راهنمای تحلیل و طراحی لرزه ای سدهای خاکی و سنگریز

توضیحات

راهنمای تحلیل و طراحی لرزه ای سدهای خاکی و سنگریز

امروزه آب به عنوان یکی از اصلی ترین و حیاتی تر ین بنیان های کشور در روند توسعه به شمار مـی رود. گسـترش جمعیت و نیازهای روزافزون آن از یک سو و محدودیت منابع تأمین آب از سویی دیگر باعث شده تا بر اهمیت این عنصر حیاتی روز به روز افزوده شود. با عنایت به چن نی نقش حساس و استراتژیکی که به طور حتم، آب در آینده جهـان بـازی خواهد کرد، مدیریت صحیح منابع به ویژه در تأمین، ذخیـره، توزیـع و مصـرف آن از اهـم مسـائل هـر کشـور محسـوب می شود. کشور ما نیز از این امر مستثنی نبوده و با توجه به محدودیت های زیادی کـه در منـابع آبـی خـود دارد، ایجاد و گسترش زیرساخت های منابع آب و به خصوص احداث سد را به عنوان یکی از اصلی ترین سیاست های برنامه ریـزی توسـعه خود قرارداده است. تحقق این هدف، با توجه به وسعت کشور و پراکندگی منابع، زمان و سرمای فراوانی را طلـب خواهـد کرد. یکی از اصول حفظ و هدایت این سرمایه در مسیر صحیح، رعایت ضوابط و استانداردهای تدوین شده در هـر کشـور به منظور دستیابی به یک طرح ایمن و در عین حال اقتصادی است. قرارگیری وسعت قابـل تـوجهی از ایـن سـرزمین در مناطق مستعد وقوع زلزله های متوسط و بزرگ بر اهمیت این موضوع می افزایـد. علیـرغم اینکـه مراجـ یع مختلفـ ماننـد ICOLDو ،FEMA توصیه هایی در مورد کلیات تحلیل و طراح لرزه یا سدهای خاکی ارائه نموده اند، تا کنون در کشور ایران مرجعی که به طور خاص به طرح لرزهای این سازه ها با توجه به شرای یط بوم بپردازد تهیه و تدوین نشده است.
از میان سازه های آبی مختلف در یک طرح مدیریت منابع آب، سدها با توجه بـه ابعـاد و حجـم سـرمایه ای کـه بـرای احداث آنها صرف می شود و همچنین نقش اساسی که در این فرآیند ایفا می کنند، از اهمیت به سزایی برخوردار هسـتند. همچنین عوارض و عواقب فاجعه بار ناشی از شکست احتمالی سدها،  نیاز توجه ویژه به طراحی و ساخت امـن آنهـا را دو چندان کرده است. در میان سدهای مختلف نیز سدهای خاکی و سنگریز به واسطه مزیت های نسبی که در مقایسه با سایر انواع سدها دارند، دارای جایگاه ویژه ای بوده و بخش عمده ای از سدهای احداث شـده در سـطح جهـان را در حـدود 83
درصد به خود اختصاص داده اند. از این رو، این راهنما در نخستین گام برای تدوین ضوابط و استانداردهای طرح لرزه ای سازه های آبی، به ارائه روش ها و معیارهای تحلیل و طراحی لرزه ای سدهای خاکی و سنگریز خواهد پرداخت.
 –هدف
هدف این راهنما، ارائه یک مرجع واحد تحلی یل و طراح لرزه ای بدنه و پی سدهای خاکی و سنگریز، به منظور ایجـاد وحدت رویه در اتخاذ روش ها و فرضیات تحلیل و طراح این گونه سدها در سطح جامعـه مهندسـی کشـور مـی باشـد. در همین راستا، این راهنما تلاش خواهد نمود تا با ارائه مجموعه ای از توصیه ها، دسـتورالعمل های گـردآوری شـده از مراجـع مختلف و با بهره گیری از تجربیات بومی موجود در این زمینه، روند تحلیل لرزه یا سـدهای خـاکی یو سـنگر ز را در یـک مسیر معین هدایت و طراحی هرچه ایمن و اقتصادیتر در این بخش را میسر نماید.
همچنین از آنجا که به علت پیچیدگی های تحلیل های دینامیکی، درک و تفسـیر نتـایج حاصـل از آن، سـطح نسـبتاً بالایی از دانش را طلب می نماید، در گردآوری و تدوین مطالب تلاش شده است تا با بیانی سـاده، ایـن راهنمـا در سـطح جامعه مهندسین مشاور و با سطوح مختلف تجربه در این خصوص، شکلی کاربردی یافته و بتواند مثمرثمر واقع گردد.
 –دامنه کاربرد
این راهنما روش های متداول در تحلیل و طراحی لرزه ای بدنه و پی سـدهای خـاکی و سـنگریز ناحیـه بنـدی شـده یـا همگن، در اندازه های کوچک، متوسط و بزرگ را دربر می گیرد . همچنین از مهمترین ویژگی های این راهنما آن است کـه کاربرد آن صرفاً محدود به تحلیل و طراحـی سـدهای در دسـت طراحـی نبـوده، بلکـه بـرای ارزیـابی وضـعیت سـدهای ساختهشده و در دست بهره برداری نیز، قابل استفاده خواهد بود. یا ین راهنما برا تحلیل و طراح لرزه یا سازه های وابسته و جانبی سد از قبی یل تونل، سرر ز، سـازه آبگیـر، کانالهـای انتقال آب، ساختمان های بهره برداری و همچنین شیب های طبیعی شیب یا روانی های ایجاد شده مشرف بـه مخـزن، بدنـه و سازه های جانبی قابل کاربرد نبوده و موارد مذکور می بایست بر اساس مراجع معتبر مرتبط طراحی گردد.
سدهای واقع بر روی گسل اصلی فعال، خارج از محدوده شمول این راهنما می باشد.
–تاریخچه عملکرد سدهای خاکی و سنگربر در زلزله
زلزله در طول تاریخ سرمنشاء بسیاری از خرابی ها و تلفات انسانی قابل توجه بوده است. عمـده ایـن تلفـات در مراکـز جمعیتی و به واسطه تخریب ساختمان ها صورت گرفته است. با این حال، همواره نگرانی های زیادی در خصـوص تخریـب سازهه ای عظیمی چون سدها، به واسطه زیان های مالی و جانی قابل توجه ناشی از آن و نیز رها شدن کنترل نشـده آب بـه سمت شهرها و روستاهای متمرکز در پایین دست آن وجود داشته است. آمار زلزله های به وقوع پیوسته در سراسر جهان نشان دهنده آنست که سـدهای خـاکی کـه تحـت تـاثیر زلزلـه قـرار گرفته اند رفتارهای مختلفی از آسیب و نشست های جزئی تا تخریب کامل از خود نشان داده اند. بررسی ها نشان مـی دهـد. که کمتر از 30سد به طور کامل در اثر زلزله تخریب شده اند. عمده این تخریب ها نیز مربوط به سدهایی بوده که بـه روش نامناسب ساخته شده مانند روش هیدرولیکی که در ساخت سدهای باطله مورد استفاده قرار می گیرد ویا آنکه بـر رویه های آبرفتی با پتانسیل روانگرایی بیشو یا در های یسب ار تند که احتمال لغزش های سطحی در آنها وجود دارد، واقـع بوده اند. به استناد همین آمار، سدهای خاکی که به نحو مناسب ساخته شده اند، به طور کلی در مقابل زلزله رفتـار مناسـبی را از خود نشان داده اند. اما باید به این نکته نیز توجه داشت که تعداد محدودی از سدهای بزرگ تحت تاثیر زمین لرزه های قوی و یا زلزله های پایه طراحی قرار گرفته اند. لذا نمی توان عنوان کرد که تمـامی سـدهای خـاکی در برابـر زلزلـه ایمـن هستند، کما اینکه در بسیاری از مناطق لرزه خیز دنیا حتی سدهای موجود مجدداً مورد بـازنگری قـرار گرفتـه و تـا حـد امکان تلاش می گردد با اتخاذ تدابیری، احتمال خرابی آنها در برابر زلزله کـاهش یابـد. در پیوسـت 1عملکـرد برخـی از سدهای خاکی احداث شده در سراسر جهان تحت تأثیر زلزله مورد بررسی قرار گرفته است.
با توجه به بررسی های انجام شده می توان آسیب پذیری سدهای خاکی را بدین شرح دسته بندی کرد:
لغزش شیروانی های بالادست و پایین دست
گسترش ترکهای طولی در امتداد محور سد که در صورت عبور از هسته و فیلترهـا و نفـوذ آب بـاران بـه داخـل
ترک ها ممکن است منجر به لغزش های بعدی گردد.
کاهش یا از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر نشست سد در طول زلزله
بروز ترکهای عرضی به دلیل نشستهای نامساوی که در طول زلزله با توجه به پاسخهای مختلف عناصر سازهای
تشدید می شوند. وقوع این ترکها میتواند به مسیری برای جریان آب از بالادست به پاییندست سد بیانجامد.
فرسایش داخلی در بدنه سد، پس از پیدایش ترک عرضی در آن
افزایش فشار آب حفره ای در هسته، پوسته و پی و وقوع پدیده روانگرایی در صورت مستعد بودن مصالح
شکست و گسیختگی در سد به علت وجود گسل اصلی فعال در ساختگاه سد
لغزش شیب های مشرف به مخزن سد و ایجاد امواج و در نهایت روگذری آب از سد
شکست،آسیب انسداد سرریز، تونل تخلیه کننده، سازه های آبگیر یا در یچه ها، در اثر زلزله ای لغـزش شـیب های مشرف به آنها
عوامل دیگری نیز ممکن است در طول زلزله و بعد از آن بروز نماید، از جمله کاهش مقاومت مصـالح و وقـوع پدیـده گسیختگی های پیشرونده 1بر اثر بازتوزییع فشارها آب حفره یا در بدنه سد، که می تواند منجر بـه خرابـی و گسـیختگی سدهای خاکی شود. در فصل های بعد، به ویژه در فصل طراحی، به جزئیات مربوط به طراحی سـدها و خاکریزهـا جهـت مقابله با این پدیده ها اشاره خواهد شد.

–انواع روش های تحلیل لرزه یا سده یا خاکی
به طور کلی دو روش متفاوت جهت ارزیابی پایداری و عملکرد سدهای خاکی و سنگریز در زمان زلزله مـورد اسـتفاده قرار می گیرد. این روشها در اغلب موارد مکمل یکدیگر بوده و ارزیابی نهایی بر اساس مجموع نتایج حاصل از آنها صـورت می پذیرد. روش اول که از قدمت بیشتری برخوردار بوده و امروزه در طراحی سدهای خاکی و سنگریز کاربرد فراوان یافته، روش شبه استاتیک 2است.
روش دوم استفاده از تحلیل های دینامیکی است که با به کارگیری روش های تحلیل عددی، نظیر اجـزاء محـدود و یـا روش تفاضل های محدود، انجام می گیرد و در صورت امکانِ دسترسی به اطلاعات کافی از رفتار دینـامیکی خـاک، بـالطبع نتایج واقع بینانه تری را از پاسخ لرزه ای سد به دست خواهد داد. علاوه بر این، روش های ساده ای از قبیل بلوک لغزش نیومارک برای تخمین تقریبی میزان جابجـایی هـای مانـدگار در بدنه سد در اثر زلزله وجود دارد. در این روش ها از نتایج روش های فوق به منظور تخمین جابجایی ها استفاده می شود.

– محدوده کاربرد روش های مختلف تحلیل لرزه ای
میزان مخاطرات و خسارات ناشی از تخریب احتمالی سد، تابع عوامل مختلفی همچون بزرگی ارتفاع و حجم مخـزن و نیز میزان تمرکز جوامع انسانی، صنایع، زمین های کشاورزی و تأسیسات زیرساختی در محدوده سد مـی باشـد. هرچقـدر اندازه یک سد از نظر ارتفاع و یا حجم مخزن بزرگتر یا هزینه های انسانی، اقتصادی، اجتماعی و فرهنگـی کـه بـه واسـطه تخریب احتمالی سد رخ می دهد بیشتر باشد بر میزان اهمیت سد افزوده شده و به تبع آن حجم بیشـتری از مطالعـات و تحلیل ها را طلب خواهد کرد. در نتیجه، نوع و گستردگی تحلیل های مورد نیاز برای هر سد باید متناسب با درجه اهمیت آن باشد. نحوه تعیین درجه اهمیت و درجه خطرپذیری سد در مراجع مختلف با توجه به شرایط هر کشور یـا منطقـه ای متفاوت بوده که برخی از مهمترین این دسته بندی ها در پیوست ارائه شده است. در این راهنما پیشنهاد می شود از روش ارائه شده ذیل که متناسب با شرایط بومی کشور می باشد استفاده گردد.
–دسته بندی سد بر اساس اندازه
سدها از نظر اندازه براساس ارتفاع و حجم مخزن، مطابق جدول 1-1 به سه دسته تقسیم می شوند:
1-سد کوچک: به سدهایی اتلاق می شود که ارتفاع آنها کمتـر از 15متـر و حجـم مخـزن آنهـا کمتـر از 1میلیـون مترمکعب باشد.
2-سد متوسط: سدهای با حجم مخزن کمتر از 5میلیون مترمکعب و ارتفاع بین 15تـا 30متـر در رسـته سـدهای متوسط قرار دارند. همچنین سدهایی با ارتفاع کمتر از 15متر که حجمی در حدود 1تا 50میلیون مترمکعب را دارا هستند جزء سدهای متوسط هستند.
3-سد بزرگ: سدهایی با ارتفاع بیش از 30متر و یا حجم مخزن بیش از 50میلیون مترمکعـب را شـامل مـی شـود.
همچنین سدهایی با ارتفاع 15تا 30متر و حجم مخزن 5تا 50میلیون مترمکعب نیز در این دسته از سدها طبقه بندی می شود.

– درجه بندی اهمیت سد رب اساس پتانسیل خطر
به منظور دست یابی به یک طرح موفق و ایمن و در عین حال اقتصادی همواره لازم است پتانسیل خطـر 3سـد در اثـر عملکرد نامطلوب آن تعیین شود. بدین ترتیب با مشخص شدن میزان اهمیت سـد و آثـار و تبعـات خرابـی احتمـالی آن میتوان نسبت به انتخاب نوع تحلیل های مورد نیاز اقدام نمود.

همچنین لازم به ذکر است درصورتی که در طول عمر سد تغییراتی در طرح یا عوامل تاثیرپذیر از خرابـی سـد صـورت گیرد که منجر به بالاتر رفتن اهمیت سد گردد، لازم است پـس از ارزیـابی مجـدد، نسـبت بـه بـازبینی طـرح و احتمـالاً ایمن سازی آن اقدام گردد. پتانسیل خطر سد بر اساس معیارهای جدول 1-2تعیین می شود. با توجه به اینکه  یک سد می تواند پتانسـیل هـای خطر متفاوتی از نظر تلفات جانی ، آثار اقتصاد فرهنگی، محیط زیستی داشته باشـد، بایـد  بـالاتر  پتانسـیل خطـر بدست آمده از جنبه های مختلف را به عنوان »پتانسیل خطر« سد انتخاب نمود.

–تحلیل های مورد نیاز در طرح لرزهای سدها
حداقل تحلیل های لرزه ای مورد نیاز برای ارزیابی پایداری و عملکرد سد تحت زلزلـه، بـر اسـاس درجـه اهمیـت سـد اندازه و پتانسیل خطر، مطابق جدول1-3تعیین می شود. در خصوص کفایت تحلیل های مذکور، لازم است بر اسـاس شرایط خاص هر سد، گروه طراحی بر پایه قضاوت مهندسی تصمیم گیری نماید. لازم به ذکر است تحلیل های لرزه ای مذکور در جدول 1-3با فرض این است که مصالح پی سد، سـنگی یـا از نـوع آبرفت متراکم باشد. در صورتیکه احتمال وقوع روانگرایی در مصالح پی یا بدنه سـد وجـود داشـته باشـد، ضـروری اسـت تحلیل های لازم برای ارزیابی رفتار روانگرایی مصالح در حین زلزله و پس از آن بر اساس مطالب فصل های آتی انجام گردد.

برای سدهای با ارتفاع بیش از 150متر و یا حجم مخزن بیش از 2میلیارد مترمکعب، لازم است کمیته ویژهای برای ارزیابی عملکرد لرزهای این سدها تشکیل گردد و نیاز استفاده از آزمایشهای مدل سد نظیر سانتریفوژ بررسی گردد. برای سدهای با ارتفاع بیش از 100متر واقع در مناطق با لرزه یزیخ بالا توص می یه شود در انتهـای مطالعـات مرحلـه اول مطالعات مرحله شناخت بر روی گزینه منتخب بدنه، تحلیل نام یکی با پارامترهای در دسترس مصالح انجام گردد تا در صورت عملکرد لرزه یا نامطلوب، سایر گزینه های بدنه مجدداً ارزیابی گردد. برای سدهای با ارتفاع کمتر یـا واقـع در مناطق با لرزه یزیخ کم انجام تحلیل های پایداری سد به روش شبه استاتیک در این مرحله از مطالعات کفایت می کند.