بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین معیار طراحی فیلتر سدهای خاکی و سنگریز برای هسته مرکزی متشکل از مصالح بادانه بندی مخلوط
چکیده :
فیلـتر یکـی از مهمترین بخش ها در طراحی بدنه سد خاکی می باشد. این ناحیه (فیلتر)بعنوان یک خط دفاعی مطمئن و تجربه شده جهـت جلـو گـیری از حمـل احتمالـی مصـالح هسـته کـه بوسیله نشت متمرکز (ناشی از ایجاد هر گونه ناپیوستگی) اتفاق افتاده ، مورد اسـتفاده قـرار مـی گـیرد. از آنجایـی که فیلتر یکی از قسمتهای پر هزینه در ساخت سدها می باشد لذا لازم است معیاری علمی و دقیق بـرای مشخصـات آن ارائـه گردد. از جمله خاکهایی که به فراوانی در طبیعت یافت شده و مناسب برای استفاده در هسته مرکزی سدها مـی باشـند، خاکهـای یخچالـی هستند که دارای دانه بندی گسترده می باشند. این خاکها دارای ذراتی در ابعاد لای ورس تا ابعادی در حد شن یا بزرگتر می باشند. این خاکها ممکن است در محدوده ابعاد ماسه گسسته بوده و یا مخلوط باشند.
از آنجائـی کـه تحقـیقات انجـام شـده توسط محققین قبلی برای این نوع خاکها بسیار محدود بوده و هماهنگی و اتفاق نظر در این زمیـنه وجـود نـدارد، پروﮊه حاضر با هدف ارائه معیاری جهت طراحی فیلتر خاکهای مبنا با دانه بندی مخلوط و دارای ۵۱ تا۰۴ در صد ریـز دانه در دانشکده عمران دانشگاه صنعتی شریف انجام شد. سپس با تجزیه و تحلیلهای لازم مقدار D15 فیلتر بحرانی برای خاکهای مبنا با دانه بندی مخلوط ارائه شد.
کلمات اصلی و مهم :
فیلتر – سد خاکی – دانه بندی گسترده – دانه بندی مخلوط - مصالح هسته
مروری بر مطالعات انجام شده قبلی در زمینه طرح فیلتر
بررسـی هـا نشـان داده است عمده خرابی سدهای خاکی در اثر نشت آب، آبشستگی مصالح و پدیده Piping می باشد. سدTeton در آمـریکا ، سـد Balderhead در شـمال انگلیس ، سد Nanak sagar در هند و سد Tarbela در پاکستان از جمله سدهایی مـی باشـد کـه بدلـیل عدم توانایی فیلتر در جلو گیری از شتشوی مصالح دچار خرابی شده اند ]۳.[ منظور از آبشستگی حمل تدریجی ذرات ریـز خاک توسط جریان آب از میان ترکها و خلل و فرج و حفرات می باشد. برای جلو گیری از پدیده آبشستگی و جلو گیری از خرابـی در سدهای خاکی عموماﹰ در پائین دست و بالا دست هسته مرکزی اقدام به ساخت فیلتر می شود. اگر فیلتر ایجاد شده فیلتری موفـق باشـد ، فقـط در لحظـات اولـیه ،مقداری از ذرات ریز خاک مبنا بطور کامل از فیلتر عبور کرده و شسته می شوند. به مرور زمان ذرات بزرگـتر خـاک مبنا در فضاهای مصالح فیلتر گیر کرده و این ذرات نیز، خاک مبنا را نگه می دارند و بدین صورت حالت پایدار در تمام سطح مشترک خاک مبنا بوجود می آید. شکل (۱) این وضعیت را نشان می دهد.
اگر فیلتر نتواند در مدت زمان کوتاهی حرکت ذرات ریز خاک را متوقف کند و در نتیجه قسمت قابل توجهی از ذرات ریز خاک مبنا شسته شود چنین فیلتری ناموفق عمل کرده است (شکل (۲)) ]۳.[
از قدیمترین روابط فیلتر می توان به روابط ترزاقی اشاره کرد .
برتـرام ولانـد نخسـتین افـرادی بودنـد که حدود کار برد معیار ترزاقی را مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار دادند. نتایج آزمایشات برترام مرز پایداری سیستم فیلتر و خاک مبنا (ماسه ریز) را در محدوده نشان می داد ]۱. [ لاند در سال 1949 مطالعـات آزمایشـگاهی خود را به منظور بررسی عملکرد فیلترهای شنی و ماسه ای برای خاکهای مبنای ماسه ای یکنواخت انجام داد.
مـرز پـایداری آزمایشـهای کـاملاﹰ موفـق در پائین و یا روی خط مرزی و آزمایشهای ناموفق در بالای خط فوق قرار گرفتند ]۷. [
مطالعـات USACE کـه در حـدود سـالهای ۱۴۹۱ تـا ۸۴۹۱ در مرکـز تحقـیقات آزمایشگاهی آغاز گردیده و در طی سالیان گذشته اصلاح شده همانند مطالعات ترزاقی بر اساس دو معیار نفوذ پذیری و پایداری می باشد]۱۱. [
مؤسسه USBR در فاصله سالهای ۷۴۹۱ تا ۵۵۹۱ تحقیقاتی برروی طراحی فیلتر سد های خاکی انجام داد.
مقادیر پیشنهادی USBR در جدول زیر نشان داده شده است .
کنی در سال ۵۸۹۱ با معرفی پارامتر Dc* (قطر بزرگترین ذره ای از خاک مبنا که می تواند از میان فیلتر باضخامت مشخص عبور کند) بـه بررسـی رفـتار فیلترها پرداخت. تحقیقات نشان داد که Dc* می تواند با توجه به دانه بندی بخش ریز دانه فیلتر ( D15 یا ( D5 تعیین شود. کنی برای خاکهای غیر چسبنده روابط زیر را پیشنهاد می کند ]۴: [
مطالعات نظری نشان می دهد که رفتار خاک مبنا را با بعد مشخصه ای مانند و رفتار فیلتر را با بعد مشخصه ای مانند مـی توان بیان کرد. در بسیاری از معیارها ی طرح فیلتر فرض بر این است که رابطه برقرار باشد. بر این اساس لافلر درسال ۹۸۹۱ رابطه کلی زیر را پیشنهاد کرد .
که بستگی به مشخصات و ویژگیهای خاک مبنا دارد. شرارد در فاصله سالهای ۱۸۹۱ تا ۲۸۹۱ آزمایشاتی را برای تعیین معیارهای طوح فیلتر انجام داد آزمایشات شرارد بدو تقسیم می شوند:
۱-آزمایشاتی که در آن خاک مبنا از ماسه با دانه بندی یکنواخت تشکیل می شد ]۸. [
شـرارد بـر اسـاس آزمایشـات خـود بـرای ایـن دسته از خاکها معیار D15F 9d85 B را پیشنهاد کرد. ضمن آنکه معیارهایی که بر اساس تعریف می شوند، مناسب نبوده و باید کنار گذاشته شوند.
۲-آزمایشاتی که در آن خاک مبنا از خاکهای رسی و سیلتی تشکیل می شد ]۹. [
شرارد با انجام آزمایشات شیاری و گل آب نتایج زیر را گزارش کرد:
۲-الف – برای رس ها و لای های ماسه دار که دارای d85 بین ۱/۰ تا ۵/۰ میلی متر می باشند استفاده از معیار محافظه کارانه و قابل قبول می باشد و پلاسیسیته خاک مبنا تأثیری بر طراحی فیلتر ندارد.
۲-ب - برای خاکهای رسی ریز دانه که دارای d85 بین ۳۰/۰ تا ۱/۰ میلی متر می باشند استفاده از فیلتر های ماسه ای یا ماسه ای شن دار کـه در آن D15 کوچکـتر از ۵/۰ میلـی مـتر، مـی باشد محافظه کارانه و قابل قبول است. پلاسیسیته و واگرایی رس، تأثیری بر دانه بندی فیلتر طراحی شده ندارد.
۲-ج - بـرای لای هـای ریـز دانـه بـا چسبندگی و پلاسیسیته کم که d85 بین ۳۰/۰ تا ۱/۰ میلی متر بوده و حد روانی کمتر از ۰۳ می باشد، استفاده از فیلتر های ماسه ای یا ماسه های شن دار دارای D15 کوچکتر از ۳/۰ میلی متر ، محافظه کارانه و قابل قبول می باشد.
۲-د - بـرای رس هـا و لای هـای بسـیار ریـز دانـه کـه دارای d85 کوچکـتر از ۲۰/۰ میلـی مـتر مـی باشند، آزمایش طرح فیلتر ، در آزمایشگاه باید انجام شود. به نظر می رسد فیلتری با D15 کوچکتر ا ز۲/۰ میلی متر ، محافظه کارانه است.
شـرارد در سـال ۹۸۹۱ بـا انجـام یـک سـری آزمایشـات تکمیلـی، آزمـایش فیلتر بدون فرسایش را پیشنهاد نمود . با انجام این آزمایش مشخصـات فیلـتری کـه از هـر گونـه فرسـایش جلوگـیری می نماید مشخص می شود . خلاصه نتایج آزمایشات شرارد بر اساس روش NEF به همراه خلاصه ای از مجموعه فعالیتهای انجام شده در ارتباط با طرح فیلتر در جدول (۱) آورده شده است ] ۳] [ ۰۱. [
بررسی و مطالعه نوع خاک مبنا] ۲۱[
انـتخاب مصـالح سـد خاکی و سنگریز بستگی به عوامل مختلفی دارد که مهمترین آنها عبارتند از ایمنی با توجه به پایداری و تراوش ، بهیـنه سـازی طرح با توجه به قابلیت دسترسی به مصالح و خصوصیات و فیزیکی آنها و برنامه اجرای ساختمان و مشخصات توپوگرافی و پـی سد . با توجه به مطالب ذکر شده ، مطالعه و بررسی برروی انواع خاکهای طبیعی و مصنوعی مورد استفاده در هسته مرکزی انجام شد که نتیجه آن نشان داد که دانه بندی هسته مرکزی بسیاری از سد های خاکی و سنگریزمرتفع دنیا دارای محدوده گسترده ای هستند
. از جملـه خاکهائیکه به فراوانی در طبیعت یافت می شوند خاکهای یخچالی هستند که دارای دانه بندی گسترده می باشند .این خاکها دارای ذراتـی در ابعـادلای ورس تـا ابعادی در حد شن وبزرگتر می باشد . این خاکها بطور وسیعی در ساخت هسته مرکزی سد های خاکی در جهان اسنفاده می شود . از چنین مصالحی در سد های کرخه و مسجد سلیمان استفاده شده است.
آزمایشاتی که در این تحقیق مد نظر گرفت آزمایش بر روی مصالح با دانه بندی مخلوط متشکل از شن ( با حد اکثر ابعاد یک اینچ ) ماسه و مصالح ریزدانه با ۵۱ تا ۰۴ درصدعبوری ازالک نمره بعنوان خاک مبنا می باشد.
بررسی و مطالعه نوع فیلتر ] ۲۱[
باوجود اینکه مصالح قرضه طبیعی مورد نیاز در تهیه زهکشها و فیلترها با سایر کاربردهای مصالح طبیعی از حجم کمی برخوردار است، معهـذا باتوجـه بـه نقـش ایـن گونـه مصالح درچگونگی بهره وری سیستم های زهکشی و ایمنی سدهای خاکی و سنگریز، نیاز است تا مشخصات و خصوصیات فنی اینگونه مصالح بدقت مورد ارزیابی و بررسی قرار گیرد.
عـدم توجـه بـه تعیین مشخصات فنی و ارزیابی اولیه خواص مصالح قرضه مورد نیاز در ساخت فیلترها، باعث ایجاد مشکلات متعدد در طول دوره بهره برداری پروﮊه ها شده و بطور کلی ممکن است راندمان و ایمنی سازه را درحد غیرقابل قبولی کاهش دهد.
باتوجه به مشکلات گفته شده مشخصات فیزیکی ومکانیکی مصالح فیلتر شامل مقاومت فشاری، شاخص دوام، زبری، پوشش سطحی، تخلخـل، فعـل و انفـال شـیمیایی و شـکل ذرات بـاید مورد بررسی قرارگرفته و جدایی در ذرات فیلتر اتفاق نیفتاده و چسبندگی در بین ذرات وجود نداشته باشد.
لذا برای آن که فیلترهای مورد آزمایش شرایطی متناسب با فیلترهای متداول در سدهای خاکی داشته باشند و بطورکلی مشخصات فنی و عملکـرد مناسـبی داشـته باشند فیلترهایی با ضریب یکنواختی و دانه بندی مختلف انتخاب شدند. با مطالعه و بررسی فیلترهای سدهای خاکـی و سـنگریز موجود در ایران و جهان مشاهده شد که ضریب یکنواختی اکثر فیلترها در محدوده ۳ تا ۲۱ قرار گرفته است. بهمین لحـاظ فیلترهای بسیار یکنواخت با Cu=3 ، فیلترهای در مرز خوب دانه بندی شده و یکنواخت با Cu=6 و فیلترهای خوب دانه بندی شده با Cu=11 انتخاب شده ومورد آزمایش قرار گرفتند.
آزمایشات فیلتر بدون فرسایش جهت تعیین معیار طراحی در خاکهای با دانه بندی مخلوط
از آنجایـی کـه شـرایط آزمایش NEF بسیار محافظه کارانه می باشد، زیرا اولاﹰ در این آزمایش فرض شده که هسته سد ترک خورده باشد، ثانیاﹰ نمونه خاک تحت گرادیان هیدرولیکی بسیار بالا قرارمی گیرد که چنین گرادیان هیدرولیکی ممکن است به ندرت در هسته بوجـود آیـد، همچنیـن ایـن آزمـایش قـابل اسـتفاده برای انواع خاکها می باشد، در این تحقیق از روش NEF (NO EROSION FILTER) بـرای آزمایشـات اسـتفاده شد که در سال ۹۸۹۱ توسط شرارد و همکارانش پیشنهاد گردید. شکل (۳) دستگاه بکار رفته در این تحقیق را نشان می دهد.
روش سـاخت نمونه بدین ترتیب است که در قسمت تحتانی دستگاه مقداری شن درشت ریخته و روی آن توری ریزی، قرار می گیرد تـا از حرکـت دانـه هـای ریـز فیلـتر بـه طـرف سـوراخ جلوگـیری کند. سپس دانه های فیلتر در چهار لایه ۱ اینچی ریخته می شود. در بالاترین لایه فیلتر از ماسه ریز به عنوان مواد جداره ای استفاده می شود تا مانع شسته شدن ذرات خاک مبنا از مجاورت جداره دستگاه گـردد. سـپس خـاک مبـنا در سه لایه ریخته شده و هر لایه در حد تراکم پراکتور استاندارد کوبیده می شود. برای ایجاد سوراخ درون نمونـه خـاک مبـنا، از مـیله ای بـه قطـر ۵ تـا ۰۱ میلیمتر استفاده شده است که قبل از ریختن خاک مبنا در وسط آن گذاشته شده و بعد خـاک مبنا ریخته و کوبیده می شود. بعد از کوبیده شدن هر سه لایه، میله به آرامی بیرون کشیده شد و سوراخ ۵ تا ۰۱ میلیمتری ایجاد مـی گـردد. روی مجموعه را با شن پرکرده و درپوش گذاشته شده ، محکم می گردد. پس از آن دستگاه به آب شهر با فشاری حدود
4 kg وصـل مـی شـود. بـا گذاشـتن ظرفی در زیر سوراخ خروجی می توان دبی خروجی و وزن مواد شسته شده و عبوری
