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 كلي براي هدايت جريان آب در سدهاي خاكي از سيستم زهكشي استفاده مي‌شود. احداث زهكش در بدنه سد به منظور جمع آوري و هدايت زهاب تشكيل شده در بدنه سد مي‌باشد كه هدف آن خشك نگه داشتن شيب پايين‌دست سد و جلوگيري از افزايش فشار آب منفذي در بدنه است. از پركاربردترين زهكش‌هاي مورد استفاده در سدهاي خاكي مي‌توان به زهكش افقي و زهكش مايل يا دودكشي اشاره كرد که باید ابعاد بهينه زهکش در سدهای خاکی تعیین گردد. بهترين تركيب زهكش مايل و افقي، تركيبي خواهد بود كه قادر باشد به وظيفه اصلي خود كه همان جمع آوري و تخليه زهاب از بدنه سد خاكي مي‌باشد به نحو احسن عمل كرده و علاوه بر آن با پايدارتر نمودن بدنه سد خاكي داراي حداقل ابعاد بهينه زهكش نيز باشد. با توجه به اين موضوع به نظر مي‌رسد كه يافتن راهي جهت محاسبه موقعيت، شكل و ابعاد بهينه زهكش مايل و افقي در سدهاي خاكي همگن از اهميت خاص اقتصادي و فني برخوردار باشد.
تحقيقات معدودي در رابطه با ابعاد بهینه زهکش در سدهای خاکی در گذشته انجام شده است. تساريك و كيلي با مدل كردن چند سد خاكي، گراف‌هايي جهت تخمين عملكرد زهكش افقي در پايين انداختن خط زه آزاد تهيه كردند. اين محققان براساس اين گراف‌ها دو سد خاكي در حالت بدون وجود زهكش و با وجود زهكش افقي (زهكش با طول مشخص) را بوسيله مدل كامپيوتري و مدل آزمايشگاهي مدل كرده‌اند. زو، يونامي و كاواچي جهت بهينه كردن مصالح سدهاي خاكي با دو مصالح مختلف از طريق پايين انداختن خط زه آزاد در بدنه سد خاكي جهت افزايش درصد حجم مصالح خشك بدنه نسبت به مصالح اشباع بررسي‌هايي انجام داده‌اند. بهاگو چاهار از روش ترسيمي كاساگرانده، محل خط زه آزاد را تعيين و از اين طريق، طول حداقل و حداكثر زهکش در سدهای خاکی همگن را که به صورت افقی اجرا شده است را برآورد كرده است. ميشرا و سينگ جريان آب درون خاكريز، موقعيت خط زه آزاد، حداقل فاصله بين خط زه آزاد و دامنه پايين‌دست و موقعيت و طول موثر زهكش افقي را با لحاظ كردن اثر موئينگي آب در خاك را مورد بررسي قرار داده‌اند.
آمار تخريب سدهاي خاكي ساخته شده تاكنون نشان مي‌دهد كه بيش از 25 درصد علل تخريب سدهاي ساخته شده تاكنون، ناشي از پديده رگاب و زه كنترل نشده بوده است. امروزه با پيشرفت و گسترش فنون سدسازي و بررسي علل اين تخريب‌ها، همواره در ساخت سدهاي خاكي همگن امروزي به صورت توأم از زهكش مايل و زهكش افقي استفاده شده و كمتر سد خاكي همگن مدرني مي‌توان يافت كه اين دو زهكش به طور توأم در آن مورد استفاده قرار نگرفته باشد. با توجه به اين موضوع و با توجه به تحقيقات پيشين در اين زمينه، كماكان تحقيقاتي كه بتواند با در نظر گرفتن موارد مختلفي از قبيل خاصيت موئينگي خاك‌ها، موقعيت و ابعاد بهينه زهکش در سدهای خاکی همگن را تعيين نمايد از اهميت بالايي برخوردار است. سيستم زهكش بهينه در يك سد خاكي سيستمي است كه از يك طرف به وظايف اصلي خود، كه همان تخليه امن زهاب از بدنه سد خاكي مي‌باشد به نحو احسن عمل كرده و از طرف ديگر بالاترين ضرايب اطمينان را ايجاد نموده و همچنين داراي كمترين ابعاد باشد.
يك سد خاكي همگن مي‌بايست داراي ارتفاع زياد نبوده تا بتوان ايمني لازم در برابر پديده ايجاد رگاب در بدنه سد خاكي را ايجاد نمود. همچنین از آنجا كه بهترين خاك جهت استفاده در ساخت بدنه اصلي اين نوع سدها خاك با دانه‌بندي GC بوده، اين خاك به عنوان بدنه اصلي سدها و از خاك با دانه بندي GW به دليل دارا بودن دانه‌بندي مناسب و نفوذپذيري بالا به عنوان زهكش استفاده شده است.
پارامترهاي مقاومتي مصالح
جهت يك فرض قابل قبول از پارامترهاي مقاومتي مصالح بدنه و زهكش، مقادير ضريب اطمينان به ازاي مقادير مختلف پارامترهاي مقاومتي خاك و حالت‌هاي مختلف حداقل و حداكثر ارتفاع سدهاي خاكي و به ازاي تغييرات طول زهكش‌ها محاسبه می‌شوند. با در اختيار داشتن اين مقادير ضريب اطمينان، پارامترهاي مقاومتي مناسب جهت نيل به ضريب اطمينان 1/5 (ضريب اطمينان پايداري حداقل در شرايط تراوش ماندگار از تراز نرمال) محاسبه می‌شوند. بر اين اساس، انتخاب چسبندگي خاك مصالح بدنه برابر با 15 كيلونيوتن بر مترمربع و زاويه اصطكاك داخلي آن برابر با 25 درجه مناسب خواهد بود. همچنين زاويه اصطكاك داخلي مصالح زهكش برابر با 40 درجه و چسبندگي آن صفر منظور شود. در ادامه ابعاد بهینه زهکش افقی و مایل بیان گردیده است.
طول زهكش افقي
مقاطع سدهاي خاكي همگن به صورت كلي همانند شكل 1 مدنظر گرفته شده‌اند. همانگونه كه از اين شكل پيداست، طول زهكش افقي از دامنه پايين‌دست سد خاكي تا ابتداي پايين زهكش مايل ادامه دارد. تغييرات اين طول در سه حالت مختلف حداقل، حداكثر و متوسط بررسی می‌گردند. مقدار حداقل طول زهكش افقي، حداقل طولي از زهكش افقي است كه در صورت استفاده از آن، از بر خورد زه به دامنه پايين‌دست سد خاكي جلوگيري مي‌گردد. در اين حالت نزديكترين فاصله خط زه آزاد از دامنه پايين‌دست مي‌بايست برابر با ارتفاع موئينگي آب در خاك بوده تا از عدم برخورد خط زه‌آزاد به دامنه پايين‌دست اطمينان كامل حاصل شود.
پیشنهاد مطالعه: پدیده شکست هیدرولیکی در هسته سدهای خاکی
شكل 1 . نمايش سيستم زهكش‌هاي افقي و مايل در مقطع يك سد خاكي همگن
با در اختيار داشتن مقادير حداقل و حداكثر طول زهكش افقي، مقادير متوسط اين طول‌ها محاسبه و جهت بررسي هرچه دقيق‌تر تأثير طول زهكش افقي بر ضرايب اطمينان پايداري، اين طول از زهكش افقي نيز در مدل‌ها استفاده می‌گردد. مقادير طول زهكش افقي حداقل، حداكثر و متوسط مورد استفاده در سدهاي خاكي همگن داراي ارتفاع 10 تا 30 متر، در جدول 1 ارائه شده است.
جدول 1 . مقادير حداقل، حداكثر و متوسط طول زهكش افقي
طول زهكش مايل
طول زهكش مايل يكي ديگر از پارامترهاي متغير بوده كه باید تأثير طول اين زهكش بر مقدار ضريب اطمينان پايداري دامنه‌ها نيز بررسي گردد. اين طول در شكل 1 نمايش داده شده است. در مدل‌هاي انجام شده دو مقدار جهت طول زهكش مايل اختيار می‌گردد كه شامل طول زهكش مايل حداكثر و حداقل مي‌باشد. مقدار طول زهكش مايل حداكثر به گونه‌اي اختيار می‌گردد كه اين زهكش تا تراز نرمال آب در مخزن سد ادامه يابد. از اين تراز به بالا به دليل عدم وجود جريان قابل توجه آب در خاك، نيازي به وجود زهكش مايل نمي‌باشد. همچنين مقدار طول زهكش مايل حداقل، برابر با نصف طول زهكش مايل حداكثر در نظر گرفته می‌شود.
زاويه بين زهكش مايل و افقي : اين زاويه در شكل 1 نمايش داده شده است. زواياي مورد استفاده، محدوده رايج زاويه بين زهكش در سدهای خاكی همگن را به خوبي پوشش داده و شامل زواياي 80، 90، 100، 110، 115، 125، 130، 135 درجه مي‌باشد.
پیشنهاد مطالعه: بررسی پدیده قوس‌زدگی در سدهای خاکی
ابعاد بهينه زهکش در سدهای خاکی
با در اختيار داشتن ضرايب مربوط به پايداري سدهاي خاكي در حالات مختلف مي‌توان ابعاد بهينه زهکش در سدهای خاکی همگن را تعيين نمود. سيستم زهكش بهينه در سدهاي خاكي همگن، زهكشي است كه با حداقل مصالح به كار رفته در ساخت آنها بتوان حداكثر ضرايب اطمينان پايداري را به دست آورد. به عبارت ديگر در يك حجم خاص از مصالح زهكش، آرايش زهكشي بهينه است كه بيشترين ضريب اطمينان پايداري را جهت سد خاكي ايجاد نمايد. با توجه به اين موضوع، ابتدا حجم مصالح به كاربرده شده زهكش باید محاسبه گردد. با فرض ضخامت يكسان زهكش در تمام حالات، پارامتر مجموع طول زهكش افقي و مايل به عنوان يك پارامتر بيان‌كننده حجم زهكش، قابل استفاده خواهد بود. از اينرو ابتدا مجموع طول زهكش افقي و مايل محاسبه شده و سپس منحني تغييرات ضريب اطمينان پايداري در برابر اين طول (حجم مصالح زهكش) در سدهاي خاكي داراي يك ارتفاع ثابت رسم می‌گردد.
در يك ضريب اطمينان خاص، هرچه مصالح زهكش به كار رفته كمتر باشد، آرايش زهكش مربوطه بهينه‌تر و اقتصادي‌تر بوده و هرچه مصالح زهكش به كار رفته بيشتر باشد، آرايش زهكش مربوطه، غير اقتصادي‌تر خواهد بود. با توجه به اين موضوع به عنوان نمونه در يك سد خاكي همگن با ارتفاع 10 متر آرايش زهكشي كه در آن، زهكش افقي داراي طول متوسط، زهكش مايل داراي طول حداقل و زاويه بين آنها 90 درجه باشد، بهينه‌ترين آرايش زهكش‌ها و آرايش زهكشي كه در آن، زهكش افقي و مايل داراي طول حداكثر و زاويه بين آنها 110 درجه باشد غيراقتصادي‌ترين آرايش زهكش‌ها مي‌باشد. اين بررسي در سدهاي خاكي همگن داراي ارتفاع‌هاي زيادتر نيز انجام شده كه نتايج اين بررسي به تفكيك ارتفاع سد خاكي، به صورت خلاصه در جدول 2 ارائه شده است.
جدول 2 . ابعاد بهينه زهكش افقي و مايل در سدهاي خاكي همگن با ارتفاع‌هاي مختلف
منابع:
مقاله‌ی بهينه‌يابي زهكش مايل و افقي در سدهاي خاكي همگن از حميد علي نژاد، سيد محمد علي زمرديان
