آسیب پذیری سدهای خاکی

مقدمه

آسیب پذیری سدهای خاکی در برابر زلزله از دیرباز مورد توجه بوده زیرا مکرار شاهد ناپایداری آنها در هنگام زلزله های  قوی و مخرب بوده ایم . در آمریکا در اواخر دهه 1950توجه بیشتری به پایداری لرزه ای سدهای خاکی معطوف شد. نمونه ای از خرابی سدهاوشیروانی های خاکی در زلزله را می توان در موارد زیر یافت؛ انهدام مخزن بلودین هیلز[1][1] در لوس انجلس ،انهدام شیروانی سد شفیلد [2][2] در اثر زلزله نه چندان قوی سانتا باربارا[3][3] در سال 1922 و انهدام شیروانی بالا دست سان فرناندو [4][4] در 1971.

حالتهای شکست

انواع آسیبهای احتمالی یک سد خاکی بهنگام زلزله با توجه به شکل 1 به شرح زیراست :

الف.شکست و ریزش  سد به علت وجودگسل  اصلی در زیر قاعده سد.

باید توجه داشت که معمولا گسلها از میان دره ها ی آبخیز عبور می کنند و اتفاقا مکان مناسب برای احداث سد نیز در همین دره ها است.البته همه گسلها فعال ومخرب نمی باشند.

ب.گسیختگی دامنه سد دراثر جنبش زمین (لغزش شیروانی ها یبالا دست و پایین دست )

پ.از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر نشست نا متعادل در منطقه

ت.از بی رفتن ارتفاع آزاد در اثر لغزش دامنه ها وعریض شدن سد

ث.لغزش سد روی لایه های ضعیف

ج.سر ریزشدن آب از روی سد در اثر ایجاد امواج سطح آب

چ.شکست سرریز یا لوله ها خروجی آب به علتهای مختلف ،و نیزانسداد لوله های خروجی و سر ریزو یا زهکشها.

     همچنین تخریب سد خاکی می تواند بر اثر عوامل زیر باشد :

o       سرریزشدن آب از روی سد در اثر زمین لغزه ای ناگهانی در مخزن .

o       روانگرایی ماسه های اشباع با تراکم پایین ،و یا از بین رفتن مقاومت رسهای اشباع در اثر ارتعاش زلزله؛زیرا امواج فشار ناشی از زلزله در وهله اول به آب منفذی وارد می شودو ناگهان  از تنش موثر خاک کاسته وموجب کم شدن مقاومت برشی میگردد.

ویژگی های دینامیکی سدهای خاکی 

 جنس خاک پی سد نقش مهمی بر پایداری آن دارد.انهدام سد،روی سنگهای سخت ومحکم کمتر از سنگهای نرم است و بدترین حالت آن است که سد بر روی زمینهای رسی تحکیم نشده احداث شود (مانند سدهایی که روی آبرفتهای ضخیم رودخانه ای بنا شده اند).دامنه امواج ارتجاعی زلزله به هنگام عبور از لایه های سست ،زیاد شده و از سرعت امواج کاسته می شود.

در زلزله های شدید ،دامنه نوسانات به 30تا60سانتیمتر ،و طول امواج به 15تا30مترمی رسد.نشست خاکهای ریزدانه بیش از خاکهای دانه ای(شنی)است.

ماسه با تراکم کم و سست در زیر آبهای زیرزمینی در اثر افزلیش فشار منفذی روان می شوند.با کاهش سرعت امواج ،دامنه نوسانات زیاد می شود .سرعت متوسط امواج در مصالح مختلف تفاوت دارد .در جدول الف سرعت امواج زلزله برای برخی مصالح خاکی درج شده است.

جدول الف.سرعت امواج زلزله در محیطهای مختلف

مصالح	سرعت(متر بر ثانیه)
ماسه سست شن سست رسوبات دریایی شن متراکم شن سیمان دار (بهم چسبیده) ماسه سنگ	450-600 600-750 1000-1150 1050-1500 1500-1950 2400-2850

استهلاک

می دانیم که استهلاک موجب کاهش نیروهای زلزله می شود زیراانرژی حاصل از زلزله را جذب نموده و مستهلک می سازد .خاصیت استهلاک ناشی از عوامل مختلفی است مانند:رفتار پسماند ،استهلاک مکانیکی ناشی از لغزش در سطح ،لزجت داخلی ذرات ،و مقاومت (لزجت)خارجی آب یا هوا .

درخاکهای دانه ای [5][5] استهلاک ناشی از اصطکاک از عوامل دیگر مهمتر است .

.ضریب استهلاک سدهای خاکی بر حسب نوع مصالح مصرفی متفاوت است و می تواند بین 10%تا20%تغییر کند.فرکانس طبیعی اکثر خاکها بین20تا30هرتز است و با افزایش مقاومت خاک زیاد می شود.

محاسبه نیروهای وارد بر سد به روش استاتیکی

در روش استاتیکی ،نیروی زلزله به صورت یک نیروی افقی ثابت در برابردرصدی از وزن سد به آن وارد شده و آنگاه ضریب اطمینان سطوح احتمالی لغزش به روشهای مختلف (فلینیوس،بیشاپ،روش گوه)محاسبه می گردد.کمترین ضریب اطمینان با سطح لغزش بحرانی متناظر خواهد بود.در روش فلینیوس سطح لغزش به صورت بخشی از یک دایره در نظر گرفته شده و قطاع ناقصی از یک شیروانی خاکی بر روی سطح مزبور ،و حول مرکزاختیاری این  دایره  می لغزد ،شیروانی به لایه هایی قائم و موازی تقسیم شده و نیروی زلزله لایه nام به صورت دونیروی افقی بیان می شود .  یکی مربوط به قسمت خشک و دیگری مربوط به قسمت مرطوب است.

ضریب زلزله

در آمریکا معمولا ضریب زلزله سذهای خاکی را بین 05/0تا15/0 در نظر گرفته و نیروی زلزله را به صورت استاتیکی به سد اعمال می کنند.آیین نامه ژاپنی کمیته ملی ژاپنی ساخت سدهای بزرگ در سال 1957ضریب زلزله را بین 12/0تا25/0تعیین نموده است .

البته باید دانست که نیروی زلزله واقعی می تواند بسیار بزرگتر از مقادیر اختیار شده در روش استاتیکی باشد .علاوه بر این به علت حرکتهای ارتعاشی سد،توزیع شتاب در ارتفاع سد بر خلاف فرضیات بخش قبلی به صورت یکنواخت نبوده و هر قدر به سمت تاج سد نزدیک شویم شتاب افزایش می یابد. محاسبات نشان می دهد که مقادیر شتاب تاج سد می تواند چند برابر شتاب پایه باشد . از این رو در کنار روشهایی که مقادیر ضریب زلزله را به طور ساده مساوی با یک مقدار ثابت فرض می کنند روش های پیچیده تری نیز مورد استفاده قرار می گیرد .که تبعا دقیق تر می باشد

تحلیل دینامیکی سدهای خاکی

برای درک رفتار واقعی سدخاکی زیر اثر ارتعاشات زلزله باید مدل دینامیکی مناسبی را برای سد انتخاب نموده و پاسخ لحظه ای آن را مورد مطالعه قرارداد. تاکنون روشهای مختلفی برای تحلیل دینامیکی سدهای خاکی توسط محققان مورد استفاده قرار گرفته است که اهم آن در زیر آمده است .

1.      روشهای مبتنی بر حل معادلات حرکت سد

2.      روش مجزا سازی  سد به لایه های موازی ،و تحلیل دینامیکی آن به روشهای عددی

3.      روش اجزاءمحدود

که در ایجا به عنوان نمونه روش مجزاسازی به طور مختصر توضیح داده می شود:

روش مجزا سازی

در این روش سد به لایه های موازی تقسیم شده و خواص هر لایه (جرم و سختی)به صورت متمرکز و مجزا مدل می گردد،و نهایتا سازه به صورت مجموعه ای از جرم ها متمرکز در می آید که با فنر به هم متصل شده اند .گاهی هر لایه افقی را نیز به چند بخش مجزا تقسیم کرده و آنها را بافنر به هم وصل می نمایند .چنین مدلی می تواند بیانگر تغییرات خواص سد در مقاطع مختلف باشد. از مزایای این روش توانایی آن در بیان رفتار غیر خطی سازه است  .برای بدست آوردن معادلات حرکت ،ابتدا سد را صورت لایه لایه در می آوریم .

و سپس می توان سختی هر لایه را به صورت مجزا محاسبه و سختی کل را از روش فنرها محاسبه کرد.

بررسی اثر برخی از زلزله های وقوع یافته بر سد های خاکی اطراف آن ها

زلزله کانتی کالیفرنیا (kern country)

 1ین زلزله که در 1952 اتفاق افتاد  به بزرگی 6/7ریشتر بوده و تعداد 7سد را تا فاصله 150کیلومتری تحت تاثیر قرار داده است که ارتفاع این سدها از 6متر تا 27 متر بوده است .شتاب ماکزیمم تخمینی از g0.6برای سد در فاصله 6کیلومتری تا   g0.04 برای سد در

فاصله 150کیلومتری تعیین شده است .در یک بررسی اجمالی نتیجه گیری شد که در سدهای کوبیده شده ومتشکل از مواد رسی هیچگونه خسارتی مشاهده نشده است ،در حالیکه در سدهای با ساخت هیدرولیکی ومتشکل از مود ماسه ای حتی در فاصله 150کیلومتری صدمات حاصل از زلزله به صورت ترکهای طولی و عرضی ظاهر شده اند .

زلزله فالن(fallon)در نوادا

این زلزله به بزرگی 7/6در 1954اتفاق افتاد و شتاب ماکزیمم زلزله در نزدیکی g4/0 گزارش شده است .از سه سد موجود در حوزه تاثیر این زلزله ،دو سد تخریب شده ند که یکی از آنها که در فاصله 2کیلومتری از فالون قرار دارد در اثر فاصله گرفتن خاک از بتن و عبور آب  از انفصال آنها تخریب شده است .

زلزله توکاچی(Tokachi-oki)در ژاپن

این زلزله با بزرگی 8/7با شتاب ماکزیمم g0.2 در 1968اتفاق افتاد 93خاکریزبا ارتفاع از 6/4 تا 18متر (85 تا از آنها کوتاهتر از 10متر است)در ین منطقه تحت تاثیر لرزش زلزله قرار گرفته است .از بررسی آماری این سدها دیده می شود که در سدهای دارای مغزه آب بند کامل،گسیختگی پایین دست ثبت نشده است  و اکثر  خرابیها به علت روانگرایی خاک بوده است .ضمنا شیب دامنه ها تاثیری در پایداری نداشته است .

تخریبهای حاصله از زلزله های دیگر

در زلزله 1935 ژاپن به بزرگی 8.2 (شتاب ماکزیمم زمین ،0.3گرم )خسارتهای وارد بر اقلا" سه سد گزار ش شده است که عمدتا" به صورت ترکهای سرتاسری و یا نشست و یا گسیختگی موضعی بوده است .

در زلزله شیلی در 1943 به بزرگی 8.3سدcagotiکه در معرض زلزله با شدت درجه یک مقیاس را سی فرول متناظر با شتاب ماکزیممg0.15 قرار گرفته است ،خسارت قابل ذکری را نشان نداده است .

در زلزله Nankaiژاپن در 1946به بزرگی 1/8،حدود 50سد به ارتفاع از 15 تا 40متر (ساخته شده از سالهای 1760تا1944)در معرض اثرات این زلزله قرار گرفته اندو شتاب ماکزیمم در آنها  از g 0.8 تا g 0.25  بوده است ولی هیچکدام هیچ خسارتی را نشان نداده اند .

در زلزله fukuiژاپن در سال 1948 خاکریز Hosoro gi(که شتاب زمین در آن g 0.45ثبت شده است )دچار شکستگی می شود .جنس مواد این خاکریز رس سیلتی ،و شالوده آن از سیلت آلی بوده است .گسیختگی به علت گسترده شدن افقی قاعده سد ،و فرو نشست خاکریز در شالوده بوده است .

در زلزله Hebagenدر سال 1959به بزرگی 6/7که در فاصله چند صد متری از سد هبگن رخ داده (شتاب g0.7)سد هبگن آسیبهایی را متحمل شده است ولی سرانجام تخریب نشده است .

در زلزله  kitamuto ژاپن در سال 1961به بزرگی 7،سد miboroدر فاصله 20کیلومتری از مرکز زلزله قرار داشت ولی تخریب نشد .این سد بزرگ با ارتفاع 131متر ،از پاره سنگ و یا یک مغزه مایل در بالا دست ساخته شده ،و شیبهای دامنه های سراب و پایاب آن به ترتیب 2.5بر1 و 1.75 بر 1 می باشد تکان زمین بسیار کوتاه (به لحاظ زمانی)و شدید گزار ش شده است و شتاب زمین حدود g0.1تا g0.25تخمین زده شده است .

در زلزله آلاسکا در سال 1964 ,در یک سد کوتاه به ارتفاع 6.1 متر در آنکوریج گسیختگی روی داد ، هر چند شتاب زمین حدود g 0.15 تخمین زده شده است.

در اینجا به نمونه هایی از سدهایی که در اثر زلزله تخریب نشده اند ولی انتظار می رفته است که آسیب دیده باشند ،اشاره می گردد :

الف-از سدهای پاره سنگی –سد Miboro در ژاپن با ارتفاع 128متر ،زلزله با بزرگی 7وشتاب ماکزیمم 0.2 را در فاصله 10کیلومتری از مرکز زلزله تحمل کرده است و خسارتی گزار ش نشده است .سد  cagotiبا ارتفاع 84متر و با پوشش سنگی ،شتاب ماکزیمم g0.15را فقط با یک مقدار نشست حدود 45سانتیمتر تحمل کرده است .

ب-از سدهای رسی –تعداد 31سد خاکی رسی ،رسی ماسه ای یا ماسه رسی که در اثر شتاب g0.25تا g0.8حاصل از زلزله 1906 سان فرانسیسکوقرار گرفته اند واقلا تعداد 12سد آب رسانی از مواد رسی که تحت تاثیر تکانهای زلزله اجیکا (1948)با شتاب هایی از g0.4تا g0.5قرار گرفتند و کاملا سالم مانده اند .در حالی که سدهای ماسه ای در لرزش های با شتاب کمتر تخریب شده و یا آسیب دیده اند .

پ-از سدهای کوبیدنی –اقلا" 25سد در معرض زلزله سان فرادو (1971) با شتاب از g0.2تا g0.4قرار گرفته اند پایدار مانده اند .

ت-از سدهای هیدرولیکی –اقلا" 3سد هیدرولیکی را می توا ن مثال آورد که تحت اثر شتاب g0.2در زلزله  سان فراندوقرار گرفته و آسیب ندیده اند .گزارشی از روسیه نشان می دهد که اقلا" سه سد هیدرولیکی شتابهای تا g0.17را تحمل کرده اند .

ث-حدود 50مورد سدهای با ارتفاع از 15 تا 40متر را می توان نام برد که در بین سالهای از 1760 تا 1944 در ژاپن ساخته شده اند و گرچه تحت تاثیر زلزله Nankaiدر 1944قرار گرفته اندو شتاب ماکزیمم در آنها تا g0.25گزارش شده است ولی هیچکدام آسیب ندیده اند .

نتیجه گیری

از بررسی آثار زلزله ها بر سدهای خاکی و پاره سنگی می توان نتایج کلی زیر را بدست آورد :

1-سد های ساخته شده به روش هیدرو لیکی ، در تکانهای بسیار شدید مستعد شکست هستند ولی چنانچه با شیب کم و با دقت و با تراکم کافی روی زمین محکم بنا شوند ممکن است تا شتاب g 0.2را از زلزله های با بزرگی 6.5 تا 7 بدون تخریب و حتی بدون آسیب های جزئی  تحمل کنند .

2-سدی که با تراکم خوب و محکم ساخته شده باشد تا شتاب g0.2 از زلزله های متوسط ( تا بزرگی حدود 7 ) را تحمل می کند .

3-سدهای ساخته شده از خاک های رسی روی شالوده سنگی بسیار مقاوم هستند و از شتاب های g0.35 تا g 0.8 مربوط به زلزله های با بزرگی 8.25  را بدون هیچگونه خسارتی تحمل می کنندو می کنند .

4-سدهای پاره سنگی ،اگر با پوشش بتنی عایق بندی شوند  ،در برابر زلزله های قوی نیز پایدارند .

5-چون بر اساس شواهد موجود به طور تجربی معلوم شده است که سدهای ساخته شده در برابر زلزله های متوسط با شتاب g0.2مقاومت می کنند ،بهتر است در موارد این گونه مسایل- هزینه و وقت تحقیق صرف نشود .

6-در مورد سدهای ساخته شده از خاکهای بدون چسبندگی و اشباع ،تحت تاثیر زلزله های قوی ،عامل اولیه تخریب یا گسیختگی ،به وجود آمدن فشار آب منفذی در خاکریز است که موجب از بین رفتن مقاومت می گردد .پیش بینی  تخریب در این سدها را

 نمی توان بر اساس روشهای تحلیلی استاتیکی انجام داد و ضرورتا" باید مبتنی بر تحلیل های دینامیکی خاص خاک ،رفتار آنها بررسی گردد

7-با توجه به این حقیقت که تعدادی سدها بعد از گذشت زمانی بعد از وقوع زلزله (مثلا تا 24 ساعت )تخریب شده اند باید پذیرفت که این تخریب در اثر پیدایش پدیده پایپینگ بوده است ،از این رو احتیاط لازم این است که فیلترهای مناسب در سد به کار برده شود

پیدایش ترکها در سد خاکی از مکرر ترین و معمولی ترین اثرات از زلزله بر سد است .ترکهای حاصل از زلزله،عمدتا طولی و در بالا دست سد و در امتداد تاج ،و با تعداد کمتر در پایین دست پدیدار می گردد .ترکهای عرضی و مورب معمولا در نزدیکی های تکیه گاههااتفاق می افتدمگر اینکه لایه های ضعیف در زیر محلی از سد وجود داشته باشد .ترکهای طولی به علت ایجاد تنش های کششی و نیز به علت نشست نا یکنواخت مغزه نسبت به پوسته و یا به علت نشست نا یکنواخت شالوده پدید می آیند.ترکهای عرضی ممکن است به علت تکان شدید ونا گهانی ،به علت تفاوت خواص ارتعاشی سد وتکیه گاهها،ویا به علت نشست نا یکنواخت ظاهر شوند .معمولا تمام ترکها قابل مشاهده هستند ولی از همه مهمتر ترکهای عرضی و مورب می باشد که باید مورد  توجه قرار گیرند ،زیرا اگر به بخش نفوذ نا پذیر سد راه یابند و به آب برسند به احتمال قوی به تخریب سد منجر خواهد شد .

به طوری که قبلا نیز اشاره گردید ،در توده خاکی اشباع و متشکل از مواد فاقد چسبندگی ،در اثر ارتعاش زلزله ،فشار آب منفذی افزایش یافته و مقاومت آن خاک به حد بسیار ناچیزی می رسد .در صورتی که توده خاکی متشکل از مواد  دانه ای فاقد چسبندگی ولی خشک یا نیمه اشباع باشد فرو ریختن آن در سطح دامنه از بالا به پایین گسترش می یابد .

در این حال اگر شیب خاکریز بیش از زاویه اصطکاک خاک در حال سست باشد باز متحمل ریزش پیشرونده از بالا به پایین است وشروع ریزش از نقاطی است که دانسیته آنها کمتر است ومنجر به ریزش لایه های دیگر می گردد .

رعایت نکات احتیاطی در طرح مقطع عرضی سد

1-تامین ارتفاع آزاد بیش از حد معمول

2-تامین عرض زیاد و منطقه وسیع در لایه های واسطه و فیلتر ها

3-تامین مغزه و سیع و با خاصیت خود ترمیمی (دانه بندی گسترده برای خاک رسی مغزه )

4-تامین رویه غیر قابل فرسایش در تاج سد و بخشی از بالای دامنه ها

5-تامین شیب دامنه ها ودر حد کمتر از وضعیت معمولی سد (10تا 30در صد کمتر از شرایط بدون زلزله)

6-تامین تراس های بزرگ در دامنه ها

7-ایجاد سدهای کوچک در پنجه های (Cofferdam)و یا خاکریزهای تراسی (berm)

8-زهکشی کامل در بدنه

9-تامین پوشش سنگ چین (raprap)بر دامنه ها به طوریکه بار 2تا3تن بر متر مربع را روی دامنه ها ایجاد کند .

10-استحکام دادن به شالوده ها ی آبرفتی زیر مغزه (مثلا با تزریق )

رعایت نکات جنبی در کل منطقه و سیستم سد –شالوده

1-    اجتناب از گسل اصلی یا گسل فعال در محل احداث سد

2-    کنترل پایداری سطح شالوده در برابر گسیختگی ولغزش با توجه به نیروها و تغییر شکل های زمانی حاصل از زلزله

3-    در نظر گرفتن اثرات لغزش های احتمالی در کنار ه های دریاچه سد

4-    طرح دقیق ومطمئن طغیانگیر ها و مجاری خروج آب

5-    اجتناب از بخش های  صلب در بدنه سد ،لوله های خروجی و طغیانگیر و غیره

6-    پیش بینی راههای سریع تخلیه سد ،به منظور پایین بردن سریع سطح آب در صورت وقوع زلزله وپیدایش آسیب

7-    برآمده کردن بخش میانی تاج سد تا حد 0.5تا 3.5متر به منظور جبران نشست احتمالی

8-    قوس کر دن دامنه بالا دست

9-    تامین میل زیاد در مغزه رسی ،این عمل موجب می شود که خط زه آزاد در پوسته پایین دست پایین آید .

منابع:

1-تاثیر زلزله بر سد های خاکی-دکتر محمود وفاییان-جهاد دانشگاهی دانشگاه صنعتی اصفهان-چاپ اول 69

2- طراحی وساخت سد های مخزنی(جلد 2)- دکتر ابوالفضل شمسایی- مرکز انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران-چاپ اول 1383

3-مهندسی سد های خاکی-دکتر سعید خرقانی و مهندس ناصر فخاری- انتشارات دانشگاه صنعت آب و برق –چاپ اول 1383

4- مهندسی زلزله – دکتر حسن مقدم- نشر فراهنگ – چاپ چهارم1384

5- اصول مهندسی ژئوتکنیک (جلد اول)- براجا ام داس – موسسه انتشارات پارس آیین- چاپ دهم1383

6- روش های رایج در طراحی وساخت سد های خاکی استانلی دویلسون ورائول چ مارسال- انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز – چاپ اول1379

---