كليات طرح و ساخت سدهاي خاكي

بطور كلي سدي كه بدنه آن از مصالح خاكي يا پاره سنگي يا از هر دو ساخته شود به نام سد خاكريز (۱) ناميده مي شود و اگر عمده ي مصالح آن از خاك باشد،سد خاكي (۲)ناميده مي شود.
از زمانهاي بسيار پيش احداث سدهاي خاكي به منظور تنظيم و ذخيره آب معمول بوده است،اما به علت امكانات محدود و عدم شناخت قوانين مكانيك خاك و هيدروليك ،ارتفاع سدها و بندهاي خاكي از مقدار محدودي بيشتر نمي شده است،هر چند از نظر وسعت و طول سد اين محدوديت وجود

نداشته است.امروزه با پيشرفت علم مكانيك خاك و توسعه امكانات تكنولوژي و مطالعات دقيقتر توانسته اند سدهاي خاكي را با ارتفاعهاي قابل ملاحظه احداث نمايند بطوري كه در حال حاضر،از مرتفعترين سدهاي ساخته شده سدهاي خاكي و پاره سنگي هستند.به علاوه زمينهايي كه سابقاً براي ساخت سد بر آنها غير مناسب به نظر مي رسيدند هم اكنون مي توانند به عنوان شالوده يا محل سد خاكي مورد استفاده قرار مي گيرند.از مرتفعترين سدهاي خاكي(يا پاره سنگي)عبارت است از:
سد«رگوني»(۳)(ارتفاع ۳۳۵ متر)و سد«نورك» (۴) (ارتفاع ۳۰۰ متر) هر دو در روسيه، سد« تهري» (۵)(ارتفاع ۲۶۰ متر) در هند،سد«ميكا»(۶)(ارتفاع ۲۴۴ متر)در كانادا،و سد «اروويله»(۷)(ارتفاع ۲۳۵ متر)در ايالات متحده.
با وجود پيشرفتهاي تكنيكي و علمي كه تا كنون در زمينه ساخت سدهاي خاكريز شده است هن

وز مشكل مي توان راه حلهاي رياضي و محكمي را براي حل مسايل طراحي سدهاي خاكي پيشنهاد نمود و از اين رو بسياري از اجزاي سدها هنوز بر مبناي تجربه و ذوق و ذكاوت مهندسان طراحي و اجرا گردد،به عبارت ديگر نمي توان يك طرح نمونه وار و منحصر به فرد و كامل را همواره پيشنهاد نمود.
به منظور تأمين يك طرح دقيق و منطقي در سدهاي خاكريز لازم است وضعيت شالوده سد و مواد تشكيل دهنده آن كاملاً مورد بررسي و مطالعه ي اوليه قرار گرفته و اجراي سد با روشهاي كنترل شده و دقيقاً مطابق برنامه پيشنهادي طراح انجام پذيرد.
به عنوان يك اصل،دو نكته مسلو است كه:
۱)سد به عنوان يك مخزن آب بايد نفوذ ناپذير باشد.
۲)در تمام وضعيتهاي ممكن (بلافاصله پس از ساخت و ضمن ساخت،وضعيت مخزن پر،طغيان،تخليه سريع،بارندگي و حتي در مواقع سيلهاي استثنايي چند هزار ساله)سد بايد مقاوم باشد.
روش ايجاد سدهاي خاكي در حال حاضر عمدتاً با روش تراكم مكانيكي است،هر چند روشهاي ديگري مانند روشهاي هيدروليكي و نيمه هيدروليكي هم وجود دارد كه از اين روشها كمتر استفاده مي گردد،مگر در مورد سدهاي باطله كه ضرورتاً هيدروليكي است.
بخش اصلي سد خاكي كه توده خاكي كوبيده شده است(در حقيقت سازه سد)به نام بدنه سد ناميده مي شود،و زميني كه سد بر روي آن قرار گرفته تا آن حد كه تحت تأثير فشار حاصل از سد و نفوذ پذيري آب سد مي باشد به نام شالوده است.به جز اين دو بخش اصلي ،اجزاي ديگري از قبيل آب بندها،زهكشها،پوششها،و غيره وجود دارد كه اهميت آنها به لحاظ حجم ناچيز است اما به لحاظ حفاظت و ايمني و عملكرد سد براي سد نقش حياتي دارند.

انواع سد هاي خاكي
از ديدگاه تكنيك و روش ساخت،سدهاي خاكي دو گروه هستند كه تقريباً تمامي آنها در گروه غلتكي(كوبيدني)قرار دارند و تعدادي در گروه هيدروليكي و نيمه هيدروليكي طبقه بندي مي شوند.منظور از سدهاي غلتكي اين است كه ساخت سد با روش كوبيدن خاك كه به وسيله غلتك است صورت مي گيرد.اين عمل معمولاً در لايه هاي ۱۵ تا ۲۲ سانتيمتري در هر نوبت تراكم كوبيده مي شوند.منظور از روش هيدروليكي اين است كه انباشته شدن مصالح ساخت سد(جابجايي مواد و قرار گرفتن آنها در محل)با كمك آب انجام مي گيرد و در ضمن جدا شدن آب از خاك،نوعي طبقه بندي طبيعي در دانه بندي خاك صورت مي گيرد كه براي سد مناسب مي باشد،يعني دانه هاي درشت تر در كناره ها و دانه هاي ريز تر در وسط قرار مي گيرند.
از ديدگاه همگني بدنه سد،نيز مي توان گونه هاي مختلفي را از هم تشخيص داد كه عبارتن

د از:
نوع همگن(۸)،نوع مطبق(۹) يا مغزه دار و نوع ديافراگمي
۱-نوع همگن
نوع همگن به سدي گفته مي شود كه تمام بدنه آن از يك نوع مصالح ساخته مي شود.در اين نوع سد،چون قسمت عمده سد،از زه اشباع مي شود و دامنه پاياب نيز تحت تأثير زه مي باشد،لازم است كه شيب دامنه ها خيلي كم گرفته شود تا دامنه پاياب در برابر زه و دامنه سراب در يك تخليه سريع مقاوم باشد.اگر در اين نوع سدها هيچ گونه تكنيك زهكشي به كار برده نشود ممك

ن است از دامنه پايين دست در اثر زه اشباع شود از اين رو قرار دادن زهكش افقي يا پنجه سنگي در پاياب ،و ايجاد پوشش بالادست در بستر مخزن و روي دامنه بالادست از روشهايي هستند كه به منظور كنترل زه و پايداري بيشتر سد بكار برده مي شوند.
۲-نوع مطبق
نوع مطبق(يا مغزه دار)از معمولترين نوع سدهاي خاكي است .در اين نوع نقش آب بندي سد به عنوان مخزن به عهده مغزه است و نقش استحكام و پايداري را عمدتاً پوسته سد ايفا مي كند.پوسته پايين دست علاوه بر استحكام ،نقش زهكش را نيز دارد.
در اين نوع سد ،تمام بدنه از مواد درشت دانه يا مخلوط ساخته مي شود و فقط بخشي كه نقش آب بند را دارد به صورت ديوار يا پرده غير قابل نفوذ در بدنه سد تعبيه مي گردد كه ممكن است به صورت ديافراگم مركزي يا در دامنه بالادست به صورت يك ديافراگم مايل باشد.جنس اين پرده نفوذ ناپذير را مي توان از خاك رس،سيمان،چوب و غيره انتخاب نمود.ديافراگم مايل به نام پوشش مخفي نيز ناميده مي شوند.پرده هاي آب بند اعم از كه در قسمتههاي مركزي يا كناري قرار گيرند بايد تا بالاترين نقطه سد ادامه يابند،و در صورتي كه شالوده زيرين نفوذ پذير بوده و كم عمق باشد ترجيحاً بايد ادامه پرده آب بند تا انتهاي بخش نفوذ پذير شالوده برسد.
ديافراگمهاي داخلي كه از مواد صلب مانند بتن ساخته شوند ممكن است به علت نشست سد در بعضي از نقاط شكسته ش وند از اين رو ترجيح داده مي شود كه مغزه ديافراگمي در وسط سد از خاك رس ساخته شود كه عرض اين مغزه خاكي در قاعده سد بايد از ۳/ تا ۵/ برابر ارتفاع سد باشد.قرار دادن مغزه ديافراگمي در وسط سد از سهولت ساخت برخوردار است در حالي كه ديافراگم مايل نسبت به ديافراگم محوري تا حدي پايداري بيشتري را در برابر زلزله تأمين مي كند.
چنانچه جدار ديافراگمي تمامي ارتفاع از تاج سد تا انتهاي شالوده نفوذ پذير را نپوشاند آنرا ديافراگم ناقص نامند.ممكن است بخشهاي عميق شالوده را در زير ديافراگم ناقص به وسيله تزريق يا پرده سپرهاي فلزي و غيره آب بندي نمود.
صلاحيت نوع خاك براي بناي سد خاكي و طبقه بندي خاكها
در بخشهاي مختلف سد،مواد تشكيل دهنده آن ب ايد ويژگيهاي خاصي از لحاظ نفوذ پذيري ،استحكام برشي،تراكم پذيري،و مقاومت در برابرر پايپينگ داشته باشند.
جدول زير ترتيب اولويت استفاده از انواع خاكها را در طراحي سد و برنامه ريزي اوليه آن نشان مي دهد.علامتهاي به كار برده شده بر اساس طبقه بندي«يونيفايد»مي باشد كه اين طبقه بندي نيز به اجمال ارائه مي شود.

گروه خاك مقاومت نسبي برشي مقاومت نسبي در برابر پايپينگ نفوذ پذيري نسبي اولويت براي مغزه سد غير همگن اولويت براي سد همگن
خيلي خوب

خيلي خوب

خوب تا متوسط

 

خوب تا متوسط زياد

زياد

زياد تا متوسط

زياد خيلي زياد

زياد تا متوسط

زياد

متوسط نفوذ ناپذير
نيمه نفوذ ناپذير
نفوذ ناپذير
كم نفوذ پذير ۱

۴

۲

۵

۳ ۱

۲

۳

۴

 

۵ GC

GM

 

SC

SM

CL

براي پوسته سدهاي مغزه دار فقط مي توان از انواع GW,GP,SW,SP استفاده نمود كه ترتيب ترجيحي آن ها به همين ترتيبي كه در ا ينجا ياد شده است.انواع ديگر خاكها به هيچ وجه مناسب پوسته سد غير همگن نيستند هر چند نمي توان با اعتماد و اطمينان از انواع ديگر خاكها به جز آنچه كه د ر جدول فوق آمده است براي مغزه سد يا براي سد همگن استفاده نمود،اما ترتيب اولويت گروههاي ديگر براي دو هدف فوق صرفاً به منظور طبقه بندي عبارت است ازML,CH,OL,MH,OH
2-6 كلياتي كه در طراحي سد خاكي بايد در نظر گرفته شود
بر اساس تجربياتي كه در مورد شكستن و تخريب سدهاي خاكي به دست آمده است مي توان نكات ذيل را به منظور تأمين ايمني هر چه بيشتر و افزايش اطمينان در طراحي يك سد خاكي در نظر گرفت:
۱-به منظور جلوگيري از خرابيهاي حاصل از جريان آب از روي سد،رعايت نكات زير ضروري است:
الف)ظرفيت سرريز تا آن حد باشد كه جريان حداكثر را بتواند عبور دهد.
ب)طرح چنان باشد كه از سرريز شدن آب حاصل از امواج در شرايطي كه سطح آب مخزن در بالاترين وضعيت است،جلوگيري گردد.
ج)ارتفاع اصلي تا آن اندازه باشد كه حداقل ارتفاع آزاد را بعد از نشست كامل سد باقي بگذارد.
د)اقداماتي صورت گيرد كه از فرسايش خاكريز سد به علت تأثيير امواج و نيز به علت اثر آبهاي سطحي جلوگيري گردد.
ه)تاج سد به قدر كافي عريض باشد تا اثر زلزله هاي احتمالي بر آن تأثير مخرب نداشته باشد.
۲-به منظور جلوگيري از خرابيهاي حاصل از زه،مقدار جريان آب در بدنه سد و شالوده آن نبايد تا آن حد باشد كه تأمين هدف از ايجاد آن سد را خدشه دار سازد،و نيز فشار زه در هر نقطه در حدي باشد كه موجب تخريب نگردد بنابراين:
الف)مقدار كمي جريان زه در بدنه و شالوده بايد به ميزان پيش بيني شده محدود گردد.
ب)خطوط جريان زه(يا به عبارت ديگر،خط زه آزاد)دامنه ي پايين دست حتي الاامكان از سطح خارجي دامنه پايين دست دور نگهداشته شود تا موجب خرابي پوسته اي شدن نگردد.
ج)فشار زه در هر نقطه و نيز شرايط دانه بندي و يكنواختي خاك و نوع تراكم،بويژه در حد فاصل لايه ها و در حد فاصل تغيير دانه بندي مواد،چنان باشد كه امكان ايجاد پديده پايپينگ وجود نداشته باشد.
د)امكان ايجاد نشت آب(به جز از مسيرهاي معمولي و پيش بيني شده)در هر جايي بايد به صفر برسد و الا امكان بروز پايپينگ را افزاي مي دهد.
۳-به منظور جلوگيري از خرابيهاي ساختماني لازم است:

الف)دامنه ها هر كدام در برابر كلييه نيروهاي ممكن (از جمله زلزله)در تمام وضعيت ها پايدار باشند.
طرح فيلتر
فيلتر كه معمولاً از جنس خاك(و گاهگاهي به صورت شبكه هاي فلزي و الياف و بافته هاي از جنس پليمرهاي مصنوعي)است نقش اصلي آن جلوگيري از شسته شدن و حركت مواد ريز دانه سازه خاكي مي باشد،و بديهي است كه مورد كاربرد آن در مكانهايي است كه تح

ت تأثير جريان ز ه قرار دارند.به علت وجود زه(يعني بر اثر گراديان هيدروليك)دانه هاي ريز مي توانند از محيط خود جدا شده و به همراه حركت آب به نقاط ديگري منتقل گردند به طوري كه استمرار اين پديده موجب پوك شدن بخشي از خاك مي گردد كه خود موجب عدم پايداري مي شود .به علاوه ،پيشروي پوك شدن به طرف گراديان هيدروليك بزرگتر(مخزن)موجب تسريع در تخريب مي گردد كه سرانجام منجر به تخريب كامل سد خاكي خواهد شد.
در تمام زهكشهاي تعبيه شده براي سدهاي خاكي،در چاههاي كاهش فشار،در چاه

هاي ماسه اي،در هر گونه مرز دو لايه اي كه به لحاظ دانه بندي تفاوت زيادي دارند،و موارد مشابه دگر،از جمله لايه انتقالي بين سنگچين حفاظت دامنه و سطح زير آن،طرح و تأمين لايه هاي از فيلتر ضروري است.
تهيه و طرح فيلتر مناسب بايد حاوي دو ويژگي اصلي باشد:اول اينكه هدف اصلي را كه جلوگيري از شست شدن ذرات ريز است تأمين كند و دوم اينكه مقاومت آن در برابر حركت زه بيش از خاك مورد حفاظت نباشد،زيرا در غير اين صورت فشار هيدروليكي آب در مرز بين خاك اصلي و فيلتر موجب ناپايدار شدن خاك مي گردد .به عبارت ديگر نفوذ ناپذيري لايه فيلتر بايد بيش از نفوذ پذيري خاك مورد حفاظت باشد.
به منظور تأمين هدف اول لازم است كه اندازه مربوط به ۱۵% منحني دانه بندي فيلتر بزرگتر از ۴تا۵ برابر اندازه مربوط به ۸۵%منحني دانه بندي خاك مورد حفاظت نباشد،
فيلترD15
D 85خاك مورد حفاظت
نسبت D 15فيلتر به D 85 خاك مورد حفاظت را نسبت پايپينگ گويند و اين شرط را شرط عدم پايپينگ مي نامند.
به منظور تأمين شرط دوم،لازم است كه اندازه ي مربوط به ۱۵%منحني دانه بندي فيلتر اقلاً ۴تا ۵ برابر اندازه مربوط به ۱۵% منحني دانه بندي خاك مورد حفاظت باشد،يعني:

فيلتر D 15
( حداكثر ۴۰ )۵تا ۴ > —————
D 15خاك مورد حفاظت
ضمناً دانه بندي فيلتر نبايد بيش از ۵ درصد دانه هاي ريز تر از ۷۵ ميكرن داشته باشد،رابطه فوق را شرط نفوذ ناپذيري نامند.

«تيلر»(۱۹۴۸)بر اساس تجربياتش نتيجه مي گيرد كه نفوذ پذيري خاكها با (D 15)(10)متناسب است ،از اين رو با رعايت شرط نفوذ پذيري در فيلتر بايد نفوذ پذيري فيلتر ۱۶ تا ۲۵ مرتبه بيش از نفوذ پذيري خاك مورد حفاظت باشد و لذا نيروي زه در فيلتر به همين نسبت كمتر باشد.
پژوهشگران و مهندسان مختلف بر اساس تجربيات و آزمايشهايي كه انجام دادهاند پاره اي محدوديت يا تسليهاتي به اين دو شرط ذكر شده افزوده اند كه بر حسب مورد،رعايت اين نكات موجب سهولت طرح مي گردد.مثلاً آيين نامهU S B Rحداكثر اندازه دانه ها را در فيلت

ر به ۳ اينچ محدود مي كند و اين منظور جلوگيري از جدا شدن دانه هاي خيلي بزرگ از دانه هاي ريز تر در ضمن ريختن خاك در محل مي باشد.همچنين آيين نامهU S A C E (1955)و U S A(1971)دو شرط ذيل را براي طرح فيلتر در نظر مي گيرد:
D 15 فيلتر D 50فيلتر
<=5———— و ۵ <= ———————
D 85 خاك مورد حفاظت D 85 خاك ورد حفاظت
علاوه بر آيين نامه USACE(1955)ياد آوري مي شود كه:
شرايط ذكر شده در بالا براي تمام خاكها قابل استفاده است به جز براي رسهاي با بلاستيسيته بالا تا متوسط كه فاقد ماسه و سيلت باشند،براي اين گونه خاكها لازم است از فيلتر مطبق استفاده شود.براي خاكهاي رسي،D 15 فيلتر را مي توان تا مقدار ۴/۰ ميليمتر هم رسانيد و از شرط D 50 نيز صرف نظر نمود.با كاربرد اين نكته اخير،مي توان براي خاكهاي رسي با پلاستيسيته بالا تا متوسط ،از فيلتر يا لايه اي استفاده كرد،و به هر حال خاك فيلتر بايد دانه بندي گسترده باشد و در عين حال به منظور عدم جدا شدن دانه ها با اندازه هاي مختلف،ضريب يكنواختي (نسبت D 60 بهD 15)آن از ۲۰ تجاوز ننمايد ،زيرا هر چه ضريب يكنواختي بزرگتر باشد امكان جدا ش دن دانه هاي درشت تر از ريز تر در ضمن حمل و نقل و ريختن و كوبيدن خاك بيشتر مي گردد.رابطه D 50 بيانگر موازي بودن تقر يبي منحني دانه بندي فيلتر و خا ك مورد حفاظت است.
بعضي از پژوهشگران پيشنهاد مي كنند كه اگر خاك مورد حفاظت شامل درصد زيادي از قلوه سنگ و شن درشت است،طرح فيلتر آن بر اساس آن بخش از دانه بندي خاك ب اشد كه از ۱ اينچ كوچكتر است.
همچنين نتايج مطالعات تجربي ديگري كه اخيراً توسط «شرارد»و همكاران وي(۱۹۸۴)صورت گرفته

است به طور خلاصه به شرح زير ارائه گرديده است:
د مورد فيلتر هاي ماسه و شني با دانه بندي يكنواخت (D 15 فيلتر بين ۱ تا ۱۰ ميليمتر)تجربيات نشان داد كه اينگونه فيلترها از حركت دانه هاي تا قطر D 15 11/0 و بزرگتر جلوگيري مي كنند،اما دانه هاي كوچكتر از اين اندازه ممكن است عبور كند.شرط اصلي فيلتر يعنيD 15/D 85<=5 تا حدي محافظه كارانه است .شرط D 50/D 50وD 15 /D 15 بر اساس تئوري يا تجربه قابل حمايت نيست.فيلترهاي تشكيل شده از دانه هاي گوشه دار و خرد شده مانند دانه هاي گرد شده كارآي

ي دارند.دانه بندي فيلتر الزاماً ضروري نيست كه مشابه توزيع دانه بندي خاك مورد حفاظت باشد،اين نتيجه گيري براي فيلترهاي با دانه بندي نسبتاً يكنواخت و درصد ناچيزي از دانه هاي ريز تر از ۲۰۰ مش مي باشد،هر چند مي توان براي دانه بندي گسترده تا حدي كه ضريب يكنواختي از ۱۰ تجاوز نكند نيز بكار برد.

براي سيلتها و رسهاي ماسه اي،شرط D 15/D 85<=5قابل قبول و محافظه كارانه است،حدود«اتربرگ»خاك رسي هيچ گونه تأثير مهمي روي طرح فيلتر ندارد .براي دو نوع خاك رسي با دانه بندي يكسان ولي با قابليت واگرايي(۱۱)طرح فيلتر يكسان است.رعايت معيارهاي تعيين شده براي طرح فيلتر در مورد فيلترهاي بحراني (مثلاً در دامنه پايين دست سد و در جلوي زهكش مايل در مجاورت هسته)ضروري است،اما در مورد فيلترهاي غير بحراني(ماند فيلتر بالادست

سد)رعايت معيارهاي كمي ضرورت ندارد.در مورد پروژه هاي بزرگ لازم است طرح پيشنهادي فيلتر در آزمايشگاه آزمايش گردد تا از لحاظ پايدار باشد،مثلاً در برابر يك گراديان هيدروليك حدود ۱۰۰۰ پايدار باشد.