روش های تحلیل لرزه ای سدهای خاکی و محدوده کاربرد آنها

در این نوشتار به تشریح روش های تحلیل لرزه ای سد های خاکی خواهیم پرداخت. سپس به دسته بندی سدها بر اساس اندازه مخزن و ارتفاع اشاره خواهیم کرد و در انتها نیز، به تحلیل های مورد نیاز برای طراحی لرزه ای سدها خواهیم پرداخت، با ما همراه باشید.

به طور كلی دو روش متفاوت جهت ارزيابي پايداري و عملكرد سدهاي خاكي و سنگريز در زمان زلزله مـورد استفاده قرار مي گيرد. اين روش ها در اغلب موارد مكمل يكديگر بوده و ارزيابي نهايي بر اساس مجموع نتايج حاصل از آنها صورت مي پذيرد. روش اول كه از قدمت بيشتري برخوردار بوده و امروزه در طراحي سدهاي خاكي و سنگریز كاربرد فراوان يافته، روش شبه استاتيك است.

روش دوم استفاده از تحليل هاي ديناميكي است كه با به كارگيري روش هاي تحليل عددي، نظير اجـزاء محـدود و يـا روش تفاضل هاي محدود، انجام مي گيرد و در صورت امكانِ دسترسي به اطلاعات كافي از رفتار دينـاميكي خـاك، بـالطبع نتايج واقع بينانه تري را از پاسخ لرزه اي سد به دست خواهد داد.

علاوه بر اين، روش هاي ساده اي از قبيل بلوك لغزش نيومارك براي تخمين تقريبي ميزان جابجـايي هـاي مانـدگار در بدنه سد در اثر زلزله وجود دارد. در اين روش ها از نتايج روش هاي فوق به منظور تخمين جابجايي ها استفاده مي شود.

پیشنهاد مطالعه: مراحل ساخت سد و بررسی اطلاعات مورد نیاز

تصویر 1 – مدل سازی و آنالیز یک سد قوسی

روش تحليل شبه استاتیك

ساده ترين روش در تحليل رفتار يك سازه در زلزله، روش شبه استاتيك است. اين روش نسبت به ساير روش های تحليل لرزه ای ، متداول تر و به لحاظ قدمت، قديمي تر است. در اين روش پتانسيل لغزش يك توده خاك بـا استفاده از روش هاي مختلف تحليل پايداري، مانند روش قطعات، مورد بررسي قرار گرفته و با اعمال يك ضريب زلزله افقي و يا قائم (بر حسب نياز) ضريب اطمينان پايداري آن در مقابل لغزش محاسبه مي گردد. در واقع، در اين روش اثر زلزله به صورت استاتيكي و با اعمال نيروهايي كه از حاصل ضرب ضرايب زلزله در وزن توده لغزنده در دو امتداد افـق و قـائم بـه دست مي آيد، در تحليل لحاظ مي شود. قدمت استفاده از اين روش به قبل از سال 1950 باز مي گردد. بنابراين مي تـوان چنين استنتاج نمود كه بسياري از سدهاي جهان كه هم اكنون مورد بهره برداري قـرار گرفته اند، توسط ايـن روش طراحي شده اند. استفاده گسترده از روش شبه استاتيك كماكان نيز ادامه دارد. از جمله مهم ترين دلايـل آن مـي تـوان بـه سـادگي درك مفاهيم و سهولت كاربرد اشاره كرد كه موجب شده، عليرغم پيشرفت هايي كه در روش های تحلیل لرزه ای به مراتب دقيق تر و ابزار مورد نياز آن بوجود آمده است، همچنان از سوي مهندسان مورد استفاده قرار گيرد.

پیشنهاد دانلود : ویدیو آموزش تحلیل شبه استاتیکی سدهای خاکی

روش تحلیل دینامیکی

در مقابلِ روش نسبتاً ساده شبه استاتيك، روش های تحلیل لرزه ای پيچيده تري وجود دارند كه در آنها پاسخ سازه در طـول زلزلـه با استفاده از روش هاي عددي (مانند اجزاء محدود یا تفاضل محدود) مورد بررسي و تحليل قرار مي گيرد. از اين روش عموماً با نام روش تحليل ديناميكي ياد مي شود.

از مهم ترين مزاياي اين روش در مقايسه با روش شبه استاتيك، اعمال اثر تنش هاي اوليـه، تـأثير پارامترهـاي رفتـار مصالح در پاسخ سازه، تغيير مقاومت برشي در طول زلزله، اثر پارامترهاي زلزله شامل دامنه، محتـواي فركانسـي و مـدت دوام زلزله و همين طور امكان تخمین افزايش فشار آب حفره اي در طول زلزله است. از اين روش ها، بـراي كنتـرل طراحـي اوليه (كه بر اساس تحليل شبه استاتیك انجام شده) استفاده می شود.

البته اين روش از روش های تحلیل لرزه ای داراي محدوديت ها و مشكلاتي نيز هستند. از جمله آن ها مي توان به عدم قطعيـت در كميت هـاي ورودي تحليل همانند نوع مدل رفتاري مصـالح و مقـدار پارامترهـاي مـورد نيـاز آن، ابهـام در پارامترهـاي زلزلـه هـاي ورودي و همينطور محدوديت هاي نرم افزاري اشاره نمود.

روش تحليل تغيير مكان لرزه اي بلوك لغزشي

در كنار دو روش فوق، روش هاي ساده ديگري هستند كه به عنوان يك روش مجزا مطرح نبوده و در تكميل دو روش اول مي توانند براي محاسبه تغيير مكان هاي ماندگار سد مورد استفاده قرار گيرند. در اينگونه روش های تحلیل لرزه ای با اسـتفاده از برخي مشخصات نظير پارامترهاي لرزه اي و ضرايب آستانه لغزش، مي توان ميـزان تغيير مكـان هـاي مانـدگار حاصـل از زلزلـه را محاسبه نمود. روش هاي تحليل تغيير مكان لرزه اي به ويژه در تكميل تحليل هاي شبه استاتيك با توجه بـه محـدوديت هاي اين روش در تخمين ميزان نشست هاي حاصل از زلزله مي توانند كاربردهاي فراواني داشته باشند. از میان این روش ها، روش بلوك لغزشي نیومارك در تركيب با تحليل هاي ديناميكي خطي و یا معادل خطی براي تخمين ميزان تغيير شكل ماندگار سد مورد استفاده قرار مي گیرد.

محدوده كاربرد روش هاي مختلف تحليل لرزه اي

ميزان مخاطرات و خسارات ناشي از تخريب احتمالي سد، تابع عوامل مختلفي همچون بزرگي ارتفاع و حجم مخزن و نيز ميزان تمركز جوامع انساني، صنايع، زمين هاي كشاورزي و تأسيسات زيرساختي در محدوده سد مي باشـد. هر چقـدر اندازه يك سد از نظر ارتفاع و يا حجم مخزن بزرگتر يا هزينه هاي انساني، اقتصادي، اجتماعي و فرهنگي كـه بـه واسـطه تخريب احتمالي سد رخ مي دهد بيشتر باشد بر ميزان اهميت سد افزوده شده و به تبع آن حجم بيشـتري از مطالعـات و تحليل ها را طلب خواهد كرد. در نتيجه، نوع و گستردگي روش های تحلیل لرزه ای مورد نياز براي هر سد بايد متناسب با درجه اهميت آن باشد. نحوه تعيين درجه اهميت و درجه خطرپذيري سد در مراجع مختلف با توجه به شرايط هر كشور يـا منطقـه اي متفاوت است.

دسته بندي سد بر اساس اندازه

سدها از نظر اندازه بر اساس ارتفاع و حجم مخزن، مطابق جدول (1) به سه دسته تقسيم مي شوند:

سد كوچك : به سدهايي اتلاق مي شود كه ارتفاع آن ها كمتـر از 15 متـر و حجـم مخـزن آن هـا كمتـر از 1 ميليـون متر مكعب باشد.

سد متوسط : سدهاي با حجم مخزن كمتر از 5 ميليون متر مكعب و ارتفاع بين 15 تـا 30 متـر در رسـته سـدهاي متوسط قرار دارند. همچنين سدهايي با ارتفاع كمتر از 15 متر كه حجمي در حدود 1 تا 50 ميليون متر مكعب را دارا هستند جزء سدهاي متوسط هستند.

سد بزرگ : سدهايي با ارتفاع بيش از 30 متر و يا حجم مخزن بيش از 50 ميليون متر مكعـب را شـامل مـي شـود. همچنين سدهايي با ارتفاع 15 تا 30 متر و حجم مخزن 5 تا 50 ميليون متر مكعب نيز در اين دسته از سدها طبقه بندي مي شوند.

جدول 1 – دسته بندي سدهاي خاكي و سنگريز بر اساس اندازه سد

درجه بندي اهميت سد بر اساس پتانسيل خطر

به منظور دستيابي به يك طرح موفق و ايمن و در عين حال اقتصادي همواره لازم است پتانسيل خطـر سـد در اثـر عملكرد نامطلوب آن تعيين شود. بدين ترتيب با مشخص شدن ميزان اهميت سـد و آثـار و تبعـات خرابـي احتمـالي آن مي توان نسبت به انتخاب یک نوع تحلیل از روش های تحلیل لرزه ای مورد نياز اقدام نمود.

تصویر 2 – سد Gran Coulee در ایالات متحده آمریکا

پیشنهاد مطالعه: آشنایی با معروف ترین سدهای جهان و کاربرد آنها

همچنين لازم به ذكر است در صورتي كه در طول عمر سد تغييراتي در طرح يا عوامل تاثيرپذير از خرابـي سـد صـورت گيرد كه منجر به بالاتر رفتن اهميت سد گردد، لازم است پـس از ارزيـابي مجـدد، نسـبت بـه بـازبيني طـرح و احتمـالاً ايمن سازي آن اقدام گردد.

پتانسيل خطر سد بر اساس معيارهاي جدول (2) تعيين می شود. با توجه به اينكه يك سد می تواند پتانسـيل هـاي خطر متفاوتي از نظر تلفات جاني، آثار اقتصادی، فرهنگي و زیست محیطي داشته باشـد، بايـد بالاترین پتانسـيل خطر بدست آمده از جنبه هاي مختلف را به عنوان پتانسيل خطر سد انتخاب نمود.

جدول 2 – ميزان پتانسيل خطر سد بر اساس تبعات و عواقب احتمالي ناشي از آسيب آن در زلزله

تحليل هاي مورد نياز در طرح لرزه اي سدها

حداقل تحليل هاي لرزه اي مورد نياز براي ارزيابي پايداري و عملكرد سد تحت زلزلـه، بـر اسـاس درجـه اهميـت سـد (اندازه و پتانسيل خطر)، مطابق جدول (3) تعيين مي شود. در خصوص كفايت تحليل هاي مذكور، لازم است بر اسـاس شرايط خاص هر سد، گروه طراحي بر پايه قضاوت مهندسي تصميم گيري نمايد.

لازم به ذكر است روش های تحلیل لرزه ای مذكور در جدول (3) با فرض این است كه مصالح پي سد، سـنگي يـا از نـوع آبرفت متراكم باشد. در صورتي كه احتمال وقوع روانگرايي در مصالح پي يا بدنه سـد وجـود داشـته باشـد، ضـروري است تحليل هاي لازم براي ارزيابي رفتار روانگرايي مصالح در حين زلزله و پس از آن انجام گردد.

جدول 3 – حداقل تحليل مورد نياز براي طرح لرزه اي سدهاي خاكي و سنگريز

براي سدهاي با ارتفاع بيش از 150 متر و يا حجم مخزن بيش از 2 ميليارد متر مكعب، لازم است كميته ويژه اي براي ارزيابي عملكرد لرزه اي اين سدها تشكيل گردد و نياز استفاده از آزمايش هاي مدل سد نظير سانتريفیوژ بررسي گردد.

براي سدهاي با ارتفاع بيش از 100 متر واقع در مناطق با لرزه خیزی بالا توصیه می شود در انتهـاي مطالعـات مرحلـه اول (مطالعات مرحله شناخت) روي گزينه منتخب بدنه، تحلیل دینامیکی با پارامترهاي در دسترس مصالح انجام گردد تا در صورت عملكرد لرزه ای نامطلوب، ساير گزینه های بدنه مجدداً ارزيابي گردد. براي سدهاي با ارتفاع كمتر يـا واقـع در مناطق با لرزه خیزی كم انجام تحليل هاي پايداري سد به روش شبه استاتيك در اين مرحله از مطالعات كفايت مي كند.