مقاله بررسی پارامترهای مؤثر در طراحی فیلتر سدهای خاکی

word قابل ویرایش
14 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول و نمودار می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

 

بررسی پارامترهای مؤثر در طراحی فیلتر سدهای خاکی

خلاصه
سیستم فیلتر و زهکش به عنوان یکی از اجزای مهم سد خاکی وظیفه مهمی در کنترل فرسایش و آبشستگی خـاک هـسته بـر عهـده دارد. لـذا انتخـاب فیلتری بهینه برای سد خاکی ضمن کاستن از هزینه های هنگفت تولید فیلتر می تواند ایمنی سد خاکی را در برابر خطـر آبشـستگی تـضمین نمایـد. در این پژوهش با انجام آزمایش NEF، اثر فشار آب ، مدت زمان اشباع نمونه خاک مبنا و افزایش قطر سوراخ ایجاد شده در خاک مبنا، بر کارایی فیلتـر بررسی شده است . خاکهای مورد استفاده در این پژوهش از سد رودبال تهیه شده است . نتایج نشان می دهد بعضی نمونه هـای فیلتـر کـه در فـشار آب کمتر قادر به کنترل نشت متمرکز هستند، با افزایش فشار آب عملکردی ناموفق دارند. همچنین همواره نسبت حجم سـوراخ میـانی آزمایـشات بـا قطـر سوراخ میانی بزرگتر (mm١٠)، کمتر از آزمایشات با قطر سوراخ میانی کوچکتر (mm۵) است .
کلمات کلیدی: سد خاکی، فیلتر، آبشستگی، آزمایش NEF

١. مقدمه
یکی از اجزای مهم سد خاکی، سیستم فیلتر و زهکش آن می باشد. وظیفه اساسی این بخش مهم در سد خاکی آن است که ضمن اجازه به گـذر آب از حد فاصل بین دو لایه مجاور هم ، بدون ایجاد هر گونه تغییرات قابل ملاحظه در فشار، از حرکت ذرات ریز جلـوگیری بعمـل آورد. فیلتـر بـا عملکـردی ساده اما مؤثر، سد را در برابر فرسایش و آبشستگی خاک که به صورت ناخواسته در هسته نفوذناپذیر رخ می دهد، محافظت نموده و ایمن می سـازد. بـه همـــین دلیـــل انتخـــاب فیلتـــری بهینـــه و منطبـــق بـــر نیـــاز، جـــدای از نحـــوه تولیـــد، اجـــرا و ملاحظـــات اقتـــصادی حـــساسیت ویـــژه ای می یابد. جهت طراحی فیلتر محققین معیارهای متفاوتی را ارائه نموده اند که به بخشی از آنها اشاره می شود.
ترزاقی در سال ١٩٢٢ اولین معیار طراحی فیلتر را ارائه نمود. برترام (١٩۴٠) و لوند (١٩۴٩) اولین افرادی بودند کـه حـدود کـاربرد معیـار ترزاقـی را بررسی نمودند. مرز پایداری آزمایشات برترام در زیر خط قرار گرفت . در آزمایشات لوند نیز مـرز پایـداری زیـر خـط قرار گرفت . که در روابط فوق D15F اندازه ذره فیلتر است که ۱۵ درصد ذرات از آن ریزترند و D85B نیـز انـدازه ذره خـاک مبنـا اسـت کـه ٨۵ درصـد ذرات از آن ریزترند [١].
ووگان و سوآرز (١٩٨٢) با ارائه مفهوم فیلتر کامل رابطه ای را بین اندازه ذرات عبوری و ضریب نفوذپذیری فیلتـر ارائـه کردنـد. شـرارد و همکـاران (a ١٩٨۴) و (b١٩٨۴) با انجام آزمایشاتی روی ماسه با دانه بندی یکنواخت و خاکهای رسی و سیلتی به عنوان خاک مبنا، معیارهایی جهـت طـرح فیلتـر برای این خاکها ارائه نمودند [٢، ٣و ۴].
کنی در سال ١٩٨۵ با معرفی پارامتر D*c ( قطر بزرگترین ذره ای از خاک مبنا که می تواند از میان فیلتر با ضخامت مشخص عبور کنـد) بـه بررسـی رفتار فیلترها پرداخت . تحقیقات نشان داد که D*c می تواند با توجه به دانه بندی بخش ریزدانه فیلتر تعیین شود [۵].
شرارد و دانیگان (١٩٨٩) با معرفی آزمایش جدیدی به نام آزمایش فیلتر مانع فرسایش (NEF) که قابلیـت بـسیار خـوبی در کنتـرل نـشت متمرکـز دارد، برای انواع خاکهای مورد استفاده در هسته سدهای خاکی معیارهای طراحی فیلتر را ارائه نمودند. فستر و فـل (٢٠٠١) نیـز بـا انجـام آزمـایش NEF
معیاری جهت طراحی فیلتر ارائه نمودند. معیار شرارد و دانیگان (١٩٨٩) و فستر و فل (٢٠٠١) در جدول ١ آورده شده است [۶ و٧].

٢. مدلسازی فیزیکی
مدلسازی فیزیکی در مسائل ژئوتکنیک جایگاه ویژه ای دارند. با استفاده از مدلسازی فیزیکی می توان کلیه شرایط واقعی را بطور همزمان بر نمونه مـورد آزمایش اعمال و اثر توأم آنها را بررسی نمود. در این پژوهش با استفاده از آزمایش NEF پیشنهادی شرارد و دانیگان (١٩٨٩) نـشت متمرکـز مدلـسازی شد و سپس با اعمال فشار های مختلف آب بر نمونه کارایی فیلتر در کنترل نشت متمرکز بررسی گردید.
شکل ١ نمایی از دستگاه آزمایش NEF مورد استفاده را نشان می دهد.

دستگاه NEF ساخته شده در دانشگاه آزاد اسلامی استهبان کمی بزرگتر از دستگاه پیشنهادی شرارد و دانیگان (١٩٨٩) می باشد. قطر داخلی اسـتوانه ٢۴ سانتیمتر و ارتفاع آن ۴٣ سانتیمتر است . ابعاد بزرگتر دستگاه NEF ضمن بررسی بهتر شرایط و مشاهده بهتر نمونه حین انجام آزمایش ، امکـان مدلـسازی خاکهای درشت دانه را بدون نیاز به حذف دانه های درشت تر فراهم می آورد.
مراحل انجام آزمایش همانند مراحل ارائه شده توسط شرارد و دانیگان (١٩٨٩) و سروش و طباطبایی (١٣٨٣) به شرح زیر است :
در انتهای دستگاه ، مصالح زهکش متشکل از شن درشت به ضخامت ۴ تا ۶ سانتیمتر ریخته می شود.
بین لایه زهکش و فیلتر یک توری برای جلوگیری از فرسایش مصالح فیلتر قرار داده می شود.
مصالح فیلتر در چهار لایه و هر لایه به ضخامت ۴ تا ۵ سانتیمتر و با رطوبتی معادل ٣ درصد قرار داده شده و هر لایـه تحـت اثـر سر بار و ارتعاش متراکم می گردد. برای جلوگیری از ایجاد مسیرهای ترجیحی در جداره داخلی استوانه ، اطراف آخرین لایه فیلتر مصالح جداره ای قرار داده می شود.
خاک مبنا به ضخامت ۵ تا ۶ سانتیمتر روی فیلتر با انرژی استاندارد تراکم ، متراکم می گردد. جهت اشباع شدن نمونه ، روی نمونه آب ریخته می شود و به مدت ٢۴ ساعت در این شرایط نگهداشته می شود. سپس با استفاده از یک پیچ ، سوراخی بـه قطـر ۵ میلیمتر در خاک مبنا ایجاد می گردد. روی خاک مبنا یک توری و لایه ای از شن درشت به حداقل ضخامت ۵ سانتیمتر قرار داده می شود.
درپوش دستگاه بسته و با ورود تدریجی آب عمل هواگیری صورت می پذیرد. با باز کردن شیر انتهای دستگاه ، آزمایش شروع می شود.
جریان خروجی از دستگاه جمع آوری شده و وزن خاک مبنای فرسایش یافته اندازه گیری می شود. آزمایش زمـانی تمـام شـده تلقی می شود که رنگ آب خروجی شفاف گردد و یا آنکه آنقدر کدر شود که قابل اندازه گیری نباشد.
از روی مقدار تغییرات قطر سوراخ اولیه و رنگ و حجم آب خروجی در مورد عملکرد فیلتر تصمیم گیری می شـود. جزییـات بیـشتر در مقالـه شـرارد و دانیگان (١٩٨٩) قابل دستیابی است . عملکرد فیلتر هنگامی موفق تلقی می شود که قطر سوراخ اولیه تغییر زیادی نکرده و از کدورت و دبی آب خروجی تا پایان آزمایش کاسته شود.
٣. بحث و بررسی نتایج
٣-١. بررسی اثر فشار آب
جهت بررسی پارامترهای مورد نظر این پژوهش ، تعداد پنج نمونه فیلتر با مخلوط کردن درصدهای مختلف وزنی سنگ شکسته ساخته شـد. سـه نمونـه از فیلترهای ساخته شده (نمونه های A,C, B ) معیار شرارد و دانیگان (١٩٨٩) را ارضا می کنند و دو نمونـه دیگـر (D,E ) جهـت بدسـت آوردن معیـار فرسایش بیش از اندازه خاک مبنا ساخته شدند. خاک مبنا و سنگ شکسته مورد استفاده از سد رودبال تهیه شده است . سد رودبال روی رودخانه رودبـال واقع در ١٩ کیلومتری شمال غربی شهرستان داراب در دست احداث می باشد. شهرستان داراب در شرق استان فارس قرار دارد. نمودار دانه بندی این پنج نمونه فیلتر و خاک مبنای رسی در شکل ٢ نشان داده شده است . پوش فیلتر سد رودبال که در حال اجرا است نیز ترسیم شده است . فیلتر C بر پوش بالای فیلتر مماس می باشد. آزمایش NEF بطور جداگانه برای هر پنج نمونه فیلتر در فشارهای آب bar٢ ، ٣و ۴ و با سوراخ میانی به قطر ۵ میلیمتر انجام شد.
اشکال ٣، ۴ و۵ بطور مجزا نمودار تغییرات دبی خروجی نسبت به زمان را در فشارهای مختلف برای هر پنج نمونه فیلتـر نـشان مـی دهنـد. خـاک مبنـای مورد آزمایش در گروه ١ خاک شرارد و دانیگان (١٩٨٩) قرار می گیرد. پارامترهای مورد اسـتفاده در طراحـی فیلتـر بـر اسـاس معیـار شـرارد و دانیگـان
(١٩٨٩) در جدول ٢ آورده شده است . با توجه به این معیار و جدول ٢، فیلترهای B, A و C باید بتوانند نشت متمرکز را کنترل نمایند.

شکل ٢- نمودار دانه بندی خاک مبنا و فیلتر

همانگونه که در اشکال ٣ تا ۵ دیده می شود با افزایش فشار آب میزان دبی خروجی افزایش می یابد. در نمونه های موفق هم میزان دبی کم است و هم دبی روندی کاهشی و یا بدون تغییر قابل ملاحظه دارد. در نمونه فیلتر های ناموفق میزان دبی زیاد اسـت و معمـولا بـه صـورت نـامنظمی افـزایش می یابد. میزان دبی نمونه فیلترهای ناموفق خیلی بیشتر از دبی نمونه فیلترهای موفق است . دبی نمونه فیلتر A در هر سه فشار آب وارد شده کم اسـت و روندی کاهشی دارد، همچنین قطر سوراخ میانی این نمونه فیلتر در هر سه فشار آب وارده در پایان آزمایش بدون تغییر باقی ماند. ایـن نمونـه فیلتـر بـه عنوان فیلتری موفق ارزیابی می شود. دبی خروجی نمونه فیلتر B در فشار آب bar ۴ نسبت به دبی خروجی در فشار آب bar ٢ روندی افزایشی دارد.
افزایش دبی در فشار آب bar ۴ برای نمونه فیلتر B نشان از عملکرد ضعیف آن در کنترل نشت متمرکز دارد. یعنی عملکرد نمونه فیلتر B با افـزایش فشار آب ضعیف می شود. عملکرد نمونه فیلترهای E, D, C نیز ضعیف می باشد زیرا هم میزان دبی خروجی آنها افـزایش یافتـه و هـم میـزان قطـر سوراخ میانی افزایش یافته است . علت این امر آنست که با افزایش فشار آب ، تنش برشی بزرگتری به نمونه خاک مبنا اعمال می شود. با افزایش تـنش برشـــی وارده بـــه نمونـــه تمایـــل ذرات خـــاک مبنـــا بـــه جـــدا شـــدن از نمونـــه خـــاک مبنـــا و حرکـــت در مـــسیر جریـــان افـــزایش می یابد. این مساله می تواند از دو جنبه مورد بررسی قرار گیرد:
الف ) اول اینکه چون تنش برشی بزرگتری به نمونه وارد شده پس ذرات بیشتری از خاک مبنا فرسایش خواهند یافت و در نتیجه با افزایش فـشار، قطر سوراخ بزرگتر خواهد شد. با افزایش قطر سوراخ میزان جریان عبوری از سوراخ نیز بیشتر می گردد و این امر عامل تـشدید کننـده دیگـری بـرای افزایش بیشتر قطر سوراخ ایجاد شده در خاک مبنا می گردد.
ب ) دوم آنکه چون با افزایش فشار، نرخ تنش برشی وارد شده بر خاک افزایش می یابد پس با سرعت بیـشتری مقـدار زیـادی از ذرات خـاک مبنـا می توانند حفرات خاک فیلتر را مسدود نمایند. این امر باعث می شود که نـشت متمرکـز سـریعتر کنتـرل شـود و در نتیجـه در مـدت زمـان کمتـری آب خروجی از دستگاه شفاف گردد. کنترل این مساله در آزمایش با اندازه گیری خاک موجود در آب خروجی از دستگاه امکان پذیر است .
نتیجه ای که می توان از این بحث گرفت آنست که اگرچه در فشارهای بالا مقدار بیشتری از خاک مبنا فرسایش می یابد، اما مدت زمـان بـه تعـادل رسیدن سیستم فیلتر- خاک مبنا کمترمی شود و لذا آب خروجی از دستگاه NEF زودتر شفاف می شود. با توجه به این که معیار سنجش کـارایی فیلتـر در آزمایش NEF عدم تغییر قطر سوراخ ایجاد شده در خاک مبنا و کم شدن یا ثابت ماندن دبی به طور همزمان می باشـد پـس مـی تـوان گفـت کـه بـا افزایش فشار کارایی بعضی نمونه فیلترها ضعیف تر می شود.
شکل ۶ نسبت حجم سوراخ میانی در خاک مبنا را (یعنی نسبت حجم سوراخ میانی بعد از آزمایش (V٢) به حجم سـوراخ میـانی قبـل از آزمـایش (V١)) در مقابل فشارهای bar٢، ٣و ۴ نشان می دهد.

با توجه به معیار شرارد و دانیگان (١٩٨٩) و فستر و فل (٢٠٠١) برای خاکهای مبنای رسی با بیشتر از ٨۵ درصد ریزدانه ، مبنی بر عدم تغییر قطر سوراخ میانی یا تغییر جزیی آن ، در این پژوهش تغییر قطر سوراخ میانی ۵ میلیمتری تا حداکثر ۶ میلیمتر به عنوان فیلتر موفق قـضاوت شـده اسـت . بـدین لحـاظ حداکثر نسبت حجم به میزان ١.۴۵ به عنوان فیلتر موفق تلقی خواهد شد. عملکرد فیلترهایی که نسبت حجم آنها بین ١.۴۵ تا ١.۶ است نیمه موفق ارزیابی شده است . با توجه به شکل ۶ دیده می شود که در نمونه A همواره نسبت حجم سوراخ بدون تغییر باقی مانده است اما برای نمونه هـای D, C, B و E با افزایش فشار آب ، نسبت حجم سوراخ میانی افزایش یافته است بطوریکه نمونه فیلتر B که با فشار bar ٢ عملکرد موفقی از خود نـشان داده ، در فـشار bar ۴ عملکرد نا موفقی داشته است . در مورد عملکرد همین نمونه فیلتر در فشار آب bar ٣ می توان گفت که کارایی آن در حد متوسط بین فیلتر موفق و نا موفق قرار دارد و با کمی اغماض می توان عملکرد آن را نیمه موفق و یا به طور محافظه کارانه ناموفق تلقی نمود. همچنین از شکل ۶ دیـده مـی شـود که برای عملکرد موفق تا نیمه موفق نسبت کمتر از ١.۶ می باشد که این نسبت مربوط به نمونه فیلتر A در هر سه فشار آب وارده و نمونه فیلتر B و C در فشار آب bar ٢ می باشد.
هر چه خاک فیلتر دارای خلل و فرج بیشتری باشد میزان خاک مبنای مورد نیاز برای مسدود کردن این خلـل و فـرج بیـشتر خواهـد بـود. لـذا میـزان افزایش قطر سوراخ ایجاد شده در خاک مبنا طی آزمایش ، از نمونه خاک فیلتر A که ریزدانه تر است به سمت نمونه E که درشت دانه تر است افـزایش می یابد. میزان خاک فرسایش یافته نمونه فیلترها با افزایش فشار آب ، زیاد می شود. میزان این افزایش خاک فرسایش یافته بـرای نمونـه فیلترهـای موفـق ناچیز است اما برای نمونه فیلترهای ناموفق زیاد می باشد. بطور مثال در شکل های ٧ و ٨ میزان خاک فرسـایش یافتـه بـرای نمونـه فیلتـر موفـق A و فیلتـر ناموفق E در فشارهای مختلف نشان داده شده است . همانگونه که در این اشکال دیده می شود میزان خاک فرسایش یافته نمونه فیلتر A بـه نـسبت نمونـه فیلتر E تقریبا ناچیز است .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 14 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد