دانلود تحقیق سدسازی

کاهش نشت از سد خاکی باغکل با استفاده از پرده آب بند
‍(SEEP/W)
چکیده:
نشت آب در سدهای خاکی و نحوه کنترل آن، اولین گام موثر و یکی از مهمترین مسائلی است که در طراحی سدها مورد توجه خاص متخصصین امر قرار می‌گیرد.

دانش و آگاهی از قوانین بنیادی نشت به متخصصین اجازه می‌دهد تا از بوجود آمدن مشکلات جدی در کنترل نشت جلوگیری کرده و بهترین نوع سیستم کنترل نشت را انتخاب نمایند.

آگاهی از تاثیر پارامترهای زیادی که در نشت آب دخالت دارند می‌تواند در رفع سریعتر مشکلات طراحی کمک شایانی بنماید.

در این تحقیق جهت آنالیز نشت پی و بدنه سدباغکل از نرم‌افزار SEEP/W استفاده شده است.

مقدمه:
یکی از مهمترین مسائل در سدهای خاکی مسئله حرکت بطئی آب در بدنه سد و نیز معمولاً در شالوده آن می‌باشد ]1[.

این حرکت بطئی که به نام زه‌آب نامیده می‌شود، هم به لحاظ محاسبه مقدار تلفات آب که ممکن است درصد مهمی را تشکیل دهد و هم به لحاظ پایداری سد و هم به لحاظ محاسبه زیر فشار، محاسبه ضخامت و طول زهکش‌ها، بررسی لزوم چاه‌های کاهش فشار، بررسی لزوم تزریق، طرح دیواره آب‌بند و موارد دیگر حائز اهمیت می‌باشد ]2[.

تا قبل از سال 1965 بیش از 200 سد خاکی با شکست روبرو شده‌اند که بعضی از آنها تلفات جانی نیز داشته‌اند، بعضی از این سدها حتی قبل از شروع به کار و بهره‌برداری شکسته شده و برخی پس از پر شدن مخزن و یا در زمانهای بعد تخریب گردیده‌اند، بر طبق گزارشات واصله 25 درصد از این خرابیها به علت وجود زه‌آب غیر مجاز و شسته شدن خاک در اثر زه‌آب بوده است، بنابراین لازم است تا به منظور جلوگیری از خرابیهای حاصل از زه‌آب مقدار کمی جریان زه در بدنه و شالوده سد خاکی به طور دقیق تعیین گردیده و به میزان پیش‌بینی شده محدود گردد ]3[.

روشهای متعددی برای محاسبه زه‌آب سدهای خاکی وجود دارند که عبارتند از:
1- روش سنتی رسم شبکه جریان که از طریق تعداد بسیار زیادی آزمون و خطا انجام گرفته، وقت‌گیر بوده و در نهایت نیز از دقت کمی برخوردار است ]2[.

2- روشهای حل تحلیلی مانند روش دوپویی، روش شافرناک، روش پاولوفسکی و روش گاساگرانده که معتبرترین آنها روش کاساگرانده بوده و همگی دارای تقریب بوده و از دقت خوبی در همه حالات برخوردار نمی‌باشند ]4[.

3- روشهای آزمایشگاهی که از آن میان می‌توان به مدل‌های شبیه‌سازی الکتریکی اشاره نمود ]5[.

4- روشهای حل عددی که نیاز به کامپیوتر با ظرفیت بالا داشته و دقت آنها در در مقالات بسیاری به اثبات رسیده است ]6[.

حوزه آبریز سد خاکی باغکل از شمال به حوزه آبریز رودخانه خمین (ریحان) و ارتفاعات کوه هفت سواران و دشت خمین از شرق به ارتفاعات کوه دره سیب، کوه انگشت لیس، کوه الونه و سپس دشت گلپایگان، از جنوب به ارتفاعات کوه کمر بسته و دشت چمن سلطان و شرق الیگودرز و از غرب به ارتفاعات کوه علی بلاغی منتهی می‌گردد.

جاده آسفالته خمین - الیگودرز نیز تقریباً از میان حوزه آبریز باغکل گذشته و آن را به دو قسمت تقسیم می‌کند.

از نظر تقسیم‌بندی هیدرولیکی حوزه آبریز باغکل یکی از زیر حوزه‌های آبریز قم رود و دریاچه نمک می‌باشد که مطالعات پروژه این سد با هدف ذخیره و تنظیم‌سازی جریان سالانه رودخانه توسط شرکت مهندسین مشاور ری‌آب انجام شده است ]7[.

در این مقاله از نرم‌افزار SEEP/W استفاده شده و به بررسی تاثیر المان‌بندی و همچنین پرده آب‌بند بر روی میزان دبی عبوری از پی و بدنه سد باغکل پرداخته شده است.

مشخصات پروژه:
پس از بررسی ژئوتکنیکی پی و تکیه‌گاهها، وضعیت توپوگرافی محل سد، مزیا و معایب فنی و اقتصادی و با در نظر گرفتن حداکثر استفاده از مصالح طبیعی موجود و استفاده بهتر از امکانات اجرایی محلی، بهترین گزینه، سد خاکی با هسته رسی شناخته شده است ]7[.

شکل (1) و (2) بترتیب جانمایی سد و مقطع تیپ سد را به همراه مشخصات و ضرایب نفوذپذیری نشان می‌دهد.

شکل 1: پلان و توپوگرافی سد خاکی باغکل



شکل 2: مقطع عرضی سد خاکی باغکل به همراه ضرایب نفوذپذیری لایه‌های مختلف خاک

بدلیل پیچیده‌ بودن روشهای تحلیلی حل مسائل نشت و عدم دقت آن، تنها راه عملی روشهای عددی عددی می‌باشد.

در میان این روشها، روش اجزای محدود بدلیل سازگار شدن با شرایط مساله راه حل مناسبی بوده که در مدل کردن سد خاکی باغکل از این روش استفاده شده است.

معادله اصلی نشت را در شکل سه‌بعدی می‌توان بصورت زیر نوشت (معادله لاپلاس) ]8[:
(1)
معادله (1) شکل کلی معادله لاپلاس را در مورد جریان آب در یک محیط متخلخل و در حالت پایدار نشان می‌دهد.

چنانچه محیط همروند باشد Kx=Ky=Kz، بنابراین معادله لاپلاس در چنین محیطی بصورت زیر خلاصه می‌شود ]8[:
(2)
با تقسیم ناحیه پیوسته جریان به اجزای کوچکتر، حل مساله محدود به بدست آوردن مقدار h در گره‌هایی می‌شود که از بهم پیوستن اجزای کوچکتر حاصل شده‌اند.

بطور کلی برای رسیدن به مقادیر h در گره‌های اجزای کوچکتر (المان) گامهای زیر طی می‌شود ]9[:
الف) شبکه‌بندی نواحی متفاوت جریان به المان‌های کوچکتر
ب) بدست آوردن معادلات
ج) تشکیل ماتریس ضرایب
د) حل دستگاه معادلات
پس از محاسبه مقادیر گره‌ای h، خطوط هم‌پتانسیل و جریان بدست آمده و از آنجا می‌توان دبی نشت را محاسبه کرد ]9[.

در تحلیل نشت مساله مزبور تمامی مراحل توسط برنامه SEEP/W انجام شده است.

این نرم‌افزار هدایت هیدرولیکی و رطوبت خاک را به صورت تابعی از فشار آب حفره‌ای به صورت توابع پیوسته مدل می‌نماید، در حالی که نرم افزارهای دیگر از فرضیات غیر واقعی استفاده کرده و این پارامتر را به صورت پله‌ای مدل می‌نمایند که این به ایجاد خطا در محاسبات می‌انجامد.

دامنه این تحلیل علاوه بر خاکهای اشباع خاکهای غیر اشباع را نیز در بر می‌گیرد.

این موضوع تفاوت مهم این نرم‌افزار با نرم‌افزارهای دیگر مهندسی خاک است.

به کمک شرایط مرزی می‌توان به حل نهایی مساله دست یافت، که این شرایط بصورت زیر اعمال شده است ]10[.

کلیه شرایط بر روی گره‌ها اعمال شده، بطوریکه گره‌های قرار گرفته در سطوح مخزن دارای بار کل ثابت برابر ارتفاع نرمال مخزن (63 متر) و بار کل گره‌های قرار گرفته به سطوح پاشنه پایین‌دست، برابر با بار ثقلی هر گره (ارتفاع گره از سطح دریا) می‌باشد.

در تکیه‌گاههای جانبی و بسترنفوذناپذیر کف پی، بعلت عدم تبادل جریان، دبی جریان برابر با صفر در نظر گرفته شده است.

بدنبال تعیین شرایط مرزی و حل دستگاه معادلات، مقادیر گره‌ای h بدست می‌آید.

با محاسبه h در گره‌ها می‌توان خطوط هم‌پتانسیل و جریان را ترسیم کرد، که در اشکال نشان داده شده است.

مدل‌های مورد بررسی: در این مقاله مدل‌های مختلفی از سد فرنق مدل شده و آبگذری در آن بدست آمده است.

در ابتدا برای بررسی تاثیر المان‌بندی بر روی نتایج، سد فرنق به سه صورت درشت، متوسط و زیر المان‌بندی شد، شکل (3).

بر اساس نتایج بدست آمده و همانطور که در جدول (1) نشان داده شده است با ریزتر شدن المان‌ها زه عبوری از بدنه، پی و کل زه عبوری از بدنه و پی سد کاهش می‌یابد و از 3770 مترمکعب در روز به 3479 می‌رسد.

اما از یک حد به بعد با کوچکتر شدن المان‌ها، تاثیری در نتایج مشاهده نمی‌شود.

بنابراین با کوچکتر شدن المان‌ها، نتایج دقیقتر و واقعی‌تر بدست می‌آیند.

در شکل (4) نیز خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسیل نشان داده شده‌اند، همانطور که ملاحظه می‌شود از بالادست به سمت پایین‌دست فشار کاهش می‌یابد و از 63 متر در بالادست به 40 متر در پایین‌دست می‌رسد.

برای بررسی تاثیر پرده آب‌بند در کاهش نشت در این مقاله از پرده آب‌بند به ضخامت 6/0 متر و ضریب نفوذپذیری k=1*10-9 (m/s) و با طول‌های 4، 7 و 14 متر استفاده شده است، شکل (5).

در ساخت مدل‌ها سعی بر این بوده است که برای رسیدن به جوابهای دقیقتر از المان‌بندی ریز استفاده شود.همانطور که در جدول (2) نشان داده شده است، نشت کل از بدنه و پی هنگامی که از هیچگونه تمهیدات آب‌بندی استفاده نشود برابر 3770 متر مکعب در روز است، اگر از پرده آب‌بند به طول 4 متر (لایه اول) استفاده شود این مقدار به 2679 متر مکعب در روز کاهش پیدا می‌کند.

اگر این پرده آب‌بند کل طول ناحیه آبرفتی را در بر گیرد (7 متر) میزان نشت به 105 متر مکعب در روز کاهش می‌یابد و اگر پرده آب‌بند تا انتهای لایه سوم ادامه پیدا کند و به 14 متر برسد، میزان نشت باز هم کاهش پیدا کزده و به 31 متر مکعب در روز می‌رسد.

ولی این مقدار کاهش در نشت در مقابل افزایش طول پرده آب‌بند ار لحاظ اقتصادی قابل توجیه نمی‌باشد، زیرا با دو برابر شدن طول پرده آب‌بند، میزان نشت به اندازه 74 متر مکعب در روز کاهش یافته است.

با توجه به نتایج بدست آمده و میزان زه عبوری از پی و بدنه سد، به نظر می‌رسد که بهترین گزینه جهت کاهش نشت استفاده از پرده آب‌بند به طول 7 متر، عرض 6/0 متر و ضریب نفوذپذیری k=1*10-9 (m/s) است.

در شکل (6) نیز خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسیل مربوط به حالتی که از پرده آب‌بند با طول 7 متر استفاده شده، نشان داده شده است و همانطور که ملاحظه می‌شود خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسیل تحت تاثیر پرده آب‌بند قرار گرفته و منحنی‌های آن با منحنی‌های مربوط به شکل (4) (هنگامی که از هیچگونه تمهیدات آب‌بندی استفاده نشده است) تفاوت قابل توجهی پیدا کرده است.

بحث و نتیجه‌گیری: بر پایه نتایج بدست آمده از این مدل‌ها حداکثر میزان آبگذری پی در بزرگترین مقطع به ترتیب 8/53، 2/38، 4/1 و 39/0 متر مکعب در روز در واحد عرض برآورده شده است که با فرض عرض موثر 70 متر در محدوده مورد بررسی، حداکثر زه عبوری در حالات مورد بررسی به ترتیب 3766، 2675، 99 و 27 متر مکعب در روز خواهد بود.

همانطور که مشاهده می‌شود بدون در نظر گرفتن تمهیدات مناسب آب‌بندی، میزان خروج آب از پی در طول سال حدود 138000 متر مکعب خواهد بود که بالغ بر 50 درصد حجم مخزن است و با توجه به دبی رودخانه فرنق، عملاً مخزن پر نخواهد شد.

با قرار دادن دیوار آب‌بند در این محدوده از میزان تراوش به طرز قابل توجهی کاسته می‌شود و به حدود 03/0 حالت قبل می‌رسد.

در صورتیکه سنگ هوازده لایه زیرین نیز تزریق شود آبگذری باز هم کاهش می‌یابد و در این شرایط کل دبی عبوری از پی در طول سال به حدود 36000 متر مکعب می‌رسد که مقدار قابل قبولی است.

همچنین بر اساس نتایج بدست آمده، با کوچکتر شدن المان‌ها دبی جریان کاهش یافته و به مقدار واقعی نزدیک‌تر می‌شود.

منابع و مراجع: [1] Pavlovsky K.R., and edshaw, S.C., "Motion of water under dams", Trans, 1st Congr.

On large Dams, , Vol.

4, 1933.

]2[- طاحونی، ش.، ”اصول مهندسی ژئوتکنیک، جلد اول، مکانیک خاک“، مرکز نشر دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)، 1373.

]3[- وفائیان، م.، ”سدهای خاکی“، مرکز نشر جهاد دانشگاهی دانشگاه صنعتی اصفهان، 1377.

]4[- بهنیا، ک.، طباطبایی، ا.م.، ”مکانیک خاک، جلد اول“، موسسه انتشارات و نشر دانشگاه تهران، 1372.

[5] Bermes, B.J., "An electric analog model for use in quantitative studies", Ged.

Surv., nimeographed report, 1960.

]6[- شمسایی، ا.، ”هیدرولیک جریان آب در محیطهای متخلخل، جلد دوم، مهندسی آبهای زیرزمینی“، مرکز نشر دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)، 1377.

]7[- مطالعات مرحله دوم طرح سد خاکی فرنق، شرکت مهندسین مشاور ری‌آب، 1380.

]8[- ام.

داس، ب.، مکانیک خاک پیشرفته - ترجمه مهدی یزدچی، انتشارات دانشگاه صنعتی سهند،1373.

]9[- نیک‌رو، ا.، و مرندی، م.، و آذری، م.، ” کنترل سه‌بعدی نشت در سد سنگ سیاه (استان کردستان)“، کنفرانس بین‌المللی سازه‌های هیدرولیکی- دانشگاه شهید باهنر کرمان، ص.

290-281، اردیبهشت 1380.

[10] Geo – Slope, Version 5, SEEP/W, Manual.

شکل 1: پلان و توپوگرافی سد خاکی باغکل شکل 2: مقطع عرضی سد خاکی باغکل به همراه ضرایب نفوذپذیری لایه‌های مختلف خاک شکل 3: المان‌بندی‌های مختلف برای بررسی تراوش در سد خاکی باغکل؛ الف) المان‌بندی درشت، ب) المان‌بندی متوسط، ج) المان‌بندی ریز جدول 1: تاثیر المان‌بندی بر روی زه عبوری از بدنه و پی سد خاکی باغکل ( عرض موثر 70 متر) شکل 4: خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسیل در هنگام عدم استفاده از تمهیدات آب‌بندی شکل 5: مشخصات پرده آب‌بند و المان‌بندی‌های آن در حالت‌های مختلف؛ الف) 4 متر، ب) 7 متر، ج) 14 متر جدول 2: تاثیر پرده آب‌بند بر روی زه عبوری از بدنه و پی سد خاکی باغکل ( عرض موثر 70 متر) شکل 6: خطوط هم‌فشار و هم‌پتانسیل در هنگام استفاده از پرده آب‌بند به طول 7 متر