05-05-2021, 03:05 PM
پرديس فناوري کيش طرح مشاوره متخصصين صنعت و مديريت گروه اجرائي و عمران
سدهاي خاكي
علت خرابي سد
نشت سد
سدهاي خاكي
از زمانهاي بسيار دور بناي سدهاي خاكي به منظور كنترل و ذخيره آب معمول بوده است. اما به علت امكانات محدوده و عدم شناخت قوانين مكانيك خاك و هيدروليك، ارتفاع سدها و بندهاي خاكي از يك مقدار محدودي بيشتر نمي شده است، هرچند از نظر وسعت و طول سد چنين محدوديتي وجود نداشته است. امروزه با پيشرفت علم مكانيك خاك و توسعه امكانات تكنولوژي و مطالعات دقيق تر توانسته اند سدهاي خاكي را با ارتفاعات قابل ملاحظه احداث نمايند، بطوريكه در زمان حاضر از مرتفع ترين سدهاي دنيا سدهاي خاكي و پاره سنگي هستند. به علاوه زمين هائي را كه سابقاً براي اين منظور غير مناسب تشخيص مي دادند هم اكنون مي توانند آنها را براي زيربناي احداث سد خاكي آماده سازند.
علي رغم اين پيشرفت ها هنوز مشكل است كه بتوان راه حل هاي رياضي محكمي براي مسايل طراحي سدهاي خاكي پيشنهاد نمود، و در نتيجه بسياري از اجزاء سدها هنوز بر مبناي تجزيه و ذوق و ذكاوت مهندسين طرح و اجراءٍ مي گردند، به عبارت ديگر طرح تيپ دقيق و كامل وجود ندارد.
به منظور تأمين يك طرح دقيق و منطقي در سدهاي خاكي لازمست كه وضعيت شالوده سد و مواد مشكله آن كاملاً مورد بررسي و مطالعه اوليه قرار گرفته و اجراي سد با روش هاي كنترل شده و دقيقاً مطابق برنامه پيشنهادي طراح انجام پذيرد.
به عنوان يك اصل، اين دو نكته مسلم است كه:
1- سد به عنوان يك مخزن بايد غيرقابل نفوذ باشد.
2- در تمام وضعيت هاي ممكن (وضعيت بلافاصله پس از ساخت، ضمن ساخت، وضعيت هاي مخزن پر، طغيان، تخليه سريع، بارندگي و حتي در مواقع سيلهاي استثنائي چند هزار ساله) سد بايد مقاوم باشد.
روش ايجاد سدهاي خاكي امروزه عمدتاً "با روش تراكم مكانيكي است، هرچند روشهاي ديگري مانند روش هاي هيدروليكي و نيمه هيدروليكي هم وجود دارد كه از اين روشها كمتر استفاده مي گردد، مگر در مورد سدهاي باطله كه ضرورتاًِ" 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 (فونداسيون) است. به جز اين دو بخش اصلي، اجزاء ديگري از قبيل آب بندها، زهكش ها، پوشش ها و غيره وجود دارد كه اهميت آنها به لحاظ حفاظت و ايمني و عملكرد سد براي آن نقش حياتي دارند.
انواع سدهاي خاكي
از ديدگاه تكنيك و روش ساخت، سدهاي خاكي به دوگروه 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 اينست كه ساخت سد با روش كوبيدن خاك كه بوسيله غلتك است صورت مي گيرد، كه معمولاً در لايه هاي 15 تا 22 سانتيمتري در هر نوبت تراكم كوبيده مي شوند. منظور از روش هيدروليكي اينست كه بنا شدن سد (جابجائي مواد و قرارگرفتن 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 ريزتر در وسط سد قرار مي گيرند.
از ديدگاه همگني بدنه سد، نيز مي توان تيپ هاي مختلفي را از هم تشخيص داد كه عبارتند از:
تيپ همگن (Homogeneous )، تيپ مطبق (Cored يا Zoned ) يا مغزه دار، و تيپ ديافراگمي
انتخاب نوع سد خاكي و ابعاد هندسيانتخاب نوع سد، يعني اينكه خاكي، پاره سنگي، بتن ثقلي، قوسي، پايه اي و غيره باشد.
اما هنگامي كه زميني همراه با شرايط ديگر براي بناي سدخاكي مناسب تشخيص داده شد انتخاب يكي از انواع سدخاكي مطرح مي شود.
نوع سد خاكي در بد و امر تابع مصالحي است كه در آن ناحيه يا در نزديكيهاي آن موجود است. نوع شالوده سدخاكي، هرچند باشد عمدتاً غير قابل تغيير است، مگر لايه هاي سطحي آن كه ممكنست برداشته شده و به جاي آن در صورت لزوم خاك مناسب كوبيده شود. بنابراين وضعيت زمين محل يا شالوده تا حدزيادي در طرح سدخاكي (و اصولاً در انتخاب نوع سد اعم از خاكي و غيره) موثر است. به عنوان يك عامل فراگير بر تمام جنبه ها، مسأله اقتصادي بودن طرح نيز سرانجام مطرح مي گردد.
بطور كلي، چنانچه مواد نفوذ پذير و نفوذ ناپذير به فراواني در دسترس باشند، ترجيحاً از سدهاي مغزه دار (غير همگن) استفاده مي گردد هرچند نسبت حجمي مواد نفوذناپذير به نفوذ پذير (پس از تعيين مقدار لازم به منظور استحكام و آب بندي) نيز تابع هزينه هاي حمل و نقل آنها و نيز هزينه تهيه دانه بندي مورد نظر است.
اگر سدي به صورت همگن ساخته شود ضرورتاً "مواد تشكيل دهنده آن نفوذناپذير و يا كم نفوذپذير مي باشد و با وجود اين ضرورتاً بايد به نوعي زهكش (مثلاً زهكش افقي در پائين دست) مجهز باشد تا دامنه پايين دست همواره از اشباع شدن در اثر زه مصون بماند. از طريقي اگر سد عمتاً از مواد دانه درشت باشد ضرورتاً " بايد مغزه اي نفوذ ناپذير در بخش مياني يا در محلي از دامنه بالا دست وجود داشته باشد تا آنرا كاملاً آب بندي كند.
چنانچه سد روي رسوبات نفوذ پذير ساخته شود، ميزان حد بالائي اتلاف آب از ا، بايد در بدو امر تخمين زده شود. مقدار تخميني اين حد را بايد با استفاده از رسم شبكه جريان و يا بر اساس نتايج تلمبه كردن آب در محل و نيز از تستهاي آزمايشگاهي بدست آورد و چنانچه مقدار اتلاف آب به صورت زه بيش از مقداري باشد كه براي پروژه سدسازي مورد نظر زيان بار باشد، لازمست از بعضي از انواع آب بندها استفاده شود.
انتخاب هر كدام از بخش هاي سد چه از نظر نوع و چه از نظر اندازه، بطور مستقل صورت نمي گيرد بلكه تابعي از مجموعه شرايط موجود است. مثلاً انتخاب شيب دامنه ها، تابع نوع شالوده، مصالح، روش ساخت، و نوع سد است، بطوريكه هرچند شالوده سست تر باشد در شرايط يكسان ديگر، شيب دامنه ها بايد كمتر باشد و دامنه ها گسرده تر شده باشند. براي يك شالوده معين،دامنه هاي سدهمگن كم شيب تر از دامنه هاي سد همگن كم شيب تر از دامنه هاي يك سد غير همگن است، و يا دامنه هاي يك سد هيدروليكي باز هم كم شيب تر از دامنه هاي سد غلتكي است، زيرا در روش هيدروليكي مصالح كوبيده نمي شوند تا مقاوم گردند. دامنه هائي كه پوشش هاي محكم بتني و آسفالتي و سنگي برآنها قرار مي گيرند مي توانند بطور نسبي پرشيب تر ساخته شوند.
شيب دامنه ها
شيب دامنه ها را معمولاً از يك بريك و نيم تا يك برسه مي گيرند، هر چند تا شيبهاي يك برشش و كمتر هم گاهگاهي منظور مي شود. همچنين طرح دامنه با شيب هاي متفاوت كاملاً معمول است. بطوريكه شيب قسمتهاي بالائي دامنه را بيشتر و در بخش هاي پائيني كمتر انتخاب شود، يا اينكه در چند مرحله به تدريج شيب تغييركند، و نيز انتخاب شيب بيشتر در قسمت پائين دامنه و شيب كمتر در قسمت هاي بالائي دامنه در مواردي صورت گرفته است.
در مورد اينكه شيب استاندارد پايدار در دامنه ها چه مقدار باشد، نظريات مختلفي در تاريخ سد سازي مطرح شده است. بطوريكه در دهه هاي اول قرن حاضر هر چند پيشنهادها بر اساس تجربه هاي قبلي بوده است ولي سدهائي با شيب يك بر يك و نيم هم ساخته شده است و بعضي معتقد شدند كه دامنه بالا دست كم شيب تر از دامنه پائين دست باشد و برخي بر خلاف اين نظر رأي دادند، و امروزه نظر متخصصين اينست كه هر دو مورد ممكن است و صرفاً تابع شرايط مي باشد. در 1933، پراكتور حداقل شيب را يك بر دو تعيين نمود.
عرض تاج
تاج يا قله سد خاكي نبايد عرض كمتر از 4 متر داشته باشد و اين مقدار حداقل لازم به منظور استحكام، و كنترل، تعميرات، بررسي ها و عبور و مرور مي باشد. بطور كلي انتخاب عرض تاج سد بستگي به ملاحظاتي متعدد دارد كه از جمله عبارتند از: طبيعت مواد تشكيل دهنده سد، فاصله خط زه آزاد تا قله سد، ارتفاع نهائي و اهميت تاج سد از نظر رفت و آمد، و اينكه جاده اي و راهي بر آن واقع شده و نيز چه وسايطي و با چه ترافيكي بايد بر آن عبور كنند.
سر ريز در سدهاي خاكيسرريز سد عبارتست از مسيري پيش بيني شده براي عبور مقدار آبي كه ما از ادبر حداكثر ضرفيت مخزن در نظر گرفته مي شود، بطويكه بتواند همواره از بالاآمدن سطح آب مخزن به بالاي تراز پيش بيني شده حداكثر جلوگيري كند. افزايش آب مخزن ممكنسن به علت نوسانهاي بارندگي و سيلابها، يا كم شدن تخليه آب، و غيره باشد و از اينرو ظرفيت سرريز بايد با توجه به همه عوامل دقيقاً محاسبه شود.
بطور خلاصه، در مورد سدهاي خاكي ممكنست سرريز را بدون ارتباط با بدنه سد، بصورت تونل يا كانالي در تكيه گاههاي طبيعي سد تعبيه نمود و يا اينكه در بدنه سد جائي براي آن در نظر گرفت. بندرت در سدهاي خاكي ممكنست از تاج سد به عنوان سرريز استفاده شود كه در اينصورت استحكامات كافي براي پوشش سد و تاج آن لازم است. در مواردي نيز مي توان براي يك سد دو سرريز در نظر گرفت كه يكي براي وضعيت هاي معمولي و ديگري براي طغيانهاي استثنائي منظور شده باشد.
ارتفاع آزاد
ارتفاع آزاد، طبق تعريفن فاصله قائم بين بالاترين تراز سطح آب مخزن (در موقع حداكثر طغيان) و تاج سد مي باشد. حداقل اين ارتفاع آزاد بايد آنقدر باشد كه تاج سد از اثر امواج مصون باشد.
بخشي از ارتفاع آزاد را به علت نشست احتمالي سد و بخش عمده ارتفادع آزاد را به علت ارتفاع موج آب در نظر مي گيرند. مقداري كه به علت نشست منظور مي شود، 2 درصد ارتفاع سد است كه در مناطق زلزله خيز يك درصد هم به علت نشست حاصل از زلزله به آن مي افزايند.
مقدار لازم ارتفاع آزاد كه به منظور مصونيت از تأثير موج در نظر گرفته مي شود مبتني بر حداكثر سرعت با دهاي آن منطقه (و حتي مدت عملكرد آنها) و حداكثر طول درياچه مي باشد. تعدادي روابط تجربي در اين مورد براي محاسبه ارتفاع موج پيشنهاد شده است.
منظور از طول درياجه در محاسبه ارتفاع موج، آن بعدي از سطح درياچه است كه در جلوي سد قرار مي گيرد، بنابراين اگر ابعاد سد در امتدادهاي ديگر كمتر يا زيادتر از طول درياچه در جلوي سد باشد معمولاً براي تعيين ارتفاع موج در نظر گرفته نمي شود. براي درياچه هاي با طول كمتر از 5/0 كيلومترن حداقل 60 سانتيمتر ارتفاع آزاد به علت موج منظور مي گردد. ارتفاع موج در درياچه هاي معمولي بين 1 تا 2 متر مي رسد و حداكثر تا 5/2 متر گزارش شده است.
كلياتي كه در طراحي سدخاكي بايد در نظر گرفته شود
بر اساس تجربياتي كه در ممورد شكستن و تخريب سدهاي خاكي بدست آمده، مي توان نكات ذيل را به منظور تأمين ايمني هر چه بيشتر و افزايش اطمينان در طراحي يك سدخاكي در نظر گرفت:
1- به منظور جلوگيري از خرابيهاي حاصل از جريان آب از روي سد، لازمست:
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 تأثير امواج و نيز به علت اثر آبهاي سطحي جلوگيري گردد.
ه: تاج سد بقدر كافي عريض باشد تا اثر امواج و اثر زلزله هاي احتمالي بر آن تأثير مخرب نداشته باشد.
2- 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 اياد 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 درون بدنه و شالوده بايد به ميزان پيش بين يشده محدود گردد.
ب: خطوط جريان زه (يا به عبارت ديگر، خط زه آزاد) در جبهه پائين دست حتي الامكان از سطح خارجي دامنه پائين 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 يا يپينگ وجود نداشته باشد.
د: امكان ايجاد نشست آب (به جز از مسيرهاي معمولي و پيش بيني شده) در هر جائي بايد به صفر برسد و الامكان بروز يا يپينگ را افزايش مي دهد.
3- به منظور جلوگيري از خرابهيا ساختماني لازمست:
الف: دامنه ها هركدام در برابركليه نيروهاي ممكن (از جمله زلزله) در تمام وضعيت ها پايدار باشند.
ب: تنش هاي برشي ايجاد شدهه در شالوده نبايد از مقدار مجاز مقاومت برشي آن تجاوز نمايند.
تراكم خاك در سدهاي خاكيتراكم خاك در سدهاي خاكي به روش هاي معمول تراكم صورت مي گيرد. لايه هاي به ضخامت 15 تا 25 سانتيمتري در هر مرحله كوبيده مي شوند. مشخصات مربوط به تراكم خاكها، تأثير انرژي داده شده (نوع غلتك، ضخامت لايه، تعداد رفت و برگشت)، تأثير سرعت حركت غلتك، تأثير نوع خاك، و تأثير درصد آب در تراكم و غيره از مسائلي است كه نياز به بررسي دقيق و مفصل دارند.
بطور خلاصه يادآوري مي گردد كه براي يك نوع خاك مشخص، هر چه انرژي تراكم بيشتر باشد (مثلاً غلتك سنگين تر بكار برده شود) تراكم بيشتري صورت مي گيرد، يعني دانسيته خشك ما كزيمم حاصل بزرگتر و درصد رطوبت بهينه (متناظر با دانسيته خشك ما كزيمم) كمتر است. با يك روش تراكم (يعني با يك مقدار ثابت انرژي) هر چه خاك مورد تراكم با دانه بندي گسترده تر و با پلاستيسيته كمتر باشد، تراكم پذيري آن بهتر است، بطوريكه با درصد رطوبت كمتري، دانسيته خشك ما كزيمم بيشتري مي دهد ، و در حقيقت شن و ماسه مخلوط با مقداري سيلت ورس بهترين تراكم ، و سيلت ها و رس هاي پلاستيك و نيز مثلا ماسه با دانه بندي يكنواخت كمترين تراكم را نشان مي دهد . تراكم خاك با رطوبت بيشتر از رطوبت بهينه را در سمت تر ، و با رطوبت كمتر از رطوبت بهينه را تراكم در سمت خشك مي نامند .
سمت تر و سمت خشك غير از تفاوتي كه در مصرف آب دارند و همين ممكن است پارامتري قابل توجه به لحاظ مصرف آب باشد , تفاوت ديگري نيز دارند كه عبارت است از اينكه در سمت خشك تاثير انرژي داده شده نسبت به سمت تر بسيار زياد است , به طوري كه با مصرف يك مقدار معين انرژي در سمت خشك ميتوان دانسيته را به مقدار معيني افزايش داد،در صورتي كه با صرف همين مقدار انرژي در سمت تر ، افزايش دانسيته بسيار كمتر است .
همچنين بايد توجه داشت كه تراكم خاك در سمت تر موجب ميشود كه بافت خاك ريز دانه بطور نسبي بصورت موازي قرار گيرد ، در حاليكه در سمت خشك بطور نسبي بافت خاك پس از تراكم حالت در هم پيدا ميكند و مقاومت نسبي بافت در هم بيشتر و نفوذ پذيري آن نيز بيشتر است ، بطوريكه نفوذ پذيري بافت موازي بطور نسبي صد تا هزار مرتبه كمتر از بافت غير موازي است . به اين علت توصيه مي شود كه مغزه سد كه از جنس رسي است با رطوبت بهينه كوبيده شود ، هر چند در شرايط يكسان مقاومت بر شي آن كمتر از هنگامي است كه در رطوبت كمتر از بهينه كوبيده شود ، با وجود اين در مورد مغزه ، مساله نفوذ ناپذيري نقش اصلي را دارد . معمولا غلتك هاي صاف تقريباً بافت درهم ايجاد مي كنند و غلتكهاي ويبره و پاچه بزي موجب بافت موازي مي شوند.
تأثير تعداد رفت و برگشت غلتك در افزايش مقدار تراكم خاك، بر حسب نوع خاك و درصد رطوبت آن و نوع غلتك متفاوتست و از اينرو نمودار راندمان تراكمي غلتك در برابر تعداد رفت و برگشت آن در همه شرايط يكسان نيست، ولي بهر حال اين نمودار به يك حدي مي رسد كه از آن حد به بعد ادامه دادن به رفت و برگشت غلتك، تأثير قابل ملاحظه اي در افزايش دانيسته خاك ندارد و يا به هيچ وجه تأثيري ندارد. معمولاً بين 6 تا 12 مرتبه رفت و برگشت غلتك، راندمان آن به حدي مي رسد كه مي توان از تأثير دفعات بعدي آن صرفنظر نمود.
ممكنست بر حسب تشخيص طراح، ميزان تراكم خاك سد در نقاط مختلف، يا در ترازهاي مختلف يك سد متفاوت انتخاب شود و اين به منظور تنظيم بخشي از نشست هاي نامساوي سد است، اما انتخاب تراكم متفاوت در يك تراز معين با احتياط كامل بايد صورت گيرد. آنچه بايد مورد توجه كافي قرار گيرد اينست كه لايه هاي پي در پي تراكم در يكديگر قفل شده و حدفاصل آنها به صورت صفحه اي براي تمركز زه و ايجاد افق هاي ضعيف تبديل نگردد و نيز محيط هاي بلافاصله در حاشيه مجاري، كانالها و تونلهاي خروج آب و موارد مشابه كه بوسيله غلتكهاي سنگين كاملاً كوبيده نمي شوند، با هر روش ممكن به حد تراكم ساير نقاط آن افق برسد. معمولاً رعايت اين نكته يعني كوبيدن حاشيه هاي محدود كه با غلتكهاي بزرگ مقدور نيست در مورد خاكهاي اصطكاكي ساده تر صورت مي گيرد، چه مي توان با غلتكهاي كوچك و در لايه هاي ضخيم تر و يا با غلتكهاي دستي و نيز ارتعاشي آنها را به حد تراكم مطلوب رسانيد، در صورتيكه براي خاكهاي چسبنده انرژي زيادتر و يا كوبه هاي سنگين لازمست و بايد لايه ها را بطور معمول نازك انتخاب نمود.
روش هاي آزمايشگاهي تعيين تراكم خاك، بطور معمول روش هاي تراكم سبك (استاندارد D-698-58T و ASTM) و تراكم سنگين يا آشوي اصلاح شده (D-1557-58T و ASTM) مي باشند، هر چند يكي دو روش ديگر مثل روش USBR نيز استاندارد شده است كه در تعداد معدودي از خصوصيات با تستهاي استاندارد معمول متفاوتند.
روش هاي معمول در عمل براي كوبيدن خاك، بوسيله غلتكهاي چرخ لاستيكي (مثلاً 50 تني)، غلتكهاي چرخ فلزي، غلتكهاي پاچه بزي، ارتعاشي و غيره است. نتيجه تراكم خاك با غلتكهاي معمولي تراكمي بالاتر از نتيجه تراكم استاندارد سبك وپائين تر از نتيجه تراكم سنگين مي باشد. مزيت غلتكهاي پاچه بزي در اينست كه در ضمن هر حركتي، علاوه بر اينكه سطح خاك بوسيه جدا را ستوانه چرخ آن كوبيده مي شود، لايه زير آن بوسيله انتهاي زايده هاي آن كوبيده مي گردد. فشاري كه بوسيله يك زايده چنين غلتكهائي به خاك وارد مي آيد حدود Psi مي باشد مشروطه بر آنكه 5 درصد از كل 240 زايده چرخ آن در تماس با خاك باشد.
چنانچه ضخامت لايه ها بعد از تراكم، 15 سانتيمتر براي غلتكهاي پاچه بزي و 23 سانتيمتر براي غلتكهاي چرخ لاستيكي 50 تني باشد، قابل قبول و مناسب است، هر چند ضخامت هاي چند برابر اين حد ممكنست بطور غير استاندارد در مواردي وجود داشته باشند، يا بعضي از سدهاي ساخته شده با لايه هاي ضخيم تر كوبيده شده باشند. بهرحال تراكم بر اساس ضخامت هاي ذكر شده براي غلتكهاي پاچه بزي بوسيله 6 تا 12 رفت و برگشت از تشريح چگونگي اجراء آزمايشها و بهره گيري از نتايج آنها در اينجا صرفنظر شده است.
خرابي هاي سدهاي خاكي و علت آنهاآماري كه تا سال 1965 جمع آوري شده است نشان مي دهد كه تا آن تاريخ بيش از 200 سدخاكي با شكست روبرو شده است كه بعضي از آنها تلفات جاني نيز همراه داشته اند. بعضي از اين سدها حتي قبل از شروع بكار و بهره وري شكسته شده، و برخي پس از پرشدن مخزن يا در زمانهاي بعد از آن تخريب شده اند. البته از تاريخ آن گزارش به بعد نيز موارد متعددي از خرابي ها وجود داشته است، ولي بهرحال تعداد سدهاي خراب شده و بزرگي آنها در اينجاد مورد توجه نيست بلكه دسته بندي علت تخريب ها و نتيجه گيري كلي از آنها به منظور كاهش دادن خطرات شكسته شدن سد در طراحي هاي آينده از اهميت خاصي برخوردار است.
پژوهشگراني كه در اين زمينه مطالعه كرده اند، آمار خرابيها را به شكل هاي مختلفي طبقه بندي نموده اند تا اهميت دقيق در پاره اي از مسائل سد را به خوبي نشان دهند. جدول زير درصد علت هاي مختلف تخريب را به طور نسبي نشان مي دهد.
انهدام حاصل از سرريز آب روي سد 30%
در اثر زه غير مجاز و شسته شدن خاك 25%
گسيخته شدن دامنه ها 15%
شسته شدن كناره تونلها 13%
در اثر شسته شدن پوشش نفوذ ناپذير بالا دست 5%
عوامل ديگري مانند زلزله و غيره 7%
علت هائي كه معلوم نشده است 5%
جمع 100%
آمار ديگري كه در نوع خود جالب مي باشد، درصد خرابيها را برحسب سالهاي پس از شروع كار سد، نشان مي دهد. جدول زير براين اساس تنظيم شده است.علت خرابي سد
گسيخته شدن دامنه ها
در اثر
زه
شسته شدن كنار تولنها
در اثر سرريز غيرمجاز
تعداد سالهاي بهره برداري قبل از تخريب
29%
24%
12%
12%
12%
11%
-
-
16%
34%
13%
13%
12%
6%
6%
-
23%
50%
9%
9%
5%
4%
-
-
9%
17%
9%
30%
13%
10%
9%
3%
1-0
5-1
10-5
20-10
30-20
40-30
50-40
100-50
از اين آمار نتيجه مي گيرند كه عمده خطرها تهديد كننده سد تا 5 سال پس از شروع كار سد به حداكثر رسيده و دفعتاً كاهش مي يابد، زيرا مجموع درصدها در سال اول 77 و از سال اول تا پايان سال پنجم 125 و در پنج سال بعدي 43 مي باشد و هرچه سن سد بيشتر شود احتمال تخريب آن كاسته مي گيردد. در ستون خرابي حاصل از سرريز، درصد زيادي در فاصله 10 تا 20 سال ديده مي شود، شايد بتوان چنين نتيجه گرفت كه بطور آماري تناوب سيلهاي بزرگ هر 20 سال است.
آمار ديگري براي تخريب سدهاي خاكي تهيه كرده اند كه نشان دهنده درصد تخريب ها در ارتباط با دهه هاي قرن گذشته و حاضر است. طبق آماري كه در جدول زير ارائه گرديده سات ديده مي شود كه درصد زيادي از تخريب ها بين سالهاي 1900 و 1930 اتفاق افتاده است، ظاهراً به اين علت ماكزيمم درصد تخريب ها در اين محدوده قرار دارد كه در فاصله اين دهه ها با پيشرفت علوم و تكنولوژي و نيازهاي فوري، همچنان كه در تمام زمينه ها پيشرفت هائي چشمگير حاصل مي شود، در زمينه سدسازي هم دست بكار ساختن سدهاي بزرگتر مي شوند و چون علم مكانيك خاك هنوز رشد كافي نداشته است و بدون در نظر گرفتن كليه دقتهاي لازم اقدام به ساختن سدهاي خاكي بزرگتر نموده اند. تعداد سدهاي خراب شده نيز افزايش يافته است. مي توان متحمل دانست كه درصد عدم موفقيت بعضي از پروژه هاي تكنولوژيكي ديگر نيز در فاصله همين دهه ها بيشتر از قبل و بعد از آن باشد، زيرا اين دهه ها آغاز رشد اكثريت شعبه هاي تكنولوژيكي و پيشرفت هاي علمي و تجربي در كشورهاي صنعتي مي باشد و متحمل است كه بسياري پروژه ها در اولين تجربه ها با شكست روبرو شود هرچند اين احتمال براي سازه هاي خاكي بيشتر است زيرا به علت خاكي بودن، ساده تر از آنچه هست با آن برخورد مي شود. جدول يادشده بقرار زير است:
گسيخته شدن دامنه
شسته شدن كناره تونل
در اثر زه
به علت سرريز
سالهاي تخريب
-
-
-
3%
3%
16%
23%
26%
23%
3%
3%
-
7%
7%
11%
21%
18%
18%
18%
-
-
-
-
-
6%
4%
11%
19%
25%
13%
8%
6%
8%
-
-
-
6%
12%
23%
22%
14%
11%
9%
3%
60-1850
70-60
80-70
90-80
1900-1890
1910-1900
1920-1910
30-20
40-30
50-40
-50
كنترل زه در بدنه سد
الف- آب بندي در بدنه سد به منظور قطع كامل جريان زه يا به حداقل رسانيدن زه تا حد قابل قبول است. در سدهاي خاكي مغزه دار نقش مغزه صرفاً آب بندي سازه سد مي باشد ولي چون نفوذپذيري مغزه واقعاً صفر نيست، از اينرو جريان زه بهرحال متوقف نمي گردد بلكه با سرعت بسيار اندكي به جريان ادامه مي يابد. هرگاه نقش مغزه به يك بخش نفوذناپذير يا كم نفوذناپذير با عرض كمتر واگذار گردد، آب بندي توسط جدار يا ديافراگم آب بند صورت مي گيرد. اين ديافراگم ممكنست از جنس رس ( با حجم بيشتر از ساير انواع ) يا چوب ، يا مصالح ديگر باشد . البته جداره هاي بتني خطر شكستن و ناسازگار بودن در برابر نشست دارند . نوع ديگر از آب بندي در بدنه، توسط پوشش نفوذ ناپذير در بالادست انجام مي گيرد كه ممكنست نقش اصلي يا كمكي را داشته باشد.
ب- زهكشي در بدنه سد به منظور جمع آوري و هدايت زه عبور كرده در بدنه يا از شالوده مي باشد و هدف آن اينست كه دامنه پائين دست حتي الامكان خشك نگاه داشته شود و نيز از ايجاد هرگونه اضافه فشار آب منفذي در مناطق مختلف سد جلوگيري گردد.
از آنجا كه زهكش ها داراري نفوذ پذيري زياد (واز قطعات درشت دانه) مي باشند، لازمست ارتباط آنها با بدنه (و بخصوص با مغزه سد) بصورت تدريجي باشد يعني الزاماً منطقه واسطه اي به نام فيلتربين زهكش و خاك بدنه تعبيه گردد. اين فيلتر ممكنست از يك لايه و يا چند لايه تشكيل شده باشد كه هر لايه اي براي لايه زيرين نقش فيلتر را دارد. وجود زهكش ها همراه با منطقه فيلتر نه تنها موجب هدايت زه و گردآوري و تخليه آب به مجاري پيش بيني شده مي گردد بلكه در مواردي كه منطقه هاي ضعيف احتمالي در اثر گراديان هيدروليك آب براي شسته شدن و پوك شدن مستعد هستند، وجود يك فيلتر مناسب از اين پديده جلوگيري مي كند و اصطلاحاً از پيدايش عمل پايپينگ ممانعت مي كند، و نيز در مواردي كه تكانهاي حاصل از زلزله يا نشست هاي نامساوي موجب ايجاد شكافهائي در جسم سد گردد و آب بتواند با سرعت و دبي زياد و پيش بيني نشده اي از آن تركها جريان يابد، وجود فيلتر امكان ادامه اين شكافها را تا پائين دست متوقف كرده و از تخريب سد جلوگيريس مي كند. موجود فيلتر در تمام مواردي كه دو لايه با دانه بندي متفاوت در كنار يكديگر قرار دارند و نيز در جهت هدفهائي كه در بالا ذكر گرديد بويژه در طرفين مغزه سد، ضروري است.
به عنوان يك معيار، ظرفيت زهكش ها براي عبور دادن آب زه بايد حداقل دوبرابر مقداري باشد كه از رابطه دارسي حساب مي شود. در مواردي كه احتمال تقريب هائي در اندازه گيري ها باشد و يا تعيين مقدار دقيق ظرفيت براساس قانون دارسي ميسر نباشد و در صورتيكه احتمال ورود آب از مجاري ديگري به غير از نفوذ زه وجود داشته باشد، بايد ضريب اطمينان را هرچقدر مقرر باشد بزرگتر انتخاب نمود. زيرا درصدي كه براي تأمين هزينه اضافي جهت ضخيم تر كردن زهكش بكار مي رود سد را در برابر تخريب هاي حاصل از عدم ظرفيت زهكش بيمه مي كند.
زهكشي در شالودهبخشي از زهكشي شالوده توسط زهكش هاي افقي پاياب يا ترانشه هاي زهكشي و غيره انجام مي گيرد كه در قسمت قبل يعني در مبحث زهكشي از بدنه توضيح داده شد. نوع ديگري از زهكشي شالوده، توسط چاههاي آبكشي در جلوي شالوده ممكنست انجام گيرد كه ممكنست در موارد استثنائي و بطور موضعي ضرورت داشته باشند. در شرايط بسيار معدودي ممكنست در تمام شالوده يا بخشي از آن بوسيله چاههاي ماسه اي (به منظور تسريع تحكيم شالوده) بخشي از آب موجود در آن زهكشي شود.
تأثير زلزله در عدم پايداري به منظور تأمين يك طرح صحيح كه تأثير زلزله در آن منظور شده باشد لازمست هرگونه اطلاعاتي از زلزله هاي گذشته مربوط به آن ناحيه گردآوري گردد و با وجود اين شايد هرگز نتوان تصميم قطعي گرفت كه براساس چه شدتي از زلزله (كه هم مطمئن باشد و هم اقتصادي) سد بايد طراحي شود. تنها فرض كلي كه مي توان نمود اينست كه با فرض وقوع يك زلزله شديد طراحي شود. البته اگر ناحيه اصلاً زلزله خيز نيست اين فرض را نمي توان منطقي و اقتصادي تلقي نمود.
بهرحال از مشكل ترين مسايل طراحي سدخاكي، امروزه شايد هنوز مسأله زلزله در نواحي زلزله خيز باشد و آنچه بيشتر دست آويزي براي طراح مي تواند باشد بررسي تأثير زلزله در سدهاي موجود (چه آنهاكه تخريب شده اند وچه آنها كه پابرجا مانده اند) مي باشد و اينكه تأثير اين بررسي چه راهنمائي مي تواند باشد اينست كه در صورت وقوع زلزله چه نوع خرابيها ممكنست ايجاد گردد و براي جلوگيري از آنها روي يك سد خاص كه مورد نظر طرح است چه اقدامات احتياطي صورت گيرد كه در صورت وقوع زلزله خرابيهاي كلي ايجاد نگردد .
از آنجا كه خوشبختانه خرابيهاي زيادي در مناطقي كه تمركز سدهاي خاكي است در اثر زلزله ايجاد نشده است، از اينرو تجربيات عملي زيادي هم در دسترس نيست ولي با وجود اين خرابيهاي ناشي از زلزله را مي توان به گروه هاي زيرطبقه بندي نمود و براي هر گروه پيش بيني پايداري را در طرح در نظر گرفت:
1- تكان زلزله موجب ترك خوردن قسمتهاي فوقاني سد مي گردد كه اين تركها ممكنست منحصراً در هسته باشند و از آنها جريان آب ايجاد گرديده و چنانچه اقدامات احتياطي وجود نداشته باشد منجر به عمل پايپينگ و سرانجام تخريب سد مي گردد.
2- تكان زلزله موجب نشست بدنه يا شالوده مي گردد و تاج سد نشست مي كند و در اثر كم شدن ارتفاع آزاد، آب از بالاي سد جاري شده و سد تخريب مي گردد.
3- تكان مخزن موجب پيدايش موجهاي بزرگ و آهسته ولي نوساني در سطح آب مي گردد كه چنانچه ارتفاع آزاد زياد نباشد آبهاي مخزن به دامنه پائين دست ريخته و چه بسا كه موجب تخريب گردد.
4- به علت زلزله ممكنست زمين لغزه هائي روي دهد كه چنانچه اين زمين لغزه ها به درون مخزن باشد و حجم مواد لغزش يافته مقدار قابل ملاحظه اي نسبت به حجم مخزن باشد، سرريز تكافوي تخليه آبراندارد و نهايتاً آبهاي اضافي از تاجگ سد گذشته و سد را تخريب مي كنند. علاوه بر اين زمين لغزه ها موجب آسيب رساندن به تأسيسات خروج آب مي گردند و چه بسا مسير سرريز را تخريب يا مسدود كنند كه در اينصورت نيز آب از تاج سد سرريز مي گردد.
5- چنانچه در زير سد و در شالوده ماسه هاي سست و تا حدي يكنواخت وجود داشته باشند در اثر زلزله به حد روان گري (Liquefaction ) مي رسند كه مقاومت آنها كلاً ناچيز شده و عوارضي چون زمين لغزه، ترك خوردگي، حركات افقي و يا تخريب كلي را موجب مي گردند. همچنين وجودرسهاي اشباع حساس در شالوده، ممكنست در اثر ارتعاش هاي زلزله به مقاومت ناچيز برسند.
6- شيرواني هاي طرفين سد ممكنست در اثر زلزله به مرحله گسيختگي برسند و يك يا هر دو دامنه تخريب گردند.
7- چنانچه گسل فعالي در مخزن سد باشد كه امتداد آن بستر مخزن را قطع كند اگر خود موجب زلزله نيست ممكنست قسمتي مهم از بستر مخزن را به بالابر اند كه اين پديده موجب كاهش حجم مخزن مي گردد و آب هاي اضافي را از تاج سرريز مي نمايد.
8- اگر گلسي دقيقاً زير شالوده سد باشد علاوه بر آنچه كه گذشت ممكنست مستقيماً موجب شكستن بدنه سد گردد كه در صورت عبور آب از شكاف ايجاد شده تخريب سد را بوجود مي آورد.
در زمينهاي معمولي يعين زمينهائي كه احتمال وقوع زلزله در آنها نيست چندين تيپ سد و براي نقاط مختلفي از يك ناحيه مورد نظر مورد بررسي قرار مي گيرد تا بهترين و محكم ترين و اقتصادي ترين را با توجه به امكانات آن ناحيه بتوان انتخاب نمود. در زمينهاي زلزله خيز هر طرحي را بايد در برابر كليه خطرات احتمالي ناشي از زلزله نيز كنترل نمود، هرچند متأسفانه نه هنوز روشن نيست كه بهترين روش برخورد با مسأله به لحاظ كمي چگونه است. آنچه يك مهندس طراح بر اساس آن مي تواند قضاوت كند مشاهده و بررسي تأثير زلزله هاي گذشته و يك سري محاسبات مبتني بر فرض هاي صحيح و منطقي مي باشد كه معمولاً ممكنست پس از دخالت دادن ضرايب اطمينان مربوط به موارد مختلف، طرحي بدست آيد كه نه اقتصادي است و نه مشابه آنچه كه در همان زمين ولي در شرايط بدون زلزله مي توانست قابل قبول باشد.
در يك طرح قابل قبول لازمست هشت مورد ذكر شده كنترل شود و در صورت لزوم براي جلوگيري از خطرات مربوط به هر مورد اقدام مقتضي پيش بيني گردد.
به عنوان تذكر لازمست يادآوري گردد كه سرريز و كليه مجاري خروج آب بايد از مسيرهائي باشد كه امكان تخريب آنها و مسدود شدن آنها به حداقل برسد.
در هر زميني امكان نشست بدنه و شالوده سد وجود دارد كه اين نشست ممكنست موجب ترك خوردن سد گردد و تركها ممكنست طولي، عرضي و يا مورب باشند. لازمست پيش بيني اين موارد چنان باشد كه تركهاي ايجاد شده قابل تعمير بوده و موجب تخريب كامل نگردند. در زمينهاي زلزله خيز دامنه ها با شيب كم ساخته شوند و ارتفاع آزاد بيش از حد محاسبه در طرح معمولي در نظر گرفته شود. شايد تعيين مقدار دقيق اضافه ارتفاع آزاد به علت نشست خاك و تأثير امواج سطحي آب در اثر زلزله مقدور نباشد اما تأمين يك ارتفاع آزاد اضافي معمولاً هزينه فوق العاده اي را تحيمل نمي كند، بويژه اينكه هرچه ارتفاع آزاد بيشتر باشد هزينه ساخت سرريز را براي شرايط معمولي كاهش مي دهد.
اقداماتي جهت جلوگيري از تخريب ناشي از ترك خوردن بايد پيش بيني شود، گر چه هيچگونعه قانون كلي دراين زمينه نمي توان ارائه داد و فقط بستگي به قضاوت و روش بيني طراح دارد. اگر امكان تخليه سريع بروز تركهاي جريان دهنده آب مي توان اميدوار بود كه (در صورتيكه مسئولين به موقع از آنها آگاهي يابند) از تخريب سد جلوگيري مي شود.
گرچه در مناطق غيرزلزله خيز نيز معمول است ولي در مناطق زلزله خيز وجود فيلتر مطبق همراه با زهكش با ظرفيت كافي بلافاصله روي مغزه سد در دامنه پائين دست ضروري است. اين فيلتر بايد تا تاج سد ادامه يابد. دانه بندي، ضخامت، كوبيدن و نفوذپذيري فيلتر بايد با دقت انتخاب شود و از مواد فاقد چسبندگي باشد. وجود اين سيستم غير از نقش اصلي آن در اينجا جلوگيري از تخريب ناشي از ترك خوردن مي باشد، زيرا چنانچه در اثر زلزله در مغزه سد شكافي ايجاد شود و موادرسي مغزه نتواند خود به خود در اثر تورم شكاف را مسدود كنند آنگاه اين مواد ريزدانه شسته شده و از شكاف خارج مي شوند، و در اينحال ضمن توسعه شكاف همراه با حركت سريع آب بدنه سد تخريب مي گردد. در صورتيكه فيلتر مناسب در مسير باشد به عت اينكه مواد فيلتر دانه اي است در آن شكافي باقي نمي ماند و در عين حال از شسته شدن موادرسي مغزه نيز جلوگيري مي كند.
نشت سد
به علت وزن ساده سد كه با رقائم و توزيع شده بريك محوطه وسيع است، زمين زير آن الزاماً نشست خواهد داشت. مقدار و نوع اين نشست بستگي به نوع زمين و مقدار بار دارد. در زمينهاي سنگي و آبرفتي شن و ماسه اي نشست تقريباً به طور كامل در ضمن ساختن سد اتفاق مي افتد و در مقابل در زمينهاي رسي- سيلتي نشست كامل در طول سالها پس از تكميل سد ادامه مي يابد، هرچند ممكنست قسمت عمده آن در ضمن ساخت سد صورت گيرد. ذيلاً مواردي از نشست هاي اندازه گيري شده به عنوان نمونه نقل مي شوند.
سد USBR Fresno در Mcntana با ارتفاع ماگزيمم 75 فوت كه بر روي سيلت و رس نرم بنا شده است تا حدود 8 فوت نشست داشته است كه نيمي از آن در ضمن بناي سد اتفاق افتاده است. سد Mission Dam روي رودخانه Bridge در بريتيش كلمبيا كه در سال 1960 تكميل شده، با ارتفاع 150 فوت (روي شالوده اي ضخيم از موادرسي) تا 15 فوت نشست براي آن پيش بيني شده است كه نيمي از اين مقدار در ضمن بناي سد صورت گرفته است. يك مورد استثنائي ديگر نشست سد Fort Peck روي رودخانه ميسوري مي باشد. اين سد كه به ارتفاع 200 فوت است 16 فوت نشست داشته است.
[align=justify]نشست شالوده هاي ماسه اي شني معمولاً تمام آن در ضمن بنا صورت مي پذيرد. مقدار اين نشست از چند اينچ تا چندين فوت متفاوتست، كه بستگي به دانيسته نسبي زمين و نوع دانه بندي خاك و مقدار بزرگي سد دارد. مثلاً سد Serre-Poncon در فرانسه كه در زير آن بيش از 300 فوت آبرفت دانه اي متراكم قرار دارد نشست كلي آن در ضمن بناي آن 18 اينچ گزارش شده است. از طرف ديگرن مثلاً سد Fort Randall[size=large][font=Lotus] به ارتفاع 160 فوت روي رودخانه ميسوري كه زير شالوده آن 170 فوت آبرفتهاي سيلت و ماسه اي ريز مي باشد، تا 5/6 فوت نشست داش