مقاله کامل اصول زمین شناسی در سد سازی

سد سازی از جمله طرح های مهندسی متمرکز به شمار می‌آید که در ارتباط مستقیم با زمین ساخته می‌شوند. مطالعات زمین‌شناسی مهندسی در تمامی مراحل اجرای یک طرح سد سازی مؤثر می‌باشند. ناکامی و گسیختگی پیش از یک سوم از سدها در سطح جهان نتیجه ضعف مطالعات زمین‌شناسی مهندسی محل اجرای آنها بوده است که دلیل روشنی بر اهمیت دیدگاههای زمین‌شناسی مهندسی در اجرای موفق طرحهای سد سازی می‌باشد.

سدها سازه‌های هیدرولیکی هستند که عمود بر مسیر جریان آب احداث می‌شوند. هدفهای متعددی با احداث یک سد برآورده می‌شوند که می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

- تأمین آب آشامیدنی شهرها، آبیاری دشت های کشاورزی و تأمین آب واحدهای صنعتی.

- مهار سیلابهای فصلی و کاهش خطر تخریبی آنها.

- تولید برق با احداث نیروگاههای آبی در محدوده سدها

 هرچند در پروژه‌های سد سازی پایه تمام محاسبات بر تضمین موفقیت اجرای سد قرار دارد اما با وجود این مطلب تعدادی از سدها با مشکلاتی در زمان اجرا و بهره‌برداری مواجه می‌شوند. در ایران نیز عدم موفقیت برخی از سدها کاملاً مشهود است که بارزترین آنها سد لار (واقع در شمال شرق تهران) می‌باشد. هرچند ظرفیت مخزن سد تقریباً یک میلیارد متر مکعب می‌باشد ولی از زمان بهره‌برداری در سال 1359 تاکنون کمتر از 3/1 مخزن پر شده است و روزانه در حدود یک میلیون مترمکعب فرار آب وجود دارد. سدهای دیگر کشور از  جمله سد لتیان، 15 خرداد، مارون، جیرفت و سفید رود نیز با مشکلاتی مواجه هستند که مهمترین آنها فرار آب و یا پر شدن مخزن به وسیله رسوبات می‌باشد.

 عوامل مؤثر در انتخاب ساخت گاه سد

موفقیت یک سد در درجه اول به انتخاب صحیح ساخت گاه آن بستگی دارد. در انتخاب محل یک سد لازم است که دو شاخص اصلی در نظر گرفته شود،

1- تأمین پایداری بدنه و مخزن

2- آب‌بندی محدوده احداث سد.

عوامل متعددی در انتخاب ساخت گاه یک سد مؤثر می‌باشند که مهمترین آنها عبارتند از : شرایط توپوگرافی، ساختارهای زمین‌شناسی و وضعیت حوضه آبریز. تأثیر هر کدام از این عوامل در انتخاب ساخت گاه سد به شرح زیر می‌باشد.

 شرایط توپوگرافی

ناهمواری ‌های سطح زمین و مورفولوژی آن معمولاً توسط نقشه‌های توپوگرافی نشان داده می‌شوند. بهترین موقعیت برای احداث سد معمولاً جایی انتخاب می‌شود که یک دره تنگ به وسیله یک دره باز در سمت بالادست دنبال شود. دره تنگ معرف استقامت بالای سنگ می‌باشد که در مقابل جریان آب رودخانه مقاومت بیشتری را نشان داده و دره باز محل مناسبی جهت مخزن می‌باشد که ظرفیت ذخیره‌سازی آب را بالا می‌برد.

 تأثیر شرایط توپوگرافی در انتخاب ساخت گاه سد

 ساختار زمین‌شناسی

ساختار زمین‌شناسی یک محل به وسیله عواملی همچون امتداد و شیب لایه‌ها، ساختمان‌های چین‌خورده، گسلها و درزه‌ها کنترل می‌شود که به شرح زیر مورد بررسی قرار می‌گیرند:

 امتداد لایه‌ها

در محل هایی که لایه‌بندی سنگ مشخص باشد بهتر است محل احداث سد جایی انتخاب شود که محور سد موازی با امتداد لایه‌ها و یا دارای زاویه کمتری با امتداد لایه‌ها باشد.

        <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

امتداد لایه‌ها در انتخاب ساخت گاه سد

علت این انتخاب را می‌توان در موارد زیر توجیه کرد:

الف) در صورتی که محور سد دارای زاویه کمتری با امتداد لایه‌ها باشد امکان دور ماندن از نقاط ضعف بیشتر است.

لازم به ذکر است که نقاط ضعف مورد بحث را می‌توان به شرح زیر بیان داشت.:

- لایه‌های سنگی سست و ضعیف مانند سنگهای شیلی و مارنی

- لایه‌های سنگی دربر گیرنده حفرات و دیگر پدیده‌های کارستی حاصل از انحلال توده سنگ

- لایه‌های سنگی کاملاً خرد شده و یا کاملاً هوا زده شده.

- گسلها و مناطق گسله که عموماً با خردشدگی و شکستگی ‌های زیاد همراه می‌باشد.

ب) در صورتی که محور سد موازی با امتداد لایه‌ها باشد سنگهایی با شرایط و خصوصیات یکسان در محدوده تکیه‌گاهها و پی سد قرار می‌گیرند. بنابراین سنگها رفتار مشابهی در طول محل بار گذاری خواهند داشت و پایداری سد بیشتر خواهد بود. در چنین شرایطی طراحی سد نیز ساده‌تر خواهد بود.

ج) در صورتی که محور سد موازی با امتداد لایه‌ها باشد امکان فرار آب کمتر است. دلیل آن به این صورت است که لایه‌ها در جهت عمود بر مسیر جریان آب قرار داشته و نفوذ پذیری در آن جهت کاهش می‌یابد.

 شیب لایه‌ها

به طور کلی بهتر است محل احداث سد جایی انتخاب شود که جهت شیب لایه‌ها به سمت بالا دست باشد یا به عبارت دیگر جهت شیب لایه‌ها در جهت عکس جریان آب باشد. شکل (الف) ساخت گاه سدی را نشان می‌دهد که جهت شیب لایه‌ها در آن به سمت پائین دست است در حالی که جهت شیب لایه‌ها در شکل  ( ب) به سمت بالا دست است.

     <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

تأثیر جهت شیب لایه‌ها در انتخاب ساخت گاه سد

 برای توصیه این انتخاب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف- از آنجا که معمولاً تراوش آب در جهت سطوح لایه‌بندی صورت می‌گیرد بنابراین در صورتی که جهت شیب سطوح لایه‌بندی به سمت بالا دست باشد امکان فرار آب کمتر است و محل احداث سد از شرایط آب‌بندی بهتری برخوردار می‌باشد.

ب- پایداری پی و تکیه‌گاههای سد ببیشتر است زیرا که قسمت اعظم بارهای وارده بر سطوح لایه‌بندی به سمت بالادست منتقل می‌شود.

در صورتی که شیب لایه‌ها به سمت پائین دست باشد امکان فرار آب بیشتر و ناپایداری سطوح لایه‌بندی بیشتر خواهد بود و در نهایت پایداری بدنه سد نیز در معرض خطر قرار می‌گیرد.

 چین خوردگی

نقش ساختمان‌های چین‌خورده در انتخاب محل احداث یک سد را می‌توان با توجه به موارد زیر بیان داشت.

الف- بهتر است محل احداث سد جایی انتخاب شود که محور سد موازی با محور چین باشد و ساختمان چین‌خورده از نوع طاقدیس باشد. <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

   تأثیر چین خوردگی در ساخت گاه سد

 ب- در صورتی که محور سد عمود بر محور طاقدیس و یا ناودیس باشد لازم است که جهت شیب لایه‌ها در محل احداث سد در نظر گرفته شود. در هر دو حالت جهت شیب لایه‌ها به سمت بالادست است. اگر سنگ‌های تشکیل دهنده اینگونه ساختمانهای چین‌خورده از شرایط خوبی با توجه به استقامت و آب‌بندی برخوردار باشند می‌توانند ساخت گاه مناسبی برای احداث یک سد در نظر گرفته شوند.

  محور سد عمود بر محور چین خوردگی

 وضعیت حوضه آبریز:

محل احداث سدها معمولاً در قسمت انتهایی یک حوضه آبریز انتخاب می‌شوند بدین ترتیب حجم بیشتری از آب ذخیره و یا کنترل می‌شود.. در جایی که رودخانه‌ها جریان فصلی دارند و سدهای ساخته شده اغلب از نوع مخزنی، تنظیمی و یا حفاظتی می‌باشند. به عنوان مثال می‌توان به سدهای کرج، جیرفت، ساوه، علویان و درود زن اشاره نمود.

در جایی که رودخانه‌ها جریان دائمی داشته باشند احداث سد در قسمتهای مختلف مسیر رودخانه وجود دارد و سدهای احداث شده اغلب از نوع سدهای نیروگاهی و یا مخزنی هستند به عنوان مثال می‌توان از سدهای کارون 1، کارون 3، کارون 4، سد کرخه، سد استور و سد منجیل نام برد.

 عوامل مؤثر در انتخاب نوع سد

سدها با توجه به نوع مصالح مورد استفاده و شکل ساختمان آنها به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. انتخاب نوع سد معمولاً طوری صورت می‌گیرد که بیشترین سازگاری را با محیط اطراف خود به وجود می‌آورد و در این شرایط است که موفقیت سد تضمین می‌گردد.

دره‌ها معمولاً در اثر عملکرد پدیده‌های مختلف زمین‌شناسی شکل می‌گیرند. شکل یک دره می‌تواند در انتخاب نوع سد نقش عمده‌ای داشته باشد در طرحهای مهندسی سد دره‌ها با در نظر گرفتن دو شاخص زیر معرفی می‌شوند:

الف- پهنای دره در محل تاج سد (B)

ب- عمق دره در محل احداث سد (H)

یکی از روش‌های ساده برای طبقه‌بندی دره‌ها با توجه به شکل، طبقه‌بندی آنها با توجه به روش توماس B/H می‌باشد. دره‌ها از نظر شکل به سه مجموعه زیر تقسیم می‌شوند:

1- دره عمیق Gorge Valley دره‌ای است که در آن B/H کمتر از 3 می‌باشد.

2- دره تنگ Narrow Valley دره‌ای است که در آن B/H بین 3 تا 6 می‌باشد.

3- دره باز Wide Valley دره‌ای است که در آن B/H بیش از 6 می‌باشد.

 استقامت زمین

یکی از عوامل مؤثر در استقامت زمین محل اجرای پروژه، خواص مهندسی سنگ‌ها و خاکهای منطقه احداث سد است. ظرفیت باربری یکی از شاخصهایی است که به این عوامل بستگی دارد و می‌توان به وسیله آن استقامت زمین را مورد سنجش قرار داد. جدول زیر الگویی مناسب برای احداث یک سد با در نظر گرفتن ظرفیت باربری مجاز زمین می‌باشد:

با بررسی جدول فوق به تفاوت ظرفیت باربری در مورد انواع سدها آشنا می‌شویم. سدهای خاکی با داشتن سطح قاعده وسیعتر سبب پراکنده شدن بار سد در گستره وسیع‌تری می‌شوند و در نتیجه واحد سطح کمتری خواهیم داشت.

و در مقابل سدهای بتونی قوس مضاعف به صورت بالعکس عمل می‌کنند. بنابراین خواص باربری زمین در انتخاب نوع سد با توجه به شکل ساختمانی آن و کوه انتقال نیرو نقش عمده‌ای پیدا می‌کنند.

علاوه بر موارد مذکور شاخصهای دیگر مهندسی سنگها و خاکها از قبیل مقاومت‌های ترا کمی، برشی و کششی، مدول الاستیسیته، ضریب پواسیون و همچنین عوامل مختلفی نظیر میزان هوا زدگی، درصد اشباع شد گی و موارد دیگری که در جداول زیر طبقه‌بندی شده‌اند می‌توانند نقش اساسی در روند اجرای پروژه ایفا کنند.

در پایان می‌توان به موارد دیگری نیز اشاره کرد که نقش مهمی در تصمیم‌گیری‌های اولیه مبنی بر آغاز پروژه ایفا می‌کنند از این قبیل موارد می‌توان به انتخاب نوع سد و موقعیت جغرافیایی آن و نکات دیگری اشاره کرد که از نقطه نظر فراوانی، مصالح مورد بررسی‌های اولیه قرار می‌گیرند که چه بسا همین بررسی‌ها نیز پروژه‌ای را صرفاً به علت مناسب نبودن بازدهی به طور کامل متوقف کند.

برای تفهیم بهتر این موضوع در جدول زیر به یکی از شاخه‌های عوامل یاد شده اشاره شده است. به این صورت که به مقایسه حجم مصالح مصرفی سدهای بتونی قوسی و سدهای خاکی پرداخته شده است.

 با ذکر عوامل یاد شده مشاهده می‌شود که حتی اگر جزئی‌ترین موارد در هر کدام از این زیرشاخه‌ها با بی‌تفاوتی و یا کمرنگ جلوه دادن آن مواجه شود چه بسا خسارات فراوانی را در پروژه‌های گوناگون باید متحمل شویم. با طبقه‌بندی این عوامل می‌توان آنها را به صورت کلی به چند بخش تقسیم کرد تا یک نمای کلی از عوامل مؤثر در مطالعات زمین‌شناسی ساخت. سد در ذهن ایجاد شود.

- محوریت بررسی‌های زمین‌شناسی در آغاز پروژه

- نقش زمین‌شناسی مهندسی در انتخاب ساخت گاه و نوع سد

- مطالعات مناسب در طراحی پرده آب‌بند و انتخاب روش صحیح جهت مهار تراوش آب در محدوده سد

- ارزیابی پایداری دامنه‌ها در محدوده سد و مخزن سد با استفاده از ویژگی‌های زمین‌شناسی

همچنین در پایان پیشنهاد می‌شود که با توجه به تجارب به دست آمده در پرداخت هزینه‌های هنگفت و روشن‌شدن اهمیت مطالعات زمین‌شناسی قبل از اجرای پروژه‌ها به این مسئله بهای بیشتری داده شود. تا حداقل، شرایط اولیه برای اجرای یک پروژه که همانا ایجاد امنیت اقتصادی در اجرای آن می‌باشد به صورت نسبی تأمین شود.