عوامل موثر در انتخاب نوع سد خاکی (Embankment Dam)

در انتخاب نوع سد خاکی مورد استفاده در یک محل، عوامل زیادی تاثیرگذار است که به برخی از آنها در ادامه پرداخته می شود. وظیفه یک مهندس سد، در نظر گرفتن این عوامل و اتخاذ طرحی مناسب است. در بیشتر موارد، مهم ترین عوامل و ملاحظات مربوط به ساخت سازه ای به اندازه کافی امن با کمترین هزینه می باشد. از این جهت، آماده سازی طرح های جایگزین و تخمین هزینه برای آنها، قسمت رایج روش طراحی خواهد بود. معمولا به صرفه ترین طرح، آن طرحی است که از منبع مصالحی در نزدیکی محل سد بدون اصلاح بیشتر در مصالح منبع قرضه یا منبع سنگ استخراجی، در خاکریز سد خاکی استفاده کند.

در ادامه برخی از عوامل موثر در انتخاب نوع سد خاکی و اثر آنها بر نوع خاکریز سد شرح داده می شود.

عوامل موثر در انتخاب نوع سد خاکی

انتخاب نوع سد خاکی (Embankment Dam) تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد که هم به شرایط زمین‌شناسی، محیطی و هم به نیازهای مهندسی و اقتصادی وابسته هستند. در ادامه، عوامل مهمی که در انتخاب نوع سد خاکی مؤثر هستند، توضیح داده شده‌اند:

1- در دسترس بودن مصالح ساخت و ساز

مصالح ساخت سد خاکی، یکی از عوامل تاثیرگذار در انتخاب نوع سد، مصالح مورد نیاز در ساخت و ساز سد خاکی و در دسترس بودن آن ها است.

مصالح خاکی

واضح است که در دسترس بودن مصالح خاکی مناسب در محدوده ای مناسب از نظر صرفه اقتصادیِ حمل و نقل آن، در انتخاب نوع خاکریز سد خاکی بسیار تاثیرگذار است. اگر منابع قرضه ای، به عنوان مثال در ناحیه ای با لایه زیرسطحی سنگ ماسه ای، در دسترس باشد که برای ارائه پوشش کم عمقی از خاک ماسه ای هوازده می شود، در این حالت ساخت سد سنگریزه ای با لایه نفوذ ناپذیر بتنی (یا از جنس دیگر) و یا سد وزنی بتنی مناسب خواهد بود.

یکنواختی مصالح خاکی موجود نیز بر طراحی و روش ساخت اثرگذار خواهد بود. اگر منابع قرضه دو نوع مصالح متفاوت داشته باشد، خاکریز ممکن است به دو ناحیه تقسیم شود، مثلا در سد خاکی با زهکش های قائم و افقی، خاکی با مقادیر کمتری از ریزدانه و مشخصات متنوع تر بهتر است در پایین دست زهکش قائم قرار گیرد. به همین شکل، نواحی خاکی ممکن است به دو ناحیه 1a و 1b با خاک درشت دانه در ناحیه 1b در کنار مصالح فیلتر ناحیه 2A قرار گیرد.

خاک رسی آبرفتی معمولا از خاک حاصل از هوازدگی سنگ های زیرسطحی متنوع تر است، بنابراین، ممکن است همانطور که پیشتر عنوان شد به ارائه نواحی بیشتر نیاز باشد. از سویی دیگر، خاک ممکن است از یک نیمرخ قائم به وسیله بیل مکانیکی (به جای زمین تراش) حاصل شود. به طور کلی از مخلوط کردن خاک ها در سد خاکی به دلیل افزایش هزینه ها و دشواری کنترل کیفیت، اجتناب می شود.

اگر در منابع خاک رس، سنگی وجود داشته باشد، پیش از تراکم آن، به وسیله عبور دادن آن از سرند و یا گریدر و یا افراد موجود در کارگاه، باید برداشته شود. این کار برای جلوگیری از اثرگذاری دانه های با اندازه بزرگتر بر روی تراکم، ضروری است.

خاک های نسبتا نفوذ پذیر را می توان برای خاکریز بسیاری از پروژه های سد خاکی به کار برد. نفوذپذیری بیشتر پی سد ها بین 10^-7 تا 10^-6 متر بر ثانیه است بنابراین در بیشتر سدها با هسته ای با نفوذ پذیری مثلا 10^-9 متر بر ثانیه، تراوش از پی بسیار بیشتر از سد اتفاق خواهد افتاد. حتی اگر از ماسه سیلتی برای خاکریز استفاده شود، نفوذ پذیری 10^-6 متر بر ثانیه به دست خواهد آمد که از نفوذ پذیری پی بیشتر نیست و از دیدگاه تراوش، این خاک با نفوذ پذیری بالا برای بسیاری از سدها قابل قبول خواهد بود. سنگ سیلت و سنگ ماسه هوازده و یا نسبتا هوازده با ماتریس رسی، زمانی که در لایه های نازک برای دست یافتن به مصالح مناسب هسته متراکم می شوند، ممکن است شکسته شوند. این مسئله معمولا به بررسی های مکرر محل نیازمند است تا مشخصات واقعی آن به خوبی مشاهده و برداشت شود.

مصالح سنگی

بیش از 30 سال است که نرخ ساخت خاکریز سنگی نسبت به خاکریز خاکی کاهش یافته است. به طور معمول مصالح کمتری برای خاکریز سنگی نیاز است (چرا که شیب خاکریز آن می تواند تندتر باشد) بنابراین در صورت در دسترس بودن سنگ، انتخاب و ساخت این نوع سد به صرفه تر خواهد بود.

بسیاری از سنگ های آذرین و دگرگونی مثلا گرانودوریت، دیوریت، گرانیت، بازالت، ریولیت، آندسیت، ماربل، گرِیواک کوارتزیت و برخی از سنگ های سیلتی و سنگ های ماسه ای مقاوم شده، در صورت بی نقص بودن، خاکریز سنگی با زهکشی آزاد را تشکیل می دهند.

برخی از سنگ های دگرگونی مثل فیلیت، ژیست، گنیس و اسلِیت، ممکن است تحت تراکم بشکنند و حتی با تراکم آن تا حد زیاد، خاکریزی با زهکشی نامناسب ایجاد کنند. مقدار شکستن به میزان ورقه ورقه شدن سنگ بستگی دارد.

اکثر سنگ های آذرین و دگرگونی هوازده شده و بسیاری از سنگ هایی با همین نوع که نسبتا هوازده شده اند، خاکریز سنگی با زهکشی کامل را شکل نخواهند داد.

فاصله بسترسازی و سطوح اتصال، بر اندازه و درجه بندی مصالح سنگی به دست آمده از قرضه اثرگذار خواهد بود. برای دست یافتن به مصالح با اندازه مورد نیاز ممکن است به انفجارهایی با اندازه های مختلف نیاز باشد.

بسترهای ضخیم سنگ ماسه در یک توالی از سنگ سیلت و سنگ ماسه با لایه نازک تر احتمالا باعث ایجاد سنگی با ابعاد بزرگ می شود که به شکستن ثانویه در معدن منجر می شود و یا در خاکریز نیاز به طبقه بندی و دفع آن وجود دارد.

معمولا بخش بزرگی از سنگ های مورد نیاز برای خاکریز از حفاری های اجباری، به عنوان مثال از سرریز، پی سد، کانال های ورودی و خروجی و مواردی از این دست، به دست می آید. در اصل خلاصه شدن هزینه موثر خاکریزی تنها در جا به جایی مصالح (و هر هزینه اضافی مربوط به حمل و نقل) مورد توجه مهندسان است. با این حال، کیفیت سنگ حاصل از این حفاری ها ممکن است ایده آل نباشد (به دلیل نوع سنگ، هوازدگی، روش حفاری) و نیازمند تغییراتی در نواحی خاکریزی برای جای دادن آن باشد. همچنین، زمان بندی به دست آوردن سنگ از حفاری ها ممکن است از دیدگاه ساخت سد ایده آل نباشد و کارها طبق برنامه پیش نرود. در این شرایط انعطاف در ناحیه بندی باید مورد توجه باشد. همچنین این انعطاف پذیری، در مورد امکان استفاده از سنگ هایی با کیفیتی متفاوت از آن چیزی که در زمان طراحی خاکریز سد، مورد انتظار است می تواند سودمند باشد.

به طور کلی بیشتر سنگ های رسوبی مثل سنگ ماسه، سنگ سیلت، سنگ رس و گل سنگ تمایل دارند که در حین تراکم، حتی در صورت تازه بودن، شکسته شوند و خاکریزی با زهکشی نامناسب را به وجود آورند. در این شرایط ممکن است گنجاندن نواحی خاکریزی با زهکشی آزاد برای تضمین ایجاد خاکریزی که تماما با زهکشی آزاد باقی می ماند ضروری باشد. مثال های آن را در شکل های 1 و 2 می توان مشاهده کرد.

فیلتر ها و فیلتر زهکش ها

برای ساخت فیلتر منبعی از ماسه و شن با کیفیت بالا نیاز است. ممکن است نیاز باشد که این مصالح را از مناطق دورتری فراهم کرد.

دانه های خاک فیلتر را می توان از ماسه آبرفتی و نهشته های شنی یا قرضه های سنگی به دست آورد. به طور کلی، دانه های مناسب تر مربوط به سنگ های آذرین و دانه هایی که کمتر برای این کار مناسب اند مربوط به سنگ دگرگونی می باشد. ساخت مصالح فیلتر از سنگ های رسوبی چندان رایج نیست چرا که این سنگ ها به اندازه کافی مقاوم نیستند و معمولا اَشکالی نامناسب دارند (که با ضریب تورق محاسبه می شود).

در سدهای بزرگ، معمولا ایجاد کارگاه خرد و سرند سنگ برای ساخت دانه های بتن و فیلتر ضروری است. گاهی اوقات بستن زودتر قرارداد برای آغاز ساخت و انبار کردن دانه ها و در نتیجه کنترل نرخ پیشرفت ساخت سد ضروری است.

به دلیل این که منابع مصالح فیلتر از محل سد بسیار دورتر است و دلایلی از این دست، ساخت فیلتر پر هزینه می شود، از این جهت با استفاده از باکس هایی، عرض ناحیه فیلتر ممکن است کاهش یابد.

شرایط پی سد خاکی

مقاومت، نفوذپذیری و تراکم پذیری پی سدها اثری اساسی بر نوع خاکریز سد دارد. به عنوان مثال:

• خاک پی با مقاومت نسبتا پایین، ممکن است برای پایداری خاکریز بالایی عامل کنترل کننده باشد و در نتیجه منجر به ساخت خاکریزی با شیب کمتر شود. این ساختار برای ساخت سد خاکی مناسب است؛ مثلا خاکریزی با زهکش های افقی و قائم به جای سد سنگریزه ای.
• خاک پی نفوذپذیر که در برابر تراوش و فرسایش آسیب پذیر است، نیازمند ساخت دیوار آب بند و فیلتر در زیر خاکریز پایین دست سد است.
• سنگ بستری با مقاومت بالا و نفوذپذیری پایین برای هر نوع سدی مناسب است، ولی می تواند برای ساخت سد با رویه بتنی، سد بتنی وزنی و یا در موارد ویژه برای سد بتنی قوسی ترجیح بیشتری داشته باشد.
• در مناطق لرزه خیز، وجود ماسه با تراکم کم تا متوسط در پی سد مورد توجه خواهد بود، چرا که در حین زلزله امکان روانگرایی وجود دارد. در این شرایط، حذف یا متراکم کردن خاک ماسه ای ممکن است ضروری باشد.
• سد های خاکی قرار گرفته روی پی از جنس سنگ آهک کارستی مورد به خصوصی است، که در آن ممکن است به دوغاب ریزی بیشتر و دیگر اقدامات برای محدود کردن تراوش به مقداری قابل قبول، نیاز باشد. در چنین شرایطی پذیرش طرحی مناسب است که امکان ادامه تزریق در طول ساخت خاکریز یا پس از تکمیل آن را فراهم می کند. این موضوع ممکن است تمایل به ساخت سد سنگریزه ای با رویه بتنی یا سد خاکی و سنگریزه ای با هسته شیبدار بالادست را تقویت کند.
• در برخی از سنگ های رسوبی، به خصوص سنگ رس بستری ضعیف و گلسنگ و سنگ ماسه با مقاومت بالا که در معرض چین خوردگی و یا گسلش بوده است، ممکن است در آن ترک های سطحی وجود داشته باشد، که منجر به کاهش زوایه اصطکاک داخلی موثر می شود. در این موارد، ممکن است به شیب کمتری در خاکریز سد نیاز باشد و تمایل به ساخت خاکریزی با زهکش های افقی و عمودی و یا سد خاکی یا سنگریزه ای با نواحی تصادفی سنگریزه ای وجود داشته باشد. شکل 1 مقطع سد مارون را نشان می دهد که در آن وجود این شرایط منجر به طراحی خاکریزی با شیب بسیار کم شده است.
• در برخی نواحی با شرایط آب و هوایی تقریبا گرمسیری، سنگ عمیقا هوازده شده و گاهی اوقات با خاک لاتریتی همراه است که ممکن است منجر به نفوذپذیری بالا در خاک پی گردد. در این شرایط نیز تمایل به ساخت خاکریزی با شیب کمتر و زهکش مناسب زیرین، مثل خاکریز با زهکش افقی و قائم وجود دارد.
• خاکریز های ساخته شده بر روی خاک های عمیق به عنوان مثال خاک های آبرفتی عمیق در بستر رودخانه یا کنار آن ممکن است در معرض نشست های بالا قرار بگیرد که منجر به تغییرمکان های تفاضلی و در نتیجه ترک می شود. در چنین سدهایی فراهم کردن فیلترهای مناسب برای کنترل تراوش و جلوگیری از فرسایش داخلی بسیار مهم است.

شرایط آب و هوایی

ساخت خاکریز در آب و هوای بارانی یا دماهای بسیار پایین در محدوده انجماد بسیار دشوار (در بیشتر موارد غیر ممکن) است. این شرایط در صورتی که بارش بی وقفه باران وجود داشته باشد و تبخیری اتفاق نیفتد بحرانی تر است (در شرایطی که در طوفان های کوتاه مدت باران می بارد و سپس با تابش خورشید همراه است، چندان بحرانی نیست).

در این شرایط، معمولا استفاده از سد سنگریزه ای با رویه بتنی و یا ساخت هسته با شیب بالادست می تواند مناسب باشد چرا که اجرای سنگریزه در شرایط بارانی می تواند ادامه داشته باشد و رویه بتنی و هسته در شرایط آب و هوایی بهتر اجرا گردد.

در نواحی بسیار خشک، ممکن است برای ساخت و ساز کمبود آب وجود داشته باشد، بنابراین سد سنگریزه ای با رویه بتنی مناسب تر از سد خاکی خواهد بود.

توپوگرافی و ارتباط با دیگر سازه ها

انتخاب نوع خاکریز و اقتصاد کلی پروژه با در نظر گرفتن تمام قسمت های پروژه مثل خاکریز، سرریز، انشعابات خروجی رودخانه و دیگر مواردی از این دست تعیین می شود. این قسمت ها با هم در ارتباط اند به عنوان مثال:

• تونل انحرافی برای سد خاکی (با شیب کناری نسبتا کم) طولانی تر از سد سنگریزه ای خواهد بود.
• سرریز موجود در خاکریز سد ممکن است از جنس سنگریزه باشد. اندازه سرریز با توجه به جای دادن بیشتر سیلاب در مخزن سد می تواند متغیر باشد که منجر به ساخت خاکریزی بلندتر و سرریزی کوچک تر می شود بنابراین، بهینه سازی هزینه کل پروژه ممکن است بر ناحیه بندی خاکریز و اندازه آن اثر گذار باشد.
• در استرالیا رایج است که به جای ایجاد تونل انحرافی بزرگ و بند انحرافی، اجازه می دهند سیلاب های بزرگ از خاکریز در حال ساخت عبور کنند. این موضوع به کار بردن سنگریزه مسلح شده با مش فولادی در پایین دست پنجه سد را الزام آور می کند.

توپوگرافی محل مثل مقطع دره یا شیروانی، انحنای رودخانه در پلان یا وجود حائل در تکیه گاه، می تواند تاثیر قابل توجهی بر انتخاب نوع خاکریز داشته باشد، به عنوان مثال:

• در دره های باریک با شیب تند فضای محدودی برای ماشین آلات و مسیرهای حمل و نقل وجود دارد که بیشتر تمایل به ساخت سدهایی با ناحیه بندی ساده تر مثل سد سنگریزه ای با رویه بتنی وجود دارد.
• در محلی با انحنای رودخانه در نمای پلان و تغییرات در سطح مقطع دره، ممکن است برای کاهش مقدار خاکریز، سد با هسته شیبدار بالادست به سد با هسته میانی ترجیح داده شود.
• تغییرات محلی در شیب تکیه گاه ها، ممکن است به نشست های تفاضلی و ترک خوردگی منجر شود که به فیلتر زهکش بیشتری نیاز خواهد شد و یا تمایل به ساخت سد سنگریزه ای با رویه بتنی وجود خواهد داشت.

سد حائل

سد های حائل نوعی از سد هستند که به طور مستقیم با توپوگرافی در ارتباط اند.

تجربه نشان داده است که در پروژه ها، با سدهای حائل معمولا به عنوان یک فاصله گذار با سد اصلی رفتار می شود. این دیدگاه بسیار خطرناک است و می تواند هزینه های گزافی برای صاحب سد به همراه داشته باشد. سد حائل باید به همان شکل و با همان جزئیات سد اصلی ساخته شود. در نگاه اول، گسیختگی سد حائل ممکن است در مقایسه با پیامدهای مربوط به پایین دست سد اصلی یا حتی از بین رفتن مخزن، چندان مسئله پر اهمیتی نباشد.

مسئله به خصوصی که می تواند مشکلات قابل توجهی را برای طراح سد حائل به بار بیاورد، پی سد است. قسمت های فوقانی شیارها معمولا نسبت به موارد مورد انتظار در دره ها شرایط زمین شناسی متفاوتی را ارائه می دهند. یک مهندس زمین شناس با تجربه در یک پروژه سدسازی باید محل را برای یافتن مکان های مناسب برای ساخت سد حائل بررسی کند.

ساخت مرحله ای

معمولا ساخت سد در دو یا چند مرحله به صرفه تر است، به عنوان مثال:

• در پروژه های ذخیره آب، آبیاری یا نیروگاه های آبی، تقاضای صورت گرفته در سال های اولیه معمولا با سدهای کوچکتر و مخازن کوچکتر رفع می شود.
• در سد باطله (ضایعات معدنی)، حجم مخزن مورد نیاز با اضافه شدن ضایعات در سد، به تدریج افزایش می یابد.

اگر مراحل پروژه برنامه ریزی شده باشد، تمایل به استفاده از سد سنگریزه ای با رویه بتنی، سد خاکی و سنگریزه ای با هسته شیبدار بالادست یا در صورت امکان خاکریز با زهکش قائم (یا شیبدار) و افقی وجود دارد. شکل 2 مثالی از سد طراحی شده با ساخت مرحله ای را نشان می دهد.

زمان ساخت سد خاکی

زمان مورد نیاز برای ساخت ممکن است بر انتخاب نوع سد خاکی تاثیر گذار باشد، به خصوص اگر در رابطه با دیگر عوامل مثل آب و هوا سنجیده شود. مثلا در مورد آب و هوا که به فصل های خشک و مرطوب تقسیم می شود، ممکن است ساخت خاکریز و سنگریزه تنها در دو فصل خشک قابل اجرا باشد. سد سنگریزه ای با رویه بتنی ممکن است در زمان کمتری ساخته شود چرا که ساخت آن را در فصول مرطوب نیز می توان ادامه داد.

اقدامات مربوط به پی و جزئیات ناحیه بندی نیز ممکن است تحت تاثیر زمان در دسترس برای ساخت و ساز باشد.