بخشی از مقاله
تاثیر زاویه امواج ورودی زلزله بر ساختگاه سدهای سنگریزه ای با توجه به پاسخ دینامیکی سد، مطالعه موردی : سد آزادی کرمانشاه
خلاصه
گرچه سابقه بررسی تاثیر زلزله بر سدهای خاکی به چند دهه قبل بر می گردد ولی پیچیدگی های رفتاری اینگونه سازه های خاکی در شرایط مختلف هندسی و فیزیکی و نیز تفاوت ویژگی های زلزله ها موجب می شود که مطالعات دقیقتر با ابزار محاسباتی قویتر، نتایج موهر- کولمب برای وضعیت پلاستیک شدگی خاک و نیز از قاعده میرایی رایلی در محاسبات برای سد سنگریزه ای آزادی استفاده شده است. در این تحقیق ابتدا صحت کارکرد مدلهای عددی از طریق تحلیل دینامیکی یک مورد واقعی (سد خاکی "لانگ ولی") و مقایسه نتایج محاسباتی با نتایج حاصل از اندازه گیری های واقعی و یا نتایج ارائه شده توسط دیگر محققان بررسی شده است. همچنین در این مطالعه علاوه بر تحلیل های لرزه ای سد خاکی آزادی در حالات مختلف، بررسی پایداری آن به صورت استاتیکی و شبه استاتیکی انجام شده است که سازگاری خوبی با آئین نامه های سد سازی دارد. در بخش اصلی تحلیلها، رفتار لرزه ای سد آزادی با ونتایج تحلیلها به صورت نمودارهایی ارائه شده است.
واژگان کلیدی: سد سنگریزه ای، زلزله، پاسخ دینامیکی، میرایی رایلی
۱- مقدمه
سدها سازه های مهمی هستند که عموماً به منظور کنترل سیلابهای ویرانگر، تامین آب آشامیدنی و آب کشاورزی اراضی پایین دست، تولید برق و نیز امور تفریحی با مصرف هزینه های هنگفت ساخته می شوند. رها شدن کنترل نشده آب ذخیره شده در مخزن سدها که در اثر شکافته شدن خاکریز سد، رو گذری آب، بهره برداری غلط و ... بوجود می آید، خسارت مالی و جانی جبران ناپذیری را در پی دارد.
به عنوان مثال : شکست سدهایی مانند بوفالو کریک (1972 ,Bufialo Creek, WW)، سد تون (1976 ,Teton, id) و سد بارنس ( ,Barnes 1977 ,GA( در آمریکا خسارات جانی و مالی فراوانی به مردم و زیرساخت های پایین دست وارد کرد. پس از این شکست ها بود که مجموعه اقلامارت قانونی و اجرایی و یک برنامه برای بھر برداری سدهای ملی و تهیه دستورالعمل ها و برنامه های بازرسی برای کنترل ایمنی سالهای آمریکا با استفاده از امکانات و سرمایه های دولت فدرالی صورت گرفت.[[] از این رو کنترل ایمنی و پایداری سدها بسیار حائز اهمیت است.
یکی از مسایلی که پایداری سدهای خاکی را به خطر می اندازد وقوع زلزله است. نیروهای لرزه ای ممکن است منجر به نشست های بیش از حد، تغییر شکل زیاد خاکریز، ایجاد ترک، کاهش مقاومت مصالح، به وجود آمدن فشار آب منفذی بالا و روانگرایی لایه های اشباع مصالح دانه ای سست در پی و در خاکریز سد شوند. تاکنون سدهای بسیاری در اثر زلزله آسیب دیده اند. از جمله این سدها سد سفید رود با شکافهای بزرگ در تکیه گاه و سد خاکی سووای هند که در زلزله ۷/۷ ریشتری سال ۲۰۰۱ با نشست های زیاد باعث ایجاد ترک طولی در تاج سد شد. [2] پس از زلزله ۱۹۷۱ و لغزش سد سن فرنادو اهمیت زیاد طراحی مقاوم سدهای خاکی و سنگریزه ای در برابر زلزله را نشان داده و لزوم طراحی لرزه ای سدها را موجب گردید. از آنجایی که ساخت سد و پر شدن مخزن آن می تواند موجب ایجاد زلزله هایی تا بزرگی ۶/۵ ریشتر شود (زلزله های القایی)[3] بررسی پایداری سد در برابر زلزله به مناطق لرزه خیز محدود نمی شود. با توجه به موارد گفته شده در بالا لزوم تحلیل دینامیکی سد های خاکی مطرح می باشد. بارهای دینامیکی نامنظم حاصل از زلزله باعث ایجاد امواج زلزله در جهتی می شوند که در بیشتر اوقات به دو مولفه افقی و قائم در سطح زمین تبدیل می شوند.
با توجه به اینکه عوامل متعددی بر چگونگی پاسخ سدهای خاکی در برابر زلزله موثر است، مطالعاتی که تا کنون در مورد بررسی رفتار سدها صورت گرفته است به نتایجی منجر شده است که کرارا خود موجب مطرح شدن پرسشهای جدیدشده است. در حال حاضر بر محققان در این زمینه پوشیده نیست که میزان اعتماد به پاسخهای محاسباتی، وابسته به مجموعه ای از عواملی است که عمده آنها را می توان در پرسشهای زیر خلاصه کرد:
۱- با چه ابزار محاسباتی و با چه دقتی محیط خاکی جسم سد (در شرایط دو بعدی یا سه بعدی) مدل می شود؟
۲- چه خواص فیزیکی - مکانیکی مشخصی برای مصالح سد در نظر گرفته می شود؟
۳- مدل رفتاری جسم سد در بخشهای مختلف چگونه فرض می شود؟
۴- شتاب نگاشت زلزله (یا به عبارت کلی تر، تکانهای زلزله) به چه نحوی به بدنه سد تحمیل می شود؟
به علت تنوع گزینه های محتمل برای هر گروه از عوامل مذکور و نیز تاثیر گذاری عوامل دیگر (با اهمیت کمتر)، پیش بینی دقیق رفتار واقعی یک سد خاکی در برابر وقوع زلزله (که هنوز اتفاق نیفتاده است) چندان واضح نیست و هنوز هم به علت تاثیر گذاری پاره ای احتمالات پاسخ ها را باید در هاله ای از ابهامات جستجو کرد. از طرفی عمده مطالعات در این زمینه را می توان در سه گروه، به شرح زیر تقسیم کرد:
۱- مطالعات، مشاهدات و حتی اندازه گیری های رفتار سدهای خاکی در مقیاس واقعی در ضمن وقوع زلزله یا بعد از آن. ۲- مطالعات تجربی، در مقیاس آزمایشگاهی و یا مطالعات تجربی در اثر ارتعاش اجباری یا محیطی به منظور پدیده شناسی.
۳- مطالعات محاسباتی و تحلیلی که فراوان و متعددند. خوشبختانه در حال حاضر، نرم افزار های مناسب موجود امکان ارزیابی های رفتاری سد های خاکی را در برابر بارهای لرزه ای فراهم کرده اند. در مطالعه حاضر، از نرم افزار PLAXIS استفاده شده است و اعتماد بر این نرم افزار به این علت است که تدوین کنندگان این نرم افزار تمام ویژگیهای خاک و پیچیدگیهای مورد نظر مربوط به اثر بار ارتعاشی را در تدوین مراحل محاسباتی منظور کرده اند. بر خلاف آنچه که در روش خطی معادل انجام می شود و روند حل بر پایه تکرار همگرایی است، در روش غیر خطی کامل فرایند تکراری وجود ندارد و کل زمان ارتعاش فقط در یک مرحله تحلیل می شود. این روش کاملترین و دقیقترین روش برای محاسبه پاسخ دینامیکی سازه هاست که در صورت استفاده از مدل رفتاری مناسب برای مصالح، جوابهای بدست آمده از قابلیت اعتماد بالایی برخوردار خواهند بود.
۲- مروری بر تاریخچه پژوهشهای قبلی در این زمینه
نمونه ای از مجموعه مطالعات پژوهشگران در زمینه آنالیز دینامیکی سد های خاکی در مقاله های مروری GazetaS [4] و Dakulas [5] مربوط به سد های پاره سنگی و با ۱۷۴ مرجع توضیح داده شده است . Abdel-Ghafar & Scott در سال ۱۹۷۹ اثر زلزله سان فرنادو رابر روی سد خاکی Santa Felecia بررسی کردند و ضمن نشان دادن فرکانس طبیعی سد و سرعت موج برشی در مصالح، سهم نسبی مود های ارتعاشی مختلف را به دست آوردند و این فرکانسها را با فرکانسهای طبیعی به دست آمده از نظریه تیر برشی مقایسه کردند. [6]
PreVOSt و همکاران در سال ۱۹۸۵ با استفاده از نرم افزار DynafloW پاسخ دو بعدی و سه بعدی سد Santa Felecia را در برابر دو زلزله متفاوت بررسی کرده و نتایج حاصل را با اطلاعات ثبت شده مقایسه کردند برای این تحقیق ها از نظریه پلاستیسیته چند سطحی با سخت شوندگی سینماتیکی کامل استفاده کردند و در این محاسبات اثر بعد سوم روی پاسخ دینامیکی سد به خصوص بر روی تغییر شکل های ماندگار داده شد و قابلیت تحلیلهای دو بعدی در محاسبه پاسخ دینامیکی سد ارزیابی شد [7].
Abdel-Ghafar A. Elgamal در سال ۱۹۸۷ برای تحلیل دینامیکی غیر خطی دوبعدی و سه بعدی سدهای خاکی ناهمگن، از یک روش عددی - تحلیلی و با کاربرد روابط گالرکین برای معادلات حرکت استفاده کردند. برای مدل کردن رفتار مصالح از ایده پلاستیسیته نموی با همان فرض رفتاری در تحلیل پریو و را به کار بردند و نتایج را برای سد سانتافله سیا با نتایج نامبرده مقایسه کردند [8-9].
PreVOSt & GriffithS در سال ۱۹۸۸ یک تحلیل دینامیکی غیر خطی بر روسی سد Long Valley انجام دادند و نتایج را با مقادیر اندازه گیری شده پاسخ سد تحت اثر زلزله مقایسه کردند [10] .Malla & Wieland در سال ۲۰۰۲، پایداری لرزه ای سد خاکی مات مارک با ارتفاع ۱۱۷ متر را که در کشور سوئیس بر روی یک فنداسیون ضخیم ۸۸ متری قرار گرفته بود، ارزیابی کردند. تحلیل دینامیکی با استفاده از روش اجزای محدود دوبعدی برای مدل سد و فنداسیون انجام شد. نگاشت ورودی شامل سه سری متفاوت از شتابهای مصنوعی بود که دارای شتابهای ماکزیمم افقی و قائم ۴۲g/ ۰ و g ۲۸/ ۰ بودند. خواص دینامیکی مصالح سد بر پایه آزمایشهای دینامیکی و استاتیکی و اطلاعات موجود انتخاب شد. تحلیلها نشان دادند که سطوح لغزش می توانند در حین زلزله به میزان ۲ تا ۳ متر حرکت کنند. برای سطوح لغزش عمیقتر، ماکزیمم تغییر مکان کمتر از ۸۰ سانتیمتر بود و نشست های لرزه ای بر پایه کاهش سختی برشی مصالح در طی زلزله تخمین زده شد
. بر اساس مقاله Finn و همکاران [12] مسیر توسعه بخشی از نرم افزار های تحلیل سد خاکی در برابر زلزله رامی توان به صورت زیر خلاصه کرد: Schnabel و همکاران در سال ۱۹۷۲ با استفاده از روش خطی معادل بر اساس کارهای Seed و همکاران در کالیفرنیا برنامه رایانه ای Shake را نوشتند. IdriSS و همکاران در سال ۱۹۷۳ و LySmer و همکاران در سال ۱۹۷۵ با استفاده از روش خطی معادل به ترتیب برنامه های 4 Ouad) و Flush را تهیه کردند. این برنامه ها مدول برشی و میرایی را از روی کرنش های برشی محاسبه می کنند. در برنامه 4 Quad میرایی از نوع ریلی و حل از طریق انتگرال گیری مستقیم در حوزه زمان انجام می شود.
Martin و همکاران در سال ۱۹۷۵ مدلی را برای ایجاد فشار آب منفذی در طول زلزله بر مبنای پاسخ کرنش برشی خاک توسعه دادند. این مدل که به MFS معروف است، در تحلیلهای دینامیکی تنش موثر و محاسبه مستقیم جابجاییها به کار می رود. DeSTa-2R نسخه تصحیح شده 2-DeSra است که به جای مدل فشار آب حفره ای MFS از مدل راحت تری استفاده می کند. Finn و همکاران در سال ۱۹۸۶ برنامه رایانه ای 3-Tara" را تهیه کردند. این برنامه قادر به انجام تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی تحت شرایط تنشهای کل و موثر است و می تواند تغییر شکلهای ماندگار را به صورت مستقیم محاسبه کند. تکمیل شده همین برنامه در سال ۱۹۸۹ قادر است تغییر شکلهای بزرگ پس از روانگرایی را با استفاده از روش لاگرانژین تصحیح شده محاسبه کند.Plaxis نرم افزار اجزای محدود دیگری است که در تحلیل مسائل خاکی و سازه های در ارتباط با خاک است که در سال ۱۹۸۷ در دانشگاه دلف هلند در ابعاد مختلف و توانایی های متنوع گسترش یافت.Cundall & Board در سال ۱۹۸۸ را تهیه کردند. این برنامه از روش لاگرانژین اصلاح شده در تغییر شکلهای بزرگ استفاده می کند. برنامه Dynard توسط Mori Waki و همکاران در سال ۱۹۸۸ تهیه شده است این برنامه از یک روش مبنی بر تفاضل های محدود استفاده می کند. این برنامه تحلیل تغییر شکل و پاسخ سازه های خاکی با اثر همزمان بارهای وزن و زلزله را با استفاده از مقاومت زهکشی نشده و کاهش مدول خاک زهکشی نشده انجام می دهد. رفتار غیرخطی و چرخه ای خاک با استفاده از مدل سطحی انجام می گیرد.
۳- مشخصات محاسباتی در تحقیق حاضر
۱-۳- مقطع هندسی سد در این مطالعه مقطع هندسی واقعی سد سنگریزه ای آزادی که شامل پوسته بالا دست و پائین دست به ترتیب با شیب های ۱:۲/۵ و ۲/۹ : ۱، هسته رسی با شیبهای مساوی
۲/:۱ ، در هر دو جهت پائین و بالا، ارتفاع سد از کف پی تا رقوم تاج سد ۶۴ متر ، ضخامت پی سد نیز ۵۰ متر می باشد. در این مطالعه گسترش پی از اطراف ۵۰ متر در نظر گرفته شده است. مقطع هندسی سد آزادی کرمانشاه در شکل (۳-۱) دیده می شود.
۳- ۲- مدل رفتاری و شتاب نگاشتها در تحلیل حاضر از تحلیل دینامیکی غیر خطی مبتنی بر تاریخچه زمانی زلزله استفاده شده است که به علت منظور کردن رفتار تناوبی محیط خاکی و استهلاک انرژی هیسترزیس (حلقه تکراری ) که منجر به تغییرشکلهای ماندگار می شود، بزرگی شتابهای ورودی به قاعده سد به تدریج در امتداد قائم سد کاهش یافته و تضعیف می شود. از آنجا که رفتار غیر خطی، رفتار واقعی مصالح است تاثیر تغییرات مدول برشی روی سطح کرنش برشی خود به خود در نظر گرفته می شود. در تحلیلهای دینامیکی از میرایی ریلی استفاده شده است. برای انجام تحلیل های دینامیکی در این مطالعه از نرم افزار PlaXis دو بعدی استفاده شده است. مدل رفتاری مورد استفاده در این مطالعه بر اساس آغازی از وضعیت الاستیک خطی ولی تبدیل
