بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به اهمیت نشت از بدنهی سدهای خاکی و تأثیر آن در فشار آب منفذی و پایداری سد، مطالعات بسیاری در این زمینه انجامگرفته است. مشاهده شده است که با وجود وابستگی آنالیز نشت به ویژگیهای مصالح، به ویژه در مدل-سازی محیط غیراشباع که لازمه آن تعیین و استفاده از توابع رطوبتی خاک و هدایت هیدرولیکی وابسته به آن میباشد، در بیشتر مدلهای ارائه شده از روش تخمینی برای تعیین این توابع استفاده گردیده است. به جهت اهمیت محیط غیراشباع در مدلسازی جریان در سدهای خاکی، این مطالعه با هدف بهبود نتایج مدلسازی اقدام به تعیین مستقیم تابع رطوبتی خاک در آزمایشگاه و با استفاده از آزمایش سلول صفحه فشار و استفاده از آن در مدلسازی انجامگرفته است. در صحت سنجی نتایج با دادههای ابزار دقیق مشاهده شد که نتایج دارای دقت بالایی بوده و مدل بهدرستی توانسته است رفتار سد را در آنالیز جریان غیردائمی یا ناپایدار و در بازه زمانی 365 روزه پیشبینی کند. همچنین با توجه به نتایج حاصل از مقایسه آنالیز جریان در محیطهای اشباع و غیراشباع، مدلسازی بر مبنای محیط غیراشباع و تعیین توابع رطوبتی و هدایت هیدرولیکی وابسته به آن لازم و ضروری است.
کلمات کلیدی: محیط غیراشباع، منحنی مشخصه رطوبتی، جریان غیر ماندگار، سلول صفحه فشار؛ سد خاکی
.1 مقدمه:
آب از ضروریترین و حیاتیترین نیازهای بشر است که این نیاز با افزایش روزانه جمعیت و ضرورت رشد کشاورزی و صنعت از یکسو و ذخیره آب قابل شرب از سوی دیگر، حساسیت آن را بیشتر کرده است .[1] به جهت رفع این نیاز، ملل مختلف اقدام به احداث بندهایی به جهت نگهداری و ذخیره آب نموده که در اصطلاح سد نامند. در این میانساخت سدهای خاکی با توجه به دو عامل لرزهخیزی و در دسترس بودن مصالح در کشور ایران در سالهای اخیر سرعت و رواج بیشتری داشته است .>5-2@
طبیعت متفاوت سازندههای طبیعی در محل احداث سدهای خاکی ازیکطرف و رفتار پیچیده مصالح خاکی سد از طرف دیگر، ارزیابی کمی و کیفی پارامترهای رفتاری خاک را ضروری مینماید. که در این میان بررسی فشار آب حفرهای و تراوش در سدهای خاکی، بهعنوان یکی از عوامل مهم در شکست این سدها از اهمیت بسیاری برخوردار است. زیرا که با شکست یک سد خاکی علاوه بر نابود شدن سرمایه بسیار بالای ساخت آن، حجم بسیار زیادی از آب نیز رهاشده که خسارت مالی و تلفات جانی زیادی را به همراه دارد .[6]
در حالت معمول در طراحی سدهای خاکی فرض بر اشباع بودن محیط خاک میباشد. این سادهسازی و صرفنظر از جریان غیراشباع بالای سطح آزاد آب قابلقبول نیست.
لازمهی مدلسازی جریان در محیط غیراشباع، تعیین و استفاده از منحنیهای مشخصه رطوبتی خاک و توابع هیدرولیکی وابسته به آن است.
در خاکهای غیراشباع حجم آب محبوس در میان حفرات با توجه به مقدار مکش در میان حفرات و منافذ تغییر میکند. مکش بهصورت تفاوت میان فشار هوا و فشار آب تعریف میشود. محتوای آب در زمان و مکان تغییر میکند و لذا تابعی نیاز است تا چگونگی تغییرات محتوای آب را در فشارهای متفاوت در داخل خاک مشخص کند. تابع محتوای آبخاک گویای قابلیت و توانایی خاک در جذب آب و نگهداری آن تحت تغییرات فشار است .[7] لذا رابطه میان نیروی مکش - پتانسیل ماتریک - و رطوبت خاک را منحنی رطوبتی یا منحنی مشخصه رطوبتی خاک - SWCC - مینامند .[8] درواقع نگهداشت آبخاک معیاری از میزان آبی است که خاک میتواند در خود ذخیره کند و یا نفوذ یابد و سرنوشت بارشها را تعیین میکند. بنابراین این ویژگی نقش کلیدی در فرآیندهای هیدرولوژیکی و فرسایش دارد .[11-9]
تعیین تابع محتوای رطوبتی خاک به روشهای مختلفی ازجمله روش مستقیم که مبتنی بر اندازهگیری رطوبت با تغییرات فشار مکش در محیط غیراشباع است و روش تخمین منحنی رطوبتی خاک بر اساس پارامترهای فیزیکی خاک، استوار است.
از طرفی در حالت اشباع که تمامی منافذ خاک پر از آب بوده و در انتقال مؤثرند، هدایت هیدرولیکی نیز بیشینه بوده و به هدایت هیدرولیکی اشباع - Ks - مشهور است و با غیراشباع شدن خاک، هدایت هیدرولیکی بهشدت کاهش مییابد چون ابتدا منافذ درشتتر خالی میشوند. ازآنجاییکه هدایت هیدرولیکی خاک در حالت غیراشباع به مقدار - پتانسیل ماتریک - خاک بستگی دارد، تابع هدایت هیدرولیکی بهصورت - - K نشان داده میشود .[12]
قانون دارسی - رابطه - 1 بهطورکلی در هر دو شرایط رطوبتی اشباع- غیراشباع در خاکها بکار میرود. تنها اختلاف آن است که تحت شرایط جریان در خاک غیراشباع، ضریب نفوذپذیری دیگر ثابت نخواهد بود و با تغییرات درصد رطوبت و
بهطور غیرمستقیم با تغییرات فشار آب حفرهای تغییر میکند .[13] - 1 -
که در آن v سرعت جریان در خاک - m/s - ، k ضریب نفوذپذیری خاک - m/s - و i گرادیان هیدرولیکی میباشد.
کمالی - 1394 - در پژوهش خود از نتایج تقریبی تعیین منحنی مشخصه رطوبتی بهوسیله نرمافزارهای Rosetta و RETC در آنالیز جریان حالت غیر ماندگار استفاده کرد. در نتایج این پژوهش اشارهشده است که نتایج دارای دقت قابل قبولی در صحت سنجی با نتایج ابزار دقیق میباشد .[14]
در تحقیق خود بهضرورت تعیین منحنی مشخصه رطوبتی در میزان تراوش و پایداری شیب بالادست سد خاکی پرداختند. در این تحقیق ذکرشده است که در صورت انجام آنالیز در محیط غیراشباع و استفاده از توابع رطوبتی، پایداری شیب بالادست درروند تخلیه مخزن تأمین نخواهد شد. حالآنکه با در نظر گرفتن مصالح در محیط اشباع، در ضمن تخلیه سریع مخزن، شیب بالادست پایدار میباشد. که این نتیجه ضرورت تعیین منحنی مشخصه رطوبتی در بخش غیراشباع را مشخص میکند .[15]
در پژوهش خود بهضرورت مدلسازی بر مبنای محیط غیراشباع و استفاده از توابع هدایت هیدرولیکی در مدلسازی نشت از بدنهی سدهای خاکی پرداختند. با توجه به نتایج آزمایشگاهی و تحلیلهای انجامشده،
بهکارگیری خصوصیات هیدرولیکی غیراشباع مصالح تشکیلدهنده بدنهی سد خاکی در آنالیزهای نشت ضروری است. بهطوریکه در صورت استفاده از مقداری ثابت در هدایت هیدرولیکی مصالح، نتایج آنالیز نشت به دور از واقعیت بوده است .[16]
در تحقیقی به بررسی کارایی پرده آببند در میزان تراوش پرداختند. در این تحقیق بهمنظور مدلسازی جریان در محیط نیمه اشباع از توابع هیدرولیکی و منحنی مشخصه رطوبتی تعیینشده با روش تقریبی ونگنوختن استفادهشده است. در نتایج این تحقیق ذکرشده است که بهمنظور بررسی دقیق تراوش از بدنه و پی سدهای خاکی، تعیین و استفاده از منحنی مشخصه رطوبتی و تابع هدایت هیدرولیکی الزامی است .[17]
در پژوهشی به بررسی نشت در سدهای خاکی در محیط غیراشباع و در حالت غیر ماندگار پرداختند . [18] همچنین میتوان به پژوهشهای اشاره کرد.
همچنین در زمینه تعیین منحنیهای مشخصه رطوبتی خاک میتوان به پژوهشهای اشاره کرد.
لذا به جهت اهمیت محیط غیراشباع در مدلسازی جریان در سدهای خاکی، این تحقیق باهدف مدلسازی نشت در سدهای خاکی در محیط غیراشباع انجامگرفته است که در این بین سعی شده است تا با استفاده از دادههای آزمایشگاهی در تعیین منحنی مشخصه رطوبتی میزان خطای نتایج در مقایسه با دادههای ابزار دقیق کاهش یابد.
.2مواد و روشها
مدلسازی جریان در این پژوهش در دو روش مختلف انجامشده است. که در روش اول مدلسازی بر مبنای محیط کاملاً اشباع و در روش دوم مدلسازی بر مبنای محیط غیراشباع انجامگرفته است. بدین منظور از سد خاکی کلان واقع در استان همدان بسته نرمافزاری GeoStudio 2007 استفاده شده است. بهمنظور مدلسازی جریان بر مبنای محیط غیراشباع، ابتدا منحنی مشخصه رطوبتی خاک قرضه ریزدانه سد مذکور در آزمایشگاه و با روش مستقیم و به کمک آزمایش صفحه فشار تعیینشده و در ادامه با استفاده از این منحنیها و بهوسیله نرمافزار Seep/W تابع هدایت هیدرولیکی غیراشباع تعیینشده است. لازم به ذکر است که در مدل اشباع نیازی به تعریف و استفاده از منحنیها مشخصه رطوبتی خاک نمیباشدنهایتاً. پس از تعیین منحنیهای رطوبتی و توابع وابسته به آن، آنالیز بر مبنای هر یک از دو روش انجامشده و در انتها نتایج هر یک از این آنالیزها با دادههای حاصل از ابزار دقیق بررسیشده و میزان خطای هر یک از نتایج بهوسیله معیارهای ارزیابی مدل MAE، MSE، RMSE، RE، ضریب همبستگی پیرسون و ضریب RSQ تعیین گردید.
تعیین منحنی مشخصه رطوبتی
در تحقیق حاضر از روش مستقیم و با استفاده از دستگاههای جعبه شن و سلول صفحه فشار اقدام به تعیین منحنی مشخصه رطوبتی مختص به خاک قرضه سد شده است. بدین ترتیب که ابتدا پس از کسب مجوزهای لازم نمونهگیری بهوسیله سیلندرهای استوانهای مخصوص با ابعاد تقریبی 5×5 سانتیمتر از قرضه سد در چندین مرحله انجام گرفت و با استفاده از دستگاههای مربوطه در مکشهای 0/01 تا 15 بار در مدتزمان 9 ماه مورد آزمایش قرار گرفت. منحنی مشخصه رطوبتی خاک موردنظر در شکل 1 نمایش داده شده است.
