مقاله تحلیل سطح فریاتیک در سدهای خاکی با هسته داخلی و مقایسه در شیبهای متفاوت بدنه سد

بخشی از مقاله

تحلیل سطح فریاتیک1 در سدهای خاکی با هسته داخلی و مقایسه در شیبهای متفاوت بدنه سد

چکیده

نشت یکی از مهمترین مسائل در طراحی و ساخت و ساز سدها و سازههای هیدرولیکی است. در تحقیق حاضر، تغیرات منحنی فریاتیک در بدنه و همچنین اثر تغییر شیب بدنه، محل منحنی فریاتیک، محل تقاطع آن با شیب پایین دست و گذر از پوسته پایین دست، پس از مدلسازی سد 15 خرداد با کمک ابزار دقیق که در دوران بهره برداری ثبت شده است، مورد بررسی قرار گرفت. همچنین اثر تغییرات سطح آب مخزن بر منحنی فریاتیک مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. ابتدا بدنه سد و مخزن به منظور تحلیل در دوران بهره برداری شبیه سازی شد. سپس بر اساس نتایج قرائتهای ابزار دقیق و همچنین آنالیز تحلیلی نشت در سدهای خاکی با هسته داخلی توسط رزک2 وهمکاران، مدل مورد صحت سنجی قرار گرفته شد. با تغییر سطح آب مخزن در بالا دست، خط فریاتیک و مناطق اشباع دچار تغییر شدند. همانطور که خروجی ها نشان دادند، با افزایش سطح آب در بالادست مناطق بیشتری از بدنه اشباع شد و احتمال وقوع خط نشت وجود دارد. به منظور بررسی بیشتر خط فریاتیک شیبهای بالادست و پایین دست به میزان +5 و+10 افزایش و همچنین به میزان -5 و-10 درجه کاهش داده شد. مشخص گردید که خط فریاتیک تغییر محسوسی نکرده است. در انتها به تحلیل خروجی های نرم افزار FLAC پرداخته شد. مشخص گردید سطح فریاتیک رسم شده توسط نرم افزار FLAC با حل تحلیلی رزک و نتایج ابزار دقیق تطابق خوبی دارد.

واژگان کلیدی: سدهای خاکی، خط فریاتیک، سد 15 خرداد، ابزار دقیق، نرم افزار FLAC

-1 مقدمه

مشکلات نشت را میتوان به دو دسته مشکلات محدود شده و محصور نشده دستهبندی کرد.یکی از اولین مشکلات اشاره به مرزهای شناخته شده و دسته دیگر، مواجه شدن با مرزهای ناشناخته اشاره دارد. در بررسی جریان و ترسیم شبکه جریان (مانند جریان در سدهای خاکی)، نکته اساسی معین بودن موقعیت اولین خط جریان میباشد که در اصطلاح به خط اشباع یا خط فریاتیک (زه آزاد) مشهور است (رحیمی، .(1382 نحوه حرکت آب در پی و بدنه و میزان نفوذ آن در پوسته پایین دست گویای نحوه افت فشار آب در عبور از سد خاکی میباشد. از آنجا که مشاهده و ثبت رفتار سدهای خاکی طی مرحله ساخت و در دوران بهرهبرداری اهمیت زیادی دارد، به منظور دستیابی به این هدف، وسایل و ابزار مناسبی در پی، تکیهگاههای جانبی، بدنه سد و سازههای جانبی نصب و داده های حاصله به صورت مستمر مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد. سطح فریاتیک در سدهای خاکی باید درون یا زیر پنجه پایین دست سد نگهداری شود. سطح فریاتیک درون یک سد میتواند توسط طراحی درست زهکش کنترل شود. یکی از نکات مهم در مراحل مطالعه و در طول ساخت و ساز در سدهای خاکی جنبش مداوم آب از وجه بالادست سد به سمت وجه پایین دست آن است. موقعیت سطح ایجاد شده که به سطح فریاتیک مشهور است، در پایداری سد خاکی تاثیر گذار است. تامین ایمنی سدها یکی از مهمترین چالش های مهندسین میباشد. برای جلوگیری از خرابی سدها پیش بینی مخاطرات نقش بسزایی دارد. بیشترین تعداد خرابی، به ترتیب مربوط به سدهای خاکی، وزنی، سنگریزه ای، چند قوسی و قوسی بوده است (نجم، .(1379

در کشور ما سدهای زیادی ساخته شده که عمدهی آنها سدهای خاکی و پاره سنگی میباشد، که نقش موثری در توسعه صنعت آب دارند (وزارت نیرو، .(1383 از طرفی آمار سدهای دنیا و سدهای داخلی نشان میدهد که بیش از 50 درصد (در بعضی کشورها تا 90 درصد) سدها از نوع خاکی و سنگ ریزه ای است (صدر نژاد، .(1383 تا قبل از سالهای 1965، حدود 25 درصد خرابی سدهای خاکی در اثر زه غیر مجاز و شسته شدن خاک که از این میزان سدها حدود34درصد آنها در پنج سال اول پس از ساخت و شروع کار سد و آبگیری آنها اتفاق افتاده است (وفائیان، .(1384 بررسیهای اخیر جامع توسط فاستر1 و همکاران و فل2 و همکاران نشان میدهد که فرسایش داخلی و پایپینگ از عوامل اصلی شکست و حوادث موثر بر سدهای خاکی هستند و نسبت شکست خود را با پایپینگ از 43 درصد قبل از سال 1950 به 54 درصد پس از سال 1950 افزایش میدهد Foster)، .(2000

ضیائی موئید و همکاران به بررسی و تحلیل خط فریاتیک در سدهای خاکی همگن با سیستم های زهکشی متفاوت را مورد بررسی قراردادند و نتیجه گرفتند که در حالت پایدار، نصب و راه اندازی زهکش پنجه فقط در تلاش برای جلوگیری از نرم شدن و فرسایش پنجه پایین دست و کاهش

راندمان آن به هنگام افزایش سطح ایستابی آب مخزن است و استفاده از زهکش دودکش قابلیت خوبی در به عقب بردن خط فریاتیک و کاهش فشار منفذی دارد Ziaie Moayed)، .(2012

عبادی و همکاران، بررسی اثر نفوذپذیری نسبی مصالح بدنه سد خاکی در شکل و محل منحنی فریاتیک، محل تقاطع آن با پوسته پایین دست و گذر آن از پوسته بدنه را به روش تحلیل عددی مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند که با ثابت ماندن نفوذ پذیری های بدنه و کاهش نفوذپذیری هسته، منحنی فریاتیک در هسته به سمت عقب(پایین دست هسته) انتقال یافته و تاثیر بسزایی در انحراف خط جریان و هدایت آن به سمت پایین دست داشته است. با افزایش نفوذ پذیری هسته، منحنی فریاتیک در هسته سد به سمت جلو (بالا دست هسته) جابجا شده و فیلتر پایین دست را در ترازهای بالاتر قطع میکند. همچنین ثابت ماندن نفوذپذیریهای بدنه و افزایش نفوذپذیری لایه فیلتر تاثیری بر روی شکل و موقعیت منحنی فریاتیک ندارد (گلداران، .(1386

رزک و همکاران، بر اساس کار آزمایشگاهی که قبلا برای سد خاکی با هسته داخلی ارائه داده است، به منظور توسعه و پیشرفت، یک راه حل تحلیلی برای مساله نشت پیشنهاد داد و آن را با کار ارائه شده توسط رزنو1 مقایسه و صحت سنجی نمود و نتیجه گرفتند که با افزایش نسبت نفوذپذیری هسته به بدنه نسبت دبی عبوری نشت افزایش و هرچه عرض هسته بیشتر باشد دبی عبوری نشت کاهش یافته است. همچنین با افزایش نسبت نفوذپذیری هسته به بدنه، میزان افت خط نشت در هسته کاهش و با افزایش عرض هسته، این میزان افزایش می یابد Rezk)، .(2011

شریفی و همکاران به نشست سد خاکی 15 خرداد در دوره بهره برداری با استفاده از دادههای ابزار دقیق و نقاط نشانه پرداختند و نتیجه گرفتند که تغییر مکانهای قائم سد در حد مجاز بوده و از این نظر مشکلی وجود ندارد اما با توجه به این که سد جابجایی افقی نیز دارد ضرورت دارد برای انحراف سنجها رفع نقص صورت گرفته و دادههای آنها قرائت و مورد تجزیه و تحلیل قرارگیرد (محمدشریفی، .(1390

عبادی و همکاران، بررسی روند تغییرات فشار آب منفذی در بدنه و پی سدخاکی را به روش تحلیل عددی با دادههای اندازهگیری ابزار دقیق را مورد بررسی قراردادند و نتیجه گرفتند که تفاوتهایی در شکل و گستردگی نمودارهای مشاهداتی و محاسباتی وجود دارد. که دلیل آن میتواند در نحوه مدل کامپیوتری که نفوذ پذیریها فیکس و لایهبندی شده نیستند و با نفوذ مواد ریزدانهتر در مرز تماس لایهها نفوذپذیری به تدریج تغییر میکند (عبادی، .(1384

نشست، تنش، فشارآبمنفذی و پایداری دینامیکی سد 15 خرداد در برابر زلزله در مطالعات دیگر در نظر گرفته و بررسی شد (فرحبخش، .(1393

با توجه به مطالب بالا تصمیم گرفته شد سد 15 خرداد که در استان مرکزی واقع است مورد تحلیل قرار گیرد. این تحلیل رفتار از طریق شبیهسازی عددی با استفاده از روش تفاضل محدود و صحت سنجی آن با استفاده از ابزار دقیق (آنالیز برگشتی) (رضوانیفر، (1389 و حل تحلیلی رزک انجام گرفت تا از رفتار سد (خط نشت) در شرایط متفاوت تراز آب مخزن اطلاعات کافی بدست آید.

در تحقیقات انجام شده میزان تنش، نشست و فشار آب منفذی روی سد 15 خرداد بررسی شده و با نتایج ابزار دقیق مقایسه شده است اما تا کنون در خصوص مقایسه با روش تحلیلی رزک و اثر تغییر ترازهای آب بر خط فریاتیک سد بررسی نشده است.

-2 مواد و روش ها

-1-2 معرفی سد مورد مطالعه:

سد خاکی 15 خرداد به منظور تامین نیاز آب کشاورزی اراضی حاشیه رودخانه قمرود از محل عباس آباد تا سمت قم و قسمتی از این دشت جمعا به وسعت 8000 هکتار و همچنین تامین قسمتی از نیاز آب شرب شهر قم به مقدار 1 تا 1,2 متر مکعب در ثانیه احداث شده است. این سد خاکی در 5 کیلومتری جاده دلیجان- قم بر روی رودخانه قمرود ساخته شده است. این سد یک سد خاکی غیر همگن با هسته رسی غیر قابل نفوذ و بازوی خاکی در سمت راست آن به انضمام تونل های انحراف و تونل سرریز نیلوفری میباشد. بدنه اصلی به ارتفاع 96,8 متر از سنگ کف و 54,3 متر از کف رودخانه با طول تاج 320 متر بوده و با حجم خاکریزی بیش از2 ملیون متر مکعب ساخته شده است. این سد در فاصله زمانی بین سال های 1365 تا 1370 هجری شمسی احداث شده، در سال 1373 آبگیری و از سال 1374 به بهره برداری رسیده است (گزارش سالیانه کنترل و پایداری سد 15 خرداد، .(1390 مطابق شکل 1، محل سد 15 خرداد در مجاورت دهکده عباس آباد و با ارتفاع 1395 متر از سطح دریا بر روی رودخانه قمرود بنا گشته که دسترسی به محل سد از طریق جاده آسفالته قم – اصفهان امکان پذیر است (سازمان زمینشناسی کشور، .(1361

شکل (1) موقعیت جغرافیایی سد 15 خرداد

جدول (1) مشخصات اصلی سد 15 خرداد

-2-2 معرفی نرم افزار FLAC و مدلسازی به منظور تحلیل خط فریاتیک:
نرمافزار FLAC یک برنامه تفاضل محدود دو بعدی برای محاسبات مهندسی میباشد. این برنامه رفتار ساختارهای خاک، سنگ و یا دیگر مواد را که ممکن است هنگام نزدیک شدن به محدوده شکست، رفتارهای گوناگون از خود نشان دهند را مدلسازی میکند که مواد به صورت اجزا یا مناطق نشان داده میشوند. این اجزا شبکهای را که کاربر برای مدلسازی موضوع مورد نظر طراحی کرده است را تشکیل میدهد. اجزا میتوانند طبق خواص داده شده، شکسته شوند یا جریان یابند و شبکه میتواند تغییر ساختارهای متعددی را که در این برنامه وجود دارد، مدلسازی موادی را که رفتارشان بسیار غیر خطی می باشد را ممکن سازد Itasca Consulting Group)، .(2004

نرمافزار FLAC با قابلیتهای فراوان از جمله، در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه، تغیر شکل های بزرگ، مدلهای رفتاری مختلف خاک، در نظر گرفتن فشار آب حفره ای و دیگر موارد نسبت به دیگر نرم افزارها از سابقهی بیشتری برخوردار است و هر چهار سال یکبار کنفرانسی برگزار میشود که در آن تحقیقات انجام شده در کلیه زمینههای ژئوتکنیکی ارائه میگردد که نشان دهنده کاربرد وسیع و مقبولیت استفاده از آن میباشد Ashok)، .(2003 لذا در تحقیق حاضر استفاده از این نرم افزار مناسبتر تشخیص داده شد. نرمافزار FLAC قابلیت مدلسازی جریان در محیطهای متخلخل را داراست. در این نرم افزارامکان انجام محاسبات مکانیکی و یا جریان سیال به تنهایی و جدای از محاسبات مکانیکی (ANALYSIS SEEPAGE) و یا محاسبات مکانیکی و جریان سیال به عنوان اندرکنش کامل خاک و آب وجود دارد ItascaConsulting Group)، .(2004 با استفاده از این نرم افزار جریان در محیط های کاملا اشباع و جریان در محیطهای با درجه اشباع متغیر را میتوان تحلیل نمود. همچنین امکان یافتن جریان آزاد سطح سیال((PHERIATIC SURFACE و اعمال بارهای مکانیکی زمانمند وجود دارد Itasca Consulting Group)، .(2004

-3-2 معرفی مدل رزک:

یک طرح تعریف برای یک سد خاکی با هسته داخلی که در حل تحلیلی پیشنهاد شده، در نظر گرفته شده است. (شکل .(2 این سد به سه منطقه تقسیم شده است. اولین قسمت سد قبل از هسته، دومین قسمت عرض هسته و دیگری از هسته تا پایان وجه فیلتر در نظر گرفته شده است. هدف از راه حل ریاضی پیشنهاد شده برای کاهش سطح فریاتیک در هر منطقه و به ویژه افت شدید آن برای هسته سد است. با توجه به فرضیات تحلیل از جمله کزنی1 ، پاولوفسکی2 و نتایج آزمایشگاهی رزک مقادیر عددی h4، ao، Q1 ، y1، h2، y2، h3 ونهایتا d قابل محاسبه است Rezk)، .(2011
شکل (2) طرح پیشنهادی رزک برای سد خاکی با هسته داخلی Rezk)، (2011

-3 نتایج

-1-3 محاسبه و تعیین مش بهینه در مدل:

در مدل سازی دقت شده که نسبت طول به عرض زونها نزدیک به واحد باشد، در حالتی که این نسبت از 1,5 تجاوز نماید، از دقت جوابها کاسته میشود. علاوه بر این سعی شده که نسبت مساحت زونهای مجاور از 1,4تجاوز ننماید. تعیین ابعاد مدل سد با استفاده از نقشه برش عرضی صورت گرفته است. بدین منظور از بزرگترین مقطع سد که مقطع میانی آن (11-11) میباشد، به عنوان بحرانی ترین مقطع برای ایجاد مدل در نرم افزار

استفاده شده است. با انجام مدل سازیهای متعدد (حدود 300 مدل) مش بهینه مشخص شد. تعداد حدود5500 المان استفاده شده است که در شکل 3 مدل سازی هندسی نمایش داده شده است. که این تعداد المان از یک سو زمان محاسبات را افزایش داده و از سوی دیگر تاثیر بسزایی در دقت جوابها داشته است. این موضوع سبب شد که روند محاسبات به سمت درست هدایت شود.

شکل (3) مدل هندسی سد با تعداد المان های مشخص در نرم افزار

-2-3 تخصیص مصالح به بدنه و پی:
برای مصالح بکار رفته در سد در کد محاسباتی در نرم افزار FLAC، پس از ساخت هندسه مدل، رفتار الاستو- پلاستیک کامل موهر – کولمب که شناخته ترین مدل در مصالح خاکی می باشد استفاده شده است. در شکل 4 تخصیص مصالح به قسمت های مختلف کاملا مشخص شده است.
شکل (4) تخصیص مصالح به مدل عددی سد

-3-3 مراحل ساخت بدنه سد و ایجاد خط فریاتیک:

بطور خلاصه میتوان گفت پس از تحلیل پی سد و صفر کردن تغیر مکانها، لایه های خاکریز به گونهای انجام میشود تا شرایط مدل با آنچه در سد رخ داده به طور کامل هماهنگی داشته باشد. بدین منظور از روش خاصی در خاکریز استفاده شده است تا مطابق سد بیشترین نشست در نزدیکی تاج سد رخ دهد. از آنجا که هدف ما بررسی رفتار سد در دوران بهرهبرداری می باشد، بنابراین مقدار مدول حجمی آب در زمان ساخت سد برابر صفر در نظر گرفته شد تا فشار آب منفذی در زمان ساخت سد در بدنه ایجاد نگردد. علت مجاز بودن این کار این است که سد بعد از گذشت سالهای زیاد از زمان آب گیری و ایجاد تراوش پایدار در بدنه، فشار آب منفذی ناشی از ساخت سد از بین رفته است و تنها شرایط تراوش و سطح فرایاتیک تعیین کننده نحوه توزیع فشار آب منفذی در بدنه سد خواهد بود. شکل 5 گویای این مطلب است.

شکل (5) نحوه توضیع فشار آب منفذی در سد در زمان ساخت KPa

پس از مرحله ساخت بدنه، مدلسازی مرحله آبگیری و تحلیل تراوش سد در حالت تراوش پایدار، با توجه به خصوصیات نفوذپذیری مصالح و نیز نسبت تخلخل آنها طبق جدول زیر انجام شد.

جدول (2) خصوصیات نفوذ پذیری مصالح بدنه سد
مصالح نفوذ پذیری افقیCm/s Kv/Kh