بخشی از مقاله
چکیده
بررسی پایداری سدهای خاکی در برابر زلزله از مهمترین مسائل در حوزه سازههای خاکی است. به علت پیچیدگی که در تحلیل این مساله وجود دارد روشهای موجود از فرضیات سادهکننده بسیاری جهت بررسی پایداری لرزهای سدهای خاکی استفاده نمودهاند. پیشرفتهای اخیر تکنولوژی، بسیاری از مشکلات مربوط به تحلیل دینامیکی سدهای خاکی از جمله رفتار غیرخطی مصالح را حل نموده است. در تحقیق حاضر از نرمافزار Geostudio به منظور تحلیل پایداری شیروانیهای سد بالارود در هنگام وقوع زلزله استفاده شده است. این نرمافزار یکی از قویترین برنامه های ژئوتکنیکی مبتنی بر روش المان محدود میباشد.
در این پژوهش تاثیر زلزله بر پایداری شیروانیهای بالادست و پاییندست سد در مرحله پایان ساخت و در حالت تخلیه سریع مخزن سد مورد مطالعه قرار گرفت و تحلیلها با استفاده از شتاب نگاشتهای مربوط به حوزه نزدیک انجام شد. در این مطالعه از آنالیز تاریخچه زمانی جهت مطالعه تاثیر زلزله بر رفتار سد استفاده گردید. سپس گوه محتمل گسیختگی واقع در بالادست و پاییندست به کمک آنالیز نرمافزار بدست آمده و ضریب اطمینان کمینه در ارزیابی گوه گسیختگی محاسبه شد .
نتایج نشان داد که مقادیر ضریب اطمینان در هنگام وقوع زلزله در شرایط پایان ساخت برای شیروانیهای بالادست و پاییندست و همچنین برای حالت افت سریع مخزن در محدودهی مجاز میباشند و این مطلب بیانگر آن است که سد، پایداری خود را در این شرایط حفظ میکند. همچنین نتایج آنالیز حالت افت سریع مخزن در دو حالت وقوع زلزله و عدم وقوع آن نشان داد که در هنگام وقوع زلزله و افت سریع مخزن آب سد سطح گسیختگی لغزش کوچک می-باشد.
.1 مقدمه
با توجه به لرزه خیز بودن کشور ایران و وقوع زلزلههای مخرب در آن بحث بررسی پایداری سدها در موارد وقوع زلزله از اهمیت بالایی برخوردار است و گسیختگی و لغزش شیروانی در اثر وقوع زلزله باعث تخریب سدهای خاکی و ایجاد خسارات جبرانناپذیر جانی و مالی میگردد. تحلیل میزان نشت عبوری از بدنه و پی سدهای خاکی هم به لحاظ مقدار اتلاف آب و هم به لحاظ پایداری سد و هم به لحاظ محاسبه فشار آب در هر نقطه و کنترل طول زهکشها و غیره حائز اهمیت است به طوری که اگر میزان نشت از مقدار معینی بیشتر شود امکان خرابی و شکست در سد وجود خواهد داشت.
برای محاسبه دبی نشت روشهای عددی نسبت به مدلهای آزمایشگاهی نیاز به زمان و صرف هزینه کمتری دارند همچنین برای بررسی پایداری شیروانی ها روشهای مختلفی وجود دارد و می-توان روشهای تحلیل استاتیکی و پایداری لرزهای شیروانیها را به سه روش بلوک لغزان، تحلیل دینامیکی و روشهای شبه استاتیکی تقسیمبندی کرد. تحلیلهای پایداری در نرمافزارها در حالت تعادل حدی به روشهای مورگان اشترن پرایس، بیشاپ، جانبو و GLE و اسپنسر تقسیمبندی میشوند.
پژوهشهای زیادی در رابطه با پایداری شیروانی سدهای خاکی و پاسخ سدهای خاکی در برابر زلزله، مطالعه رفتار دینامیکی، آنالیز تنشهای قائم و افقی و غیره انجام شده است که به تعدادی از آنها در اینجا اشاره شده است. ابراهیمیان و همکاران رفتار سدهای خاکی در برابر زلزله را با توجه به ارتفاع سد و نوع مصالح آن مورد بررسی قرار دادند. کاربر و همکاران رفتار یک سد خاکی با هسته مایل را با رفتار یک سد خاکی با هسته قائم مقایسه کرده و نتیجه گرفتند که مقادیر تغییر شکل و تنش در سد با هسته مایل بیشتر از هسته قائم و فشار آب حفرهای در سد با هسته قائم بیشتر از هسته مایل است.
ظهوریان و همکاران به بررسی پاسخ لرزهای یک سد خاکی به روش بلوک لغزش نیومارک پرداخته و نتیجهگیری کردند که در صورت وقوع زلزله به شدت MCL در منطقه بدنه سد از ایمنی کافی برخوردار خواهد بود. میر حسینی و همکاران نیز به آنالیز عددی تنش قائم با برنامه plaxis و مقایسه آن با نتایج نرمافزار Geostudio در پایان ساخت سد بافت پرداخته و نتیجهگیری گرفتند که نتایج حاصل از تحلیل عددی با نرم افزار plaxis به واقعیت نزدیکتر است.
جهانی و همکاران نیز در پژوهش خود اقدام به بررسی آنالیز لرزهای پایداری شیب سدهای خاکی به هنگام تخلیه سریع به روش اجزاء محدود نموده و نتیجه گرفتند که استفاده از مصالح با نفوذپذیری بالاتر به عنوان مصالح سد به افزایش ضریب اطمینان سد در هنگام تخلیه سریع منجر خواهد شد و کمترین ضریب اطمینان در تراز آب کمتر از 6 متر اتفاق میافتد.
قنبری و همکاران روشی ساده برای محاسبه مقدار نشت از پی سدهای خاکی با وجود بلانکت و دیوار آببند ارائه دادند. در این مطالعه به منظور یافتن رابطه محاسبه نشت از پی سد خاکی از نتایج 540 تحلیل عددی حاصل از برنامه Seep/w استفاده شده و تاثیر مشخصات فیزیکی و هندسی مورد بررسی قرا گرفت. نتایج حاصل از رابطه پیشنهادی آنها با نتایج نرمافزاری تطابق خوبی داشت. ملکپور و همکاران به مطالعه تاثیر زهکش افقی بر پایداری سد خاکی همگن در شرایط تخلیه سریع پرداختند.
در این تحقیق در یک مدل سد خاکی همگن تاثیر طول و ضخامت زهکش افقی بر پایداری شیب بالادست در شرایط تخلیه سریع مورد بررسی قرار گرفت و به ازای ابعاد مختلف زهکش، بلافاصله پس از افت سطح آب محدوده تغییرات ضریب اطمینان در مقابل لغزش سطحی و عمیق به بدست آمد. خامسی و همکاران شکست هیدرولیکی در هسته سدهای خاکی را مورد مطالعه قرار دادند.
برای مطالعه ترک هیدرولیکی در هسته سد راههای مختلفی وجود دارد این پدیده اغلب در زمان آبگیری اولیه سد که فشار آب به طور ناگهانی در هسته سد افزایش می یابد رخ میدهد. در این تحقیق با استفاده از روش اجزای محدود رفتار سد در زمان ساخت و اولین آبگیری مدلسازی شده و سپس ترک خوردگی هیدرولیکی هسته این سد با چند روش بررسی شد و در مرحله بعد با استفاده از روابطی که پیشبینی درستی از ترک خوردگی سد هیته جووت ارائه کردهاند، شکست هیدرولیکی در هسته سد گلابر در استان زنجان مورد مطالعه قرار دادند.
شیردل و همکاران توسعه روش شبه استاتیک برای تحلیل لرزهای سدهای خاکی را مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق در رابطه پیشنهادی، ضریب زلزله تابعی از تغییرات شتاب در نظر گرفته شد و تغییرات شتاب نیز تابعی از ویژگیهای هندسی بدنه سد و سختی خاک و مشخصات میرایی در نظر گرفته شد. نتایج نشان داد که در این رابطه رفتار سد در تحلیل لرزهای به واقعیت بیشتر نزدیک می-شود.
منتصری و همکاران ابعاد هسته رسی سدهای خاکی را با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه کردند . در این پژوهش از مدلهای ساده و جدید استفاده شد. این مدلها با استفاده از روش رگرسیون خطی تهیه شدند و نتایج این مدلها عملکرد بسیار موفقی داشت.
یثربی و همکاران به مطالعه آزمایشگاهی کارایی فیلتر بر اساس معیارهای طراحی در سدهای خاکی پرداختند در این تحقیق روش آزمایشگاهی ارائه شده مدلسازی کاملی از شرایط واقعی را به نمایش میگذاشت. امین پور و همکاران به تحلیل پایداری شیب، جریان نشت و رفتار دینامیکی سد مارون هنگام زلزله با استفاده از بسته نرمافزاری Geostudio پرداخته و در این مطالعه ضرایب اطمینان پایداری شیب بالادست و پایین دست سد خاکی و رفتار دینامیکی سد مورد مطالعه قرار دادند.
ریچاردجو و همکاران با مطالعه تاثیر زهکشهای افقی در پایداری شیبهای خاکی در برابر گسیختگی تحت شرایط بارندگی در مناطق گرمسیر نشان دادند که تاثیر مفید این زهکشها در پایداری شیب ها را میتوان در طولانی-مدت مشاهده نمود . صالح اقدام به بررسی پایداری شیب سد خاکی مندلی در عراق در حالت افت سریع مخزن و در شرایط زلزله نمود . در این تحقیق از روش مورگان پراس استفاده شد. آندریا آنالیز نشت و پایداری شیب در خاک غیراشباع یک سد را مورد مطالعه قرار داد.
آنالیز نشت در این پژوهش در دو حالت پایدار و غیر پایدار انجام شد. رزک و همکاران یک حل تحلیلی برای سد خاکی با یک پتوی رسی در بالادست را مورد مطالعه قرار دادند در این تحقیق اثر طول پتوی رسی بر روی میزان دبی نشت بررسی شد. کانچانا و همکاران به ارزیابی آنالیز نشت در قسمت هسته سد خاکی با خواص و ترکیبات متفاوت پرداختند.
آتانی و همکاران با استفاده از روش اجزاء محدود به آنالیز نشت و پایداری سد خاکی پرداختند. با توجه به مطالب ذکر شده و اهمیت بررسی عملکرد سد بالارود و همچنین اهمیت منابع سطحی آب در کشور، تاثیر زلزله بر روی رفتار این سد در شرایط پایان ساخت و افت سریع مخزن مورد مطالعه قرار گرفت.
.2 مواد و روشها
-1-2 معرفی منطقه مورد مطالعه
رودخانه بالارود از دامنه کوههای گلاهور واقع در 58 کیلومتری شمال اندیمشک سرچشمه میگیرد و پس از گذراندن مسافتی حدود یکصد کیلومتر در جنوب شهرستان دزفول به رودخانه دز می پیوندد. مساحت مجموع حوضه آبریز رودخانه بالارود بیش از یک هزار و 200 کیلومترمربع و متوسط آبدهی دراز مدت سالیانه این رودخانه در محل سد 5/43 مترمکعب برثانیه و حجم آورد سالیانه آن حدود 171 میلیون متر مکعب است . سد مخزنی بالارود توسط سازمان آب و برق خوزستان روی رودخانه بالارود در 27 کیلومتری شمال شهرستان اندیمشک در حال احداث است.
تامین نیاز آبی اراضی کشاورزی پاییندست به وسعتی حدود 12 هزار هکتار، کنترل سیلابهای رودخانه، تامین انرژی برق آبی و ایجاد منطقه گردشگری را از جمله اهداف این طرح عنوان کرد. ساختگاه سد بالارود در 27 کیلومتری شمال اندیمشک و در مجاورت محور اندیمشک-خرمآباد قرار دارد. این سد دارای مخزنی به حجم 131 میلیون مترمکعب، طول تاج یک هزار و 50 متر، عرض تاج 10 متر و 84 متر ارتفاع است. حجم تبخیر سالیانه این مخزن در حدود هفت میلیون مترمکعب است.
این سد از نوع خاکی با هسته رسی قایم است و دارای دو تونل راست و چپ در مجموع به طول یک کیلومتر میباشد. تراز کف رودخانه در محل محور، 265 متر از سطح دریا، ترار کف پی سد در زیر هسته، 263 متر از سطح دریا، تراز تاج سد 340/5 متر از سطح دریا و نوع سرریز آن اوجی دریچه دار با سرسره آبیاست . نیروگاه سد با ظرفیت دو مگاوات و دبی طراحی هفت مترمکعب برثانیه، سالانه به طور متوسط 11/5 گیگاوات ساعت برسال انرژی تولید میکند. در شکل1 مقطع عرضی سد بالارود که سدی با هسته رسی است نمایش داده شده است.
شکل -1 مقطع عرضی سد خاکی بالارود
-2-2 نحوه المان بندی مدل عددی
مدل ساده شده و شبکهبندی اجزاء محدود مورد استفاده در تحلیل عددی در شکل 2 نمایش داده شده است. مشخصات مصالح با توجه به نقشه های اجرایی در قسمت ورودی دادههای ویژگیهای خاک - soil properties - به نرمافزار وارد شد و با توجه به ویژگی-های مصالح هر یک از قسمتهای سد، نرمافزار به هر قسمت در شبیهسازی سد یک رنگ مشخص را اختصاص داد. در مشبندی بدنه سد به دلیل حساسیت و اهمیت پایداری شیب بالادست در حالت همزمان تخلیه سریع مخزن و وقوع زلزله، پوسته بالادست، مش ریزتری برای هسته رسی ودر مقایسه با شیب پایین دست انتخاب شد.
شکل-2 هندسه و نحوه مشبندی مقطع عرضی سد در برنامه Quake/w
.3 نتایج و بحث
-1-3 نتایج آنالیز لرزهای شیب پاییندست در مرحله پایان ساخت
نحوه شبیه سازی سد و مطالعه رفتار لرزهای آن در بسته نرم افزاری Geostudio در شکل 3 نمایش داده شده است. جهت اعمال شتاب زلزله به سد از آنالیز تاریخچه زمانی با رکورد نرمال شده 0/3 شتاب ثقل استفاده گردید
