سدهای خاکی
از زمانهای بسیار دور بنای سدهای خاکی به منظور کنترل و ذخیره آب معمول بوده است.
اما به علت امکانات محدوده و عدم شناخت قوانین مکانیک خاک و هیدرولیک، ارتفاع سدها و بندهای خاکی از یک مقدار محدودی بیشتر نمی شده است، هرچند از نظر وسعت و طول سد چنین محدودیتی وجود نداشته است.
امروزه با پیشرفت علم مکانیک خاک و توسعه امکانات تکنولوژی و مطالعات دقیق تر توانسته اند سدهای خاکی را با ارتفاعات قابل ملاحظه احداث نمایند، بطوریکه در زمان حاضر از مرتفع ترین سدهای دنیا سدهای خاکی و پاره سنگی هستند.
به علاوه زمین هائی را که سابقاً برای این منظور غیر مناسب تشخیص می دادند هم اکنون می توانند آنها را برای زیربنای احداث سد خاکی آماده سازند.
علی رغم این پیشرفت ها هنوز مشکل است که بتوان راه حل های ریاضی محکمی برای مسایل طراحی سدهای خاکی پیشنهاد نمود، و در نتیجه بسیاری از اجزاء سدها هنوز بر مبنای تجزیه و ذوق و ذکاوت مهندسین طرح و اجراءٍ می گردند، به عبارت دیگر طرح تیپ دقیق و کامل وجود ندارد.
به منظور تأمین یک طرح دقیق و منطقی در سدهای خاکی لازمست که وضعیت شالوده سد و مواد مشکله آن کاملاً مورد بررسی و مطالعه اولیه قرار گرفته و اجرای سد با روش های کنترل شده و دقیقاً مطابق برنامه پیشنهادی طراح انجام پذیرد.
به عنوان یک اصل، این دو نکته مسلم است که:
1- سد به عنوان یک مخزن باید غیرقابل نفوذ باشد.
2- در تمام وضعیت های ممکن (وضعیت بلافاصله پس از ساخت، ضمن ساخت، وضعیت های مخزن پر، طغیان، تخلیه سریع، بارندگی و حتی در مواقع سیلهای استثنائی چند هزار ساله) سد باید مقاوم باشد.
روش ایجاد سدهای خاکی امروزه عمدتاً "با روش تراکم مکانیکی است، هرچند روشهای دیگری مانند روش های هیدرولیکی و نیمه هیدرولیکی هم وجود دارد که از این روشها کمتر استفاده می گردد، مگر در مورد سدهای باطله که ضرورتاًِ" هیدرولیکی است.
بخش اصلی سد خاکی که توده خاکی کوبیده شده است (در حقیقت سازه سد) به نام بدنه سد نامیده می شود، و زمینی که سد بر روی آن قرار گرفته تا آن حد که تحت تأثیر فشار حاصل از سد و نفوذ پذیری آب سد می باشد به نام شالوده (فونداسیون) است.
به جز این دو بخش اصلی، اجزاء دیگری از قبیل آب بندها، زهکش ها، پوشش ها و غیره وجود دارد که اهمیت آنها به لحاظ حفاظت و ایمنی و عملکرد سد برای آن نقش حیاتی دارند.
انواع سدهای خاکی
از دیدگاه تکنیک و روش ساخت، سدهای خاکی به دوگروه هستند که تقریباً تمامی آنها در گروه غلتکی (کوبیدنی) قرار دارند و تعدادی در گروه هیدرولیکی و نیمه هیدرولیکی طبقه بندی می شوند.
منظور از سدهای غلتکی اینست که ساخت سد با روش کوبیدن خاک که بوسیله غلتک است صورت می گیرد، که معمولاً در لایه های 15 تا 22 سانتیمتری در هر نوبت تراکم کوبیده می شوند.
منظور از روش هیدرولیکی اینست که بنا شدن سد (جابجائی مواد و قرارگرفتن آنها در محل) با کمک آب انجام می گیرد و در ضمن جدا شدن آب از خاک، نوعی طبقه بندی طبیعی در دانه بندی خاک صورت می گیرد که برای سد مناسب می باشد، یعنی دانه های درشت تر در کناره ها و دانه های ریزتر در وسط سد قرار می گیرند.
از دیدگاه همگنی بدنه سد، نیز می توان تیپ های مختلفی را از هم تشخیص داد که عبارتند از:
تیپ همگن (Homogeneous )، تیپ مطبق (Cored یا Zoned ) یا مغزه دار، و تیپ دیافراگمی
انتخاب نوع سد خاکی و ابعاد هندسی
انتخاب نوع سد، یعنی اینکه خاکی، پاره سنگی، بتن ثقلی، قوسی، پایه ای و غیره باشد.
اما هنگامی که زمینی همراه با شرایط دیگر برای بنای سدخاکی مناسب تشخیص داده شد انتخاب یکی از انواع سدخاکی مطرح می شود.
نوع سد خاکی در بد و امر تابع مصالحی است که در آن ناحیه یا در نزدیکیهای آن موجود است.
نوع شالوده سدخاکی، هرچند باشد عمدتاً غیر قابل تغییر است، مگر لایه های سطحی آن که ممکنست برداشته شده و به جای آن در صورت لزوم خاک مناسب کوبیده شود.
بنابراین وضعیت زمین محل یا شالوده تا حدزیادی در طرح سدخاکی (و اصولاً در انتخاب نوع سد اعم از خاکی و غیره) موثر است.
به عنوان یک عامل فراگیر بر تمام جنبه ها، مسأله اقتصادی بودن طرح نیز سرانجام مطرح می گردد.
بطور کلی، چنانچه مواد نفوذ پذیر و نفوذ ناپذیر به فراوانی در دسترس باشند، ترجیحاً از سدهای مغزه دار (غیر همگن) استفاده می گردد هرچند نسبت حجمی مواد نفوذناپذیر به نفوذ پذیر (پس از تعیین مقدار لازم به منظور استحکام و آب بندی) نیز تابع هزینه های حمل و نقل آنها و نیز هزینه تهیه دانه بندی مورد نظر است.
اگر سدی به صورت همگن ساخته شود ضرورتاً "مواد تشکیل دهنده آن نفوذناپذیر و یا کم نفوذپذیر می باشد و با وجود این ضرورتاً باید به نوعی زهکش (مثلاً زهکش افقی در پائین دست) مجهز باشد تا دامنه پایین دست همواره از اشباع شدن در اثر زه مصون بماند.
از طریقی اگر سد عمتاً از مواد دانه درشت باشد ضرورتاً " باید مغزه ای نفوذ ناپذیر در بخش میانی یا در محلی از دامنه بالا دست وجود داشته باشد تا آنرا کاملاً آب بندی کند.
اگر سدی به صورت همگن ساخته شود ضرورتاً "مواد تشکیل دهنده آن نفوذناپذیر و یا کم نفوذپذیر می باشد و با وجود این ضرورتاً باید به نوعی زهکش (مثلاً زهکش افقی در پائین دست) مجهز باشد تا دامنه پایین دست همواره از اشباع شدن در اثر زه مصون بماند.
از طریقی اگر سد عمتاً از مواد دانه درشت باشد ضرورتاً " باید مغزه ای نفوذ ناپذیر در بخش میانی یا در محلی از دامنه بالا دست وجود داشته باشد تا آنرا کاملاً آب بندی کند.
چنانچه سد روی رسوبات نفوذ پذیر ساخته شود، میزان حد بالائی اتلاف آب از ا، باید در بدو امر تخمین زده شود.
مقدار تخمینی این حد را باید با استفاده از رسم شبکه جریان و یا بر اساس نتایج تلمبه کردن آب در محل و نیز از تستهای آزمایشگاهی بدست آورد و چنانچه مقدار اتلاف آب به صورت زه بیش از مقداری باشد که برای پروژه سدسازی مورد نظر زیان بار باشد، لازمست از بعضی از انواع آب بندها استفاده شود.
انتخاب هر کدام از بخش های سد چه از نظر نوع و چه از نظر اندازه، بطور مستقل صورت نمی گیرد بلکه تابعی از مجموعه شرایط موجود است.
مثلاً انتخاب شیب دامنه ها، تابع نوع شالوده، مصالح، روش ساخت، و نوع سد است، بطوریکه هرچند شالوده سست تر باشد در شرایط یکسان دیگر، شیب دامنه ها باید کمتر باشد و دامنه ها گسرده تر شده باشند.
برای یک شالوده معین،دامنه های سدهمگن کم شیب تر از دامنه های سد همگن کم شیب تر از دامنه های یک سد غیر همگن است، و یا دامنه های یک سد هیدرولیکی باز هم کم شیب تر از دامنه های سد غلتکی است، زیرا در روش هیدرولیکی مصالح کوبیده نمی شوند تا مقاوم گردند.
دامنه هائی که پوشش های محکم بتنی و آسفالتی و سنگی برآنها قرار می گیرند می توانند بطور نسبی پرشیب تر ساخته شوند.
شیب دامنه ها شیب دامنه ها را معمولاً از یک بریک و نیم تا یک برسه می گیرند، هر چند تا شیبهای یک برشش و کمتر هم گاهگاهی منظور می شود.
همچنین طرح دامنه با شیب های متفاوت کاملاً معمول است.
بطوریکه شیب قسمتهای بالائی دامنه را بیشتر و در بخش های پائینی کمتر انتخاب شود، یا اینکه در چند مرحله به تدریج شیب تغییرکند، و نیز انتخاب شیب بیشتر در قسمت پائین دامنه و شیب کمتر در قسمت های بالائی دامنه در مواردی صورت گرفته است.
در مورد اینکه شیب استاندارد پایدار در دامنه ها چه مقدار باشد، نظریات مختلفی در تاریخ سد سازی مطرح شده است.
بطوریکه در دهه های اول قرن حاضر هر چند پیشنهادها بر اساس تجربه های قبلی بوده است ولی سدهائی با شیب یک بر یک و نیم هم ساخته شده است و بعضی معتقد شدند که دامنه بالا دست کم شیب تر از دامنه پائین دست باشد و برخی بر خلاف این نظر رأی دادند، و امروزه نظر متخصصین اینست که هر دو مورد ممکن است و صرفاً تابع شرایط می باشد.
در 1933، پراکتور حداقل شیب را یک بر دو تعیین نمود.
عرض تاج تاج یا قله سد خاکی نباید عرض کمتر از 4 متر داشته باشد و این مقدار حداقل لازم به منظور استحکام، و کنترل، تعمیرات، بررسی ها و عبور و مرور می باشد.
بطور کلی انتخاب عرض تاج سد بستگی به ملاحظاتی متعدد دارد که از جمله عبارتند از: طبیعت مواد تشکیل دهنده سد، فاصله خط زه آزاد تا قله سد، ارتفاع نهائی و اهمیت تاج سد از نظر رفت و آمد، و اینکه جاده ای و راهی بر آن واقع شده و نیز چه وسایطی و با چه ترافیکی باید بر آن عبور کنند.
سر ریز در سدهای خاکی سرریز سد عبارتست از مسیری پیش بینی شده برای عبور مقدار آبی که ما از ادبر حداکثر ضرفیت مخزن در نظر گرفته می شود، بطویکه بتواند همواره از بالاآمدن سطح آب مخزن به بالای تراز پیش بینی شده حداکثر جلوگیری کند.
افزایش آب مخزن ممکنسن به علت نوسانهای بارندگی و سیلابها، یا کم شدن تخلیه آب، و غیره باشد و از اینرو ظرفیت سرریز باید با توجه به همه عوامل دقیقاً محاسبه شود.
بطور خلاصه، در مورد سدهای خاکی ممکنست سرریز را بدون ارتباط با بدنه سد، بصورت تونل یا کانالی در تکیه گاههای طبیعی سد تعبیه نمود و یا اینکه در بدنه سد جائی برای آن در نظر گرفت.
بندرت در سدهای خاکی ممکنست از تاج سد به عنوان سرریز استفاده شود که در اینصورت استحکامات کافی برای پوشش سد و تاج آن لازم است.
در مواردی نیز می توان برای یک سد دو سرریز در نظر گرفت که یکی برای وضعیت های معمولی و دیگری برای طغیانهای استثنائی منظور شده باشد.
ارتفاع آزاد ارتفاع آزاد، طبق تعریفن فاصله قائم بین بالاترین تراز سطح آب مخزن (در موقع حداکثر طغیان) و تاج سد می باشد.
حداقل این ارتفاع آزاد باید آنقدر باشد که تاج سد از اثر امواج مصون باشد.
بخشی از ارتفاع آزاد را به علت نشست احتمالی سد و بخش عمده ارتفادع آزاد را به علت ارتفاع موج آب در نظر می گیرند.
مقداری که به علت نشست منظور می شود، 2 درصد ارتفاع سد است که در مناطق زلزله خیز یک درصد هم به علت نشست حاصل از زلزله به آن می افزایند.
مقدار لازم ارتفاع آزاد که به منظور مصونیت از تأثیر موج در نظر گرفته می شود مبتنی بر حداکثر سرعت با دهای آن منطقه (و حتی مدت عملکرد آنها) و حداکثر طول دریاچه می باشد.
تعدادی روابط تجربی در این مورد برای محاسبه ارتفاع موج پیشنهاد شده است.
منظور از طول دریاجه در محاسبه ارتفاع موج، آن بعدی از سطح دریاچه است که در جلوی سد قرار می گیرد، بنابراین اگر ابعاد سد در امتدادهای دیگر کمتر یا زیادتر از طول دریاچه در جلوی سد باشد معمولاً برای تعیین ارتفاع موج در نظر گرفته نمی شود.
برای دریاچه های با طول کمتر از 5/0 کیلومترن حداقل 60 سانتیمتر ارتفاع آزاد به علت موج منظور می گردد.
ارتفاع موج در دریاچه های معمولی بین 1 تا 2 متر می رسد و حداکثر تا 5/2 متر گزارش شده است.
کلیاتی که در طراحی سدخاکی باید در نظر گرفته شود بر اساس تجربیاتی که در ممورد شکستن و تخریب سدهای خاکی بدست آمده، می توان نکات ذیل را به منظور تأمین ایمنی هر چه بیشتر و افزایش اطمینان در طراحی یک سدخاکی در نظر گرفت: به منظور جلوگیری از خرابیهای حاصل از جریان آب از روی سد، لازمست: الف: ظرفیت سرریز تا آن حد باشد که جریان حداکثر را بتواند عبور دهد.
ب: طرح چنان باشد که از سرریز شدن آب حاصل از امواج در شرایطی که سطح آب مخزن در بالاترین وضعیت است، جلوگیری گردد.
ج: ارتفاع اصلی تا آن اندازه باشد که حداقل ارتفاع آزاد را بعد از نشست کامل سد باقی بگذارد.
د: اقداماتی صورت گیرد که از فرسایش خاکریز سد به علت تأثیر امواج و نیز به علت اثر آبهای سطحی جلوگیری گردد.
ه: تاج سد بقدر کافی عریض باشد تا اثر امواج و اثر زلزله های احتمالی بر آن تأثیر مخرب نداشته باشد.
به منظور جلوگیری از خرابیهای حاصل از زه، مقدار جریان آب در بدنه سد و شالوده آن نباید تا آن حد باشد که تأمین هدف از ایاد آن سد را خدشه دار سازد، و نیز فشار زه در هر نقطه در حدی باشد که موجب تخریب نگردد.
بنابراین: الف: مقدار کمی جریان زه در درون بدنه و شالوده باید به میزان پیش بین یشده محدود گردد.
ب: خطوط جریان زه (یا به عبارت دیگر، خط زه آزاد) در جبهه پائین دست حتی الامکان از سطح خارجی دامنه پائین دست دور نگهداشته شود تا موجب خرابی پوسته ای شدن نگردد.
ج: فشار زه در هر نقطه و نیز شرایط دانه بندی و یکنواختی خاک و نوع تراکم، بویژه در حد فاصل لایه ها و در حد فاصل تغییر دانه بندی مواد، چنان باشد که امکان ایجاد پدیده یا یپینگ وجود نداشته باشد.
د: امکان ایجاد نشست آب (به جز از مسیرهای معمولی و پیش بینی شده) در هر جائی باید به صفر برسد و الامکان بروز یا یپینگ را افزایش می دهد.
به منظور جلوگیری از خرابهیا ساختمانی لازمست: الف: دامنه ها هرکدام در برابرکلیه نیروهای ممکن (از جمله زلزله) در تمام وضعیت ها پایدار باشند.
ب: تنش های برشی ایجاد شدهه در شالوده نباید از مقدار مجاز مقاومت برشی آن تجاوز نمایند.
تراکم خاک در سدهای خاکی تراکم خاک در سدهای خاکی به روش های معمول تراکم صورت می گیرد.
لایه های به ضخامت 15 تا 25 سانتیمتری در هر مرحله کوبیده می شوند.
مشخصات مربوط به تراکم خاکها، تأثیر انرژی داده شده (نوع غلتک، ضخامت لایه، تعداد رفت و برگشت)، تأثیر سرعت حرکت غلتک، تأثیر نوع خاک، و تأثیر درصد آب در تراکم و غیره از مسائلی است که نیاز به بررسی دقیق و مفصل دارند.
بطور خلاصه یادآوری می گردد که برای یک نوع خاک مشخص، هر چه انرژی تراکم بیشتر باشد (مثلاً غلتک سنگین تر بکار برده شود) تراکم بیشتری صورت می گیرد، یعنی دانسیته خشک ما کزیمم حاصل بزرگتر و درصد رطوبت بهینه (متناظر با دانسیته خشک ما کزیمم) کمتر است.
با یک روش تراکم (یعنی با یک مقدار ثابت انرژی) هر چه خاک مورد تراکم با دانه بندی گسترده تر و با پلاستیسیته کمتر باشد، تراکم پذیری آن بهتر است، بطوریکه با درصد رطوبت کمتری، دانسیته خشک ما کزیمم بیشتری می دهد ، و در حقیقت شن و ماسه مخلوط با مقداری سیلت ورس بهترین تراکم ، و سیلت ها و رس های پلاستیک و نیز مثلا ماسه با دانه بندی یکنواخت کمترین تراکم را نشان می دهد .
تراکم خاک با رطوبت بیشتر از رطوبت بهینه را در سمت تر ، و با رطوبت کمتر از رطوبت بهینه را تراکم در سمت خشک می نامند .
سمت تر و سمت خشک غیر از تفاوتی که در مصرف آب دارند و همین ممکن است پارامتری قابل توجه به لحاظ مصرف آب باشد , تفاوت دیگری نیز دارند که عبارت است از اینکه در سمت خشک تاثیر انرژی داده شده نسبت به سمت تر بسیار زیاد است , به طوری که با مصرف یک مقدار معین انرژی در سمت خشک میتوان دانسیته را به مقدار معینی افزایش داد،در صورتی که با صرف همین مقدار انرژی در سمت تر ، افزایش دانسیته بسیار کمتر است .
همچنین باید توجه داشت که تراکم خاک در سمت تر موجب میشود که بافت خاک ریز دانه بطور نسبی بصورت موازی قرار گیرد ، در حالیکه در سمت خشک بطور نسبی بافت خاک پس از تراکم حالت در هم پیدا میکند و مقاومت نسبی بافت در هم بیشتر و نفوذ پذیری آن نیز بیشتر است ، بطوریکه نفوذ پذیری بافت موازی بطور نسبی صد تا هزار مرتبه کمتر از بافت غیر موازی است .
به این علت توصیه می شود که مغزه سد که از جنس رسی است با رطوبت بهینه کوبیده شود ، هر چند در شرایط یکسان مقاومت بر شی آن کمتر از هنگامی است که در رطوبت کمتر از بهینه کوبیده شود ، با وجود این در مورد مغزه ، مساله نفوذ ناپذیری نقش اصلی را دارد .
معمولا غلتک های صاف تقریباً بافت درهم ایجاد می کنند و غلتکهای ویبره و پاچه بزی موجب بافت موازی می شوند.
تأثیر تعداد رفت و برگشت غلتک در افزایش مقدار تراکم خاک، بر حسب نوع خاک و درصد رطوبت آن و نوع غلتک متفاوتست و از اینرو نمودار راندمان تراکمی غلتک در برابر تعداد رفت و برگشت آن در همه شرایط یکسان نیست، ولی بهر حال این نمودار به یک حدی می رسد که از آن حد به بعد ادامه دادن به رفت و برگشت غلتک، تأثیر قابل ملاحظه ای در افزایش دانیسته خاک ندارد و یا به هیچ وجه تأثیری ندارد.
معمولاً بین 6 تا 12 مرتبه رفت و برگشت غلتک، راندمان آن به حدی می رسد که می توان از تأثیر دفعات بعدی آن صرفنظر نمود.
ممکنست بر حسب تشخیص طراح، میزان تراکم خاک سد در نقاط مختلف، یا در ترازهای مختلف یک سد متفاوت انتخاب شود و این به منظور تنظیم بخشی از نشست های نامساوی سد است، اما انتخاب تراکم متفاوت در یک تراز معین با احتیاط کامل باید صورت گیرد.
آنچه باید مورد توجه کافی قرار گیرد اینست که لایه های پی در پی تراکم در یکدیگر قفل شده و حدفاصل آنها به صورت صفحه ای برای تمرکز زه و ایجاد افق های ضعیف تبدیل نگردد و نیز محیط های بلافاصله در حاشیه مجاری، کانالها و تونلهای خروج آب و موارد مشابه که بوسیله غلتکهای سنگین کاملاً کوبیده نمی شوند، با هر روش ممکن به حد تراکم سایر نقاط آن افق برسد.
معمولاً رعایت این نکته یعنی کوبیدن حاشیه های محدود که با غلتکهای بزرگ مقدور نیست در مورد خاکهای اصطکاکی ساده تر صورت می گیرد، چه می توان با غلتکهای کوچک و در لایه های ضخیم تر و یا با غلتکهای دستی و نیز ارتعاشی آنها را به حد تراکم مطلوب رسانید، در صورتیکه برای خاکهای چسبنده انرژی زیادتر و یا کوبه های سنگین لازمست و باید لایه ها را بطور معمول نازک انتخاب نمود.
روش های آزمایشگاهی تعیین تراکم خاک، بطور معمول روش های تراکم سبک (استاندارد D-698-58T و ASTM) و تراکم سنگین یا آشوی اصلاح شده (D-1557-58T و ASTM) می باشند، هر چند یکی دو روش دیگر مثل روش USBR نیز استاندارد شده است که در تعداد معدودی از خصوصیات با تستهای استاندارد معمول متفاوتند.
روش های معمول در عمل برای کوبیدن خاک، بوسیله غلتکهای چرخ لاستیکی (مثلاً 50 تنی)، غلتکهای چرخ فلزی، غلتکهای پاچه بزی، ارتعاشی و غیره است.
نتیجه تراکم خاک با غلتکهای معمولی تراکمی بالاتر از نتیجه تراکم استاندارد سبک وپائین تر از نتیجه تراکم سنگین می باشد.
مزیت غلتکهای پاچه بزی در اینست که در ضمن هر حرکتی، علاوه بر اینکه سطح خاک بوسیه جدا را ستوانه چرخ آن کوبیده می شود، لایه زیر آن بوسیله انتهای زایده های آن کوبیده می گردد.
فشاری که بوسیله یک زایده چنین غلتکهائی به خاک وارد می آید حدود Psi می باشد مشروطه بر آنکه 5 درصد از کل 240 زایده چرخ آن در تماس با خاک باشد.
چنانچه ضخامت لایه ها بعد از تراکم، 15 سانتیمتر برای غلتکهای پاچه بزی و 23 سانتیمتر برای غلتکهای چرخ لاستیکی 50 تنی باشد، قابل قبول و مناسب است، هر چند ضخامت های چند برابر این حد ممکنست بطور غیر استاندارد در مواردی وجود داشته باشند، یا بعضی از سدهای ساخته شده با لایه های ضخیم تر کوبیده شده باشند.
بهرحال تراکم بر اساس ضخامت های ذکر شده برای غلتکهای پاچه بزی بوسیله 6 تا 12 رفت و برگشت از تشریح چگونگی اجراء آزمایشها و بهره گیری از نتایج آنها در اینجا صرفنظر شده است.
خرابی های سدهای خاکی و علت آنها آماری که تا سال 1965 جمع آوری شده است نشان می دهد که تا آن تاریخ بیش از 200 سدخاکی با شکست روبرو شده است که بعضی از آنها تلفات جانی نیز همراه داشته اند.
بعضی از این سدها حتی قبل از شروع بکار و بهره وری شکسته شده، و برخی پس از پرشدن مخزن یا در زمانهای بعد از آن تخریب شده اند.
البته از تاریخ آن گزارش به بعد نیز موارد متعددی از خرابی ها وجود داشته است، ولی بهرحال تعداد سدهای خراب شده و بزرگی آنها در اینجاد مورد توجه نیست بلکه دسته بندی علت تخریب ها و نتیجه گیری کلی از آنها به منظور کاهش دادن خطرات شکسته شدن سد در طراحی های آینده از اهمیت خاصی برخوردار است.
پژوهشگرانی که در این زمینه مطالعه کرده اند، آمار خرابیها را به شکل های مختلفی طبقه بندی نموده اند تا اهمیت دقیق در پاره ای از مسائل سد را به خوبی نشان دهند.
جدول زیر درصد علت های مختلف تخریب را به طور نسبی نشان می دهد.
انهدام حاصل از سرریز آب روی سد 30% در اثر زه غیر مجاز و شسته شدن خاک 25% گسیخته شدن دامنه ها 15% شسته شدن کناره تونلها 13% در اثر شسته شدن پوشش نفوذ ناپذیر بالا دست 5% عوامل دیگری مانند زلزله و غیره 7% علت هائی که معلوم نشده است 5% جمع 100% آمار دیگری که در نوع خود جالب می باشد، درصد خرابیها را برحسب سالهای پس از شروع کار سد، نشان می دهد.
جدول زیر براین اساس تنظیم شده است.
علت خرابی سد از این آمار نتیجه می گیرند که عمده خطرها تهدید کننده سد تا 5 سال پس از شروع کار سد به حداکثر رسیده و دفعتاً کاهش می یابد، زیرا مجموع درصدها در سال اول 77 و از سال اول تا پایان سال پنجم 125 و در پنج سال بعدی 43 می باشد و هرچه سن سد بیشتر شود احتمال تخریب آن کاسته می گیردد.
در ستون خرابی حاصل از سرریز، درصد زیادی در فاصله 10 تا 20 سال دیده می شود، شاید بتوان چنین نتیجه گرفت که بطور آماری تناوب سیلهای بزرگ هر 20 سال است.
آمار دیگری برای تخریب سدهای خاکی تهیه کرده اند که نشان دهنده درصد تخریب ها در ارتباط با دهه های قرن گذشته و حاضر است.
طبق آماری که در جدول زیر ارائه گردیده سات دیده می شود که درصد زیادی از تخریب ها بین سالهای 1900 و 1930 اتفاق افتاده است، ظاهراً به این علت ماکزیمم درصد تخریب ها در این محدوده قرار دارد که در فاصله این دهه ها با پیشرفت علوم و تکنولوژی و نیازهای فوری، همچنان که در تمام زمینه ها پیشرفت هائی چشمگیر حاصل می شود، در زمینه سدسازی هم دست بکار ساختن سدهای بزرگتر می شوند و چون علم مکانیک خاک هنوز رشد کافی نداشته است و بدون در نظر گرفتن کلیه دقتهای لازم اقدام به ساختن سدهای خاکی بزرگتر نموده اند.
تعداد سدهای خراب شده نیز افزایش یافته است.
می توان متحمل دانست که درصد عدم موفقیت بعضی از پروژه های تکنولوژیکی دیگر نیز در فاصله همین دهه ها بیشتر از قبل و بعد از آن باشد، زیرا این دهه ها آغاز رشد اکثریت شعبه های تکنولوژیکی و پیشرفت های علمی و تجربی در کشورهای صنعتی می باشد و متحمل است که بسیاری پروژه ها در اولین تجربه ها با شکست روبرو شود هرچند این احتمال برای سازه های خاکی بیشتر است زیرا به علت خاکی بودن، ساده تر از آنچه هست با آن برخورد می شود.
جدول یادشده بقرار زیر است: کنترل زه در بدنه سد الف- آب بندی در بدنه سد به منظور قطع کامل جریان زه یا به حداقل رسانیدن زه تا حد قابل قبول است.
در سدهای خاکی مغزه دار نقش مغزه صرفاً آب بندی سازه سد می باشد ولی چون نفوذپذیری مغزه واقعاً صفر نیست، از اینرو جریان زه بهرحال متوقف نمی گردد بلکه با سرعت بسیار اندکی به جریان ادامه می یابد.
هرگاه نقش مغزه به یک بخش نفوذناپذیر یا کم نفوذناپذیر با عرض کمتر واگذار گردد، آب بندی توسط جدار یا دیافراگم آب بند صورت می گیرد.
این دیافراگم ممکنست از جنس رس ( با حجم بیشتر از سایر انواع ) یا چوب ، یا مصالح دیگر باشد .
البته جداره های بتنی خطر شکستن و ناسازگار بودن در برابر نشست دارند .
نوع دیگر از آب بندی در بدنه، توسط پوشش نفوذ ناپذیر در بالادست انجام می گیرد که ممکنست نقش اصلی یا کمکی را داشته باشد.
ب- زهکشی در بدنه سد به منظور جمع آوری و هدایت زه عبور کرده در بدنه یا از شالوده می باشد و هدف آن اینست که دامنه پائین دست حتی الامکان خشک نگاه داشته شود و نیز از ایجاد هرگونه اضافه فشار آب منفذی در مناطق مختلف سد جلوگیری گردد.
از آنجا که زهکش ها داراری نفوذ پذیری زیاد (واز قطعات درشت دانه) می باشند، لازمست ارتباط آنها با بدنه (و بخصوص با مغزه سد) بصورت تدریجی باشد یعنی الزاماً منطقه واسطه ای به نام فیلتربین زهکش و خاک بدنه تعبیه گردد.
این فیلتر ممکنست از یک لایه و یا چند لایه تشکیل شده باشد که هر لایه ای برای لایه زیرین نقش فیلتر را دارد.
وجود زهکش ها همراه با منطقه فیلتر نه تنها موجب هدایت زه و گردآوری و تخلیه آب به مجاری پیش بینی شده می گردد بلکه در مواردی که منطقه های ضعیف احتمالی در اثر گرادیان هیدرولیک آب برای شسته شدن و پوک شدن مستعد هستند، وجود یک فیلتر مناسب از این پدیده جلوگیری می کند و اصطلاحاً از پیدایش عمل پایپینگ ممانعت می کند، و نیز در مواردی که تکانهای حاصل از زلزله یا نشست های نامساوی موجب ایجاد شکافهائی در جسم سد گردد و آب بتواند با سرعت و دبی زیاد و پیش بینی نشده ای از آن ترکها جریان یابد، وجود فیلتر امکان ادامه این شکافها را تا پائین دست متوقف کرده و از تخریب سد جلوگیریس می کند.
موجود فیلتر در تمام مواردی که دو لایه با دانه بندی متفاوت در کنار یکدیگر قرار دارند و نیز در جهت هدفهائی که در بالا ذکر گردید بویژه در طرفین مغزه سد، ضروری است.
به عنوان یک معیار، ظرفیت زهکش ها برای عبور دادن آب زه باید حداقل دوبرابر مقداری باشد که از رابطه دارسی حساب می شود.
در مواردی که احتمال تقریب هائی در اندازه گیری ها باشد و یا تعیین مقدار دقیق ظرفیت براساس قانون دارسی میسر نباشد و در صورتیکه احتمال ورود آب از مجاری دیگری به غیر از نفوذ زه وجود داشته باشد، باید ضریب اطمینان را هرچقدر مقرر باشد بزرگتر انتخاب نمود.
زیرا درصدی که برای تأمین هزینه اضافی جهت ضخیم تر کردن زهکش بکار می رود سد را در برابر تخریب های حاصل از عدم ظرفیت زهکش بیمه می کند.
زهکشی در شالوده بخشی از زهکشی شالوده توسط زهکش های افقی پایاب یا ترانشه های زهکشی و غیره انجام می گیرد که در قسمت قبل یعنی در مبحث زهکشی از بدنه توضیح داده شد.
نوع دیگری از زهکشی شالوده، توسط چاههای آبکشی در جلوی شالوده ممکنست انجام گیرد که ممکنست در موارد استثنائی و بطور موضعی ضرورت داشته باشند.
در شرایط بسیار معدودی ممکنست در تمام شالوده یا بخشی از آن بوسیله چاههای ماسه ای (به منظور تسریع تحکیم شالوده) بخشی از آب موجود در آن زهکشی شود.
تأثیر زلزله در عدم پایداری به منظور تأمین یک طرح صحیح که تأثیر زلزله در آن منظور شده باشد لازمست هرگونه اطلاعاتی از زلزله های گذشته مربوط به آن ناحیه گردآوری گردد و با وجود این شاید هرگز نتوان تصمیم قطعی گرفت که براساس چه شدتی از زلزله (که هم مطمئن باشد و هم اقتصادی) سد باید طراحی شود.
تنها فرض کلی که می توان نمود اینست که با فرض وقوع یک زلزله شدید طراحی شود.
البته اگر ناحیه اصلاً زلزله خیز نیست این فرض را نمی توان منطقی و اقتصادی تلقی نمود.
بهرحال از مشکل ترین مسایل طراحی سدخاکی، امروزه شاید هنوز مسأله زلزله در نواحی زلزله خیز باشد و آنچه بیشتر دست آویزی برای طراح می تواند باشد بررسی تأثیر زلزله در سدهای موجود (چه آنهاکه تخریب شده اند وچه آنها که پابرجا مانده اند) می باشد و اینکه تأثیر این بررسی چه راهنمائی می تواند باشد اینست که در صورت وقوع زلزله چه نوع خرابیها ممکنست ایجاد گردد و برای جلوگیری از آنها روی یک سد خاص که مورد نظر طرح است چه اقدامات احتیاطی صورت گیرد که در صورت وقوع زلزله خرابیهای کلی ایجاد نگردد .
از آنجا که خوشبختانه خرابیهای زیادی در مناطقی که تمرکز سدهای خاکی است در اثر زلزله ایجاد نشده است، از اینرو تجربیات عملی زیادی هم در دسترس نیست ولی با وجود این خرابیهای ناشی از زلزله را می توان به گروه های زیرطبقه بندی نمود و برای هر گروه پیش بینی پایداری را در طرح در نظر گرفت: تکان زلزله موجب ترک خوردن قسمتهای فوقانی سد می گردد که این ترکها ممکنست منحصراً در هسته باشند و از آنها جریان آب ایجاد گردیده و چنانچه اقدامات احتیاطی وجود نداشته باشد منجر به عمل پایپینگ و سرانجام تخریب سد می گردد.
تکان زلزله موجب نشست بدنه یا شالوده می گردد و تاج سد نشست می کند و در اثر کم شدن ارتفاع آزاد، آب از بالای سد جاری شده و سد تخریب می گردد.
تکان مخزن موجب پیدایش موجهای بزرگ و آهسته ولی نوسانی در سطح آب می گردد که چنانچه ارتفاع آزاد زیاد نباشد آبهای مخزن به دامنه پائین دست ریخته و چه بسا که موجب تخریب گردد.
به علت زلزله ممکنست زمین لغزه هائی روی دهد که چنانچه این زمین لغزه ها به درون مخزن باشد و حجم مواد لغزش یافته مقدار قابل ملاحظه ای نسبت به حجم مخزن باشد، سرریز تکافوی تخلیه آبراندارد و نهایتاً آبهای اضافی از تاجگ سد گذشته و سد را تخریب می کنند.
علاوه بر این زمین لغزه ها موجب آسیب رساندن به تأسیسات خروج آب می گردند و چه بسا مسیر سرریز را تخریب یا مسدود کنند که در اینصورت نیز آب از تاج سد سرریز می گردد.
چنانچه در زیر سد و در شالوده ماسه های سست و تا حدی یکنواخت وجود داشته باشند در اثر زلزله به حد روان گری (Liquefaction ) می رسند که مقاومت آنها کلاً ناچیز شده و عوارضی چون زمین لغزه، ترک خوردگی، حرکات افقی و یا تخریب کلی را موجب می گردند.
همچنین وجودرسهای اشباع حساس در شالوده، ممکنست در اثر ارتعاش های زلزله به مقاومت ناچیز برسند.
شیروانی های طرفین سد ممکنست در اثر زلزله به مرحله گسیختگی برسند و یک یا هر دو دامنه تخریب گردند.
چنانچه گسل فعالی در مخزن سد باشد که امتداد آن بستر مخزن را قطع کند اگر خود موجب زلزله نیست ممکنست قسمتی مهم از بستر مخزن را به بالابر اند که این پدیده موجب کاهش حجم مخزن می گردد و آب های اضافی را از تاج سرریز می نماید.
اگر گلسی دقیقاً زیر شالوده سد باشد علاوه بر آنچه که گذشت ممکنست مستقیماً موجب شکستن بدنه سد گردد که در صورت عبور آب از شکاف ایجاد شده تخریب سد را بوجود می آورد.
در زمینهای معمولی یعین زمینهائی که احتمال وقوع زلزله در آنها نیست چندین تیپ سد و برای نقاط مختلفی از یک ناحیه مورد نظر مورد بررسی قرار می گیرد تا بهترین و محکم ترین و اقتصادی ترین را با توجه به امکانات آن ناحیه بتوان انتخاب نمود.
در زمینهای زلزله خیز هر طرحی را باید در برابر کلیه خطرات احتمالی ناشی از زلزله نیز کنترل نمود، هرچند متأسفانه نه هنوز روشن نیست که بهترین روش برخورد با مسأله به لحاظ کمی چگونه است.
آنچه یک مهندس طراح بر اساس آن می تواند قضاوت کند مشاهده و بررسی تأثیر زلزله های گذشته و یک سری محاسبات مبتنی بر فرض های صحیح و منطقی می باشد که معمولاً ممکنست پس از دخالت دادن ضرایب اطمینان مربوط به موارد مختلف، طرحی بدست آید که نه اقتصادی است و نه مشابه آنچه که در همان زمین ولی در شرایط بدون زلزله می توانست قابل قبول باشد.