Dams, Dam Foundations, and Reservoir Sites

دانلود Dams, Dam Foundations, and Reservoir Sites (ERNEST E WAHLSTROM)

اولین سد های ساخته شده توسط انسان های اولیه سازه های خاکی یا سنگی با ارتفاع کم بودند که برای نگه داشتن آب در پشت آن و برای مصارف کشاورزی استفاده می شد. امروزه سد های کوچک و بزرگ و مخازن آب گوناگونی بر روی زمین ساخته شده اند که به طرق مختلفی در الزامات پیچیده توسعه فناورانه تمدن های در حال پیشرفت مشارکت دارند. در این قرن، گام های قابل توجهی در استفاده از مواد طبیعی زمین برای ساخت سد های خاکی و بتنی جایگزین سنگ های شکل یافته در سازه سدهای کوتاه و بلند با اشکال هندسی متنوع شده است. در کتاب سد ها، پی سد ها و مخازن ذخیره آب به طراحی، ساخت و ساز و بررسی سد ها و مخازن پرداخته می شود.

در تاریخچه ساخت سد ها، صدها، و اگر سدهای خاکی کوتاه را به حساب بیاوریم، چندین هزار سد تا به الان گسیخته شده اند. هیچ سابقه دقیقی از بسیاری از گسیختگی ها و میزان آسیب های ناشی از جریان های سیل آسا بر محل های پایینی به عنوان پیامد این گسیختگی وجود ندارد. فجایع ناشی از گسیختگی سد ها و مخازن آب که اسناد آن در دسترس است، دلایلی گوناگون از جمله علل مربوط به خود سازه سد یا مربوط به پی آن ها دارد.

در بسیاری از نقاط جهان، به خصوص در مناطق پر جمعیت، مناطق صنعتی، بسیار یا اغلب سدهای با کیفیت بالا در حال حاضر در حال استفاده اند و باقی محل ها، به طور کلی از نقص های زمین شناسی در پی سدها یا کمبود فضای ذخیره آب رنج می برند که نیازمند بررسی های دقیق و فزاینده به وسیله روش های پیشرفته مهندسی، پیش از طراحی و در حین ساخت است؛ این کارها برای تضمین کامل شدن مخازن ذخیره آب یا امکانات گوناگون به گونه ای که افرادی که در محل عبور سیلاب قرار دارند با حداقل میزان خطر مواجه باشند، انجام می شود.

سدها و مخازن آب و پی هایی که روی آن قرار می گیرند، به طور اجتناب ناپذیری متحمل تغییراتی در طول زمان می شود. برخی از این تغییرات آهسته و نامحسوس انجام می شوند و وجود آنها مگر با نظارت دقیق و مستمر قابل تشخیص نیست. موارد دیگر، مثل مواردی که ناشی از زلزله، گسیختگی شیب و سیل های غیر منتظره است در مدت زمان کمتری انجام می شوند و معمولا قابل انتظار نیستند، با توجه به این واقعیت که کیفیت دانش مربوط به پیش بینی این موارد به طور پیوسته در حال پیشرفت است.

مسئولیت ساخت و ساز سد با ملاحظات ایمنی حداکثر و نظارت دائمی سد، مخازن آبی و پی آنها در طول عمر آنها، فقط بر عهده مهندسی که سد را می سازد نیست بلکه افرادی که دانشی در مورد هیدرولوژی، ژئوفیزیک، زمین شناسی و مکانیک خاک و سنگ دارند، در آن شریک اند.

کتاب سد ها، پی سد ها و مخازن ذخیره آب از دیدگاه یک زمین شناسی که افتخار کار با مهندسان و متخصصان در زمینه طراحی و ساخت سد و تونل داشته اند، نوشته شده است. سعی شده است که بخش هایی از موارد ذکر شده در ادامه عنوان شود و مروری بر مطالب آن ارائه شود. 1) مباحث مربوط به محاسبه و اجرا در زمینه زمین شناسی و ژئوفیزیک با اعمال آنها در بررسی محل ها، سد و مخازن پیشنهاد شده. 2) روش های به کار گرفته شده برای اطمینان از برقرار بودن ایمنی سد در طول ساخت به طور مستمر. 3) فرآیندهای زمین شناسی و خصوصیات پی که نیازمند ارزیابی پیوسته پس از تکمیل سد و کامل شدن آبگیری آن انجام می گیرد.

فصل 1: توضیحاتی در مورد سدها و مخازن

در زمین دریاچه های زیادی به وجود آمده است که حاصل فرآیندهای طبیعی است یا در اثر ساخت سد های پیچیده کوچک یا بزرگ توسط انسان ایجاد شده است. سرنوشت نهایی تمامی سدها و مخازن، به غیر از آن هایی که به دقت ساخته و نگه داری می شوند، بدتر شدن وضعیت آنها، گسیختگی یا پر شدن از رسوب است. هر مخزنی که در اثر نگه داشتن آب پشت سد به وجود می آید، برای افرادی که در پایین دست آن زندگی یا کار می کنند، خطری بالقوه است و در محل هایی که تحت لرزش زلزله قرار می گیرند، احتمال حرکت در جهت گسل سنگ بستر زیر سد، یا فرو ریختن حجم عظیم خاک به داخل مخزن وجود دارد. حتی اگر طراحی توسط با مهارت ترین افراد انجام شود و نگه داری آن به طور مستمر باشد، از گسیختگی که می تواند برای زندگی و امکانات افراد فاجعه بار باشد، نمی توان جلوگیری کرد.

فناوری نوین، از استعدادهای مهندسان و متخصصان بخش مربوط به علوم زمین استفاده می کند و به میزانی از پیشرفت دست یافته است که امکان کاهش ریسک ذاتی مربوط به ساخت سد و مخازن آبی را فراهم آورده است. کتاب سد ها، پی سد ها و مخازن ذخیره آب به جنبه های ژئوتکنیکی برنامه ریزی و ساخت سدها و مخازن تاکید می کند و برای مهندسان و زمین شناسان، منشا، طبیعت و میزان مشکلات موجود در مواد پی سد که سدها و مخازن باید روی آن ساخته شوند را مرور می کند.

فصل 2: سنگ ها و رسوب های تحکیم نیافته: منشا، ترکیبات و خصوصیات

تحقیقات زمین شناسی و ژئوفیزیکی محل سد و مخازن و آماده سازی فهرست مصالح موجود برای ساخت سد و متعلقات آن نیازمند مطالعات دقیق پتروگرافی و مکانیک خاکی پی سد و رسوبات سطحی است. هدف این مطالعات، طبقه بندی و تعیین مشخصات مصالح مهندسی است، بنابراین اطلاعات مناسبی برای بررسی رفتار قابل انتظار مصالح مختلف در طراحی سازه سد با حد اطمینان قابل قبول مهیا می شود.

در این فصل از سد ها، پی سد ها و مخازن ذخیره آب بر طبقه بندی مواد طبیعی و مقاومت این مواد در ارتباط با منشا، سازه و کانی شناسی آنها تمرکز می شود. هیچ تلاشی برای مرور طبقه بندی های مهندسی متعدد از مواد، به خصوص خاک ها، که از محدوده مربوط به زمینه مکانیک خاک فراتر رفته است، نشده است. مخاطبی که علاقه مند نظریه و کاربرد مکانیک خاک است می تواند ادبیات فنی وسیع مربوط به این زمینه مراجعه کند.

فصل 3: حفاری و پر کردن دره ها

این فصل در رابطه با دره ها در مواد همگن و بررسی جنبه های متنوع آن است و توجه آن به فرآیندها و محصولات فرسایش و انباشته شدن به وسیله جریان ها و یخچال های طبیعی که فعالیت فرسایشی آن ها اساسا تحت تاثیر ناهمسانی سنگ بستر نیست، اختصاص داده شده است. بحث در مورد اثر سازه زمین شناسی در توسعه ویژگی های فرسایشی و انباشتگی در دره ها در فصل بعدی ارائه شده است.

به جز مخازنی که در سه یا چهار جهت به وسیله خاکریز ساخته می شوند، مانند مخازن آب در شهرها یا نزدیکی آن، مخازن غیر طبیعی معمولا به وسیله ساختن سدها در دره های کوچک و بزرگ ایجاد می شوند. از دیدگاه مهندسی و زمین شناسی، دانش مربوط به منشا و طبیعت دره ها و منبع و مشخصات مواد تحکیم نیافته بر روی شیب دره اهمیت ویژه ای در محل قرارگیری و برنامه ریزی ساخت ایمن سدها و مخازن دارد. تفسیر درست از جنبه های فیزیکی گوناگون دره، معمولا مشخصات زیادی از سنگ بستر زیر سد و محل مخزن آب بالا دست آن آشکار می کند.

فصل 4: دره در سنگ های غیر همسان

در فصل 3 از کتاب سد ها، پی سد ها و مخازن ذخیره آب، فرآیندهایی که در ایجاد فرسایش و انباشته شدن دره های ایجاد شده روی سنگ بستر همگن مشارکت دارند، مرور شد. هیچ تلاشی برای ربط دادن محل و مشخصات دره ها به سازه های زمین شناسی زیر سطحی انجام نشده است. اگر چه، هر چه جریان ها (و یخچال های طبیعی) دره ها را حفاری می کنند، معمولا با مواد متنوع سنگ بستر با خصوصیات فیزیکی و توزیع مکانی متفاوت مواجه می شوند که در طول تاریخچه جریان، ممکن است تاثیر زیادی در ساختار دره در نمای بالایی و برش آن و همچنین بر روی الگوی توسعه شبکه جریان ها در حوضه زهکش داشته باشند.

به وجود آمدن دره ها و روند تکامل فرسایش آن و یا دره های سیستم زهکش به طور عمده به دو عامل وابسته هستند:

1) طبیعت سطحی که در ابتدا رود در آن شروع به جریان می کند

2) ساختار زمین شناسی سنگ بستر که با حفاری دره توسط رود مشخص می شود.

ترمیم توپوگرافی سطح اولیه ممکن است جزئی یا گسترده باشد ولی در هر رویدادی در نتیجه فرآیندهای زمین شناسی مثل بالا آمدگی سطح با شیب ملایم یا تغییر مکان کم یا زیاد سنگ بستر به وسیله گسل، جریان هایی که ایجاد می شوند در خطوط مربوط به تندترین شیب بر روی سطح زمین حرکت می کنند. جریان هایی که مسیر آنها با توپوگرافی سطح اولیه مشخص می شوند، جریان های پی آیند (consequent stream) نامیده می شوند و دره هایی نسبتا مستقیم با شیب ملایم با سطحی تقریبا صاف بر جای می گذارند.

فصل 5: هیدرولوژی آب زیرزمینی در محیط با نفوذپذیری یکنواخت

این فصل از کتاب سد ها، پی سد ها و مخازن ذخیره آب در رابطه با جریان آب (تراوش) زیر سدها و اطراف پایه های آن است. علاوه بر آن، توجه آن بر اثرات پایداری نفوذ مواد طبیعی به همراه آب در داخل مرز مخزن سد و اطراف آن معطوف گشته است. در توسعه مفاهیم پایه ای، این فرضیه در نظر گرفته خواهد شد که مواد مورد نظر، نفوذپذیری افقی و عمودی یکنواختی خواهند داشت. بحث در مورد شرایط ناهمسانی که حرکت آب زیرزمینی را کنترل می کند، به فصل بعد موکول می شود. همچنین، شرایط ویژه مربوط به نفوذ مواد سنگی محلول در آب مثل سنگ آهک، دولومیت و سنگ گچ در فصل 7 بررسی شده است.

فصل 6: هیدرولوژی آب زیرزمینی در محیط ناهمسان

بیشتر سنگ ها و انباشته شدن مواد طبیعی تحکیم نیافته ناهمسان است؛ به این معنا که، خصوصیات آن در تمامی جهات یکسان نیست. در این فصل به هیدرولوژی آب زیرزمینی در ارتباط با حرکت آب در مواد ناهمسان در زیر حجم های ایستا یا در حرکت آب در سطح زمین و زیر سدها توجه شده است.

غالباً تاکید بر هیدرولوژی آب زیرزمینی در دره ها است چرا که بیشتر سدهای بزرگ در این نواحی ساخته شده است.

فصل 7: زمین شناسی و هیدرولوژی آب زیرزمینی به همراه سنگ های محلول در آن

در حین ساخت سدها و مخازن در محل هایی که سنگ بستر تا حدودی در آب در حال چرخش در زیر زمین حل شده است، با مسائل مهندسی بسیار پیچیده ای ممکن است مواجه شد. شایع ترین نتیجه این پدیده، ایجاد و توسعه توپوگرافی کارست و غارهای آهکی، گالری ها و رودهای زیرزمینی کوچک تا بزرگ است. اگر چه حتی حل شدن هایی با توزیع محلی، ممکن است نگرانی های مهندسی بزرگی را در جایی که نارسایی و نفوذپذیری سنگ پی در زیر سد و در کف و دیواره مخزن وجود دارد، ایجاد کند. با این حال، خاصیت حلالیت، فعالیتی است که منجر به ایجاد حفره در انواع بسیاری از سنگ ها می شود، ولی با اختلاف زیاد، بیشتر این پدیده در سنگ های آهکی رسوبی و دولومیت مشاهده می شود. در برخی مناطق، گچ به عنوان یک سنگ کربناتی همین رفتار را در برابر آب زیرزمینی دارد.

فصل 8: مکانیک پی سد ها

کاربرد نظری و اجرایی مکانیک خاک و سنگ در طراحی و ساخت سدها به شرایط بسیار پیچیده ای رسیده است. بر خلاف تحقیقات برای تونل های طویل زیرزمینی، تحقیقات محل سد یا مخزن پیشنهاد شده، در محلی کوچک متمرکز شده است و به دلیل خطرات موجود برای زندگی و امکانات بشر در اثر گسیختگی سد و پی آنها، بررسی دقیق شرایط پی سد و وضعیت زمین شناسی محل مخزن پیش از طراحی و ساخت، واجب است.

دو روش عالی، هر کدام با متغیرهای فراوان، در تحلیل تنش-کرنش سدها و پی آنها به کار رفته است. در یکی از آنها مدل هایی با مقیاس واقعی از سازه مورد نظر ساخته می شوند و در معرض تنش هایی با انواع و شدت گوناگون در بازه های زمانی کوتاه یا بلند قرار می گیرند و کرنش ها (تغییرمکان ها) نیز به وسیله کرنش سنج ها به دست می آیند. روش دیگر فرضیه ها و روش های تحلیلی ریاضیاتی را به کار می برد و در سال های اخیر با پیشرفت روش های اجزا محدود در مکانیک محیط های پیوسته و مکانیک سازه ها توجهات بسیاری را برانگیخته است. این روش نیازمند حل مسائل به وسیله رایانه است.

هدف اصلی در تمامی محاسبات طراحی و ساخت مدل ها، ایجاد محدودیت یا کنترل حرکت احجام سنگی تحت بارگذاری است. پی یا پایه سد قابل قبول، آن است که در آن مقاومت برشی سنگ یا توده خاک به میزان زیادی از نیروهای برشی ایجاد شده بیشتر باشد. مروری بر دلایل گسیختگی سد و وخیم شدن شرایط آن که در ادبیات فنی ثبت شده است به وضوح نشان می دهد این موارد تقریبا همیشه به شرایط محلی مربوط است و به مشخصات توده های عظیم سنگ یا مواد تحکیم نیافته در پی یا پایه سد ارتباط چندانی ندارد.

فصل 9: تحقیقات زمین شناسی و ژئوفیزیکی محل سدها و مخازن

پیش فرض مطالب این فصل این است که خواننده با متن فصول پیشین کتاب سد ها، پی سد ها و مخازن ذخیره آب آشنا باشد. مطالب اضافی که در فصول قبل ارائه نشده است، شامل توضیحات و بحث هایی درباره نظریه و ابزارهای مورد استفاده در مطالعات ژئوتکنیکی جدید و ارزیابی محل های ساخت سد و مخزن قبل، حین و پس از ساخت است. این دیدگاه زمین شناسی است که مسئولیت تامین داده های زمین شناسی و ژئوفیزیکی مورد نیاز برای طراحی و ساخت ایمن سد و حفظ یکپارچگی مخزن پشت آن را به عهده مهندسان از جمله کارشناسان مکانیک سنگ می گذارد.

فصل 10: جنبه های ژئوتکنیکی ساخت سدها و مخازن

ساخت سد و متعلقات مربوط به آن و در صورت نیاز، بهسازی محل مخزن پشت سد، تمام تلاش های انجام شده در تحقیقات اولیه میدانی و آزمایشگاهی، طراحی و برآورد مقادیر و هزینه ها را به ثمر می نشاند. در برداشتن پوشش سطحی یا خاک نرم در محل اجرای پی یا پایه سد، حفاری برای دیوار آب بند در سنگ یا رسوبات تحکیم نیافته یا خارج کردن سنگ هوازده یا ترک خورده اثراتی از خود به جا می گذارند که جزئیات محل دقیق و مشخصات فیزیکی مواد زیرسطحی را آشکار می کند که ممکن است به صورت کیفی یا کمی در تحقیقات اولیه هر چقدر دقیق هم که انجام شده باشند، بررسی شده باشد یا نشده باشد. مشکلات قابل انتظار یا غیر قابل انتظار، به مشکلات محلی تبدیل می شوند و نیازمند راه حل های کاربردی هستند که با افراد، تجهیزات، برنامه زمانی و روش های سنتی یا در لحظه و خلاقانه سروکار دارد.