تحليل پايداري شيرواني‌هاي سد مخزني كشكسراي مرند

۶-۱- مقدمه

به‌منظور بررسي پايداري شيب‌هاي بالادست و پايين دست سد مخزني كشكسراي مرند، باتوجه به مقاديري که براي پارامترهاي مقاومت برشي مصالح قرضه‌هاي موجود برآورد گرديده، تحليل پايداري انجام پذيرفته است. جهت تحليل پايداري شيب‌هاي بدنه سد لازم است نحوه گسيختگي شيب‌ها مورد بررسي قرار گرفته و درصورت عدم وجود مقاومت كافي براي مصالح بدنه، شيب‌هاي ناپايدار اصلاح گردد. روش انجام تحليل پايداري مبتني بر روش تعادل حدي بوده كه در اين روش از طريق

مقايسه ضريب اطمينان درمقابل لغزش بر روي سطوح گسيختگي فرضي، سطوح بحراني كه داراي حداقل ضريب اطمينان باشند، شناسايي شده و ضرايب اطمينان حداقل محاسباتي با مقادير مجاز توصيه شده در مراجع معتبر مقايسه مي‌شود. باتوجه به لزوم بررسي تعداد بسيار زيادي از سطوح گسيختگي و شيب‌هاي بدنه سد، استفاده از يك نرم‌افزار جامع و معتبر اجتناب‌ناپذير مي‌باشد.

به اين ترتيب اين تحليل‌ها توسط برنامه GEO-SLOPE بر پايه جديدترين روش‌هاي موجود از جمله:
– روش بيشاپ اصلاح شده (MODIFIED BISHOP METHOD)
– روش مورگنسترن-پرايس MORGENESTERN-PRICE METHOD
– روش‌هاي برآورد حداقل ضريب اطمينان لغزش برپايه تعادل نيروها که توسط اداره ارتش آمريكا ENGINEERS) USACE (USARMY CORP OF تدوين شده است.

علاوه بر اين پايداري مقاطع بدنه سد در شرايط زير تحليل و بررسي شده است:
• پايداري در پايان مرحله ساخت بدنه (End of Construction)
• پايداري در حالت تراوش پايدار (Steady Seepage)
• پايداري در شرايط تخليه سريع (Rapid DrawDown)
• پايداري در شرايط وقوع زلزله (Earthquake Induced Load)

در اين فصل با استفاده از نتايج تحليل تراوش از بدنه و پي سدكه در فصل قبلي به آن اشاره شد، تحليلهاي پايداري به صورت استاتيكي و شبه‌استاتيكي بر روي شيب‌هاي بالادست و پائين‌دست انجام گرفته كه براي تعيين ضرايب اطمينان در مقابل لغزش شيب در هر مرحله از شرايط بارگذاري، نتايج تحليل تراوش به عنوان اطلاعات ورودي جهت مشخص كردن وضعيت توزيع فشار آب حفره‌اي در داخل بدنه سد مورد استفاده قرار گرفته است.

۶-۲- مشخصات مدل

در اين قسمت مشخصات مدل به صورت مجزا در بخش‌هاي مشخصات هيدروليكي، مشخصات هندسي و مشخصات مصالح مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

۶-۲-۱- مشخصات هيدروليكي

طراحي مدل هندسي براساس مشخصات هيدروليكي و شرايط هيدرولوژيكي صورت گرفته است. رقوم بهينه نرمال سطح آب با توجه به نيازهاي آبي منطقه و برنامه‌ريزي منابع آب در تراز ۱۳۰۸ متر از سطح دريا درنظر گرفته شده است.

۶-۲-۲- مشخصات هندسي طرح

براساس مطالعات هيدرولوژيكي صورت‌گرفته براي تراز تاج سد باتوجه به رقوم نرمال پيشنهادي سطح آب (m 1308)، تراز ۱۳۱۲ متر از سطح دريا درنظر گرفته شده است.

در اين مرحله از مطالعات و بر مبناي نتايج آزمايش‌هاي ژئوتكنيكي، تحليل پايداري بر روي مقاطع متفاوت با شيب‌هاي مختلف صورت گرفت تا طرح بهينه (كمترين حجم خاكريزي كه تأمين‌كننده شرايط پايداري است)، تعيين شود. لازم به توضيح است مطالعات پايداري شيب‌ها بر روي مقاطع بحراني R-R تا T-T كه بيشترين ارتفاع سد از تراز پي ( m58) و همچنين ضخيم‌ترين لايه آبرفت را دارا است، صورت گرفته است. همچنين تراز بالاي هسته ۱۳۱۱، شيب بالادست و پائين‌دست آن معادل (۱:۴) (قائم : افقي)، عرض تاج سد و تاج هسته به ترتيب معادل m8 وm4 درنظرگرفته شد. در شكل (۶-۱) هندسه مدل مورد مطالعه نشان داده شده است.

در ادامه، نتايج محاسبات پايداري در حالت شيب بالادست برابر (افقي ۵/۲: قائم ۱) و پائين‌دست به ميزان (افقي ۰/۲: قائم ۱) آورده شده است.

۶-۲-۳- مشخصات ژئوتکنيکي قرضه‌هاي شناسايي شده

کليه قرضه‌هاي ريزدانه و درشت‌دانه شناسايي شده در محدوده شعاعkm 5 ساختگاه سد قرار گرفته‌اند و راههاي دسترسي به آنها از شرايط مناسبي برخوردار بوده و هزينه‌هاي جنبي قابل توجهي جهت احداث جاده و پل در برندارد.

۶-۲-۳-۱- قرضه ريزدانه

اکثر نمونه‌هاي حاصل از گمانه‌هايي که در محدوده منابع قرضه ريزدانه حفاري شده‌اند شامل سيلت رسي (ML) يا رس سيلتي (CL) به همراه ماسه و در بعضي مناطق به صورت مخلوط با شن مي‌باشند. متوسط حدرواني منابع قرضه ريزدانه درحدود ۲۴ درصد بوده و دامنه خميري آن درحدود ۷ درصد مي‌باشد.

همچنين حداکثر وزن مخصوص خشک اين مصالح در حدود T/m3 95/1 برآورد گرديد. مقدار ضريب نفوذپذيري اين قرضه نيز بر مبناي نتايج آزمايش‌هاي افتان بين ۶-۱۰ تا ۷-۱۰ سانتيمتر برثانيه محاسبه شد، براساس نتايج آزمايش‌هاي برش مستقيم در حالت تند و كند و آزمايش‌هاي مقاومت فشاري سه‌محوري در حالت‌هاي UU، CU و CD متوسط پارامترهاي مقاومت برشي مصالح قرضه‌هاي ريزدانه به صورت جدول زير درنظر گرفته شده است:

جدول (۶-۱)- پارامترهاي مقاومت برشي مصالح ريزدانه
مصالح ريزدانه آزمايش برش مستقيم آزمايش سه‌محوري
تند كند UU CU CD

زاويه اصطكاك (درجه ۲۴ ۵/۳۱ ۴ ۲۵ ۳۳
چسبندگي Kg/Cm2 4/0 15/0 5/0 37/0 14/0

۶-۲-۳-۲- قرضه درشت‌دانه

طبقه‌بندي اکثر نمونه‌هاي حاصل از گمانه‌هايي که در محدوده منابع قرضه درشت‌دانه حفاري شده‌اند، در رده شن سيلتي (GM) يا شن ماسه‌دار (GW) قرار مي‌گيرد.

براساس نتايج آزمايش‌هاي تراكم متوسط وزن مخصوص خشك و رطوبت بهينه مصالح محدوده قرضه درشت‌دانه به ترتيب معادل ۱۵/۱ T/m3 درصد مي‌باشد. طبق نتايج آزمايش‌هاي نفوذپذيري، متوسط ضريب نفوذپذيري مصالح درشت‌دانه بين ۲-۱۰ تا ۱-۱۰ سانتي‌متر بر ثانيه مي‌باشد.

علاوه بر نتايج آزمايش‌هاي برش مستقيم و سه‌محوري بر روي نمونه‌هاي بازسازي شده از اين قرضه، نشانگر وجود محدوه مقاومتي مناسب بين ۳۵ تا ۳۸ درجه براي زاويه اصطكاك و صفر تا ۰۶/۰ Kg/Cm2 براي چسبندگي مي‌باشد.

۶-۲-۴- جمع‌بندي مشخصات و پارامترهاي مقاومت برشي مصالح

براساس آزمايش‌هاي انجام‌شده بر روي مصالح قرضه‌هاي ريزدانه و درشت‌دانه موجود، خصوصيات مصالح شـامل وزن مخصوص خشك و وزن مخصوص اشباع و همچنين پارامترهاي مقاومـت برشي ( و C) براي حالت‌هاي مختلف پايداري تعيين گرديد. تحليل پايداري بدنه سد براي حالت‌هاي مختلف بارگذاري براساس پارامترهاي ارائه شده در جدول (۶-۲) انجام پذيرفته است.

جدول (۶-۲)- مشخصات مقاومت برشي مصالح زون‌هاي مختلف بدنه سد
وزن مخصوص خشك
(T/m3) وزن مخصوص اشباع
(T/m3) پايان مرحله ساخت حالت تراوش پايدار حالت افت سريع آب حالت وقوع زلزله
C(T/m2)  C(T/m2)  C(T/m2)  C(T/m2) 
مصالح آبرفت ۹/۱ ۲ ۲/۰ ۳۳ ۲۰/۰ ۳۳ ۲۵/۰ ۳۰ ۲۵/۰ ۳۰
مصالح پوسته ۰۵/۲ ۱۵/۲ ۰ ۳۹ ۰ ۳۹ ۰ ۳۹ ۰ ۳۹
مصالح فيلتر ۹۵/۱ ۰۷/۲ ۰ ۳۶ ۰ ۳۶ ۰ ۳۶ ۰ ۳۶
مصالح زهكش ۲ ۱/۲ ۰ ۳۸ ۰ ۳۸ ۰ ۳۸ ۰ ۳۸
مصالح هصته و بلانكت ۸۵/۱ ۲ ۵۰/۰ ۴ ۱۵/۰ ۳۲ ۵۳/۰ ۲۵ ۳۵/۰ ۲۵

۶-۳- مباني تحليل

همانگونه كه قبلاً نيز به آن اشاره شد، جهت برآورد ضريب اطمينان پايداري شيب‌هاي سد مخزني كشكسراي مرند از نرم‌افزارGEO-SLOPE استفاده شده است. اين برنامه قابليت بالايي در تحليل پايداري شيب‌هاي سدهاي خاكي با اشكال و بارگذاريهاي مختلف از طريق روش‌هاي حل موجود (شامل روش قطعات يا اجزاء محدود) دارد كه بسته به روش تحليل انتخابي توسط كاربر و دقت مورد نياز در مسأله، تحليل پايداري شيب انجام مي‌شود.

علاوه بر اين مي‌توان يك بار تحليل تراوش را براي حالت‌هاي مختلف تراوش شامل تراوش پايدار (Steady-Seepage)، مخزن پر و نيمه‌پر و تخليه سريع (Rapid-Drawdown) انجام داده و نتايج حاصل را به عنوان ورودي يا اطلاعات اوليه‌اي جهت بررسي تاثير فشار آب حفره‌اي بر پايداري شيب مورد استفاده قرار داد.

همچنين مي‌توان ضريب اطمينان پايداري شيب را بر روي سطوح گسيختگي دايره‌اي، شكسته و تركيبات مختلف آن توسط روش‌هاي بيشاب اصلاح شده،Morgenstern-Price, Janbu, Spencer و روش‌هاي گروه مهندسين ارتش آمريكا بررسي كرده و مجموعه ضرايب بحراني را به صورت منحني‌هاي هم‌ضريب ارائه نمود. در ادامه گزارش نتايج تحليل‌هاي انجام‌شده به منظور محاسبه حداقل ضريب اطمينان براي شرايط مختلف بارگذاري با استفاده از نرم‌افزار Geo-Slope و انتخاب روش‌هاي مخرتف تحليل پايداري در آن صورت گرفته و با مقادير مجاز توصيه شده آن مقايسه گرديده است.

۶-۴- نيروهاي مؤثر در تحليل

نيروهاي حائز اهميت در تحليل‌هاي پايداري شيب‌هاي سد، شامل نيروي آب و نيروي زلزله مي‌باشد. به طور كلي دو روش جهت وارد كردن اثر ناشي از نيروي آب در تحليل در حالت تنش مؤثر مدل سد مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه اين دو روش عبارتند از:

– معرفي سطح آب فرضي و اعمال فشار ناشي از آن بر بدنه سد
– تعريف ضريب فشار منفذي مصالح

هر يك از دو روش مذكور برحسب مورد در حالت‌هاي مختلف بارگذاري و تحليل، استفاده شده‌اند كه در بخش‌هاي بعدي به آنها اشاره مي‌شود. در اين مرحله طبق توصيه مراجع و آيين نامه‌هاي معتبر سدسازي جهان، نيروي زلزله در تحليل شبه‌استاتيكي توسط اعمال يك ضريب زلزله افقي به مقدار g21/0، (برمبناي نتايج حاصل ازمطالعات لرزه‌خيزي) درنظر گرفته شده است. اين ضريب در حالات مختلف بارگذاري جهت تعيين ضريب اطيمنان پايداري شيب، اعمال گرديده و ضريب اطمينان قابل قبول بزرگتر از يك در نظر گرفته شده است.

۶-۵- آناليز پايداري استاتيكي

آناليز پايداري استاتيكي در شرايط مختلف (پايان مرحله ساخت، تراوش پايدار، تخليه سريع) بر روي شيب‌هاي بالادست و پايين‌دست انجام شد. نتايج بدست آمده از اين تحليل‌ها در اين قسمت بيان مي‌شود.

۶-۵-۱- تحليل پايداري در پايان مرحله ساخت بدنه (End of Construction)

در اين حالت با فرض اتمام عمليات احداث بدنه سد، پايداري شيب‌هاي بدنه در شرايطي كه فشارهاي منفذي ايجاد شده در بخش نفوذناپذير بدنه سد در طي اجراي آن مستهلك نشده‌اند، مورد بررسي قرار گرفته است. تحليل پايداري در پايان مرحله ساخت بر روي شيب‌هاي پايين‌دست و بالادست انجام شد.

در اين شرايط زمان لازم جهت از بين رفتن فشارهاي منفذي در طي اجراي سد فراهم نبوده و بحراني‌ترين حالت به صورت افزايش فشار در بخش هسته ريزدانه در نظر گرفته شده است. در اين وضعيت بارگذاري، لازم است هر دو دامنه سد از لحاظ پايداري بررسي شود. در تحليل پايداري شيب‌ها پارامترهاي مقاومتي خاك براي مصالح پوسته، فيلتر و زهكش‌ها (با توجه به نفوذپذيري زياد

آنها نسبت به هسته) در حالت تنش مؤثر و براي هسته ريزدانه در حالت تنش كل (به صورتCU) در محاسبات به صورت محافظه‌کارانه‌اي منظور شده‌اند. ضريب اطمينان پايداري شيب‌ها در حالت پايان ساخت براي شرايط استاتيكي و شبه‌استاتيكي و سطوح لغزش دايره‌اي يا بلوكي (با معرفي محدوده‌هايي كه احتمال وقوع سطح لغزش در آنها بيشتر بوده و نقاط برخورد سطح لغزش با بدنه و پي سد در اين محدوده‌ها قرار مي‌گيرند)، محاسبه شده است.