Geotechnical Engineering of Dams (2nd Edition)

کتاب مهندسی ژئوتکنیک سد ها (ویرایش دوم) قصد دارد وضعیتی از مهندسی ژئوتکنیک سد های خاکی و پی ‌های آنها و مهندسی ژئوتکنیک سد های بتنی ارائه دهد. فرض بر این است که خواننده در مهندسی عمران یا زمین شناسی مهندسی با دانش مکانیک خاک و سنگ آموزش دیده است. این کتاب برای ارزیابی سد های موجود و نیز بررسی طراحی و اجرای سدهای جدید ارائه شده است. نویسنده تصمیم گرفته است تا پیش‌ زمینه روش‌ های طراحی و همچنین خود روش ها را ارائه دهد تا خواننده بتواند درک درستی از آنها پیدا کند.

ویرایش دوم کتاب مهندسی ژئوتکنیک سد ها، در مورد سدهای بزرگ نوشته شده است که ICOLD (1974) چنین تعریف می کند:

سد بزرگ: سدی که ارتفاع آن بیش از 15 متر باشد (از پایین ترین نقطه در پی های عمومی تا تاج سد اندازه گیری می شود) یا هر سدی به ارتفاع بین 10 تا 15 متر که واجد یکی از شرایط زیر باشد:

– طول تاج کمتر از 500 متر نباشد.

– ظرفیت مخزن تشکیل شده توسط سد کمتر از یک میلیون متر مکعب نباشد.

– حداکثر دبی سیلابی سد کمتر از 2000 متر مکعب در ثانیه نباشد.

– سد از طراحی غیر معمول برخوردار باشد.

کتاب مهندسی ژئوتکنیک سد ها، ویرایش دوم Fell, MacGregor, Stapledon and Bell, Geotechnical Engineering of Dams (2005) است. تقریباً تمام فصل های آن کتاب به طور گسترده مورد بازبینی قرار گرفته اند تا وضعیت فعلی تمارین و دانشی که نویسندگان از زمان نگارش آن کتاب به دست آورده اند را منعکس کند.

مهمترین تغییرات ویرایش دوم کتاب مهندسی ژئوتکنیک سد ها نسبت به ویرایش اول منوط به موارد زیر است:

• فصول 8 و 9 به فرسایش خاک و جوشش سدها و پی آنها اختصاص یافته است. تحقیقات گسترده ای در استرالیا، اروپا و آمریکای شمالی انجام شده است که منجر به درک بسیار بهتری از مکانیک فرسایش و جوشش شده است و اکنون در عمل قابل استفاده هستند.

• پیوست الف همراه با فصل 9 شرح مفصلی از روش های ارزیابی احتمال گسیختگی سد های خاکی به واسطه فرسایش و جوشش را ارائه می دهد. نویسندگان در یک دوره 15 ساله در خط مقدم توسعه و کاربرد این روش ها بوده اند.

• در فصل 10 نویسنده به سد های خاکی پرداخته است، پهنه بندی و طراحی آنها برای کنترل تراوش، فرسایش و جوشش یکی از موضوعاتی است که مهندسین طراح و اجرا در زمینه سدهای خاکی باید با آن آشنا باشند. در مقایسه با ویرایش قبلی این فصل اصلاحاتی داشته است. نیاز به منطقه بندی برای کنترل تراوش و فشارهای منفذی برای پایداری و کنترل فرسایش و جوشش از جمله مواردی است که  در این فصل مورد توجه نویسنده قرار گرفته است.

• فصل 12 در مورد طراحی سد های خاکی تحت بارهای لرزه ای است که در ده سال گذشته پیشرفت های قابل توجهی داشته است.

انواع سدهای خاکی و ویژگی های اصلی آنها

سد های خاکی در انواع مختلفی وجود دارند. این طرح ها دارای درجات مختلفی از محافظه کاری داخلی هستند که معمولاً به میزان کنترل تراوش در داخل سد به کمک فیلترها و زهکش ها نظیر استفاده از سنگریزه در محوطه خاکریز و کنترل تراوش پی با تزریق، زهکشی و اجرای پرده آب بند مربوط می شود.

در ادامه مناطق مختلف سدهای خاکی مشترک و عملکرد آنها را فهرست می کند. سیستم شماره گذاری منطقه نشان داده شده در سراسر این کتاب استفاده شده است. هیچ سیستم شماره گذاری پذیرفته شده جهانی برای مناطق در سدهای خاکی وجود ندارد. برخی از سدها دارای چندین ناحیه سنگریزه ای هستند تا مواد موجود در معدن و حفاری های مورد نیاز برای سرریز را در خود جای دهند.

• I: هسته: کنترل تراوش از میان سد.
• 2A: فیلتر ریزدانه: وظیفه این محدوده کنترل تراوش در محدوده I، کنترل فرسایش در پی سد و کنترل فشار آب حفره ای و uplift در پایین دست سد می باشد.
• 2B: فیلتر درشت دانه: کنترل تراوش در ناحیه 2A، تخلیه آب جمع شده توسط زهکش های افقی و عمودی از وظایف این ناحیه است.
• 2C: این ناحیه از دو بخش تشکیل شده است: 1- فیلتر بالادست که وظیفه کنترل فرسایش در ناحیه I و هسته سد را دارد 2- فیلتر زیر ریپ رپ که موظف است تا تراوش آب از محدوده ریپ رپ به ناحیه I را جلوگیری نماید.
• 2D: لایه بالشتک ریزدانه: وظیفه این ناحیه فراهم کردن یکنواختی در زیر رویه بتنی در بدنه سد است. علاوه بر این، این ناحیه در کنترل نشت و جلوگیری از ترک خوردگی در محدوده رویه بتنی موثر است.
• 2E: بالشتک درشت دانه: وظیفه این ناحیه فراهم کردن یکنواختی در زیر رویه بتنی، جلوگیری از تراوش در محدوده 2D می باشد.
• 1-3: این ناحیه وظیفه حفظ پایداری در سد را بر عهده دارد.
• 3A: سنگ ریزه: این محدوده در حفظ پایداری سد کمک می کند و با فراهم کردن شرایط زهکشی امکان تخلیه نشت از طریق زیر سد را به وجود می آورد. این ناحیه از فرسایش Zone 2B به داخل محدوده سنگریزه نیز جلوگیری می کند.
• 3B: این محدوده در حفظ پایداری سد کمک می کند و با فراهم کردن شرایط زهکشی امکان تخلیه نشت از طریق زیر سد را به وجود می آورد.
• 4: ریپ رپ: این ناحیه فرسایش بالادست را کنترل می کند و ممکن است برای کنترل فرسایش پایین دست سد از جریان های پساب از سرریزها نیز استفاده شود.

شکل های زیر ناحیه های مذکور در سد های خاکی مختلف را نشان می دهد.

انواع سد های بتنی و ویژگی های اصلی آنها

سد های ثقلی بتنی برای تحمل نیروهای وارده به سد بر وزن بتن متکی هستند. سدهای قوسی بتنی با عمل قوس دهی نیرو ها را به پی و تکیه گاه منتقل می کنند و عموماً بارهای بیشتری را به پی تحمیل می کنند. سدهای ثقلی و قوسی بتنی جدید دارای یک گالری در سد هستند که در آن سوراخ هایی برای کاهش نفوذپذیری ایجاد و تزریق می شود. علاوه بر این، این موضوع سبب می شود تا فشارهای بالابرنده در پی سد کاهش یابد.

بیشتر سدها و مخازن آنها از نظر محل احداث، در دره رودخانه ها یا نزدیک آن قرار دارند. توپوگرافی و وضعیت زمین شناسی در هر محل با تعامل بسیاری از فرآیندهای زمین شناسی و موارد مرتبط در طول دوره های زمانی وسیع توسعه یافته است. ساختار زمین شناسی حاصل در محل پروژه های سد و مخزن می تواند پیچیده باشد و هیچ دو محلی لزوماً شبیه هم نخواهند بود. برخی از فرآیندهایی که محل را تشکیل داده اند ممکن است هنوز کاربردی باشند و بتوانند بر امکان سنجی ساخت یا بهره برداری آن تأثیر بگذارند. بنابراین ضروری است تا مهندسین ژئوتکنیک به مبانی زمین شناسی و رویه های انتخاب یک محل مناسب برای احداث سد مسلط باشند و محل های موجود را با استفاده از تمام دانش و روش های مناسب زمین شناسی کلاسیک بررسی کنند تا نهایتاً بهترین محل را انتخاب نمایند. (Baynes, 1999; Fookes, 1997; Fookes et al., 2000; Hutchinson, 2001).

تیم مهندسی مسئول ساخت یک سد در هر محل باید بتواند پیش بینی های قابل اعتمادی در مورد روش های اجرای مناسب و نحوه تعامل و عملکرد سد و پی آن تحت هر شرایط عملیاتی پیش بینی شده را انجام دهد. پیش‌بینی ها معمولاً شامل قضاوت ‌های مهندسی و تحلیل ‌های کمی بر اساس داده‌ های ارائه ‌شده توسط تیم مطالعات ژئوتکنیک در محل می شوند. این داده ها به صورت یکسری مدل های ژئوتکنیکی ارائه می شود که شامل موارد زیر است:

– یک تصویر سه بعدی یا مدل با جزئیات کافی از وضعیت زمین شناسی محل، با استفاده از اصطلاحات توصیفی ژئوتکنیکی و ارزیابی تاریخچه محل و اثرات هر فرآیندی که هنوز فعال هستند و مقادیر مشخصات ژئوتکنیکی برای بخش های حیاتی مدل باید اتخاذ شود. زیرا طراحی سد غالباً به کمک نرم افزار انجام می شود و بسیاری از این مشخصات به عنوان ورودی در نرم افزار استفاده می شود.

کتاب مهندسی ژئوتکنیک سد ها (ویرایش دوم) اصطلاحات توصیفی ژئوتکنیکی را معرفی می‌کند و از آنها در حین بحث در مورد فرآیندهایی که در مهندسی سد مهم هستند، استفاده می کند. نقص ها یا ناپیوستگی ها و شیوه های شکل گیری آنها ابتدا تعریف و مورد بحث قرار می گیرد. زیرا درک آنها در سراسر کتاب مورد نیاز است. سپس برخی از جنبه های فرآیندهای هوازدگی و فرسایش سنگ ‌ها و خاک ‌ها به تفصیل پوشش داده می شوند.

انواع ناهمسانگردی در مواد

هر یک از انواع بافت های زیر که به طور یکنواخت در بدنه ای از سنگ یا خاک ایجاد شده است، باعث می شود که آن ماده با توجه به خواص مهندسی آن به ویژه مقاومت، سختی و نفوذپذیری، ناهمسانگرد باشد.

Bedding – آرایش لایه ای یا موازی دانه ‌ها که در طی رسوب‌ گذاری به‌عنوان رسوب ایجاد می‌شود.

Cleavage – کلیواژ سطوحی از سنگ است که در امتداد آنها ماده به راحتی شکافته می شود.

Lineation – آرایش خطی دانه ها که تحت فشار با و یا بدون گرما (در سنگ های دگرگونی) ایجاد می شود.