انواع آب‌شکن و اهداف ساخت آنها
آب‌شکن چیست؟
آبشکنهای رودخانه‌ای، از سازه‌های مهم ساماندهی رودخانه هستند. آب‌شکن‌ها مبتنی برساخت، سازه‌های متقاطع یا عرضی هستند که از دیواره طبیعی رودخانه با طول مناسب و با زاویه مناسبی نسبت به راستای عمومی جریان توسعه می‌یابند. آب‌شکن‌ها سبب انحراف حمله جریان از کناره‌ها و نواحی بحرانی می‌شوند و جریان را به سمت محور مرکزی رودخانه هدایت می‌کنند. با انحراف جریان، کناره رودخانه در حدفاصل دیواره‌های طبیعی موجود با مرز راستای اصلاح‌شده به‌تدریج با ته‌نشست رسوبات توسعه می‌یابد و با استقرار تدریجی پوشش گیاهی در درازمدت تثبیت می‌شود؛ بنابراین باگذشت زمان، جریان در بخش میانی بازه رودخانه متمرکز می‌شود.
آب‌شکن، سازه‌ای است که به‌منظور کنترل نرخ انتقال رسوب ساحلی، جلوگیری از فرسایش ساحل یا جلوگیری از ورود امواج و رسوب به مسیر رودخانه و کانال‌های منتهی به دریا ساخته می‌شود. با توجه به اهداف پروژه، شرایط هیدرولیکی و دینامیکی در محل اجرای آن، مصالح موجود و امکانات اجرایی، آب‌شکن‌ها به‌صورت طویل یا کوتاه، با ارتفاع زیاد یا کم و نفوذپذیر یا نفوذناپذیر و از مصالح مختلف ساخته می‌شوند.
۷ هدف ساخت آب‌شکن‌ها
۱- آب‌شکن‌ها برای اصلاح مسیر رودخانه‌های عریض و شریانی و به‌ویژه با بار رسوبی کف زیاد و برای شرایط مختلف جریان مناسب هستند.
۲- اصلاح مسیر رودخانه به‌منظور کنترل سیلاب و یا کاهش خطر پیشروی رودخانه به اراضی ساحلی و فرسایش و تخریب دیواره‌ها و تأسیسات جانبی از طریق کاهش و یا تنظیم عرض رودخانه و تثبیت و حفاظت دیواره‌ها
۳- تنظیم جریان رودخانه و محافظت از ساحل رودخانه در مقابل فرسایش
۴- حفاظت دیواره‌های خارجی پیچ از طریق تعدیل انحنای نسبی پیچ، بهبود راستای دیواره و انحراف جریان از دیوار خارجی به میانه رودخانه
۵- حفاظت موضعی بازه رودخانه در برابر تخریب سازه‌های آبی، تخریب پل‌ها و دیگر خطوط حیاتی تقاطعی (آب، برق، نفت و گاز) از طریق بهسازی راستای بازه و انحراف جریان از نواحی بحرانی
۶- تأمین قابلیت کشتیرانی رودخانه از طریق تنظیم و تثبیت عرض و عمق کافی، تغییر تراز بستر برای توسعه عمق مناسب و شعاع انحنای لازم
۷- بهبود زیستگاه آبزیان با کاهش دادن سرعت جریان: در سال‌های اخیر آب‌شکن‌هایی از نوع منفذدار ارائه شده‌اند تا زیستگاهی برای ماهیان و دیگر موجودات آبزی فراهم کنند.
انواع آب‌شکن‌ها
- آب‌شکن‌ها ازنظر مصالح و روش ساخت
آب‌شکن‌ها ازنظر مصالح به‌کاررفته در آنها به دو نوع آبشکنهای نفوذپذیر (باز) و آبشکنهای نفوذناپذیر (بسته) تقسیم می‌شوند.
الف- آب‌شکن نفوذپذیر
ازنظر سازه‌ای، مجموعه‌ای از عناصر مقاومت جریان است که در امتداد عرضی رودخانه آرایش می یابند. این نوع آب‌شکن، عموماً از تیرک یا شمع‌های بتنی، چوبی، یا ساقه‌های بامبو (در یک، دو و یا سه ردیف) ساخته می‌شود. این نوع سازه در رودخانه‌های عریض و کم‌عمق با راستای نسبتاً مستقیم، با بستر ماسه‌ای یا شن ریز و با بار رسوبی معلق زیاد همراه با مواد جامد شناور مؤثرتر است.
ولی در رودخانه‌های بزرگ با عمق بیش از ۳ متر، با بار رسوبی کم، با مواد بستری شنی و درشت‌تر و نیز در محدوده دیواره خارجی پیچ‌ها (به دلیل قدرت جریان ثانویه) مناسب نخواهد بود. آبشکنهای نفوذپذیر را باید در گروه سازه‌های آرام‌کننده به شمار آورد.
ب- آب‌شکن نفوذناپذیر
ازنظر نوع مصالح و ساختار، قابلیت آبگذری جریان اصلی رودخانه را نداشته و با انحراف مسیر آب از دیواره‌ها به میانه رودخانه باعث توسعه جریان گردابی در کناره‌ها می‌گردد. ازاین‌رو آبشکنهای نفوذناپذیر (هرچند که ازنظر نوع مصالح و ساخت قابلیت تراوش داشته باشند) در گروه سازه‌های انحراف دهنده هستند و از مصالح متنوع سازه‌ای و طبیعی ساخته می‌شوند.
بر اساس مصالح و ساختار، این نوع آب‌شکن معمولاً از سنگ‌ریزه‌ای، تورسنگی از نوع جعبه‌ای، کیسه‌ای با محتوی ماسه و یا مخلوط ماسه- سیمان، واحدهای بتنی سه‌پایه، مخلوط درشت‌دانه رودخانه‌ای (باروکش سنگ‌ریزه‌ای یا تورسنگی یا کیسه‌ای)، دیواره سپری همراه با شمع کوبی از جنس صفحات و پایه‌های فلزی، چوبی، بتنی، و یا ترکیبی، شمع‌های بتنی یا چوبی دو ردیفِ همراه با استقرار سنگریزه‌ها در حدفاصل بین دو ردیف، دیواره سپری یا دیواره چوب‌بست دو ردیفِ با یا بدون استقرار سنگریزه‌ها در حدفاصل بین دو صفحه، الوار چوبی به‌هم‌بافته، تنه درختان و شاخ و برگ‌های به‌هم‌بافته و یا ترکیبی از مصالح و روش‌های فوق ساخته می‌شود.
- بر اساس ارتفاع آنها نسبت به عمق آب
- مستغرق و یا غیرمستغرق
- بر اساس زاویه‌ای که با کرانه می‌سازد
جاذب، عمود، دافع
- بر اساس شکل سازه‌ای
آب‌شکن مستقیم با دماغه گرد، آب‌شکن T شکل، آب‌شکن L شکل، آب‌شکن چوگانی، آب‌شکن چوگانی معکوس، آب‌شکن دنباله دار یا باله دار
مکانیزم کارکرد آب‌شکن‌ها
نقش اصلی آبشکنهای نفوذناپذیر، انحراف جریان از کناره به سمت میانه رودخانه است. نتیجه انحراف جریان، توسعه یک ناحیه چرخشی با تلاطم شدید پیرامون آب‌شکن است که این ناحیه از فاصله کم‌تری در بالادست تا فاصله بیش‌تری در پایین‌دست آب‌شکن ظاهر می‌گردد.
در این ناحیه، مجموعه‌ای از گردابه‌های افقی و عمودی فعالیت داشته که تلاطم شدیدی را در سطح آب پدید می‌آورد. فرآیند هیدرولیکی این جریان، توسعه ناحیه آبشستگی موضعی در پیرامون آب‌شکن، ته‌نشست رسوبات به صورت یک بار رسوبی طویل در پایین‌دست آب‌شکن و کناره رودخانه و تغییر فرم بستر در بازه پایین‌دست رودخانه می‌باشد. درحالی که آبشستگی یک خطر موضعی و جدی برای پایداری، دوام و کارکرد سازه آب‌شکن محسوب می‌شود، پدیده رسوب گذاری در کناره پایین‌دست رودخانه موجب توسعه و تثبیت طبیعی دیواره رودخانه در راستای مورد نظر خواهد بود. ساختار جریانات چرخشی پیرامون آب‌شکن‌ها، علاوه بر طول و فاصله آب‌شکن‌ها، به نوع آب‌شکن، شکل مقطع عرضی، شیب جانبی آب‌شکن در طول بدنه و دماغه آن، موقعیت قرارگیری آب‌شکن (در مسیر مستقیم، دیواره خارجی یا داخلی) و نیز آرایش زاویه‌ای آب‌شکن نسبت به دیواره‌ها و راستای جریان بستگی دارد.
مزایا استفاده از آب‌شکن‌ها
- امکان استفاده از مصالح متنوع طبیعی از قبیل مصالح رودخانه‌ای، کوهی، زیستی و مصالح ساختمانی ساده و در دسترس
- سادگی ساخت و عدم نیاز به تکنولوژی پیچیده و سنگین، سابقه قدیمی و تجربیات مختلف در ساخت و ارزیابی کارکرد
- امکان ساخت در شرایط مختلف بازه‌های رودخانه‌ای، کوهستانی تا سیلاب دشتی، مستقیم تا مارپیچی، در کناره‌های با راستای مستقیم یا منحنی و در دیواره‌های خارجی یا داخلی پیچ‌ها
- قابلیت توانمندی انحراف جریان به میانه رودخانه، مقاومت در برابر توان جریان رودخانه و هدایت راستای جریان برای اهداف مختلف
- توسعه و یا تغییر ریخت شناسی بازه رودخانه
- ناهنجاری و تغییرات ناچیز در دیواره‌ها، بستر و محیط زیست بوم رودخانه در مرحله ساخت
- قابلیت احیای تنوع زیستی (گیاهی و جانوری) در رودخانه از طریق تمرکز جریان، توسعه جریانات و حوضچه‌های چرخشی و افزایش ظرفیت خود پالایی رودخانه و ایجاد رویش گیاهی در کناره‌ها
- گزینه بسیار مؤثر با تاثیرات و کارکرد سریع بعد از احداث
- نیاز به نگهداری و مدیریت کم‌تر در دوره بهره برداری
- قابلیت انعطاف، بهسازی، بازسازی و تغییرات در آینده
معایب استفاده از آب‌شکن‌ها
- تنها در دوره کم آبی رودخانه و فصل خشکی سال قابل احداث است. در شرایط دیگر به کارهای رودخانه‌ای سنگین و گسترده (انحراف جریان و…) نیاز دارد.
- برای رودخانه کوهستانی، گزینه‌های محدودی از آب‌شکن‌ها بر حسب مصالح و روش ساخت امکان پذیر است و استفاده از مصالح و روش‌های طبیعی امکان پذیر نمی‌باشد.
- ساخت آب‌شکن‌ها در شرایطی که دیواره‌های طبیعی رودخانه با شیب تند یا قائم باشند، دشوار است.
- عمق و گستره آبشستگی در پیرامون آب‌شکن‌ها در مقایسه با دیگر روش‌ها زیادتر بوده و بخش اعظم کار و هزینه‌ها به ایمنی و پایداری سازه در زیر سطح آب و عمق بستر معطوف است.
- از دیدگاه زیست محیطی و ظرفیت انتقال جریان، حداقل عرض ۱۰ متر رودخانه باید حفظ گردد؛ بنابراین در رودخانه کم عرض، تنها آبشکنهای کوتاه برای اصلاح جزیی در راستای دیواره مجاز خواهد بود.
در احداث آب‌شکن‌ها مدل‌های ریاضی و فیزیکی در کنار یکدیگر باید مورد بررسی قرار گیرند تا میزان خطای هرکدام از مدل‌ها به حداقل برسد.