دلایل رویکرد به سدهای وزنی بتن غلتکی

با پیشرفت علم و صنعت سدسازی در جهان، و نیز با توجه به ضرورت روزافزون احداث سدها در شرایط و ساختگاه‌های نه چندان مناسب، مهم ترین چالش پیش روی صنعت سدسازی یافتن راهکارهایی برای غلبه بر محدودیت‌های فنی موجود برای انواع متعارف و کلاسیک سدها و همچنین ارائه راه حل‌هایی برای اقتصادی‌تر شدن هر چه بیش تر احداث سدها در شرایط طبیعی نامطلوب و با امکانات اجرایی محلی مطرح بود.

در این راستا، توجه به مشکلات و محدودیت‌های فنی و اقتصادی گزینه‌های متعارف سدهای بتنی وزنی و سدهای خاکی می‌تواند بیانگر دلایل و زمینه‌های ابداع ایده طراحی سدهای وزنی بتن غلتکی باشد. در سدهای بتنی وزنی متعارف، بخش عمده‌ای از حجم بتن بدنه سد عملکرد سازه‌ای نداشته و صرفاً تامین کننده وزن کافی برای پایداری بدنه سد هستند. این در حالی است که از دیدگاه طراحی، تفاوت محسوسی از نظر مشخصات فنی و اجرایی برای بخش‌های مختلف بتن بدنه سد لحاظ نمیشود. از طرف دیگر، در ساختگاه‌هایی که توده سنگ پی ازسختی نسبتاً خوب و بالایی برخوردار نیست، سختی و شکنندگی قابل توجه بتن بدنه سد موجب افزایش ریسک شکست سدهای بتنی وزنی در اثر نشست‌های زیاد پی شده و این عامل به نوعی محدود کننده امکان پذیری این نوع سدها میشود. به طور کلی، عوامل محدود کننده امکان پذیری سدهای بتنی وزنی متعارف را می‌توان به شرح زیر برشمرد.

1. ‌ضعف نسبی توده سنگ پی و تکیه گاه‌ها
2. ‌در دسترس نبودن مصالح قابل پذیرش برای بتن معمولی
3. ‌عدم توجیه اقتصادی در مقایسه با سدهای خاکی

از نظر اقتصادی، آیتم‌های اصلی هزینه در سدهای بتنی وزنی متعارف شامل موارد زیر هستند.

• ‌کیفیت مصالح لازم برای بتن
• ‌میزان مصرف سیمان در بتن
• ‌قالب بندی سطوح بالادست و پایین دست و قالب بندی سطوح درزهای قائم
• ‌ملاحظات و تمهیدات لازم برای کنترل ترك‌های حرارتی (پیش سرمایش بتن و یا مصالح آن و پس سرمایش بتن سخت شده)
• ‌تامین آب بندی و نفوذناپذیری بدنه سد
• ‌نیاز به ماشین آلات خاص و پیشرفته اجرایی (نظیر جرثقیل کابلی و یا جرثقیل‌های برجی سنگین)
• ‌تمهیدات لازم برای تامین ایمنی مطلوب در دوره اجرا

مجموعه عوامل فوق هم با تحمیل هزینه‌های مستقیم به پروژه و هم در پاره‌ای موارد با تطویل زمان اجرا سبب کاهش جذابیت اقتصادی نسبی سدهای بتنی وزنی متعارف شد به گونه‌ای که در دهه‌های اخیر آمار ساخت سدهای بتنی وزنی متعارف به شدت تقلیل یافته است.

در مقابل، از بعد مسایل فنی، سد خاکی می‌‌تواند گزینه مناسبی در طیف وسیعی از ساختگاه‌ها، به خصوص در ساختگاه‌هایی که توده سنگ پی از سختی نسبتاً خوب و بالایی برخوردار نیست، باشد. ولی از نظر اقتصادی، مخصوصاً در حوضه‌هایی که سیلاب‌های بسیار بزرگی دارند، این گزینه الزاماً راه حل مناسبی نخواهد بود چرا که هزینه‌های سیستم انحراف، سرریز، و سایر سازه‌های وابسته به سد می‌تواند در توجیه پذیری فنی و اقتصادی پروژه کاملاً تعیین کننده باشد. در سدهای خاکی، علیرغم سهولت و سرعت قابل ملاحظه اجرای بدنه سد، وجود برخی مسایل و مشکلات سبب ایجاد عدم توجیه اقتصادی مناسب و عملکرد فنی نامطلوب (ریسک بالای خرابی و خسارت) در این نوع سدها می‌گردید. از جمله مهم ترین این عوامل به شرح زیر است.

• ‌ضعف و خطرپذیری سدهای خاکی در برابر نفوذ آب به جسم بدنه سد
• ‌عدم مقاومت و پایداری سدهای خاکی در برابر روگذری سیلاب
• ‌تحمیل هزینه های بالاتر سیستم انحراف (سیلاب طراحی بزرگ‌تر، تونل طولانی تر، و فرازبند بلندتر)
• ‌هزینه‌های زیاد (و در برخی موارد تعیین کننده) سرریز و سایر سازه‌های جنبی
• ‌پیچیدگی و آسیب پذیری بیش تر سازه‌ها‌ی جنبی (سرریزها و آبگیرهای مرتفع) در ساختگا‌ه‌های با خطر لرزه خیزی زیاد
• ‌عدم کاهش زمان اجرای کلی پروژه بخاطر ملاحظات اجرایی سازه‌های جنبی

مجموعه عوامل و محدودیت‌های فوق، طراحان سدهای بتنی و خاکی را به یافتن راه حل‌ها و راهکارهایی برای غلبه بر مشکلات فوق وا می‌داشت. چرا که هم زمان با سخت تر شدن شرایط طبیعی و فنی ساختگاه‌های مطرح برای سدسازی، نیاز و ضرورت اجرای تعداد بیش‌تری از سدها با اهداف مختلف، با حفظ و بهبود جذابیت اقتصادی و کاهش هزینه تمام شده سدها، بیش تر می‌شد.

واژه بتن کوبیده غلتکی یا بتن غلتکی در واقع به بتنی اطلاق می‌شود که در فرایند ساخت و اجرای آن از تکنیک‌ها و ماشین آلات اجرایی ارزان و سریع سدهای خاکی استفاده شده و از مقاومت و دوام مشابه با بتن متعارف برخوردار است. بر اساس این توضیحات مشخص میشود که سدهای بتنی وزنی غلتکی به طور عام در بر گیرنده طیف وسیعی از سدهای وزنی حد فاصل سدهای بتنی وزنی متعارف و سدهای خاکی هستند. بدیهی است معیارها و ضوابط طراحی گروه‌هایی از سدهای وزنی بتن غلتکی که نزدیکی بیش‌تر‌ی به سدهای بتنی وزنی متعارف دارند مشابه سدهای بتنی وزنی بوده و معیارها و ملاحظات طراحی و اجرایی انواعی از سدهای بتنی وزنی غلتکی که به سدهای خاکی شبیه‌تر هستند، تواماً متاثر از مبانی طراحی سدهای خاکی و سدهای بتنی وزنی است.

شایان ذکر این که ارائه ایده‌های طراحی سدهای بتنی پایه‌دار Buttress Dams و سدهای بتنی وزنی توخالی (Hollow Gravity Dams) نیز در راستای پاسخ و غلبه بر مسایل و مشکلات فنی و اقتصادی سدهای بتنی وزنی (عمدتاً با هدف کاهش احجام بتن بدنه سد) شکل گرفته است. ولی در این نوع سدها، اگرچه در احجام (غیرموثر) بتن بدنه سد صرفه جویی میشود، ولی افزایش مقادیر و هزینه‌های قالب بندی و آرماتورگذاری سبب مشکل‌تر (و کندتر) شدن اجرایکار می‌گردید. از سوی دیگر با توجه به کاهش ضخامت اجزای بدنه سد در سدهای فوق الذکر، حساسیت این نوع سدها به بارهای حرارتی در دوره بهره برداری افزایش یافته و غالب سدهای بتنی پایه دار با مشکلاتی از این نوع مواجه هستند. بههمین دلیل، امروزه اقبال چندانی نسبت به این گروه از سدها وجود ندارد. علیرغم مزایای متعددی که برای انواع مختلف سدهای وزنی بتن غلتکی مطرح است، باید توجه داشت که در برخی موارد با توجه به شرایط طبیعی ساختگاه سد مورد نظر، محدودیت‌ها و معایبی هم برای این نوع سدها وجود دارد.

مبانی طبقه بندی و طراحی سدهای وزنی بتن غلتکی

هم زمان با پیشرفت و توسعه دانش و تکنولوژی سدهای وزنی بتن غلتکی، سازماندهی و طبقه بندی انواع مختلف سدهای وزنی بتن غلتکی با توجه ویژگی‌های آن‌ها مورد توجه بوده است. با توجه به خاستگاه و طیف انواع مختلف سدهای وزنی بتن غلتکی، این دسته بندی‌ها غالباً بر اساس میزان مصرف مواد سیمانی در واحد حجم مصالح (بتن) بدنه سد بوده‌اند. البته باید توجه داشت عواملی نظیر هدف، طول عمر مفید و ارتفاع سد، و نیز شرایط لرزه خیزی ساختگاه سد در دسته بندی و تنظیم مبانی طراحی سدهای وزنی بتن غلتکی تاثیرگذار هستند. طبقه بندی متداول سدهای وزنی بتن غلتکی در جدول زیر ارائه شده است.

مزایا و محدودیت‌های سدهای وزنی بتن غلتکی در مقایسه با سایر انواع سدها و کاربردهای خاص بتن غلتکی در سدسازی