بخشی از مقاله
1. مقدمه
از میان سازههای آبی مختلف در یک طرح مدیریت منابع آب، سدها با توجه به ابعاد و حجم سرمایهای که برای احداث آنها صرف میشود، و همچنین نقش اساسی که در این فرآیند ایفا میکنند، از اهمیت به سزایی برخوردار هستند. با توجه به دامنه کاربرد سدهای خاکی در مقایسه با دیگر انواع سدها در کشور لرزهخیز ایران، تحلیل دینامیکی این گونه سدها ضروری است. بررسی دقیق پایداری لرزهای سدهای خاکی از مسائل پیچیده در حوزه سازههای خاکی است.
تنوع خواص دینامیکی بدنه سد و گوناگونی جنس و ضخامت شالوده که میتوانند در انتقال، تضعیف و تقویت امواج زلزله نقش اساسی داشته باشند، وجود یا عدم وجود گسل فعال در محدوده محور سد، ویژگیهای زلزله مانند فاصله مرکز زلزله تا سد، شدت و طول زمان وقوع زلزله، نوع و امتداد امواج رسیده به سد و محتوی فرکانسی امواج، همه از عواملی هستند که در پاسخ دینامیکی سد نقش به سزایی دارند. در میان سدهای مختلف نیز سدهای خاکی و سنگریز به واسطه مزیتهای نسبی که در مقایسه با سایر انواع سدها دارند، دارای جایگاه ویژهای بوده و بخش عمدهای از سدهای احداث شده در سطح جهان را - در حدود 83 درصد - به خود اختصاص دادهاند.
انتخاب مدل رفتاری مناسب مهمترین فاکتور در آنالیز با روشهای اجزاء محدود یا تفاضل محدود سدهای خاکی، برای مدل کردن رفتار تنش-کرنش خاکریز میباشد. به دلیل این که رفتار خاک الاستیک خطی نیست، استفاده از چنین مدلهایی میتواند به نتایج غیرایمن و غیراقتصادی منجر شود.
همچنین در حین ساخت سد و بعد از آن به ویژه در مرحله آبگیری، مسیرهای مختلفی از تنش همراه با دوران جهت تنشهای اصلی در خاکریز رخ میدهند که در نتیجه مدلهای الاستیک غیرخطی نیز قادر به درنظر گرفتن وابستگی رفتار به مسیر تنش که در اثر رفتار غیرارتجاعی خاک حادث میشود، نمیباشند. در همین راستا سعی میشود در این تحقیق پاسخ دینامیکی سد خاکی ونیار با استفاده از مدلهای الاستوپلاستیک و با دو روش مختلف تحلیل و مورد مقایسه قرار گیرد.
2. اهمیت تحلیل دینامیکی سدهای خاکی
پس از خرابی فاجعه آفرین سد San Fernando در زلزله - 1971 - بر اثر روانگرایی و تخریب کامل آن و همچنین سد Izu-Tailing Oshima در زلزله 1978 آسیبپذیری سدهای خاکی در مقابل زلزلههای متوسط بسیار مورد توجه قرار گرفت. گزارشهای Romo و همکاران - - 1980، Seed و همکاران - - 1980 و گزارش های Shen در همان سال آمار خرابیهای سدهای خاکی در ایالات متحده، ژاپن، مکزیک و چین از سال 1906 تا 1980 را جمعآوری و ارائه کردند که ملاحظه شد که حدود 300 سد در اثر زلزله آسیب دیده و حداقل 10 درصد آنها به کلی خراب شده اند.
به طور مثال سد Ono در نزدیکی توکیو که با ارتفاع 36,5 متر و از جنس خاک سرخ متراکم با هسته مرکزی رسی و پی سد شامل نهشته آبرفتی به ضخامت حداکثر 10,5 متر تحت اثر زلزلهای به شدت 10 در مقیاس Rossi-Forel قرار گرفت که تاج سد در حدود 30 سانتیمتر نشست کرد و ترکهایی به طول 3 تا 5 متر و عرض 5 الی 25 سانتیمتر که تا عمق 10 متری نفوذ کرده بود، به وجود آمد.
در بیشتر سدهای خاکی که تحت زلزلههای شدید قرار گرفتهاند، الگوی نمونه خرابی مشاهده شده، ترکهای طولی در تاج سد و در ناحیه فوقانی شیب میباشد که گاهی با نشست تاج و حرکت افقی بخشهایی از خاکریز توام بوده است. در زلزله - 1939 - Oga در ژاپن که 86 سد تحت تاثیر آن قرار گرفتند، 12 مورد از آنها تخریب شده و 74 مورد نیز به شدت آسیب دیدند و بیشتر خرابیها تحت اثر لغزش شیبها بودند. بسیاری از سدها،12 الی 32 ساعت بعد از زلزله دچار لغزش شدند و ترکهای اضافی دیگری هم در اثر نشست ایجاد شد. مطالعه این گزارشها و آمار ارائه شده ما را به اهمیت تحلیل دینامیکی سدهای خاکی و انتخاب روش مناسب برای ارزیابی و استفاده از نتایج بدست آمده توسط آن تحلیلها وا میدارد.
3. علل احتمالی آسیبپذیری سدهای خاکی
با توجه به مشاهدات و موارد ذکر شده میتوان علل محتمل آسیبپذیری سدهای خاکی را در برابر زلزله به شرح زیر پیشبینی نمود:
-1 شکست و فروریختن سد به علت وجود گسل اصلی در زیر بدنه سد.
-2 گسیختگی شیبهای شیروانی سد در اثر زلزله.
-3 از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر نشست و یا لغزش دامنهها.
-4 لغزش سد بر روی لایههای ضعیف در اثر بارگذاری زلزله.
-5 سرریز شدن آب از روی سد در اثر ایجاد امواج در آب مخزن و یا تاثیر زمینلغزه در مخزن سد.
-6 شکست سرریز یا لولههای خروجی آب.
-7 روانگرایی ماسههای اشباع با دانسیته کم و یا از بین رفتن مقاومت رسهای اشباع در اثر زلزله - در رسهای حساس - .
-8 ترکهای طولی که در نزدیکی تاج، در اثر کرنشهای کششی بزرگ ناشی از ارتعاش جانبی به وجود میآیند.
-9 ترکهای عرضی که در اثر کرنشهای کششی ناشی از ارتعاش طولی و یا پاسخ جانبی متفاوت و در نزدیکی تکیه گاههای جانبی با شیب تند و یا مرکز تاج ایجاد میشوند.
عوامل دیگری نیز ممکن است در طول زلزله و بعد از آن بروز نماید، مانند کاهش مقاومت مصالح که میتواند منجر به خرابی و گسیختگی سدهای خاکی شود. روشهای مختلفی تاکنون برای پیشبینی رفتار انواع مختلف سدهای خاکی توصیه شده است. در تحلیل، رفتار و ویژگیهای مواد و تغییرات آنها در هنگام زلزله باید مشخص گردد. مسیر توسعه و تکاملی فرضیات رفتاری که تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است عبارتند از:
- فرض جسم صلب
- فرض جسم کسشان همگن - ویسکوکشسان -
- فرض جسم کشسان ناهمگن
- فرض جسم غیرکشسان ناهمگن
4. معرفی نرمافزارهای تحلیل دینامیکی
امروزه با پیشرفت روزافزون و فراگیر شدن کامپیوتر، استفاده از روشهای عددی در تحلیل و طراحی سدهای خاکی در مقابل زلزله به مراتب از گذشته بیشتر شده است. به طور کلی در محاسبه یک سد خاکی، طراحی دست بالا مقرون به صرفه نبوده و طراحی دست پایین نیز باعث آسیب دیدگی در سد میگردد. چند نرمافزار اجزاء محدود که امروزه به طور گسترده در زمینه تحلیل سدهای خاکی مورد توجه قرار گرفته است به طور خلاصه معرفی میگردند:
.4-1 نرمافزار FLAC 3D
نام FLAC مخفف عبارت Fast Lagrangian Analysis of Continua میباشد. دکتر پیتر کاندال - 1986 - نرمافزار FLAC را برای تحلیل برخی مسائل بر روی یک کامپیوتر IMB طراحی کرد. این نرمافزار برای محاسبات سریع مدلهایی که المانهای بسیار دارند طراحی شده است. با افزایش سرعت محاسبات کامپیوتر و امکان نصب RAM بالا با قیمت ارزان، مسائل بزرگتر و مشکلتری با FLAC قابل حل خواهد بود. این برنامه در سالهای اخیر گسترش زیادی یافته است که توسط شرکت مشاوره Itasca انجام گرفته است.
FLAC یک برنامه تفاضل محدود برای محاسبات مهندسی میباشد. این برنامه رفتار ساختارهای خاک، سنگ یا مواد دیگر را که ممکن است هنگام نزدیک شدن به محدوده شکست، رفتارهای گوناگون از خود نشان دهند را مدلسازی میکند که مواد به صورت اجزاء یا مناطق نشان داده میشوند. این اجزاء شبکهای را که کاربر برای مدلسازی موضوع مورد نظر، طراحی کرده ست را تشکیل میدهند. اجزاء میتوانند بر طبق خواص داده شده، شکسته شوند یا جریان یابند و شبکه میتواند تغییرشکل دهد و یا جابجا شود.
.4-2 نرمافزار PLAXIS
Plaxis نرمافزاری المان محدود و پیشرفته برای تحلیل تغییرشکلها و پایداری میباشد و در پروژهای مهندسی ژئوتکنیک کاربرد دارد. معمولاً در مسائل مهم ژئوتکنیک، یک مدل رفتاری پیشرفته برای مدلسازی رفتار غیرخطی و وابسته به زمان خاکها، بسته به هدف مورد نظر لازم است. با این نرمافزار میتوان خاکبرداری و خاکریزی مرحلهای با شرایط بارگذاری و شرایط مرزی مختلف را با استفاده از المانهای مثلثی مدل سازی نمود.
اولین ویرایش این نرمافزار به منظور آنالیز سدهای خاکی احداث شده بر روی خاکهای نرم در قسمتهای کم ارتفاع و پست کشور هلند و به سفارش مدیریت منابع آب آن کشور در دانشگاه صنعتی Delft در سال 1987 تهیه و سپس در سال 1993 قابلیتهای آن گسترش داده شده که توسط موسسه Research and Codes Center for Civil Engineering نیز مورد تأئید و پشتیبانی قرار گرفته است. در این نرمافزار مدلهای رفتاری موهر-کلمب، مدل سخت شوندگی هذلولی، مدل نرمشوندگی یا مدل - - Cam-Clay و مدل نرمشوندگی خزشی، قابل به کارگیری است. همچنین با این نرمافزار میتوان فرایند ساخت و حفاری را توسط فعال کردن یا غیرفعال کردن المانها در مرحله محاسبات، مدل کرد. نمونهای از کاربرد این قابلیت، انجام آنالیز لایه به لایه در پایداری شیبها، سدها و تونلها میباشد.
.4-3 نرمافزار ANSYS
نرمافزار Ansys از دسته ابزارهای تحلیلی است که از روش اجزای محدود برای مدلسازی و تحلیل در آن استفاده میشود. روش اجزای محدود برای حل مسائل پیچیده با هندسه، نوع مصالح و بارگذاری دلخواه ابداع گردیده است. در این روش مدلهای پیچیده ابتدا به اجزاء کوچکتر قابل حل تقسیم شده و سپس با ترکیب نتایج بدست آمده از حل هر جزء با یکدیگر پاسخ کل مدل در هر نقطه بهدست میآید. برتری تحلیل مسائل متنوع از یک طرف و ارتقاء تجهیزات کامپیوتری از طرف دیگر باعث شده است که کاربرد روش اجزای محدود و در نتیجه نرمافزارهای بر پایه آن رواج یابد.
ابزارهای پیشبینی شده در Ansys امکان تحلیل انواع مختلف سازهها مانند قاب، مخزن، سد، پل و ... و اجزای سازهای مانند اتصالات فولادی، اعضای فولادی یا بتنی، ایزولاتورها را به روشهای مختلف فراهم ساخته است. از آن جمله میتوان به تحلیلهای استاتیکی، بارگذاری رفت و برگشتی، مودال، تاریخچه زمانی، طیفی و ... در سدهای خاکی اشاره کرد. برای شبیه سازی شرایط مختلف تکیهگاهی گزینههای متعددی بصورت شتاب، جابجایی، نیرو و یا لنگر با الگوهای مختلف در دسترس هستند که بطور ثابت یا متغیر با زمان قابل استفادهاند. همچنین مدلهای رفتاری مختلفی از مصالح شکلپذیر و ترد مانند مدلهای دو و چند خطی فولاد، مدل دراگر- پراگر و مدل شکست بتن در آن پیشبینی شده است که در حوزه رفتار غیرخطی به کار میروند.
علاوه بر موارد فوق که از جمله پرکاربردترین نرمافزارهای موجود در زمینه مدلسازی سدهای خاکی میباشند، میتوان به نرمافزارهایی مانند: ABAQUS، FLAT 2D، CADAM،GEO-STUDIO و GEO-SLOP که اساس کار بر پایه روشهای المان محدود میباشد، اشاره کرد.
5. تغییر شکل سدهای خاکی
فرم کلی تغییرشکلهای سدهای خاکی تحت بار زلزله را میتوان به صورت شکل 1 دستهبندی نمود. این شکلها نشان میدهد که همان طور که ذکر شد خطر اصلی که یک سد را تحت بار زلزله تهدید میکند از دست رفتن ارتفاع آزاد سد در اثر نشست یا لغزش دامنهها میباشد که این عمل از دست دادن ارتفاع آزاد و در نتیجه سرریز شدن آب از روی تاج سد مهمترین عامل شکست اکثر سدهای خاکی تخریب شده میباشد.
