پایان نامه بررسی تاثیر جنس مصالح هسته ناتراوای سدهای خاکی در پایداری دینامیکی

پایان نامه برای دریافت درجه­ی کارشناسی ارشد  M.SC

گرایش: مهندسی آب

چکیده:

سدها بزرگترین سازه های ساخته شده به دست بشر هستند.طراحی آنها اغلب از طبیعت منحصر به فرد و پیآمد گسیختگی که مطمئناً بزرگتر از اثر فروریختن انواع دیگر سازه هاست، ناشی می شود. پایداری سازهای بدنه سد و پی به طرق گوناگونی قابل تحلیل و بررسی است امروزه روشهای مختلفی برای بررسی پایداری دینامیکی سدهای خاکی وجود دارند. ازمیان این روشها میتوان به روشهای تعادل حدی، روشهای آنالیزحدی ( حد بالاو پایین درتئوری پلاستیسیته ) و روشهای اجزاء محدود اشاره کرد به طور کلی می توان گفت که روش اجزاء محدود می تواند با فراهم آوردن اطلاعات راجع به نحوه گسیختگی به عنوان مکمل روشهای حدی عمل کند. مهمترین استفاده ای که از تحلیلهای عددی در مرحله طراحی می شود، ارزیابی مقدار فشار آبمنفذی در پایان ساخت سد، بررسی شکست هیدرولیکی در هسته رسی، بررسی پدیده قوس زدگی، پیشبینی مقدار نشست برای تعیین حجم مصالح موردنیاز و تعیین ضریب اطمینان جهت تعیین پایداری بدنه سد می باشد. دراین تحقیق با استفاده از نرم افزارflac 7.0 به بررسی تاثیر مصالح مختلف به عنوان هسته در سدها و پایداری شیروانی های بالادست و پایین دست سد در دو حالت هسته قائم و هسته مایل پرداخت شده و نتایج بدست آمده از آنها مورد بررسی قرار گرفته اند. مدل رفتاری مورد استفاده در این تحقیق، مدل مور- کلمب است که یک مدل الاستیک – پلاستیک کامل به شمار می آید. در مدل رفتاری مذکور، پوش گسیختگی توسط معیار معروف مور- کلمب که تابع گسیختگی برشی است، با در نظر گرفتن معیار گسیختکی کششی حاصل می شود. با توجه به نتایج بدست آمده میزان ضریب اطمینان در مقابل پایداری به نوع رفتار فرض شده برای مصالح هسته و پوسته وضعیت قرارگیری هسته (مایل یا قائم بودن هسته)، وضریب پواسون مصالح هسته سدبستگی دارد.

کلمات کلیدی:

سد های خاکی، پایداری، ضریب اطمینان،  تنش موثر،  نرم افزار flac

فصل اول

1- مقدمه و هدف :

1-1 مقدمه

با توجه به نیاز اساسی کشور پهناور ایران به مهار و ذخیره آبهای سطحی جهت تامین آب برای مصارف شرب ،آب مورد نیاز کشاورزی ،صنعت ،‌تولید نیروی برق و همچنینکنترل سیلاب ، طغیان رودخانه ها و از جانبی گام اول در توسعه و بهره برداری از منابع آب کشور احداث سدهای بلند می باشد. آمارها نشان می دهند در کشورمان حدود 300 سداحداث شده و در حال ساخت بیش از 200 سد از نوع خاکریز می باشند که خوداهمیت این نوع سدها را به دلایل گوناگونی آشکار می سازد. از اینرو کنترل پایداری این نوع سدها با توجه به جنس مصالح هسته امری ضروری به نظر می رسد. سدها سازه های مهم و زیربنایی یک کشور محسوب می شوند ،‌ چون برای ساخت یک سد بر خلاف یک ساختمان معمولی هزینه و زمان زیادی صرف می گردد. هسته مرکزی در سدهای خاکی و سنگریزه ای ،‌وظیفه اصلی آب بندی و نگهداری آب در پشت سد را بر عهده دارد،لذا انتخاب مصالح با نفوذپذیری بالا در هسته سد امری اجتناب ناپذیر محسوب می شود.یکپارچگی سازه سد می بایست در مدت عملکرد آن یا وقایع احتمالی که در مدت زمان بهره برداری رخ می دهد حفظ شود برای این منظور به بررسی طیف متناظر شرایط تنش و بارگذاری پرداخته می شود. در همه وقایع قابل پیش بینی پایداری سد می بایست با تنش های قرار گرفته در ترازهای قابل قبول و یکپارچگی هسته سد تامین شود.در این تحقیق به بررسی تاثیر مصالح مختلف به عنوان هسته در سدها و به تبع آن ارزیابی مسئله ترک هیدرولیکی و پایداری شیروانیهای بالادست و پایین دست سد در دو حالت : هسته قائم و هسته مایل پرداخت شده و نتایج بدست آمده از آنها مورد تحلیل قرار می گیرد.

1-2 هدف از انجام این پژوهش :

از آنجاییکه ضرایب اطمینان مرسوم در تحلیل پایداری تعادل حدی همچنان دارای اهمیت هستند و سایر ملاحظات مورد نظر برای دقیق بودن تحلیل یک سد خاکی ، شامل قابلیت تغییر مکان ، تنش های بدنه و همچنین مقاومت آن در مقابل اثرات نشت نیز باید ارزیابی گردند. روش اجزا محدود و سایر فنون پیشرفته برای تحلیل سدها ، امکان مطالعه رفتار خاکریز تحت شرایط گوناگون را فراهم آورده اند. حجم وسیعی از داده های حاصل از تحلیل های متعدد ، تسهیلاتی را برای ترسیم منحنی های پیش بینی شده از عملکرد سد ایجاد کرده است.همچنین پدیده های موثر در ناپایداری داخلی سدهای خاکی تحت تاثیر جنس مصالح هسته ناتراوا می بایست مورد ارزیابی و مقایسه قرار گیرند که این عوامل با تکنیک اجزاء محدود قابل بررسی می باشند. این پدیده ها در سدهای با شکل هسته قائم و مایل می توانند رفتاری متفاوت داشته باشند پدیده هایی که از نشست های تفاضلی هسته و پوسته به علت تفاوت در تراکم پذیری آنها شروع می شود و به پدیده قوس زدگی هسته بر روی پوسته مبدل شده و در نهایت می توانند باعث عامل ترکهای هیدرولیکی درون هسته سدهای خاکی و یا در سطح مشترک هسته و پوسته گردندکه مجموع این عوامل و واکنش ها در دراز مدت می توانند به گسیختگی داخلی سد منجر شوند. بنابراین با توجه به اینکه سدهای با هسته خاکی و مایل رفتاری متفاوت در برابر تمامی این عوامل از خود بروز می دهند به بررسی دقیق و علمی این شرایط پرداخته می شود.در مجموع علیرغم کلیه مواردی که در فصل سوم به عنوان مزایا و معایب هسته های قایم و مایل مطرح می شود هنوز یک نظریه منسجم و هماهنگ در مورد ارجحیت قاطع هیچ یک از دو روش ارائه نشده و در این مورد بین مهندسان طراح و محققان اختلاف نظر وجود دارد. در واقع علاوه بر مسایل مطروحه لازم است در انتخاب موقعیت استقرار و شکل هسته، عوامل مختلفی از جمله شرایط خاص زمین شناسی و ژئوتکنیک محل ، شرایط اقلیمی، مسایل و امکانات اجرایی موجود،‌کیفیت و کمیت مصالح قرضه ، شرایط توپوگرافی محل احداث و غیره مدنظر قرار گیرد. در هر حال مقایسه بین مزایا و معایب حاصل از مایل بودن هسته یا قایم بودن براساس مقاومت برشی نسبی مصالح هسته و پوسته های بالادست و پایین دست قابل ارزیابی خواهد بود. در این پژوهش با کنترل ضرایب اطمینان برای شیب ها در شرایط بارگذاریهای مختلف و تحلیل شرایط تنش در بدنه سد به بررسی پدیده قوس زدگی که خود یکی از عوامل شکست هیدرولیکی است پرداخته می شود و این امر مهم در یک سد موردی با دو شکل هسته متفاوت کنترل می گردد.

1-3 سیمای کلی رساله :

این رساله به گونه ای تنظیم شده است که ارتباط بین مطالب ارائه شده در هر فصل بطور نسبی رعایت شوند. به منظور رسیدن به اهداف موردنظر، رساله حاضر درپنج فصل تهیه شده است که فصول آن مندرجات زیر را شامل می شوند:

فصل اول شامل مقدمه و همچنین هدف از انجام این پژوهش می باشد.

در فصل دوم توضیحی در مورد ادبیات فنی و پیشینه پژوهش در ارتباط با موضوع داده شده است.

در فصل سوم به بیان عواملی که می توانند در هسته های خاکی با شکل هندسی متفاوت منجر به از دست رفتن پایداری آنها شوند پرداخته می شود.

در فصل چهارم به معرفی دستگاه مورد نیاز در این تحقیق و قابلیت های آن که برای آنالیز سدهای خاکی استفاده می شوند و روش کار و نحوه مدل سازی سد برای آنالیز پایداری سد توضیح داده شده است.

در فصل پنجم بحث و نتیجه گیری کار بیان شده است.

فصل دوم :

2-  ادبیات فنی و پیشینه پژوهش

2-1 مقدمه :

سدها معمولاً براساس مصالح بکار رفته در بدنه و شکل مقطع عرضی آنها طبقه بندی می شوند مانند سد های بتنی ، سدهای خاکی و سدها با سایر مصالح که هر کدام دارای انواع مختلفی هستند. سدهای خاکی خیلی قدیمی تر از سدهای بتنی می باشند بدیهی است که در حدود 3000 سال پیش تعدادی سد خاکی در مهد فرهنگ های کهن همچون کشورهای شرقی ساخته شده اند. براساس کتابچه استانداردی که توسط کمیته بین المللی سدهای بزرگ ICOLD  تهیه شده که در آن 63 کشور مهم دنیا هم اکنون مشارکت دارند، سدهای با ارتفاع بیش از 15  متر سدهای بلند اطلاق می شوند. ازبین حدود 14000 سد بلند دنیا که تا به حال به ثبت رسیده اند بیش از 70 درصد آنها سدهای خاکی هستند. گزارش اخیر ساخت سدهای بلند نیز نشان می دهد که از بین حدود 1000 سد بلند ساخته شده در 2 سال اخیر تنها حدود 20 درصد آنها سدهای بتنی و حدود 80 درصد باقیمانده سدهای خاکی می باشند .[1] از طرفی شرایط و ویژگی مکانی برای انتخاب محل احداث سدهای خاکی نسبت به سدهای بتنی به مراتب ساده تر و مهیا تر است .

2-2 سد های خاکریز

سدهای ساخته شده از خاک و یا ترکیبی از خاک و سنگ ، سدهای خاکریز نامیده می شوند. انواع سدهای خاکریز بسته به نوع مصالحی که در بدنه آنها بکار می روند به شرح زیر می باشند:

2-2-1 سدهای خاکی همگن^1و یا غیرهمگن^2

سدهای خاکی می توانند بر روی انواع مختلفی از پی های سنگی و یا آبرفتی قرار گیرند در حالیکه سدهای بتنی الزاماً بر روی پی های سنگی سخت و سالم احداث می شوند که این موضوع خود یکی از مزایا و خصوصیت متمایز اصلی سدهای خاکی می باشد ، در شکل 2-1 انواع آنها نشان داده شده است.

2-2-2 سدهای سنگریزه ای^3 با سه نوع اصلی : 1- با هسته مرکزی 2- با هسته مایل 3- با رویه غشایی معمولاً از جنس بتن مسلح

در شکل 2-2 ، مقطع سد سنگریزه ای با هسته مرکزی قائم ،‌ هسته مایل و سد سنگریزه ای با رویه غشایی نشان داده شده است :

اجزای اصلی و سازه ای سدهای خاکریز

مهمترین اجزای سدهای خاکی عبارتند از :

- ناحیه ای از مصالح با نفوذپذیری کم ( هسته ) دارای پهنای کافی به منظور محدود کردن تراوش به مقادیر مورد نظر.

- یک سیستم زهکش - فیلتر برای جمع آوری و تخلیه مطمئن تراوش آب در صورت وقوع در سراسر هسته و پی سد.

- پوسته های پشتیبان برای این اجزا.

2-4  هسته سد

مانع تراوش در سدهای خاکی ناحیه بندی شده معمولاً شامل یک هسته خاکی ناتراوای متراکم مرکزی یا شیب دار به سمت بالادست و یا هسته رسی مخلوط می باشد. ابعاد هسته بستگی به قابلیت دسترسی و خواص مصالح محل یا نزدیک آن و نیاز به جلوگیری از گرادیان های تراوشی بالا خواهد داشت. هسته سد خاکریز به صورت هسته رسی غلطک خورده یا یک ناحیه غیر قابل نفوذ مثل پوششی ضخیم یا دیافراگمی نازک یا ورقه های چوبی ، فولادی ، آسفالتی یا مصالح بنایی اجرا می شود. در شکل های 2-3 و 2-4 به ترتیب مقطع سد خاکی با هسته آسفالتی و هسته رسی مایل و پرده آب بند در زیر آنها نشان داده شده است.

شکل و موقعیت استقرار هسته در مقطع سد

هسته را در مقاطع سد خاکی می توان در سه شکل و موقعیت به شرح ذیل احداث کرد :

1)  به شکل قائم در میانه یا مرکز سد^1

2)  کمی شیبدار به سمت بالادست^2

3)  کاملاً شیبدار به سمت بالادست^3

در شرایطی که سطح پایین دست هسته دارای شیب 1 V:0.5 Hیا بیشتر به سمت بالادست باشد، هسته کمی شیبدارتلقی می شود. هسته وقتی کاملاً شیبدار تلقی می شود که پوسته پایین دست و هسته دارای شیب خود پایدار در حدود 1 V:1.25 Hیا کمتر باشد. معمولاً این مقدار شیب در سدهای سنگریز به کاربرده می شود که در آنها ابتدا پوسته سنگریزپایین دست به صورت مستقل ساخته شده و پس از مدتی فیلتر و هسته روی شیب بالادست آن اجرا می گردد. در شکل 2-5 انواع روشهای استقرار هسته در مقطع سدهای خاکی نشان داده شده است. شیب بالادست هسته مایل همواره ملایم تر از پایین دست آن انتخاب می شود زیرا هد آب با افزایش عمق افزایش می یابد و در نتیجه گرادیان هیدرولیکی افزایش می یابد و برای جلوگیری از گرادیان های بالا در پایین دست هسته و پدیده رگاب^4 می بایست عرض هسته افزایش یابد.[3]