بررسی ايمنی سدهای قوسی

[H@m3d]

اشاره
سدهاي قوسي از انواع سدهاي با اضافه ظرفيت باربري بالاو خصيصه خود انطباقي و برتري نسبت ايمني به قيمت بهره مي برند. هر چه سد قوسي مرتفع تر و بزرگتر باشد، به همان نسبت شرايط زمين شناسي محل سد پيچيده تر بوده و ظرفيت مخزن نيز بزرگتر خواهد بود. بنابراين، در صورت وقوع هرگونه خرابي در اين سدها، اقتصاد ملي متحمل زيان فراوان شده و زندگي و دارايي مردم در معرض خطر قرار خواهد گرفت. در نتيجه، خسارت هاي بالاي ناشي از فروريزي سد نشان دهنده اهميت بالايي است كه بايد به ارزيابي و نظارت بر مسائل امنيتي سد اختصاص داده شود. در حال حاضر، مهمترين اهداف در بررسي هاي امنيتي در اين زمينه شامل، تئوري هاي مقاومت، تئوري پايداري، تئوري قابليت اتكا، تئوري صدمات شكستگي به همراه تحليل هاي شبيه سازي عددي، تست مدل ژئوهندسي، ارزيابي و تحليل بالعكس داده ها و غيره است. با اين وجود، اين اهدا، دور از اصول تئوريكال علمي و اقبال از سوي چرخه مهندسان سد است . اين مقاله درباره پيشرفت هاي صورت گرفته در زمينه سدهاي قوسي و زيان و خسارت ناشي از فروريزي اين سدها و خلاصه اي بر تئوري هاي اصلي موجود و اهداف ارزيابي هاي امنيتي سدهاي قوسي بوده و نقاط ضعف اين تئوري ها و اهداف را تحليل كرده و مشكلات موجود بر سر راه تحقيقات آينده را مورد اشاره قرار داده و نهايتا به مسائل و موضوعات حياتي و نقاط مشكل ساز به عنوان ارزيابي هاي امنيتي سدهاي قوسي مي پردازد.
مقدمه
سدهاي قوسي گونه اي از سدهاي امن و اقتصادي هستند. از زمان ساخت اولين سد قوسي در جهان (سد زولا) در فرانسه در سال 1854 و اولين سد قوسي بلند در جهان (سد هاور( )به ارتفاع 221 متر و طول تاج 372 متر) در آمريكا در سال 1936، سدهاي قوسي به لطف اضافه ظرفيت باربري منحصر به فرد و خصيصه خود تنظيمي، به وفور مورد توجه مهندسان سد در زمينه ساخت سد در سراسر جهان قرار گرفته اند، در حال حاضر بيش از نيمي از سدهاي عظيم ساخته شده در سراسر جهان با ارتفاعي بيش از 200 متر از نوع سدهاي قوسي هستند. در نواحي غربي چين گروهي از سدهاي قوسي ممتاز جهان با ارتفاعي بيش از 300 متر در دست ساخت بوده و يا ساخته خواهند شد. سدسازي در تمام كشورهاي جهان اين موضوع را به اثبات رسانيده است، كه هر چند سد بلندتر و مرتفع تر باشد، اهميت اقتصادي و جنبه هاي امنيتي آن بيشتر خواهد بود. به طور كلي، سدهاي قوسي با مخازن عظيم مانند سد قوسي مالپاست فرانسه، سد قوسي وايونت ايتاليا و غيره ثابت كرده اند كه در صورت فروريزي وخرابي عواقب اين مسئله كاملاجدي بوده و نه تنها اقتصاد ملي را متحمل زيان قابل توجهي مي كنند، بلكه جان و مال مردم را شديدا به خطر خواهند انداخت.
در سال 1959 سد قوسي مالپاست فرانسه به دليل لغزش بدنه سد به همراه لايه عميق سنگي شالوده، فرو ريخت كه اين اتفاق منجر به مرگ 400 نفر و از دست رفتن سرمايه اي اقتصادي هنگفتي شد. بنابراين بايد به اهميت بالاي مسائل امنيتي سدهاي قوسي داده شود و بررسي هاي عميقي بايد به سمت تنش، تغيير شكل و مكانيزم تخريب در حين بهره برداري از اين سدها سوق داده شود و همچنين ارزيابي هايي در ارتباط با ضريب اطمينان سدهاي قوسي بايد صورت پذيرد. (به اين معني كه فاصله بين حالت طراحي شده و حالت تخريبي سد قوسي بايد ارزيابي شود.) به طور كلي اكثر سدهاي قوسي داراي شرايط ژئولوژيكي پيچيده، شرايط محيطي ناسازگار، عدم قطعيت فيزيكي (تصادفي) پارامترهاي مكانيكي و غيره هستند. تمام اين فاكتورها باعث عدم قطعيت در تحقيقات صورت گرفته در زمينه امنيت سدهاي قوسي شده است. تمام تئوري ها و اهداف حال حاضر داراي هم نقطه ضعف و هم نقطه قوت بوده كه بايد پيشرفت ها و تكميلات مربوطه به سرعت صورت پذيرد.
بررسي ايمني سدهاي قوسي توسط تئوري مقاومت
بر طريق تئوري مقاومت، خرابي يك سد قوسي به جهت ترك هاي قوسي ايجاد شده بر اثر تنيش هاي كششي اضافه، تسليم شانه و يا بدنه سد بر اثر تنش هاي فشاري اضافي، لغزش بدنه صخره اي سد در امتداد سازه اي نرم و ضعيف بر اثر تنش هاي برشي اضافي و ... به وقوع مي پيوندد. با مقايسه مقاومت تحت شرايط محدود و اثر بار طراحي مي توان مشخص كرد، كه آيا سازه به مقاومت تخريبي (مقاومت نهايي) خود رسيده است يا خير. در كشورهايي مانند ايالات متحده، ژاپن، چين و ... رسم بر اين است كه ضريب اطمينان مقاومت كششي و فشاري از طريق آناليز تنش كرنش سد قوسي توسط فرايند تقسيم بار تير قوسي به دست آمده و سپس ضريب اطمينان مقاومت برشي براساس اصل تعادل حد بدنه اي صلب محاسبه شود.
در محاسبات عددي توسط فرايند المان محدود و ... مقياس مور- كولمب و دراكر پراگر به طور معمول به عنوان ميزان تسليم براي مصالح سنگي خاكي مورد استقاده قرار مي گيرند. در حالي كه براي بتون مقياس پارامتري چهارگانه به طور معمول مورد استفاده قرار مي گيرد.
مزاياي ضريب اطمينان مقاومت عبارت است از: محاسبات ساده، قرارگيري بر پايه سال ها تجربه و فعاليت مهندسان سد، متداول در بين مهندسان و متخصصان سد و همچنين قابليت انطباق با ضرائب اطمينان مجاز مشخص شده در كشورهاي مختلف. مشكل اين راه حل آن است كه نارسايي مقاومت موضعي ممكن نيست باعث تخريب كلي سد قوسي شود و تنها زماني كه سطح تماس لغزش، يك صفحه و يا يك قوس دايروي باشد و از قبل داده شده باشد، مي توانيم يك نتيجه محاسباتي منطقي از ضريب اطمينان تنش برشي به دست آوريم. به علاوه روش تئوري مقاومت، بدنه، شانه و شالوده سد را به عنوان يك تسليم جامع و كلي در نظر نمي گيرد. براي كامل كردن فرايند آناليز ضريب اطمينان مقاومت، بسياري از دانشجويان از جنبه هاي مختلف به تحقيق پرداخته اند سان مينگ كووان، ژانگ جينگ جيان و ... ضريب اطمينان نقطه اي را بررسي و پيشنهاد كرده اند.
چينجيان پينگ، وانگ ليانكوي و ... تاثير و طول ترك ها را بر روي تخريب سدهاي قوسي مورد مطالعه قرار داده و يك مقدار بحراني را براي ترك و طول ترك ها پيشنهاد كرده اند. چن جين، هووانگ وي و ... تحليل هايي را براي روي اندازه سطح ترك خورده انجام داده و فرضيه سطح ترك را پيشنهاد كرده و دامنه بحراني را نيز به دست آورده اند. تمام تحقيقات و مطالعات فوق لذكر به مفاد آناليز تئوري مقاومت سدهاي قوسي اضافه شده است. با اين وجود قبول و انتخاب اين مفاهيم نيازمند مطالعات بيشتري است.
بررسي ايمني سدهاي قوسي توسط تئوري پايداري
طبق مكانيسم سنتي، هيچ گونه مشكل پايداري وجود ندارد، و لغزش سد قوسي در امتداد سطح تماس فونداسيون، ناپايداري شانه هاي سد، و لغزش بلوك سنگي در امتداد سطح تماس سازه، همگي مرتبط با تخريب مقاومتي مي باشند. اما با توجه به تعريف پايداري كينماتيك، هرگونه تغيير در يك حالت و يا يك شيئي يك حركت به حساب آمده و موضوع پايداري مطرح مي شود. زماني كه تمام بدنه سد به دلايل مختلف در حالت پايداري محدود شده به سر مي برد، تنها يك آشفتگي جزئي باعث انحراف سد از حالت تعادل اوليه خود شده و باعث تخريب غير قابل بازگشت مي شود. با توجه به اين اصل كه زماني كه تخريب كامل سد قوسي اتفاق مي افتد، حالت سكون سد به حالت قابل حركت تغيير مي كند، رن دينگ ون با توجه به منبع مطالعات تغيير حالت سيستم، پيشنهاد كرد كه تخريب كامل سدهاي قوسي ممكن است در ارتباط با پايداري باشد. اما برخلاف ناپايداري كمانشي، اين نوع ناپايداري مربوط به ناپايداري حد نقطه اي بوده و شاخص تعيين كننده امنيت سد قوسي همان اتكاء سد مي باشد. با توجه به تحقيقات صورت گرفته در ارتباط با ناپايداري سد قوسي تا هم اكنون هيچ گونه پيشرفتي نه بر پايه تئوري مكانيكي دقيق حتي به شكلي ساده و عملي صورت نگرفته است. در حال حاضر، پيشرفت هايي در زمينه هاي تحقيقاتي در ارتباط با پايداري كلي سد قوسي به قرار زير صورت گرفته است: روش اضافه بار، ذخيره مقاومت، روش تركيبي اضافه بار و ذخيره مقاومت و غيره.
روش اضافه بار
طبق اين روش با فرض ثابت بودن پارامترهاي مقاومت مصالح و تحت عمل تركيبي بارهاي عملي نرمال، بار افقي با افزايش حجم مخزن (بالاتر از آب) تا آنجا افزايش مي يابد، كه ناپايداري و تخريب سد قوسي واقع شود. ثابت اضافه بار عبارت است از نسبت بار تخريبي به بار قائم (نرمال)، ضريب اطمينان اضافه بار غالبا بسيار بالابوده و مي توان به روش مدل سازي ژئومكانيكي و يا شبيه سازي حسابي به دست آيد. با اين حال در عين فعاليت طبيعي سد قوسي اضافه بار بيش از اندازه بسيار غيرمحتمل مي باشد. به علاوه، اثر عواملي همچون پي سنگي، خوردگي، نشست و قليايي شدن مصالح سازه اي به دليل وجود آب بر روي مقاومت در نظر گرفته نشده است (بخصوص ناحيه ضعيف پي سنگي) به هر حال، خطر واقعي به خاطر تشديد بار نيست، بلكه به خاطر كافي نبودن مقاومت مصالح است.

نويسنده: مهندس اميرعباسپور