مشخصات فایل
موضوع مقاله : سد
قالب بندی :word
تعداد صفحات:24
قسمتی از متن
پیشگفتار
سده های خاکی وپاره سنگی نسبت به سایرانواع سدها انواع سدها(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.
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.
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
8- شکست سر ریز یا لوله های خروجی آب به علت های مختلف ، ونیز مسدود شدن لوله های خروجی ، سر ریز، و یازهکش ها
9- روانگری ماسه های اشباع با دانسیته کم ویا از بین رفتن مقاومت رس های اشباع شده دراثر ارتعاش زلزله،که در هرمورد مقاومت آن بخش به مقدار ناچیزی می رسد .تعداد محدودی از موارد ذکر شده در بالا را می توان بطورکمی بررسی نمود وطرحی را انتخاب نمود که ضریب اطمینان کافی داشته باشد ، ولی اکثریت این موارد قابل محاسبه نیست وفقط می توان وقوع احتمالی آنها را پیش بینی نمود.بنابراین احتیاط مناسب این است که برای هر موردی پیش بینی خاص آن در نظر گرفته شود و در طرح چنان باشد که آسیب احتمالی حاصل از این موارد زیان بار نباشد وچناچنه آسیبی به سد وارد شودقابل تعمیر باشد .
فصل 2
بررسی رفتار تعدادی از سدهای خاکی و پاره سنگی در برابر زلزله
در این بخش ، تاثیر شش زلزله مهم دنیا بر سدهای خاکی در محدوده تاثیر آن زلزله های بررسی شده است .این زلزله ها عبارتند از : زلزله در سان فرانسیسکو- کالیفرنیا (1960) ، زلزله ها اجیکا -ژاپن (1939) ، زلزله کرن کانتی – کالیفرنیا (1952) ، زلزله فالن –نوا دا (1954) زلزله توکاچی-ژاپن (1967) ر ، وزلزله های سان فرناند و (1971)به منظور بررسی و مطالعه اثر زلزله ها ، اطلاعات زیر درمورد سدها جمع آوری وتحلیل شده است .
1-زمان ساخت سد 2- فاصله سد از گسل اصلی ،3- شکل هندسی مقطع عرضی ،4- روش ساخت،5- جنس ونوع خاک تشکیل دهنده بدنه سد و شالوده ،6- میزان تخریب وآسیب دیدگی
زلزله سان فرانسیسکو(1906)
این زلزله در طول 440 کیلومتر از گسل سان اندریاس اتفاق افتاد .33 سد با ارتفاع از6/4 تا 43 متر تا شعاع 60 کیلومتری از این گسل قرار داشتند . برای زلزله ای با بزرگی 25/8 می توان شتاب ایجاد شده در سنگ بستر را در قاعده سد حدود g6/0 با دوره تناوب غالب 4/0 ثانیه ومدت تکان مهم 60 ثانیه در نظر گرفت . با توجه به شدت چنین جنبشی و اینکه دوره تناوب طبیعی خاکریزها در اینجا (مثلا " با ارتفاع 18متر ) چندان از دوره تناوب غالب لرزش زمین متفاوت نیست می توان انتظار داشت که خسارتهای اساسی به سدها وارد آمده باشد .با وجود این ، اکثریت خاکریزهای مورد بحث بدون صدمات مهمی پا برجامانده اند .تناقض این رفتار سدهای سان فرنا ندوی بالائی وپائینی در زلزله 1971 ورفتار سد شیفلد در زلزله سانتا باربا را در 1925 وتعدادی سدها در ژاپن بسیار جالب توجه است به این علت بررسی پایداری این خاکریزها می تواند نکاتی را توضیح دهد در این بررسی مقایسه ای سه عامل مورد توجه قرار می گیرد که عبارتند از : شکل هندسی مقطع سد ، روش ساخت وجنس ونوع مواد تشکیل دهنده سد یا خاکریز
شکل هندسی مقطع
براساس بررسی های انجام گرفته میتوان نتیجه گرفت که هیچگونه ارتباط واضح ومسلمی بین شیب دامنه ها وپایداری آنها در برابر زلزله مشاهده نمی شود .در این مورد علاوه بر مقایسه های متعدد میتوان با ذکر مثالهایی این نتیجه گیری را مستدل نمود. مثلا سدی با شیب دامنه های 1/3/1 ( افقی به عمودی) در فاصله 4/2 کیلومتری از گسل هیچگونه خسارتی را بروز نداده است ، ولی در سد دیگری باهمان ارتفاع در فاصله 29 کیلومتری از گسل و با شیب دامنه های 1/2 شکافهائی ایجاد شده و تاج سد نشست کرده است .
روش ساخت:
هر چند اطلاعات کافی از روش ساخت سدهای مورد مطالعه در دسترس نیست ولی میتوان پذیرفت که در زمان ساخت این سدها کنترل زیادی بر درصد کوبیدگی ودرصد رطوبت نبوده است وعلت مقاوت انها در برابر زلزله ، ساخت محکم آنها نبوده است.
جنس ونوع مواد تشکیل دهنده بدنه و شالوده –
سدهای بررسی شده در این محدوده شامل 2 مورد از جنس ماسه ای ، و31 مورد از جنس رس یا رس ماسه ای می باشند که پلاستیسیته خاکهای رسی آنها در حد متوسط می باشد .
سید Seed)) وهمکاران وی ، نتیجه بررسی روی این سدها را در جدولی مرتب نموده اند که از این جدول اطلاعات زیر نتیجه گیری می شود.
تقریبا تاریخ ساخت تمامی این سدها از سال 1870 به بعد می باشد ،ارتفاع آنها به جز 4مورد، بقیه بیش از 10 متر است و فاصله آنها از گسل اصلی از صفر تا 60 کیلومتر (شکل 2) متغیر می باشد (6 مورد از این سدها روی گسل اصلی قرار دارند)بنابراین شتاب تخمینی در سنگ قاعده از g8/0 تا g2/0(بر حسب فاصله از گسل) برآورد می شود از این 33 سد که توسط زلزله تکان داده شده است فقط 5 سد آسیب دیده اند که از این 5 مورد فقط یکی از آنها روی گسل قرار داشته است (سد Upper Crystal که درموقع زلزله هر دو طرفش پر از آب بوده است) و 4 سد دیگر به فاصله 30 متر از گسل واقع بوده است وآسیب ناچیز دیده اند)
در جدول ذیل ، سدهای مورد بررسی برحسب فاصله آنها از گسل طبقه بندی شده اند .
شالوده سدها غالبا " ازرس ، تعدادی سنگ بستر ،تعداد کمی از آنها از مخلوط ماسه و رس ودریک مورد ما سه گزارش شده است درمجموع به جز آن 5 مورد که درست روی گسل قرار داشتند و آسیبهای جزئی (مثل ترکهای طولی وعرضی) دیده اند ،2 سد دیگر در فاصله 29 کیلومتری (وکمتر) از گسل بوده اند صدمات جزئی دیده اند ،هرچند این دو سد از ماسه سیلتی ،شن رسی وماسه رسی شناخته شده اند وانتظار می رفت که تخریب شده باشند .اما یکی از آنها دارای شالوده خیلی متراکم از رسوبات ماسه سیلتی پلی یستوسن ، دیوارها وکف مخزن بوسیله لایه ای از بتن مسلح پوشیده شده (ارتفاع این سد ،3/7 متر ) و دیگری به ارتفاع 15 متر) ازجنس ماسه سیلتی وماسه رسی روی شالوده رس ماسه ای سفت وماسه رسی متراکم وجبهه بالا دست پوشیده از لایه ای از بتن مسلح به ضخامت 15 سانتیمتر می باشد . بنظر می رسد که هیچکدام از این دو سد در زمان وقوع زلزله هنوز اشباع کامل نبوده اند ونیز علت وجود شالوده بسیار سفت ومحکم خرابی آنها بسیارناچیز بوده است .