محاسبه‌گر ریپراپ - ابزار اندازه سنگ D50 و تناژ

محاسبه‌گر کنترل فرسایش با قلوه‌سنگ رودخانه‌ای

قلوه‌سنگ رودخانه‌ای به سنگ‌های رهاشده‌ای گفته می‌شود که برای جلوگیری از فرسایش روی شیب، بستر کانال یا خط ساحلی قرار می‌گیرند. محاسبه‌گر کنترل فرسایش با قلوه‌سنگ رودخانه‌ای مقدار سنگ موردنیاز پروژه، شامل اندازه سنگ لازم، حجم سنگ و تناژ قابل سفارش را بر اساس ابعاد پروژه، زاویه شیب و وضعیت جریان آب محاسبه می‌کند.

کاربرد قلوه‌سنگ رودخانه‌ای

فرسایش زمانی رخ می‌دهد که آب جاری ذرات خاک را از کناره، شیب یا کانال جدا کند. قلوه‌سنگ رودخانه‌ای با پوشاندن خاک به‌وسیله سنگ‌های سنگین و گوشه‌دار با این فرایند مقابله می‌کند. سنگ‌ها در هم قفل می‌شوند و اجازه می‌دهند آب از فاصله‌های میان آن‌ها عبور کند؛ بنابراین این لایه نیروی جریان را جذب می‌کند، نه خاکِ بدون پوشش زیرین را.

مهندسان یک لایه قلوه‌سنگ رودخانه‌ای را با D50، یعنی اندازه میانه سنگ، توصیف می‌کنند. نیمی از سنگ‌های مخلوط از اندازه D50 سنگین‌تر و نیمی از آن سبک‌تر هستند. D50 از بزرگ‌ترین سنگ موجود در توده مهم‌تر است، زیرا قلوه‌سنگ رودخانه‌ای به‌صورت یک مجموعه عمل می‌کند: سنگ‌های کوچک‌تر فاصله‌های میان سنگ‌های بزرگ‌تر را پر می‌کنند و همین درهم‌قفل‌شدن مانع لغزش یا شسته‌شدن کل لایه می‌شود.

قلوه‌سنگ رودخانه‌ای در اطراف خروجی آب‌روها، در امتداد کناره جویبارها، زیر پایه‌های پل، روی پوشش کانال‌ها و در خط‌های ساحلی در معرض موج دیده می‌شود.

محاسبه‌گر چگونه کار می‌کند

این محاسبه‌گر چهار ورودی می‌گیرد: طول، عرض و عمق ناحیه‌ای که باید پوشانده شود (همه برحسب فوت)، زاویه شیب (برحسب درجه) و وضعیت جریان: کم، متوسط یا زیاد.

حجم. محاسبه‌گر طول، عرض و عمق را در هم ضرب می‌کند تا فوت مکعب به دست آید، سپس حاصل را بر ۲۷ تقسیم می‌کند تا به یارد مکعب تبدیل شود؛ این همان واحدی است که تأمین‌کنندگان سنگ معمولاً اعلام می‌کنند.

$\text{حجم (یارد مکعب}^3\text{)} = \frac{\text{طول} \times \text{عرض} \times \text{عمق}}{27}$

اندازه سنگ D50. محاسبه‌گر به‌جای درخواست سرعت دقیق آب، از سه بازه جریان استفاده می‌کند که هرکدام به یک اندازه پایه سنگ مربوط‌اند:

سپس اندازه پایه بر اساس زاویه شیب اصلاح می‌شود. سنگی که روی شیب قرار دارد، در مقایسه با سنگ روی زمین مسطح اصطکاک کمتری برای نگه‌داشتن خود دارد؛ بنابراین شیب‌های تندتر به سنگ‌های بزرگ‌تری نیاز دارند. محاسبه‌گر ضریب اصلاح شیب K1 را اعمال می‌کند:

$K_1 = \sqrt{1 - \frac{\sin^2(\theta)}{\sin^2(\phi)}}$

$D_{50} = \frac{\text{باز } D_{50}}{K_1}$

در اینجا θ زاویه شیب واردشده توسط کاربر است و φ برابر ۴۰ درجه، یعنی زاویه سکون مورد استفاده محاسبه‌گر، است. زاویه سکون بیشترین زاویه‌ای است که در آن سنگ ریخته‌شده به‌طور طبیعی در جای خود می‌ماند. روی زمین مسطح (θ = ۰°)، مقدار K1 برابر ۱ است؛ بنابراین D50 با اندازه پایه برابر می‌شود. با نزدیک‌شدن زاویه شیب به ۴۰°، مقدار K1 به صفر نزدیک می‌شود و D50 موردنیاز بدون حد افزایش می‌یابد.

در ۴۰° یا شیب‌های تندتر، اصلاً پاسخی وجود ندارد. محاسبه‌گر در این حالت اندازه سنگ و رده سنگ را پنهان می‌کند و به‌جای آن هشدار نشان می‌دهد: هیچ سنگی، هرقدر هم بزرگ باشد، روی شیبی با این تندی در جای خود نمی‌ماند؛ بنابراین محل به‌جای سنگ‌های رهاشده به راهکار سازه‌ای، مانند پوشش بتنی یا دیوار گابیونی، نیاز دارد. حجم و تناژ همچنان گزارش می‌شوند، زیرا هیچ‌یک به اندازه سنگ وابسته نیستند.

K1 ضریب اصلاح شیب جانبی است که در راهنمای سپاه مهندسی ارتش ایالات متحده EM ۱۱۱۰-۲-۱۶۰۱ و در «دستورالعمل ملی مهندسی» خدمات حفاظت از منابع طبیعی، بخش ۶۵۴، پیوست فنی ۱۴C، به کار می‌رود. این ضریب از تحلیل نیروی کششی منتشرشده توسط Lane در ۱۹۵۵ به دست آمده است: برای جداکردن سنگی که روی شیب جانبی قرار دارد، نیروی کمتری نسبت به سنگ روی بستر مسطح لازم است؛ بنابراین اندازه سنگ باید به ضریب ۱/K1 بزرگ‌تر شود. TS14C همین ضریب را بر اساس نسبت شیب جدول‌بندی می‌کند؛ برای نمونه، ۰٫۸۷ در ۳H:۱ V (۱۸٫۴°)، ۰٫۷۲ در ۲H:۱ V (۲۶٫۶°) و ۰٫۵۲ در ۱٫۵H:۱ V (۳۳٫۷°).

رده اندازه سنگ. محاسبه‌گر مقدار D50 را در یکی از پنج رده نام‌گذاری‌شده قرار می‌دهد:

تناژ. محاسبه‌گر با استفاده از چگالی ثابت سنگِ کارگذاری‌شده، یعنی ۱٫۵ تن (۱٫۳۶ t) به ازای هر یارد مکعب، حجم را به وزن تبدیل می‌کند؛ این مقدار در بخشنامه مهندسی هیدرولیک ۱۵ اداره بزرگراه‌های فدرال آمریکا (FHWA) به کار رفته است. این چگالی با اندازه سنگ تغییر نمی‌کند. سنگ‌های بزرگ‌تر فاصله‌های بزرگ‌تری میان قطعات دارند؛ بنابراین یک یارد مکعب قلوه‌سنگ رودخانه‌ای بزرگ و یک یارد مکعب قلوه‌سنگ رودخانه‌ای کوچک پس از اجرا تقریباً وزن یکسانی دارند. (اندازه‌گیری‌های میدانی، بسته به دانه‌بندی و میزان فشردگی سنگ، از حدود ۱٫۲ تا ۱٫۷ تن به ازای هر یارد مکعب تغییر می‌کنند؛ محاسبه‌گر از مقدار میانی ثابت ۱٫۵ استفاده می‌کند.)

$\text{تناژ} = \text{حجم (یارد مکعب}^3\text{)} \times 1.5$

مثال حل‌شده

ناحیه‌ای برای حفاظت از کناره جویبار را در نظر بگیرید که ۵۰ فوت (۱۵ m) طول، ۲۰ فوت (۶٫۱ m) عرض و عمق قلوه‌سنگ رودخانه‌ای آن ۲ فوت (۰٫۶۱ m) است، شیب آن ۲۵° و جریان آن متوسط است (۵–۱۰ فوت/ثانیه).

حجم:

$\frac{50 \times 20 \times 2}{27} = \frac{2000}{27} \approx 74.1 \text{ yd}^3$

D50:

$K_1 = \sqrt{1 - \frac{\sin^2(25^\circ)}{\sin^2(40^\circ)}} = \sqrt{1 - 0.4323} \approx 0.7535$

$D_{50} = \frac{9}{0.7535} \approx 11.9 \text{ اینچ}$

این مقدار در بازه ۸–۱۲ اینچ قرار می‌گیرد؛ بنابراین محاسبه‌گر رده III – قلوه‌سنگ رودخانه‌ای بزرگ را گزارش می‌کند.

تناژ:

$74.1 \times 1.5 \approx 111.1 \text{ تن}$

برای این پروژه، محاسبه‌گر تقریباً سنگ D50 برابر با ۱۱٫۹ اینچ، حجم ۷۴٫۱ یارد مکعب (۵۶٫۷ m³) و ۱۱۱٫۱ تن (۱۰۱ t) سنگ را گزارش می‌کند.

راهنمای اجرا

محاسبه‌گر در کنار اعداد، نکات اجرایی متناسب با ورودی‌ها را فهرست می‌کند. هر نتیجه شامل قرار دادن ژئوتکستایل در زیر قلوه‌سنگ رودخانه‌ای برای جلوگیری از شسته‌شدن خاک از میان فاصله‌ها و چیدن تصادفی و درهم‌قفل‌شده سنگ‌ها، به‌جای ردیف‌کردن منظم آن‌ها، است. برای شیب‌های تندتر از ۳۰°، مهاربندی مکانیکی یا تراس‌بندی و ساخت شیب از پایین به بالا توصیه می‌شود تا سنگ‌ها هنگام اجرا نلغزند. برای محل‌های با جریان زیاد، یادداشتی درباره حفاظت پنجه در پای شیب اضافه می‌شود. یک قاعده کلی که در راهنماهای مهندسی تکرار شده و در نکات محاسبه‌گر نیز آمده است، این است که ضخامت لایه قلوه‌سنگ رودخانه‌ای باید دست‌کم ۱٫۵ برابر اندازه D50 باشد تا سنگ‌ها روی هم قرار بگیرند و به‌صورت یک لایه منفرد در معرض دید نمانند.

سؤالات رایج

D50 در تعیین اندازه قلوه‌سنگ رودخانه‌ای چیست؟ D50 اندازه میانه سنگ در یک محموله قلوه‌سنگ رودخانه‌ای است: نیمی از سنگ‌ها برحسب وزن بزرگ‌تر و نیمی کوچک‌تر هستند. مهندسان به‌جای بزرگ‌ترین سنگ، D50 را مشخص می‌کنند، زیرا قلوه‌سنگ رودخانه‌ای به‌صورت توده‌ای درهم‌قفل‌شده عمل می‌کند، نه سنگ‌های منفرد.

این محاسبه‌گر برای D50 از چه فرمولی استفاده می‌کند؟ محاسبه از اندازه پایه سنگ، متناسب با وضعیت جریان، آغاز می‌شود (۶ اینچ برای جریان کم، ۹ برای جریان متوسط و ۱۲ برای جریان زیاد) و سپس آن اندازه بر ضریب اصلاح شیب، K1 = √(۱ − sin²θ / sin²40°)، تقسیم می‌شود؛ θ زاویه شیب است. شیب‌های تندتر K1 کوچک‌تری ایجاد می‌کنند و در نتیجه D50 بزرگ‌تری لازم دارند.

چرا محاسبه‌گر در شیب‌های تند اندازه سنگ ارائه نمی‌کند؟ وقتی زاویه شیب به ۴۰° می‌رسد، به زاویه سکون مورد استفاده محاسبه‌گر برای سنگ ریخته‌شده می‌رسد؛ K1 صفر می‌شود و فرمول پاسخی ندارد. سنگ رهاشده در این زاویه، صرف‌نظر از اندازه‌اش، نمی‌تواند به‌تنهایی در جای خود بماند. محاسبه‌گر اندازه سنگ و رده سنگ را با یک هشدار جایگزین می‌کند و همچنان حجم و تناژ را گزارش می‌دهد، زیرا این دو به اندازه سنگ وابسته نیستند. چنین محلی به راهکار سازه‌ای نگهدارنده، نه قلوه‌سنگ رودخانه‌ای، نیاز دارد.

محاسبه‌گر چگونه حجم را به تناژ تبدیل می‌کند؟ حجم برحسب یارد مکعب در چگالی ثابت سنگِ اجراشده، یعنی ۱٫۵ تن (۱٫۳۶ t) به ازای هر یارد مکعب، ضرب می‌شود. این چگالی برای همه اندازه‌های سنگ در محاسبه‌گر یکسان است و با افزایش مقادیر D50 بیشتر نمی‌شود.

آیا محاسبه‌گر ضریب اطمینانی برای نتایج اعمال می‌کند؟ خیر. مقادیر حجم، D50 و تناژ خروجی خام محاسبه‌گر هستند و حاشیه اطمینان داخلی ندارند. طراحان پروژه معمولاً برای پوشش عدم‌قطعیت در برآورد جریان و تغییرات اجرا، حاشیه‌ای به محاسبه پایه اضافه می‌کنند؛ اما این محاسبه‌گر این کار را به‌طور خودکار انجام نمی‌دهد.

تفاوت riprap و rip rap چیست؟ هیچ تفاوتی ندارد. هر دو املا به یک ماده اشاره می‌کنند: سنگ گوشه‌داری که برای کنترل فرسایش قرار داده می‌شود. «Riprap» که به‌صورت یک واژه نوشته می‌شود، املایی است که در بیشتر مشخصات فنی مهندسی و نشریات دولتی به کار می‌رود.