بخشی از مقاله
خلاصه
انتخاب بستر مناسب برای سدهای بتنی وزنی به جهت جرم نسبتا زیاد آنها جهت مقابله با تغییر مکانهای اجزای سد در طراحی این گونه از سدها حائز اهمیت میباشد. عموما بسترهای سنگی مناسبترین گزینه برای مقابله با این تغییر شکلهای بزرگ هستند. نکته مهم این که پاسخ لرزهای سدها خصوصا تغییر مکانهای اجزای سد و تاسیسات وابسته به آن در حالت وجود بسترهای آبرفتی دارای مدول الاستیسیته متفاوت و در دو حالت حین و پس از آبگیری بطور قابل ملاحظهای تغییر میکند.
در این تحقیق از روش اجزای محدود به منظور مدلسازی سد و مخزن و فونداسیون تحت اثر بارهای استاتیکی و نیروهای دینامیکی ناشی از زلزله استفاده شده است. نتایج نشان داد که کاهش مدول الاستیسیته بستر سد بتنی وزنی باعث افزایش قابل ملاحظهای در تغییر مکانهای اجزای سد شده طوریکه برای بسترهای با مدول الاستیسیته کوچکتر از 2 گیگا پاسکال حداکثر جابجایی افقی تاج سد بطور غیر قابل قبولی زیاد مشاهده گردید. مقادیر تنش کششی در پاییندست سد و اختلاف مابین بیشینه شتاب ایجاد شده در تاج سد با افزایش مدول الاستیسیته بستر افرایش مییاید. همچنین حداکثر تنش کششی بیشتر در نواحی تغییر شیب سطح پایین دست سد مشاهده میشود. با بررسی دو حالت تراز آب در پشت سد میتوان گفت مقادیر حداکثر تنش در حالت تراز نرمال به بدنه سد وارد میشود.
1. مقدمه
بحث تامین ایمنی سدها در برابر زلزله، با وجود اثرات عوامل مختلف، یکی از زمینههای تخصصی و پیچیدهای است که سالهای متمتدی ذهن محققین را به خود مشغول کرده است. سدهای بتنی وزنی به دلیل هزینه پایین و سرعت اجرای مناسب بطور گستردهای مورد توجه طراحان میباشند. پایداری در این سدها از طریق به کارگیری وزن سازه و مقاومت برشی بستر تامین میشود. استفاده از سدهای بتنی وزنی و همچنین سدهای با مصالح سنگریزهای همراه با سطوح بالادست نفوذناپذیر در بسترهای سنگی پرمقاومت و یا سنگهای ضعیف تر با کیفیت مناسب مرسوم بوده و سبب پایداری مناسب این سازه ها تحت بارهای وارده میگردد.
از لحاظ جنس بستر فونداسیون در سدها به دو دسته بسترهای سنگی و فونداسیونهای قرار گرفته بر خاک تقسیم میشوند. فونداسیونهای خاکی معمولا قابلیت تراکمپذیری بیشتری نسبت به بسترهای سنگی از خود نشان میدهند و در بیشتر موارد از رسوبات آبرفتی به جا مانده در مسیر رودخانهها تشکیل شدهاند. در مناطق با رطوبت بالا، سنگهای نسبتا نرم موجود تحت اثر وزن سدهای بتنی وزنی تغییر شکلهای قابل توجهی از خود نشان میدهند. بدین جهت طراحان از ساخت سدهای با ارتفاع زیاد بر روی بستر های ضعیف از طریق انتخاب مناسب تر طی مطالعات اولیه اجتناب می-کنند. ولی نقاط بسیاری نیز وجود وجود دارند که علیرغم نیاز به ساخت سد در آن ها بسترهای سنگی مناسبی را جهت احداث سدهای بتنی وزنی فراهم نمیآورند. در این حالت وظیفه طراحان ایجاب مینماید که جهت امکانسنجی احداث سد، مشخصات بسترها را بطور دقیق تر مورد ارزیابی قرار دهند.
براساس بررسیهای انجام گرفته، ساخت سدهای بتنی وزی با ارتفاع کمتر از 20 متر بر روی بستر آبرفتی ایمنی مناسب دارد.[2] سد سدر فالز1، فالز1، که یکی از منابع مهم تامین آب شهر سیاتل آمریکا میباشد، مثالی از سد بتنی وزنی با ارتفاع کوتاهتر از 20 متر است که در درهای با بستری پوشیده از 200 متر شن و ماسه بر روی سنگ بستر، بنا شده است.
در این تحقیق پاسخهای استاتیکی و دینامیکی سد بتنی وزنی کوینا بر محدودهای از فنداسیونها با مدول الاستیسیته مختلف در دو حالت حین آبگیری - مخزن نیمه پر - و پس از آبگیری - تراز نرمال - مورد بررسی قرار گرفته شده است. بدین منظور مدل اجزای محدود 2 بعدی شامل سیستم سد-مخزن- بستر توسط نرم افزار انسیس1 تشکیل شده و جابجاییها، تنش ها و شتابها تحت بارگذاری استاتیکی و زلزله بدست آمده است.
2. مدل اجزای محدود سیستم سد و مخزن
تحلیل دینامیکی ساختمانها و سدها یکی از پیچیدهترین تحلیلها محسوب میشوند. برای تحلیل دینامکی سدها از مدلهای ریاضی که عموما با در نظر گرفتن فرضیات خاصی برای رفع مشکل فیزیکی این گونه از اجزا اتخاذ شده، استفاده میشود. معادله دیفرانسیل دینامیکی شامل سد و فونداسیون با درنظر گرفتن حرکت زمین به روش اجزای محدود بصورت زیر ارائه میشود:
3. معرفی سیستم سد – مخزن - فونداسیون
به منظور بررسی تاثیر بسترهای غیرسنگی و تراز آب در پشت مخزن بر عملکرد سد، مطالعه ای بر روی بسترهایی با مدول تغییر شکل های متفاوت و در دو حالت تراز نرمال و مخزن نیمه پر صورت پذیرفت. بدین منظور سد بتنی وزنی کوینا به عنوان سد موردی انتخاب گردید - شکل. - 1
شکل -1 مدل سد – مخزن – فونداسیون سد کوینا
برای تحلیل مدلهای مورد نظر، مصالح سد وزنی بتنی دارای رفتار همگن، خطی و ایزوتروپیک و آب مخزن محیطی همگن و ایزوتوپ، غیر لزج، غیر چرخشی و با تغییر مکان های کوچک و تراکم پذیر فرض می شود. به دلیل عمق و ارتفاع زیاد مخزن سد بتنی وزنی، از اثر امواج سطحی آب چشم پوشی شده و فشار در سطح آزاد مخزن صفر در نظر گرفته شده است. با توجه به شرایط حاکم و رفتار سد بتنی وزنی و شکل هندسی مخزن، مسئله بصورت دو بعدی درنظر گرفته شده و مولفههای افقی و قائم شتاب نگاشت زمین لرزه به مدل اعمال میشود. شکل 2 مدل سد کوینا مدل شده در نرم-افزار انسیس در سه حالت قبل و حین و بعد از آبگیری را نشان میدهد.
شکل-2مدل سد کوینا در فضای نرم افزار انسیس الف - حین آّبگیری ب - پس از آّبگیری - تراز نرمال -
نرمافزار انسیس قابلیت آنالیز لرزهای با درنظر گرفتن هندسه نامنظم دامنهها و آثار اندرکنش مخزن و پی را دارا میباشد. برای این منظور عناصر مناسبی که رفتار تراکمپذیری سیال را نمایش دهد، پیشبینی شده است. در این نرمافزار برای سد از المانهای PLANE 42 و برای مخزن از المان FLUID 29 که 4 گرهی است، استفاده شده است. همچنین برای مرز دوردست قطع شده نیز از شرط مرزی سامرفیلد که یک شرط تقریبی است استفاده شده است.
در تحقیق حاضر فونداسیون بصورت یدون جرم درنظر گرفته شده و نسبت میرایی 5 درصد محاسبات میرایی سیستم سد- فونداسیون-مخزن استفاده شده است. مدول تغییر شکلهای در نظر گرفته شده به منظور تحلیل اثر فونداسیون بر رفتار سدها، در محدوده 0/5 تا 4 گیگاپاسکال می باشد. به منظور آنالیز دینامیکی 15 ثانیه اول مولفهی افقی و قائم شتابنگاشت تفت2 که در سال 1952 در مدرسه لینکن ایالت کالیفرنیای امریکا ثبت شده، با توجه به شکل 3 انتخاب شده است. همانگونه که مشخص است، بیشینه شتاب افقی و قائم زمین لرزهی تفت به ترتیب 0/18g و 0/10 g است.
شکل -3 مولفههای شتابنگاشت زلزله تفت الف - مولفه افقی ب - مولفه قائم
4. نتایج و بحث
.1-4 جابجایی افقی
به منظور بررسی اثر نیروی ناشی از وزن سد و فشار هیدرواستاتیک وارد بر عملکرد سد، جابجایی افقی بدست آمده در فصل مشترک بین سد و مخزن در شکل 4 نشان داده شده است. براساس نتایج بدست آمده جایجایی افقی ناشی از نیروهای استاتیکی وارد برسد کوینا بر روی فنداسیون های بزرگتر از 3 گیگاپاسکال قابل توجه نمی باشد. ولی با این حال با کاهش مدول تغییر شکل بستر به اندازهای کوچکتر از مقدار مذکور، جابجاییها به شدت افزایش می یابند.
