کاهش نشت از سد خاکي باغكل با استفاده از پرده آب بند

‍(SEEP/W)
چکيده:
نشت آب در سدهاي خاکي و نحوه کنترل آن، اولين گام موثر و يکي از مهمترين مسائلي است که در طراحي سدها مورد توجه خاص متخصصين امر قرار مي‌گيرد. دانش و آگاهي از قوانين بنيادي نشت به متخصصين اجازه مي‌دهد تا از بوجود آمدن مشکلات جدي در کنترل نشت جلوگيري کرده و بهترين نوع سيستم کنترل نشت را انتخاب نمايند. آگاهي از تاثير پارامترهاي زيادي که در نشت آب دخالت دارند مي‌تواند در رفع سريعتر مشکلات طراحي کمک شاياني بنمايد. در اين تحقيق جهت آناليز نشت پي و بدنه سدباغكل از نرم‌افزار SEEP/W استفاده شده است.
مقدمه:
يکي از مهمترين مسائل در سدهاي خاکي مسئله حرکت بطئي آب در بدنه سد و نيز معمولاً در شالوده آن مي‌باشد ]۱[. اين حرکت بطئي که به نام زه‌آب ناميده مي‌شود، هم به لحاظ محاسبه مقدار تلفات آب که ممکن است درصد مهمي را تشکيل دهد و هم به لحاظ پايداري سد و هم به لحاظ محاسبه زير

فشار، محاسبه ضخامت و طول زهکش‌ها، بررسي لزوم چاه‌هاي کاهش فشار، بررسي لزوم تزريق، طرح ديواره آب‌بند و موارد ديگر حائز اهميت مي‌باشد ]۲[.
تا قبل از سال ۱۹۶۵ بيش از ۲۰۰ سد خاکي با شکست روبرو شده‌اند که بعضي از آنها تلفات جاني نيز داشته‌اند، بعضي از اين سدها حتي قبل از شروع به کار و بهره‌برداري شکسته شده و برخي پس از پر شدن مخزن و يا در زمانهاي بعد تخريب گرديده‌اند، بر طبق گزارشات واصله ۲۵ درصد از اين خرابيها به علت وجود

زه‌آب غير مجاز و شسته شدن خاک در اثر زه‌آب بوده است، بنابراين لازم است تا به منظور جلوگيري از خرابيهاي حاصل از زه‌آب مقدار کمي جريان زه در بدنه و شالوده سد خاکي به طور دقيق تعيين گرديده و به ميزان پيش‌بيني شده محدود گردد ]۳[.

روشهاي متعددي براي محاسبه زه‌آب سدهاي خاکي وجود دارند که عبارتند از:
۱- روش سنتي رسم شبکه جريان که از طريق تعداد بسيار زيادي آزمون و خطا انجام گرفته، وقت‌گير بوده و در نهايت نيز از دقت کمي برخوردار است ]۲[.
۲- روشهاي حل تحليلي مانند روش دوپويي، روش شافرناک، روش پاولوفسکي و روش گاساگرانده که معتبرترين آنها روش کاساگرانده بوده و همگي داراي تقريب بوده و از دقت خوبي در همه حالات برخوردار نمي‌باشند ]۴[.

۳- روشهاي آزمايشگاهي که از آن ميان مي‌توان به مدل‌هاي شبيه‌سازي الکتريکي اشاره نمود ]۵[.
۴- روشهاي حل عددي که نياز به کامپيوتر با ظرفيت بالا داشته و دقت آنها در در مقالات بسياري به اثبات رسيده است ]۶[.
حوزه آبريز سد خاکي باغكل از شمال به حوزه آبريز رودخانه خمين (ريحان) و ارتفاعات کوه هفت سواران و دشت خمين از شرق به ارتفاعات کوه دره سيب، کوه انگشت ليس، کوه الونه و سپس دشت گلپايگان، از جنوب به ارتفاعات کوه کمر بسته و دشت چمن سلطان و شرق اليگودرز و از غرب به ارتفاعات کوه علي بلاغي منتهي مي‌گردد. جاده آسفالته خمين – اليگودرز نيز تقريباً از ميان حوزه آبريز باغكل گذشته و آن را به دو قسمت تقسيم مي‌کند. از نظر تقسيم‌بندي

هيدروليکي حوزه آبريز باغكل يکي از زير حوزه‌هاي آبريز قم رود و درياچه نمک مي‌باشد که مطالعات پروژه اين سد با هدف ذخيره و تنظيم‌سازي جريان سالانه رودخانه توسط شرکت مهندسين مشاور ري‌آب انجام شده است ]۷[. در اين مقاله از نرم‌افزار SEEP/W استفاده شده و به بررسي تاثير المان‌بندي و همچنين پرده آب‌بند بر روي ميزان دبي عبوري از پي و بدنه سد باغكل پرداخته شده است.
مشخصات پروژه:

پس از بررسي ژئوتکنيکي پي و تکيه‌گاهها، وضعيت توپوگرافي محل سد، مزيا و معايب فني و اقتصادي و با در نظر گرفتن حداکثر استفاده از مصالح طبيعي موجود و استفاده بهتر از امکانات اجرايي محلي، بهترين گزينه، سد خاکي با هسته رسي شناخته شده است ]۷[. شکل (۱) و (۲) بترتيب جانمايي سد و مقطع تيپ سد را به همراه مشخصات و ضرايب نفوذپذيري نشان مي‌دهد.

شکل ۱: پلان و توپوگرافي سد خاکي باغكل

شکل ۲: مقطع عرضي سد خاکي باغكل به همراه ضرايب نفوذپذيري لايه‌هاي مختلف خاک

بدليل پيچيده‌ بودن روشهاي تحليلي حل مسائل نشت و عدم دقت آن، تنها راه عملي روشهاي عددي عددي مي‌باشد. در ميان اين روشها، روش اجزاي محدود بدليل سازگار شدن با شرايط مساله راه حل مناسبي بوده که در مدل کردن سد خاکي باغكل از اين روش استفاده شده است. معادله اصلي نشت را در شکل سه‌بعدي مي‌توان بصورت زير نوشت (معادله لاپلاس) ]۸[:
(۱)

معادله (۱) شكل كلي معادله لاپلاس را در مورد جريان آب در يك محيط متخلخل و در حالت پايدار نشان مي‌دهد. چنانچه محيط همروند باشد Kx=Ky=Kz، بنابراين معادله لاپلاس در چنين محيطي بصورت زير خلاصه مي‌شود ]۸[:
(۲)

با تقسيم ناحيه پيوسته جريان به اجزاي کوچکتر، حل مساله محدود به بدست آوردن مقدار h در گره‌هايي مي‌شود که از بهم پيوستن اجزاي کوچکتر حاصل شده‌اند. بطور کلي براي رسيدن به مقادير h در گره‌هاي اجزاي کوچکتر (المان) گامهاي زير طي مي‌شود ]۹[:
الف) شبکه‌بندي نواحي متفاوت جريان به المان‌هاي کوچکتر

ب) بدست آوردن معادلات
ج) تشکيل ماتريس ضرايب
د) حل دستگاه معادلات
پس از محاسبه مقادير گره‌اي h، خطوط هم‌پتانسيل و جريان بدست آمده و از آنجا مي‌توان دبي نشت را محاسبه کرد ]۹[. در تحليل نشت مساله مزبور تمامي مراحل توسط برنامه SEEP/W انجام شده است. اين نرم‌افزار هدايت هيدروليكي و رطوبت خاك را به صورت تابعي از فشار آب حفره‌اي به صورت توابع پيوسته مدل مي‌نمايد، در حالي كه نرم افزارهاي ديگر از فرضيات غير واقعي استفاده كرده و اين پارامتر را به صورت پله‌اي مدل مي‌نمايند كه اين به ايجاد خطا در محاسبات مي‌انجامد. دامنه اين تحليل علاوه بر خاكهاي اشباع خاكهاي غير اشباع را نيز در بر مي‌گيرد. اين موضوع تفاوت مهم اين نرم‌افزار با نرم‌افزارهاي ديگر مهندسي خاك است. به کمک شرايط مرزي مي‌توان به حل نهايي مساله دست يافت، که اين شرايط بصورت زير اعمال شده است ]۱۰[.

کليه شرايط بر روي گره‌ها اعمال شده، بطوريکه گره‌هاي قرار گرفته در سطوح مخزن داراي بار کل ثابت برابر ارتفاع نرمال مخزن (۶۳ متر) و بار کل گره‌هاي قرار گرفته به سطوح پاشنه پايين‌دست، برابر با بار ثقلي هر گره (ارتفاع گره از سطح دريا) مي‌باشد. در تکيه‌گاههاي جانبي و بسترنفوذناپذير کف پي، بعلت عدم تبادل جريان، دبي جريان برابر با صفر در نظر گرفته شده است. بدنبال تعيين شرايط مرزي و حل دستگاه معادلات، مقادير گره‌اي h بدست مي‌آيد. با محاسبه h در گره‌ها مي‌توان خطوط هم‌پتانسيل و جريان را ترسيم کرد، که در اشکال نشان داده شده است.

مدل‌هاي مورد بررسي:
در اين مقاله مدل‌هاي مختلفي از سد فرنق مدل شده و آبگذري در آن بدست آمده است. در ابتدا براي بررسي تاثير المان‌بندي بر روي نتايج، سد فرنق به سه صورت درشت، متوسط و زير المان‌بندي شد، شکل (۳). بر اساس نتايج بدست آمده و همانطور که در جدول (۱) نشان داده شده است با ريزتر شدن المان‌ها زه عبوري از بدنه، پي و کل زه عبوري از بدنه و پي سد کاهش مي‌يابد و از ۳۷۷۰ مترمکعب در روز به ۳۴۷۹ مي‌رسد. اما از يک حد به بعد با کوچکتر شدن المان‌ها،

تاثيري در نتايج مشاهده نمي‌شود. بنابراين با کوچکتر شدن المان‌ها، نتايج دقيقتر و واقعي‌تر بدست مي‌آيند. در شکل (۴) نيز خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسيل نشان داده شده‌اند، همانطور که ملاحظه مي‌شود از بالادست به سمت پايين‌دست فشار کاهش مي‌يابد و از ۶۳ متر در بالادست به ۴۰ متر در پايين‌دست مي‌رسد.
براي بررسي تاثير پرده آب‌بند در کاهش نشت در اين مقاله از پرده آب‌بند به ضخامت ۶/۰ متر و ضريب نفوذپذيري k=1*10-9 (m/s) و با طول‌هاي ۴، ۷ و ۱۴ متر استفاده شده است، شکل (۵). در ساخت مدل‌ها سعي بر اين بوده است که براي رسيدن به جوابهاي دقيقتر از المان‌بندي ريز استفاده شود.همانطور که در جدول (۲) نشان داده شده است، نشت کل از بدنه و پي هنگامي که از هيچگونه تمهيدات آب‌بندي استفاده نشود برابر ۳۷۷۰ متر مکعب در روز است، اگر از پرده

آب‌بند به طول ۴ متر (لايه اول) استفاده شود اين مقدار به ۲۶۷۹ متر مکعب در روز کاهش پيدا مي‌کند. اگر اين پرده آب‌بند کل طول ناحيه آبرفتي را در بر گيرد (۷ متر) ميزان نشت به ۱۰۵ متر مکعب در روز کاهش مي‌يابد و اگر پرده آب‌بند تا انتهاي لايه سوم ادامه پيدا کند و به ۱۴ متر برسد، ميزان نشت باز هم کاهش پيدا کزده و به ۳۱ متر مکعب در روز مي‌رسد. ولي اين مقدار کاهش در نشت در مقابل افزايش طول پرده آب‌بند ار لحاظ اقتصادي قابل توجيه نمي‌باشد، زيرا با دو برابر شدن طول پرده آب‌بند، ميزان نشت به اندازه ۷۴ متر مکعب در روز کاهش يافته است.

شکل ۳: المان‌بندي‌هاي مختلف براي بررسي تراوش در سد خاکي باغكل؛ الف) المان‌بندي درشت،
ب) المان‌بندي متوسط، ج) المان‌بندي ريز

جدول ۱: تاثير المان‌بندي بر روي زه عبوري از بدنه و پي سد خاکي باغكل ( عرض موثر ۷۰ متر)
مدل مورد بررسي نشت از بدنه در طول موثر
)m3/day) نشت از پي در طول موثر
)m3/day) كل نشت از پي و بدنه در طول موثر
(m3/day)
المان‌بندي درشت ۴۵/۳ ۴۵/۳۷۶۶ ۹/۳۷۶۹
المان‌بندي متوسط ۴۴/۳ ۶/۳۶۷۰ ۳۶۷۴
المان‌بندي ريز ۸۷/۲ ۶/۳۴۷۶ ۳۴۷۹

شکل ۴: خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسيل در هنگام عدم استفاده از تمهيدات آب‌بندي

شکل ۵: مشخصات پرده آب‌بند و المان‌بندي‌هاي آن در حالت‌هاي مختلف؛ الف) ۴ متر، ب) ۷ متر، ج) ۱۴ متر

با توجه به نتايج بدست آمده و ميزان زه عبوري از پي و بدنه سد، به نظر مي‌رسد که بهترين گزينه جهت کاهش نشت استفاده از پرده آب‌بند به طول ۷ متر، عرض ۶/۰ متر و ضريب نفوذپذيري k=1*10-9 (m/s) است.

جدول ۲: تاثير پرده آب‌بند بر روي زه عبوري از بدنه و پي سد خاکي باغكل ( عرض موثر ۷۰ متر)
مدل مورد بررسي نشت از بدنه در طول موثر
)m3/day) نشت از پي در طول موثر
)m3/day) كل نشت از پي و بدنه در طول موثر
(m3/day)
بدون تمهيدات آب‌بندي ۴۵/۳ ۴۵/۳۷۶۶ ۹/۳۷۶۹
پرده آب‌بند به طول ۴ متر ۹/۳ ۸/۲۶۷۴ ۷/۲۶۷۸
پرده آب‌بند به طول ۷ متر ۲/۵ ۳/۹۹ ۵/۱۰۴
پرده آب‌بند به طول ۱۴ متر ۹/۴ ۵/۲۶ ۴/۳۱

در شکل (۶) نيز خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسيل مربوط به حالتي که از پرده آب‌بند با طول ۷ متر استفاده شده، نشان داده شده است و همانطور که ملاحظه مي‌شود خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسيل تحت تاثير پرده آب‌بند قرار گرفته و منحني‌هاي آن با منحني‌هاي مربوط به شکل (۴) (هنگامي که از هيچگونه تمهيدات آب‌بندي استفاده نشده است) تفاوت قابل توجهي پيدا کرده است.

بحث و نتيجه‌گيري:
بر پايه نتايج بدست آمده از اين مدل‌ها حداكثر ميزان آبگذري پي در بزرگترين مقطع به ترتيب ۸/۵۳، ۲/۳۸، ۴/۱ و ۳۹/۰ متر مكعب در روز در واحد عرض برآورده شده است كه با فرض عرض موثر ۷۰ متر در محدوده مورد بررسي، حداكثر زه عبوري در حالات مورد بررسي به ترتيب ۳۷۶۶، ۲۶۷۵، ۹۹ و ۲۷ متر مكعب در روز خواهد بود. همانطور كه مشاهده مي‌شود بدون در نظر گرفتن تمهيدات مناسب آب‌بندي، ميزان خروج آب از پي در طول سال حدود ۱۳۸۰۰۰ متر مكعب خواهد بود كه بالغ بر ۵۰ درصد حجم مخزن است و با توجه به دبي رودخانه فرنق، عملاً مخزن پر نخواهد شد. با قرار دادن ديوار آب‌بند در اين محدوده از ميزان تراوش به طرز

قابل توجهي كاسته مي‌شود و به حدود ۰۳/۰ حالت قبل مي‌رسد. در صورتيكه سنگ هوازده لايه زيرين نيز تزريق شود آبگذري باز هم كاهش مي‌يابد و در اين شرايط كل دبي عبوري از پي در طول سال به حدود ۳۶۰۰۰ متر مكعب مي‌رسد که مقدار قابل قبولي است. همچنين بر اساس نتايج بدست آمده، با کوچکتر شدن المان‌ها دبي جريان کاهش يافته و به مقدار واقعي نزديک‌تر مي‌شود.