مقاله بررسی نامعینی موجود در آنالیز شکست سدهای خاکی و روندیابی سیلاب حاصل از آنها

بخشی از مقاله

بررسی نامعینی موجود در آنالیز شکست سدهاي خاکی و روندیابی سیلاب حاصل از آنها
چکیده
مطالعات شکست سد مستلزم تعریف پارامترهاي متغییر و نامعلومی مانند علت شکست و هندسه شکست ایجاد شده و زمان تشکیل شکاف می باشد. پیش بینی دقیق مشخصات شکاف (عرض شکاف، زمان شکست و شیب شکست) یکی از مهمترین مباحث براي تحلیل مسئله شکست در سدهاي خاکی می باشد. پارامترهاي شکاف و تعیین میزان حساسیت هر کدام از آنها بیشترین تاثیر را بر امواج حاصل از شکست سد را دارند. در این تحقیق نامعینی روشهاي موجود براي بررسی آنالیز نامعینی در شکست و روندیابی سیلاب حاصل از شکست سدها که شامل روابط تجربی و مدل فرسایشی BREACH و مدل هیدرولیکی HEC-RAS میباشد انجام شده و با توجه به اینکه در پایین دست سدها منطق مسکونی و صنعتی می باشد بهترین تخمین از شکست سد نرماب انجام می شود. بر اساس آنالیز نامعینی عرض شکست بیشترین حساسیت را در دبی خروجی از شکست سد داشته همچنین هر چه چسبندگی و زاویه اصطکاك داخلی مصالح سد کمتر باشد پیک خروجی بیشتري را نتیجه می دهد. بر اساس آنالیز روندیابی سیلاب مناطق پایین دست سد در معرض سیلاب عظیمی از شکست سد قرار دارند.

کلمات کلیدي: شکست سد، پارامترهاي شکاف، نامعینی،روابط تجربی، مدل BREACH، HEC-RAS

.1 مقدمه
شکاف، نوعی باز شدگی در سد است که در هنگام شکست سد ایجاد می شود. مکانیک واقعی شکست در مورد سدهاي خاکی و یا بتنی، هنوز بخوبی استنباط نگردیده است. در تلاشهاي قبلی براي پیش بینی سیلاب پایین دست ناشی از شکست سدها، معمولا فرض بر این بوده است که سد بطور کل و در یک لحظه شکسته میشود. محققین امواج سیلابی شکست سد، فرض کرده اند که شکاف ایجاد شده در جسم سد تمام سد را در بر می گیرد و در یک لحظه به وقوع می پیوندد. برخی دیگر، بر این باورند که شکاف بطور جزیی در قسمتی از سد به وقوع می پیوندد و پس از مدت زمان کامل می شود .[1] شکست سد میتواند به علت پدیده هاي سرریز شدن آب از روي سد بدلیل ناتوانی ظرفیت تخلیه سرریز، تراوش، پدیده اي ایجاد لوله در بدنه سد، لغزش شیب خاکریز، اثر زلزله و روانگرائی سدهاي خاکی، ایجاد موج ضربهاي در اثر ورود توده لغزشی به داخل مخزن و یا در اثر انفجار ناشی از عملیات تروریستی و یا جنگ صورت گیرد. [2] درصد شکست سدهاي خاکی طبق گزارش سامتز، 1981در اثر روگذاري%43 ، در اثر پایپینگ %40 و %10 در اثر عوامل مکانیکی و %7 در اثر عوامل دیگر می باشد. بیش از %80 سدهاي خاکی شکسته شده در جهان در اثر روگذاري و وقوع پدیده ایجاد لوله در بدنه سد شکسته شده اند[3] .پس در این تحقیق شکست سدهاي خاکی ناشی از شکست روگذري و شکست پایپینگ بررسی می شود.
-1مطالعات مربوط به تعیین پارامترهاي شکست سد: تعیین شکل شکست و زمانی که براي ایجاد مقطع شکست بطول می انجامد به دو روش امکان پذیر می باشد:[4]
 روشهاي آماري یا تجربی که با استفاده از داده هاي حاصل شده در جهان روابطی را براي تعیین مقطع شکست توسط محققین مختلفی از جمله ساین و اسکارلاتوس در سالهاي 1982 و 1984 با استفاده از 20 مورد مطالعاتی، مطالعات فروهلیچ در سال 2008 و . . . . .

 روشهایی بر پایه مدل فیزیکی از جمله مدل فرسایشی BREACH در سال 1991
-2 مطالعات مربوط به روندیابی سیلاب پایین دست آن از جمله مدل FLDWVE ’ DAMBRK وHEC-RAS را نام برد.

-2 آنالیز نامعینی روشهاي تجربی

با استفاده از داده هاي مربوط به 108 سد خاکی شکسته شده در جهان که از مراجع معتبر و با کمک محققین در کشورهاي مختلف بدست آمده اند، روشهاي مختلف تجربی مورد ارزیابی قرار گرفته اند. بعلت عدم دقیق بودن مشاهدات براي ارائه رابطه مناسب و موجود بودن داده هاي پرت در این مقادیر و نیز نامعین بودن روابط تخمین، لازم است که آنالیز نامعینی بر روي روابط تخمین انجام شود. نامعینی روابط تجربی می تواند با استفاده از الگوریتم Rousseeuw انجام شود. چنانچه روابط تخمینی داراي محدوده نامعینی کم و تعداد پارامترهاي پرت کمتري باشد، قوي تر بوده و از آن می توان براي برآورد مناسب استفاده کرد. [6,5] نتایج آنالیز نامعینی در جدول 1 براي بهترین تخمین از متوسط عرض شکاف و در جدول 2، بهترین تخمین از زمان شکست ارائه شده است.

رابطه فروهلیچ 2008 که بر اساس 80 داده مطالعاتی می باشد:

و رابطه فروهلیچ در سال 1995 بر اساس 50 مورد مطالعاتی از شکست سدهاي رخ داده در جهان:


که در آن معادله فروهلیچ که بر اساس 33 داده مطالعاتی بوده به صورت زیر می باشد:

در جدول 3 نتایج آنالز نامعینی روابط حداکثر دبی پیک ارائه شده است.
که در آن رابطه فروهلیچ 1995 به صورت زیر می باشد:

در این روابط، : متوسط عرض شکاف (متر)،Vwحجم مخزن در لحظه شکست (متر مکعب بر ثانیه) ، ارتفاع شکاف که باید با فرض منطقی در نظر گرفته شود(متر) ،Tfزمان شکست (ساعت) دبی پیک خروجی از شکاف سد(متر مکعب بر ثانیه)، :g شتاب ثقل زمین (متر مربع بر ثانیه).
-3 مدل BREACH
این مدل هیدروگراف جریان خروجی شکست سد و ابعاد شکاف و زمان تشکیل یک شکاف در سدهاي خاکی- سنگریزه اي را پیش بینی می کند.
شکست در اینگونه سدها می تواند ناشی از رگابه یا سرریز شدن از بالاي سد می باشد. سد می تواند ساخت دست انسان باشد و از یک خاکریز همگن یا خاکریزي با هسته مرکزي تشکیل شده باشد. مدل Breach اصول مهندسی خاك، مهندسی هیدرولیک و انتقال رسوب را بکار برده و پروسه هاي فرسایش وخرابی دیواره سیل بند که عامل شکست هستند را شبیه سازي می کند. مشخصه هاي جریان ورودي به مخزن، مخزن و ویژگی هاي سرریز در کنار مشخصات هندسی سد و ویژگی هاي مصالح آن چسبندگی، زاویه اصطکاك داخلی، تخلخل و وزن مخصوص) در پیش بینی هیدروگراف جریان خروجی مورد استفاده قرار میگیرند. [7]
با استفاده از منحنی دانه بندي و خصوصیات مصالح بدنه سد مورد مطالعه، حساسیت مدل BREACH نسبت به متوسط قطر ذرات ) )، چسبندگی ذرات (C) و زاویه اصطکاك داخلی( ) مصالح سد را در هیدروگراف دبی خروجی تعیین شده است. میزان تغییر در هیدروگراف دبی خروجی از سد نرماب با توجه به مشخصات مصالح بدنه سد در شکل 1 نشان داده شده است.

همانطور که از هیدروگراف بالا مشاهده می شود تغییرات مصالح سد در محدوده دانه بندي چندان معنی دار نمی باشد. در شکل 2 تغیرات ماکزیمم و مینیمم مصالح سد در پیک دبی خروجی از شکست سد نرماب نشان داده شده است.

حساسیت مدل Breach در حالت روگذري نسبت به عمق اولین شکاف قابل توجه می باشد. در شکل3 میزان تغییرات عمق اولیه شکاف در هیدروگراف دبی خروجی ناشی از شکست سد مورد مطالعه نشان داده شده است. همانطور که از شکل استنباط می شود حساسیت قابل توجه در زمان رسیدن دبی به مقدار ماکزیمم خود می باشد و تغییرات محسوسی در پیک جریان خروجی از شکاف حاصل نشد. برابر توصیه ارائه دهندگان مدل، ورودي عمق لوله شکاف بین 0.1 تا 1 فوت می باشد و به طور پیش فرض مقدار 0.1 منظور می گردد.

-4 مدل هیدرولیکی HEC-RAS 3.1.3
مدل HEC-RAS قابلیت انجام محاسبات یک بعدي در حالت جریان ماندگار را دارد. در سال 2002 قابلیت تحلیل شکست سد به مدل HEC-RAS اضافه گردید. این مدل جهت حل جریان هاي ناپایدار از معادلات یک بعدي سنت ونانت استفاده می کند. براي حل معادلات سنت و نانت از روش ضمنی چهار نقطه اي و تکنیک (Local Partial Inertia Technique) استفاده می کند. این مدل یک مدل پارامتري می باشد و مشخصات شکاف ایجاد شده در سد و نوع شکست باید توسط کاربر تعیین شود. [8]
-4 مطالعه موردي
مطالعه موردي در این تحقیق بر روي سد خاکی همگن نرماب انجام شده است . این سد در 7.5 کیلومتري بالا دست شهرستان مینودشت در استان گلستان واقع بوده و هم اکنون در حال احداث می باشد . مطالعات شکست براي این سد با استفاده از بهترین روابط تجربی و مدل فرسایشی شکست سدهاي خاکی (Breach) و با توجه به اینکه در پایین دست سد فوق الذکر مناطق مسکونی و جمعیتی می باشد بهترین تخمین از شکست سد انجام شده
و با استفاده از مدل HEC-RAS، نامعینی پارامترهاي شکاف بررسی می شود. اطلاعات لازم براي تحلیل شکست بصورت زیر می باشد:
تراز بستر رودخانه در محل سد 155 متر ، تراز تاج سد 215 متر ، تراز تاج سرریز 208 متر ، حجم مخزن در تراز تاج سد و تاج سرریز به ترتیب 160 و 115.3 میلیون متر مکعب ، میزان چسبندگی مصالح بدنه سد 0.5 کیلوگرم بر سانتی متر مربع ، D50 مصالح بدنه سد 0.26 میلیمتر ، زاویه اصطکاك داخلی مصالح 39 درجه و میزان سیلاب PMF و 100 ساله به ترتیب 2383 و 200 متر مکعب بر ثانیه می باشد. [9]
براي مطالعه شکست سدهاي خاکی در حالت روگذري از سیلاب PMF و براي حالت پدیده ایجاد لوله در بدنه سد از سیلابهاي 100 ساله یا دبی نرمال استفاده می گردد. [10]
در آنالیز شکست سد، بحرانی ترین حالت شکست، یعنی حالت روگذري در نظر گرفته شده است. از آنجایی که دبی خروجی در حالت روگذري بیشتر از حالت پایپینگ بوده و در زمان کمتري اتفاق می افتد. در نتیجه جهت آمادگی در برابر سیل بحرانی تر است.با استفاده از روابط بهینه تجربی، متوسط عرض شکست در حالت روگذري: 198.53 متر، فاکتور شیب کناره شکاف (افق به قائم): 1، زمان تشکیل شکاف: 1.16 ساعت و پیک دبی خروجی بر اساس رابطه فروهلیچ: 61952.16 متر