مقاله در مورد سدهای خاکی

بخشی از مقاله

سدهاي خاكي
از زمانهاي بسيار دور بناي سدهاي خاكي به منظور كنترل و ذخيره آب معمول بوده است. اما به علت امكانات محدوده و عدم شناخت قوانين مكانيك خاك و هيدروليك، ارتفاع سدها و بندهاي خاكي از يك مقدار محدودي بيشتر نمي شده است، هرچند از نظر وسعت و طول سد چنين

محدوديتي وجود نداشته است. امروزه با پيشرفت علم مكانيك خاك و توسعه امكانات تكنولوژي و مطالعات دقيق تر توانسته اند سدهاي خاكي را با ارتفاعات قابل ملاحظه احداث نمايند، بطوريكه در زمان حاضر از مرتفع ترين سدهاي دنيا سدهاي خاكي و پاره سنگي هستند. به علاوه زمين هائي را كه سابقاً براي اين منظور غير مناسب تشخيص مي دادند هم اكنون مي توانند آنها را براي زيربناي احداث سد خاكي آماده سازند.
علي رغم اين پيشرفت ها هنوز مشكل است كه بتوان راه حل هاي رياضي محكمي براي مسايل

طراحي سدهاي خاكي پيشنهاد نمود، و در نتيجه بسياري از اجزاء سدها هنوز بر مبناي تجزيه و ذوق و ذكاوت مهندسين طرح و اجراءٍ مي گردند، به عبارت ديگر طرح تيپ دقيق و كامل وجود ندارد.
به منظور تأمين يك طرح دقيق و منطقي در سدهاي خاكي لازمست كه وضعيت شالوده سد و مواد مشكله آن كاملاً مورد بررسي و مطالعه اوليه قرار گرفته و اجراي سد با روش هاي كنترل شده و دقيقاً مطابق برنامه پيشنهادي طراح انجام پذيرد.
به عنوان يك اصل، اين دو نكته مسلم است كه:

1- سد به عنوان يك مخزن بايد غيرقابل نفوذ باشد.
2- در تمام وضعيت هاي ممكن (وضعيت بلافاصله پس از ساخت، ضمن ساخت، وضعيت هاي مخزن پر، طغيان، تخليه سريع، بارندگي و حتي در مواقع سيلهاي استثنائي چند هزار ساله) سد بايد مقاوم باشد.
روش ايجاد سدهاي خاكي امروزه عمدتاً "با روش تراكم مكانيكي است، هرچند روشهاي ديگري مانند روش هاي هيدروليكي و نيمه هيدروليكي هم وجود دارد كه از اين روشها كمتر استفاده مي گردد، مگر در مورد سدهاي باطله كه ضرورتاًِ" هيدروليكي است.

بخش اصلي سد خاكي كه توده خاكي كوبيده شده است (در حقيقت سازه سد) به نام بدنه سد ناميده مي شود، و زميني كه سد بر روي آن قرار گرفته تا آن حد كه تحت تأثير فشار حاصل از سد و نفوذ پذيري آب سد مي باشد به نام شالوده (فونداسيون) است. به جز اين دو بخش اصلي، اجزاء ديگري از قبيل آب بندها، زهكش ها، پوشش ها و غيره وجود دارد كه اهميت آنها به لحاظ حفاظت و ايمني و عملكرد سد براي آن نقش حياتي دارند.

انواع سدهاي خاكي
از ديدگاه تكنيك و روش ساخت، سدهاي خاكي به دوگروه هستند كه تقريباً تمامي آنها در گروه غلتكي (كوبيدني) قرار دارند و تعدادي در گروه هيدروليكي و نيمه هيدروليكي طبقه بندي مي شوند. منظور از سدهاي غلتكي اينست كه ساخت سد با روش كوبيدن خاك كه بوسيله غلتك است صورت مي گيرد، كه معمولاً در لايه هاي 15 تا 22 سانتيمتري در هر نوبت تراكم كوبيده مي شوند. منظور از روش هيدروليكي اينست كه بنا شدن سد (جابجائي مواد و قرارگرفتن آنها در محل) با كمك آب انجام مي گيرد و در ضمن جدا شدن آب از خاك، نوعي طبقه بندي طبيعي در دانه بندي خاك صورت مي گيرد كه براي سد مناسب مي باشد، يعني دانه هاي درشت تر در كناره ها و دانه هاي ريزتر در وسط سد قرار مي گيرند.

از ديدگاه همگني بدنه سد، نيز مي توان تيپ هاي مختلفي را از هم تشخيص داد كه عبارتند از:
تيپ همگن (Homogeneous )، تيپ مطبق (Cored يا Zoned ) يا مغزه دار، و تيپ ديافراگمي
انتخاب نوع سد خاكي و ابعاد هندسي
انتخاب نوع سد، يعني اينكه خاكي، پاره سنگي، بتن ثقلي، قوسي، پايه اي و غيره باشد.
اما هنگامي كه زميني همراه با شرايط ديگر براي بناي سدخاكي مناسب تشخيص داده شد انتخاب يكي از انواع سدخاكي مطرح مي شود.

نوع سد خاكي در بد و امر تابع مصالحي است كه در آن ناحيه يا در نزديكيهاي آن موجود است. نوع شالوده سدخاكي، هرچند باشد عمدتاً غير قابل تغيير است، مگر لايه هاي سطحي آن كه ممكنست برداشته شده و به جاي آن در صورت لزوم خاك مناسب كوبيده شود. بنابراين وضعيت زمين محل يا شالوده تا حدزيادي در طرح سدخاكي (و اصولاً در انتخاب نوع سد اعم از خاكي و غيره) موثر است. به عنوان يك عامل فراگير بر تمام جنبه ها، مسأله اقتصادي بودن طرح نيز سرانجام مطرح مي گردد.

بطور كلي، چنانچه مواد نفوذ پذير و نفوذ ناپذير به فراواني در دسترس باشند، ترجيحاً از سدهاي مغزه دار (غير همگن) استفاده مي گردد هرچند نسبت حجمي مواد نفوذناپذير به نفوذ پذير (پس از تعيين مقدار لازم به منظور استحكام و آب بندي) نيز تابع هزينه هاي حمل و نقل آنها و نيز هزينه تهيه دانه بندي مورد نظر است.

اگر سدي به صورت همگن ساخته شود ضرورتاً "مواد تشكيل دهنده آن نفوذناپذير و يا كم نفوذپذير مي باشد و با وجود اين ضرورتاً بايد به نوعي زهكش (مثلاً زهكش افقي در پائين دست) مجهز باشد تا دامنه پايين دست همواره از اشباع شدن در اثر زه مصون بماند. از طريقي اگر سد عمتاً از مواد دانه درشت باشد ضرورتاً " بايد مغزه اي نفوذ ناپذير در بخش مياني يا در محلي از دامنه بالا دست وجود داشته باشد تا آنرا كاملاً آب بندي كند.

چنانچه سد روي رسوبات نفوذ پذير ساخته شود، ميزان حد بالائي اتلاف آب از ا، بايد در بدو امر تخمين زده شود. مقدار تخميني اين حد را بايد با استفاده از رسم شبكه جريان و يا بر اساس نتايج تلمبه كردن آب در محل و نيز از تستهاي آزمايشگاهي بدست آورد و چنانچه مقدار اتلاف آب به صورت زه بيش از مقداري باشد كه براي پروژه سدسازي مورد نظر زيان بار باشد، لازمست از بعضي از انواع آب بندها استفاده شود.

انتخاب هر كدام از بخش هاي سد چه از نظر نوع و چه از نظر اندازه، بطور مستقل صورت نمي گيرد بلكه تابعي از مجموعه شرايط موجود است. مثلاً انتخاب شيب دامنه ها، تابع نوع شالوده، مصالح، روش ساخت، و نوع سد است، بطوريكه هرچند شالوده سست تر باشد در شرايط يكسان ديگر، شيب دامنه ها بايد كمتر باشد و دامنه ها گسرده تر شده باشند. براي يك شالوده معين،دامنه هاي سدهمگن كم شيب تر از دامنه هاي سد همگن كم شيب تر از دامنه هاي يك سد غير هم

گن است، و يا دامنه هاي يك سد هيدروليكي باز هم كم شيب تر از دامنه هاي سد غلتكي است، زيرا در روش هيدروليكي مصالح كوبيده نمي شوند تا مقاوم گردند. دامنه هائي كه پوشش هاي محكم بتني و آسفالتي و سنگي برآنها قرار مي گيرند مي توانند بطور نسبي پرشيب تر ساخته شوند.
شيب دامنه ها

شيب دامنه ها را معمولاً از يك بريك و نيم تا يك برسه مي گيرند، هر چند تا شيبهاي يك برشش و كمتر هم گاهگاهي منظور مي شود. همچنين طرح دامنه با شيب هاي متفاوت كاملاً معمول است. بطوريكه شيب قسمتهاي بالائي دامنه را بيشتر و در بخش هاي پائيني كمتر انتخاب شود، يا اينكه در چند مرحله به تدريج شيب تغييركند، و نيز انتخاب شيب بيشتر

در قسمت پائين دامنه و شيب كمتر در قسمت هاي بالائي دامنه در مواردي صورت گرفته است.
در مورد اينكه شيب استاندارد پايدار در دامنه ها چه مقدار باشد، نظريات مختلفي در تاريخ سد سازي مطرح شده است. بطوريكه در دهه هاي اول قرن حاضر هر چند پيشنهادها بر اساس تجربه هاي قبلي بوده است ولي سدهائي با شيب يك بر يك و نيم هم ساخته شده است و بعضي معتقد شدند كه دامنه بالا دست كم شيب تر از دامنه پائين دست باشد و برخي بر خلاف اين نظر رأي دادند، و امروزه نظر متخصصين اينست كه هر دو مورد ممكن است و صرفاً تابع شرايط مي باشد. در 1933، پراكتور حداقل شيب را يك بر دو تعيين نمود.

عرض تاج
تاج يا قله سد خاكي نبايد عرض كمتر از 4 متر داشته باشد و اين مقدار حداقل لازم به منظور استحكام، و كنترل، تعميرات، بررسي ها و عبور و مرور مي باشد. بطور كلي انتخاب عرض تاج سد بستگي به ملاحظاتي متعدد دارد كه از جمله عبارتند از: طبيعت مواد تشكيل دهنده سد، فاصله خط زه آزاد تا قله سد، ارتفاع نهائي و اهميت تاج سد از نظر رفت و آمد، و اينكه جاده اي و راهي بر آن واقع شده و نيز چه وسايطي و با چه ترافيكي بايد بر آن عبور كنند.

سر ريز در سدهاي خاكي
سرريز سد عبارتست از مسيري پيش بيني شده براي عبور مقدار آبي كه ما از ادبر حداكثر ضرفيت مخزن در نظر گرفته مي شود، بطويكه بتواند همواره از بالاآمدن سطح آب مخزن به بالاي تراز پيش بيني شده حداكثر جلوگيري كند. افزايش آب مخزن ممكنسن به علت نوسانهاي بارندگي و سيلابها، يا كم شدن تخليه آب، و غيره باشد و از اينرو ظرفيت سرريز بايد با توجه به همه عوامل دقيقاً محاسبه شود.

بطور خلاصه، در مورد سدهاي خاكي ممكنست سرريز را بدون ارتباط با بدنه سد، بصورت تونل يا كانالي در تكيه گاههاي طبيعي سد تعبيه نمود و يا اينكه در بدنه سد جائي براي آن در نظر گرفت. بندرت در سدهاي خاكي ممكنست از تاج سد به عنوان سرريز استفاده شود كه در اينصورت استحكامات كافي براي پوشش سد و تاج آن لازم است. در مواردي نيز مي توان براي يك سد دو سرريز در نظر گرفت كه يكي براي وضعيت هاي معمولي و ديگري براي طغيانهاي استثنائي منظور شده باشد.

ارتفاع آزاد
ارتفاع آزاد، طبق تعريفن فاصله قائم بين بالاترين تراز سطح آب مخزن (در موقع حداكثر طغيان) و تاج سد مي باشد. حداقل اين ارتفاع آزاد بايد آنقدر باشد كه تاج سد از اثر امواج مصون باشد.
بخشي از ارتفاع آزاد را به علت نشست احتمالي سد و بخش عمده ارتفادع آزاد را به علت ارتفاع موج آب در نظر مي گيرند. مقداري كه به علت نشست منظور مي شود، 2 درصد ارتفاع سد است كه در مناطق زلزله خيز يك درصد هم به علت نشست حاصل از زلزله به آن مي افزايند.

مقدار لازم ارتفاع آزاد كه به منظور مصونيت از تأثير موج در نظر گرفته مي شود مبتني بر حداكثر سرعت با دهاي آن منطقه (و حتي مدت عملكرد آنها) و حداكثر طول درياچه مي باشد. تعدادي روابط تجربي در اين مورد براي محاسبه ارتفاع موج پيشنهاد شده است.

منظور از طول درياجه در محاسبه ارتفاع موج، آن بعدي از سطح درياچه است كه در جلوي سد قرار مي گيرد، بنابراين اگر ابعاد سد در امتدادهاي ديگر كمتر يا زيادتر از طول درياچه در جلوي سد باشد معمولاً براي تعيين ارتفاع موج در نظر گرفته نمي شود. براي درياچه هاي با طول كمتر از 5/0 كيلومترن حداقل 60 سانتيمتر ارتفاع آزاد به علت موج منظور مي گردد. ارتفاع موج در درياچه هاي معمولي بين 1 تا 2 متر مي رسد و حداكثر تا 5/2 متر گزارش شده است.

كلياتي كه در طراحي سدخاكي بايد در نظر گرفته شود
بر اساس تجربياتي كه در ممورد شكستن و تخريب سدهاي خاكي بدست آمده، مي توان نكات ذيل را به منظور تأمين ايمني هر چه بيشتر و افزايش اطمينان در طراحي يك سدخاكي در نظر گرفت:
1- به منظور جلوگيري از خرابيهاي حاصل از جريان آب از روي سد، لازمست:
الف: ظرفيت سرريز تا آن حد باشد كه جريان حداكثر را بتواند عبور دهد.
ب: طرح چنان باشد كه از سرريز شدن آب حاصل از امواج در شرايطي كه سطح آب مخزن در بالاترين وضعيت است، جلوگيري گردد.
ج: ارتفاع اصلي تا آن اندازه باشد كه حداقل ارتفاع آزاد را بعد از نشست كامل سد باقي بگذارد.
د: اقداماتي صورت گيرد كه از فرسايش خاكريز سد به علت تأثير امواج و نيز به علت اثر آبهاي سطحي جلوگيري گردد.

ه: تاج سد بقدر كافي عريض باشد تا اثر امواج و اثر زلزله هاي احتمالي بر آن تأثير مخرب نداشته باشد.
2- به منظور جلوگيري از خرابيهاي حاصل از زه، مقدار جريان آب در بدنه سد و شالوده آن نبايد تا آن حد باشد كه تأمين هدف از اياد آن سد را خدشه دار سازد، و نيز فشار زه در هر نقطه در حدي باشد كه موجب تخريب نگردد. بنابراين:
الف: مقدار كمي جريان زه در درون بدنه و شالوده بايد به ميزان پيش بين يشده محدود گردد.
ب: خطوط جريان زه (يا به عبارت ديگر، خط زه آزاد) در جبهه پائين دست حتي الامكان از سطح خارجي دامنه پائين دست دور نگهداشته شود تا موجب خرابي پوسته اي شدن نگردد.

ج: فشار زه در هر نقطه و نيز شرايط دانه بندي و يكنواختي خاك و نوع تراكم، بويژه در حد فاصل لايه ها و در حد فاصل تغيير دانه بندي مواد، چنان باشد كه امكان ايجاد پديده يا يپينگ وجود نداشته باشد.
د: امكان ايجاد نشست آب (به جز از مسيرهاي معمولي و پيش بيني شده) در هر جائي بايد به صفر برسد و الامكان بروز يا يپينگ را افزايش مي دهد.
3- به منظور جلوگيري از خرابهيا ساختماني لازمست:

الف: دامنه ها هركدام در برابركليه نيروهاي ممكن (از جمله زلزله) در تمام وضعيت ها پايدار باشند.
ب: تنش هاي برشي ايجاد شدهه در شالوده نبايد از مقدار مجاز مقاومت برشي آن تجاوز نمايند.
تراكم خاك در سدهاي خاكي
تراكم خاك در سدهاي خاكي به روش هاي معمول تراكم صورت مي گيرد. لايه هاي به ضخامت 15 تا 25 سانتيمتري در هر مرحله كوبيده مي شوند. مشخصات مربوط به تراكم خاكها، تأثير انرژي داده شده (نوع غلتك، ضخامت لايه، تعداد رفت و برگشت)، تأثير سرعت حركت غلتك، تأثير نوع خاك، و تأثير درصد آب در تراكم و غيره از مسائلي است كه نياز به بررسي دقيق و مفصل دارند.

بطور خلاصه يادآوري مي گردد كه براي يك نوع خاك مشخص، هر چه انرژي تراكم بيشتر باشد (مثلاً غلتك سنگين تر بكار برده شود) تراكم بيشتري صورت مي گيرد، يعني دانسيته خشك ما كزيمم حاصل بزرگتر و درصد رطوبت بهينه (متناظر با دانسيته خشك ما كزيمم) كمتر است. با يك روش تراكم (يعني با يك مقدار ثابت انرژي) هر چه خاك مورد تراكم با دانه بندي گسترده تر و با پلاستيسيته كمتر باشد، تراكم پذيري آن بهتر است، بطوريكه با درصد رطوبت كمتري، دانسيته خشك ما كزيمم بيشتري مي دهد ، و در حقيقت شن و ماسه مخلوط با مقداري سيلت ورس بهترين تراكم ، و سيلت ها و رس هاي پلاستيك و نيز مثلا ماسه با دانه بندي يكنواخت كمترين تراكم را نشان مي دهد . تراكم خاك با رطوبت بيشتر از رطوبت بهينه را در سمت تر ، و با رطوبت كمتر از رطوبت بهينه را تراكم در سمت خشك مي نامند .

سمت تر و سمت خشك غير از تفاوتي كه در مصرف آب دارند و همين ممكن است پارامتري قابل توجه به لحاظ مصرف آب باشد , تفاوت ديگري نيز دارند كه عبارت است از اينكه در سمت خشك تاثير انرژي داده شده نسبت به سمت تر بسيار زياد است , به طوري كه با مصرف يك مقدار معين انرژي در سمت خشك ميتوان دانسيته را به مقدار معيني افزايش داد،در صورتي كه با صرف همين مقدار انرژي در سمت تر ، افزايش دانسيته بسيار كمتر است .

همچنين بايد توجه داشت كه تراكم خاك در سمت تر موجب ميشود كه بافت خاك ريز دانه بطور نسبي بصورت موازي قرار گيرد ، در حاليكه در سمت خشك بطور نسبي بافت خاك پس از تراكم حالت در هم پيدا ميكند و مقاومت نسبي بافت در هم بيشتر و نفوذ پذيري آن نيز بيشتر است ، بطوريكه نفوذ پذيري بافت موازي بطور نسبي صد تا هزار مرتبه كمتر از بافت غير موازي است . به اين علت توصيه مي شود كه مغزه سد كه از جنس رسي است با رطوبت بهينه كوبيده شود ، هر چند در شرايط يكسان مقاومت بر شي آن كمتر از هنگامي است كه در رطوبت كمتر از بهينه كوبيده

شود ، با وجود اين در مورد مغزه ، مساله نفوذ ناپذيري نقش اصلي را دارد . معمولا غلتك هاي صاف تقريباً بافت درهم ايجاد مي كنند و غلتكهاي ويبره و پاچه بزي موجب بافت موازي مي شوند.

تأثير تعداد رفت و برگشت غلتك در افزايش مقدار تراكم خاك، بر حسب نوع خاك و درصد رطوبت آن و نوع غلتك متفاوتست و از اينرو نمودار راندمان تراكمي غلتك در برابر تعداد رفت و برگشت آن در همه شرايط يكسان نيست، ولي بهر حال اين نمودار به يك حدي مي رسد كه از آن حد به بعد ادامه دادن به رفت و برگشت غلتك، تأثير قابل ملاحظه اي در افزايش دانيسته خاك ندارد و يا به هيچ وجه تأثيري ندارد. معمولاً بين 6 تا 12 مرتبه رفت و برگشت غلتك، راندمان آن به حدي مي رسد كه مي توان از تأثير دفعات بعدي آن صرفنظر نمود.
ممكنست بر حسب تشخيص طراح، ميزان تراكم خاك سد در نقاط مختلف، يا در ترازهاي مختلف يك سد متفاوت انتخاب شود و اين به منظور تنظيم بخشي از نشست هاي نامساوي سد است، اما انتخاب تراكم متفاوت در يك تراز معين با احتياط كامل بايد صورت گيرد. آنچه بايد مورد توجه كافي

قرار گيرد اينست كه لايه هاي پي در پي تراكم در يكديگر قفل شده و حدفاصل آنها به صورت صفحه اي براي تمركز زه و ايجاد افق هاي ضعيف تبديل نگردد و نيز محيط هاي بلافاصله در حاشيه مجاري، كانالها و تونلهاي خروج آب و موارد مشابه كه بوسيله غلتكهاي سنگين كاملاً كوبيده نمي شوند، با هر روش ممكن به حد تراكم ساير نقاط آن افق برسد. معمولاً رعايت اين نكته يعني كوبيدن حاشيه هاي محدود كه با غلتكهاي بزرگ مقدور نيست در مورد خاكهاي اصطكاكي ساده تر صورت مي

گيرد، چه مي توان با غلتكهاي كوچك و در لايه هاي ضخيم تر و يا با غلتكهاي دستي و نيز ارتعاشي آنها را به حد تراكم مطلوب رسانيد، در صورتيكه براي خاكهاي چسبنده انرژي زيادتر و يا كوبه هاي سنگين لازمست و بايد لايه ها را بطور معمول نازك انتخاب نمود.
روش هاي آزمايشگاهي تعيين تراكم خاك، بطور معمول روش هاي تراكم سبك (استاندارد D-698-58T و ASTM) و تراكم سنگين يا آشوي اصلاح شده (D-1557-58T و ASTM) مي باشند، هر چند يكي دو روش ديگر مثل روش USBR نيز استاندارد شده است كه در تعداد معدودي از خصوصيات با تستهاي استاندارد معمول متفاوتند.
روش هاي معمول در عمل براي كوبيدن خاك، بوسيله غلتكهاي چرخ لاستيكي (مثلاً 50 تني)، غلتكهاي چرخ فلزي، غلتكهاي پاچه بزي، ارتعاشي و غيره است. نتيجه تراكم خاك با غلتكهاي معمولي تراكمي بالاتر از نتيجه تراكم استاندارد سبك وپائين تر از نتيجه تراكم سنگين مي باشد. مزيت غلتكهاي پاچه بزي در اينست كه در ضمن هر حركتي،