بخشی از مقاله
چکیده
بهینه یابی زهکش هاي مایل در سدهاي خاکی با هسته رسی پیوسته مورد توجه دست اندرکاران سدسازي بوده است. در این مقاله تعداد 280 سد خاکی هسته دار با ارتفاع و سیستم زهکشی مایل و افقی مدل شده است. در این مدلها متغییرها شامل ابعاد هندسی سد، زهکشها، نفوذ پذیري، و پارامتر ضریب اطمینان براي پایداري سد بوده است . با استفاده از جعبه ابزار ژنتیک مدلی جهت تعیین ابعاد زهکش و زاویه بین دو زهکش ارائه شده است. نتایج نشان داده است که با افزایش ارتفاع سدهاي خاکی با هسته رسی از 30 متر تا 60 متر، بهینه ترین زاویه زهکش مایل در تمامی ارتفاع ها، زاویه 60 درجه بوده و غیراقتصادي ترین زاویه زهکش مایل در ارتفاع 30 متري، 100 درجه، در ارتفاع 40 متري، 90 درجه و در ارتفاع هاي 50 و 60 متري، 75 درجه می باشد.
کلمات کلیدي: سد خاکی با هسته رسی، زهکش مایل، بهینه یابی
1
1 مقدمه
به طور کلی براي هدایت جریان در سدهاي خاکی از سیستم زهکشی استفاده میشود. احداث زهکش در بدنه سد به منظور جمع آوري و هدایت زه آب تشکیل شده در بدنه سد میباشد که هدف آن خشک نگه داشتن شیب پایین دست و جلو گیري از افزایش فشار آب منفذي در بدنه است. از پرکاربرد ترین زهکشهاي مورد استفاده در سد خاکی میتوان به زهکش افقی و مایل یا دودکشی اشاره کرد. بهترین ترکیب زهکش مایل و افقی ترکیبی خواهد بود که قادر به وظیفه اصلی خود که همان جمع آوري و تخلیه زه آب از بدنه سد خاکی می باشد. به نحو احسن عمل کرده و علاوه بر آن با پایدار نمودن بدنه سد خاکی داراي حداقل ابعاد نیز باشد. با توجه به این موضوع به نظر می رسد که یافتن راهی جهت محاسبه موقعیت ابعاد و شکل بهینه زهکش مایل و افقی در سد خاکی هسته دار از اهمیت اقتصادي و فنی برخوردار باشد.
تحقیقات محدودي در این مورد در گذشته انجام شده است. تساریک و کیلی (1984) با مدل کردن چند سد خاکی، گرافهایی جهت تخمین عملکرد زهکش افقی در پایین انداختن خط زه آزاد تهیه کردند. این محققین بر اساس این گرافها دو سد خاکی در حالت بدون وجود زهکش و با وجود زهکش افقی (زهکش با طول مشخص) را بوسیله مدل کامپیوتري و مدل آزمایشگاهی مدل کرده اند .[1] زو، یونامی و کاواچی (2002) جهت بهینه کردن مصالح سدهاي خاکی با دو مصالح مختلف از طریق پایین انداختن خط زه آزاد در بدنه سد خاکی جهت افزایش درصد حجم مصالح خشک بدنه نسبت به مصالح اشباع بررسی هایی انجام دادند .[2] بها گوچاهار (2004) از روش ترسیمی کاساگرانده محل خط زه آزاد را تعیین و از این طریق طول حداقل و حداکثر زهکش افقی در سدهاي خاکی همگن را برآورد کرده است .[3] میشرا و سینگ (2005) جریان آب درون خاکریز، موقعیت خط زه آزاد، حداقل فاصله بین خط زه آزاد و دامنه پایین دست و موقعیت و طول موثر زهکش افقی را با لحاظ کردن اثر موئینگی آب در خاك را مورد بررسی قرار داده اند .[4]
آمار تخریب سدهاي خاکی ساخته شده تا کنون نشان می دهد که بیش از 25 درصد علل تخریب سدهاي ساخته شده تاکنون، ناشی از پدیده رگاب و زه کنترل نشده بوده است .[5] امروزه با پیشرفت و گسترش فنون سد سازي و بررسی علل این تخریب ها، همواره در ساخت سدهاي خاکی همگن امروزي به صورت توام را میان زهکش مایل و افقی استفاده شده و کمتر سد خاکی همگن مدرنی می توان یافت که این دو زهکش به طور توام در آن مورد استفاده قرار نگرفته باشند. با توجه به این موضوع و با توجه به تحقیقات پیشین در این زمینه، کماکان تحقیقاتی که بتواند با در نظر گرفتن موارد مختلفی از قبیل خاصیت موئینگی خاکها، موقعیت و ابعاد بهینه زهکش افقی و مایل در سدها را تعیین نماید از اهمیت بالایی برخوردار است. سیستم زهکش بهینه در یک سد خاکی سیستمی است که از یک طرف به وظایف اصلی خود، که همان تخلیه امن زه آب از بدنه سد خاکی می باشد به نحو احسن عمل کرده و از طرف دیگر بالاترین ضریب اطمینان را ایجاد نموده و همچنین داراي کمترین ابعاد باشد. در تحقیق حاضر تعداد
280 سد خاکی با هسته رسی با ارتفاع هاي 30 تا 60 متر و ابعاد زهکشهاي مختلف مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت ابعاد بهینه زهکشها تعیین شده است.
2
2 مواد و روشها
در تحقیق حاضر سعی شده تا راهی جهت محاسبه موقعیت، ابعاد و شکل بهینه زهکش هاي مایل و افقی در سدهاي
خاکی با هسته رسی تعمیم داده شود. جهت نیل به این هدف، در این تحقیق تعداد 280 سد خاکی با هسته رسی در مجموعه نرم افزارها SEEPWو SLOPEW از مجموعه نرم افزارهاي Geostudio مدل شده است. به عبارت دیگر ابتدا این تعداد مدل در نرم افزار SEEPW در حالت تراوش ناپایدار مدل شده و پس از مشخص شدن خط زه آزاد و سایر پارامترهاي خروجی از این برنامه، همین تعداد سد در نرم افزار SLOPEW مدل شده و
در نهایت، ضرایب اطمینان حداقل در حالت تراوش ناپایدار در تراز نرمال محاسبه شده است. با در اختیار داشتن پارامترهاي هندسی بدنه اصلی و زهکش ها، پارامترهاي مقاومتی، نفوذپذیري و ... مربوط به این مدل ها و همچنین
ضریب اطمینان در برابر گسیختگی دامنه ها در هر یک از این حالات، نمودارهایی جهت تعیین ابعاد بهینه زهکشها ترسیم شده و در نهایت با استفاده از جعبه ابزار برنامه ریزي ژنتیک نرم افزارMatlab نسخه 6/5، داده ها مورد
آنالیز قرار گرفته و یک مدل براي پیش بینی ضریب اطمینان در حالت تراوش ناپایدار ارائه گردیده است.
1-2 تشریح ابعاد و متغییرهاي موجود در مسئله
در این بخش به متغیرهاي مورد استفاده در مدل ها ي تحقیق حاضر، محدوده تغییرات آنها و علل انتخاب این محدوده ها پرداخته شده است:
ارتفاع سد خاکی با هسته رسی و نوع خاك: این ارتفاع از نتایج مطالعات مرحله توجیهی طرح و پس از انجام بهینه یابی هاي لازم در خصوص طول سرریز و ارتفاع آب روي آن (این ارتفاع در تعیین ارتفاع نهایی سد موثر است)
به دست میĤید. عموماً سد خاکی با هسته رسی با ارتفاع بیش از 10 متر نیاز به سیستم زهکشی نفوذپذیر در پایین دست بدنه دارد . [6] احداث سدهاي خاکی با هسته رسی داراي سیستم زهکشی در بدنه، در ارتفاعات کوتاه اقتصادي می باشد. در تحقیق حاضر ارتفاع هاي 30، 40، 50 و60 متر جهت سدهاي خاکی با هسته رسی اختیار شده است. از آنجا که بهترین خاك جهت استفاده در ساخت بدنه اصلی این نوع سدها خاك با دانه بندي GC بوده، این خاك به عنوان بدنه اصلی سدها و از خاك با دانه بندي GW به دلیل دارا بودن دانه بندي مناسب و نفوذپذیري بالا به عنوان زهکش استفاده شده است .[7]
عرض تاج و شیب دامنه ها: جهت تعیین عرض تاج از رابطه دفتر فنی سدسازي آمریکا به شرح زیر استفاده شده
است.
5 3 (1) B H
3
که در آن H ارتفاع سد خاکی برحسب متر، و B عرض تاج سد خاکی بر حسب متر می باشد. حد پایین شیب دامنه سدهاي خاکی در تحقیق حاضر 1 متر قائم به 2 متر افقی و حد بالاي آن به 1 متر قائم به 2/5 متر افقی در نظر گرفته شده است. شیب 1 متر قائم به 2 متر افقی توسط پراکتور در سال 1993 به عنوان حداقل شیب جهت خاکریزها توصیه شده است. حد بالاي شیب هاي منظور شده در مدل ها به گونه اي اختیار شده که بتواند حداقل ضرایب اطمینان مورد نیاز در حالت تراوش ناپایدار از تراز نرمال را در سد خاکی با هسته رسی تا ارتفاع 60 متر و با خصوصیات مقاومتی فرض شده ارضاء نماید. در تحقیق حاضر شیب هاي بالادست و پایین دست سدهاي خاکی در مدل ها یکسان فرض شده است.
ارتفاع آب داخل مخزن و شرایط پی: ارتفاع آب در مخزن سد برابر با 70 درصد ارتفاع کل سد فرض شده است.
در مورد شرایط پی، با توجه به اینکه هدف اصلی در تحقیق حاضر بررسی تأثیر ابعاد سیستم زهکش داخلی سد بر روي ضرایب اطمینان پایداري بدنه سد می باشد لذا پی سدهاي خاکی در مدل ها به صورت صلب و نفوذپذیري آن تقریباً برابر با صفر منظور شده است.
نفوذ پذیري مصالح سد خاکی: از مقادیر نفوذپذیري ارائه شده توسط شرارد و همکاران (1963) طبق جدول (1)
استفاده شده [6] و نفوذپذیري در جهات قائم و افقی یکسان فرض شده است.
جدول -1 نفوذپذیري مصالح بکاررفته در مدلسازي سد
محل خاك دانه بندي حد بالاي نفوذپذیري حد متوسط نفوذپذیري حد پایین
خاك (متر بر ثانیه) (متر بر ثانیه) نفوذپذیري
(متر بر ثانیه)
هسته رس 1.00E-06 1.00E-09 1.00E-12
دامنه ماسه رس 1.00E-03 1.00E-05 1.00E-08
دار
زهکش ماسه 1.00E-01 1.00E-03 1.00E-05
پارامترهاي مقاومتی مصالح: جهت دستیابی به یک فرض قابل قبول از پارامترهاي مقاومتی مصالح بدنه و زهکش، مقادیر ضریب اطمینان به ازاي مقادیر مختلف پارامترهاي مقاومتی خاك و حالت هاي مختلف حداقل و حداکثر ارتفاع سدهاي خاکی و به ازاي تغییرات طول زهکش ها محاسبه شده است. با در اختیار داشتن این مقادیر ضرایب اطمینان، پارامترهاي مقاومتی مناسب جهت دستیابی به ضریب اطمینان قابل قبول استخراج شده است. بر این اساس، چسبندگی خاك مصالح هسته برابر با 50 کیلونیوتن بر مترمربع و زاویه اصطکاك داخلی آن برابر با 5 درجه، چسبندگی خاك مصالح دامنه برابر با 15 کیلونیوتن بر مترمربع و زاویه اصطکاك داخلی آن برابر با 32 درجه و
4
چسبندگی خاك مصالح زهکش برابر با 1 کیلونیوتن بر مترمربع و زاویه اصطکاك داخلی آن برابر با 28 درجه اختیار شده است.
طول زهکش افقی: مقاطع سد هاي خاکی مورد بررسی به صورت کلی همانند شکل (1) مد نظر گرفته شده اند.
همانگونه که از شکل پیداست، طول زهکش افقی از دامنه پایین دست سد خاکی تا ابتداي پایین زهکش مایل ادامه دارد. طول زهکش از برخورد زه به دامنه پایین دست سد خاکی جلوگیري می گردد. در این حالت نزدیکترین فاصله خط زه آزاد از دامنه پایین دست می بایست برابر با ارتفاع موئینگی آب در خاك بوده تا از عدم برخورد خط زه آزاد به دامنه پایین دست اطمینان کامل حاصل شود.
.
شکل((1 نمایش سیستم زهکشهاي افقی و دودکشی درمقطع یک سد خاکی با هسته رسی
طول زهکش مایل: طول زهکش مایل یکی دیگر از پارامترهاي متغیر در مدل ها بوده که در این مدل ها، تأثیر طول زهکش بر مقدار ضریب اطمینان پایداري دامنه ها نیز بررسی شده است. در مدل هاي انجام شده 3 مقدار جهت طول زهکش مایل انتخاب شده است که شامل طول زهکش مایل حداکثر، متوسط و حداقل می باشد. مقدار طول زهکش مایل حداکثر به گونه اي انتخاب شده که این زهکش تا تراز نرمال آب در مخزن سد ادامه یابد. از این تراز به بالا به دلیل عدم وجود جریان قابل توجه آب در خاك، نیازي به وجود زهکش مایل نمی باشد. همچنین مقدار طول زهکش مایل متوسط، برابر با 2/3 طول زهکش مایل حداکثر و مقدار طول زهکش مایل کوتاه برابر 1/3
طول زهکش مایل حداکثر در نظر گرفته شده است.
زاویه بین زهکش مایل و افقی: زوایاي مورد استفاده محدوده رایج زاویه بین زهکش مایل و افقی در سدهاي خاکی با هسته رسی را به خوبی پوشش داده و شامل زوایاي 60، 75، 90 و 100 درجه می باشد.
5
2-2 آنالیز مدلها
پس از معرفی مدلهاي مختلف با پارامترهاي متغیر، این مدلها با استفاده از روش اجزاي محدود در نرم نرم افزارهاي آنالیز شده و محل خط زه آزاد در مدلها تعیین شده است. شکل (2) بعنوان نمونه، نمایی از المان بندي یکی از مدلها را نشان می دهد. پس از محاسبه این پارامترها، سد خاکی در نرم افزار مورد انالیز پایداري قرار گرفته و ضریب اطمینان پایداري محاسبه شده است. به عنوان نمونه، تعدادي از ضرایب اطمینان محاسبه شده در این مرحله در جدول (3) ارائه شده است.
