بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول و نمودار مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
بررسي پارامترهاي مؤثر در طراحي فيلتر سدهاي خاکي
خلاصه
سيستم فيلتر و زهکش به عنوان يکي از اجزاي مهم سد خاکي وظيفه مهمي در کنترل فرسايش و آبشستگي خـاک هـسته بـر عهـده دارد. لـذا انتخـاب فيلتري بهينه براي سد خاکي ضمن کاستن از هزينه هاي هنگفت توليد فيلتر مي تواند ايمني سد خاکي را در برابر خطـر آبشـستگي تـضمين نمايـد. در اين پژوهش با انجام آزمايش NEF، اثر فشار آب ، مدت زمان اشباع نمونه خاک مبنا و افزايش قطر سوراخ ايجاد شده در خاک مبنا، بر کارايي فيلتـر بررسي شده است . خاکهاي مورد استفاده در اين پژوهش از سد رودبال تهيه شده است . نتايج نشان مي دهد بعضي نمونه هـاي فيلتـر کـه در فـشار آب کمتر قادر به کنترل نشت متمرکز هستند، با افزايش فشار آب عملکردي ناموفق دارند. همچنين همواره نسبت حجم سـوراخ ميـاني آزمايـشات بـا قطـر سوراخ مياني بزرگتر (mm١٠)، کمتر از آزمايشات با قطر سوراخ مياني کوچکتر (mm٥) است .
کلمات کليدي: سد خاکي، فيلتر، آبشستگي، آزمايش NEF
١. مقدمه
يکي از اجزاي مهم سد خاکي، سيستم فيلتر و زهکش آن مي باشد. وظيفه اساسي اين بخش مهم در سد خاکي آن است که ضمن اجازه به گـذر آب از حد فاصل بين دو لايه مجاور هم ، بدون ايجاد هر گونه تغييرات قابل ملاحظه در فشار، از حرکت ذرات ريز جلـوگيري بعمـل آورد. فيلتـر بـا عملکـردي ساده اما مؤثر، سد را در برابر فرسايش و آبشستگي خاک که به صورت ناخواسته در هسته نفوذناپذير رخ مي دهد، محافظت نموده و ايمن مي سـازد. بـه همـــين دليـــل انتخـــاب فيلتـــري بهينـــه و منطبـــق بـــر نيـــاز، جـــداي از نحـــوه توليـــد، اجـــرا و ملاحظـــات اقتـــصادي حـــساسيت ويـــژه اي مي يابد. جهت طراحي فيلتر محققين معيارهاي متفاوتي را ارائه نموده اند که به بخشي از آنها اشاره مي شود.
ترزاقي در سال ١٩٢٢ اولين معيار طراحي فيلتر را ارائه نمود. برترام (١٩٤٠) و لوند (١٩٤٩) اولين افرادي بودند کـه حـدود کـاربرد معيـار ترزاقـي را بررسي نمودند. مرز پايداري آزمايشات برترام در زير خط قرار گرفت . در آزمايشات لوند نيز مـرز پايـداري زيـر خـط قرار گرفت . که در روابط فوق D15F اندازه ذره فيلتر است که 15 درصد ذرات از آن ريزترند و D85B نيـز انـدازه ذره خـاک مبنـا اسـت کـه ٨٥ درصـد ذرات از آن ريزترند [١].
ووگان و سوآرز (١٩٨٢) با ارائه مفهوم فيلتر کامل رابطه اي را بين اندازه ذرات عبوري و ضريب نفوذپذيري فيلتـر ارائـه کردنـد. شـرارد و همکـاران (a ١٩٨٤) و (b١٩٨٤) با انجام آزمايشاتي روي ماسه با دانه بندي يکنواخت و خاکهاي رسي و سيلتي به عنوان خاک مبنا، معيارهايي جهـت طـرح فيلتـر براي اين خاکها ارائه نمودند [٢، ٣و ٤].
کني در سال ١٩٨٥ با معرفي پارامتر D*c ( قطر بزرگترين ذره اي از خاک مبنا که مي تواند از ميان فيلتر با ضخامت مشخص عبور کنـد) بـه بررسـي رفتار فيلترها پرداخت . تحقيقات نشان داد که D*c مي تواند با توجه به دانه بندي بخش ريزدانه فيلتر تعيين شود [٥].
شرارد و دانيگان (١٩٨٩) با معرفي آزمايش جديدي به نام آزمايش فيلتر مانع فرسايش (NEF) که قابليـت بـسيار خـوبي در کنتـرل نـشت متمرکـز دارد، براي انواع خاکهاي مورد استفاده در هسته سدهاي خاکي معيارهاي طراحي فيلتر را ارائه نمودند. فستر و فـل (٢٠٠١) نيـز بـا انجـام آزمـايش NEF
معياري جهت طراحي فيلتر ارائه نمودند. معيار شرارد و دانيگان (١٩٨٩) و فستر و فل (٢٠٠١) در جدول ١ آورده شده است [٦ و٧].
٢. مدلسازي فيزيکي
مدلسازي فيزيکي در مسائل ژئوتکنيک جايگاه ويژه اي دارند. با استفاده از مدلسازي فيزيکي مي توان کليه شرايط واقعي را بطور همزمان بر نمونه مـورد آزمايش اعمال و اثر توأم آنها را بررسي نمود. در اين پژوهش با استفاده از آزمايش NEF پيشنهادي شرارد و دانيگان (١٩٨٩) نـشت متمرکـز مدلـسازي شد و سپس با اعمال فشار هاي مختلف آب بر نمونه کارايي فيلتر در کنترل نشت متمرکز بررسي گرديد.
شکل ١ نمايي از دستگاه آزمايش NEF مورد استفاده را نشان مي دهد.
دستگاه NEF ساخته شده در دانشگاه آزاد اسلامي استهبان کمي بزرگتر از دستگاه پيشنهادي شرارد و دانيگان (١٩٨٩) مي باشد. قطر داخلي اسـتوانه ٢٤ سانتيمتر و ارتفاع آن ٤٣ سانتيمتر است . ابعاد بزرگتر دستگاه NEF ضمن بررسي بهتر شرايط و مشاهده بهتر نمونه حين انجام آزمايش ، امکـان مدلـسازي خاکهاي درشت دانه را بدون نياز به حذف دانه هاي درشت تر فراهم مي آورد.
مراحل انجام آزمايش همانند مراحل ارائه شده توسط شرارد و دانيگان (١٩٨٩) و سروش و طباطبايي (١٣٨٣) به شرح زير است :
در انتهاي دستگاه ، مصالح زهکش متشکل از شن درشت به ضخامت ٤ تا ٦ سانتيمتر ريخته مي شود.
بين لايه زهکش و فيلتر يک توري براي جلوگيري از فرسايش مصالح فيلتر قرار داده مي شود.
مصالح فيلتر در چهار لايه و هر لايه به ضخامت ٤ تا ٥ سانتيمتر و با رطوبتي معادل ٣ درصد قرار داده شده و هر لايـه تحـت اثـر سر بار و ارتعاش متراکم مي گردد. براي جلوگيري از ايجاد مسيرهاي ترجيحي در جداره داخلي استوانه ، اطراف آخرين لايه فيلتر مصالح جداره اي قرار داده مي شود.
خاک مبنا به ضخامت ٥ تا ٦ سانتيمتر روي فيلتر با انرژي استاندارد تراکم ، متراکم مي گردد. جهت اشباع شدن نمونه ، روي نمونه آب ريخته مي شود و به مدت ٢٤ ساعت در اين شرايط نگهداشته مي شود. سپس با استفاده از يک پيچ ، سوراخي بـه قطـر ٥ ميليمتر در خاک مبنا ايجاد مي گردد. روي خاک مبنا يک توري و لايه اي از شن درشت به حداقل ضخامت ٥ سانتيمتر قرار داده مي شود.
درپوش دستگاه بسته و با ورود تدريجي آب عمل هواگيري صورت مي پذيرد. با باز کردن شير انتهاي دستگاه ، آزمايش شروع مي شود.
جريان خروجي از دستگاه جمع آوري شده و وزن خاک مبناي فرسايش يافته اندازه گيري مي شود. آزمايش زمـاني تمـام شـده تلقي مي شود که رنگ آب خروجي شفاف گردد و يا آنکه آنقدر کدر شود که قابل اندازه گيري نباشد.
از روي مقدار تغييرات قطر سوراخ اوليه و رنگ و حجم آب خروجي در مورد عملکرد فيلتر تصميم گيري مي شـود. جزييـات بيـشتر در مقالـه شـرارد و دانيگان (١٩٨٩) قابل دستيابي است . عملکرد فيلتر هنگامي موفق تلقي مي شود که قطر سوراخ اوليه تغيير زيادي نکرده و از کدورت و دبي آب خروجي تا پايان آزمايش کاسته شود.
٣. بحث و بررسي نتايج
٣-١. بررسي اثر فشار آب
جهت بررسي پارامترهاي مورد نظر اين پژوهش ، تعداد پنج نمونه فيلتر با مخلوط کردن درصدهاي مختلف وزني سنگ شکسته ساخته شـد. سـه نمونـه از فيلترهاي ساخته شده (نمونه هاي A,C, B ) معيار شرارد و دانيگان (١٩٨٩) را ارضا مي کنند و دو نمونـه ديگـر (D,E ) جهـت بدسـت آوردن معيـار فرسايش بيش از اندازه خاک مبنا ساخته شدند. خاک مبنا و سنگ شکسته مورد استفاده از سد رودبال تهيه شده است . سد رودبال روي رودخانه رودبـال واقع در ١٩ کيلومتري شمال غربي شهرستان داراب در دست احداث مي باشد. شهرستان داراب در شرق استان فارس قرار دارد. نمودار دانه بندي اين پنج نمونه فيلتر و خاک مبناي رسي در شکل ٢ نشان داده شده است . پوش فيلتر سد رودبال که در حال اجرا است نيز ترسيم شده است . فيلتر C بر پوش بالاي فيلتر مماس مي باشد. آزمايش NEF بطور جداگانه براي هر پنج نمونه فيلتر در فشارهاي آب bar٢ ، ٣و ٤ و با سوراخ مياني به قطر ٥ ميليمتر انجام شد.
اشکال ٣، ٤ و٥ بطور مجزا نمودار تغييرات دبي خروجي نسبت به زمان را در فشارهاي مختلف براي هر پنج نمونه فيلتـر نـشان مـي دهنـد. خـاک مبنـاي مورد آزمايش در گروه ١ خاک شرارد و دانيگان (١٩٨٩) قرار مي گيرد. پارامترهاي مورد اسـتفاده در طراحـي فيلتـر بـر اسـاس معيـار شـرارد و دانيگـان
(١٩٨٩) در جدول ٢ آورده شده است . با توجه به اين معيار و جدول ٢، فيلترهاي B, A و C بايد بتوانند نشت متمرکز را کنترل نمايند.
شکل ٢- نمودار دانه بندي خاک مبنا و فيلتر
همانگونه که در اشکال ٣ تا ٥ ديده مي شود با افزايش فشار آب ميزان دبي خروجي افزايش مي يابد. در نمونه هاي موفق هم ميزان دبي کم است و هم دبي روندي کاهشي و يا بدون تغيير قابل ملاحظه دارد. در نمونه فيلتر هاي ناموفق ميزان دبي زياد اسـت و معمـولا بـه صـورت نـامنظمي افـزايش مي يابد. ميزان دبي نمونه فيلترهاي ناموفق خيلي بيشتر از دبي نمونه فيلترهاي موفق است . دبي نمونه فيلتر A در هر سه فشار آب وارد شده کم اسـت و روندي کاهشي دارد، همچنين قطر سوراخ مياني اين نمونه فيلتر در هر سه فشار آب وارده در پايان آزمايش بدون تغيير باقي ماند. ايـن نمونـه فيلتـر بـه عنوان فيلتري موفق ارزيابي مي شود. دبي خروجي نمونه فيلتر B در فشار آب bar ٤ نسبت به دبي خروجي در فشار آب bar ٢ روندي افزايشي دارد.
افزايش دبي در فشار آب bar ٤ براي نمونه فيلتر B نشان از عملکرد ضعيف آن در کنترل نشت متمرکز دارد. يعني عملکرد نمونه فيلتر B با افـزايش فشار آب ضعيف مي شود. عملکرد نمونه فيلترهاي E, D, C نيز ضعيف مي باشد زيرا هم ميزان دبي خروجي آنها افـزايش يافتـه و هـم ميـزان قطـر سوراخ مياني افزايش يافته است . علت اين امر آنست که با افزايش فشار آب ، تنش برشي بزرگتري به نمونه خاک مبنا اعمال مي شود. با افزايش تـنش برشـــي وارده بـــه نمونـــه تمايـــل ذرات خـــاک مبنـــا بـــه جـــدا شـــدن از نمونـــه خـــاک مبنـــا و حرکـــت در مـــسير جريـــان افـــزايش مي يابد. اين مساله مي تواند از دو جنبه مورد بررسي قرار گيرد:
الف ) اول اينکه چون تنش برشي بزرگتري به نمونه وارد شده پس ذرات بيشتري از خاک مبنا فرسايش خواهند يافت و در نتيجه با افزايش فـشار، قطر سوراخ بزرگتر خواهد شد. با افزايش قطر سوراخ ميزان جريان عبوري از سوراخ نيز بيشتر مي گردد و اين امر عامل تـشديد کننـده ديگـري بـراي افزايش بيشتر قطر سوراخ ايجاد شده در خاک مبنا مي گردد.
ب ) دوم آنکه چون با افزايش فشار، نرخ تنش برشي وارد شده بر خاک افزايش مي يابد پس با سرعت بيـشتري مقـدار زيـادي از ذرات خـاک مبنـا مي توانند حفرات خاک فيلتر را مسدود نمايند. اين امر باعث مي شود که نـشت متمرکـز سـريعتر کنتـرل شـود و در نتيجـه در مـدت زمـان کمتـري آب خروجي از دستگاه شفاف گردد. کنترل اين مساله در آزمايش با اندازه گيري خاک موجود در آب خروجي از دستگاه امکان پذير است .
نتيجه اي که مي توان از اين بحث گرفت آنست که اگرچه در فشارهاي بالا مقدار بيشتري از خاک مبنا فرسايش مي يابد، اما مدت زمـان بـه تعـادل رسيدن سيستم فيلتر- خاک مبنا کمترمي شود و لذا آب خروجي از دستگاه NEF زودتر شفاف مي شود. با توجه به اين که معيار سنجش کـارايي فيلتـر در آزمايش NEF عدم تغيير قطر سوراخ ايجاد شده در خاک مبنا و کم شدن يا ثابت ماندن دبي به طور همزمان مي باشـد پـس مـي تـوان گفـت کـه بـا افزايش فشار کارايي بعضي نمونه فيلترها ضعيف تر مي شود.
شکل ٦ نسبت حجم سوراخ مياني در خاک مبنا را (يعني نسبت حجم سوراخ مياني بعد از آزمايش (V٢) به حجم سـوراخ ميـاني قبـل از آزمـايش (V١)) در مقابل فشارهاي bar٢، ٣و ٤ نشان مي دهد.
با توجه به معيار شرارد و دانيگان (١٩٨٩) و فستر و فل (٢٠٠١) براي خاکهاي مبناي رسي با بيشتر از ٨٥ درصد ريزدانه ، مبني بر عدم تغيير قطر سوراخ مياني يا تغيير جزيي آن ، در اين پژوهش تغيير قطر سوراخ مياني ٥ ميليمتري تا حداکثر ٦ ميليمتر به عنوان فيلتر موفق قـضاوت شـده اسـت . بـدين لحـاظ حداکثر نسبت حجم به ميزان ١.٤٥ به عنوان فيلتر موفق تلقي خواهد شد. عملکرد فيلترهايي که نسبت حجم آنها بين ١.٤٥ تا ١.٦ است نيمه موفق ارزيابي شده است . با توجه به شکل ٦ ديده مي شود که در نمونه A همواره نسبت حجم سوراخ بدون تغيير باقي مانده است اما براي نمونه هـاي D, C, B و E با افزايش فشار آب ، نسبت حجم سوراخ مياني افزايش يافته است بطوريکه نمونه فيلتر B که با فشار bar ٢ عملکرد موفقي از خود نـشان داده ، در فـشار bar ٤ عملکرد نا موفقي داشته است . در مورد عملکرد همين نمونه فيلتر در فشار آب bar ٣ مي توان گفت که کارايي آن در حد متوسط بين فيلتر موفق و نا موفق قرار دارد و با کمي اغماض مي توان عملکرد آن را نيمه موفق و يا به طور محافظه کارانه ناموفق تلقي نمود. همچنين از شکل ٦ ديـده مـي شـود که براي عملکرد موفق تا نيمه موفق نسبت کمتر از ١.٦ مي باشد که اين نسبت مربوط به نمونه فيلتر A در هر سه فشار آب وارده و نمونه فيلتر B و C در فشار آب bar ٢ مي باشد.
هر چه خاک فيلتر داراي خلل و فرج بيشتري باشد ميزان خاک مبناي مورد نياز براي مسدود کردن اين خلـل و فـرج بيـشتر خواهـد بـود. لـذا ميـزان افزايش قطر سوراخ ايجاد شده در خاک مبنا طي آزمايش ، از نمونه خاک فيلتر A که ريزدانه تر است به سمت نمونه E که درشت دانه تر است افـزايش مي يابد. ميزان خاک فرسايش يافته نمونه فيلترها با افزايش فشار آب ، زياد مي شود. ميزان اين افزايش خاک فرسايش يافته بـراي نمونـه فيلترهـاي موفـق ناچيز است اما براي نمونه فيلترهاي ناموفق زياد مي باشد. بطور مثال در شکل هاي ٧ و ٨ ميزان خاک فرسـايش يافتـه بـراي نمونـه فيلتـر موفـق A و فيلتـر ناموفق E در فشارهاي مختلف نشان داده شده است . همانگونه که در اين اشکال ديده مي شود ميزان خاک فرسايش يافته نمونه فيلتر A بـه نـسبت نمونـه فيلتر E تقريبا ناچيز است .
