نشریه شماره ۶۲۴
امروزه آب به عنوان یکی از ارکان توسعه یک کشور بوده و مدیریت صحیح منابع آب امری حیاتی به شمار میآید. از میان سازههای آبی مختلف در یک طرح مدیریت منابع آب، سدها (به ویژه سدهای خاکی و سنگریز که به واسطه مزیتهای نسبی در مقایسه با سایر انواع سدها از فراوانی بیشتری برخوردار هستند) با توجه به ابعاد و حجم سرمایهای که برای احداث آنها صرف میشود، از اهمیت به سزایی برخوردار هستند. همچنین عوارض و عواقب فاجعه بار ناشی از شکست احتمالی سدها، نیاز توجه ویژه به طراحی و ساخت ایمن آنها را دو چندان کرده است. یکی از اصول حفظ و هدایت این سرمایه در مسیر صحیح، رعایت ضوابط و استانداردها، به منظور دستیابی به یک طرح ایمن و در عین حال اقتصادی است. قرارگیری وسعت قابل توجهی از کشورمان در مناطق مستعد وقوع زلزلههای متوسط و بزرگ بر اهمیت این موضوع میافزاید. علی رغم اینکه مراجع مختلف بین المللی، توصیههایی در مورد کلیات تحلیل و طراحی لرزهای سدهای خاکی ارائه نمودهاند، تاکنون در کشور ایران مرجعی که 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 خاکی و سنگریز خواهد پرداخت.
اهداف نشریه شماره ۶۲۴
هدف نشریه شماره ۶۲۴، ارائه یک مرجع واحد تحلیل و طراحی لرزهای بدنه و پی سدهای خاکی و سنگریز، به منظور ایجاد وحدت رویه در اتخاذ روشها و فرضیات تحلیل و طراحی اینگونه سدها در سطح جامعه مهندسی کشور 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 خاکی و سنگ ریز را در یک مسیر معین هدایت و طراحی هرچه ایمن و اقتصادیتر در این بخش را میسر نماید. همچنین از آنجا که به علت پیچیدگیهای تحلیلهای دینامیکی، درک 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، شکلی کاربردی یافته و بتواند مثمر ثمر واقع شود.
دامنه کاربرد نشریه شماره ۶۲۴
نشریه شماره ۶۲۴ روشهای متداول در تحلیل و طراحی لرزهای بدنه و پی سدهای خاکی و سنگریز ناحیهبندی شده یا همگن، در اندازههای کوچک، متوسط و بزرگ را در بر میگیرد. همچنین از مهمترین ویژگیهای نشریه شماره ۶۲۴ آن است که کاربرد آن صرفاً محدود به تحلیل و طراحی سدهای در دست طراحی نبوده، بلکه 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، کانالهای انتقال آب، ساختمانهای بهرهبرداری و همچنین شیبهای طبیعی یا شیروانیهای ایجاد شده مشرف به مخزن، بدنه و سازههای جانبی قابل کاربرد نبوده و موارد مذکور 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 خاکی
به طور کلی دو روش متفاوت جهت ارزیابی پایداری و عملکرد سدهای خاکی و سنگریز در زمان زلزله مورد استفاده قرار میگیرد. این روشها در اغلب موارد مکمل یکدیگر بوده و ارزیابی نهایی بر اساس مجموع نتایج حاصل از آنها صورت میپذیرد.
روش اول که از قدمت بیشتری برخوردار بوده و امروزه در طراحی سدهای خاکی و سنگریز کاربرد فراوان یافته، روش شبه استاتیک است.
روش دوم، استفاده از تحلیلهای دینامیکی است که با به کارگیری روشهای تحلیل عددی، نظیر اجزاء محدود یا روش تفاضلهای محدود، انجام میگیرد و در صورت امکانِ دسترسی به اطلاعات کافی از رفتار دینامیکی خاک، بالطبع نتایج واقع بینانهتری را از پاسخ لرزهای سد به دست خواهد داد. علاوه بر این، روشهای سادهای از قبیل بلوک لغزش نیومارک 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 کاربرد 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 تمرکز جوامع انسانی، صنایع، زمینهای کشاورزی و تأسیسات زیرساختی در محدوده سد است. هر چقدر اندازه یک سد از نظر ارتفاع و یا حجم مخزن بزرگتر یا هزینههای انسانی، اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی که 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 کرد. 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 کشور یا منطقهای متفاوت بوده که برخی از مهمترین این دستهبندیها در پیوست ارائه شده است. در نشریه شماره ۶۲۴ پیشنهاد میشود از روش ارائه شده ذیل که متناسب با شرایط بومی کشور است، استفاده شود.
اصول روش شبه استاتیک
به طور کلی اساس روش شبه استاتیک بر معادل سازی بارگذاری حاصل از ارتعاشات زلزله با یک بار استاتیکی استوار گشته است. در حالی که بارهای ناشی از یک زلزله طی لحظات بسیار کوتاهی اعمال شده و تغییر جهت و مقدار میدهد، در این روش، بار استاتیکی معادل همواره از جهت و مقدار ثابتی برخوردار بوده و به صورت دائمی اعمال میشود.
در تحلیل شبه استاتیک سدهای خاکی و سنگریز پس از محاسبه و اعمال این نیرو بر مرکز جرم یک توده لغزشی فرضی، ایستایی و ضریب اطمینان آن در مقابل لغزش با استفاده از روشهای مختلف تحلیل پایداری (مشابه حالت استاتیکی) بررسی و محاسبه میشود. با تکرار این محاسبات، تودهای از یک شیروانی که کمترین ضریب اطمینان را داشته باشد به عنوان توده بحرانی در تحلیل شبه استاتیک معرفی میشود. در صورتی که ضریب اطمینان این توده کمتر از مقادیر مجاز شود لازم است با اعمال تمهیداتی از جمله کاهش شیب، تغییر ناحیه بندی بدنه یا تغییر مشخصات مصالح و تکرار محاسبات نسبت به بهبود شرایط اقدام نمود.
محدودیتها و مزایای روش شبه استاتیک
روش شبه استاتیک با وجود قدمت و سادگی به کارگیری آن دارای معایب و کاستیهایی است که 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 استاتیکی
- ارزیابی پایداری لرزهای بدنه و پی سدهای خاکی و سنگریز با استفاده از روش تعادل حدی انجام میگیرد.
لذا محدودیتهای روش تعادل حدی ناگزیر در تحلیلهای شبه استاتیکی نیز منعکس میشود. برخی از این محدودیتها شامل موارد زیر هستند.
- عدم در نظر گرفتن رفتار تنش – کرنش مصالح خاکی
- عدم در نظر گرفتن میرایی و جذب انرژی توسط پی و بدنه سد
- عدم امکان محاسبه و اعمال تغییرات تنش حاصل از تغییرات فشار آب حفرهای در حین زلزله
- عدم امکان محاسبه مستقل تغییر شکل
- عدم امکان بررسی مستقیم پدیدههایی نظیر روانگرایی و شکست هیدرولیکی.
معیارهای تشخیص عملکرد و توصیههایی برای طراحی لرزهای
انجام تحلیلهای شبه استاتیکی و دینامیکی در واقع مبنا و مقدمهای برای طراحی لرزهای سدهای خاکی و سنگریز به شمار میآیند. هر چند با انجام این تحلیلها نیز به طور قطع و یقین، نمیتوان یک سد را در مقابل رخداد زمین لرزه احتمالی، کاملاً ایمن دانست. چرا که از یک سو عدم قطعیت در تخمین کلیه پارامترهای طراحی وجود داشته و از سو ی دیگر علیرغم پیشرفتهای گسترده حاصل شده در امر مدلسازی عددی، کماکان برخی از انواع ناپایداری و گسیختگیها عملاً توسط این تحلیلها مدلسازی نمیشود.
بنابراین ضروری است که یک 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 کافی داشته باشد. همچنین باید بداند که اولاً محاسبات انجام شده تا چه حد درست بودهاند و از چه درجه قطعیتی برخوردار هستند و ثانیاً آنکه 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، تکیهگاهها و سازههای جانبی
- افزایش پهنای هسته در محل اتصال آن با تکیهگاهها
- طراحی فیلتر مناسب بر روی توده سنگ درز و ترک دار پی به منظور جلوگیری از فرسایش پی
- افزایش ایمنی سد در مقابل نشت متمرکز و رگاب در محل اتصال سد و تکیهگاهها و یا سازههای جنبی، با بهرهگیری از طرح هندسی مناسب و کاربرد مصالح مناسب
- اصلاح سطح فونداسیون سد به نحوی که دارای پروفیل یکنواخت 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 تکیهگاهها
- اصلاح توده سنگ در محل تماس با هسته از طریق تزریق تحکیمی و نیز اجرای دال بتنی بر روی سطوح ضعیف و اصلاح ناهمواریها
دیوار آببند
دیوار بتن پلاستیک معمولاً در پیهای آبرفتی و سنگهای ضعیف نفوذپذیر احداث میشود. این دیوار باید دارای صلبیتی مشابه خاک یا سنگ اطراف باشد، چرا که در زمان وقوع تغییر شکلهای پس از ساخت سد، چندان جاذب نیروهای وارده نباشد. اگرچه هنگام زلزله نیروهای زیادی به دیوار آب بند وارد میشود اما شکل پذیری دیوار بتن پلاستیک موجب میشود تا احتمال وقوع ترک به حداقل ممکن کاهش پیدا کند. حداکثر 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 ترک در بتن پلاستیک بررسی شود.
در طول زلزله، سختی دینامیکی دیوار آببند بتن پلاستیک ممکن است نسبت به حالت استاتیکی افزایش یابد در حالیکه مقاومت دینامیکی در این شرایط از افزایش چشمگیری برخوردار نباشد. این امر میتواند منجر به وقوع ترک در این دیواره شود. در این حالت ترکها سبب افزایش بیشتر تراوش از پی خواهد شد که 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 زهکش افقی پایین دست و چاههای آزاد کننده فشار در پاییندست، میتواند به عنوان راهکارهای مناسب مدنظر قرار گیرد.
فهرست مطالب نشریه شماره ۶۲۴
تحلیل شبه استاتیک
- الزام استفاده از روش شبه استاتیک در طراحی لرزهای سدهای خاکی و سنگریز
- مراحل انجام تحلیل لرزهای به روش شبه استاتیک
- حالتهای مختلف تحلیل پایداری به روش شبه استاتیک
- انتخاب نوع تحلیل
- حالتهای مختلف تحلیل پایداری شبه استاتیک
تحلیل دینامیکی
- مزایای و محدودیتهای تحلیل دینامیکی
- الزام استفاده از روش دینامیکی در طرح لرزهای
- سطوح مختلف لرزهای
- کلیات مدلسازی عددی
- انواع تحلیلهای دینامیکی
معیارهای تشخیص عملکرد و توصیههایی برای طراحی
- معیارهای تشخیص عملکرد
- تغییر مکانهای ماندگار
- تغییرات فشار آب حفرهای در بدنه و پی
- یکپارچگی نواحی فیلتر و زهکش
- یکپارچگی اجزای آببند
- توصیههایی در خصوص نحوه اتصال بدنه سد با فونداسیون، تکیهگاهها و سازههای جانبی
- توصیههای در مورد طرح سدهای سنگریز با رویه بتنی