بخشی از مقاله
چکیده
وجود گسلهای فعال یا غیرفعال در ساختگاه سدهای بتنی وزنی و مخازن سد به عنوان خطری تهدیدکننده برای پایداری سازه شناخته میشود. در موارد ویژه، زمانی که صفحه گسلی دقیقاً محور سد را قطع مینماید، ویژگیهای خاصی باید در طراحی و ساخت سدها به منظور کنترل حرکت احتمالی گسل در پی در نظر گرفته شود. در این مقاله، در نظر داریم که تأثیر درزههای برشی را بر عملکرد لرزهای سد کوینا با فرض حرکت گسل در فونداسیون با روش عددی المان محدود مورد بررسی قرار دهیم. برای این منظور، مدلهای سه بعدی از سد کوینا شبیهسازی شد و نتایج آنها با یکدیگر مقایسه گردید. جابهجایی فرضی گسل به اندازه 0/1 متر نیز توسط دو پوسته بتنی در زیر سد مدلسازی شده است. همچنین، برای شبیهسازی رفتار درزههای برشی، بدنه سد به پنج مونولیتِ دو به دو با هم مماس تقسیم گردیده است. نتایج نشان میدهد که درزههای برشی نه تنها در کنترل روند ترکخوردگی تحت شرایط جابهجایی گسل مؤثر هستند، بلکه مقدار ترکها در بدنه سد به علت لرزش پی طی زلزله را، به میزان قابل توجهی کاهش میدهند. رفتار اصطکاکی در این درزهها نقش مهمی در کاهش مقدار تنشهای کششی در بدنه سدها ایفا میکنند. بنابراین، با در نظر گرفتن این درزهها در طراحی و ساخت سدهای بتنی وزنی میتوان پایداری و مقاومت سازه در برابر حرکتهای ناگهانی زمین را تضمین نمود.
کلمات کلیدی: درزههای برشی، جابهجایی گسل، سد بتنی وزنی، روش اجزا محدود.
-1 مقدمه
پایداری سازههای حجیم نظیر سدهای بتنی وزنی در صنعت سدسازی از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. از آنجایی که استحکام و عملکرد لرزهای این سدها به صورت چشمگیری به شرایط فونداسیون بستگی دارد، ساخت چنین سازههای در ساختگاههای نزدیک به گسلهای فعال معقول نبوده و به هیچ وجه توصیه نشده است 1]،.[2 اما علیرغم خطر ناپایداری سازه، ممکن است برخی از سدها، نزدیک یا روی یک گسل فعال ساخته شوند. از این رو، مطالعه اثر گسل در زیر بدنه سد به دلایل زیر ضروری میباشد: - 1 گسترش ساخت سازههای عظیم و کاهش عرصههای مناسب، - 2 ساخته شدن سدهای بتنی در گذشته بر روی بستر سنگی دارای گسل مانند سد بتنی وزنی - مورس در کالفرنیا و کلاید در نیوزلند - ، - 3 وجود مکانهایی که از هر حیث برای احداث سد مناسب بوده و تنها مشکلشان تقاطع گسل با سد در زیر بدنه میباشد، - 4 ساخته شدن سدها بر روی گسل غیرفعال که در آینده ممکن است به هر دلیلی فعال شود 3]،4،.[5 در جدول1 برخی از سدهای بتنی ساخته شده بر روی گسلهای فعال نشان داده شده است.
جدول:1 سدهای بتنی ساخته شده بر فونداسیونهای حاوی گسل فعال
در موارد بالا، علیرغم وجود گسلهای مجاور، بهرهگیری از تکنیکهای ساخت در سازه توانسته است میزان جابهجاییهای ناشی از گسل در فونداسیون را محدود نموده و پایداری سد را به صورت مداوم تضمین کند . در چنین شرایطی، وجود یک گسل فعال در پایه سد نمیتواند به عنوان تنها معیار تمایز یک ساختگاه مناسب از یک ساختگاه نامناسب برای سد باشد. به عبارت دیگر، ویژگیهای طراحی و تکنیکهای ساخت و ساز به عنوان فاکتورهای تعیینکننده جهت انتخاب یک مکان به عنوان ساختگاه مناسب سازه خواهند بود.
-2 مروری بر مطالعات پیشین
ناپیوستگیهای زمین که تحت عنوان گسل شناخته میشوند، یکی از مخربترین عوامل تکتونیکی در ساختگاه سدها به شمار میروند که میتوانند سبب بروز خرابیهای عمده در بدنه سد شوند. در واقع، در مهندسی سد، همواره بر اجتناب از ساخت سد در نواحی با امکان لرزهخیزی بالا تأکید شده است .[6] هرچند، در صورت در نظر گرفتن گسل در طراحی سد، میتوان اثر حرکت گسل بر عملکرد و ایمنی سازه را به صورت چشمگیری کاهش دادشِرارد. و همکاران [1] خلاصهای از مطالعات انجام شده بر حرکت گسلها در فونداسیون سدهای موجود ارائه نموده و روشهای فنی جهت ارزیابی گسلهای فعال پیشنهاد کرده است. روشهای تحلیلی توسط کُنگای و جانسن 7[] و هُری و همکاران [8] به منظور ارزیابی رفتار سازههای و جابهجایی زمین در امتداد گسل طی زلزله بررسی گردیده است. دیکسُن و کوواسیچ [9] معیارهای ساختمانی و مهندسی به روشهای تحلیلی به کار رفته در طراحی برخی سازههای مهم ساخته شده بر روی گسل فعال تشریح نموده است. قائمیان و همکاران [5] اثر جابهجایی گسل بر روی پایداری سدهای بتنی وزنی را با توجه به نوع، محل و زاویه گسل ها در فونداسیون سد مورد بررسی قرار داده است. نتایج نشان داد که همه مؤلفههای ذکر شده بایستی در تحلیل غیرخطی دینامیکی سدهای متقاطع با گسل و استخراج الگوهای پخش ترک مورد ملاحظه قرار گیرند. همه مطالعات انجام شده حاکی از آن دارند که حرکت گسل در فونداسیون پایداری سازههایی نظیر سدهای بتنی را به مخاطره میاندازند. از این رو، به کار بردن ویژگیهای خاصی در طراحی سد، نظیر درزههای برشی، میتواند میزان خرابیهای ناشی از حرکت گسل را کاهش دهد.
وجود مقاومت برشی در بین درزههای برشی در سدهای بتنی وزنی سبب انقال نیروهای عرضی به تکیهها در حین زمینلرزه میگردد. در چنین شرایطی، نیروهای بدنهای عرضی کاهش یافته و قابلیت بهبود پایداری سد افزایش مییابد. در نتیجه، اگر درزههای برشی به درستی در بدنه سد کار گذاشت شوند، میتوانند به عنوان نوعی طراحی حفاظتی در برابر زلزله استفاده شوند . احمدی و رضوی [10] از یک مدل ترک مجزا به منظور شبیهسازی درزههای قائم و درزههای فونداسیون در سدها به کار برد. در پژوهش آنها، عرض بازشدگی ترکها و متغیرهای تنش-کرنش در سطوح ترکها با محاسبات مستقیم صورت گرفته است. قُوبارا و همکاران [11] مونولیتهای سد بتنی وزنی را توسط المانها تیر شبیهسازی نموده و تأثیر اندرکنش بین مونولیتها بر عملکرد لرزهای کلی سد را بیان کردند. نتایج نشان داد که این اندرکنش باعث افزایش فرکانسهای پایهای سد میگردد. لایو و همکاران [12] درزهای موجود در یک سد بتنی قوسی را با استفاده از فرمول درزههای پیوسته برای المانهای درزهای با ضخامت صفر مدل کردند. این المانهای درزهای با ضخامت صفر میتوانند رفتار بازشدگی، بسته شدگی و حرکت گشویی دو جسم در کنار هم را به خوبی مدل نمایند. در نهایت، آنها به این نتیجه رسیدند که این حرکت گشویی-برشی در درزههای به طرز چشمگیری پاسخ لرزهای سد را تحت تآثیر قرار میدهد. جیانگ و همکاران [13] سطح ترکها در بدنه سد را به عنوان درزه در نظر گرفته و اندرکنش بین ترکها را شبیهسازی نمودند. نتایج آنها نشان داد که این ترکهای از پیش تعیین شده قابلیت بهبود عملکرد لرزهای سد را حین وقوع زلزله دارند.
در مقاله پیشرو، اثر درزههای برشی بر رفتار سد بتنی وزنی کوینا تحت تأثیر حرکت فرضی 0/1 متری گسل در فونداسیون در حالت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات حرکت در سیستم سد بر پایه قانون دوم نیوتن به دست آمده و روند الگوهای ترک در بتن سد نیز بر اساس مدل پلاستیسیته خرابی بتن استخراج شده است. همچنین، یک مدل تماسی که از قانون استاندارد اصطکاکی کلمب پیروی میکند، برای مدلسازی رفتار درزههای برشی بین مونولیتها در نظر گرفته شده است.
-3 مدل عددی
سد کوینا یک سد بتنی وزنی با ارتفاع 103متر بالا عمیقتری بخش فونداسیون، 807/2 متر طول تاج، 14/8متر ضخامت تاج و 70متر ضخامت پایه میباشد. به منظور شناسایی رفتار استاتیکی و دینامیکی سد کوینا، این سد از جنبههای مختلفی مورد مطالعه قرار گرفته است. در پژوهش حاضر، سد و مخزن آن توسط روش اجزا محدود مدلسازی شده تا رفتار دینامیکی آن با احتساب درزهای برشی درصورت حرکت گسل فرضی در پایه مورد بررسی قرار گیرد. طول مخزن حدود پنج برابر ارتفاع سد درنظر گرفته شده است تا بیانگر بزرگ و حجم مخزن باشد. هندسه سد و مشخصات مکانیکی مصالح به ترتیب در شکل1 و جدول2 آمده است. جزئیات بیشتر در نشریه USBR - 1998 - به تفضیل گردآوری شده است.
