بخشی از مقاله
بررسي و ارزيابي ايمني سازه اي در سدهاي بتني قوسي
چکيده
با توجه به ضرورت حفظ سد از نظر ايمني و عملکرد در دوران بهره بـرداري انجـام مطالعـات کنتـرل پايـداري و ارزيـابي ايمني در سدهاي موجود کشور بصورت ادواري و مستمر از اهميت ويژه اي برخوردار است . از جملـه مهمتـرين بخـشها در مطالعات ارزيابي ايمني ، کنترل پايداري سازه اي و تعيين کفايت سازه سد مي باشد. در اين مقاله با هدف آشـنائي بـا رونـد انجام مطالعات مذکور مباني و اصول آن مورد بحث قرار گرفته و سپس اين روند در مطالعات کنترل پايـداري سـد بتنـي قوسي کارده بطور مختصر مرور شده است . در طي کنترل پايداري سد کـارده بـا توجـه بـه اطلاعـات جمـع آوري شـده و داده هاي رفتارسنجي و همچنين بازرسي هاي تفصيلي نسبت به مدلسازي و تحليل سـد اقـدام شـده و نتـايج بـا داده هـاي رفتارسنجي کنترل شده است
کليد واژه : سد بتني قوسي - کنترل پايداري –سد کارده - تحليل سد
١ - مقدمه
بطورکلي ايمني و پايداري سازه سد زماني محقق مي گردد که سد متناسب بـا عملکـرد مـورد نيـاز در دوران بهره برداري تحت بارگذاري ها و وقايع محتمل در طول عمر مفيد سازه انسجام و يکپارچه خـود را حفظ نمايد و عواملي چون افزايش تنش ، تغيير شکل و همچنين لغزش ،واژگوني و تراوش باعث اخـتلال در مهمترين عملکرد سد که همانا نگهداري و عدم رها سازي بدون کنترل آب مخزن مي باشد نگردد.
افزايش تنش در بتن سدهاي قوسي مي تواند نشانگر حرکت به سمت توسعه يک خرابي جزئي و يا يـک شکست جزئي مي باشدکه در نهايت مي تواند منجر به خطر کلي براي ايمني سـد تبـديل گـردد.همچنـين لغزش در محل تماس سنگ پي با بتن بدنه سد و در محـل صـفحات مـستعد لغـزش در پـي بخـصوص در صورت وجود عامل سومي مانند فشار آب مي تواند منجر به ناپايداري سد بصورت جزئي و يا کلي گردد.
از طرف ديگر ترکيب عوامل مذکور نيز خود در تسريع وقوع ناپايداري جزئي و يا کلي موثر خواهند بود.
لذا ارزيابي ايمني سازه اي بطورکلي بررسي علل ايجاد عوامل مذکور با اسـتفاده از امکانـات و ابزارهـاي مناسب و روشهاي تحليلي معتبر مي باشد.
٢ - ضرورت ارزيابي ايمني و کنترل پايداري سازه اي در سدهاي بتني قوسي
٢-١- محدوديت در عمليات اکتـشافي و آزمايـشگاهي : باتوجـه بـه محـدوديت زمـاني و مـالي در زمـان مطالعات عمليات اکتشافي سايت ساخت سد بطور محدود انجام مي شود و سپس بـا قـضاوت مهندسـي بـا بررسي نتايج بدست آمده نسبت به کفايت کلي پي اظهار نظر مي گردد که در برخي موارد پـس از انجـام حفاري و سنگبرداري و يا آزمايشات تکميلي در پي و مخـزن در دوران سـاختمان و هچنـين مـشاهدات و رفتارنگاري در طول دوران بهره برداري بررسي و ارزيابي مجدد ايمني سد ضرورت مي يابـد. در سـدهاي Mapasset١ فرانــسه ، El Fryle در پــرو،Lake Lanier در امريکــا، Gleno در ايتاليــا و ســد Idbar در يوگسلاوي سابق عواملي چون وجود ناپيوستگي در پي ، ضعف مصالح پي و انحلال پـذيري در بخـشي از پي موجب تخريب و ايجاد خسارت گرديد[١].
٢-٢-تغيير مصالح در طول عمر سازه : باتوجه بـه تغييـر شـرايط محيطـي مـصالح نـسبت بـه شـرايط اوليـه ، چنانچه بررسي هاي کافي در اين بخش صورت نگيرد تغييرات شيميايي و فيزيکي محيط مي تواند منجر به ايجاد تخريب و يا خسارت جزئي و کلي در سازه گردد. از جمله اين عوامل مي تـوان بـه واکـنش قليـائي سنگدانه (AAR) و واکنش هاي سيلکاتي (ASR) و کربنـاتي (ACR) در بـتن و تـاثير سـولفات و کلـرور محيط بر اجزاء بتن مسلح اشاره نمود. همچنين تغييرات فيزيکـي در محـيط هماننـد يـخ زدن و آب شـدن هاي مکرر، تر و خشک شدن متناوب مصالح ، حل شدگي و فرسايش در مقابل جريان و يـا در مجـاورت آب از جمله عوامل ايجاد تغيير در مـصالح مـي باشـد. در سـدهاي Kouga در افريقـاي جنـوبي و Santa Luzia ،Alto Ceira در پرتغال وBasa-Canora در موزامبيک آثار ناشي از انبساط رويـه بالادسـت و ترک در اثر پديده واکنش قليايي سنگدانه و همچنين در سد Leguaseca اسپانيا عمر زياد مصالح و تاثير تناوب يخبندان موجب تخريب و خسارت گرديده است . [١]
٢-٣- شــرايط و وقــايع دوران ســاخت و بهــره بــرداري : بطـور معمـول در دوران سـاختمان باتوجـه بـه ضرورتهاي اجرايي و يا تغيير در عملکرد سد نياز به انجام برخي تغييرات در طرح نسبت به طرح اوليه مـي باشد که در برخي موارد بر رفتار سد از نظـر سـازه اي تـاثير ميگـذارد. از آن جملـه مـي تـوان بـه افـزايش سنگبرداري در جناحين باتوجه مشاهده نواحي خورده شده و يا وجود مـصالح نامناسـب اشـاره نمـود کـه موجب تغيير در نحوه توزيع تنشها در بدنه و پي و تغيير رفتـار سـازه مـي گـردد کـه از اينجملـه ميتـوان بـه افزايش گيرداري پي در سد کارده ناشي از وجود نواحي ضعيف و تغيير شـرايط گـسل جنـاح چـپ سـد شيروان پس از سـنگبرداري پـي اشـاره نمـود.از ديگـر مـسايل وقـوع حـوادث و اتفاقـات در طـي دوران ساختمان و بهره برداري مي باشد که مي تواند در رفتار آينده سد تاثير گذار باشد.
٢-٤- تغيير در بارگذاري :باتوجه به عمر سد در دوران بهره برداري ، در برخـي مـوارد آمـار و اطلاعـات اخذ شده تغيير در شرايط هيدرولوژيکي و لرزه خيزي منطقه را نشان ميدهد که اين امر مي توانـد موجـب تغيير در بارگذاري نسبت به شرايط طراحي اوليه گردد. همچنين تغييردر شرايط پايين دست از نظر توسعه اجتماعي و اقتصادي نيز مي تواند با تاثير بر انتخاب سيل طراحي و تغيير کلاس اهميت سد موجب افزايش بارهاي وارده گردد. از جمله عوامل ديگر مي توان به تغييرات بار مرده ناشي از افزودن بخشهايي بـه سـازه سد و يا کيفيت و نحوه تـراکم بـتن در دوران اجـرا و يـا افـزايش بارهـاي حرارتـي ناشـي از عـدم ايجـاد تمهيدات مناسب اجرايي جهت کاهش تنشهاي حرارتـي اشـاره نمـود. همچنـين تغييـر در آورد رسـوبات رودخانه و يا تغييرات شديد آب و هوايي منطقه از اين جمله اند.
٢-٥- عوامل ديگر : از ديگـر عوامـل کـه مـي توانـد موجـب تغييـر در شـرايط طراحـي اوليـه سـد گـردد بطورکلي مي توان به وقوع خطاهاي انساني در انتخاب صحيح بارهـا، پارامترهـاي تحليـل و مـدل رفتـاري اشــاره نمــود. همچنــين بــا تغييــر و توســعه روشــهاي تحليلــي و نــرم افزارهــا، همچنــين اســتانداردها و دستورالعمل ها ارزيابي ايمني مجدد برخي از سدهابخصوص سدهاي قديمي الزامي مي باشد.
٣- مراحل ارزيابي ايمني سازه اي سدها
ارزيابي ايمني سازه اي توصيف رفتاري سازه سد در حال حاضـر بـا توجـه بـه مجموعـه مـشاهدات و رفتارنگاري در دوره بهره برداري گذشته و پيش بينـي وضـعيت بهـره بـرداري سـد در آينـده و اقـدامات علاج بخشي مورد نياز با استفاده از امکانات و ابزارهاي مناسب و روشـهاي تحليلـي معتبـر مـي باشـد. لـذا تعيين کفايت ايمني سد از نظر فني و اقتصادي وابسته به مجموعه اطلاعات در دسترس و رفع عدم قطعيت ها در حالات بارگذاري و پارامترهاي تحليل در کنار انتخـاب روش تحليلـي و مـدل رفتـاري و هندسـي مناسب مي باشد. بر اين اساس مراحل ارزيابي ايمني سازه شامل موارد زير مي باشد: [٢]
٣-١- جمع آوري مدارک و مستندات و مرور اطلاعات انجام شده : اين مرحله يکي از مهمتـرين بخـشها در روند کنترل پايداري است و در طي آن اطلاعات زير بايستي جمع آوري گردد. ايـن مـستندات شـامل کليه گزارشات مرحله مطالعات طراحي به همراه گزارش عمليات اکتشافي ، گزارشـات اتفاقـات و وقـايع دوران ساختمان به همراه نتايج آزمايشات ارزيابي کيفيت مصالح و بتن ، مستندات انجام تغييـرات اساسـي ناشي از شرايط اجرايي و ياتغيير عملکـرد سـد، تمـام اطلاعـا وداده هـاي رفتارسـنجي سـد و گـزارش بازرسي هاي ادواري و اتفاقات و حوادث در دوران بهره برداري و کليه گزارشات و نتايج ارزيـابي ايمنـي در دوره قبل در صورت انجام مي باشد.
٣-٢- بازرسي هاي تفصيلي از محل سد و تاسيسا : باتوجه به مستندات در دسترس در مرحله قبل در اين مرحله بصورت کاملاً تخصصي بازرسي هاي تفصيلي از محل سد – مخزن – تکيه گـاه و کليـه تاسيـسات وابسته انجام شده و وضعيت موجود کليه اجزا مورد بازرسي قرار گيرد. در طي بازديد از سازه هـاي بتنـي کليه آثار قابل مشاهده روي بتن شامل تخريب ، فرسايش ، ترک، تغيير شکل ، تـورم و کليـه آثـار ناشـي از تاثير شيميايي و فيزيکي محيط مورد بازرسي قرار گرفته و گزارش مي گردد. همچنين مخـزن سـد از نظـر وجود نواحي مستعد زمين لغزش و يا وجود هر گونه حل شدگي و يا وجود حفرات مـورد بازرسـي قـرار مي گيرد. تکيه گاههاي سد از نظر وجود هر گونه تغيير شکل ، تراوش ، تغيير مکان ، درزه و يـا تـرک و حفرات و چشمه ها مورد بازرسي قرار مي گيرد.
٣-٣- ارزيابي داد هاي رفتارسنجي ، تحليل هاي مقدماتي و مطالعات پارامتريک: در اين مرحله باتوجـه به دو مرحله قبل کليه اطلاعات مورد ارزيابي قرار مي گيرد. داده هاي رفتار سنجي با توجه به رفتـار کلـي سد بررسي و با حذف داده هاي پرت ، نمودار تغييرات مقادير نسبت به تراز مخزن و درجه حرارت و زمان ترسيم مي گردد. همچنين با انجام تحليلهاي پارامتريک نسبت به تعيين تاثير پارامترهاي مفروض در تحليل بر نتايج بررسي هاي لازم انجام شده و در صورت تاثير قابل توجه نسبت به انجام آزمايشات و بررسـيهاي دقيق ميداني اقدام ميگردد تا پارامترها جهت تحليل نهـايي تعيـين گـردد. از آن جملـه مـي تـوان بـه تعيـين پارامترهاي مقاومتي و مکانيکي پي و بتن و يا تاثير عوامـل شـيميايي مثـل پديـده هـاي واکـنش قليـائي – سليکاتي – کربناتي از طريق آزمايشات مخرب و غير مخرب در سدهاي قديمي اشاره نمود.
٣-٤- مدلسازي و تحليل سازه سد : در روند کنترل پايداري در سدهاي بتني تحليل هاي سازه اي بايـستي متناسب با حالات بارگذاري موجود و محتمل و همچنين اعمال شرايط واقعـي در مـدل تـا حـد امکـان بـا استفاده از فرضيات معتبر و نرم افزارهاي متناسب انجام شود. بـه عبـارت ديگـر مدلـسازي از نظـر هندسـي بايستي بر اسـاس نقـشه هـاي همچـون سـاخت و پارامترهـاي مقـاومتي و فيزيکـي بـتن بـا توجـه بـه نتـايج آزمايشات کنترل کيفيت در دوران ساخت در مدل لحاظ مي گردد. بهمين ترتيب بارگذاري نيز بر اساس آخرين داده ها و آمار در دسترس و سوابق طرح بر مدل اعمـال خواهدشـد. امـا انتخـاب روش تحليـل بـا توجه به توسعه و تنوع قابل توجه در روشهاي مدلسازي ( هندسه و مصالح ) و تحليل ، مي بايست متناسب با پيچيدگي هاي سازه س انجام گيرد که در اين ميان هزينه دسترسي به امکانات مذکور نيز در اين انتخـاب موثر خواهد بود. تا سال ١٩٧٧ در ابتدا با استفاده از روابط بسيار ساده ، تنش براي يک رينگ تحت فـشار و با در نظر گرفتن سد بصورت کمانهاي مستقل انجام مي شد. سپس روشهاي مناسبتري کـه عملکـرد سـه بعدي سد را با در نظر گرفتن توام قوسهاي افقي و طره هـاي قـائم سـد و تـامين شـرايط سـازگاري تغييـر مکانها براي آنها، در تحليل لحاظ مي شد مورد استفاده قرار گرفتند. از جمله اين روشها روش بار آزمـون مي باشد کـه توسـط USBR توسـعه داده شـده اسـت . بـا پيـشرفت روش اجـزاي محـدود و بـا توجـه بـه ويژگيهاي منحصر بفرد اين روش در مدلسازي هندسه پيچيده سد ها و شرايط بارگذاري و مرزي مختلف و همچنين توسعه روشهاي تحليل عددي ، استفاده از اين روش در تحليل سد هـاي بتنـي قوسـي گـسترش يافته و پيشرفتهاي بعدي با محوريت اين روش انجام شده است . بطوريکه از تحليل هاي ارتجاعي خطي تا تحليل هاي پيشرفته غيرخطي در حالت استاتيکي و ديناميکي متناسب با پيچيدگي مدل سـد بـا ايـن روش قابل انجام و يا قابل توسعه است . از جملـه نـرم افزارهـاي معتبـر در ايـن روش , ABAQUS ,ANSYS ADAP, COSMOS.M ميباشند. البته در اين ميان روشهاي تفـاوت محـدود و المانهـاي مجـزا قابليتهـاي بالائي را در مدل سازي پيـشرفته سـدها بخـصوص در پـي و درزه هـا دارنـد. از ايـن جملـه مـي تـوان بـه نرم افزارهاي سري DEC٣ , FLAC اشاره نمود[۳].در روش اجزاي محدود سدهاي قوسي بطور معمـول با مدل سد – پي – مخزن و بصورت سه بعدي مدل ميگردد. در اين روش سد با بخشهائي از پي و مخزن بطور همزمان مدل شده و تحت حالات بارگذاري مختلف موجود از جمله بارهاي اسـتاتيکي ، حـرارت و ديناميک تحليل مي شود. از طرف ديگر با مدلسازي درزهـا بـا المانهـاي غيـر خطـي تماسـي و بـا اعمـال خواص غير خطي مصالح انجام تحليل هاي پيچيده و پيشرفته نيز در اين حالت امکانپذير اسـت ولـي بايـد توجه داشت باتوجه به هزينه بالا در روشهاي تحليل پيچيده بايستي متناسب با نياز طـرح از نظـر رفتـاري و سطح دقت مورد انتظار اقدام به انتخاب روش تحليلي مناسب نمود. در شکل (١) مراحـل انجـام تحليـل بـا روش اجزاء محدود و خطاهاي وارده بر روند تحليل تاحصول به نتيجه قابل قبول نشان داده شده است .
