تحلیل پایداری در برابر لغزش سد

انتخاب پارامترهای مقاومت برشی طراحی

پارامترهای مقاومت برشی توده سنگ پی را می توان با انجام آزمایش های برجا یا آزمایش های آزمایشگاهی برش مستقیم تعیین نمود. آزمایش های آزمایشگاهی در مقیاس کوچک و شرایط خاص آزمایشگاه انجام می شوند و طبیعتاً به طور مستقیم قابل اعمال در طراحی و تحلیل های پایداری نیستند. مقاومت برشی سنگ بکر 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 نمونه ها، تعداد، راستا و ابعاد درزه ها می توانند تأثیر بسزائی بر نتایج آزمایش ها داشته باشند.

بنابراین به منظور برآورد پارامترهای مقاومت برشی توده سنگ بر اساس نتایج آزمایش های آزمایشگاهی، باید مطالعات ویژه ای با در نظر گرفتن ساختار توده سنگ و نوع و ماهیت آزمایش های انجام یافته، توسط کارشناسان ژئوتکنیک صورت پذیرد. در برآورد این پارامترها شرایط واقعی تنش و وضعیت زهکشی توده سنگ نیز بایدمد نظر قرار گیرد.روش تحلیل لغزش تک گوه ای در واقع همان روش ساده و پرکاربرد تحلیل تعادل حدی برای کنترل لغزش است. دررده بندی و نام گذاری روش های تحلیل، هر بخش از توده لغزنده که معادلات تعادل به صورت مستقل برای آن نوشته می شود، اصطلاحاً یک گوه نامیده می شود.

بنابراین، در روش تحلیل لغزش تک گوه ای، توده لغزنده صرفاً شامل یک گوه می شود 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 گوه ای

در شرایطی که هندسه سطح تماس سازه (بدنه سد) و پی به صورت یک صفحه مستوی نبوده و یا با توجه به تأثیر نیروهای محرک و مقاوم ناشی از توده سنگ (خاک) در بالادست و پایین دست سازه، برآورد دقیق تر این نیروها مورد نظر باشد، استفاده از روش های تحلیلی جامع تر ضروری خواهد بود. در این شرایط، می توان از روش تحلیل لغزش چند گوه ای یک روش تحلیل تعادل حدی موثر و نسبتاً ساده بر ای تحلیل و کنترل پتانسیل لغزش در امتداد مجموعه ای از ناپیوستگی ها و سطوح مستعد گسیختگی مختلف در پی است، استفاده نمود.روش تحلیل لغزش چند گوه ای 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 گوه ها تحت اثر تمامی بارهای وارد بر آن ها مورد بررسی قرار می گیرد.

بارهای ناشی از مخزن سد

بارهای ناشی از مخزن، شامل فشار هیدرواستاتیک و فشار برکنش، از جمله مهم ترین و موثرترین بارهای ناپایدار سازوارد بر بدنه سد هستند. بنابراین، در تعیین تراز مخزن (و تراز پایاب) متناظر با شرایط بارگذاری عادی، غیرعا دی، 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 می شود.

در شرایطی که بارهای ناشی از مخزن سد در کنترل پایداری سد تعیین کننده و بحرانی باشند، می توان 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 سیل های با دوره بازگشت مختلف (با استفاده از منحنی تداوم مخزن) باید با دقت مناسب قابل تهیه و در دسترس باشد. تهیه این داده ها 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 می توان 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 توصیه های 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 می یابد. 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 می دهد. 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 بیش تر 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 تحلیل های پایداری به عنوان یکی از گزینه های سطوح مستعد گسیختگی مطرح هستند، وجود خواهد داشت. در این شرایط، تامین الزامات پایداری ممکن است به طراحی یک شکل هندسی حجیم تر برای مقطع سدهای وزنی بتن غلتکی (در مقایسه با سد های 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 گمانه ها 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 می توان 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 تحلیل های پایداری مبتنی برروش تعادل حدی با توجه به رفتار تقریباً صلب سدهای بتنی وزنی، برای برآورد نیروهای دینامیکی ناشی از زلزله از روش های ساده شده شبه استاتیکی استفاده می‌شود. برای این منظور، شتاب شبه استاتیکی معادل شتاب های دینامیکی زلزله دل کاهنده ضریب یک اعمال با دو سوم به شتاب بیشینه زمین یا PGA تعیین می شود.شتاب افقی زلزله را می توان در راستاهای بالادست یا پایین دست، و شتاب قائم زلزله را می توان در راستاهای بالا و پایین اعمال نمود.

بر اساس تجارب و توصیه های موجود در سدهای بتنی وزنی، اعمال نیرو های دینامیکی ناشی از زلزله در راستای پایین دست و بالا شرایط بحرانی تری به دست خواهد داد (صرفاً در شرایط مخزن خالی، اعمال نیروی دینامیکی ناشی از زلزله در راستای بالادست منجر به نتایج بحرانی تری 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 کوچک تر بوده و این مقادیر بیشینه شتاب های افقی و قائم به طور هم زمان و هماهنگ رخ نمی دهند. بر این اساس در تحلیل های پایداری به روش تعادل حدی، معمولاً از اثر توام شتاب های افقی و قائم زلزله صرف نظر شده و فقط اثر شتاب افقی زلزله در محاسبه نیروهای ناشی از زلزله مد نظر قرار می گیرد.در تحلیل های پایداری، نیروی هیدرودینامیک مخزن در اثر شتاب های زلزله را نیز می توان از روش های 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.