طراحی بدنه سد
معیار اصلی و اساسی در طراحی بدنه سد، تلاش برای تحقق اهداف تعریف شده و تامین شرایط عملکرد مطلوب و ایمن بدنه سد با حداقل هزینه ممکن است. شرایط عملکرد مطلوب و ایمن بدنه سد بسته به نوع و اهمیت اهداف تعریف شده برای سد، طول دوره بهره برداری از سد، ابعاد سد و مخزن، و ریسک خطر محتمل در صورت آسیب یا انهدام سد تعریف میشود. ویژگی شاخص و مهم سدهای وزنی بتن غلتکی در انعطاف پذیری (و انطباق پذیری) آنها با نیازها و عملکردهای مختلف مورد نظر هستند، در صورتی که در بسیاری موارد، تحقق شرایط عملکرد ایده آلی بدنه سد (که در سدهای بتنی وزنی متعارف تقریباً الزامی است) میتواند به اقتصاد پروژه لطمه زده و یا کلاً سبب غیراقتصادی شدن آن شود.
معیارها و فرایند طراحی بدنه سد
ایده و هدف کلی در جانمایی (انتخاب محور) و طراحی شکل هندسی یک سد، تامین رفتار مناسب و ایمنی کافی سد در برابر بارها و شرایط محیطی، و پرهیز از وقوع هر نوع شرایط نامطلوب در رفتار سد متناسب با نوع عملکرد تعریف شده برای آن است. در روند طراحی، مکانیزم باربری و نحوه انتقال بارهای وارد بر بدنه سد تدوین شده و سعی میشود در طول دوره بهره برداری با حاشیه اطمینان مناسب از شرایطی که منجر به عملکرد نامطلوب و یا انهدام بدنه سد و پی میشود، پرهیز شود.
در عمل، وضعیتها و شرایط محیطی محتمل برای سد با انجام تحلیلهای (حرارتی و سازه ای) لازم بررسی شده، وظرفیت تحمل و باربری سازه به نحوی تعیین میشود که نتایج تحلیلها از مقادیر حدی متناظر با سطح ایمنی در نظر گرفته شده، کمتر باشند (برای مثال تنشهای ایجاد شده در بدنه سد و پی کمتر از مقاومت مجاز مصالح باشند).
با توجه به خطاها و عدم قطعیتهایی که در همه دادهها و مراحل کار (مقاومت مصالح، بارگذاری، فرضیات طراحی ،روشهای تحلیل، و کاستیهای اجرایی) وجود دارند، ضرایب اطمینان متناسب با سطوح ایمنی مختلف، تعریف میشوند. معیارهای طراحی در واقع شامل تعریف حالات حدی مختلف، ترکیبات بارگذاری، روشهای تحلیل، و ضرایب اطمینان متناسب با هر یک از حالات حدی میشود. به طور کلی در تدوین معیارهای طراحی بدنه سدهای وزنی بتن غلتکی، تامین اهداف اصلی زیر در دوره اجرا و در شرایط مختلف بهره برداری، با حاشیه اطمینان متناسب با فلسفه طراحی، مد نظر هستند.
- تامین پایداری بدنه سد در برابر لغزش و واژگونی و پرهیز از وقوع لغزشهای ناپایدارساز در توده سنگ پی، درسطح تماس بدنه سد و پی، و در امتداد درزهای اجرایی بتن ریزی
- پرهیز از وقوع تنشهای کششی و ترکهای حرارتی (ناشی از انقباض توده بتن) در دوره اجرا
- تلاش برای تامین الزامات و ملاحظات مرتبط با روش اجرای بتن ریزی بدنه سد
- پرهیز از ایجاد تنشهای کششی (و ترک های) گسترش یابنده و ناپایدار در بدنه سد (در توده بتن و یا در امتداددرزهای اجرایی بتن ریزی) تحت اثر بارگذاریهای محتمل در شرایط مختلف بهره برداری
- تامین شرایط ظاهری مطلوب در رویههای بالادست و پایین دست و پرهیز از وقوع نشتهای بیش از حد انتظار و مخرب از بدنه سد (در توده بتن و درزهای اجرایی بتن ریزی)
جانمایی و محوریابی سد و سازههای جنبی
اولین مرحله در طراحی جانمایی بدنه سد انتخاب محور مناسب و بهینه برای بدنه سد است. عوامل موثر زیر در انتخاب محور سد باید مد نظر قرار گیرند.
- توپوگرافی و مرفولوژی دره
- جنس و پارامترهای رفتاری توده سنگ تشکیل دهنده پی
- ساختار و نحوه استقرار واحدهای مختلف سنگ از بعد مشکلات یا پتانسیلهای موجود برای آب بندی تکیه گاهها
- ساختار و نحوه استقرار واحدهای مختلف سنگ از بعد پتانسیل ایجاد شرایط ناپایداری در توده سنگ
- موقعیت گسلها و شکستگیهای بزرگ در ساختگاه سد و میزان اهمیت آنها
- موقعیت نواحی خرد شده سنگ، نواحی واریزهای، و بلوکهای ناپایدار در توده سنگ
- ملاحظات و محدودیت های اجرایی بدنه سد و سازههای جنبی
- وجود موقعیتهای مناسب برای سازه های جنبی نظیر سیستم انحراف، سرریزها، حوضچه آرامش، و ساختمان نیروگاه از بعد شرایط ژئوتکنیکی
برای بهبود شرایط پایداری کلی بدنه سد و توده سنگ پی، بدنه سد باید ترجیحاً در محدودههایی از دره که خطوط توپوگرافی دیوارههای جناحین همگرا (و یا حداقل غیر واگرا) هستند، جانمایی شود. از نظر هندسی، به طور معمول محور سد وزنی به صورت یک خط مستقیم و تقریباً عمود بر امتداد غالب خطوط توپوگرافی تعیین میشود. با این حال در مواردی بسته به شرایط توپوگرافی و یا ضرورتهای ناشی از جانمایی سازههای وابسته (نظیر ساختمان نیروگاه،آبگیرهای بزرگ، رسوب گیر و …)، محور سد ممکن است به صورت چند خطی و یا منحنی تعریف شود. در این موارد باید دقت نمود که خمیدگی و انحنای کلی محور سد ترجیحاً به سمت پایین دست بوده و از ایجاد شکستگیهای به سمت داخل مخزن، به دلیل این که این نوع شکستگی در محور سد در معرض کشش قرار داشته و میتواند مجرای مستعدی برای نشت آب نیز باشد، پرهیز شود.
از نظر پارامترهای رفتاری پی، توده سنگ مقاوم مناسب برای سدهای بتنی وزنی متعارف، برای سدهای وزنی بتن غلتکی هم مناسب هستند. علاوه بر این، هزینه کمتر و ویژگیهای رفتاری سدهای وزنی بتن غلتکی این امکان را فراهم میآورد که با عریضتر کردن مقطع سد و یا کاهش مدول تغییر شکل بدنه سد، تنشهای اعمال شده به پی را کاهش داده و اثرات نامطلوب تغییرشکلهای پی را کنترل نمود. بنابراین امکان احداث سدهای وزنی بتن غلتکی بر روی پیهایی که برای سدهای بتنی وزنی متعارف قابل پذیرش نیستند نیز، با در نظر گرفتن تمهیدات طراحی مناسب، وجود سدهای وزنی بتن غلتکی نمونه سدهایی هستند که بر روی پیهای نامناسب برای سدهای بتنی وزنی متعارف ساخته شدهاند. هر چند ارائه یک معیار کمی برای حدود مدول تغییرشکل مناسب برای توده سنگ پی سدهای وزنی (متعارف و بتن غلتکی) به سادگی میسر نیست.
طراحی هندسه بدنه سد
پس از تعیین محور سد، طراحی هندسه بدنه سد با طراحی و تحلیل پایداری عمیق ترین (بحرانی ترین) مقطع عرضی بدنه سد صورت میپذیرد. در شرایطی که مقطع قائم سد با هندسه متغیر طراحی شود، و یا کیفیت توده سنگ در نواحی مختلف پی متغیر باشد، تحلیل پایداری مقاطع با ارتفاع کم ترنیز بسته به مورد باید کنترل شودد. با توجه به این که در سدهای وزنی (متعارف یا بتن غلتکی) معمولاً سرریز در بخش میانی تاج سد قرار میگیرد ، توجه کافی به هندسه سرریز و حوضچه آرامش در جانمایی محور و طراحی مقطع عرضی بدنه سد ضروری است. با افزایش ارتفاع سد پیچیدگی و حساسیت رفتار بدنه سد در شرایط بارگذاری مختلف، به خصوص در شرایط بارگذاری دینامیکی زلزله افزایش مییابد. همچنین روش اجرا و ملاحظات اقتصادی مربوط به هزینههای پروژه نیز باافزایش ارتفاع سد تغییر یافته و فرایند بهینه اجرایی یک سد بلند میتواند کاملاً متمایز از روش اجرای بهینه یک سد کوتاه باشد. از سوی دیگر، با توجه به اهمیت بیش تر اهداف احداث سدهای با ارتفاع بیشتر، معمولاً کیفیت عملکرد و کارایی مورد انتظار از این سدها بالاتر است. بر همین اساس، از دیدگاه ملاحظات طراحی و اجرایی، میتوان سدهای وزنی بتن غلتکی را در سه رده سدهای کوتاه با ارتفاع کمتر از حدود ۳۰ متر، سدهای متوسط با ارتفاع بین ۳۰ تا ۹۰ متر، سدهای بلند با ارتفاع بیش تر از ۹۰ متر دسته بندی نمود.
با کاهش ارتفاع سد، مقاومت مورد نیاز برای بتن (و برای سطوح درزهای اجرایی بتن ریزی) نیز کاهش مییابد. بر همین اساس، غالب سدهای بتن غلتکی کوتاه، با توجه به ملاحظات فنی، اجرایی، و اقتصادی از نوع سد وزنی بتن غلتکی با مواد سیمانی کم هستند. در سدهای با ارتفاع متوسط و بلند، مقادیر بالاتر پارمترهای مقاومتی برای بتن و سطوح درزهای اجرایی بتن ریزی مورد نیاز است و علاوه بر این، این سدها معمولاً با اهداف مهمتری نظیر تولید انرژی برق، تامین و ذخیره آب، وکنترل سیلاب های بزرگ احداث میشوند.
طراحی هندسه مقطع قائم سدهای کوتاه
با توجه به شکل تیپ مقطع سدهای بتنی وزنی، نسبت سطح به حجم بدنه سد با کاهش ارتفاع سد افزایش مییابد. با توجه به این شرایط و با در نظر گرفتن هزینههای تجهیز اولیه برای عملیات قالب بندی، با کاهش ارتفاع سد، درصد هزینههای قالب بندی افزایش یافته و در سدهای بتنی وزنی کوتاه هزینههای مذکور درصد معنی داری از کل هزینههای سد را تشکیل می دهد. بر اساس این شرایط، امکان حذف عملیات قالب بندی در سدهای کوتاه به لحاظ صرفه جویی اقتصادی و نیز افزایش قابل توجه سرعت عملیات بتن ریزی، همواره مورد توجه طراحان و پیمانکاران بوده است.
با استفاده از بتن غلتکی با مواد سیمانی کم، سختی (مدول تغییرشکل) بتن بدنه سد کاهش یافته و در عین حال ظرفیت کرنش کششی بتن غلتکی بدنه سد افزایش مییابد. در نتیجه این فرایند، مقاومت بتن بدنه سد در برابر ترک خوردگی افزایش یافته و این امکان فراهم میشود که فواصل درزهای انقباضی قائم بدنه سد بیش تر در نظر گرفته شود. این امکان نیز به نوبه خود در کاهش هزینههای واحد حجم بتن و افزایش سرعت بتن ریزی موثر خواهد بود.
علاوه بر این، در صورت استفاده از بتن غلتکی با مواد سیمانی کم و طراحی متقارن مقطع بدنه سد، با توجه به یکنواختی بیشتر و کاهش مقدار تنشهای فشاری وارد بر پی، و نیز کاهش سختی و افزایش ظرفیت کرنش کششی بتن غلتکی بدنه سد، ظرفیت تحمل تغییر مکانهای بزرگتر در بدنه سد (ناشی از انعطاف پذیری زیاد در پی) ایجاد شده و عملکرد بسیار مناسبی برای بدنه سد بر روی پیهای نرم و انعطاف پذیر (پیهای غیر سنگی) حاصل میشود. بنابراین در شرایطی که احداث سد وزنی بتن غلتکی (با ارتفاع کم یا متوسط) بر روی پیهای نرم اجتناب ناپذیر شود، تکنیک طراحی فوق راهکار مناسبی برای تامین رفتار مناسب و ایمن بدنه سد خواهد بود. بدیهی است در این شرایط متناسب با ارتفاع سد و شرایط ژئوتکنیکی ساختگاه مورد نظر، حساسیت و اهمیت منابع قرضه و طرح اختلاط بتن بدنه سد برای تحقق نیازها و الزامات طراحی افزایش یافته و بررسیها و آزمایشهای جامعی برای دستیابی به کیفیت و دانه بندی مناسب سنگ دانهها و طرح اختلاط مناسب بتن باید انجام یابد.
در سدهای کوتاه، به خصوص در ترازهای فوقانی بدنه سد، مقاومت برشی (و مقاومت فشاری) لازم برای بتن و درزهای اجرایی از بعد الزامات سازهای و پایداری بسیار کم و ناچیز است. با این حال، در شرایطی که احتمال روگذری سیلاب از تاج سد در طول دوره برداری وجود داشته باشد (نظیر شرایط بتن غلتکی)، برای حفظ ایمنی و یکپارچگی بدنه سد، چسبندگی مناسبی در سطوح درزهای اجرایی بتن ریزی فوقانی سد باید تامین شود. برای این منظور میتوان از ملات بستر مناسب در سطح چند درز اجرایی بتن ریزی نزدیک تاج سد استفاده نمود.
با توجه به مقاومت کم سازهای مورد نیاز برای بتن در سدهای کوتاه، معمولاً میزان مواد سیمانی مورد نیاز بتن در اینسدها با توجه به الزامات تامین سطوح ظاهری مناسب برای بدنه سد، کارایی مناسب مخلوط بتن تازه، دانه بندی منابع قرضه موجود، کیفیت تجهیزات تولید و اجرای بتن، و نیز میزان کنترل و نظارت بر روند عملیات اجرایی، تعیین میشود. در صورت لزوم آب بندی بدنه سدهای وزنی بتن غلتکی کوتاه، میتوان با اجرای سریع و پیوسته لایههای متوالی بتن،استفاده از ملات بستر در محدوده بالادست سطوح درزهای اجرایی بتن ریزی، و یا استفاده از پوشش آب بند دررویه بالادست آب بندی مطلوب بدنه سد را تامین نمود.
در صورت احداث سد بر روی پیهای نفوذپذیر، اجرای تزریقهای تحکیمی پی برای تامین پایداری بدنه سد و یا اجرای دیوار آب بند (Cutoff wall) برای کنترل تراوش از پی ضرورت مییابد. در این شرایط، معمولاً تجربه نشان داده که اجرای یک بالشتک بتنی (Apron) در بالادست (یا پایین دست) با گسترده کردن لایههای تحتانی بتن بدنه سد، راهکار سریعتر، ارزانتر، و آسانتری در مقایسه با تزریقهای تحکیمی پی برای تامین پایداری بدنه سد و یا اجرای دیوار آب بند است. اجرای یک دیوار آب بند کوتاه در منتهی الیه بالادست بالشتک بتنی نیز معمولاً در پایداری و بهبود عملکرد آن موثر خواهد بود.
میزان گسترش (عرض) بالشتک بتنی بر اساس مطالعات تحلیل نشت و خطوط جریان آب در پی تعیین میشود.البته کنترل نشست و فولادگذاری لازم برای بالشتک بتنی (بر اساس روابط سازهای دال خمشی) نیز در تعیین عرض بهینه بالشتک بتنی موثر است.
طراحی هندسه مقطع قائم سدهای بلند
ملاحظات فنی و اقتصادی طراحی مقطع قائم سدهای وزنی بتن غلتکی بلند، کاملاً متفاوت با سدهای کوتاه است. به طور معمول شرایط ظاهری رویههای بالادست و پایین دست در سدهای با ارتفاع متوسط و بلند از اهمیت بیشتریبرخوردار بوده و از نظر اقتصادی نیز هزینه قالب بندی رویه بالادست سد در مقایسه با هزینه حجم بتن اضافی ناشی از شیب دار اجرا کردن آن، کاملاً توجیه پذیر میشود. بنابراین به منظور بهینه شدن حجم بتن بدنه سد، رویه بالادست در سدهای با ارتفاع متوسط و بلند بر اساس نیازهای پایداری و سازهای به صورت قائم و یا با یک شیب تند طراحی میشود. البته در شرایط خاصی که ضعف نسبی توده سنگ پی ایجاب مینماید، به منظور یکنواختتر شدن و کاهشمقادیر تنش وارد بر پی، طراحی هندسه مقطع قائم سدهای با ارتفاع متوسط و بلند به شکل ذوزنقه و با شیب تقریباً مساوی در رویههای بالادست و پایین دست، ضروری میشود.
ملاحظات طراحی و جانمایی سازههای جنبی
با توجه به زمان اجرای کوتاه تر سدهای وزنی بتن غلتکی، دوره بازگشت سیلاب طراحی و متناسبا ابعاد سیستم انحراف رودخانه را در این نوع سدها میتوان کاهش داد. در صورتی که رودخانه از عرض کافی و بده نسبتاً پایین در بعضی از فصول سال برخوردار باشد، میتوان بخش پایینی بدنه سد اصلی را در فصل خشک اجرا نموده و از آن به عنوان فرازبند نیز استفاده نمود. در شرایطی که احتمال وقوع سیلابهای شدید و پیش بینی نشده بالا بوده و ریسک روگذری سیلاب ازبدنه سد در حین اجرا قابل توجه باشد، میتوان با اجرای تمهیدات مناسب روگذری جریان سیلاب را به بخش محدودی از بدنه سد هدایت کرد.
با توجه به بده رودخانه و ملاحظات طراحی و اجرایی، میتوان یکی از گزینههای متداول تونل، کالورت، یا لولههای با قطر زیاد برای انحراف آب استفاده نمود. کالورت انحراف در محدوده گود پی باید بر روی توده سنگ سالم و عاری ازمصالح سست طراحی و اجرا شود، زیرا پس از اتمام دوره اجرا، کالورت در محدوده بدنه سد با بتن پر شده و جزئی از بدنه سد میشودد. برای تسریع عملیات اجرایی، میتوان از قطعات پیش ساخته برای اجرای کالورت استفاده نمود. در اینحالت پیش بینی تمهیدات مناسب برای آب بندی درزهای بین قطعات پیش ساخته کالورت ضروری خواهد بود. ابعاد کالورت باید به گونهای انتخاب شود که دسترسی به داخل آن و پر کردن (پ لاگ) آن با بتن، قبل از شروع آبگیری امکان پذیر باشد.
در سدهای بزرگ، در صورتی که فرازبند نیز از نوع بتن غلتکی انتخاب شود، فرصت بررسی گزینههای مختلف اجرایی و بهینه سازی طرح اختلاط بتن برای تیم مشاور و پیمانکار فراهم شده و با تجربه به دست آمده در فرازبند، سرعت و کیفیت اجرای بتن غلتکی بدنه سد اصلی بهبود مییابد. امکان جانمایی سرریز و سایر مجاری هیدرولیکی در بدنه سد وزنی بتن غلتکی وجود داشته و این یکی از مزایای مهم سدهای بتن غلتکی در مقایسه با سدهای خاکی است. با این حال، با توجه به روش اجرای بتن غلتکی، طراحی و جانمایی سازههای هیدرولیکی باید به گونهای صورت پذیرد که کمترین اخلال در فرایند اجرای بتن غلتکی ایجاد شود. برای نمونه،گزینه سرریز تاج با عرض بیش تر و عمق کمتر نسبت به گزینه سرریز تاج با عرض کم تر و عمق بیشتر، به دلیل تلاقی با تعداد کم تر لایههای بتن غلتکی، ارجح است. همچنین جانمایی مجاری هیدرولیکی در بخشهای میانی بدنه سد، سبب قطع ارتباط و دسترسی فضاهای دو سمت این سازهها شده و فرایند اجرا را با مشکل مواجه خواهد نمود. بر این اساس سعی میشود آبگیرها و مجاری داخل بدنه سد از بخشهای میانی به کنارههای بدنه سد منتقل شود. در شرایطی که امکان پذیر باشد، میتوان با جانمایی آبگیرها و سازههای هیدرولیکی بر روی ترانشهای که برای احداث این سازهها در حفاریهای پی سد پیش بینی میشودد، کلاً عملیات اجرایی آنها را از فرایند اجرای بتن غلتکی مستقل نمود.