بخشی از مقاله
خلاصه
آگاهی در مورد نشت و میزان آن، شبکه جریان در مقطع سد، بهویژه خط فریاتیکخصوصاً در پاییندست مقطع سد از اهمیت بسزایی برخوردار است که با دانستن آن میتوان تدابیری جهت کنترل آن اخذ و از بروز پدیدههایی مانند جوشش، فرسایش داخلی و ... در سد جلوگیری کرد.
در این پایاننامه سدهای خاکی همگن متنوعی در نرمافزار کامسول مولتی فیزیکس مدلسازی و تاثیر عواملی نظیر ارتفاع آب بالادست، شیب بدنه و ضریب هدایت هیدرولیکی بر روی ارتفاع خط فریاتیک در پایین دست، مورد بررسی قرار گرفت . پس از بررسی نتایج، ضرایب a و b و رابطه توانی y=axb برای سد خاگی همگن با شیب بدنه و ارتفاع آب بالادست متغیر، جهت به دست آوردن ارتفاع خط فریاتیک در پایین دست ارائه گردید که ضرایب و رابطه مذکور می تواند با دقت بالایی جایگزین نرم افزار و یا استفاده از روش های پیچیده بدست آوردن ارتفاع خط فریاتیک در پایین دست مقطع سد خاکی همگن گردد.
-1 مقدمه
مسئله نشت آب یک موضوع مهم و ضروری در سدهای خاکی است؛ که در صورت تجاوز از حد مجاز آن امکان خرابی و شکست سد وجود دارد. ضرورت انجام این آزمایش ازآنجا مشخص میشود که بدانیم در کشور ما 504 سد خاکی در حال بهرهبرداری و نیز 112 سد خاکی در حال و همچنین 429 سد خاکی در حال انجام مطالعه میباشد . همچنین در رودخانههایی که دبی کمی دارند و مناطقی که محدودیت منابع آب در آنها وجود دارد، کنترل نشت از سدهای خاکی یکی از عوامل مهم بهمنظور کاهش تلفات و پایداری سدها محسوب میشود.
از طرفی هم در بررسی و ترسیم شبکه جریان در سدهای خاکی، تعیین موقعیت اولین خط جریان که به خط فریاتیک شهرت دارد؛ نقش اساسی را ایفا میکند. سطح ایستابی یا فریاتیک یا خط نشت آزاد جریان در محیطهای نامحصور پدید میآید که بیانگر مرز فشارهای نسبی مثبت و منفی است. در اصل این سطح بالاترین خط جریان در محیط متخلخل بوده که یافتن مکان آن اولین گام برای ترسیم شبکه جریان، تحلیل مقدار نشت و همچنین برآورد میزان گرادیان هیدرولیکی محسوب میشود.
**این مقاله مستخرج از مطالعات پایان نامه کارشناسی ارشد عمران- خاک و پی علیرضا روشنایی است که با عنوان " تحلیل رفتار خط فریاتیک در سدهای خاکی همگن با استفاده از نرم افزار "Comsol Multiphysics در دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمین به راهنمایی جناب دکتر محمدرضا مطهری در حال تدوین است.
خط فریاتیک یک باید به گونه ایی طراحی و جانمایی شود که میزان نشت و گرادیان هیدرولیکی به حداقل خود برسد لذا با آگاهی از محل خط فریاتیکخصوصاً در پاییندست مقطع سد میتوان با اتخاذ تدابیری از قبیل تعبیه زهکش و فیلتر، هسته و یا دیوار آببند باعث گردید تا از خرابیهایی مانند آب شستگی ، جوشش، فرسایش داخلی1 و ناپایداری در سدهای خاکی جلوگیری به عمل آید. ازاینرو پیدا کردن محل برخورد خط فریاتیک با ضلع پاییندست از اهمیت بسزایی برخوردار میباشد که در این پایاننامه به آن پرداختهشده است
-2 پیشینه پژوهش
در پژوهشی ظهره وند و همکاران به تحلیل رفتار خط جریان فریاتیک در بدنه سد خاکی توسط مدل فیزیکی پرداختند که در این تحقیق، 6 مدل فیزیکی از سد خاکی با هسته متفاوت و یک مدل بدون هسته و همگن در آزمایشگاه ساختهشده و در هرکدام، خط جریان فریاتیک با در نظر گرفتن متغیرهای ذکرشده موردبررسی قرار گرفت
در پژوهشی دیگر رحیمی و همکاران ، تأثیر تغییرات شیب هسته سدهای خاکی بر موقعیت خط نشت آزاد را موردبررسی قراردادند و ازآنجاکه خط نشت آزاد مرز تفکیک ناحیه اشباع از غیراشباع میباشد شناخت بهتر محل آن در پایداری سدهای خاکی دارای اهمیت است. در این تحقیق به بررسی اثر شیبهای صفر 10و20و30و40 پایین هسته نامتقارن سد خاکی بر موقعیت خط نشت آزاد، میزان نیروی بالابرنده و سرعت جریان با استفاده از مدل عددی Plaxis پرداختهشده است. که نتایج حاکی از کاهش موقعیت خط نشت آزاد با افزایش زاویه میباشد، و همچنین افزایش نیروی وارده به هسته سد به ازای کاهش زاویه میباشد .
در مقالهای دیگر ضیایی موید و همکاران به بررسی خط فریاتیک در سدهای خاکی همگن با سیستمهای زهکشی مختلف پرداختهاند و با توجه به اینکه سطح فریاتیک در درون سد را میتوان با تخلیه بهدرستی طراحی و کنترل کرد، در این مقاله به بررسی و ارزیابی عددی از محل خط فریاتیک در سد خاکی با سیستمهای زهکشی مختلف در هر دو حالت ماندگار و شرایط افت سریع مخزن آب پرداختهشده است
در پژوهشی ژنگ و همکاران به بررسی خط فریاتیک در شرایط افت سریع مخزن پرداختهاند و بر این اساس فرمولی ارائه نمودند که یک تابع چندجملهای از پارامتر λ میباشد که λ بهنوبه خود به فاکتورهایی نظیر هدایت هیدرولیکی، ارتفاع افت مخزن و ... بستگی دارد. پس از بررسیهای مختلف آنها دریافتند که مقادیر بزرگ λ باعث ناپایداری بیشتر شیب میگردد و در پایان با آزمودن عملکرد فرمول، مشخص شد که فرمول با خطای 5٪ میتواند خط فریاتیک را در شرایط افت سریع مخزن تعیین کند. سدرگرن برای تعیین خط فریاتیک و ترسیم شبکه جریان در سدهای خاکی همگن، روشی ارائه نمود که بر اساس آن ابتدا محدوده منطقی خط فریاتیک را تعیین مینماید و سپس با یک روش ترسیمی خط فریاتیک را به دست میآورد و پسازآن شبکه جریان را در مقطع سد خاکی همگن، ترسیم میگردد
دوگال به بررسی خط فریاتیک در سدهای خاکی با هسته نفوذناپذیر پرداخته و شرایط و مکان خط فریاتیک را در حالتی که مخزن پر میشود را بررسی نموده است و به این نتیجه دستیافت که مکان خط فریاتیک به هندسه مقطع بستگی دارد و مستقل از نفوذپذیری و نوع خاک میباشد .[5] کوتزنر به بررسی خط فریاتیک در سدهای خاکی همگن پرداخته است و بیان نموده زمانی که ضریب هدایت هیدرولیکی افقی بیشتر از ضریب هدایت هیدرولیکی عمودی باشد مکان خط فریاتیک در مقطع سد خاکی بالاتر از زمانی است که ضریب هدایت هیدرولیکی افقی و عمودی باهم برابر باشند
شکل :1 خط فریاتیک در مقطع سد خاکی همگن با ضریبهای هدایت هیدرولیکی افقی و عمودی برابر و نابرابر
-3 خط نشت
بنا به تعریف مسیر حرکت ذرات آب از یک نقطهبهنقطه دیگر خط نشت “Seepage×l i ne” نامیده میشود و خط جریان یک خط نشت فرضی است که مسیر آب را در یک محیط متخلخل یکنواخت و ایزوتروپ نشان میدهد. با توجه به اینکه کشور ازلحاظ ساخت سدهای خاکی پس از ترکیه و چین در ردهی سوم جهان است شبیهسازی جریان نشت از بدنه و پی سدهای خاکی میتواند اهمیت به سزایی بهویژه در مراحل طراحی سدهای خاکی داشته باشد. همچنین دانستن محل دقیق سطح آزاد نشت منجر به یافتن محلهایی که باید در هنگام ساختن سد خاکی به آن توجه ویژه داشت میگردد
-4 تئوری نشت و جریان آب در خاک
بر طبق قوانین عمومی هیدرودینامیک وقتی یک قطره آب به داخل خاک منتقل میشود راحتترین مسیر که حداقل اصطکاک را ایجادمی کند برای طی کردن انتخاب مینماید. این قطره آب در جهت گرادیان با شیب ماکزیمم شروع به حرکت کرده و مسیر حرکت عمود بر جهت خطوط تراز میباشد. در این حالت خطوط تراز خطوط همپتانسیل میباشند یعنی هر خط مکان هندسی نقاطی است که انرژی پتانسیلی آنها یکسان است
مقدار آب نشتی از بدنه و پی سد و همچنین توزیع فشار آب را میتوان با استفاده از تئوری جریان در محیطهای متخلخل تخمین زد. این تئوری ابزاری قدرتمند برای مهندسان طراح میباشد. تخمین مقدار آب نشتی از سد برای محاسبه آب ازدسترفته از مخزن سد مفید است. برآورد توزیع فشار آب منفذی نیز باید برای مطالعه پایداری سد در مقابل شکستهای برشی و همچنین محاسبه گرادیان هیدرولیکی در نقاط نشتی برای مطالعه پدیده جوشش و فرسایش داخلی1 انجام گیرد.
میزان اطمینان و دقت نتایج محاسبهشده بستگی به میزان شباهت شرایط نشت در سد با اصول فرض شده در تئوری دارد.
-5 نحوه مدلسازی
یک سد خاکی همگن بر روی پی نفوذناپذیر با ارتفاع 110 متر, عرض تاج 10 متر, ارتفاع آب بالادست , ارتفاع آب پاییندست H2=2m و شیب بدنه یکسان در بالادست و پاییندست و ضریب هدایت هیدرولیکی K را مانند شکل 2 در نظر بگیرید که در آن , متغیرهای مسئله میباشند که با تغییر هرکدام از آنها و ثابت در نظر گرفتن دو پارامتر دیگر تغییرات ارتفاع خط فریاتیک H3 و حداکثر سرعت دارسی در پاییندست موردبررسی و تحلیل انجام خواهد گرفت.
شکل .2 مقطع سد مدلسازی شده
مقادیر - H1ارتفاع آب بالادست - در این مدلسازی بین ارتفاعات 20 ,50 , 80 ,100 و 10 متر بهصورت متغیر در نظر گرفتهشده است و ازآنجاییکه شیب بدنه سدهای خاکی همگن بین 1:1/5 الی 1 :3/5 میباشد لذا در این مدلسازی برای شیب 35 , 1:1/5 درجه برای شیب 25 , 1:2 درجه برای شیب 18 , 1:3 درجه برای شیب 15 , 1 :3/5درجه در نظر گرفته شده است
