌های مختلف، یک توان واحد برای فشار در رابطه نشت – فشار برای تمامی خاک‌ها محاسبه شد. سپس با لحاظ نمودن پارامترهای شاخص خمیری و ضریب هدایت هیدرولیکی خاک روابطی بین دبی نشت و هریک از پارامترهای جنس خاک بدست آمد. در این روابط، تاثیر مشخصات خاک و تغییرات آنها بر میزان دبی نشت بخوبی ملاحظه گردید. به نحوی که در خاک‌های درشت‌دانه‌تر مقدار نشت از لوله بیشتر از خاک‌های ریزدانه‌تر بدست آمد. همچنین در خاکهای دارای شاخص خمیری بالاتر، مقدار نشت کمتری بدست آمد که میتواند ناشی از افزایش مقدار ریزدانه‌ها در خاک و مقاومت خاک ریزدانه در زهکشی نشتاب باشد.  براساس  نتایج بدست آمده افزایش چسبندگی در خاک‌های دانه‌ای یا بخش ریزدانه خاک موجود یا به عبارتی افزایش سهم رس نسبت به سیلت در بخش ریزدانه خاک میتواند موجب کاهش نشت شود. همچنین ملاحظه گردید که در خاک‌های دارای ضریب هدایت هیدرولیکی بالاتر، مقدار نشت بیشتری اندازه‌گیری شده است.
در نهایت ملاحظه گردید، با توجه به ضریب همبستگی بدست آمده در روابط، از هر سه پارامتر شاخص خمیری و ضریب هدایت هیدرولیکی میتوان برای وارد کردن اثر خاک بر رابطه نشت – فشار بهره برد.
مراجع

1. Thornton J. and Lambert A. (2005), “Progress in practical predictions of pressure leakage, pressure: Burst frequency
and pressure: Consumption,” IWA Conference Proceedings.
2. Hiki S. (1981), “Relationship between leakage and pressure,” J. Japan Waterworks Assoc.
3. Germanopoulos G. (1985), “A technical note on the inclusion of pressure dependent demand and leakage terms in
water supply network models,” Civ. Eng. Syst., vol. 2, no. 3, pp. 171–179,
4. A. Lambert A. (2001), “What do we know about pressure-leakage relationships in distribution systems,” Conf. n Syst.
approach to leakage Control water.
5. Giustolisi O, Savic D, and Kapelan Z. (2008), “Pressure-Driven Demand and Leakage Simulation for Water
Distribution Networks,” J. Hydraul. Eng., vol. 134, no. 5, pp. 626–635.
6. May J. (1994), “Pressure dependent leakage,” World Water & Environmental Engineer, vol. 17, no. 8. p. 10.
7. Ardakanian R. and Ghazali A. (2004) , “Pressure-Leakage Relation in Urban Water Distribution Systems,” in New
Pipeline Technologies, Security, and Safety, American Society of Civil Engineers, pp. 304–312.
8. Sendil U. and Al-Dhowalia K. (1992), “Relationship between pressure and leakage in a water distribution network,”
Proc. AWWA Conf.
9. De Paola F. and Giugni M. (2012), “Leakages and pressure relation: an experimental research,” Drink. Water Eng.
Sci., vol. 5, no. 1, pp. 59–65.
10. Kleiner Y. and Rajani B. (2002), “Forecasting Variations and Trends in Water-Main Breaks,” J. Infrastruct. Syst., vol.
8, no. 4, pp. 122–131.
11. Idelchik I. E. (1995), “Handbook of hydraulic resistance,” I. E. Idelchik. 1995. Handb. Hydraul. Resist. Fuel Energy
Abstr. 36 302., vol. 4, no. 36, p. 302.
12. R. Buckley R. (2007), “Theoretical investigation and experimentation into the expansion of round holes and cracks
within pressurised pipes,”
13. “ASTM D2487 – 11 Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification
System).”
 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید