بخشی از مقاله
چکیده
در مطالعه حاضر تاثیر فیلتر واقع در پایین دست سازه های آبی بر کاهش مقادیر نشت و اثرات مخرب آن از جمله گرادیان خروجی پرداخته شد. از برنامه کامپیوتری که از روش حل المان محدود بهره می گیرد، استفاده شد. تاثیر پارامتر های موثر فیلتر از جمله طول و فاصله از پایین دست سازه، ضخامت پی آبرفتی و هد آب بالادست بر عملکرد فیلتر در کاهش نشت و گرادیان مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج نشان داد همواره با افزایش طول فیلتر، مقدار دبی نشت کاهش می یابد که با افزایش طول به اندازه 1 متر، میزان کاهش نشت 35 درصد خواهد بود و مقدار کاهش تا طول 2 متری فیلتر قابل ملاحظه بوده و طول های بیش تر از آن از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد. هم چنین با افزایش فاصله فیلتر از پایین دست سازه، همواره مقدار نشت افزایش می یابد. بررسی تاثیر هد آب بالادست نشان داد که تاثیر فیلتر طویل در بار آبی زیاد بیش تر از تاثیر آن در بار آبی کم می باشد.
در رابطه با گرادیان خروجی، با افزایش طول فیلتر همواره گرادیان خروجی کاهش می یابد که تاثیر طول فیلتر بر کاهش گرادیان همانند نشت تا 2 متر مناسب 65 - درصد - و قابل ملاحظه می باشد و با افزایش طول، گرادیان با شیب کم تری کاهش پیدا می کند. نکته دیگر اینکه با فاصله گرفتن از پایین دست سازه، میزان تاثیر فیلتر بر کاهش گرادیان افزایش پیدا می کند.
-1 مقدمه
سازه های هیدرولیکی به منظور کنترل جریان در رودخانه ها و هم چنین توزیع آب برای استفاده در آبیاری مزارع احداث می گردند. اغلب این سازه ها بر روی پی های آبرفتی نفوذ پذیر واقع می شوند که در پی آن ها بسته به نفوذ پذیری خاک زیرین آن ها، نشت صورت می گیرد. نشت صورت گرفته با تجمع در زیر سازه موجب افزایش نیروی زیر فشار1 ، گرادیان خروجی 2 و هم چنین فرسایش داخلی3 در پی سازه می گردد.
پدیده های ذکر شده به نوبه خود موجب تخریب سازه و کاهش پایداری سازه می شوند که با توجه به اهمیت موضوع، مطالعات مختلفی برای بررسی این پدید ها و افزایش پایداری سازه ها صورت گرفته است. یکی از مواردی که طراحان و مهندسین مشاور در طراحی های خود برای کاهش زیر فشار و گرادیان خود مورد استفاده قرار می دهند طراحی فیلتر در پایین دست سازه ها می باشد که با توجه به تسهیل جریان و نفوذپذیری بالای مصالح فیلتر که حدود 16 تا 25 برابر درصد نفوذ پذیری خاک حفاظت شده می باشد [1] پایداری سازه را در برابر پدیده های ذکر شده افزایش می دهد.
خلیلی شایان و امیری تکلدانی [3] در مطالعه ای که به صورت عددی و آزمایشگاهی صورت گرفت، تاثیر دیواره سپری، بلانکت و زهکش ها را جهت کاهش نیروی زیر فشار، دبی نشت و گرادیان خروجی در پی سازه ها مورد بررسی قرار دادند. مطالعات آن ها نشان داد که بلانکت رسی باعث کاهش توام هر سه پارامتر می شود. هم چنین نتایج حاصل از تحقیق آن ها نشان داد که بهترین مکان قرار گیری زهکش جهت کاهش زیر فشار، قرار گیری آن در یک سوم طول کف از ابتدای کف بند و بهترین موقعیت آن برای کاهش گرادیان، قرار گیری آن در دو سوم طول کف بند از ابتدای کف بند می باشد.
امسی لقلین و احمد [4] نشت در سواحل کانال ها را در صورت وجود فیلتر و شمع فولادی1 در کف کانال به صورت عددی مورد مطالعه قرار دادند. مطالعات آن ها نشان داد که قرار گیری فیلتر موجب کاهش 72 درصدی زیر فشار خواهد شد و بهترین موقعیت قرار گیری فیلتر را 1 متر پایین تر از شمع فولادی عنوان کردند. فاروغ و اسمیت [5] نحوه طراحی سازه های آبی با وجود 2 پرده آب بند و 1 یا 2 فیلتر بین آن ها را به صورت تحلیلی مورد بحث و مطالعه قرار دادند.
محققین مطالعه ذکر شده ضمن ارائه روابط تحلیلی برای محاسبه گرادیان و زیر فشار، وجود فیلتر با کم ترین طول را موجب کاهش زیر فشار و گرادیان خروجی بیان کردند و هم چنین تاثیر موقعیت قرار گیری فیلتر بین دو پرده آب بند در مطالعه آن ها مورد بررسی قرار گرفت. چاولا و همکاران [6] در مطالعه ای به بررسی تاثیر فیلتر واقع شده در بین دو پرده آب بند بر روی مقادیر زیر فشار و گرادیان خروجی پرداختند.
نتایج حاصل از مطالعات چاولا و همکاران نشان داد با تغییر موقعیت قرار گیری فیلتر در کف بند از بالا دست به پایین دست، زیر فشار پایین دست کاهش و در بالادست افزایش خواهد یافت و هم چنین با افزایش طول پرده آب بند پایین دست گرادیان خروجی با کاهش رو به رو خواهد شد. عبدالهادی و همکاران [7] به منظور مطالعه پایداری سازه های آبی در برابر گرادیان خروجی و زیر فشار به بررسی تاثیر بلانکت رسی، پرده آب بند و ترانشه رسی پرداختند که بررسی های آنها نشان داد که ترانشه رسی2 کم ترین تاثیر و پرده آب بند بیش ترین تاثیر بر کاهش گرادیان و زیر فشار را دارا می باشد.
همان طور که در بخش قبلی ذکر شد مطالعاتی که در روی فیلتر و تاثیر آن بر نشت، زیر فشار و گرادیان خروجی صورت گرفته است اغلب به صورت ترکیبی با پرده آب بند یا سازه های دیگر می باشد و هیچ مطالعه ای تاثیر فیلتر به صورت منفرد را مورد بررسی قرار نداده است. در این مطالعه با بررسی فیلتر پایین دست که به صورت منفرد طراحی شده و به صورت ترکیبی با سازه های دیگر نمی باشد، اولا سعی می شود که نحوه تاثیر فیلتر در موقعیت های مختلف بر نشت و گرادیان خروجی مورد بررسی قرار گیرد و ثانیا نقاط ضعف و قوت حاصل از تاثیر فیلتر نیز مشخص شود که با مشخص شدن کاستی های فیلتر، بتوان در باره طراحی سازه ترکیبی همراه با فیلتر به تصمیم گیری پرداخت. به عبارتی ابتدا باید دید که آیا طراحی فیلتر به تنهایی در کل طول سازه موجب تضمین پایداری می شود یا نه؟ سپس اگر نتایج قابل قبول نبودند در باره سازه ترکیبی و نحوه قرار گیری آن بحث شود.
-2 مواد و روش ها
نمونه مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. همان طور که در شکل 1 مشخص است در این مطالعه مطابق با آنچه که در طراحی ها در واقعیت رخ می دهد در پایین دست سازه هیدرولیکی، کف بند بتنی به طول 20 متر و ضخامت 1متر وجود دارد که این کف بند به نوبه خود می تواند برای کنترل جوشش در پایین دست و هم چنین کاهش گرادیان خروجی مفید باشد در حالی که موجب افزایش تجمع آب زیر سازه نیز می شود و باعث افزایش نیروی زیر فشار خواهد شد. فیلتر پایین دست نیز به ضخامت 1 متر در داخل کف بند بتنی جاسازی خواهد شد که X فاصله فیلتر از پایین دست و L نیز طول فیلتر می باشد. پارامتر های متغیر در جدول 1 نشان داده شده اند.
شکل :1 سازه هیدرولیکی مورد مطالعه در این تحقیق.
جدول :1 بازه تغییر پارامتر های موثر در مطالعه انجام شده.
آنچه که در جدول 1 مشخص است در این مطالعه سعی شده است تا با در نظر گرفتن مقادیر مناسب و متفاوت برای طول فیلتر و فاصله فیلتر از پایین دست سازه و هم چنین اتخاذ مقادیر مختلف برای هد آب بالا دست که مسلما تاثیر مستقیم بر کارکرد فیلتر و توزیع گرادیان و زیر فشار دارد بحث فیلتر در سازه ها مورد بررسی کامل قرار گیرد. ضریب نفوذ پذیری برای خاک پی سازه *10-5 3متر بر ثانیه و برای مصالح فیلتر 20 برابر مصالح خاک حفاظت شده و 0/0006 متر بر ثانیه در نظر گرفته شد.
برنامه کامپیوتری ذکر شده که مدل سازی ها در این مطالعه توسط آن صورت می گیرد نرم افزار SEEP/W 2012 می باشد. این نرم افزار، مبتنی بر روش المان محدود می باشد که برای مدل سازی تراوش و توزیع فشار آب منفذی در محیط های متخلخل نظیر خاک و سنگ تهیه شده است و قادر است جریان را در دو حالت اشباع و غیر اشباع مدل کند. در نرم افزار SEEP/W امکان استفاده از تمام شرایط مرزی ممکن از قبیل هدکل، هد فشار، دبی و همچنین شرایط خروج آب از مدل در یک مسأله تراوش وجود دارد.
