مقاله کاربرد روش کاهش مقاومت در تحلیل پایداری سدهای بتنی وزنی

بخشی از مقاله

چکیده

به دلیل اهمیت و کاربرد وسیعی که سدهای بتنی وزنی دارند، موضوع ایمنی در این سازههای عظیم از اهمیت بالایی برخوردار است. از این رو، تحلیل دقیق پایداری این سدها در شرایط مختلف و پیچیده ضروری است. در شرایط پیچیده، تحلیل پایداری سدهای بتنی وزنی توسط نرم-افزارهای متداول امکان پذیر نیست، بنابراین باید از روشهای دیگری استفاده کرد.

از آنجا که کنترل لغزشها در ناحیهی تماس سد و پی، میتواند باعث حفاظت از پایداری سدهای بتنی وزنی در مرحله بهرهبرداری از آن باشد، در این تحقیق با در نظر گرفتن پارامترهای مختلف در کف سد و پی، میزان ضرایب اطمینان به روش کاهش مقاومت با استفاده از تحلیل اجزاء محدود محاسبه و محدوده تغییرات آن بدست میآید. در این روش پارامترهای مقاومتی آنقدر کاهش مییابد تا سد در آستانهی ناپایداری قرار گیرد، از این رو ضریب اطمینان به شکل نسبت بین پارامتر مقاومت اولیه و پارامتر مقاومت نهایی تعریف میشود.

با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود ABAQUS پایداری لغزشی دو مدل سد و پی تحت بارگذاریهای متفاوت با زاویههای اصطکاک گوناگون در دو حالت با زهکش و بدون زهکش مورد بررسی قرار گرفته و ضرایب اطمینان محاسبه شده است. در مدل اول بدنهی سد و پی هندسهای متداول دارند و در مدل دوم یک ناپیوستگی در پی وجود دارد.

براساس نتایج به دست آمده ملاحظه میگردد که عواملی مانند ناپیوستگی در پی و پارامترهای ژئوتکنیکی باعث میشود تا ضرایب اطمینان متفاوتی داشته باشیم و در نتیجه صرفنظر کردن از آنها در طراحی موجب خطا در تحلیل پایداری سدهای بتنی وزنی میگردد. همچنین تأثیر بالای زهکشها در محاسبات پایداری نیز در تمامی مدلها کاملا خود را نمایان میکند.

-1 مقدمه

باتوجه به اهمیت آب برای حیات موجودات زنده، بشر از همان ابتدا به دنبال مهارکردن جنبه های مفید منابع آبی مثل تامین آب شرب و همچنین مقابله با اثرات مخرب آن مانند مهارسیلاب ها بوده است. شواهد تاریخی وجود دارد که نشان میدهد سدسازی قدمتی درحدود 4000 سال پیش ازمیلاد دارد سدها دارای طبقه بندی های مختلفی هستند به طور مثال برحسب وظیفه به کارگرفته شده بصورت سدهای مخزنی، سدهای نگهداری، سدهای انحرافی، سدهای باطله و سدهای موقت تقسیم بندی میشوند .

برحسب نوع مصالح نیز سدها به سدهای خاکی، سنگریزهای، بتنی و بتن غلتکی تقسیم میشوند. خود سدهای بتنی برحسب عملکرد سازهای به دو دسته وزنی و قوسی تقسیم میگردند. درسدهای بتنی وزنی همانطور که از اسم آنها هویدا است، عامل مقاوم در برابر نیروهای وارده، وزن خود مصالح سد است. سدهای بتنی مقاومت و پایداری خود دربرابر نیروهای وارده را ازطریق وزن خود کسب می کنند. با توجه به روشهای متفاوت کنترل پایداری و جنبههای مجهولی که هنوز در بحث پایداری سدها وجود دارد و همچنین پیشرفت برنامههای کامپیوتری موجود در این زمینه در سالهای اخیر لزوم مطالعه و بررسی بیشتر بر روی موضوع پایداری سدها به خوبی احساس میشود.

تحقیقات آزمایشگاهی و عددی بسیاری در رابطه با آنالیز پایداری سدهای وزنی انجام شده است که به نتایج متفاوتی در این مقوله منجر شده است. تلاش مطالعات تجربی، بیشتر در جهت تخمین پارامترهای مقاومت برشی و تأثیر آن بر پایداری در برابر لغزش صورت گرفته است. اکثر محققان از طریق انواع مدلسازیهای عددی، پاسخ دینامیکی سدهای بتنی وزنی را مورد مطالعه قرار داده اند و مطالعات استاتیکی کمتری در این زمینه انجام شده است. ضرایب اطمینان مورد استفاده در طراحی اولیه نیز توسط مهندسین طراح در سراسر دنیا به صورت آییننامه و دستورالعمل ارائه شدهاند.

جانسن - 1988 - ، بیان میکند که، مقاومت در برابر لغزش در راستای هر صفحهای در بالای ناحیه تماس سد و پی، تابعی از مقاومت برشی بتن و ساختار درزهها است. اما در ناحیه تماس سد و پی، این مقاومت به میزان مقاومت برشی پی و ناحیه اندرکنش این دو بستگی دارد .[1] در سال 1991، لو و همکاران در کمیسون بینالمللی سدهای بزرگ1، برای ارزیابی پایداری سدهای بتنی بر روی پی سنگی، روشی بر پایه مطالعات آزمایشگاهی ارائه کردند.

این مطالعات شامل، بررسی روشهایی جهت اندازهگیری مقاومت در سطح تماس بین بتن و سنگ، پارامترهای مقاومت درزهای بدنه و درزهای ضعیف در سنگ پی و ارزیابی کلی شرایط مرزی سد و پی بود. این مهم که در آنالیز پایداری، مقاومت کششی و چسبندگی باید در نظر گرفته شوند و حذف پارامتر چسبندگی بسیار محتاطانه است، یکی از مهمترین نتایجی بود که بدان رسیدند . [2]

توماس هورینا در سال 1999، رساله دکترای خود را به بررسی نحوه وقوع لغزش کف سدهای بتنی وزنی در زلزله، اختصاص داد. نتیجهی مهم مطالعات وی حاکی از آن بود که در فرکانسهای کم و متوسط که عموما احتمال وقوع آنها بیشتر است، لغزش به سمت پایین دست بوده و زودتر از واژگونی رخ میدهد و در نتیجه در نظر گرفتن لغزش به عنوان حالت بحرانی در طراحیها، فرض درستی است .[3]

فیشمن در سال 2009، با بررسی خصوصیات سدهای مختلف، پایداری سد بتنی با فونداسیون سنگی را مورد بررسی قرار داد و به این نتیجه رسید که لغزش زمانی رخ میدهد که سازه، روی صفحات افقی ضعیف با پارامترهای ضعیف برشی قرار داشته باشد. او بر این نظر است که احنمال وقوع واژگونی نسبت به لغزش کم است .[4] در سال 2011، مفتخر و غفوری ، برای مقطعی از یک سد نمونه بتنی وزنی، با استفاده از روشهای تقریبی آییننامههای 2FERC، 3USBR و 4USACE کنترل پایداری را انجام دادند و ضرایب اطمینان موجود در هر روش را محاسبه کردند.

سپس همان مقطع از سد را با استفاده از یک نرمافزار تحلیل اجزای محدود و با استفاده از توزیع فشار برخاست همان آیین-نامهها مجددا حل و ضرایب اطمینان مربوطه را تعیین و مقایسه کردند. نتیجه کلی از تمامی مباحث و محاسبات، دقیقتر بودن روش المان محدود نسبت به روشهای آییننامهای میباشد. حتی تا جایی که ممکن است روش آییننامهای جوابهایی در خلاف جهت اطمینان بدست آورد.

این امر، ضرورت استفاده از روش المان محدود برای تحلیل سدهای وزنی حتی در فاز اولیه طراحی را بیان میکند .[5] جلیلی در سال 2012، در رساله خود با بررسی رفتار سد بتنی وزنی، به نتایجی دست یافت که از مهمترین آنها میتوان به این موارد اشاره کرد: معمولا سدها دچار واژگونی نمیشوند و قبل از وقوع این ناپایداری یا دچار لغزش شده و یا کف سد به طور کامل ترک میخورد. ظرفیت باربری پی سد نیز معمولا در طراحی سدهای وزنی حاکم نیست و قبل از رسیدن بیشترین تنشهای ایجاد شده بر روی پی به مقادیر مجاز خود، سد دچار لغزش میشود.

در روشهای انعطاف پذیر - المان محدود - بررسی پایداری لغزشی واقع بینانهتر است. در روش انعطاف پذیر بیشترین میزان لغزشها در کف سد و در ناحیه پاشنه سد مشاهده شده است که کمی بیشتر از نقاط وسط و پنجه سد است که میتوان از آن صرفنظر کرد و نتیجه گرفت که متوسط تغییر مکان نسبی سه نقطه پاشنه، پنجه و وسط سد معیار خوبی برای تعیین میزان لغزش سد است .[6]

بهرادیمهر و همکاران - 2014 - ، با مطالعه موردی بر روی سدهای، فولسوم1، بلواستون2 و پاین فلت3، پارامترهای موثر بر پایداری سدهای بتنی وزنی را بررسی کردند . سدهای در نظر گرفته شده را تحت بارگذاری شماره 4 و 6 مهندسین ارتش آمریکا قرار دادند . با صرفنظر کردن از اثر چسبندگی بین کف سد و پی به بررسی تغییر مکان افقی و یا همان لغزش کف سد در محل تماس با فونداسیون و ضرایب اطمینان، با استفاده از نرم افزارهای RS-DAM، ABAQUS و CADAM پرداختند. با مقایسهی نتایج حاصل از زلزلههای افقی و قائم به این نتیجه رسیدند که تاثیر زلزله افقی نسبت به زلزله قائم بسیار بحرانیتر است.

همچنین ضریب اصطکاک 0/7 در اکثر سدها سبب ناپایداری سد در زلزلههای کوچک PGA - های کم - شده است، یعنی در زاویه اصطکاک در حدود 35 درجه احتمال رخداد ناپایداری در سد بسیار بالا است. در مورد مقایسه نتایج ABAQUS با دو نرمافزار CADAM و RS-DAM، در اکثر موارد نقطه ناپایداری در نرمافزار ABAQUS، در PGA های بزرگتری نسبت به دو نرمافزار دیگر قرار دارد .[7]

با توجه به مطالعات انجام گرفته و اهمیت بررسی پایداری سدهای بتنی وزنی و از آنجا که کنترل لغزش در ناحیهی تماس سد و پی، بیانگر پایداری سدهای بتنی وزنی در مرحله بهرهبرداری از آن میباشد، این مطالعه تمرکز خود را در این بخش معطوف نموده و در نظر دارد با احتساب شرایط موجود در بستر سد و پی، میزان ضرایب اطمینان را به روش کاهش مقاومت با استفاده از روش اجزای محدود محاسبه نماید. در واقع هدف اصلی این مقاله ارائه روشی جهت استفاده از روش اجزای محدود در تحلیل پایداری سدهای وزنی می باشد. این امر باعث افزایش دقت روش تحلیل پایداری سدهای وزنی بخصوص در مواردی که چند مکانیزم ناپایدار کننده وجود دارد، می گردد.

-2 معیارهای پایداری سدهای بتنی وزنی

لغزش و واژگونی دو نوع از مدهای گسیختگی در سدهای وزنی میباشند . علت اصلی و اولیهی لغزش، وجود نیروهای افقی محرک بزرگتر از نیروی مقاوم برشی، در محل تماس سد و پی است. علت اصلی واژگونی، وجود نیروهای افقی میباشد که در مقایسه با نیروهای عمودی به اندازه کافی بزرگ هستند که بتوانند محل اثر برآیند نیروهای خارجی را به خارج از محلی که حوزه اطمینان را تشکیل میدهد، انتقال دهند. از این رو، الزامات اصلی پایداری برای سدهای وزنی در همه شرایط بارگذاری را میتوان به این شکل بیان نمود:

- احراز ایمنی در برابر لغزش بر روی تمام سطوح افقی درون سازه، کف سازه - محل تماس سد و پی - و درون پی -احراز ایمنی در برابر واژگونی نسبت به هر نقطه درون سازه، کف سازه و درون پی -عدم تجاوز تنشهای ایجاد شده در بتن یا مصالح پی بر اثر بارگذاری، از مقدار مجاز آن

-3 روشهای تحلیل پایداری

برای آنالیز پایداری عمدتا از دو روش صلب و انعطافپذیر استفاده میشود که روش صلب یک روش سنتی بوده که در آن با صلب در نظر گرفتن بدنه سد و استفاده از روابط مرسوم در علم مکانیک جامدات پایداری بررسی میشود. ولی در روش دوم که جدیدتر است، با استفاده از یک مدل اجزاء محدود، پایداری سد بررسی میشود. روشهای گفته شده اغلب توسط آییننامهها استفاده میشود و دارای محدودیتهایی می-باشد، از این رو در این تحقیق از روشی استفاده میشود که آنالیز پایداری را بتوان در شرایط پیچیده انجام داد.

- روش صلب

در این روش سد را به صورت صلب فرض کرده و با استفاده از روابط تعادل میان نیروها و همچنین روابط ساده علم مقاومت مصالح ضرایب اطمینان پایداری و تنشها محاسبه میگردد. منظور از ضرایب اطمینان پایداری همان ضریب اطمینان در برابر واژگونی و لغزش برای سد.