بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از عوامل مهم و تاثیرگذار در پایداری سدهای وزنی و طراحی آن، میزان بار برکنش3 و نحوه ی توزیع آن در زیر این نوع از سدها می باشد. آیین نامه های مختلف با توجه به پارامترهایی نظیر میزان ارتفاع آب در مخزن سد و نیز عمق آب در پایاب، یک توزیع چند خطی را برای بار برکنش در زیر سد در نظر می گیرند. در این تحقیق، مدل سازی از چند سد وزنی از نوع پاین فلت4 به همراه پی و با ارتفاع های مختلف، با استفاده از روش اجزای محدود در محیط توامان تراوش و تنش، به منظور حساسیت سنجی اینگونه توزیع ها نسبت به ارتفاع سد صورت گرفت. در کلیه تحلیل ها، بدنه ی سدکاملاً نفوذ ناپذیر در نظر گرفته شده است. همچنین توده سنگ پی به صورت یک محیط همگن و همسان فرض شده و متناسبا به آن نفوذ پذیری های مناسب اختصاص داده شده است تا مسأله ی تراوش آب در محیط پی، به طور کامل مدلسازی شده و میزان فشار منفذی در هرنقطه از آن در حالت های حضور و عدم حضور پرده تزریق به صورت دقیق با در نظر گرفتن اندر کنش هیدرو مکانیکال دو میدان تنش و تراوش محاسبه شود.
از مقایسه ی بین تنش های ایجاد شده در محل اتصال سد و پی در این مدل ها، با تنش های حاصل از توزیع بار برکنش مطابق آیین نامه ی US-ACE که یکی از پیشرو ترین مراجع در این امر می باشد، در زیر سد، مشخص شد که میزان خطای این گونه الگوهای رایج با ارتفاع سد رابطه ی مستقیم دارد. به طوریکه با افزایش ارتفاع سد میزان خطای مربوط به تنش در بخش حساس شالوده سد حتی تا 12 برابر خطای قابل انتظار در سدهای کوتاه تر نیز افزایش پیدا می کند. این مساله در برخی موارد می تواند ایمنی سد را کاملا تحت تاثیر قرار دهد. این تحقیق ضرورت استفاده از روش های دقیق تر در برآورد میزان بار برکنش در زیر سدهای وزنی بلند را نشان می دهد.
کلمات کلیدی: بار برکنش، آیین نامه، سد وزنی بلند ، اجزای محدود
1.مقدمه
سد یک سازه بسیار مهم و حساس است. از اینرو طراحی و ارزیابی پایداری آن در برابر پدیده های مخرب از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. یکی از نیروهایی که در جهت ناپایداری سد عمل می کند نیروی برکنش می باشد. این نیرو در اثر اختلاف هد بین دو سمت سد و جریان یافتن آب درون پی ایجاد می شود. این فشار بر زیر بدنه ی سد نیروی بزرگی به سمت بالا اعمال می کند که می تواند موجب کاهش تنش موثر نرمال و حتی جدا شدن سد از پی و در نتیجه لغزش آن شود.[1] لذا برآورد این نیرو و کنترل آن یک پدیده ی تاثیرگذار در طراحی سد به خصوص سدهای وزنی به شمار می رود. روش های مختلفی برای تخمین و محاسبه ی برکنش تدوین یافته است.
الگوهای پیشنهادی توزیع برکنش در آیین نامه های اداره ی مهندسی ارتش آمریکا، کمیته آبادانی و کمیسیون فدرال سیاستگذاری انرژی، از رایج ترین این روش ها می باشند. آیین نامه اداره ی مهندسی ارتش آمریکا [2] یکی از پیشرو ترین مراجع در این امر می باشد که با توجه به میزان هد آب و حضور یا عدم حضور پرده زهکشی و پرده ی تزریق درون پی توزیعی چند خطی را برای میزان بار برکنش در زیر سد پیشنهاد می کند. در این تحقیق بر آن شدیم تا با استفاده از روش متداول و کاربردی اجزای محدود، یکروش مدلسازی با رعایت اثر متقابل میدانهای تنش و فشار در پی را جهت برآورد میزان بار برکنش درون پی سد بکار گرفته و بر اساس آن، حساسیت الگوهای آیین نامه ای برکنش نسبت به ارتفاع سد را مورد ارزیابی قرار دهیم.
.2 تئوری های حاکم
-1-2 معادله ی حاکم بر پدیده تراوش معادله ی تراوش دوبعدی در حالت کلی به صورت زیر قابل ارائه است:[3]
که در آن h مقدار تراز آب، kx وky ضرایب نفوذپذیری در جهات xوy، و Ss ضریب ذخیره مخصوص می باشد.
-2-2 اندرکنش هیدرومکانیکال بررسی نقش درزه ها در پی های سنگی سدهای بتنی به منزله ی تنها مجاری جریان بر روی رفتار هیدرولیکی و ناپایداری های احتمالی در پیبسیار اهمیت دارد.[4] وجود مخزن سد و حجم عظیم آب در تماس با پی در کنار هد زیاد آن، نشت جریان درون محیط توده سنگی پی را به همراه دارد. حرکت آب در توده سنگ علاوه بر آثار بسزایی که در پایداری آن دارد، مکانیزم های گسیختگی این محیط را نیز بسیار پیچیده می کند. در بحث هیدرولیکی توده سنگ، جریان سیال عبوری از درزه ها به صورت تابعی از بازشدگی آن ها تعریف می شود . درزه ها نیز در اثر سیستم تنش اعمالی از سوی سازه های متکی بر توده سنگ، باز یا بسته می شوند.
باز و بسته شدن دهانه ی ناپیوستگی ها با توجه به اینکه مجرای جریان محسوب می شوند، باعث به وجود آمدن تغییراتی در نفوذپذیری می شود که خود توزیع خطوط هم پتانسیل و در نتیجه نیروهای حاصل از تراوش را دستخوش تغییر می سازد. از طرفی نیروهای جدید حاصل از تراوش باعث بازتوزیع مجدد تنش های مؤثر می شود که آن هم به نوبه ی خود عامل تغییر در بازشدگی درزه ها است. این فرآیند را اندرکنش هیدرومکانیکال می نامند و تا رسیدن به همگرایی ادامه پیدا خواهد کرد.[5] لذا به منظور بررسی دقیق تر مقادیر فشار منفذی درون پی و زیر سد، در نظر گرفتن این اندرکنش در مدلسازی های عددی می تواند نقش موثر و مثبتی را ایفا کند.[6]
.3 مدلسازی عددی پیشرفته و صحت سنجی آن
به منظور مدلسازی مناسب بار برکنش به روش اجزای محدود در این تحقیق از نرم افزار Abaqus 6.11 بهره گرفته شده است. این نرم افزار توانایی انجام گستره ی وسیعی از انواع تحلیل ها و مدلسازی واقعی بسیاری از پدیده ها را با استفاده از روش اجزای محدود دارد. در مورد پدیده ی برکنش و مدلسازی آن، این نرم افزار تا حد مطلوبی قابلیت تحلیل اندرکنش هیدرومکانیکال در محیط تحت تراوش را نیز دارا می باشد.[7] لذا می تواند جواب های قابل اعتمادی را در این زمینه ارائه دهد.
جهت بررسی صحت نحوه ی مدلسازی تراوش درون پی، از تحقیق قبادیان و خدایی [8] که به منظور بررسی تأثیرات دیواره آب بند و زهکش بر نیروی برکنش و گرادیان خروجی زیر سازه های آبی انجام گرفته است استفاده شده که در آن با روش عددی حجم محدود اقدام به گسسته سازی و حل معادلات حاکم بر تراوش در پی یک بند انحرافی نموده و نتایج را با نرم افزار WinMSeep مقایسه کرده است. بند انحرافی دارای ارتفاع آب 20 متر در قسمت سراب و 10 متر در پایاب می باشد. دیگر مشخصات مدل نیز مشابه با فرضیات درون مقاله در نظر گرفته شده است. در شکل 1 مدل ایجاد شده از بند انحرافی ساخته شده در آباکوس، و در شکل 2 مقایسه ی خروجی های بار آبی در زیر آن با روش های ارائه شده در مقاله آورده شده است. همانطور که در شکل 2 قابل مشاهده است، مدل ساخته شده در آباکوس جواب های مناسب و قابل اعتمادی را برای مقادیر فشار منفذی درون پی ارائه داده است.
4.توزیع بار برکنش سد های بتنی مطابق آیین نامه [2] US-ACE
فشار برکنش در نتیجه ی اختلاف رقوم آب موجود در بالادست و پایین دست سد بوجود می آید و با عبور از پی و بدنه ی سد نیرویی را به سمت بالا به سازه ی سد وارد می کند. این فشار در ترک ها، حفرات، ناپیوستگی ها و درزهای موجود در مصالح بتن و پی وجود دارد. فشار برکنش یک نیروی فعال است که باید در مطالعات مربوط به تحلیل تنش و پایداری مد نظر قرار گیرد. این فشار با زمان تغییر می کند و وابسته به شرایط مرزی و نفوذپذیری مصالح است.فرض می شود که فشار برکنش روی 100 درصد پایه ی سد اثر می گذارد. توزیع فشار برکنش در زیر سد بستگی به کارایی پرده تزریق و چاهک های زهکش - در صورت استفاده - و ویژگی های زمین شناسی مانند نفوذپذیری سنگ، درزه ها، ناپیوستگی ها و گسل ها دارد. در جایی که هیچگونه تدبیری برای کاهش برکنش صورت نگرفته است فرض می شود گرادیان هیدرولیکی بصورت خطی از پاشنه تا پنجه ی سد تغییر می کند - شکل. - 3
