بسم الله الرحمن الرحیم
عنوان:
انواع سد و ساختار آنها
مقدمه:
سدهای خاکی مصالحشان را از همان منطقه احداث و یا نواحی نزدیک تامین می کنند ، و اصولاً دارای هسته رسی می باشند . رس بر اثر تماس با آب مانع نفوذ و انتقال آب و رطوبت می گردد و مانند نوعی عایق رطوبتی عمل می کند . اگر عمده مصالح تشکیل دهنده سد خاکی یکسان باشند ، سد را همگن می گویند و در غیر اینصورت ناهمگن. اگر کل سد خاکی از رس باشد سد خاکی همگن است ، اما اگر هسته مرکزی سد رس باشد و دور هسته مرکزی را با سنگهای دانه درشت پر کرده باشند ، سد غیر همگن محسوب می شود. از نظر تحلیل و آنالیز این نوع سدها بسیار حساس می باشند و در عین حال از نظر اجرا و پیاده سازی ساده تر می باشند.اجرای این سد در رودخانه های عریض ساده تر است. مصالح این سد اعم از ریز دانه و درشت دانه بایستی در دسترس باشد. این سدها برای زمینهایی نامناسب از نظر مقاومت مناسب ترین نوع سد می باشند.
سدهای سنگریز:
این سدها خودبخود غیر همگن می باشند و حتماً باید یک بافت آب بند در مرکز آن قرار گرفته باشد. شکل این سدها درست مانند سد ناهمگن خاکی با هسته رسی می باشد با این تفاوت که در مرکز سد به جای رس از سنگ ریزه نفوذ ناپذیر استفاده می شود و در دور تا دور سد سنگریزه های دشت تر ریخته می شود. در برخی موارد رویه سد را به جای سنگریزه با بتن می پوشانند که در آنصورت دیگر نیازی به هسته آب بند نمی باشد. اینگونه سدها اغلب از نوع بلند می باشند. این نوع سد در برابر زلزله بسیار مقاوم هستند . سنگهای ریخته شده برای سد بایستی خاصیتهایی از قبیل جذب کم آب ، سایش کم ، مقاومت فشاری بالا و در برابر سرد و گرم شدن مقاومت خوبی داشته باشند.
سدهای بتنی وزنی:
این سدها عمدتاً کوتاه هستند و ارتفاع آنها بین ۱۵ تا ۲۰ متر می باشد ، این سدها به دلیل وزن زیادی که با بتن برای آن بوجود می آورند بر اثر فشار آب حرکت نمی کند و از جای خود تکان نمی خورد. در این نوع سد سرریز شدن آب مشکلی ایجاد نمی کند . این سدها در دره های عریض ساخته می شوند . این نوع سد در برابر تغییر درجه حرارت نیز هیچگونه حساسیتی ندارد.
سدهای بتنی قوسی :
این سدها معمولاً در درهای باریک با شیب زیاد و از جنس سنگ اجرا می گردد و می تواند دو قوسی نیز باشند و در راستای عمود ی و افقی در ره دو حالت قوس داشته باشند. حسن این سدها این است که اگر به هر علتی در بدنه آنها ترک ایجاد شود خود نیروی فشار اعمالی از جانب آب پشت سد باعث هم آمدن این ترکها ( ترکهای حرارتی) می شود.
سدهای بتنی پشت بند دار:
سدهای پشت بند دار از نوع بلند هستند و با عث جلوگیری از خمشهای زیاد در بتن می شوند و برای تصور آن می توان اینگونه آنرا تشبیه کرد که دیواری بلند را که دارای پی در زمین است با تیرچه هایی در پشت آن نیز محکم نگه داشته شود تا فرو نریزد.
سدهای لاستیکی:
این سدهای اغلب بر روی رودخانه های فصلی زده می شود و این سدها از جنس لاستیک می باشند که در زمان مورد نیاز این سدها را از باد پر می کنند و این عمل باد کردن حجم سد را بالا می برد و سد مانع عبور آب می گردد. از این نوع سد که کوتاه نیز می باشد در شمال کشور خودمان نیز وجود دارد.
حال با انواع سدها بطور مختصر آشنا شدیم و بایستی کاربرد این سدها را نیز بدانیم و دلایل استفاده از آنها را نیز به دقت مد نظر بگیریم.
حال پس از آشنایی کوتاه و مختصر با این نوع سدها نحوه ارزیابی برای ساختن یک سد را مورد بررسی قرار می دهیم.
از نظر فنی برای ساختن یک سد می بایست مراحلی سپری شود تا ساختن یک سد آغاز گردد ، هر کدام از این مراحل را یک فاز می نامند به شرح ذیل:
· فاز صفر: آیا ساختن این سد از نظر اقتصادی و مورد کاربری توجیه دارد یا خیر؟
· فاز یک: انواع سدهایی که با توجه به شرایط جغرافیایی و اقتصادی پیشنهاد می شود بطور ریز می بایست مورد بررسی قرار گیرد و میزان ذخیره آب و هزینه ریالی آن مورد بررسی قرار گیرد.
· فاز دو : هندسه و تحلیل سد و ریختن نقشه اجرای سد.
· فاز سه : اجرای سد.
اما در مورد گروههای فنی که برای ساختن یک سد مورد نیاز است به گروههای زیر می توان اشاره کرد:
۱- گروه هیدرولیک.
۲- گروه هیدرولوژی.
۳- گروه زیست محیطی.
۴- گروه آبهای زیر زمینی.
۵- گروه نقشه برداری.
۶- گروه شهر سازی.
۷- گروه کشاورزی.
۸- گروه زمین شناسی.
۹- گروه مدیریت و هماهنگی.
گروههای فنی ذکر شده در کنار یکدیگر پس از تصمیم برای اجرای یک سد گرد می آیند تا یک پروژه به نتیجه برسد. پس از انجام مقدمات مطالعاتی بر روی سد، نوع سد بر اساس منطقه جغرافیایی و مصالح در دسترس سد مورد ارزیابی قرار می گیرد. یکی از نکاتی که جغرافیای منطقه برای ما در ساختن سد مشخص می کند نوع خاک و زمین منطقه و یا دره ای که در آن سد می خواهد اجرا شود ، می باشد ، زیرا نوع بدنه سد و خاک منطقه بسیار حساس است . برای مثال در منطقه ای سنگی با تنگه ای باریک و تنگ ساختن سد خاکی اشتباه است زیرا تماس این دو ماده ( بدنه سد و سنگی بودن منطقه) مانند چسباندن دوماده که یکی صلب و دیگری غیر صلب است می باشد و بر اثر تکان ( زلزله) این دو در نقطه اتصال جدا می شوند که این خطر ناک است.
آبند در سدها
مهندسان برای کاستن از احتمال گسیختگیها ناشی از عملکرد آب زیرزمین ، همواره درصدد اند تا بخش در حال حفاری را آبکشی و خشک نمایند. البته باید توجه داشت که کنترل نیروهای ناشی از نشت آب هم می تواند به همان اندازه در جلوگیری از گسیختگی موثر واقع شود. روشهای متنوعی را که برای کنترل نشت و فرار آب زیرزمینی وجود دارد، می توان به سه دسته عمده تقسیم کرد که عبارتند از : آب بندها و موانع ، سیستمهای آبکشی ، زهکشها ، صافی ها (فیلترها).
آب بندها و موانعی را که بر سر راه جریان آب ایجاد می شود، می توان به سه دسته آسترها و پوششها ، دیوارها و تزریق تقسیم کرد.
آسترها و پوششها
آسترها و پوششها به صورت لایه ای نفوذ ناپذیر اجرا می شوند و دارای انواع زیراند:
· تعبیه ورقه ای از رس که در بستر دریاچه (به سمت سراب) ایجاد می شود و وظیفه آن افزایش مسیر افقی جریان آب در زیر زمین و در نتیجه کاهش فشار آب و میران نشت آن در پاشنه پایاب سد است.
· یک لایه (آستر) رسی یا پلاستیکی که برای جلوگیری از فرار آب از مخزن یا نشت سیالات از حمل تجمع زباله ها اجرا می شود.
دیوارها Walls
بسیار متنوع بوده و مهمترین انواع آن را به نحو زیر می توان خلاصه کرد.
دیوار خاکی متراکم شده
این دیوارها می توانند به عنوان یک خاکریز همگن برای سد ، به صورت یک هسته در داخل سد یا ترانشه ای در پی سد ، که هسته آن با رس پر شده باشد، اجرا شوند.
دیواره های بتنی
این نوع دیوار معمولا در حفاری پی ها یا به عنوان پوشش داخل تونلها ، مخصوصا در جاهایی که جلوگیری دایم از نفوذ آب لازم باشد، بکار می روند. در سدها برای جلوگیری از فرار آب از زیر سد ، دیوار بتنی قایمی را از پایینترین قسمت سد تا لایه های نفوذ ناپذیر احداث می کنند.
دیوار با شمعهای صفحه ای
این نوع دیوار ، که با راندن شمعهای صفحه ای به داخل خاک ایجاد می شود، موقعی از کارایی خوبی برخوردار است که قفل و بست بین صفحات کامل باشد و این مسئله ای است که در زمینهای دارای قلوه سنگ و قطعات درشت تر یا حاوی مواتع دیگر به خوبی امکان پذیر نیست. با افزایش طول شمعها ، امکان خم شدن آنها در خلال راندن وجود دارد. این نوع دیوار تا حدی می تواند از نفوذ آب جلوگیری کند. این دیوار را معمولا برای نگاهداری دیواره بخشهای حفاری شده بکار می برند. در خاکهای با زهکشی آزاد ، دیوار باید همراه با یک سیستم آبکشی باشد تا فشار جانبی وارده از زمین و آب به دیوار شمعی کاهش یابد.
دیوارهای گلی
دیوارهای گلی و ترانشه های پر شده از گل به عنوان عاملی کارآمد برای جلوگیری از نشت آب در پی سدها ، حفاریهای باز ، حفاری تونلها و سیستمهای کنترل آلودگی ، روز به روز مصرف بیشتری پیدا می کنند. روش احداث این دیوارها به جز در تونلها ، به این ترتیب است که ابتدا یک ترانشه حفر می شود و برای اینکه دیوارهایی ترانشه در طول حفاری ریزش نکند، داخل آن را با گل روانی از بنتونیت پر می کنند. در پایان حفر ترانشه ، این گل روان با موادی که بتواند یک دیوار دایمی و نسبتا غیرقابل تراکم و نفوذ ناپذیر را بسازد، تعویض می شود.
دیوار دیافراگمی
بتنی نوع سازه دایمی است که توسط تکنیک ترانشه های حاوی گل روان ایجاد می شود. به این منظور قطعه ای از ترانشه تا عرض ۷ متر را تا عمق دلخواه حفر می کنیم. در مرحله بعد یک شبکه (جوشن) فولادی پیش ساخته به داخل آن رانده می شود. در کلیه مراحل حفاری و راندن شبکه فولادی ، ترانشه توسط گل روانی که داخل آن ریخته می شود، از ریزش محفوظ می ماند. در مرحله بعد گل روان توسط بتن جایگزین می شود و پس از گرفتن بتن ، قطعه بعدی اجرا می شود.
دیوارهای یخی
این دیوارها که با یخ زدن بخشی از زمین اشباع شده ایجاد می شوند به عنوان عامل موقتی در جلوگیری از نشت آب در حفاریهای باز ، تونلها و شفتها مورد استفاده قرار می گیرند. این روش بیش از همه در رسوبات ضخیم ماسه ای و لایه ای اشباع شده و یا در جاهایی که مواد سازنده گل روان ممکن است منابع آب را آلوده سازد، بکار می رود. از دیوارهایی یخی سالهاست که در معادن و برای احداث چاههایی قایم (شفتها) تا عمق ۳۰۰ متر استفاده شده است.
این روش پرهزینه و وقتگیر است و معمولا یک تاخیر ۶ ماهه در کار را باعث می شود. علاوه بر آن باید دقت زیادی در اجرای آن بشود. زیرا حتی یک جریان کوچک آب از میان دیوار به داخل بخش حفاری شده می تواند فاجعه آمیز باشد. بر اثر یخ زدن ممکن است تورم قابل ملاحظه ای نیز در خاکهای سطحی اطراف ساختگاه بوجود آید که پس از آب شدن یخها می تواند با فروریزش زمین همراه شود. مقدار تورم و فروریزش متعاقب آن وابسته به نوع مواد واقع در نزدیک سطح زمین است.
تزریق
تزریق دوغاب به داخل خاکهای نفوذ پذیر و سنگ ، روش رایج و دایمی برای جلوگیری از جریان آب زیرزمینی است. البته در اغلب موارد دیواری که به این ترتیب بوجود می آید کاملا نفوذ پذیر نیست. از تزریق همچنین برای افزایش مقاومت سنگ و خاک سود جسته می شود. دوغابها متنوع اند و می توانند ترکیبی از سیمان ، سیمان و خاک یا مواد شیمیایی باشند. انتخاب نوع دوغاب به تخلخل سازندهای زمین شناسی ، سرعت جریان آب و مقاومت فشاری نهایی بخشهای تزریق شده بستگی دارد.
بطور کلی دوغابهای ماسه – سیمان برای بستن حفره های بزرگ و شکستگیها و دوغابهای رس و سیمان پرتلند برای بستن شکستگیهای نسبتا کوچک و خاکهای دانه درشت بکار می روند. به منظور کنترل جریان آب زیرزمینی ، حفر رشته منفردی از گمانه ها و تزریق در آنها اغلب کافی است. پرده تزریق را می توان با افزودن رشته های دیگری از گمانه های تزریق شده ضخیم تر نمود. در سنگهای شکافدار یا جاهایی که جریان زیاد است، موفقیت عملیات تزریق کمتر است.
انواع سدها از نظر کاربرد:
۱) سدهای مخزنی:به منظور ذخیره آب برای تاءمین مصارف شرب، کشاورزی و صنعت احداث می گردد.حجم مخزن این سدها بسیار بزرگ است.این نوع سدها شامل سدهای بتنی دو قوسی و بتنی وزنی و سدهای خاکی می شوند.
۲) سدهای تنظیمی:هدف از ساخت این سدها تنظیم دبی ثابتی برای رودخانه می باشد.این نوع سدها در پائین دست سدهای مخزنی بزرگ احداث می گردند.ارتفاع آنها کم و میزان حجم آبی که در آن ها ذخیره می شود، کم می باشد.جنس این سدها اکثرا بتنی با حاشیه های سنگریزه ای می باشد.
۳)سدهای انحرافی:برای منحرف کردن آب مورد استفاده قرار می گیرند،این سدها در مسیر رودخانه ها احداث می گردند و با افزایش هد آب باعث سوار شدن آب بر زمین های مجاور می گردد.همچنین از این سدها برای منحرف کردن آب قبل و بعد از محل های ساخت سدهای بزرگ استفاده می شود.
۴)سدهای رسوبگیر
این نوع سدها دارای ارتفاع کمی می باشد و جنس آنها بتن و سنگ می باشد.هدف ازاین سدها برای جلوگیری از ورود رسوبات به داخل سدهای بزرگ می باشد و قبل از این سدها احداث می شوند.
سازه های وابسته به سد:
پی ها وتکیه گاهها : از ارکان بسیار مهم سدها می باشند که نیاز به پایداری در طول ساخت و بهره برداری دارند.
اگرچه اغلب سدهای بتنی چه از نوع وزنی و پایدار و چه از نوع قوسی بر روی بسترهای سنگی مقاوم ساخته می شوند، ولی نیاز به کنترل مخصوصا مقاومت لغزشی و تراوشی دارند
سدهای بتنی قوسی نیاز به پی و تکیه گاههای مقاوم دارند و سدهای بتنی وزنی باید از نظر پی مقاوم باشند ولی اهمیت پی و دیواره در سدهای خاکی بسیار کمتر می باشد.
گالری ها ، اتاقک ها و شفت ها:
این سازه ها جهت حفاری ، تزریق،جمع آوری زهکش ها،نصب و راه اندازی و نگهداری وسایل جنبی در سدهابه کار می روندو قسمتی از ساختمان سد می باشند.
پائین ترین گالری در دیواره سد که عموما در داخل پی قرار دارد، گالری زهکش نامیده می شود و کلیه آبهای نشتی و زه ابهای خروجی از زهکش ها وارد این گالری می شود و سپس از آن تخلیه می گردد.
سریزها:
سریزها سازه های تنظیم کننده مانند دریچه ها و سازه های آرام کننده جریان مانند حوضچه آرامش از تاسیسات وابسته به سد هستند و در سدهای بتنی عموما بر زاویه پائین دست بدنه سد قرار می گیرند.
تخلیه کننده ها :
جهت انتقال آب از دریاچه سد به پائین دست آن به کار می روند و اجزاء آن عبارتند از:
کانل ورودی
آبراه
اتاقک دریچه
شوت و سرسره
انرژی گیر
از سازه های وابسته به سد هستند که کنترل رفتار و اطمینان از عملکرد آن در رفتار سد بسیار مهم است.
دریچه ها:
تمام دریچه ها و شیر آلات نصبی از تاسیسات وابسته به شمار می روند.
نیروهای وارد بر سد:
۱ ) نیروی فشار منفذی
۲ ) نیروی وزن سد
۳ ) نیروی افقی آب در بالادست
۴) نیروی عمودی آب در بالادست
موارد کنترل در سدهای بتنی:
تراز آب مخزن :
تراز آب مخزن با ذکر تاریخ اندازه گیری نوشته می شود و به صورت روزانه اندازه گیری می گردد.
تمام پارامترها از قبیل تغییر شکل ها و جابجایی هاو تاثیر درجه حرارت و تنش ها،کرنش ها و نیروی uplift تابع تراز آب می باشد.
دما :
اندازه گیری های دما شامل دمای آب و دمای هوا و دمای بتن در ترازها ئ نقاط مختلف است.
تراز آب بیشتر باشد بر دمای بتن تاثیر درجه حرارت کمتر است چون خود یک عایق است.
تغییر شکل ها :
تغییر جابجایی ها و،تغییر مکان های افقی و قائم و تغییر شکل های داخلی و دورانی
فشار منفذی :
که این فشار توسط پیزومتر بدست می آید.
( پیزومتر برای بدست آوردن فشار نقطه ای در خاک است .)
فشار ناشی از آب در خاک زیری که به سمت بالا وارد می شود را فشار منفذی گویند و با نصب پیزومترها در جهت سراب به پایاب در پی سد می توانیم فشار در هر نقطه را مشخص نماییم.علاوه بر آن از پیزومترها برای کاهش فشار منفذی استفاده می گردد.
نشت آب :
اگر نشت زیاد شود یعنی دیواره در حال ریزش است.
حرکات کل سد
زلزله :
با استفاده از دستگاه های زلزله نگار
بدنه،پی تکیه گاهها و سنگ بستر :
در طول عمر مفید سد حالات مختلفی اتفاق می افتد که باید سد در مقابل تمام این حالات پایدار و ایمن باشد.این حالات شامل وضعیت زمان ساخت اولین آبگیری در طولانی مدت تخلیه سریع،شرایط سیلابی و زلزله می باشد.
در تمام شرایط بایستی سد در مقابل واژگونی در هر یک از صفحات افقی در مقاطع میانی سد ، در کف و صفحه های پائین تر از کف ایمن باشدو نیز صفحات میانی بدنه و صفحات پی و یا ترکیبی از آن ها لغزش رخ ندهد و بالاخره تنش ها در حد مجاز باشد.
در مورد سدهای قوسی رفتار سد به صورت انتقال نیرو از طریق قوس ها به تکیه گاه هاو انتقال بخشی دیگر به پی می باشد.
عموما رفتار سد در مواقع سیلابی و زلزله باید پیش بینی گردد.پاسخ سد در مواقع زلزله به مشخصات حرکت زمین در عرض و ارتفاع بستگی دارد.
حرکت آب مخزن در اثر زلزله تغییر شکل پذیری سنگ کف و تاثیر متقابل حرکات آب ، سد و بستر باید بررسی گردد.
اثر بارها و نیروهای خارجی بر جسم سد به صورت های زیر در رفتار سد ظاهر می شود:
۱) تغییر شکل سد به صورتشعاعی در جهت افق و مماسی از سراب به پایاب در سدهای قوسی و به صورت افقی و قائم در سدهای وزنی و خاکی می باشد
۲) تغییر شکل سنگ که شامل تراکم،تورم و یا چرخش می شود.
۳) تغییرات در درزهای اتصال افقی
۴) تغییرات کرنش و تنش در بتن
۵) چرخش بدنه سد یا سنگ بستر
۶) ایجاد فشار uplift
7) نشت آب
۸ ) ایجاد ترک در بدنه و تکیه گاه ها
محل های کنترل در سدهای بتنی:
۱) وجه بالادست بدنه سد:
کنترل درزها و ترک،وضعیت بتن از نظر فرسایش و خوردگی
۲) وجه پائین دست:
کنترل درزها و ترک،شوره زدگی بتن (اگر زیاد باشد علاوه بر نشت آب املاح بتن نیز در حال شسته شدن است)و وضعیت خود بتن
۳) تاج سد:
کنترل سواره و پیاده رو از لحاظ خوردگی و فرسایش عوامل طبیعی ترک و وضعیت نقاط ثابت پنج مارک
) گالری های بدنه سد :
نشت و ترک های احتمالی و درزها و وضعیت زهکش ها(در گالری تحتانی)باید کنترل شود.
۵) وضعیت پی در پنجه:
کنترل نشت آب،ترک و فرسایش بتن
۶) گالری تحتانی :
کنترل ترک ها وضعیت نشت آب و زهکش ها کنترل سطح بتن و شوره زدگی
۷) سریزها:
کنترل دریچه و عملکرد آن،تکیه گاهها و کابل ها و زنگ زدگی دیواره دریچه،کنترل درزها و ترک در رویه بالادست سریز،فرسایش بتن در آبگذر و تاج سریز کنترل بتن در کانال هوادهی
۸)حوضچه آرامش:
حوضچه آرامش از لحاظ رسوب گذاری،فرسایش لبه ها،دیواره و کف حوضچه و وضعیت بتن
بلوک های ضربه گیر در داخل حوضچه آرامش باعث ایجاد پرش هیدرولیکی در حوضچه می گردد.ایجاد پرش هیدرولیکی و افزایش عمق ثانویه باعث افت انرژی جریان می گردد.
۹) آبگیر :
کنترل سطح بتن و لبه هافوضعیت آشغال گیرها،خوردگی و زنگ زدگی
آبگیر محل هایی هستند که برای انتقال آب از دریاچه سد به پائین دست و یا انتقال آب از دریاچه سد که نیروگاهها از آن ها استفاده می شود.
برای جلوگیری از ورود آشغال ها،تنه درختان به داخل آبراهه و همچنین نیروگاهها،از آشغالگیرهایی در ورودی آن ها استفاده می شودکه نیاز به کنترل و مراقبت دارد.
۱۰)تکیه گاهها و بستر زمین:
تکیه گاهها و پی سد یکی از مهمترین موارد کنترل در سدسازی می باشد.به خاطر اینکه تکیه گاهها یا پی در اثر نیروهای وارد به آنها می توانند جابجا شوند و این جابجایی در مقیاس زیاد باعث از بین رفتن سد می گردد.بنابراین باید تغییرات آن بطور مداوم مورد بررسی قرار گیرد.
بررسی درزها و شکاف های ایجاد شده در پی و دیواره و شکاف ها
در محل پی و تکیه گاههای سد بررسی شکاف ها در صخره های طرفین، بررسی ریزش سنگ،میزان رسوب گذاری در مخزن دریاچه رویش گیاهان در تکیه گاه ها،حفره های فرسایشی،لایه های لغزشی و انحلال در آب از موارد مهم کنترل پی و دیواره می باشد.
۱)کنترل دستگاههای اندازه گیری و تجهیزات کنترل
ابزارهای سازه ای،ابزارهای زهکشی،نشت تجهیزات اندازه گیری فشار uplift زلزله نگار،شیر آلات،جرثقیل ها و چراغ ها
همانطور که اشاره شد کلید کنترل ها و اندازه گیری ها در تمام مقاطع و نقاط سد به دلیل وجود نیروها و لارها و تمرکز تنش از حساسیت بیشتری برخوردارند.لذا کنترل ها و اندازه گیری ها باید با دقت بیشتر و دوره زمانی کمتری در این نقاط صورت گیرد.
این محل های کنترل در سدهای بتنی وزنی پایه دار با سدهای قوسی تفاوت دارد که به شرح زیر می باشد:
* سدهای پایه دار وزنی:
مهمترین تغییر مکان در این سدها در جهت سراب به پایاب (شعاعی) می باشددر حال یکه تغییر مکان ها در جهت چپ به راست(محور سد)از اهمیت کمتری برخوردار می باشد.کلیه درزها(درزهای انقباضی و افقی)کنترل ترک و جابجایی.
* سدهای قوسی:
-تغییر مکان سراب به پایاب
-تغییر مکان چپ به راست یا تغییر مکان در جهت محور تاج سد(مماسی).ترک در تکیه گاهها و ترک در تونل های افقی و گالری ها
اصول نگهداری و تعمیرات:
سدها از بزرگترین طرح های عمرانی هر کشوری می باشد که در رشد و شکوفایی اقتصادی هر جامعه نقش بسزایی دارد و برای ساخت و اجرای آن ها زمان و هزینه بسیار زیادی صرف گردیده است.
حفظ،نگهداری،دوام و تضمین بهره برداری ضرورت بهره برداری محسوب می گردد.نگهداری مقدم بر تعمیرات است و منظور از نگهداری حفظ سلامت و کارایی و نگهداشتن وضعیت سازه به همان شکل اجرا و ساخت اولیه است.
اقدامات اجرایی و پیوسته جهت نگهداشتن و پیشگیری از صدمات ناشی از آسیبات حرکتی،نشست و نشت آب،آسیب های شیمیایی،صدمات زلزله و سیل و سایر صدمات فیزیکی و شیمیایی منجر به تضمین سلامتی آن می گردد.
تعمیرات زمانی انجام می شود که نگهداری جایگاهه در دستگاه بهره بردار نداشته و احتمال خطرات و اثرات سوء و مخرب در پیش باشد.
موضوع مهم در ارتباط با نگهداری و تعمیرات تامین هزینه و برآورد دقیق حجم عملیات و و نیز مصالح مصرفی و نیز زمان تعمیرات می باشد.
در مرحله تعمیرات پارامترهای زیر مهم می باشد:
۱) آسیب شناسی
۲) اثرات حال و آینده ناشی از آسیب دیدگی
۳) ضرورت و روش تعمیر
۴) حجم عملیات ترمیم،زمان و هزینه.
ر سراسر جهان بیش از ۴۵ هزار سد بزرگ
(با ارتفاع بیش از ۱۵متر و حجم مخزن بیش از ۳ میلیون متر مکعب) وجود دارد و تقریباً نیمی از رودخانه های جهان توسط یک سد بزرگ مهار شده است. سد دیواری محکمی است که به منظور مهار کردن یا تغییر مسیر آب در عرض دره یا میان دو کوه و در مسیر رود ایجاد می کنند. افزودن ارتفاع آب به وسیله ایجاد سد، می تواند فقط به منظور مهار یا تغییر مسیر آب رودخانه باشد یا ذخیره کردن آب در پشت سد برای کشاورزی، آبیاری و آبرسانی یا تولید انرژی برق آبی منظور اصلی در ایجاد سد بوده باشد. از آنجا که آب جمع شده در پشت یک سد می تواند نیروی بسیار بزرگی به سد وارد کند، اصلی ترین مسئله استاتیکی (ایستایی) در طراحی سدها، غلبه بر این نیرو و رسیدن به شرایط پایداری است که با تخلیه یا آبگیری سد، پیوسته برقرار باشد. در دنیای حرفه ای منظور از سد، یک اصطلاح عمومی برای تمامی امکانات مربوط بستن "فضای ذخیره سازی"، "ساختار مصرف" و "سرریز" نامیده می شود. سد، یک سیستم برای گرفتن و محدود کردن جریان آب در طول مقطع یک رود یا رودخانه است. تعریف سد عبارت است محلی که در آن آب با ارتفاع بیش از پنج متر یا بیش از۱۰۰هزار متر مکعب آب ذخیره شده است. هدف از ساخت انواع سدها عبارت است از: تامین آب نوشیدنی، تولید برق، تامین آب صنعتی (صنعت و کشاورزی)، کنترل سیل، جلوگیری از کم آبی و خشکسالی، علاوه بر این موارد از سدها برای مقاصد تفریحی، ورزشی و گردشگری بهره برده می شود.
از نقطه نظر استاتیکی، سدها به دو گروه عمده تقسیم می شوند: سدهای وزنی و سدهای قوسی.
علاوه بر این انواع دیگری از سدها نیز وجود دارد مانند سدهای پایه دار، سدهای پشت بند دار و سدهای چوبی که به لحاظ اهمیت کمتر و استفاده ناچیزتر به آنها پرداخته نمی شود.
سدهای وزنی ـ برای این که در برابر فشار بسیار زیاد آب، مقاومت مناسبی به وسیله وزن سازه سد صورت پذیرد، این نوع از سدها معمولاً حجم بسیار بزرگی دارند. بدیهی است در ساخت سازه ای با این حجم، اقتصادی ترین مساله، بحث تامین مصالح است. بنابراین این سدها معمولاً از مصالح موجود در محل احداث خود بهره می برند. در دسترس ترین این گونه مصالح سنگ و خاک است. سدهای وزنی به همین دلایل امروزه در دو نوع سدهای بتنی و سدهای خاکی ساخته می شوند.
سدهای قوسی ـ اساس نیروی غلبه بر فشار آب در این سدها، انتقال این نیرو به دیواره های دره و در حقیقت شکل هندسی سد است. این سدها حداقل در مقیاس های بزرگ، غالباً از بتن مسلح ساخته می شوند.
به منظور جلوگیری از ورقه ورقه شدن سطوح مختلف بتن روی یکدیگر، بسیاری از سدهای بزرگ از این نوع، به شکل لیفت به لیفت و معمولاً به شکل لیفت های دو یا سه متری بتن ریزی
می شود. سطح هر لیفت بتن ریزی شده سریع شسته می شود تا بتن لیفت (مرحله) بعدی به بتن قبلی خوب بچسبد و از ورقه ورقه شدن سطوح مختلف بتن روی یکدیگر جلوگیری شود. این سدها به شکل بلوک ساخته شده و سرانجام بین
بلوک ها که "درزه" نامیده می شود دوغاب سیمان تزریق
می شود و سد به شکل یکپارچه عمل می کند.
محمدمهدی امیری خوریه
منابع در بخش پایانی ذکر خواهد شد سدهای لاستیکی: سدهای با ارتفاع کم (تا حدود ۶ متر) هستند که اخیراً و به صورت محدود مورد استفاده قرار گرفته اند. سد لاستیکی از ورقه لاستیکی با مقاومت کششی بالا ساخته شده که با دمیده شدن هوا و یا وارد کردن آب به داخل آن متورم شده و به صورت مانعی جلو آب قرار می گیرد و هر گاه سیال مذکور از داخل دو لایه لاستیکی خارج گردد، و به صورت یک کفپوش در بستر رودخانه قرار می گیرد.
انواع سد
۱ – تعریف سد
هر مانعی که در مسیر جریان آب قرار گیرد و باعث شود تا ارتفاع آب در بالادست آن افزایش یافته، مقداری آب ذخیره گردد، سد نامیده می شود و به عبارتی دیگر "سد" عبارتست از سازه ای که در عرض رودخانه جهت ذخیره و افزایش ارتفاع آب ساخته می شود.
۲ – هدف از ساخت سد
در یک تقسیم بندی هدف از ساخت سد را یک یا چند مورد از موارد زیر تشکیل می دهد.
الف – کشاورزی (تامین آب مورد نیاز کشاورزی، احیاء اراضی موات و نمیه موات)
ب – تامین آب شرب و بهداشتی
ج – مصارف صنعتی و رفع نیازهای جریان مربوط
د – کنترل سیلاب و تنظیم جریان رودخانه ها و سیلاب ها
ک – نیروگاه های برق آبی
ل – افزایش ارتفاع جهت انحراف آب
م – کشتیرانی و حمل و نقل
و – حفظ محیط زیست حیوانات وحشی
۳ – انواع سدها بر اساس نوع مصالح بدنه
الف – سدهای خاکی: که از خاک ساخته شده اند.
ب – سدهای سنگی (سنگریزه ای): که مصالح تشکیل دهنده بدنه آن ها، سنگ های درست دانه هستند.
پ – سدهای بتنی: در این نوع، بدنه سد از بتن و یا بتن مسلح ساخته شده است.
ت – سدهایی با مصلاح بنایی: که از مصالح بنایی نظیر سنگ و ملات ماسه سیمان و گاه رویه بتنی برای ساخت سد استفاده می شود.
ث – سدهای الواری (چوبی) و فولادی: که به ندرت و برای استفاده های محدود و با استفاده از مصالح چوب و یا فولاد ساخته می شوند.
ج – سدهای لاستیکی: سدهای با ارتفاع کم (تا حدود ۶ متر) هستند که اخیراً و به صورت محدود مورد استفاده قرار گرفته اند. سد لاستیکی از ورقه لاستیکی با مقاومت کششی بالا ساخته شده که با دمیده شدن هوا و یا وارد کردن آب به داخل آن متورم شده و به صورت مانعی جلو آب قرار می گیرد و هر گاه سیال مذکور از داخل دو لایه لاستیکی خارج گردد، و به صورت یک کفپوش در بستر رودخانه قرار می گیرد.
۳ – انواع سدها بر اساس رختارسازه ای
الف – سدهای خاکی: که مقاومت برشی خاک، ایستایی آن را در مقابل نیروهای وارده تامین می نماید. عموماً برای جلوگیری از نشست آب از هسته های غیر قابل نفوذ یا نیمه پذیر نظیر هسته های رسی در داخل بدنه سد استفاده می کنند.
ب – سدهای سنگریزه ای: که مشابه سدهای خاکی است. با این تفاوت که ابعاد دانه ها به مراتب درشت تر و به صورت سنگ می باشد.
پ – سدهای وزنی: که وزن بدنه سد تعادل آن را در مقابل مجموعه نیروهای واده حفظ می نماید.
ت – سدهای پایه داره: که بارهای وارده بر سد توسط یک پوست به پایه ها و از آنجا به پی و زمین منتقل می گردد.
ث – سدهای قوسی: که نیروهای وارده بر سد توسط یک بدنه انحناء دار به فونداسیون و سپس به سنگ زمین (کف و جناحین) منتقل می گردد.
ج – سدهای فولادی: که از یک قالب فولادی و یک صفحه فولادی روی وجه بالادست آن تشکیل شده است. این نوع سدها می توانند در شکل های گوناگون سازه ای ساخته شوند.
ج – سدهای چوبی (الواری): که نظیر سدهای فولادی از یک قالب چوبی و یک صفحه ساخته شده اند از الوار تشکیل شده اند برای انتقال نیروهای وارده بر سد به زمین از سیستم های مختلف می تواند استفاده گردد.
۴ – انواع سدهای بتنی
آن چه سدهای بتنی را بیشتر از سایر موارد از یکدیگر متمایز می سازد، تقسیم بندی بر اساس نوع طراحی و رفتار سازه ای آنهاست که ذیلاً به آن پرداخته می شود
الف – سدهای بتنی و وزنی
این نوع از سدهای بتنی که نیروهای ثقلی در آن ها مقاومت لازم جهت حفظ تعادل و پایداری سد را تامین می نمایند و عموما در پلان در راستای محور متصل کننده جناحین مستقیم هستند خود به انواع زیر تقسیم می گردند:
سد وزنی توپر (یکپارچه) که بدنه آن به استثناء محل زهکش ها و گالری ها توپر و یکپارچه می باشد. بر این اساس وزن آنه نسبتاً سنگین تر اما اجرای ساده تر دارند. سد وزنی با این خصوصیات، مهمترین و معمولترین نوع سدهای وزنی بوده، کمترین هزینه تعمیرات را لازم دارند. سدهای وزنی توپر برای هر موقعیت مکانی مناسب هستند ولی ارتفاع آن ها تابعی است از مقاومت سنگ کف
ب: وزنی توخالی (محوف)
گاه برای کاهش وزن بتن مصرفی در سد و در مناطقی از بدنه سد وزنی که تنش کمتری به آن وارد می شود، فضاهای خالی ایجاد می کنند که در این صورت سد را "سد وزنی تو خالی یا مجوف" می نامند. این نوع سدها شبیه سدهای پایه دار بوده بیشترین آن ها از بتن مسلح ساخته شده اند. فضای خالی موجود در بدنه (یا پایه ها) می تواند برای قراردادن دستگاها و سیستم های احتمالی نظیر توربین ها و … مورد استفاده قرار گیرد. اگر چ سدهای وزنی مجوف، بتن کمتری در مقایسه با سدهای وزنی توپر نیاز دارند، اما مسائل اجرائی و امکان نیاز به مسلح کردن بتن (به دلیل مسائل سازه ای)، نسبت به سدهای وزنی توپر، هزینه بیشتری را در بر دارد و لذا لازم است تا جهت مقایسه با دو نوع بررسی های کافی و کامل انجام می پذیرد. در حاضر ساخت این گونه سدها زیاد معمول نمی باشد.
پ: سدهای وزنی دارای هسته (هسته دار)
در اصل همان سد وزنی تو خالی است با این تفاوت که فضاهای خالی به جای آنکه در وسط مقطع قرار گیرند، در حد فاصل درزهای اجرایی ساخته می شوند و لذا مقطع هر بلوک بین دو درز اجرایی به شکل I خواهد بود با دو بال در بالا دست و پایین دست و یک جان در وسط.
شایان ذکر است با توجه به مشکلات اجرایی سدهای وزنی تو خالی و هسته دار در حال حاضر عموماً سدهای وزنی توپر ساخته شده اند و هر جا صحبت از سد وزنی شد مقصود سد وزنی توپره می باشد.
ت: سدهای قوسی
سدهای قوسی در پلان انحناء بوده به گونه ای که تحدب منحنی به سمت بالا دست می باشد. این نوع سدهای که برای ذره های تنگ بسیار مناسب هستند عموماً بیشترین نیروهای وارده بر سد را به جناحین و قسمت کمی از آنها را به سنک کف در بستر رودخانه منتقل می نماید. سدهای قوسی دارای انواع مختلف بوده و مقطع آنها نیز می تواند از یک مقطع تقریباً مثلثی تا یک مقطع دارایی انحناء تغییر کند. از نظر سازه ای، گاه سد قوسی به صورت دو سرگیردار (جناحین) و گاه به صورت سه طرف دیگر ساخته می شود که تمام این موارد تابعی از موقعیت دره و مجموع هزینه های لازم می باشد.
ث: سدهای پایه دار (پشت بنددار)
اگر بال های پایین دست سد وزنی تو خالی یا هسته دار را حذف کنید،سد پایه دار یا پشت بند دار تشکیل می گردد. این نوع سد، مرکب است از یک دال (پوسته) بتنی (مسطح یا قوسی) و تعدادی پایه که بارهای وارده یا پوسته یا پوسته را به فونداسیون و سنگ کف منتقل می کنند. اگر چه بتن مصرفی در این سدها در حدود ۶۰ درصد بتن مصرفی در سدهای وزنی توپر است اما هزینه های ساخت و مسطح کردن بتن و مشکلات سازه ای، معمولاً جایگزین مصرف کمتر بتن می گردد. این سدها به خصوص برای مناطقی که سنگ کف از مقاومت یکپارچه برخودار نیست مناسب هستند.
ج: سدهای بتن غلطتکی
سدهای بتن غلتکی از جمله سدهای بتنی هستند که از حدود سال ۱۹۷۰، بیشتر به عنوان یک روش جدید در ساخت سدهای بتنی وزنی مطرح و بکارگرفته شدند. از این روش همچون می توان بر بازسازی سدهای موجود استفاده نمود.
این نوع سدها در حقیقت همان سدهای بتنی هستند که از نظر اموال اصول طراحی و شکل مقطع بسیار شبیه سدهای وزنی موسوم بوده و تنها به منظور کاهش هزینه های آن، در ساخت آن از بتن غلطکی استفاده می شود.
بتن غلطکی عبارت است از بتنی که اسلامپ آن صفر بوده و به منظور حمل پخش و تراکم آن از ماشین آلات عملیات خاکی استفاده می شود. لذا ملاحظه می شود که بتن غلطکی بایستی آنقدر خشک باشد که بتوانند تقریباً نظیر دانه های خاک به راحتی پخش شده و بوسیهله ماشین آلات متراکم کننده نظیر غلطک متراکم گردد.
مطالعات اولیه پروژه های سدسازی
۱ – بررسی و ارزیابی عمومی ساختگاه (انتخاب محل سد)
برای یک سد خاص، ساختگاه و محل احداث، تامین تامین کننده نیازهای فنی و کاربردی ویژه ای باشد و وجود تناسب در ساختگاه می تواند باعث تعادل بین ویژگی های فیزیکی طبیعی آن و اهداف اصلی سد گردد. عواملی هستند که بر روی تعادل مذکور اثر می گذارند که مهمترین آنها عبارتند از:
الف – توپوگرافی منطقه و ظرفیت مخزن
اولین عامل برای تعیین محل محور سد وجود دره ای مناسب است که بتوان سد را با طول محدود و در داخل آن اجرا نمود. برای اقتصادی بودن و کاهش هزینه ها لازم است تا برای یک ارتفاع معین، طول تاج تا حد امکان کوتاه و در مقابل ظرفیت مخزن حتی المقدور زیاد باشد بنابراین از لحاظ توپوگرافی، منطقه ای مناسب خواهد بود که در محخل تنگه سد کاملاً بسته و بالادست آن کاملاً باز گردد. در صورتیکه دو رودخانه در نقطه ای بهم پیوسته و تشکیل یک رود واحد را بدهند برتر است که محور سد در پایین دست محل اتصال واقع گردد.
ب: فونداسیون، شرایط زمین ساخت و ژئوتکنیکی
در سدهای بتنی می باست کف و جناحین رودخانه دارای سنگ مقاوم بوده و همچنین عمق سنگ کف (ضخامت آبرفت) در حد قابل قبولی باشد، بدیهی است با استفاده از نتایج آزمایشات سطحی، انفجارهای آزمایشی و داده های حاصل از گمانه ها، پروفیل محور سد تهیه شده و با توجه به ریخت شناسی و ساختار زمین: گسل های مهم و سایر گسیختگی ها موجود نظیر سیستم درزه و ترک لایه بندی و جهت لایه تعیین می گردد. مناسب بودن و قابلیت تحمل پی در مقابل نیروها و ظرفیت باربری آن، تغییر شکل پذیری و ناتراوایی عواملی هستند که می توانند محل و موقعیت و حتی نوع سد را تعیی نمایند.
ج: هیدرولوژی و میزان رسوب
از جمله عوامل مهم در انتخاب محل سد، مشخصات هیدرولوژی منطقه باشد که می بایست استفاده از آن در طول عمر مفید پروژه وجود داشته باشد. بطور کلی از نظر اقتصادی امکان استفاده از آن در طول عمر مفید پروژه وجود داشته باشد، بطور کلی هر چه نوسانات خصوصیات هیدرولوژیکی نظیر سیلاب و رواناب در سالهای مختلف کمتر باشد، جهت استفاده دائمی شرایط بهتری را ایجاد می نماید. از جمله عوامل دیگری که در این زمینه از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار است، میزان تبخیر از سطح آزاد آب مخزن توپوگرافی و ظرفیت مخرن، میزان پتانسیل بالقوه تخیر آب درنظر گرفته شود. میزان رسوب دانه بندی آن از جمله عواملی هستند که مستقیماً بر روی حجم مرده و در نتیجه بر روی حجم کل مخزن تاثیر گذاشته و لذا در محاسبات باید تا حد امکان به صورت دقیق برآورد شوند.
بر این اساس شناسائی کامل حوزه و تعیین پتانسیل رسوب هر شاخه رودخانه می تواند بسیار مهم تلقی شود، نهایت آنکه بایستی میزان بار رسوب آورده شده به پشت سد کمترین مقدار ممکنه را دارا بوده، اطمینان کافی از عدم پر شدن مخزن بوسیله رسوبات، در کوتاه مدت وجود داشته باشد.
د: محل سرریز
سرریز ها به طور معمول گرانترین و پرهزینه ترین سازه های جانبی سد به شمار می آید هر چند که در اغلب بتنی می تواند سرریز را بر روی خود بدنه ساخت، اما وجود مناطق دیگری در منطقه که بتوان به راحتی سرریز را در آن قرار داد و یا از آنها برای ساخت سرریز اضطراری استفاده نمود می تواند امتیازی برای محل احداث سد بشمار می آید و لذا در مطالعات می بایست موقعیت های مناسب برای احداث سرریز در نظر گرفته شود.
هـ : وجود مصالح ساختمانی مناسب
به طور کلی وجود مصالح مناسب و قابل دسترسی در کاهش هزینه های کلی طرح نقشی بسیار مهمی دارند، در سدهای بتنی به لحاظ اینکه مصالح خاصی نظیر شن و ماسه با دانه بندی مشخص و سیمان به مقدار نسبتاً زیادی مورد نیاز است لذا هر چه منبع تامین این مصالح به محل سد نزدیکتر باشد، علاوه بر کاهش زمان انتقال مصالح، هزینه حمل نیز به میزان زیادی کاهش می یابد، در این راستا باید امکان استفاده از مصالح طبعی و یا تولید مصالح شکسته از منابع سنگی و را مورد نظر قرار داد و نهایتاً موردی که ارزانتر بوده و در عین حال مشخصات فنی طرح را دارا باشد به کار گفلت.
و: انحراف مسیر رودخانه
انحراف مسیر رودخانه جهت خشکاندن محدوده کارگاه و هدایت جریان رودخانه به موقعیت مناسب در طول دوره اجرای سد امری ضرروی می باشد و لذا در مطالعات امکان یابی برای موقیعت احداث سد باید منطقی را در نظر گرفت که بتوان با روشهای مناسب آنها را در مقابل جریان رودخانه حفظ نمود.
بررسی اقتصادی بین گزینه های مختلف انحراف و همچنین پیش بینی لازم جهت استفاده از سیستم انحراف در طی دوره بهره برداری به منظور تامین اهداف دیگر نظیر تخلیه کننده تحتانی یا بخشی از جریان هدایت سرریز و … می تواند در تعیین موقیعت مناسب شد و کاهش هزینه های طرح مزبور موثر باشد.
ز: آب بندی مخزن و پایداری دیوارها
یکی از مهمترین اهداف سد نگهدرای و ذخیره آب می باشد و می بایست مطالعات لازم جهت اطمینان از آب بندی مخزن و جلوگیری از فرار نامطلوب آن بعمل آید. به طور کلی ارزیابی کامل زمین شناسی برای این منظور، بویژه در سازنده های کار ستی و موارد مشابه و همچنین در مناطقی که سابقه معدنکاری وجود دارد لازم است بر حسب ضرورت لازم است که کناره های مخزن، خصوصاً مناطقی که با اشباع شدن سطوح زیر آنها امکان ناپایداری دارند از نظر پایداری کاملا بررسی شوند. ناپایداری در دیوارهای مخزن می تواند خطرات بالقوه زیادی از جمله حجم ذخیره و یا تولید امواج بزرگ در مخزن را سبب گردد. ح: خسارات مخزن، حمل مناسب برای تجهیز کارگاه و امکانات رفاهی
در تعیی محل احداث سد، شرایط محلی نظیر راه های دسترسی، پل ها و دیگر تاسیسات زیر بنائی از مسائلی هستند که می بایست مورد بررسی قرار گیرند سهولت دسترسی به محل سد وجود راههای اصلی و راه آهن و همچنین گزینه های دارای خسارت کم می توانند دارای اولویت باشند.
همچنین وجود محل مناسب برای نصب امکانات و تجهیزات مورد نیاز و وجود امکانات رفاهی برای پرسنل شاغل در زمان سخت سد نیز جمله عواملی هستند که می بایست مد نظر قرار گیرند.
ط: پیامدهای زیست محیطی
آب همیشه به عنوان یک عنصر کلیدی در شکل گیری تمدن ها و استمرار آنها بوده، و همواره عامل اساسی در توسعه کشورها به شمار می رفته است. سد، به عنوان سازه ای که حجم و ارتفاع معینی از آب را در یک موقعیت مکانی خاص ذخیره و اهداف متنوعی را دنبال می کند، می تواند مسائلی مختلفی اکولوژیکی، فیزیکی و شیمایی و اجتماعی فرهنگی اقتصادی و … منطقه را تحت تاثیر تغییرات جدی قرار دهد و لذا لازم است تا اثرات زیست محیطی ناشی از ساخت، سد بخصصو سدهای بزرگ مورد توجه قرار گیرد.
ساخت یک سد می تواند اثرات مثبت و یا منفی زیست محیطی داشه باشد. به عنوان مثال تامین آب مورد نیاز کشاورزی شرب و صنعت مردم منطقه افزایش پوشش گیاهی رشد اقتصادی اجتماعی فرهنگی مردم تحت پوشش و … از جمله اثرات زیست محیطی سد می باشند در حالیکه زیر آب رفتن قسمتی از زمین های بالادست و آلوده شد آب دریاچه می تواند بر حسب شرایط از جمله موارد اثرات منفی زیست محیطی یک سد محسوب گردند.
بطور کلی می توان اثرات زیست محیطی یک سد را، بدون آنکه قضاوتی در مورد اثر منفی و یا مثبت آن گردد به شرح زیر خلاصه ای آورده و برای هر یک نمونه هائی ذکر می شود.
۱ – اثرات فیزیکی و شیمیائی احداث سد
الف: اثر دریاچه سد بر آب و هوای منطقه یا محدوده دریاچه
ب: خشکی نسبی پایین دست،پس از احداث سد
پ: غلظت مواد محلول آب دریاچه و پایاب آن
۲ – اثرات بیولوژیکی سدها
الف: کاهش غلظت مواد غذایی مورد استفاده ماهی ها و گیاهان
ب: اثر ذخیره آب دریاچه های و مخازن کم عمق در رشد و نمو پانکتونها
۳ – اثرات اجتماعی، اقتصادی و فرهنگی
الف: اثر احداث سد بر روستاهای مجاور، غرقاب شدن اراضی کشاورزی مراتع، منازل، ساختمان های دولتی و …
ب: اثرات سد بر آبادانی توسعه اجتماعی و اقتصادی و فرهنگی و مردم روستاها اشتغال مردم، بالا رفتن سطح زندگی و …
پ: توسعه ماهیگیری، تفریحات و ورزشهای آبی
ت: بهبود کیفیت زندگی و بالا رفتن درآمد، تغییرات مناسب فرهنگی
بررسی عوامل موثر بر انتخاب سد
عوامل بسیار در انتخاب نوع بهینه سد برای یک موقعیت مشخص وجود دارند که در حالت کلی به دو دره قابلیت های فنی و هزینه احداث و بهره برداری تقسیم بندی می گردند. در مکان هایی که به دلایل فنی محدودیست انتخاب سد وجود دارد انتخاب نوع سد کار آسانی خواهد بود مثلاً در موقعیتی که سنگ کف یا جناحین از موقعیت ضعیفی برخوردار باشد از ساخت سد قوسی پرهیز می گردد ولی در بسیاری از موارد از نظر فین امکان طراحی گونه های مختلف سد وجود دارد که در این حال تصمیم نهایی برای نوع سد تابعی از اقتصاد طرح خواهد بود
بهر حال از جمله عوامل مهم که در انتخاب سد تاثیر می گذارند عبارتند از:
۱ – شرایط زمین شناسی و پی سد ۲ – عوامل هیدرولیکی و اقتصاد ۳ – عمق آبرفت ۴ – مصالح ساختمانی
۱ – شرایط زمین شناسایی و پی سد
از جمله موارد مهم در این مبحث میزان تغییر شکل پذیری پی، میزان باربری آن و عمق آبرفت می باشد تنش بوجود آمده باعث تغییر شکل آن گردیدده و بستگی تام به میزان باربری پی و خصوصیات ژند مکانیکی آن دارد.
به طور کلی می توان گفت که در مکان هایی که تغییر شکل پی زیاد است انعطاف پذیری نسبی ساده یک مزیت محسوب شده و لذا سازه ای نظیر یک سد خاکی یا سنگریزه ای مناسب تر خواهد بود ولی در مناطقی که میزان باربری پی بیشتر است می توان از سد هایی که تنش بیشتری به پی وارد می نمایند نظیر سد وزنی یا سد قوسی برد.
۲ – مصالح ساختمانی
با توجه به حجم بتن قابل ملاحظه ای که در بدنه سدهای بتنی مصرف می شود وجود مصالح ساختمانی مناسب جهت تامین شن و ماسه بتن در نزدیکی سد می تواند عامل تعیین کننده نوع سد بتنی باشد. در هر حال این عامل به عنوان یکی عامل اقتصادی می تواند مطرح شود که در اقتصاد طرح تعیین کننده است.
۳ – عوامل هیدرولیکی
گاهی اوقات مجموعه عوامل هیدرولیکی نظیر وجود گرادیان هیدرولیکی مشخصات سرریز، سیستم اهداف و … می تواند بر روی نوع سد تاثیربگذارند. به عنوان مثال در سدهای خاکلی مقادیر گرادیان هیدرولیکی باید کم باشد در حالیکه مقدار آن برای سدهای وزنی، قوسی و پشت بنددار می تواند بزرگتر انتخاب شود و یا مشخصات سرریز برای هر نوع سد باعث تغییر هزینه ها خواهد گردید که می تواند به عنوان یکی از عوامل موثر بر اقتصادی طرح بررسی گردد.
۴ – شرایط اقتصادی
مهمترین عامل و به عبارتی عامل نهائی تعیین کننده نوع سد بتنی (پس از عامل فنی) میزان هزینه احداث سد می باشد که عوامل مختلفی بر آن اثر می گذارنده از آنجا که مجموع عواملی که بر اقتصاد طرح تاثیر می گذارند بسیار متنوع می باشد، لازم است برای هر نوع سد و با توجه به چگونگی تاثیر و مشخصات هر عامل، مجموع هزینه احداث برآورد گردیده، وسپس مقایسه ای بین گزینه های مختلف به عمل می آید. بدیهی است بدون توجه به مسائل مدیریتی، سیاسی و اجتماعی گزینه ای مناسب است که دارای حداقل هزینه باشد.
ضوابط و معیارهای اجرایی
اگرچه ضوابط و معیارهای اجرایی در ساخت سدهای بتنی و بطور کلی سدها، فراوان است اما در این قسمت سعی شده به پاره ای از مهمترین آنها پرداخته شود که عبارتند از:
۱- سیستم انحراف
در هنگام طراحی یک سد که بر روی رودخانه ساخته می شود و به منظور خشک نگه داشتن محیط کار در زمان احداث سد، می بایست وضعیت انحراف جریان رودخانه را در طول مدت اجرا بدنه اصلی بررسی نمود. بررسی و تعیین وسعت و میزان مسائل ناشی از انحراف رودخانه بستگی مستقیم به اندازه جریان و پتانسیل جریان رودخانه داشته، ممکن است در برخی در بعضی مکان ها انحراف رودخانه پرخرج و زمان باشد و بر فعالیت های ساختمانی سد تاثیر گذارد و در برخی مکان ها تاسیسات انحراف بدون بروز مشکل خاصی و با کمترین هزینه بکار گرفته شود. عواملی که در تعیین سیستم انحراف نقش داشته و می بایست در هنگام طراحی به کار گرفته شود شامل موارد زیر می باشد.
الف) خصوصیت و وضعیت جریان رودخانه
ب) دوره بازگشت و اندازه سیلاب انحراف
پ) بررسی تاثیرات ناشی از سازه های هیدرولیکی تنظیم کننده جریان در بالا دست
ت) کنترل میزان آلودگی و تیرگی جریان رودخانه
ث) روش های انحراف
۲- املاح پی:
الف) حفاری
کل ناحیه ای که توسط سد بتنی اشغال می گردد باید تا رسیدن به یک بستر سنگی مناسب که قادر به تحمل نیروهای وارده از ظرف سد، مخزن و تاسیسات جانبی باشد حفاری گشته، قسمت های بالایی برداشته شود. در انجام این عملیات که بوسیله انفجار صورت می گیرد. باید شدت انفجارها به حدی باشد که از بروز پدیده هایی نظیر خرد شدن سنگ پی لق شدن و یادگیر مسائلی که سبب کاهش قدرت باربری پی می گردد کاملا جلوگیری شود. کلیه حفاریها بایستی مطابق با نقشه های اجرایی باشند.
ب) در شکل دره:
در صورتیکه پروفیل دره محل سد نسبتا باریک و با شیب های تند تکیه گاهی باشد، ارتفاع سد، با حرکت از مرکز آن به سمت جناحین، بتدریج کاهش می یابد و در نتیجه تغییر شکل ناشی از بار وارده از طرف مخزن در مقاطع مرکزی بیش از مقاطع کناری خواهد بود. از طرفی از آنجا که در اغلب سدهای بتنی، بلوکها از طریق کلید و تزریق به یکدیگر متصل شده اند بر اثر اعمال تغییر شکلهای فوق، یک اثر پیچشی در سازه بوجود می آید که به پی منتقل می گردد.
پ) بهسازی گودیها
در بسیاری از موارد حفاریهای اکتشافی، گسل ها، شکستگی ها و درزها ران نشان نمی دهند در حالیکه بهسازی این مناطق ضعیف و برداشت موادضعیف و جایگزینی آن با مصالح مناسب (بتن) لازم می باشد.
در بسیاری از موارد حفاری های اکتشافی، گسل ها، شکستگی ها و درزها را نشان نمی دهند در حالیکه بهسازی این مناطق ضعیف و برداشت مواد ضعیف و جایگزینی آن با مصالح مناسب (بتن) لازم می باشد.
ت) حفاظت در مقابل رگاب
روشهای محاسباتی، اعم از تحلیلی یا تقریبی ممکن است برای تشریح ضرایب اطمینان، تنش ها و تغییر شکل های پی مناسب باشند ولی معمولا نمی توانند پدیده رگاب را پیش بینی نمایند. گسل ها یا درزه ها ممکن است توسط مصالحی پر شده باشند که در اثر جریان آب شسشته شوند و تولید یک مجرای انتقال را بنمایند که خطرساز خواهد بود لذا برای هر گسل یا درزه می بایست با ایجاد یک حفره و پر نمودن آن با بتن راه جریان را کاملا مسدود نمود.
ث) تزریق
هدف اصلی از انجام عملیات تزریق در سنگ پی، پر کردن درزها و شکافهای احتمالی و بوجود آوردن یک مانع موثر در مقابل تراوش از زیربدنه سد و تحکیم پی می باشد. برای این امر از چاه های تزریق کمک گرفته می شود که فاصله، طول و امتداد آن ها و نیز شیوه انجام عملیات تزریق بستگی به ارتفاع سازه و مشخصه های زمین شناسی پی دارند. با توجه به وسعت تغییرات پارامترهای فوق در هر محل لازم است برای هر موقعیت، مطالعات خاص صورت بپذیرد.
ج) زهکشی پی
اگرچه در اثر اجرای مناسب پرده تزریق، مقدار تراوش کاهش می یابد اما گاهی بدلیل نفوذ جریان از اطراف پرده میزان زیر فشار در زیربدنه سد زیاد خواهد شد به این دلیل و برای کاهش فشارهای بالا برنده در پی از تعدادی چاهک زهکشی سود برده می شود که در یک یا چند ردیف و در پایین دست پرده آب بند حفاری می شوند. اندازه فاصله و عمق این گمانه ها نیاز به قضاوت فنی از خصوصیات سنگ داشته و معمولا دارای قطر ۵/۷سانتی متر می باشند. بطور معمول فواصل گمانه ها از یکدیگر ۳متر و عمق آنها تابعی از مشخصات پرده آب بند است که بعنوان یک قاعده کلی می توان عمق آنها را معادل ۲۰تا۴۰درصد عمق آب در مخزن و یا ۳۵ تا ۷۵درصد عمق پرده تزریق در نظر گرفت.
۳- درزهای سازه
تشکیل ترک در سدهای بتنی نامطلوب است و بروز ترک در نقاط مختلف می تواند یکپارچگی سازه را از بین برده، باعث زوال و خرابی سد گردد. درزهای یک سازه بتنی در واقع یک ترک از پیش طراحی شده می باشند و در مناطقی واقع می شوند که لازم است تا اثرات نامطلوب در آن مناطق، حداقل گردند. سه گونه اصلی درز در سازه های بتنی مرسوم است که به درز انقباض، درز انبساط و درز ساختمانی مشهور می باشند.
درزهای انقباض و انبساط برای کنترل تغییرات حجمی بتن کاربرد دارند و درزهای ساختمانی برای سهولت اجرایی، کاهش تنش های ناشی از انقباض اولیه و اجازه دادن برای نصب قطعات مدفون و … احداث می شوند.
۴- دالان ها و راهروهای دسترسی
دالان به یک بازشدگی در داخل بدنه سد اطاق می گردد که هدف آن دسترسی به داخل بدنه سد است. بدین لحاظ دالان ها می توانند به صورت افقی، مایل، در جهت طولی و یا عرضی احداث گردند. در صورتیکه از دالان به منظور دسترسی به شیرخانه، آسانسور، نیروگاه و یا ارتباط بین دو یا چند دالان دیگر استفاده شود به آن راهرو اطلاق خواهد گردید و در صورتیکه ابعاد آن بزرگ باشند و ابزارها و تجهیزات در آن نصب گردد و به آن اتاقک گفته می شود. اهداف استفاده از دالان متنوع است و از سدی به سد دیگر متفاوت می نماید. بعضی از اهداف عبارتند از:
الف: جمع آوری آب تراوش یافته از بدنه یا پی
ب: ایجاد فضای لازم جهت انجام حفاری و تزریق در پی
پ: ایجاد فضای لازم جهت نصب ورودی ها و خروجی های سیستم سرد کننده و سیستم تزریق درزها
ت: ایجاد راه دسترسی به داخل بدنه سد به منظور انجام بازرسی ها
ث: ایجاد راه دسترسی به اتاقک های نصب تجهیزات مکانیکی و برقی
ج: ایجاد مسیر برای عبور سیم ها و کابل نیروگاه
چ: ایجاد یک معبر برای بازدیدکنندگان
۵- ابزار دقیق در سدهای بتنی:
سدها بعنوان منابع ذخیره سازی آب طراحی و ساخته می شوند، لذا این سازه ها عامل مهمی در توسعه ظرفیت رودخانه با اهداف کشاورزی ، تامین آب شرب، نیروگاه ها و تولید انرژی. کنترل سیلاب، تفریحات و سایر پروژه های اقتصادی سودمند محسوب می گردند و بدین لحاظ سدها باید در طول سالیان متمادی در برابر بارهای نسبتا بزرگ که توسط آب و سایر عوامل ایجاد می گردد، بصورت ایمن مقاومت نموده و پایداری لازم را از خود نشان دهند.
در صورت آزاد شدن ناگهانی آب ذخیره شده، بهنگام تخریب سد، پتانسیل
عظیمی بوجود خواهد آمد که قادر است صدمات جانی و مالی شدیدی را به قسمت های پایین دست وارد آورد عملکرد مناسب و ایمن یک سد مساله مهمی در سود دهی اقتصادی و ایمنی عمومی آن محسوب می گردد در نظر گرفتن تاثیرات مخرب و ویران شدن سد که سبب بروز آسیب های مالی و جانی شده و رفاه و آسایش عمومی را به مخاطره می اندازد موجب منتفی شدن سود دهی طرح می گردد و لذا وجود لوازم و تاسیساتی جهت جمع آوری اطلاعات برای دسترسی به عملکرد صحیح و اطمینان از ایمنی سد در حال حاضر و آینده را ضروری می سازد، بنابراین می توان گفت که مهمترین هدف ابزار گذاری در سد، تامین اطلاعات ضروری در مورد دختار سازه است که در برنامه نظارت و ایمنی سد مورد نیاز می باشد.
۶ – خصوصیات بتن حجیم
طراحی و اجراء سازه های با بتن حجیم و بخصوص سدها، تحت تاثیر مسائل مختلف نظیر توپوگرافی خصوصیات پی، قابل دسترسی به مصالح، اقتصادی ایمنی طرح قرار می گیرند بطوریکه در برخی موارد رعایت نکات ایمنی، عامل اصلی انتخاب بوده و گاهی اقتصاد طرح سبب انتخاب نوع دیگری را سازد خواهد گردید بدین لحاظ آگاهی از خواص فیزیکی و شیمیایی بتن که خود مهمترین جزء تشیکل سازه است مهم بوده و خواصی نظیر مقاومت و استحکام، دوام و مشخصات حرارتی آن باید با دقت تعیین شوند. برخی خصوصیات ویژه بتن که مهم بوده عبارتند از:
مقاومت فشاری، مقاومت کششی، ضریب کشسانی، نسبت پواسون، خزش، تغییرات حجمی و حرارتی، ضریب پخش و هدایت گرما و نفوذپذیری.
منبع
سدهای بتنی- ۱۳۸۰ دکتر جلیل ابریشمی، مهندس ناصر وهاب رجایی.
سدهای خاکی مصالحشان را از همان منطقه احداث و یا نواحی نزدیک تامین می کنند ، و اصولاً دارای هسته رسی می باشند . رس بر اثر تماس با آب مانع نفوذ و انتقال آب و رطوبت می گردد و مانند نوعی عایق رطوبتی عمل می کند . اگر عمده مصالح تشکیل دهنده سد خاکی یکسان باشند ، سد را همگن می گویند و در غیر اینصورت ناهمگن. اگر کل سد خاکی از رس باشد سد خاکی همگن است ، اما اگر هسته مرکزی سد رس باشد و دور هسته مرکزی را با سنگهای دانه درشت پر کرده باشند ، سد غیر همگن محسوب می شود. از نظر تحلیل و آنالیز این نوع سدها بسیار حساس می باشند و در عین حال از نظر اجرا و پیاده سازی ساده تر می باشند.اجرای این سد در رودخانه های عریض ساده تر است. مصالح این سد اعم از ریز دانه و درشت دانه بایستی در دسترس باشد. این سدها برای زمینهایی نامناسب از نظر مقاومت مناسب ترین نوع سد می باشند.
سدهای سنگریز:
این سدها خودبخود غیر همگن می باشند و حتماً باید یک بافت آب بند در مرکز آن قرار گرفته باشد. شکل این سدها درست مانند سد ناهمگن خاکی با هسته رسی می باشد با این تفاوت که در مرکز سد به جای رس از سنگ ریزه نفوذ ناپذیر استفاده می شود و در دور تا دور سد سنگریزه های دشت تر ریخته می شود. در برخی موارد رویه سد را به جای سنگریزه با بتن می پوشانند که در آنصورت دیگر نیازی به هسته آب بند نمی باشد. اینگونه سدها اغلب از نوع بلند می باشند. این نوع سد در برابر زلزله بسیار مقاوم هستند . سنگهای ریخته شده برای سد بایستی خاصیتهایی از قبیل جذب کم آب ، سایش کم ، مقاومت فشاری بالا و در برابر سرد و گرم شدن مقاومت خوبی داشته باشند.
سدهای بتنی وزنی:
این سدها عمدتاً کوتاه هستند و ارتفاع آنها بین 15 تا 20 متر می باشد ، این سدها به دلیل وزن زیادی که با بتن برای آن بوجود می آورند بر اثر فشار آب حرکت نمی کند و از جای خود تکان نمی خورد. در این نوع سد سرریز شدن آب مشکلی ایجاد نمی کند . این سدها در دره های عریض ساخته می شوند . این نوع سد در برابر تغییر درجه حرارت نیز هیچگونه حساسیتی ندارد.
سدهای بتنی قوسی :
این سدها معمولاً در درهای باریک با شیب زیاد و از جنس سنگ اجرا می گردد و می تواند دو قوسی نیز باشند و در راستای عمود ی و افقی در ره دو حالت قوس داشته باشند. حسن این سدها این است که اگر به هر علتی در بدنه آنها ترک ایجاد شود خود نیروی فشار اعمالی از جانب آب پشت سد باعث هم آمدن این ترکها ( ترکهای حرارتی) می شود.
سدهای بتنی پشت بند دار:
سدهای پشت بند دار از نوع بلند هستند و با عث جلوگیری از خمشهای زیاد در بتن می شوند و برای تصور آن می توان اینگونه آنرا تشبیه کرد که دیواری بلند را که دارای پی در زمین است با تیرچه هایی در پشت آن نیز محکم نگه داشته شود تا فرو نریزد.
سدهای لاستیکی:
این سدهای اغلب بر روی رودخانه های فصلی زده می شود و این سدها از جنس لاستیک می باشند که در زمان مورد نیاز این سدها را از باد پر می کنند و این عمل باد کردن حجم سد را بالا می برد و سد مانع عبور آب می گردد. از این وع سد که کوتاه نیز می باشد در شمال کشور خودمان نیز وجود دارد.
حال با انواع سدها بطور مختصر آشنا شدیم و بایستی کاربرد این سدها را نیز بدانیم و دلایل استفاده از آنها را نیز به دقت مد نظر بگیریم.
حال پس از آشنایی کوتاه و مختصر با این نوع سدها نحوه ارزیابی برای ساختن یک سد را مورد بررسی قرار می دهیم.
از نظر فنی برای ساختن یک سد می بایست مراحلی سپری شود تا ساختن یک سد آغاز گردد ، هر کدام از این مراحل را یک فاز می نامند به شرح ذیل:
· فاز صفر: آیا ساختن این سد از نظر اقتصادی و مورد کاربری توجیه دارد یا خیر؟
· فاز یک: انواع سدهایی که با توجه به شرایط جغرافیایی و اقتصادی پیشنهاد می شود بطور ریز می بایست مورد بررسی قرار گیرد و میزان ذخیره آب و هزینه ریالی آن مورد بررسی قرار گیرد.
· فاز دو : هندسه و تحلیل سد و ریختن نقشه اجرای سد.
· فاز سه : اجرای سد.
اما در مورد گروههای فنی که برای ساختن یک سد مورد نیاز است به گروههای زیر می توان اشاره کرد:
1- گروه هیدرولیک.
2- گروه هیدرولوژی.
3- گروه زیست محیطی.
4- گروه آبهای زیر زمینی.
5- گروه نقشه برداری.
6- گروه شهر سازی.
7- گروه کشاورزی.
8- گروه زمین شناسی.
9- گروه مدیریت و هماهنگی.
گروههای فنی ذکر شده در کنار یکدیگر پس از تصمیم برای اجرای یک سد گرد می آیند تا یک پروژه به نتیجه برسد. پس از انجام مقدمات مطالعاتی بر روی سد، نوع سد بر اساس منطقه جغرافیایی و مصالح در دسترس سد مورد ارزیابی قرار می گیرد. یکی از نکاتی که جغرافیای منطقه برای ما در ساختن سد مشخص می کند نوع خاک و زمین منطقه و یا دره ای که در آن سد می خواهد اجرا شود ، می باشد ، زیرا نوع بدنه سد و خاک منطقه بسیار حساس است . برای مثال در منطقه ای سنگی با تنگه ای باریک و تنگ ساختن سد خاکی اشتباه است زیرا تماس این دو ماده ( بدنه سد و سنگی بودن منطقه) مانند چسباندن دوماده که یکی صلب و دیگری غیر صلب است می باشد و بر اثر تکان ( زلزله) این دو در نقطه اتصال جدا می شوند که این خطر ناک است.
آبند در سدها
مهندسان برای کاستن از احتمال گسیختگیها ناشی از عملکرد آب زیرزمین ، همواره درصدد اند تا بخش در حال حفاری را آبکشی و خشک نمایند. البته باید توجه داشت که کنترل نیروهای ناشی از نشت آب هم می تواند به همان اندازه در جلوگیری از گسیختگی موثر واقع شود. روشهای متنوعی را که برای کنترل نشت و فرار آب زیرزمینی وجود دارد، می توان به سه دسته عمده تقسیم کرد که عبارتند از : آب بندها و موانع ، سیستمهای آبکشی ، زهکشها ، صافی ها (*****ها).
آب بندها و موانعی را که بر سر راه جریان آب ایجاد می شود، می توان به سه دسته آسترها و پوششها ، دیوارها و تزریق تقسیم کرد.
آسترها و پوششها
آسترها و پوششها به صورت لایه ای نفوذ ناپذیر اجرا می شوند و دارای انواع زیراند:
· تعبیه ورقه ای از رس که در بستر دریاچه (به سمت سراب) ایجاد می شود و وظیفه آن افزایش مسیر افقی جریان آب در زیر زمین و در نتیجه کاهش فشار آب و میران نشت آن در پاشنه پایاب سد است.
· یک لایه (آستر) رسی یا پلاستیکی که برای جلوگیری از فرار آب از مخزن یا نشت سیالات از حمل تجمع زباله ها اجرا می شود.
دیوارها Walls
بسیار متنوع بوده و مهمترین انواع آن را به نحو زیر می توان خلاصه کرد.
دیوار خاکی متراکم شده
این دیوارها می توانند به عنوان یک خاکریز همگن برای سد ، به صورت یک هسته در داخل سد یا ترانشه ای در پی سد ، که هسته آن با رس پر شده باشد، اجرا شوند.
دیواره های بتنی
این نوع دیوار معمولا در حفاری پی ها یا به عنوان پوشش داخل تونلها ، مخصوصا در جاهایی که جلوگیری دایم از نفوذ آب لازم باشد، بکار می روند. در سدها برای جلوگیری از فرار آب از زیر سد ، دیوار بتنی قایمی را از پایینترین قسمت سد تا لایه های نفوذ ناپذیر احداث می کنند.
دیوار با شمعهای صفحه ای
این نوع دیوار ، که با راندن شمعهای صفحه ای به داخل خاک ایجاد می شود، موقعی از کارایی خوبی برخوردار است که قفل و بست بین صفحات کامل باشد و این مسئله ای است که در زمینهای دارای قلوه سنگ و قطعات درشت تر یا حاوی مواتع دیگر به خوبی امکان پذیر نیست. با افزایش طول شمعها ، امکان خم شدن آنها در خلال راندن وجود دارد. این نوع دیوار تا حدی می تواند از نفوذ آب جلوگیری کند. این دیوار را معمولا برای نگاهداری دیواره بخشهای حفاری شده بکار می برند. در خاکهای با زهکشی آزاد ، دیوار باید همراه با یک سیستم آبکشی باشد تا فشار جانبی وارده از زمین و آب به دیوار شمعی کاهش یابد.
دیوارهای گلی
دیوارهای گلی و ترانشه های پر شده از گل به عنوان عاملی کارآمد برای جلوگیری از نشت آب در پی سدها ، حفاریهای باز ، حفاری تونلها و سیستمهای کنترل آلودگی ، روز به روز مصرف بیشتری پیدا می کنند. روش احداث این دیوارها به جز در تونلها ، به این ترتیب است که ابتدا یک ترانشه حفر می شود و برای اینکه دیوارهایی ترانشه در طول حفاری ریزش نکند، داخل آن را با گل روانی از بنتونیت پر می کنند. در پایان حفر ترانشه ، این گل روان با موادی که بتواند یک دیوار دایمی و نسبتا غیرقابل تراکم و نفوذ ناپذیر را بسازد، تعویض می شود.
دیوار دیافراگمی
بتنی نوع سازه دایمی است که توسط تکنیک ترانشه های حاوی گل روان ایجاد می شود. به این منظور قطعه ای از ترانشه تا عرض 7 متر را تا عمق دلخواه حفر می کنیم. در مرحله بعد یک شبکه (جوشن) فولادی پیش ساخته به داخل آن رانده می شود. در کلیه مراحل حفاری و راندن شبکه فولادی ، ترانشه توسط گل روانی که داخل آن ریخته می شود، از ریزش محفوظ می ماند. در مرحله بعد گل روان توسط بتن جایگزین می شود و پس از گرفتن بتن ، قطعه بعدی اجرا می شود.
دیوارهای یخی
این دیوارها که با یخ زدن بخشی از زمین اشباع شده ایجاد می شوند به عنوان عامل موقتی در جلوگیری از نشت آب در حفاریهای باز ، تونلها و شفتها مورد استفاده قرار می گیرند. این روش بیش از همه در رسوبات ضخیم ماسه ای و لایه ای اشباع شده و یا در جاهایی که مواد سازنده گل روان ممکن است منابع آب را آلوده سازد، بکار می رود. از دیوارهایی یخی سالهاست که در معادن و برای احداث چاههایی قایم (شفتها) تا عمق 300 متر استفاده شده است.
این روش پرهزینه و وقتگیر است و معمولا یک تاخیر 6 ماهه در کار را باعث می شود. علاوه بر آن باید دقت زیادی در اجرای آن بشود. زیرا حتی یک جریان کوچک آب از میان دیوار به داخل بخش حفاری شده می تواند فاجعه آمیز باشد. بر اثر یخ زدن ممکن است تورم قابل ملاحظه ای نیز در خاکهای سطحی اطراف ساختگاه بوجود آید که پس از آب شدن یخها می تواند با فروریزش زمین همراه شود. مقدار تورم و فروریزش متعاقب آن وابسته به نوع مواد واقع در نزدیک سطح زمین است.
تزریق
تزریق دوغاب به داخل خاکهای نفوذ پذیر و سنگ ، روش رایج و دایمی برای جلوگیری از جریان آب زیرزمینی است. البته در اغلب موارد دیواری که به این ترتیب بوجود می آید کاملا نفوذ پذیر نیست. از تزریق همچنین برای افزایش مقاومت سنگ و خاک سود جسته می شود. دوغابها متنوع اند و می توانند ترکیبی از سیمان ، سیمان و خاک یا مواد شیمیایی باشند. انتخاب نوع دوغاب به تخلخل سازندهای زمین شناسی ، سرعت جریان آب و مقاومت فشاری نهایی بخشهای تزریق شده بستگی دارد.
بطور کلی دوغابهای ماسه – سیمان برای بستن حفره های بزرگ و شکستگیها و دوغابهای رس و سیمان پرتلند برای بستن شکستگیهای نسبتا کوچک و خاکهای دانه درشت بکار می روند. به منظور کنترل جریان آب زیرزمینی ، حفر رشته منفردی از گمانه ها و تزریق در آنها اغلب کافی است. پرده تزریق را می توان با افزودن رشته های دیگری از گمانه های تزریق شده ضخیم تر نمود. در سنگهای شکافدار یا جاهایی که جریان زیاد است، موفقیت عملیات تزریق کمتر است.
انواع سدها از نظر کاربرد:
1) سدهای مخزنی:به منظور ذخیره آب برای تاءمین مصارف شرب، کشاورزی و صنعت احداث می گردد.حجم مخزن این سدها بسیار بزرگ است.این نوع سدها شامل سدهای بتنی دو قوسی و بتنی وزنی و سدهای خاکی می شوند.
2) سدهای تنظیمی:هدف از ساخت این سدها تنظیم دبی ثابتی برای رودخانه می باشد.این نوع سدها در پائین دست سدهای مخزنی بزرگ احداث می گردند.ارتفاع آنها کم و میزان حجم آبی که در آن ها ذخیره می شود، کم می باشد.جنس این سدها اکثرا بتنی با حاشیه های سنگریزه ای می باشد.
3)سدهای انحرافی:برای منحرف کردن آب مورد استفاده قرار می گیرند،این سدها در مسیر رودخانه ها احداث می گردند و با افزایش هد آب باعث سوار شدن آب بر زمین های مجاور می گردد.همچنین از این سدها برای منحرف کردن آب قبل و بعد از محل های ساخت سدهای بزرگ استفاده می شود.
4)سدهای رسوبگیر
این نوع سدها دارای ارتفاع کمی می باشد و جنس آنها بتن و سنگ می باشد.هدف ازاین سدها برای جلوگیری از ورود رسوبات به داخل سدهای بزرگ می باشد و قبل از این سدها احداث می شوند.
سازه های وابسته به سد:
پی ها وتکیه گاهها : از ارکان بسیار مهم سدها می باشند که نیاز به پایداری در طول ساخت و بهره برداری دارند.
اگرچه اغلب سدهای بتنی چه از نوع وزنی و پایدار و چه از نوع قوسی بر روی بسترهای سنگی مقاوم ساخته می شوند، ولی نیاز به کنترل مخصوصا مقاومت لغزشی و تراوشی دارند
سدهای بتنی قوسی نیاز به پی و تکیه گاههای مقاوم دارند و سدهای بتنی وزنی باید از نظر پی مقاوم باشند ولی اهمیت پی و دیواره در سدهای خاکی بسیار کمتر می باشد.
گالری ها ، اتاقک ها و شفت ها:
این سازه ها جهت حفاری ، تزریق،جمع آوری زهکش ها،نصب و راه اندازی و نگهداری وسایل جنبی در سدهابه کار می روندو قسمتی از ساختمان سد می باشند.
پائین ترین گالری در دیواره سد که عموما در داخل پی قرار دارد، گالری زهکش نامیده می شود و کلیه آبهای نشتی و زه ابهای خروجی از زهکش ها وارد این گالری می شود و سپس از آن تخلیه می گردد.
سریزها:
سریزها سازه های تنظیم کننده مانند دریچه ها و سازه های آرام کننده جریان مانند حوضچه آرامش از تاسیسات وابسته به سد هستند و در سدهای بتنی عموما بر زاویه پائین دست بدنه سد قرار می گیرند.
تخلیه کننده ها :
جهت انتقال آب از دریاچه سد به پائین دست آن به کار می روند و اجزاء آن عبارتند از:
کانل ورودی
آبراه
اتاقک دریچه
شوت و سرسره
انرژی گیر
از سازه های وابسته به سد هستند که کنترل رفتار و اطمینان از عملکرد آن در رفتار سد بسیار مهم است.
دریچه ها:
تمام دریچه ها و شیر آلات نصبی از تاسیسات وابسته به شمار می روند.
نیروهای وارد بر سد:
1 ) نیروی فشار منفذی
2 ) نیروی وزن سد
3 ) نیروی افقی آب در بالادست
4) نیروی عمودی آب در بالادست
موارد کنترل در سدهای بتنی:
تراز آب مخزن :
تراز آب مخزن با ذکر تاریخ اندازه گیری نوشته می شود و به صورت روزانه اندازه گیری می گردد.
تمام پارامترها از قبیل تغییر شکل ها و جابجایی هاو تاثیر درجه حرارت و تنش ها،کرنش ها و نیروی uplift تابع تراز آب می باشد.
دما :
اندازه گیری های دما شامل دمای آب و دمای هوا و دمای بتن در ترازها ئ نقاط مختلف است.
تراز آب بیشتر باشد بر دمای بتن تاثیر درجه حرارت کمتر است چون خود یک عایق است.
تغییر شکل ها :
تغییر جابجایی ها و،تغییر مکان های افقی و قائم و تغییر شکل های داخلی و دورانی
فشار منفذی :
که این فشار توسط پیزومتر بدست می آید.
( پیزومتر برای بدست آوردن فشار نقطه ای در خاک است .)
فشار ناشی از آب در خاک زیری که به سمت بالا وارد می شود را فشار منفذی گویند و با نصب پیزومترها در جهت سراب به پایاب در پی سد می توانیم فشار در هر نقطه را مشخص نماییم.علاوه بر آن از پیزومترها برای کاهش فشار منفذی استفاده می گردد.
نشت آب :
اگر نشت زیاد شود یعنی دیواره در حال ریزش است.
حرکات کل سد
زلزله :
با استفاده از دستگاه های زلزله نگار
بدنه،پی تکیه گاهها و سنگ بستر :
در طول عمر مفید سد حالات مختلفی اتفاق می افتد که باید سد در مقابل تمام این حالات پایدار و ایمن باشد.این حالات شامل وضعیت زمان ساخت اولین آبگیری در طولانی مدت تخلیه سریع،شرایط سیلابی و زلزله می باشد.
در تمام شرایط بایستی سد در مقابل واژگونی در هر یک از صفحات افقی در مقاطع میانی سد ، در کف و صفحه های پائین تر از کف ایمن باشدو نیز صفحات میانی بدنه و صفحات پی و یا ترکیبی از آن ها لغزش رخ ندهد و بالاخره تنش ها در حد مجاز باشد.
در مورد سدهای قوسی رفتار سد به صورت انتقال نیرو از طریق قوس ها به تکیه گاه هاو انتقال بخشی دیگر به پی می باشد.
عموما رفتار سد در مواقع سیلابی و زلزله باید پیش بینی گردد.پاسخ سد در مواقع زلزله به مشخصات حرکت زمین در عرض و ارتفاع بستگی دارد.
حرکت آب مخزن در اثر زلزله تغییر شکل پذیری سنگ کف و تاثیر متقابل حرکات آب ، سد و بستر باید بررسی گردد.
اثر بارها و نیروهای خارجی بر جسم سد به صورت های زیر در رفتار سد ظاهر می شود:
1) تغییر شکل سد به صورتشعاعی در جهت افق و مماسی از سراب به پایاب در سدهای قوسی و به صورت افقی و قائم در سدهای وزنی و خاکی می باشد
2) تغییر شکل سنگ که شامل تراکم،تورم و یا چرخش می شود.
3) تغییرات در درزهای اتصال افقی
4) تغییرات کرنش و تنش در بتن
5) چرخش بدنه سد یا سنگ بستر
6) ایجاد فشار uplift
7) نشت آب
8) ایجاد ترک در بدنه و تکیه گاه ها
محل های کنترل در سدهای بتنی:1) وجه بالادست بدنه سد:
کنترل درزها و ترک،وضعیت بتن از نظر فرسایش و خوردگی
2) وجه پائین دست:
کنترل درزها و ترک،شوره زدگی بتن (اگر زیاد باشد علاوه بر نشت آب املاح بتن نیز در حال شسته شدن است)و وضعیت خود بتن
3) تاج سد:
کنترل سواره و پیاده رو از لحاظ خوردگی و فرسایش عوامل طبیعی ترک و وضعیت نقاط ثابت پنج مارک
) گالری های بدنه سد :
نشت و ترک های احتمالی و درزها و وضعیت زهکش ها(در گالری تحتانی)باید کنترل شود.
5) وضعیت پی در پنجه:
کنترل نشت آب،ترک و فرسایش بتن
6) گالری تحتانی :
کنترل ترک ها وضعیت نشت آب و زهکش ها کنترل سطح بتن و شوره زدگی
7) سریزها:
کنترل دریچه و عملکرد آن،تکیه گاهها و کابل ها و زنگ زدگی دیواره دریچه،کنترل درزها و ترک در رویه بالادست سریز،فرسایش بتن در آبگذر و تاج سریز کنترل بتن در کانال هوادهی
8)حوضچه آرامش:
حوضچه آرامش از لحاظ رسوب گذاری،فرسایش لبه ها،دیواره و کف حوضچه و وضعیت بتن
بلوک های ضربه گیر در داخل حوضچه آرامش باعث ایجاد پرش هیدرولیکی در حوضچه می گردد.ایجاد پرش هیدرولیکی و افزایش عمق ثانویه باعث افت انرژی جریان می گردد.
9) آبگیر :
کنترل سطح بتن و لبه هافوضعیت آشغال گیرها،خوردگی و زنگ زدگی
آبگیر محل هایی هستند که برای انتقال آب از دریاچه سد به پائین دست و یا انتقال آب از دریاچه سد که نیروگاهها از آن ها استفاده می شود.
برای جلوگیری از ورود آشغال ها،تنه درختان به داخل آبراهه و همچنین نیروگاهها،از آشغالگیرهایی در ورودی آن ها استفاده می شودکه نیاز به کنترل و مراقبت دارد.
10)تکیه گاهها و بستر زمین:
تکیه گاهها و پی سد یکی از مهمترین موارد کنترل در سدسازی می باشد.به خاطر اینکه تکیه گاهها یا پی در اثر نیروهای وارد به آنها می توانند جابجا شوند و این جابجایی در مقیاس زیاد باعث از بین رفتن سد می گردد.بنابراین باید تغییرات آن بطور مداوم مورد بررسی قرار گیرد.
بررسی درزها و شکاف های ایجاد شده در پی و دیواره و شکاف ها در محل پی و تکیه گاههای سد بررسی شکاف ها در صخره های طرفین، بررسی ریزش سنگ،میزان رسوب گذاری در مخزن دریاچه رویش گیاهان در تکیه گاه ها،حفره های فرسایشی،لایه های لغزشی و انحلال در آب از موارد مهم کنترل پی و دیواره می باشد.
1)کنترل دستگاههای اندازه گیری و تجهیزات کنترل
ابزارهای سازه ای،ابزارهای زهکشی،نشت تجهیزات اندازه گیری فشار uplift زلزله نگار،شیر آلات،جرثقیل ها و چراغ ها
همانطور که اشاره شد کلید کنترل ها و اندازه گیری ها در تمام مقاطع و نقاط سد به دلیل وجود نیروها و لارها و تمرکز تنش از حساسیت بیشتری برخوردارند.لذا کنترل ها و اندازه گیری ها باید با دقت بیشتر و دوره زمانی کمتری در این نقاط صورت گیرد.
این محل های کنترل در سدهای بتنی وزنی پایه دار با سدهای قوسی تفاوت دارد که به شرح زیر می باشد:
* سدهای پایه دار وزنی:
مهمترین تغییر مکان در این سدها در جهت سراب به پایاب (شعاعی) می باشددر حال یکه تغییر مکان ها در جهت چپ به راست(محور سد)از اهمیت کمتری برخوردار می باشد.کلیه درزها(درزهای انقباضی و افقی)کنترل ترک و جابجایی.
* سدهای قوسی:
-تغییر مکان سراب به پایاب
-تغییر مکان چپ به راست یا تغییر مکان در جهت محور تاج سد(مماسی).ترک در تکیه گاهها و ترک در تونل های افقی و گالری ها
اصول نگهداری و تعمیرات:
سدها از بزرگترین طرح های عمرانی هر کشوری می باشد که در رشد و شکوفایی اقتصادی هر جامعه نقش بسزایی دارد و برای ساخت و اجرای آن ها زمان و هزینه بسیار زیادی صرف گردیده است.
حفظ،نگهداری،دوام و تضمین بهره برداری ضرورت بهره برداری محسوب می گردد.نگهداری مقدم بر تعمیرات است و منظور از نگهداری حفظ سلامت و کارایی و نگهداشتن وضعیت سازه به همان شکل اجرا و ساخت اولیه است.
اقدامات اجرایی و پیوسته جهت نگهداشتن و پیشگیری از صدمات ناشی از آسیبات حرکتی،نشست و نشت آب،آسیب های شیمیایی،صدمات زلزله و سیل و سایر صدمات فیزیکی و شیمیایی منجر به تضمین سلامتی آن می گردد.
تعمیرات زمانی انجام می شود که نگهداری جایگاهه در دستگاه بهره بردار نداشته و احتمال خطرات و اثرات سوء و مخرب در پیش باشد.
موضوع مهم در ارتباط با نگهداری و تعمیرات تامین هزینه و برآورد دقیق حجم عملیات و و نیز مصالح مصرفی و نیز زمان تعمیرات می باشد.
در مرحله تعمیرات پارامترهای زیر مهم می باشد:
1) آسیب شناسی
2) اثرات حال و آینده ناشی از آسیب دیدگی
3) ضرورت و روش تعمیر
4) حجم عملیات ترمیم،زمان و هزینه. انواع سدهای بتنی
طبقه بندی سدها از نظر مصالح ساختمانی:
1)سدهایی که توسط مواد متصل به هم ساخته می شوند(سدهای بتنی)
سدهای بتنی:
شامل :
الف)سدهای قوسی
ب)سدهای وزنی
سدهای قوسی دو نوع هستند:
1-سدهای تک قوسی
2-سدهای دو قوسی
سدهای وزنی نیز دو نوع هستند:
1-سدهای وزنی
2-سدهای وزنی پایدار
سدهای بتنی تک قوسی در جهت افق(پلان)و سدهای دو قوسی هم در جهت افق و هم در جهت قایم (مقاطع)دارای قوس می باشند.پایداری این سدها مربوط به شکل آنهاست.
حجم بتن مصرفی درسدهای بتنی قوسی در مقایسه با سد وزنی در حدود 50% کمتر می باشد.
سدهای قوسی هم در جهت شعاعی و هم در جهت مماسی باربری دارند.
سدهای دو قوسی در دره های بارک و با تکیه گاههای سنگی بنا می شوند.(چون قسمت اعظم نیرو به تکیه گاهها وارد میشود)شکل این دره ها تقریبا به حالت 7 شکل می باشد.
سدهای بتنی وزنی سازه ای تقریبا صلب و سنگین می باشند که توسط وزن خود در مقابل نیروهای واردده مقاومت میکنند.این سدها معمولا در پلان مستقیم می باشند.
سدهای پایدار وزنی علاوه بر وزن خود از وزن آب نیز در بالادست نیز برای ایجاد پایداری استفاده میکنند.سدهای بتنی وزنی در محل هایی که دارای پی مستحکم باشند،احداث می شوند.این سدها در دره های u شکل ساخته می شوند.
جاگذاری یا نصب تجهیزات نیروگاهی در این نوع سدها راحت می باشدو قسمت آبگیر و پن استاک به راحتی در داخل بدنه جا میگیرد.سدهای بتنی در پایین دست دارای شیب یکنواخت در حدود 7% تا 8% افقی و 1 در حالت عمودی می باشند. رویه بالادست در حالت عادی عمودی است وعرض تاج به گونه ای انتخاب میشود که یک جاده بتواند روی آن قرار گیرد.
المان های اصلی یک سد پایدار عبارتند از :
1) عرشه
2) شیب بالادست
3) پایه ها و یا دیواره های قایم
یک سیستم از گالری ها، سوراخ ها ، اتاقک ها و شفت ها در داخل بدنه سد جهت دسترسی و بازدید جمع آوری آب زهکشی ، نصب ابزارهای اندازه گیری و وسایل جنبی و کنترلی د ربدنه تعبیه میگردد.
در سدهای بتنی در جاهایی که نیروی کشش وارد میشود از آرماتور استفاده میشود و در قسمت هایی که نیروی فشاری وارد میشود استفاده نمیشود.
در سدهای بتنی وزنی پایدار مقاطع بتن معمولا فشاری است و در این حالت آرماتور استفاده نمیشود با این وجود در مناطق بحرانی و تمرکز تنش های فشاری و نواحی فشار کم و کششی از آرماتور استفاده می گردد.
در تمام مجاری های بدون پوشش که در معرض فشار داخلی آب هستند و نیز در پائین دست دریچه ها و سریزها از آرماتور استفاده میشود.(چون سرعت آب زیاد بود نیروی وارده زیاد است)
2) سدهای که از مواد غیر متصل بهم تشکیل می شوند:
( سدهای خاکی ، سدهای سنگریزه ای )
3 ) سدهایی که از مصالح خاص استفاده می شود:
( سد لاستیکی ، سد زیر زمینی )
سدهای لاستیکی دارای ارتفاع کمی می باشند بین 3 تا 15 متر این سدها برای افزایش هد آب و همچنین انحراف آب مورد استفاده قرار می گیرند.
از مزیت های این سد این است که در مواقع سیلابی هوای آنها تخلیه شده و این سد در بستر رودخانه قرار می گیرد و رسوبات ناشی از سیلاب در پشت آن جمع نمی شود.از معایب این سد نیز میتوان به سوراخ شدن آن اشاره نمود.
برای پرکردن این سدها از کمپرسور استفاده می شود که می تواند
داخل آن را با هوا پر کند.
معایب سدهای مخزنی بزرگ:
1) از بین رفتن زمین های اطراف رودخانه
2) جابجایی ساکنین حاشیه رودخانه
3) افزایش میزان تبخیر
4) جمع شدن رسوبات در طول عمر مفید سد باعث پر شدن مخزن سد می گردد.چون سد در مناسبترین موقعیت توپوگرافی احداث شده است،یافتن محل جدید برای احداث سد بسیار مشکل می باشد.
برای احداث سدهای زیرزمینی باید مطالعات زمین شناسی و حرکت آب های زیرزمینی در حال احداث و حوضچه آن در محل احداث به طور کامل مورد بررسی قرار گیردتا محل دقیق احداث سد پیدا شود.
از مزایای این سدها میتوان به تبخیر کمتر ، جابجا نشدن ساکنین ، عدم از بین رفتن زمین های کشاورزی و حاصلخیز و مشکلات ناشی از رسوب را نام برد.
مشکل اصلی این سدها در صورتی بوجود می آید که مطالعات حوضچه آن بطور دقیق صورت نگرفته باشد و در زیرزمین نیز خروجی های دیگر نیز وجود داشته باشد.
انواع سدها از نظر کاربرد:
1) سدهای مخزنی:به منظور ذخیره آب برای تاءمین مصارف شرب، کشاورزی و صنعت احداث می گردد.حجم مخزن این سدها بسیار بزرگ است.این نوع سدها شامل سدهای بتنی دو قوسی و بتنی وزنی و سدهای خاکی می شوند.
2) سدهای تنظیمی:هدف از ساخت این سدها تنظیم دبی ثابتی برای رودخانه می باشد.این نوع سدها در پائین دست سدهای مخزنی بزرگ احداث می گردند.ارتفاع آنها کم و میزان حجم آبی که در آن ها ذخیره می شود، کم می باشد.جنس این سدها اکثرا بتنی با حاشیه های سنگریزه ای می باشد.
3)سدهای انحرافی:برای منحرف کردن آب مورد استفاده قرار می گیرند،این سدها در مسیر رودخانه ها احداث می گردند و با افزایش هد آب باعث سوار شدن آب بر زمین های مجاور می گردد.همچنین از این سدها برای منحرف کردن آب قبل و بعد از محل های ساخت سدهای بزرگ استفاده می شود.
4)سدهای رسوبگیر : این نوع سدها دارای ارتفاع کمی می باشد و جنس آنها بتن و سنگ می باشد.هدف ازاین سدها برای جلوگیری از ورود رسوبات به داخل سدهای بزرگ می باشد و قبل از این سدها احداث می شوند.
هر مانعی که در مسیر جریان آب قرار گیرد و باعث شود تا ارتفاع آب در بالادست آن افزایش یافته، مقداری آب ذخیره گردد، سد نامیده می شود و به عبارتی دیگر "سد" عبارتست از سازه ای که در عرض رودخانه جهت ذخیره و افزایش ارتفاع آب ساخته می شود.
2 – هدف از ساخت سد
در یک تقسیم بندی هدف از ساخت سد را یک یا چند مورد از موارد زیر تشکیل می دهد.
الف – کشاورزی (تامین آب مورد نیاز کشاورزی، احیاء اراضی موات و نمیه موات)
ب – تامین آب شرب و بهداشتی
ج – مصارف صنعتی و رفع نیازهای جریان مربوط
د – کنترل سیلاب و تنظیم جریان رودخانه ها و سیلاب ها
ک – نیروگاه های برق آبی
ل – افزایش ارتفاع جهت انحراف آب
م – کشتیرانی و حمل و نقل
و – حفظ محیط زیست حیوانات وحشی
3 – انواع سدها بر اساس نوع مصالح بدنه
الف – سدهای خاکی: که از خاک ساخته شده اند.
ب – سدهای سنگی (سنگریزه ای): که مصالح تشکیل دهنده بدنه آن ها، سنگ های درست دانه هستند.
پ – سدهای بتنی: در این نوع، بدنه سد از بتن و یا بتن مسلح ساخته شده است.
ت – سدهایی با مصلاح بنایی: که از مصالح بنایی نظیر سنگ و ملات ماسه سیمان و گاه رویه بتنی برای ساخت سد استفاده می شود.
ث – سدهای الواری (چوبی) و فولادی: که به ندرت و برای استفاده های محدود و با استفاده از مصالح چوب و یا فولاد ساخته می شوند.
ج – سدهای لاستیکی: سدهای با ارتفاع کم (تا حدود 6 متر) هستند که اخیراً و به صورت محدود مورد استفاده قرار گرفته اند. سد لاستیکی از ورقه لاستیکی با مقاومت کششی بالا ساخته شده که با دمیده شدن هوا و یا وارد کردن آب به داخل آن متورم شده و به صورت مانعی جلو آب قرار می گیرد و هر گاه سیال مذکور از داخل دو لایه لاستیکی خارج گردد، و به صورت یک کفپوش در بستر رودخانه قرار می گیرد.
3 – انواع سدها بر اساس رختارسازه ای
الف – سدهای خاکی: که مقاومت برشی خاک، ایستایی آن را در مقابل نیروهای وارده تامین می نماید. عموماً برای جلوگیری از نشست آب از هسته های غیر قابل نفوذ یا نیمه پذیر نظیر هسته های رسی در داخل بدنه سد استفاده می کنند.
ب – سدهای سنگریزه ای: که مشابه سدهای خاکی است. با این تفاوت که ابعاد دانه ها به مراتب درشت تر و به صورت سنگ می باشد.
پ – سدهای وزنی: که وزن بدنه سد تعادل آن را در مقابل مجموعه نیروهای واده حفظ می نماید.
ت – سدهای پایه داره: که بارهای وارده بر سد توسط یک پوست به پایه ها و از آنجا به پی و زمین منتقل می گردد.
ث – سدهای قوسی: که نیروهای وارده بر سد توسط یک بدنه انحناء دار به فونداسیون و سپس به سنگ زمین (کف و جناحین) منتقل می گردد.
ج – سدهای فولادی: که از یک قالب فولادی و یک صفحه فولادی روی وجه بالادست آن تشکیل شده است. این نوع سدها می توانند در شکل های گوناگون سازه ای ساخته شوند.
ج – سدهای چوبی (الواری): که نظیر سدهای فولادی از یک قالب چوبی و یک صفحه ساخته شده اند از الوار تشکیل شده اند برای انتقال نیروهای وارده بر سد به زمین از سیستم های مختلف می تواند استفاده گردد.
4 – انواع سدهای بتنی
آن چه سدهای بتنی را بیشتر از سایر موارد از یکدیگر متمایز می سازد، تقسیم بندی بر اساس نوع طراحی و رفتار سازه ای آنهاست که ذیلاً به آن پرداخته می شود
الف – سدهای بتنی و وزنی
این نوع از سدهای بتنی که نیروهای ثقلی در آن ها مقاومت لازم جهت حفظ تعادل و پایداری سد را تامین می نمایند و عموما در پلان در راستای محور متصل کننده جناحین مستقیم هستند خود به انواع زیر تقسیم می گردند:
سد وزنی توپر (یکپارچه) که بدنه آن به استثناء محل زهکش ها و گالری ها توپر و یکپارچه می باشد. بر این اساس وزن آنه نسبتاً سنگین تر اما اجرای ساده تر دارند. سد وزنی با این خصوصیات، مهمترین و معمولترین نوع سدهای وزنی بوده، کمترین هزینه تعمیرات را لازم دارند. سدهای وزنی توپر برای هر موقعیت مکانی مناسب هستند ولی ارتفاع آن ها تابعی است از مقاومت سنگ کف
ب: وزنی توخالی (محوف)
گاه برای کاهش وزن بتن مصرفی در سد و در مناطقی از بدنه سد وزنی که تنش کمتری به آن وارد می شود، فضاهای خالی ایجاد می کنند که در این صورت سد را "سد وزنی تو خالی یا مجوف" می نامند. این نوع سدها شبیه سدهای پایه دار بوده بیشترین آن ها از بتن مسلح ساخته شده اند. فضای خالی موجود در بدنه (یا پایه ها) می تواند برای قراردادن دستگاها و سیستم های احتمالی نظیر توربین ها و … مورد استفاده قرار گیرد. اگر چ سدهای وزنی مجوف، بتن کمتری در مقایسه با سدهای وزنی توپر نیاز دارند، اما مسائل اجرائی و امکان نیاز به مسلح کردن بتن (به دلیل مسائل سازه ای)، نسبت به سدهای وزنی توپر، هزینه بیشتری را در بر دارد و لذا لازم است تا جهت مقایسه با دو نوع بررسی های کافی و کامل انجام می پذیرد. در حاضر ساخت این گونه سدها زیاد معمول نمی باشد.
پ: سدهای وزنی دارای هسته (هسته دار)
در اصل همان سد وزنی تو خالی است با این تفاوت که فضاهای خالی به جای آنکه در وسط مقطع قرار گیرند، در حد فاصل درزهای اجرایی ساخته می شوند و لذا مقطع هر بلوک بین دو درز اجرایی به شکل I خواهد بود با دو بال در بالا دست و پایین دست و یک جان در وسط.
شایان ذکر است با توجه به مشکلات اجرایی سدهای وزنی تو خالی و هسته دار در حال حاضر عموماً سدهای وزنی توپر ساخته شده اند و هر جا صحبت از سد وزنی شد مقصود سد وزنی توپره می باشد.
ت: سدهای قوسی
سدهای قوسی در پلان انحناء بوده به گونه ای که تحدب منحنی به سمت بالا دست می باشد. این نوع سدهای که برای ذره های تنگ بسیار مناسب هستند عموماً بیشترین نیروهای وارده بر سد را به جناحین و قسمت کمی از آنها را به سنک کف در بستر رودخانه منتقل می نماید. سدهای قوسی دارای انواع مختلف بوده و مقطع آنها نیز می تواند از یک مقطع تقریباً مثلثی تا یک مقطع دارایی انحناء تغییر کند. از نظر سازه ای، گاه سد قوسی به صورت دو سرگیردار (جناحین) و گاه به صورت سه طرف دیگر ساخته می شود که تمام این موارد تابعی از موقعیت دره و مجموع هزینه های لازم می باشد.
ث: سدهای پایه دار (پشت بنددار)
اگر بال های پایین دست سد وزنی تو خالی یا هسته دار را حذف کنید،سد پایه دار یا پشت بند دار تشکیل می گردد. این نوع سد، مرکب است از یک دال (پوسته) بتنی (مسطح یا قوسی) و تعدادی پایه که بارهای وارده یا پوسته یا پوسته را به فونداسیون و سنگ کف منتقل می کنند. اگر چه بتن مصرفی در این سدها در حدود 60 درصد بتن مصرفی در سدهای وزنی توپر است اما هزینه های ساخت و مسطح کردن بتن و مشکلات سازه ای، معمولاً جایگزین مصرف کمتر بتن می گردد. این سدها به خصوص برای مناطقی که سنگ کف از مقاومت یکپارچه برخودار نیست مناسب هستند.
ج: سدهای بتن غلطتکی
سدهای بتن غلتکی از جمله سدهای بتنی هستند که از حدود سال 1970، بیشتر به عنوان یک روش جدید در ساخت سدهای بتنی وزنی مطرح و بکارگرفته شدند. از این روش همچون می توان بر بازسازی سدهای موجود استفاده نمود.
این نوع سدها در حقیقت همان سدهای بتنی هستند که از نظر اموال اصول طراحی و شکل مقطع بسیار شبیه سدهای وزنی موسوم بوده و تنها به منظور کاهش هزینه های آن، در ساخت آن از بتن غلطکی استفاده می شود.
بتن غلطکی عبارت است از بتنی که اسلامپ آن صفر بوده و به منظور حمل پخش و تراکم آن از ماشین آلات عملیات خاکی استفاده می شود. لذا ملاحظه می شود که بتن غلطکی بایستی آنقدر خشک باشد که بتوانند تقریباً نظیر دانه های خاک به راحتی پخش شده و بوسیهله ماشین آلات متراکم کننده نظیر غلطک متراکم گردد.
مطالعات اولیه پروژه های سدسازی
1 – بررسی و ارزیابی عمومی ساختگاه (انتخاب محل سد)
برای یک سد خاص، ساختگاه و محل احداث، تامین تامین کننده نیازهای فنی و کاربردی ویژه ای باشد و وجود تناسب در ساختگاه می تواند باعث تعادل بین ویژگی های فیزیکی طبیعی آن و اهداف اصلی سد گردد. عواملی هستند که بر روی تعادل مذکور اثر می گذارند که مهمترین آنها عبارتند از:
الف – توپوگرافی منطقه و ظرفیت مخزن
اولین عامل برای تعیین محل محور سد وجود دره ای مناسب است که بتوان سد را با طول محدود و در داخل آن اجرا نمود. برای اقتصادی بودن و کاهش هزینه ها لازم است تا برای یک ارتفاع معین، طول تاج تا حد امکان کوتاه و در مقابل ظرفیت مخزن حتی المقدور زیاد باشد بنابراین از لحاظ توپوگرافی، منطقه ای مناسب خواهد بود که در محخل تنگه سد کاملاً بسته و بالادست آن کاملاً باز گردد. در صورتیکه دو رودخانه در نقطه ای بهم پیوسته و تشکیل یک رود واحد را بدهند برتر است که محور سد در پایین دست محل اتصال واقع گردد.
ب: فونداسیون، شرایط زمین ساخت و ژئوتکنیکی
در سدهای بتنی می باست کف و جناحین رودخانه دارای سنگ مقاوم بوده و همچنین عمق سنگ کف (ضخامت آبرفت) در حد قابل قبولی باشد، بدیهی است با استفاده از نتایج آزمایشات سطحی، انفجارهای آزمایشی و داده های حاصل از گمانه ها، پروفیل محور سد تهیه شده و با توجه به ریخت شناسی و ساختار زمین: گسل های مهم و سایر گسیختگی ها موجود نظیر سیستم درزه و ترک لایه بندی و جهت لایه تعیین می گردد. مناسب بودن و قابلیت تحمل پی در مقابل نیروها و ظرفیت باربری آن، تغییر شکل پذیری و ناتراوایی عواملی هستند که می توانند محل و موقعیت و حتی نوع سد را تعیی نمایند.
ج: هیدرولوژی و میزان رسوب
از جمله عوامل مهم در انتخاب محل سد، مشخصات هیدرولوژی منطقه باشد که می بایست استفاده از آن در طول عمر مفید پروژه وجود داشته باشد. بطور کلی از نظر اقتصادی امکان استفاده از آن در طول عمر مفید پروژه وجود داشته باشد، بطور کلی هر چه نوسانات خصوصیات هیدرولوژیکی نظیر سیلاب و رواناب در سالهای مختلف کمتر باشد، جهت استفاده دائمی شرایط بهتری را ایجاد می نماید. از جمله عوامل دیگری که در این زمینه از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار است، میزان تبخیر از سطح آزاد آب مخزن توپوگرافی و ظرفیت مخرن، میزان پتانسیل بالقوه تخیر آب درنظر گرفته شود. میزان رسوب دانه بندی آن از جمله عواملی هستند که مستقیماً بر روی حجم مرده و در نتیجه بر روی حجم کل مخزن تاثیر گذاشته و لذا در محاسبات باید تا حد امکان به صورت دقیق برآورد شوند.
بر این اساس شناسائی کامل حوزه و تعیین پتانسیل رسوب هر شاخه رودخانه می تواند بسیار مهم تلقی شود، نهایت آنکه بایستی میزان بار رسوب آورده شده به پشت سد کمترین مقدار ممکنه را دارا بوده، اطمینان کافی از عدم پر شدن مخزن بوسیله رسوبات، در کوتاه مدت وجود داشته باشد.
د: محل سرریز
سرریز ها به طور معمول گرانترین و پرهزینه ترین سازه های جانبی سد به شمار می آید هر چند که در اغلب بتنی می تواند سرریز را بر روی خود بدنه ساخت، اما وجود مناطق دیگری در منطقه که بتوان به راحتی سرریز را در آن قرار داد و یا از آنها برای ساخت سرریز اضطراری استفاده نمود می تواند امتیازی برای محل احداث سد بشمار می آید و لذا در مطالعات می بایست موقعیت های مناسب برای احداث سرریز در نظر گرفته شود.
هـ : وجود مصالح ساختمانی مناسب
به طور کلی وجود مصالح مناسب و قابل دسترسی در کاهش هزینه های کلی طرح نقشی بسیار مهمی دارند، در سدهای بتنی به لحاظ اینکه مصالح خاصی نظیر شن و ماسه با دانه بندی مشخص و سیمان به مقدار نسبتاً زیادی مورد نیاز است لذا هر چه منبع تامین این مصالح به محل سد نزدیکتر باشد، علاوه بر کاهش زمان انتقال مصالح، هزینه حمل نیز به میزان زیادی کاهش می یابد، در این راستا باید امکان استفاده از مصالح طبعی و یا تولید مصالح شکسته از منابع سنگی و را مورد نظر قرار داد و نهایتاً موردی که ارزانتر بوده و در عین حال مشخصات فنی طرح را دارا باشد به کار گفلت.
و: انحراف مسیر رودخانه
انحراف مسیر رودخانه جهت خشکاندن محدوده کارگاه و هدایت جریان رودخانه به موقعیت مناسب در طول دوره اجرای سد امری ضرروی می باشد و لذا در مطالعات امکان یابی برای موقیعت احداث سد باید منطقی را در نظر گرفت که بتوان با روشهای مناسب آنها را در مقابل جریان رودخانه حفظ نمود.
بررسی اقتصادی بین گزینه های مختلف انحراف و همچنین پیش بینی لازم جهت استفاده از سیستم انحراف در طی دوره بهره برداری به منظور تامین اهداف دیگر نظیر تخلیه کننده تحتانی یا بخشی از جریان هدایت سرریز و … می تواند در تعیین موقیعت مناسب شد و کاهش هزینه های طرح مزبور موثر باشد.
ز: آب بندی مخزن و پایداری دیوارها
یکی از مهمترین اهداف سد نگهدرای و ذخیره آب می باشد و می بایست مطالعات لازم جهت اطمینان از آب بندی مخزن و جلوگیری از فرار نامطلوب آن بعمل آید. به طور کلی ارزیابی کامل زمین شناسی برای این منظور، بویژه در سازنده های کار ستی و موارد مشابه و همچنین در مناطقی که سابقه معدنکاری وجود دارد لازم است بر حسب ضرورت لازم است که کناره های مخزن، خصوصاً مناطقی که با اشباع شدن سطوح زیر آنها امکان ناپایداری دارند از نظر پایداری کاملا بررسی شوند. ناپایداری در دیوارهای مخزن می تواند خطرات بالقوه زیادی از جمله حجم ذخیره و یا تولید امواج بزرگ در مخزن را سبب گردد. ح: خسارات مخزن، حمل مناسب برای تجهیز کارگاه و امکانات رفاهی
در تعیی محل احداث سد، شرایط محلی نظیر راه های دسترسی، پل ها و دیگر تاسیسات زیر بنائی از مسائلی هستند که می بایست مورد بررسی قرار گیرند سهولت دسترسی به محل سد وجود راههای اصلی و راه آهن و همچنین گزینه های دارای خسارت کم می توانند دارای اولویت باشند.
همچنین وجود محل مناسب برای نصب امکانات و تجهیزات مورد نیاز و وجود امکانات رفاهی برای پرسنل شاغل در زمان سخت سد نیز جمله عواملی هستند که می بایست مد نظر قرار گیرند.
ط: پیامدهای زیست محیطی
آب همیشه به عنوان یک عنصر کلیدی در شکل گیری تمدن ها و استمرار آنها بوده، و همواره عامل اساسی در توسعه کشورها به شمار می رفته است. سد، به عنوان سازه ای که حجم و ارتفاع معینی از آب را در یک موقعیت مکانی خاص ذخیره و اهداف متنوعی را دنبال می کند، می تواند مسائلی مختلفی اکولوژیکی، فیزیکی و شیمایی و اجتماعی فرهنگی اقتصادی و … منطقه را تحت تاثیر تغییرات جدی قرار دهد و لذا لازم است تا اثرات زیست محیطی ناشی از ساخت، سد بخصصو سدهای بزرگ مورد توجه قرار گیرد.
ساخت یک سد می تواند اثرات مثبت و یا منفی زیست محیطی داشه باشد. به عنوان مثال تامین آب مورد نیاز کشاورزی شرب و صنعت مردم منطقه افزایش پوشش گیاهی رشد اقتصادی اجتماعی فرهنگی مردم تحت پوشش و … از جمله اثرات زیست محیطی سد می باشند در حالیکه زیر آب رفتن قسمتی از زمین های بالادست و آلوده شد آب دریاچه می تواند بر حسب شرایط از جمله موارد اثرات منفی زیست محیطی یک سد محسوب گردند.
بطور کلی می توان اثرات زیست محیطی یک سد را، بدون آنکه قضاوتی در مورد اثر منفی و یا مثبت آن گردد به شرح زیر خلاصه ای آورده و برای هر یک نمونه هائی ذکر می شود.
1 – اثرات فیزیکی و شیمیائی احداث سد
الف: اثر دریاچه سد بر آب و هوای منطقه یا محدوده دریاچه
ب: خشکی نسبی پایین دست،پس از احداث سد
پ: غلظت مواد محلول آب دریاچه و پایاب آن
2 – اثرات بیولوژیکی سدها
الف: کاهش غلظت مواد غذایی مورد استفاده ماهی ها و گیاهان
ب: اثر ذخیره آب دریاچه های و مخازن کم عمق در رشد و نمو پانکتونها
3 – اثرات اجتماعی، اقتصادی و فرهنگی
الف: اثر احداث سد بر روستاهای مجاور، غرقاب شدن اراضی کشاورزی مراتع، منازل، ساختمان های دولتی و …
ب: اثرات سد بر آبادانی توسعه اجتماعی و اقتصادی و فرهنگی و مردم روستاها اشتغال مردم، بالا رفتن سطح زندگی و …
پ: توسعه ماهیگیری، تفریحات و ورزشهای آبی
ت: بهبود کیفیت زندگی و بالا رفتن درآمد، تغییرات مناسب فرهنگی
بررسی عوامل موثر بر انتخاب سد
عوامل بسیار در انتخاب نوع بهینه سد برای یک موقعیت مشخص وجود دارند که در حالت کلی به دو دره قابلیت های فنی و هزینه احداث و بهره برداری تقسیم بندی می گردند. در مکان هایی که به دلایل فنی محدودیست انتخاب سد وجود دارد انتخاب نوع سد کار آسانی خواهد بود مثلاً در موقعیتی که سنگ کف یا جناحین از موقعیت ضعیفی برخوردار باشد از ساخت سد قوسی پرهیز می گردد ولی در بسیاری از موارد از نظر فین امکان طراحی گونه های مختلف سد وجود دارد که در این حال تصمیم نهایی برای نوع سد تابعی از اقتصاد طرح خواهد بود
بهر حال از جمله عوامل مهم که در انتخاب سد تاثیر می گذارند عبارتند از:
1 – شرایط زمین شناسی و پی سد 2 – عوامل هیدرولیکی و اقتصاد 3 – عمق آبرفت 4 – مصالح ساختمانی
1 – شرایط زمین شناسایی و پی سد
از جمله موارد مهم در این مبحث میزان تغییر شکل پذیری پی، میزان باربری آن و عمق آبرفت می باشد تنش بوجود آمده باعث تغییر شکل آن گردیدده و بستگی تام به میزان باربری پی و خصوصیات ژند مکانیکی آن دارد.
به طور کلی می توان گفت که در مکان هایی که تغییر شکل پی زیاد است انعطاف پذیری نسبی ساده یک مزیت محسوب شده و لذا سازه ای نظیر یک سد خاکی یا سنگریزه ای مناسب تر خواهد بود ولی در مناطقی که میزان باربری پی بیشتر است می توان از سد هایی که تنش بیشتری به پی وارد می نمایند نظیر سد وزنی یا سد قوسی برد.
2 – مصالح ساختمانی
با توجه به حجم بتن قابل ملاحظه ای که در بدنه سدهای بتنی مصرف می شود وجود مصالح ساختمانی مناسب جهت تامین شن و ماسه بتن در نزدیکی سد می تواند عامل تعیین کننده نوع سد بتنی باشد. در هر حال این عامل به عنوان یکی عامل اقتصادی می تواند مطرح شود که در اقتصاد طرح تعیین کننده است.
3 – عوامل هیدرولیکی
گاهی اوقات مجموعه عوامل هیدرولیکی نظیر وجود گرادیان هیدرولیکی مشخصات سرریز، سیستم اهداف و … می تواند بر روی نوع سد تاثیربگذارند. به عنوان مثال در سدهای خاکلی مقادیر گرادیان هیدرولیکی باید کم باشد در حالیکه مقدار آن برای سدهای وزنی، قوسی و پشت بنددار می تواند بزرگتر انتخاب شود و یا مشخصات سرریز برای هر نوع سد باعث تغییر هزینه ها خواهد گردید که می تواند به عنوان یکی از عوامل موثر بر اقتصادی طرح بررسی گردد.
4 – شرایط اقتصادی
مهمترین عامل و به عبارتی عامل نهائی تعیین کننده نوع سد بتنی (پس از عامل فنی) میزان هزینه احداث سد می باشد که عوامل مختلفی بر آن اثر می گذارنده از آنجا که مجموع عواملی که بر اقتصاد طرح تاثیر می گذارند بسیار متنوع می باشد، لازم است برای هر نوع سد و با توجه به چگونگی تاثیر و مشخصات هر عامل، مجموع هزینه احداث برآورد گردیده، وسپس مقایسه ای بین گزینه های مختلف به عمل می آید. بدیهی است بدون توجه به مسائل مدیریتی، سیاسی و اجتماعی گزینه ای مناسب است که دارای حداقل هزینه باشد.
ضوابط و معیارهای اجرایی
اگرچه ضوابط و معیارهای اجرایی در ساخت سدهای بتنی و بطور کلی سدها، فراوان است اما در این قسمت سعی شده به پاره ای از مهمترین آنها پرداخته شود که عبارتند از:
1- سیستم انحراف
در هنگام طراحی یک سد که بر روی رودخانه ساخته می شود و به منظور خشک نگه داشتن محیط کار در زمان احداث سد، می بایست وضعیت انحراف جریان رودخانه را در طول مدت اجرا بدنه اصلی بررسی نمود. بررسی و تعیین وسعت و میزان مسائل ناشی از انحراف رودخانه بستگی مستقیم به اندازه جریان و پتانسیل جریان رودخانه داشته، ممکن است در برخی در بعضی مکان ها انحراف رودخانه پرخرج و زمان باشد و بر فعالیت های ساختمانی سد تاثیر گذارد و در برخی مکان ها تاسیسات انحراف بدون بروز مشکل خاصی و با کمترین هزینه بکار گرفته شود. عواملی که در تعیین سیستم انحراف نقش داشته و می بایست در هنگام طراحی به کار گرفته شود شامل موارد زیر می باشد.
الف) خصوصیت و وضعیت جریان رودخانه
ب) دوره بازگشت و اندازه سیلاب انحراف
پ) بررسی تاثیرات ناشی از سازه های هیدرولیکی تنظیم کننده جریان در بالا دست
ت) کنترل میزان آلودگی و تیرگی جریان رودخانه
ث) روش های انحراف
2- املاح پی:
الف) حفاری
کل ناحیه ای که توسط سد بتنی اشغال می گردد باید تا رسیدن به یک بستر سنگی مناسب که قادر به تحمل نیروهای وارده از ظرف سد، مخزن و تاسیسات جانبی باشد حفاری گشته، قسمت های بالایی برداشته شود. در انجام این عملیات که بوسیله انفجار صورت می گیرد. باید شدت انفجارها به حدی باشد که از بروز پدیده هایی نظیر خرد شدن سنگ پی لق شدن و یادگیر مسائلی که سبب کاهش قدرت باربری پی می گردد کاملا جلوگیری شود. کلیه حفاریها بایستی مطابق با نقشه های اجرایی باشند.
ب) در شکل دره:
در صورتیکه پروفیل دره محل سد نسبتا باریک و با شیب های تند تکیه گاهی باشد، ارتفاع سد، با حرکت از مرکز آن به سمت جناحین، بتدریج کاهش می یابد و در نتیجه تغییر شکل ناشی از بار وارده از طرف مخزن در مقاطع مرکزی بیش از مقاطع کناری خواهد بود. از طرفی از آنجا که در اغلب سدهای بتنی، بلوکها از طریق کلید و تزریق به یکدیگر متصل شده اند بر اثر اعمال تغییر شکلهای فوق، یک اثر پیچشی در سازه بوجود می آید که به پی منتقل می گردد.
پ) بهسازی گودیها
در بسیاری از موارد حفاریهای اکتشافی، گسل ها، شکستگی ها و درزها ران نشان نمی دهند در حالیکه بهسازی این مناطق ضعیف و برداشت موادضعیف و جایگزینی آن با مصالح مناسب (بتن) لازم می باشد.
در بسیاری از موارد حفاری های اکتشافی، گسل ها، شکستگی ها و درزها را نشان نمی دهند در حالیکه بهسازی این مناطق ضعیف و برداشت مواد ضعیف و جایگزینی آن با مصالح مناسب (بتن) لازم می باشد.
ت) حفاظت در مقابل رگاب
روشهای محاسباتی، اعم از تحلیلی یا تقریبی ممکن است برای تشریح ضرایب اطمینان، تنش ها و تغییر شکل های پی مناسب باشند ولی معمولا نمی توانند پدیده رگاب را پیش بینی نمایند. گسل ها یا درزه ها ممکن است توسط مصالحی پر شده باشند که در اثر جریان آب شسشته شوند و تولید یک مجرای انتقال را بنمایند که خطرساز خواهد بود لذا برای هر گسل یا درزه می بایست با ایجاد یک حفره و پر نمودن آن با بتن راه جریان را کاملا مسدود نمود.
ث) تزریق
هدف اصلی از انجام عملیات تزریق در سنگ پی، پر کردن درزها و شکافهای احتمالی و بوجود آوردن یک مانع موثر در مقابل تراوش از زیربدنه سد و تحکیم پی می باشد. برای این امر از چاه های تزریق کمک گرفته می شود که فاصله، طول و امتداد آن ها و نیز شیوه انجام عملیات تزریق بستگی به ارتفاع سازه و مشخصه های زمین شناسی پی دارند. با توجه به وسعت تغییرات پارامترهای فوق در هر محل لازم است برای هر موقعیت، مطالعات خاص صورت بپذیرد.
ج) زهکشی پی
اگرچه در اثر اجرای مناسب پرده تزریق، مقدار تراوش کاهش می یابد اما گاهی بدلیل نفوذ جریان از اطراف پرده میزان زیر فشار در زیربدنه سد زیاد خواهد شد به این دلیل و برای کاهش فشارهای بالا برنده در پی از تعدادی چاهک زهکشی سود برده می شود که در یک یا چند ردیف و در پایین دست پرده آب بند حفاری می شوند. اندازه فاصله و عمق این گمانه ها نیاز به قضاوت فنی از خصوصیات سنگ داشته و معمولا دارای قطر 5/7سانتی متر می باشند. بطور معمول فواصل گمانه ها از یکدیگر 3متر و عمق آنها تابعی از مشخصات پرده آب بند است که بعنوان یک قاعده کلی می توان عمق آنها را معادل 20تا40درصد عمق آب در مخزن و یا 35 تا 75درصد عمق پرده تزریق در نظر گرفت.
3- درزهای سازه
تشکیل ترک در سدهای بتنی نامطلوب است و بروز ترک در نقاط مختلف می تواند یکپارچگی سازه را از بین برده، باعث زوال و خرابی سد گردد. درزهای یک سازه بتنی در واقع یک ترک از پیش طراحی شده می باشند و در مناطقی واقع می شوند که لازم است تا اثرات نامطلوب در آن مناطق، حداقل گردند. سه گونه اصلی درز در سازه های بتنی مرسوم است که به درز انقباض، درز انبساط و درز ساختمانی مشهور می باشند.
درزهای انقباض و انبساط برای کنترل تغییرات حجمی بتن کاربرد دارند و درزهای ساختمانی برای سهولت اجرایی، کاهش تنش های ناشی از انقباض اولیه و اجازه دادن برای نصب قطعات مدفون و … احداث می شوند.
4- دالان ها و راهروهای دسترسی
دالان به یک بازشدگی در داخل بدنه سد اطاق می گردد که هدف آن دسترسی به داخل بدنه سد است. بدین لحاظ دالان ها می توانند به صورت افقی، مایل، در جهت طولی و یا عرضی احداث گردند. در صورتیکه از دالان به منظور دسترسی به شیرخانه، آسانسور، نیروگاه و یا ارتباط بین دو یا چند دالان دیگر استفاده شود به آن راهرو اطلاق خواهد گردید و در صورتیکه ابعاد آن بزرگ باشند و ابزارها و تجهیزات در آن نصب گردد و به آن اتاقک گفته می شود. اهداف استفاده از دالان متنوع است و از سدی به سد دیگر متفاوت می نماید. بعضی از اهداف عبارتند از:
الف: جمع آوری آب تراوش یافته از بدنه یا پی
ب: ایجاد فضای لازم جهت انجام حفاری و تزریق در پی
پ: ایجاد فضای لازم جهت نصب ورودی ها و خروجی های سیستم سرد کننده و سیستم تزریق درزها
ت: ایجاد راه دسترسی به داخل بدنه سد به منظور انجام بازرسی ها
ث: ایجاد راه دسترسی به اتاقک های نصب تجهیزات مکانیکی و برقی
ج: ایجاد مسیر برای عبور سیم ها و کابل نیروگاه
چ: ایجاد یک معبر برای بازدیدکنندگان
5- ابزار دقیق در سدهای بتنی:
سدها بعنوان منابع ذخیره سازی آب طراحی و ساخته می شوند، لذا این سازه ها عامل مهمی در توسعه ظرفیت رودخانه با اهداف کشاورزی ، تامین آب شرب، نیروگاه ها و تولید انرژی. کنترل سیلاب، تفریحات و سایر پروژه های اقتصادی سودمند محسوب می گردند و بدین لحاظ سدها باید در طول سالیان متمادی در برابر بارهای نسبتا بزرگ که توسط آب و سایر عوامل ایجاد می گردد، بصورت ایمن مقاومت نموده و پایداری لازم را از خود نشان دهند.
در صورت آزاد شدن ناگهانی آب ذخیره شده، بهنگام تخریب سد، پتانسیل
عظیمی بوجود خواهد آمد که قادر است صدمات جانی و مالی شدیدی را به قسمت های پایین دست وارد آورد عملکرد مناسب و ایمن یک سد مساله مهمی در سود دهی اقتصادی و ایمنی عمومی آن محسوب می گردد در نظر گرفتن تاثیرات مخرب و ویران شدن سد که سبب بروز آسیب های مالی و جانی شده و رفاه و آسایش عمومی را به مخاطره می اندازد موجب منتفی شدن سود دهی طرح می گردد و لذا وجود لوازم و تاسیساتی جهت جمع آوری اطلاعات برای دسترسی به عملکرد صحیح و اطمینان از ایمنی سد در حال حاضر و آینده را ضروری می سازد، بنابراین می توان گفت که مهمترین هدف ابزار گذاری در سد، تامین اطلاعات ضروری در مورد دختار سازه است که در برنامه نظارت و ایمنی سد مورد نیاز می باشد.
6 – خصوصیات بتن حجیم
طراحی و اجراء سازه های با بتن حجیم و بخصوص سدها، تحت تاثیر مسائل مختلف نظیر توپوگرافی خصوصیات پی، قابل دسترسی به مصالح، اقتصادی ایمنی طرح قرار می گیرند بطوریکه در برخی موارد رعایت نکات ایمنی، عامل اصلی انتخاب بوده و گاهی اقتصاد طرح سبب انتخاب نوع دیگری را سازد خواهد گردید بدین لحاظ آگاهی از خواص فیزیکی و شیمیایی بتن که خود مهمترین جزء تشیکل سازه است مهم بوده و خواصی نظیر مقاومت و استحکام، دوام و مشخصات حرارتی آن باید با دقت تعیین شوند. برخی خصوصیات ویژه بتن که مهم بوده عبارتند از:
مقاومت فشاری، مقاومت کششی، ضریب کشسانی، نسبت پواسون، خزش، تغییرات حجمی و حرارتی، ضریب پخش و هدایت گرما و نفوذپذیری.
سد چیست؟
سد دیواری است که در برابر انبوهی از جریان اب می ایستد و ان را مهار می کند.
در پشت سد در یاچه ای تشکیل می یابد که(مخزن) نامیده می شود. اب در مخزن زخیره می شود تا هنگام نیاز به مصرف برسد.
صنعت سد سازی خدمت بسیار بزرگی به بشر در استفاده از منابع ابی و زمینی کرده است. اگر سد را در محل مناسبی بنا کنند از به راه افتادن سیل جلوگیری می شود. ابی که در پشت سد جمع می شود برای نوشیدن مردم و حیوانات ذخیره ارزشمندی است. از این آب زمینهای خشک زراعتی نیز سیراب می شوند. بعلاوه در بسیاری از سد ها فشار ناشی از ریزش اب را به توربین هایی هدایت می کنند و توربینها دستگاههای تولید برق را به حرکت وامی دارند و نیروی سرشاری از برق فراهم می اورند.
سد های جدید بر چند گونه است
(( سد بتونی گرانشی یکپارچه)) که فقط از بتون ساخته شده و تنها به خاطر وزن خودش است که چون عمود وار بر زمین سنگینی می کند فشار اب را تحمل می کند و از جا نمی لغزد.
به این سد ((گرانشی)) می گویند زیرا با تکیه بر نیروی گرانش است که بر جای خود استوار می ماند.
(( سد میان تهی بتونی)) سدی است که از بتون خالص ساخته نشده بلکه در لابه لایش میله های فلزی کار گذاشته اند. این گونه سد ارزان تر تمام می شود.
(( سد خاکی)) به سدی گویند که از انباشتن خاک و سنگ بر روی هم درست می شود. ان را (( سد خاک انبان)) و یا ((سد سنگ انبان)) نیز خوانده اند. (( بند و خاکریز)) هایی که برای مهار کردن سیل در سواحل دریا و رود ها دیده می شود از انواع سد خاکی است.
معمولا هر سدی یک ((گریزگاه آب)) دارد که عبارت است از تونل بیا سطحی سراشیب که آب مخزن بتدزیج از انجا خارج می شود.
گریزگاه آب برای نگاه داشتن اب در سطحی معین است و نمی گذارد که آب از بالای سد سر برود.
سد سازی بر روی روانه ها و رودخانه ها در سراسر جهان از هزاران سال پیش معمول بوده. قدیمی ترین سدی که در مصر شناخته شده است تاریخش به 4500 سال پیش باز می گردد.
رای ساخت سد خاکی مصالح را از همان منطقه احداث و یا نواحی نزدیک تامین می کنند، و اصولاً دارای هسته رسی می باشند. رس بر اثر تماس با آب مانع نفوذ و انتقال آب و رطوبت می گردد و مانند نوعی عایق رطوبتی عمل می کند.
انواع
اگر عمده مصالح تشکیل دهنده سد خاکی یکسان باشند، سد را همگن می گویند و در غیر اینصورت ناهمگن. اگر کل سد خاکی از رس باشد سد خاکی همگن است، اما اگر هسته مرکزی سد رس باشد و دور هسته مرکزی را با سنگهای دانه درشت پر کرده باشند، سد غیر همگن محسوب می شود.
ج) انواع سدهای خاکی سدهای خاکی را بر حسب فرم و مصالح مقطع عرضی سد به سه دسته تقسیم می کنند. ۱٫سدهای خاکی با توده همگن (Homogeneous embankment) ۲. سدهای خاکی با لایه های (مایل) مختلف(Zoned embankment) ۳. سدهای خاکی با پرده غیر قابل نفوذ(Cored embankmentt)
سدهای خاکی با توده همگن
این نوع سدها از یک توده همگن که قسمت عمده آن رس و سیلیت (به تناسبی که نتایج آزمایش های مکانیک خاک آنرا برای غیر قابل نفوذ بودن تاید می کنند) می باشد، تشکیل شده است
سدهای خاکی با لایه های مختلف
اگر چه مصالح مختلف (به وفور) در محل کارگاه وجود داشته باشد در این صورت سد خاکی با لایه های مختلف مطرح شده و ممکن است اقتصادی تر از سایر انواع آن نیز جلوه کند. در این سدها قشر غیر قابل نفوذ در وسط مقطع و یا متمایل به طرف بالا دست قرار می گیرد
سدهای خاکی با پرده قابل نفوذ
در این نوع سدها جلوگیری از حرکت آب در داخل توده خاکی توسط یک پرده غیر قابل نفوذ تقریباً عمودی انجام می گیرد که در داخل بستر سنگی (بستر غیر قابل نفوذ) جای گرفته است. دو طرف این قشر را یک لایه از مصالح دانه ریز می گذارند که به صورت زه کش کار می کند و لایه های بیرونی را مخلوط (تقریباً مخلوط رودخانه) پوشانده است. طبق نتایج حاصله از تجربیات عملی در مورد این نوع سدها، ضخامت پرده فوق باید دست کم یک سوم ارتفاع آب در دریاچه سد باشد. از این نوع سدها به تعداد زیاد در کشورهای انگلیسی زبان دنیای غرب ساخته شده است.
از نظر تحلیل و آنالیز این نوع سدها بسیار حساس می باشند و در عین حال از نظر اجرا و پیاده سازی ساده تر می باشند. اجرای این سد در رودخانه های عریض ساده تر است. مصالح این سد اعم از ریزدانه و درشت دانه بایستی در دسترس باشد. این سدها برای زمینهایی نامناسب از نظر مقاومت مناسب ترین نوع سد می باشند
بستر سدهای خاکی
در بسترهای سنگی سالم، سد خاکی را می توان بدون هیچ مشکلی بر روی آن پیاده نمود ولی در صورتی که بستر فوق دارای شکاف و یا ترک هایی (گسل) باشد در این صورت باید مطالعاتزمین شناسی کافی برای آن انجام گیرد تا وضعیت و عمق شکاف ها مشخص شود. در این نوع زمین ها معمولاً با تزریق سیمان (تحت فشار) قابلیت نفوذ آب در زیر سد را تا حد قابل قبولی کم می کنند. در زمین های غیر قابل نفوذ (رسی و یا عمدتاً رسی) مسلماً حرکت آب در زیر سد نباید مشکل عمده ای باشد ولی مشکل عمده دیگر وجود دارد و آن مشکل عدم امکان بارگذاری سریع در این نوع زمین ها است که مدت زمان ساختمان سد را طولانی تر از سایر زمین ها می کنند. دلیل این مطلب ذیلاً بیان خواهد شد.(Pore water-pressure)
سد کرخه یکی از بزرگ ترین سدهای خاکی دنیا و بزرگ ترین سد خاکی ایران و خاورمیانه است که بر روی رودخانه کرخه در ۲۲ کیلومتری شمال غربی شهرستان اندیمشک در استان خوزستان ساخته شده است. کرخه با تاجی به طول ۳۰۳۰ متر و ارتفاع ۱۲۷۷ متر از لحاظ حجم بدنه بزرگترین سد تاریخ ایران است و با حجم مخزنی به میزان ۷ میلیارد و ۳۰۰ میلیون مترمکعب، بزرگترین دریاچه مصنوعی ایران را پدید آورده است.[۳] عملیات اجرایی این سد در سال ۱۳۷۰ آغاز و در سال ۱۳۸۰ به پایان رسیده است. متوسط تولید انرژی سالیانه این نیروگاه روزمینی ۹۳۴۴ میلیون کیلووات ساعت است. نیروگاه این سد با ظرفیت ۴۰۰ مگاوات از زمان بهره برداری در سال ۱۳۸۱ تا پایان سال ۱۳۸۷ توانسته بیش از ۴۹۴۱ میلیون کیلووات ساعت برق تولید کند.
از جمله پروژه های مهمی که در کنار این طرح اجرا شده احداث تونل دشت عباس است. این تونل به منظور انتقال آب مورد نیاز برای آبیاری اراضی دشت عباس از دریاچه سد کرخه، به صورت تحت فشار، به طول ۶۰۹۷ متر و قطر داخلی ۵/۵ متر احداث شده است.
اهداف پروژه کرخه
* تامین و تنظیم آب جهت آبیاری ۳۲۰ هزار هکتار از اراضی پایین دست، دشت های پای پل (اوان – ارایض – دوسالق و باغه) و همچنین دشتهای حمیدیه و قدس واقع در شمال غربی و غرب استان خوزستان ، دشت آزادگان، دشت عباس، فکه و عین خوش واقع در جنوب غربی استان ایلام
* تولید انرژی برقابی به میزان ۹۳۴ گیگا وات ساعت در سال
* کنترل سیلهای مخرب رودخانه و جلوگیری از خسارات ناشی از آن
* به عنوان سلاح استراتژیک برای جمهوری اسلامی ایران
تاریخچه و سوابق
مطالعات طرح توسعه منابع آب و خاک حوضه آبریز رودخانه کرخه از سال ۱۳۳۵ توسط شرکت آمریکایی آغاز گردید. متعاقب آن شرکتهای ایرانی و خارجی مطالعاتی در رابطه با سدسازی به شرح ذیل روی این رودخانه انجام داده اند:
* مطالعات مرحله شناخت توسعه آبیاری حوضه بالادست رودخانه کرخه در سال ۱۳۴۵؛
* مطالعات تکمیلی دو شرکت ایرانی و ایتالیائی در سال ۱۳۴۷؛
* مطالعات امکان یابی سد مخزنی کرخه توسط مهندسین مشاور عمران و منابع آب ایران در سال ۱۳۵۸؛
* پس از پیروزی انقلاب اسلامی مطالعاتی توسط جهاد سازندگی انجام شد؛ و
* مطالعات تکمیلی مرحله اول سد کرخه توسط شرکت مهاب قدس در سال ۱۳۶۷.[۴]
اقتصاد طرح
طبق برآورد اولیه هزینه های اجرای پروژه بالغ بر ۴۹۰۰ میلیارد ریال بوده که از طریق منابع منابع عمومی، تسهیلات خارجی (فاینانس، وام و…)، سایر منابع (منابع داخلی، تسهیلات بانکی داخلی، اوراق مشارکت و…) تامین گردیده است. نسبت فایده به هزینه (B/C) برابر ۱/۳ و نرخ بازگشت داخلی آن ۸/۱ درصد می باشد. منافع حاصل از تولید برق متعلق به این طرح طی برآورد اولیه، درآمد سالانه بالغ بر ۵۹۹ میلیارد ریال (بر حسب هر کیلووات ساعت ۶۴۲ ریال)بوده و درآمد حاصل از فروش برق از زمان بهره برداری تاکنون برابر ۲۴۰۱ میلیارد ریال می باشد. در بخش منافع حاصل از مهار سیلاب، این سد پس از آبگیری توانسته است بیش از ۴۰ سیلاب مخرب را مهار نماید
ویژگی های طرح
* بزرگترین سد تاریخ ایران از لحاظ حجم بدنه و طول سد؛
* دارای بزرگترین دریاچه مصنوعی کشور؛ و
* تامین و تنظیم آب جهت آبیاری ۳۴۰ هزار هکتار از اراضی پایین دست
رودخانه کرخه
موقعیت و مشخصات رودخانه کرخه
رودخانه کرخه از مناطق میانی و جنوب غربی رشته کوههای زاگرس در نواحی غرب و شمال غرب کشور سرچشمه گرفته و پس از طی مسافتی در حدود ۹۰۰ کیلومتر در امتداد شمال به جنوب، سرانجام در مرز مشترک ایران و عراق به مرداب هورالعظیم می رسد. رودخانه کرخه پس از رودخانه های کارون و دز سومین رودخانه بزرگ ایران از دیدگاه آبدهی محسوب می شود. حوزه آبریز رودخانه کرخه به وسعت حدود ۴۳ هزار کیلومتر مربع، بین ۴۶ درجه و ۵۷ دقیقه تا ۴۹ درجه و ۱۰ دقیقه طول شرقی و ۳۱ درجه و ۴۸ دقیقه تا ۳۴ درجه و ۵۸۸ دقیقه عرض شمالی واقع شده است و شامل استانهای همدان، کرمانشاه، کردستان، ایلام، لرستان و خوزستان می باشد.
سرشاخه های رودخانه کرخه
سرشاخه های اصلی تشکیل دهنده رودخانه کرخه، رودخانه های سیمره، کشکان، قره سو، گاماسیاب و چرداول هستند. یکی از مشخصه های طبیعی رودخانه کرخه احتمال وقوع سیلاب و خطرات ناشی از آن است. موقعیت سد مخزنی و نیروگاه برقآبی کرخه
موقعیت جغرافیایی سد و نیروگاه
سد مخزنی و نیروگاه برقآبی کرخه در فاصله۲۲ کیلومتری شمال غرب اندیمشک در استان خوزستان (در جنوب غربی ایران) احداث گردیده است. این پروژه عظیم در ۴۸ درجه و ۷/۸ دقیقه طول شرقی و نیز ۳۲ درجه و ۲۹/۶ دقیقه شمال در منطقه کرخه واقع شده است. رودخانه کرخه در بالادست محور سد ۹۰ درجه تغییر جهت داده و در نتیجه دریاچه سد در سمت راست محور سد واقع گردیده است.
زمین شناسی سد کرخه
سد مخزنی کرخه در حاشیه جنوب غربی بخش چین خورده رشته کوههای زاگرس قرار گرفته است. تپه و بلندیهای منطقه از کنگلومرای سازند بختیاری و رسوبات نرم سازند آغاجاری تشکیل شده است بخش عمده بالادست و ناحیه مخزن از سازند آغاجاری تشکیل یافته که از تناوب لایه های ماسه سنگ و گل سنگ تشکیل شده است و به سمت بالا دارای لایه های میکرو کنگلومرایی است. قسمت بالایی این سازند را بخش لهبری تشکیل می دهد که تناوبی از ماسه سنگ و گل سنگ می باشد و وضعیت مناسبی را برای ایجاد سفره های تحت فشار، پدید آورده است. بخش پایین دست دریاچه تا محور سد را کنگلومرای بختیاری با سیمان ضعیف تشکیل می دهد. کنگلومرای بختیاری به دو واحد سنگی BK1 و BK2 تقسیم شده است که توسط یک لایه گل سنگی از هم جدا شده اند. واحد BK1 بخش پایین سازند بختیاری را تشکیل می دهد و علاوه بر لایه های گل سنگی دارای عدسی های ماسه سنگی نیز می باشد. واحد BK22، بخش بالایی سازند بختیاری را بوجود می آورد که متشکل از کنگلومرای یک پارچه با عدسی های ماسه سنگی و گل سنگی است.
ناحیه مورد مطالعه در پلاتفرم عربی واقع است. ساختگاه سد و دریاچه آن در قسمت شمال فروافتادگی دالپری قراردارد. شیب لایه ها ۱۲-۷ درجه در منتهی الیه دریاچه و ۴-۳ درجه در نزدیکی ساختگاه می باشد. نظر باینکه شیب لایه بندی ها کم و نا پیوستگی ها نیز نادر می باشند، زمین لغزه ای در حاشیه دریاچه آتی مشاهده نشده است. ریزش در شیروانی های کنگلومرایی دریاچه محتمل است ولی روند آن آهسته و مداوم پیش بینی شده و ایمنی سازه های هیدرولیکی را به مخاطره نخواهد انداخت.
مخزن سد (دریاچه)
* حجم مخزن در ترازبهره برداری۲۲۰ متر: ۵۳۴۶/۸ میلیون مترمکعب (قبل از رسوبگذاری)
* حجم مخزن در حداقل تراز بهره برداری (تراز ۱۶۰ متر): ۴۳۰ میلیون مترمکعب
* حجم مفید مخزن: ۳۹۰۳/۸۱ میلیون مترمکعب (بعد از رسوب گذاری)
* حجم غیر مفید مخزن: ۱۴۴۳ میلیون مترمکعب
* تراز آب در هنگام وقوع سیل حداکثر: ۲۳۰/۹ متر
* مساحت دریاچه در تراز بهره برداری ۲۲۰ متر: ۱۶۲/۴۷کیلومتر مربع
* طول دریاچه در تراز بهره برداری ۲۲۰ متر: حدود ۶۰ کیلومتر
سد
یک سد بتنی در کشور اتریش.
سد کارون ۳، ایران
سد لتیان، ایران
سَد به فارسی دَری "بَند" دیواری محکم است که به منظور مهار کردن یا تغییر مسیر آب در عرض دره یا میان دو کوه و در مسیر رود ایجاد می کنند. افزودن ارتفاع آب به وسیله ایجاد سد، می تواند فقط به منظور مهار یا تغییر مسیر آب رودخانه باشد و یا به یک یا چند منظور مانند ذخیره کردن آب در پشت سد برای کشاورزی، آبیاری و آبرسانی، مصرف صنعتی، آبزی پروری،آب راه گستری و یا تولید انرژی برقابی هدف اصلی در ایجاد سد بوده باشد.
از آنجا که آب جمع شده در پشت یک سد، می تواند نیروی بسیار عظیمی به سد وارد کند، در طراحی سدها، اصلی ترین مسئله استاتیکی (ایستایی)، غلبه بر این نیرو و رسیدن به شرایط پایداری است که با تخلیه و یا آبگیری سد، پیوسته برقرار باشد.
انواع سد
از دیدگاه استاتیکی، سدها به دو گروه عمده تقسیم می گردند:
* سدهای وزنی
* سدهای قوسی
سدهای پایه دار، سدهای پشت بند دار و سدهای چوبی از دیگر انواع سد محسوب می شوند.
سدهای قوسی
اساس نیروی غلبه بر فشار آب در این سدها، انتقال این نیرو به دیواره های دره و در حقیقت شکل هندسی سد است. این سدها حداقل در مقیاس های بزرگ، غالباً از بتن غیر مسلح ساخته می شوند. به منظور جلوگیری از ورقه ورقه شدن سطوح مختلف بتن روی یکدیگر، بسیاری از سدهای بزرگ از این نوع، بصورت لایه لایه و معمولاً بصورت لایه های ۲ یا33 متری بتن ریزی می گردد. سطح هر لایه بتن ریزی شده بلافاصلهً شسته می گردد تا بتن لایه (مرحله) بعدی به بتن قبلی خوب بچسبد و از ورقه ورقه شدن سطوح مختلف بتن روی یکدیگر جلوگیری گردد. این سدها بصورت بلوک بلوک ساخته شده و در انتها بین بلوک ها که درزه نامیده می شود دوغاب سیمان تزریق می گردد تا سد بصورت یکپارچه عمل کند.
سدهای وزنی
از آنجاییکه باید در برابر فشار بسیار زیاد آب، مقاومت مناسبی به وسیلهٔ وزن سازه سد صورت پذیرد، این نوع از سدها معمولاً حجم بسیار عظیمی دارند. بدیهی است در ساخت سازه ای با این حجم، اقتصادی ترین مسئله، بحث تامین مصالح است؛ بنابراین این سدها معمولاً از مصالح موجود در محل احداث خود بهره می برند. بدیهی است که در دسترس ترین این گونه مصالح سنگ و خاک است. سدهای وزنی به همین دلایل امروزه در دو نوع سدهای بتنی و سدهای خاکی ساخته می شوند.
سدهای خاکی
در ساخت سدهای خاکی، آنچه که در واقع جلوی آب را می گیرد، یک هسته نسبتاً نازک رسی است. خاک رس این خاصیت را دارد که با مرطوب شدن، به عایق خوبی برای نفوذ آب تبدیل می گردد. (از همین رو بام خانه های قدیمی کاهگل می شده است) بجز هسته رسی، مابقی حجم سد را سنگ و خاک غیر محلول در آب تشکیل می دهد. چرا که سنگ های محلول پس از مدتی باعث کاهش وزن سد و به هم خوردن نتایج محاسبات خواهند شد.
سدهای خاکی همواره با مشکل محدودیت ارتفاع مواجهند و بیشتر برای دره های عریض و کم شیب مناسب هستند (سد پانزده خرداد دلیجان). بر عکس سدهای قوسی مناسب دره های عمیق و کم عرضند مانند: (سد کرج)
مطالعات زمین شناسی
سد مالپاست در آلپ-ماریتیم فرانسه که در نخستین آب گیری فرو ریخت.
اگر سدی بدون مطالعه و بررسی کافی زمین شناسی احداث گردد، بی شک تنها یک فاجعه اقتصادی و محیط زیستی از خود بجا می گذارد. تمامی نواحی که دریاچه سد آن ها را می پوشاند و همچنین زیر سازه سد باید بطور دقیق مورد گمانه زنی های کارشناسی قرار گیرد. وجود تنها یک بخش آهکی در اطراف دریاچه باعث خواهد شد تا آب به تدریج بخش آهکی را از بین برده و به خارج راه نفوذ پیدا کند و یا در دراز مدت برهم ریختن محاسبه ها را سبب شود. نظیر چنین واقعه ای برای سد لار افتاد و این سد در حال حاضر از یک سوم ظرفیتش بهره برداری می نماید.
در سال ۱۹۵۹ میلادی فاجعهٔ فروریختن سد قوسی مالپاست در آلپ-ماریتیم فرانسه که بنا به ضابطه های امروز، شاید به سبب شیب افقی زیاد و ناآگاهی از وجود سنگ های دگرگونی و گنیس در محل باشد، رخ داد.
مطالعات زیست محیطی به مجموعه مطالعاتی گفته می شود که اثر تغییرات ایجاد شده توسط سد و دریاچهٔ آن و همچنین تقلیل آب پایین دست را بر رویزیست بوم منطقه شناسایی، محاسبه و هزینه یابی می کنند. علاوه بر این، این اثر باید بر روی شهرها و روستاها و سایر المان ها (همچون آثار باستانی در مورد سد سیوند) در کنار ارزیابیتاثیرها بر محیط زیست مورد بررسی قرار گیرند تا در محاسبه های سود و زیان کلی پروژه، و گزینش های پایانی در نظر گرفته شوند؛ که درکنار این شناخت بااستفاده از مدل سازی اطلاعات ساختمان می توان به بهینه ترین برنامه تعمیرات و نگهداری هر ساختمانی از جمله سازه سد رسید که بهره برداران را در راهبری این گونه سرمایه های ملی یاری می دهد
سدهای معروف جهان
* سد الکفره (Sadd al Kafara) قدیمی ترین سد شناخته شدهٔ جهان در ۱۱ کیلومتری جنوب شرقی حلوان مصر بین سال های ۲۷۵۰ تا ۲۹۵۰ قبل از میلاد (حدود ۵۰۰۰ سال قبل) با طول ۱۱۵ و ارتفاع ۱۲۲ متر ساخته شده است.
* سد هوور تا پیش از احداث سد گراند کولیی، بزرگترین سازه بتنی و بزرگترین نیروگاه برق آبی در جهان بود.
* سد گراند کولیی بزرگ ترین سازه بتنی آمریکای شمالی است و روی رودخانه کلمبیا در واشنگتن بسته شده است.
* سد اسوان سدی غول پیکر بر روی رود نیل
از زمانهای بسیار دور بنای سدهای خاکی به منظور کنترل و ذخیره آب معمول بوده است. اما به علت امکانات محدوده و عدم شناخت قوانین مکانیک خاک و هیدرولیک، ارتفاع سدها و بندهای خاکی از یک مقدار محدودی بیشتر نمی شده است، هرچند از نظر وسعت و طول سد چنین محدودیتی وجود نداشته است. امروزه با پیشرفت علم مکانیک خاک و توسعه امکانات تکنولوژی و مطالعات دقیق تر توانسته اند سدهای خاکی را با ارتفاعات قابل ملاحظه احداث نمایند، بطوریکه در زمان حاضر از مرتفع ترین سدهای دنیا سدهای خاکی و پاره سنگی هستند. به علاوه زمین هائی را که سابقاً برای این منظور غیر مناسب تشخیص می دادند هم اکنون می توانند آنها را برای زیربنای احداث سد خاکی آماده سازند.
علی رغم این پیشرفت ها هنوز مشکل است که بتوان راه حل های ریاضی محکمی برای مسایل طراحی سدهای خاکی پیشنهاد نمود، و در نتیجه بسیاری از اجزاء سدها هنوز بر مبنای تجزیه و ذوق و ذکاوت مهندسین طرح و اجراءٍ می گردند، به عبارت دیگر طرح تیپ دقیق و کامل وجود ندارد.
به منظور تامین یک طرح دقیق و منطقی در سدهای خاکی لازمست که وضعیت شالوده سد و مواد مشکله آن کاملاً مورد بررسی و مطالعه اولیه قرار گرفته و اجرای سد با روش های کنترل شده و دقیقاً مطابق برنامه پیشنهادی طراح انجام پذیرد.
به عنوان یک اصل، این دو نکته مسلم است که:
1- سد به عنوان یک مخزن باید غیرقابل نفوذ باشد.
2- در تمام وضعیت های ممکن (وضعیت بلافاصله پس از ساخت، ضمن ساخت، وضعیت های مخزن پر، طغیان، تخلیه سریع، بارندگی و حتی در مواقع سیلهای استثنائی چند هزار ساله) سد باید مقاوم باشد.
روش ایجاد سدهای خاکی امروزه عمدتاً "با روش تراکم مکانیکی است، هرچند روشهای دیگری مانند روش های هیدرولیکی و نیمه هیدرولیکی هم وجود دارد که از این روشها کمتر استفاده می گردد، مگر در مورد سدهای باطله که ضرورتاًِ" هیدرولیکی است.
بخش اصلی سد خاکی که توده خاکی کوبیده شده است (در حقیقت سازه سد) به نام بدنه سد نامیده می شود، و زمینی که سد بر روی آن قرار گرفته تا آن حد که تحت تاثیر فشار حاصل از سد و نفوذ پذیری آب سد می باشد به نام شالوده (فونداسیون) است. به جز این دو بخش اصلی، اجزاء دیگری از قبیل آب بندها، زهکش ها، پوشش ها و غیره وجود دارد که اهمیت آنها به لحاظ حفاظت و ایمنی و عملکرد سد برای آن نقش حیاتی دارند.
انواع سدهای خاکی
از دیدگاه تکنیک و روش ساخت، سدهای خاکی به دوگروه هستند که تقریباً تمامی آنها در گروه غلتکی (کوبیدنی) قرار دارند و تعدادی در گروه هیدرولیکی و نیمه هیدرولیکی طبقه بندی می شوند. منظور از سدهای غلتکی اینست که ساخت سد با روش کوبیدن خاک که بوسیله غلتک است صورت می گیرد، که معمولاً در لایه های 15 تا 22 سانتیمتری در هر نوبت تراکم کوبیده می شوند. منظور از روش هیدرولیکی اینست که بنا شدن سد (جابجائی مواد و قرارگرفتن آنها در محل) با کمک آب انجام می گیرد و در ضمن جدا شدن آب از خاک، نوعی طبقه بندی طبیعی در دانه بندی خاک صورت می گیرد که برای سد مناسب می باشد، یعنی دانه های درشت تر در کناره ها و دانه های ریزتر در وسط سد قرار می گیرند.
از دیدگاه همگنی بدنه سد، نیز می توان تیپ های مختلفی را از هم تشخیص داد که عبارتند از:
تیپ همگن (Homogeneous )، تیپ مطبق (Cored یا Zoned ) یا مغزه دار، و تیپ دیافراگمی
انتخاب نوع سد خاکی و ابعاد هندسی
انتخاب نوع سد، یعنی اینکه خاکی، پاره سنگی، بتن ثقلی، قوسی، پایه ای و غیره باشد.
اما هنگامی که زمینی همراه با شرایط دیگر برای بنای سدخاکی مناسب تشخیص داده شد انتخاب یکی از انواع سدخاکی مطرح می شود.
نوع سد خاکی در بد و امر تابع مصالحی است که در آن ناحیه یا در نزدیکیهای آن موجود است. نوع شالوده سدخاکی، هرچند باشد عمدتاً غیر قابل تغییر است، مگر لایه های سطحی آن که ممکنست برداشته شده و به جای آن در صورت لزوم خاک مناسب کوبیده شود. بنابراین وضعیت زمین محل یا شالوده تا حدزیادی در طرح سدخاکی (و اصولاً در انتخاب نوع سد اعم از خاکی و غیره) موثر است. به عنوان یک عامل فراگیر بر تمام جنبه ها، مساله اقتصادی بودن طرح نیز سرانجام مطرح می گردد.
بطور کلی، چنانچه مواد نفوذ پذیر و نفوذ ناپذیر به فراوانی در دسترس باشند، ترجیحاً از سدهای مغزه دار (غیر همگن) استفاده می گردد هرچند نسبت حجمی مواد نفوذناپذیر به نفوذ پذیر (پس از تعیین مقدار لازم به منظور استحکام و آب بندی) نیز تابع هزینه های حمل و نقل آنها و نیز هزینه تهیه دانه بندی مورد نظر است.
اگر سدی به صورت همگن ساخته شود ضرورتاً "مواد تشکیل دهنده آن نفوذناپذیر و یا کم نفوذپذیر می باشد و با وجود این ضرورتاً باید به نوعی زهکش (مثلاً زهکش افقی در پائین دست) مجهز باشد تا دامنه پایین دست همواره از اشباع شدن در اثر زه مصون بماند. از طریقی اگر سد عمتاً از مواد دانه درشت باشد ضرورتاً " باید مغزه ای نفوذ ناپذیر در بخش میانی یا در محلی از دامنه بالا دست وجود داشته باشد تا آنرا کاملاً آب بندی کند.
چنانچه سد روی رسوبات نفوذ پذیر ساخته شود، میزان حد بالائی اتلاف آب از ا، باید در بدو امر تخمین زده شود. مقدار تخمینی این حد را باید با استفاده از رسم شبکه جریان و یا بر اساس نتایج تلمبه کردن آب در محل و نیز از تستهای آزمایشگاهی بدست آورد و چنانچه مقدار اتلاف آب به صورت زه بیش از مقداری باشد که برای پروژه سدسازی مورد نظر زیان بار باشد، لازمست از بعضی از انواع آب بندها استفاده شود.
انتخاب هر کدام از بخش های سد چه از نظر نوع و چه از نظر اندازه، بطور مستقل صورت نمی گیرد بلکه تابعی از مجموعه شرایط موجود است. مثلاً انتخاب شیب دامنه ها، تابع نوع شالوده، مصالح، روش ساخت، و نوع سد است، بطوریکه هرچند شالوده سست تر باشد در شرایط یکسان دیگر، شیب دامنه ها باید کمتر باشد و دامنه ها گسرده تر شده باشند. برای یک شالوده معین،دامنه های سدهمگن کم شیب تر از دامنه های سد همگن کم شیب تر از دامنه های یک سد غیر همگن است، و یا دامنه های یک سد هیدرولیکی باز هم کم شیب تر از دامنه های سد غلتکی است، زیرا در روش هیدرولیکی مصالح کوبیده نمی شوند تا مقاوم گردند. دامنه هائی که پوشش های محکم بتنی و آسفالتی و سنگی برآنها قرار می گیرند می توانند بطور نسبی پرشیب تر ساخته شوند.
شیب دامنه ها
شیب دامنه ها را معمولاً از یک بریک و نیم تا یک برسه می گیرند، هر چند تا شیبهای یک برشش و کمتر هم گاهگاهی منظور می شود. همچنین طرح دامنه با شیب های متفاوت کاملاً معمول است. بطوریکه شیب قسمتهای بالائی دامنه را بیشتر و در بخش های پائینی کمتر انتخاب شود، یا اینکه در چند مرحله به تدریج شیب تغییرکند، و نیز انتخاب شیب بیشتر در قسمت پائین دامنه و شیب کمتر در قسمت های بالائی دامنه در مواردی صورت گرفته است.
در مورد اینکه شیب استاندارد پایدار در دامنه ها چه مقدار باشد، نظریات مختلفی در تاریخ سد سازی مطرح شده است. بطوریکه در دهه های اول قرن حاضر هر چند پیشنهادها بر اساس تجربه های قبلی بوده است ولی سدهائی با شیب یک بر یک و نیم هم ساخته شده است و بعضی معتقد شدند که دامنه بالا دست کم شیب تر از دامنه پائین دست باشد و برخی بر خلاف این نظر رای دادند، و امروزه نظر متخصصین اینست که هر دو مورد ممکن است و صرفاً تابع شرایط می باشد. در 1933، پراکتور حداقل شیب را یک بر دو تعیین نمود.
عرض تاج
تاج یا قله سد خاکی نباید عرض کمتر از 4 متر داشته باشد و این مقدار حداقل لازم به منظور استحکام، و کنترل، تعمیرات، بررسی ها و عبور و مرور می باشد. بطور کلی انتخاب عرض تاج سد بستگی به ملاحظاتی متعدد دارد که از جمله عبارتند از: طبیعت مواد تشکیل دهنده سد، فاصله خط زه آزاد تا قله سد، ارتفاع نهائی و اهمیت تاج سد از نظر رفت و آمد، و اینکه جاده ای و راهی بر آن واقع شده و نیز چه وسایطی و با چه ترافیکی باید بر آن عبور کنند.
سر ریز در سدهای خاکی
سرریز سد عبارتست از مسیری پیش بینی شده برای عبور مقدار آبی که ما از ادبر حداکثر ضرفیت مخزن در نظر گرفته می شود، بطویکه بتواند همواره از بالاآمدن سطح آب مخزن به بالای تراز پیش بینی شده حداکثر جلوگیری کند. افزایش آب مخزن ممکنسن به علت نوسانهای بارندگی و سیلابها، یا کم شدن تخلیه آب، و غیره باشد و از اینرو ظرفیت سرریز باید با توجه به همه عوامل دقیقاً محاسبه شود.
بطور خلاصه، در مورد سدهای خاکی ممکنست سرریز را بدون ارتباط با بدنه سد، بصورت تونل یا کانالی در تکیه گاههای طبیعی سد تعبیه نمود و یا اینکه در بدنه سد جائی برای آن در نظر گرفت. بندرت در سدهای خاکی ممکنست از تاج سد به عنوان سرریز استفاده شود که در اینصورت استحکامات کافی برای پوشش سد و تاج آن لازم است. در مواردی نیز می توان برای یک سد دو سرریز در نظر گرفت که یکی برای وضعیت های معمولی و دیگری برای طغیانهای استثنائی منظور شده باشد.
ارتفاع آزاد
ارتفاع آزاد، طبق تعریفن فاصله قائم بین بالاترین تراز سطح آب مخزن (در موقع حداکثر طغیان) و تاج سد می باشد. حداقل این ارتفاع آزاد باید آنقدر باشد که تاج سد از اثر امواج مصون باشد.
بخشی از ارتفاع آزاد را به علت نشست احتمالی سد و بخش عمده ارتفادع آزاد را به علت ارتفاع موج آب در نظر می گیرند. مقداری که به علت نشست منظور می شود، 2 درصد ارتفاع سد است که در مناطق زلزله خیز یک درصد هم به علت نشست حاصل از زلزله به آن می افزایند.
مقدار لازم ارتفاع آزاد که به منظور مصونیت از تاثیر موج در نظر گرفته می شود مبتنی بر حداکثر سرعت با دهای آن منطقه (و حتی مدت عملکرد آنها) و حداکثر طول دریاچه می باشد. تعدادی روابط تجربی در این مورد برای محاسبه ارتفاع موج پیشنهاد شده است.
منظور از طول دریاجه در محاسبه ارتفاع موج، آن بعدی از سطح دریاچه است که در جلوی سد قرار می گیرد، بنابراین اگر ابعاد سد در امتدادهای دیگر کمتر یا زیادتر از طول دریاچه در جلوی سد باشد معمولاً برای تعیین ارتفاع موج در نظر گرفته نمی شود. برای دریاچه های با طول کمتر از 5/0 کیلومترن حداقل 60 سانتیمتر ارتفاع آزاد به علت موج منظور می گردد. ارتفاع موج در دریاچه های معمولی بین 1 تا 2 متر می رسد و حداکثر تا 5/2 متر گزارش شده است.
کلیاتی که در طراحی سدخاکی باید در نظر گرفته شود
بر اساس تجربیاتی که در ممورد شکستن و تخریب سدهای خاکی بدست آمده، می توان نکات ذیل را به منظور تامین ایمنی هر چه بیشتر و افزایش اطمینان در طراحی یک سدخاکی در نظر گرفت:
1- به منظور جلوگیری از خرابیهای حاصل از جریان آب از روی سد، لازمست:
الف: ظرفیت سرریز تا آن حد باشد که جریان حداکثر را بتواند عبور دهد.
ب: طرح چنان باشد که از سرریز شدن آب حاصل از امواج در شرایطی که سطح آب مخزن در بالاترین وضعیت است، جلوگیری گردد.
ج: ارتفاع اصلی تا آن اندازه باشد که حداقل ارتفاع آزاد را بعد از نشست کامل سد باقی بگذارد.
د: اقداماتی صورت گیرد که از فرسایش خاکریز سد به علت تاثیر امواج و نیز به علت اثر آبهای سطحی جلوگیری گردد.
ه: تاج سد بقدر کافی عریض باشد تا اثر امواج و اثر زلزله های احتمالی بر آن تاثیر مخرب نداشته باشد.
2- به منظور جلوگیری از خرابیهای حاصل از زه، مقدار جریان آب در بدنه سد و شالوده آن نباید تا آن حد باشد که تامین هدف از ایاد آن سد را خدشه دار سازد، و نیز فشار زه در هر نقطه در حدی باشد که موجب تخریب نگردد. بنابراین:
الف: مقدار کمی جریان زه در درون بدنه و شالوده باید به میزان پیش بین یشده محدود گردد.
ب: خطوط جریان زه (یا به عبارت دیگر، خط زه آزاد) در جبهه پائین دست حتی الامکان از سطح خارجی دامنه پائین دست دور نگهداشته شود تا موجب خرابی پوسته ای شدن نگردد.
ج: فشار زه در هر نقطه و نیز شرایط دانه بندی و یکنواختی خاک و نوع تراکم، بویژه در حد فاصل لایه ها و در حد فاصل تغییر دانه بندی مواد، چنان باشد که امکان ایجاد پدیده یا یپینگ وجود نداشته باشد.
د: امکان ایجاد نشست آب (به جز از مسیرهای معمولی و پیش بینی شده) در هر جائی باید به صفر برسد و الامکان بروز یا یپینگ را افزایش می دهد.
3- به منظور جلوگیری از خرابهیا ساختمانی لازمست:
الف: دامنه ها هرکدام در برابرکلیه نیروهای ممکن (از جمله زلزله) در تمام وضعیت ها پایدار باشند.
ب: تنش های برشی ایجاد شدهه در شالوده نباید از مقدار مجاز مقاومت برشی آن تجاوز نمایند.
تراکم خاک در سدهای خاکی
تراکم خاک در سدهای خاکی به روش های معمول تراکم صورت می گیرد. لایه های به ضخامت 15 تا 25 سانتیمتری در هر مرحله کوبیده می شوند. مشخصات مربوط به تراکم خاکها، تاثیر انرژی داده شده (نوع غلتک، ضخامت لایه، تعداد رفت و برگشت)، تاثیر سرعت حرکت غلتک، تاثیر نوع خاک، و تاثیر درصد آب در تراکم و غیره از مسائلی است که نیاز به بررسی دقیق و مفصل دارند.
بطور خلاصه یادآوری می گردد که برای یک نوع خاک مشخص، هر چه انرژی تراکم بیشتر باشد (مثلاً غلتک سنگین تر بکار برده شود) تراکم بیشتری صورت می گیرد، یعنی دانسیته خشک ما کزیمم حاصل بزرگتر و درصد رطوبت بهینه (متناظر با دانسیته خشک ما کزیمم) کمتر است. با یک روش تراکم (یعنی با یک مقدار ثابت انرژی) هر چه خاک مورد تراکم با دانه بندی گسترده تر و با پلاستیسیته کمتر باشد، تراکم پذیری آن بهتر است، بطوریکه با درصد رطوبت کمتری، دانسیته خشک ما کزیمم بیشتری می دهد ، و در حقیقت شن و ماسه مخلوط با مقداری سیلت ورس بهترین تراکم ، و سیلت ها و رس های پلاستیک و نیز مثلا ماسه با دانه بندی یکنواخت کمترین تراکم را نشان می دهد . تراکم خاک با رطوبت بیشتر از رطوبت بهینه را در سمت تر ، و با رطوبت کمتر از رطوبت بهینه را تراکم در سمت خشک می نامند .
سمت تر و سمت خشک غیر از تفاوتی که در مصرف آب دارند و همین ممکن است پارامتری قابل توجه به لحاظ مصرف آب باشد , تفاوت دیگری نیز دارند که عبارت است از اینکه در سمت خشک تاثیر انرژی داده شده نسبت به سمت تر بسیار زیاد است , به طوری که با مصرف یک مقدار معین انرژی در سمت خشک میتوان دانسیته را به مقدار معینی افزایش داد،در صورتی که با صرف همین مقدار انرژی در سمت تر ، افزایش دانسیته بسیار کمتر است .
همچنین باید توجه داشت که تراکم خاک در سمت تر موجب میشود که بافت خاک ریز دانه بطور نسبی بصورت موازی قرار گیرد ، در حالیکه در سمت خشک بطور نسبی بافت خاک پس از تراکم حالت در هم پیدا میکند و مقاومت نسبی بافت در هم بیشتر و نفوذ پذیری آن نیز بیشتر است ، بطوریکه نفوذ پذیری بافت موازی بطور نسبی صد تا هزار مرتبه کمتر از بافت غیر موازی است . به این علت توصیه می شود که مغزه سد که از جنس رسی است با رطوبت بهینه کوبیده شود ، هر چند در شرایط یکسان مقاومت بر شی آن کمتر از هنگامی است که در رطوبت کمتر از بهینه کوبیده شود ، با وجود این در مورد مغزه ، مساله نفوذ ناپذیری نقش اصلی را دارد . معمولا غلتک های صاف تقریباً بافت درهم ایجاد می کنند و غلتکهای ویبره و پاچه بزی موجب بافت موازی می شوند.
تاثیر تعداد رفت و برگشت غلتک در افزایش مقدار تراکم خاک، بر حسب نوع خاک و درصد رطوبت آن و نوع غلتک متفاوتست و از اینرو نمودار راندمان تراکمی غلتک در برابر تعداد رفت و برگشت آن در همه شرایط یکسان نیست، ولی بهر حال این نمودار به یک حدی می رسد که از آن حد به بعد ادامه دادن به رفت و برگشت غلتک، تاثیر قابل ملاحظه ای در افزایش دانیسته خاک ندارد و یا به هیچ وجه تاثیری ندارد. معمولاً بین 6 تا 12 مرتبه رفت و برگشت غلتک، راندمان آن به حدی می رسد که می توان از تاثیر دفعات بعدی آن صرفنظر نمود.
ممکنست بر حسب تشخیص طراح، میزان تراکم خاک سد در نقاط مختلف، یا در ترازهای مختلف یک سد متفاوت انتخاب شود و این به منظور تنظیم بخشی از نشست های نامساوی سد است، اما انتخاب تراکم متفاوت در یک تراز معین با احتیاط کامل باید صورت گیرد. آنچه باید مورد توجه کافی قرار گیرد اینست که لایه های پی در پی تراکم در یکدیگر قفل شده و حدفاصل آنها به صورت صفحه ای برای تمرکز زه و ایجاد افق های ضعیف تبدیل نگردد و نیز محیط های بلافاصله در حاشیه مجاری، کانالها و تونلهای خروج آب و موارد مشابه که بوسیله غلتکهای سنگین کاملاً کوبیده نمی شوند، با هر روش ممکن به حد تراکم سایر نقاط آن افق برسد. معمولاً رعایت این نکته یعنی کوبیدن حاشیه های محدود که با غلتکهای بزرگ مقدور نیست در مورد خاکهای اصطکاکی ساده تر صورت می گیرد، چه می توان با غلتکهای کوچک و در لایه های ضخیم تر و یا با غلتکهای دستی و نیز ارتعاشی آنها را به حد تراکم مطلوب رسانید، در صورتیکه برای خاکهای چسبنده انرژی زیادتر و یا کوبه های سنگین لازمست و باید لایه ها را بطور معمول نازک انتخاب نمود.
روش های آزمایشگاهی تعیین تراکم خاک، بطور معمول روش های تراکم سبک (استاندارد D-698-58T و ASTM) و تراکم سنگین یا آشوی اصلاح شده (D-1557-58T و ASTM) می باشند، هر چند یکی دو روش دیگر مثل روش USBR نیز استاندارد شده است که در تعداد معدودی از خصوصیات با تستهای استاندارد معمول متفاوتند.
روش های معمول در عمل برای کوبیدن خاک، بوسیله غلتکهای چرخ لاستیکی (مثلاً 50 تنی)، غلتکهای چرخ فلزی، غلتکهای پاچه بزی، ارتعاشی و غیره است. نتیجه تراکم خاک با غلتکهای معمولی تراکمی بالاتر از نتیجه تراکم استاندارد سبک وپائین تر از نتیجه تراکم سنگین می باشد. مزیت غلتکهای پاچه بزی در اینست که در ضمن هر حرکتی، علاوه بر اینکه سطح خاک بوسیه جدا را ستوانه چرخ آن کوبیده می شود، لایه زیر آن بوسیله انتهای زایده های آن کوبیده می گردد. فشاری که بوسیله یک زایده چنین غلتکهائی به خاک وارد می آید حدود Psi می باشد مشروطه بر آنکه 5 درصد از کل 240 زایده چرخ آن در تماس با خاک باشد.
چنانچه ضخامت لایه ها بعد از تراکم، 15 سانتیمتر برای غلتکهای پاچه بزی و 23 سانتیمتر برای غلتکهای چرخ لاستیکی 50 تنی باشد، قابل قبول و مناسب است، هر چند ضخامت های چند برابر این حد ممکنست بطور غیر استاندارد در مواردی وجود داشته باشند، یا بعضی از سدهای ساخته شده با لایه های ضخیم تر کوبیده شده باشند. بهرحال تراکم بر اساس ضخامت های ذکر شده برای غلتکهای پاچه بزی بوسیله 6 تا 12 رفت و برگشت از تشریح چگونگی اجراء آزمایشها و بهره گیری از نتایج آنها در اینجا صرفنظر شده است.
خرابی های سدهای خاکی و علت آنها
آماری که تا سال 1965 جمع آوری شده است نشان می دهد که تا آن تاریخ بیش از 200 سدخاکی با شکست روبرو شده است که بعضی از آنها تلفات جانی نیز همراه داشته اند. بعضی از این سدها حتی قبل از شروع بکار و بهره وری شکسته شده، و برخی پس از پرشدن مخزن یا در زمانهای بعد از آن تخریب شده اند. البته از تاریخ آن گزارش به بعد نیز موارد متعددی از خرابی ها وجود داشته است، ولی بهرحال تعداد سدهای خراب شده و بزرگی آنها در اینجاد مورد توجه نیست بلکه دسته بندی علت تخریب ها و نتیجه گیری کلی از آنها به منظور کاهش دادن خطرات شکسته شدن سد در طراحی های آینده از اهمیت خاصی برخوردار است.
پژوهشگرانی که در این زمینه مطالعه کرده اند، آمار خرابیها را به شکل های مختلفی طبقه بندی نموده اند تا اهمیت دقیق در پاره ای از مسائل سد را به خوبی نشان دهند. جدول زیر درصد علت های مختلف تخریب را به طور نسبی نشان می دهد.
انهدام حاصل از سرریز آب روی سد 30%
در اثر زه غیر مجاز و شسته شدن خاک 25%
گسیخته شدن دامنه ها 15%
شسته شدن کناره تونلها 13%
در اثر شسته شدن پوشش نفوذ ناپذیر بالا دست 5%
عوامل دیگری مانند زلزله و غیره 7%
علت هائی که معلوم نشده است 5%
جمع 100%
آمار دیگری که در نوع خود جالب می باشد، درصد خرابیها را برحسب سالهای پس از شروع کار سد، نشان می دهد. جدول زیر براین اساس تنظیم شده است.
علت خرابی سد
گسیخته شدن دامنه ها
در اثر
زه
شسته شدن کنار تولنها
در اثر سرریز غیرمجاز
تعداد سالهای بهره برداری قبل از تخریب
29%
24%
12%
12%
12%
11%
–
–
16%
34%
13%
13%
12%
6%
6%
–
23%
50%
9%
9%
5%
4%
–
–
9%
17%
9%
30%
13%
10%
9%
3%
1-0
5-1
10-5
20-10
30-20
40-30
50-40
100-50
از این آمار نتیجه می گیرند که عمده خطرها تهدید کننده سد تا 5 سال پس از شروع کار سد به حداکثر رسیده و دفعتاً کاهش می یابد، زیرا مجموع درصدها در سال اول 77 و از سال اول تا پایان سال پنجم 125 و در پنج سال بعدی 43 می باشد و هرچه سن سد بیشتر شود احتمال تخریب آن کاسته می گیردد. در ستون خرابی حاصل از سرریز، درصد زیادی در فاصله 10 تا 20 سال دیده می شود، شاید بتوان چنین نتیجه گرفت که بطور آماری تناوب سیلهای بزرگ هر 20 سال است.
آمار دیگری برای تخریب سدهای خاکی تهیه کرده اند که نشان دهنده درصد تخریب ها در ارتباط با دهه های قرن گذشته و حاضر است. طبق آماری که در جدول زیر ارائه گردیده سات دیده می شود که درصد زیادی از تخریب ها بین سالهای 1900 و 1930 اتفاق افتاده است، ظاهراً به این علت ماکزیمم درصد تخریب ها در این محدوده قرار دارد که در فاصله این دهه ها با پیشرفت علوم و تکنولوژی و نیازهای فوری، همچنان که در تمام زمینه ها پیشرفت هائی چشمگیر حاصل می شود، در زمینه سدسازی هم دست بکار ساختن سدهای بزرگتر می شوند و چون علم مکانیک خاک هنوز رشد کافی نداشته است و بدون در نظر گرفتن کلیه دقتهای لازم اقدام به ساختن سدهای خاکی بزرگتر نموده اند. تعداد سدهای خراب شده نیز افزایش یافته است. می توان متحمل دانست که درصد عدم موفقیت بعضی از پروژه های تکنولوژیکی دیگر نیز در فاصله همین دهه ها بیشتر از قبل و بعد از آن باشد، زیرا این دهه ها آغاز رشد اکثریت شعبه های تکنولوژیکی و پیشرفت های علمی و تجربی در کشورهای صنعتی می باشد و متحمل است که بسیاری پروژه ها در اولین تجربه ها با شکست روبرو شود هرچند این احتمال برای سازه های خاکی بیشتر است زیرا به علت خاکی بودن، ساده تر از آنچه هست با آن برخورد می شود. جدول یادشده بقرار زیر است:
گسیخته شدن دامنه
شسته شدن کناره تونل
در اثر زه
به علت سرریز
سالهای تخریب
–
–
–
3%
3%
16%
23%
26%
23%
3%
3%
–
7%
7%
11%
21%
18%
18%
18%
–
–
–
–
–
6%
4%
11%
19%
25%
13%
8%
6%
8%
–
–
–
6%
12%
23%
22%
14%
11%
9%
3%
60-1850
70-60
80-70
90-80
1900-1890
1910-1900
1920-1910
30-20
40-30
50-40
-50
کنترل زه در بدنه سد
الف- آب بندی در بدنه سد به منظور قطع کامل جریان زه یا به حداقل رسانیدن زه تا حد قابل قبول است. در سدهای خاکی مغزه دار نقش مغزه صرفاً آب بندی سازه سد می باشد ولی چون نفوذپذیری مغزه واقعاً صفر نیست، از اینرو جریان زه بهرحال متوقف نمی گردد بلکه با سرعت بسیار اندکی به جریان ادامه می یابد. هرگاه نقش مغزه به یک بخش نفوذناپذیر یا کم نفوذناپذیر با عرض کمتر واگذار گردد، آب بندی توسط جدار یا دیافراگم آب بند صورت می گیرد. این دیافراگم ممکنست از جنس رس ( با حجم بیشتر از سایر انواع ) یا چوب ، یا مصالح دیگر باشد . البته جداره های بتنی خطر شکستن و ناسازگار بودن در برابر نشست دارند . نوع دیگر از آب بندی در بدنه، توسط پوشش نفوذ ناپذیر در بالادست انجام می گیرد که ممکنست نقش اصلی یا کمکی را داشته باشد.
ب- زهکشی در بدنه سد به منظور جمع آوری و هدایت زه عبور کرده در بدنه یا از شالوده می باشد و هدف آن اینست که دامنه پائین دست حتی الامکان خشک نگاه داشته شود و نیز از ایجاد هرگونه اضافه فشار آب منفذی در مناطق مختلف سد جلوگیری گردد.
از آنجا که زهکش ها داراری نفوذ پذیری زیاد (واز قطعات درشت دانه) می باشند، لازمست ارتباط آنها با بدنه (و بخصوص با مغزه سد) بصورت تدریجی باشد یعنی الزاماً منطقه واسطه ای به نام فیلتربین زهکش و خاک بدنه تعبیه گردد. این فیلتر ممکنست از یک لایه و یا چند لایه تشکیل شده باشد که هر لایه ای برای لایه زیرین نقش فیلتر را دارد. وجود زهکش ها همراه با منطقه فیلتر نه تنها موجب هدایت زه و گردآوری و تخلیه آب به مجاری پیش بینی شده می گردد بلکه در مواردی که منطقه های ضعیف احتمالی در اثر گرادیان هیدرولیک آب برای شسته شدن و پوک شدن مستعد هستند، وجود یک فیلتر مناسب از این پدیده جلوگیری می کند و اصطلاحاً از پیدایش عمل پایپینگ ممانعت می کند، و نیز در مواردی که تکانهای حاصل از زلزله یا نشست های نامساوی موجب ایجاد شکافهائی در جسم سد گردد و آب بتواند با سرعت و دبی زیاد و پیش بینی نشده ای از آن ترکها جریان یابد، وجود فیلتر امکان ادامه این شکافها را تا پائین دست متوقف کرده و از تخریب سد جلوگیریس می کند. موجود فیلتر در تمام مواردی که دو لایه با دانه بندی متفاوت در کنار یکدیگر قرار دارند و نیز در جهت هدفهائی که در بالا ذکر گردید بویژه در طرفین مغزه سد، ضروری است.
به عنوان یک معیار، ظرفیت زهکش ها برای عبور دادن آب زه باید حداقل دوبرابر مقداری باشد که از رابطه دارسی حساب می شود. در مواردی که احتمال تقریب هائی در اندازه گیری ها باشد و یا تعیین مقدار دقیق ظرفیت براساس قانون دارسی میسر نباشد و در صورتیکه احتمال ورود آب از مجاری دیگری به غیر از نفوذ زه وجود داشته باشد، باید ضریب اطمینان را هرچقدر مقرر باشد بزرگتر انتخاب نمود. زیرا درصدی که برای تامین هزینه اضافی جهت ضخیم تر کردن زهکش بکار می رود سد را در برابر تخریب های حاصل از عدم ظرفیت زهکش بیمه می کند.
زهکشی در شالوده
بخشی از زهکشی شالوده توسط زهکش های افقی پایاب یا ترانشه های زهکشی و غیره انجام می گیرد که در قسمت قبل یعنی در مبحث زهکشی از بدنه توضیح داده شد. نوع دیگری از زهکشی شالوده، توسط چاههای آبکشی در جلوی شالوده ممکنست انجام گیرد که ممکنست در موارد استثنائی و بطور موضعی ضرورت داشته باشند. در شرایط بسیار معدودی ممکنست در تمام شالوده یا بخشی از آن بوسیله چاههای ماسه ای (به منظور تسریع تحکیم شالوده) بخشی از آب موجود در آن زهکشی شود.
تاثیر زلزله در عدم پایداری
به منظور تامین یک طرح صحیح که تاثیر زلزله در آن منظور شده باشد لازمست هرگونه اطلاعاتی از زلزله های گذشته مربوط به آن ناحیه گردآوری گردد و با وجود این شاید هرگز نتوان تصمیم قطعی گرفت که براساس چه شدتی از زلزله (که هم مطمئن باشد و هم اقتصادی) سد باید طراحی شود. تنها فرض کلی که می توان نمود اینست که با فرض وقوع یک زلزله شدید طراحی شود. البته اگر ناحیه اصلاً زلزله خیز نیست این فرض را نمی توان منطقی و اقتصادی تلقی نمود.
بهرحال از مشکل ترین مسایل طراحی سدخاکی، امروزه شاید هنوز مساله زلزله در نواحی زلزله خیز باشد و آنچه بیشتر دست آویزی برای طراح می تواند باشد بررسی تاثیر زلزله در سدهای موجود (چه آنهاکه تخریب شده اند وچه آنها که پابرجا مانده اند) می باشد و اینکه تاثیر این بررسی چه راهنمائی می تواند باشد اینست که در صورت وقوع زلزله چه نوع خرابیها ممکنست ایجاد گردد و برای جلوگیری از آنها روی یک سد خاص که مورد نظر طرح است چه اقدامات احتیاطی صورت گیرد که در صورت وقوع زلزله خرابیهای کلی ایجاد نگردد .
از آنجا که خوشبختانه خرابیهای زیادی در مناطقی که تمرکز سدهای خاکی است در اثر زلزله ایجاد نشده است، از اینرو تجربیات عملی زیادی هم در دسترس نیست ولی با وجود این خرابیهای ناشی از زلزله را می توان به گروه های زیرطبقه بندی نمود و برای هر گروه پیش بینی پایداری را در طرح در نظر گرفت:
1- تکان زلزله موجب ترک خوردن قسمتهای فوقانی سد می گردد که این ترکها ممکنست منحصراً در هسته باشند و از آنها جریان آب ایجاد گردیده و چنانچه اقدامات احتیاطی وجود نداشته باشد منجر به عمل پایپینگ و سرانجام تخریب سد می گردد.
2- تکان زلزله موجب نشست بدنه یا شالوده می گردد و تاج سد نشست می کند و در اثر کم شدن ارتفاع آزاد، آب از بالای سد جاری شده و سد تخریب می گردد.
3- تکان مخزن موجب پیدایش موجهای بزرگ و آهسته ولی نوسانی در سطح آب می گردد که چنانچه ارتفاع آزاد زیاد نباشد آبهای مخزن به دامنه پائین دست ریخته و چه بسا که موجب تخریب گردد.
4- به علت زلزله ممکنست زمین لغزه هائی روی دهد که چنانچه این زمین لغزه ها به درون مخزن باشد و حجم مواد لغزش یافته مقدار قابل ملاحظه ای نسبت به حجم مخزن باشد، سرریز تکافوی تخلیه آبراندارد و نهایتاً آبهای اضافی از تاجگ سد گذشته و سد را تخریب می کنند. علاوه بر این زمین لغزه ها موجب آسیب رساندن به تاسیسات خروج آب می گردند و چه بسا مسیر سرریز را تخریب یا مسدود کنند که در اینصورت نیز آب از تاج سد سرریز می گردد.
5- چنانچه در زیر سد و در شالوده ماسه های سست و تا حدی یکنواخت وجود داشته باشند در اثر زلزله به حد روان گری (Liquefaction ) می رسند که مقاومت آنها کلاً ناچیز شده و عوارضی چون زمین لغزه، ترک خوردگی، حرکات افقی و یا تخریب کلی را موجب می گردند. همچنین وجودرسهای اشباع حساس در شالوده، ممکنست در اثر ارتعاش های زلزله به مقاومت ناچیز برسند.
6- شیروانی های طرفین سد ممکنست در اثر زلزله به مرحله گسیختگی برسند و یک یا هر دو دامنه تخریب گردند.
7- چنانچه گسل فعالی در مخزن سد باشد که امتداد آن بستر مخزن را قطع کند اگر خود موجب زلزله نیست ممکنست قسمتی مهم از بستر مخزن را به بالابر اند که این پدیده موجب کاهش حجم مخزن می گردد و آب های اضافی را از تاج سرریز می نماید.
8- اگر گلسی دقیقاً زیر شالوده سد باشد علاوه بر آنچه که گذشت ممکنست مستقیماً موجب شکستن بدنه سد گردد که در صورت عبور آب از شکاف ایجاد شده تخریب سد را بوجود می آورد.
در زمینهای معمولی یعین زمینهائی که احتمال وقوع زلزله در آنها نیست چندین تیپ سد و برای نقاط مختلفی از یک ناحیه مورد نظر مورد بررسی قرار می گیرد تا بهترین و محکم ترین و اقتصادی ترین را با توجه به امکانات آن ناحیه بتوان انتخاب نمود. در زمینهای زلزله خیز هر طرحی را باید در برابر کلیه خطرات احتمالی ناشی از زلزله نیز کنترل نمود، هرچند متاسفانه نه هنوز روشن نیست که بهترین روش برخورد با مساله به لحاظ کمی چگونه است. آنچه یک مهندس طراح بر اساس آن می تواند قضاوت کند مشاهده و بررسی تاثیر زلزله های گذشته و یک سری محاسبات مبتنی بر فرض های صحیح و منطقی می باشد که معمولاً ممکنست پس از دخالت دادن ضرایب اطمینان مربوط به موارد مختلف، طرحی بدست آید که نه اقتصادی است و نه مشابه آنچه که در همان زمین ولی در شرایط بدون زلزله می توانست قابل قبول باشد.
در یک طرح قابل قبول لازمست هشت مورد ذکر شده کنترل شود و در صورت لزوم برای جلوگیری از خطرات مربوط به هر مورد اقدام مقتضی پیش بینی گردد.
به عنوان تذکر لازمست یادآوری گردد که سرریز و کلیه مجاری خروج آب باید از مسیرهائی باشد که امکان تخریب آنها و مسدود شدن آنها به حداقل برسد.
در هر زمینی امکان نشست بدنه و شالوده سد وجود دارد که این نشست ممکنست موجب ترک خوردن سد گردد و ترکها ممکنست طولی، عرضی و یا مورب باشند. لازمست پیش بینی این موارد چنان باشد که ترکهای ایجاد شده قابل تعمیر بوده و موجب تخریب کامل نگردند. در زمینهای زلزله خیز دامنه ها با شیب کم ساخته شوند و ارتفاع آزاد بیش از حد محاسبه در طرح معمولی در نظر گرفته شود. شاید تعیین مقدار دقیق اضافه ارتفاع آزاد به علت نشست خاک و تاثیر امواج سطحی آب در اثر زلزله مقدور نباشد اما تامین یک ارتفاع آزاد اضافی معمولاً هزینه فوق العاده ای را تحیمل نمی کند، بویژه اینکه هرچه ارتفاع آزاد بیشتر باشد هزینه ساخت سرریز را برای شرایط معمولی کاهش می دهد.
اقداماتی جهت جلوگیری از تخریب ناشی از ترک خوردن باید پیش بینی شود، گر چه هیچگونعه قانون کلی دراین زمینه نمی توان ارائه داد و فقط بستگی به قضاوت و روش بینی طراح دارد. اگر امکان تخلیه سریع بروز ترکهای جریان دهنده آب می توان امیدوار بود که (در صورتیکه مسئولین به موقع از آنها آگاهی یابند) از تخریب سد جلوگیری می شود.
گرچه در مناطق غیرزلزله خیز نیز معمول است ولی در مناطق زلزله خیز وجود فیلتر مطبق همراه با زهکش با ظرفیت کافی بلافاصله روی مغزه سد در دامنه پائین دست ضروری است. این فیلتر باید تا تاج سد ادامه یابد. دانه بندی، ضخامت، کوبیدن و نفوذپذیری فیلتر باید با دقت انتخاب شود و از مواد فاقد چسبندگی باشد. وجود این سیستم غیر از نقش اصلی آن در اینجا جلوگیری از تخریب ناشی از ترک خوردن می باشد، زیرا چنانچه در اثر زلزله در مغزه سد شکافی ایجاد شود و موادرسی مغزه نتواند خود به خود در اثر تورم شکاف را مسدود کنند آنگاه این مواد ریزدانه شسته شده و از شکاف خارج می شوند، و در اینحال ضمن توسعه شکاف همراه با حرکت سریع آب بدنه سد تخریب می گردد. در صورتیکه فیلتر مناسب در مسیر باشد به عت اینکه مواد فیلتر دانه ای است در آن شکافی باقی نمی ماند و در عین حال از شسته شدن موادرسی مغزه نیز جلوگیری می کند.
نشت سد
به علت وزن ساده سد که با رقائم و توزیع شده بریک محوطه وسیع است، زمین زیر آن الزاماً نشست خواهد داشت. مقدار و نوع این نشست بستگی به نوع زمین و مقدار بار دارد. در زمینهای سنگی و آبرفتی شن و ماسه ای نشست تقریباً به طور کامل در ضمن ساختن سد اتفاق می افتد و در مقابل در زمینهای رسی- سیلتی نشست کامل در طول سالها پس از تکمیل سد ادامه می یابد، هرچند ممکنست قسمت عمده آن در ضمن ساخت سد صورت گیرد. ذیلاً مواردی از نشست های اندازه گیری شده به عنوان نمونه نقل می شوند.
سد USBR Fresno در Mcntana با ارتفاع ماگزیمم 75 فوت که بر روی سیلت و رس نرم بنا شده است تا حدود 8 فوت نشست داشته است که نیمی از آن در ضمن بنای سد اتفاق افتاده است. سد Mission Dam روی رودخانه Bridge در بریتیش کلمبیا که در سال 1960 تکمیل شده، با ارتفاع 150 فوت (روی شالوده ای ضخیم از موادرسی) تا 15 فوت نشست برای آن پیش بینی شده است که نیمی از این مقدار در ضمن بنای سد صورت گرفته است. یک مورد استثنائی دیگر نشست سد Fort Peck روی رودخانه میسوری می باشد. این سد که به ارتفاع 200 فوت است 16 فوت نشست داشته است.
نشست شالوده های ماسه ای شنی معمولاً تمام آن در ضمن بنا صورت می پذیرد. مقدار این نشست از چند اینچ تا چندین فوت متفاوتست، که بستگی به دانیسته نسبی زمین و نوع دانه بندی خاک و مقدار بزرگی سد دارد. مثلاً سد Serre-Poncon در فرانسه که در زیر آن بیش از 300 فوت آبرفت دانه ای متراکم قرار دارد نشست کلی آن در ضمن بنای آن 18 اینچ گزارش شده است. از طرف دیگرن مثلاً سد Fort Randall به ارتفاع 160 فوت روی رودخانه میسوری که زیر شالوده آن 170 فوت آبرفتهای سیلت و ماسه ای ریز می باشد، تا 5/6 فوت نشست داشته باشد.
علاوه بر نشست زمین به علت وزن سد، به علت وزن آب روی دامنه بالادست و روی بستر مخزن نیز مقداری نشست پیش بینی می شود. البته اندازه گیری نشست بستر مخزن پس از پرشدن بسیار دشوار است. با وجود این در نقاطی این اندازه گیری انجام گردیده و مقدار نشست را نشان داده است. مثلاً برای سد Boul der نشست نقاط میانی، بستر مخزن تا 7 اینچ گزارش شده و برای سد Garrison در رودخانه میسوری نشست نقاط میانی بستر دریاچه 1 تا 2 فوت اندازه گیری شده است.
اثرات نشست سد
بطور کلی مقدار نهائی نشست یک سد بستگی به نوع زمین و بار سد (یعنی ارتفاع آن) دارد، اما در مورد نشست های تحکیمی، زمان رسیدن به حد نهائی نشست بستگی به نفوذپذیری شالوده و شرایط زهکشی دارد.
در شالوده های سنگی و آبرفتت های درشت دانه نشست تدریجی تقریباً ناچیز (ویا صفر) است و نشست تدریجی سد فقط مربوط به بدنه سد است.
در کلیه سدهای خاکی نشست تاج سد، بهرحال نامساوی است هرچند ممکنست متقارن باشد زیرا بار سد در بخش محوری ماگزیمم است و در پنچه ها به صفر می رسد. شرایط دیگر مثل ناهمگن بودن شالوده، وجود لایه های به ضخامت های متفاوت، وجود زهکش در یکطرف سد، وجود بار آب در بالا دست، موجب نامتقارن شدن نشست ها نیز می گردند.
تاثیر نشست نامساوی حتی اگر متقارن باشد در بخش های مختلف سازه سد قابل اغماض نیست که بطور خلاصه می توان به عمده این تاثیرها اشاره نمود. اگر آب بندهای درون سد از مواد شکننده (مانند بتن) باشد در معرض صدمه دیدن قرار می گیرند و اگر این آب بندها از نوع پرده سپرهای فولادی باشد امکان بازشدگی قفل آنها وجود دارد. همچنین حد فاصل های دانه بندی های مختلف، در اثر نشست نامساوی امکاناً نظم وتراکم اولیه را از دست می دهند. از همه معمول تر، ایجاد ترک های طولی عرضی یا مورب در سد می باشد که در تمامی موارد ذکر شده ممکنست منجر به پدیده یا یپینگ و سرانجام تخریب سد گردد.
بدیهی است که تاج سد در مجموع بیش از ترازهای دیگر نشست خواهد داشت زیرا علاوه بر نشست شالوده، نشست بدنه سد نیز در آن پدیدار می گردد و مقدار این نشست باید در محاسبه ارتفاع آزاد منظور گردد. معمولاً در سدی که به خوبی کمپاکت شده باشد نشست تاج سد به عت نشست بدنه سد به ندرت ممکنست که از 25/0 درصد ارتفاع سد تجاوز کند.
در شرایط معمولی می توان نشست تاج سد را به علت نشست بدنه سد 2% ارتفاع را نیز به علت زلزله منظور داشت. اما برای کل نشست تاج سد نمی توان رقمی را ذکر نمود زیرا چنانکه اشاره شد بستگی به تعدادی شرایط تعیین کننده دارد. در مثالهائی که ذکر شد در مواردی نشست سد به علت شالوده فشارپذیر حتی تا ده درصد ارتفاع هم نشان داده شد.
تعیین نشست های تحکیمی (که نسبتاً قابل توجه می باشد) شالوده بر اساس مشخصات تحکیمی آن که باید در آزمایشگاه بدقت تعیین گردد صورت می پذیرد، هرچند نمی توان مطمئن بود که آنچه اتفاق خواهد افتاد عیناً همانست که براساس نتایج آزمایشگاهی پیش بینی شده است.
زیرا صرفنظر از دستخوردگی نمونه ها و تقریب هائی که در آزمایش و در محاسبه دخالت می کند، شرایط واقعی خاک در زمین از نقطه ای به نقطه ای دیگر متفاوت بوده و بسیاری از ویژگی ها ینقاط مختلف شالوده واقعاً معلوم نیست و در کل، عکس العمل شالوده در زیر بار سد فقط فقط هنگامی مشخص می شود که سد بر آن قرار گیرد و چند سال بر آن بگذرد. با وجود همه این عدم قطعیت ها در تعیین عکس العمل شالوده، طراح می تواند براساس نتایج آزمایشگاهی با احتمال زیاد شرایط خطرناک را پیش بینی کند، مثلاًٍحدودی برای حداکثر نشست تخمین بزند و یا برای نقاط حساس شالوده، مثلاً در مجاورت آب بندها اثر نشست را بررسی کند.
پدیده نشست ممکنست بر میزان زه آب در شالوده نیز تاثیر بگذارد و شرایط بعدی حرکت آب و آب بندی آن چنانکه در زمان ساخت سد است نباشد و در نتیجه این تغییرات، مقدار زه آب افزایش یابد. در چنین مواردی نیز لازمست طرح بر اساس بحرانی ترین وضعیت ممکمن زه باشد. هرچند ممکنست محافظه کارانه باشد ولی بهرحال از تخریب شدن سد به علت زه پیش بینی نشده جلوگیری می کند.
در مواردی که نشست های تحکیمی زیاد پیش بین یمی شود می توان ساخت سد را در چند مرحله انجام داد، در نتیجه قسمت عمده نشست قبل از اتمام سد صورت می گیرد و در مراحل اولیه ساخت عکس العمل زمین و سازه سد مشخص می گردد و چنانچه مواردی مشاهده شود که ممکنست موجب تخریب سد گردد هنوز امکان اصلاح و کنترل و محکم سازی وجود دارد. بهرحال در مرحله نهائی ساخت سد، تغییر شکل ها به حداقل می رسد زیرا خاک شالوده در اثر فشار قابل توجهی تحکیم یافته است، آنگاه فشار نسبتاً ناچیزی بر آن وارد می آید.
تکنیک دیگری که به منظور تسریع تحکیم و نشست خاک شالوده بکار برده می شود استفاده از چاههای ماسه ای است که عمل آنها کوتاه کردن مسیر زهکشی در تحکیم سه بعدی خاکست در نتیجه زمان حصول نشست نهائی کوتاه می گردد و قسمت عمده نشست شالوده در ضمن ساخت سد انجام می گیرد، در نتیجه چنانچه اشکالاتی بروز کند قابل علاج و اصلاح می باشد و نیز در بخش های بالائی سد نشست های نامساوی که احیاناً موجب ترک برداشتن سد می شود پدیدار نمی گردند.
اینکه قطر چاهها و فاصله آنها باید چگونه باشد بستگی به شرایط تحکیمی خاک، میزان بزرگی سد ومقدار مورد نظر در افزایش سرعت تحکیم دارد.
سده های خاکی وپاره سنگی نسبت به سایرانواع سدها انواع سدها(سدهای بتنی) در برابرزلزله بیشتر مستعد تخریب می باشند .
باوجود این ، بررسی دقیق پایداری سدهای خاکی در برابر زلزله از پیچیده ترین مسائل در حوزه سازهای خاکی است علت این پیچیدگی وعدم قطعیت درنتیجه گیری در حال حاضر این است که مجموعه ی معلومات وروابط بین آنها درتحلیل این مساله بسیار متفاوت ومتنوع است .
تنوع خواص بدنه سدهای خاکی مخصوصا رفتار دینامیکی آنها ، گوناگونی جنس وضخامت وشرایط دیگر شالوده ی آنها ( که هرکدام در انتقال ،تضعیف ویاتقویت امواج لرزه ای نقش اساسی دارند) ،وتفاوتهای اصولی ویژگیهای موثر زلزله ها مانند فاصله مرکز زلزله تا سد، شدن وطول امواج ومیزان استهلاک همه عواملی هستند که هرکدام از آنها می تواند در واکنش دینامیکی سد نقش مهمی را داشته باشد.
از اینرو باید انتظار داشت که در یک تحلیل دقیق ریاضی که مبتنی ومبنای قضاوت و اطمینان طراح قرار میگیرد ویژگیهای متنوعی کاملا مشخص وشناخته شده باشد و ارتباط این ویژگیها با پایداری براساس یک تحلیل ریاضی استوار باشد ، در غیر این صورت درجه اعتبار آن تحلیل یا میزان ابهام وتقریب آن مشخص نخواهد بود.
سیر پیشرفت شناخت وچگونگی تاثیر زلزله بر سد خاکی ؛
هرچند موضوع آسیب پذیری سدخاکی در برابرزلزله از زمانهای قبل توجه مورد توجه بوده است، ولی چون اصولا تعداد اندکی از سدهای بزرگ در اثر زلزله آسیب دیده اند (مثل سد شیفلید sheffield در سانتاباربارا Sonta Bara در زلزله سال 1950 ونیز تخریب خاکریزی به ارتفاع 5 متر در آنکوریج در زلزله سال 1964 آلاسکا از اینرو نسبت به ماهیت تاثیر زلزله بر پایداری سدهای خاکی به طورجدی و قطعی برخورد نمی شد .با وجود این وباتوجه به اینکه برخی از سدهای خاکی و برخی ازخاکریزها در اثر وقوع زلزله آسیب دیدند یا فرو ریختند از اواخر دهه ی 1950 به بعد در ایالت متحده توجه بیشتری به موضوع پایداری سدهای خاکی در برابر زلزله معطوف گردید وبه تدریج روش های بررسی این مساله گسترش یافت.
بسیاری ازمهندسین براین عقیده اند که سدهای خاکی در برابر زلزله اصولا پایدارند وبه عنوان مثال ، از سدهای زیریاد می کردند :1-سد Crystal Springs نزدیک سانفرانسیسکو، روی گس سان اندر یاس( SanAndreas) که در زلزله 1906 سانفرانسیسکو به اندازه ی 5/1 متر در اثر حرکت لغزشی گسل جابجایی داشته ولی تخریب نشده است.
2- سدهای دیگری که در کالیفرنیا ونقاط دیگر، از اوایل قرن حاضر دستخوش زلزله شده اند ولی تخریب نشده اند .
3-سد Hebgen که در 210 متری گسل اصلی قرار دارد در زلزله 1957 موسوم به زلزله Hebgen Lake به اندازه ی 5/6 متر جابه جا شده ولی تخریب نشده که مقطع آن در شکل (1) دیده می شود.
پاسخ سید (seed) یکی از محققین این رشته است به این گروه از مهندسین به شرح زیر است :
1-سد کریستال اسپرینگ در زمان زلزله به صورت یک گذرگاه خشک در میان دودریاچه آب با تراز سطح آب مساوی در طرفین قرار داشته است و معلوم نیست که تاثیر زلزله برآن چگونه بوده است.
2- بین تکان شدید حاصل از زلزله ممکن است تفاوت زیادی وجود داشته باشد ؛ مثلا در زلزله Arvin-tehachapj ی کالیفرنیا در سال 1952 ، تعداد زیادی از سدهای این منطقه تحت تاثیر زلزله قرار گرفته اند، اما چون از گسل اصلی فاصله زیادی داشته اند ، شدت تکانهای در آنها متناظر با g05/0 بوده است ، درحالیکه شدت زلزله های کالیفرنیا در نزدیک به گسل منتاظر با g05/0 نیز بوده است .
در مورد سد هبگن (hebgen) ، اینکه سد در زلزله 1957 نهایتا پایدار مانده است استثنایی و خارق العاده است زیرا تاثیر آن زلزله با بزرگی 6/7 ریشتر به صورمختلف به سد آسیب رسانده است ،به طوریکه هرکدام از آن تاثیرها به تنهایی پتاسیل تخریب سد را داشته است .به منظور توضیح این واقعیت، مشاهدات گزارش شده در مورد آن سد ذیلا خلاصه می شود.
1- نشست کلی سراسری منطقه سد در اثر حرکت تکتونیکی زمین که مقدار این نشست برای لایه سنگی در شالوده ی سد به اندازه ی 9/2 متر ، ومتوسط نشست مخزن 1/3 مترمحاسبه شده است.
2- نشست تاج سد نسبت به سنگ زیرین در طرف سرآب 2/1 متر و در سمت پایان 8/1 متر اندازه گیری شده است (شکل 1)
3- ایجاد ترکهای متعدد تا عرض 8 سانتیمتر در هر مغزه بتنی سد
4- ترکهای طولی قابل توجه به عرض 8 تا 30 سانتی متر در هر طرف سد
5- پیدایش نشت آب درکناره ها که این نشت هابعد از مسدود شدن ترکهای داخل سر ریز متوقف گردید.
6- پیدایش امواج در سطح آب مخزن که ارتفاع موجها اقلا تا یک متری بالای تاج سد رسیده وحداقل 4 مرتبه برای مدت 10 دقیقه این پدیده رخ داده است.
7- وقوع زمین لرزه های متعدد در اطراف مخزن
8- وقوع یک سنگ لغزه بزرگ در پایاب که تقریبا 50 میلیون تن سنگ را جا به جا کرده است .
9- یکی از متخصین که در بعد از وقوع زلزله از سده باز بینی می کند ضمن تاثیر موارد فوق اظهار می دارد که : " پایدار ماندن سد در چنین شرایطی فقط به علت یک ترکیب مناسب ازحوادث بوده است و گرنه هر کدام ازموارد یاد شده می توانست سدرا تخریب کند. مثلا اگر گسل فعال مانند اکثر گسل ها از دره می گذشت سد رابه دونیم کرده بود فوران آب ازمحل شکستگی جوار بتی در عرض 2 ساعت سد را از میان برداشته بود. همچنین جای خوشبختی است که سنگ بستر شالوده ی سد که دیواره ی بتنی مغزه را نگاه داشته است تقریبابه همان اندازه که کل مخزن در طول 32 کیلومتر پایین رفته است ( حدود 3 کمتر ) انهم نشست کرده است . اگر نشست شالوده به مقدار قابل ملاحظه بیش از بقیه حوزه ی مخزن می بود، سر ریز مقدار هنگفتی آب را سد را تخریب می کرد . بعلاوه نشست بستر مخزن وشالوده ی سد یکنواخت بوده است ، اگر این نشست یکنواخت نمی بود امکان ایجاد پدیده ی امکان ایجاد پدیده پایپینگ در اثر شکستن جدار بتنی بسیار زیاد می بود چنانچه زمین لغزه های رخ داده و درکنار سد در دامنه سد اتفاق می افتاد و یا اگر سنگ لغزه بزرگ که 11 کیلومتری پایاب اتفاق افتاده است درمخزن روی می داد، بازهم سد پایدار نمی ماند .
برای بیان نمونه ای از این گونه سنگ لغزه های در اطراف سدها می توان از رخ دادن یک سنگ لغزه بزرگ در مخزن سد معروف ویون vaiont روی رودخانه ای به همین نام وبه ارتفاع 265 متر در ایتالیا که بلندترین سد قوسی دنیا است نام برد. سنگهای حاشیه ای قویا مسلح شده اند .قبل از ساخت آن چندین مدل کوچک از سد ساختند در برابر بارکامل تست کردند.در نوامبر 1960 یک سنگ لغزه به حجم 700 هزار متر مکعب درمخزن سد اتفاق افتاد وتوجه مهندسین را به مسایل پایداری سد جلب نمود و به این علت اندازه گیریهای صورت گرفت ونیز سطح آب مخزن پایین آورده شد .در اکتبر 1963 سنگ لغزه بزرگی درمخزن آن اتفاق افتاد که حدود 250 میلیون متر مکعب سنگ را در زمان کوتاهی جا به جا نموده و به درون مخزن فروریخت و براثر آن آب مخزن از سد سر ریز شده وشهر کوچک longarone را ویران نموده وموجب غرق شدن حدود 2500 نفر گردید .
توده های سنگی که از طرفی از مخزن لغزیده اند ودر طرف دیگرمخزن به ارتفاع 100 تا 150 متر بالا رفته اند هنگام رخ دادن این حادثه سطح آب مخزن 23 متر پایین تر از تراز ماگزیمم آب بوده وحجم اضافی مخزن 55 میلیون متر مکعب بوده است وتخمین زده می شود که در ضمن این حادثه ،سطح آب مخزن در یک طرف تا 250متر ودر طرف دیگر تا 150 متر از تاج سد بالا رفته است وحدود 30 میلیون مترمکعب آب به داخل دره باریک جلوی سد سرازیر شده است وحجمی را به ارتفاع 240متر وعرض 150متر در بالا وعرض 20متر در پایین شامل می شده است . با وجود این سازه ی سد کاملا مقام و پایدار مانده است .
درمورد سد هگبن از طرفی گسل فعال یک گسل قائم بوده است وحرکت آن موجب نیروهای اینرسی قائم شده و این نیروها اثر تخریبی بسیار کمتری از اثرتخریبی نیروهای اینرسی افقی دارند و همچنین چون نیازی به استفاده از سر ریز سد قبل از تعمیر آن نبوده است قبل از تعمیر آن آب از آن عبور نکرده است ، در صورتیکه لازم می بود که آب از سر ریز عبور کند بدون اینکه تعمیر شده باشد در این صورت نیز سد تخریب می شد. البته باید پذیرفت که طراح سد ،نهایت دقت را احتیاط را در طرح ساخت سازه ی سد محلوظ داشته است .
به علت اینکه سد هبگن در اثر زلزله تخریب نشد ، از اینرو مطالعه و بررسی این سد نتوانست بر ارزیابی روشهای موجود طراحی ضد زلزله سد نقشی داشته باشد وبعلاوه یک طراح کم اطلاع از وقوع حوداث مذکور ،ممکن است پایداری سد را حاصل از مقاومت ذاتی آن بداند ،درحالیکه اگر یکی از موارد نامبرده شده درجهت خسارت واقع شده بود آنگاه تمام دریاچه سد به صورت سیلی فوق العاده عظیم اراضی پائین دست را در نور دیده بود.
هرچند از سالهای 1950 به بعد به مساله طرح مقاوم سد خاکی در برابر زلزله توجه بیشتری معطوف شده است ولی تا حدود سالهای 1970 در ارزیابی دقیق مساله پیشرفت چندان سریعی صورت نگرفت و پاسخ این مساله که چگونه می توان یک سد خاکی را در برابر زلزله مقاومترنمود روشن بود ، وچنانکه یکی از متخصصین سد سازی ( یعنی شرارد) تذکر می دهد اطمینان مهندسین در ساختن سدهای خاکی در درجه اول به این علت بود که صدها سدخاکی بزرگ وهزاران بند خاکی همچنان پایدار باقی مانده اند و در برابر زلزله استحکام کافی نشان داده اند.
لازم به یاد آوری است که از سال 1945 تا 1965 (یعنی در فاصله 20 سال ) حدود 4 هزار سد درجهان ساخته شده است که 55 درصد از این تعداد را سدهای خاکی وپاره سنگی تشکیل می دهد وبنظر می رسد که این نسبت روبه افزایش است و آمار دیگری نشان میدهد که در سال 1965 تنها در ایالات متحده آمریکا 3500 سد بزرگ ودر ژاپن 2000 سد بزرگ وجود داشته است از طرفی به لحاظ تکرار زلزله ها ، سالیانه 1000 زلزله کوچک وهر دوسال یک زلزله بزرگ در ژاپن اتفاق می افتد
بطور کلی ، کندی پیشرفت تحلیل کمی اثر زلزله بر سد خاکی را تا سالهای 1970 باید در دو علت زیر توجیه نمود:
1-عدم دسترسی به موارد واقعی ومشخص سدهای خاکی تخریب شده ،
2- عدم شناخت دقیق مکانسیم تاثیر تخریبی جنبش زلزله بر جسم سد خاکی
از طرف دیگر شواهد موجود برای دستیابی به نوعی تحلیل تفضیلی در این زمینه ، بقدر کافی متعدد ومتنوع نیستند ، زیرا :
1-تعداد اندک از سدهای خاکی در اثر زلزله تخریب شده اند ،
2-تعداد زیادی از سدهای خاکی در ضمن زلزله آسیب شدید دیده اند،
3-تعداد اندکی از سدهای بزرگ تحت تاثیر جنبش های حاصل زلزله های شدید قرار گرفته اند چنانچه در گزارش که در سال 1962 ارائه شد به این مطلب اشاره شد که تخریب نشده است ، هرچند عدم تخریب را نمی توان به عنوان دلیلی بر کارآئی روش های طراحی سدها منظور داشت ، زیرا هیچکدام از سدهای بزرگ ساخته شده از 1935 به بعد اصلا در معرض جنبش های زلزله های شدید قرار نگرفته اند تا بتوان درباره کارائی طرح آنها قضاوت نمود.
4- در مواردی که سدهای خاکی از اثرات شدید جنبش های زمین مصون مانده اند ، یانوع ساخت آنها اتقافا با شرایط سازگار بوده است ویا در برابر یک نوع خاصی از جنبش زمین عکس العمل مناسب ومقاوم داشته اند .
با یک دید اجمالی ، روش های بررسی پایداری جسم سد را در برابر زلزله می توان به ترتیب پیشرفت این روش ها در سه گروه طبقه بندی نمود.
1- روشهای شبه استاتیک ، که در این گونه روشها ، تحلیل پایداری بدون توجه به زمان و بدون توجه به جابجائی لغزشی درون خاک ونیز بدون به هر گونه تغییری خواص خاک انجام می گیرد وتقریبا نتیجه حاصل از آنها اطمینان بخش نیست .
2- روشهای مبتنی بر تحلیل های دینامیکی ؛ که نسبت به روشهای شبه استاتیک پیشرفته تر می باشد وبه ویژه با استفاده از تکنیک های محاسباتی عناصر محدود تفاوت های محدود ، نکات مهمی را در تحلیل مساله روشن می کنند.
3- روشهای جدید ، که در آنها توجه عمده به ویژگی های واقعی محیط مورد بررسی است ، این ویژگی های عبارتند از :
خواص مقاومتی اولیه خاک قبل از وقوع زلزله ها و نوع تغییر این خواص در ضمن وقوع جنبش های حاصل از زلزله ، خواص دینامیکی خاک در ضمن زلزله ،ونوع تغییر مقاومت خاک در زمان از آغاز اولین ضربه زلزله ها تا لحظه ی که مجددا " وضعیت تنش های درون خاک تثیبت گردد. در این روش ها معیار را ارزیابی پایداری، از بررسی ضریب اطمینان به بررسی مقدار جابجایی نسبی برشی و سرعت نسبی آن منتقل گردیده است علاه بر انچه که در مورد بررسی پایداری جسم سد خاکی در صفحات گذشته شرح داده شد ، میتوان علل محتمل آسیب پذیری سد خاکی را در برابر زلزله به شرح زیر پیش بینی و ارزیابی نمود ( البته وقوع زلزله بر سد هبگن گرچه منجر به تخریب آن نشد – لزوم توجه به این موارد را تقویت نمود):
1- شکست و فرو ریختن سد به علت وجود گسل اصلی در زیر قاعده سد
2-گسیختگی دامنه های سد در اثر جنبش زمین
3- از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر نشست نامتعادل در منطقه
4- از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر لغزش دامنه های وعریض شدن سد
5- لغزش سد روی لایه های ضعیف
6- سر ریز شدن آب از روی سد در اثر ایجاد امواج درسطح آب
7- سر ریز شدن آب از روی سد در اثر رخ داد ناگهانی زمین لغزنده در مخزن
8- شکست سر ریز یا لوله های خروجی آب به علت های مختلف ، ونیز مسدود شدن لوله های خروجی ، سر ریز، و یازهکش ها
9- روانگری ماسه های اشباع با دانسیته کم ویا از بین رفتن مقاومت رس های اشباع شده دراثر ارتعاش زلزله،که در هرمورد مقاومت آن بخش به مقدار ناچیزی می رسد .تعداد محدودی از موارد ذکر شده در بالا را می توان بطورکمی بررسی نمود وطرحی را انتخاب نمود که ضریب اطمینان کافی داشته باشد ، ولی اکثریت این موارد قابل محاسبه نیست وفقط می توان وقوع احتمالی آنها را پیش بینی نمود.بنابراین احتیاط مناسب این است که برای هر موردی پیش بینی خاص آن در نظر گرفته شود و در طرح چنان باشد که آسیب احتمالی حاصل از این موارد زیان بار نباشد وچناچنه آسیبی به سد وارد شودقابل تعمیر باشد .
فصل 2
بررسی رفتار تعدادی از سدهای خاکی و پاره سنگی در برابر زلزله
در این بخش ، تاثیر شش زلزله مهم دنیا بر سدهای خاکی در محدوده تاثیر آن زلزله های بررسی شده است .این زلزله ها عبارتند از : زلزله در سان فرانسیسکو- کالیفرنیا (1960) ، زلزله ها اجیکا -ژاپن (1939) ، زلزله کرن کانتی – کالیفرنیا (1952) ، زلزله فالن -نوا دا (1954) زلزله توکاچی-ژاپن (1967) ر ، وزلزله های سان فرناند و (1971)به منظور بررسی و مطالعه اثر زلزله ها ، اطلاعات زیر درمورد سدها جمع آوری وتحلیل شده است .
1-زمان ساخت سد 2- فاصله سد از گسل اصلی ،3- شکل هندسی مقطع عرضی ،4- روش ساخت،5- جنس ونوع خاک تشکیل دهنده بدنه سد و شالوده ،6- میزان تخریب وآسیب دیدگی
زلزله سان فرانسیسکو(1906)
این زلزله در طول 440 کیلومتر از گسل سان اندریاس اتفاق افتاد .33 سد با ارتفاع از6/4 تا 43 متر تا شعاع 60 کیلومتری از این گسل قرار داشتند . برای زلزله ای با بزرگی 25/8 می توان شتاب ایجاد شده در سنگ بستر را در قاعده سد حدود g6/0 با دوره تناوب غالب 4/0 ثانیه ومدت تکان مهم 60 ثانیه در نظر گرفت . با توجه به شدت چنین جنبشی و اینکه دوره تناوب طبیعی خاکریزها در اینجا (مثلا " با ارتفاع 18متر ) چندان از دوره تناوب غالب لرزش زمین متفاوت نیست می توان انتظار داشت که خسارتهای اساسی به سدها وارد آمده باشد .با وجود این ، اکثریت خاکریزهای مورد بحث بدون صدمات مهمی پا برجامانده اند .تناقض این رفتار سدهای سان فرنا ندوی بالائی وپائینی در زلزله 1971 ورفتار سد شیفلد در زلزله سانتا باربا را در 1925 وتعدادی سدها در ژاپن بسیار جالب توجه است به این علت بررسی پایداری این خاکریزها می تواند نکاتی را توضیح دهد در این بررسی مقایسه ای سه عامل مورد توجه قرار می گیرد که عبارتند از : شکل هندسی مقطع سد ، روش ساخت وجنس ونوع مواد تشکیل دهنده سد یا خاکریز
شکل هندسی مقطع
براساس بررسی های انجام گرفته میتوان نتیجه گرفت که هیچگونه ارتباط واضح ومسلمی بین شیب دامنه ها وپایداری آنها در برابر زلزله مشاهده نمی شود .در این مورد علاوه بر مقایسه های متعدد میتوان با ذکر مثالهایی این نتیجه گیری را مستدل نمود. مثلا سدی با شیب دامنه های 1/3/1 ( افقی به عمودی) در فاصله 4/2 کیلومتری از گسل هیچگونه خسارتی را بروز نداده است ، ولی در سد دیگری باهمان ارتفاع در فاصله 29 کیلومتری از گسل و با شیب دامنه های 1/2 شکافهائی ایجاد شده و تاج سد نشست کرده است .
روش ساخت:
هر چند اطلاعات کافی از روش ساخت سدهای مورد مطالعه در دسترس نیست ولی میتوان پذیرفت که در زمان ساخت این سدها کنترل زیادی بر درصد کوبیدگی ودرصد رطوبت نبوده است وعلت مقاوت انها در برابر زلزله ، ساخت محکم آنها نبوده است.
جنس ونوع مواد تشکیل دهنده بدنه و شالوده –
سدهای بررسی شده در این محدوده شامل 2 مورد از جنس ماسه ای ، و31 مورد از جنس رس یا رس ماسه ای می باشند که پلاستیسیته خاکهای رسی آنها در حد متوسط می باشد .
سید Seed)) وهمکاران وی ، نتیجه بررسی روی این سدها را در جدولی مرتب نموده اند که از این جدول اطلاعات زیر نتیجه گیری می شود.
تقریبا تاریخ ساخت تمامی این سدها از سال 1870 به بعد می باشد ،ارتفاع آنها به جز 4مورد، بقیه بیش از 10 متر است و فاصله آنها از گسل اصلی از صفر تا 60 کیلومتر (شکل 2) متغیر می باشد (6 مورد از این سدها روی گسل اصلی قرار دارند)بنابراین شتاب تخمینی در سنگ قاعده از g8/0 تا g2/0(بر حسب فاصله از گسل) برآورد می شود از این 33 سد که توسط زلزله تکان داده شده است فقط 5 سد آسیب دیده اند که از این 5 مورد فقط یکی از آنها روی گسل قرار داشته است (سد Upper Crystal که درموقع زلزله هر دو طرفش پر از آب بوده است) و 4 سد دیگر به فاصله 30 متر از گسل واقع بوده است وآسیب ناچیز دیده اند)
در جدول ذیل ، سدهای مورد بررسی برحسب فاصله آنها از گسل طبقه بندی شده اند .
شالوده سدها غالبا " ازرس ، تعدادی سنگ بستر ،تعداد کمی از آنها از مخلوط ماسه و رس ودریک مورد ما سه گزارش شده است درمجموع به جز آن 5 مورد که درست روی گسل قرار داشتند و آسیبهای جزئی (مثل ترکهای طولی وعرضی) دیده اند ،2 سد دیگر در فاصله 29 کیلومتری (وکمتر) از گسل بوده اند صدمات جزئی دیده اند ،هرچند این دو سد از ماسه سیلتی ،شن رسی وماسه رسی شناخته شده اند وانتظار می رفت که تخریب شده باشند .اما یکی از آنها دارای شالوده خیلی متراکم از رسوبات ماسه سیلتی پلی یستوسن ، دیوارها وکف مخزن بوسیله لایه ای از بتن مسلح پوشیده شده (ارتفاع این سد ،3/7 متر ) و دیگری به ارتفاع 15 متر) ازجنس ماسه سیلتی وماسه رسی روی شالوده رس ماسه ای سفت وماسه رسی متراکم وجبهه بالا دست پوشیده از لایه ای از بتن مسلح به ضخامت 15 سانتیمتر می باشد . بنظر می رسد که هیچکدام از این دو سد در زمان وقوع زلزله هنوز اشباع کامل نبوده اند ونیز علت وجود شالوده بسیار سفت ومحکم خرابی آنها بسیارناچیز بوده است .
از این برسی ها مولف مقاله نتیجه می گیرد که :
اولا ؛شیب دامنه ها وروش ساخت سدها هیچگونه تاثیر مثبت ومنفی در پایداری این سدها نشان نداده اند وثانیا خصلت رسی بودن بدنه وشالوده محکم ( اعم از سنگ یا رسوبات متراکم محکم ) نقش اصلی در پایداری انها داشته است در مورد دو سدی که از جنس ماسه ای وسیلتی بوده اند باید پذیرفت که علت پایداری آنها عدم اشباع آنها بوده است .
زلزله اجیکا
زلزله اجیکا (ojika) به بزرگی 6/6 در سال 1939 در ژاپن اتفاق افتاد و شتاب حاصل از این زلزله در مناطق آسیب دیده حدود g3/0تا g4/0 برآورد شده است کلا 74 خاکریز در معرض لرزش های این زلزله بوده اند که از آنها 12 عدد کلا تخریب شده اند ،ودر عین حال 40 خاکریز دارای گسیختگی دامنه بوده اند. ارتفاع این خاکریزها از 5/1 تا 18متر بوده اند. از 12 خاکریزی که بطور کامل تخریب شده اند تخریب آنها به علت بسته شدن خاک از زیر سر ریزبوده است البته این لغزش های دامنه ها بر تعداد زیادی از این خاکریزها گزارش شده اند.
از بررسی این مجموعه توسط پژوهشگران ،نتایج زیر جمع بندی شده است :
1- اکثر سدهای آسیب دیده از مواد ماسه ای بوده اند هرچند در فاصله نسبی زیادی از مرکز زلزله قرار داشته اند و به عبارت دیگر سدهای ساخته شده از مواد رسی دستخوش تخریبهای کامل قرار نگرفته اند ؛گرچه درفاصله بسیار کمی از مرکز زلزله بوده اند.
2-تخریب حاصل از زلزله های ممکنست ساعت ها بعد از وقوع زلزله ( ازچند ساعت تا 24 ساعت ) اتفاق می افتد واین پدیده احتمالا به علت توزیع مجدد فشار آب منفذی است.
زلزله کرن کانتی کالیفرینا Kern County
این زلزله که در 1952 اتفاق افتاد به بزرگی 6/7 ریشتر بوده و تعداد 7 سد را تا فاصله 150 کیلومتری تحت تاثیر قرار داده است که ارتفاع این سدها از 6 متر تا 27 متر بوده است ، شتاب ماگزیمم تخمینی از g 6/0 برای سد در فاصله 6 کیلومتری تا g4% برای سد در فاصله 150 کیلومتری تعیین شده است ، در یک بررسی اجمالی نتیجه گیری شد که در سدهای کوبیده شده ومتشکل از مواد رسی هیچگونه خسارتی مشاهده نشده است ، در حالیکه در سدهای با ساخت هیدرولیکی ومتشکل از مواد ماسه ای حتی در فاصله 150 کیلومتری صدمات حاصل از زلزله ها به صورت ترکهای طولی و عرضی ظاهر شده اند.
زلزله فالن fallon)) در نوادا
این زلزله به بزرگی 7/6 در 1954 اتفاق افتاد و شتاب ماگزیمم زلزله در نزدیکی مرکز g25/0 تا g4/0 گزارش شده است از سه سد موجود در حوزه تاثیر این زلزله ، دو سد تخریب شده اند که یکی از آنها که در فاصله 2 کیلومتری از فالن قرار دارد در اثر فاصله گرفتند خاک از بتن و عبور آب از انفصال آنها تخریب شده است
زلزله توکاچی-oki tokachi-در ژاپن
این زلزله با بزرگی 7/8 با شتاب ماکزیمم g2/0 در سال 1968 اتفاق افتاد تعداد 93 خاکریز با ارتفاع از 4/6 تا 18 متر ( 85 عدد از آنها کوتاهتر از 10متر ) در این منطقه تد تاثیر لعرزش قرار گرفته اند .ازبررسی آماری این سدها دیده می شود که در سدهای دارای مغزه آب بند کامل ، گسیختگی پائین دست ثبت نشده است واکثر خرایبها به علت روانگری خاک بوده است .
ضمنا شیب دامنه ها تاثیری برپایداری نداشته است .
زلزله سان فرناندو san Fernando))
در زلزله سال1 197 لوس آنجلس که به بزرگی 6/6 ریشتر بود تا فاصله 40 کیلومتری از مرکز زلزله ،تعداد 44 سد با ارتفاع از 9متر تا 58 متر قرار داشتند و شتاب ماگزیمم ایجاد شده در آنها از g2/0 تا g7/0 بوده است از این44 سد ، تعداد 13 سد خالی از آب بوده و یکی از سدها هنوز کاملا اشباع نبوده است از 30 سد که مخزن آنها پر از آب بوده است تعداد 25 سد از نوع کوبیدنی ومتشکل از خاک رسی می باشد و در این گروه هیچگونه آسیبی ظاهر نشده است از 5 سد هیدرو لیکی فقط 2 سد که در آنها شتاب به g5/0 تا g6/0 رسیده است آسیب اساسی دیده اند ( این دو سد عبارتند از سدهای سان فرناندوی بالائی وپائینی ). در همین حال سدهای هیدرولیکی تا شتاب g2/0 ) بدون آسیب دیدگی باقی مانده اند .سدهای آسیب دیده با ساخت هیدرولیکی ،یعنی سد سان فرناندی بالائی و سدسان فرناندوی پائینی تقریبا " به فاصله 6 مایل از مرکز زلزله قرار دارند و در اولی پوسته پائین دست ریزش کرده ، ودر دومی لغزش بزرگی در بالا دست رخ داده است
علاوه بر نتیجه گیری نهایی که در صفحات آینده ارائه می شود ، از بررسی های عینی سدهای در معرض این زلزله ، موارد خاص دیگری قابل تذکر است که نمونه هائی از این موارد ذیلا توضیح داده می شود.
سد Chabot با مغزه رسی محکم ،زلزله های با بزرگی 25/8 در فاصله 32 کیلومتری تحمل کند .
سد هیدرولیکی Lower Franklin با ارتفاع 40متر، ونیز سد Fairmont با ارتفاع 36 متر، هر دو در فاصله 32 کیلومتری از زلزله ها با بزرگی 5/6 و با شتاب g2/0 را تحمل کرده اند هرچند ساخت آنها هیدرولیکی بوده است .
سدهای سان فرنادوی پائینی وبالائی که در فاصله 8 کیلومتری زلزله به بزرگی 5/6 (با شتاب g55/0) را تحمل نکرده اند محاسبه نشان می دهد که همین زلزله را در فاصله 32 کیلومتری می توانستند تحمل کنند ، ودرعین حال در همین فاصله 32 کیلومتری ، در برابر زلزله به بزرگی 25/8 پایدار نمی مانند.
تخریب های حاصل از زلزله های دیگر
در زلزله 1935 ژاپن به بزرگی 2/8 ( شتاب ماگزیمم زمین ، g3/0 ) ، خسارتهای وارد بر اقلا"سه سد گزارش شده است که عمدتا به صورت ترکهای سر تا سری ویا نشست ویا گسیختگی موضعی بوده است .
در زلزله سانتاربارای کالیفرنیا در 1925 ، سد شفیلد تخریب شد
در زلزله شیلی در 1943 به بزرگی 3/8 ، سد cagoti که درمعرض زلزله با شدت درجه یک مقیاس راسی فورل متناظر با شتاب ماگزیمم g15/0 قرارگرفته است ،خسارت قابل ذکری را نشان نداده است .
در زلزله سال 1940 در السانتر وبه بزرگی 6/6، که شتاب زمین در ناحیه g2/0 تا g5/0 گزارش شده است ، آسیب های جزئی به ثبت رسیده است.
در زلزله Nankai ژاپن در 1946 به بزرگی 1/8 ، حدود 50 سد به ارتفاع از 15تا 40متر ( ساخته شده از سالهای 1760 تا 1944) در معرض اثرات این زلزله قرار گرفتند و شتاب ماگزیمم در آنها از g8% تا g25/0 بوده است ؛ ولی هیچکدام هیچ خسارتی را نشان نداده اند .
در زلزله Fukui ژاپن در سال 1948 ،خاک ریز Hosorogi(که شتاب زمین در آن g45/0 ثبت شده است ) دچار شکستی می شود.جنس مواد این خاکریز رس سیلتی ،وشالوده آن از سیلت آلی بوده است .گسیختگی به علت گسترده شدن افقی قاعده سد ،و فرونشست خاکریز در شالوده بوده است .
در زلزله Hebagen Lake در سال 1959 به بزرگی 6/7 که در فاصله چند صد متری از سد هبگن رخ داد(شتاب g7/0)، سد هبگن آسیب هائی را متحمل شده است ولی سرانجام تخریب نشده است .
در زلزله Kitamuto ژاپن در سال 1961 به بزرگی 7، سد Miboro در فاصله 20 کیلومتری از مرکز زلزله قرار داشت ولی تخریب نشد. این سد بزرگ با ارتفاع 131متر ، از پاره سنگ وبا یک مغزه مایل در بالا دست ساخته شده ،و شیبهای دامنه های سراب و پایاب آن بترتیب 5/2 برا ب و 75/1 بر 1 می باشد .تکان زمین بسیار کوتاه ( به لحاظ زمانی ) و شدید گزارش شده است و شتاب زمین حدود g1/0 تا g25/0 تخمین زده شده است.
چندین زمین لغزنده گزارش شده ولی بدنه سد فقط 5/2 سانتی متر نشست داشته و یک جابجائی افقی حدود 5 سانتی متر در تاج به ثبت رسیده است .در زلزله آلاسکا در سال 1964 ، در یک سد کوتاه به ارتفاع 2/6 متر در آنکو ریج گسیختگی روی داد ، هرچند شتاب زمین حدود g15/0 تخمین زده شده است .
نتیجه گیری
از بررسی آثار زلزله ها برسدهای خاکی وپاره سنگی می توان نتایج کلی زیر را بدست آور:
1- سدهای ساخته شده به روش هیدرولیکی ، در تکانهای بسیار شدید مستعد شکست هستند ولی چنانچه با شیب کم وبا دقت وبا تراکم کافی روی زمین محکم بنا می شوند ممکنست با شتاب g2/0 را از زلزله های با بزرگی 5/6 تا 7 بدون تخریب وحتی بدون آسیب های جزئی تحمل کنند.
2- سدی که با تراکم خوب ومحکم ساخته شده باشد تا شتاب g2/0 از زلزله های متوسط ( تا بزرگی حدود 7) را تحمل می کند .
3- سدهای ساخته شده از خاکهای رسی روی شالوده سنگی بسیار مقاو هستند واز شتاب های g35/0 تا g8/0 مربوط به زلزله های با بزرگی 25/8 را بدون هیچگونه خسارتی تحمل می کنند.
4- سدها پاره سنگی، اگر با پوشش بتنی عایق بندی شوند ، در برابر زلزله های قوی نیز پایدارند.
5- چون براساس شواهد موجود بطورتجربی معلوم شده است که سدهای خوب ساخته شده در برابر زلزله های متوسط با شتاب g2/0 مقاومت می کنند ،بهتر است در مورد این گونه مسایل هزینه ووقت تحقیق صرف نشود.
6- در مورد سدهای ساخته شده از خاکهای بدون چسبدگی بوجود آمدن را اشباع ، تحت تاثیر زلزله های قوی، عامل اولیه تخریب یا گسیختگی بوجود آمدن فشار آب منفذی در خاکریز است که موجب از بین رفتن مقاومت می گردد.پیش بینی تخریب در این سدها را نمی توان براساس روش های تحلیلی استاتیکی انجام داد وضرورتا " باید مبتنی بر تحلیل های دینامیکی خاص خاک،رفتار ، رفتار آنها بررسی گردد.
7- باتوجه به این حقیقت که تعدادی سدها بعد از گذشت زمانی بعد از وقوع زلزله ( مثلا تا 24 ساعت) تخریب شده اند باید پذیرفت که این تخریب در اثر پیدایش پدیده پایپینگ بوده است ، از اینرو احتیاط لازم اینست که فیلترهای مناسب درسد بکار برده شوند.
8- در اینجا به نمونه ها ی از سدهای که در اثر زلزله تخریب نشده اند ولی انتظار می رفته است که آسیب دیده باشند،اشاره می گردد:
الف- از سدهای پاره سنگی : سد miboro در ژاپن با ارتفاع 128 متر زلزله با بزرگی 7 وشتاب ماگزیمم 2/0 را در فاصله 10 کیلومتری از مرکز زلزله تحمل کرده است و خسارتی گزارش نشده است .2- سد cagoti با ارتفاع 84 متر وبا متر با پوشش سنگی ،شتاب ماگزیمم g15/0 را فقط با یک مقدار نشست حدود 45 سانتی متر تحمل کرده است.
ب- از سدهای رسی : تعداد 31 سد خاکی رسی ، رسی ماسه ای یا ماسه رسی که در اثر شتاب g25/0 تا g8/0 حاصل از زلزله 1906 سان فرانسیسکو قرار گرفتند واقلا تعداد 12 سد آبرسانی از موارد رسی که تحت تاثیر تکانهای زلزله اجیکا (1948) با شتابهای از g 4/0 تا g5/0 قرار گرفتند وکاملا سالم مانده اند .در حالیکه سدهای ماسه ای در لرزش های با شتاب کمتر تخریب شده ویا آسیب دیده اند.
پ- از سدهای کوبیدنی : اقلا 25 سد کوبیدنی درمعرض زلزله سان فرناند و(1971) با شتاب از g2/0 تا g4/0 قرار گرفتند وپایدار مانده اند .
ت- از سدهای هیدرولیکی -اقلا سه سد هیدرولیکی را می توان مثال آورد که تحت شتاب اثرg2/0 در زلزله سان فرناند و قرار گرفته وآسیب ند یده اند.درگزارشی از روسیه نشان می دهد که اقلا" سه هیدورلیکی شتابهای تا g17/0 را تحمل کرده اند.
ث- حدود 50 مورد سدهای با ارتفاع از 15 متر 40 متر را می توان نام برد که دربین سالهای از 1760 تا 1944 درژاپن ساخته شده اند وگرچه تحت زلزله Nankaj در 1944 قرار گرفتند وشتاب ماگزییمم در آنها تاg25/0 گزارش شده است ولی هیچکدام آسیب ندیده اند .
فصل 3
روشهای معمول تحلیل پایداری جسم سد در برابر زلزله
چگونگی تاثیر زلزله بر جسم سد
اینکه سازه سد خاکی در اثر جنبش چه نوع رفتارء عکس العملی را نشان می دهد ، پاسخ روشنی ندارد ، زیرا بر حسب شرایط مختلف ( یعنی مجموعه شرایط سد ، منطقه و زلزله) باید رفتارهای متفاوتی را تصور نمود.
به عنوان مثال ،چنانچه سد نزدیک گسل فعال باشد ،چون نیروهای جسمی را در امتداد قائم فعال میشوند ،تاثیر نیروهای اینرسی افقی بیشتر است .مثلا سد خاکی ، ثاثیر نیروهای اینرسی افقی بیشتر است. مثلا سد های هبگن که نزدیک گسل فعال قرار داشت ، در زلزله 1975، نشستی سراسری در آن ظاهرگشت ولی جابجائی های افقی یا لغزش های افقی در آن پدیدار نگردید ونیز نشست مشخص غالب آن در بخش هائی رخ داد که روی زمین نرم واقع شده است همچنین نشست سراب بیش از نشست پایاب گزارش شده است که همی پدیده را باید به علت اشباع بودن سد در بخش سراب و نیز افزایش فشار آب منفذی دانست که موجب کاهش مقاومت گردیده است .براساس اندازه گیری های این سد ؛ می توان نسبت مقدار نشست اختلافی را به ارتفاع سد که حدود 8% است ،عنوان معیاری در تخمین ارتفاع آزاد درنظر گرفت .
از طرفی اگر سد ورا از گسل باشد ( یا دور از مرکز زلزله قرار داشته باشد) در این صورت نیروهای جسمی بطور غالب تحت تاثیر نیروهای افقی قرارمی گیرند و در نتیجه باید جابجایی های محتمل را از نوع افقی دانست .در این مورد رفتار رسد سان فرناندوی پائینی مخصوصا آموزنده است که در آن لغزش بزرگ در دامنه بالا دست ودر پوسته مشاهده شدند.
صرفنظر از وضعیت قائم یا افقی نیروها ،به علت تغییر درخواص ژئو مکانیکی بدنه وشالوده ، تغییر ،شکل های برگشت ناپذیری درسد پدیدار می گردند که نمودخارجی آنها ، ترکهای طولی ،عرض ، ومورب می باشد ،وبهرحال این پدیده تائید کننده این واقعیت است که سد خاکی به صورت محیطی غیر لاستیک و ویسکوپلاستیک عمل می کند .
پیدایش ترکها در سد خاکی ازمکرر ترین ومعمولی ترین اثرات از زلزله برسد است . ترکهای حاصل از زلزله عمدتا طولی و در بالا دست سد و در امتدا تاج ، وبا تعداد کمتردر پائین دست پدیدار می گردند.
ترکهای عرضی ومورب معمولا در نزدیکهای تکیه گاهها اتفاق می افتند .مگر اینکه لایه های ضعیف در زیر محلی از سد وجود داشته باشند. ترکهای طولی به علت ایجاد تنش های کششی ونیز به علت نشست تا یکنواخت مغزه نسبت به پوسته ویا به علت نشست نا یکنواخت شالوده پدید می آیند.
ترکهای عرضی ممکنست به علت تکان شدید وناگهانی ، به علت تفاوت خواص ارتعاشی سد و تکیه گاهها، ویا به علت نشست نایکنواخت ظاهر شوند.
معمولا تمام ترکها قابل مشاهده هستند ولی از همه مهمتر ترکهای عرضی ومورب می باشند که باید مورد توجه قرار گیرند زیرا به بخش نفوذ ناپذیر سد راه یابندوبه آب برسند به احتمال قوی به تخریب سد منجر به احتمال قوی تخریب سدمنجر خواهد شد .
بطوریکه قبلا اشاره گردید ، در توده خاکی اشباع ومتشکل از مواد فاقد چسبدگی ،در اثر ارتعاش زلزله ،فشار آب منفذی افزایش یافته ومقاومت آن خاک به حد بسیار ناچیزی می رسد در صورتیکه توده خاکی مشتکل از مواد دانه ای فاقد چسبدگی ولی خشک یا نیمه در صورتیکه توده خاکی متشکل ازمواد دانه ای فاقد چسبدگی ولی خشک یا نیمه اشباع باشد فرو ریختن آن در سطح دامنه از بالا به پائین گسترش می یابد.در اینحال اگر شیب خاکریز بیش از زاویه اصطکاک خاک در حالت سست باشد باز محمتل ریزش پیشرونده از بالا به پائین است وشروع ریزش از نقاطی است که دانسیته خاک زیاد باشد و خاکریز تحت تاثیر شتاب یکنواخت قرار گیرد احتمالا لغزش توده ای پدیدار می گردد درعین حال چون شتاب به سرعت معکوس می شود وحرکت زیاد باشد وخاکریز تحت تاثیر شتاب یکنواخت قرار گیرد احتمالا لغزش توده ای پدیدار می گردد ودرعین حال چون شتاب به سرعت معکوس می شود وحرکت متوقف می نماید ممکنست نتیجه نهائی ، یک جابجائی توده ای پیشرونده وکم شیب خاکریز بیش از زاویه اصطکاک داخلی درحالت سست باشد حتی از توقف شتاب زلزله ، ریزش خاک درسطح ادامه می یابد ، ولی اگر شیب کوچکتر از زوایه اصطکاک در حالت سست باشد ، بعد از توقف شتاب حرکت نیز متوقف می شود ومجددا در شتاب بعدی لعزش ادامه می یابد.
نمونه هائی از سدهای خاکی در معرض زلزله
نمونه سدهای خاکی درنواحی با احتمال زلزله
دراین بخش ویژگی های در نظر گرفته شده در بعضی از سدهائی که در نقاط با احتمال وقوع زلزله احداث شده اند به اختصارا ارائه می گردد .
1-سد Togo
این سد خاکی به ارتفاع 31 متر در ژاپن ، یا یک مغزه مایل در بالادست وزهکش طولانی افقی متصل به یک زهکش مایل در وسط سد ، و شیب های خیلی کم ( شکل 56-) ساخته شده است.
2- سد اورویل Oroville))
این سد خاکی به ارتفاع 235 متر وطول تاج 2110 متر در سال 1968 تکمیل ومخزن آن پر از آب شد .به منظور اطمینان بیشتر از عدم آسیب پذیری در برابر زلزله ، در طرح این سد ویژگی های زیر درنظر گرفته شده است:
الف- این سد مستقیما " روی بخش کم حجمی از شن وماسه نسیته نسبی بیش از دانسینه مواد بدنه سد قرار دارد،از این رو احتمال روانگری در شالوده آن وجود ندارد .
ب- منطقه واسطه از پوسته به مغزه ،بسیار متراکم وبا دانه بندی تدریجی ونفوذ پذیری تدریجی وکم نفوذ تامین شده است .
پ- ارتفاع آزاد آن که 5 متر است بیش از حد لازم می باشد وتاجرا از خطر تخریب حاصل از امواج ویا از خطرات احتمالی حاصل از نشست شد محافظت می کند.
ت-مواد تشکیل دهنده مغزه سد کاملا" متراکم، پلاستیک فوق العاده نفوذ ناپذیر و با دانه بندی به اندازه های مختلف است .تماس این مواد با سنگ بستر درتمام قسمتها و درتماس با بخش بتنی توسط یک منطقه پلاستیک تامین می شود و برای این هدف ،در صد رطوبت برای این بخش بین 1تا 3 درصد بیش از رطوبت بهینه انتخاب شده است.مغزه مایل نیز در رطوبتی اندکی بیش از رطوبت بهینه کوبیده شده است تا از خطر ترک خوردگی احتمالی مصونیت داشته باشد . مقطع این سد در شکل B مشاهده می شود.
3- Salandi در ایتالیا
این سد به ارتفاع 33 متر ، با خصوصیات شیب های کم درد در دامنه های ، وجود لایه های برم (Berm) در طرفین ، سنگ چین سنگین وضخیم روی دامنه ، مغزه با عرض قاعده وسیع، وجود گودهای زهکشی که سطح آب را هرچه بیشار پائین نگهدارد ، تزریق در شالوده دربخش رسوبات آبرفتی ، زهکش پاره سنگی ، کوبیدن لایه ها در ضخامت های کم ( پس از کوبیدن 15 سانتیمتر) و دقت کمتر و مراقبتت در ریختن لایه ها وکوبیدن کامل آنها ساخته شده است . شکل مقطع آن را در شکل 56 قسمت C نموده شده است .
4- سد نورک Nurek))
سد نورک در روسیه وبه ارتفاع 305 متر واقع در یک منطقه با لزره خیزی متوسط ساخته شده است.تمام دامنه ها بالا دست سنگ چین کامل شده است، ارتفاع آزاد 8 متری بیش از حد نیاز است ، فیلترهای طرفین مغزه با ضخامت کافی وکوبیدگی مناسب ، ووجود بندهای کوبیده شده در هر دو پنجه از تمهیداتی است که به منظور اطمینان در برابر زلزله درنظر گرفته شده است ( شکل 56 قسمت D)
5- سد Almus در ترکیه
این سد با ارتفاع 5/93 متر ، دارای مغزه بزرگ ( عرض قاعده مغزه 165 متر) عرض تاج 12 متری که خیلی زیاد بنظر می رسد با توجه به بزرگ بودن ضریب لرزه ای در تاج سد، این احتیاط لازم بوده است . ارتفاع آزاد 2/6 متر، وسنگ چین در بخش بالایی دامنه پائین دست تا ارتفاع 10متر به منظور جلوگیری از فرسایش در صورت سر ریز شکل 57 مقطع این سد را نشان می دهد.
**** بررسی چند نمونه از سدهای آسیب دیده با تخریب شده
1- سد E1 Infiernillo در مکزیک این سد که مقطع آن در شکل نشان داده شده است در سال 1979 تحت تاثیر جنبش زلزله ای به بزرگی 6/7 که فاصله مرکز آن تا سد حدود 120 کیلو متر بوده است قرار گرفت . سد از نوع پاره سنگی و با مغزه نسبتا نازک رسی است .
نمونه هائی از سدهای ساخته شده در مناطق با لرزه خیزی شدید
a- سد Togo b- سد Oreville c- سد Salandi d- سد Nurek
1- پرده آب بند رسی 2- مغزه رسی 3- فیلترها 4- منطقه واسطه 5- سنگ چین
بالا دست 6- خاک مخلوط 7- شبکه زهکشی 8- آلویوم 9- خاک نیمه ترا وا 10 – سنگریزه پاره سنگ 11- لایه نا تراوا 12- بند خاکریز
سد almus نمونه ای از سدهای ساخته شده در منطقه لرزه خیز
در نیروگاه زیر زمینی نزدیک سد در سطح سنگی ان شتاب اندازه گیری شده G13/0 و در تاج سد G36/0 گزارش شده است همچنین مدت جنبش تاج سد بسیار طولانی تر از مدت جنبش در قاعده سد ثبت شده است وهمین موضوع باید در محاسبه تغییر شکل بالقوه نقاط مختلف سد منظور گردد. تاثیر زلزله بر این سد ، یک جابجائی افقی در تاج به اندازه 5 سانتی متر و یک مقدار نشست به اندازه 12 سانتی متر گزارش شده است .بیشتر ین مقدار جابجائی افقی در 15 متر بالای این سد 120متری رخ داده است در حالیکه بیشترین نشست ها در 40 متر بالائی پدیدار شده است.
2- سد باطله در جزیرهOshima
در ژاپن که در اثر زلزبه Oshima IZU در ژانویه 1978 تخریب شد گزارش ماخذ شماره 19 بزرگی این زلزله ،7 شتاب زمین درمجاورت سد G3/0 برآورد شده است
در طراحی سد ، براساس روش شبه استاتیک ، و با ضریب لرزه ای 2/0 و پایداری سد محاسبه شده وضریب اطمینان قابل قبول بدست آمده است . باوجود این ، سد در ضمن زلزله پایدار نمانده و در اثر تخریب حدود 100 هزار یارد مکعب مواد باطله حاوی سیانور سدیم را به محیط پائین دست رها میکند بنابراین کاربرد روش شبه استاتیک در این مورد که مواد سازنده سدمواد نیز چسبده بوده است عملا گمراه کننده بوده وموجب خسارت اساسی گردیده است
3- سد Paiho Main در چین که در زلزله Tangshan در 1967 تخریب شد ( گزارش از ماخذ شماره 9) این سد به ارتفاع 66 متر با پوسته شن وماسه ای و حاوی مغزه ای مایل در بالادست می باشد. زلزله های نامبرده ، با شدت VI مرکالی ( درمجاورت سد ) بوده است و شتاب های افقی اندازه گیری شده آن در پنجه های پایاب ودر تاج سد به ترتیب G5% وG14/0 گزارش شده است . در اثر زلزله بخشی از پوسته سراب ( باد دانسته نسبی 55/0) که در زیرتر از سطح آب مخزن قرار دارد فرو می ریزد و مواد سازنده پوسته را شن تشکیل می دهد. ودانسیته نسبی تراکم پوسته دانشت گرچه میزان شتاب زلزله پائین بوده است ولی در عین حال مدت عملکرد موثر زلزله 2 دقیقه گزارش شده است
4- سد سان فرناندوی پائینی Lower San Fernando))
اجرای : این سد در سال 1912 شروع شده وپس از سه سال به ارتفاع 85 فوت رسید و درمرحله بعد 15 فوت دیگر به ارتفاع آن افزوده شده است . نوع اجرای این سد تا انتهای ارتفاع 100 فوت به روش هیدورلیکی بوده است و در مراحل بعدی از 1916 تا 1930 بنای این سد با روش کوبیدن تا ارتفاع 140 فوت تکمیل گردیده و در 1940 یک خاکزیزبرم Berm را روی دامنه پایاب اضافه می شود .مقطع نهائی سد در شکل الف دیده می شود.
در فوریه 1971 زلزله فرناندو اتفاق افتاد که فاصله مرکز آن تا سد برابر 85 فوت رسید ودرمرحله بعد 15فوت دیگر به ارتفاع آن افزوده شده است . نوع اجرای این سد تا انتهای ارتفاع 100 فروت به روش هیدورلیکی بوده است و در مراحل بعدی از 1916 تا 1930 بنای این سد با روش کوبیدن با ارتفاع فوت تکمیل گردیده ودر 1940 یک خاکریزم (Berm) روی دامنه پایاب اضافه می شود. مقطع نهائی سد در شکل الف دیده می شود
در فوریه 1971 زلزله ساان فرناند واتفاق افتاد که فاصله مرگز آن تا سد برابر کیلو متر وبزرگی آن 6/6 گزارش شده است .مدارکی در دست است که گسلی در فاصله 5/1 کیلومتری سد شکسته شده است . ونیز تکانهایی شدید زلزله 12 ثانیه ادامه داشته است. اندازه گیری شتاب زلزله در نزدیکهای سد از g5/0 تا g6/0 گزارش شده است .در اثر وقوع زلزله بخش بزرگی از سد آنطور که شکل ب مشاهده می شود ، تخریب شده است . این تخریب موجب می شود که بخش بالائی سد به ارتفاع 30 فوت فرو ریزد ولی چون تر از سطح آب مخزن در موقع زلزله 35 فوت پائین تر از تاج به قرار داشته است خوشبختانه آن مخزن از سد ریز نمی شود وسد بطور کامل تخریب نمی گردد .
بلافاصله پس از وقوع حادثه داده می شود که 80 هزار نفر از سکنه پائین دست به سرعت از منطقه دور شوند ونیز هرچه زودتر خروجی های سد باز شوند تا آب سد تخلیه گردد . باید توجه نمود که اگر مصرف آب زیاد نبود و سطح آب مخزن مثلا یک متر از آنچه بوده است بالا تر می بود ویا اگر زلزله چند ثانیه بیشتر طول می کشید ویا اگر سد سان فرناندوی بالائی San Fernandoupper که ان نیز در ضمن زلزله به اندزه 6 فوت در پایاب جابجا شده است ، آب بیشتری به مخزن سد پائینی رها کرده بود ، در هرکدام ازاین شرایط آب سد سر ریز شده بود وتخریب کامل آن تخریب کامل قطعی بود.
قابل به تذکر است که چند سال پیش از وقوع زلزله ، پایداری سد بر اساس روش شبه استاتیک وبوسیله روش باریکه های قائم بررسی شده و ضریب اطمینان آن تخت شرایط ضریب لززه ای معال 15/0 همراه با وضعیت تخلیه سریع از تر از 1125 تا 1100 فوت ، برابر 1/0=F بدست آمده بود ، و با زوایه اصطحاک داخلی موثر 35 برای پوسته های ماسه ای ، ضریب اطمینان برای ضریب لزره ای 1/0 برابر 08/1=F محاسبه شده بود از این محاسبات معلوم می شود که اگر سطح آب مخزن در وضعیت معمولی آن باشد چون محاسبات درسمت اطمینان است قاعدتا" سد در برابر زلزله ها پایدار است ، هرچند این زلزله متوسط (6/6) منجر به شکستن آن شد.
محاسابات دیگری نشان می دهد که برای ضریب لزره ای 15/0=K، بر اساس روش شبه استاتیک معمولی ،در شرایط متفاوت اطمینان از 22/1 تا 37/1 .در فرض های دیگری از (برای و) ضریب اطمینان تا 61/1 بدست می آید و درهمین شرایط برای حصول ضریب اطمینان 1=F ضریب لرزه ای باید در فاصله 22/0 تا 34/0 باشد .
" سید " در تحلیل سد سان فرنادوندوی پائینی به این نتیجه می رسد که با توجه به مشخصات زلزله به 8/0 می رسد ( ماخذ شماره 17 ) بنابراین صرف ارزیابی ضریب لزره ای محاسبه ضریب اطمینان حاصل از آن اگر بدون توجه به کرنش های ایجاد شده باشد خطائی در سمت عدم اطمینان دارد. درشکل 60 نتیجه محاسبات " سید " در این سمت عدم اطمینان است.
5- سد سان فرناندوی بالائی Upper Sanfernando
این سد در زلزله 1971 سان فرناند و که در فاصله که درفاصله 5 مایلی آن اتفاق افتاد و بزرگی ان 5/6ثبت شده است تخت شتاب قاعده g6/0 قرار گرفت اثر این زلزله بر این سد افزایش فشار آب منفذی در داخل سد و جابجائی اندک سد بوده است مقطع سد در شکل 61 مشاهده می شود.
افزایش دفعی ارتفاع فشاری آب داخل چاههای مشاهده بین 3 تا 5 مترگزارش شده است و در چاههای واقع در قلع اب از چاههای ریز کرده است معلوم نیست که تا چه حد بوده است
6- تحلیل شکست شفلید Sheffield
این سد در سال 1917 در شمال شهرسانتا باربارا و بطول 720 فوت و به ارتفاع 25 فوت و باروش کوبیدن ( احتمالا درجه کوبیدگی 75 تا 80 در صد آشو بوده است ) ساخته شد. نوع خاک بدنه وشالوده در شکل داده شده است . آب بند بالا دست تا عمق 10 فوت داخل شالوده نفوذ دارد و حدود 2 فوت بخش بالائی شالوده سست تر از بخش های زیرین است و دانسیته نسبی آن 35 تا 40 درصد می باشد . زلزله در 1925 اتفاق افتاد .فاصله مرکز زلزله تا سد 11 کیلو متر و بزرگی ان بنا بر اطلاعات حاصل از ایستگاهها 3/6 ریشتر و براساس قول بعضی از مورخین درجه 9 از مقیاس روسی فورل را داشته است که این درجه متناظر شتابی معادل g4% تا g15/0 می باشد (کاملا محتمل است که زلزله ای به بزرگی 3/6 ریشتر با فاصله 11 کیلو متر از محل ، شتابی برابر g/0 و با زمان تناوب غالب 3/0 ثانیه را ایجاد کند براساس مقایسه با تجریبات دیگر ، چون خاک شالوده سد با ضخامت کم است می توان پذیرفت که جنبش سطح زمین در لایه سست اندکی بیش از جنبش سنگ بستر بوده است در مورد تاثیر نوع خاک و ضخامت آن بر اثرات زلزله ، مقاله ای در ماخذد شماره 8 در فصل 25 ارائه شده است . ) بنابراین براساس مقایسه با زلزله های دیگر و تجریبات دیگر می توان مشخصات این زلزله را چنین خلاصه نمود شتاب ماگزیمم زمین g15/0 مدت جنبش 15 تا18 ثانیه ، و فرکانس غالب شتاب 3 سیکل در ثانیه گزارش های بعد از وقوع زلزله نشان می دهد که بخشی از دامنه پایاب بطول 300 فوت روی یک سطح نزدیک بستر سدلغزنده است به اندازه 100 فوت جا بجا شده است که یک جابجائی به این صورت بی تردید درمواردی یا به علت روانگردی ما سه اتفاق می افتد و یا در اثر کاهش فوق العاده مقاومت حاصل از افزایش فشار آب منفذی در اثر ارتعاش حاصل از زلزله پدید می آید تعداد بسیار زیادی در انواع مختلف( مثل cdو cu و برشی مستقیم ) در هر مورد تحت شرایط می باشد .
شکل 1- مقطع عرضی وپروفیل طولی سد هبگن
ارتفاع سد 5/34 متر – فاصله از گسل اصلی ، 120متر
1-توپوگرافی زمین طبیعی ،2- سنگ بستر ،3- آبراه بتنی ،4- سر ریز ،5- جدار آب بند بتنی ،6- شیب اولیه دامنه ، 7- شیب دامنه بعد از زلزله
تفاوت نشست در پایاب – نشست در سراب ب – ارتفاع خاکریز
(m)
(m)
(m)
(m)
63/0
4/0
30/1
4/24
مقطع 1
1/1
55/0
6/1
4/13
مقطع 2
68/0
52/0
2/1
1/9
مقطع 3
3- وضعیت نسبی محل تعدادی از سدهای خاکی وپاره سنگی
نسبت به محل گسل سان اندارس
حداکثر شتاب درسنگ بستر (g)
تعداد
فاصله سد از گسل ( کیلومتر )
8/0-75/0
6
5/1-0
75/0-6/0
10
8-5/1
45/0-35/0
7
32-20
35/0-25/0
10
60-32
شکل 2 – وضعیت نسبی محل تعدای از سدهای خاکی وپاره سنگی نسبت به محل گسل سان اندراس
2