بخشی از مقاله
خلاصه
سد خاکی مهم ترین سازه خاکی می باشد که لازم است دقت زیادي در طراحی آن بکار گرفته شود. در چنین سازه اي نشت از بدنه مسأله اي رایج می باشد که غلبه بر آن نقش مهمی در پایداري سازه در مقابل پدیده فرسایش داخلی ایفا می نماید. در این تحقیق مصالح با توزیع ذرات متفاوت در یک مدل اجزاي محدود بکار گرفته شدند و تأثیر آنها بر میزان جریان نشت و سطح فریاتیک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج مدل اجزاي محدود با اطلاعات به دست آمده از یک سد واقعی مقایسه گردید که بیانگر تطابق قابل قبول می باشد و می تواند راهنماي مناسبی براي مهندسین جهت انتخاب محدوده دانه بندي مصالح سد خاکی باشد.
.1 مقدمه
سد خاکی یکی از مهم ترین سازه ها در مهندسی ژئوتکنیک می باشد. مطالعات انجام شده توسط جامعه مهندسین عمران آمریکا - ASCE - و کمیته سدهاي بزرگ آمریکا - USCOLD - نشان داده است که 45-50 درصد موارد تخریب سدهاي خاکی به دلیل نشت در بدنه و پی رخ داده است - بویر و داگلاس،2003، استاتلر، . - 2003 انواع مختلف تخریب که در این سازه محتمل می باشند عبارتند از تخریب شیب بالادست به دلیل افت سریع سطح آب در مخزن و تخریب ناشی از سرریز شدن آب از سد - Overtopping - که به هنگامی که سطح آب در مخزن از رقوم تاج سد فراتر رود رخ می دهد و در نهایت فرسایش داخلی - Piping - که در نتیجه نشت ماندگار در بدنه سد خاکی بوقوع می پیوندد. بر طبق مطالعات جامع انجام شده توسط فاستر و همکاران - 2000 - و فل و همکاران - - 2002 پدیده نشت عامل اصلی تخریب در سدهاي خاکی می باشد. در طراحی سد خاکی باید این پدیده مد نظر قرار گرفته و در خصوص حذف اثرات نامطلوب آن تلاش شود. پدیده فرسایش داخلی ناشی از نشت در نقاطی که گرادیان هیدرولیکی بالایی وجود دارد محتمل است. یکی از راهکارهاي مقابله با این پدیده استفاده از لایه - هسته - غیر قابل نفوذ در مرکز بدنه سد خاکی براي کاهش انرژي جریان نشتی می باشد. در شرایطی که گرادیان هیدرولیکی خروجی از هسته زیاد باشد پدیده فرسایش داخلی در شیب پائین دست بوقوع می پیوندد. بنابراین ضرورت تعبیه لایه هاي فیلتر-زهکش در حدفاصل هسته و شیب پائین دست ضروري بنظر می رسد. حسینی و همکاران - 2002 - کارایی مخلوطهاي مختلف خاك رسی بعنوان هسته سد خاکی را مورد مطالعه قرار دادند و مطالعه موردي را بر روي سد کرخه انجام دادند. آنها مشاهده نمودند که خاك رس خالص بعنوان هسته در محل اتصال با مصالح بدنه داراي رفتار تحکیمی متفاوت نسبت به مصالح بدنه می باشد. این مسأله سبب می شود که در برخی از موارد کارایی هسته تنزل یابد یا مختل شود. ایلماز و ارزین - 2004 - مطالعاتی جهت تعیین محدوده مناسب مصالح براي احداث سدي در حوضه چکرك ترکیه را انجام دادند. هدف از مطالعه آنها بررسی میزان تناسب و کارایی مصالح نفوذناپذیر تا نیمه نفوذپذیر موجود در حوضه چکرك جهت احداث هسته و سیستم فیلتر سد بود. سپس مصالح بر حسب حداکثر وزن مخصوص خشک، رطوبت بهینه تراکم، چگالی مخصوص، حد مایع و شاخص خمیري - PI - مورد ارزیابی قرار گرفتند. مقادیر تمامی پارامترهاي مذکور - به استثناي چگالی مخصوص - جهت استفاده بعنوان هسته نفوذناپذیر سد خاکی نامطلوب بودند. علی الخصوص مقدار زیاد رطوبت بهینه تراکم بیشترین محدودیت را در خصوص استفاده از خاك هاي سطح حوضه بعنوان مصالح هسته اعمال نمود. نتایج آنها همچنین نشان داد که خاك هاي رسی با حد روانی بالا - طبقه بندي CH در سیستم یونیفاید - جهت استفاده در هسته مناسب نمی باشند اما می توان از آنها در سیستم فیلتر استفاده نمود. زوراسنا و همکاران - 2008 - کارایی بخشی از هسته که در قسمت دیوار آب بند در پی قرار می گیرد را مورد بررسی قرار دادند. بر طبق مطالعات آنها افزایش گرادیان هیدرولیکی در محل اتصال دیوار آب بند و هسته اغلب به فرسایش و نشت آب منجر می شود. آنها مطالعه موردي خود را بر روي سد کرخه انجام دادند. از آنجایی که استفاده از یک سیستم متصل کننده بین مصالح دیوار آب بند و هسته ضروري بنظر می رسد تا بدین وسیله بتوان گرادیان هیدرولیکی را کاهش داد و از تمرکز تنش جلوگیري نمود آنها مصالح مختلف را براي سیستم متصل کننده مورد مقایسه قرار دادند و مناسب ترین مصالح را بعنوان راهکار پیشنهادي خود ارائه نمودند. شرایط مختلف دیگري که می تواند براي محققین جهت بررسی پدیده نشت در سازه هاي خاکی ایجاد انگیزه نماید عبارتند از بلایاي طبیعی از قبیل سیل و زلزله. کوبوس روا و بی - 2008 - موارد تخریب ناشی از نشت در اثر طغیان رودخانه ها در سه سد خاکی با دانه بندي مصالح بدنه مختلف در ایالت نیواورلئان آمریکا را مورد بررسی قرار دادند. نتایج بررسی فشار آب منفذي و گرادیان هیدرولیکی در نزدیک پنجه سطوح لغزش نشان داد که حفاري ها در اطراف دیوار هاي محافظ سیل و خاکریزهاي سیل شکن باعث بحرانی تر شدن وضعیت پایداري آنها در مقابل نشت گردیده است. در این تحقیق مصالح با توزیع ذرات مختلف در یک مدل اجزا محدود بکار گرفته می شوند تا تأثیر آنها بر سطح فریاتیک نشت و دبی نشت در مورد مطالعه شده در این تحقیق - سد زنوز - مورد بررسی قرار گیرد.
.2 سازه مورد مطالعه
با در نظر گرفتن شرایط متفاوت ژئوتکنیکی پی و تکیه گاهها و شرایط توپوگرافی محل احداث سد خاکی بهترین گزینه براي ساخت، سد خاکی با هسته رسی انتخاب گردید. مورد مطالعه سد زنوز می باشد که در 24 کیلومتري شمال شهرستان مرند و در 100 کیلومتري شمال غربی تبریز واقع شده است - شکل . - 1 حداکثر ارتفاع سد از سنگ بستر، طول تاج و عرض تاج به ترتیب 60، 180 و 10 متر می باشند. حداکثر عرض کف سازه نیز 220 متر می باشد. شیب هاي بالادست و پائین دست سازه به ترتیب 1: 0/85 و 1: 1/4 می باشند. هسته رسی داراي شیب 1 :0/3 می باشد و حداکثر عرض هسته 37 متر می باشد. اطلاعات مورد نیاز این پروژه توسط شرکت آب منطقه اي استان آذربایجان شرقی در اختیار محققین قرار گرفته است که عبارتند از سطوح پیزومتریک در نقاط مختلف در امتداد بدنه سد، نرخ جریان نشتی و سطح آب در مخزن سد.
شکل-1 موقعیت جغرافیایی سد زنوز
.3 مدل اجزاي محدود
تعیین فشار آب منفذي را می توان به عنوان مهم ترین بخش تجزیه و تحلیل مسائل نشت بر شمرد و از آنجائیکه در اغلب موارد رفتار همگن و ایزوتروپ در محیط هاي متخلخل مشاهده نمی شود حل معادله حاکم نشت در شرایط مختلف امري دشوار می باشد. در چنین شرایطی می توان از روش هاي عددي شامل روش هاي مستقیم یا روش هاي بر مبناي تکرار براي حل معادلات نشت استفاده نمود. در این تحقیق مدل اجزاي محدود SEEP/W که یکی از مدل هاي بسته نرم افزاري GEOSTUDIO می باشد جهت تجزیه و تحلیل نشت در بدنه سد خاکی مورد استفاده
قرار گرفت. در منابع تجزیه و تحلیل نشت در سد ها توسط محققین مختلف با استفاده از روش هاي عددي انجام شده است - لی و مینگ ،قبادي و همکاران ، 2005 و لی و همکاران، . - 2005 در این میان مدل SEEP/W نیز توسط برخی از محققین براي بررسی مسائل نشت بکار گرفته شده است.
فردلاند و همکاران - - 1998 با استفاده از این مدل خصوصیات هیدرولیکی یک نمونه خاك غیر اشباع را مورد بررسی قرار داد. پدیده نشت در سدهاي خاکی و همگن و غیرهمگن را با استفاده از این مدل شبیه سازي نمودند. معادله مورد استفاده در این مدل اجزاي محدود به شکل زیر است - رابطه : - 1
که H، Kx، Ky، Q، Θ و t بترتیب عبارتند از هد کل، هدایت هیدرولیکی در جهت x ، هدایت هیدرولیکی در جهت y، جریان مرزي کل، میزان رطوبت حجمی و زمان. در این تحقیق داده هاي ثبت شده و اندازه گیري شده در سد زنوز به مدل اجزاي محدود معرفی می شوند و تمرکز اصلی تحقیق بر مشاهده تأثیر مصالح ریزدانه با توزیع ذرات مختلف بر سطح فریاتیک نشت و نرخ جریان نشتی خروجی از هسته می باشد. این سد با استفاده از دو منبع قرضه که در نزدیکی محل احداث این سازه وجود دارد ساخته شده است و ترکیبی از مصالح ریزدانه موجود در این منابع براي ساخت هسته مورد استفاده قرار گرفته است. شکل - 2 - محدوده توزیع ذرات نمونه هاي برداشت شده از دو منبع قرضه را نشان می دهد. به منظور مقایسه تأثیر استفاده از مصالح مختلف موجود فرض بر این است که هسته رسی توسط هریک از این مصالح به صورت مجزا ساخته شود و نتایج شبیه سازي توسط مدل با یکدیگر مقایسه شوند. بالاترین و پائین ترین منحنی هاي توزیع ذرات که نماینده مصالح ریزدانه با بیشترین تفاوت توزیع ذرات در منابع قرضه موجود می باشند جهت مدل سازي مورد استفاده قرار گرفتند.
شکل-2 محدوده توزیع اندازه ذرات مصالح هسته موجود در منابع قرضه سد زنوز
خصوصیات مصالح هسته انتخاب شده جهت مدل سازي در جدول - 1 - نشان داده شده است.
جدول -1 خصوصیات مصالح هسته
این مصالح طی گام هاي مختلف به مدل اجزاي محدود معرفی می شوند. در گام اول توابع هدایت هیدرولیکی در مدل تعریف می شوند. در این تحقیق به این شکل عمل شد که نفوذپذیري مصالح 1 در حالت اشباع و در حالت فشار جو 100 - کیلوپاسکال - بترتیب برابر 5 ×10 -6 و 1/1×10 -6 سانتی متر
