پایداری سدهای وزنی

منظور از پایداری، پایداری عمومی سد، شامل پایداری در برابر لغزش، واژگونی، شناوری و تنش وارد بر توده سنگ پی سد می‌شود.‌ در مواردی که به علت ضعف پی‌، استفاده از شمع ضرورت می‌یابد، باید از ضوابط و روش‌های کنترل پایداری متناسب با تمهیدات طراحی مذکور استفاده شود‌. پی سد بسته به نیاز و با توجه به ملاحظات فنی، اجرایی، و اقتصادی می‌تواند افقی و یا شیب دار طراحی شود. مبانی و روش‌های ارائه شده برای کنترل پایداری در سطوح محتمل گسیختگی در محل تماس بدنه سد و پی و یا در توده سنگ پی (کمی پایین‌تر از سطح تماس سد و پی) و نیز در هر سطحی در داخل بدنه سد قابل استفاده هستند.

‌روش تحلیل تعادل حدی

مدهای گسیختگی

با توجه به هدف از تحلیل پایداری (اطمینان از تعادل افقی، قائم و دورانی سازه)، مدهای گسیختگی زیر باید کنترل شوند.

‌مد گسیختگی لغزشی

برای کنترل این مد گسیختگی، حداقل ضریب اطمینا ن لازم در مقابل لغزش در تمام سطوح محتمل لغزش محتمل باید وجود داشته باشد.

مد گسیختگی ناشی از عدم کفایت باربری پی

برای کنترل این مد گسیختگی، مقادیر تنش وارد بر پی در همه حالات بارگذاری باید در محدوده مجاز واقع شود.

‌مد گسیختگی واژگونی

برای کنترل مد گسیختگی واژگونی، محل اثر برایند نیروهای محرک در ترکیب بار‌های مختلف باید در محدوده تعریف شده مجاز قرار گیرد. با این روش عملاً میزان بازشدگی سطح تماس سازه و پی در شرایط مختلف بهره برداری به طور ضمنی کنترل میشود.

مد گسیختگی شناوری

برای کنترل مد گسیختگی شناوری، ضریب اطمینان لازم در مقابل شناوری متناسب با شرایط مختلف بارگذاری باید تامین شود.

مبانی تحلیل تعادل حدی

اولین گام در تحلیل پایداری، شناسایی و تعیین هندسه بخشی از سازه‌،‌ مستعد ناپایداری لغزشی و یا ناپایداری متناسب با مد گسیختگی مورد نظر، است‌. برای این منظور، موقعیت و هندسه سطوح جدا کننده بخش مستعد ناپایداری سازه که اصطلاحاً سطوح مستعد گسیختگی یا سطوح گسیختگی نیز نامیده می‌شوند، باید تعیین شود. سطوح گسیختگی می‌توانند ترکیبی از سطوح مستوی یا منحنی باشد، ولی به طور معمول و به منظور سادگی محاسبات، این سطوح به صورت مستوی در نظر گرفته می‌شوند.

تعیین سطوح مستعد گسیختگی یکی از مهم‌ترین مراحل تحلیل‌های پایداری بوده و مستلزم مشارکت کارشناسان با تجربه سازه و ژئوتکنیک است. در این خصوص، باید دقت نمود که اولاً سطوح گسیختگی به نحوی انتخاب شوند که امکان وقوع مد ناپایداری مورد نظر در امتداد آن‌ها امکان پذیر باشد، و ثانیاً بحرانی‌ترین سناریوهای مستعد ناپایداری با توجه به مشخصات سازه و مشخصات مصالح عبوری از سطح گسیختگی (جسم بتن یا سنگ پی،سطوح واریز اجرایی بتن، سطح تماس سازه و پی، و ناپیوستگی‌های توده سنگ پی) را شامل شود.

یکی از سطوحی که به طور معمول در تحلیل‌های پایداری مورد توجه بوده و در غالب موارد می‌تواند جزء یکی از سطوح بحرانی مستعد ناپایداری باشد، سطح تماس سازه و پی است، چرا که معمولاً مشخصات مقاومتی (مقاومت برشی ومقاومت کششی) این سطح در مقایسه با سطوح لغزش عبوری از داخل بدنه سد کم‌تر بوده و مساحت (طول ) آن نیز در مقایسه با مساحت سطوح لغزش عبوری از داخل توده سنگ پی کوچک‌تر است. شایان ذکر این که، با فرض عبور سطح گسیختگی از توده سنگ پی بلافصل سازه (بدنه سد)، پارامترهای مقاومتی سطح تماس سازه و پی در تحلیل‌های پایداری معادل پارامترهای سنگ پی در نظر گرفته می‌شود. به همین جهت، در برخی موارد برای بهبود شرایط پایداری، سطح تماس سازه و پی به صورت شیب دار (به سمت بالادست) طراحی میشود.

در تحلیل پایداری در برابر واژگونی، به جای تعریف ضریب اطمینان، عملکرد مطلوب سازه با تعیین یک محدوده معین برای موقعیت قرارگیری محل اثر برآیند نیروها در سطح گسیختگی کنترل میشود. در این رویکرد، با توجه به میزان پذیرش بازشدگی (گسیختگی کششی) در سطح گسیختگی تحت اثر شرایط مختلف بارگذاری، محدوده مجاز برای محل اثر نیروی برایند تعیین میشود. شایان ذکر این که به طور معمول در تحلیل‌های پایداری، از مقاومت کششی سطوح گسیختگی بحرانی (نظیر سطح تماس بتن-سنگ، سطح واریز بتن، یا سطوح عبوری از توده سنگ پی) صرف نظر میشود.

در شرایطی که بازشدگی در سطح گسیختگی ایجاد شود، توزیع فشار برکنش (به دلیل نفوذ آب به بخش باز شدهسطح گسیختگی) کاملا تغییر خواهد نمود. بر این اساس، محاسبات پایداری باید با اصلاح فشار برکنش تا حصول یکشرایط سازگار در تحلیل تکرار گردد. همچنین باید توجه داشت که توزیع تنش در سطح گسیختگی نیز در اثر بازشدگیسطح گسیختگی تغییر نموده و بازتوزیع این تنش ها باید متناسب با میزان بازشدگی مجددا محاسبه گردد.مد گسیختگی یا ناپایداری شناوری هنگامی روی می دهد که فشار خالص برکنش (فشار برکنش اعمالی بر کف سازهمنهای وزن آب سربار) از وزنسازه و سایر نیروهای قائم ناشی از سربارها بیش تر شود. از آنجا که وقوع این مد ناپایداریوابسته به مشخصات مقاومتی بتن سازه و توده سنگ پی نیست، عدم قطعیت های محاسبات کنترل شناوری بسیار کم تراز سایر مدهای گسیختگی می باشد. به همین جهت، به طور معمول، ضرایب اطمینان کم تری برای کنترل مد ناپایداریشناوری در نظر گرفته می شود.

ظرفیت باربری پی بر مبنای روش‌های تحلیلی، روابط متعارف ظرفیت باربری، و آزمایش‌های صحرایی و آزمایشگاهی برآورد میشود. ظرفیت باربری مجاز پی بنا به تعریف بیانگر حداکثر فشار قابل تحمل توده سنگ پی پس از اعمال ضریب اطمینان‌های لازم برای جلوگیری از گسیختگی (یا انهدام) پی و نیز محدود نمودن نشست پی (به نحوی که عملکرد سازه را مختل نکند) است.

بر اساس رویکرد فوق، در تحلیل کفایت باربری پی، میزان نشست توده سنگ پی به طور مستقیم محاسبه و ارزیابی نمیشود، و کنترل نشست با تعریف و اعمال ضرایب اطمینان مناسب بر ظرفیت باربری پی به طور ضمنی انجام می‌پذیرد. با توجه به این تعریف، تحت اثر بارگذاری‌های غیرعادی و فوق‌العاده ظرفیت باربری پی می‌تواند افزایش یابد. در سدها (یا سازه‌هایی) که بر روی توده سنگ ناهمگن و یا با درزه داری زیاد قرار می‌گیرند، گسیختگی لغزشی ممکن است در اثر گسیختگی برشی در امتداد میان لایه‌های ضعیف سنگ و یا ناپیوستگی‌ها رخ دهد‌. در این موارد، علاوه برضرورت شناسایی و کنترل مکانیزم‌های ناپایداری در برابر لغزش در توده سنگ، میزان نشست توده سنگ تحت اثر تنش‌های وارد بر پی باید با انجام محاسبات دقیق تر ارزیابی و کنترل شود.

تحلیل پایداری در برابر لغزش

انتخاب پارامترهای مقاومت برشی طراحی

پارامترهای مقاومت برشی توده سنگ پی را می‌توان با انجام آزمایش‌های برجا یا آزمایش‌های آزمایشگاهی برش مستقیم (و یا سایر آزمایش‌های مناسب) تعیین نمود. آزمایش‌های آزمایشگاهی در مقیاس کوچک و شرایط خاص آزمایشگاه انجام می‌شوند و طبیعتاً به طور مستقیم قابل اعمال در طراحی و تحلیل‌های پایداری نیستند. مقاومت برشی سنگ بکر (نمونه سنگ سالم) و نیز توده سنگ متشکل از درزهای تمیز یا پر شده تابع متغیرهای زیادی از جمله فشار محصور کننده، تاریخچه بارگذاری و نرخ بارگذاری است‌.

همچنین ابعاد نمونه‌ها، تعداد، راستا و ابعاد درزه‌ها می‌توانند تاثیر بسزائی بر نتایج آزمایش‌ها داشته باشند. بنابراین به منظور برآورد پارامترهای مقاومت برشی توده سنگ (و ناپیوستگی‌های آن) بر اساس نتایج آزمایش‌های آزمایشگاهی، باید مطالعات ویژه‌ای با در نظر گرفتن ساختار توده سنگ و نوع و ماهیت آزمایش‌های انجام یافته، توسط کارشناسان ژئوتکنیک (یامکانیک سنگ) صورت پذیرد. در برآورد این پارامترها شرایط واقعی تنش و وضعیت زهکشی توده سنگ نیز بایدمد نظر قرار گیرد.

روش تحلیل لغزش تک گوه‌ای

روش تحلیل لغزش تک گوه‌ای در واقع همان روش ساده و پرکاربرد تحلیل تعادل حدی برای کنترل لغزش است‌. دررده بندی و نام گذاری روش‌های تحلیل، هر بخش از توده لغزنده که معادلات تعادل به صورت مستقل برای آن نوشته می‌شود، اصطلاحاً یک گوه نامیده می‌شود. بنابراین، در روش تحلیل لغزش تک گوه‌ای، توده لغزنده صرفاً شامل یک گوه می‌شود که در برگیرنده بدنه سد بوده و صفحه کف این گوه، همان فصل مشترک سازه (بدنه سد) و پی است. در این حالت، نیروی محرک ناشی از توده سنگ (یا خاک‌) در بالادست و نیروی مقاوم ناشی از توده سنگ (یا خاک‌) در پایین دست، با فرض این که این نیروها در پایداری بدنه سد کم اثر هستند، با استفاده روابط مربوط به فشار محرک و فشار مقاوم خاک به صورت تخمینی برآورد میشوند.

روش تحلیل لغزش چند گوه‌ای

در شرایطی که هندسه سطح تماس سازه (بدنه سد) و پی به صورت یک صفحه مستوی نبوده و یا با توجه به تاثیر نیروهای محرک و مقاوم ناشی از توده سنگ (خاک) در بالادست و پایین دست سازه، برآورد دقیق‌تر این نیروها مورد نظر باشد، استفاده از روش‌های تحلیلی جامع‌تر ضروری خواهد بود. در این شرایط، می‌توان از روش تحلیل لغزش چند گوه‌ای یک روش تحلیل تعادل حدی موثر و نسبتاً ساده بر ای تحلیل و کنترل پتانسیل لغزش در امتداد مجموعه‌ای از ناپیوستگی‌ها و سطوح مستعد گسیختگی مختلف در پی است، استفاده نمود.

روش تحلیل لغزش چند گوه‌ای مبتنی بر اصول مدرن مهندسی سازه، ژئوتکنیک، زمین شناسی و مکانیک سنگ است که در آن با اعمال ضرایب اطمینان بر پارامترهای مقاومتی مصالح، تعادل لغزشی گوه‌ها تحت اثر تمامی بارهای وارد بر آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

ملاحظات مهم در محاسبه بارها در تحلیل‌های پایداری

بارهای ناشی از مخزن سد

بارهای ناشی از مخزن، شامل فشار هیدرواستاتیک و فشار برکنش، از جمله مهم‌ترین و موثرترین بارهای ناپایدار سازوارد بر بدنه سد هستند. بنابراین، در تعیین تراز مخزن (و تراز پایاب) متناظر با شرایط بارگذاری عادی، غیرعا‌دی، و فوق العاده (به خصوص در ترکیب با بار زلزله) باید دقت کافی مبذول شود. به طور معمول تراز نرمال مخزن به عنوان تراز مبنا برای محاسبه فشار هیدرواستاتیک و فشار برکنش در ترکیب بارهای عادی، و نیز در ترکیب بارهای غیرعادی و فوق العاده دینامیکی، در نظر گرفته می‌شود.

در شرایطی که بارهای ناشی از مخزن سد در کنترل پایداری سد تعیین کننده و بحرانی باشند، می‌توان با توجه به نوع بهره برداری و نحوه عملکرد مخزن، تراز مبنا برای محاسبه بارهای فوق را تا حدی کاهش داد. برای این منظور، منحنی تداوم مخزن در دوره بهره برداری و نیز منحنی تراز آب مخزن به ازای سیل‌های با دوره بازگشت مختلف (با استفاده از منحنی تداوم مخزن) باید با دقت مناسب قابل تهیه و در دسترس باشد. تهیه این داده‌ها مستلزم وجود آمار اندازه گیری شده در دوره زمانی مناسب و برنامه ریزی و پیش بینی دقیق نحوه بهره برداری از سد است. از نتایج پایش تراز مخزن در سدهای موجود نیز می‌توان برای این منظور استفاده نمود.

فشار برکنش

در شرایطی که هیچ تمهید خاصی برای کنترل و کاهش فشار برکنش پیش بینی و طراحی نشود، با فرض نفوذپذیری تقریباً یکنواخت توده سنگ، توزیع فشار برکنش در سطح تماس بدنه سد و پی به صورت خطی است. به طور معمول بر اساس توصیه‌های نسبتاً محافظه کارانه استانداردهای موجود، میزان فشار برکنش در سطح تماس بدنه سد و پی در محل پرده حدود زهکش پرده و تزریق‌ حدود دو سوم اختلاف فشار آب در محل پرده تزریق و فشار پایاب کاهش می‌یابد. در شرایطی که بر اساس معادلات تعادل نیروها، محل اثر نیروی برایند خارج از هسته مرکزی سطح گسیختگی واقع شود،بازشدگی در بخشی از سطح گسیختگی در مجاورت رویه بالادست رخ می‌دهد. بنابراین، با توجه به نفوذ آب به بخش بازشده سطح گسیختگی، فشار برکنش در این ناحیه معادل فشار سراب خواهد بود.

از بعد فشار برکنش (یا فشار منفذی)، ویژگی شاخص سدهای وزنی بتن غلتکی در مقایسه با سدهای بتنی وزنی متعارف، نفوذپذیری بیش‌تر جسم سد، به خصوص در سدهای بتن غلتکی با مواد سیمانی کم و متوسط، است. بنابراین، پتانسیل بسیج فشار برکنش در سطوح واریز بتن غلتکی، که در تحلیل‌های پایداری به عنوان یکی از گزینه‌های سطوح مستعد گسیختگی مطرح هستند، وجود خواهد داشت. در این شرایط، تامین الزامات پایداری ممکن است به طراحی یک شکل هندسی حجیم‌تر برای مقطع سدهای وزنی بتن غلتکی (در مقایسه با سد‌های بتنی وزنی متعارف ) منجر شود.

در صورت استفاده از لایه بتن متعارف (یا هر نوع المان آب بند دیگر) در رویه بالادست سد و حذف یا کاهش قابل توجه پتانسیل نفوذ آب به جسم بدنه سد، فشار آب منفذی محدود ایجاد شده در سطوح واریز بتن قابل صرف نظر خواهد بود. در این حالت یکپارچگی و انسجام المان آب بند رویه بالادست سد در شرایط بهره برداری و محیطی مختلف، بهخصوص تحت اثر بار زلزله، باید به دقت بررسی و کنترل شود. استفاده از یک سیستم زهکش (شبکه گمانه‌ها و گالری زهکش) در داخل بدنه سدهای وزنی بتن غلتکی نیز تمهید مناسب و موثری برای کاهش فشار برکنش در جسم بدنه سد است.

بارهای ناشی از زلزله

نیروهای ناشی از شتاب زلزله بر روی سدها را به طور کلی می‌توان به دو گروه نیروهای اینرسی وارد بر جرم بدنه سد، و نیروهای هیدرودینامیک ناشی از ارتعاش آب مخزن دسته بندی نمود. به طور معمول در تحلیل‌های پایداری مبتنی برروش تعادل حدی با توجه به رفتار تقریباً صلب سدهای بتنی وزنی، برای برآورد نیروهای دینامیکی ناشی از زلزله از روش‌های ساده شده شبه استاتیکی استفاده میشود. برای این منظور، شتاب شبه استاتیکی معادل شتاب‌های دینامیکی زلزله دل کاهنده ضریب یک اعمال با دو سوم به شتاب بیشینه زمین یا PGA تعیین می‌شود.

شتاب افقی زلزله را می‌توان در راستاهای بالادست یا پایین دست، و شتاب قائم زلزله را می‌توان در راستاهای بالا و پایین اعمال نمود.

بر اساس تجارب و توصیه‌های موجود در سدهای بتنی وزنی، اعمال نیرو‌های دینامیکی ناشی از زلزله در راستای پایین دست و بالا شرایط بحرانی‌تری به دست خواهد داد (صرفاً در شرایط مخزن خالی، اعمال نیروی دینامیکی ناشی از زلزله در راستای بالادست منجر به نتایج بحرانی‌تری میشود). نکته مهم دیگر که در برآورد نیروهای ناشی از زلزله باید مد نظر قرار گیرد این است که بیشینه شتاب قائم زلزله در غالب موارد از بیشینه شتاب افقی زلزله کوچک‌تر بوده و این مقادیر بیشینه شتاب‌های افقی و قائم به طور هم زمان و هماهنگ رخ نمی‌دهند. بر این اساس در تحلیل‌های پایداری به روش تعادل حدی، معمولاً از اثر توام شتاب‌های افقی و قائم زلزله صرف نظر شده و فقط اثر شتاب افقی زلزله در محاسبه نیروهای ناشی از زلزله مد نظر قرار می‌گیرد.

در تحلیل‌های پایداری، نیروی هیدرودینامیک مخزن در اثر شتاب‌های زلزله را نیز می‌توان از روش‌های تقریبی مناسب، به شرح زیر، برآورد نمود.

نیروی هیدرودینامیک مخزن در اثر شتاب قائم زلزله

توزیع فشار هیدرودینامیک مخزن بر رویه بالادست سد در اثر شتاب قائم زلزله، به صورت خطی، دقیقاً مشابه با الگوی توزیع فشار هیدرواستاتیک، و متناسب با مقدار شتاب قائم شبه استاتیکی است. با توجه به جهت شتاب قائم، نیروی هیدرودینامیک مخزن ممکن است هم جهت و یا
در خلاف جهت فشار هیدرواستاتیک مخزن باشد (در حالتی که شتاب زلزله به سمت بالا باشد، فشار هیدرودینامیک آب با فشار هیدرواستاتیک هم جهت، و در حالتی که شتاب زلزله به سمت پایین باشد، فشار هیدرودینامیک آب در خلاف جهت فشارهیدرواستاتیک خواهد بود). در صورتی که ارتفاع آب در پایاب قابل توجه باشد، با روند مشابهی نیروی هیدرودینامیک ناشی از اثر زلزله در پایاب نیز باید محاسبه و این نیرو بر رویه پایین دست سد اعمال شود.