بخشی از مقاله
خلاصه
مطالعات تحلیلی و عددي بسیاري در زمینه شکست سد صورت گرفته است .از یک سو به منظور ارزیابی خسارت هاي ناشی از شکست سد، تحلیل ریسک، کاهش فاجعه واز سوي دیگر صحت سنجی مدلهاي عددي وتحلیلی نیاز به مدلسازي فیزیکی پدیده شکست سد محسوس است. از آنجایی که درصد بالایی از سدهاي ساخته شده در جهان از نوع خاکی میباشند، در این مطالعه سعی شده است مدل فیزیکی سد خاکی همگن براي درصدهاي مختلف رس وشیبهاي متفاوت بررسی شود. نتایج حاصله شامل الگوي شسته شدن مصالح بدنه درطول آزمایش وهیدروگراف دبی خروجی ناشی از شکست است.
-1 مقدمه
پتانسیل فرسایش سدهاي خاکی در طول سیلاب شدید ناشی از بالا آمدن حجم آب پشت سد یکی از جنبههاي مهم ارزیابی سازهاي و ایمنی چنین سازههایی است. در حال حاضر 45000 سد با ارتفاع بیشتر از 15 متر در جهان وجود دارد که بیش از 73 درصد آنها در 150 سال پیش ساخته شده است. این سدها مزایایی از جمله تأمین آب آشامیدنی، کشاورزي و صنعت و تولید برق و غیره دارند .[1]
از سویی دیگر مثالهاي اخیر شکست سد در نقاط مختلف جهان نیاز به ارزیابی دقیقتر این پدیده را به منظور برنامه ریزي آمادگی هرچه بیشتر در مقابل اینگونه حوادث ایجاب می کند. براي مثال در سال 1889 روگذري سد Fork جنوبی در پنسیلوانیا باعث مرگ 2200نفر و همچنین خسارات مالی فراوانی شد .[2] شکست سد Gouhou در ایالت Qinghai چین منجر به مرگ 1000 نفر و خسارات مالی فراوانی شد.
سد Opuha در جزیره جنوبی نیوزلند در طول ساخت آن 60 - درصد ارتفاع طراحی آن - تخریب شد، اگر چه این حادثه تلفات جانی نداشت اما تخریب 35 متري سد به سبب روگذري جریان خسارات اقتصادي و زیست محیطی فراوانی وارد ساخت .[3] از این رو درك صحیح پدیده روگذري جریان و مدلسازي فیزیکی آن اهمیت ویژه اي براي سیستم هاي هشدار شکست سد دارد که اخیراً توسعه یافته اند.
مدلهاي آزمایشگاهی زیادي در زمینه شبیهسازي شکست سد خاکی انجام گرفته است. این مطالعات در دو مقیاس کوچک و بزرگ انجام شده است. در مقیاس بزرگ، ویسر و همکاران در سالهاي 1991 و1996 بر روي توسعه شکاف ناشی از روگذري در دیوارهاي ساحلی ماسهاي تحقیق کردند [4] و [5]؛ هوگ وهمکاران در سال 2004 شکاف در سدهایی به ارتفاع 6 متر را مورد بررسی قرار دادند [6]؛ آرن واسکین و همکاران در سال 2004 پدیده شکست سد را براي یک سد غیر همگن با هسته مصالح سنگ و خاك براي دو حالت روگذري جریان و پایپینگ مدل کردند [7]؛ پن و لوکلا در سال 1993 چندین مدل صحرایی اجرا و هیدرودینامیک شکست سد را مورد مطالعه قرار دادند .[8]
در مقیاس کوچک، اندروز در سال 1998 پدیده روگذري جریان را با مصالح غیرچسبنده رسوبی مدل کرد [9]؛ محمد حسن و همکاران در سال 2004 مطالعاتی را براي برخی از حالت هاي روگذري جریان براي خاك چسبنده انجام دادند [10]؛ استفان و همکاران در سال2002 و همچنین چینارساري و همکاران در سال2003 این پدیده را براي حالتهاي مختلف دانه بندي براي خاك غیر چسبنده انجام دادند [3] و [11]؛ یونگ هویی ژو و همکاران در سال هاي 2006 و 2011 سد خاکی با مصالح چسبنده را مورد آزمایش قرار داده و تأثیر پارامتر چسبندگی در فرآیند شکست را بررسی کردند در این مطالعه سعی شده است با درك دقیق پدیده شکست سد خاکی بر اثر روگذري جریان، چند مدل با در نظر گرفتن درصد متفاوت رس براي مصالح بدنه سد و همچنین در نظر گرفتن شیب هاي مختلف براي سد، مورد آزمایش قرارگیرد.
-2 مدل آزمایشگاهی
در این بخش مشخصات فلوم، آزمایشهاي انجام شده و روش اجرا شرح داده می شود.
-1-2 مشخصات فلوم
آزمایشها در یک فلوم با بستر فلزي و دیواره شیشهاي به طول 5/5 متر و عرض0/47 متر و ارتفاع 0/39 متر انجام گرفته است. شکل - 1 - جزییات فلوم را نشان می دهد. در بالادست فلوم یک مخزن وجود دارد که داخل آن پکینگ قرار داده شده است. این پکینگ به عنوان صاف کننده، آرام کننده و یکنواخت کننده جریان در عرض استفاده میشود. مخزن پمپاژ آب در پاییندست فلوم تعبیه شده است و آب توسط لولههایی به بالادست منتقل میشود. همچنین در پایین دست فلوم رسوبات شسته شده از سوراخهایی هدایت شده تا جمعآوري و تهنشین گردد.
با توجه به اینکه اصطکاك بین کف فلوم و سد و همچنین جداره فلوم و سد کم بوده، به منظور تطابق بیشتر با واقعیت تمهیداتی صورت گرفته است. به منظور افزایش زبري کف فلوم یک لایه ماسه به طول 180سانتی متر بر روي کف فلوم پخش و چسبانده شده است. از سوي دیگر به منظور افزایش زبري بین سد و جدارههاي فلوم از توري فلزي استفاده شده است. شکل - 2 - کف ماسه اي و توري فلزي را نشان می دهد.
-2-2 آزمایشهاي انجام شده
در این تحقیق دو دسته آزمایش صورت گرفته است. دسته اول براي بررسی تأثیر هندسه سد بر روي چگونگی شکست می باشد. به این منظور دو حالت شیب 1:2 وشیب 1:2/5 و عرض تاج به ترتیب برابر با 30 و 10 سانتیمتر مورد آزمایش قرار گرفته است. در هر دو آزمایش از ماسه خالص استفاده شده است. دسته دوم براي بررسی تأثیر جنس مصالح تشکیل دهنده بر روي چگونگی شکست سد می باشد. به این منظور سه حالت با ترکیبهاي متفاوت ماسه و رس به ترتیب ماسه خالص، ماسه و %5 رس، ماسه و %10 رس مورد آزمایش قرار گرفته است. در هر سه آزمایش از هندسه یکسان، شیب 1:2/5 براي بالادست و پایین دست و عرض تاج 10 سانتیمتر استفاده شده است.
-3-2 روش اجرا
محل ساخت سد در قسمت میانی فلوم میباشد. سد در 10 لایه 3 سانتیمتري اجرا شده و هر لایه با استفاده از کوبه فلزي، با 15 ضربه متراکم شده است. قبل از ساخت سد یک خاکریز آزمایشی اجرا شده و تعداد ضربات مناسب براي رسیدن به تراکم مورد نیاز تعیین میشود.در ابتدا مراحل ساخت سد به صورت پلکانی بوده وسپس به شیب مورد نظر رسیده است. به منظور محافظت شیب بالادست یک لایه ریپ رپ بر روي شیب قرار داده شده است. دبی ورودي ثابت و برابر 6/25 لیتر بر ثانیه است.
به منظور اندازهگیري پارامترهاي مورد نیاز در حین انجام آزمایش از سه دوربین عکاسی و یک دوربین فیلمبرداري استفاده شده است. دو دوربین عکاسی در دو طرف فلوم نصب شده تا تغییرات پروفیل طولی را با گذشت زمان ثبت کنند. یک دوربین عکاسی نیز در پاییندست فلوم تعبیه شده تا تغییرات شکاف را بر روي شیب پاییندست و در عرض فلوم ثبت کند.
دوربین فیلمبرداري نیز نحوه گسترش شکاف را از پلان فیلمبرداري میکند. در ابتداي آزمایش آب از مخزن پمپاژ به ابتداي فلوم پمپ شده و مخزن بالادست پر میشود. بر روي تاج سد، یک تخته چوبی قرار داده شده تا از روگذري جریان قبل از اینکه تراز آب بالادست به ارتفاع مناسب بین 3 تا 4 سانتیمتر بالاتر از تاج برسد، جلوگیري شود.
