بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثير زهکش هاي افقي در پايداري سدهاي خاکي هنگام افت سريع آب مخزن
خلاصه
در سدهاي همگن و سدهاي زوني که نفوذپذيري پوسته آنها چندان زياد نيست ، اگر سطح مخزن به سرعت افت کند، سطح آب در پوسته بالا دست با سرعت کمتري نسبت به مخزن افت کرده و فشار آب حفره اي افزايش و بنابراين مقاومت برشـي پوسـته کـاهش مـييابـد. مـيتـوان بـا قـرار دادن زهکش هاي افقي موازي در شيب بالادست از لغزش جلوگيري به عمل آورد. اين زهکش ها باعث ميشوند که خطوط جريان تقريباً قائم و خطـوط هم پتانسيل تقريباً افقي شود و آب پوسته از طريق زهکش ها، زهکشي شود؛ به تبع آن فشار آب حفره اي مستهلک شـده ، مقـاوت برشـي افـزايش و پايداري شيب بالادست تامين مي گردد. در اين مقاله يک نمونه سد زوني يکبار با زهکش افقي در بالادست و يکبار بدون زهکش افقـي بالادسـت ، براي افت سريع آب (Rapid drawdown)، مورد آناليز قرار گرفته ، و تنش هاي برشي در دو سد با يکديگر مقايسـه و تـاثير ايـن زهکـش هـا بـر پايداري سد، برسيشده است .
کلمات کليدي: زهکش افقي بالادست ، افت سريع آب مخزن ، تنش هاي برشي، فشار آب حفره اي
١. مقدمه
نه تنهـا خـود سـد ، يـک پـروژه نسـبتاً گـران بشـمار مـي آيـد بلکـه جنبـه هـاي اقتصـادي متنـوعي نظيـر توليـد نيـرو، کنتـرل سـيلاب ، آبيـاري و ... را نيـز دربر ميگيرد. خرابي سد، يک فاجعه ي عظيم بشمار ميآيد، زيرا نه تنها خسارات اقتصادي بسيار زيادي را دربردارد، بلکـه ممکـن اسـت باعـث از دسـت رفتن جان انسان ها و به طور کلي تخريب طبيعت گردد. با توجه به اهميت سدها، چندين دهه است که اطمينان از ايمنـي ايـن نـوع سـدهـا ذهـن طراحـان و محققين را در اين زمينه به خود مشغول داشته است . پيشرفت در تکنيک هاي تحليلي، جمع آوري مشاهدات صحرايي با کمک ابزار اندازه گيـري ثابـت و درک بهتر از رفتار خاک در شرايط بارگذاري ديناميکي در سال هاي اخير به پيشرفت سريع در اين زمينه منجر گرديده است .
يکي از عواملي که براي سدهاي خاکي ميتواند خطرآفرين باشد و بيتوجهي به آن منجر به آسيب ديـدگي جـدي در سـد گـردد، وقـوع پديـده افت سريع آب مخزن است . اگر به هر دليلي، سطح آب مخزن سد خاکي در زماني کوتاه و با سرعت زياد افت کند، در حالي که تراز آب درون پوسـته و يا هسته سد نتواند از تراز آب مخزن سد تبعيت کند، به پديده افـت سـريع آب مخـزن (Rapid drawdown) گفتـه مـيشـود. بـر اثـر افـت تـراز آب در مخزن ، فشار هيدرواستاتيک موجود در سطح خارجي شيب بالادسـت کـه در زمـان پـر بـودن مخـزن وجـود داشـت ، از بـين مـيرود، در حـالي کـه فشـار هيدرواستاتيک متعادل کننده آن در قسمت داخلي بدنه سد، کماکان وجود دارد. اين فشار هيدرواستاتيک باقيمانده ، يکي از عوامل مهم ايجاد خطر لغـزش در شيرواني بالادست ميباشد.
٢. مکانيزم عملکرد زهکش هاي افقي و مايل در پوسته بالادست
اگر نفوذ پذيري پي سد در مقايسه با خود سد کمتر باشد جريان در قسمت بالا دست به سمت رويه ي بالا دست بـر مـي گـردد (شـکل a ). اگـر پـي سـد نفوذ پذير تر از خود سد باشد خطوط جريان نزديک به قائم و خطوط هم پتانسيل نزديک به افقي خواهد بود (شکل b-١). در حالـت اول ، (شـکل a–١)، فشار آب حفره اي به مراتب بالاتر از حالت دوم مي باشد. در حالت دوم فشار آب حفره اي نزديک به صفر است . در حالت اول (که نفوذ پذيري پـي سـد در مقايسه با خود سد کمتر است )، فشار آب حفره اي بالا، در پوسته ي بالا دست ، باعث کاهش مقاومت برشي پوسته شده و احتمـال لغـزش (sliding) افزايش مي يابد. همچنين اگر سطح مخزن به سرعت افت کند سطح آب در پوسته بالا دست با سـرعت کمتـري نسـبت بـه مخـزن افـت کـرده و فشـار آب حفره اي افزايش و به تبع آن مقاومت برشي پوسته ، کاهش مييابد.
ميتوان با قرار دادن زهکش هاي افقي موازي (شکل c-١)، يا با قرار دادن زهکش هاي مايل (شکل d-١) با شيب کم (در صـورت امکـان و بـا در نظرگرفتن ملاحظات اجرايي) در پوسته بالادست ، زهکشي آب در پوسته را تسريع نمود. اين زهکش ها باعث ميشوند کـه خطـوط جريـان تقريبـاً قـائم و خطوط هم پتانسيل تقريباً افقي شود (شکل c-١) و آب پوسته از طريق زهکش ها زهکشي شود. بنابراين فشار آب حفره اي مستهلک شده ، مقـاوت برشـي افزايش و پايداري شيب بالادست تامين ميگردد.
لازم به ذکر است ، زماني که اين زهکش ها به طور مستقيم بـا آب مخـزن در ارتباطنـد، فشـار آب حفـره اي در آنهـا، در هـر لحظـه از سـطح آب مخزن تبعيت ميکند، بنابراين اختلاف هد چشمگيري بين پوسته سد و زهکش هاي افقي به وجود نميآيـد؛ در نتيجـه ، در هنگـام افـت سـريع آب مخـزن ، ميزان آب کمتري از پوسته زهکشي ميشود.
شکل ١ – خطوط جريان و هم پتانسيل در a)سد خاکي با نفوذپذيري کم پي b) سد خاکي با نفوذپذيري بالاي پي c) سد خاکي با زهکش افقي در بالادست d) سد خاکي داراي زهکش مايلي با شيب کم
٣. معرفي نرم افزار Abaqus
اين نرم افزار در سراسر جهان و به طور گسترده اي به وسيله محققين و مهندسين به منظور حل انواع مختلف مسائل مهندسي عمران و مهندسي مکانيـک بـه کار مي رود.اين نرم افزار از روش اجزا محدود(FEM) براي تحليل استفاده مي کند. يکي بزرگترين امتيازات استفاده از اين نـرم افـزار، قابليـت تحليـل آن در مسائل مهندسي ژئوتکنيک ميباشد.
اين نرم افزار قادر به تحليل مسائل اندرکنشي(tackle) مهندسي ژئوتکنيک مي باشد. مسائل اندرکنشي شامل المان هاي سازه اي و خـاک بـوده و در اشکال دوبعدي و يا سه بعدي مطرح ميگردد. همچنين اين نرم افزار قادر بـه تحليـل هـاي دوگانـه (coupled) شـامل ، تحليـل تـراوش و تحليـل هـاي شامل فشار آب حفره اي .تنش ميباشد. از مزاياي بزرگ اين نرم افزار اين است که قادر به انجام تحليل هاي دوگانه تـابع زمـان ماننـد تحليـل تحکـيم و يـا تحليل افت سريع آب مخزن (Rapid drawdown) در سدها ميباشد.
از ديگر قابليت هاي اين نرم افزار در مهندسي ژئوتکنيک ، تحليل هاي استاتيکي، دينـاميکي (implicit,explicit)، تحليـل گسـيختگي و تحليـل
پس گسيختگي ميباشد.
.4 فرضيات و معادلات اساسي به کار رفته در تحليل
فضاي متخلخل مانند خاک، به عنوان يک محيط چندفازه در تظرگرفته شده و اصل تنش موثر براي شرح دادن رفتارش ، از آن اقتباس مي شـود. در محـيط متخلخل ، حضور دو سيال در محيط در نظر گرفته مي شود. سيال اول مايع مرطوب کننده است ، که نسبتاً (کاملاً) تـراکم ناپـذير فـرض مـيشـود. سـيال دوم اغلب گاز بوده ، که نسبتاً تراکم پذير است . خاک شامل آب زيرزميني يک مثال مناسب براي اين سيستم ميباشد. در هنگامي که محيط نيمه اشـباع اسـت ، هر دو سيال ( آب و هوا ) در محيط وجود دارند. هنگامي که خاک کاملاً اشباع است ، تمام حفرات خاک، با آب پر شده است . حجم الماني محـيط ،dv، از حجم دانه هاي جامد خاک،dvg، و حجم حفرات ،dvv، تشکيل شده است . حجم مايع مرطوب کننـده ،dvw، هميشـه کـوچکتر، مسـاوي حجـم حفـرات مي باشد، بعضي سيستم ها شامل ذراتي است که مايع مرطوب کننده را جذب کرده ، ودر اين پروسه متـورم مـيشـوند. ايـن سيسـتم هـا معمولاً شامل حجم در خور توجهي از مايع مرطوب کننده محبوس شده (trapped wetting liquid)dvt،، مي باشند.
معادله تنش به کار رفته در محيط متخلخل به صورت زير ميباشد:
که در آن ، تنش موثر، تنش کل ، ua : فشار هواي حفره اي، uw: فشار آب حفره اي، قسمتي از سطح مقطع واحد عرضي خاک که توسط آب اشغال گرديده است .
در فضاي دو بعدي، معادله جريان در محيط خاک، با استفاده از معادله دارسي به صورت زير خواهدبود:
که در آن ، نفوذپذيري در جهت x ،y ،u : فشار آب حفره اي، وزن مخصوص آب ، حجم آب موجود در خاک و t : زمان مي باشد.
٥. نحوه انتخاب مدل رفتاري و پارامترهاي مصالح سد با توجه به نتايج آزمايش هاي آزمايشگاهي
٥-١ مدل گسترش يافته دراکر-پراگر
مدل گسترش يافته دراکر-پراگر:
براي مدل سازي مصالح اصطکاکي، که نوعاً خاکهاي دانه اي و سنگ ها بوده و سطح تسليم آنها تابع فشـار اعمـال شـده ، مـيباشـد، کـاربرد دارد.
براي مدل سازي مصالحي که مقاوت تسليم فشاري آنها از مقاومت تسليم کششي آنها بيشتر است ، کاربرد دارد.
امکان سخت شدگي و نرم شدگي مصالح را به صورت همسان ، ميدهد.
عموماً،امکان تغييرات حجم را به صورت رفتار غير ارتجاعي، ميدهد. قانون جريان ، ايجاد کرنش غير ارتجاعي را تعريف ميکند، که امکـان اتساع غير ارتجاعي (افزايش حجم ) و برش غير ارتجاعي را به طور همزمان فراهم مي آورد.
با توجه موارد فوق ذکر،مدل دراگر-پراگر براي مسائل ژئوتکنيکي، از جمله تحليل سدهاي خـاکي، مطلـوب مـيباشـد. معيـار تسـليم بـراي ايـن دسته ازمدل ها بر مبناي شکل سطح تسليم در صفحه نصف النهاري مي باشد.
سـطح تســليم مـيتوانــد بـه صــورت خطــي (linear)، هـذلولي وار (hyperbolic) و نمــايي(exponent) باشـد. مــدل خطـي، ســطح تســليم غير دايره اي را در صفحه انحرافي پديد ميآورد؛ به طوريکه مقادير مختلـف تسـليم در آزمـايش هـاي سـه محـوري فشـاري و کششـي وابسـته بـه جريـان غيرارتجاعي را هماهنگ ميسازد، و همچنين زاويه اصکاک و اتساع را مجزا مي سازد. ديتاهاي ورودي به عنوان پارامتر، شکل سـطوح تسـليم و جريـان را در صفحه نصف النهاري و انحرافي تعريف مي کند. اين مدل قادر نيست مطابقت نزديکي را با رفتار مور-کلومب فراهم آورد.
مدل هاي هذلوليوار و نمايي از يک مقطع فون ميسز (دايره اي) در صفحه تنش انحرافي استفاده مي کنند. در صفحه نصف النهاري پتانسيل جريـان هذلوليوار براي هر دو مدل به کار ميرود که عموماً جريان غير همراه را نتيجه ميدهد.
انتخاب مدل سطح تسليم دراکر-پراگر، به نوع آناليز، نوع مصالح ، داده هاي تجربي موجود براي کاليبره کردن پارامترهاي مـدل و گسـتره مقـادير تنش فشاري ، که مصالح محتمل هست تجربه کنند، بستگي دارد.در دست داشتن ديتاهاي آزمايش سه محوري در سطوح مختلف فشار محدود کننـده ، يـا ديتاهاي آزمايشگاهي در ترم هاي چسبندگي و زاويه اصطکاک که مقاومت کششي سه محوري را نتيجه ميدهد، ضروري مـيباشـد. اگـر نتـايج آزمـايش سه محوري موجود باشد، پارامترهاي مصالح بايد در ابتدا کاليبره شود.
از آنجايي که مدل خطي، وابستگي تنش انحرافي را به تنش فشاري، خطي فـرض مـيکنـد، دقـت ايـن مـدل بـراي مطابقـت دادن ايـن ديتـاهـاي آزمايشگاهي محدود است . اگر چه مدل هذلولي فرض مشابهي را در فشارهاي بالاي محدود کننده به کار مي بـرد، امـا رابطـه اي غيـر خطـي را بـين تـنش فشاري و تنش انحرافي در فشارهاي محدود کننده پايين استفاده ميکند، که مطابقت بهتري را از داده هاي تجربي سه محوري، فراهم مي آورد. با توجـه بـه مطالب فوق ، مدل دراکر-پراگر هذلوليوار براي اين تحليل استفاده ميشود.
٥-٢ معيار تسليم هذلولي وار(هيپربوليک )
معيار تسليم هذلولي يک ترکيب پيوسته از شـرايط تـنش کششـي مـاکزيمم رانکـين (tensile cut-off) و شـرايط دراکـر-پراگـر خطـي در تـنش هـاي محدودکننده بالا مي باشد. سطح گسيختگي اين معيار در صفحه نصف النهاري در شکل (٢) نشان داده شده -است ، و به صورت زير ميتواند نوشته شود:
کـه در آن ، مقاومـت کششــي هيدرواســتاتيک اوليـه مصــالح ، پـارامتر ســخت شـدگي، مقــدار اوليــه زاويــه اصطکاک اندازه گيري شده در فشار محدود کننده بالا، و شيب سطح تسليم در صفحه نصف النهاري p-q ميباشد.
