بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی تاثیر نیروی برکنش هیدرو استاتیک (uplift) بر روی پایداری سد بتنی وزنی (مطالعه موردی)
خلاصه
هنگام طراحی بدنه یک سد، نیرو های مختلف وارد بر بدنه سد بایستی مورد توجه قرار گیرند تا از ایمنی سد اطمینان حاصل شود. از میان نیروهای وارد بر بدنه، فشار برکنش هیدروستاتیک (uplift) بواسطه تراوش آب زیر پایه سد، مهمترین عامل جهت ارزیابی پایداری سد می باشد چراکه ممکن است نیروی عمودی موثری ایجاد کند که باعث واژگونی سد حول پنجه بخصوص در سدهای بتنی وزنی و همچنین لغزش سد شود. در این تحقیق سعی شده است که تاثیر فشار برکنش هیدروستاتیک (uplift) بر روی پایداری سد در زیر پایه یک سد بتنی وزنی تیپیک بررسی شود. به این منظور نیروهای موثر بر بدنه سد بتنی وزنی اندازه گیری و دیاگرام نیروهای وارد بر بدنه سد ترسیم و ضریب اطمینان سد در برابر واژگونی و لغزش محاسبه شد.
کلمات کلیدی: نیروی برکنش هیدروستاتیک، Uplift، سد بتنی وزنی، پایداری سد، ضریب اطمینان
.1 مقدمه
آب ذخیره شده در مخزن سدها باعث تغییرات اساسی در شبکه جریان زه آب در شالوده زیر سد می گردد. زه آب زیرزمینی در شرایط طبیعی عمدتاً عمود بر جریان رودخانه میباشد. موقع آبگیری دریاچه سدها، هد پتانسیل در کف دره ها و سطح تکیه گاهها افزایش می یابد و شبکه جریان آب زیرزمینی شدیداً تغییر می کند. این پدیده موجب افزایش زیاد جریان آب زیرزمینی از شالوده زیر سد می شود که پی آمدهای آن عبارتند از:
· افزایش فشار وارد بر سطح شالوده که ممکن است باعث آسیب دیدن پایداری سازه شود.
· جریان زه در درز و شکافها و حفره های شالوده می تواند موجب فرسایش گشته، نفوذ پذیری طبیعی را افزایش داده و در خاکهای دانه ای سبب شکست هیدرولیکی می گردد.
· فرار آب یا اتلاف آب مخزن می تواند به وظیفه مخزن در ذخیره آب آسیب رسانده یا آن را از نظر اقتصادی غیر موجه نماید.
پی آمدهای غیرقابل قبول این فرایند را می توان با روشهای زیر تخفیف داد :
· ایجاد تسهیلات زهکشی در محل خروجی جریان زه
· احداث Blanket غیرقابل نفوذ در کف دره وتکیه گاه ها در بالا دست سد
· احداث پرده غیرقابل نفوذ در مصالح شالوده که سبب انحراف جریان زه به صورت قائم به قسمتهای عمیق تر و غیرقابل نفوذتر شود. برای
تخفیف زه آب می توان ترکیبی از روشهای فوق را نیز به کار برد.
پرده آب بند زیر سد را می توان از بتن ساده یا بتن مسلح از مصالح سفت و یا با بتن پلاستیک و شکل پذیر رس ـ سیمان در رسوبات آبرفتی فشار پذیر ایجاد کرد و یا از هر دو نوع مصالح فوق الذکر استفاده نمود.[1]
هنگام طراحی بدنه یک سد، نیرو های مختلف وارد بر بدنه بایستی مورد توجه قرار گیرند تا از ایمنی بدنه سد اطمینان حاصل شود. مهم ترین نیرو ها
عبارتند از:
.1 وزن بدنه سد
وزن بدنه سد از رابطه زیر محاسبه می شود:
(1)
که در آن γm وزن واحد حجم بدنه سد و V حجم بدنه سد می باشد.
.2 فشار آب مخزن
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، فشار آب مخزن به طور عمود بر سطح بدنه سد عمل می کند و بر واحد عرض بدنه سد، عبارتست از:
(2)
که در آن γw وزن واحد حجم آب و h ارتفاع آب پشت سد است.
شکل -1 فشار وارده از آب مخزن بر بدنه سد
.3 نیروی بر کنش (uplift)
سد ها در معرض نیروی برکنش هیدروستاتیک (uplift) از زیر بدنه سد و به سمت بالا هستند که در شکل 2 نشان داده شده است. منظور از فشار برکنش یا بالا دهنده در زیر یک سازه هیدرولیکی همان فشار آب منفذی است و از رابطه زیر بدست می آید:
(3)
که در آن B عرض پی سد می باشد.
شکل -2 نیروی برکنش هیدروستاتیک وارده از زیر بدنه سد
.4 فشار امواج به شکل 3 دقت کنید. قسمت بالای سد (بالای سطح آب) در معرض اثر امواج است. بیشترین نیروی امواج در واحد عرض سد عبارتست از:
(4)
که در آن hw ارتفاع امواج است.
شکل -3 نیروی امواج وارد بر بدنه سد
.5 نیروی زلزله سدها در معرض تاثیر زمین لرزه ها هستند و لرزش ها هم بر روی بدنه سد (شکل (4 و هم بر روی آب داخل مخزن سد (شکل (5 اثر می گذارند.
خطرناک ترین وضعیت حالتی است که لرزش ها عمود بر رویه بدنه سد باشند.
نیروهای لرزشی وارد بر بدنه سد به صورت افقی در مرکز ثقل عمل می کنند و عبارتند از:
شکل -4 نیروی زلزله وارد بر بدنه سد
( 5)
که در آن W وزن بدنه سد و a ضریب زمین لرزه و برابر 0/1 می باشد.
لرزش آب داخل مخزن نیز نیروئی ایجاد می کند که بطور افقی بر بدنه سد وارد می شود و عبارتست از:
شکل -5 نیروی زلزله وارد بر آب مخزن
(6)
که در آن ce ضریبی برابر 0/82 است.
بجز نیروهای ذکر شده، نیروهای دیگری نظیر نیروی ناشی از وزن رسوبات پشت سد، نیروی یخ و غیره نیز بر بدنه سد وارد می شوند ولی فشار برکنش هیدروستاتیک (uplift) بواسطه تراوش آب زیر پایه سد، مهمترین عامل جهت ارزیابی پایداری سد می باشد، چراکه ممکن است نیروی عمودی موثری ایجاد کند که باعث واژگونی سد حول پنجه بخصوص در سدهای بتنی وزنی و کاهش مقاومت اصطکاکی در برابر لغزش شود. در مورد اینکه تنش موثر ایجاد شده توسط توده خاک فاکتور اصلی تعیین کننده خصوصیات و رفتار مهندسی خاک است، به طور گسترده اتفاق نظر وجود دارد. مطابق نظریه ترزاقی در سال 1996 تنش کل خاک مجموع تنش موثر(تنش بین دانه ای ناشی از تماس بین ذرات خاک ) و فشار آب منفذی خاک است. زمانی uplift بوقوع می پیوندد که تنش کل خاک برابر فشار آب منفذی شده و تنش موثر صفر گردد و یا به عبارتی تماس ذرات خاک ناپدید شده و مقاومت خاک از بین برود. در این حالت فشار آب منفذی زیر سازه بزرگتر از فشار متوسط سربار بوده و حتی می تواند کل سازه بلند شود
