دانلود مقاله سد سازی

فصل اول

تعاریف و کلیات

1-1 تعریف

مفهوم سد در فرهنگ فارسی و عربی آن قدر روشن است که هم در جامعه مهندسی و هم در عرف اجتماع مفهومی بی نیاز از توضیح دارد به طوری که حتی مشتقات آن در فرهنگ ماکاملا مانوس است مانند سد معبر، سد راه،  مسدود، انسداد و غیره. به هر حال معنای خاص آن عبارت است از بنایی که بخشی را از بخش دیگر جدا می‌کند  و غالباً به مفهوم دیوار یا سازه ای است که از حرکت آب (کلا یا جزئاً) جلوگیری نماید تا آب ذخیره گردد یا انحراف بیابد. برای معادل فارسی این واژه، گاهی «بند» به کار برده شده است مانند بند امیر، و در حال حاضر، بند به سدهای کوتاه گفته می شود. معادل انگلیسی واژه سد، dam است.

از دیدگاه مقررات اجرایی، ارزیابیها و رده بندیها، سدها را به دو گروه کوتاه و بزرگ تقسیم نموده اند:

سد بزرگ[1] بر اساس تعریف پذیرفته شده «آی گلد»[2] سدی است که:

ارتفاع آن (فاصله بین پایینترین سطح پی عمومی آن تا تاج آن) بیش از 15 متر باشد؛

اگر ارتفاع آن بین 10 متر تا 15 متر است، یکی از شرایط زیر را داشته باشد:

الف- طول تاج از 500 کمتر نباشد؛ ب- ظرفیت دریاچه حاصل از آن سد از 6 10 متر مکعب کوچکتر نباشد؛ پ- حداکثر تخلیه سیلاب آن از 2000 متر مکعب در ثانیه کمتر نباشد؛ ت- سد دارای مسائل پیچیده یا مشکل در شالوده باشد به طوری که نیاز به مطالعات و راه حل های خاص داشته باشد ث- در طراحی سد مسائل خاص غیر معمول وجود داشته باشد.

1-2 انواع سدها:

    انواع سدها را می توان از دیدگاه مصالح، فرم ساختمانی،  هدف از احداث سد، نوع سرریز یا ویژگی‌های دیگری رده بندی نمود. آنچه معمولا در نامگذاری ها مشاهده می شود عبارت است از: سد بتنی وزنی که پایداری آن براساس وزن آن است، سد بتنی قوسی که ممکن است تک قوسی یا دو قوسی باشد، سد بتنی پایه دار و پشت بند دار، سد پاره سنگی (که سنگی و سنگریزه ای هم گفته می شود) و سد خاکی و پشت بند دار، سد پاره خاکی و پاره سنگی است. د رمقیاس های کوچک و موقت و به طور کلی محلی، از سدهایی از جنس  چوب و مصالح ساختمانی نیز استفاده می شود یاد شده است. به عنوان یک طرح موقت ممکن، اخیراً از سدهای کوتاه لاستیکی نیز یاد می شود و ساخت آب بندهای پرده سپری به منظور نگهداری ارتفاع های کم آب نیز معمول است.

چنانچه سد نسبتاً بزرگی باشد و هدف از ایجاد آن ذخیره آب باشد سد مخزنی نامیده می شود. و در صورتی که هدف از احداث آن انحراف مسیر رودخانه یا تقسیم آب به صورت موقت یا دائم باشد آن را سد انحرافی و یا بند انحرافی می نامند. ارتفاع بعضی بندهای انحرافی ممکن است به 8 متر و حتی 10 متر هم برسد. در گونه های مختلف سدها ممکن است سرریز سد از تاج سد بگذرد و یا مسیر دیگری بپیش بینی شود. در مورد سدهای بتنی عبور سرریز از تاج سد معمولا مشکلی ندارد ولی در خصوص سدهای خاکی و پاره سنگی، پیش بینی مسیر سرریز از روی تاج سد خاکی، متضمن قبول خطر فوق العاده زیادی است و همین علت تقریباً همیشه سرریز سد خاکریز در مسیر دیگری جز روی بدنه سد طراحی می شود. استثنائاً تعدادی سدهای خاکی که سرریز آنها روی آنهاست گزارش شده است.

سدهای خاکی بیش از سدهای بتنی در معرض تخریب بوده اند و براساس گزارش های ICOLD (مثلا گزارش 1983, a) از میان 14700 سد بررسی شده، 1150 سد (یعنی 5/7 درصد) دارای نواقص جدی بوده اند و 107 مورد (یعنی 7/0  درصد) تخریب شده اند. بیش از 50 درصد خرابیها یا آسیب دیدگی ها سدهای خاکی در ضمن ساخت یا در اولین پر شدن بوده است. احتمال تخریب سدهای خاکی که قبل از 1930 ساخته شده اند 5 مرتبه بیش از احتمال تخریب های حاصل از سرریز آب از روی سد در رتبه اول قرار دارد. حدود 80 درصد تمام سدهای از نوع خاکریز با ارتفاع کمتر از  متر است و سدها نیز عمدتاً در همین گروه قرار داشته اند. در عین حال سبدهای بلندتر تخریب کمتری داشته اند ولی آ‌سیب دیدگی بیشتری نشان داده اند.

بعضی اطلاعات آماری

اشاره به بعضی ارقام آماری در یک بحث فنی، حتی به صورت نمونه و اجمال، روشنگر ویژگی مهندسی طرح ها در مقایسه با یکدیگر و نشانگر اهمیت نسبی بعضی از پروژه ها خواهد بود. در این جا بعضی از اطلاعات در دست از مأخذهای مختلف نقل می شود، هرچند نمی توان ادعا نمود که حق مطلب در مورد کلیه رکوردهای زمانی با ابعادی بیان شده است.

قدیمی ترین سد دنیا

احتمالاً قدیمی ترین سد دنیا سد «الکفره[3]» در 16 کیلومتری جنوب شرقی «هلوان[4]»  در مصر است که بین سال های 2750 و 2950 قبل از میلاد (5000 سال قبل) با طول 115 متر و ارتفاع 12 متر ساخته شده است. بضی از مورخین اولین سدی را که در تاریخ ثبت شده است مربوط به 4000 سال قبل از میلاد با طول 475 متر و عرض 15 متر می دانند که 4500 سال از آن بهره برداری می شده است. همچنین سدی به طول 2/3 کیلومتر و 36 متر ارتفاع و 15 متر عرض در یمن ساخته شده بوده است که آن را مربوط به 1700 سال قبل از میلاد می دانند و در قرن سوم میلادی بر اثر سیلاب منهدم گردیده است.[5] سد داریوش روی رودخانه کر که عمر آن بیش2500 سال است، و سد بهمن شیر دارای عمری بیش از 2000 سال و بند میزان در شوشتر با عمر 1700 سال و بند امیر روی رودخانه کر که 1000 سال عمر دارد و هنوز در حال بهره برداری است از بندها یا سدهای باستانی محسوب می گردند.

حجیم ترین سد دنیا

احتمالاً پر حجم ترین سد تا سال 1973 یک سد خاکی[6] است در آریزونای امریکا که ارتفاع آن 33 متر، طول 85/10 کیلومتر و حجم مصالح آن 8 10*1/2 متر مکعب است.

بزرگترین سد بتنی

در واقع سازه بتنی، سد «گراند کولی[7]» روی رودخانه کلمبیا در واشینگتون است. طول تاج آن 1391 متر و ارتفاع آن 183 متر، حجم آن 05/8 میلیون متر مکعب و وزن آن 6/21 میلیون تن است. نیروگاه آن توانایی تولید 9780 مگاوات را دارد. مطالعه این سد در 1933 شروع شده در مارچ 1941 ساخت آن آغاز گردیده و در 1942 پایان یافته است. هزینه احداث آن 56 میلیون دلار گزارش شده است.

بلندترین سد بتنی دنیا

سد «گرانه دیکسن[8]» در کشور سوئیس است که با ارتفاع 2854 متر و طول 670 متر در سپتامبر 1961 ساخته شد. هزینه این سد 372 میلیون دلار، و حجم آن 9/5 میلیون متر مکعب گزارش شده است.

بلندترین سد خاکی دنیا

سد خاکی «نورک[9]» در روسیه با بلندی 300 متر و با طول تقریبا 730 متر و حجم 8/53 میلیون متر مکعب بلندترین سد خاکی دنیا تا تاریخ 1980 بوده است (شروع ساخت سد 1961و اتمام آن 1979 بوده است) البته سد دیگری از نوع خاکی با ارتفاع 335 متر در کشور روسیه در دست اقدام و مطالعه بوده است که ممکن است تاکنون احداث شده باشد.

حجم سد خاکی «نورک» تقریباً 10 برابر حجم سد «گرانددیکسن» است در صورتی که ارتفاع آن فقط 10 درصد بیشتر و طول آن فقط 5% بیشتر از آن است.

طولانی ترین سد دنیا

طویلترین سد دنیا به نام «کی‌یف»[10] با ارتفاع 20 متر و طول 54 کیلومتر در کشور روسیه در سال 1964 تکمیل گردید. همچنین ساخت سدی به طول 99 کیلومتر با ارتفاع متوسط در کشور چین گزارش شده است که ساخت آن در قرن 17 بوده است.

 طولانی ترین بند دریایی[11] با طول 3/32 کیلومتر و ارتفاع 6/7 متر در شمال هلند قرار دارد.

هدف از ایجاد سد ها و انتخاب نوع سد

اصولا سدها به منظور ذخیره آب و تامین آب شرب و کشاورزی و صنعت ساخته می شوند هرچند مهار سیلابها و ایجاد ارتفاع آب به منظور تامین انرژی پتانسیل برای ایجاد نیروگاه نیز می تواند از اهداف اولیه احداث سدهای بلند باشد. در مورد بندهای انحرافی، انحراف آب و یا تقسیم آن هدف اصلی را تشکیل می دهد. البته پس از احداث سد، دریاچه می تواند فواید دیگری از قبیل قایق رانی، پرورش ماهیها، و زیبایی طبیعت در برداشته باشد. در انتخاب نوع سد می توان انواع سدها را ابتدا به دو گروه رده بندی نمود: سدهای بتنی و سدهای خاکریزی ویژگی سدهای خاکریز که ممکن است خاکی یا پاره سنگی باشد عبارت از این است که این سدها را می توان بر شالوده های غیر سنگی نیز بنا نمود، از این رو محدودیتی از دیدگاه استحکام زمین مانع احداث آنها نمی شود. به طور کلی اگر عرض منطقه آبگیر (پهنای دره) خیلی وسیع باشد یا شالوده آن محل غیر سنگی باشد ساختن سد بتنی معمولا مقدور نیست یا در صورت امکان، اقتصادی نخواهد بود، در صورتی که در همین شرایط احداث  سد خاکریز هم مقدور می‌باشد و جای بررسی دارد. مواردی نیز وجود دارد که مزایا و معایب هر دو نوع سد (خاکریز و بتنی) ممکن است تقریباً مساوی باشد در این شرایط تشخیص ارجحیت یکی بر دیگری بر عهده کارشناسان با تجربه است. بدیهی است طرح بهینه و تصمیم نهایی هنگامی قابل دفاع است که جمیع عوامل موثر از قبیل عوامل اقتصادی وضعیت زمین شناختی، محل کارایی نوع سد برای هدف مورد نظر امکان ایجاد و حمل و نقل مصالح مورد نظر مدت زمان ساخت و گاهی مدت زمان انحراف آب، امکان دسترسی به نیروی انسانی، مسئله هزینه سرریز و حفاظت آن، مسائل مربوط به زیرابها و دریچه ها و حتی مسئله زیبایی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته باشد.

احداث سد اعم از کوچک یا بزرگ و اعم از بتنی یا خاکریز باید با اطمینان بسیار زیاد طراحی و اجرا گردد زیرا هزینه های اضافی که برای اجرای صحیح و دقت در کار صرف می شود درصد زیادی را تشکیل می‌دهد؟ در صورتی که وقوع حادثه و تخریب سد نه تنها سرمایه مادی ساخت آن را از بین می برد بلکه تلفات جانی زیادی را در بر دارد که قابل جبران نخواهد بود. برای سدهای کوتاه می توان با افزایش ضریب اطمینان بررسی های اولیه را محدود نمود. ولی برای سدهای بلند، افزایش ضریب اطمینان، هزینه احداث سد را به شدت افزایش می دهد، از این رو مطالعات اولیه باید کامل باشد تا بتوان ضریب اطمینان را در حد معمول در نظر گرفت. به عبارت دیگر درصد هزینه ای که صرف شناخت دقیق مباحث مربوط به طراحی می شود به مراتب کمتر از هزینه ای است که باید برای افزایش ضریب اطمینان در ساخت سد مصرف شود.

 مطالعات کلی جهت احداث سدها

صرف نظر از نوع سد که در یک منطقه ساخته می شود مطالعات و بررسی هایی ضرورت می یابد که بستگی به شرایط ناحیه، وضعیت آبگیری، وسعت حوزه آبگیر و وسعت دریاچه ای که تشکیل می شود و وضعیت مصرف آب در پایین دست دارد. اهمیت مباحث مربوط به این مطالعات ضعف و شدت دارد.

این مباحث معمولا شامل موضوعهای زیر است:

هواشناسی و هیدرولوژی، زمین شناسی و زمین شناسی مهندسی، هیدروئولوژی، ژئوتکنیک و لرزه شناسی.

مسائل دیگری که جدا از مباحث فنی فوق غالباً مورد توجه طراحان و کارفرمایان احداث سد در یک منطقه می باشد از مسائلی است که به نحوی مربوط به شرایط اقلیم شناسی، کشاورزی و نوع آن مباحث اجتماعی منطقه، و موضوع زیست محیطی ناحیه است. به هر حال احداث سد در یک جمله وضعیت زیست محیطی را نسبت به آنچه که قبل از احداث سد بوده است تغییر می دهد. قدر مسلم این است که زمین های وسیعی زیر آب مستغرق می شوند و زمین های بسیار ویسعتری سرسبز و حاصلخیز می شوند در بخش هواشناسی و هیدرولوژی وضعیت بارندگی های سالانه سیلهای دوره ای و مقدار آبی که تبخیر می شود و سرانجام ارقام سد، ظرفیت لازم برای سرریز سد، و وضعیت بادها، سرعت و امتداد آنها مشخص می شود. در مبحث زمین شناسی و زمین شناسی مهندسی باید وضعیت لایه های تشکل دهنده منطقه، نوع سنگ ها، سن آنها وضعیت چین خوردگی ها، گسل ها، روی راندگیها نوع رسوبات به لحاظ قدمت، طرز تشکیل و ارتباط لایه ها و رسوبات با یکدیگر و ارتباط لایه های موجود در آن محل با لایه های محل های مجاور مشخص می گردد. همچنین وضعیت آبهای زیر زمینی آبهایی که به حوضه محل سد وارد می شوند و آبهایی که ممکن است بعد از احداث سد و پر شدن دریاچه از آن خارج می شوند، ارتباط چشمه های ناحیه با حوزه سد، شرایط تغییرات زمانی آب چشمه ها و حرکات آبها در سوهای مختلف، تغییرات زمانی سطح آب زیر زمینی، نفوذ پذیری لایه های مختلف، تخلخل و آبخوری لایه‌های مختلف، آبگذری در گسلها و درزه‌ها، همه از مواردی است که باید در بخش هیدروژئولوژی با استفاده از وضعیت زمین شناسی مشخص گردد. تعیین وجود وضعیت کارستی، درزه های آبگذران و منطقه های خرد شده گسلی نیز از مسئولیت های شناخت های زمین شناسی و زمین شناسی مهندسی است.

در مبحث ژئوتکنیک و زمین شناسی مهندسی، وضعیت ژئومکانیکی لایه ها مثل مقاومت سنگ ها، تغییرات استحکام آنها، وضعیت پایداری شیبها یا عدم آن در بخش های مختلف دریاچه یا محور سد، پیش بینی امکان ناپایداری بعد از پر شدن دریاچه شناخت و مشخص کردن سنگ لغزش های قدیمی یا محتمل جدید، مشخص نمودن لایه های محتمل جابجایی مثل مارنها، واریزه ها پس از اشباع شدن بررسی تاثیر گسلهای در ناحیه و پیش امکان حرکت آنها و شناخت و محاسبه خواص مکانیکی و دینامیکی لایه های زیر محل احداث سد بررسی می شود. تشخیص محل های مستعد روانگرایی، واگرایی، و حساسیت خاک ها نیز باید در این بخش انجام گیرد. معمولا تکمیل مطالعات  ژئوتکنیک و گاهی شناخت دقیق  چینه شناسی ولایه بندی منطقه و نیز در مواردی بررسی دقیق مبحث هیدرولوژیکی نیاز به مطالعات ژئوفیزیکی مانند لرزه نگاری و ژئوالکتریک و گاهی ثقل سنجی دارد تا مجموعه دیدگاههای زمین شناسی سطحی و ژئوفیزیکی و به کمک حفاری گمانه های اکتشافی بتواند وضعیت زمین شناسی مهندسی و هیدروژئولوژی را برای آن ناحیه کاملا معلوم نماید.

حفر گمانه های اکتشافی و مغزه گیری از آنها جهت شناخت لایه های تحت الارضی و تعیین خواص ژئومکانیکی آنها از کارهای بسیار معمول در مرحله مطالعات اولیه جهت احداث سد در یک منطقه است. عمق گمانه ها غالباً در محل محور سد تا حداقل 5/1 برابر ارتفاع محتمل سد برنامه ریزی می شود .مگر اینکه به لحاظ زمین شناسی سنگ های زیرین بسیار مشخص و یکنواخت باشد. در مبحث زمین شناسی و مطالعات زلزله از یک سو باید وضعیت لرزه زمین ساخت آن ناحیه و تعیین گسلهای فعال بزرگ ناحیه ای و کوچک محلی مشخص گردد و از سوی دیگر وضعیت آماری زلزله های اتفاق افتاده در گذشته و نیز متحمل در آینده در شعاع موثر از محل احداث سد مورد بررسی قرار گیرد و مشخص گردد که ریسک لرزه خیزی آن محل و ریسک اثر زلزله های محتمل دیگر تا چه حد پیش بینی می گردد و در صورتی که احتمال تاثیر وقوع زلزله ها برسد زیاد باشد.