نشریه شماره ۶۲۴
امروزه آب به عنوان یكی از اركان توسعه یك كشور بوده و مدیریت صحیح منابع آب امری حیاتی به شمار میآید. از میان سازههای آبی مختلف در یك طرح مدیریت منابع آب، سدها (به ویژه سدهای خاكی و سنگریز كه به واسطه مزیتهای نسبی در مقایسه با سایر انواع سدها از فراوانی بیشتری برخوردار هستند) با توجه به ابعاد و حجم سرمایهای كه برای احداث آنها صرف میشود، از اهمیت به سزایی برخوردار هستند. همچنین عوارض و عواقب فاجعه بار ناشی از شكست احتمالی سدها، نیاز توجه ویژه به طراحی و ساخت ایمن آنها را دو چندان كرده است. یكی از اصول حفظ و هدایت این سرمایه در مسیر صحیح، رعایت ضوابط و استانداردها، به منظور دستیابی به یك طرح ایمن و در عین حال اقتصادی است. قرارگیری وسعت قابل توجهی از كشورمان در مناطق مستعد وقوع زلزلههای متوسط و بزرگ بر اهمیت این موضوع میافزاید. علی رغم اینكه مراجع مختلف بین المللی، توصیههایی در مورد كلیات تحلیل و طراحی لرزهای سدهای خاكی ارائه نمودهاند، تاكنون در كشور ایران مرجعی كه به طور خاص به طرح لرزهای این سازهها با توجه به شرایط بومی بپردازد، تهیه و تدوین نشده است. از این رو، نشریه شماره ۶۲۴ در نخستین گام برای تدوین ضوابط و استانداردهای طرح لرزهای سازههای آبی، به ارائه روشها و معیارهای تحلیل و طراحی لرزهای سدهای خاكی و سنگریز خواهد پرداخت.
اهداف نشریه شماره ۶۲۴
هدف نشریه شماره ۶۲۴، ارائه یك مرجع واحد تحلیل و طراحی لرزهای بدنه و پی سدهای خاكی و سنگریز، به منظور ایجاد وحدت رویه در اتخاذ روشها و فرضیات تحلیل و طراحی اینگونه سدها در سطح جامعه مهندسی كشور است. در همین راستا، این نشریه تلاش خواهد نمود تا با ارائه مجموعهای از توصیهها، دستورالعملهای گردآوری شده از مراجع مختلف و با بهرهگیری از تجربیات بومی موجود در این زمینه، روند تحلیل لرزهای سدهای خاكی و سنگ ریز را در یك مسیر معین هدایت و طراحی هرچه ایمن و اقتصادیتر در این بخش را میسر نماید. همچنین از آنجا كه به علت پیچیدگیهای تحلیلهای دینامیكی، درك و تفسیر نتایج حاصل از آن، سطح نسبتاً بالایی از دانش را طلب مینماید، در گردآوری و تدوین مطالب تلاش شده تا با بیانی ساده، در سطح جامعه مهندسین مشاور و با سطوح مختلف تجربه در این خصوص، شكلی كاربردی یافته و بتواند مثمر ثمر واقع شود.
دامنه كاربرد نشریه شماره ۶۲۴
نشریه شماره ۶۲۴ روشهای متداول در تحلیل و طراحی لرزهای بدنه و پی سدهای خاكی و سنگریز ناحیهبندی شده یا همگن، در اندازههای كوچك، متوسط و بزرگ را در بر میگیرد. همچنین از مهمترین ویژگیهای نشریه شماره ۶۲۴ آن است كه كاربرد آن صرفاً محدود به تحلیل و طراحی سدهای در دست طراحی نبوده، بلكه برای ارزیابی وضعیت سدهای ساخته شده و در دست بهرهبرداری نیز، قابل استفاده خواهد بود.
نشریه شماره ۶۲۴ برای تحلیل و طراحی لرزهای سازههای وابسته و جانبی سد از قبیل تونل، سرریز، سازه آبگیر، كانالهای انتقال آب، ساختمانهای بهرهبرداری و همچنین شیبهای طبیعی یا شیروانیهای ایجاد شده مشرف به مخزن، بدنه و سازههای جانبی قابل كاربرد نبوده و موارد مذكور میبایست بر اساس مراجع معتبر مرتبط طراحی شود. سدهای واقع بر روی گسل اصلی فعال، خارج از محدوده شمول این راهنما است.
انواع روشهای تحلیل لرزهای سدهای خاكی
به طور كلی دو روش متفاوت جهت ارزیابی پایداری و عملكرد سدهای خاكی و سنگریز در زمان زلزله مورد استفاده قرار میگیرد. این روشها در اغلب موارد مكمل یكدیگر بوده و ارزیابی نهایی بر اساس مجموع نتایج حاصل از آنها صورت میپذیرد.
روش اول كه از قدمت بیشتری برخوردار بوده و امروزه در طراحی سدهای خاكی و سنگریز كاربرد فراوان یافته، روش شبه استاتیك است.
روش دوم، استفاده از تحلیلهای دینامیكی است كه با به كارگیری روشهای تحلیل عددی، نظیر اجزاء محدود یا روش تفاضلهای محدود، انجام میگیرد و در صورت امكانِ دسترسی به اطلاعات كافی از رفتار دینامیكی خاك، بالطبع نتایج واقع بینانهتری را از پاسخ لرزهای سد به دست خواهد داد. علاوه بر این، روشهای سادهای از قبیل بلوك لغزش نیومارك برای تخمین تقریبی میزان جابجاییهای ماندگار در بدنه سد در اثر زلزله وجود دارد. در این روشها از نتایج روشهای فوق به منظور تخمین جابجاییها استفاده میشود.
محدوده كاربرد روشهای مختلف تحلیل لرزهای
میزان مخاطرات و خسارات ناشی از تخریب احتمالی سد، تابع عوامل مختلفی همچون بزرگی ارتفاع و حجم مخزن و نیز میزان تمركز جوامع انسانی، صنایع، زمینهای كشاورزی و تأسیسات زیرساختی در محدوده سد است. هر چقدر اندازه یك سد از نظر ارتفاع و یا حجم مخزن بزرگتر یا هزینههای انسانی، اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی كه به واسطه تخریب احتمالی سد رخ میدهد بیشتر باشد بر میزان اهمیت سد افزوده شده و به تبع آن حجم بیشتری از مطالعات و تحلیلها را طلب خواهد كرد. در نتیجه، نوع و گستردگی تحلیلهای مورد نیاز برای هر سد باید متناسب با درجه اهمیت آن باشد. نحوه تعیین درجه اهمیت و درجه خطر پذیری سد در مراجع مختلف با توجه به شرایط هر كشور یا منطقهای متفاوت بوده كه برخی از مهمترین این دستهبندیها در پیوست ارائه شده است. در نشریه شماره ۶۲۴ پیشنهاد میشود از روش ارائه شده ذیل كه متناسب با شرایط بومی كشور است، استفاده شود.
اصول روش شبه استاتیك
به طور كلی اساس روش شبه استاتیك بر معادل سازی بارگذاری حاصل از ارتعاشات زلزله با یك بار استاتیكی استوار گشته است. در حالی كه بارهای ناشی از یك زلزله طی لحظات بسیار كوتاهی اعمال شده و تغییر جهت و مقدار میدهد، در این روش، بار استاتیكی معادل همواره از جهت و مقدار ثابتی برخوردار بوده و به صورت دائمی اعمال میشود.
در تحلیل شبه استاتیك سدهای خاكی و سنگریز پس از محاسبه و اعمال این نیرو بر مركز جرم یك توده لغزشی فرضی، ایستایی و ضریب اطمینان آن در مقابل لغزش با استفاده از روشهای مختلف تحلیل پایداری (مشابه حالت استاتیكی) بررسی و محاسبه میشود. با تكرار این محاسبات، تودهای از یك شیروانی كه كمترین ضریب اطمینان را داشته باشد به عنوان توده بحرانی در تحلیل شبه استاتیك معرفی میشود. در صورتی كه ضریب اطمینان این توده كمتر از مقادیر مجاز شود لازم است با اعمال تمهیداتی از جمله كاهش شیب، تغییر ناحیه بندی بدنه یا تغییر مشخصات مصالح و تكرار محاسبات نسبت به بهبود شرایط اقدام نمود.
محدودیتها و مزایای روش شبه استاتیك
روش شبه استاتیك با وجود قدمت و سادگی به كارگیری آن دارای معایب و كاستیهایی است كه استفاده مطلق از آن را در تحلیلهای لرزهای با محدودیتهایی مواجه ساخته است. از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود.
- استفاده از روش تعادل حدی برای تحلیل شبه استاتیكی
- ارزیابی پایداری لرزهای بدنه و پی سدهای خاكی و سنگریز با استفاده از روش تعادل حدی انجام میگیرد.
لذا محدودیتهای روش تعادل حدی ناگزیر در تحلیلهای شبه استاتیكی نیز منعكس میشود. برخی از این محدودیتها شامل موارد زیر هستند.
- عدم در نظر گرفتن رفتار تنش – كرنش مصالح خاكی
- عدم در نظر گرفتن میرایی و جذب انرژی توسط پی و بدنه سد
- عدم امكان محاسبه و اعمال تغییرات تنش حاصل از تغییرات فشار آب حفرهای در حین زلزله
- عدم امكان محاسبه مستقل تغییر شكل
- عدم امكان بررسی مستقیم پدیدههایی نظیر روانگرایی و شكست هیدرولیكی.
معیارهای تشخیص عملكرد و توصیههایی برای طراحی لرزهای
انجام تحلیلهای شبه استاتیكی و دینامیكی در واقع مبنا و مقدمهای برای طراحی لرزهای سدهای خاكی و سنگریز به شمار میآیند. هر چند با انجام این تحلیلها نیز به طور قطع و یقین، نمیتوان یك سد را در مقابل رخداد زمین لرزه احتمالی، كاملاً ایمن دانست. چرا كه از یك سو عدم قطعیت در تخمین كلیه پارامترهای طراحی وجود داشته و از سو ی دیگر علیرغم پیشرفتهای گسترده حاصل شده در امر مدلسازی عددی، كماكان برخی از انواع ناپایداری و گسیختگیها عملاً توسط این تحلیلها مدلسازی نمیشود.
بنابراین ضروری است كه یك مهندس طراح پیش از اقدام به تحلیل و طراحی، با این عدم قطعیتها در پارامترهای طراحی و همچنین با انواع گسیختگیها و ملاحظات طراحی آنها آشنایی كافی داشته باشد. همچنین باید بداند كه اولاً محاسبات انجام شده تا چه حد درست بودهاند و از چه درجه قطعیتی برخوردار هستند و ثانیاً آنكه مقادیر بدست آمده از تحلیلها با چه مقادیری باید مقایسه شوند و در واقع مقادیر مجاز آنها چه مقدار هستند.
توصیههایی در خصوص نحوه اتصال بدنه سد با فونداسیون، تكیهگاهها و سازههای جانبی
- افزایش پهنای هسته در محل اتصال آن با تكیهگاهها
- طراحی فیلتر مناسب بر روی توده سنگ درز و ترك دار پی به منظور جلوگیری از فرسایش پی
- افزایش ایمنی سد در مقابل نشت متمركز و رگاب در محل اتصال سد و تكیهگاهها و یا سازههای جنبی، با بهرهگیری از طرح هندسی مناسب و كاربرد مصالح مناسب
- اصلاح سطح فونداسیون سد به نحوی كه دارای پروفیل یكنواخت بوده و دارای تغییرات ناگهانی، برآمدگی، پلهای شدن و … نباشد.
همچنین در مناطق با لرزهخیزی بالا رعایت موارد زیر توصیه میشود.
- پرهیز از استفاده از مصالح با پتانسیل واگرایی در محل تماس هسته سد با تكیهگاهها
- اصلاح توده سنگ در محل تماس با هسته از طریق تزریق تحكیمی و نیز اجرای دال بتنی بر روی سطوح ضعیف و اصلاح ناهمواریها
دیوار آببند
دیوار بتن پلاستیك معمولاً در پیهای آبرفتی و سنگهای ضعیف نفوذپذیر احداث میشود. این دیوار باید دارای صلبیتی مشابه خاك یا سنگ اطراف باشد، چرا كه در زمان وقوع تغییر شكلهای پس از ساخت سد، چندان جاذب نیروهای وارده نباشد. اگرچه هنگام زلزله نیروهای زیادی به دیوار آب بند وارد میشود اما شكل پذیری دیوار بتن پلاستیك موجب میشود تا احتمال وقوع ترك به حداقل ممكن كاهش پیدا كند. حداكثر تنشهای وارده به دیوار آب بند عموماً در امتداد دره سد اتفاق میافتد (در امتداد رودخانه). اما در هر حال لازم است با استفاده از مدل عددی مناسب، احتمال وقوع ترك در بتن پلاستیك بررسی شود.
در طول زلزله، سختی دینامیكی دیوار آببند بتن پلاستیك ممكن است نسبت به حالت استاتیكی افزایش یابد در حالیكه مقاومت دینامیكی در این شرایط از افزایش چشمگیری برخوردار نباشد. این امر میتواند منجر به وقوع ترك در این دیواره شود. در این حالت تركها سبب افزایش بیشتر تراوش از پی خواهد شد كه احتمالاً افزایش فشار آب در پی یا فرسایش در آن را نیز به همراه خواهد داشت. در این شرایط اجرای فیلتر در سطح تماس آبرفت پایین دست با سد و یا افزایش ظرفیت زهكش افقی پایین دست و چاههای آزاد كننده فشار در پاییندست، میتواند به عنوان راهكارهای مناسب مدنظر قرار گیرد.
فهرست مطالب نشریه شماره ۶۲۴
تحلیل شبه استاتیك
- الزام استفاده از روش شبه استاتیك در طراحی لرزهای سدهای خاكی و سنگریز
- مراحل انجام تحلیل لرزهای به روش شبه استاتیك
- حالتهای مختلف تحلیل پایداری به روش شبه استاتیك
- انتخاب نوع تحلیل
- حالتهای مختلف تحلیل پایداری شبه استاتیك
تحلیل دینامیكی
- مزایای و محدودیتهای تحلیل دینامیكی
- الزام استفاده از روش دینامیكی در طرح لرزهای
- سطوح مختلف لرزهای
- كلیات مدلسازی عددی
- انواع تحلیلهای دینامیكی
معیارهای تشخیص عملكرد و توصیههایی برای طراحی
- معیارهای تشخیص عملكرد
- تغییر مكانهای ماندگار
- تغییرات فشار آب حفرهای در بدنه و پی
- یكپارچگی نواحی فیلتر و زهكش
- یكپارچگی اجزای آببند
- توصیههایی در خصوص نحوه اتصال بدنه سد با فونداسیون، تكیهگاهها و سازههای جانبی
- توصیههای در مورد طرح سدهای سنگریز با رویه بتنی
جستجوی نشریهها و معیارهای فنی
