مقدمه:

موج شكن ها سازه هايي هستند كه جهت ايجاد آرامش در بندر گاه، براي تامين ورود مطمئن كشتي ها به آبراهه ها و بنادر، كاهش انرژي ناشي از امواج و حفاظت از سواحل در مقابل امواج احداث ميشوند. موج شكن ها از ديدگاه هاي مختلف از جمله شكل هندسي، مصالح بكار برده شده و موقعيت قرارگيري به انواع مختلف دسته بندي مي شوند. از ميان انواع موج شكن ها به لحاظ شكل هندسي و مصالح به كار برده شده، موج شكن هاي توده سنگي از متداولترين انواع آنها مي باشند.
تا حدود ۵۰ سال گذشته، موج شكن هاي توده سنگي در آبهاي كم عمق ساخته مي شدند. با افزايش تبادل كالا، لزوم گسترش بنادر و وسعت آنها و افزايش ابعاد شناورها باعث گرديده موج شكن ها در اعماق بيشتر و مكان هاي خيلي باز ساخته شوند و اين منجر به افزايش ارتفاع امواج و مطرح شدن مسايل طراحي و اجرايي شده است و در اين راستا انواع موج شكن ها از نظر سازه و پايداري مورد توجه قرار گرفته اند. طراحان با احداث سازه هاي موج شكن در آب عميق تر و مكان هاي مستقر در معرض امواج بلندتر، دريافتند كه بايد حجم سنگ مورد نياز را تا رسيدن به نيمرخ پايدار افزايش دهند. استفاده از سنگهاي بزرگ در سطح بيروني سازه، حجم مورد نياز را تا حد زيادي كاهش ميداد. پيشرفت هاي حاصله در تكنولوژي بتن در اوايل قرن نوزدهم ميلادي، باعث جايگزيني قطعات منشوري شكل بتني بجاي سنگ هاي بزرگ شد. اما با توجه به لزوم احداث موج شكن ها در مكان هاي مستقر در معرض امواج سهم گين تر، ساخت و جابجايي قطعات بتني مورد نياز غيرعملي شد. سرانجام كاربرد قطعات بتني داراي اشكال نامنظم با پايه هاي چندگانه رواج يافتند. پايداري اين قطعات در مقابل حمله موج علاوه بر وزن، در اثر درگيري (جفت شدگي) قطعات مجاور حاصل مي شود.

قطعات بتني داراي اشكال نامنظم مورد استفاده در موج شکن

طي دهه هاي اخير، طراحي و ساخت موج شكن هاي شكل پذير در بسياري از نقاط دنيا افزايش يافته است. اين سازه ها تحت اصابت امواج دريا تغييرشكل داده و پس از تغييرشكل بر اساس شرايط محيطي و سازه اي به پايداري استاتيكي و يا ديناميكي مي رسند. در طراحي اين سازه ها اين عقيده كه مواد (مصالح) لايه محافظ سازه بايد از نظر ايستايي در برابر حملات امواج پايدار باشد، نقض ميشود و به سازه اجازه داده ميشود كه تغيير شكل را تا رسيدن به يك فرم مؤثرتر ادامه دهد. در اجراي اينگونه سازه ها به دليل مجاز بودن تغييرشكل سازه، مي توان از محدوده وسيعتری از مصالح معادن سنگ استفاده كرد و با توجه به فلسفه عملكرد آنها در مواجهه با امواج دريا از مصالح با تناژ كمتر نيز بهره برد. وجود سكو در سازه شكل پذير منجر به كاهش بيشتر انرژي موج نسبت به ساير سازه هاي شكل پذير مي شود. از مزيتهاي ديگر اين نوع موج شكن ها نسبت به ساير انواع موج شكن هاي تودهسنگي، مي توان به كاهش بالاروي موج در بالاي سطح ايستابي، كاهش سرريزي موج از روي سازه، اجراي آسان اين سازه ها با توجه به امكانات محدود، ماشين آلات سبكتر و تجربيات پيمانكاران محلي و همچنين به دليل مجاز بودن تغييرشكل اين نوع سازه ها، امكان استفاده بهينه از معادن سنگي در محدوده وسيعتري از مصالح، اشاره كرد.

یک نمونه موج شکن شکل پذیر

انواع موج شكن:

موج شکن ها از نظر موقعیت قرارگیری به دو دسته کلی متصل به ساحل و جدا از ساحل تقسیم بندی می گردند. از طرف دیگر در حالت کلی می توان موج شکن ها را از نظر نوع ساختمان به صورت زیر نیز تقسیم بندی نمود:

• سازه های توده سنگی که معمولا دارای وجوه شیبدار میباشند.

• سازه های با وجه قائم که عمدتاً سازههای صندوقه ای هستند.

• سازه های مرکب که ترکیبی از دو نوع بالا میباشند.

• موج شکن های شناور

• موج شکن های خاص

هرچند اغلب موج شکن ها و سازه های حفاظت دارای ارتفاعی بیشتر از بالاترین تراز آب هستند، ولی در بعضی شرایط ممکن است ارتفاع سازه پایین تر از تراز آب باشد و تاج سازه زیر آب قرار گیرد. به موج شکن های اخیر که عمدتاً برای حفاظت ساحل بکار میروند موج شکن مستغرق یا ریف میگویند. در شکل زیر برخی از انواع موج شکن ها از نظر نوع سازه و ساختمان نشان داده شده اند. از میان انواع موج شکن ها به لحاظ شکل هندسی و مصالح بکار برده شده، موج شکن های توده سنگی از متداولترین انواع آنها می باشند. این موج شکن ها خود دارای انواع مختلف می باشند که در ادامه معرفی می شوند. ایستایی و پایداری یک موج شکن توده سنگی به عوامل متعددی از جمله شکل ظاهری سنگ های لایه محافظ یا آرمور و وزن مخصوص آنها، نحوه اجرای لایه های بستر و لایه های خود موج شکن، وضعیت هندسی سازه، زاویه شیب، ارتفاع تاج بستگی دارد. در ادامه توضیحاتی در رابطه با مسایل طراحی موج شکن های تودهسنگی بطور اختصار ارایه میگردد.

انواع موج شکن های توده سنگی:
همانگونه که اشاره شد، موج شکن های تودهسنگی رایج ترین نوع موج شکن های اجرا شده در سراسر دنیا هستند. این موج شکن ها با استفاده از سنگ معدن و یا بدون قطعات بتنی ساخته می شوند. موج شکن های توده سنگی جاذب بسیار خوبی برای امواج می باشند و با توجه به شکل هندسی و ساختار آنها، دارای پایداری و طول عمر بسیار زیاد می باشند. از جمله مزایای این نوع موج شکن ها می توان موارد زیر را نام برد:

• مصالح سنگی معمولا از معادن محلی قابل حصول هستند.
• اجرای این نوع سازه ها با تجهیزات نسبتا ساده میسر میباشد.
• خرابی این نوع سازه بصورت تدریجی بوده و در مراحل مختلف قابل تعمیر میباشد.
• سازه انعطاف پذیری لازم در مقابل شرایط امواج بیش از مقادیر موج طراحی را دارد.
• سازه در مقابل نشست های مختلف به دلیل دارا بودن خاصیت انعطاف پذیری خیلی حساس نمی باشد.
موج شکن های توده سنگی دارای انواع مختلفی هستند که میتوان آنها را بصورت زیر دسته بندی نمود:
– موج شکن های توده سنگی سنتی
– موج شکن های توده سنگی با سازه تاج
– موج شکن های شکل پذیر
– موج شکن های سکویی
در ادامه در مورد هر یک از انواع موج شکن های توده سنگی بطور مختصر توضیح داده میشود.
موج شکن های توده سنگی سنتی:
موج شکن های تودهسنگی به صورتی که امروزه وجود دارند، طی ۲۵۰ سال گذشته شکل گرفته اند. البته شواهدی دال بر ساخت این موج شکن ها برای حفاظت از سواحل مصر در ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح وجود دارد. موج شکن های توده سنگی در اوایل قرن هجدهم میلادی بطور ساده با ریختن سنگ به داخل دریا ساخته میشدند، بطوری که سنگ ها در اثر برخورد امواج دوباره آرایش گرفته و نیمرخ اولیه به یک نیمرخ پایدار تبدیل میشد. بعدا برای صرفه جویی و استفاده بهینه از مصالح، موجشکنها بصورت لایه بندی طراحی و اجرا شدند. موج شکن های توده سنگی سنتی یا معمولی رایج ترین انواع موج شکن ها هستند که معمولاً از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند:

۱- هسته (Core):
این قسمت موج شکن از مصالح مناسب و نسبتا ریز دانه خروجی معدن ساخته می شود. هسته علاوه بر نقش پرکنندگی و ایجاد شیب لازم، به عنوان پی برای لایه آرمور محسوب میشود و معمولاً از بستر دریا تا بالاتر از تراز ایستابی اجرا می شود. سپس روی هسته لایه میانی یا فیلتر قرار می گیرد.
۲- لایه میانی یا لایه فیلتر (Filter):
سنگ های میانی یا لایه فیلتر با استفاده از مصالح با قطر اسمی متوسط بین قطر اسمی متوسط سنگ های لایه آرمور و سنگ های تشکیل دهنده هسته، جهت جلوگیری از فرار مصالح هسته و ممانعت از نشست مصالح لایه آرمور به داخل هسته اجرا می شود. با توجه به ابعاد مصالح هسته و آرمور، ممکن است بیش از یک لایه میانی نیاز باشد.
۳- لایه حفاظ یا لایه آرمور (Armor Layer):
اصلی ترین لایه موج شکن که در برابر بارهای وارده از طرف امواج دریا مقاومت میکند، لایه آرمور می باشد. برای اجرای این قسمت از موج شکن از بزرگترین و سنگین ترین مصالح استفاده می شود. در صورت عدم دسترسی به سنگ مناسب و با ابعاد لازم، از قطعات پیش ساخته بتنی در لایه آرمور استفاده میگردد. شیب وجه جلویی موج شکن یکی از پارامترهای تعیین کننده در برآورد وزن واحد لایه آرمور می باشد. لایه آرمور پوشیده شده از قطعات بتنی معمولاً گرانتر از قطعات سنگی میباشد، ولی در شرایطی که سنگ های به اندازه کافی بزرگ، در دسترس نباشند، یک گزینه مناسب به حساب می آیند. بزرگترین اندازه سنگی که معمولاً از معادن امکان استخراج دارد، در حدود ۲۰ تا ۳۰ تن میباشد. شیب وجه جلویی سازه معمولا در دامنه ۱:۱/۵ تا ۱:۴، با توجه به در دسترس بودن سنگ و شرایط خاک محل، انتخاب میشود. در صورت استفاده از آرمور بتنی میتوان در اکثر حالات از یک شیب تند و تیز استفاده نمود. بر اساس شکل قطعات بتنی و در نتیجه میزان قفل شدگی آنها، شیب سازه معمولاً در دامنه ۱:۱ تا ۱:۲ انتخاب میگردد. به طور خلاصه قابل ذکر است که چند قاعده کلی در طراحی این سازه ها این است که هر لایه موج شکن باید طوری طراحی شود تا مصالح ریزدانه لایه مجاور در اثر شسته شدن از میان فضاهای خالی فرار نکنند و لایه های خارجی (در شکل نهایی و نیز در حین احداث) باید در مقابل حمله امواج مقاومت کنند. همچنین لایه ها باید با قابلیت ساخت با وسایل موجود طراحی شوند. انتخاب مصالح ساختمانی تا حد زیادی به عامل قابلیت دسترسی به آن در حجم مورد نیاز بستگی دارد.

در شکل زیر نمونه هایی از انواع موج شکن های توده سنگی سنتی نشان داده شده است. ساده ترین نوع موج شکن همانطور که در شکل زیر در قسمت A نشان داده شده است، شامل یک نوع سنگ میباشد. مزیت این نوع سازه ها بالا بودن نفوذپذیری آنها است که منجر به نفوذ بالای موج در سازه و در نتیجه زوال انرژی زیاد میگردد. عیب اصلی استفاده از این موج شکن ها این است که با توجه به یکدست بودن مصالح بکار رفته در این موج شکن ها و نیاز به سنگهای بزرگ برای حفظ پایداری لایه خارجی در برابر امواج و از طرف دیگر با توجه به استخراج حجم بالای سنگ های ریز دانه در برابر حجم پایین سنگهای بزرگ از معادن سنگ، اجرای این نوع موج شکن ها گران می گردد.

در قسمت B شکل یک موج شکن سه لایه سنتی در آب نسبتاً کم عمق نشان داده شده است. با توجه به اینکه موج شکن در بستر دریا قرار می گیرد، معمولا یک پنجه در جلوی سازه برای فراهم آوردن پی مناسب برای قرارگیری لایه آرمور لازم است. همچنین در وجه پشت موج شکن لازم است یک لایه محافظ برای محافظت موج شکن در برابر سرریزی امواج و همچنین مقابله در برابر امواج داخل بندرگاه ایجاد شود.

در قسمت C شکل یک موج شکن همراه با یک سازه بتنی روی آن نشان داده شده است، که این سازه بتنی به نام دیواره تاج به عنوان یک سرپناه در برابر سرریزی موج و همچنین ایجاد یک جاده دسترسی برای تعمیر و تردد روی موج شکن می باشد.

انواع موج شکن های سکویی

۲- قابل تغییر شکل استاتیکی:

در این حالت به نیمرخ اجازه تغییر شکل به نیمرخ پایدار داده می شود، که در این حالت هر یک از سنگ ها به تنهایی بایستی پایداری خود را حفظ کنند.

۳- قابل تغییر شکل دینامیکی:
در این حالت به نیمرخ، اجازه تغییر شکل، به نیمرخ پایدار داده می شود و هر یک از سنگ ها میتوانند بطرف بالا و پایین در وجه جلوی موج شکن حرکت کنند.

در قسمت بعدی به شرح و توصیف انواع موجشکنهای سکویی پرداخته می شود.

موج شکن های سکویی شکل پذیر:
موج شکن های سکویی به صورت مرسوم اجازه تغییر شکل به نیمرخ پایدار استاتیکی و یا دینامیکی دارند و بنابراین به عنوان موج شکن های شکل پذیر معروف هستند. یک موج شکن زمانی به صورت دینامیکی پایدار است، که اگرچه بالا رفتن و پایین افتادن سنگ ها در طول بالا روی و پایین روی موج مکرراً اتفاق میافتند ولی نیمرخ آن بعد از تغییر شکل پایدار باقی می ماند. بنابراین نیمرخ تعادل زمانی که نرخ خالص انتقال صفر گردد، ایجاد می شود. برای موج شکن شکل پذیر پایدار استاتیکی، سنگ ها عموماً به سمت پایین شیب حرکت می کنند و موج شکن به یک نیمرخ پایدار تغییر شکل میدهد تا جایی که حرکت و جابجایی سنگ ها فقط در شرایط بسیار حدی رخ می دهند.

زمانی که سازه در معرض امواج با شدت مشخص قرار می گیرد، نیمرخ جلوی موج شکن تا زمانی که نیمرخ تعادل بدست آید، تغییر شکل می دهد. برای یک شرایط دریایی مشخص، مشروط بر اینکه مصالح کافی در دسترس باشد، نیمرخ تعادل بدست می آید. شکل زیر یک نیمرخ موج شکن شکل پذیر را قبل و بعد از تغییر شکل نشان داده است. زیر سطح ایستابی، نیمرخ تغییر شکل یافته دارای شیبی در حدود ۱:۴ است و در جلو و پایین این شیب، سنگ ها با یک شیب تندتر در حدود زاویه شیب طبیعی روی هم دپو میشوند. انرژی امواج بر روی توده سنگ های دارای شیب ملایم مستهلک می شوند. انرژی موج توسط شکست موج بر روی سکو و همچنین نفوذ جریان در سنگ تلف می شود.

شیب پهن اطراف سطح آب و جذب انرژی بالا در محیط متخلخل باعث کاهش انعکاس امواج از موج شکن سکویی میگردد، بنابراین شرایط مناسب دریایی برای عبور شناورها در جلوی دهانه ورودی بندر فراهم می شود. همچنین بالا روی و سرریزی موج نیز کمتر از موجشکن توده سنگی سنتی می باشد.

شمای کلی از نیمرخ موج شکن شکلپذیر با سکوی همگن قبل و بعد از تغییر شکل

موج شکن های سکویی غیر قابل تغییر شکل :

در سال های اخیر در برخی مواقع تلاش برای ایجاد موج شکن های سکویی غیر قابل تغییر شکل بوده است. در این موج شکن ها مشابه موج شکن های توده سنگی سنتی، فقط تعداد کمی از سنگ ها اجازه تغییر مکان و حرکت دارند. دلیل بوجود آمدن این نظریه بخاطر شکست و فرسایش سنگها در طول انجام فرآیند تغییر شکل می باشد. با این وجود مشاهده شده که بسیاری از موج شکن های سکویی شکل پذیر قدیمی در برابر فرسایش و شکست بسیار خوب عمل کرده اند. در بسیاری از پروژه ها، بخاطر شکست و فرسایش سنگ ها در طول فرآیند تغییر شکل، سنگ های بکار رفته در مدل آزمایشگاهی را با ابعاد کوچکتر نسبت به اندازه واقعی آنها بکار برده اند. از عیب های موج شکن های غیر قابل تغییر شکل میتوان به بالا بودن انعکاس موج بدلیل تیزتر بودن شیب جلویی آنها اشاره کرد. همچنین از مزیت این موج شکن ها میتوان به این نکته اشاره نمود که سرریزی امواج در موج شکن های غیر قابل تغییر شکل به مراتب کمتر از حالت شکلپذیر می باشد.

موج شکن های سکویی چند لایه:

موج شکن های سکویی چند لایه به عنوان موج شکن های از نوع ایسلندی معروف هستند، زیرا که استفاده از این موج شکن ها در ایسلند بسیار مرسوم بوده و تاکنون بیش از ۲۰ مورد از آنها در کشور ایسلند ساخته شده است. موج شکن سکویی از نوع ایسلندی، موج شکن سکویی پایدار استاتیکی چند لایه هستند که فقط مقدار کمی تغییر شکل در آنها مجاز میباشد. بزرگترین کلاس سنگ در قسمت بالای سکوی موج شکن و در برخی مواقع در شیب جلوی سکو که نقش مهمی در تقویت سازه دارد، قرار داده میشود. سنگ های کوچکتر در لایه های درونی موج شکن قرار داده شده که عموماً از همان سنگ های بکار رفته در موج شکن های سکویی شکل پذیر همگن می باشند. مزیت موج شکن های سکویی چند لایه، روش ساخت ساده آنها می باشد. از طرف دیگر همانطور که تجربه های عملی نشان داده اند، استفاده از چند کلاس سنگ و جایگذاری آنها در مکانهای مخصوص، هزینه ساخت را بطور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد، در حالی که منجر به استفاده بهینه تری از مصالح معدن می گردد. در نهایت بیان شده که کل هزینه ساخت آنها اقتصادی تر می باشد. فلسفه انتخاب کلاسهای مختلف سنگی، بهینه سازی استفاده از مصالح معدن با توجه به وسایل ساخت موجود میباشد. یکی از عیوب موج شکن های سکویی از نوع ایسلندی این است که انعکاس امواج از این سازه ها بیشتر از موج شکن های سکویی شکل پذیر می باشد.

شمای کلی از نیمرخ موج شکن سکویی چندلایه ایسلندی با استفاده از ۶ کلاس سنگی

فرآیندهای مطرح در پایداری سازه های توده سنگی:

عملکرد یک موج شکن توده سنگی در برابر امواج بدین صورت است که قسمت اصلی انرژی امواج برخوردی توسط شکست امواج روی شیب و باقیمانده آن از طریق عبور جریان از داخل محیط متخلخل، انعکاس امواج به سمت دریا و انتقال امواج به سمت حوضچه آرامش از طریق نفوذ به داخل توده سنگی و یا سرریزی موج از بین می روند. فرآیندهای مطرح در پایداری سازه های ساحلی در مقابل برخورد امواج در قالب یک شمای کلی در شکل زیر نشان داده شده است. شرایط محیطی (موج، جریان و مشخصات ژئوتکنیکی) به پارامترهایی منتهی میشوند که شرایط مرزی را در محل سازه و یا جلوی آن مشخص می کنند. این پارامترها تحت اثر وجود سازه تغییر نکرده و معمولاً طراح سازه هیچ گونه تأثیر و کنترلی بر روی آنها ندارد. ارتفاع موج، توزیع ارتفاع موج، شکست موج، پریود موج، شکل طیف، زاویه موج، جریان ها، هندسه شیب جلویی سازه، عمق آب، خیزآب و ترازهای آب از جمله پارامترهای اصلی هیدرولیکی محیطی هستند.

مراحل مختلف ارزیابی واکنش های یک سازه ساحلی

پارامترهای هیدرولیکی به چگونگی فعالیت موج بر روی سازه (واکنش های هیدرولیکی) مربوط می شوند. واکنش هیدرولیکی اصلی شامل بالاروی و پائین آمدگی موج، انعکاس، سرریزی و انتقال موج هستند. پارامترهای ژئوتکنیکی به مواردی مانند روانگرایی، گرادیان های دینامیکی و فشارهای اضافی حفرهای مربوط می شوند. سازه می تواند توسط تعدادی از پارامترهای سازه ای (D) تشریح شود که بعضی از این پارامترهای مهم عبارتند از شیب سازه، وزن و جرم حجمی سنگ ها، شکل سنگ، همواری و صافی سطح، چسبندگی، تخلخل، نفوذپذیری، مدول های برشی و حجمی، ابعاد و مقطع عرضی سازه.

بارهای وارد بر سازه یا اجزای سازهای (E) به پارامترهای محیطی، هیدرولیکی، ژئوتکنیکی و سازه ای بستگی دارند. این بارها را میتوان به بارهای مربوط به حرکت خارجی آب بر روی شیب، بارهای تولید شده در اثر حرکت داخلی آب در درون سازه و زلزله تقسیم کرد. عواملی که حرکت خارجی آب را تحت تأثیر قرار میدهند، تغییر شکل موج (شکست یا عدم شکست آن)، بالاروی یا پائین آمدگی موج، انتقال، سرریزی و انعکاس موج هستند. حرکت داخلی آن، استهلاک یا نفوذ آب به درون سازه، تغییرات فشار حفره ای و سطح ایستابی را تشریح می کند. تقریباً تمامی پارمترهای سازهای می توانند بر روی بارهای وارده تأثیر گذارند. زبری شیب تحت تأثیر اندازه، شکل و دانه بندی سنگ های آرمور قرار دارد. در نتیجه بر روی بالاروی و پائین آمدگی موج اثر میگذارند. اندازه فیلتر و دانه بندی آن به همراه خصوصیات سنگهای آرمور، نفوذپذیری و در نتیجه حرکت داخلی آب را تحت تأثیر قرار می دهند. مقاومت در برابر بارهای وارده (امواج، زلزله) را میتوان استحکام سازه نامید. پارامترهای سازهای در تعیین استحکام سازه نقش اساسی به عهده دارند، ضمن آنکه اکثر آنها بارهای وارده را نیز تحت تأثیر قرار می دهند. در انتها مقایسه بین استحکام (F) و بارهای وارده (E)، واکنش سازه ای یا اجزای آن را (G) تبیین می کند که در واقع همان مکانیسم های شکست هستند. واکنش های سازهای هیدرولیکی شامل پایداری لایه های آرمور، لایه های فیلتر، تاج و پشت موج شکن، سکوی شامل شکست پنجه، دیواره تاج و شیب های پایدار دینامیکی می شود. واکنش ها یا اندرکنش های سازهای ژئوتکنیکی ناشی از لغزش، نشست، روان گرایی و واکنش دینامیکی در برابر فرسایش درونی می شوند.

منابع:
۱- گرداوری و تالیف سایت civiltech.ir
۲- آيين نامه طراحي موج شكن هاي سكويي شكل پذير تالیف سازمان بنادر و دريانوردي ایران