بخشی از مقاله
چکیده
سدها نقش تعیین کنندهای در مدیریت منابع آبدارند و شناخت هرچه بیشتر این سازهها در طراحیهای مهندسی بسیار مؤثر می-باشد. بهطورکلی به منظور تعیین محل سطح آزاد نشت از روشهای مختلف تحلیلی چون فرمولهای تقریبی و تجربی و یا حل از طریق رسم شبکه جریان، استفاده میگردد. همچنین میتوان از روشهای مختلف عددی نظیر روش تفاضلهای محدود، روش اجزای محدود و روش حجم محدود نیز در تعیین محل سطح آزاد نشت بهره گرفت.
در این تحقیق به مقایسه موقعیت خط آزاد نشت سد خاکی گیلان غرب توسط تحلیل اشباع و غیراشباع روش ون گنوختن و تابع فرونتال با استفاده از دو مدل عددی GeoStudio و GMS پرداختهشده است نتایج نشان میدهد که در تحلیل غیراشباع محیط خاک، تراز خط نشت آزاد در موقعیت بالاتری قرار میگیرد و همچنین فیلتر در این مدل بهصورت آزاد عمل میکند حالآنکه در مدل اشباع عملکرد فیلتر و زهکش بهصورت تحتفشار میباشد. دبی نشت در مدل اشباع بسیار بیشتر از مدل غیراشباع است.
-1 مقدمه
صنعت سدسازی بهعنوان یکی از قدیمیترین و پیچیدهترین فعالیتهای ساختمانی همواره مدنظر جوامع مختلف بوده و ازنظر اقتصادی نیز یکی از منابع مهم اقتصادی هر کشور و منطقه محسوب شده است. مهندسی سد را میتوان مجموعهای از علوم فنی و پایه مهمی دانست که در کنار یکدیگر طراحی و اجرای سد را ممکن میسازد و سازه سد را ازنظر بارگذاریهای وارده و مقاومت در برابر عوامل مخرب موردبررسی قرار میدهند. بهطورکلی دو روش عمده جهت تعین موقعیت سطح آزاد جریان در مسائل تراوش وجود دارد تفاوت این روشها از تفاوت موجود در نوع نگرش به جریان آب در خاک ناشی میشود.
در مکانیک خاک کلاسیک، فرض میشود که جریان آب در خاک فقط در حالت اشباع میتواند وجود داشته باشد و هنگامیکه درجه اشباع پایین بیابد دیگر جریانی وجود نخواهد داشت و سیال نمیتواند از محیط اشباع فراتر رود. در این نوع مسائل، سطح آزاد آب یک خط جریان فرضی میشود و هیچ جریانی نمیتواند از این مرز عبور کند. بدیهی است که فشار در سطح آزاد جریان برابر صفر خواهد بود؛ اما همانگونه که ذکر گردید، تحقیقات و آزمایشها نشان دادهاند که جریان در محیطهای غیراشباع نیز میتواند وجود داشته باشد و سیال میتواند از محیط اشباع به غیراشباع و بالعکس جریان یابد .
با این فرض، دیگر سطح آزاد جریان یک خط نخواهد بود و فقط سطحی است که فشار در آن برابر فشار اتمسفر میباشد زیرا سیال میتواند از این مرز عبور کرده و وارد محیط غیراشباع شود. باب و مرنل،1962 لیستی از 600 سد که خرابشدهاند یا حادثه و فاجعهآفرین بودهاند را تهیه کردند. این دو چنین عنوان کردهاند که عمده خرابی سدهای خاکی شامل برخورد سطح آزاد نشت با شیب پاییندست سد و یا ایجاد آبشستگی داخلی توسط جریان نشت درون سد میباشد.
شبیهسازی جریان نشت از بدنه و پی سدهای خاکی در رودخانههایی که دبی کم دارند و مناطقی که دارای محدودیت منابع آب میباشند، یکی از عوامل مهم بهمنظور کاهش تلفات آب و پایداری سدها محسوب میشود. دانستن محل دقیق سطح آزاد نشت منجر به یافتن محل دقیق نصب فیلتر، افزایش عملکرد سیستم زهکشی، جلوگیری از احتمال بروز آبشستگی و ترک در هسته سد و درنتیجه موجب کاهش هدرروی آب از بدنه سد و درنهایت موجب پایداری سد میگردد. احمدی واقبالزاده [2] خط نشت در سد خاکی همگن را به روش تحلیلی و عددی موردبررسی و مقایسه قراردادند و نتایج آنها اختلاف زیاد بین روش المان محدود Matlab و روش تقریبی را نشان داد.
داوودی نژاد [3] با استفاده از نرمافزارSEEP/W به بررسی تأثیر استفاده از پرده آببند بر روی کاهش نشت از سدهای خاکی پرداخت. سیدی و همکاران [4] بهوسیله نرمافزار SEEP-3D نشت آب در حالت سهبعدی از پی و بدنه سد اعلی دولت - استان فارس - را مورد تجزیهوتحلیل قراردادند. نتایج این محققین نشان داد استفاده از دیوار آببند مقدار نشت را کاهش میدهد.
مرندی و همکاران [5] سعی کردند تا برای احداث سد خاکی بر روی بستر آبرفتی دو روش 1 برداشت آبرفت، 2 اصلاح بستر آبرفتی با استفاده از دیوار آببند، به لحاظ مسئله تراوش در عمقهای متفاوت بستر آبرفتی مورد مقایسه و بررسی قرار گیرد. بررسیها نشان داد که در حالتی که از روش برداشت آبرفت برای اصلاح پی استفادهشده با افزایش عمق به دلیل افزایش ضخامت هسته رسی سد خاکی گرادیان هیدرولیکی کاهش مییابد .
این کاهش گرادیان هیدرولیکی تا سطح زمین شیب یکنواخت و کمی خواهد داشت اما با نزدیک شدن به سنگبستر شیب تغییرات افزایشیافته و مقدار گرادیان هیدرولیکی در راستای افقی به یکمیزانتقریباً ثابت میرسد . مقادیر گرادیان هیدرولیکی در حالت برداشتن آبرفت وضعیت پایدارتری را دارا میباشد.
گریفیتس و فنتون [6] با ترکیب تکنیکهای تولید میدان تصادفی - Random Field Generation - و اجزای محدود، به مدل کردن نشت سهبعدی ماندگار پرداختند.
تیو وهمکاران [7] تراوش در یک سیستم خاک اشباع/غیراشباع از یک سد خاکی در حالت ماندگاروشرایط تراوش ناپایدار را به کمک روش المان محدود دوبعدی و سهبعدی مدل کردند. چاپیوس و آبرتین به بررسی میزان تراوش از خاکریزهای همگن و منطقه بندی شده تحت شرایط اشباع و غیراشباع پرداختند.بوسیر وهمکاران [9] با استفاده از نرمافزار SEEP/W به بررسی میزان تأثیر استفاده از ژئوتکستایلها در کاهش میزان نشت از بدنه یک سد خاکی پرداختند. جای [10] با استفاده از روش تفاضلات محدود بهصورت انتقال مختصات برازش مرزی - Boundary-Fitted Coordinate - Transformation به بررسی نشت از زیر سدها به کمک معادله پواسون پرداخت. میشرا و سینگ [11] جریان دوبعدی داخل خاکریز همگن با زهکش افقی واقع در پنجه بر روی پی غیر قابلنفوذ را به کمک روش FRAGMENTS آنالیز کردند. یافنگ و همکاران [12] برای حل مشکلات نشت با سیستمهای زهکش سد، حلی عددی ارائه دادند که از روش المان محدود استفاده میکرد.
پاکباز و همکاران [13] با مدلSEEP-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 و20 درصد کاهش مییابد.
قاسمی و همکاران [14] نشت در سد خاکی را به کمک روش المان محدود، شبکه پرسپترون چندلایه و شبکه تابع پایه شعاعی بررسی و مقایسه نتایج با دادههای پیزومتری نشان از دقت بالای روش شبکه عصبی مصنوعی نسبت به المان محدود دارد.
نوری و همکاران [15] خط نشت وفشارآب منفذی در سد خاکی غیر همگن دهوک را به کمک نرمافزار المان محدود Mseep 2D و پایداری سد را به کمک نرمافزار STABIL2.3. آنالیز و نتایج آنها بیانگر دقت بالای هر دو مدل بود که بعد از صحتسنجی مدلها تأثیر نسبت Kx/Ky - - را روی میزان تراوش و پایداری سد بررسی کردند، نتایج آنها نشان داد که با افزایش - Kx/Ky - میزان تراوش افزایش و ضریب اطمینان پایداری سد کاهش مییابد. در این تحقیق به بررسی تأثیر ناحیه اشباع و غیراشباع بر موقعیت خط نشت آزاد پرداخته شده است.
-2 مواد و روش
در این تحقیق به مطالعه خط نشت آزاد در سد گیلان غرب پرداختهشده است که محل و موقعیت پروژه در 5 کیلومتری شرق شهر گیلان غرب و در 160 کیلومتری غرب کرمانشاه واقعشده است. سد گیلان غرب در شرق شهر گیلان غرب و بر روی رودخانه گیلان غرب واقعشده است و محل آن در حد واسط کلاشک بالائی و کلاشک پائینی میباشد. ارتفاع بستر رودخانه در محل سد 888 متر از سطح دریا میباشد . دشت گیلان غرب در 160 کیلومتری شهر کرمانشاه و در غرب این شهر قرارگرفته است.
شکل :1 نمای سد خاکی گیلان غرب
منحنی مشخصه رطوبتی خاک نسبت به زمان و مکان متغیر است و اطلاعات لازم در مورد ویژگیهای فیزیکی خاک از قبیل تخلخل، هدایت هیدرولیکی ارائه میکند. ازجمله عوامل مؤثر بر این منحنی میتوان به پدیده پسماند، بافت و ساختمان خاک، تخلخل، شکل خلل و فرج، تراکم خاک، درجه حرارت اشاره کرد. روابط تجربی زیادی برای بیان کمی این منحنی موجود است که در زیر دو مورد که بیشترین استفاده رادارند، آورده شده است. جهت بررسی حالتهای مختلف تحلیل عددی از دو مدل GeoStudio وGMS استفادهشده است در ادامه این بخش به تشریح دو روش مختلف آنالیز در محیط غیراشباع با مدلهای ون گنوختن و تابع فرونتال پرداخته میشود در شبیهسازیهای صورت گرفته جهت تحلیل در محیط اشباع و مدل غیراشباع ون گنوختن از نرمافزار GeoStudio و در تحلیل محیط غیراشباع با تابع فرونتال از مدل GMS استفادهشده است.
-2-1 رابطه ون گنوختن
از رایجترین مدلهای مشخصه منحنی رطوبتی که به طور گسترده نیز مورداستفاده قرار میگیرد مدل وان گنوختن - 1980 - بهصورت رابطه - 1 - است.
.این پارامترها تأثیر زیادی بر شکل منحنی مشخصه رطوبتی و هدایت هیدرولیکی دارند و اغلب موجب جابجایی منحنی رطوبتی در جهات عمودی - بالا و پایین - میشوند. درحالیکه s - رطوبت اشباع - و r - رطوبت باقیمانده - سبب جابجایی آن در جهت افقی - چپ و راست - می-شوند. با دقت در رابطه اگر در رابطه فوق n به سمت بینهایت میل کند و در همان حال m کمتر شود بطوریکه حاصلضرب m در n ثابت بماند، - h - n در مخرج کسر در مقایسه با عدد یک خیلی بیشتر خواهد بود و میتوان از عدد یک چشم پوشی کرد.
اعتقاد بر این است که رابطه ون گنوختن [16] در مکشهای ماتریک نزدیک نقطه اشباع چندان کارایی ندارد. وگل و سیسلرووا[16] 1 طوری رابطه وان گنوختن را اصلاح کردند که در مکشهای ماتریک نزدیک ناحیه اشباع دارای انعطاف بیشتری است. رابطه اصلاحشده آن بهصورت رابطههای - 2 - و - 3 - است:
رابطه بالا به مقدار مینیمم غیر صفر برای مکش ماتریک معادل رطوبت اشباع hs و نیز جایگزینی s با m منجر میشود. بطوریکه m قدری بزرگتر از s خواهد بود. تغییر s به m تأثیر چندانی بر منحنی مشخصه رطوبتی خاک ندارد اما تأثیر آن بر مقدار و شکل منحنی زیاد است. در مدل وان گنوختن اصلاحشده، m طوری تعیین میشود که مقدار hs برابر -2 گردد. این مدل برای خاکهای خیلی ریزدانه مانند خاکهای رسی توصیهشده است. همچنین مقادیر و n در رابطه ون گنوختن با استفاده از جدول - 1 - به دست میآیند.
جدول -1 ضرایب رابطه ون گنوختن
-2-2تابع فرونتال
تابع فرونتال برای شبیه سازی جریان در منطقه غیراشباع استفاده میشود که توسط kro و h0 در هر قسمت از منطقه تعریف میشود. همانگونه که در شکل - 2 - نشان دادهشده است در منطقه اشباع hp > 0 و kr = 1 و در منطقه غیراشباع درجایی که hp<h0 باشد، kr = kr0 و برای هر مقدار از hp که بین صفر و h0 باشد مقدار kr بین 1 تا kro خواهد بود.
نحوه محاسبه kr به ازای مقادیر مختلف hp بهصورت روابط - 5 - الی - 9 - است
