در کشور ما تحقیقاتی بر روی پایداری سدهای بتنی وزنی قرار گرفته که به شرح زیر بوده اند:
در سال ۲۰۰۸، عربشاهی و لطفی پاسخ لرزهای سد بتنی وزنی را با در نظر گرفتن خصوصیات غیرخطی وجه مشترک سد و پی تحلیل کردند. آنها یک برنامه المان محدودی غیرخطی تهیه کرده و به کار گرفتند. نتایج آنالیز سد نشان میدهد که در پاشنه سد، تنش کششی بالایی همانند قسمت بالای سد وجود دارد. با در نظر گرفتن اثر برکنش در مدل، تنشهای کششی در کف کاهش مییابد، با این حال کشش اصلی در قسمت های بالایی زیاد می شود. در حالی که بدون در نظر گرفتن برکنش، با لغزش در کف، تنشهای کششی در پاشنه کاهش مییابد. همچنین در صورت وجود لغزش و برکنش، مقاومت کششی درز همانند چسبندگی اثر قابل توجهی در پاسخ سد ندارد، در حالی که با فرض کف صلب برای سد موثر است ]۴[.
در سال ۲۰۱۱ رهبری، پایان نامه کارشناسی ارشد خود را به بررسی پایداری سدهای بتنی وزنی با بهره گرفتن از آنالیز دینامیکی غیر خطی در مقایسه با روش بلوک صلب اختصاص داد. او در این تحقیق با مدلسازی سد بتنی وزنی pine flat در نرم افزارهای مربوط به روش صلب و همچنین نرم افزارهای اجزامحدود نظیر آباکوس و با در نظر گرفتن آثار غیر خطی بتن نظیر ترک خوردگی به بررسی پایداری در برابر لغزش پرداخت. او به ازای PGA های مختلف نتایج این نرم افزار ها را با هم مقایسه کرد ولی نتوانست نتیجه کلی بگیرد و همچنین معیار مشخصی برای ناپایداری لغزشی در حالت روش انعطاف پذیر مشخص نکرد بلکه او در این تحقیق با توجه به مقدار عددی لغزش نسبی بین سد و پی شروع ناپایداری را حدس می زد. اشکال این روش در آن است که در عمل مشخص کردن یک عدد مشخص لغزش نسبی برای شروع لغزش کار مناسبی نیست زیرا محدوده تغییرات این عدد برای سدهای مختلف و بزرگی زلزله های مختلف بسیار پراکندگی دارد]۵[.
در سال ۲۰۱۲، یعنی یک سال بعد از آن جلیلی در ادامه کار رهبری به بررسی مقایسه ای روش صلب و انعطاف پذیر پرداخت. او در تحقیق خود معیار جدیدی از ناپایداری لغزشی را تعریف کرد. در این معیار فاصله تغییر مکان نسبی بین سد و پی در PGA های مختلف رسم می شد و از نقطه ای که پرش بین این خطوط ایجاد می شد سد ناپایدار محسوب می شد. او همچنین در این تحقیق ادعا نمود که روش صلب همواره نتایج محافظه کارانه تری را نسبت به روش انعطاف پذیر ارائه می دهد.
در خارج از کشور نیز تحقیقاتی که مرتبط با این موضوع بوده اند را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
در سال ۱۹۹۱، Lo و Ogawa در کنگره بین المللی سدهای بزرگ[۱۴]، برای ارزیابی پایداری سدهای بتنی روی پی سنگی، روشی بر پایه مطالعات آزمایشگاهی ارائه کردند. این مطالعات شامل بررسی روشهایی جهت اندازه گیری مقاومت در سطح تماس بین بتن و سنگ، پارامترهای مقاومت درزهای بدنه و درزهای ضعیف در سنگ پی و ارزیابی کلی شرایط مرزی سد و پی میباشد. آنها ضرایب اطمینان را برای سه حالت بارگذاری عادی، غیرعادی و نهایی در دو حالت A: پارامترهای مقاومتی فرضی (۳و۲و۱) و B: پارامترهای مقاومتی تعیین شده توسط آزمایش (۲و۵/۱و۱) در نظر گرفتند. برای تعیین مقاومت تماسهای گیردار، آزمایشهای کشش مستقیم (DT)، کشش سه محوری (TE) و فشار سه محوری (TC) و برای تعیین مقاومت تماسهای بدون قید، آزمایش برش ساده (SS) انجام شد. نتایجی که از تحقیقات آنها حاصل شد از این قرار است که برای پایداری سد و پی در برابر شکست کششی، محل تماس بتن و سنگ لزوماً بحرانیترین سطح شکست نیست بلکه شکست کششی می تواند در بتن بدنه سد و یا بستر سنگی پی رخ دهد. همچنین زاویه اصطکاک اولیه (bφ) در تماسهای شکسته یا بدون قید، خیلی به نوع سنگ پی حساس نیست و در محدوده ۳۰° تا ۳۹° است. در آخر نیز به این نتیجه رسیدند که در آنالیز پایداری، مقاومت کششی و چسبندگی باید در نظر گرفته شوند و حذف پارامتر چسبندگی بسیار محتاطانه است ]۶[.
در سال ۱۹۹۵، Chavez و Fenves پاسخ لرزهای سد بتنی وزنی را با در نظر گرفتن لغزش کف سد با بهره گرفتن از برنامه EAGD-SLIDE با مطالعه موردی سد Pine Flat تحلیل کردند و به این نتایج دست یافتند که به طور کلی، با در نظر نگرفتن واژگونی، لغزش سد به سمت پاییندست است و از آنجا که اندرکنش سد و پی، پاسخ لرزهای سد را کاهش میدهد، تغییرمکان هم به دلیل افزایش استهلاک انرژی کاهش مییابد و فرض پی صلب، تغییرمکان کف سد را زیاد در نظر میگیرد ]۷[.
در سال ۱۹۹۹، Thomas Horyna در رساله دکترای خود، به لغزش کف سدهای بتنی وزنی در زلزله پرداخت. در این مطالعات مدل عددی ساده برای شبیهسازی لغزش بلوک صلب[۱۵] روی پی صلب در معرض شتاب افقی کف و همچنین مدل انعطافپذیر آزمایشگاهی تهیه گردید و شبیهسازی بعضی از آزمایشهای میز لغزش صورت گرفت. فقط ترک کامل بین مونولیت سد و سنگ پی در نظر گرفته شده و نتیجتاً فقط لغزش کف محاسبه شده و هیچ درز افقی ضعیف در مونولیتها در نظر گرفته نشده است. آزمایشهای مقدماتی بر اساس سطوح تماس و ترازهای شبیهسازی نیروی هیدرواستاتیکی انجام گرفت. در نتیجه آزمایشهای استاتیکی، ضریب اصطکاک استاتیکی و در نتیجه آزمایشهای با ورودی هارمونیک نمودارهای شتاب، نیرو و تغییر مکان با زمان بدست آمد. بسته به پاسخ مدل، در سه سطح فرکانسی آزمایش نتایجی کسب شد. در فرکانس کم، لغزش به سمت پاییندست رخ داد و هیچ گونه واژگونی مشاهده نشد. در فرکانس متوسط، لغزش از حالت اول بیشتر گردید و مدل رفتار انعطافی و واژگونی از خود نشان داد. در فرکانس بالا، پاسخ اولیه واژگونی است و لغزش به سمت پاییندست مشاهده شد ]۸[.
در سال ۲۰۰۴، کمیته اروپایی بین المللی سدهای بزرگ، گزارش نهایی خود را در راستای ایمنی لغزشی سدهای بتنی وزنی موجود ارائه کرد. در این گزارش آیین نامه ها و ضوابط کشورهای مختلف در خصوص ضرایب اطمینان و پارامترهای موثر در پایداری سد آورده شده است. بعضی از آیین نامه ها (اسپانیا، پرتغال، چین، هند، فرانسه و سوییس) ضرایب کاهش مقاومت بر اساس φ و c ارائه کرده اند. تجربیات آزمایشگاهی نشان میدهد که دانش مکانیک سنگ، اطلاعات زیادی را در مورد پارامترهای برشی در درزها و ناپیوستگیهای داخل پی سنگی در اختیار قرار داده است اما در مورد پارامترهای برشی در سطح تماس سد و پی و همچنین درزهای بدنه سد بتنی داده های کمی موجود است. از این رو اخیراً محققان، به بررسی مقاومت کششی و برشی در این دو موقعیت پرداختهاند]۹[.
در سال ۲۰۰۶، Ftima و Leger با در نظر گرفتن مفهوم بزرگنمایی دینامیکی[۱۶] (برای انتقال شتاب زلزله از کف سد به کف بلوک ترکخورده بالای سد)، پایداری لرزهای سدهای بتنی ترکخورده را مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که یک روش ساده و مناسب برای بدست آوردن تغییرمکان بلوک ترکخورده، استفاده از روش بلوک صلب با به کارگیری نرمافزار RS-DAM است ]۱۰[.
در سال ۲۰۰۹، Fishmanبا بررسی خصوصیات سدهای مختلف، پایداری سد بتنی با پی سنگی را مورد بررسی قرار داد و به این نتیجه رسید که لغزش زمانی رخ میدهد که سازه روی صفحات افقی ضعیف با پارامترهای ضعیف برشی قرار داشته باشد. آن ها بر این نظر هستند که احتمال وقوع واژگونی محدود نسبت به لغزش و واژگونی بیشتر است ]۱۱[.
۱-۶- هدف از انجام تحقیق
در این تحقیق به بررسی پارامترهای موثر در کنترل پایداری سدهای بتنی وزنی به صورت مطالعه موردی بر روی سه سد مهم پاین فلت، بلو استون، همچنین فولسوم پرداخته می شود. قابل توجه است که منظور ما از پایداری در این تحقیق عمدتا ناپایداری در برابر لغزش است که از انواع دیگر ناپایداری ها پراهمیت تر بوده و احتمال وقوع آن قبل از عوامل دیگر ناپایداری بیشتر است. ما در این تحقیق به کمک سه نرم افزار CADAM و RSDAM و ABAQUS پس از تعریف سدها در داخل نرم افزار و تکمیل مدل سازی با تغییر دادن پارامترهایی که به نظر در پایداری سدهای بتنی وزنی موثر هستند پارامتر های پر اهمیت در این ضمینه را شناسایی کرده و سهم هر یک را مشخص می کنیم. این پارامترهامی توانند شامل پارامترهای مقاومت برشی نظیر اصطکاک، مولفه های مختلف افقی و قائم زلزله ، پر یا خالی بودن مخزن، خصوصیات مصالح نظیر مدول ارتجاعی سد و پی و … باشند. همچنین نتایج حاصل از این سه نرم افزار با هم مقایسه می شوند تا ببینیم ارتباط مشخصی در این بین وجود دارد یا خیر؟ به طور مثال بین نمودار لغزش نسبی نرم افزار RSDAM و ABAQUS ارتباط مشخصی وجود دارد؟ یکی از سوالات مهمی که در این تحقیق وجود دارد این است که تاثیر منعطف یا صلب بودن فونداسیون در پایداری سد به چه صورت است؛ یعنی با صلب تر شدن فونداسیون پایداری سد افزایش می یابد یا کاهش؟ نکته مهم دیگری که نیز یکی دیگر از اهداف این تحقیق است، بررسی اثر قائم زلزله در مقایسه با مولفه قائم است. تاثیر جرم فونداسیون بر روی پایداری نیز در این تحقیق بررسی می گردد. طبیعی است که شناخت پارامترهای موثر در پایداری و میزان نقش هر کدام از آن ها می تواند کمک شایانی در بحث طراحی سدهای جدید داشته باشد.
۱-۷- ساختار پایان نامه
پایان نامه حاضر شامل ۵ فصل به شرح زیر میباشد.
فصل اول شامل مقدمه است و در آن پس از مرور اجمالی بر روی بحث پایداری سدهای بتنی وزنی مروری بر روی کارهای انجام شده در گذشته صورت می گیرد و اهداف ناشی از این تحقیق بیان می شود. در انتهای این فصل نیز ساختار و فصول مختلف پایان نامه معرفی می شوند.
روابط موجود در بحث پایداری سدهای بتنی وزنی در فصل دوم ارائه می شوند.
فصل سوم به بررسی آیین نامه های مختلف موجود در بحث پایداری سدهای بتنی وزنی می پردازد.
فصل چهارم با نام مدلسازی، اختصاص به معرفی سدهای پاین فلت، بلو استون، فولسوم و همچنین نرم افزار های به کار گرفته شده دارد و فرضیات مدلسازی در آن آورده شده اند.
فصل پنجم با عنوان نتیجه گیری و پیشنهاد آخرین فصل این پایان نامه است و به نتیجه گیری و بحث در مورد نتایج می پردازد، در انتهای این فصل نیز پیشنهاداتی برای تحقیقات آینده ارائه می شود.
فصل دوم
پایداری سدهای بتنی وزنی
۲-۱- مقدمه
موضوع این فصل به پایداری سدهای بتنی وزنی اختصاص داده شده است و در آن ابتدا بارهای استاتیکی و دینامیکی که سد در طول عمر خود ممکن است با آن ها مواجه شود معرفی می شوند. شناخت انواع نیروهای موثر بر سدهای بتنی وزنی مقدمه ای برای ورورد به بحث روابط موجود در ضمینه پایداری است. به طور کلی هدف از این فصل شناخت نیروهای وارد بر سدهای بتنی وزنی، انواع شرایط و ترکیبات بارگذاری، روش های محاسبه ضرایب اطمینان و محاسبه تنش ها می باشد.
۲-۲- انواع نیروهای وارده بر سدهای بتنی وزنی
نیروهای موجود در بحث پایداری و آنالیز تنش را می توان به دو دسته استاتیکی و دینامیکی تقسیم بندی نمود. بارهای استاتیکی شامل نیروی وزن، هیدرواستاتیک، نیروی زیرفشار[۱۷]، بارهای حرارتی، فشار رسوب و یخ و … هستند و نیروی های ناشی از زمین لرزه و باد طبیعت دینامیکی دارند.
۲-۲-۱- بارهای استاتیکی
۲-۲-۱-۱- بار ناشی از وزن
شکل۲-۱٫ نیروی وزن
همانطور که قبلا ذکر شد این نیرو مهترین بار در سدهای بتنی وزنی است و نقش پایدار کننده و مقاومت در برابر انواع نیروهای دیگر را بازی می کند.
برای محاسبه این نیرو از حاصلضرب وزن مخصوص مصالح در حجم استفاده می شود.
(۲-۱)
در رابطه بالا:
نیروی وزن
وزن مخصوص بتن
مساحت مقطع سد
باید توجه شود که چون در محاسبات پایداری عرض عمود بر صفحه مونولیث (بلوک مورد نظر که محاسبات پایداری برای آن صورت می گیرد) برابر واحد فرض می شود، به جای محاسبه حجم از سطح مقطع استفاده می شود. در محاسبه نیز سطح مقطع از حفرات موجود در بدنه سد مثل گالری ها صرف نظر می شود مگر آنکه در موارد خاص (مثل سدهای کوتاه) مطابق قضاوت مهندسی تشخیص داده شود که صرف نظر از آن ها تاثیر قابل توجهی در محاسبات دارد. همچنین در مواقعی که وزن ملحقات سد مثل دریچه ها، پل ها و … در صورتی که قابل صرف نظر کردن نباشند باید به بار مرده بدنه اضافه شوند و همچنین در صورت وجود خاکریز بر روی بدنه سد باید اثر آن را بر بار مرده افزود.
نکته مهم دیگری که در مورد سدهای بتن غلتکی وجود دارد این است وزن مخصوص بتن غلتکی به میزان تراکم و چگالی سنگدانه هایش وابسته است. بتن غلتکی به واسطه کاهش وجود حباب های هوا و کمی حجم آب در مخلوط در قیاس با بتن حجیم معمولی با سنگ دانه های مشابه، اندکی چگال تر می باشد. در صورت نبود اطلاعات کافی و یا در طراحی اولیه وزن واحد حجم بتن را می توان برابر فرض کرد که در سیستم یکاهای دیگر مطابق جدول زیر است:
جدول ۲-۱- وزن مخصوص بتن در سیستم یکاهای مختلف
در جدول زیر نیز محدوده تغییرات مقدار وزن مخصوص بتن غلتکی در سیستم یکاهای گوناگون آمده است:
