آموزش کارشناسی ارشد مفاهیم علمی ۴ بهمن ۱۳۹۶ زمان خواندن: ۷ دقیقه

بررسی نشت در سدهای خاکی و روش های کنترل آن

در این پست می‌خوانید:

در این نوشتار به دلیل اهمیت سدهای خاکی، ابتدا به بررسی نشت در سدهای خاکی می پردازیم سپس در ادامه به منظور کنترل این پدیده راهکارهایی را ارائه می دهیم بنابراین با ما همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه: پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی

مقدمه

سدها از نظر اقتصادی، اجتماعی و سیاسی دارای اهمیت بسیار زیادی می‌باشند. نقش سدها در توسعه کشاورزی، عمران مناطق روستایی و شهری، تامین آب آشامیدنی، تولید انرژی هیدروالکتریک، کنترل و تنظیم شدت جریان آب در رودخانه‌ها و… قابل توجه است. از طرفی این طرح‌های استراتژیک، نیازمند سرمایه‌گذاری‌های کلان می‌باشند. در جهانی که روز به روز بر وخامت اقتصادی ملت‌ها افزوده می‌شود و روز به روز نیاز به تامین آب آشامیدنی سالم افزایش می‌یابد، اقتصاد طرح‌ها حائز اهمیت زیادی است. به علت بالا بودن هزینه ساختمان سدها، مسائل اقتصادی و طرح راهکارهای اجرایی منطقی و بهینه نیز در کنار اخذ راهکارهای نگهداری سدها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد.

به علت اختلاف بار آبي که در دو طرف سازه‌هاي آبي احداث شده بر روی پی‌های نفوذپذير وجود دارد، همواره نشت آب از پي‌ این گونه سازه‌ها وجود دارد. اثرات تراوش از خاک پی اين سازه‌ها را مي‌توان در سه بخش ايجاد نيروي زير فشار، دبي نشت و گراديان خروجي طبقه‌بندي نمود. نيروي زیر فشار، سبب کاهش مقاومت برشي بين سد و پي آن شده و باعث ايجاد تنش کششي، کاهش ضريب اطمينان پايداري در برابر پديده‌هاي لغزش و واژگوني مي‌شود. چنانچه سرعت نشت جريان آب در قسمت انتهايي سدها افزايش يابد، ممکن است که اين سرعت بالا سبب حرکت ذرات خاک گردد. اين موضوع تسريع کننده پديده مهم ديگري با عنوان زیرشویی مي‌گردد که اگر كنترل نشود، ممكن است موجب تخريب این‌گونه سازه‌ها شود. هدف از احداث پرده تزريق، پرده آب بند و ساير روش‌هاي آب‌بندي، جلوگيري يا كاهش اين حركت به سمت پاياب بوده و گراديان خروجي نيز مهمترین معيار طراحي براي ضريب اطمينان نسبت به زیرشویی است.

محققين زيادي از چندين دهه گذشته مسائل نشت را به صورت تحليلي و عددي مورد بررسي قرار داده‌اند و درستی نتايج مدل‌هاي عددي با داده‌هاي صحرایي در اغلب اين مطالعات مورد ارزيابي قرار گرفتند. با توجه به اين که دقت برداشت داده‌هاي آزما‌یشگاهي به مراتب از داده‌هاي صحرایي بيشتر است، بنابراین مطالعه و تحليل مسئله نشت از پی‌های آبرفتی به کمک يک مدل آزمايشگاهي مي‌تواند روابط مورد نياز برای طراحي آن‌ها را به گونه‌ای علمي‌تر استخراج و درستی روابط تجربي را نيز مورد ارزيابي قرار دهد. اهميت شبيه‌سازی آزمايشگاهي مسئله نشت را مي توان به دو دليل توجيه نمود؛ اول اين که شرايط پي و خصوصيات زمین شناسی سايت مورد بررسي در صحرا و مدل، غالباً تفاوت زيادي را با هم دارند و دوم اين که با تقريب معادلات رياضي حاکم بر حرکت آب زيرزميني، اغلب مقداری عدم اطمينان وارد مسئله شده و انتظار آن مي‌رود که بين نتايج مدل‌هاي رياضي و آزمايشگاهي تفاوت محسوسي وجود داشته باشد.

اولين مطالعات انجام شده در مورد بهينه‌سازي جريان نشتي از پي سدهاي خاکي توسط ترزاقي انجام گرفته است. وي با تحلیل نشت حاصله از بدنه و پي سدهاي خاکي و با توجه به ضريب نفوذپذيري مصالح تشکیل یافته، نتايج خود را ارائه داد. نتيجه کار او به اين صورت بود که هرچه نسبت نفوذپذيري هسته نسبت به پي و پوسته کمتر باشد، نشت حاصله کاهش خواهد یافت. او با درنظر گرفتن عمق‌های مختلفي از پرده آب بند واقع شده در پي سد به ارزیابی جريان نشت از پوسته و پي پرداخت. ارزیابی او بر اساس روش شبکه جريان ترسيم شده براي هر حالت انجام گرفته بود.

با توجه به اهميت پايداري سدهاي خاكي، بايد تراوش زياد در پي آنها به شكل مناسبي محدود شود. روش‌هاي مختلفي براي كنترل تراوش از پي سدهاي خاكي وجود دارد. انتخاب روش مناسب براي يك سد بستگي به عوامل مختلفي دارد. ولي به طور كلي بايد از آب‌بندي مطمئن بوده و مسائل اقتصادي را نيز در نظر داشت. در برخي موارد ممكن است با توجه به نيازهاي پروژه چندين راه حل مورد قبول باشد.

توجه : برای مدلسازی نشت در سدهای خاکی می توان از نرم افزار Geostudio استفاده نمود برای آشنایی با مدلسازی نشت در سدهای خاکی می توانید به آموزش نرم افزار GeoStudio مراجعه نمایید. شکل 1 نمایی از سد مدلسازی شده در این نرم افزار را نمایش می دهد.

شکل 1 . آنالیز نشت در سدهای خاکی

پیامدهای نامطلوب نشت آب از سد

1 . تلف شدن آب ذخیره شده در پشت سازه خاکی در اثر نشت در سدهای خاکی

2 . ایجاد فشار منفذی در محیط متخلخل و کاهش تنش موثر بین ذرات خاک و در نتیجه کاهش مقاومت برشی آن

3 . اعمال فشار بالابر بر سازه‌های غیر قابل نفوذ (مانند سازه‌های بتنی، فولادی و …) در محیط

4 . به حرکت در آمدن ذرات خاک و ایجاد پدیده فرسایش درونی در محیط

5 . اعمال نیروی نشت بر توده خاک در جهت جریان

پیش‌بینی و راهکار برای کنترل نشت در سدهای خاکی

روش های کنترل نشت در سدهای خاکی

1 . استفاده از هسته با نفوذپذیری بسیار کم در بدنه سد به منظور کاهش نشت در سدهای خاکی

2 . استفاده از رویه‌ی آب‌بند در سطح بالادست سد (در صورتی از این روش استفاده می‌شود که سد همگن از درشت دانه تشکیل شده باشد. براي آب‌بندي از یک لایه غیرقابل نفوذ روي سطح بالادست استفاده می‌شود. این لایه از بتن یا آسفالت تشکیل شده است)

3 . استفاده از ترانشه و پرده آب‌بند در پی

4 . استفاده از پرده تزریق در پی (تزريق روشي است كه توسط آن توده تزريق شده به خلل و فرج يا حفره‌هاي تشكيلات سنگي و خاكي تزريق شده و موجب بهبود مشخصات تشكيلات مي‌گردد، به طوري كه در اثر آن نفوذپذيري لايه‌ها كم، مقاومت لايه‌ها زياد و تغيير شكل‌پذيري تشكيلات كم مي‌شود. براي اين منظور گمانه‌هايي حفر شده و سپس توده تزريق با فشار در تشكيلات تزريق مي‌گردد تا اينكه حفره‌هاي مقطع تزريق پر شده و شرايط مورد نياز طراحي را فراهم نمايد. مواد مورد استفاده براي دوغاب تزریق: سیمان، رس یا بنتونیت، سیمان -بتنونیت، سیمان-رس، رس یا بنتونیت با مواد شیمیایی (سیلیکات سدیم))

5 . استفاده از رویه با نفوذپذیری بسیار کم در کف مخزن 6 استفاده از دیوارهای آب‌بند نازک (دیافراگم) فلزی، بتنی و …

اثر تراز آب بالادست بر ميزان دبی نشت

فشار ناشي از ارتفاع آب در مخزن سد باعث ايجاد جريان‌هاي زیرزمینی آب (جرياني که از بالادست به سمت پايين‌دست رخ مي‌دهد و سبب تراوش آب در ترك‌ها، حفره‌هاي بتن و سنگ مي‌گردد)، فشارهاي منفذي و زیر فشار در بدنه، پي و تيكه‌گاه‌هاي سدهاي خاکي و بندهاي انحرافي مي‌شود.

تراوش آب در حد معمول در تمام سدها و بندهاي انحرافي رخ مي‌دهد. ولي هنگامی که مقادير آن از حدود طبيعي خارج شود، نياز به بررسي و رسيدگي وجود دارد.

افزايش ارتفاع آب مخزن منجر به افزايش فشارهاي منفذي، نيروي زير فشار و دبي نشت در قسمت پایین‌دست سپري مي‌گردد. همچنين اين افزايش تراز آب افزايش شيب هيدروليکي را به همراه دارد که در نسبت‌های کمتر عمق پرده آب‌بند موجب جوشش در محدوده پایین‌دست پرده آب‌بند مي‌گردد.

در هر موقعيت معين ديواره سپري، دبي نشت با افزايش عمق ديواره کاهش مي‌یابد. اين امر با توجه به افزايش طول خطوط جريان خزشي و کاهش شيب متوسط هيدروليکي از رابطه دارسي نيز قابل استنباط است.

بررسي پديده جوشش و فرسايش درونی

آزمايش‌هايي که توسط ترازقي صورت گرفته است، نشان می‌دهند که روان‌شدگي ماسه‌ها و فرسايش دروني آن‌ها در فاصله d/2 از سپري اتفاق می‌افتد. (شکل 2) که در آن d عمق مدفون سپري است. در منشوري به عمق d و عرض d/2 روان‌شدگي ماسه پيش مي‌آيد که اين محدوده در طراحي عمق سپري در پي سدهاي خاکي و بندهاي انحرافي بسيار مهم است و چنانچه کنترل نشود، موجب روان‌شدگي و افزايش شيب هيدروليکي و در نهایت نیز منجر به خرابي در پایین‌دست پرده آب بند مي‌گردد.

شکل 2 . محدوده روان‌شدگي و احتمال جوشش ماسه در پاي سپري

اگر از ماسه تميز ساحلي در پي مدل آزمايشگاهي به عنوان مصالح پي استفاده شود. پرواضح است که اين خاک يکي از بدترين نوع مصالح براي پي سازه‌هاي آبي محسوب مي‌شود. زيرا بر اثر بالا رفتن نيروي نشت و برابر شدن نيروي نشت با وزن مستغرق ذرات، پي ماسه‌اي رفتار جديد و نامتعارفي را از خود بروز مي‌دهد. منشور انتهايي در پايين‌دست پرده آب بند با بالا رفتن گراديان هيدروليکي در آستانه جوشش قرار می‌گیرد. با افزايش عمق پرده آب‌بند اين پتانسيل جوشش به تدریج كاهش يافته و از حالت بحراني خارج مي‌گردد. براي بررسي دقيق‌تر اثر عمق پرده آب بند بر پديده جوشش و فرسايش دروني در هر حالت آزمايش، باید شيب هيدروليکي افقی محاسبه گردد. (شکل 3)