نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد نهم، شمارۀ 3 پاییز 4331

بررسی تأثیر آبگیری مخزن در انتخاب ضریب شبهاستاتیکی سدهای خاکی

محمد داودی*؛ پژوهشگاه بين المللي زلزله شناسي و مهندسي زلزله، پژوهشکدۀ مهندسي ژئوتکنيک
علي قنبری؛ دانشگاه خوارزمي، دانشکدۀ فني و مهندسي، سعيد عابدیني؛ شرکت سپاسد )تابان(، لرستان
تاریخ: دریافت 8/8/83 پذیرش 3/41/32چکیده
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

تحلیل شبه استاتیکی، از روش های متداول در طراحی سدهای خاکی است و کمیسیون بینالمللی سدهای بزرگ (ICOLD)، استفاده از این روش را پیش از انجام تحلیلهای دینامیکی نهایی توصیه کرده است. در این تحقیق، با استفاده از مشخصات مصالح سد مسجد سلیمان تحلیلهای استاتیکی، شبه استاتیکی و دینامیکی انجام شده و با استفاده از نتایج تحلیل های دینامیکی ضریب اطمینان دینامیکی و شبه استاتیکی بحرانیترین گوه مستعد لغزش محاسبه شده است. تغییر مکان ماندگار بحرانیترین گوه لغزشی محاسبه شده و سپس ضرایب اطمینان محاسبه شده در مراحل قبل با یک دیگر مقایسه شد و برای ترازهای مختلف آب مخزن، ضریب شتاب افقی متغیر در ارتفاع سد با استفاده از روشی پیشنهادی بررسی شد.

1623593218244

واژه های کلیدی: سدهای خاکی، ضریب شتاب افقی، تحلیل شبه استاتیکی، تحلیل دینامیکی
[email protected] نویسنده مسئول *

1491
مقدمه
سابقۀ تحلیل شبه استاتیکی سازههای خاکی به اوایل دهۀ 4321 میلادی برمیگردد. در این
روش، اثرات تحریک زلزله به صورت نیروهای افقی Fh 

aWhg kWh و قائمFV 

aVgW kVW مؤثر بر تودۀ لغزشی معادلسازی میشود. در این روابط ah و av دامنۀ شتابهای شبهاستاتیکی افقی و قائم ،kh وkv ضرائب افقی و قائم زلزله و W وزن تودۀ لغزشی است. از آنجا که مقادیر شتابهای شبه استاتیکی تابع شدت پیشبینی شدۀ حرکات زمین نیز است، با بررسی تاریخچۀ پژوهش های انجام شده در این زمینه، نظرات محققان مختلف را در مورد نحوۀ انتخاب ضریب شتاب افقی میتوان به دو گروه تقسیم کرد:
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

الف( نظراتی که این ضریب را برای تمام ارتفاع بدنه سد یکسان فرض میکنند. در این راستا، جانسن بر مبنای نواحی چهارگانۀ خطر زلزله در آمریکا، ضریب لرزه ای را از 10/1 تا 2/1 پیشنهاد کرده است ]4[. پایک بر اساس بررسیهای سید و مکدیسی که مبتنی بر روش نیومارک است، با فرضیات منطقی در بارۀ بزرگی زلزله و شتاب حداکثر، گرافی برای تخمین ضریب زلزله در خاکریزهای با ارتفاع حداکثر 201 فوت )67 متر( ارائه کرد. این گراف تا حدودی مبتنی بر میزان تغییر شکلهای مجاز است و بر اساس آن برای زلزله به بزرگی 2/8 ریشتر، اگر تحلیل شبه استاتیکی با شتاب افقی معادل نصف شتاب حداکثر انجام شود، خرابی رخ نمی دهد. این ضریب برای زلزلههای با بزرگای کمتر، به نسبت کاهش مییابد. در این روش برای تمام ضرایب شتاب افقی، مقدار ضریب اطمینان قابل قبول، معادل یک بیان شده است ]2[. انستیتو تکنولوژی کانپور هند مقدار ضریب لرزهای آنالیز شبهاستاتیک را برابر 3ZIS

بیان کرده است. در این رابطه ،Z ضریب لرزه خیزی منطقه در آییننامۀ هندوستان ،I ضریب اهمیت خاکریز و S نیز ضریبی تجربی است که بیان گر میزان تشدید جنبش زمین، از روی سنگ بستر تا پنجۀ سد یا خاکریز است ]3[.
ب( نظراتی که ضریب شتاب افقی را در ارتفاع سد متغیر در نظر می گیرند. در این راستا ،کریشنا استفاده از منحنیهایی که بر اساس معادۀ گوتنبرگ و ریشتر تهیه شدهاند را توصیه کرده است. بر این اساس برای تعیین حداکثر شتاب زمین لازم است که حداکثر بزرگای محتمل و فاصلۀ ساختگاه از کانون سطحی زلزله برآورد شود، سپس میتوان حداکثر شتاب زمین را بر حسب درصدی از شتاب ثقل قرائت کرد. وی برای به دست آوردن عکس العمل سد، استفاده از منحنیهای هاوزنر را که بر اساس اندازه گیری واقعی عکس العمل سد نسبت به زلزله ثبت شده در کالیفرنیای آمریکا تهیه شدهاند، پیشنهاد می کند. در این روش بر اساس زمان تناوب و نسبت میرایی بحرانی، شتاب عکس العمل در تاج سد تعیین شده و برای زلزلههای مختلف اصلاح میشود. این شتاب در بالای سد منظور شده و به سمت قاعده بر اساس جدول 4 کاهش پیدا میکند. در جدول مذکور ،H ارتفاع سد و Z عمق نقطۀ بررسی شده از مبدامبداً تاج سد است ]1[.
جدول 2. مقادیر ضرایب تقلیل شتاب تاج [9]
4 1/3 1/6 1/0 1/3 1/4 1/1 Z

H
شتاب
1 1/43 1/14 1/76 1/86 1/33 4 ماکزیمم نسبی
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

استاندارد طراحی لرزهای سدهای خاکی ژاپن برای طراحی سدهای خاکی همگن ،سنگ ریزهای و ناحیه بندی شده با ارتفاع کم تر از 411 متر روش شبه استاتیک اصلاح شده را پیشنهاد کرده است. مطابق این روش، برای بررسی پایداری مقطع اصلی، ضریب لرزه ای برای هر گوه لغزشی یک عدد ثابت است و از روابط )4( و )2( قابل محاسبه است:
340655481468

1199528110922

y25185 y
  0.4)Kh K f ( ..( ))
h h )4(
y
(0.4 

hy 1) Kh K f (20.6(

h)) )2(
که h ارتفاع خاک ریز ،y فاصله عمودی بین تاج و انتهای گوه لغزشی و K f ضریب لرزه ای طراحی در پی است. در این آیین نامه بیان شده که اگر شرایط غیرمعمولی در وضعیت نیروهای لرزهای، توپوگرافی، پی، سازه و یا مصالح وجود داشته باشد، لازم است از روش های دیگر نظیر تحلیل دینامیکی استفاده شود ]0[.
کمک پناه و معقولی مقدار ضریب لرزهای را برای پایداری شیبهای طبیعی، بر اساس درصدی از نسبت شتاب محتمل )شتاب محتمل تقسیم بر شتاب ثقل(، به صورت رابطۀ )3( پیشنهاد کردند:
1499
)3( g / )شتاب محتمل زلزله( × )ضریب عمق سنگ بستر(× )ضریب نوع خاک(× )ضریب اهمیت( =Khکه در این رابطه، هرکدام از ضرایب با استفاده از روابط جداگانهای معرفی شدهاند ]7[.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

در سال 2118 قنبری و همکاران برای بررسی اثر انعطاف پذیری سدهای خاکی در انتخاب دقیق تر ضریب شتاب افقی، روی سد مسجدسلیمان؛ به عنوان بلندترین سد خاکی ایران؛ تحلیلهای شبه استاتیکی و دینامیکی تحت دو زلزلۀ منجیل و قاین انجام دادند. در ادامه با مقایسۀ ابتکاری تاریخچۀ زمانی ضرایب اطمینان گوههای مستعد لغزشی حاصل از تحلیل دینامیکی با ضرایب اطمینان حاصل از تحلیل شبهاستاتیکی و با توجه به تغییر مکان ماندگار گوه لغزشی، ضریب شتاب افقی متغیر در ارتفاع را در سد مذکور معرفی کردند و با تکرار بررسی ها در سدهایی با ارتفاعهای مختلف، نتایج را توسعه دادند ]6[. در ادامۀ بررسی مذکور ،تحقیق حاضر ]8[ به گونه ای پایه گذاری شد که دقت روش شبه استاتیکی با استفاده از تحلیل دینامیکی در وضعیت های مختلف آب مخزن ادامه یابد و نتایج بررسیهای انجام شده با دقت بیش تری استخراج شود.
روش استفاده شده برای تعیین ضریب شتاب افقی
در تحقیق حاضر، ضریب شتاب افقی در ارتفاع سد بر اساس تجارب حاصل از تحلیل دینامیکی سدهای مختلف و نحوۀ تغییر منحنی های بزرگ نمایی شتاب طبق رابطۀ )1( پیشنهاد میشود ]8[.
Kh(z) KhB.(1.Z) )1(
که در این رابطه ،β بیان گر میزان تغییر شتاب در ارتفاع سد است و باید مستقیمامستقیماً از نتایج تحلیل دینامیکی به دست آید. در واقع، پارامتر مذکور اثرات هندسۀ سد و رفتار انعطافپذیر بدنۀ سد در بزرگ نمایی ضریب لرزهای پایه را بیان می کند و به طور معمول بین صفر تا 0/4 متغیر است. در رابطۀ Z 

hy، که بیان گر موقعیت نقطۀ مورد نظر در ارتفاع سد است، مرکز مختصات برای پارامترy روی پایۀ سد تعریف شده است و h نیز ارتفاع بخش غیرمدفون سد در نظر گرفته شده است. با توجه به توضیحات مذکور، حداکثر ضریب لرزهای در تاج ، 0/2 برابر ضریب شتاب افقی در پایۀ سد بهدست میآید که در آییننامههای مختلف مانند آییننامۀ طراحی سدهای خاکی مقاوم در برابر زلزله در کشور ژاپن نیز این مقدار )حداکثر شتاب تاج به شتاب پایه( برابر 0/2 منظور شده است.
در رابطۀ مذکور، ضریب شبه استاتیکی شتاب افقی در پایۀ سد )KhB( که وابسته به شرایط لرزه خیزی ساختگاه و اثرات پی سد است، به صورت رابطۀ )0( معرفی میشود.
KhB A )5(
در این رابطه، پارامتر A معادل حداکثر شتاب مبنای طراحی )MDE( با دورۀ بازگشت 160 سال است و α ضریب شتاب مبنای طرح است که با توجه به اثرات ساختگاه از 3/1 تا
7/1 تغییر میکند.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

محاسبۀ پارامتر α در سه مرحله انجام می شود: در مرحلۀ اول، لازم است تاریخچۀ زمانی ضریب اطمینان گوۀ لغزشی که از تحلیل دینامیکی بهدست آمده است با ضریب اطمینان حاصل از تحلیل شبه استاتیکی مقایسه شود. برای انجام این کار، تحلیل دینامیکی با شتاب نگاشتهای مقیاس شده به مقادیر مختلف PGA انجام شده و مقدار تغییر مکان گوه از روش نیومارک محاسبه میشود تا زلزلهای که حداکثر تغییر مکان مجاز 31 سانتی متر را در گوه لغزشی ایجاد میکند تعیین شود و تاریخچۀ زمانی ضریب اطمینان گوه لغزشی در این حالت محاسبه و معادل ضریب اطمینان شبه استاتیکی یک فرض شود. در واقع با انجام محاسبات مذکور، پارامتر واسطۀ  به گونهای محاسبه میشود که تاریخچۀ زمانی ضریب اطمینان را به یک عدد ثابت تبدیل کند. در این جا لازم است به این نکته اشاره شود که استفاده از معیار تغییر مکان مجاز 31 سانتی متر برای گوه لغزشی دارای ضریب اطمینان یک بر اساس نتایج تحقیقاتی است که اخیراًاخیرا در این زمینه انجام شده است ]3[.
در مرحلۀ دوم، تحلیل دینامیکی سد با زلزله طرح انجام میشود و بر اساس الگوریتم ذکر شده در مرحلۀ اول، تاریخچۀ زمانی ضریب اطمینان به عدد ثابت تبدیل می شود. از طرف دیگر با انجام تحلیل شبه استاتیکی باKhهای مختلف، ضرایب اطمینان گوۀ مورد نظر محاسبه می شود. از مقایسۀ نتایج حاصل از تحلیل دینامیکی و شبه استاتیکی، ضریب افقی زلزله )نشان داده شده در سمت راست شکل4( به گونهای انتخاب میشود که ضریب اطمینان حاصل از دو روش یک سان شود.
1492
در مرحلۀ سوم، با مساوی قرار دادن مساحت حاصل از توزیع شتاب افقی متناظر با ضریب اطمینان مذکور )مساحت مستطیل( با توزیع خطی شتاب افقی پیشنهادی در این تحقیق
)مساحت ذوزنقه( و با استفاده از مقدار معلوم ، پارامتر مطابق شکل 4 محاسبه میشود.

مشخصات مدل عددی
در تحقیق حاضر، سد سنگ ریزهای مسجدسلیمان با ارتفاع 466 متر از پی سنگی، طول تاج
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

132 متر، هستۀ رسی قائم و پوستۀ سنگریزهای، که بر روی رودخانۀ کارون بنا شده، به عنوان مطالعۀ موردی با استفاده از نرم افزار Plaxis مدل شد ]41[. مدل عددی سد مذکور، با 4664 گره ،827 المان، ضخامت فونداسیون 3 برابر ارتفاع سد و بحرانی ترین گوه لغزشی در شکل 2 به نمایش در آمده است. همان گونه که در شکل 2 الف مشاهده میشود، مخزن سد در حالت پر مدل شده است لیکن در تحقیق حاضر، تأثیر مخزن فقط به صورت تغییر تنش مؤثر در پوستۀ بالادست و هستۀ سد لحاظ شده و از تأثیر نیروهای هیدرودینامیک مخزن صرف نظر شده است.
برای مدل سازی بدنۀ سد از مدل موهر کلمب و برای فونداسیون سنگی از مدل الاستیک خطی استفاده شده است. مشخصات استاتیکی مصالح استفاده شده در مدل شامل دانسیته، ضریب پواسون، چسبندگیC، زاویۀ اصطکاک داخلی ، زاویه اتساع Ψ و مدول یانگ E مطابق جدول 2 معرفی شده است ]44[. برای مصالح لازم به ذکر است مقادیر پارامترهای مصالح بدنه سد مسجدسلیمان بر اساس تحقیق صورت گرفته در مرجع 44 انتخاب شده است.
در این تحقیق، پارامترهای استاتیکی و دینامیکی خاک بر مبنای گزارش ارائه شده از طرف مهندسین مشاور طراح سد )مشارکت نیپون-کوئه ژاپن، لامایر آلمان و مشانیر ایران( انتخاب شده و بر اساس نتایج آزمایش های فیلد تدقیق شده است.

نتایج تحلیلهای استاتیکی و شبه استاتیکی و دینامیکی
با انجام تحلیل استاتیکی، ضریب اطمینان گوه مستعد لغزش برابر 70/4 محاسبه شد. هم چنین تحلیلهای شبهاستاتیک مدل سد مسجدسلیمان با استفاده از مقادیر ضریب شتاب افقی مختلف انجام گرفت. نتایج ضریب اطمینان گوه مستعد لغزش در تحلیل شبه استاتیکی در جدول 3 قابل مشاهده است. جهت انتخاب پارامترهای مقاومتی مورد نیاز در تحلیل دینامیکی، پارامتر چسبندگی 0/4 برابر حالت استاتیکی و زاویۀ اصطکاک 2 واحد کم تر از حالت استاتیکی معرفی شده است ]42[.
برای برآورد پارامترهای میرایی رایلی مورد نیاز تحلیل دینامیکی، فرکانسهای اول و دوم مودی بدنۀ سد بر اساس نتایج بررسی های قبلی [43] معادل1 /4 و3/4 هرتز انتخاب شد و با فرض نسبت میرایی 0 درصد، مقادیر 0/1=α و 110/1= β به دست آمد.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2941 ]



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید