تحقیق مقاله سد

پیشگفتار

سد های خاکی وپاره سنگی نسبت به سایرانواع سدها  انواع سد ها(سدهای بتنی) در برابرزلزله  بیشتر مستعد تخریب می باشند .

باوجود این ، بررسی دقیق پایداری سدهای خاکی در برابر زلزله از پیچیده ترین مسائل در حوزه سازهای خاکی  است علت  این پیچیدگی وعدم قطعیت  درنتیجه گیری  در حال حاضر این است که مجموعه ی معلومات وروابط بین آنها درتحلیل این مسأله بسیار متفاوت ومتنوع است .

تنوع  خواص بدنه سدهای خاکی مخصوصا رفتار دینامیکی  آنها ، گوناگونی جنس وضخامت وشرایط دیگر شالوده ی آنها ( که هرکدام در انتقال ،تضعیف ویاتقویت  امواج لرزه ای نقش اساسی دارند) ،وتفاوتهای اصولی ویژگیهای  موثر زلزله ها مانند فاصله مرکز زلزله تا سد، شدن وطول امواج  ومیزان استهلاک همه عواملی  هستند که هرکدام  از آنها می تواند در واکنش دینامیکی  سد نقش  مهمی را داشته باشد.

از اینرو باید انتظار داشت که در یک تحلیل  دقیق ریاضی که مبتنی ومبنای  قضاوت  و اطمینان طراح قرار میگیرد  ویژگیهای  متنوعی  کاملا مشخص وشناخته  شده باشد و ارتباط این ویژگیها با پایداری  براساس  یک تحلیل  ریاضی استوار باشد ، در غیر این صورت درجه اعتبار آن تحلیل یا میزان  ابهام  وتقریب  آن  مشخص نخواهد بود.

 سیر پیشرفت  شناخت  وچگونگی  تاثیر زلزله بر سد خاکی ؛

هرچند موضوع  آسیب پذیری سدخاکی در برابرزلزله از زمانهای قبل توجه  مورد توجه  بوده است، ولی چون اصولا تعداد  اندکی  از سدهای بزرگ در اثر زلزله آسیب دیده اند (مثل  سد شیفلید sheffield در سانتاباربارا Sonta Bara در زلزله سال 1950 ونیز تخریب خاکریزی به ارتفاع 5 متر در آنکوریج  در زلزله  سال 1964  آلاسکا  از اینرو نسبت به ماهیت  تاثیر زلزله  بر پایداری سدهای خاکی به طورجدی و قطعی برخورد نمی شد .با وجود این وباتوجه به اینکه  برخی از سدهای خاکی و برخی  ازخاکریزها در اثر وقوع زلزله آسیب دیدند  یا فرو ریختند  از اواخر  دهه ی 1950 به بعد در ایالت متحده  توجه  بیشتری  به موضوع  پایداری سدهای خاکی در برابر زلزله  معطوف  گردید  وبه تدریج  روش های  بررسی این مساله گسترش یافت.

بسیاری ازمهندسین براین عقیده اند  که سدهای خاکی در برابر زلزله  اصولا  پایدارند وبه عنوان  مثال ، از سدهای  زیریاد می کردند :1-سد Crystal Springs نزدیک  سانفرانسیسکو، روی گس سان  اندر یاس( SanAndreas) که در زلزله 1906 سانفرانسیسکو به اندازه ی 5/1  متر در اثر  حرکت لغزشی گسل  جابجایی داشته ولی تخریب نشده است.

2- سدهای دیگری که در کالیفرنیا ونقاط دیگر، از اوایل قرن حاضر دستخوش  زلزله شده اند ولی تخریب نشده اند .

3-سد Hebgen که در 210 متری گسل اصلی قرار دارد در زلزله  1957 موسوم  به زلزله Hebgen Lake به اندازه ی 5/6  متر جابه جا شده ولی تخریب نشده  که مقطع آن در شکل (1) دیده می شود.

پاسخ سید (seed) یکی از محققین این رشته  است به این گروه از مهندسین به شرح زیر است :

1-سد کریستال  اسپرینگ در زمان زلزله به صورت یک گذرگاه  خشک در میان دودریاچه  آب با تراز  سطح  آب مساوی  در طرفین قرار داشته است  و معلوم نیست  که تاثیر زلزله برآن چگونه بوده است.

2- بین تکان شدید حاصل از زلزله ممکن است تفاوت زیادی وجود داشته باشد ؛ مثلا در زلزله Arvin-tehachapj ی کالیفرنیا در سال 1952 ، تعداد زیادی از سدهای این منطقه  تحت تاثیر زلزله قرار گرفته اند، اما چون از گسل  اصلی فاصله زیادی داشته اند ، شدت تکانهای در آنها  متناظر با g05/0 بوده است ، درحالیکه شدت زلزله های کالیفرنیا در نزدیک به گسل منتاظر با g05/0 نیز بوده است .

در مورد سد هبگن (hebgen) ، اینکه سد در زلزله 1957 نهایتا  پایدار مانده است  استثنایی و خارق العاده  است زیرا تاثیر آن زلزله با بزرگی 6/7 ریشتر به صورمختلف به سد آسیب رسانده است ،به طوریکه هرکدام از آن تاثیرها به تنهایی پتاسیل  تخریب سد را داشته است .به منظور توضیح این واقعیت، مشاهدات گزارش شده در مورد آن سد ذیلا خلاصه  می شود.

نشست کلی سراسری منطقه سد در اثر حرکت تکتونیکی زمین که مقدار این نشست  برای لایه سنگی در شالوده ی سد به اندازه ی 9/2 متر ، ومتوسط نشست مخزن  1/3 مترمحاسبه شده است.

نشست تاج سد نسبت به سنگ زیرین در طرف  سرآب 2/1 متر و در سمت پایان 8/1 متر اندازه گیری شده است (شکل 1)

ایجاد ترکهای  متعدد تا عرض 8 سانتیمتر در هر مغزه بتنی سد

ترکهای  طولی  قابل توجه به عرض 8 تا 30 سانتی متر در هر طرف سد

پیدایش نشت آب  درکناره ها که این نشت هابعد از مسدود شدن ترکهای داخل سر ریز متوقف  گردید.

پیدایش امواج در سطح آب مخزن که ارتفاع موجها  اقلا تا  یک متری بالای تاج سد  رسیده وحداقل 4 مرتبه  برای مدت 10 دقیقه  این پدیده رخ داده است.

وقوع زمین لرزه های متعدد  در اطراف مخزن

وقوع  یک سنگ  لغزه بزرگ در پایاب  که تقریبا 50 میلیون تن سنگ  را جا به جا کرده است .

یکی از متخصین که در بعد از وقوع  زلزله  از سده  باز بینی می کند ضمن  تاثیر موارد فوق  اظهار می دارد که : « پایدار ماندن سد در چنین شرایطی فقط به علت یک ترکیب مناسب ازحوادث بوده است و گرنه هر کدام ازموارد یاد شده می توانست  سدرا تخریب  کند. مثلا اگر گسل فعال مانند اکثر گسل ها از دره می گذشت  سد رابه دونیم کرده بود فوران آب ازمحل شکستگی  جوار بتی  در عرض 2 ساعت سد را از میان  برداشته بود.  همچنین  جای خوشبختی است که سنگ بستر شالوده ی سد که دیواره ی بتنی مغزه را نگاه داشته است تقریبابه همان اندازه که کل مخزن در طول 32 کیلومتر پایین رفته است ( حدود 3 کمتر ) انهم  نشست کرده است . اگر نشست شالوده به مقدار قابل  ملاحظه بیش از بقیه حوزه ی مخزن می بود، سر ریز مقدار هنگفتی  آب را سد را تخریب می کرد . بعلاوه نشست  بستر مخزن وشالوده ی سد یکنواخت  بوده است ، اگر این نشست یکنواخت نمی بود امکان  ایجاد پدیده ی امکان ایجاد پدیده پایپینگ در اثر شکستن  جدار بتنی  بسیار زیاد می بود چنانچه زمین  لغزه های رخ داده و درکنار سد در دامنه سد اتفاق  می افتاد و یا اگر سنگ  لغزه بزرگ  که 11 کیلومتری پایاب اتفاق افتاده است درمخزن روی می داد، بازهم سد پایدار نمی ماند .

برای بیان  نمونه ای از این گونه  سنگ لغزه های در اطراف  سدها می توان از رخ دادن یک سنگ  لغزه  بزرگ  در مخزن سد معروف  ویون vaiont روی رودخانه ای به همین نام وبه ارتفاع 265 متر در ایتالیا که بلندترین سد قوسی  دنیا است نام برد.  سنگهای  حاشیه ای  قویا مسلح  شده اند .قبل  از ساخت  آن چندین  مدل کوچک  از سد ساختند  در برابر بارکامل تست کردند.در نوامبر 1960 یک سنگ لغزه به حجم  700 هزار متر مکعب درمخزن  سد اتفاق افتاد وتوجه مهندسین را به مسایل  پایداری سد جلب نمود و به این  علت اندازه گیریهای صورت گرفت ونیز سطح  آب مخزن  پایین آورده شد .در اکتبر 1963 سنگ لغزه  بزرگی درمخزن  آن اتفاق  افتاد که حدود 250 میلیون متر مکعب سنگ را در زمان کوتاهی  جا به جا نموده  و به درون مخزن فروریخت  و براثر آن آب مخزن از سد سر ریز شده وشهر کوچک longarone را ویران نموده  وموجب  غرق  شدن حدود 2500 نفر گردید .

توده های سنگی که از طرفی از مخزن لغزیده اند ودر طرف دیگرمخزن به ارتفاع  100 تا 150 متر بالا رفته اند  هنگام رخ دادن این حادثه سطح  آب مخزن 23 متر پایین تر از تراز ماگزیمم  آب  بوده  وحجم اضافی مخزن 55 میلیون متر مکعب  بوده است وتخمین  زده می شود که در ضمن این حادثه ،سطح آب مخزن در یک طرف تا 250متر ودر طرف دیگر تا 150 متر از تاج سد بالا رفته است وحدود 30 میلیون مترمکعب آب به داخل دره باریک جلوی سد سرازیر شده است وحجمی را به ارتفاع 240متر وعرض 150متر در بالا  وعرض 20متر در پایین  شامل می شده است . با وجود این سازه ی سد کاملا  مقام و پایدار مانده است .

درمورد سد  هگبن از طرفی گسل فعال یک گسل  قائم بوده است وحرکت  آن موجب نیروهای اینرسی قائم شده و این نیروها اثر تخریبی  بسیار کمتری از اثرتخریبی نیروهای اینرسی افقی دارند و همچنین چون نیازی  به استفاده از سر ریز سد قبل  از تعمیر آن نبوده است  قبل از تعمیر آن آب از آن عبور نکرده است ، در صورتیکه  لازم می بود که آب از سر ریز عبور کند بدون اینکه تعمیر شده باشد در این صورت نیز سد تخریب می شد. البته باید پذیرفت که طراح  سد ،نهایت  دقت را احتیاط  را در طرح ساخت سازه ی سد محلوظ داشته است .

به علت اینکه سد هبگن در اثر زلزله تخریب نشد ، از اینرو مطالعه و بررسی این سد نتوانست بر ارزیابی روشهای موجود طراحی  ضد زلزله سد نقشی داشته باشد وبعلاوه  یک طراح  کم اطلاع  از وقوع  حوداث مذکور ،ممکن است پایداری سد را حاصل  از مقاومت ذاتی آن بداند ،درحالیکه  اگر یکی از موارد نامبرده شده درجهت  خسارت واقع شده بود آنگاه تمام دریاچه سد به صورت سیلی  فوق العاده عظیم  اراضی  پائین  دست را در نور دیده بود.

هرچند از سالهای 1950 به بعد به مسأله  طرح مقاوم  سد خاکی  در برابر زلزله توجه بیشتری معطوف شده است ولی تا حدود سالهای 1970 در ارزیابی دقیق مساله پیشرفت چندان سریعی صورت نگرفت و پاسخ  این مساله  که چگونه می توان یک سد خاکی را در برابر زلزله مقاومترنمود روشن بود ، وچنانکه یکی از متخصصین سد سازی ( یعنی شرارد) تذکر می دهد اطمینان مهندسین در ساختن سدهای خاکی در درجه اول به این علت بود که صدها سدخاکی بزرگ وهزاران بند خاکی  همچنان  پایدار باقی  مانده اند و در برابر زلزله  استحکام  کافی نشان داده اند.

 لازم به یاد آوری است که از سال 1945 تا 1965 (یعنی  در فاصله 20 سال ) حدود 4 هزار سد درجهان ساخته شده است  که 55 درصد از این تعداد را سدهای خاکی وپاره سنگی تشکیل می دهد وبنظر  می رسد  که این نسبت روبه افزایش  است و آمار دیگری  نشان میدهد که در سال 1965 تنها در ایالات  متحده آمریکا  3500 سد بزرگ  ودر ژاپن  2000 سد بزرگ وجود داشته است از طرفی  به لحاظ  تکرار زلزله ها ، سالیانه 1000 زلزله کوچک  وهر دوسال یک زلزله بزرگ  در ژاپن اتفاق می افتد

بطور کلی ، کندی پیشرفت تحلیل کمی اثر زلزله بر سد خاکی  را تا سالهای 1970 باید در دو علت زیر توجیه نمود:

1-عدم دسترسی به موارد واقعی ومشخص سدهای خاکی تخریب شده ،

2- عدم شناخت دقیق  مکانسیم  تاثیر تخریبی  جنبش زلزله  بر جسم  سد خاکی

از طرف  دیگر شواهد موجود برای دستیابی  به نوعی  تحلیل  تفضیلی در این زمینه  ، بقدر کافی  متعدد ومتنوع  نیستند  ، زیرا :

1-تعداد اندک از سدهای خاکی در اثر زلزله  تخریب شده اند ،

2-تعداد زیادی از سدهای خاکی در ضمن زلزله آسیب  شدید دیده اند،

3-تعداد اندکی از سدهای بزرگ تحت تاثیر جنبش های حاصل زلزله های شدید قرار گرفته اند چنانچه در گزارش که در سال 1962 ارائه شد به این مطلب اشاره شد که تخریب نشده است ، هرچند عدم تخریب را نمی توان به عنوان دلیلی بر کارآئی روش های طراحی  سدها منظور داشت ، زیرا هیچکدام  از سدهای بزرگ ساخته شده از 1935 به بعد اصلا  در معرض جنبش های زلزله های شدید  قرار نگرفته اند تا بتوان  درباره کارائی طرح آنها  قضاوت  نمود.

4- در مواردی  که سدهای خاکی  از اثرات  شدید جنبش های زمین مصون مانده اند ، یانوع ساخت آنها اتقافا با شرایط سازگار بوده است  ویا در برابر یک نوع خاصی از جنبش  زمین عکس  العمل  مناسب ومقاوم داشته اند .

با یک دید اجمالی  ، روش های بررسی پایداری جسم سد را در برابر زلزله می توان به ترتیب  پیشرفت  این روش ها در سه گروه  طبقه بندی نمود.

روشهای شبه استاتیک  ، که در این گونه روشها ، تحلیل پایداری بدون توجه به زمان و بدون توجه به جابجائی  لغزشی  درون خاک ونیز بدون به هر گونه تغییری خواص خاک انجام می گیرد وتقریبا  نتیجه حاصل از آنها  اطمینان بخش نیست .

 روشهای مبتنی بر تحلیل های دینامیکی ؛ که نسبت  به روشهای شبه استاتیک  پیشرفته تر می باشد وبه ویژه با استفاده  از تکنیک های محاسباتی  عناصر محدود تفاوت های محدود ، نکات مهمی را در تحلیل  مساله  روشن می کنند.

روشهای جدید ، که در آنها توجه عمده به ویژگی های واقعی  محیط مورد بررسی است ، این ویژگی های عبارتند از :

خواص مقاومتی  اولیه خاک قبل از وقوع  زلزله ها و نوع  تغییر این خواص در ضمن  وقوع جنبش های حاصل از زلزله ، خواص دینامیکی  خاک در ضمن زلزله ،ونوع تغییر  مقاومت خاک در زمان  از آغاز اولین ضربه  زلزله ها تا لحظه ی  که مجددا " وضعیت  تنش های  درون خاک  تثیبت گردد. در این روش ها معیار را ارزیابی پایداری، از بررسی  ضریب  اطمینان  به بررسی  مقدار جابجایی  نسبی  برشی  و سرعت نسبی آن منتقل گردیده است علاه بر انچه  که در مورد بررسی  پایداری جسم سد خاکی در صفحات گذشته شرح داده شد ، میتوان علل محتمل آسیب پذیری سد خاکی را در برابر زلزله  به شرح زیر پیش بینی  و ارزیابی  نمود ( البته  وقوع زلزله بر سد هبگن  گرچه منجر به تخریب آن نشد – لزوم توجه به این موارد را تقویت نمود):

1- شکست و فرو ریختن سد به علت وجود گسل اصلی در زیر قاعده سد

2-گسیختگی  دامنه های  سد در اثر جنبش زمین

3- از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر نشست نامتعادل در منطقه

4- از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر لغزش دامنه های وعریض شدن سد

5- لغزش سد روی لایه های ضعیف

6- سر ریز شدن آب  از روی سد در اثر ایجاد امواج  درسطح آب

7- سر ریز شدن آب از روی سد در اثر رخ داد ناگهانی زمین لغزنده در مخزن