پارس عمران
مرکز آموزش مهندسی عمران و معماریپارس عمران
مرکز آموزش مهندسی عمران و معماریمقدمه ای بر بررسی های ایمن سازی در سدهای قوسی
درحال حاضر، مهمترین اهداف در بررسی های امنیتی در این زمینه شامل، تئوری مقاومت، تئوری پایداری، تئوری قابلیت اتکاء، تئوری صدمات شکستگی به همراه تحلیل های شبیه سازی عددی، تست مدل ژئوهندسی، ارزیابی و تحلیل بالعکس داده ها و غیره می باشد. با این وجود، این اهداف، دور از اصول تئوریکال علمی و اقبال از سوی چرخه ی مهندسین سد می باشد. این مقاله درباره ی پیشرفت های صورت گرفته در زمینه ی سدهای قوسی و زیان و خسارت ناشی از فروریزی این سدها و خلاصه ای بر تئوری های اصلی موجود و اهداف ارزیابی های امنیتی سدهای قوسی بوده و نقاط ضعف این تئوری ها و اهداف را تحلیل کرده و مشکلات موجود بر سر راه تحقیقات آینده را مورد اشاره قرار داده و نهایتاً به مسائل و موضوعات حیاتی و نقاط مشکل ساز به عنوان ارزیابی های امنیتی سدهای قوسی می پردازد
مقدمه:
سدهای قوسی گونه‌ای از سدهای امن و اقتصادی می‌باشند. از زمان ساخت اولین سد قوسی در جهان (سد زولا) در فرانسه در سال 1854 و اولین سد قوسی بلند در جهان(سد هاور) (به ارتفاع 221 متر و طول تاج 372 متر) در آمریکا در سال 1936، سدهای قوسی به لطف اضافه ظرفیت باربری منحصر بفرد و خصیصه ی خود- تنظیمی، به وفور مورد توجه مهندسین سد در زمینه ساخت سد در سراسر جهان قرار گرفته اند. در حال حاضر بیش از نیمی از سدهای عظیم ساخته شده در سراسر جهان با ارتفاعی بیش از 200 متر از نوع سدهای قوسی می‌باشند. در نواحی غربی چین گروهی از سدهای قوسی ممتاز جهان با ارتفاعی بیش از 300 متر در دست ساخت بوده و یا ساخته خواهند شد. سد سازی در تمام کشورهای جهان این موضوع را به اثبات رسانیده است، که هر چه سد بلندتر و مرتفع تر باشد، اهمیت اقتصادی و جنبه های امنیتی آن بیشتر خواهد بود. بطور کلی، سدهای قوسی با مخازن عظیم مانند سد قوسی مالپاستفرانسه، سد قوسی وایونت ایتالیا و غیره ثابت کرده اند که در صورت فروریزی و خرابی، عواقب این مسئله کاملاً جدی بوده و نه تنها اقتصاد ملی را متحمل زیان قابل توجهی می کنند، بلکه جان و مال مردم را شدیداً به خطر خواهند انداخت. در سال 1959 سد قوسی مالپاست فرانسه به دلیل لغزش بدنه سد بهمراه لایه ی عمیق سنگی شالوده، فرو ریخت که این اتفاق منجر به مرگ 400 نفر و از دست رفتن سدمایه ی اقتصادی هنگفتی گردید.
بنابراین اهمیت بالایی باید به مسائل امنیتی سدهای قوسی داده شود و بررسی‌های عمیقی باید به سمت تنش، تغییر شکل و مکانیزم تخریب در حین بهره برداری از این سدها سوق داده شود و همچنین ارزیابی هایی در ارتباط با ضریب اطمینان سدهای قوسی باید صورت پذیرد. .( به این معنی که فاصله ی بین حالت طراحی شده و حالت تخریبی سد قوسی باید ارزیابی شود). به طور کلی اکثر سدهای قوسی دارای شرایط ژئولوژیکی پیچیده، شرایط محیطی ناسازگار، عدم قطعیت فیزیکی (تصادفی)، پارامترهای مکانیکی و غیره می باشند. تمام این فاکتورها باعث عدم قطعیت در تحقیقات صورت گرفته درزمینه ی امنیت سدهای قوسی شده است. تمام تئوری ها و اهداف حال حاضر دارای هم نقطه ی ضعف و هم نقطه ی قوت بوده که باید پیشرفت ها و تکمیلات مربوطه به سرعت صورت پذیرد.
بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری مقاومت
بر طبق تئوری مقاومت، خرابی یک سد قوسی به جهت ترک های قوسی ایجاد شده براثر تنش‌های کششی اضافی، تسلیم شانه و یا بدنه ی سد بر اثر تنش های فشاری اضافی، لغزش بدنه ی صخره‌ای سد در امتداد سازه ی نرم و ضعیف بر اثر تنش های برشی اضافی و... به وقوع می پیوندد. با مقایسه ی مقاومت تحت شرایط محدود شده و اثر بار طراحی می‌توان مشخص نمود، که آیا سازه به مقاومت تخریبی (مقاومت نهایی) خود رسیده است یا خیر. در کشورهایی مانند ایالات متحده، ژاپن، چین و... رسم بر این است که ضریب اطمینان مقاومت کششی و فشاری از طریق آنالیز تنش ـ کرش سد قوسی توسط فرایند تقسیم بار تیر قوسی بدست آمده و سپس ضریب اطمینان مقاومت برشی براساس اصل تعادل حد بدنه ی صلب محاسبه شود.
در محاسبات عددی توسط فرآیند المان محدود و...مقیاس مور- کولمب و دراکر ـ پراگر به طور معمول به عنوان میزان تسلیم برای مصالح سنگی خاکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالی که برای بتن مقیاس پارامتری چهارگانه به طور معمول مورد استفاده قرار می گیرد.
مزایای ضریب اطمینان مقاومت عبارت است: از محاسبات ساده، قرارگیری بر پایه ی سالها تجربه و فعالیت مهندسین سد، متداول در بین مهندسین و متخصصین سد و همچنین قابلیت انطباق با ضرائب اطمینان مجاز مشخص شده در کشورهای مختلف. مشکل این راه حل آن است که نارسایی مقاومت موضعی ممکن نیست باعث تخریب کلی سد قوسی شود و تنها زمانی که سطح تماس لغزش، یک صفحه و یا یک قوس دایروی باشد و از قبل داده شده باشد، می‌توانیم یک نتیجه ی محاسباتی منطقی ازضریب اطمینان تنش برشی بدست آوریم. به علاوه روش تئوری مقاومت، بدنه، شانه و شالوده ی سد را به عنوان یک تسلیم جامع و کلی در نظر نمی‌گیرد. برای کامل کردن فرآیند آنالیز ضریب اطمینان مقاومت، بسیاری از دانشجویان از جنبه‌های مختلف به تحقیق پرداخته‌اندسان مینگ کووان، ژانگ جینگ جیان و… ضریب اطمینان نقطه ای را بررسی و پیشنهاد کرده‌اند. چنجیان پینگ، وانگ لیانکوی و… تأثیر و طول ترک ها را بر روی تخریب سدهای قوسی مورد مطالعه قرار داده و یک مقدار بحرانی را برای ترک و طول ترک ها پیشنهاد کرده اند. چن جین، هووانگ وی و… تحلیل هایی را بر روی اندازه سطح ترک خورده انجام داده و فرضیه ی سطح ترک را پیشنهاد کرده و دامنه ی بحرانی را نیز به دست آورده‌اند. تمام تحقیقات و مطالعات فوق الذکر به مفاد آنالیز تئوری مقاومت سدهای قوسی‌اضافه شده است. با این وجود قبول و انتخاب این مفاهیم نیازمند مطالعات بیشتری می باشد.
بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری پایداری
طبق مکانیک سنتی، هیچ گونه مشکل پایداری وجود ندارد، و لغزش سد قوسی درامتداد سطح تماس فونداسیون، ناپایداری شانه های سد، و لغزش بلوک سنگی درامتداد سطح تماس سازه، همگی مرتبط با تخریب مقاومتی می باشند. اما با توجه به تعریف پایداری کینماتیک، هر گونه تغییر در یک حالت و یا یک شیئ، یک حرکت به حساب آمده و موضوع پایداری مطرح می‌شود. زمانی که تمام بدنه سد به دلایل مختلف درحالت پایداری محدود شده به سر می‌برد، تنها یک آشفتگی جزئی باعث انحراف سد ازحالت تعادل اولیه خود شده و باعث تخریب غیر قابل بازگشت می‌شود. با توجه به این اصل که زمانی که تخریب کامل سد قوسی اتفاق می‌افتد، حالت سکون سد به حالت قابل حرکت تغییر می‌کند، رن دینگ ون با توجه به منبع مطالعات تغییر حالت سیستم، پیشنهاد کرد که تخریب کامل سدهای قوسی ممکن است در ارتباط باپایداری باشد. اما بر خلاف ناپایداری کمانشی، این نوع ناپایداری مربوط به ناپایداری حد نقطه‌ای بوده و شاخص تعیین کننده ی امنیت سد قوسی همان اتکاء سد می باشد. با توجه به تحقیقات صورت گرفته در ارتباط با ناپایداری سد قوسی تا هم اکنون‌هیچگونه پیشرفتی نه بر پایه ی تئوری مکانیکی دقیق حتی به شکلی ساده و عملی‌صورت نگرفته است. در حال حاضر، پیشرفت‌هایی در زمینه‌های تحقیقاتی در ارتباط با پایداری کلی سد قوسی به قرار زیر صورت گرفته است: روش اضافه بار، ذخیره ی مقاومت، روش ترکیبی اضافه بار و ذخیره ی مقاومت و غیره.
ـ روش اضافه بار
طبق این روش با فرض ثابت بودن پارامترهای مقاومت مصالح و تحت عمل ترکیبی بارهای عملی نرمال، بار افقی با افزایش حجم مخزن (بالاتر رفتن تراز آب) تا آنجا افزایش می‌یابد، که ناپایداری و تخریب سد قوسی واقع شود. ثابت اضافه بار عبارت است از نسبت بار تخریبی به بار قائم (نرمال)، ضریب اطمینان اضافه بار غالباً بسیار بالا بوده و می‌تواند به روش مدلسازی ژئومکانیکی و یاشبیه سازی حسابی بدست آید. با این حال در عین فعالیت طبیعی سد قوسی اضافه‌بار بیش از اندازه بسیار غیر محتمل می باشد، بعلاوه، اثر عواملی همچون پی سنگی، خوردگی، نشست و قلیایی شدن مصالح سازه‌ای به دلیل وجود آب بر روی مقاومت در نظر گرفته نشده است ( الالخصوص ناحیه ی ضعیف پی سنگی ).بهر حال، خطر واقعی به خاطرتشدید بار نمی باشد، بلکه بخاطر کافی نبودن مقاومت مصالح می باشد.
ـ روش ذخیره ی مقاومت
بر طبق این روش، تحت شرایط عدم تغییر بارعمودی، مقاومت بدنه سد و پی سنگی به تدریج کاهش می‌یابد، تا زمانی که ناپایداری و تخریب سد قوسی وقوع یابد و ضریب ذخیره ی مقاومت عبارت است از تعداد دفعات کاهش نیمه. با این حال، در این روش به تعدادی مدل نیاز است. به طور کلی این آزمایش بر طبق اصل تعادل انجام می‌شود، بدین معنا که به جای ثابت نگه داشتن بار خارجی و کاهش تدریجی مقاومت مصالح، مقاومت مصالح ثابت نگه داشته می‌شود وهمزمان بار خارجی و بار مرده ی خود سد افزایش می‌یابد، تا آنجا که تخریب صورت پذیرد. برای آزمایش به روش ذخیره ی مقاومت معادل، مشکل اساسی که همزمان بودن افزایش بار خارجی پی سنگی و بدنه ی سد می باشد باید حل گردد
گو چونماو، گونگ ژاوزیاگ و… بر طبق اصل ارضاء تشابه مدل فیزیکی و با استفاده از دستگاه گریز ازمرکز* بعنوان دستگاه بارگذاری و جایگزین کردن میدان ثقلی با میدان نیروی گریز از مرکز، متوجه ی افزایش همزمان بار خارجی پی سنگی و بدنه سد شدند و آزمایش به روش ذخیره ی مقاومت معادل را بر روی یک مدل انجام دادند. نتیجه آزمایش نشان داد که گرایش بزرگی تنش و بزرگی تنش های کششی و فشاری به طور اساسی به سمت قانون عمومی می باشد. برای انجام آزمایش به روش ذخیره ی مقاومت بر روی یک نمونه، نیاز به ایجاد مصالح جدیدی می باشد که بتواند تغییرتدریجی مقاومت برشی پی سد، سطح نرم و ضعیف سازه بر روی پی سنگی را آشکار ساخته و همچنین تکنیک های آزمایش را پاسخ گو باشد.
لو جینچی، لی چاووگو و... بعد از سالها بررسی “ مصالح با تغییرات مشابه دما“ را توسعه داده اند که برای مدلسازی گسل های بین لایه‌ای و بدنه های صخره ای قابل استفاده می‌باشد. این مصالح از بلنک فیکس*، روغن موتور، مصالح و مخلوطهای حل شدنی پلیمری که به میزان معینی با هم ترکیب شده‌اند، ساخته شده است. در حین آزمایش با افزایش دما، مقاومت مصالح بتدریج کاهش می‌یابد. با وجود اینکه ضریب ذخیره ی مقاومت یک تصویر واضح را ارائه می کند، اما علت اصلی تخریب سد قوسی نمی‌باشد. بنابراین کاهش مقاومت به نسبت نامساوی منطقی تر می باشد و فرآیند تضمین برابراغلب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ـ روش ترکیبی
تخریب یک سد قوسی تنها به دلیل اضافه بار و یا کاهش مقاومت مصالح نمی باشد، بلکه به دلیل اثر توامان دو فاکتور مذکور است. بر طبق روش ترکیبی، با ترکیب کردن اضافه بار با ذخیره مقاومت، زمانی که سد قوسی به یک ضریب اضافه بار مشخصه می رسد، مقاومت باید به اندازه ی ان مرتبه کاهش داشته شود، که باعث تخریب سد قوسی می شود
روش ترکیبی از لحاظ تئوری معقول می باشد، اما عملکرد واقعی نسبتاً کامل شده می باشد. خصوصاً هیچ گونه استاندارد استواری در ارتباط با اینکه تا چه اندازه باید اضافه بار ایجاد شود، قبل از اینکه مقاومت مصالح کاهش پیدا کند، وجود ندارد. در حال حاضر، مطالعه ی کلی تخریب ناپایداری، تنها توسط آزمایش‌های مدل هندسی صورت می پذیرد و موفقیت‌هایی در شبیه سازی کامپیوتری و محاسبات عددی روند خرابی سدهای قوسی صورت پذیرفته است.
کاربرد تحلیل پایداری سدهای قوسی در ارزیابی ایمنی سدهای قوسی
همانطور که درجهان مادی به طور چشمگیری دیده می‌شود، تصادفی بودن، احتمال وقوع یک پدیده در یک حالت خاص را منعکس می‌کند. در مورد سدهای قوسی این موضوع درعدم قطعیت در ارتباط با خصوصیات مصالح و بارگذاری خارجی دیده می‌شود. تحلیل پایداری طبق تئوری احتمال و آمار ریاضیاتی، روش منطقی تر و پیشرفته تری را درارزیابی ایمنی سدهای قوسی ارائه می کند. تحلیل پایداری در زمینه ی احتمال به ما پاسخ می دهد، بدین معنا که اعتبار عملکرد نرمال سد قوسی تحت شرایط کاربری خاص و محیط اطراف در طول عمر سازه تحت مطالعه قرار می گیرد.
گو هوایژی، چن زوپینگ، لیو نینگ و… با فرض تصادفی بودن بارگذاری (شامل تغییرات درجه حرارت) و پارامترهای مصالح، بررسی‌های خود را به سوی تغییرات زمانی سد قوسی بتنی و تودة سنگی شانه سد معطوف کرده‌اند. وانگ سیجینگ، هوانگ ژیکوان و… اثر احتمال ناپایداری توده سنگی و تغییر پذیری پارامتر مکانیکی بر روی سازه را تحت مطالعه قرار داده‌اند. لیان جیجان، یانگ لینگ کیانگ و… با در نظر گرفتن بارگذاری و پارامتر مصالح به‌عنوان متغیرهای تصادفی و با کمک المان محدود تصادفی توزیع شاخص پایداری سد قوسی را بررسی کرده اند. با وجود اینکه تئوری های پایداری، کاربردهای نسبتاً گسترده‌ای را در آنالیز ایمنی سدهای قوسی پیدا کرده است، اما تنها در پایداری نقطه‌ای قابل استفاده می باشند. تلاش های بیشتری در جهت شناسایی طرح مهندسی بر پایه ی آنالیز پایداری سیستماتیک باید صورت پذیرد، مخصوصاً برای بررسی و حل یک سری از مشکلات تکنیکی و تئوریکال مانند روش آنالیز پایداری سیستماتیک، تکنیک آنالیز شبکه ی احتمال کاربردی، سیستم تصمیم گیری، پارامترهای آماری قانون توزیع و غیره.
تئوریهای دیگری در زمینه ی ارزیابی ایمنی سد قوسی
عده‌ای از پژوهشگران معتقدند که تخریب یک سد و توده ی سنگی به دلیل گسترش مستمر ترک‌های ایجاد شده بر اثر تجمع دائمی آسیب اولیه می‌باشد و بنابراین فرآیندهای مکانیک آسیب و مکانیک شکست را می توان برای مطالعه ی تخریب سدهای قوسی انطباق داد. هوانگ یون و دیگران پایداری و تمایل گسترش ترک‌های پاشنه ی سد در طرف بالا دست سدهای قوسی را به کمک فرآیند المان شکست سه بعدی و تئوری فاکتور تراکم انرژی کرنش حداقل مورد مطالعه قرار داده و متوجه شده اند که شکافتن بر اثر آب، فاکتور اصلی در جهت انتشار ترک های ابتدایی می باشد. پژوهشگران دیگر به سد قوسی به عنوان یک سیستم دینامیکی توجه کرده و خرابی را ازنقطه نظر تغییر شکل غیر خطی مورد بررسی قرار داده‌اند. زمانی که تخریب تجمعی وتغییر شکل سیستم سد قوسی از بی‌نظمی به انتظام گسترش می‌یابد، و منحنی تغییرشکل سیستم از روال مساوی و خطی به شتاب و غیر خطی گسترش می‌یابد، خرابی کلی در حال صورت پذیرفتن می باشد. طبق بررسی های صورت گرفته در زمینه ی علل خطاهای صورت گرفته در سد دو قوسی "کن" واقع در اتریش، لومباردی متخصص و مهندس سد سوییسی، نظریه ی ضریب لاغری سدها را در سال 1986 بیان و منحنی لومباردی* را ارائه کرد، که این منحنی یک خط صاف می باشد که تنها بستگی به ارتفاع سد دارد.رن کویینگ ون و دیگران شکل و علل ایجاد این منحنی آسیب را به کمک تئوری پایداری کمانشی و مقاومت بدنة سد مورد مطالعه قرار داده و پیشنهاد کردند که منحنی لومباردی به دو دسته تقسیم شود: دسته اول هذلولی‌هایی با در نظر گرفتن مقاومت بتن بدنه سد به عنوان پارامترمی باشند، که بستگی به ارتفاع سد و مقاومت بتن بدنه سد دارند، دسته دوم منحنی های توانی می باشند، که بستگی به کمانش بدنه ی سد دارند، به این معنا که بستگی به مدول الاستیسیته ی بتن بدنة سد، ارتفاع سد و... دارند.
نتیجه گیری و پیش بینی ها
خصوصیاتی از قبیل ذخیره ی سرمایه گذاری، ظرفیت باربری و ایمنی بالا، باعث شده است که سدهای قوسی، مخصوصاً سدهای بلند قوسی مورد توجه تمام کشورهای جهان قرار گیرند. سدهای قوسی به طور فزاینده‌ای بلندتر ساخته می شوند و شالوده ها نیز به طورفزاینده‌ای پیچیده تر می شوند. شرایط ژئولوژیکی پیچیده و متغیر، به همراه تلفات سنگین در صورت تخریب سدهای قوسی، دانشمندان را بر آن داشته تا به بررسی وحل مشکلات تکنیکی ساخت سدهای قوسی بپردازند. شکافتن و تسلیم شدن به دلیل تنش موضعی بیش از حد پاسخ طبیعی هر سد قوسی می باشد. بی شک قبل از تخریب سد قوسی، یک فرآیند شکافت و تسلیم بوجود می‌آید و درطی این فرآیند پتانسیل سد قوسی پایدار مانده و بنابراین کارکرد ایمن ادامه می‌یابد. بنابراین بررسی عملکرد و مکانیزم سدهای قوسی در طی فرآیندی که از تسلیم موضعی مقاومت شروع و تا تخریب کامل سد به طول می انجامد، بسیار لازم و ضروری است. در بعضی کشورها مانند چین معتقدند که تئوری پایداری سازه باید در طراحی سدهای قوسی استفاده شود. با این وجود، در ارزیابی حال حاضر، پایداری سدهای قوسی به کمک تئوری پایداری، توابع و عملکردهای انتخاب شده ی بیشتر بر اساس خصوصیات تخریبی مقاومت سدهای قوسی بوده و آنچه در حال حاضر در حال بررسی می باشد، همچنان پایداری موضعی است. یکی از مباحث عمده در مطالعات آینده چگونگی انتخاب متغیرهای تصادفی به گونه‌ای است که منعکس کننده ی حالت سیستم سد قوسی به عنوان متغیرهای اصلی برای آنالیز پایداری کلی سدهای قوسی باشد. با وجود اینکه موفقیت‌های چشمگیری در زمینه ی بررسی پایداری لغزشی سدهای قوسی در طول سطح تماس شالوده و همچنین در زمینه ی ناپایداری بدنه ی سنگی شانه ی سد به کمک تئوری پایداری جنبشی صورت پذیرفته است، اما اجزاء یک سد قوسی شامل بدنه وشانه سد و شالوده ی سنگی و تغییر شکل هایشان بر روی هم اثر متقابل گذاشته وجدا نشدنی می باشند. بنابراین در نظر گرفتن بدنه و شانه ی سد و شالوده ی سنگی به عنوان یک مجموعه ی واحد جهت بررسی مکانیزم خرابی سدهای قوسی ارزش بررسی را داشته و یک معیار ناپایداری کلی را بدست داده وایمنی کل سد را مشخص می سازد. بدنه سدهای قوسی و مصالح فونداسیون که اغلب بتنی، سنگی و خاکی می‌باشند جزء مصالح با کشش پایین و یا غیر کششی می‌باشند. در حال حاضر، معیارهای تسلیم مور ـ کولمب و دراکر ـ پراگر و معیار چهار پارامتری به طور معمول مورد پذیرش مصالحی مانند مصالح سنگی ـ خاکی و بتنی می‌باشد. تفاوت عمده‌ای بین نسبت های تنش ـ کرنش اندازه گیری شده سدهای قوسی و روابط مذکور وجود دارد. از لحاظ اقتصادی این موضوع عملی نمی باشد که به طورنامحدودی نقاط اندازه گیری شالوده سد را برای بررسی مدل ساختمانی مصالح افزایش دهیم. در عوض، بسیار واقع بینانه و منطقی است که یک مدل ساختمانی ازمصالح بر اساس اطلاعات اندازه گیری شده صریح به کمک فرآیند آنالیز معکوس و یا تکنیک تطبیق شبکه ی عصبی بدست آوریم. به لطف خصوصیاتی مانند مخارج پایین آزمایش کردن، غیر تخریبی بودن و... تکنولوژی اندازه گیری مایکروویو و تکنولوژی بررسی لیزری، در ارزیابی ایمنی سدهای قوسی کاربردهای وسیعی را پیدا کرده‌اند.
اطلاعات نشان دهنده ی آن است که کاربری بیش از30 درصد از سدهای قوسی متناقض با کاربری های پیش بینی شده توسط الگوهای طراحی است. در حین مطالعه ی ایمنی طراحی سدهای قوسی، لازم است که بررسی‌ها را معطوف به ایمنی کارکرد واقعی سدهای قوسی کنیم.
برای جمع بندی، بررسی‌های صورت گرفته در زمینة ایمنی کلی سدهای قوسی ازبلوغ نهایی خود به دور بوده و تا زمان حاضر شاهد کمبود روش های عملی که بر اساس تئوری های علمی و اقبال از سوی چرخه مهندسین سد باشد می باشیم. انتظار می رود تا همکاری های بیشتری در محیط های دانشگاهی و چرخه ی مهندسین سد برای تحقیقات و بررسی های بیشتر صورت پذیرد.
