بررسی عوامل موثر در پایداری سدهای خاکی

در این پست تصمیم داریم در مورد عوامل موثر در  پایداری سدهای خاکی  مطالبی را در اختیار شما بازدیدکنندگان قرار دهیم. با ما همراه باشید.

مقدمه

به طور کلی می توان گفت سد خاکی، ساختمان یا تأسیساتی است که بر روی رودخانه یا مسیل با استفاده از مصالح بدون ملات به منظور ذخیره و بالا آوردن سطح آب در پشت آن ساخته می شود. به عبارت دیگر یک سد خاکی نیز مانند سد بتنی هم باید بتواند سطح آب را در پشت خود بالا بیاورد و در مقابل فشار آب مقاومت کند و هم قادر به ذخیره آب باشد، یعنی در مقابل آب غیر قابل نفوذ باشد. مهندسي سد را مي توان مجموعه اي از علوم فني و پايه مهمي دانست كه در كنار يکديگر  طراحي و اجراي سد را ممكن مي سازد و سازه سد را از نظر بارگذاري هاي وارده و مقاومت در برابر عوامل مخرب مورد بررسي قرار مي دهند. یکی از عوامل موثر در  پایداری سدهای خاکی، مقاومت برشی مصالح خاکی در بدنه و پی سد است. مقاومت برشی خاک ها تابع اندازة ذرات، دانه بندی، تراکم، ساختمان، رطوبت و شرایط زهکشی در حین برش، سرعت برش و در مورد خاک های چسپنده و تاریخچه بارگذاری است. مقاومت برشی تودة خاک، مقاومت داخلی واحد سطح آن خاک است که می تواند برای مقابله با گسیختگی یا لغزش در امتداد هر صفحة داخلی، بروز دهد. به طور نمونه در شکل 1 پایداری سد دز بررسی گردیده است.

پیشنهاد مطالعه : تحلیل پایداری سد خاکی در نرم افزار Slope/w

شکل 1 . بررسی پایداری سد دز

صنعت سدسازي به عنوان یکی از قدیمی ترین و پیچیده ترین فعالیت هاي ساختمانی همواره مدنظر جوامع مختلف بوده و از نظر اقتصادي نیز یکی از منابع مهم اقتصادي هر کشور و منطقه محسوب می شود. بالا بودن هزینه ساخت و نیز شدت خسارات ناشی از شکست سدها و همچنین عدم قطعیت در پیش بینی رفتار سازه هاي ژئوتکنیکی به لحاظ ماهیت خاص مصالح خاکی، لزوم مراقبت و رفتارسنجی سدهاي خاکی را بیش از هر چیز آشکار می کند.

پايداري شيرواني ها از مباحث مهم مورد توجه مهندسين مي باشد. یكي از دلايل اهميت اين موضوع خسارات ناشي از لغزش شيرواني هاي خاكي است به طوري كه لغزش يك شيب باعث از بين رفتن جان انسان ها و يا به طور مثال باعث خرابي جبران ناپذير يك سد خاكي مي شود. لذا با توجه به اهميت شيرواني هاي خاكي، تأثير نيروهای استاتیکی و زلزله در پايداري آن از اهميت فوق العاده اي برخوردار است. از ديدگاه اقتصاد مهندسي همچنين بدست آوردن ضريب اطمينان و سطح لغزش بهينه باعث كاهش حجم خاكبرداري و يا خاكريزي با تغيير اندك شيب شيرواني در سازه هاي بزرگ مي شود و برای بررسي پايداري شيرواني ها روش هاي مختلفي ارائه شده است كه مي توان روش تحلیل استاتیکی و پايداري لرزه اي شيرواني ها به سه روش بلوك لغزان، تحليل دينامیكي و روش هاي شبه استاتیكي تقسيم بندي كرد.

زمين لغزش عبارت است از حركت مصالح طبيعي پوسته بيروني زمين در امتداد شيب هاي بالاتر از 5 درجه كه تحت اثر نيروي جاذبه زمين اتفاق اين پديده در تمام عرصه هاي طبيعي و زيست محيطي به شدت موثرند. از آنجا كه پيش بيني زمان وقوع زمين لغزش ها از توان علمي امروز بشر براساس پتانسيل خطر ناشي از بروز زمين لغزش يا ديگر حركات توده اي اهميت دارد. پهنه بندي خطر زمين لغزش  عبارت است از تقسيم بندي سطح زمين به مناطق مجزا و رتبه بندي كردن اين مناطق براساس پتانسيل خطر ناشي از بروز زمين لغزش، تاكنون روش هاي مختلفي براي پهنه بندي زمين لغزش ارائه شده است، كه با توجه به ماهيت آن ها به دو دسته تجربي و آماري تقسيم مي گردند.  عمر مفيد سد يك پارامتر شاخص در ارزيابي هاي اوليه در مرحله مكان يابي در محدوده مخزن مي باشد.

میزان تراوش از لحاظ نظري مبتنی بر معادلات لاپلاس و تحلیل شبکه هاي جریان بوده و تخمین دبی تراوش و عوامل مؤثر بر آن در شرایط هیدرولیکی متفاوت جهت تحلیل پایداري امري ضروري و اجتناب ناپذیر است. بدین منظور تاکنون تحقیقات متعددي براي بررسی تراوش و تحلیل پایداری سدهای خاکی صورت پذیرفته است.

با توجه به مباحث فوق، به طور کلی هدف از انجام تحلیل پایداری سدهای خاکی، کسب اطلاعات در مورد پایداری یا عدم پایداری کلی، یافتن سطح لغزش در صورت ناپایداری و بررسی رفتار این سازه ها می باشد. برای بررسی پایداری شیب ها و سدهای خاکی (همگن و غیر همگن)، دو روش عمده تعادل حدی و روش های عددی موجود می باشد که کاربرد آن ها از سایر روش های ابداع شده بیشتر است. مزیت روش های تعادل حدی سادگی و سهولت آن ها بوده و کاربرد بیشتر این روش ها به دلیل تجربه زیاد بدست آمده از آن ها می باشد. در عین حال در روش های تعادل حدی برای حل استاتیکی معادلات تعادل نامعین، نیاز به فرضیات ساده کننده ای می باشد که دقت این روش ها را زیر سؤال می برد.

این مشکل توسط روش های عددی (تحلیل تنش- تغییرشکل) برطرف می شود و می توان هندسه شیب را با دقت مناسب مورد تحلیل قرار داد و پایداری شیب را بررسی نمود. اما در استفاده از روش های عددی، چند عامل از جمله، لزوم آگاهی از دانش اجزاء محدود یا تفاضل محدود، آموزش و یادگیری برنامه کامپیوتری، زمان مورد نیاز برای آماده کردن داده ها و اطلاعات ورودی و نیز زمان بر بودن تحلیل های کامپیوتری، تأثیرگذار می باشند. اهمیت تأثیر موارد فوق، بیشتر زمانی به چشم می خورد که مقایسه گزینه های مختلف یک طرح به منظور برآورد اقتصادی و انجام یک طرح بهینه مورد نیاز باشد.

پیشنهاد مطالعه : بررسی و کنترل رسوب گذاری در مخزن سد

عوامل موثر در پایداری سدهای خاکی 

رابطه پایداری و فرار آب

آب جمع شده در مخزن ممکن است از محل پی سد یا تکیه‌گاه های جانبی آن یا از جسم سد تراوش نماید. فرار آب از جسم سد بویژه درسدهای خاکی اهمیت خاصی درپایداری سد دارد. روش های متنوعی برای کاستن از میزان آب نشتی و تحت کنترل در آوردن آن وجود دارد.

ویژگی های سنگ و خاک سازنده پی سد و تکیه‌گاه های آن، مصالح در دسترس برای ساختمان سد، نحوه طراحی و شکل انتخاب شده برای سد و سرانجام محدودیت های اجرایی هر یک به نحوی می‌توانند در انتخاب روش های مناسب برای آب بندی سد موثر واقع شوند. به طور نمونه در شکل 2 پایداری یک سد با تکیه گاه مناسب بررسی گردیده است.

شکل 2 . بررسی پایداری  یک سد با تکیه گاه مناسب

تاثیر طراحی و اجرا در پایداری سدهای خاکی 

هدف اصلی در طراحی یک سد خاکی دستیابی به سازه ‌ای است که آب را در پشت خود نگاه دارد و علاوه بر آن از نشت آب در دامنه پایاب که رگاب و گسیختگی را به همراه خواهد داشت، جلوگیری کند. اجرای یک سد ساخته شده از مصالح همگن تنها درمواردی معدود که مصالح مناسبی در اختیار بوده و سد ارتفاع زیادی نداشته باشد، موردتوجه قرار می‌گیرد. در اغلب سدها، مقطع سد حالتی منطقه ‌ای دارد تا به این وسیله بتوان ضمن استفاده از مصالح موجود در محل، کارایی سد را افزایش داد. سدهای منطقه ‌ای محتاج هسته ‌ای نفوذ ناپذیرتر برای کنترل جریان در داخل بدنه سد هستند.

سدهای خاکی اگر به طور غیرصحیحی طراحی و اجرا شوند، می‌توانند مشکلات و خطرات زیادی را به همراه داشته باشند. سدهای خاکی معمولا با ریختن و کوبیدن لایه‌های متوالی خاک دارای رطوبت مناسب ساخته می‌شوند. تراکم ناقص خاکریز سد یا پی ضعیف آن باعث نشت تدریجی بدنه سد می‌شود و درنتیجه از مقدار «ارتفاع آزاد» آب می‌ کاهد یا باعث بوجود آمدن ترک هایی در بدنه سد می ‌شود که می‌ توانند مسیرهای ناخواسته ‌ای برای عبور آب نشتی، نشت کنترل نشده داخلی و خارجی باعث ایجاد فشارهای بالازدگی زیاد در پی سد می ‌شود.

تاثیر شکل سد در پایداری سدهای خاکی 

انتخاب مقطع مناسب برای سد به عوامل چندی وابسته است. عامل مهم درانتخاب نوع مقطع و اینکه یکنواخت یا چند بخشی، منطقه ای باشد، نوع مصالح طبیعی در دسترس است. یک مقطع منطقه ‌ای با توجه به مصالح موجود می‌ تواند به صورت یک هسته رسی یا پوسته دانه ‌ای یا سنگریز با پوسته غیر قابل نفوذ یا سنگریز به همراه یک مانع داخلی باشد. از این میان، هسته ‌های رسی فراوان تر از انواع دیگر بکار گرفته می ‌شوند. این هسته ‌ها ممکن است به صورت قائم، شیبدار یا ترکیبی از این دو باشند. دستیابی به دامنه ‌های پایدار در سمت سراب و پایاب به جنس مواد مصرفی و نحوه اجرای آن بستگی دارد. بطور کلی تمام بخش های خاکریز باید به نحو مناسبی تراکم یافته و سطح آن، مخصوصا در دامنه سراب، یا سنگریز محافظت شود.

تاثیر ارتفاع سد در پایداری سدهای خاکی 

ارتفاع سد خاکی تابعی از ارتفاع مورد نظر برای مخزن است. ارتفاع مخزن خود عاملی تعیین کننده در مورد نیروهای جانبی که باید توسط خاکریز تحمل شوند و همچنین فشارهای ناشی از نشت آب در اطراف خاکریز، است. مقدار نیروی آب نشتی در پی خاکریز ارتباط مستقیم با ارتفاع مخزن دارد و ممکن است توسط عرض خاکریز نیز تاثیر بپذیرد.

تاثیر آبگیری وتخلیه سریع در پایداری سدهای خاکی 

آبگیری و تخلیه سریع مطمئنا  باعث تضعیف پایداری سدهای خاکی خواهند شد و دلیل اصلی آن ایجاد شکستگی در آبگیری سریع و شکست در بدنه سد در تخلیه سریع می باشد. در آبگیری سریع، ممکن است فشار کل وارد برسد از فشار مجاز بیشتر شده و باعث شکستگی بدنه سد در مسیر های خطوط جریان گردد، فشار کل حاصل مجموع فشار استاتیک و فشار منفذی است و در حقیقت در آیگیری سریع افزایش ناگهانی فشار منفذی باعث باعث افزایش فشار کل می گردد .

در تخلیه آب سریع سد، بالعکس کاهش ناگهانی فشار منفذی را خواهیم داشت و از آنجایی که بار و فشار سد را آب ( فشار منفذی) و خاک بدنه سد (فشار استاتیک) تحمل می کنند پس با کاهش ناگهانی فشار منفذی، بار استاتیک (فشار وارده بر خاک بدنه سد) افزایش یافته و باعث شکست در بدنه سد می گردد.

پیشنهاد مطالعه : بهینه سازی ابعاد زهکش در سدهای خاکی

تاثیر  زلزله در پایداری سدهای خاکی 

زلزله و فاکتورهای آن از عوامل مهم در طراحی سدها هستند. ارتعاشات و امواج زلزله بصورت قائم و افقی و با توجه به پارامترهای دریاچه سد اعم از طول دریاچه،  عرض آن، عمق بیشینه آن و …. تاثیرات متفاوتی روی سد خواهند داشت، ارتعاشات و امواج زلزله اگر بصورت افقی باشند موج های عرضی در دریاچه، موازی با سطح زمین ایجاد می کنند که در حال حرکت به طرف بدنه سد می باشند و برخورد این موج ها با سد باعث فشار وارده مضاعف به سد می گردد. و اگر این ارتعاشات زلزله بصورت قائم یعنی عمود بر زمین باشند باعث ایجاد موج های قائم بر زمین در آب دریاچه خواهند شد که آب در یاچه را بشدت بالا و پایین خواهد برد که در واقع موج، آب را بالا می برد و بصورت شلاقی به پایین می آورد که دارای قدرت زیادی بوده و مخرب تر و خطرناک تر از امواج افقی می باشد که گاهی حتی باعث عبور آب دریاچه از روی بدنه سد و مرگ آن نیز می شود.

منابع:

1 . مقاله ‌ی ارزیابی تاثیرگزینه هاي مختلف طراحی در تحلیل تراوش و پایداري سد گلفرج از کیومرث روشنگر و همکاران

2 . مقاله ی بررسي پايداري شيب در حوزه آبريز سد ايوشان با استفاده از GIS از عبدالرضا نوريزدان، سيامك بهاروند

3 . مقاله ی تحلیل پی و بدنه سدهای خاکی در حالت استاتیکی و شبه استاتیکی با استفاده از مدل های عددی از مسعود فتاحیان و همکاران

4 . مقاله ی پایداری سدهای خاکی همگن با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی از مجتبی حیدری