آشنایی با پدیده شکست هيدروليکی در هسته سدهای خاکی

سدها از جمله سازه‌های مهندسی ساخت دست بشر می‌باشند كه بطور مستقیم با آب و نیروهای مخرب آن در ارتباط هستند. یكی از مشكلات عمومی در سد های خاكی كه از عوامل خرابی به شمار می‌رود مسأله پیدایش شکست هیدرولیکی در هسته رسی است. این پدیده اغلب در زمان اولین آبگیري سد، زمانی که فشار آب به طور ناگهانی در هسته افزایش می یابد، رخ می دهد. در این نوشتار سعی شده است این پدیده به طور کامل مورد بررسی قرار گیرد، با ما همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه: بررسی و مطالعه پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی

مقدمه

در تحلیل تنش-كرنش میزان نشست قسمت‌های مختلف سد در مراحل مختلف ساخت و بهره‌برداری از سد برآورد گردیده و ضمناً احتمال وقوع شكست هیدرولیكی بررسی می شود. با باریك شدن دره و تند شدن شیب پاشنه‌ها و افزایش ارتفاع سد، احتمال ایجاد ترك خصوصاً در ناحیه هسته افزایش می‌یابد. عموماً ترك‌ها در ناحیه ایجاد كشش (كرنش‌های كششی) در اثر بار مرده بدنه سد و یا بر اثر آبگیری مخزن و یا وقوع زلزله حاصل می‌شوند.

در حالت عمومی ترك‌های هیدرولیكی در اثر پدیده فیزیكی جدایش در توده خاك یا سنگ، در اثر اعمال فشار آب بالا پدیدار شده و زمینه مناسبی را برای نشت آب و نهایتاً شكست فراهم می‌آورد. با استفاده از روش اجزاء محدود و بكارگیری مدل مناسب رفتاری مصالح در تحلیل بدنه سد می توان به سادگی نواحی محتمل به شكست هیدرولیكی را شناسائی نموده و مورد ارزیابی دقیق قرار داد و پیشگیری‌های لازم را اعمال كرد.

قدیمی‌ترین گزارش خرابی سدهای خاكی برای نمونه در سال 1863 مربوط به سد دیل دیك است كه بر اساس گزارش ارائه شده به وسیله باینی 1981 در این سد، شكست هیدرولیكی اتفاق افتاد.

در سدهای خاكی این پدیده دارای نقش مخربی در سدها است و طراحان سدهای خاكی درصدد پیش‌بینی و جلوگیری از وقوع آن هستند. احداث سدها نقش حائز اهمیتی در مهار سیلاب، تولید نیرو و تأمین آب شرب مناطق شهری دارد.

به همین دلیل، آسیب شناسی سدها و پیشگیری از وقوع خرابی‌های آنها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ولی واقعیت مطلب آن است كه برای درك بهتر اتفاقاتی كه از مرحله سخت شوندگی تا شكست هیدرولیکی اتفاق می‌افتد به توضیح روش حلقه‌های پیوسته پرداخته می‌شود.

برای بررسی این پدیده ابتداً باید ماهیت ترك و نحوه بروز و گسترش آن در محیط مورد توجه قرار گرفته و سپس مكانیزم‌های وقوع آن در سدهای خاكی مورد بررسی قرار گیرد. شكست هیدرولیكی در توده‌های خاكی، بصورت وقوع یا گسترش ترك خوردگی، در اثر افزایش فشار آب و ایجاد تمركز تنش بر روی لبه ترك‌های موجود، می‌باشد. این خرابی متمایز از پدیده روانگرایی است كه در آن افزایش فشار آب حفره‌ای موجب صفر شدن تنش موثر خاك شده و غالباً خرابی آن همراه ترك خوردگی خاك نیست. از سوی دیگر در غالب سدهایی كه در اثر این پدیده مخرب دچار خرابی شده‌اند، پایین‌دست سد هیچ علامت هشداردهنده‌ای از خود نشان نداده است و یا اینكه فاصله بین بروز علائم و خرابی سد به قدری كوتاه بوده كه عملاً عملیات موثری برای جلوگیری از خرابی صورت نگرفته است.

با تفاسیر فوق شناسایی مكانیزم‌های مختلف خرابی توسط این پدیده و همچنین زمان محتمل در وقوع مكانیزم‌های مذكور ضروری به نظر می‌رسد. تئوری ترك هیدرولیكی فقط در خاك‌های ریزدانه قابل اعمال است و در خاك‌های درشت دانه ترك هیدرولیكی ایجاد نمی‌شود و اصطلاحاً این خاك‌ها خود ترمیم هستند، یعنی حتی اگر ترك ایجاد شود خود به خود ترمیم می‌شوند. آنچه در یك سد خاكی تحت عنوان ترك هیدرولیكی عامل تهدید كننده به شمار می‌رود چند مطلب است.

اولین مورد در زمینه تزریق است، موارد دیگر در زمان ساخت و آبگیری می‌باشد. لیكن خطرناك‌ترین وجه آن ایجاد ترك هیدرولیكی در حین آبگیری است. به دلایل مختلفی مناطق كم تنش در سد بروز می‌كند كه در زمان آبگیری می‌تواند خطر آفرین باشد.

از جمله این عوامل دره تنگ، عدم اصلاح كافی شیب كناره‌ها، شیب زیاد دیواره‌ها و ترك خوردگی و نفوذپذیری زیاد كه باعث ورود آب به مناطق حساس می‌شود، عدم استفاده از رطوبت تراكم مناسب، وضعیت نامناسب بستر و استفاده از خاك‌های حساس می‌باشد.

بنابراین به طور کلی شکست هیدرولیکی می‌تواند در هسته ریزدانه سدهاي خاکی اتفاق بیافتد. این پدیده اغلب در زمان اولین آبگیري سد وقتی که فشار آب به طور ناگهانی در هسته افزایش می‌یابد، رخ می‌دهد. کاهش تنش موثر قائم در هسته سد تسهیل کننده  وقوع این پدیده است، بنابراین یکی از مهم‌ترین عواملی که خطر وقوع ترك هیدرولیکی در هسته را افزایش می‌دهد، قوس‌زدگی است. در سدهاي خاکی اغلب مصالح هسته نسبت به مصالح پوسته سختی کمتري دارند و در نتیجه نشست مصالح هسته نسبت به پوسته بیشتر است. این موضوع سبب می‌شود بخشی از تنش هسته به پوسته منتقل شود و در نتیجه سطح تنش در هسته کاهش یابد. این پدیده قوس‌زدگی نامیده می‌شود.

پیش‌بینی و راهکار

براي پیش‌بینی وقوع شکست هیدرولیکی در هسته سد، چندین روش مختلف وجود دارد که می‌توان آنها را در سه گروه کلی تقسیم‌بندي کرد. دسته اول استفاده از روابط تجربی حاصل از مطالعات آزمایشگاهی یا میدانی است. این روابط، فشار آب ایجاد کننده ترك را بر حسب سطح تنش در خاك ارائه می‌کنند. با مقایسه این فشار با فشار آب در المان‌هاي بالادست هسته، می‌توان وقوع شکست هیدرولیکی را تحقیق کرد. گروه دوم روابطی تئوریک هستند که بر اساس مدل‌هاي پیشنهاد شده در نظریه خمیري توسعه یافته‌اند. این روابط مانند روابط گروه اول، فشار آب بحرانی را ارائه می‌کنند. دسته سوم استفاده از مکانیک شکست است.

به طور نمونه برای یک سد ابتدا با استفاده از اطلاعات ابزار دقیق  طی دوران ساختمان، تحلیل‌هاي برگشتی انجام می‌شود تا عوامل واقعی مصالح سد به دست آیند. پس از آن توزیع تنش و فشار آب حفره‌اي در سد محاسبه می‌شود و بدین ترتیب امکان بررسی وقوع قوس زدگی و به دنبال آن وقوع شکست هیدرولیکی در هسته سد فراهم می‌شود. سپس با بهره‌گیري از شیوه‌هایی که ترك خوردگی در سد را پیش بینی کرده‌اند، پتانسیل وقوع شکست هیدرولیکی در سد مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

این مسائل در كنار عوامل دیگری مانند حساسیت به نشست، مقطع نامناسب، خاك واگرا و عدم طراحی صحیح پرده آب بند و … سبب می‌شود كه خطرات بزرگی این بنای خاكی را تهدید كنند. بنابراین اولاً باید طراحی به نحو صحیحی انجام شود و ثانیاً به نشانه‌های ترك هیدرولیكی توجه فراوان مبذول شود تا بتوان از بروز خطرات مربوط به پدیده شكست هیدرولیكی جلوگیری نمود.

منبع:

مقاله‌ی بررسي شکست هيدروليکي در هسته سدهاي خاکي از سيد اميد خامسي و علي اصغر ميرقاسمي