پایانامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.Sc“
مهندسی عمران – سازه های هیدرولیکی
چکیده :
بررسی پایداری شیب های سدخاکی در حالت تخلیه سریع مخزن حائز اهمیت می باشد.در حین تخلیه سریع مخزن ،افت ترازآب داخل پوسته بالادست همزمان با پایین رفتن تراز آب مخزن صور ت نمی گیرد و محبو س ماندن آب در بدنه بالا دست سبب می گردد تا تنش های موثر کاهش یابد. وجود زهکش در بدنه سد سبب می گردد که آب محبو س مانده در ارتفاع سد زهکشی گردد و از بوجود آمدن فشار آب حفره ای مما نعت بعمل آید. فشارهای آب حفره ای ناشی از تخلیه سریع برای خاکریز های تراکم ناپذیر بااستفاده از معادله لاپلا س و رسم خط فراتیک ، شبکه جریان و اعمال شرایط مرزی وبرای خاکریز های تراکم پذیر ازرو ش بیشاپ قابل محاسبه است .
بدین علت در این پایان نامه به بررسی تاثیر مکان زهکش مایل در تخلیه وکاهش فشار آب حفرهای در شرایط تخلیه سریع می پردازیم وتاثیر آنرا بر عددپایداری شیب بالادست مورد تحلیل قرار می دهیم .سه مقطع از بدنه سد خاکی مورد مطالعه ،سد خاکی البرز، در حالتهای بدون زهکش ,زهکش نزدیک به هسته و زهکش نزدیک به پوسته بالادست در نرم افزارslop.w مدل گردیده وتوسط این نرم افزار تحلیل پایداری بر روی آنها صور ت می پذیرد.
در خاتمه با توجه به نتایج حاصله ، تاثیر مکانی زهکش مایل وتاثیرآن بر عدد پایداری مورد بحث ونتیجه گیری قرار می گیرد.
واژه های کلید ی: سد خاکی ،افت تراز سطح آب ،زهکش مایل ،شیب بالادست ،عددپایدار
مقدمه :
ازگذشته بسیار دور،آب از تقد س خاصی برخوردار بوده ودرمیان تمامی فرهنگ ها وجوامع حائز اهمیت وتوجه می باشد.آب برای تداوم وبقاء حیا ت لازم وضروری می باشد بطوریکه حتی لحظه ای زیستن بدون آنرا نمی توان تصور نمود.درمناطق مختلف دنیا برحسب شرایط جغرافیایی و زمین ساختی از طرق مختلف ازآب بهره برداری می گردد.
در نقاطی ،با ایجاد سد اعم از خاکی یا بتنی برروی جریان سطحی آب آنرا مهار وکنترل وسپس مورد استفاده قرار می دهند ویا در نقاطی دیگر از طریق حفر چاههای عمیق و نیمه عمیق از ذخیره آبهای زیر سطحی برای امور مختلف استفاده می نمایند.
با آغاز قرن هیجدهم میلادی وبا توسعه وپیشرفت علوم مهندسی از جمله علوم مکانیک خا ک وسیالا ت وعلوم سازه ای ونیز رشد جمعیت ونیاز روزافزون بشر به محصولا ت کشاورزی ودامی وآب شرب ودیگر احتیاجا ت صنعتی سبب گردید،میل بشربه ساخت وتکامل سدهاد روز به روز افزایش یابدبطوریکه امروزه دردنیا شاهدآن هستیم که شرکت ها ومتخصصان ومهندسان تلا ش وخلاقیت فنی واجرایی خودرا به ثبت روشهای نوو توسعه یافته طراحی واجرای سازه های خاصی ازسدها،بخصو ص سدهای خاکی معطو ف نموده وحتی آنرابه یک رقابت تبدیل نموده اند.
بایک نگاه اجمالی به شرایط امروزوآینده بشرمی توان نیازبه رشدوتوسعه تکنولوژی وفن آوری طراحی وساخت سدهارادرک نمودودرمیان سدهای خاکی به لحا ظ دردستر س بودن مصالح ونیز هزینه ها وشرایط بکارگیری ماشین آلا ت در اجرای بدنه سد از بهره وری ومزایای بهتری برخوردارند وامروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند.
با توسعه علوم رایانه ای وکمک ازنرم افزارهای مهندسی ،تحلیل داده هاونیزبررسی وتحلیل اشکال مختلف ازیک سازه ، بخصو ص بدنه سد خاکی راحت ترگردیده است . امروز متخصصان با کمک افزارهای مهندسی تخصصی ونظریه های بنیادی علوم براحتی ودر یک زمان کوتاه شرایط مختلف سازه ایی وزمین ساختی یک سدرا مدل کرده وبه نتایج مطلوب ومهمی دست می یابند.
دراین پایان نامه نیز سعی شده تااز نمونه خاصی ازاین نرم افزارهای تخصصی استفاده گرددتا شاهد تلا ش متخصصان برای بهره وری بهتر ازامکانا ت باشیم .اگرچه درک صحیح وشناخت محیط اجرای پروژه از نگاه مهندسین کارآمد وباسابقه پایه واسا س تصمیم گیرهای نهایی است .
این شروع ایست وامید است با تلا ش وهمت متخصصان ونسلهای آینده بتوان قدمهای موثر ومثبتی در راه توسعه علوم تئوری
،بویژه علوم نرم افزاری مرتبط برداشت .
فصل اول
مقدمه
١-١- مقدمه
اصولاً سدها به منظور ذخیره آب و تأمین آب شرب ،کشاورزی و صنعت ساخته می شوند هرچند مهار سیلاب ها و ایجاد ارتفاع آب به منظور تأمین انرژی پتانسیل برای ایجاد نیروگاه نیز م تواند از اهداف اولیه احداث سدهای بلند باشد. در مورد احداث سد، اعم از کوچک یا بزرگ و اعم از بتنی یا خاکی باید با اطمینان بسیار زیاد طراحی و اجرا گردد زیرا هزینه های اضافی که برای اجرای صحیح و دقت در کار صر ف می شود درصد زیادی رتشکیل نمی دهد، در صورتی که وقوع حادثه وتخریب سد نه تنها سرمایه مادی ساخت آن را از بین می برد بلکه تفاو ت جانی زیادی را در بر دارد که قابل جبران نخواهد بود. سدهای خاکی از معمولترین و قدیمی ترین سازه های خاکی برای مهار آب های سطحی می باشند.آمار سدهای مهم ساخته شده در جهان نشان می دهد که ٥٠% از سدهای ساخته شده تا کنون از نوع خاکی یا پاره سنگی است اما برنامه های در دست اجرا و در دست مطالعه نشان می دهد که این نسبت در سمت سدهای خاکی رو به فزونی است . دلیل این امر هم آشنائی بیشتر وتوسعه روزافزون علم مکانیک خا ک می باشد که باعث شده با شناخت صحیح از رفتار خا ک، سدهای خاکی با ضرائب ایمنی مناسب طراحی و ساخته شوند سدهای خاکی بیشتر از سدهای بتنی در معر ض تخریب بوده اند و بر اسا س گزار ش ICOLD (گزار ش 1983a) از میان ١٤٧٠٠ سد بررسی شده ١١٥٠ (یعنی ٧.٥%) دارای نواقص جدی بوده اند و ١٠٧ سد (یعنی ٠.٧%) تخریب شده اند. بیشتر از ٥٠% خرابی ها یا آسیب دیدگی ها در ضمن اخت یا در اولین آبگیری بوده است . مطالعا ت آماری که در خصو ص خرابی های سد خاکی انجام گرفته نشان می دهد که ١٥% کل خرابی ها تا سال ١٩٦٥ ناشی از ناپایدار شدن شیب ها است [١١] .
برای بررسی پایداری شیب های سدخاکی در سه حالت عمده شرایط مخزن (حالت حین ساخت سد، حالت تراو ش پایدار، حالت تخلیه سریع مخزن ) بایستی مقادیر پارامترهای مقاومت برشی خا ک (در شرایط مشابه مورد آزمایش قرارگرفته ) وفشارهای آب حفره ای محاسبه شوند. تعیین پارامترهای برشی مصالح پوسته در شرایط مختلف مخزن خارج از بحث این پایان نامه می باشد.
١-٢-فشار آب حفره ای
پایدارهای شیب های بالادست وپایین دست سدهای خاکی باید در شرایط مختلف بارگذاری و نشت آب از میان آن شامل مراحل ساخت ، آب اندازی ، بهره برداری ، و افت سریع تراز آب دریاچه مورد بررسی قرارگیرد.
تحلیل پایداری برای تمام سطوح لغز ش محتمل انجام شده و حداقل ضریب اطمینان Fتعیین شود. تحلیل پایداری به فشارآب حفره ای Uw بسیار حسا س می باشد. مقدار فشار حفره ای را م توان با رسم خط فراتیک و شبکه نشت آب از درون سد خاکی تعیین نمود. در رو ش های موجود به جای استفاده ی مستقیم از فشار حفره ای
Uw، از نسبت فشار حفره ای ru که بصور ت زیر تعریف می شود، استفاده می نمایند:
ru = Uw . γz (1-1)
که در آن γ وزن مخصو ص خا ک و z عمق نقطۀ مورد مطالعه از سطح زمین است . در محاسبا ت پایداری مقادیر معمول ru بین ٠.١ تا ٠.٣ اختیار می شود[ ١٤].
در تمام سدهای خاکی وجود زه غیرقابل اجتناب است و بایستی به نحو مناسبی در هر کدام از حالا ت مخزن کنترل و هدایت گردد در غیر این صور ت باعث فرسایش و در نهایت به تخریب سد منجر می گردد.
لازم است تا فشارهای آب حفره ای برای سه حالت تراو ش پایدار، حین ساخت سد و حالت تخلیه مخزن سد برآورد شوند. فشارهای آب حفره ای برای حالت تراو ش به وسیله محاسبه شبکه جریان و هم به وسیله تکنیک گرافیکی ویا به طور معمول با رو ش المان محدود محاسبه می شود. که پیشتر توسط dergreh (١٩٩٧) و
Zienkiewicz و Parekh(1970) و Desai (١٩٧٥) ارائه شده است . نکته مهم در این خصو ص این است که
kv,kh (نفوذپذیری در جها ت افقی وقائم ) بایستی مورد توجه قرار گیرد. همچنین پی سد تا رسیدن به یک لایه ناتراوا همزمان با بدنه سد مدلسازی گردد.
در حین ساخت سد به منظور تراکم بهتر و آسانتر خاکریزها لازم است که خا ک با رطوبت اپتیمم متراکم و کوبیده شوند در این صور ت خا کتا درجه اشباع ٩٠ تا ٩٥% اشباع می گردد و بنابراین در حالت حین ساخت نیز فشارهای آب حفره ای به وجود خواهد آمد که جهت محاسبه این فشارهای آب حفره ای از رابطه فشار آب حفره ای اسکمپتون (١٩٥٤)که از طریق آزمایشا ت سه محوری حاصل می گرددونیز اصلاحیه ای که توسط هنکل (١٩٦٠) پیشنهاد شده است م توان استفاده نمود. در ساخت سدهای خاکی به منظور زایل نمودن
فشارهای آب حفره ای ایجاد شده بعضاً از لایه های مختلف از شن و ماسه که نفوذپذیری بالائی دارند استفاده می شود[ ٤] .
حالت تخلیه سریع مخزن یکی از مواردی است که در حین بهره برداری از سد ممکن است به دفعا ت اتفاق بیفتد. این حالت در اغلب موارد بحران ترین حالت برای تعیین شیب بالادست سد خاکی است . در ضمن تخلیه سریع آب مخزن ، دامنه بالادست سد وضعیت بحرانی پیدا می کند زیرا از وضعیت فشار آب حفره ای موجود در مخزن که روی دامنه بالادست قرار دارد کاسته می شود. در حالیکه سطح زه آزاد، در بدنه سد باقی می ماند و به علت کم نفوذپذیر بودن بدنه سد، تراز این سطح بالاتر از سطح آزاد آب در مخزن است و مدتی طول می کشد تا آب درون بدنه سد به تدریج زهکش شود. در چنین شرایطی دامنه بالادست مثل دامنه پایین دست تحت تاثیر قرار می گیرد یعنی آب پشت سد که به صور ت یک عامل خارجی باعث افزایش تنش موثر شده بود، حذ ف می شود و در نتیجه از مقدار تنش موثر کاسته می شود [ ١١ ]. بنابراین فشارهای آب حفره ای محبو س در پوسته بالادست از نیروهای مقاوم می کاهد.تعیین فشار آب منفذی بعدازتخلیه سریع آب مخزن تاحدزیادی به نوع مصالح تشکیل دهنده بدنه سد ونوع تراکم آنهاونیزضریب نفوذ پذیری لایه ها بستگی دارد،که دفصل دوم در این خصو ص بحث شده است [ ١٨] .
١-٣-فرآیند و اشکال لغزش
بطورکلی ، می توان علت اصلی شکست سطوح شیبدار را بیشتر شدن تنش برشی از مقاومت برشی در سطح شکست دانست و بنابراین محاسبا ت پایداری سطوح شیبدار، در حقیقت مقایسه نیروهائی که باعث گسیختگی می شوند با نیروهائی که از گسیختگی جلوگیری می کنند، در سطح شکست می باشد.
رو ش های متعددی برای محاسبه پایداری شیروانی ها پیشنهاد شده که هر کدام در رابطه با نوع خاصی از شرایط خا ک زیرین ، نوع سد، یا مرحله خاصی از اجرای سد و نیروهای وارد بر آن مناسب هستند.
با توجه به اینکه آنالیزهای پایداری بر اسا س تنش های موثر صور ت می گیرد. بنابراین پارامترهای مقاومت برشی وفشارهای آب حفره ای که برای هر سه حالت مخزن محاسبه گردیده و جهت تحلیل های پایداری مورد استفاده قرار می گیرد [ ٧].
به طورکلی رو ش های معمول در بررسی پایداری شیب ها به دو دسته عمده تعادل حدی و رو ش المان محدود تقسیم بندی می شود. که این مورد در فصل سوم مورد بررسی قرار گرفته است [ ١٦].
در اینجا ذکر این نکته لازم است که در طراحی سدهای خاکی جنس شالوده تأثیر به سزائی دارد و چنانچه گفته شد بایستی هم برای تحلیل فشار آب حفره ای و هم برای تحلیل پایداری ، بدنه سد همراه با شالوده سد مدلسازی گردد.
Abstract
Considering the slope of earth dam stability in rapid draw down case is important subject
.While rapid draw down happen , the dewatering in upstream shell isnot to do as same time
with draw down the reservoir water level and water confined in upstream body of the earth
dam and cause reduce in effective stress.draining cause the confined water in hight of the dam
drained and prevent from the pore water pressure. The pore water pressure resulting of rapid
draw down for incompressible backfills calculate with the laplus equation and phreatic surface
graph,fluid net and applying boundary conditions and for compressible backfills calculate with
bishap method.
Therefore,in this thesis we consider the location effect of ramp drain in evacuation and reduce
the pore water pressure in rapid drawn down case analyse that that effect on the stability
number.
Three studied section of the earth dam body,Alborz earth dam,in undrained case,drain near to
core and drain near to upstream shell modeled with slop.w program.
With this program stability analyses done.in final ,resulting the location effect of ramp drain and
stability number influence discussed and concluded .
Key word : earth dam ,dewatering ,ramp drain ,upstream slop, pore water pressure , stability
number.