آشنایی با پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی
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 4000 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 ناپایداري و تخریب سدهاي خاکی است و عدم توجه به پدیده مذکور، خسارات جبران ناپذیري به سد خاکی و پایداري آن وارد می‌نماید لذا پیش‌بینی وضعیت قوس‌زدگی به ویژه در شرایط عدم قطعیت‌هاي ژئوتکنیکی از اهمیت زیادي برخودار است.
تعریف و کاربرد
در اصطلاح فنی، سدهاي ساخته شده از مصالح حاصل از خاكبرداري، بدون اضافه کردن مصالح چسباننده مصنوعی را سدهاي خاکی می‌نامند. سدهاي خاکی به دو دسته سدهاي خاکریزه‌اي و سدهاي سنگریزه‌اي تقسیم می‌شوند. تقسیم بندي 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 سدهاي خاکی اگر مقطع سد از مصالح یکنواخت تشکیل شده باشد به آن سد همگن می‌گویند. معمولاً سدهاي خاکی کوچک، همگن می‌باشند و این در سدهاي خاکی بزرگ به ندرت اتفاق می‌افتد. اگر مقطع همگن داراي هسته نفوذ ناپذیر باشد، همگن با هسته نفوذناپذیر نامیده می‌شود. اگر پوسته سد ازمصالح مختلف تشکیل شده باشد به آن سد غیرهمگن یا ناحیه‌بندي 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 وظیفه‌ي جلوگیري از نشست آب و آب‌بند نمودن بدنه‌ي سد بر عهده‌ي هسته می‌باشد. جهت انجام چنین وظیفه‌اي، می‌بایست سد از مصالح نفوذ ناپذیر و یا با نفوذپذیري پایین ساخته شود. تاکنون در ساخت سدهاي خاکی از مصالح مختلفی در هسته استفاده شده است.
هسته‌هاي رسی، هسته‌هاي آسفالتی و هسته‌هاي بتن غلتکی از جمله انواع هسته‌هاي نفوذناپذیر هستند. اما آنچه در این‌جا مورد توجه است هسته‌هاي رسی است که از سال 1940 به بعد با تکمیل و پیشرفت علم مکانیک خاك در سدهاي خاکی رواج بسیاري یافته و امروز، شاهد نمونه‌هاي بسیار زیادي از این گونه سدها در جهان هستیم. شاید استفاده از خاك رس براي 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 مواردي که خاك رس مناسب در دسترس نباشد و مصالح نوع شنی-رسی در اختیار باشد، جایگزین مناسبی براي هسته سدهاي خاکی خواهد بود. در شرایطی که خاك رس در دسترس از کیفیت مناسبی برخوردار نباشد به طور مثال پلاستیسیته‌ي بالایی داشته باشد و امکان دستیابی به مصالح GC نیز ممکن نباشد، یکی از روش‌هاي 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 داراي معایب و محاسنی است که به عوامل گوناگونی بستگی دارد و می‌توان خصوصیات و پارامترهاي رفتاري مختلف و پدیده‌هاي 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 کناري و پوسته منتقل می‌کنند و انتقال تنشی را موجب می‌شوند که در نهایت سبب کمتر شدن تنش اندازه‌گیري شده از تنش محاسبه‌اي است. قوس‌زدگی می‌تواند سبب ایجاد برخی ترك‌هاي عرضی در بخش نفوذ ناپذیر سد به ویژه در نزدیکی اتصال سد به دیوارهاي جانبی شده و در حالات بحرانی‌تر پدیده آبشستگی را باعث شود و ایمنی سد را به مخاطره اندازد.
شاید براساس تئوري، همان‌طور که برخی متخصصین این فن بر آن تأکید می‌ورزند کاربرد مصالح رس خالص به عنوان هسته سد خاکی بهترین گزینه براي کاهش مقاومت‌هاي برشی در حد فاصل نواحی هسته و پوسته‌ها باشد اما در عمل وضع به گونه دیگري است. کاربرد مصالح رسی خالص علاوه بر این‌که تهیه آن همیشه به آسانی امکان پذیر نیست، مشکلاتی از جمله تحکیم پذیري و نشست زیاد و فشار آب حفرهاي فراوان را پدید می‌آورد. از این رو ناگزیر از اختلاط مصالح مذکور با مصالح درشت‌دانه هستیم. بدون شک این اختلاط موجب کاهش تحکیم پذیري مصالح هسته شده و نشست‌هاي 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 درصدهاي اختلاط گوناگون (هر چند براساس داده‌هاي محدود موجود) و تأثیر آن بر پدیده قوس‌زدگی بررسی گردد.
قوس‌زدگی در سدهای خاکی
در سدهاي خاکی بر اثر بروز تغییر مکان نسبی بین بخش‌هاي مختلف سد و نشست هسته مرکزي نسبت به پوسته، ممکن است پدیده قوس‌زدگی یا قوسی شدن بوجود آید. در نتیجه این پدیده قسمتی که بیشتر نشست می‌کند، مقداري از وزن خود را به قسمتی که سختی بیشتري دارد منتقل می‌کند که این انتقال تنش به دلیل ایجاد تنش برشی در محل اتصال دو قسمت با دو جنس و نشست‌پذیري متفاوت است. این عمل باعث کاهش تنش‌هاي عمودي و افقی در بخش‌هاي پایینی هسته سد شده و احتمال ترك 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 خاك 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 نشست‌پذیري 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 براي نشست، نسبت به پوسته‌ها بیشتر باشد، در سطوح مشترك هسته و پوسته‌ها تنش برشی در برابر آن مقاومت می‌کند. این عمل ممکن است باعث بوجود آمدن یک یا چند ترك افقی در هسته شده و همچنین ممکن است باعث جدا شدگی قسمت کف از بالا شود. قسمت‌هاي باقیمانده نیز از طرفین بوسیله تنش‌هاي برشی نگهداري می‌شوند. (شکل 1)
شکل 1 . جدا شدگی و تنش‌هاي 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 گیري 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 هاي کمتر از 1 ضریب مذکور، دال بر انتقال بار هسته به روي ناحیه تبدیل و پوسته می‌باشد، در حالی که نسبت‌هاي بزرگتر از 1 نشان‌دهنده انتقال بار از نواحی تبدیل و پوسته بر روي هسته است.
پدیده قوس‌زدگی به دو عامل وابسته است، یکی اختلاف نشست پوسته و هسته سد و در واقع تحکیم‌پذیري مصالح هسته و دیگري مقاومت برشی بین هسته و پوسته سد. بدیهی است که خاك رس مخصوصاً اگر به صورت عادي تحکیم یافته نیز باشد داراي نشست زیادي 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 براي بروز پدیده قوس‌زدگی فراهم می‌کند. مثلا بروز برخی از شکاف‌هاي عرضی در بخش نفوذ ناپذیر سد به ویژه در نزدیکی اتصال به دیواره‌هاي جانبی آن ممکن است به دلیل تمایل به قوس‌زدگی باشد. در شکل 2 یک نمونه قوس‌زدگی نشان داده شده است.
شکل 2 . نشست رمبندگي در حين آب گيري سد
راهکار
می‌توان پدیده قوس‌زدگی را با کم کردن اختلاف نشست هسته نسبت به فیلترها کاهش داد. یکی از روش‌هاي مورد توجه، مخلوط کردن مصالح هسته با مصالح درشت دانه است. هسته‌ها مخلوط سختی بیشتر و تحکیم پذیري کمتري دارند اما در مقابل زاویه اصطکاك بیشتري 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:
1 . مقاله‌ی بررسی تأثیر خصوصیات هندسی هسته بر پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی از علی میرزاعلی محمدی
2 . مقاله‌ی مطالعه پديده قوس‌زدگی در سدهای خاکی با هسته رسی خالص و مقايسه آن در سدها با هسته رسی مختلط (مطالعه موردی سد کرخه) از منوچهر معتمدی
