ساخت نرم افزاری جهت طراحي اوليه سدهاي خاکي

ساخت نرم افزاری جهت طراحي اوليه سدهاي خاکي

چکيده :

براي ساخت يك سد خاکی ، تحقيقات هيدرولوژي و شناسایی ژئوتکنیکی و سپس مسائل اقتصادي ، اجتماعی و زیست محیطی به دقت بررسي مي گردند . در بررسي مسائل اقتصادي قدم نخست ، طراحي اوليه سدهاي خاكي يا همان پيش طراحي و سپس كنترل هاي اوليه مي باشد . اطلاعاتي از قبيل نوع سد ، ابعاد سد ، مشخصات زهكش ها ، تحكيم خاک ، سازه هاي حائل ، سپر ها ، محاسبات شبكه جريان و تحلیل هاي پايداري كه از نتايج طراحي اوليه مي باشند مي توانند ما را در انتحاب محل بهینه سد از نقطه نظر مهندسی و همچنین از نظر اقتصادی کمک نمایند . در طراحی اولیه سد خاکی همچنین نوع و میزان مصالح خاکی مصرفی تا حدود زیادی مشخص شده و می توان بهترین محل تهیه آنها را از نظر کیفیت و هزينه تهیه تخمین زد . علاوه بر موارد ذکر شده بسياري از مسائل اقتصادي ديگر با داشتن نتايج حاصل از طراحي اوليه ، حل و فصل خواهد شد .

به منظور دقت در محاسبات پيش طراحي و كنترل هاي اوليه ، يك نرم افزار مناسب مي تواند طراحان و مهندسان مشاور را در كنترل عوامل مهندسی و اقتصادي كمك نمايد .

Abstract:

For building a dam first of all we consider exactly research procedures of hydrology and soil mechanic, then economic and political areas respectively. Economic problems analysis the important choices are initial design of earth dam or sketch and then initial controllers. In initial design of earth dam these information like dam type, dimensions, drain features, consolidation, retaining wall, sheet piling, flow net calculations, stability controllers are the results of initial design that can be useful from the soil mechanically for determining the proper place of dam. And they are economical for materials providing. The noted factors can reflect a positive or negative answer for providing materials or what sort of materials are easy to provide from the point of time and cost, more over, they have suitable result in initial controller in spite above problems most of other economic choices are considering with the initial design results and then will be solved.

In order to exactness of sketch calculation and initial controllers would be helped designers and consulting engineers for controlling the considerable economic areas.

فهرست علائم : .....................................

ساخت نرم افزاری جهت طراحي اوليه سدهاي خاکي

نوشته : مهندس ناصر فخاری

چکيده :

Abstract:

In order to exactness of sketch calculation and initial controllers would be helped designers and consulting engineers for controlling the considerable economic areas.

فهرست علائم :

ارتفاع آزاد ، سرعت باد ، زاويه شيب بالادست ، زاويه شيب پايين دست ، عرض تاج ، ارتفاع سد، تراز آب ، فشار آب منفذي ، ضريب تحكيم ، دبي ، ضريب نفوذ پذيري ، قطر دانه خاك ، ضخامت فيلتر ، چسبندگي ، زاويه اصطكاك داخلي، مقاومت برشي ، فشار قائم بر سطح برش ، تنش مؤثر ، وزن خاك سطح لغزش ، طول قوس لغزش، ضريب اطمينان، نيروي برشي در كف قطعه لغزش ، نيروي عكس العمل خاك .

سيستم :

نيرو ( ) – عرض و ارتفاع ( )– طول ( ) – ضخامت ( ) – زاويه ( درجه )

كليد واژه ها :

طراحي اوليه – ارتفاع آزاد – تاج سد – شيرواني–پايداري – تحكيم – تراوش – شبكه جريان – زهكش– فيلتر

1- مقدمه :

تجربه و علم مهندسي نشان داده است که سدهاي خاکي بيش از سدهاي بتني در معرض تخريب بوده اند و اطلاعات آماري اشاره بر اين دارند که بيش از 50% خرابيها يا آسيب ديدگي هاي سدهاي خاکي در حين ساخت يا در اولين پر شدن بوده است .

با علم به موارد فوق ، تکنولوژي طراحي و ساخت سدهاي خاکي روز به روز در حال پيشرفت ، دقت و ملاحظه بيشتري مي باشد . يکي از موارد حضور چشمگير تکنولوژي در طراحي سدها ، بهره گيري از کامپيوتر در طراحي سدها و مدل کردن سد و نيروهاي وارده بر آن و کنترل بخشها و اجزاء مختلف يک سد مي باشد .

از آنجا که تا اين زمان برنامه اي مشتمل بر کليه مسائل مربوط به طراحي اوليه سدهاي خاکي ارائه نشده است ، لذا سعي شده است تا در اين برنامه کليه مباحث اوليه شامل کنترل پايداري ، کنترل تراوش ، طراحي زهکش، تعيين ابعاد ، برآورد حجم خاک مصرفي، محاسبه فشارهاي حفره اي ، محاسبه نيروهاي جانبي خاک ، تنش در عمق و تحکيم ، با دقت و خطاي ناچيز مورد بررسي قرار گيرد . البته شرايط خاصي حاکم بر طرح مي‌باشد ، از جمله همگن بودن خاک بدنه سد، نفوذ ناپذير بودن بستر سد و وجود زهکش افقي در پاياب .

2- شرح برنامه

2-1- تعيين ابعاد بدنه و برآورد حجم عمليات در سد خاکي :

ابعاد سد شامل : ارتفاع آزاد ، شيب بالا دست ، طول شيب بالا دست ، شيب پايين دست ، طول شيب پايين دست و عرض تاج سد مي باشد .

توجه ) در اين برنامه ارتفاع آزاد ، عرض تاج و شيب طرفين بر اساس روابط علمي و تجربي ، بعنوان يک طرح اوليه پيشنهاد مي شود و تصميم نهايي درباره ابعاد دقيق سد بعهده طراح مي باشد . {1}{2}{1}

شکل 1 – شمای ابعادی سد خاکی

يا سدهاي كوتاه از ( 5تا10) متر

يا سدهاي كوتاه تر از 30 وبزرگتر از 20 متر

سدهاي بزرگتر از 30 متر

2-2- برآورد حجم خاک :

در اين برنامه حجم تقريبي خاک مصرفي در واحد طول سد خاکي با توجه به ارتفاع ، شيب طرفين و عرض تاج سد ، از دياگرامهاي ارائه شده در شکل (2) محاسبه مي شود .{2}

2-3- تحکيم و كنترل نشست :

تحکيم عبارت است از تغيير شکل ( نشست ) خاک در اثر خروج آبهاي منفذي تحت بارهاي اضافي وارده .

شکل 2 – نمودارهای مربوط به تعيين حجم عمليات خاکی

2-3-1- تحکيم يک بعدي

چنانچه تغيير شکل خاک فقط در يک جهت امکان پذير باشد ، تحکيم حاصله را تحکيم يک بعدي مي گويند . در عمل، تحکيم بصورت سه بعدي است ، زيرا مقدار تغيير شکل در سه جهت امکان پذير مي باشد ولي براي سادگي محاسبات از تئوري تحکيم يک بعدي استفاده مي شود که در اين صورت جوابهاي بدست آمده حدود 10 تا 15 درصد کمتر از حالت سه بعدي مي باشد . {3}

شکل 3 - نمايش شبکه (z,t) در روش عددی تفاضلهای محدود

در اين برنامه با داشتن شرايط مرزي و ويژگي هاي خاک و مدت زمان مورد نظر با حل عددي معادله تحکيم به روش تفاضلهاي محدود نتايج حاصل از تحکيم به صورت ماتريسي ارائه خواهد شد .

(1)

در روش تفاضلهاي محدود ، مقادير جملات و را به کمک بسط تيلور محاسبه مي کنند . اين مقادير ، با تقريب ، بصورت زير بيان مي شود :

(2)

(3)

(1),(2),(3) :

روش فوق موقعي همگرا مي باشد که باشد و بهتر است انتخاب گردد . با استفاده از معادله (4) و داشتن شرايط مرزي و شرط اوليه ، مي توان فشار منفذي را براي بقيه نقاط شبکه بدست آورد .

2-4- كنترل تراوش و طراحي زهكشها :

يکي از مهمترين علل خرابي سدهاي خاکي ، تراوش از درون بدنه سد مي باشد لذا در سالهاي اخير بصورت علمي به آن پرداخته شده است

به واسطه رسم شبکه جريان مي توان دبي نشت ، ميزان فشار حفره اي در کليه نقاط و طول زهکش مورد نياز جهت ايمني شيب پايين دست را محاسبه نمود .

راه حل کوزني (Kozeny) براي جريان در بدنه سدهاي خاکي همگن روي بستر نفوذ ناپذير و زهکش افقي در پاياب مي باشد ، که بر اساس تئوري رياضي اعداد مختلط قابل بيان است . البته راه حل ذکر شده کليه خطوط جريان از جمله خط آزاد جريان آب (خط تراوش) و کليه خطوط هم پتانسيل ، سهمي هاي هم کانوني را تشکيل مي دهند . {1}

شکل 4 - شبکه جريان در بدنه سد خاکی

براي ترسيم خط جريان و پتانسيل ( شبکه جريان ) در سدهاي خاکي ، اصل رياضي تبديل سازگار در توابع مختلط استفاده شده است . {4}

( ب ) صفحة r ( الف ) صفحه W

شکل 5 – تبديل سازگار در تئوری اعداد مختلط

در شکل (الف) محدوده جريان واقع در صفحه w که در شرايط حدي مربوط به سدهاي خاکي است نشان داده شده است . در اين حالت تابع بصورت تابع انتقالي عمل مي کند .

روابط پايه بصورت زير در مي آيند :

(5)

(6)

اگر شرايط مرزي ( و ) در رابطه (6) قرار بگيرند معادله خط جريان فوقاني بدست مي آيد :

منحني حاصل از معادله فوق ، سهمي پايه کوزني مي باشد . مبدأ و کانون اين سهمي در نقطه A قرار دارد .

شکل 6 – رسم سهمی پايه کوزنی

2-4-1- زهکش :

زهکشي در بدنه سد به منظور جمع آوري و هدايت زه عبور کرده در بدنه و يا از شالوده مي باشد و هدف آن اين است که دامنه پايين دست حتي الامکان خشک نگاه داشته شود و نيز از هر گونه اضافه فشار آب منفذي در مناطق مختلف سد جلوگيري گردد . {1}

2-4-1-1- طراحي زهکش :

در اين پروژه زهکش افقي در پاياب طراحي مي شود . بدين ترتيب که سه لايه فيلتر با ضخامت و ويژگي مصالح مشخص طرح مي شود . براي انتخاب صحيح مصالح معيارهاي زير بايد رعايت شود : {5}

- اندازه حفرات مصالح فيلتر بايد به قدر کافي ريز باشد تا از شسته شدن خاک مورد محافظت به داخل آن جلوگيري شود .

- مصالح فيلتر بايد داراي نفوذ پذيري بالا باشند تا از بوجود آمدن نيروهاي نشت زياد و فشار هيدرواستاتيک در مصالح جلوگيري شود .

- به منظور جلوگيري از جدا شدن دانه ها در فيلتر ، مصالح فيلتر نبايد دانه هايي با قطر بزرگتر از 76 ميلي متر داشته باشند .

- به منظور جلوگيري از فرسايش داخلي ذرات ريز فيلتر و تأمين نفوذ پذيري کافي ، نبايد ميزان ريز دانه هاي ريز تر از الک نمره 200 درفيلتر بيشتر از 5% باشد .

2-4-1-2- شرايط طرح زهكش :

قطر دانه هاي مختلف زهکش بر مبناي 15 درصد دانه هاي ريز مواد تشکيل دهنده جسم سد ، مخصوصاً درپايين دست آن برآورد مي شود . {2}

شکل 7 - فيلتر افقی در پاياب

ضخامت لايه هاي مختلف زهکش را با توجه به 15 درصد قطر دانه بندي مواد تشکيل دهنده آنها به ترتيب زير برآورد مي شود :

توجه ) حداقل ضخامت لايه نبايد از 30 سانتي متر کمتر باشد .

2-5- کنترل پايداري بدنه سد و شيرواني هاي منتهي به درياچه :

پايداري سدهاي خاکي حالت خاصي از مسئله پايداري در شيبها مي باشد . براي بررسي پايداري در شيبها روشهاي مختلفي وجود دارد که عموماً به روش تعادل حدي تحليل مي شوند . مطابق اين روش ، سطح لغزش انتخاب ، و مقاومت برشي لازم براي مقابله با لغزش در سطح انتخابي با مقاومت برشي موجود در خاک در آن سطح مقايسه و ضريب اطمينان بدست مي آيد . {3}

= ضريب اطمينان

با روش سعي و خطا مکانيزم لغزش براي کمترين ضريب اطمينان بدست مي آيد .

عواملي که در تحليل تعادل حدي دخالت دارند عبارتند از پارامترهاي مقاومت برشي ، فشار آب حفره اي و ضريب اطمينان طرح .

فشار آب حفره اي

پارامترهاي مقاومت برشي عبارتند از c (چسبندگي) ، ( زاويه اصطکاک داخلي) ، بطوريکه مقاومت برشي

( ) از رابطه بدست آيد . در اين رابطه فشار قائم بر سطح برش است .

روشهاي مختلفي براي محاسبه ضريب اطمينان وجود دارد . بطور کلي روش اصلي شامل استفاده از سطح شکست بصورت قوسي از دايره يا يک قطعه لغزان يا هر دو است .{6}

شکل 8 - سطح لغزش فرضی و تعيين قطعات

براي تحليل برحسب تنش مؤثر داريم :

طول قوس مي باشد .

(7)

2-5-1- روش بيشاپ : {6}

بيشاپ براي حل معادلات پايداري فرض را بر اين گرفته که نيروهايي که بين قطعات عمل مي کنند صرفاً افقي اند يا به عبارت ديگر :

براي تعادل،نيروي برشي در کف هر قطعه برابر است با : لذا منتج نيروها در جهت عمودي عبارت است از:

بنابراين اگر فرض شود معادلة (٭) بصورت زير در مي آيد :

2-5-2- كنترل پايداري سد در زمان پر و خالي شدن درياچه : (حالت توقف آب در مقابل شيب )

چند ضلعي نيروها و چند ضلعي نيروها با حذف T و R

: ناشي از تراوش : نيروي عكس العمل مؤثر خاک

: ناشي از ارتفاع آب : تابعي است از

ضريب اطمينان از رابطه مقابل بدست مي آيد :

( اين رابطه براي زماني است كه از و صرفنظر شود )

( ابتدا حدس زده مي شود سپس بدست مي آيد . از آنجا محاسبه و به جاي اين رابطه قرار مي دهيم )

البته مي توان محاسبه را طوري انجام داد كه نيروهاي و بين قطعات را نيز به حساب آورد . اگر چه براي سطح شكست دايره اي ، اختلاف در ضريب اطمينان بدست آمده از 10 تا 15 در صد تجاوز نمي كند و در اكثر موارد كمتر از دو صد است: ولي اگر سطح شكست دايره اي و يا نزديك به دايره نباشد اين خطا افزايش مي يابد به هرحال با احتساب نيروهاي بين قطعه اي و براي يك سطح شكست دايره اي خواهيم داشت :

ميزان فشار حفره اي در يك نقطه ( عدد بدون شاخص است )

كه علاوه بر رابطه فوق بايد داشته باشيم : و

غير از روش بيشاپ روشهاي ديگري از جمله فلنيوس ، تايلور ، قطعات و ... وجود دارد که در کنترل پايداري و محاسبه ضريب اطمينان مي توان از آنها استفاده کرد .

3- خلاصه :

براي طراحي اوليه سدهاي خاکي موارد ذيل مورد نياز است که به بررسي اين موارد جهت ساخت نرم افزار پرداخته مي شود :

3-1- تعيين ابعاد بدنه سد

بر اساس ويژگي هاي خاک و روابط علمي _ تجربي محاسبات انجام مي گيرد:

يا سدهاي كوتاه از ( 5تا10) متر

يا سدهاي كوتاه تر از 30 وبزرگتر از 20 متر

سدهاي بزرگتر از 30 متر

3-2- برآورد حجم خاک مصرفي :

چگونگي برآورد حجم خاک مصرفي با توجه به ارتفاع ، شيب طرفين ، و عرض تاج از دياگرامهاي ارائه شده استفاده مي شود .

3-4- تحکيم

تحکيم عبارتست از تغيير شکل خاک در اثر خروج آبهاي منفذي تحت بارهاي اضافي وارده . حل عددي معادله تحکيم به روش تفاضلهاي محدود صورت مي گيرد : و

با استفاده از معادله فوق و داشتن شرايط مرزي و شرط اوليه ، مي توان فشار منفذي را براي بقيه نقاط شبکه بدست آورد .

3-5- رسم شبکه جريان

يکي از مهمترين علل خرابي سدهاي خاکي تراوش از درون سد مي باشد لذا براي رسم شبکه جريان و پيش بيني نحوه تراوش ، طول و ديگر ابعاد زهکش را بگونه اي طراحي مي کنيم تا تراوش به نحوي که مورد نظر طراح است صورت پذيرد تا بدنه سد در پايين دست ( شيب پايين دست ) از تخريب ناشي از تراوش ايمن باشد. خط جريان فوقاني در تراوش از رابطه زير قابل محاسبه است:

3-6- زهکش

زهکشي در بدنه سد به منظور جمع آوري و هدايت زه عبور کرده در بدنه و يا از شالوده مي باشد و هدف اين است که دامنه پايين دست حتي الامکان خشک نگاه داشته شود و نيز از ايجاد هرگونه اضافه فشار آب منفذي در مناطق مختلف سد جلوگيري گردد .

قطر دانه بندي لايه هاي مختلف زهکش بر مبناي 15 درصد دانه هاي ريز مواد تشکيل دهنده جسم سد مخصوصاً در پايين دست آن برآورد مي شود . ضمناً ضخامت حداقل هر لايه نبايد از 30 سانتي متر کمتر باشد .

3-7- کنترل پايداري

روشهاي مختلفي براي محاسبه ضريب اطمينان وجود دارد . بطورکلي روش اصلي ، شامل استفاده از سطح شکست بصورت قوسي از دايره يا يک قطعه لغزان يا هر دو است

طول قوس لغزش ضريب اطمينان سطح لغزش

ضريب چسبندگي زاويه اصطکاک داخلي

زاويه اي که هر قطعه با افق مي سازد (شيب هر قطعه)

3-7-1- حالت توقف آب در مقابل شيب :

: ميزان فشار حفره اي در يک نقطه

4- نتيجه گيري و پيشنهادات :

براي طراحي اوليه سدهاي خاکي موارد ذيل مورد نياز است که به بررسي اين موارد جهت ساخت نرم افزار پرداخته مي شود :

در اين نرم افزار بر اساس روابط علمي _ تجربي ابعاد اوليه سد محاسبه شده و ميزان خاک مصرفي در واحد طول سد محاسبه مي گردد و از آنجا که وجود قرضه مورد استفاده و صرفه اقتصادي در تعيين محل سد و نوع سد مهم مي باشند ، لذا برآورد حجم خاک مصرفي به طراح کمک قابل ملاحظه اي خواهد کرد .

البته در اين برنامه حالت خاص همگن بودن سد و نفوذ ناپذير بودن خاک بستر بعنوان پيش فرض مدنظر قرار گرفته است ، لذا جهت پيشرفت و ارتقاع سطح اين نرم افزار مي توان به حالتهايي غير از پيش فرضهاي موجود پرداخت .

5- مراجع : ( References )

[1] سدهاي خاكي « انتشارات جهاد دانشگاهي واحد صنعتي اصفهان - محمود وفائيان (چاپ اول ، 1377)

[2] محاسبه و اصول سدسازي « انتشارات نيا »- شجاع الدين سيمافر(چاپ سوم ، 1374)

[3] اصول نظري و علمي مكانيك خاك « انتشارات دانشگاه شهيد چمران» - رضا ابن جلال ، محمود شفاعي (چاپ سوم ، 1377)

[4] مكانيك خاك (جلد اول) « انتشارت دانشگاه تهران» - كامبيز بهنيا ، امير محمد طباطبائي(چاپ نهم ، 1380)

[5] اصول مهندسي ژئوتكنيك مكانيك خاك «انتشارات غزال » - شاپور طاحوني(چاپ سوم ، 1375)

[6] Soil Mechanics , John Wiley and Sons - Lambe , T.w. , and Whitman , R.V. (1969)

http://www.soil-water.com