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 بند های 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:
سد به عنوان یک مخزن باید غیرقابل نفوذ باشد.
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.
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 سد خاکی 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.