بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از بزرگترین ریسک ها در سد سازی، بحث شکست سد است که با توجه به اهمیت خاص مکانیسم هیدرولیکی شکست ناگهانی سدهای بتنی، با مطالعات دقیق و ایمنی شکست سد در جایگاه خاصی قرار دارد که احتمال وقوع خرابی و متحمل شدن هزینه های زیاد به حداقل خواهد رسید. درطراحی این سدهای وزنی بتنی مثلثی شکل مرسوم، با سطح بالادست، وزن فاکتور مهمی جهت برقراری ایمنی در مقابل واژگونی ولغزش است که مقاومت مصالح بدنه سد بجز مقاومت کششی آن در شرایط بارگذاری زلزله ، فاکتور مهمی نیست. از این رو با کاهش تنش کششی مصالح با مقاومت کمتر و با در نظر گرفتن مقطع ذوزنقه از بهینه سازی اقتصادی بهره مند شد.
نظر به اینکه پدیده شکست سد از نظر هیدرولیکی یک پدیده بسیار ناپایدار بوده و بسیار حائز اهمیت واقع شده که تحلیل آن نیاز به شبیه سازی عددی دقیق می باشد. در این تحقیق بررسی مکانیسم تحلیل پدیده موج حاصل از شکست سدهای ذوزنقه ای با مصالح سیمانیته و سدهای بتنی وزنی و اثر همزمان ورود هیدروگراف سیل توام با اثر موج منفی حاصل از شکست بر روی دبی شکست از اهداف این تحقیق بوده است. به منظور نیل به هدف ، تحلیل تبعات پدیده شکست سدهای ذوزنقه ای و سدهای وزنی متداول توسط روش تحلیلی و رویکردهای عددی - حجم محدود سیالات اولری و اجزاء محدود جامدات الاستیک - با در نظر گرفتن عملکرد کوپله روش اجزای محدود و حجم محدود مبنی بر مدلسازی حقیقی میدان جریان مخزن مورد مطالعه قرار گرفت.
در این راستا با گسترش رویکرد جدید از تحلیل رفتار شکست سد و کوتاه بودن زمان انهدام، تأثیر موج منفی بر روی دبی شکست تحلیل گردید که پارامترهای هیدرولیکی، شکست سد و رفتار دینامیکی ناشی از عملکرد پاسخ نیروهای هیدرودینامیکی مخزن ارزیابی شده است. با توجه به اینکه عوامل چشمگیر شکست سدهای وزنی لغزش سد ، واژگونی و تخریب پی می باشد، نتایج نشاندهنده این است که عملکرد مکانیسم هندسی سدهای انعطاف پذیر ذوزنقه ای CSG با رویکرد رفتاری الاستو پلاستیک ضمن برآوردن اهداف بهبود تأمین پایداری، معیار گسیختگی رفتاری، ظرایب ایمنی و تنش کششی کمینه، احتمال وقوع پدیده شکست سازه ای به حداقل رسیده است. همچنین تحلیل پدیده شکست هیدرولیکی این نوع سد حاکی از تأخیر در زمان انهدام و کاهش دبی شکست نسبت به سدهای بتنی وزنی متداول بوده است که خسارتهای ناشی از شکست احتمالی این سدها به حداقل ممکن برسد.
.1 مقدمه
همه ساله در نواحی مختلف جهان خسارات جانی و مالی جبران ناپذیری بر اثر وقوع حوادث غیر مترقبه مانند سیل به جوامع بشری وارد می گردد. خوشبختانه در کشور ما با احداث سدهای مخزنی بزرگ بر روی برخی رودخانه های مهم کشور مانند دز به میزان قابل توجهی از میزان این خسارات کاسته شده است. اما باید به این نکته توجه داشت که در اثر شکست این سدهای مخزنی بزرگ نیز خسارات جبران ناپذیری به نواحی پایین دست آنها وارد می گردد. لذا شبیه سازی هیدرولیکی پدیده شکست سد، جهت برآورد خسارت، بر نامه ریزی صحیح و تدارک فعالیتهای امدادی در محدوده اثر این واقعه از اهمیت خاصی برخوردار می باشد.
شکست سدهای بتنی می تواند به علت پدیده های سرریز شدن از روی سد بدلیل ناتوانی ظرفیت تخلیه سرریز، تراوش، اثر زلزله، ایجاد موج ضربه ای در اثر ورود توده لغزشی به داخل مخزن و یا در اثر خرابکاری صورت گیرد. پس از وقوع این پدیده ها و ایجاد شکافت اولیه در بدنه سد و عبور جریان از میان شکافت ایجاد شده به مرور زمان شکافت اولیه به کل بدنه یا بخش اعظم آن گسترش یافته و سبب تخریب آن می گردد. البته در سدهای بتنی این پدیده معمولا به صورت ناگهانی و در زمان اندکی اتفاق می افتد.
سدهای بتنی وزنی مرسوم، شکل مثلثی با سطح بالادست قائم دارند. درطراحی این سدها، وزن سد، فاکتور مهمی جهت برقراری ایمنی در مقابل واژگونی ولغزش است. اما مقاومت مصالح بدنه سد بجز مقاومت کششی آن در شرایط بارگذاری زلزله ، فاکتور مهمی نیست. از این رو وقتی که چنین تنش کششی بتواند کمینه شود، مصالح با کیفیت کمتر میتواند در بدنه سد استفاده گرددو ساخت و سازی اقتصادی تر بدست خواهد آمد. بنابراین بدیهی است که با استفاده از مصالح با کیفیت کمتر و عیار سیمان کمتر، مقاومت CSG نسبت به بتن کمتر میباشد ولی با اتخاذ طراحی سد به شکل ذوزنقه میتوان آن را جبران نمود. براین اساس میتوان ترکیب CSG را برای استفاده در سدهای ذوزنقه ای بکار برد
بنابراین نسل جدیدی ازسدها بنام سدهای ذوزنقه ای شن و ماسه سیمانته شده ظهور میکنند که ترکیبی از سدهای ذوزنقه ای وسدهای CSG است. لذا میتوان مشخصات سدهای ذوزنقه ای با مصالح CSG را از زوایای مختلف به اختصار با استفاده از مصالح با مرغوبیت کمتر، میتوان بازه انتخابی مصالح را گسترش داد. چون سدهای CSG با مقطع ذوزنقه ای به مقاومت کمتری نیاز دارند، پس میتوان از مصالح با مقاومت کمتری استفاده کرد. همچنین میتوان محیط پیرامون سد - پی و فونداسیون - را انعطاف پذیرتر انتخاب کرد.
چون این نوع از سدها میتوانند مقاومت مورد نیاز در بدنه سد و همچنین سنگ بستر و فونداسیون را کاهش دهند؛ و نیز برای تولید سدهای ذوزنقه ای با مصالح شن و ماسه سیمانته شده،تنها به ماشین آلات و وسایل تولید بسیار ساده و پیش پاافتاده نیاز می باشد که این امر همچنین می تواند موجب افزایش سرعت ساخت شود. بنابر این این نوع از سدها که در ابتدا با هدف توسعه بهینه سازی مصالح بکار برده شده بودند در این مسیر جهت دستیابی به بهینه سازی طراحی و بهینه سازی در اجرا نیز کمک خواهند کرد.
یکی از قسمتهای جالب و مهم مهندسی زلزله بحث هیدرودینامیک می باشدکه شامل فشارهای دینامیکی وارده به سدها، مخازن حاوی مایعات و ارتعاش در سازه های مستغرق می گردد. با وجود اشتراکی که این سازه ها در کلیات مسائل هیدرودینامیکی خود با یکدیگر دارند، لیکن هر یک شرایط و محدودیت های خاص خود را داشته و می بایست به طور جداگانه مورد بررسی قرار گیرند.
فشار هیدرودینامیک سدها در طول زلزله اولین بار توسط وسترگارد - 1933 - مورد بررسی قرار گرفت ، که فشار هیدرودینامیکی آب برروی سدهای بتنی وزنی تحت تأثیر حرکت هارمونیک افقی زمین را محاسبه کرد. چوپرا با بررسی تأثیر تراکم پذیری آب بر پاسخ فشار هیدرودینامیکی مخزن نشان داد که برای سیال تراکم ناپذیر حل وسترگارد درکلیه فرکانس های بارگذاری صادق است لیکن در سدهای بلند تأثیر تراکم پذیری آب بر پاسخ نیروی هیدرودینامیکی در فرکانس های بالا قابل توجه است.
مطالعاتی در زمینههای مختلف بر روی شکست سدها انجام شده از جمله کمیته ایمنی سدهای موجود - - 1983 شاخص خطر شکست روگذری و بحث مفهوم طراحی مبتنی بر ریسک در مهندسی سیستم های هیدرولیکی را بررسی کرده است.
مک دونالد1 منحنی پوش و بهترین برازش برای پیک جریان خروجی را با استفاده از اطلاعات سدهای خاکی شکافته شده به عنوان تابعی از فاکتور شکل گیری شکافت توسعه داد. این منحنیها برای بازبینی نتایج منطقی شبیه سازی شکافت با استفاده از فاکتور شکل گیری شکافت مورد استفاده قرار گرفت
کوستا2 اطلاعات جامعی از دبی های سیل ناشی از شکست همه انواع سدهای ساخته شده و طبیعی ارائه کرد. وی منحنی های پوش و معادلات رگرسیونی برای پیک جریان را به عنوان تابعی از ارتفاع سد , حجم مخزن در زمان شکست و حاصلضرب این دو پارامتر ارائه کرد. وی از دادههای شکست سد فرانسیس - سازه بتنی وزنی - در تحلیل خود استفاده کرد.
فروهلیچ3یک معادله رگرسیونی بهترین برازش برای پیش بینی دبی پیک بر اساس حجم مخزن و هِد با استفاده از دادههای 22 مطالعه موردی که دبی پیک آنها در دسترس بود , ارائه کرد. روش او با محققان دیگر تفاوت داشت. او با اجازه تعریف حجم و تراز به عنوان ترم های مستقل از یکدیگر در معادله رگرسیونی درجات آزادی دیگری را ایجاد کرد
همچنین مطالعات محدودی روی سدهای ذوزنقه ای[4] انجام شده از جمله نورزاد - 1392 - در روی طرح و محاسبه سدهای ذوزنقه ای با مصالح مصالح شن و ماسه سیمانته شده و در مبحث تحلیل دینامیکی اندرکنش سازه وسیال، هاشمی - 1383 - به محاسبه نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر سدهای بتنی با احتساب اندرکنش آب وسازه با بکارگیری روش اجزای محدود و ساده سازی عددی بوده است.
در این رویکرد ضرورت فرآیند تحقیق ، با توجه به خاص بودن و حائز اهمیت سابقه شکست سد و مکانیسم شکست ناگهانی سدهای بتنی، این تحقیق مبتنی بر مطالعه موردی بر روی شکست سدهای ذوزنقه ای با مصالح سیمانیته[4] است. در این راستا تحلیل شکست سد با پدیده روگذری توأم با مطالعه موردی توسط الگوهای عددی و روشهای تحلیلی مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت. بررسی عملکرد پارامترهای موثر بر پدیده شکست سد بتنی و مقایسه تحلیل هیدروگراف دبی شکست دو سد با ساختار هندسی و مصالح متفاوت مبتنی بر شرایط روگذری از اهداف این تحقیق می باشد.
سدهای خاکی نظیر سدهای بتنی تمایل به شکست ناگهانی ندارند. با شکست یک سد خاکی شکافی ایجاد می شود و این شکاف با فرسایش منظم و پیوسته بزرگ می شود و موجب رها شدن آب درون مخزن می شود. سدهای مخزنی با دو نوع بتنی و خاکی با اهدافی نظیر تامین آب ، کنترل سیلاب ، و تولید نیروی برق آبی احداث می شوند. پدیده شکست سد همواره سدها را تهدید می کند و موجب تلفات مالی و جانی شدید در مناطق پایین دست می شود.
اگر پدیده شکست و آثار ناشی از آن، قبل از احداث سد پیش بینی گردد ، خسارات ناشی از شکست در آینده کاهش می یابد. دراین تحقیق ، مسأله اساسی و تمرکز اصلی مطالعات بر روی راستا مقایسه و تحلیل پارامترهای شکست سد ذوزنقه ای سیمانیته توبتسو واقع در ژاپن و سد بتنی وزنی متداول توسط الگوهای عددی و روشهای تحلیلی مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت.
در این تحقیق برای تعیین توزیع سه بعدی فشار هیدرودینامیکی در مخزن سد بتنی ذوزنقه ای تحت تأثیر ارتعاشات ناشی از مولفه افقی زلزله، شبیه سازی عددی به جهت تحلیل میدان جریان و بررسی دینامیکی اندرکنش سدهای ذوزنقه ای، تحت اثرزلزله مورد مطالعه قرار گرفته است.
