تاثیر بارندگی شدید بر پایداری گودبرداری‌های شهری

توسعه روزافزون فضاهای زیرزمینی در شهرهای متراکم، احداث گودبرداری‌های عمیق را در مجاورت سازه‌ها و زیرساخت‌های شهری به‌طور چشمگیری افزایش داده است. پیچیدگی شرایط زمین‌شناسی، عمق زیاد حفاری و حساسیت سازه‌های پیرامونی، این پروژه‌ها را با خطرات قابل‌توجهی مواجه می‌کند. هم‌زمان، تغییرات اقلیمی ناشی از گرمایش جهانی موجب افزایش فراوانی و شدت رویدادهای بارندگی شدید در بسیاری از مناطق جهان شده است؛ عاملی که در سال‌های اخیر به‌عنوان یکی از محرک‌های مهم ناپایداری و شکست گودبرداری‌ها شناخته شده است.

حوادث متعدد در چین، از جمله خرابی گسترده گودبرداری‌ها در استان هنان در سال ۲۰۲۱ و حوادث ناشی از بارش‌های حدی در ژنگژو و پکن در سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۳، اهمیت این مسئله را نشان می‌دهند. این رخدادها بیانگر آن هستند که بارندگی شدید می‌تواند در مدت کوتاهی شرایط هیدرولیکی زمین و در نتیجه عملکرد سیستم نگهبان را به‌طور محسوسی تغییر دهد.

از دیدگاه ژئوتکنیکی، ناپایداری گودبرداری تحت بارندگی حاصل اندرکنش پیچیده فرآیندهای هیدرولیکی و مکانیکی است. نفوذ آب باران موجب افزایش فشار آب حفره‌ای، بالا آمدن تراز آب زیرزمینی و کاهش مکش ماتریک در خاک‌های غیراشباع می‌شود و در نتیجه، تنش مؤثر و مقاومت برشی خاک کاهش می‌یابد. هم‌زمان، آزادسازی و بازتوزیع تنش ناشی از گودبرداری می‌تواند با تغییرات هیدرولیکی برهم‌کنش کرده و احتمال بروز پدیده‌هایی مانند فرسایش داخلی، Piping، بالاآمدگی کف، لغزش خاک پشت دیواره و تغییرشکل شدید سیستم نگهبان را افزایش دهد. در این شرایط، افزایش فشار جانبی خاک و کاهش مقاومت تکیه‌گاهی در اعماق زمین می‌تواند به افزایش تغییرمکان دیواره و نشست سطح زمین منجر شود.

با توجه به این چالش‌ها، این مقاله با هدف بررسی جامع اثر بارش‌های شدید بر پایداری و رفتار گودبرداری‌های شهری تدوین شده است. در این راستا، مکانیزم‌های هیدرومکانیکی ناپایداری، پاسخ سیستم‌های نگهبان، تغییرات فشار آب حفره‌ای و نیروهای داخلی اعضای سازه نگهبان بر اساس شواهد میدانی و نتایج مطالعات عددی پیشین بررسی می‌شوند. در نهایت، راهکارهای کاهش خطر شامل مدیریت رواناب و نفوذ آب، بهبود سیستم‌های زهکشی، تقویت سازه نگهبان و پایش بلادرنگ، با هدف افزایش تاب‌آوری گودبرداری‌های شهری در برابر بارش‌های حدی ارائه و ارزیابی خواهند شد.

تصاویر میدانی از خرابی گودبرداری ناشی از بارندگی

مکانیزم‌های هیدرومکانیکی ناپایداری گودبرداری‌های شهری تحت بارندگی شدید

ناپایداری گودبرداری‌های عمیق تحت بارندگی شدید، نتیجه اندرکنش فرآیندهای هیدرولیکی و مکانیکی در توده خاک است. نفوذ آب باران، تغییر شرایط اشباع و فشار آب حفره‌ای را به دنبال دارد و هم‌زمان با تنش‌زدایی ناشی از گودبرداری، می‌تواند مقاومت خاک و ظرفیت سیستم نگهبان را کاهش داده و تغییرشکل‌ها را تشدید کند. مهم‌ترین مکانیزم‌های این فرآیند عبارت‌اند از:

نفوذ آب و کاهش مکش ماتریک

در خاک‌های غیراشباع، مکش ماتریک یکی از عوامل مؤثر در مقاومت برشی خاک است. بارندگی شدید با نفوذ به خاک و پیشروی جبهه مرطوب، درجه اشباع را افزایش داده و مکش ماتریک را کاهش می‌دهد. در نتیجه، چسبندگی ظاهری و مقاومت برشی خاک کاهش یافته و زمینه برای تغییرشکل و ناپایداری دیواره فراهم می‌شود.

افزایش فشار آب حفره‌ای و کاهش تنش موثر

نفوذ آب و بالا آمدن سطح آب زیرزمینی موجب افزایش فشار آب حفره‌ای در پشت دیواره و کف گود می‌شود. بر اساس مفهوم تنش موثر، افزایش فشار آب حفره‌ای باعث کاهش تنش موثر و در نتیجه کاهش مقاومت برشی خاک می‌گردد. این فرآیند می‌تواند فشار جانبی وارد بر سیستم نگهبان را افزایش داده و شرایط را برای گسیختگی موضعی یا کلی فراهم کند.

کانتورهای تغییرات فشار آب حفره‌ای و نفوذ جبهه مرطوب در طول روزهای بارندگی (Wang et al. (2025))

اندرکنش نفوذ آب و تنش‌زدایی ناشی از گودبرداری

گودبرداری با حذف بار سربار، موجب آزادسازی و بازتوزیع تنش در توده خاک می‌شود. هم‌زمانی این فرآیند با نفوذ آب می‌تواند اثرات متقابل آن‌ها را تشدید کند؛ به‌گونه‌ای که ترک‌ها و نواحی تضعیف‌شده ناشی از گودبرداری، مسیر نفوذ آب را تسهیل کرده و تغییرات فشار آب حفره‌ای را به اعماق بیشتری منتقل می‌کنند. این اندرکنش در خاک‌های کم‌نفوذ نیز می‌تواند موجب تداوم تغییرات هیدرومکانیکی پس از پایان بارندگی شود.

تغییر مسیر جریان نشت و ایجاد نیروهای هیدرودینامیکی

با نفوذ آب از سطح زمین، مسیر جریان در نزدیکی دیواره و کف گود از حالت تقریباً قائم به سمت داخل گود منحرف می‌شود. افزایش گرادیان هیدرولیکی می‌تواند نیروهای نشت قابل‌توجهی ایجاد کرده و پایداری خاک در اطراف پنجه دیوار و کف گود را کاهش دهد. تمرکز جریان همچنین می‌تواند به شکل‌گیری مسیرهای ترجیحی نشت و تشدید موضعی فشار آب منجر شود.

تغییرات سرعت تراوش آب باران در خاک تحت بارش شدید

فرسایش داخلی، ماسه‌زدگی و لوله‌ای شدن

در لایه‌های ماسه‌ای نفوذپذیر، افزایش جریان نشت و گرادیان هیدرولیکی می‌تواند باعث حرکت ذرات و فرسایش داخلی شود. در شرایط بحرانی، این فرآیند به ماسه‌زدگی و Piping منجر شده و با کاهش تدریجی مقاومت و سختی خاک، پایداری کف گود و سیستم نگهبان را تهدید می‌کند.

بالاآمدگی کف و کاهش مقاومت پنجه سازه نگهبان

در گودهای عمیق، نیروهای نشت صعودی می‌توانند فشار آب در زیر کف را افزایش داده و پدیده بالاآمدگی کف (Basal Heave) را تشدید کنند. شل شدن و کاهش مقاومت خاک در ناحیه مقاوم پنجه، ظرفیت تکیه‌گاهی دیوار یا شمع را کاهش داده و موجب افزایش تغییرشکل جانبی و حرکت پنجه به سمت داخل گود می‌شود.

تغییر پاسخ سازه نگهبان و بازتوزیع لنگر

کاهش مقاومت خاک در اثر اشباع و افزایش فشار آب حفره‌ای، تعادل بین فشارهای فعال و مقاوم را تغییر می‌دهد. در نتیجه، تغییرشکل جانبی دیوار و نیروهای داخلی اعضای سیستم نگهبان افزایش می‌یابد و الگوی لنگر خمشی شمع‌ها نیز می‌تواند تغییر کند. در شرایط بحرانی، از دست رفتن مقاومت تکیه‌گاهی در ناحیه پنجه، تمرکز لنگر و تغییرشکل را در بخش‌های بالاتر شمع افزایش داده و احتمال خرابی سازه‌ای را تشدید می‌کند.

در مجموع، می‌توان فرآیند ناپایداری گود تحت بارندگی شدید را به صورت زنجیره‌ای از نفوذ آب ←افزایش اشباع و فشار آب حفره‌ای ← کاهش مکش و تنش موثر ← کاهش مقاومت خاک ← افزایش فشار جانبی و نیروهای نشت ← افزایش تغییرشکل سیستم نگهبان ← ناپایداری یا شکست بیان کرد.

پاسخ گودبرداری و سیستم سازه نگهبان به بارندگی شدید

بارندگی شدید پس از تغییر شرایط هیدرولیکی توده خاک، می‌تواند رفتار گودبرداری و اجزای سیستم سازه نگهبان را به‌طور محسوسی تغییر دهد. نتایج مطالعات میدانی و عددی نشان می‌دهند که این تغییرات عمدتاً در قالب افزایش تغییرشکل‌های زمین، جابه‌جایی دیواره و تغییر در نیروهای داخلی اعضای سازه نگهبان ظاهر می‌شوند.

تغییرشکل و نشست توده خاک

یکی از نخستین پیامدهای بارندگی شدید، افزایش تغییرشکل و نشست زمین در پشت گود است. شدت این تغییرات به عمق گود، شرایط زمین، وضعیت اولیه آب زیرزمینی و ویژگی‌های بارندگی وابسته است. در مطالعات موردی، پس از رخدادهای بارندگی شدید، افزایش محسوسی در نشست تاج گود و نواحی مجاور مشاهده شده است.

الگوی تغییرشکل نیز در همه گودها یکسان نیست. در گودهای شیب‌دار بدون مهار، تغییرشکل‌ها می‌توانند از نواحی نزدیک پنجه آغاز شده و به‌صورت لغزش و جابه‌جایی توده‌ای گسترش یابند؛ در حالی که در گودهای مهارشده، تغییرشکل زمین بیشتر تحت تأثیر سختی و آرایش سیستم نگهبان قرار می‌گیرد.

تغییرمکان جانبی دیواره و شمع‌های نگهبان

افزایش تغییرمکان جانبی یکی از مهم‌ترین شاخص‌های پاسخ گود به بارندگی شدید است. داده‌های میدانی نشان می‌دهند که افزایش تراز آب زیرزمینی می‌تواند موجب افزایش قابل‌توجه جابه‌جایی دیواره‌های نگهبان شود.

در شرایط معمول، تغییرشکل دیواره عمدتاً تابع عمق گود، سختی سیستم نگهبان و توالی حفاری است؛ اما در شرایط بارندگی شدید، الگوی جابه‌جایی می‌تواند تغییر کند. در برخی موارد، کاهش ظرفیت تکیه‌گاهی بخش پایینی دیواره موجب افزایش جابه‌جایی پنجه و حتی تغییر جهت حرکت آن به سمت داخل گود می‌شود. این تغییر رفتار می‌تواند به‌عنوان یک شاخص مهم برای تشخیص نزدیک شدن سیستم به شرایط بحرانی مورد استفاده قرار گیرد.

تغییر در پاسخ سازه‌ای شمع‌های نگهبان

بارندگی شدید می‌تواند توزیع نیروهای داخلی در شمع‌های نگهبان را تغییر دهد. تغییر در شکل و مقدار فشار وارد بر دیواره و همچنین تغییر شرایط تکیه‌گاهی شمع، موجب بازتوزیع لنگر خمشی در امتداد آن می‌شود.

در شرایط پایدار، نمودار لنگر شمع معمولاً دارای نواحی مثبت و منفی است؛ اما با تشدید شرایط هیدرولیکی، سهم لنگر مثبت می‌تواند افزایش یافته و ناحیه بحرانی لنگر به بخش میانی شمع منتقل شود. بنابراین، ارزیابی تغییرات لنگر خمشی در کنار تغییرمکان دیواره، برای بررسی عملکرد سازه‌ای سیستم نگهبان ضروری است.

نمای شماتیک تغییر شکل دیواره و کف گود تحت اثر بارندگی

تغییر نیروهای سیستم مهاربندی

افزایش تغییرمکان دیواره به‌طور مستقیم بر توزیع نیرو در اعضای مهاربندی اثر می‌گذارد. در گودهای چندمهاربندی‌شده، بارندگی شدید می‌تواند موجب افزایش یا بازتوزیع نیروی محوری در استرات‌ها و انکرها شود.

این تغییرات لزوماً در تمام ترازهای مهاربندی یکسان نیست و به سختی دیواره، توالی حفاری، فاصله ترازهای مهاربندی و شرایط خاک وابسته است. ازاین‌رو، بررسی هم‌زمان نیروهای مهاربندی و تغییرمکان دیواره می‌تواند تصویر دقیق‌تری از رفتار سیستم در شرایط بحرانی ارائه دهد.

تاثیر شدت و مدت بارندگی بر پاسخ گود

پاسخ گود تنها به مقدار کل بارندگی وابسته نیست، بلکه شدت، مدت و الگوی زمانی بارش نیز نقش مهمی دارند. بارش کوتاه‌مدت و بسیار شدید می‌تواند موجب تغییرات سریع در شرایط سطحی و رواناب شود، در حالی که بارندگی طولانی‌مدت فرصت بیشتری برای نفوذ آب و تغییر شرایط زیرسطحی فراهم می‌کند.

همچنین، تراز اولیه آب زیرزمینی و نفوذپذیری لایه‌های خاک تعیین می‌کنند که پاسخ گود با چه سرعتی ظاهر شود. بنابراین، ارزیابی عملکرد گود در برابر بارندگی شدید باید بر اساس سناریوهای مختلف شدت و مدت بارش و شرایط اولیه زمین انجام شود.

شواهد میدانی و شبیه‌سازی‌های عددی گودبرداری‌های تحت بارندگی شدید

مطالعات میدانی و شبیه‌سازی‌های عددی نشان می‌دهند که بارندگی شدید می‌تواند در مدت کوتاهی شرایط هیدرومکانیکی گودبرداری را تغییر داده و موجب افزایش تغییرشکل، نشست و نیروهای داخلی سیستم سازه نگهبان شود. در ادامه، سه مطالعه موردی شاخص بررسی می‌شوند.

گودبرداری ایستگاه مترو پوتین غربی ژنگژو

در جریان بارش حدی «۷.۲۰» در جولای ۲۰۲۱، شدت بارندگی در ژنگژو به حدود ۲۰۱.۹ میلی‌متر بر ساعت رسید. پایش میدانی نشان داد که نشست زمین پشت گود پس از بارندگی به حدود ۴.۶۵ سانتی‌متر افزایش یافت و تغییرمکان جانبی شمع‌های نگهبان نیز به‌طور محسوسی تشدید شد.

شبیه‌سازی هیدرومکانیکی جفت‌شده با استفاده از ABAQUS  نشان داد که ادامه بارندگی موجب پیشروی جبهه مرطوب، افزایش فشار آب حفره‌ای و کاهش مقاومت تکیه‌گاهی در عمق می‌شود. در نتیجه، علاوه بر افزایش تغییرمکان دیواره، جهت جابه‌جایی پنجه شمع معکوس شده و الگوی لنگر خمشی از حالت دوگانه به حالت غالباً مثبت تغییر کرد. این مطالعه نقش شرایط هیدرولیکی زیرسطحی را در تغییر رفتار سازه نگهبان به‌خوبی نشان می‌دهد.

گودبرداری خط اکسپرس فرودگاه دکسینگ پکن

در جولای ۲۰۲۳، بارش حدی ناشی از طوفان دوکسوری در پکن با ثبت حدود ۷۴۴.۸ میلی‌متر بارندگی، شرایط آب زیرزمینی منطقه را به‌شدت تغییر داد. شبیه‌سازی جفت‌شده تنش–جریان با FLAC3D  نشان داد که افزایش تراز آب زیرزمینی، موجب تغییر رفتار سطح زمین از بالاآمدگی به نشست و افزایش تغییرمکان جانبی شمع‌های نگهبان شد.

با افزایش ۳ متری تراز آب زیرزمینی، نشست تاج گود به حدود ۴۱.۵ میلی‌متر و تغییرمکان جانبی شمع به حدود ۲۸ میلی‌متر رسید. همچنین نیروی محوری استرات‌ها در حدود ۱۵ تا ۱۶ درصد افزایش یافت. این نتایج نشان می‌دهند که افزایش تراز آب زیرزمینی می‌تواند هم‌زمان بر رفتار زمین، تغییرمکان دیواره و بارگذاری سیستم مهاربندی اثر بگذارد.

مدل هندسی و مش‌بندی المان محدود (FLAC3D) گودبرداری مهاربندی شده (Zhao et al. (2025))

حادثه ریزش گودبرداری در سیچوان

در جولای ۲۰۱۱، یک گودبرداری شیب‌دار ۹ متری در سیچوان پس از بارش حدود ۲۵۰ میلی‌متر در ۴ ساعت دچار ناپایداری و ریزش شد. بررسی‌های پس از حادثه نشان داد که بارندگی شدید، همراه با ضعف سیستم زهکشی و اجرای ناقص میخ‌های خاک و شاتکریت، از عوامل اصلی خرابی بودند.

شبیه‌سازی کاپل CFD-DEM نشان داد که تمرکز جریان نشت در پای شیب می‌تواند به جابه‌جایی ذرات ماسه و ناپایداری موضعی منجر شود. در گودهای عمیق مهارشده نیز افزایش جریان نشت با ماسه‌زدگی، بالاآمدگی کف و کاهش مقاومت تکیه‌گاهی پنجه دیوار همراه بود. این مطالعه اهمیت هم‌زمان شرایط بارندگی، عملکرد زهکشی و کیفیت اجرای سازه نگهبان را در پایداری گودبرداری‌ها نشان می‌دهد.

کانتورهای جابجایی ذرات و لغزش لایه‌ای خاک در یک گودبرداری شیب‌دار تحت بارش ۲۵۰ میلی‌متری (Liu et al. (2024))

پایش و معیارهای هشدار زودهنگام گودبرداری تحت بارندگی شدید

پایش هم‌زمان شرایط هیدرولیکی، تغییرشکل‌های زمین و پاسخ سازه نگهبان، یکی از مهم‌ترین راهکارهای پیشگیری از خرابی گودبرداری‌های عمیق در زمان بارندگی شدید است. بر اساس نتایج مطالعات موردی، معیارهای اصلی پایش و هشدار را می‌توان به صورت زیر تعریف کرد:

سیستم پایش چندحسگری

سیستم پایش باید به‌صورت هم‌زمان پارامترهای هیدرولیکی، ژئوتکنیکی و سازه‌ای را ثبت کند. مهم‌ترین پارامترها عبارت‌اند از:

• تراز آب زیرزمینی و فشار آب حفره‌ای؛
• نشست سطح زمین و تاج گود؛
• تغییرمکان جانبی دیوار یا شمع‌های نگهبان با انکلینومتر؛
• نیروهای محوری استرات‌ها و انکرها؛
• و در صورت امکان، لنگرهای خمشی اعضای اصلی سازه نگهبان.

در زمان وقوع بارش شدید، افزایش فرکانس برداشت داده‌ها برای شناسایی سریع روند تغییرات ضروری است.

آستانه افزایش تراز آب زیرزمینی

مطالعات انجام‌شده در گودبرداری دکسینگ نشان می‌دهند که افزایش قابل‌توجه تراز آب زیرزمینی می‌تواند موجب تشدید نشست و تغییرمکان دیواره شود. بر این اساس، افزایش تراز آب معادل حدود ۱۵ درصد ارتفاع گود می‌تواند به‌عنوان یک شاخص هشدار اولیه در نظر گرفته شود؛ البته این مقدار باید با توجه به شرایط زمین و نتایج پایش پروژه کالیبره شود.

کنترل نیروهای سیستم مهاربندی

از آنجا که بارندگی شدید می‌تواند باعث افزایش نیرو در استرات‌ها و انکرها شود، کنترل روند تغییرات این نیروها اهمیت ویژه‌ای دارد. در مطالعه دکسینگ، افزایش تراز آب زیرزمینی باعث رشد حدود ۱۵ تا ۱۶ درصدی نیروهای مهاربندی شد. بنابراین، در طراحی گودهای واقع در مناطق مستعد بارندگی شدید، در نظر گرفتن حاشیه ایمنی اضافی حدود ۲۰ درصد می‌تواند به‌عنوان یک رویکرد محافظه‌کارانه مطرح شود.

شناسایی زون‌های بحرانی تغییرشکل

پایش نشست و تغییرشکل سطح زمین باید به‌گونه‌ای انجام شود که نواحی مستعد تغییرشکل شدید شناسایی شوند. مطالعات نشان می‌دهند که ناحیه گذار بین بالاآمدگی و نشست سطح زمین معمولاً در محدوده:

Xt/H≈0.4−0.6

قرار دارد و می‌تواند به‌عنوان زون بحرانی پایش و ارزیابی آسیب‌پذیری در نظر گرفته شود. فاصله نقطه عطف یا گذار از بالاآمدگی به نشست (Xt) نسبت به ارتفاع شیب گود (H)، یک شاخص کلیدی پایش است.

آستانه بارندگی و زون بحرانی در خاک‌های ماسه‌ای

در گودهای عمیق واقع در لایه‌های ماسه‌ای، مقدار بارندگی انباشته نیز می‌تواند به‌عنوان یکی از شاخص‌های هشدار استفاده شود. در برخی مطالعات، بارندگی تجمعی حدود ۴۰۰ میلی‌متر به‌عنوان آستانه بحرانی ناپایداری شناسایی شده است. همچنین بیشترین بالاآمدگی کف در محدوده حدود 0.2~0.25H از دیواره نگهبان گزارش شده است؛ بنابراین این ناحیه باید در پایش و بهسازی خاک در اولویت قرار گیرد.

جزئیات نصب انحراف‌سنج‌ها (Inclinometers) درون قفسه آرماتور شمع و سنسورهای ثبت بار محوری مهارها Zhao et al. (2025)))

راهکارهای کاهش خطر و مدیریت گودبرداری در شرایط بارندگی شدید

برای افزایش تاب‌آوری گودبرداری‌های شهری در برابر بارندگی شدید، می‌توان اقدامات کنترلی را در سه محور اصلی کاهش نفوذ آب، تقویت سیستم نگهبان و پایش و کنترل فرآیند دسته‌بندی کرد.

کنترل و زهکشی آب

• هدایت رواناب‌های سطحی با استفاده از پشته‌ها و کانال‌های پیرامونی و جلوگیری از ورود آب به محدوده گود
• آب‌بندی سطح خاک و درزگیری ترک‌ها برای کاهش نفوذ مستقیم آب باران
• استفاده از شاتکریت و سیستم زهکشی مناسب و اطمینان از باز بودن زهکش‌های پشت پوشش
• استفاده از پمپاژ و سیستم‌های Dewatering برای کنترل تراز آب و جلوگیری از اشباع شدن خاک کف گود

تقویت سیستم نگهبان و خاک

• افزایش طول، قطر یا سختی شمع‌ها و بهینه‌سازی سیستم مهاربندی در مرحله طراحی
• تزریق دوغاب در ناحیه پنجه شمع و بهسازی خاک کف برای افزایش مقاومت تکیه‌گاهی
• کنترل دقیق طول، تزریق و کیفیت اجرای میخ‌های خاک، به‌ویژه در گودهای شیب‌دار
• در مناطق مستعد بارش شدید، در نظر گرفتن حاشیه ایمنی مناسب برای ظرفیت مهاربندها و پیش‌بینی اقدامات اضطراری برای شرایط ناپایداری

پایش و هشدار زودهنگام

• پایش هم‌زمان تراز آب زیرزمینی، فشار آب حفره‌ای، نشست زمین، تغییرمکان دیواره و نیروهای مهاربندی
• افزایش فرکانس برداشت داده‌ها هنگام وقوع یا پیش‌بینی بارندگی شدید
• تعریف آستانه‌های هشدار و توقف عملیات خاکبرداری در صورت عبور پارامترهای پایش از مقادیر مجاز
• در شرایط بحرانی، فعال‌سازی پمپاژ اضطراری، تقویت پنجه و اقدامات موقت پایدارسازی

مدل‌های مفهومی نشان‌دهنده (الف) مکانیزم‌های گسیختگی لغزشی؛ (ب) اقدامات اتخاذشده پس از وقوع حادثه