بخشی از مقاله
خلاصه
سدها بخش بزرگی از سرمایه گذاری مرتبط با تسهیلات زیربنایی و اساسی را تشکیل میدهند. نرخ سالیانه اتمام سدهای احداثی با انواع و اندازه های مختلف در ایران رشد فزایندهای را نشان میدهد. هر کدام از سدها سازهای منحصر بفرد میباشند و بدون توجه به نوع و اندازه در مقابل بارگذاری و اندرکنش با عوامل زمینشناسی و هیدرولوژی پیچیدگیهای ویژهای دارند. علیرغم پیشرفت قابل توجه علوم مهندسی و نقش تعیینکننده سد در پیشبرد تمدن بشری و نیاز مبرم به این سازه بزرگ، ناهمگن و غیرقابل پیش بینی توده سنگ در طبیعت و اشتباهات یا عدم توجه کافی انسان در طراحی، اجرا و بهره برداری صحیح از سد باعث بروز اتفاقات ناگواری ناشی از ناپایداری و شکستن سدها میشود. هدف از تحقیق حاضر بررسی فشارهای منفذی و تنشهای ایجاد شده در دیوار دریاچه سد خاکی چیتگر میباشد، میپردازد. در این تحقیق هدف بررسی عددی تغییرات تنش و فشار آب حفرهای در سد خاکی مسلح و مقایسه آن با نتایج ابزار دقیق در دریاچه سد چیتگر میباشد. بدین منظور بزرگترین مقطع عرضی دیواره سد به کمک نرم افزار اجزاء محدود Geo Studio مدلسازی شده و با معرفی دادههای ورودی حاصل از نتایج آزمایشگاهی و آنالیز معکوس به مدل، تحلیلهای عددی انجام خواهد گرفت و نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از ابزار دقیق مقایسه میگردد.
کلمات کلیدی: تحلیل عددی، تنش، آب حفره ای، سد خاکی، ابزار دقیق، سد چیتگر.
.1 مقدمه
علیرغم پیشرفت قابل توجه علوم مهندسی و نقش تعیینکننده سد در پیشبرد تمدن بشری و نیاز مبرم به این سازه بزرگ، ناهمگن و غیرقابل پیش بینی توده سنگ در طبیعت و اشتباهات یا عدم توجه کافی انسان در طراحی، اجرا و بهره برداری صحیح از سد باعث بروز اتفاقات ناگواری ناشی از ناپایداری و شکستن سدها میشود. امروزه سدهای بزرگ اعم از خاکی یا بتنی از مهمترین سازههای آبی به شمار میروند که در تأمین آب مورد نیاز جوامع انسانی نقش اساسی را ایفا میکنند.
بنابراین پایداری سدها بهویژه در دهههای اخیر مورد توجه خاص مهندسین طراح سدهای خاکی و بتنی بوده است. طبیعت متفاوت سازندهای طبیعی در محل احداث سدهای خاکی از یک طرف و رفتار پیچیده مصالح خاکی سد از طرف دیگر ارزیابی کمی و کیفی پارامترهای رفتاری خاک را ضروری مینماید. تحقیقات نشان میدهند که ارزیابی غلط اینگونه پارامترها اغلب علت به مخاطره افتادن پایداری سدهای خاکی بوده است. نصب ابزار دقیق و رفتارنگاری آنها در دوران ساخت و دوره بهرهبرداری اولیه کمک شایان به ارزیابی این پارامترها میکند - کمیته راهبردی انجمن مهندسین راه و ساختمان آمریکا، . - 2000 اهمیت ویژه ابزار دقیق در سدها به نقش آنها در کنترل پایداری کوتاه و دراز مدت سدها برمی-گردد، بهگونهای که در رفتارنگاری سدها مورد توجه مهندسین واقع شده است - سازمان مهندسین ارتش ایالات متحده، . - 1995 در حال حاضر، رفتارنگاری در سدهای خاکی با رفتار بسیار پیچیده بخشی از برنامه جامع کنترل پایداری است. به عبارتی هدف اصلی که تشخیص هرگونه مشکل احتمالی که پایداری سد را تهدید کند است به خوبی با رفتارنگاری توسط ابزار دقیق برآورده میشود - میرس و استتلیر، . - 2008
ایمنی و عملکرد یک سد باید در حین ساخت، اولین آبگیری و در دوران بهرهبرداری کنترل شود. اولین دوره آبگیریاحتمالاً بحرانیترین زمان در طول عمر سد است. با افزایش سطح مخزن میزان آبگذری از پی و بدنه سد مورد ارزیابی قرار میگیرد. تنشهای ایجاد شده و نیز فشار آب منفذی در هسته با توجه به تراز آب و اندازهگیری آنها با ابزار دقیق در این دوره از اهمیت ویژه برخوردار است - مدیریت انرژی و منابع آب نروژ، . - 2004 گسترش فشار آب منفذی در داخل هسته و در دوران ساخت که در نتیجه افزایش تدریجی ارتفاع سد ممکن است رخ دهد نیز همیشه مورد توجه مهندسین باید باشد. ابزاربندی سد و رفتارنگاری آن در دوران ساخت به این موضوع کمک زیادی میکند بهگونهای که ممکن است آبگیری موقت سد در بعضی مراحل ساخت پیشنهاد شود - حسینی و احمدی، . - 2005
با استفاده از نتایج پیزومترهای بهکار رفته در پی و بدنه سد کرخه، وضعیت سد پس از آبگیری را مورد بررسی قرار دادهاند - پاکزاد و میرمحمد حسینی، . - 1379 در پژوهشی با عنوان بررسی رفتار دینامیکی سد خاکی گیوی با شیب مختلف هسته را مورد بررسی قرار دادهاند. برای انجام تحلیلها از روش اجزاء محدود - FEM - و با استفاده از نرم افزار GeoStudio استفاده خواهد شد. برای انجام مطالعات موردی از اطالعات موجود سد گیوی برای هندسه سد و نوع و مشخصات مصالح آن استفاده می شود. هسته ی رسی سد مورد مطالعه را در وضعیتهای مختلف با زوایای مختلف نسبت به سطح افق مورد بررسی قرار دادیم. در این پژوهش انواع تحلیلهای انجام شده از قبیل تغییرات فشار آب حفرهای، تنش مؤثر و جابجایی های افقی و قائم سد ارائه شده است، با افزایش زاویه ی هسته ی رسی، مقطع سد در برابر زلزله بهینه تر خواهد شد - نگهدار و دلگشا، . - 1393 در پژوهشی Aljairry در سال 2010 در دانشکده مهندسی هیدرولیک و محیط زیست جنگ جو در چین به تحلیل پایداری و تراوش در سد خاکی هوانگ بی ژوانگ در چین پرداخت. با توضیح اینکه طراحی متداول فیلترها به صورت تجربی صورت میگیرد و نتایج حاصل از آن برای دانشمندان به اندازه کافی قابل اعتماد نیست، با تطبیق معادلات اساسی و شرایط مرزی در تحلیل حرارتی نرمافزار Ansys و با دانستن این موضوع که تکنیک به اشتراکگذاری روشها برای محاسبه خط اشباع مورد قبول است، مشکلات پایداری تراوش سد را تحلیل و پیشنهادات مستدل را مطرح میکند Aljairry - ، . - 2010
.2آنالیز استاتیکی سدهای خاکی
برای تحلیل وضعیت تنش و تغییر شکل در یک سد خاکی با روش اجزای محدود، حالت کرنش صفحه ای و تنش صفحهای مقبولیت عامه یافته است. استفاده از این روش امکان تحلیل تنشها و نیز انتقال آنها به قسمتهای مختلف مقطع سد و یافتن مناطق بالقوه خطرناک از نظر ایجاد ترک را، بوجود میآورد. تحلیل تغییر شکلهای بوجود آمده در سد با این روش میتواند برای پیشبینی منحنی لغزش بالقوه شیب خاکریز از طریق مشخص نمودن تغییر شکلهای حداکثر جهت آنها به کار رود. پایداری سد را نیز می توان با تجزیه تنشهای اصلی به تنشهای مماسی و قائم بر سطح گسیختگی مفروض کنترل نمود. به هر صورت این کار باید بوسیله ترکیبی از این روش و تعادل حدی بصورت بهینه انجام گردد.
براساس مطالعات انجام شده بوسیله "باب" و "مرمل"[8] بعد از پدیده سرریز شدن، پدیده رگاب مهمترین عامل - بیش از 30 درصد - خرابی سدهای خاکی می باشد. محل عبور آب و متمرکز شدن جریان در یک نقطه از سد یا پی آن میتواند یا بعلت وجود بخشی ضعیف مانند اتصال بین خاکریز و شانه های سنگی دره یا لوله های بتنی زیرگذر و غیره و یا وجود ترک در اثر ایجاد تنشهای مؤثر کششی به علت تأثیر نیروهای وارد بر بدنه سد باشد. علتهای نوع اول بوسیله اجزاء محدود قابل برآورد نبوده و دقاًی قابل تحلیل نمیباشد. لیکن علل نوع دوم را با این روش میتوان برآورد نمود بنابراین درک توزیع تنش و تغییر شکل در بدنه سد برای تحلیل ایجاد ترک و گسترش آن اجتناب ناپذیر است.
.1 .2 محاسبه براساس تنش کل و تنش مؤثر
تحلیل براساس تنش مؤثر یا تنش کل مسأله مورد بحث و مهمی است که مختصراً مورد بررسی واقع می گردد. در تحلیل براساس تنش کل، پارامترهای سختی مصالح باید برحسب رابطه بین تغییر شکل نسبی و تنش کل بیان گردد در حالیکه در تحلیل براساس تنش مؤثر این پارامترها باید براساس سختی استخوان بندی مصالح مشخص گردند. در شرایط بارگذاری با زهکشی کامل، هر دوی این پارامترها حداقل در محدوده ای که از تغییرات سختی با زمان صرفنظر می شود، یکی شده و تنها اختلاف در این مورد جدا نمودن فشارهای منفذی در روش تنش مؤثر است. برای تحلیل در بارگذاری با شرایط زهکشی نشده فشارهای منفذی اضافی و تنش مؤثر جداگانه اندازه گیری شده و یا میتوان فشار منفذی را به عنوان تابعی تجربی برحسب تنش کل بدست آورد. بهترین روش شناخته شده برای انجام این کار احتمالاً روش پارامترهای فشار منفذی اسکمپتون می باشد. ساختن سد، آبگیری مخزن، تراوش و تخلیه سریع در بسیاری موارد در هسته به عنوان زهکشی نشده و برای پوسته، زهکشی شده به حساب آمده و یکی از دو روش برای تحلیل بکار می رود. هنگامی که مسأله تحکیم مورد بررسی قرار می گیرد باید از روش تنش مؤثر استفاده شود. حالت دیگری که تحلیل براساس تنش مؤثر باید انجام شود حالت "تغییرات معلوم فشار منفذی" است که در آن پاسخ سد به تغییر فشارهای منفذی مفروش بررسی میگردد.
تبدیل یک برنامه المانهای محدود برای استفاده براساس یکی از تحلیل نسبتاً ساده است. اساس کار ، برای شرایط زهکشی نشده، بر مساوی بودن کرنش در فضای بین دانه ای و اسکلت خاک قرار دارد. این امر امکان بیان تنش کل را بر حسب یک سختی دانهای و یک سختی ناشی از فشار منفذی فراهم می آورد. برنامه المانهای محدود مقادیر این دو جزء را به فرم مقادیر سختی اسکلت و مدول معادل سختی فشار منفذی - kf - در نظر گرفته و برای محاسبه سختی کل المان این دو را با یکدیگر ترکیب مینماید. تحلیل بر طبق روش استاندارد معمول تا محاسبه سختی تنشها ادامه می یابد. پارامترهای سختی اسکلت خاک و سختی معادل فشارهای منفذی برای محاسبه تنشهای مؤثر و اضافه فشار منفذی بکار
