بخشی از مقاله
خلاصه
عملکرد مناسب سدهاي سنگریزهاي در زلزلههاي اخیر موجب افزایش گرایش به ساخت این نوع سد در دهه هاي اخیر شده است.تراکم مناسب سنگدانه ها موجب پایداري و عدم وجود ریزدانه ها در بدنه ي سد موجب کاهش خطرات ناشی از افزایش فشار آب حفره اي در این سدهاست. سدهاي سنگریزه اي با رویه بالادست بتنی - CFRD - از جمله انواع سدهاي سنگریزه ایست که از رویه اي بتنی در بالادست به عنوان عنصر نفوذناپذیر بهره می گیرد. بررسی تماس بین رویه ي بتنی و بستر سنگریزه اي بدلیل مدول الاستیک متفاوت دو مصالح در تماس و لغزش احتمالی در سطوح تماس حائز اهمیت است؛ خصوصا که در بارهاي دینامیکی احتمال جدایی بین رویه ي بتنی و بدنه ي سنگریزه اي سد وجود دارد.
در این مقاله سعی شده است رفتار لرزه اي سدهاي سنگریزهاي با رویه بتنی تحت زلزلههاي مختلف در نرم افزار المان محدود آباکوس مدلسازي شود. رفتار بتن تحت بارگذاري سد الاستوپلاستیک فرض شده است و از مدل رفتاري موهر-کولمب براي مصالح سنگریزه اي استفاده شده است. در نتیجه گیري وضعیت سطوح تماس پس از اعمال بار زلزله بررسی خواهد شد. نتایج نشان می دهد بیشترین میزان جاري شدگی در تاج سد و مرکز آن اتفاق افتاده است که نیاز به انجام تقویت در این بخش را نمایان می نماید. بیشترین میزان تنش فشاري در روکش بتنی در محل تکیه گاه مشاهده شده است. میزان تغییرمکان عمودي ایجاد شده، زیاد و حدود 3/6 متر است که با توجه به بدنه سنگریزه اي سد و امکان ریزش در داخل آن چندان دور از انتظار نیست. روکش بتنی در بخش جلویی سد تا حدودي این نشست را کنترل می کند.
کلمات کلیدي: تحلیل دینامیکی ، اندرکنش خاك و سازه ، دال بتنی ، CFRD، بتن الاستوپلاستیک
.1مقدمه
ساخت سدهاي خاکریزي - خاکی - به دلیل عدم وابستگی به بستر وشکل دره خاص و نیز تکنولوژي ساخت ساده تر در سالهاي اخیر بیش از انواع دیگر سدها - سدهاي بتنی - مورد توجه قرار گرفته است . در این راستا سدهاي سنگریزه اي به جهت پایداري بیشتر بدنه و نیز در دسترس بودن مصالح سنگی به جاي مصالح خاکی در بعضی سایتهاي خاص به عنوان جایگزین مناسبی براي سدهاي خاکی محسوب می شوند . از طرف دیگر چون نفوذ پذیري مصالح سنگی بسیار بالاتر از سایرمصالح است، لذا روشهاي مختلفی براي آب بندي این نوع از سدها به کار می رود . یکی از این روشها استفاده از پوشش نفوذ ناپذیر بتن آرمه در بالا دست این سدهاست که نوع خاصی از سدهاي سنگریز را با تشکیل می دهد.
بدنهي سدهاي سنگریزهاي با رویه بتنی مانند سدهاي خاکی از محدودهاي از دانهبندي مختلف تشکیل یافته است. اما ابعاد دانههاي آن نسبت به بدنهي سدهاي خاکی درشتتر است. شیب بالادست و پاییندست این سدها معمولا تندتر از سدهاي خاکی انتخاب میشود زیرا از پایداري بیشتري نسبت به سدهاي خاکی برخورداراند. بنابراین مقدار مصالح خاکی و سنگی مصرفی در آنها کمتر است. عنصر نفوذناپذیر در CFRDها رویهي بتنی است و به دلیل اهمیت عملکردش باید مورد توجه ویژه قرار گیرد.در شکل زیر مقطع و نماي سد مسوچورا به عنوان نمونه اي از سدهاي سنگریزه اي با روکش بتنی نمایش داده شده است.براي بیشتر سدهاي سنگریزهاي با رویهي بتنی ساخته شده در سالهاي اخیر، طراحان تحلیل پایداري انجام ندادهاند و شیبهاي جانبی بر پایه تجارب و بدون محاسبه انتخاب شده است.
بر اساس یک قاعدهي کلی شیب جانبی را میتوان برابر با شیب پایدار یک دپوي خاکریزي از مصالح بدنه انتخاب کرد. این شیبها عمدتا در حدود 1:1/3 تا 1:1/4 - افقی : قائم - میباشند.پایداري این سدها در برابر بارگذاري زلزله از جمله موضوعاتی که اخیرا توسط محققین مورد بررسی قرار گرفته است. یک روش مناسب براي بررسی رفتار این سدها استفاده از روش اجزاي محدود است. مطالعات محققین گذشته نشان داده است که شبیه سازي اجزاي محدود می تواند رفتار سدهاي سنگریزه اي با پوشش بتنی را به نحو مناسبی پیش بینی نماید.شبیه سازي دقیق رفتار نیازمند مدلسازي دقیق هندسه، مصالح، بارگذاري و شرایط تکیه گاهی و اندرکنش هاي موجود و مش بندي با ابعاد مناسب است.بدین منظور در این گزارش به بررسی مدلهاي رفتاري مناسب براي بتن و سنگریزه و نحوه مدلسازي در نرم افزار اجزاي محدود اباکوس پرداخته خواهد شد.
.2 مروري بر ادبیات موضوع
گا و جیان-مین در سال [1] 2009 مدلسازي عددي اندرکنش خاك- سازه را در یک سد سنگریزه اي با روکش بتنی مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق یک المان اندرکنشی با آسیب الاستیک-پلاستیک براي شبیه سازي جداشدگی و تماس مجدد روکش بتنی با سطح سنگریزه اي سد مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از آزمایشات برش مستقیم و لغزش بلوك، المان ارایه شده صحت سنجی شد. در گام بعد مدلی با استفاده از این المان در شبیه سازي اندرکنش ساخته شده است که در شکل 8-2 قابل مشاهده است. رکورد زلزله به صورت شتاب به سد اعمال شده است. نتیجه گرفته شد که
اندرکنش درنظر گرفته شده تاثیر قابل توجهی بر دقت شبیه سازي سد خواهد داشت .[1]
بین و همکاران در سال [2] 2012 شبیه سازي سه بعدي سد سنگریزه اي با روکش بتنی زیپینگ پو را با استفاده از مدل پلاستیسیته عمومی شده در حین ساخت انجام دادند. هدف از انجام این تحقیق بررسی وضعیت تنش-کرنش در سد قبل از وقوع زلزله بوده است. سد مورد بررسی در سال 2008 تحت زلزله اي قدرتمند قرار دا شته ا ست. یک مدل پلا ستی سیته عمومی سازي شده براي بهتر مدل کردن بخش سنگریزه اي ا صلاح شده ا ست. المانهاي باضخامت صفر براي شبیه سازي اندرکنش بین دال بتنی و سنگریزه مورد استفاده قرار گرفته است. مراحل گام به گام ساخت سد و آبگیري مخزن آن در مدلسازي عددي شبیه سازي شده است. نتایج شبیه سازي انطباق مناسبی با مقادیر اندازه گیري شده در پایش سد در نقاط متفاوت داشته است.
روند شبیه سازي پیشنهاد شده در این تحقیق تغییرشکل توده سنگریزه ناشی از خزش را درنظر نمیگیرد و بنابراین ممکن است تغییرشکل و تنشهاي ایجاد شده در دال بتنی را کمتر از مقادیر واقعی پیش بینی نماید. به علاوه، فرض رفتار سنگریزه بدون درنظر گرفتن اثر ذرات بسیار بزرگ می تواند نشست سدو تنش در دال را کمتر از مقدار واقعی پیش بینی نماید .[2]جون و همکاران در سال [3] 2014 آزمایشات میز لرزه اي بر روي مدل درشت مقیاس سد سنگریزه اي با روکش بتنی انجام دادند. در این تحقیق چهار روش مقاوم سازي مورد بررسی قرار گرفت که عبارتند بود از:
-مقاوم سازي ناحیه بالایی با ژئوگرید
-محافظت از سطح شیب بخش پایین دست با با بلوك سنگی
-جایگزینی ناحیه بالایی سد با مصالح سنگریزه که در آن سیمان تزریق شده
-جایگزینی ناحیه بالایی سد با لایه بتنی
مودهاي خرابی در هر مورد مورد بررسی قرار گرفت. مکانیزم هاي مقاوم سازي ذکر شده با جزییات مورد تحلیل قرار گرفت. با مقایسه نرخ نشست تاج سد، شتاب شروع جاري شدن سطح دانه اي، شکست دال بتنی و جابه جایی آن، موثر بودن آنها مورد قضاوت قرار گرفت. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که روشهاي مقاوم سازي مورد استفاده می تواند یکپارچگی سد را افزایش داده و تغییرشکلهاي آن را به طور قابل توجهی کاهش دهد.محافظت از شیب در پایین دست سد می تواند به طور موثري لغزش دانه هاي سنگ در سطح پایین دست را کاهش دهد و شتاب شروع خرابی را افزایش دهد. تحت شتاب هاي کم، محافظت از شیب پایین دست نرخ نشست تاج سد را نیز کاهش می دهد، اما در شتاب هاي بالا ریسک امکان لغزش لایه پوشش وجود دارد و در صورت بروز این امر، این روش مقاوم سازي بی نتیجه خواهد بود .[3]
.3 شبیه سازي اجزاي محدود
روش اجزاي محدود، روشی عددي براي حل مجموعه از معادلات حاکم بر سیستم هاي فیزیکی پیوسته است . براي اینکه هر جسم در روش المان محدود تحلیل شود ابتدا می بایست آن را به اجزاي کوچکتري که المان - Element - نامیده می شود تقسیم کنیم. این اجزا یا المانها، در تعداد نقاط محدودي به هم اتصال پیدا میکنند که به آنها گره - Node - گفته می شود. معادلات حاکم بر حرکت هر یک از نودها بدست آورده و به صورت همزمان - چند معادله ي چند مجهولی - حل می شود و در آخر با تحلیل جواب هاي عددي معادلات ، نتایج مورد نظر بدست می آیند. با بدست آمدن حل عددي معادلات حاکم بر هریک از نودهاي اطراف یک المان، رفتار آن المان مشخص می شود و در آخر با کنار هم قرار دادن نتایج حاصل از همه ي المانها، رفتار یک سیستم فیزیکی تحت عملی خاص بدست می آید.
از آنجا که سیستم فیزیکی به المانها و گره ها تقسیم می شود، همه ي بارها و اثرات خارجی - شرایط مرزي - نیز می بایست تبدیل به مقادیر گره اي و المانی شوند. نیروهاي متمرکزي چون F بر یک نود اعمال می شوند اما نیروهاي فشاري چون P به صورت مساوي به هر یک از نودهاي محدوده اثر، اعمال خواهند شد. از آنجا که این محاسبات عددي هستند و میزان خطاي آنها بسیار مهم است باید گفت تا اینجا حداقل دو منبع خطا شکل گرفتند،اول اینکه حل در نظر گرفته شده با کمک المانها با مقادیر واقعی آن دقیقا مطابقت نمی کند. هر چه المان در نظر گرفته شده مناسبتر باشد ،میزان خطاي محاسبات کمتر خواهد بود.
خوشبختانه بسیاري از حل ها با کوچکتر کردن اندازه ي المان دقیقتر می شوند.اما همیشه اینگونه نخواهد بود .خطاي بعدي ،میزان دقت معادله ي جبري است که ما ادعا می کنیم بر شرایط فیزیکی حاکم است.اصطلاح اجزاء محدود اولین بار توسط Clough در سال1960جهت حل مسائل الاستیسیته دو بعدي به کار گرفته شد، هرچند اولین شخصی که از این روش در حل مسائل پیچش استفاده نمود کورانت - Courant - در سال 1943 است. از آن پس در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه1970برنامه هاي کامپیوتري گوناگونی نظیر ANSYS,NASTRANو MARCکه از روش اجزاء محدود براي تحلیل استفاده میکنند شکل گرفت. با پیشرفت روز افزون سرعت کامپیوترها استفاده از این روش بسیار مناسبتر و مقرون به صرفه شد.
امروزه در سراسر جهان هزاران مهندس و محقق در هر روز براي تحلیل مسائل مختلف از این ابزار نیرومند استفاده میکنند .در روش اجزاء محدود غالباٌ مسائل فیزیکی به کمک معادلات دیفرانسیل حاکم بر سیستم و با کمینه نمودن انرژي پتانسیل حل میشوند. روش کار بدین صورت است که کل مدل هندسی به اجزاء کوچکتري به نام المان تقسیم میشود، هر المان خود داراي گرههایی است که مقادیر ورودي - بارگذاري و شرایط مرزي - و خروجی - نتایج - به آنها اختصاص داده میشود .روش اجزاي محدود روشی است که بسیاري از نرم افزار هاي تجزیه و تحلیل مهندسی همچون انسیس ،آباکوس و نسترن از آن بهره می برند.
