بخشی از مقاله
خلاصه
آب یکی از مهمترین نعمت های خداوند است که در زندگی بشر نقش بسزایی دارد. یکی از منابع ذخیره سازی آب های سطحی سد ها می باشند که نقش مهمی در تامین آب مناطق شهری و مصارف کشاورزی ایفا می کنند. بررسی دقیق سدهای خاکی در برابر زلزله، از پیچیده ترین مسائل در حوزه سازه های خاکی می باشد. تنوع خواص دینامیکی بدنه سدهای خاکی و تفاوت های اساسی ویژگی های زلزله از قبیل بسامد، مدت اثر زلزله و بیشینه دامنه، عواملی هستند که در واکنش دینامیکی سد نقش مهمی ایفا می کنند.
در این تحقیق به بررسی برخی از شرایطی که ممکن است در هنگام اعمال بار دینامیکی رخ دهد با استفاده از نرم افزار ژئواستودیو پرداخته شده است. پارامتر های مورد نظر ، مدول برشی مصالح، شتاب زلزله و ارتفاع آب در بالادست سد می باشد. برای بررسی مطالعه موردی، از مشخصات سد کرخه استفاده شده است.
1. مقدمه
ریزش های جوی ناشی از گردش آب در طبیعت به سطح زمین باعث به وجود آمدن آب اقیانوس ها، دریاها، رودخانه ها، نهر هاو آبهای زیر زمینی شده است. بنا براین ریزش های جوی به دو قسمت آب های سطحی و آب های زیرزمینی تقسیم بندی می شود. یکی از منابع ذخیره سازی آب های سطحی سد ها می باشند که نقش مهمی در تامین آب مناطق شهری و مصارف کشاورزی ایفا می کنند.
کشور ایران به عنوان یکی از مناطق زلزلهخیز جهان همواره در طی سالیان گذشته در معرض زلزلههای ویران کنندهای قرار داشته است. شرای طبیعی و زمینشناسی ایران از دیدگاه وقوع زلزله به طور جدی در دستور کار مهندسین و برنامهریزان قرار گرفته است. با توجه به اینکه سدهای بسیاری در مناطق زلزلهخیز احداث شده و یا در دست ساخت قرار دارند، طراحی ایمن آنها در برابر زلزله از اهمیت و جایگاه ویژهای برخورداراست.
2. کلیات طراحی سدهای خاکی
صنعت سد سازی به عنوان یکی از قدیمی ترین و پیچیده ترین فعالیت های ساختمانی همواره مد نظر جوامع مختلف بوده و از نظر اقتصادی نیز یکی از منابع مهم اقتصادی هر کشور و منطقه محسوب می شده است. مهندسی سد را می توان مجموعه ای از علوم فنی و پایه مهمی دانست که در کنار یکدیگر طراحی و اجرای سد را ممکن می سازد و سازه سد را از نظر بارگذاری های وارده و مقاومت در برابر عوامل مخرب مورد بررسی قرار می دهند. طراحی و اجرای سدها به گونه ای است که اگر عواملی مثل رسوب گذاری مخزن و غیره وجود نداشته باشد، محدودیتی در عمری و محدوده زمانی بهره برداری از سد وجود نخواهد داشت
3. تحلیل دینامیکی سد های خاکی
گرچه سابقه بررسی تاثیر زلزله بر سدهای خاکی به چند دهه قبل بر می گردد ولی پیچیدگیهای رفتاری این گونه سازه های خاکی در شرای مختلف هندسی و فیزیکی و نیز تفاوت ویژگیهای زلزله ها موجب می شود که مطالعات دقیقتر با ابزار محاسباتی قویتر، نتایج جدید یا متفاوتی از وضعیت رفتاری بدنه سد را در مقابل زلزله نشان دهند.
با توجه به استعداد لرزه خیزی بالا در بیشتر مناطق کشور ایران، ضرورت مطالعه رفتار سدهای خاکی، تحت بارگذاری زلزله مهم به نظر می آید. بررسی دقیق پایداری سدهای خاکی ، مساله نشت، موضوع تخلیه ناگهانی و غیره از پیچیده ترین مسائل در حوزه سازه های خاکی می باشد. کاهش ارتفاع آزاد یکی از ساز و کارهای ناپایداری شیروانی سد در اثر زلزله به شمار می آید.
طی سالیان اخیر ، متخصصین همواره در پی دستیابی به روش های مناسب تر تحلیل و طراحی سدهای خاکی بوده اند. نتیجه این تلاش ها توسعه روش های متعددی از قبیل تحلیل های شبه استاتیکی، شبه دینامیکی و دینامیکی است که امکان پیش بینی رفتار سدهای خاکی تحت شرای گوناگون را فراهم می کند. شرای طبیعی و زمینشناسی ایران از دیدگاه وقوع زلزله به طور جدی در دستور کار مهندسین و برنامهریزان قرار گرفته است. با توجه به اینکه سدهای بسیاری در مناطق زلزلهخیز احداث شده و یا در دست ساخت قرار دارند، طراحی ایمن آنها در برابر زلزله از اهمیت و جایگاه ویژهای برخورداراست. در این تحقیق به بررسی برخی از شرایطی که ممکن است در هنگام اعمال بار دینامیک دهد می پردازیم، پارامتر های مورد نظر در این تحقیق، ضریب نفوذپذیری مصالح هسته، پارامترهای زلزله و هندسه سد می باشد. در انتها نیز خروجی های مورد نظر عبارتند از ضریب اطمینان پایداری شیروانی و مقدار تنش موثر و نشست
4. مختصری از مطالعات گذشته
تا حدود نیم قرن طراحی سد های خاکی و خاکریزه ها تنها بر اساس تجربه صورت می گرفت و با استفاده از مقاطع خاکریز هایی که عملکرد خوبی داشته اند به احداث خاکریز های جدید اقدام می شد ولی امروزه به طرح علمی سد های خاکی پرداخته می شود.
به طور کلی ، کندی پیشرفت تحلیل کمی اثر زلزله بر سد خاکی را تا سالهای 1970 باید در دو علت زیر توجیه نمود :
-1 عدم دسترسی به موارد واقعی و مشخص سدهای خاکی تخریب شده
-2 عدم شناخت دقیق مکانیسم تاثیر تخریبی جنبش زلزله بر جسم سد خاکی
لیو و همکاران - 2014 - با استفاده از میز لرزه رفتار دینامیکی سد های سنگی با رویه بتنی را بررسی کردند. پارامتر های مورد بررسی در این تحقیق عبارتند از: مسلح سازی با ژئوگرید، پایدارسازی شیب پایین دست با استفاده از بلوک های بتنی و جایگزینی منطقه بالای سد با لایه های بتنی. تاثیر هر پارامتر در نهایت با اندازه گیری نشست و نحوه شکست در هر مرحله مقایسه شد . 4 یوآن و همکاران - 2014 - نیز با استفاده از میز لرزه رفتار دینامیکی سدهای هسته رسی و رویه آسفالتی را بررسی کردند. آنها با شبیه سازی مطالعه موردی دو سد در کشور چین ، زلزله های با بزرگی و پارامتر های متفاومتی را بر آنها اعمال کردند . 5 یانگ و چی - 2014 - پایداری دینامیکی سدهای خاکی را با استفاده از روش اجزا محدود بررسی کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که این روش، روشی مناسب برای محاسبه شتاب بحرانی، سدهای خاکی است. در نهایت با مقایسه نتایج، با روش بیشاپ ساده شده، صحت نتایج را بررسی کردند
کهور زاده و دهقانی - 2014 - تغییر شکل های سد خاکی در هنگام زلزله را با روش اجزاء محدود و با استفاده از نرم افزار ansys مورد مطالعه قرار دادند. آنها حالات مختلف از قبیل لغزش، واژگونی، نشست و جابجایی های افقی و قائم را در این تحقیق مدلسازی کرده و حالات بهینه را معرفی کردند
اخلاقی و نیک کار - 2014 - رفتار شبه استاتیکی سد های خاکی را با استفاده از روش اجزا محدود و نرم افزار Plaxis بر روی سدهای سن فرناندو و کیاتاما مطالعه کردند. سپس نتایج حاصل شده را با نتایج تحلیل دینامیکی مقایسه کرده و صحت نتایج را بررسی کردند
5. مدل سازی مطالعه موردی
مدل مورد استفاده در این تحقیق سد کرخه می باشد که با استفاده از نرم افزار Geostudio مدلسازی و آنالیز شد. سد مخزنی کرخه در حدود 20 کیلومتری غرب شهر اندیمشک بر روی رودخانه کرخه و در 12 کیلومتری بالادست پای پل - پل نادری - واقع گردیده است. رودخانه کرخه در بالادست محور سد تقریباً 90 درجه تغییر جهت داده و باعث شده تا دریاچه سد در سمت راست با توجه به شرای توپوگرافی مخزن، فاصله دریاچه از محور سد کوتاه میباشد .همچنین به دلیل شیب کم رودخانه در اراضی محدوده مخزن سد، دریاچه ایجادشده بسیار گسترده و وسیع خواهد بود
در محل سد، امتداد رودخانه بهصورت شمالی - جنوبی بوده و عرض آن حدود 80 متر و عمق آن حدود 2 متر است. عرض بستر رودخانه در تراز 115 متر از سطح دریا، حدود 120 متر میباشد.
شکل -1 نقشه جانمایی سد و مخزن
6. تعریف مشخصات مصالح
سد مخزنی کرخه بر روی توده سنگ کنگلومرایی جوان بنا میشود. کنگلومرا دارای سیمان ضعیف تا متوس میباشد .چند متر از کنگلومرای بالای هر لایه گلسنگی دارای سیمان آهکی بوده و درنتیجه از مقاومت نسبتاً خوبی برخوردار است.
با توجه به دانهبندی کنگلومرا GP-GW و بررسیهای صحرایی، پارامترهای برشی زاویه اصطکاک 40-45 و چسبندگی 0/1 مگا پاسکال جهت طراحی برآورد و پیشنهاد گردیده است. ازنظر مقاومت فشاری توده سنگ کنگلومرا در رده سنگهای ضعیف قرار میگیرد و مقاومت فشاری نا محصور آن برابر 2/5 تا 15 مگا پاسکال و مدول تغییر شکل 120 تا 200 مگا پاسکال و سرعت موج الاستیک 0/5-2/5 کیلومتر بر ثانیه جهت طراحی توصیه میشود.
نفوذپذیری پی سد در مصالح کنگلومرا نسبتاً زیاد است اما به دلیل وجود رگههای گلسنگ که دارای نفوذپذیری بسیار کمی هستند در کل نفوذپذیری پی سد کم است. مصالح هسته از نوع رس است و در زیر هسته پرده آببندی با خصوصیات بتن پلاستیک بهمنظور کاهش گرادیان هیدرولیکی سد تزریقشده است. نفوذپذیری هسته و پرده آببند بسیار کم است. میزان اشباعیت حجمی آب درواقع نشاندهنده حجم آبی است که لایه موردنظر میتواند در خود نگه دارد که برحسب دانهبندی و خصوصیات خاک لایه که در جدول زیر آمده است تعیین میگردند
