بخشی از مقاله
چکیده
کنترل نشت از زیر سدهای خاکی از مسائل مهم اینگونه سدها میباشد. ایجاد دیوار آببند یکی از مهمترین روشهای جلوگیری از فرار آب است و ضمن طولانی کردن مسیر زهاب، باعث کاهش حجم تلفات آب و کنترل پدیده آب شستگی میشود.
در این پژوهش با استفاده از نرم افزار رایانهای Seep/W از مجموعه Geostudio که از روش اجزای محدود برای تحلیل و محاسبه نشت استفاده میکند، به بررسی تأثیر محل قرار گیری و زاویه نصب دیوار آببند بر میزان تراوش از بستر سدهای خاکی پرداخته شد.
برای مدلسازی، به صورت موردی مشخصات سد یامچی اردبیل استفاده گردید. نتایج حاصل از مدل سازی و تحلیل نرم افزاری برای تعیین محل نصب و زاویه بهینه دیوار آببند نشان میدهد که با نزدیک شدن محل نصب دیوار آببند به پایین دست سد میزان نشت کاهش مییابد. همچنین زاویه 10 درجهای دیوار آببند نسبت به حالت قائم کمترین میزان نشت را دارا میباشد.
1. مقدمه
عدم همخوانی نیازهای آبی با بارشهای کشور، نقش سدها در کنترل و ذخیره سازی و هدایت صحیح آب را برجستهتر نموده است. بر طبق آمارها در میان سدهای احداث شده، بیش از 30 درصد خرابی سدهای خاکی، به علت عدم تخمین دقیق نشت و نیز عدم بکارگیری روشهای کنترل یا کاهش نشت بوده است
کنترل نشت آب در پی سدهای خاکی یکی از عوامل مهم در پایداری و بهره برداری سدها محسوب می شود.
تراوش غیرمجاز و عدم توجه به فرار آب از پی و بدنه سدها میتواند برای سد و مناطق پایین دست خطر ایجاد کند و علاوه بر ایجاد خسارت و کند کردن روند عملیات ساخت یک بنا باعث هدر رفتن منابع آب نیز می گردد و نیز ممکن است توجیهات اقتصادی ساخت سد را زیر سوال برد.
جریان آب در بدنه و پی سد باعث بوجود آمدن فشار حفره ای و نیروهای تراوشی می شود، که اگر مقدار این نیروها در حد مجاز نباشد، پایداری مصالح بدنه و پی سد دچار مشکلات عمدهای از قبیل جوشش و آب شستگی خواهد گردید، که در نتیجه به خرابی سد خواهد انجامید. از این رو کنترل و پایش تراوش، مدیریت قبل از بحران بوده و لازم است تا به منظور جلوگیری از خرابیهای حاصل از زه آب، مقدار کمی جریان زه در بدنه و شالوده سد خاکی به طور دقیق تعیین گردیده و به میزان پیش بینی محدود شود.
تاکنون مطالعات وسیعی در این زمینه انجام گرفته است. با توجه به هندسه بدنه و ساختگاه سد، روش های مختلفی برای آب بندی سدها وجود دارد. که از جمله آن ها میتوان به استفاده از پرده آببند، دیوار آببند، پتوی رسی و یا پوشش بتنی در بالادست اشاره نمود که در طراحی سدهای خاکی میتوان از یک یا چند روش به صورت ترکیبی برای آببندی استفاده نمود. انتخاب نوع سیستم آب بندی نیاز به بررسی تأثیر روش های مختلف در میزان دبی نشت در مرحله بهره برداری دارد.
در سدهای خاکی بعد از آبگیری و در طول بهره برداری سد، جریان حالت پایدار در بدنه سد ایجاد میگردد و تا زمانی که سطح مخزن در یک تراز ثابت بماند، مسیرهای جریان نیز ثابت بوده و در صورتیکه تراز آب در مخزن سد به حداکثر مقدار خود برسد بیشترین دبی خروجی از بدنه سد، تکیهگاه ها و پی آن اتفاق خواهد افتاد.
روشهای مختلفی برای تحلیل میزان نشت از پی و بدنه سدهای خاکی وجود دارد و روش مرسوم، استفاده از نتایج تحلیل دو بعدی بزرگترین مقطع سد واستفاده از نتایج آن جهت بدست آوردن میزان دبی نشتی میباشد - با توجه به عرف طراحی، تحلیل همزمان پی و بدنه سد صورت میگیرد - .
در این پژوهش سعی شده است با استفاده از روشهای عددی و بکارگیری نرم افزار رایانهای مدل دو بعدی یک سد خاکی - به صورت موردی مشخصات سد یامچی - تهیه و شرایط مختلف اجرای دیوار آببند بر روی آن بررسی و تأثیر هر کدام از روش های در دبی نشتی مقایسه و بهترین گزینه پیشنهاد گردد. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار رایانهای Seep/W از مجموعه Geostudio از 36 مدل متفاوت استفاده شده و میزان نشت از آن محاسبه شده است.
صدقی اصل در سال 1384 به بررسی اثر موقعیت بهینه پرده آب بند قائم در کاهش نشت و سرعت جریان در زیرسازه های آبی با استفاده از مدل عددی پرداخت و نشان داد که بهترین مکان برای کنترل نشت و زیر شویی ، پاشنه و پنجه سد میباشد
عفیفی در سال 1385 اثر دیوار آب بند بر نشت از زیر سدهای خاکی در محیط ناهمگن را به کمک نرم افزاز SEEP/W مورد بررسی قرار داد و نشان داد که با افزایش ضخامت دیوار آب بند از 0/5متر به 2/5 متر تنها 2 درصد تفاوت در دبی نشت مشاهده می شود
داوودی نژاد درسال 1386 با استفاده از نرمافزار SEEP/W به بررسی تاثیر استفاده از پرده آببند بر روی کاهش نشت از سدهای خاکی فرنق پرداخت. بدون در نظر گرفتن تمهیدات مناسب آب بندی، میزان خروج آب از پی در طول سال حدود 138000 متر مکعب خواهد بود که بالغ بر 50 درصد حجم مخزن است، با قرار دادن دیوار آب بند در این محدوده از میزان تراوش به طرز قابل توجهی کاسته می شود و به حدود 0/03 حالت قبل می رسد. .
سیدی و همکاران در سال 1387 به وسیله نرم افزار Seep-3D نشت آب در حالت سه بعدی از پی و بدنه سد اعلی دولت را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. نتایج این محققین نشان داد استفاده از دیوار آب بند مقدار نشت را کاهش میدهد. در یک نتیجه گیری کلی مقدار کل نشت در طول یک سال 29/93×106 متر مکعب برآورد شده بود که پس از کاربرد آب بند این مقدار نشت به 64018 متر مکعب کاهش یافت.
پاکباز و همکاران در سال 2009 بامدل SEEP-3D به ارزیابی ساخت دیوار آببند بتن پلاستیک در تکیهگاه راست و چپ سد خاکی کرخه در کاهش مقدار تراوش پرداختند. نتایج آنها نشان داد که با ساخت دیوار آببند چپ و راست مقدار تراوش به ترتیب 60 و 20 درصد کاهش مییابد
ابید در سال 2013 به بررسی تاثیر موقعیت و انحنای دیوار آب بند بر روی کنترل تراوش در پی سدهای خاکی پرداختنه. در مطالعه حاضر، مدل اجزا محدود بنا گردید تا برای تحلیل دوبعدی در حالت تراوش پایدار در میان پی سد خاکی، تاثیر دیوار آببند را در کنترل ترواش بررسی کند. از برنامه Fortran90 برای تعیین هد فشار در نقاط گرهای استفاده نمودند
محرمی و همکاران در سال 2014 بر روی عملکرد دیواره آب بند در سازه های هیدرولیکی در مقابل پدیده نشت و فشار پرداختند. در این مقاله بر روی روش عددی در بررسی کارایی فشار بالارونده و پدیده نشت در سیستم های دیواره های آببند پرداختند. در این مطالعه پارامتری، انحنای زوایای وجوه بالایی و پایینی ، فاصله دیواره ها و تعداد دیوار آب بند بررسی شده است. آنها نتیجه گرفتند که افزایش طول وجه بالادست دیواره، ایمنی دیواره در مقابل فشار بالا رونده و پدیده نشت را افزایش میدهد. همچنین نتیجه گرفتند که تعداد دیوار آب بند تا سه و بیشتر موجب ایمنی بیشتر سازه در مقابل نشت و فشار میگردد
منصوری و همکاران در 2014 اثر موقعیت و زاویه نصب دیوار آب بند بر فشار بالا رونده در سدها انحرافی را مورد بررسی قرار داده و با استفاده از مدلسازی عددی و حل معادله لاپلاس به کمک نرم افزار SEEP/W در موقعیتهای مختلف مکانی و زوایای مختلف دریافتند که کمترین مقدار فشار بالا رونده زمانی رخ میدهد که دیوارآب بند در بالادست سد قرار میگیرد و بالعکس
2. مواد و روشها
1-2 روشهای آنالیز تراوش:
برای تعیین مقادیر جریان تراوش، فشار آب منفذی، نیروهای فشاری رو به بالا و نیز کنترل گرادیان آبی و پدیده آب شستگی انجام محاسبات و آنالیز و تحلیل تراوش لازم و ضروری است مطالعات تراوش در خاک بصورت جدی از زمان دارسی در سال 1856 آغاز گردید. دارسی آزمایشات خود را بر روی ماسه انجام داد و نتایج را بصورت قانون تجربی بیان نمود. قانون دارسی هنوز هم پایه و اساس مطالعات تراوش را تشکیل میدهد رابطه دارسی به صورت زیر بیان میشود.
و از ترکیب رابطه دارسی با رابطه پیوستگی، رابطه اساسی تراوش در حالت دو بعدی بصورت زیر بدست میآید:
که در آن h ارتفاع پیزومتریک، k x ضریب نفوذ پذیری در جهت x ، k y ضریب نفوذ پذیری در جهت y میباشد. این معادله پایه و اساس روشهای حل عددی تراوش را تشکیل میدهد .[10] دبی نشت از قانون دارسی پیروی می کند:
که در آن q دبی نشت - متر مکعب بر ثانیه - ، K ضریب نفوذ پذیری نفوذ پذیری - متر در ثانیه - ، A سطح مقطع جریان آب و خاک - متر مربع - و h شیب هیدرولیکی جریان است. معادله حاکم بر جریان آب در محیط متخلخل شکل تعمیم یافته معادله معروف لاپلاس است:
که در آن k x و k y به ترتیب هدایت هیدرولیکی خاک در دو جهت افقی و قائم - متر در ثانیه - ، h پتانسیل آب در خاک - متر - و q دبی جریان ورودی به توده خاک - متر مکعب بر ثانیه در واحد سطح - است. اگر دبی ورودی به توده خاک وجود داشته باشد علامت q مثبت و بر عکس اگر دبی خروجی وجود داشته باشد، علامت q منفی خواهد بود. رابطه فوق برای جریان در شرایط دایمی و خاک همگن صادق است و برای شرایط غیردایمی خواهیم داشت:
روشهای متعددی برای محاسبه زه آب سدهای خاکی وجوددارد که عبارتند از:
- روش سنتی - روشهای حل تحلیلی - روشهای آزمایشگاهی - روشهای حل عددی روشهای حل عددی:
روشهای حل عددی که نیاز به کامپیوتر داشته و دقت آنها در مقالات بسیاری به اثبات رسیده است. از آنجا که معادله دیفرانسیل تراوش به جز در موارد خاص و با استفاده از شرایط مرزی بسیار ساده قابل حل بصورت تحلیلی نمیباشد همچنین روش ترسیم شبکه نیز فقط در شرایط ساده مناسب میباشد بطوریکه اگر مصالح غیر همگن و شرایط هندسی پیچیده باشد رسم شبکه جریان بهسادگی امکان پذیر نخواهد بود. لذا در سالهای اخیر استفاده از روشهای عددی در تحلیل تراوش توسط محققین بسیار معمول گشته است. روشهای حل عددی عبارتند از:
- روش تفاوت های محدود - روش المان های محدود - روش المان های مرزی
همه این روشها براساس معادلات اساسی تراوش استوارند. بطوریکه در کلیه روشهای عددی ابتدا گره بندی میشود و سپس بر اساس معادله دیفرانسیل حاکم و روش مورد نظر، دستگاه معادلات که رابطه جبری بین مجهولات گرهها را نشان میدهد بدست میآیند و در واقع مسئله حل میشود. تحلیل تراوش با استفاده از روشهای عددیعموماً توسط نرم افزارهای کامپیوتری انجام میشود. پایه و اساس تمامی روشهای معمول آنالیز تراوش، قانون هنری دارسی - 1856 - میباشدکه برای حرکت آب در خاک بیان نمود .
بدلیل پیچیده بودن روشهای تحلیلی حل مسائل نشت و عدم دقت کافی آن روشهای عددی که محاسبات آن به کمک کامپیوتر انجام میگیرد مناسبترند. چنانچه محیط همگن باشد - Kx K y Kz - ، معادله لاپلاس در چنین محیطی بصورت زیر خلاصه میشود.
با تقسیم ناحیه به اجزاء کوچکتر، حل مسئله محدود به بدست آوردن مقدار h در گرههایی میشود که از بهم پیوستن اجزاء کوچکتر حاصلشدهاند. بطور کلی برای رسیدن به مقدار h در گرههای اجزاء کوچکتر گامهای زیر طی میشود.
الف - شبکهبندی نواحی متفاوت جریان به المانهای کوچکتر
ب - بدست آوردن معادلات
ج - تشکیل ماتریس ضرایب
د - حل دستگاه معادلات
پس از محاسبه مقادیر گرهای h، خطوط هم پتانسیل و جریان بدست آمده و از آنجا میتوان دبی نشت را محاسبه نمود.
در این پژوهش فرض شده است: -1 پارامترها و مشخصات مورد استفاده در این تحقیق همگی بر اساس مشخصات سد یامچی اردبیل می باشد. -2 تحلیل نشت بصورت غیرخطی انجام شده است. -3 نوع تحلیل به صورت جریان حالت پایدار می باشد. -4 در مدلسازی نشت شرایط مرزی بصورت Up Stream- h=1437/5 m و Down Steram-Potential Seepage در نظر گرفته شده است.
