بهینه سازی ابعاد زهکش در سدهای خاکی

در این نوشتار ابتدا به بررسی عملکرد زهکش در سدهای خاکی می پردازیم سپس در ادامه ابعاد بهینه انواع زهکش در سد را مورد بررسی قرار می دهیم، بنابراین با گروه مهندسی فراعمران همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه : بررسی نشت در سدهای خاکی و روش های کنترل آن

مقدمه

به طور کلی برای هدایت جریان آب در سدهای خاکی از سیستم زهکشی استفاده می‌شود. احداث زهکش در بدنه سد به منظور جمع آوری و هدایت زهاب تشکیل شده در بدنه سد می‌باشد که هدف آن خشک نگه‌ داشتن شیب پایین‌دست سد و جلوگیری از افزایش فشار آب منفذی در بدنه است. از پرکاربردترین زهکش‌های مورد استفاده در سدهای خاکی می‌توان به زهکش افقی و زهکش مایل یا دودکشی اشاره کرد که باید ابعاد بهینه زهکش در سدهای خاکی تعیین گردد. بهترین ترکیب زهکش مایل و افقی، ترکیبی خواهد بود که قادر باشد به وظیفه اصلی خود که همان جمع آوری و تخلیه زهاب از بدنه سد خاکی می‌باشد به نحو احسن عمل کرده و علاوه بر آن با پایدارتر نمودن بدنه سد خاکی دارای حداقل ابعاد بهینه زهکش نیز باشد. با توجه به این موضوع به نظر می‌رسد که یافتن راهی جهت محاسبه موقعیت، شکل و ابعاد بهینه زهکش مایل و افقی در سدهای خاکی همگن از اهمیت خاص اقتصادی و فنی برخوردار باشد.

تحقیقات معدودی در رابطه با ابعاد بهینه زهکش در سدهای خاکی در گذشته انجام شده است. تساریک و کیلی با مدل کردن چند سد خاکی، گراف‌هایی جهت تخمین عملکرد زهکش افقی در پایین انداختن خط زه‌ آزاد تهیه کردند. این محققان براساس این گراف‌ها دو سد خاکی در حالت بدون وجود زهکش و با وجود زهکش افقی (زهکش با طول مشخص) را بوسیله مدل کامپیوتری و مدل آزمایشگاهی مدل کرده‌اند. زو، یونامی و کاواچی جهت بهینه کردن مصالح سدهای خاکی با دو مصالح مختلف از طریق پایین انداختن خط زه‌ آزاد در بدنه سد خاکی جهت افزایش درصد حجم مصالح خشک بدنه نسبت به مصالح اشباع بررسی‌هایی انجام داده‌اند. بهاگو چاهار از روش ترسیمی کاساگرانده، محل خط زه آزاد را تعیین و از این طریق، طول حداقل و حداکثر زهکش در سدهای خاکی همگن را که به صورت افقی اجرا شده است را برآورد کرده است. میشرا و سینگ جریان آب درون خاکریز، موقعیت خط زه‌ آزاد، حداقل فاصله بین خط زه‌ آزاد و دامنه پایین‌دست و موقعیت و طول موثر زهکش افقی را با لحاظ کردن اثر موئینگی آب در خاک را مورد بررسی قرار داده‌اند.

آمار تخریب سدهای خاکی ساخته شده تاکنون نشان می‌دهد که بیش از ۲۵ درصد علل تخریب سدهای ساخته شده تاکنون، ناشی از پدیده رگاب و زه کنترل نشده بوده است. امروزه با پیشرفت و گسترش فنون سدسازی و بررسی علل این تخریب‌ها، همواره در ساخت سدهای خاکی همگن امروزی به صورت توأم از زهکش مایل و زهکش افقی استفاده شده و کمتر سد خاکی همگن مدرنی می‌توان یافت که این دو زهکش به طور توأم در آن مورد استفاده قرار نگرفته باشد. با توجه به این موضوع و با توجه به تحقیقات پیشین در این زمینه، کماکان تحقیقاتی که بتواند با در نظر گرفتن موارد مختلفی از قبیل خاصیت موئینگی خاک‌ها، موقعیت و ابعاد بهینه زهکش در سدهای خاکی همگن را تعیین نماید از اهمیت بالایی برخوردار است. سیستم زهکش بهینه در یک سد خاکی سیستمی است که از یک طرف به وظایف اصلی خود، که همان تخلیه امن زهاب از بدنه سد خاکی می‌باشد به نحو احسن عمل کرده و از طرف دیگر بالاترین ضرایب اطمینان را ایجاد نموده و همچنین دارای کمترین ابعاد باشد.

یک سد خاکی همگن می‌بایست دارای ارتفاع زیاد نبوده تا بتوان ایمنی لازم در برابر پدیده ایجاد رگاب در بدنه سد خاکی را ایجاد نمود. همچنین از آنجا که بهترین خاک جهت استفاده در ساخت بدنه اصلی این نوع سدها خاک با دانه‌بندی GC بوده، این خاک به عنوان بدنه اصلی سدها و از خاک با دانه بندی GW به دلیل دارا بودن دانه‌بندی مناسب و نفوذپذیری بالا به عنوان زهکش استفاده شده است.

پارامترهای مقاومتی مصالح 

جهت یک فرض قابل قبول از پارامترهای مقاومتی مصالح بدنه و زهکش، مقادیر ضریب اطمینان به ازای مقادیر مختلف پارامترهای مقاومتی خاک و حالت‌های مختلف حداقل و حداکثر ارتفاع سدهای خاکی و به ازای تغییرات طول زهکش‌ها محاسبه می‌شوند. با در اختیار داشتن این مقادیر ضریب اطمینان، پارامترهای مقاومتی مناسب جهت نیل به ضریب اطمینان ۱/۵ (ضریب اطمینان پایداری حداقل در شرایط تراوش ماندگار از تراز نرمال) محاسبه می‌شوند. بر این اساس، انتخاب چسبندگی خاک مصالح بدنه برابر با ۱۵ کیلونیوتن بر مترمربع و زاویه اصطکاک داخلی آن برابر با ۲۵ درجه مناسب خواهد بود. همچنین زاویه اصطکاک داخلی مصالح زهکش برابر با ۴۰ درجه و چسبندگی آن صفر منظور شود. در ادامه ابعاد بهینه زهکش افقی و مایل بیان گردیده است.

طول زهکش افقی 

مقاطع سدهای خاکی همگن به صورت کلی همانند شکل ۱ مدنظر گرفته شده‌اند. همانگونه که از این شکل پیداست، طول زهکش افقی از دامنه پایین‌دست سد خاکی تا ابتدای پایین زهکش مایل ادامه دارد. تغییرات این طول در سه حالت مختلف حداقل، حداکثر و متوسط بررسی می‌گردند. مقدار حداقل طول زهکش افقی، حداقل طولی از زهکش افقی است که در صورت استفاده از آن، از بر خورد زه به دامنه پایین‌دست سد خاکی جلوگیری می‌گردد. در این حالت نزدیکترین فاصله خط زه‌ آزاد از دامنه پایین‌دست می‌بایست برابر با ارتفاع موئینگی آب در خاک بوده تا از عدم برخورد خط زه‌آزاد به دامنه پایین‌دست اطمینان کامل حاصل شود.

پیشنهاد مطالعه: پدیده شکست هیدرولیکی در هسته سدهای خاکی

شکل  ۱ . نمایش سیستم زهکش‌های افقی و مایل در مقطع یک سد خاکی همگن

با در اختیار داشتن مقادیر حداقل و حداکثر طول زهکش افقی، مقادیر متوسط این طول‌ها محاسبه و جهت بررسی هرچه دقیق‌تر تأثیر طول زهکش افقی بر ضرایب اطمینان پایداری، این طول از زهکش افقی نیز در مدل‌ها استفاده می‌گردد. مقادیر طول زهکش افقی حداقل، حداکثر و متوسط مورد استفاده در سدهای خاکی همگن دارای ارتفاع ۱۰ تا ۳۰ متر، در جدول ۱ ارائه شده است.

جدول  ۱ . مقادیر حداقل، حداکثر و متوسط طول زهکش افقی

طول زهکش مایل

طول زهکش مایل یکی دیگر از پارامترهای متغیر بوده که باید تأثیر طول این زهکش بر مقدار ضریب اطمینان پایداری دامنه‌ها نیز بررسی گردد. این طول در شکل ۱ نمایش داده شده است. در مدل‌های انجام شده دو مقدار جهت طول زهکش مایل اختیار می‌گردد که شامل طول زهکش مایل حداکثر و حداقل می‌باشد. مقدار طول زهکش مایل حداکثر به گونه‌ای اختیار می‌گردد که این زهکش تا تراز نرمال آب در مخزن سد ادامه یابد.  از این تراز به بالا به دلیل عدم وجود جریان قابل توجه آب در خاک، نیازی به وجود زهکش مایل نمی‌باشد. همچنین مقدار طول زهکش مایل حداقل، برابر با نصف طول زهکش مایل حداکثر در نظر گرفته می‌شود.

زاویه بین زهکش مایل و افقی : این زاویه در شکل ۱ نمایش داده شده است. زوایای مورد استفاده، محدوده رایج زاویه بین زهکش در سدهای خاکی همگن را به خوبی پوشش داده و شامل زوایای ۸۰، ۹۰، ۱۰۰، ۱۱۰، ۱۱۵، ۱۲۵، ۱۳۰، ۱۳۵ درجه می‌باشد.

پیشنهاد مطالعه: بررسی پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی

ابعاد بهینه زهکش در سدهای خاکی

با در اختیار داشتن ضرایب مربوط به پایداری سدهای خاکی در حالات مختلف می‌توان ابعاد بهینه زهکش در سدهای خاکی همگن را تعیین نمود. سیستم زهکش بهینه در سدهای خاکی همگن، زهکشی است که با حداقل مصالح به کار رفته در ساخت آنها بتوان حداکثر ضرایب اطمینان پایداری را به دست آورد. به عبارت دیگر در یک حجم خاص از مصالح زهکش، آرایش زهکشی بهینه است که بیشترین ضریب اطمینان پایداری را جهت سد خاکی ایجاد نماید. با توجه به این موضوع، ابتدا حجم مصالح به کاربرده شده زهکش باید محاسبه گردد. با فرض ضخامت یکسان زهکش در تمام حالات، پارامتر مجموع طول زهکش افقی و مایل به عنوان یک پارامتر بیان‌کننده حجم زهکش، قابل استفاده خواهد بود. از اینرو  ابتدا مجموع طول زهکش افقی و مایل محاسبه شده و سپس منحنی تغییرات ضریب اطمینان پایداری در برابر این طول (حجم مصالح زهکش) در سدهای خاکی دارای یک ارتفاع ثابت رسم می‌گردد.

در یک ضریب اطمینان خاص، هرچه مصالح زهکش به کار رفته کمتر باشد، آرایش زهکش مربوطه بهینه‌تر و اقتصادی‌تر بوده و هرچه مصالح زهکش به کار رفته بیشتر باشد، آرایش زهکش مربوطه، غیر اقتصادی‌تر خواهد بود. با توجه به این موضوع به عنوان نمونه در یک سد خاکی همگن با ارتفاع ۱۰ متر آرایش زهکشی که در آن، زهکش افقی دارای طول متوسط، زهکش مایل دارای طول حداقل و زاویه بین آنها ۹۰ درجه باشد، بهینه‌ترین آرایش زهکش‌ها و آرایش زهکشی که در آن، زهکش افقی و مایل دارای طول حداکثر و زاویه بین آنها ۱۱۰ درجه باشد غیراقتصادی‌ترین آرایش زهکش‌ها می‌باشد. این بررسی در سدهای خاکی همگن دارای ارتفاع‌های زیادتر نیز انجام شده که نتایج این بررسی به تفکیک ارتفاع سد خاکی، به صورت خلاصه در جدول ۲ ارائه شده است.

جدول  ۲ . ابعاد بهینه زهکش افقی و مایل در سدهای خاکی همگن با ارتفاع‌های مختلف

منابع:

مقاله‌ی بهینه‌یابی زهکش مایل و افقی در سدهای خاکی همگن از حمید علی نژاد، سید محمد علی زمردیان