آموزش, کارشناسی ارشد, مفاهیم علمی

آشنایی با پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی

4838

 یکی از مشکلات سدهای خاکی پدیده قوس‌زدگی است. در سدهای خاکی که با چند مصالح ساخته شده‌اند قسمت‌های مختلف سد، نشست‌های مختلفی را  تجربه می‌کنند. یکی از این موارد مهم، نشست نسبی هسته به پوسته و انتقال تنش از هسته به پوسته است. در این پست سعی شده است این پدیده به طور کامل مورد بررسی قرار گیرد. با ما همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه: انواع سرریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها

مقدمه

بشر از دیرباز در اندیشه جمع‌آوری و ذخیره منابع طبیعی منجمله آب بوده تا در موارد ضروری  و در مصارف آبیاری زمین‌های کشاورزی از آن به عنوان منبع قابل اطمینان استفاده نماید. با مروری بر سیر تاریخی سدسازی در جهان در می‌یابیم که بشر از حدود ۴۰۰۰ سال پیش به فکر ساختن سد و مهار آب‌های سطحی بوده است. مصالحی که در دست بشر از دیرباز بوده مصالح خاکی می‌باشد، از این‌رو برای ساخت سد به آن روی آورد. چنانکه در حال حاضر نیز بسته به شرایط محیطی هنوز این مصالح  بکار برده می‌شود. پس می‌توان ساخت سدهای خاکی را از قدیمی‌ترین سازه‌های مهندسی نامید. با گذشت زمان ساخت سدهای عظیم در دستور کار بشر قرار گرفت تا بتواند از آب این منبع عظیم الهی بهترین بهره‌وری را به عمل آورد. با روند افزایش ساخت سدهای خاکی به مرور زمان به علت محدودیت دانش بشری، مشکلاتی بوجود آمد.

در برخی موارد با شکست و تخریب ناگهانی این سدها فجایع بزرگی بوقوع پیوست که نمونه این تخریب‌ها در تاریخ کم نمی‌باشد. با هر تخریب محققان بی شماری در پی کشف چگونگی عملکرد سد در هنگام شکست و مکانیسم تخریب‌ها برآمدند،  تا بتوانند به راه‌های پیشگیری از این چنین فجایعی دست یابند، تا زیان‌های اینگونه حوادث به حداقل برسد. یکی از این مشکلات که محققان با آن روبرو گشته‌اند، وقوع پدیده‌ای بنام قوس‌زدگی در هسته سدهای خاکی می‌باشد.  بطور کلی قسمت‌های مختلف سد به علت خصوصیات متفاوت، نشست‌های مختلفی می‌کنند که باعث انتقال تنش از توده‌ای با نشست بیشتر به توده مقاوم کناری خود با نشست کمتر، از طریق چسبندگی و مقاومت برشی می‌شود. به عبارتی توده نرمتر به توده سخت‌تر مجاور خود تکیه می‌کند.

از آن‌جا که پدیده قوس‌زدگی یکی از عوامل بسیار مهم در ناپایداری و تخریب سدهای خاکی است و عدم توجه به پدیده مذکور، خسارات جبران ناپذیری به سد خاکی و پایداری آن وارد می‌نماید لذا پیش‌بینی وضعیت قوس‌زدگی به ویژه در شرایط عدم قطعیت‌های ژئوتکنیکی از اهمیت زیادی برخودار است.

تعریف و کاربرد

در اصطلاح فنی، سدهای ساخته شده از مصالح  حاصل از خاکبرداری،  بدون اضافه کردن مصالح چسباننده مصنوعی را سدهای خاکی می‌نامند. سدهای خاکی به دو دسته سدهای خاکریزه‌ای و سدهای سنگریزه‌ای تقسیم می‌شوند.  تقسیم بندی مذکور چندان مطلق نیست و ممکن است سدهایی وجود داشته باشد که هر دو نوع مصالح خاکی  و سنگی در آنها استفاده شده باشد. در سدهای خاکی اگر مقطع سد از مصالح یکنواخت تشکیل شده باشد به آن سد همگن می‌گویند. معمولاً سدهای خاکی کوچک، همگن می‌باشند و این در سدهای خاکی بزرگ به ندرت اتفاق می‌افتد. اگر مقطع همگن دارای هسته نفوذ ناپذیر باشد، همگن با هسته نفوذناپذیر نامیده می‌شود. اگر پوسته سد ازمصالح مختلف تشکیل شده باشد به آن سد غیرهمگن یا ناحیه‌بندی شده گفته می‌شود.

هر کدام از اجزاء تشکیل دهنده سد خاکی از جمله پوسته، هسته، فیلترها، زهکش، دیوار آب بند و … وظیفه خاصی بر عهده دارند. در این میان وظیفه‌ی جلوگیری از نشست آب و آب‌بند نمودن بدنه‌ی سد بر عهده‌ی هسته می‌باشد. جهت انجام چنین وظیفه‌ای، می‌بایست سد از مصالح نفوذ ناپذیر و یا با نفوذپذیری پایین ساخته شود. تاکنون در ساخت سدهای خاکی از مصالح مختلفی در هسته استفاده شده است.

هسته‌های رسی، هسته‌های آسفالتی و هسته‌های بتن غلتکی از جمله انواع هسته‌های نفوذناپذیر هستند. اما آنچه در این‌جا مورد توجه است هسته‌های رسی است که از سال ۱۹۴۰ به بعد با تکمیل و پیشرفت علم مکانیک خاک در سدهای خاکی رواج بسیاری یافته و امروز، شاهد نمونه‌های بسیار زیادی از این گونه سدها در جهان هستیم. شاید استفاده از خاک رس برای هسته این گونه سدها باعث می‌شود که مصالح پوسته و فیلتر با مصالح هسته رفتار تقریباً یکنواختی داشته باشند چرا که از مصالح درشت‌دانه پوسته به تدریج که به سمت هسته پیش‌  می‌رویم اندازه دانه‌ها کوچکتر شده و در نهایت به مصالح ریزدانه رسی می‌رسیم. در مواردی که خاک رس مناسب در دسترس نباشد و مصالح نوع شنی-رسی در اختیار باشد، جایگزین مناسبی برای هسته سدهای خاکی خواهد بود. در شرایطی که خاک رس در دسترس از کیفیت مناسبی برخوردار نباشد به طور مثال پلاستیسیته‌ی بالایی داشته باشد و امکان دستیابی به مصالح GC نیز ممکن نباشد، یکی از روش‌های بهبود کیفیت مصالح رسی، مخلوط کردن آن با شن و ماسه و ساختن مصالح مخلوط GC به شکل مصنوعی است.

هر کدام از مصالح رس خالص و مخلوط دارای معایب و محاسنی است که به عوامل گوناگونی بستگی دارد و می‌توان خصوصیات و پارامترهای رفتاری مختلف و پدیده‌های گوناگونی را در سد خاکی و در ارتباط با هسته آن با مصالح ریزدانه و یا مخلوط مورد توجه قرار داد. از این میان می‌توان پدیده قوس‌زدگی را مورد توجه قرار داد. پدیده مذکور به دلیل اختلاف سختی میان مصالح پوسته و هسته بوجود می‌آید. در اثر این اختلاف، مصالح نرم‌تر هسته وزن خود را به نواحی کناری و پوسته منتقل می‌کنند و انتقال تنشی را موجب می‌شوند که در نهایت سبب کمتر شدن تنش اندازه‌گیری شده از تنش محاسبه‌ای است. قوس‌زدگی می‌تواند سبب ایجاد برخی ترک‌های عرضی در بخش نفوذ ناپذیر سد به ویژه در نزدیکی اتصال سد به دیوارهای جانبی شده و در حالات بحرانی‌تر پدیده آبشستگی را باعث شود و ایمنی سد را به مخاطره اندازد.

شاید براساس تئوری، همان‌طور که برخی متخصصین این فن بر آن تأکید می‌ورزند کاربرد مصالح رس خالص به عنوان هسته سد خاکی بهترین گزینه برای کاهش مقاومت‌های برشی در حد فاصل نواحی هسته و پوسته‌ها باشد اما در عمل وضع به گونه دیگری است. کاربرد مصالح رسی خالص علاوه بر این‌که تهیه آن همیشه به آسانی امکان پذیر نیست، مشکلاتی از جمله تحکیم پذیری و نشست زیاد و فشار آب حفرهای فراوان را پدید می‌آورد. از این رو ناگزیر از اختلاط مصالح مذکور با مصالح درشت‌دانه هستیم. بدون شک این اختلاط موجب کاهش تحکیم پذیری مصالح هسته شده و نشست‌های هسته و پوسته را به هم نزدیک می‌سازد. اما باید توجه داشت که از طرف دیگر افزایش مقاومت برشی مصالح هسته را در پی دارد که خود می‌تواند آویزان شدگی مصالح هسته به پوسته را تشدید نموده و قوس‌زدگی را افزایش دهد. از این رو باید درصدهای اختلاط گوناگون (هر چند براساس داده‌های محدود موجود) و تأثیر آن بر پدیده قوس‌زدگی بررسی گردد.

قوس‌زدگی در سدهای خاکی

در سدهای خاکی بر اثر بروز تغییر مکان نسبی بین بخش‌های مختلف سد و نشست هسته مرکزی نسبت به پوسته، ممکن است پدیده قوس‌زدگی یا قوسی شدن بوجود آید. در نتیجه این پدیده قسمتی که بیشتر نشست می‌کند، مقداری از وزن خود را به قسمتی که سختی بیشتری دارد منتقل می‌کند که این انتقال تنش به دلیل ایجاد تنش برشی در محل اتصال دو قسمت با دو جنس و نشست‌پذیری متفاوت است. این عمل باعث کاهش تنش‌های عمودی  و افقی در بخش‌های پایینی هسته سد شده و احتمال ترک خوردگی در سد را بوجود می‌آورد.

پدیده قوس‌زدگی می‌تواند هم در طول و هم در مقطع سد اتفاق افتد. پدیده مذکور در طول سد به دو دلیل می‌تواند ایجاد شود، دلیل نخست آن توپوگرافی (هندسه) سد است و در این حالت به علت اختلاف ارتفاع خاک بدنه سد در مقاطع عمود در طول آن، تنش برشی خواهیم داشت و این برش منجر به قوس‌زدگی خواهد شد. دلیل دوم، تغییر مصالح و یا به عبارتی تفاوت نشست‌پذیری در طول پی سد است. قوس‌زدگی در مقطع سد، در اثر اختلاف نشست مصالح خصوصاً اختلاف نشست در طول زمان اتفاق می‌افتد.  به عبارتی هنگامی که تمایل هسته برای نشست، نسبت به پوسته‌ها بیشتر باشد، در سطوح مشترک هسته و پوسته‌ها تنش برشی در برابر آن مقاومت می‌کند. این عمل ممکن است باعث بوجود آمدن یک یا چند ترک افقی در هسته شده و همچنین ممکن است باعث جدا شدگی قسمت کف از بالا شود. قسمت‌های باقیمانده نیز از طرفین بوسیله تنش‌های برشی نگهداری می‌شوند. (شکل ۱)

جدا شدگی و تنش‌های برشی در هسته سد در اثر پدیده قوس‌زدگی

شکل ۱ . جدا شدگی و تنش‌های برشی در هسته سد در اثر پدیده قوس‌زدگی

شاخص مورد استفاده در ارزیابی میزان قوس‌زدگی، ضریب قوس‌زدگی (Arching ratio) است که به صورت نسبت تنش اصلی اندازه گیری شده به تنش محاسباتی یا سربار در هر نقطه (و یا بالعکس) تعریف می‌شود: به عنوان مثال در یک سد خاکی و در عمقی در زیر تاج سد، نسبت های کمتر از ۱ ضریب مذکور، دال بر انتقال بار هسته به روی ناحیه تبدیل و پوسته می‌باشد، در حالی که نسبت‌های بزرگتر از ۱ نشان‌دهنده انتقال بار از نواحی تبدیل و پوسته بر روی هسته است.

پدیده قوس‌زدگی به دو عامل وابسته است، یکی اختلاف نشست پوسته و هسته سد و در واقع تحکیم‌پذیری مصالح هسته و دیگری مقاومت برشی بین هسته و پوسته سد. بدیهی است که خاک رس مخصوصاً اگر به صورت عادی تحکیم یافته نیز باشد دارای نشست زیادی است. این مقدار نشست در هسته باعث می‌شود که اختلاف نشست بین هسته و فیلتر و پوسته نیز زیاد باشد. تمایل هسته به نشست بیشتر از یک طرف و اتصال آن به فیلتر از طرف دیگر زمینه را برای بروز پدیده قوس‌زدگی فراهم می‌کند. مثلا بروز برخی از شکاف‌های عرضی در بخش نفوذ ناپذیر سد به ویژه در نزدیکی اتصال به دیواره‌های جانبی آن ممکن است به دلیل تمایل به قوس‌زدگی باشد. در شکل ۲ یک نمونه قوس‌زدگی نشان داده شده است.

نشست رمبندگی در حین آبگیری سد

       شکل ۲ . نشست رمبندگی در حین آب گیری سد

راهکار

می‌توان پدیده قوس‌زدگی را با کم کردن اختلاف نشست هسته نسبت به فیلترها کاهش داد. یکی از روش‌های مورد توجه، مخلوط کردن مصالح هسته با مصالح درشت دانه است. هسته‌ها مخلوط سختی بیشتر و تحکیم پذیری کمتری دارند اما در مقابل زاویه اصطکاک بیشتری خواهند داشت و در نتیجه مقاومت برشی بین هسته و فیلتر افزایش خواهد یافت. این افزایش مقاومت برشی هسته می‌تواند عامل تشدید کننده در ایجاد پدیده قوس‌زدگی محسوب شود. بنابراین در تعیین درصد اختلاط باید اثر هر دو عامل، همزمان بررسی شود.

منابع:

۱ . مقاله‌ی بررسی تأثیر خصوصیات هندسی هسته بر پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی از علی میرزاعلی محمدی

۲ . مقاله‌ی مطالعه پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی با هسته رسی خالص و مقایسه آن در سدها با هسته رسی مختلط (مطالعه موردی سد کرخه) از منوچهر معتمدی

author-avatar

درباره محدثه شیخ علی

فارغ التحصیل ارشد مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. علاقه مندم، موضوعات مورد علاقه ی خود را که سد و سازه های مرتبط با آن است، با شما به اشتراک بگذارم.

1 دیدگاه در “آشنایی با پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی

  1. arash50bahadoran@gmail.com گفت:

    خیلی خلاصه و مفید بود . سپاس از شما. لطفا باز هم از این نوع مطالب اشتراک بذارید. سپاس دوباره

دیدگاهتان را بنویسید