بخشی از مقاله
خلاصه
مسئله نشت آب یک موضوع مهم و ضروری در سدهای خاکی است؛ که در صورت تجاوز از حد مجاز آن امکان خرابی و شکست سد وجود دارد. همچنین در رودخانههایی که دبی کمی دارند و مناطقی که محدودیت منابع آب در آنها وجود دارد، کنترل نشت از سدهای خاکی یکی از عوامل مهم بهمنظور کاهش تلفات و پایداری سدها محسوب میشود.
هدف این پژوهش شناخت کاربرد نرم افزار Comsol Multiphysics در مدل سازی خط نشت درون سدهای خاکی است که در حین رسیدن به این مهم ، پرسش "چگونگی رسیدن به مدل سازی بهینه و صحیح با نرم افزار مذکور" نیز پاسخ داده می شود. روند کار با نرم افزار به صورت مرحله مرحله بیان شده و در نهایت این نتیجه حاصل شد که Comsol Multiphysics بسیار دقیق و کاربردی است و می تواند جایگزین نرم افزار هایی مانند Plaxis ،Seep/w و... که بسیار متداول در زمینه مهندسی سدهای خاکی می باشند، شود.
-1 مقدمه
به دلیل نقش مؤثر سدهای خاکی در تأمین نیازهای آبی و نیز ایجاد خطرات بالقوه برای جوامع پاییندست آنها، مسائل مربوط به ایمنی سدهای خاکی ضمن ساخت و نیز در دوران بهرهبرداری از اهمیت خاصی برخوردار است. یکی از مسائل مهمی که در طراحی سدهای خاکی باید به آن توجه شود پدیده نشت است. هدف این نوشتار معرفی و بیان کارایی نرم افزارComsol Multiphysics در مهندسی سدهای خاکی است. فرضیه به کار گرفته شده این است که " به نظر می رسد که نرم افزار مذکور با دقت بالایی به مدل سازی می پردازد." که با روش توصیفی - تحلیلی به بیان مراحل کار نرم افزار مذکور می پرازد.
-2 ضرورت و اهمیت پژوهش
به دلیل اهمیت و قدمت علم سدسازی در ایران و با توجه به شرایط خشک و نیمه خشک کشور نیاز به شناخت و بررسی این مهندسی عظیم بسیار مهم جلوه می نماید. از طرفی یکی از مسائل مورد بحث و پر اهمیت این زمینه علمی که گاهی باعث تخریب و ایجاد مشکلاتی در زمینه سدهای خاکی می شود، نشت و خرابی هایی نظیر آیشستگی و فرسایش آن است که در این نوشتار به معرفی نرم افزاری کارا برای مدل سازی سدها و خط نشت آن ها برای تجسم واقعیت قبل از ساخت سدهای خاکی برای جلوگیری از تخریب و خرابی هاست.
-3 خط نشت
بنا به تعریف مسیر حرکت ذرات آب از یک نقطهبهنقطه دیگر خط نشت - Seepage line - نامیده میشود و خط جریان یک خط نشت فرضی است که مسیر آب را در یک محیط متخلخل یکنواخت و ایزوتروپ نشان میدهد. با توجه به اینکه کشور ازلحاظ ساخت سدهای خاکی پس از ترکیه و چین در ردهی سوم جهان است شبیهسازی جریان نشت از بدنه و پی سدهای خاکی میتواند اهمیت به سزایی بهویژه در مراحل طراحی سدهای خاکی داشته باشد. همچنین دانستن محل دقیق سطح آزاد نشت منجر به یافتن محلهایی که باید در هنگام ساختن سد خاکی به آن توجه ویژه داشت میگردد.[2]
-4 تئوری نشت و جریان آب در خاک
بر طبق قوانین عمومی هیدرودینامیک وقتی یک قطره آب به داخل خاک منتقل میشود راحتترین مسیر که حداقل اصطکاک را ایجادمی کند برای طی کردن انتخاب مینماید. این قطره آب در جهت گرادیان با شیب ماکزیمم شروع به حرکت کرده و مسیر حرکت عمود بر جهت خطوط تراز میباشد. در این حالت خطوط تراز خطوط همپتانسیل میباشند یعنی هر خط مکان هندسی نقاطی است که انرژی پتانسیلی آنها یکسان است .[3]
مقدار آب نشتی از بدنه و پی سد و همچنین توزیع فشار آب را میتوان با استفاده از تئوری جریان در محیطهای متخلخل تخمین زد. این تئوری ابزاری قدرتمند برای مهندسان طراح میباشد. تخمین مقدار آب نشتی از سد برای محاسبه آب ازدسترفته از مخزن سد مفید است. برآورد توزیع فشار آب منفذی نیز باید برای مطالعه پایداری سد در مقابل شکستهای برشی و همچنین محاسبه گرادیان هیدرولیکی در نقاط نشتی برای مطالعه پدیده جوشش و فرسایش داخلی1 انجام گیرد. میزان اطمینان و دقت نتایج محاسبهشده بستگی به میزان شباهت شرایط نشت در سد با اصول فرض شده در تئوری دارد.
-5 مقدمهای پیرامون نرمافزار کامسول
کامسول یک بسته نرمافزاری المان محدود برای شبیهسازی مسائل فیزیکی و مهندسیمخصوصاً سیستمهای کوپل شده یا همان مولتی فیزیکس است. این نرمافزار در سال 1986 توسط دانشجویان موسسه سلطنتی فناوری سوئد طراحی گردید؛ که نام آن درگذشته فملب2 بوده و از سال 2005 به کامسول مولتی فیزیکس تغییر نام پیداکرده است، که میتواند معادلات دیفرانسیل سیستمهای غیرخطی را توسط مشتقهای جزئی به روش المان محدود - FEM - در فضاهای یک، دو و سهبعدی حل نماید؛ و در حضور چالشهایی نظیر میدان الکترومغناطیس، کشش، دینامیک سیالات و دینامیک گاز بهخوبی راهگشا باشد.
را به انجام رساند که امکان تعامل با نرمافزارهای مهندسی دیگر نظیر مطلب3 و کاتیا4 را نیز دارد. از مزایای این نرمافزار میتوان به کاربر دوستی5 فوقالعاده بالا، عدم نیاز به نرمافزارهای پیش پردازنده و پس پردازنده و حل مسائل صفرتا چندبعدی - مسائل صفر بعدی تنها تابع زمان میباشند - اشاره کرد. از معایب آن نیاز به حافظه کاری بسیار زیاد - کوتاهمدت و دائمی - در حین حل است.
از مهمترین محاسن نرمافزار کامسول آن است که قادر به شبیهسازی همزمان چند مسئله در یک محیط کاری میباشد، یعنی میتوان در یک فضای کاری، چندین خاکریز را بهطور همزمان ترسیم، مش بندی و تحلیل کرد. با این کار تمامی اطلاعات پروژه که مشتمل بر چندین مسئله متفاوت است تنها بر روی یک فایل ذخیره میگردد درنتیجه دسترسی همزمان به آنها و مقایسه نتایج آسانتر میباشد.
-6 نحوه مدلسازی در نرمافزار کامسول
نرمافزار کامسول بهگونهای میباشد که زمانی که نرمافزار اجرا میشود قبل از مدلسازی یک سری اطلاعات اولیه و کلی پرسیده میشود که با انتخاب درست گزینههای پیش رو در صفحهای از نرمافزار میتوان به صفحه مدلسازی رسید و زمانی که نرمافزار اجرا گردید، باید در صفحه model گزینه model wizard را انتخاب نمود. بعدازآن وارد صفحه select space dimension یا انتخاب بعد فضای مدلسازی شده - شکل - 1 که بسته به نوع مدل میتوان یکبعدی، دوبعدی و یا سهبعدی را انتخاب نمود.
بعد از انتخاب بعد فضای مدلسازی وارد صفحه select physics یا انتخاب فیزیک مدلسازی شده که بازهم بسته به نوع کاربرد مدلسازی و محیط مربوطه میتوان انتخاب نمود - شکل - 2 البته لازم به ذکر است که در این صفحه 12 محیط فیزیکی اصلی وجود دارد که هرکدام از آنها به چند شاخه فرعی و همچنین شاخههای فرعی نیز به چند زیرمجموعه تقسیم میگردد، که جهت مدلسازی در این پژوهش از محیط اصلی Fluid Flow، شاخه فرعی porous media and sub surface Flow و زیرمجموعه Richards Equation استفاده گردیده است.
