بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تاثیر دما بروی ضریب نفوذ پذیری و میزان تراوش از جسم سد های خاکی مطالعه موردی سد سهند
خلاصه
امکان تراوش داخل بدنه سد خاکی پس از ساخت آن تقریبا همواره وجود دارد.فرسایش داخلی که یکی از عوامل اصلی شکست در سد خاکی می باشد، باعث ایجاد جریان نفوذی می شود که با از بین رفتن ذرات ریز داخل بدنه سد ، مقدار این جریان نفوذی به مرور افزایش می یابد. همزمان با وقوع تراوش در بدنه سد، جریان آب مخزن سد که به سمت پایین دست و از داخل هسته رسی حرکت می کند، مشخصات فیزیکی خود را انتقال می دهد که یکی از این مشخصات دمای آب است. بنابراین با ارزیابی تغییرات زمانی میزان دمای آب در نقاط مختلف بدنه سد و مقایسه آن با دمای آب مخزن می توان به وضعیت تراوش از بدنه سد پی برد. از سوی دیگردرجه حرارت و گرادیان تغییرات آن یکی از موارد مهم و قابل بررسی در تحلیل تنش و کرنش یا ارزیابی مقاومت وپایداری سدها و بالطبع سدهای خاکی میباشد. در این تحقیق به منظور بررسی این آثار نتایج بدست آمده از قرائت داده های ابزار دقیق مورد استفاده قرار گرفته است. برای این منظور عملکرد سد خاکی سهند از منظر تراوش(فشارهای پیزومتریک)،مقادیر تنش و تغییر شکل با کمک شبیه سازی عددی توسط کامپیوتر در مقاطع ابزار گذاری شده با توجه به وضعیت تراز آب در مخزن تحلیل شده اند. نتایج نشان داده اند که اختلاف مابین مقادیر بدست آمده و مقادیر مشاهداتی در خصوص پدیده های مورد نظر با نوسانات دما در محیط ارتباط داشته است.درواقع هدف از انجام این تحقیق دستیابی به میزان این تاثیرات بوده است. بدیهی است با امکان انجام این مطالعات در سدهای خاکی با ابعاد مختلف می توان به نتایج قابل توجهی در این زمینه دست یافت.
کلمات کلیدی: دما ، تراوش، ابزار دقیق، نفوذپذیری ، فشار پیزومتریک
.1 مقدمه
علی رغم مطالعات انجام شده قبل و در حین احداث سد، همیشه نمیتوان رفتار هیدرولیکی بدنه سد یا تشکیلات زمین شناسی مجاور آن را به دقت پیش بینی کرد. بنابراین احتمال وقوع نفوذ یا تراوش پس از ساخت سد تقریبا قطعی است[1]و.[2] دبی آب های نفوذی در سد و پی به نفوذپذیری مصالح سد و پی بستگی دارد، با وقوع تراوش در بدنه سد جریان آب مخزن که به سمت پایین دست و از داخل بدنه حرکت می کند مشخصات فیزیکی خود را از دست می دهد، هرچه سرعت یا دبی تراوش بیشتر باشد مشخصات فیزیکی آب داخل بدنه سد شباهت بیشتری با آب داخل مخزن پیدا می کند . بررسی فرسایش داخلی و تراوش در سدهای خاکی از مسائل مهم در مراقبت و نگهداری از سد می باشد که دربیشتر سدهای جهان صورت می گیرد.[3] پیشرفت های اخیردر زمینه ارزیابی با استفاده از اندازه گیری دما باعث بهبود روش های مراقبت شده است .[4 ] بیشترین کاربرد این روش در ارزیابی بلند مدت است که تراوش های کوچک و آرام و همچنین محل دقیق ناحیه تحت تراوش را مشخص می سازد. این روش بر این اساس است که تغییر در نفوذ پذیری خاک باعث تغییر در مقدار تراوش می شود.که این تغییرات نیز به نوبه خود باعث تغییر دما می شود. حساسیت این روش در حدود m3/s 10- 5 برای سدهای عادی می باشد. ولی ممکن است کم یا زیاد شود که این امر بستگی به محل اندازه گیری دما و شرایط محلی دارد. دمای یک سد خاکیعمدتاً به دمای مخزن و هوای اطراف آن بستگی دارد. از آنجا که تغییرات دما در همه آب های سطحی روی می دهد پس دماهای مذکور نیز به صورت فصلی تغییر کرده و باعث ایجاد موج های گرمایی در سد می شوند. دمای مخزن در بالادست زمانی یک سد خاکی را تحت تاثیر قرار می دهد که میزان تراوش در سد بیش از حالت عادی باشد. معمولا جریان تراوش کم، تاثیری در دمای سد نداشته و دما تقریبا به صورت ثابت باقی می ماند که با افزایش جریان تراوش در سد به طور فصلی تغییر می کند. در حالت کلی دامنه تغییرات دما بستگی به میزان جریان تراوش، تغییرات فصلی دما در مرزهای جریان وبه فاصله مرز تا نقطه اندازه گیری دما دارد. باید چنین مفروض کرد که ضریب نفوذپذیری و میزان تراوش سد های خاکی با افزایش و کاهش دما، تغییر می کند. همچنین تغییرات دما بر روی پایداری سد های خاکی تاثیر می گذارد و اینکه تغییرات دما بر روی توزیع تنش و کرنش در جسم سد خاکی تاثیر می گذارد. هدایت دمایی خاک، توسط ترکیبات معدنی و میزان تخلخل آن تعیین می شود، حفرات خاک توسط هوا یا آب پر شده اند. برای فاز جامد، عواملی مانند اندازه ی ذرات و شکل آنها ممکن است موثر باشد. اما عموما مهمترین فاکتور و محتویات معدنی خاک است. میزان کوارتز معدنی به علت هدایت دمایی بالایی که دارد به صورت خاصی دار ی اهمیت می باشد. دمای آب یا دریاچه ها عموما توسط کارفرمایان سدها و در سطح ملی گردآوری می گردد بنابراین داده های مناسبی برای اغلب سدها یافت می شود که در تخمین و تحلیل دمایی جریان تراوش یافته می تواند مورد استفاده قرار گیرد.تغییرات فصلی دمای آب ، مهمترین تغییرات برای پایش تراوش یا تراوش است. استفاده از اندازه گیری های دمایی برای تشخیص تراوش در سد های خاکی ، به سرعت مقبولیت پیدا کرده است. این روش با موفقیت و در طول 20 سال گذشته به خصوص در کشورهای آلمان و سوئد مورد استفاده قرار گرفته و مرتبا در هر دو جنبه پایش و ارزیابی بهبود یافته است. مطالعه بر روی آنالیز حرارتی آب در لایه های زیرزمینی و سد ها از اواسط دهه 50 میلادی شروع شده است. اولین اندازه گیری درجه حرارت جهت تعیین تراوش آب و شناسایی آن در سدها و آبراه های سد خاکی در شمال آلمان توسط کاپل میر ( (KAPPLE MEYER 1956 انجام پذیرفت. وی به بررسی امکان ارزیابی مشخصات زیرزمینی با استفاده از اندازه گیری دما در اعماق پرداخت. استالمن( (STALLMAN.R.W 1965 در مقاله خود رابطه ای را جهت محاسبه سرعت نفوذ آب در خاک با استفاده از مشاهدات دمای سطحی زمین ارائه کرده است. جانسون( (JOHANSSON S. 1991 در سوئد تحقیقات زیادی روی رفتارنگاری حرارتی جریان در بدنه سد و لایه های زیرزمینی انجام داده است، جانسون و همکاران ( (JOHANSSON S. et al. 1991 در مقاله خود برای اندازه گیری تراوش داخل خاک، دو روش اندازه گیری مقاومت و اندازه گیری دما را معرفی کردند. جانسون و همکاران در مقاله خود برای اندازه گیری تراوش داخل خاک ، دو روش اندازه گیری مقاومت و اندازه گیری دما را معرفی کردند. استفاده از سیستم های فیبر نوری برای اندازه گیری درجه حرارت در سد های خاکی اولین بار در سوئد در سال 1993 مورد مطالعه قرار گرفت و راه اندازی آزمون آزمایش های آن برای اولین بار در فرانسه در سال 1995 توسط آلبتا و گارنو ( (ALBATA, GARNEO صورت گرفته است.
-2 فرآیندهای انتقال حرارت
انتقال گرما به تعادل و جابجایی انرژی در یک سیستم بستگی دارد. در مورد محیط متخلخل،انتقال گرما مجموعه ای از فرآیندهای پیچیده که بین فازهای مختلف محیط (جامد و سیال) صورت می گیرد، میباشد. در مقیاس ماکروسکوپی، مهم ترین فرآیندهای انتقال حرارت درمحیط متخلخل انتقال یا هدایت گرما((Conduction وجابجایی یا همرفت حرارتی((Convection می باشد.
1 - 2 انتقال یا هدایت گرما
انتقال حرارت از طریق هدایت، در اثر اختلاف درجه حرارت بین دو نقطه از آن جسم صورت می گیرد. در این حالت ذرات جسم تغییرات قابل ملاحظه ای ندارند. هدایت در حقیقت انتقال انرژی حرارتی یک مولکول به مولکول مجاور می باشد. تجربه نشان می دهد در صورت وجودگرادیان حرارتی در یک جسم، انرژی از جای گرم به جای سرد منتقل می شود. شدت انتقال انرژی برای واحد سطح جسم متناسب است با گرادیان درجه حرارت:
که در این رابطه : q شدت جریان حرارتی (w)،:A سطح جسم (m2)، : ضریب هدایت حرارتی گرادیان حرارتی است.
اگر سیستم در جریان حرارتی ثابت باشد یعنی درجه حرارت نقاط مختلف بر حسب زمان تغییر نکند و فقط انتقال حرارت در جهت محور x صورت پذیرد؛ کافیست از رابطه((1انتگرال گیری کنیم تا شدت جریان بدست آید. ولی اگر درجه حرارت جسم بر حسب زمان تغییر کند و یا اگر منبع حرارتی در جسم باشد مسئله مشکل تر خواهد شد. با در نظر گرفتن یک حالت کلی، یعنی امکان تغییرات دما با گذشت زمان و وجود منبع گرمایی در داخل جسم،برای یک المان به ضخامت dx می توان موازنه انرژی رابه صورت زیر نوشت:
انرژی تولید شده داخل جزء مورد نظر+ انرژی هدایت شده از سطح چپ به داخل= تغییرات انرژی داخلی + انرژی هدایت شده از راست به چپ با ترکیب روابط فوق معادله زیر بدست می آید
در رابطه فوق دما (K)T:، :x طول مسیر (m)،: q انرژی تولید شده به ازای واحد حجم (W/m 3)،: c ظرفیت حجمی گرمای ویژه خاک((J/kg. K، ρ مخصوص وزن( kg/m)3
معادله مذکور مربوط به هدایت گرمایی یک بعدی میباشد. برای هدایت حرارت در حالت سه بعدی نیز می توان نوشت:
با در نظر گرفتنq.= 0 (تولید انرژی در واحد حجم وجود نداشته باشد) برای فرآیند هدایت گرمای توده خاک می توان نوشت
که در آن c° ظرفیت حجمی گرمای خاک می باشد. بااستفاده از رابطه((4 می توان هدایت گرما در هر سازه خاکی در یک بعد را تعیین کرد.
-2-2 انتقال گرما از طریق جابجایی یا همرفت:
درانتقال حرارت به وسیله جابجایی، مولکول ها متحرک بوده و انرژی حرارتی را با خود جابجا می کنند. در این حالت قسمتی از سیال با قسمت دیگر مخلوط شده و عمل جابجایی یا همرفت صورت می پذیرد. جابجایی در واقع انتقال انرژی با حرکت حجمی سیال می باشد.در سدهای خاکی بخش مربوط به جابجایی گرما به علت تراوش به وجودمی آید. سرعت دمایی VT به صورت زیر می تواند تعریف شود :(Claesson et al. 1985)
برای حرکت آب در خاک (محیط با مقدار تخلخل (n یک بعدی (درجهت (x با استفاده از قانون بقای جرم می توان نوشت:
: Ρf دانیسیته سیال (آب) (kg/m3)
اغلب سرعت تراوش با یک شکل کلی قانون دارسی بیان می شود:
که در آن :k تراوایی (m2)، .. :ویسکوزیته دینامیکی (kg/m.s) ، :p فشار((N/m2، :g شتاب ثقل (m/s2)، :qi نرخ نشست سیال (m/s) می باشد.
با استفاده از معادلات فوق و برای شرایط پایدار معادله حرکت را برای حرکت آب در خاک می توان به صورت زیر نوشت ρf وμ ثابت می باشند:
این معادله با شرایط اولیه و مرزی مخصوص مسئله،نشت آب در خاک را توصیف می کند که به وسیله تغییرات فشار و تغییرات دانسیته آب به وجود آمده است.تراوایی k مستقل از خواص سیال می باشد و رابطه بین(k(m2 تراوایی و هدایت هیدرولیکی K(m/s) به صورت زیر می باشد:
-3 ارزیابی تراوش در سد خاکی به دو روش صورت می گیرد:
الف) روش پاسیو که در آن دما به صورت یک ردیاب برای تشخیص حالات غیر عادی حرارتی عمل می کند دراین روش ارزیابی تراوش با استفاده از روش های اندازه گیری دما بر اساس تحلیل تاخیر موج گرمایی، تحلیل دامنه و روش های عددی صورت می گیرد.
ب) روش اکتیو که در این روش وجود آب در خاک با بررسی عکس العمل حرارتی خاک که به علت گرما ایجاد می شود توضیح داده می شود.
-4 روش عددی:
نرم افزار Geostudio از جمله برنامه های ژئوتکنیکی بر مبنای المان محدود می باشد و از طیق آن می توان آنالیز هایی از قبیل تنش-کرنش،جریان
