דרכים למניעת כשלים במאגרי מים

לפני כשנה, בעקבות פריצת מאגר רותם אמפרט שהביא לזיהום סביבית חמור, התפרסם ב"מים והשקיה" מאמר שסקר את הרקע ההיסטורי להקמת מאגרים בישראל ואת הכשלים העיקריים הגורמים לפריצתם. במאמר שני בנושא הוא מציע דרכים להתמודדות עם סיכוני המיחתור, האתגר ההנדסי העיקרי הנוכחי של העוסקים בתכנון סכרי עפר

שפיכת חומר המחצבה של נקז ארובה או פילטר לתעלה. מתחבר בתחתית לנקז שנבנה בשלב קודם

תקציר המאמר הקודם

לאחר סקירת ההיסטוריה של בניית מאגרים לאורך עשרות שנים ובחבלי הארץ השונים, התקבלה תמונת הדברים הבאה לגבי התמורות העיקריות שהתרחשו בתחום משנות ה-70 של המאה הקודמת עד היום:

  1. מעבר לאזורים שקרקעותיהם בעייתיות כחומרי בנייה של סכרי עפר.
  2. נפחי המאגרים השכיחים גדלו בסדר גודל מכמה מאות אלפי מ"ק בשנות ה-70 לכמה מיליוני מ"ק בשנים האחרונות.
  3. הגובה הסוללות היה בעבר בדרך כלל בתחום של 5 עד 10 מ' היום מתוכננים ונבנים סכרים רבים שגובהם מעל 20 מ'.
  4. מעבר מאיגום עונתי של מים טבעיים, מי גאויות וכד', לאיגום דומיננטי ברמה ארצית של קולחים, מצב דברים שמחייב הגנה סביבתית בנוסף למניעת כשלים הנדסיים.

מכלול ההתפתחויות האלו חייב התמודדות מורכבת יותר מבעבר בתכנון ההנדסי / גיאוטכני של סכרי מאגרים, ועורר את צורך בהנחיה רגולטיבית של הדרישות מתוכניות מאגרים (בנוסף לבדיקה ספציפית של כל מאגר בוועדה ההנדסית של רשות המים).
מנגנוני כשל עיקריים הגורמים לפריצת סכרים1:
גלישת מים מעל לקדקוד הסוללה - (Overtopping (O.T
הרס של מגלש החירום - spillway destruction
גלישת המדרון החיצוני של הסכר - Landslide
מיחתור - Piping.
ניתוח של פריצות מאגרים בעולם במאה השנים האחרונות מוביל, בין השאר, לשתי המסקנות הבאות:

  1. מרבית האסונות - פריצות המאגרים שהביאו לפגיעות בנפש ולנזקי רכוש אדירים, נגרמו מ-overtopping או מהרס של מגלש העודפים.
  2. כשלים כתוצאה מ-piping ומ-landslide מעטים יחסית והם פוחתים עם השנים.

במאמר נסקרה ההיסטוריה של פריצות מאגרים בישראל והסיבות העיקריות להתרחשותן. תוארו בהרחבה כשלים חמורים של ארבעה מאגרים: מאגר מגן בקיץ 1985 (מיחתור), מאגר מרום גולן בחורף 1992 (overtopping), מאגר אשלים בחורף 1993 (מיחתור) ומאגר נחל עוז באביב 2001 (מיחתור). המאמר הסתיים בהצגת המסקנות הבאות מניתוח כשלים של מאגרים בארץ ובעולם: הפריצות השכיחות של מאגרים כתוצאה מ-overtopping בישראל ובכל העולם אינן קשורות למבנה סוללות העפר ולאופן ביצוען. התמודדות תכנונית עם overtopping היא בתחום ההידרולוגיה של אגן ההתנקזות וההידראוליקה של מגלשי החירום (בעיקר בסכרי גיא). כמו כן נדרשת הקפדה באופן שוטף על תפעול ותחזוקה תקינים כולל מעקב אחר שקיעות של קדקוד הסכר בכל סוגי המאגרים. מדובר בכשל שניתן למניעה מוחלטת, בפרט במאגרי צד הנפוצים בישראל שכניסת המים אליהם היא בשליטה של מפעילי המאגר. הסיכונים לכשלי מיחתור, לעומת זאת, מדאיגים ומחייבים התייחסות גיאוטכנית ממוקדת. ההתמודדות עימם קשה ויקרה. מדובר בצמצום כמעט מוחלט של חדירת מים לסוללה והכנסת רכיבים של ניקוז לתוך מבנה סוללת עפר. יישום פעולות מהסוג הזה, בעלויות שלא יכשילו כלכלית את מפעל האיגום, הם האתגר הנדסי העיקרי הנוכחי, בכל העולם, של העוסקים בתכנון סכרי עפר ובקביעת הנחיות וסטנדרטים לתכנונם ולאופן ביצועם.

הסיכונים לכשלי מיחתור מדאיגים ומחייבים התייחסות גיאוטכנית ממוקדת. מדובר בצמצום כמעט מוחלט של חדירת מים לסוללה והכנסת רכיבים של ניקוז לתוך מבנה סוללת העפר

תופעת המיחתור

מיחתור הוא תהליך של אירוזיה פנימית. זרימת מים שמתפתחת בתוך גוף הסכר עלולה לגרום בתחילה לניתוק וגריפה של חלקיקי קרקע זעירים, בהמשך ליצירת מחילה שמתקדמת כלפי הצד הפנימי ולבסוף לפִרצה או מנהרה שחוצה את הסכר או את השתית2 שלו (זה מנגנון ההרס ברקע לסיפור המיתולוגי על הילד ההולנדי שמנע באצבעו אסון פריצה של סכר שאיים להציף את כפרו). כדי שהתהליך יתרחש צריכים להתקיים שלושה תנאים:

  1. זרימת מים שחוצה את הסכר או את השתית מתחתיו עד לפן החיצוני של הסוללה או לפני הקרקע או לחלל תת-קרקעי. בהקשר הזה מתייחסים למשטח הפריאטי בתוך הסכר (או לקו פריאטי בחתך הרוחב שלו) שהוא מפלס מים שמתפתח בסכר עפר. רק מתחת למשטח הפריאטי תנועת מים עלולה לגרום לתהליכי מיחתור. מטרת האמצעים השונים שיפורטו להלן היא להנמיך (להשפיל) את הקו הפריאטי ולמנוע אפשרות שהוא יגיע לפן המורדי3 של הסכר (ראה איור 1).
  2. מהירות זרימה שמאפשרת ניתוק חלקיקי קרקע והסעתם (כוח גרר). מהירות זרימת מים שחוצה את הסכר אינה אחידה, היא גדלה ככל שהחתך הזורם קטֵן. מצב זה נקרא בשפה המקצועית ריכוז של קווי זרימה, הוא מתפתח לרוב סמוך לבוהן הפן המורדי שם מתחיל תהליך המיחתור.
  3. תכונות הקרקע - כוחות קישור חלשים יחסית של חלקיקי הקרקע (דיספרסיביות גבוהה) וכן פירוס גודל חלקיקים (הרכב מכני) מתאים. לס היא דוגמה מובהקת לקרקע שנתונה לסיכוני מיחתור.

סקירת אמצעים הננקטים בצירופים שונים להתמודדות עם סיכוני מיחתור

1. הפרדה בין סוגי הקרקע הזמינים לבניית הסכר (איור 2) - מַפְנים את הקרקע האטימה ביותר, לרוב חרסית שמנה, לצד הפנימי של הסכר ובאופן הדרגתי בונים את הסכר מהפן המעלי4 כלפי הפן המורדי בחומרי קרקע גסים וחדירים יותר למים. זרימה מעטה של מים שעוברת את המקטע החרסיתי מושפלת (קו פריאטי נמוך) במקטעי הסכר החדירים למים וניתן לקלוט את הזרימה בהמשך, במערכת ניקוז פשוטה.

2. גרעין חרסיתי בסכר וחציץ בשתית (איור 3) - דגם זה מקובל כאשר חומר הבנייה העיקרי גס עד סלעי. ליבת החרסים מיועדת בעיקר לחסימת דליפות מים דרך הסכר והיא גם מקטינה את הסיכון למיחתור. במעבר מהגרעין החרסיתי לצד המורדי של הסכר נדרשת הנחה של פילטר למניעת סחיפה של חלקיקי חרסית אל האזור הבנוי מחומר גס עם חללים גדולים יחסית בין הגרגירים. חציץ נדרש כאשר יש חשש ממיחתור כתוצאה מזרימה אופקית בשתית. החציץ נבנה ברצף עם הגרעין החרסיתי שמעליו.

 3. נקז בוהן (איור 1 חתך B) - נקז מחומר גרנולרי לרוב בשילוב צינור ניקוז שרשורי מותקן בתחתית הפן המורדי (בוהן הסכר). מיועד למנוע בצבוץ מים (seepage) בפן המורדי והתחלת תהליך של מיחתור. האמצעי הזה יעיל כאשר המפלס הפריאטי בצד החיצוני של הסכר נמוך יחסית. אם מתפתחת זרימה במפלסים גבוהים, היא עלולה לעקוף את נקז הבוהן מלמעלה ו"לנבוע" באזור גבוה של הפן המורדי.
4. נקז ארובה ונקז שטיח (איור 3) - נקז ארובה הוא מעין מסך מנקז אנכי, או כמעט אנכי, שעובר בתוך הסכר לכל גובהו. זהו נקז גרנולרי בדירוג ספציפי של גודל אגרגטים. מוליכותו ההידראולית גבוהה מאד וחלקיקיו בלתי סחיפים. עובי אופייני של הנקז 1 עד 3 מטר. מטרת הנקז - מניעה מוחלטת של זרימת מים דרכו מהצד הפנימי של המאגר לצדו החיצוני. כל טיפת מים שנכנסת לנקז זורמת (כמעט נופלת) לתחתיתו. בתחתית, הזרימה נקלטת ונמשכת בנקז שטיח שמונח באזור המעבר בין השתית לגוף הסכר עם שיפוע קל כלפי חוץ. מלבד מיקומו, נקז השטיח דומה מאד במאפייניו הפיסיים לנקז ארובה. כדי למנוע מעבר של חלקיקי קרקע מהעפר הבונה את חלקו הפנימי של גוף הסכר אל נקז הארובה, נדרשת בנייה של פילטר גרנולרי בדירוג גודל אגרגטים קטן בכסדר גודל מהדירוג של הנקז. בהמשך אתייחס בהרחבה לנקז הארובה כמרכיב דומיננטי בסטנדרטים של תכנון מאגרים מצד אחד וכאלמנט יקר ובעייתי לביצוע תקין מצד שני.
5. איטום כפול וניקוז - פריסת קומפלקס על הפן המעלי של שתי יריעות איטום פלסטיות (או יריעה ושכבת חרסית אטימה) וביניהן רשת מנקזת - גיאו-קומפוזיט. מים שדולפים כתוצאה מקרעים ביריעה העליונה נתפסים ברשת ניקוז (geo-drain) וזורמים אל צינור ניקוז שרשורי שמותקן בתעלת חצץ הבנויה בתחתית בוהן הפן המעלי בהיקף קרקעית המאגר (איור 4). צינור הניקוז מתנקז לשוחת שאיבה בסוללת המאגר.

 

סטנדרטים מקובלים לתכנון מאגרים בהתייחס לסיכוני מיחתור

הנחיות ותקני תכנון של מאגרים ברחבי העולם מטמיעים לרוב את קבוצת הסטנדרטים של (USBR (United State Bureau of Reclamation שכותרתן - Design Standards No.13 :Embankment (להלן D.S. 13).
זאת בשל הרמה והסמכות המקצועית של העורכים, היקף ההיבטים ההנדסיים, והירידה לפרטי פרטים. במהדורה האחרונה של D.S. 13 מודגשת החשיבות של שילוב אלמנט מנקז בכל סכר.
להלן ציטוט של אמירה גורפת כזו לגבי סכר מעפר הומוגני:
"In general embankment dams design philosophy has changed from minimizing seepage (with a wide homogeneous cross section) to controlling seepage by incorporating filter and drainage elements".
מבין אמצעי הניקוז שתוארו לעיל, D.S. 13 נותן בדרך כלל עדיפות ברורה לדגם של נקז ארובה ונקז שטיח עם פילטרים מתאימים במעברים בין הנקז הגרנולרי לעפר של גוף הסכר.

בניית פילטר בשלב של הגבהת סכר או חיזוקו

 הנֵה עוד אמירה גורפת לגבי נקז ארובה:
"In recent years, use of the chimney filter/drain has become standard practice in all homogeneous type dams"
הבחירה בנקז ארובה כשיטה מובילה היא בשל היותה, לפחות תאורטית, פתרון אולטימטיבי למניעת מיחתור ולצמצום סיכונים אחרים מהרטבה (כמו תופעות של מייט ועוד). בהשוואה לאיטום כפול ונקז בפן המעלי (סעיף 5 לעיל), מיקום נקז הארובה והשטיח בלב ובעומק הסכר מגן עליהם מבלייה שגורמת קרינת השמש, מנזקי רוח, מפגיעות מכניות של עצמים שונים, מוונדליזם וכדומה. מול ההכוונה לנקז ארובה, D.S. 13 מציע גם פתרונות ניקוז אחרים כולל מפרטים ספציפיים. הנחיצות של נקז ארובה פוחתת ככל שהסכר אינו הומוגני ובנוי על מעבר הדרגתי, כמעט רציף, מקרקע אטימה כמו חרסית בפן המעלי עד לקרקע חדירה למים, כמו חול, סמוך לפן המורדי.

לצד ההכבדה הכלכלית והביצועית הכרוכה בדרישה גורפת להתקנת נקז ארובה בכל מאגר, יש לציין שהנקז הזה עם כל מעלותיו מוגבל לסכר עצמו ולא מהווה פתרון לסיכוני מיחתור והרטבה בשתית

יישום נקז ארובה במאגרים המתוכננים בישראל

הוספה של נקז ארובה לתוכניות מאגרים בישראל קיבלה דחיפה חזקה כתוצאה ישירה מהטראומה של פריצת מאגר נחל עוז בשנת 2001 (תיאור נסיבות האירוע במאמר הראשון בסדרה). מאגר נחל עוז תוכנן במתכונת המקובלת בישראל עם מקדמי ביטחון גבוהים שבאו לביטוי בין השאר בשיפוע מתון של הפן המורדי והתקנת נקז בוהן. נקז ארובה, מושלם ככל שיהיה, לא היה מונע את פריצת סכר מאגר נחל עוז. התהליכים ההרסניים החלו בשתית ולא בגוף הסכר והכשל שם נבע מהמצאות גדמי עצים קבורים ומסוג הקרקע המקומי. למרות שבניית נקז ארובה ונקז שטיח תואמת, לכאורה, "תכנון לפי הספר", היישום במציאות של ישראל הוא בעייתי כפי שיפורט להלן. כמו כן, לגבי מרבית הקרקעות בישראל יש חלופות תכנוניות שמספקות תשובות מקצועיות טובות, לסיכוני מיחתור וליציבות, לא פחות מנקז ארובה.

חסרונות ובעיות ביישום ניקוז סכרים בשיטת נקז ארובה בישראל

היבטים כלכליים - מרכיב גבוה מאד בעלות המאגר - חומרי הנקז והפילטר הם מוצרי מחצבות שעוברים תהליכי גריסה, ערבוב ושטיפה מורכבים. עלות התקנתם בסכר, במחירי יח' (מחיר למ"ק), גבוה בסדר גודל לפחות בהשוואה לבניית גוף הסכר מעפר מקומי.
בדיקה שערכתי מראה, כי ככל שגובה הסכר גדל, המרכיב היחסי של נקז הארובה ונקז השטיח בעלות בניית הסכר קטֵן. לדוגמה, בסכר שגובהו 10 מ' עלות הנקז הזה היא 37% מעלות כלל עבודות העפר. כאשר הגובה 20 מ' העלות היחסית פוחתת ל- 26% וכאשר הגובה 50 מ' העלות היחסית היא 13% בלבד. גובה שכיח של הסוללות במאגרי הצד הגדולים שנבנים בשנים האחרונות בישראל הוא 10-20 מ'. גובה הסכרים במאגרי הגיא השכיחים בארה"ב ובעולם הוא 50 מ' ומעלה. בשל כך ובשל גורמים מבניים אחרים, המשמעות הכלכלית של דרישה גורפת להתקנת נקז ארובה בארה"ב היא בדרך כלל שולית למדי. במציאות של ישראל יש לדרישה גורפת כזו משקל כבד מאד שעלול להפיל כלכלית מפעל של השבת קולחים.

תבנית להתקנת נקז ופילטר לצידו, תוך כדי בניית הסכר

קשיים ביצועיים - בניית סכרים קטנים עם נקז ארובה בארץ נתקלה בקושי באיתור ואספקה של חומר חציבה בדירוג המדויק הנדרש לנקז ולפילטר.
מהלך הביצוע עצמו של נקז הארובה במשולב עם בניית גוף הסוללה צריך להיות מדויק ונקי, הוא כרוך בבקרה מתמדת ובפיקוח מקצועי צמוד על העבודה. האופרציה הזו עלולה להביא להארכה ניכרת של משך עבודות העפר ואף לדחייה של סיום בניית מאגר בשנה. ראה תמונות שמציגות שיטות התקנה של נקז ארובה במשולב עם בניית הסכר. לצד ההכבדה הכלכלית והביצועית הכרוכה בדרישה גורפת להתקנת נקז ארובה בכל מאגר, יש לציין שהנקז הזה עם כל מעלותיו מוגבל לסכר עצמו ולא מהווה פתרון לסיכוני מיחתור והרטבה בשתית.

סיכום

במצב הדברים שתואר נראה כי בתנאי ישראל עדיף, בדרך כלל, להשעין את התמודדות עם סיכוני מיחתור, ככל שהיא נדרשת, על פתרון ניקוזי אפקטיבי ואמין באזור הפן המעלי של הסכר ובבוהן הפן המורדי.


1המונח סכר נבחר במקום המילה סוללה השגורה יותר, כדי לבדל את מבנה העפר שחוסם גוף מים גדול מסוללת עפר בשימושים אחרים כמו כבישים.
2שתית - הקרקע הטבעית שעליה נבנה הסכר.
3פן מורדי - הדופן החיצוני של הסכר, (בסכרים של מאגרי גיא החוסמים אפיק של נהר הצד הזה של הסכר פונה לכיוון מורד הנהר).
4פן מעלי - הדופן הפנימי של הסכר. בסכר על נהר הצד הזה פונה לכיוון מעלה הנהר.

צבי רבהון, מהנדס קרקע ומים, יועץ לרשות המים בתחום מאגרי מים. לפני כן, מילא מגוון תפקידים באגף לשימור קרקע וניקוז שבמשרד החקלאות, בכלל זה ניהול האגף | This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
הדפסה הורדה

לשאלות ופרטים נוספים

נא מלאו את פרטיכם ונציגינו ייצרו עמכם קשר בהקדם