بخشی از مقاله
چکیده
مسئله شکست و گسترش ترک یک موضوع مهم و ضروری در سدهای خاکی می باشد که با یک تعریف کلی از آن حجم آبی که از مخزن یک سد از دست می رود و نمی توان ازآن استفاده کرده و آن را مدیریت کنیم که در صورت تجاوز از مقدار معینی امکان خرابی وشکست در سد وجود دارد لذا دراین راستا نرم افزارهای زیادی برای پیش بینی و محاسبه نشت تهیه گردیده اند که نسبت به مدل های آزمایشگاهی به زمان و هزینه کمتری برای آنالیز شکست و گسترش ترک قبل از احداث سد خاکی نیاز دارند. از آن جا که تغییر شکل در تمام سازهها نمادی از پایداری یا عدم پایداری میباشد، لذا در این مقاله شکشت و گسترش ترک در سدهای خاکی با هسته رسی قائم ارزیابی شده است.
.1 مقدمه
با توجه مطالعاتیکه معمولاً قبل از ساخت سد صورت می گیرد، همیشه نمی توان رفتار هیدرولیکی بدنه سد و یا تشکیلات زمین شناسی مجاور آن را به دقت پیش بینی کرد، بنابراین احتمال وقوع نشت یا نفوذ پس از ساخت سد تقرباًی قطعی به نظر می رسد. شدت نشت و یا نفوذ در بسیاری از موارد تا زمانی که ایمنی سد به خطر نیفتاده است قابل قبول می باشد. از نقطه نظر ایمنی بررسی خطرات ناشی از نشت و نفوذ به علت پیچیدگی ذاتی در خصوصیات آنها حائز اهمیت می باشد، بسیاری از مخازن سدهای ساخته شده در جهان دارای نشت می باشند، این نشت ممکن است از تشکیلات زمین شناسی ساختگاه سد یا پی سد و یا از خود جسم سد اتفاق افتد.
و از عواقب سوء نشت می توان به مسائل اقتصادی، گرادیان هیدرولیکی بالا که منجر به پدیده هایی نظیر رگاب یا جوششو افزایشفشار آب منفذی که منجربه کاهش تنش موثر می شود اشاره کرد. اکنون نرم افزارهای در دسترس هستند که در زمینه شبیه سازی و مدل نمودن سدهای خاکی بسیار خوب عمل کرده و بدلیل سهولت کاربری،کاهش هزینه ها و زمان و پی بردن به مساله نشت قبل از احداث سد مورد توجه بسیاری از مهندسان فعال در این زمینه قرار گرفته است.
در سدهای خاکی ناحیه بندی شده، برای جلوگیریاز تراوش از بدنه سد معمولاً یک هسته خاکی ناتراوای متراکم مرکزی یا شیبدار به سمت بالادست و یا هسته رسی مخلوط ایجاد می گردد. ابعاد هسته بستگی به قابلیت دسترسی و خواص مصالح محل یا نزدیک آن، و نیاز به جلوگیری از گرادیانهای تراوشی بالا خواهد داشت. هسته سد خاکریز به صورت هسته رسی غلتک خورده یا یک ناحیه غیرقابل نفوذ مثل پوششی ضخیم یا دیافراگمی نازک یا ورقه های چوبی، فولادی، آسفالتی یا مصالح بنایی اجرا می شود. آب در حین عبور از هسته سد به دلیل نفوذپذیری بسیار کم، مقدار زیادی از انرژی پتانسیل خود را بدلیل اصطکاک از دست می دهد و در نتیجه مقدار نشت نیز به تناسب کاهش می یابد.
سد های خاکی باتوجه به شکل و موقعیت هسته به سه دسته تقسیم می شوند.هسته قائم مرکزی، هسته کمی مایل و هسته مایل. در شرایطی که سطح پایین دست هسته دارای شیب 1V:0.5H یا بیشتر به سمت بالادست باشد، هسته کمی شیبدار تلقی می شود. هسته وقتی کاملاً شیبدار تلقی میشود که پوسته پاییندست و هسته دارای شیب خودپایدار در حدود 1V:1.25H یا کمتر باشد.
شیب بالادست هسته مایل همواره ملایم تر از پاییندست آن انتخاب می شود، تا هسته مانع از بروز گرادیان هیدرولیکی بالا و پدیده رگاب گردد تا عرض هسته افزایش یابد. کاربرد هر کدام از هسته های رسی مایل یا قائم در یک سد خاکی تأثیر خاص خود را بر رفتار سازهای سد بر جای می گذارد که ممکن است بسته به موقعیت و وضعیت سد، این تأثیرات مثبت یا منفی باشند.
.2مدلسازی با نرم افزار المان محدود
در رابطه با شکست و گسترش ترک سدهای خاکی با هسته رسی قائم، مطالعات بسیاری با استفاده از تحلیل عددی انجام گرفته است، ولی پژوهشهای کمی در رابطه با رفتار سدهای خاکی با هسته رسی مایل صورت پذیرفته است. سدهای خاکی با هسته مایلکه عموماً متشکل از یک هسته خاکی غیرقابل نفوذ - یا کم نفوذپذیر - شیبدار و بدنه سنگی می باشند.
همواره سدسازی یا بندسازی به عنوان یکی از مهمترین فعالیتهای مهندسی مطرح بوده است بطوریکه ساکنین مناطق مختلف بنا به شرایط جغرافیایی و ضرورتهای ایجادشده نسبت به احداث سدها یا آبگیرهای مختلف با مصالح و مشخصات گوناگون، اقدام نموده اند. طراحی و ساخت سدهای خاکی از جمله مواردی است که قدمت آن به چندین هزار سال میرسد و در بسیاری از کشورهای خشک و نیمه خشک از جمله کشور ما ایران در این زمینه تجربیات زیادی موجود است.
علیرغم تمام تجربیات در طراحی و ساخت این سدها، تا کنون پیشرفت آنچنانی در طراحی و ساخت سدهای با هسته مایل حاصل نگردیده است که این امر می تواند ناشی از عدم وجود تحقیقات لازم و کافی در این زمینه باشد. طراحی و ساخت اولین سدهای خاکی مدرن در ایران به جنگ جهانی دوم بر میگردد. در آن سال کارهای مطالعاتی در زمینه ذخیره سازی و انحراف آب جهت استفاده در پروژه های آبیاری مدرن و نیز احداث شبکه های آبیاری مدرن در پاییندست سدهای مخزنی مورد توجه قرار گرفت. این مطالعات در دهه 20 شدت گرفت و وارد مرحله اجرا شد.
در رابطه با شکست و گسترش ترک سدهای خاکی با هسته رسی قائم، مطالعات بسیاری با استفاده از تحلیل عددی انجام گرفته است، ولی پژوهشهای کمیدر رابطه با رفتار سدهای خاکی با هسته رسی مایل صورت پذیرفته است .
امیرحسین کاربر و عباس سروش در سال 1389 با انتخاب سد خاکی سد بیدواز - که دارای هسته مایل می باشد - ، بعنوان مطالعه موردی، ابتداسد را توسط نرمافزار Geo-studio مدلسازی کردند. سپس با ایجاد تغییرات در هندسه، هسته را بصورت قائم مدل کردند و نتایج دو حالت را مورد مقایسه قرار دادند. نتایج به دست آمده از تحلیل استاتیکی حاکی از آن بود که مقادیر تغییر شکل و تنش در سد با هسته مایل در مقایسه با هسته قائم و فشار آب حفرهای در سد با هسته قائم در مقایسه با هسته مایل بیشتر است
لو و همکارن در سال 2015 به پایداری شیروانی سد در مراحل نامبرده با استفاده از نرمافزار المان محدود Plaxis پرداختند. به منظور انتخاب مدل مناسب برای مدلسازی سد، با استفاده از مدلهای موجود در نرم افزار تحلیل انجام و با نتایج بدست آمده از واقعیت مقایسه شده است. مقایسه نتایج حاصل از مدل با استاندارد گروه مهندسین ارتش آمریکا موید پایداری شیروانی ها می باشد دراین مقاله تغییر شکلهای ایجاد شده درهنگام زلزله درسدهای خاکی با هسته رسی قائم و مایل ارزیابی با یکدیگر مقایسه شده اند نتایج نشان می دهد یکی از اصول درطراحی دینامیکی سدهای خاکی فرض وجود شرایط کرنش مسطح و درنظرگرفتن مقطع نمونه دوبعدی جهت انالیز دینامیکی است.
رضوان نایبزاده در سال 1389 سد گاوشان را بعنوان مطالعه موردی انتخاب و با استفاده از نرمافزار Geo-studio تغییراتی در ضخامت وشکل هسته انجام داد و به بررسی ترک هیدرولیکی تحت تأثیر شکل هسته رسی بر روی رفتار سد خاکی گاوشان پرداخت و بدین نتیجه رسید که برای طراحی سد با عرض هسته یکسان، هسته مایل شرایط مطلوبی را از نقطه نظر تنش، تغییر شکل و مقاومت در برابر ترک هیدرولیکی نشان می دهد
آرمان نجفی، حسین بنکداری و احمد طاهر شمسی در سال 1390به ارزیابی تئوریک نقش هسته های رسی مایل و قائم در پایداری دینامیکی و شبه استاتیکی سدهای خاکی با استفاده از نرمافزار Plaxis پرداختند و به این نتیجه رسیدند که یک سد خاکی با هسته رسی مایل رفتار دینامیکی پایدارتری نسبت به یک سد خاکی با هسته قائم دارد
دونگ و همکاران در سال 2013با استفاده از مدل اجزای محدود، به ارزیابی نقش شیب هسته در جریان نشت ناپایدار از بدنه سد پرداختد. آنالیز تراوش در سدهای خاکی یکی از عوامل مهم در پایداری و ایمنی سد محسوب می گردد. تخمین مقدار دبی تراوش یافته از بدنه سد در شرایط مختلف هیدرولیکی، از جنبه های فنی و اقتصادی بسیار حائز اهمیت است. زیرا جریان آب در بدنه و پی سد باعث به وجود آمدن فشار آب حفره ای و نیروهای تراوش می شود.
اگر مقدار این نیروها بیش از حد مجاز باشد، پایداری سد به دلیل پدیده هایی مانند جوشش و رگاب به مخاطره میافتد. از آنجا که هسته مرکزی در سدهای خاکی غیرهمگن، وظیفه اصلی آب بندی و کنترل تراوش از بدنه سد را به عهده دارد، لذا تعیین شیب مناسب هسته می تواند ایمنی سد را در برابر عوامل یاد شده افزایش دهد. با توجه به اینکه محتمل ترین زمان برای تخریب یک سد، زمان آبگیری اولیه و یا زمان افت ناگهانی سطح آب در مخزن می باشد، بنابراین بررسی رفتارسد در این حالات از ضرورتهای یک طراحی صحیح می باشد
یانگ و چی در سال 2014 از روش تجزیه و تحلیل المان محدود برای ارزیابی ثبات لرزه ای سدهای خاکی توسعه یافته استفاده کردند. رویکرد تجزیه و تحلیل شبه استاتیک برای تعیین مرزهای بالایی و پایینی ضرایب لرزه ای برای پایداری سدها به کار گرفته شد. نیروی به هم پیوسته در خاک در نظر گرفته شده، و مواد سنگریزه فرض بر این است که به پیروی از معیار شکست موهر-کولمب و قانون جریان در ارتباط است.
نتایج نشان می دهد که مرزهای دقیق بالا و پایین رابطه بسیار نزدیک برای مواد سنگریزه با زاویه اصطکاک داخلی بزرگ دارد همچنین نشان می دهد که با افزایش سرعت احداث سد ، ضریب اطمینان در پایان ساخت ، کاهش می یابد و نرخ این کاهش با افزایش شیب ، کم می شود . در سدهای با شیب کمتر، با افزایش سرعت خاک ریزی از روند نزولی ضریب اطمینان ، کاسته می شود. همچنین افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک پوسته در پایداری سد نقش مهمی دارد. اثر تغییرات ضرایب میرایی رایلی نیز بررسی شد.
.3مدلسازی و تحلیل نتایج
نرم افزار افزار پلاکسیس یک برنامه اجزای محدود است که ازروش غیرصریح برای مدل سازی عددی استفاده می کند. برنامه های اجزای محدود نرم افزاراغلب ماتریس اجزا را ترکیب کرده و یک ماتریس سختی کل می سازند. به عبارتی حوزه ی تعریف تابع ازتعداد متناهی المان با تعدادثابتی گره تشکیل شده است
