بخشی از مقاله
خلاصه
بررسی پایداری شیروانی سدهای خاکی تحت شرایط افت سریع سطح آب مخزن، یکی از موارد مهم در طراحی سدهای خاکی و سنگریزه ای به حساب می آید. با کاهش سریع سطح آب تحت عوامل مختلف، فشار هیدرواستاتیکی وارد بر سطح خارجی شیب بالادست سد کم می شود، اما سد فرصت کافی برای زهکشی خود نداشته و تنش موثر به همان نسبت افزایش نمی یابد. از این رو ضریب اطمینان سطح لغزش کاهش یافته و احتمال لغزش وجود دارد. با قرار دادن زهکش های افقی موازی و یا زهکش دودکشی در شیب بالادست سد می توان از لغزش آن جلوگیری نمود. این زهکش ها باعث می شوند که خطوط جریان تقریباً قائم و خطوط هم پتانسیل تقریباً افقی شوند و آب موجود در پوسته از طریق زهکش ها تخلیه شود و به تبع آن فشار آب حفره ای مستحلک شده و بدین ترتیب پایداری شیب بالادست سد تضمین شود. در این پژوهش با استفاده از مجموعه نرم افزارهای GeoStudio، این موضوع در حالات مختلف برای سد ماشکید علیا مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که پایداری سد با در نظر گرفتن زهکش دودکشی و زهکش های افقی، نسبت به پایداری سد بدون زهکش های یاد شده، حدود % 20 افزایش یافته است که با زهکش دودکشی، حدود % 2 پایداری سد بیشتر از زهکش های افقی می باشد.
1. مقدمه
سدهای خاکی از جمله مهمترین و پیچیده ترین سازه های مهندسی می باشند که هزینه های بسیار زیادی صرف مطالعه و اجرای این نوع پروژه ها می شود، لذا پرداختن به مسائل مربوط به ایمنی آن ها ضمن ساخت و نیز در دوران بهره برداری از اهمیت خاصی برخوردار است. بررسی و ارزیابی خرابی سدها و یا آسیب دیدن آن ها به علت اهمیت فوق العاده ای که دارند از دیرباز مورد توجه محققان و مهندسان قرار گرفته است و نتایج بررسی ها باعث شده روش های متفاوتی مدون شوند که در کتب مختلف و مقالات مشاهده می شوند. به هر حال شکسته شدن یک سد نه تنها باعث تلف شدن سرمایه ی صرف شده برای احداث آن می شود، بلکه ذخیره آب جمع شده در آن سد نیز بدون بهره برداری از دست خواهد رفت و از همه مهم تر اینکه به بسیاری از تاسیسات و املاک پایین دست سد نیز آسیب وارد می شود و تلفات جانی نیز به بار می آورد. شکست سد براساس تعریفی که توسط کمسیون بین المللی سدهای بزرگ3 ارائه شده، عبارت است از: "فروریختن یا جابجایی بخشی از یک سد یا شالوده آن، در حالتی که، سد توانایی نگهداری آب را نداشته باشد." عمده ترین عامل شکست سدهای خاکی تخریب هیدرولیکی می باشد و از جمله عواملی که منجر به تخریب هیدرولیکی می شود، وقوع پدیده ی تخلیه ی سریع می باشد که عدم توجه به این پدیده، باعث لغزش شیب و ناپایداری شیب بالادست و بالاخره شکست سد می شود.[2] هرگاه سطح آب در بیرون و مجاورت شیب، بنا به هر دلیلی چنان سریع افت کند که خاک داخل شیب زمان کافی برای زهکشی نداشته باشد و سطح فراتیک داخل شیب نتواند بطور متناسب از سطح نهایی آب مخزن تبعیت کند و برای مدتی در جای اولیه خود باقی بماند، پدیده تخلیه ی سریع - 1RDD - رخ می دهد.[3] بر اثر تخلیه و افت تراز آب در مخزن، فشار هیدرواستایک موجود در سطح خارجی شیب بالادست که در زمان پر بودن مخزن وجود داشت از بین می رود، در حالیکه فشار هیدرواستاتیک متعادل کننده آن در قسمت داخلی بدنه سد همچنان وجود دارد. این فشار هیدرواستایک باقی مانده یکی از عوامل مهم ایجاد خطر لغزش در شیروانی بالادست می باشد.[4] تمام گسیختگی های شیب های بالادست، غیر از مواردی که بر اثر زلزله رخ می دهند، در اثر تخلیه ی سریع سطح آب دریاچه اتفاق افتاده اند. لازم به ذکر است که محققان بسیاری در سراسر جهان مطالعات و تحقیقاتی در این زمینه انجام داده اند که برخی از آنها به شرح زیر است:
- شانگ و همکاران [4] در سال 2009 در زمینه ی پایداری شیب سدهای خاکی در هنگام تخلیه ی سریع مخزن تحقیقاتی انجام داده اند. نتیجه این پژوهش بدین گونه بود که تغییرات در ضرایب ایمنی پایداری شیب با تخلیه ی سریع آب، با تغییر در پارامترهای خاک و روش های آنالیز دیده می شوند و این پارامترها هر کدام تأثیر خاصی را در پایداری شیب دارند.
- ترن [5] در سال 2004 به بررسی شرایط تخلیه ی سریع مخزن سد دائوتینگ در دو حالت قبل و بعد از وقوع آن با استفاده از روش های تعادل حدی و اجزای محدود پرداخت و تغییرات رفتاری تنش-کرنش، فشار منفذی، سازو کار شکست و ضریب اطمینان را مورد بررسی قرار داد و مشاهده کرد که پایداری شیب بالادست سد به وضوح در طول تخلیه ی سریع کاهش می یابد.
- نهانی و همکاران [6] در سال 1392 به منظور افزایش پایداری شیب بالادست در پدیده ی تخلیه ی سریع، افزایش نفوذ پذیری نواحی مختلف سد رودبال را مورد بررسی قرار دادند و مشاهده نمودند که افزایش نفوذ پذیری فیلتر درشت دانه و ناحیه ی انتقالی به منظور کاهش فشار آب منفذی، موثرتر از بقیه نواحی می باشد. آن ها همچنین در این تحقیق تغییر پایداری شیب بالادست سد رودبال را تحت سیلاب پیش آمده، مورد بررسی قرار دادند.
سد مورد مطالعه در این تحقیق، سد ماشکید علیا می باشد که ساختگاه این سد در 55 کیلومتری جنوب غرب سراوان و بر روی رودخانه ی ماشکید در جنوب سیستان و بلوچستان احداث شده است. سد مخزنی ماشکید از نوع سد خاکی با هسته ی ناتراوا می باشد که طول تاج آن 2147 متر، عرض تاج 8 متر، ارتفاع سد از بستر رودخانه 24 متر، طول دریاچه 7 کیلومتر و دارای سر ریز آزاد می باشد. حجم مخزن آن 65 میلیون مترمکعب است. ارتفاع سد از تراز 1200 در بستر رودخانه تا تراز 1224 می باشد. رقوم حداکثر آب مخزن، رقوم نرمال و رقوم حداقل سطح آب مخزن به ترتیب برابر 1222/75 P.M.F. - - ، - 1/10000 - 1221/8 ، 1217 و 1209/5 متر بوده که در نتیجه، ارتفاع آزاد2 تاج سد از سطح نرمال برابر 7 متر و از سطح رقوم حداکثر سطح آب مخزن - سیلاب - 1/10000 برابر 2/2 متر خواهد بود. ارتفاع سد از تراز 1200 در بستر رودخانه تا تراز 1224 در تاج سد برابر 24 متر می باشد. محل سد بر روی ماسه سنگ و سنگ مارن احداث شده است. این سد با هدف ذخیره ی آب، تأمین سالانه چهار میلیون مترمکعب آب آ شامیدنی شهر ستان سراوان، تامین آب ک شاورزی و همچنین کنترل سیلاب های نا شی از طغیان رودخانه بر روی رودخانه ی ما شکید و جلوگیری از خروج روان آبهای مرزی احداث شده است.[7] در شکل - 1 - مقطع این سد و نواحی تشکیل دهنده ی آن آورده شده است.[7]
شکل - : - 1 مقطع سد ماشکید علیا و نواحی مختلف آن
2. مواد و روش ها
ابعاد هندسی سد1، نفوذپذیری خاک 2، مقدار تخلیه3 و سرعت تخلیه 4 از مهمترین عوامل موثر بر وقوع پدیده ی تخلیه ی سریع می باشند. مقدار تخلیه به صورت نسبت L/H بیان می شود که L مقدار افت سطح آب مخزن در اثر تخلیه و H تراز سطح آب نرمال در مخزن می باشد - شکل. - 2 لازم به ذکر است که در مورد یک سد فقط مقادیر مثبت L/H وجود دارد و در شیب های معمولی همه ی مقادیر L/H منفی، هیچ تأثیری در ضریب اطمینان شیب بالادست نداشته و L/H برابر با صفر نشان دهنده ی این است که هیچ تخلیه ای صورت نگرفته است و L/H برابر با یک بیانگر این است که تخلیه ی کامل صورت گرفته است.
شکل - : - 2 مقدار تخلیه شکل - : - 3 سرعت تخلیه
همانطور که در شکل - - 3 نشان داده شده است، منظور از سرعت تخلیه، افت تراز آب مخزن نسبت به زمان می باشد و با R نشان داده می شود و واحد آن cm/day یا m/day می باشد. در خاک هایی با نفوذپذیری کم، هر چقدر سرعت تخلیه زیاد باشد، فشار منفذی بوجود آمده در اثر تراوش و تنش، زمان کافی برای زهکشی نخواهد داشت و افت سریع سطح آب داخل شیب از افت سطح آب مخزن تبعیت نمی کند.[10] در این مطالعه تخلیه ی سریع متناظر با سرعت های تخلیه متفاوت که وابسته به گذردهی هیدرولیکی مصالح شیب می باشد، با استفاده از روش های آنالیز پیشرفته مورد بررسی قرار می گیرد. برای انجام مدل سازی، نرم افزاری مورد نیاز است که قابلیت انجام تحلیل دو بعدی جریان های نشت پایدار و گذرا در محیط های متخلخل و تحلیل دو بعدی پایداری شیروانی های خاکی را داشته باشد. به همین دلیل با توجه به اینکه نرم افزار GeoStudio قابلیت انجام تحلیل های فوق را به صورت دقیق و جامع دارد، لذا از نرم افزارهای SEEP/W، SLOPE/W از بسته نرم افزاری GeoStudio 2007 برای تحلیل های مورد نیاز در این پژوهش استفاده می گردد. SEEP/W یکی از نرم افزارهای هشتگانه GeoStudio می باشد که برای نشت آب زیرزمینی و اتلاف فشار آب منفذی مازاد در محیط های متخلخل مانند خاک و سنگ مورد استفاده قرار می گیرد. روابط جامع به کار رفته در این نرم افزار این امکان را فراهم می کند که بتواند دامنه ی وسیعی از مسائل را آنالیز نماید.SLOPE/W نیز یکی از نرم افزارهای مجموعه Geostudio می باشد که قابلیت انجام تحلیل دو بعدی شیروانی های خاکی را دارد. این نرم افزار برای انجام تحلیل های پایداری، از روش تعادل حدی استفاده می کند. مدل رفتاری خاک در این حالت، مدل مور-کولمب می باشد. پس از انجام تحلیل های پایداری و به دست آوردن ضریب اطمینان حداقل می توان سطح لغزش و نیز سایر پارامترهای مرتبط را ملاحظه نمود.[12] به طور کلی در روش های تعادل حدی که صرفاً بر تعادل نیرویی استوار هستند، مقدار ضریب اطمینان به شدت حساس به جهت انتخابی نیروهای بین قطاع ها می باشد. در این روش، ضریب اطمینان - 5F.S - برابر است با نسبت مقاومت برشی خاک به تنش برشی لازم برای قرار دادن شیب در وضعیت تعادل که در این رابطه، ϕ' و c' پارامترهای مقاومت برشی خاک می باشند که با استفاده از معیار گسیختگی مور-کولمب تعیین می گردند و مقدار ϕ'm و c'm پارامترهای مقاومت برشی برای قرار دادن شیب خاکی در آستانه ی لغزش می باشند. با توجه به اینکه نتایج نرم افزار فوق الذکر به منظور کنترل صحت با نتایج حاصل از نرم افزار PLAXIS مورد مقایسه قرار می گیرند، لازم به ذکر است که این نرم افزار امکان حل توام معادلات جریان را به روش اجزاء محدود فراهم می سازد. در این برنامه حل معادلات جریان و معادلات تعادل امکان پذیر بوده که در آنالیزهای تراوش معمولاً معادله ی لاپلاس مورد استفاده قرار می گیرد.
