بخشی از مقاله
خلاصه
روگذری یکی از رایج ترین دلایل شکست سدها مخصوصا سدهای خاکی است که ممکن است همراه با تلفات جانی و خسارتهای مالی زیاد باشد. فیوز پلاگ1به عنوان شیر اطمینان برای محافظت از سد در برابر خرابیهای فاجعه بار ناشی از روگذری جریان آب بکار میرود. در این تحقیق با استفاده از انجام تستهای آزمایشگاهی تاثیر عرض کانال هادی2بر نحوه تخریب و شسته شدن فیوز پلاگ همگن غیرچسبنده مورد بررسی قرار گرفته است. نکته حائر اهمیت در این تحقیق برای شبیه سازی هرچه بیشتر این فرآیند با واقعیت، ثابت نگه داشتن تراز آب در طول مدت روگذری جریان و تخریب سازه میباشد. نحوه و مکانیزم تخریب، نرخ شستشوی مصالح خاکریز و هیدروگراف خروجی حاصل از روگذری جریان ناشی از تغییر عرض کانال هادی از نتایج این مطالعه آزمایشگاهی میباشد.
1. مقدمه
گرچه شکست سد به ندرت اتفاق میافتد، اما خطرات ناشی از آن به هیچ عنوان قابل چشم پوشی نیست، خطری که ممکن است جان تعداد زیادی از انسانها را به مخاطره بیندازد و خسارات مالی فراوانی را به بار آورد. شکست سد در اثر روگذری جریان آب در هر نوع سدی میتواند اتفاق بیافتد، ولی این رخداد در سدهای خاکی به علت شسته شدن و فرسایش سریع مصالح سد به مراتب خطرناکتر است. وقتی سدی تخریب میشود، حجم زیادی از آب ذخیره شده آزاد میگردد که میتواند باعث فاجعه در نواحی پایین دست شود. در این راستا فیوز پلاگ به عنوان شیر اطمینان برای محافظت از سد در برابر خرابیهای فاجعه بار ناشی از روگذری جریان آب بکار میرود.
در تحقیق حاضر از نتایج تحقیقات گذشته در زمینه نحوه عملکرد و تخریب فیوز پلاگ، روگذری جریان آب از خاکریز و سد خاکی استفاده شده است. از جمله تحقیقاتی که در زمینه فیوز پلاگ دارای هستهرسی بعمل آمده است، مطالعهای است که تینی و هسو - 1961 - 3 به منظور مدل کردن سرریز پروژه آکسبو صورت گرفته است. مطالعات آزمایشگاهی به دو منظور تشخیص مکانیسم مراحل مختلف شسته شدن خاکریز و تعیین روابط تشابه برای سرعت شسته شدن خاکریزها انجام گرفت .[1] آزمایشات دیگری نیز توسط چی - 1984 - 4 در دانشگاه ویندسور کانادا انجام گرفته است.
نتایج این آزمایشات نیز مرجع ارزشمندی در طرح خاکریزهای همگن و خاکریزهای دارای هسته رسی است .[2] پاق1و همکاران - 1985 - بر روی فیوز پلاگ آزمایشات متعددی را انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که نرخ فرسایش جانبی عمدتا به نرخ فرسایش مصالح خاکریز بستگی دارد و به مقاومت فرسایش هسته نفوذ ناپذیر وابسته نیست. همچنین عرض کانال هادی برای اطمینان از عبور جریان کافی از آن تقریبا باید نصف ارتفاع فیوز پلاگ باشد و مکان قرارگیری کانال راهنما در طول فیوز پلاگ روی نرخ فرسایش جانبی اثر مهمی ندارد .
مطالعه دیگری بر روی مدل جزئی فیوز پلاگ سد انحرافی خلف آباد - 1377 - در مرکز تحقیقات آب انجام شد که نتیجه حاصله از این قرار بود که اجرای خاکریز با تراکم 70 درصد مطلوب بوده و عمل شکست و تخریب آن در شرایطی که هنوز مخزن از رسوبات حمل شده توسط جریان رودخانه پر نشده است، روندی مناسب را دارا است .[4] اشموکر و هگر - 2009 - 2 آزمایشاتی بر روی مدل خاکریز انجام داده و پروفیل نفوذپذیری و آبشستگی آنها را در زمانهای مختلف تعیین نمودند .
مت لازین و همکاران - 2012 - با بررسی فرآیند تخریب خاکریز بوسیله روگذری جریان به این نتیجه رسیدند که شکل شکافت در فرآیند تخریب برای محققان مختلف شبیه هم نیست و به عوامل مختلفی چون مصالح استفاده شده در خاکریز، شیب خاکریز، و حجم و ارتفاع مخزن بستگی دارد و این امر سبب میشود که شکل شکافتن برای حالتهای مختلف متفاوت باشد .
سسترو - 2012 - مطالعه آزمایشگاهی را در راستای فهم بهتر تاثیر مشخصات خاک در فرآیند شکافتن انجام داد و به این نتیجه رسید که جریان شکافتن به شدت تحت تاثیر مشخصات خاک میباشد .[7] تبریزی و همکاران - 2015 - به مدلسازی آزمایشگاهی فرایند خرابی گوره ناشی از روگذری جریان در حالت خاکریز همگن بدون چسبندگی و نامتراکم پرداختند و رابطهای برای انتقال بار بستر ارائه کردند .
همچنین اصغری و همکاران - 2016 - تاثیر تراکم مصالح خاکریز روی تخریب عمودی آن ناشی از روگذری را مورد مطالعه قرار دادند و دو فرمول بی بعد برای تغییرات ارتفاع تاج و طول کف خاکریز با زمان ارائه دادند .
در این مطالعه با استفاده از انجام تستهای آزمایشگاهی تاثیر عرض کانال هادی بر نحوه تخریب و شسته شدن فیوز پلاگ همگن غیرچسبنده مورد بررسی قرار گرفته است. نکته حائر اهمیت در این تحقیق برای شبیهسازی هرچه بیشتر این فرآیند با واقعیت، ثابت نگه داشتن تراز آب در طول مدت روگذری جریان و تخریب سازه میباشد. نحوه تخریب، نرخ شستشوی مصالح خاکریز و هیدروگراف خروجی حاصل از روگذری جریان ناشی از تغییر عرض کانال هادی از نتایج این مطالعه آزمایشگاهی میباشد.
2. مدل آزمایشگاهی
آزمایشات تحقیق حاضر در آزمایشگاه آب و سازههای هیدرولیکی دانشگاه تربیت مدرس تهران، در یک فلوم به طول 6 متر، عرض 45 سانتیمتر و ارتفاع 45 سانتیمتر انجام گرفتند. این فلوم دارای دیوارههای شیشهای و کف تخت میباشد. به منظور شبیهسازی هرچه بیشتر مدل با واقعیت مقرر شد تا تراز آب پشت فیوز پلاگ در طول مدت زمان تخریب ثابت باقی بماند. عرض فلوم در ابتدای ورودی فلوم از مخزن بالادست با توجه به محدودیت تامین دبی لازم برای ثابت نگه داشتن تراز آب در طول مدت آزمایش به 20 سانتیمتر کاهش داده شد.
همچنین در این محدوده ارتفاع کف فلوم نیز به علت جلوگیری از تاثیر پذیرفتن نحوه تخریب خاکریز از پایاب5به میزان 15 سانتیمتر بالا آورده شده است. فیوز پلاگ مورد آزمایش این مطالعه از نوع همگن ماسهای میباشد. شرایط انتخاب هندسه خاکریز و اندازه مصالح بکار رفته در بدنه فیوز پلاگ یکی حفظ پایداری سازه قبل از روگذری جریان بر اثر پدیده رگاب و دیگری تخریب سریع خاکریز پس از روگذری جریان میباشد که در این راستا آزمایشات مقدماتی طراحی و انجام شد. مصالح انتخابی، ماسه همگن دارای دانه بندی یکنواخت با d50= 0.6 mm، g= 1. 29 و جرم مخصوص 2620 kg/m3 میباشد. مدل فیوز پلاگ دارای مقطعی ذوزنقه شکل به طول 20 سانتیمتر، ارتفاع 15 سانتیمتر و عرض 10 سانتیمتر در تاج و 70 سانتیمتر در کف و شیب جانبی افقی به عمودی 2 به 1 است که در ابتدای ورودی فلوم و نزدیک به مخزن بالادست ساخته شده است.
مجموعه آزمایشگاهی شامل یک مخزن در بالادست و یک مخزن در پایین دست فلوم میباشد که آب به صورت یک چرخه بسته از مخزن پایین دست به مخزن بالادست توسط پمپی با ظرفیت بیشینه 60 لیتر در ثانیه پمپ میشود. بعد از ورود جریان به مخزن بالادست آرام کننده جریان قرار دارد که شامل توری با منافظ دایرهای به قطر 5 میلیمتر میباشد.
همچنین برای آرامسازی بیشتر و جلوگیری از تلاطم سطحی از صفحات یونولیت بر روی سطح آب در مخزن بالادست استفاده شده است. بعد از آن آب وارد فلوم شده و بعد از روگذری از خاکریز خود را به مخزن پایین دست می رساند. به منظور اندازه گیری دبی روگذری از فیوز پلاگ، مخزن پایین دست نیز به دو قسمت تقسیم شد تا بتوان با تعبیه سرریز ترکیبی - مثلثی-مستطیلی - لبه تیز این دبی را اندازه گیری کرد. نمای شماتیک مجموعه آزمایشگاهی در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 نمای شماتیک مجموعه آزمایشکاهی - ابعاد به متر میباشند -
3. روش انجام آزمایش
در تمامی آزمایشات در ابتدا مصالح در سه لایه 5 سانتیمتری با رطوبت بهینه 5 درصد با وزن مشخص در حجم مشخص مورد تراکم قرار میگیرند. بعد رسیدن به میزان تراکم مطلوب، شیب های بالادست و پایین دست و کانال هادی برش داده شده و هندسه خاکریز تکمیل میگردد. چگالی خشک مصالح خاکریز ساخته شده پس از تراکم برابر با 15/46 کیلونیوتن بر مترمکعب و تخلل آن برابر 0/4 میباشد. سه عرض 7، 5 و 3 سانتیمتر با عمق 2 سانتیمتر برای کانال هادی که در مرکز تاج خاکریز قرار دارد، در نظر گرفته شد و مورد آزمایش قرار گرفتند. نرخ افزایش ارتفاع آب پشت سازه در تمامی آزمایشات یکسان و برابر با 1/5 سانتیمتر در دقیقه میباشد. زمان شروع فرآیند تخریب از زمانی که روگذری جریان از شیب پایین دست آغاز میگردد محاسبه میگردد.
در طول مدت آزمایش از سه دوربین تصویربرداری با کیفیتFHD1 با وضوح تصویر 1920 در 1080 پیکسل برای ثبت تصاویر آزمایش استفاده شده است. سرریز پایین دست ترکیب سرریز مثلثی برای دبیهای پایین و سرریز مستطیلی برای دبیهای بالاتر میباشد. استخراج دادهها از فیلمها با استفاده از ذخیره تصاویر در فریمهای زمانی مورد نظر و رقومی سازی آنها با دقتی برابر با -1 mm انجام گرفت. هر آزمایش دست کم دو بار برای تایید تکرارپذیری تکرار شد. در مجموع 6 آزمایش در تیپهای A، B و C که هرکدام دو آزمایش با شرایط اولیه یکسان هستند، انجام شد که عرض کانال هادی در این تیپها به ترتیب 7، 5 و 3 و عمق 2 سانتیمتر است. همچنین موقعیت قرارگیری کانال هادی در مرکز تاج فیوز پلاگ میباشد.
4. نتایج آزمایش
1؛.4 تکرار پذیری
برای اطمینان از قابل اعتماد بودن اندازهگیریهای انجام شده، تکرارپذیری آزمایشات با بررسی پروفیل آب و پروفیل خاکریز کنترل شد. هر آزمایش تحت شرایط یکسان و برای کاهش عدم قطعیت داده های اندازهگیری شده دست کم دوبار تکرار شد. شکل 2 پروفیل خاک و آب را در ابتدای فرآیند فرسایش با مکانیزم دوبعدی2نشان میدهد.
