بخشی از مقاله
مدلسازي شکست سد خاکی و روندیابی سیلاب ناشی از آن با استفاده از مدلهاي BREACH وHEC-RAS (مطالعه موردي سد تباركآباد)
چکیده
شکست سد باعث رها شدن ناگهانی حجم عظیمی از آب شده و امواج بزرگ سـیلاب در پـاییندسـت بوجود میآید. این امواج سبب خسارات جانی و مالی فراوانی میگردند. از اینرو تحلیل شکست سد براي همه سدها امري ضروري است. این تحلیل علاوه بر ارزیابی میزان خطر در پایین دست، امکان برنامـهریـزي عملیـات نجات و کنترل فاجعه ناشی از شکست سد را فراهم میکند. در این تحقیـق سـعی شـده تـا بـا اسـتفاده از مـدل BREACH GUI پارامترهاي شکست سد پیشبینی و با استفاده از مـدل HEC-RAS بـه مدلسـازي شکسـت و روندیابی سیلاب حاصل در پایین دست پرداخته شود. سد مورد مطالعه، سد خاکی تباركآباد در 21 کیلـومتري شمالشرقی شهرستان قوچان میباشد. در این تحقیق از نقشههاي توپوگرافی 1:5000 استفاده شده است. نتـایج حائز اهمیت در این مدلسازي شامل دبی اوج خروجی از سد و زمان شکست میباشد. نتایج تحلیل نشان میدهد که 1 ساعت و چهل دقیقه پس از آغاز شکست، دبی خروجی حاصل از شکاف به بیشترین مقدار خـود یعنـیm3/s 1061/49 میرسد.اولین ترك 30 دقیقه پس از آغاز تحلیل رخ میدهد و در زمان 2:30 موج سیلاب به شهر می-رسد. لذا فاصله زمانی بین آغاز شکست و رسیدن موج سیلاب به شهر تنها 2 ساعت میباشد.
کلید واژهها: شکست سد،روندیابی سیلاب،دبیاوج،BREACH GUI ،HEC-RAS
-1 مقدمه
شکست سد و جریان خروجی ناشی از آن به عنوان یکی از مهمترین مطالعات پژوهشی در بسیاري از کشورها و مراکز تحقیقاتی بوده و در حال حاضر نیز ادامه دارد.آنچه در شکست سد اتفاق میافتد، آزاد شدن حجم عظیمی از آب پشت سد و ایجاد امواج سهمگین در پایین دست میباشد. با توجه به سرعت زیاد این امواج خسارات در پایین دست زیاد بوده و زمان هشدار که نقش مهمی در کاهش میزان خسارت جانی دارد، بسیار محدود است .[1] از این رو موضوع شکست سد و تعیین مناطق پرخطر از دیرباز مورد توجه و مطالعه محققین بوده است. در سال 1892 دانشمند آلمانی به نام ریتر براي اولین بار مسئله شکست سد را بررسی نمود.[2]
فرد((1980، با ارائه مدل شکست سد و مدل ساده شده آن، معادلات حاکم بر پدیده را تحلیل و نتایج آن را با داده هاي تاریخی مربوط به شکست سدهاي تیتان در سال 1976 و بوفالوکریک در سال 1972 مورد مقایسه و ارزیابی قرار داد.[3] گارسیا-ناوارو و ساویرن (1986)، براي شبیه سازي شکست سد از روش کاهش مجموع تغییرات (TVD) گام هاي پیشگویی و اصلاح مک کورمک استفاده کردند.[4] چنسون (2009)، حل تحلیلی براي موج ناگهانی شکست سد با استفاده از روش مشخصه ارائه داده است .[4] در ایران نیز، شمسایی و همکاران (1383)، با استفاده از روابط تجربی و مدلهاي کامپیوتري FLDWAV و BREACH شکست سد خاکی آیدوغوش و پهنهبندي سیلاب ناشی از آن را مورد بررسی قرار دادهاند.[5] همچنین حسن زاده و همکاران((1388، شکست احتمالی سد ونیار تحت سناریوهاي روگذري جریان و رگاب را با استفاده از مدلهاي ریاضی مورد مطالعه قرار داده اند.[6]
شکست سد خاکی می تواند به علت پدیده هاي لبریز شدن آب از روي سد به دلیل ناتوانی ظرفیت تخلیه سرریز، تراوش، پدیده ایجاد لوله در بدنه سد ، لغزش شیب خاکریز، اثر زلزله و روان گرایی ایجاد موج ضربه اي در اثر ورود توده لغزشی به داخل مخزن و یا در اثر خرابکاري صورت گیرد.[7] مهمترین و بیشترین علل شکست سد روگذري و پدیده ایجاد لوله است. روگذري زمانی اتفاق میافتد که سیلاب ورودي به مخزن سد از حداکثر سیلاب طراحی شده براي آن بیشتر باشد و یا ظرفیت انتقال سرریز کم باشد. در اثر روگذري ابتدا فرسایش از بالاي تاج در رویه پایین دست شروع میشود و تا پایین دست می رسد، سپس فرسایش به سمت بالادست ادامه مییابد و شکاف در تاج سد ایجاد شده و نهایتا با گسترش شکاف، سد می شکند. شکست در اثر لوله جریان زمانی اتفاق میافتد که آب از زیر تاج سد عبور کرده و در پایین دست ایجاد حفره می نماید. با ایجاد حفره و لغزش اولین ذره، به تدریج ذرات دیگر جابجا میشوند و حفره به طرف بالادست گسترش مییابد تا به بالادست سد رسیده و لوله جریان عریضتر میشود. فرسایش به سمت بالادست، بالاي لوله را تخریب میکند و فرسایش در جهت پایین دست، پایین لوله را و به این ترتیب عرض لوله زیاد می شود. زمانیکه تراز بالاي لوله در بالادست به تراز سطح آب میرسد، حجم عظیمی از آب وارد لوله شده و سد ریزش میکند.[8] زمان شکست در اثر لوله جریان معمولا طولانی تر از زمان شکست در اثر روگذري است. با توجه به اهمیت مطالعات شکست سد و پهنهبندي سیلاب ناشی از آن در این تحقیق سعی شده با استفاده از برنامههاي کامپیوتري اخیر و معتبر در زمینه شکست سد از قبیل ) BRACH GUI مدل مبتنی بر اصول فرسایش، انتقال رسوب و ژئوتکنیک) و HEC-RAS مطالعات مربوط به شکست سد خاکی تباركآباد مورد بررسی قرارگیرد.
-2 مواد و روشها
-1-2معادلات حاکم
پدیده شکست سد یک جریان غیر دائمی متغیر سریع است و معادلات حاکم بر این جریان از نوع معادلات هیپربولیک آبهاي کمعمق میباشد که در حالت یک بعدي به صورت معادلات سنت- ونانت توصیف می شود.
این معادلات با فرض توزیع فشار هیدرواستاتیک و توزیع یکنواخت سرعت جریان در کانال مستطیلی شیب دار، مبتنی بر اصل بقاي جرم و اندازه حرکت بوده و به عنوان معادلات حاکم بر جریان هاي غیردائمی یک بعدي به شکل معادلات دیفرانسیل جزئی غیر خطی به شرح زیر بیان می شوند:[9]
(1) معادله پیوستگی جریان
h
(2) معادله اندازه حرکت
v
معادلات فوق دو متغیر وابسته سرعت v و عمق جریان h را به دو متغیر مستقل فاصله x و زمان t مرتبط می سازند. g شتاب ثقل، S0 شیب بستر و Sf شیب خط انرژي بوده که میتوان آن را با استفاده از فرمول مانینگ به شرح زیر محاسبه نمود:
که در آن n ضریب زبري مانینگ و RH شعاع هیدرولیکی است.
با اعمال روش مشخصه، معادلات حاکم بر پدیده به چهار معادله دیفرانسیل کامل به شرح زیر تبدیل میشوند:
-3منطقه مورد مطالعه
مطالعه موردي در این تحقیق، بر روي سد مخزنی تبارك آباد در 21 کیلـومتري شـمال شـرقی شهرسـتان قوچـان است. سد تبارك آباد با اهداف تامین آب شرب شهر قوچان به میزان 10میلیون متـر مکعـب در سـال، تـامین آب در بخـش صنعت به میزان 4 میلیون متر مکعب در سال، تامین نیازهاي آبی اراضی پایین دست براي 1800 هکتار و کنترل سیلابهـاي فصلی رودخانه تبارك آباد طراحی شده است. محل سد مخزنی تبارك آباد از نظر موقعیت جغرافیـایی در طـول شـرقی 58 درجه و 42 دقیقه و 34 ثانیه و عرض شمالی 37 درجه و 10 دقیقه و 30 ثانیه در مجاورت روستاي تبارك آباد پس از الحاق شاخه فرعی سوزه یا زیرآباد قرار دارد. مشخصات کلی سد در جدول1 آمده است.
جدول-1 مشخصات کلی سد تباركآباد
-4مدل BREACH GUI
سرویس آب و هواي جهانی (NWS) به منظور پیشبینی پارامترهاي هیدروگراف سیلاب خروجـی از شکسـت سد خاکی، مـدلی را ارائـه داده اسـت. ایـن مـدل شکسـت فرسایشـی (BREACH)، شـکل بازشـدگی، زمـان شکسـت، هیدروگراف سیل خروجی و هیدروگراف تراز آب پایاب را بهدست میدهد. این مدل قادر است شکست سد را در هـر دو حالت روگذري و رگاب شبیهسازي کند. براي مطالعه و بررسی پدیده شکست سد در اثر پدیده ایجاد لوله در بدنه سـد از مقادیر سیلاب 100 ساله استفاده میگردد. مطالعات انجام شده نشان داد که سریز سد تباركآبـاد بـه منظـور عبـور سـیل ده هزار ساله با در نظر گرفتن ارتفاع آزاد بیش از یک متر طراحی شده و عدم لبریزي از تاج سد براي عبور سیلاب معادل 1/6 برابر سیل ده هزار ساله نیز کنترل گردیده است. بنابراین امکان شکست در اثر روگذري جریان براي این سد وجود نـدارد و شکست سد در اثر ایجاد لوله ممکن است رخ دهد. لذا تحلیل شکست فقط در حالت رگاب براي سد مـورد مطالعـه انجـام شد.
-5مدل HEC-RAS
نرم افزار HEC-RAS در مرکز مهندسی هیدرولوژي (HEC) که بخشی از موسسه منابع آب انجمن مهندسین ارتش امریکا میباشد، تهیه شده است. این نرمافزار قادر به انجام محاسبات هیـدرولیکی یـک بعـدي بـراي شـبکه کـاملی از کانالهاي طبیعی و مصنوعی میباشد. از قابلیتهاي این نرمافزار میتوان به محاسبه پروفیلهاي سطح آب در حالت جریـان دائمی و شبیهسازي جریان غیردائمی اشاره نمود. در حل معادلات جریان غیردائمی از مدل UNET تهیه شده توسط دکتر (1997)Barkau استفاده شدهاست. این مدل در ابتدا براي محاسبات رژیـم جریـان زیربحرانـی تهیـه شـده بـود. امـا اکنـون قابلیت مدلسازي رژیم جریان مختلط (زیربحرانی و فوق بحرانی) به آن افزوده شده اسـت. HEC-RAS قـادر اسـت هـر نوع شکست به علت روگذري و رگاب را براي سدهاي خاکی مدلسازي نماید. به علاوه قادر است شکسـت سـدهاي بتنـی که بسیار ناگهانیتر از سدهاي خاکی اتفاق میافتد، مدلسازي کند. سپس موج سیلاب حاصل با استفاده از معادلات جریـان غیردائمی در پاییندست روندیابی میگردد. انتخاب یک مقدار مناسـب بـراي ضـریب زبـري مانینـگ، در صـحت محاسـبه پروفیلهاي سطح آب بسیار مهم است. با استفاده از جداول مربوطه و با توجه به خصوصیات رودخانه مـورد مطالعـه در ایـن تحقیق، مقدار این ضریب براي کانال اصلی 0/03 و براي سیلاب دشتها 0/04 در نظر گرفته شده است. براي شرایط مرزي در این مدل در مقطع ابتدایی هیدروگراف دبی جریان و در مقطع انتهایی، عمق نرمال به عنوان شرط مرزي انتخاب شدهاند.
-6 جمعبندي و نتیجهگیري
-1-6نتایج حل مدل فرسایشی BREACH GUI
در این قسمت با استفاده از دادههاي هیدرولوژي، هیدرولیک و ژئوتکنیک سد خاکی تبـاركآبـاد شکسـت مربـوط بـه حالت پدیده ایجاد لوله در بدنه سد مورد توجه قرار میگیرد.
هیدروگراف جریان خروجی از سدو تغییرات عمق آب به ترتیب در شکلهاي 3 و 4 نشان داده شده اسـت. خلاصـه نتـایج تحلیل شکست به شرح زیر است:
- حداکثر دبی خروجی از شکاف سد: 10310/22 مترمکعب بر ثانیه
- زمان رسیدن به حداکثر جریان خروجی: 1/54 ساعت
- حداکثر کل جریان خروجی از سد در زمان پیک: 10310/22 مترمکعب بر ثانیه
- مدت زمان خیز هیدروگراف خروجی از شکاف سد: 1/54 ساعت
- زمان شروع خیز هیدروگراف خروجی از شکاف سد: 0/0 ساعت
عمق شکاف: 49/5 متر
- عرض بالاي شکاف در زمان حداکثر جریان خروجی از شکاف: 24 متر
- عرض کف شکاف در زمان حداکثر جریان خروجی از شکاف: 24 متر
- تراز نهایی سطح آب مخزن: 1481/23متر
