بخشی از مقاله
خلاصه
زهکش به عنوان یکی از اجزاء تشکیل دهنده بدنه سدهای خاکی و سنگریزهای وظیفه جمع آوری و زهکش نمودن آب بدنه و پی سدهای خاکی، استهلاک فشار آب حفرهای به هنگام ساخت و پائین نگهداشتن سطح آزاد آب جریان تراوشی در دوره بهره برداری و در نتیجه عدم برخورد خط فریاتیک با شیب پائین دست را بر عهده دارد. در روند طراحی سدهای خاکی زهکش نقش مهمی در پایدارسازی شیبهای سدخاکی و فراهم نمودن امکان افزایش شیبهای طراحی بالادست و پائین دست سد ، کاهش حجم مصالح به کار رفته در بدنه و اقتصادی نمودن مقطع عرضی سد بازی مینماید، از طرفی به هنگام ساخت نیز تأثیر به سزایی بر روی سرعت عملیات اجرایی سد دارد.
زهکشهای به کار رفته دارای انواع مختلفی از جمله پنجه سنگی، افقی، دودکشی میباشند. در این تحقیق با اختیار نمودن سدخاکی کبودوال واقع در استان گلستان به عنوان مطالعه موردی به تحلیل تأثیر نوع زهکش بر روی استهلاک فشار آب حفرهای بدنه سدخاکی در حین ساخت به کمک نرم افزار المان محدود Plaxis و کاربرد مدل رفتاری موهر - کلمب پرداخته و با لحاظ ساخت مرحلهای سد وکاربرد نتایج ابزاردقیق و آنالیز برگشتی، پارامترهای واقعی مکانیکی مصالح بدنه استخراج گردیده است.
1. مقدمه
امروزه سدها نقش موثری در توسعه صنعت آب دارند رفتار پیچیده و تا حدی نامشخص سدهای خاکی در مراحل مختلف ساخت و آبگیری به دلیل امکان وارد آمدن خسارات شدید ناشی از آسیب دیدگی و تخریب آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است .در کشور ما سدهای زیادی ساخته شده که عمده آن ها سدهای خاکی و پاره سنگی هستند .از آنجایی که مشاهده و ثبت رفتار سدهای خاکی طی مراحل ساخت و در دوران بهره برداری اهمیت زیادی دارد، از این رو به منظور دستیابی به این هدف ، ابزارهای لازم در پی، تکیه گاه های جانبی، بدنه سد و سازه های جانبی نصب و داده های حاصله به صورت مستمر مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد .رفتارنگاری مداوم، تشخیص به موقع هرگونه نقص و پدیده ای را که منجر به گسیختگی شود را امکان پذیر میسازد .با این حال پیشبینی دقیق رفتار خاک به علت غیر همسان و غیر همگن بودن آن مشکل میباشد .
با توجه به این که قسمت عمدهی مشکلات و عوارض احتمالی سد در دوران ساخت و اولین آبگیری رخ میدهد رفتارنگاری سدخاکی در این دوران از اهمیت زیادی برخوردار است. بطور کلی رفتار نگاری به سه دلیل اصلی انجام می شود که شامل کنترل ایمنی سد، مقایسه عملکرد واقعی با پیشبینیهای طراحی ونهایتاً تجربه ای برای طراحی های آینده میباشد . تحقیق حاضر به بررسی رفتار واقعی تغییرات فشار آب حفره ای وفشار کل به عنوان بخشی از کل رفتار سد، در بدنه و پی سدکبودوال در دوران ساخت و تا پایان مرداد سال 1390 پرداخته، و با استفاده از اطلاعات ابزار دقیق نصب شده در سد به تحلیل برگشتی بوسیله نرم افزارplaxis پرداخته شده است تا پارامترهای واقع بینانه تری برای رفتار مصالح سد به دست آید که برای تحلیل اتفاقات محتمل در آینده برای سد کبودوال می توان از آن ها استفاده کرد.
2. بیشینه تحقیق
میرقاسمی و فریور - 1389 - به تحلیل عددی رفتار سد خاکی تبارک با کمک نرمافزار Plaxis به روش المان محدود پرداختند و جهت صحت سنجی نتایج عددی از نتایج ابزار دقیق تعبیه شده در پی و بدنه سد خاکی استفاده کرده و با انجام آنالیز برگشتی پارامترهای واقعی مصالح به کار رفته را به دست آوردند. نتایج حاصل از تحلیل حاکی است که در تمامی پیزومترهای الکتریکی موجود در هسته، مقادیر فشار آب حفرهای ثبت شده در طول زمان ساخت تحت تاثیر مستقیم و منطقی روند خاکریزی بدنه سد واقع است . پیزومترهای نصب شده در فیلتر ، روند متفاوتی ازتغییرات فشار آب حفرهای نسبت به بقیه پیزومترها را نشان داد که به علت بالا بودن نفوذپذیری مصالح آن ، فشار آب حفرهای ایجاد نگردید و فشار آب ثبت شده توسط ابزار ، ناشی از تراز آب زیرزمینی و تراز آب مخزن بود. نشستهای ایجاد شده در پوسته بالادست به دلیل آبگیری مخزن در اواخر خاکریزی بدنه سد ، مقادیر زیادی تا بیش از 2.5 برابر پیش بینی های طراحی را نشان داد .
بارانی و مهدینژاد - 1390 - به تحلیل عددی رفتار سد خاکی مسجد سلیمان به کمک نرم افزار Plaxis و روش المان محدود پرداختند و برای صحت سنجی نتایج تحلیل عددی از نتایج ابزار دقیق به کار رفته در پی و بدنه استفاده کرده و با استخراج پارامترهای واقعی مصالح به کار رفته به کمک آنالیز برگشتی به این نتیجه رسیدند که با پیشرفت خاکریزی ، فشارهای آب حفرهای درکلیه پیزومترهای واقع در ترازهای مختلف هسته ، روند افزایشی از خود نشان میدهند که با توجه به روند خاکریزی و افزایش سربار ناشی از افزایش ارتفاع بدنه سد منطقی بود. مقادیر حداکثر فشارهای حفرهای ایجاد شده در زمان پایان ساخت و اولین آبگیری در مدل حداکثر %7 الی %26 بیشتر از مقادیر ثبت شده توسط ابزارها بود که علت آن را به برخی از فرضیات نظیر اشباع کامل فرض نمودن مصالح از ابتدا و یا تفاوت شرایط زهکشی در مدل و واقعیت نسبت دادند .
.3 مواد و روشها معرفی سد کبودوال
سدخاکی کبودوال از نوع هموژن اصلاح شده دارای فیلتر و زهکش مایل در منطقه علی آباد و در 40کیلومتری شرق گرگان در سال 90 به اتمام رسیده است. طول تاج سد 1372 متر و حداکثر ارتفاع از پی33/25 متراست. ارتفاع از بستر 30/5متر و هم چنین تراز بستر سد 162 متر از سطح دریا و حداقل تراز آب در مخزن 171 متر از سطح دریا است .تراز تاج سرریز189/6متر از سطح دریا است.
شکل -1 موقعیت پروژه و عکس ماهواره ای از سد کبودوال
4. سیستم اندازهگیری فشار پیزومتریک سد مخزنی کبودوال
پیزومترهای لوله قائم به تعداد 84 مجموعه جهت اندازه گیری سطح آب زیر زمینی تعبیه شده و توسط عمق یاب متشکل از نوار مدرج با طولی متناسب با بلندترین پیزومتر و حداقل 133 متری -قرقره - پروب - صفحه نمایش و باطری می باشد. پیزومتر های الکتریکی - تار مرتعش - به تعداد 95مجموعه ، قادر به اندازه گیری فشار منفذی با دقت بسیار بالا بوده که شامل یک ترانسدیوسر، فیلتر سرامیکی، کابل ، تابلو قرائت و دستگاه قرائت دستی می باشد.
سیستم اندازه گیری فشار کل خاک به تعداد 11 مجموعه جهت اندازهگیری فشارکل خاک استفاده میشود که از دو قسمت تشکیل شده محفظه حاوی مایع غیر قابل تراکم و ترانسدیوسر تبدیل فشار به فرکانس - مشابه پیزومتر الکتریکی - اجزاء دیگر تشکیل دهندهی آن شامل کابل ، تابلو قرائت، دستگاه قرائت دستی میباشد. هدف از نصب پیزومترهای الکتریکی در بدنه - EP - در بالادست و پایین دست محور سد، اندازه گیری فشار منفذی ایجادشده و نیز ارزیابی افت پتانسیل آب از بالادست به پایین دست در زمان ساخت و بهره برداری است. به علت اهمیت ارزیابی وبرآورد فشارآب حفره ای در طی دوران ساخت و بهره برداری، تعداد قابل توجهی پیزومتر الکتریکی در نواحی مختلف بدنه نصب گردیده که نتایج قرائت آن ها در ادامه اشاره می گردد.
جانمائی سیستم پیزومتریک - پیزومترهای الکتریکی - و فشارسنجی خاک مقطع 19-19 در شکل زیر ارائه شده است .در این مقطع از بدنه سد مجموعا 11 پیزومتر الکتریکی به ترتیب 3 پیزومتر در داخل بدنه سد ، یک پیزومتر در حدفاصل پی و بدنه سد و7 پیزومتر در داخل پی سد مدنظر قرار گرفته است. از سه پیزومتر منصوبه در بدنه سد، پیزومتر پائین دست اشباع نگردیده است .
شکل -2 وضعیت ابزاربندی مقطع 19-19 بدنه سد
5. مدلسازی و معرفی نرم افزار
نرم افزار Plaxis برای تحلیل تغییرشکل و پایداری در پروژه های مهندسی که با رفتار خاک ارتباطی تنگاتنگ دارند از قبیل مهندسی ژئوتکنیک،کاربرد دارد .با این نرم افزار می توان خاکبرداری و خاکریزی مرحله ای، شرایط بارگذاری و شرایط مرزی مختلف را با استفاده از المان های مثلثی 6 گرهی و15 گرهی مدل سازی نمود.
نرم افزار افزار Plaxisیک برنامه اجزای محدود است که ازروش غیرصریح برای مدل سازی عددی استفاده می کند .برنامه های اجزای محدود نرم افزاراغلب ماتریس اجزا را ترکیب کرده و یک ماتریس سختی کل می سازند .به عبارتی حوزه ی تعریف تابع ازتعداد متناهی المان با تعدادثابتی گره تشکیل شده است . تغییرمکان های گرهی هرالمان بااستفاده ازتابع شکل که جابجایی های گرهی رابه هم مرتبط میکند تخمین زده میشود . معادلات دیفرانسیل بامشتقات نسبی اولیه بامجموعه معادلات جبری جایگزین می شوندوبه این ترتیب ماتریس سختی کل شکل میگیرد. باحل دستگاه معادلات جابه جایی نقاط تعیین می شود وبه کمک آن ها میتوان تنش ها وکرنش های هرالمان رابه دست آورد. از مدل های رفتاری مختلفی در نرم افزار قابل کاربرد میباشند از جمله:
مدل موهر - کولمب - پلاستیک کامل - ، مدل سنگ درزه دار - غیر ایزوتوپی - ، مدل خاک سخت شونده - سخت شوندگی ایزوتروپیک - ، مدل خاک نرم شونده خزشی - رفتار تابع زمان - ، مدل خاک نرم شونده.
دراین مقاله برای مدل سازی ازمدل موهرکلمب استفاده شده است این مدل شامل پنج پارامتر ورودی است .پارامتر های مدول یانگ وضریب پواسون برای الاستیسیته خاک وچسبندگی و زاویه اصکاک داخلی خاک برای پلاستیسیته خاک و زاویه اتساع است
