ایمن سازی سدهای قوسی
سد سازی در تمام کشورهای جهان این موضوع را به اثبات رسانیده، که هر چه سد بلندتر و مرتفع تر باشد، اهمیت اقتصادی و جنبههای امنیتی آن بیشتر خواهد بود. بطور کلی، سدهای قوسی با مخازن عظیم ثابت کردهاند که در صورت فروریزی و خرابی، عواقب این مسئله کاملاً جدی بوده و نه تنها اقتصاد ملی را متحمل زیان قابل توجهی میکند، بلکه جان و مال مردم را شدیداً به خطر خواهند انداخت.
بنابراین باید اهمیت بالایی به مسائل امنیتی سدهای قوسی داده شود و بررسیهای عمیقی باید به سمت تنش، تغییر شکل و مکانیزم تخریب در حین بهره برداری از این سدها سوق داده شود. همچنین ارزیابیهایی در ارتباط با ضریب اطمینان سدهای قوسی باید صورت پذیرد.
سدهای قوسی از انواع سدهای با اضافه ظرفیت باربری بالا و خصیصهی خود انطباقی و برتری نسبت ایمنی به قیمت بهره میبرند. هر چه سد قوسی مرتفع تر و بزرگتر باشد، به همان نسبت، شرایط زمین شناسی محل سد پیچیدهتر بوده و ظرفیت مخزن نیز بزرگتر خواهد بود. بنابراین، در صورت وقوع هر گونه خرابی در این سدها، اقتصاد ملی متحمل زیان فراوان شده و زندگی و دارایی مردم در معرض خطر قرار خواهد گرفت. در نتیجه، خسارت بالای ناشی از فروریزی سد نشان دهندهی اهمیت بالایی است که باید به ارزیابی و نظارت بر مسائل امنیتی سد اختصاص داده شود.
در حال حاضر، مهمترین اهداف در بررسیهای امنیتی در این زمینه شامل، تئوری مقاومت، تئوری پایداری، تئوری قابلیت اتکاء، تئوری صدمات شکستگی به همراه تحلیلهای شبیه سازی عددی، تست مدل ژئوهندسی، ارزیابی و تحلیل بالعکس دادهها و غیره است.
به طور کلی اکثر سدهای قوسی دارای شرایط ژئولوژیکی پیچیده، شرایط محیطی ناسازگار، عدم قطعیت فیزیکی (تصادفی)، پارامترهای مکانیکی و غیره هستند. تمام این فاکتورها باعث عدم قطعیت در تحقیقات صورت گرفته در زمینهی امنیت سدهای قوسی شده است. تمام تئوریها و اهداف حال حاضر دارای نقطهی ضعف و نقطهی قوت بوده که باید پیشرفتها و تکمیلات مربوطه به سرعت صورت پذیرد.
بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری مقاومت
بر طبق تئوری مقاومت، خرابی یک سد قوسی به جهت ترکهای قوسی ایجاد شده بر اثر تنشهای کششی اضافی، تسلیم شانه و یا بدنهی سد بر اثر تنشهای فشاری اضافی، لغزش بدنهی صخرهای سد در امتداد سازهی نرم و ضعیف بر اثر تنشهای برشی اضافی و… به وقوع میپیوندد.
بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری پایداری
طبق مکانیک سنتی، هیچ گونه مشکل پایداری وجود ندارد، و لغزش سد قوسی در امتداد سطح تماس فونداسیون، ناپایداری شانههای سد، لغزش بلوک سنگی در امتداد سطح تماس سازه، همگی مرتبط با تخریب مقاومتی هستند. اما با توجه به تعریف پایداری کینماتیک، هر گونه تغییر در یک حالت و یا یک شی، یک حرکت به حساب آمده و موضوع پایداری مطرح میشود.
زمانی که تمام بدنه سد به دلایل مختلف درحالت پایداری محدود شده به سر میبرد، تنها یک آشفتگی جزئی باعث انحراف سد از حالت تعادل اولیه خود شده و باعث تخریب غیر قابل بازگشت میشود. با توجه به این اصل که زمانی که تخریب کامل سد قوسی اتفاق میافتد، حالت سکون سد به حالت قابل حرکت تغییر میکند. تخریب کامل سدهای قوسی ممکن است در ارتباط باپایداری باشد.
اما بر خلاف ناپایداری کمانشی، این نوع ناپایداری مربوط به ناپایداری حد نقطهای بوده و شاخص تعیین کنندهی امنیت سد قوسی همان اتکاء سد است. با توجه به تحقیقات صورت گرفته در ارتباط با ناپایداری سد قوسی تا هم اکنون هیچگونه پیشرفتی نه بر پایهی تئوری مکانیکی دقیق حتی به شکلی ساده و عملی صورت نگرفته است.
در حال حاضر، پیشرفتهایی در زمینههای تحقیقاتی در ارتباط باپایداری کلی سد قوسی به قرار زیر صورت گرفته است.
- روش اضافه بار
- ذخیرهی مقاومت
- روش ترکیبی اضافه بار
- ذخیرهی مقاومت و غیره.
روش اضافه بار
طبق این روش، با فرض ثابت بودن پارامترهای مقاومت مصالح و تحت عمل ترکیبی بارهای عملی نرمال، بار افقی با افزایش حجم مخزن (بالاتر رفتن تراز آب) تا آنجا افزایش مییابد، که ناپایداری و تخریب سد قوسی واقع شود.
ثابت اضافه بار عبارت است از نسبت بار تخریبی به بار قائم (نرمال)، ضریب اطمینان اضافه بار غالباً بسیار بالا بوده و میتواندبه روش مدلسازی ژئومکانیکی و یا شبیه سازی حسابی بدست آید. با این حال در عین فعالیت طبیعی سد قوسی اضافه بار بیش از اندازه بسیار غیر محتمل است، به علاوه، اثر عواملی همچون خوردگی، نشست و قلیایی شدن مصالح سازهای به دلیل وجود آب بر روی مقاومت در نظر گرفته نشده است. مخصوصاً ناحیهی ضعیف پی سنگی. به هر حال، خطر واقعی به خاطر تشدید بار نبوده، بلکه بخاطر کافی نبودن مقاومت مصالح است.
روش ذخیرهی مقاومت
بر طبق این روش، تحت شرایط عدم تغییر بار عمودی، مقاومت بدنه سد و پی سنگی به تدریج کاهش مییابد، تا زمانی که ناپایداری و تخریب سد قوسی وقوع یابد. با این حال، در این روش به تعدادی مدل نیاز است. به طور کلی این آزمایش بر طبق اصل تعادل انجام میشود، بدین معنا که به جای ثابت نگه داشتن بار خارجی و کاهش تدریجی مقاومت مصالح، مقاومت مصالح ثابت نگه داشته میشود و همزمان بار خارجی و بار مردهی خود سد افزایش مییابد، تا آنجا که تخریب صورت پذیرد.
برای آزمایش به روش ذخیرهی مقاومت معادل، مشکل اساسی که همزمان بودن افزایش بار خارجی پی سنگی و بدنهی سد است باید حل شود.
روش ترکیبی
تخریب یک سد قوسی تنها به دلیل اضافه بار یا کاهش مقاومت مصالح نیست، بلکه به دلیل اثر توامان دو فاکتور مذکور است.بر طبق روش ترکیبی، با ترکیب کردن اضافه بار با ذخیره مقاومت، زمانی که سد قوسی به یک ضریب اضافه بار مشخصه میرسد، مقاومت باید به اندازهی آن مرتبه کاهش داشته شود، که باعث تخریب سد قوسی میشود.
روش ترکیبی از لحاظ تئوری معقول بوده، اما عملکرد واقعی نسبتاً کامل شده است. خصوصاً هیچ گونه استاندارد استواری در ارتباط با اینکه تا چه اندازه باید اضافه بار ایجاد شود، قبل از اینکه مقاومت مصالح کاهش پیدا کند، وجود ندارد. در حالحاضر، مطالعهی کلی تخریب ناپایداری، تنها توسط آزمایشهای مدل هندسی صورت میپذیرد و موفقیتهایی در شبیه سازی کامپیوتری و محاسبات عددی روند خرابی سدهای قوسی صورت پذیرفته است.
تئوریهای دیگری در زمینهی ارزیابی ایمنی سد قوسی
- عدهای از پژوهشگران معتقدند که تخریب یک سد و تودهی سنگی به دلیل گسترش مستمر ترکهای ایجاد شده بر اثر تجمع دائمی آسیب اولیه است و بنابراین فرآیندهای مکانیک آسیب و مکانیک شکست را میتوان برای مطالعهی تخریب سدهای قوسی انطباق داد.
- شکافتن بر اثر آب، فاکتور اصلی در جهت انتشار ترکهای ابتدایی است.
- پژوهشگران دیگر به سد قوسی به عنوان یک سیستم دینامیکی توجه کرده و خرابی را از نقطه نظر تغییر شکل غیر خطی موردبررسی قرار دادهاند.
- زمانی که تخریب تجمعی و تغییر شکل سیستم سد قوسی از بینظمی به انتظام گسترش مییابد، و منحنی تغییرشکل سیستم از روال مساوی و خطی به شتاب و غیر خطی گسترش مییابد، خرابی کلی در حال صورت پذیرفتن است.
- سدهای قوسی به طور فزایندهای بلندتر ساخته میشوند و شالودهها نیز به طور فزایندهای پیچیدهتر میشوند. شرایط ژئولوژیکی پیچیده و متغیر، به همراه تلفات سنگین در صورت تخریب سدهای قوسی، دانشمندان را بر آن داشته تا به بررسی و حل مشکلات تکنیکی ساخت سدهای قوسی بپردازند.
- شکافتن و تسلیم شدن به دلیل تنش موضعی بیش از حد پاسخ طبیعی هر سد قوسی است. بی شک قبل از تخریب سد قوسی، یک فرآیند شکافت و تسلیم بوجود میآید و در طی این فرآیند پتانسیل سد قوسی پایدار مانده و بنابراین کارکرد ایمن ادامه مییابد.
- بنابراین بررسی عملکرد و مکانیزم سدهای قوسی در طی فرآیندی که از تسلیم موضعی مقاومت شروع و تا تخریب کامل سد به طول میانجامد، بسیار لازم و ضروری است.