بخشی از مقاله
مقدمه
بعد از آن که مخزن سد از آب پرشد و مورد بهرهبرداري قرار گرفت و آب به داخل بدنه سد نفوذ کرد، هرگونه افت در تراز آب مخزن چه به صورت سریع و چه به صورت آرام میتوانـد موجـب بروز لغزش در شیروانی بالا دست گـردد. در ایـن حالـت افـت در ارتفاع آب مخـزن سـریعتـر از آن اسـت کـه فشـار آب حفـرهاي موجود در بدنه یا شالوده سد بتواند مستهلک گردد.
افت سریعتر از آب مخزن باعث کاهش نیروي مقـاوم نسـبت به نیروي محرك میشود. زیرا اولاً فشـار آب بـالا دسـت کـه بـه عنوان نگهدارنده شیب بالا دست عمل میکند تا مرز سطح آب از بین میرود. ثانیاً خط اشباع در بدنه سد بالاتر از سطح آب مخزن قرار میگیرد و زهکشی نمیتواند با سرعتی که سطح آب مخـزن کاهش مییابد باعث استهلاك فشار آب حفرهاي گردد.
روشهاي مختلفی به منظور کنترل فشار آب حفرهاي ناشـی از تخلیه مخزن پیشنهاد شده است که بسته به شرایط دسترسـی مصالح و هزینههاي حمل یا ساخت ممکن اسـت از هـر کـدام از این روشها استفاده گردد. یکـی از ایـن روشهـاي مـؤثر، تعبیـه زهکش در شیروانی بالا دست سدهاي خاکی می باشد.
اگرچه این زهکشها با کاهش فشـار حفـرهاي اضـافی باعـث بهبود هرچه بیشتر پایداري شیروانی خاکی میشوند، اما از سوي
دیگر منجر به افزایش دبی نشت پایدار میگردند. از همـین رو در طراحی و بکارگیري آن ها بایستی دقت لازم و کافی را به کار برد.
-2 تئوري جریان در خاكهاي اشباع و غیراشباع
قانون دارسی بیان کننده جریان در خاكهاي اشباع و غیر اشباع میباشد. یکی از تفاوتهاي اصلی نشت در محیطهاي اشباع و غیر اشباع، ضریب نفوذپذیري خاك است. در محیطهاي اشباع، تابع نفوذپذیري خاك به صورت تابعی ثابت میباشد در حالی که در محیطهاي غیر اشباع، ضریب نفوذپذیري ثابت نبوده و به صورت تابعی از درجه اشباع خاك یا میزان مکش موجود در حفرات خاك میباشد.
معادله حاکم بر جریان آب در خـاك را مـیتـوان بـا اعمـال قانون دارسی در معادله پیوستگی جـرم بـه دسـت آورد. در ایـن معادله فرض میگردد که تغییـرات حجـم حفـرات خـاك نـاچیز است. این معادله به فرم کلی زیر میباشد:
∆θ ∂h ∂ ∂h ∂h ∂
γω k y k x
Ψ ∂t
∂y ∂y ∂x ∂k
در معادله فوق h هد کل است که مجهول میباشد. k x و k y
* نویسنده مسئول دریافت 90/2/1 پذیرش 90/8/11
/ 30 نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 42، شماره 1، بهار 1391، پیاپی 66 تأثیر زهکشهاي افقی ...
ضــرایب نفوذپــذیري در راســتاي x و y مــیباشــند. γω وزن مخصوص آب، θ تابع آب حجمی موجـود، Ψ مکـش موجـود در خاك و t زمان میباشد.
با توجه به این که در حالت تخلیه مخزن، فرآیند نشت به صورت گذرا میباشد بایستی قبل از انجام تحلیلهاي تخلیه مخزن شرایط خاك از لحاظ تابع نفوذپذیري و نیز تابع آب حجمی موجود کاملاً مشخص باشند. هر دو تابع فوقالذکر براي حل معادله جریان ضروري و لازم می باشد. در این پژوهش براي تخمین هر دو تابع فوق از نرمافزار SEEP/W بهرهگیري شده است. نمونهاي از این توابع در شکل (1) نشان داده شده است.
(الف)
(ب)
شکل -1 نمونهاي از تابع نفوذپذیري و تابع آب حجمی مورد
استفاده در تحلیل تخلیه مخزن
-3 معرفی مقطع نمونه
به منظور بررسی تـأثیر وجـود زهکـشهـاي افقـی واقـع در شیروانی بالا دست سدهاي خاکی بر فرآیند تخلیه مخزن، مقطـع یک سد خاکی همگن مانند شکل (2) درنظر گرفته شـده اسـت.
ارتفاع این سد 23 متر و عرض قاعده 146 متر مـیباشـد. عـرض تاج سد 8 متر بوده است. شیب هسته در این مقطع نمونه 1 قائم به 0/25 افقی لحاظ شده است.
شکل-2 مقطع عرضی سد مدلسازي شده
شیروانی بالا دست با شیب 1 قـائم بـه 3 افقـی، کـه یـک شـیب معمول در سدهاي خاکی است، مدلسازي شده است. تـراز اولیـه آب در حالت مخزن پر 20 متر و ارتفاع آزاد 3 متر بوده است. در این پژوهش شالوده به صورت صلب فرض گردیده است.
براي انجام تحلیلهاي مورد نظر چهار حالت در نظر گرفته شـده است. در حالت اولیـه مقطـع سـد، بـدون وجـود زهکـش فـرض گردیده و تحلیلهاي تخلیه سریع مخـزن انجـام شـده اسـت. در حالت دوم یک زهکش افقی در شیروانی بالا دسـت تعبیـه شـده است. در حالت سوم و چهارم نیـز فـرض گردیـده کـه دو و سـه زهکش افقی در شیروانی بالا دست قرار دارند. در شکل (3) نحوه قرارگیري زهکشها در شیروانی بالا دست و تـراز قرارگیـري هـر یک از این زهکشها نشان داده شده اسـت. نکتـه قابـل ذکـر در شکل (3) این است که طول زهکش ها برابـر نصـف فاصـله افقـی بین رویه شیب تا هسته در تراز زهکشها بوده است.
در جدول (1) خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مصـالح خـاکی مورد استفاده در تحلیل تخلیـه سـریع مخـزن نشـان داده شـده است. تمامی مصـالح از لحـاظ پارامترهـاي مقـاومتی بـه صـورت ایزوتروپیک مدلسازي شـدهانـد. همچنـین فـرض گردیـده اسـت نفوذپذیري مصالح زهکـش بسـیار زیـادتر از نفوذپـذیري مصـالح پوسته میباشد.
جدول -1 خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مصالح خاکی مورد
استفاده در تحلیل تخلیه سریع
φ C γkN / m3 kx/ky معیار نفوذپذیري
درجه (kPa) رفتاري m/s
پوسته 32 1 21 5 موهر کولب 1×10-4
زهکش 32 1 21 5 موهر کولب بسیار زیاد
هسته 25 25 20 5 موهر کولب 2/5×10-8
/ 31 نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 42، شماره 1، بهار 1391، پیاپی 66 تأثیر زهکشهاي افقی ...
(الف)
(ب)
(ج)
شکل -3 حالات مختلف قرارگیري زهکش در شیروانی بالادست الف) زهکش تکی ب) دو زهکشه ج) سه زهکشه
-4 روش تحلیل
به منظور انجام تحلیلهاي مورد نظر، در ابتدا فرض گردیـده که تراز آب مخزن در تراز نرمال قرار داشـته اسـت. سـپس بـراي این حالت آنالیز نشت پایدار انجام شده، تا فشـار آب حفـرهاي در مناطق مختلف بدنه سد به دست آید. فشار آب حفره اي به دست آمده از تحلیل نشت پایـدار بـه عنـوان شـرایط اولیـه در تحلیـل مخزن به کار برده شده است. شایان ذکر اسـت کـه بـراي انجـام تحلیلهاي نشت مورد نظر از نرمافزار SEEP/W بهرهگیري شده است. در مرحله بعد فرآیند تخلیه سریع با نرخ تخلیـه 1 متـر بـر روز و براي نسبتهاي تخلیـه 0/25، 0/5، 0/75 و 1 مـدلسـازي شده است.
براي تحلیل فرآیند نشت پایدار و گذرا در این پژوهش از روش اجزاي محدود بهرهگیري شده است. با توجه به این که معادلات نشت، معادلاتی تک مجهوله هستند براي مشبندي محیط مسئله از المانهاي مثلثی درجه اول استفاده شده است.
در مرحله پایانی نیز با استفاده از فشار آب حفرهاي به دست آمده از مرحله قبل، تحلیل پایداري براي شیروانی بالا دست انجام گرفته تا مشخص گردد وجود زهکشها تا چه اندازه بر بهبود پایداري شیروانی بالادست تأثیر گذار است. به منظور تحلیل پایداري شیروانی خاکی با بهرهگیري از نرمافزار SLOPE/W از روش اسپنسر1 استفاده شده است.
-5 نتایج تحلیل
-1-5 دبی خروجی از بدنه سد در حین تخلیه سریع مخزن
در اثر وجود زهکشهاي افقی در شیروانی بالا دست دبی خروجی در حین تخلیه مخزن افزایش خواهد یافت. در شکل (4)
دبی خروجی توسط زهکشها و نیز دبی کل خروجی از بدنه سد در حین تخلیه سریع نشان داده شده است. همانطور که در شکل (4) مشخص است در صورت وجود یک زهکش افقی، افزایش دبی خروجی در حین تخلیه سریع حداکثر تا %29 حالت بدون زهکش خواهد بود. در صورتیکه دو و سه زهکش افقی در شیروانی بالا دست موجود باشد، افزایش دبی خروجی در حین تخلیه مخزن به ترتیب حداکثر تا %81 و %60 حالت بدون زهکشی خواهد بود. هرچه دبی خروجی از بدنه سد در این حالت بیشتر باشد میزان کاهش و استهلاك فشار آب حفرهاي بیشتر خواهد بود. با کاهش هرچه بیشتر فشار آب حفره اي اضافی، بهبود هرچه بهتر پایداري شیروانی بالا دست حاصل میگردد.
با دقت در شکل (4) میتوان دریافت که حداکثر مشارکت یک زهکش افقی در هدایت دبی خروجی در نسبت تخلیه 0/25
رخ میدهد. در صورت قرارگیري دو زهکش افقی در شیروانی بالا دست، حداکثر مشارکت این دو زهکش در نسبت تخلیه 0/25 و 0/5 میباشد. از سوي دیگر در صورت وجود سه زهکش افقی، حداکثر مشارکت این سه زهکش در نسبت تخلیه 0/75 و 1
خواهد بود. در صورت عدم وجود زهکش در شیروانی بالا دست، پس از تخلیه مخزن خطوط هم پتانسیل به شکل قائم میباشند اما در صورت وجود زهکش در شیروانی بالادست و کاهش فشار آب حفرهاي اضافی، خطوط هم پتانسیل به شکل افقی خواهند بود. این امر که در شکل (5) نشان داده شده است، نشانه زائل شدن فشار آب حفره اي اضافی است.
1- Spencer
/ 32 نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 42، شماره 1، بهار 1391، پیاپی 66 تأثیر زهکشهاي افقی ...
(الف) (ب)
(ج) (د)
شکل -4 دبی خروجی از زهکشها و دبی خروجی از بدنه سد براي نسبتهاي مختلف تخلیه مخزن الف) نسبت تخلیه 0/25 ب) نسبت تخلیه 0/5 ج) نسبت تخلیه 0/75 د) نسبت تخلیه 1
شکل -5 خطوط هم پتانسیل در صورت عدم وجود زهکش در شیروانی بالادست
-2-5 ضرایب اطمینان نسبتهاي مختلف تخلیه مخزن
نتایج تحلیل پایداري شیروانی بالا دست پس از تخلیه سریع مخزن در شکل (6) نشان داده شده است. همانگونه که مشخص است ضرایب اطمینان براي نسـبتهـاي مختلـف تخلیـه مخـزن محاسبه شده است. با توجه به این شکل، براي نسبتهاي تخلیـه
0/25 و 0/5 بدون وجود هیچگونه زهکش افقی ضریب اطمینـان از حداقل مجاز (1/2) بیشتر بوده است، از ایـن رو بـراي ایـن دو نسبت تخلیه نیاز به تعبیه زهکش افقی وجود ندارد. براي نسـبت تخلیه 0/75، براي ارضاي حداقل ضریب اطمینان مجاز، وجود دو زهکش افقی ضروري است. در نهایت وجـود سـه زهکـش افقـی، براي برآورده شدن حداقل ضریب اطمینان مجاز در نسبت تخلیه
1، الزامی است.
