1
2
عنوان پروژه:
شبکه جریان در سدهای خاکی
نام استاد:
جناب دکتر فرزین
نام درس:
سدهای خاکی
گرد آورنده:
منصور صفاریه 9711446007
بهار 98
فهرست عناوین
مقدمه
معرفی پارامترهای مربوط به شبکه جریان
شبکه جریان در جریان دو بعدی آب در خاک
قواعد ترسیم شبکه جریان
مراحل ترسیم شبکه جریان
موارد استفاده از شبکه جریان
جمع بندی
منابع و مراجع
3
مقدمه
صنعت سدسازی به عنوان یکی از قدیمی ترین و پیچیده ترین فعالیت های ساختمانی همواره مدنظر جوامع مختلف بوده و ازنظر اقتصادی نیز یکی ازمنابع مهم اقتصادی هر کشور و منطقه محسوب شده است.
مهندسی سد را می توان مجموعه ای از علوم فنی و پایه مهمی دانست که در کنار یکدیگر، طراحی و اجرای سد را ممکن می سازد و سازه سد را ازنظر بارگذاری های وارده و مقاومت در برابر عوامل مخرب مورد بررسی قرار می دهند.
4
شکل 1: سد هوور- آمریکا
یکی از دلایل اصلی شکست سدهای خاکی، تراوش آن است. یکی از نکات مهم در مراحل مطالعه و در طول ساخت وساز در سدهای خاکی حرکت مداوم آب از بالادست سد به سمت پایین دست آن است.
در بررسی جریان و ترسیم شبکه جریان در سدهای خاکی، نکته اساسی معین بودن موقعیت اولین خط جریان است که در اصطلاح به خط اشباع یا خط فریاتیک مشهور است.
بنابراین موقعیت سطح ایجادشده که به سطح فریاتیک مشهور است، در پایداری سد خاکی تاثیرگذار است.
5
شکل 2: خط فریاتیک از بالادست به پایین دست سد خاکی
نشت آب و نحوه کنترل آن در سدهای خاکی یکی از مهم ترین مسائلی است که در طراحی و بهره برداری سدها مورد توجه خاص متخصصان امر قرار می گیرد.
از انجا که سد خاکی یکپارچه نیست و از ذرات جدا از هم شکل یافته است، آب ذخیره شده در مخزن سد تحت انرژی پتانسیل موجود شروع به حرکت به داخل بدنه سد خاکی می کند.
شبیه سازی شبکه جریان در بدنه و پی سدهای خاکی در رودخانه هایی که دبی کم دارند و مناطقی که دارای محدودیت منابع آب می باشند، یکی از عوامل مهم به منظور کاهش تلفات آب و پایداری سدها محسوب می شود.
این شبیه سازی شبکه جریان ، منجر به یافتن محل نشت آب و محل دقیق نصب فیلتر، افزایش عملکرد سیستم زهکشی،جلوگیری از احتمال بروز آبشستگی و ترک در هسته سد و درنتیجه موجب کاهش هدرروی آب از بدنه سد و درنهایت موجب پایداری سد می گردد.
ازاین جهت ترسیم شبکه جریان، تجزیه وتحلیل و آنالیز نشت آب در سدهای خاکی، اولین گام موثر و یکی از مهم ترین مسائلی است که در طراحی سدها موردتوجه متخصصین امر قرارمی گیرد.
6
معرفی پارامترهای مربوط به شبکه جریان
7
خطوط جریان، نشان دهنده مسیر تقریبی حرکت ذرات آب در خاک می باشند.
یک ذره آب در امتداد خط جریان، از بالادست در خاک نفوذ ناپذیر جریان می یابد.
خطوط جریان
خطوط هم پتانسیل یا خطوط هم بار، خطوطی هستند که نقاط واقع بر هر یک از آن ها دارای بار آبی کل یکسانی هستند.
بنابراین اگر پیزومترهایی بر روی نقاط واقع در روی یک خط هم پتانسیل قرار داده شوند، تراز سطح آب در تمام آن ها یکسان خواهد بود ، به همین دلیل ، خطوط هم فشار پیزومتریک نیز نامیده می شوند.
خطوط هم پتانسیل
Equipotential Lines
Flow Lines
شکل 3: نمونه ای از خطوط جریان و خطوط هم پتانسیل
8
خطوط جریان و خطوط هم پتانسیل دو دسته منحنی عمود بر هم می باشند که به ترکیب تعدادی از آن ها شبکه جریان می گویند.
شبکه جریان در واقع نمایش گرافیکی یک ناحیه از جریان می باشد.
شبکه جریان
به ناحیه قرار گرفته بین هر دو خط جریان متوالی، کانال جریان یا مجرای جریان گفته می شود.
همچنین تعداد کانال های جریان Number of Flow Channels) ) را نیز با Nf نشان داده که برابر تعداد خطوط جریان منهای یک است.
کانال جریان
تفاوت بار آبی کل بین دو خط هم پتانسیل، افت پتانسیل یا تلافات بار آبی نامیده می شود.
تعداد افت های پتانسیل (Number of Equipotential Drops) را با Nd نشان می دهند و برابر با تعداد خطوط هم پتانسیل منهای یک است.
افت پتانسیل
Flow Channel
Equipotential Drop
Flow Net
9
شبکه جریان در جریان دو بعدی آب در خاک
همان طور که می دانیم تراوش دو بعدی از معادله پیوستگی جریان در یک خاک همگن به شکل زیر است و همچنین اگر علاوه بر همگن بودن، خاک همسان نیز باشد یعنی Kx=Kz))، در آن صورت معادله پیوستگی جریان به صورت معادله ساده دوم خواهد بود:
این معادله، معادله لاپلاس نام دارد، ﻧﺸﺎن دﻫﻨﺪه دو دﺳﺘﻪ ﻣﻨﺤﻨﻲ ﻣﺘﻌﺎﻣﺪ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ ﻛﻪ ﻧﺎم ﻳﻜﻲ ﺧﻄﻮط ﺟﺮﻳﺎن و ﻧﺎم دﻳﮕﺮی ﺧﻄﻮط ﻫﻢ ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ اﺳﺖ.
حل معادله لاپلاس به سادگی ممکن نبوده و با روش هایی مثل ترسیم شبکه جریان، روش تحلیل عددی ( روش تفاضل محدود و روش اجزای محدود)، روش مقایسه ای به طریق مدل الکتریکی، روش مقایسه ای به طریق مدل فیزیکی و روش هوش مصنوعی(شبکه عصبی مصنوعی) امکان پذیر است.
10
ساده ترین روش حل مسئله جریان آب در داخل مصالح خاکریز سد و همچنین فونداسیون سد، استفاده از ترسیم شبکه جریان می باشد.
ترسیم شبکه جریان آب در خاک، ترسیمی گرافیکی از جریان دو بعدی آب زیرزمینی درون لایه های نفوذ پذیر خاک است.
ترسیم این شبکه غالبا با استفاده از حل مسائل جریان آب در خاک استفاده می شود که در آن تحلیل هندسه باعث غیر عملی شدن راه حل های تحلیلی می شود.
این روش غالبا در مهندسی عمران، هیدرولوژی و یا مکانیک خاک برای کنترل اولیه جریان زیر سازه های هیدرولیکی مانند سد و… استفاده می شود.
شکل 4: نمونه ای شماتیک از شبکه جریان آب در خاک
11
قواعدترسیم شبکه جریان
به هنگام ترسیم شبکه جریان لازم است تا قواعد زیر رعایت شوند:
شرایط مرزی باید تامین شوند، به این ترتیب که مرزهای نفوذ پذیر و نفوذ ناپذیر نقش خود را در شبکه جریان ایفا می کنند. مرزهای ورودی و خروج آب به محیط خاک، همان مرزهای نفوذ پذیرند که به ترتیب در بالادست و پایین دست جریان قرار داشته و خطوط هم پتانسیل نیز می باشند.
بستر نفوذ ناپذیر و مرزهای سازه (سد، سپر و …) با خاک نیز همان مرزهای نفوذ ناپذیرند که خود، خطوط جریان هستند.
خطوط جریان و خطوط هم پتانسیل با زاویه قائمه یکدیگر را قطع می کنند.
ناحیه بین خطوط جریان و خطوط هم پتانسیل (سلول بسته) باید به شکل مربع های منحنی الاضلاع باشند.
مربع منحنی الاضلاع، مربعی است که بتوانیم درون آن طوری یک دایره محاط کنیم که بر هر یک از اضلاع، مربع مماس شود،درضمن بتوان از نصف کردن پیوسته اضلاع آن، در نهایت به یک نقطه رسید.
12
دبی های عبوری از کلیه کانال های جریان بایستی با هم برابر باشند.
افت پتانسیل بین هر دو خط هم پتانسیل متوالی بایستی مقدار ثابتی داشته باشد.
یک خط جریان، نمی تواند خط جریان دیگر را قطع کند.
یک خط هم پتانسیل، نمی تواند خط هم پتانسیل دیگر را قطع کند.
شکل 5: تقسیم بلوک ها(مربع های منحنی الاضلاع) در شبکه جریان
13
با رعایت قوانین ذکر شده، ترسیم شبکه جریان به ترتیب زیر خواهد بود:
سازه مورد نظر (سد، سپر و …) و توده خاک زیر آن را با مقیاس مناسب رسم می کنیم.
مرزهای نفوذ پذیر و نفوذ ناپذیر را مشخص کرده و نقش مورد نظر را به آن ها می دهیم.
یک سری خطوط جریان (چها یا پنج عدد) رسم کرده و سپس به تعداد مناسب خطوط هم پتانسیل به آن ها اضافه می کنیم، به طوری که سلول های بسته ایجاد شده، تقریبا مربع منحنی الاضلاع شوند. ایجاد چنین شرایطی احتمالا با آزمون و خطا امکان پذیر است.
شکل 6: شبکه جریان ترسیم شده در زیر سپر
مراحل ترسیم شبکه جریان
14
در برخی مسائل، نقاطی از شبکه جریان وجود دارند که در آن ها مربع های منحنی الاضلاع درست نمی شوند و معادله لاپلاس ارضا نخواهد شد.
این اتفاق معمولا در مجاورت مرزهای نفوذ ناپذیر می افتد. در این حالت لازم است تا حداقل، سلول های بسته طوری باشند که از نصف کردن پیوسته آن ها، در نهایت به یک نقطه برسیم. قابل توجه است که در این شرایط ممکن است مسنطیل های منحنی الاضلاع داشته باشیم.
شکل 7 شبکه جریان ترسیم شده از زیر یک سد را نشان می دهد که در زیر آن و در بالادست، یک پرده آب بند، (Cut Off Curtain) تعبیه شده است. پرده آب بند می تواند در پایین دست هم قرار گیرد و در کل باعث کاهش دبی عبوری از زیر سد می گردد.
شکل 7: شبکه جریان ترسیم شده در زیر سد
15
شکل 8 یک دیوار حائل با پتوی زهکش (Drainage Blanket) را که به طور قائم قرار دارد، نشان می دهد.
پتوی زهکش از مصالح درشت دانه تهیه شده و باعث می شود تا اضافه فشار آب حفره ای که در خاک پشت دیوار ایجاد شده، از طریق آن از بین برود. از این رو نیروی هیدرواستاتیکی در پشت دیوار به وجود نمی آید.
شکل 8: شبکه جریان ترسیم شده در پشت دیوار حائل
16
ﺷﻜﻞ 10: ﺷﺒﻜﻪ ﺟﺮﻳﺎن داﺧﻞ ﺳﺪ ﻧﺎﺣﻴﻪ ﺑﻨﺪی ﺷﺪه
ﺑﺎ ﻫﺴﺘﻪ رﺳﻲ
ﺷﻜﻞ 9 : ﺷﺒﻜﻪ ﺟﺮﻳﺎن در داﺧﻞ ﺳﺪ و ﻓﻮﻧﺪاﺳﻴﻮن ﺳﺪ ﺧﺎﻛﻲ
با زهکش افقی در پایاب
17
ﺷﻜﻞ 12: ﺷﺒﻜﻪ ﺟﺮﻳﺎن داﺧﻞ ﺳﺪ ﺧﺎﻛﻲ ﺑﺎ ﺑﺴﺘﺮ ﻧﻔﻮذﻧﺎﭘﺬﻳﺮ
و زهکش پنجه سنگی
ﺷﻜﻞ11: ﺷﺒﻜﻪ ﺟﺮﻳﺎن زﻳﺮ آب ﺑﻨﺪ ﺑﺘﻨﻲ
ﺷﻜﻞ 13: ﺷﺒﻜﻪ ﺟﺮﻳﺎن در اﻃﺮاف ﻟﻮﻟﻪ زﻫﻜﺶ
18
نمونه ای از ترسیم شبکه جریان با استفاده از ماژول SEEP/W از نرم افزار Geo Studio برای سد خاکی
شکل 15: شبکه المان بندی
شکل 14: سد خاکی با هسته قائم در مرکز
شکل 16: خطوط هم پتانسیل و خطوط جریان
19
شکل 17: سد خاکی همگن با زهکش پنجه
شکل 18: حل مسئله به روش ترسیم شبکه جریان
نمونه ای از ترسیم شبکه جریان بااستفاده ازماژول SEEP/W از نرم افزار Geo Studio برای بدنه سدهمگن
شکل 19: حل مسئله با استفاده از نرم افزار Seep/w
موارد استفاده از شبکه جریان
شبکه جریان برای حل بسیاری از مسائلی که در زمینه جریان اب در خاک به وجود می آید مورد استفاده قرار می گیرد.
مهمترین موارد استفاده از این شبکه را می توان به شرح زیر خلاصه نمود:
محاسبه مقدار جریان در محیط متخلخل
محاسبه فشار بالا بر (آپلیفت) در زیر تاسیسات بتنی
تعیین نقاط بحرانی در داخل محیط متخلخل که در معرض فرسایش قرار دارند (نقاط تجمع خطوط جریان)
تعیین محل یا محل های مناسب برای تعبیه سیستم فیلتر
مشاهده و بررسی شکل کلی جریان
20
جمع بندی
همان گونه که ذکر گردید یکی از مهمترین مسائل در سدهای خاکی، مسئله آب در بدنه سد و نیز معمولا در شالوده آن می باشد.
این حرکت که زه نامیده می شود ، به لحاظ محاسبه مقدار اتلاف آب، پایداری سد، محاسبه فشار آب در هر نقطه، محاسبه ضخامت و طول زهکش ها، بررسی لزوم تزریق و … حائز اهمیت بسیاری است.
چنانچه یک محیط نفوذپذبر همگن در معرض نفوذ آب قرار داشته باشد می توان بر اساس روش معمول ذکر شده ، شبکه جریان را ترسیم نمود.
در مواردی که محیط نفوذپذیری که زه در آن جریان دارد از اطراف محصور به محیط نفوذناپذبر باشد محدوده مسیرهای جریان کاملا معلوم است اما در بدنه سد خاکی، بخشی که در آن زه وجود دارد ، محیط نفوذپذیر است.
از این رو در بدنه سد خاکی لازم است ابتدا بالاترین مسیر جریان که مسیر زه آزاد (خط فریاتیک) نامیده می شود ، تعیین گردد، آن گاه شبکه جریان ترسیم شود.
تعیین مسیر زه، به این معنا است که معادله این مسیر و محل برخورد آن با مقطع خروجی و پایین دست و نیز زاویه ای که تحت آن زاویه، مسیر جریان به سطح مقطع خروجی می رسد، مشخص گردد.
21
22
منابع و مراجع
1- جزوه کلاسی درس مهندسی سدهای خاکی دکتر سعید فرزین، دانشگاه سمنان
2- سدهای خاکی، دکتر حسن رحیمی، دانشگاه تهران
3- مهندسی سدهای خاکی ، دکترسعید خرقانی و دکتر ناصرفخاری، دانشگاه صنعت آب و برق (شهید عباسپور)
4- اصول مهندسی سدهای خاکی ، دکتر علی قنبری، دانشگاه خوارزمی
5- سدهای خاکی، دکترمحمود وفائیان، جهاد دانشگاهی دانشگاه صنعتی اصفهان
کمیته جهانی سدهای بزرگhttp://www.icold-cigb.org/GB/World_register/general_synthesis.asp6-
شرکت مادر تخصصی مدیریت منابع آب ایران http://www.daminfo.wrm.ir7-
8- http://hydronet.irگروه پژوهش های آب ( water research group)
9-Dams and Development, 2000. The Report of The World Commission On Dams, London
23
با تشکر از حسن توجه شما