سدهاي قوسي

يكي از مهمترين و پيشرفته‌ترين سازه‌هايي كه در حال حاضر در كشور، صنعت ساخت و ساز آن رو به رشد و گسترش مي‌باشد، سدسازي مي‌باشد كه در اين ميان سدهاي قوسي بتني از ويژگي خاصي برخوردار مي‌باشند. از اين رو آناليز و طراحي اينگونه از سازه‌ها كه در نوع خود از پيچيدگي خاصي برخوردارند. حساسيت ويژه‌اي را دربرمي‌گيرند كه اين امر بايد به نحو بهينه و قابل قبولي صورت گيرد. در حال حاضر در اكثر نقاط جهان افراد بسياري بر روي آناليز سدها

فعاليت مي‌كنند و هدفشان اين مي‌باشد كه بتوانند تمامي عواملي كه بر عملكرد و رفتار يك سد بتني قوسي تاثير مي‌گذارد را به نوعي مدل نمايند، در اين راستا مدل نمودن پي و تكيه‌گاه سنگي و اندركنش ميان بدنه سد و فرم انتقال تنش در آنها و همچنين مدل نمودن درزه‌هاي انقباضي عمودي بدنه سد كه دو بلوك مجزاي بدنه را از هم جدا مي‌كند (كه بعدها تزريق مي‌شود)، از عواملي هستند كه بر رفتار يك سد تاثير مي‌گذارند. لذا در اين پايان‌نامه ضمن ارائه و

بدست آوردن فرمول‌بندي المان درزه در حالت عمومي سد بعدي، يك سد واقعي به نام كارون ۳ كه بزرگترين سد بتني دو قوسي كشور مي‌باشد با توجه به توضيحات فوق آناليز مي‌گردد.

مقدمه اي بر بررسي هاي ايمن سازي در سدهاي قوسي
سدهاي قوسي از انواع سدهاي با اضافه ظرفيت باربري بالا و خصيصه ي خود انطباقي و برتري نسبت ايمني به قيمت بهره مي برند. هر چه سد قوسي مرتفع تر و بزرگتر باشد، به همان نسبت شرايط زمين شناسي محل سد پيچيده تر بوده و ظرفيت مخزن نيز بزرگ تر خواهد بود. بنابراين، در صورت وقوع هر گونه خرابي در اين سدها، اقتصاد ملي متحمل زيان فراوان شده و زندگي و دارايي مردم در معرض خطر قرار خواهد گرفت. در نتيجه، خسارت بالاي ناشي از فروريزي سد نشان دهنده ي اهميت بالايي است كه بايد به ارزيابي و نظارت بر مسائل امنيتي سد اختصاص داده شود.

درحال حاضر، مهمترين اهداف در بررسي هاي امنيتي در اين زمينه شامل، تئوري مقاومت، تئوري پايداري، تئوري قابليت اتكاء، تئوري صدمات شكستگي به همراه تحليل هاي شبيه سازي عددي، تست مدل ژئوهندسي، ارزيابي و تحليل بالعكس داده ها و غيره مي باشد. با اين وجود، اين اهداف، دور از اصول

تئوريكال علمي و اقبال از سوي چرخه ي مهندسين سد مي باشد. اين مقاله درباره ي پيشرفت هاي صورت گرفته در زمينه ي سدهاي قوسي و زيان و خسارت ناشي از فروريزي اين سدها و خلاصه اي بر تئوري هاي اصلي موجود و اهداف ارزيابي هاي امنيتي سدهاي قوسي بوده و نقاط ضعف اين تئوري ها و اهداف را تحليل كرده و مشكلات موجود بر سر راه تحقيقات آينده را مورد اشاره قرار داده و نهايتاً به مسائل و موضوعات حياتي و نقاط مشكل ساز به عنوان ارزيابي هاي امنيتي سدهاي قوسي مي پردازد

مقدمه:

 

سدهاي‌ قوسي‌ گونه‌اي‌ از سدهاي‌ امن‌ و اقتصادي‌ مي‌باشند. از زمان‌ ساخت‌ اولين‌ سد قوسي‌ در جهان‌ (سد زولا) در فرانسه‌ در سال‌ ۱۸۵۴ و اولين‌ سد قوسي‌ بلند در جهان‌(سد هاور) (به‌ ارتفاع‌ ۲۲۱ متر و طول‌ تاج‌ ۳۷۲ متر) در آمريكا در سال ۱۹۳۶، سدهاي ‌قوسي‌ به‌ لطف‌ اضافه‌ ظرفيت‌ باربري‌ منحصر بفرد و خصيصه ي خود- تنظيمي، به‌ وفور مورد توجه‌ مهندسين‌ سد در زمينه‌ ساخت‌ سد در سراسر جهان ‌قرار گرفته‌ اند‌. در حال‌ حاضر بيش‌ از نيمي‌ از سدهاي‌ عظيم‌ ساخته‌ شده‌ در سراسر جهان‌ با ارتفاعي‌ بيش‌ از ۲۰۰ متر از نوع‌ سدهاي‌ قوسي‌ مي‌باشند. در نواحي‌ غربي‌ چين‌ گروهي‌ از سدهاي‌ قوسي‌ ممتاز جهان‌ با

ارتفاعي‌ بيش‌ از ۳۰۰ متر در دست‌ ساخت‌ بوده‌ و يا ساخته‌ خواهند شد. سد سازي‌ در تمام‌ كشورهاي‌ جهان اين‌ موضوع‌ را به‌ اثبات‌ رسانيده‌ است‌، كه‌ هر چه‌ سد بلندتر و مرتفع تر باشد، اهميت‌ اقتصادي‌ و جنبه هاي‌ امنيتي‌ آن‌ بيشتر خواهد بود. بطور كلي‌، سدهاي‌ قوسي‌ با مخازن‌ عظيم مانند سد قوسي‌ مالپاستفرانسه‌، سد قوسي‌ وايونت ايتاليا و غيره ثابت كرده اند كه در صورت‌ فروريزي و خرابي، عواقب‌ اين‌ مسئله‌ كاملاً جدي‌ بوده‌ و نه‌ تنها اقتصاد ملي‌ را متحمل‌ زيان‌ قابل‌ توجهي‌ مي كنند، بلكه‌ جان‌ و مال‌ مردم‌ را شديداً به‌ خطر خواهند انداخت‌. در سال‌ ۱۹۵۹ سد قوسي‌ مالپاست‌ فرانسه‌ به‌ دليل‌ لغزش‌ بدنه‌ سد بهمراه‌ لايه ي‌ عميق ‌سنگي‌ شالوده‌، فرو ريخت‌ كه‌ اين‌ اتفاق‌ منجر به‌ مرگ‌ ۴۰۰ نفر و از دست‌ رفتن‌ سدمايه ي اقتصادي‌ هنگفتي‌ گرديد.

بنابراين‌ اهميت‌ بالايي‌ بايد به‌ مسائل‌ امنيتي‌ سدهاي ‌قوسي‌ داده‌ شود و بررسي‌هاي‌ عميقي‌ بايد به‌ سمت‌ تنش‌، تغيير شكل‌ و مكانيزم تخريب در حين‌ بهره‌ برداري‌ از اين‌ سدها سوق‌ داده‌ شود و همچنين‌ ارزيابي هايي در ارتباط‌ با ضريب‌ اطمينان‌ سدهاي‌ قوسي‌ بايد صورت‌ پذيرد. .( به‌ اين‌ معني‌ كه‌ فاصله ي بين‌ حالت‌ طراحي‌ شده‌ و حالت‌ تخريبي‌ سد قوسي‌ بايد ارزيابي‌ شود). به‌ طور كلي‌ اكثر سدهاي‌ قوسي‌ داراي‌ شرايط‌ ژئولوژيكي‌ پيچيده‌، شرايط‌ محيطي ناسازگار، عدم‌ قطعيت‌ فيزيكي‌ (تصادفي)، پارامترهاي‌ مكانيكي‌ و غيره‌ مي باشند. تمام‌ اين‌ فاكتورها باعث‌ عدم‌ قطعيت‌ در تحقيقات‌ صورت‌ گرفته‌ درزمينه ي امنيت

سدهاي‌ قوسي‌ شده‌ است‌. تمام‌ تئوري ها و اهداف‌ حال‌ حاضر داراي‌ هم نقطه‌ ي ضعف‌ و هم نقطه ي قوت‌ بوده كه‌ بايد پيشرفت ها و تكميلات مربوطه‌ به‌ سرعت‌ صورت‌ پذيرد.

بررسي‌ ايمني‌ سدهاي‌ قوسي‌ توسط‌ تئوري‌ مقاومت‌
بر طبق‌ تئوري‌ مقاومت‌، خرابي‌ يك‌ سد قوسي‌ به‌ جهت‌ ترك هاي‌ قوسي‌ ايجاد شده‌ براثر تنش‌هاي‌ كششي‌ اضافي‌، تسليم شانه و يا بدنه ي سد بر اثر تنش هاي‌ فشاري‌ اضافي‌، لغزش‌ بدنه ي صخره‌اي‌ سد در امتداد سازه ي‌ نرم‌ و ضعيف‌ بر اثر تنش هاي‌ برشي‌ اضافي و… به‌ وقوع‌ مي پيوندد. با مقايسه ي‌ مقاومت‌ تحت‌ شرايط‌ محدود شده‌ و اثر بار طراحي‌ مي‌توان‌ مشخص‌ نمود، كه آيا سازه‌ به‌ مقاومت‌ تخريبي‌ (مقاومت‌ نهايي‌) خود رسيده ‌است‌ يا خير. در كشورهايي‌ مانند ايالات‌ متحده‌، ژاپن‌، چين‌ و… رسم‌ بر اين‌ است‌ كه‌ ضريب اطمينان‌ مقاومت‌ كششي‌ و فشاري‌ از طريق‌ آناليز تنش‌ ـ كرش‌ سد قوسي‌ توسط‌ فرايند تقسيم‌ بار تير قوسي‌ بدست‌ آمده و سپس‌ ضريب‌ اطمينان‌ مقاومت‌ برشي‌ براساس‌ اصل‌ تعادل‌ حد بدنه ي صلب محاسبه‌ شود.

 

در محاسبات‌ عددي‌ توسط‌ فرآيند المان ‌محدود و…مقياس‌ مور- كولمب و دراكر ـ پراگر به‌ طور معمول‌ به‌ عنوان‌ ميزان‌ تسليم‌ براي ‌مصالح‌ سنگي‌ خاكي‌ مورد استفاده‌ قرار مي‌گيرند. در حالي‌ كه‌ براي بتن مقياس‌ پارامتري‌ چهارگانه به‌ طور معمول‌ مورد استفاده‌ قرار مي گيرد.

مزاياي‌ ضريب‌ اطمينان‌ مقاومت‌ عبارت‌ است: از محاسبات‌ ساده‌، قرارگيري‌ بر پايه ي سال‌ها تجربه‌ و فعاليت‌ مهندسين‌ سد، متداول‌ در بين ‌مهندسين‌ و متخصصين‌ سد و همچنين‌ قابليت‌ انطباق‌ با ضرائب اطمينان‌ مجاز مشخص‌ شده‌ در كشورهاي‌ مختلف‌. مشكل‌ اين‌ راه‌ حل‌ آن‌ است‌ كه‌ نارسايي‌ مقاومت‌ موضعي‌ ممكن‌ نيست‌ باعث‌ تخريب‌ كلي‌ سد قوسي‌ شود و تنها زماني‌ كه‌ سطح‌ تماس‌ لغزش،‌ يك‌ صفحه‌ و يا يك‌ قوس دايروي باشد و از قبل‌ داده‌ شده‌ باشد، مي‌توانيم‌ يك‌ نتيجه ي محاسباتي‌ منطقي‌ ازضريب‌ اطمينان‌ تنش‌ برشي‌ بدست‌ آوريم‌. به‌ علاوه روش تئوري‌ مقاومت‌، بدنه‌، شانه و شالوده ي‌ سد را به‌ عنوان‌ يك تسليم جامع‌ و كلي‌ در نظر نمي‌گيرد. براي‌ كامل كردن‌ فرآيند آناليز ضريب‌ اطمينان‌ مقاومت‌، بسياري‌ از دانشجويان‌ از جنبه‌هاي‌ مختلف‌ به‌ تحقيق‌

پرداخته‌اندسان مينگ كووان، ژانگ جينگ جيان و… ضريب اطمينان نقطه اي را بررسي و پيشنهاد كرده‌اند. چنجيان پينگ، وانگ ليانكوي و… تأثير و طول ترك ها را بر روي‌ تخريب ‌سدهاي‌ قوسي‌ مورد مطالعه‌ قرار داده‌ و يك مقدار بحراني را براي‌ ترك‌ و طول‌ ترك ها پيشنهاد كرده اند. چن جين، هووانگ وي و… تحليل هايي‌ را بر روي اندازه‌ سطح‌ ترك‌ خورده‌ انجام‌ داده‌ و فرضيه ي ‌سطح‌ ترك‌ را پيشنهاد كرده‌ و دامنه ي‌ بحراني‌ را نيز به‌ دست‌ آورده‌اند. تمام‌ تحقيقات‌ و مطالعات‌ فوق‌ الذكر به‌ مفاد آناليز تئوري‌ مقاومت‌ سدهاي‌ قوسي‌اضافه‌ شده‌ است‌. با اين‌ وجود قبول‌ و انتخاب‌ اين‌ مفاهيم‌ نيازمند مطالعات‌ بيشتري ‌مي باشد.

 

بررسي‌ ايمني‌ سدهاي‌ قوسي‌ توسط‌ تئوري‌ پايداري
طبق‌ مكانيك‌ سنتي، هيچ‌ گونه‌ مشكل‌ پايداري‌ وجود ندارد، و لغزش‌ سد قوسي‌ درامتداد سطح‌ تماس‌ فونداسيون‌، ناپايداري‌ شانه هاي‌ سد، و لغزش بلوك‌ سنگي‌ درامتداد سطح‌ تماس‌ سازه‌، همگي‌ مرتبط‌ با تخريب‌ مقاومتي‌ مي باشند. اما با توجه‌ به ‌تعريف‌ پايداري كينماتيك، هر گونه‌ تغيير در يك‌ حالت‌ و يا يك‌ شيئ‌، يك‌ حركت‌ به‌ حساب‌ آمده‌ و موضوع‌ پايداري‌ مطرح‌ مي‌شود. زماني‌ كه‌ تمام‌ بدنه‌ سد به‌ دلايل‌ مختلف‌ درحالت‌ پايداري‌ محدود شده‌ به‌ سر مي‌برد، تنها يك‌ آشفتگي‌ جزئي باعث‌ انحراف‌ سد ازحالت‌ تعادل‌ اوليه‌ خود شده‌ و باعث‌ تخريب‌ غير قابل‌ بازگشت‌ مي‌شود. با توجه‌ به‌ اين ‌اصل‌ كه‌ زماني‌ كه‌ تخريب‌ كامل‌

سد قوسي‌ اتفاق‌ مي‌افتد، حالت‌ سكون‌ سد به‌ حالت قابل‌ حركت‌ تغيير مي‌كند، رن دينگ ون با توجه‌ به‌ منبع مطالعات‌ تغيير حالت ‌سيستم‌، پيشنهاد كرد كه‌ تخريب‌ كامل‌ سدهاي‌ قوسي‌ ممكن‌ است‌ در ارتباط‌ باپايداري‌ باشد. اما بر خلاف‌ ناپايداري‌ كمانشي، اين‌ نوع‌ ناپايداري‌ مربوط‌ به‌ ناپايداري‌ حد نقطه‌اي‌ بوده و شاخص‌ تعيين‌ كننده ي‌ امنيت‌ سد قوسي‌ همان‌ اتكاء سد مي باشد. با توجه‌ به‌ تحقيقات‌ صورت‌ گرفته‌ در ارتباط‌ با ناپايداري‌ سد قوسي‌ تا هم‌ اكنون‌هيچگونه‌

پيشرفتي‌ نه‌ بر پايه ي‌ تئوري مكانيكي‌ دقيق‌ حتي‌ به‌ شكلي‌ ساده‌ و عملي‌صورت‌ نگرفته‌ است‌. در حال‌ حاضر، پيشرفت‌هايي‌ در زمينه‌هاي‌ تحقيقاتي‌ در ارتباط ‌با پايداري‌ كلي‌ سد قوسي‌ به‌ قرار زير صورت‌ گرفته‌ است‌: روش‌ اضافه‌ بار، ذخيره ي مقاومت‌، روش‌ تركيبي اضافه‌ بار و ذخيره ي مقاومت و غيره.

ـ روش‌ اضافه‌ بار

طبق‌ اين‌ روش‌ با فرض‌ ثابت بودن پارامترهاي‌ مقاومت‌ مصالح‌ و تحت‌ عمل‌ تركيبي‌ بارهاي ‌عملي‌ نرمال‌، بار افقي‌ با افزايش‌ حجم‌ مخزن‌ (بالاتر رفتن تراز آب‌) تا آنجا افزايش‌ مي‌يابد، كه‌ ناپايداري‌ و تخريب‌ سد قوسي‌ واقع‌ شود. ثابت‌ اضافه‌ بار عبارت‌ است‌ از نسبت‌ بار تخريبي‌ به‌ بار قائم‌ (نرمال‌)، ضريب‌ اطمينان‌ اضافه‌ بار غالباً بسيار بالا بوده‌ و مي‌تواند به‌ روش‌ مدلسازي‌ ژئومكانيكي‌ و ياشبيه‌ سازي‌ حسابي‌ بدست‌ آيد. با اين‌ حال‌ در عين‌ فعاليت‌ طبيعي‌ سد قوسي‌ اضافه‌بار بيش‌ از اندازه‌ بسيار غير محتمل مي باشد، بعلاوه، اثر عواملي‌ همچون‌ پي‌ سنگي، خوردگي‌، نشست‌ و قليايي شدن‌ مصالح‌ سازه‌اي‌ به دليل وجود آب‌ بر روي‌ مقاومت‌ در نظر گرفته نشده است ‌( الالخصوص‌ ناحيه ي‌ ضعيف‌ پي‌ سنگي ‌).بهر حال‌، خطر واقعي‌ به‌ خاطرتشديد بار نمي باشد، بلكه‌ بخاطر كافي نبودن مقاومت‌ مصالح‌ مي باشد.