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.