سد قوسی -Arch dam

سد قوسي يك پوسته فضايي است كه در پلان داراي انحنا بوده و بار را به تكيه گاهها و فوندانسيون منتقل مي نمايد. معمولا قسمت اعظم بارهاي ناشي از آب به صورت افقي به تكيه گاهاي كناري سد منتقل مي گردند كه اين امر ناشي از عملكرد قوس مي باشد. مابقي بار بوسيله عملكرد كنسول ( نظير سدهاي وزني) به فوندانسيون كف منتقل مي گردد. بنابراين رفتار اين نوع سدها اندركنشي از رفتار قوسي نوارهاي افقي و رفتار طره اي نوارهاي قائم مي باشد

. تنشهاي داخلي سد قوسي به دو دسته تنشهاي عمود بر مقطع قائم شعااعي سد ( بعبارتي تنشهاي قوسي) و تنشهاي عمود بر مقطع افقي سد ( تنشهاي طره اي) تقسيم مي گردند. با تغيير نرمي و سختي فوندانسيون و جداره ميزان باربري عملكرد قوسي و كنسولي تغيير مي نمايند. در نتيجه اين تغييرات در سختي و نرمي جداره ها و فوندانسيون محل تشكيل تنشهاي كششي و در نتيجه ترك در سدهاي قوسي تغيير مي نمايد و با توجه به اينكه در سدها نبايد هيچگونه تنشهاي كششي ( كه نتيجه آن ترك در سد مي باشد) بوجود آيد لذا دانستن عملكرد سد در برابر وضعيت مختلف تكيه گاهي بسيار مهم مي باشد.

 اولين‌ سد قوسي‌ در جهان‌ (سد زولا) در فرانسه‌ در سال‌ 1854 و اولين‌ سد قوسي‌ بلند در جهان‌(سد هاور) (به‌ اسد رتفاع‌ 221 متر و طول‌ تاج‌ 372 متر) در آمريكا در سال 1936، سدهاي ‌قوسي‌ به‌ لطف‌ اضافه‌ ظرفيت‌ باربري‌ منحصر بفرد و خصيصه ي خود- تنظيمي، به‌ وفور مورد توجه‌ مهندسين‌ سد در زمينه‌ ساخت‌ سد در سراسر جهان ‌قرار گرفته‌ اند‌. در حال‌ حاضر بيش‌ از نيمي‌ از سدهاي‌ عظيم‌ ساخته‌ شده‌ در سراسر جهان‌ با ارتفاعي‌ بيش‌ از 200 متر از نوع‌ سدهاي‌ قوسي‌ مي‌باشند. در نواحي‌ غربي‌ چين‌ گروهي‌ از سدهاي‌ قوسي‌ ممتاز جهان‌ با ارتفاعي‌ بيش‌ از 300 متر در دست‌ ساخت‌ بوده‌ و يا ساخته‌ خواهند شد. سد سازي‌ در تمام‌ كشورهاي‌ جهان اين‌ موضوع‌ را به‌ اثبات‌ رسانيده‌ است‌، كه‌ هر چه‌ سد بلندتر و مرتفع تر باشد، اهميت‌ اقتصادي‌ و جنبه هاي‌ امنيتي‌ آن‌ بيشتر خواهد بود. بطور كلي‌، سدهاي‌ قوسي‌ با مخازن‌ عظيم مانند سد قوسي‌ مالپاست‌فرانسه‌، سد قوسي‌ وايونت‌ايتاليا و غيره ثابت كرده اند كه در صورت‌ فروريزي و خرابي، عواقب‌ اين‌ مسئله‌ كاملاً جدي‌ بوده‌ و نه‌ تنها اقتصاد ملي‌ را متحمل‌ زيان‌ قابل‌ توجهي‌ مي كنند، بلكه‌ جان‌ و مال‌ مردم‌ را شديداً به‌ خطر خواهند انداخت‌. در سال‌ 1959 سد قوسي‌ مالپاست‌ فرانسه‌ به‌ دليل‌ لغزش‌ بدنه‌ سد بهمراه‌ لايه ي‌ عميق ‌سنگي‌ شالوده‌، فرو ريخت‌ كه‌ اين‌ اتفاق‌ منجر به‌ مرگ‌ 400 نفر و از دست‌ رفتن‌ سدمايه ي اقتصادي‌ هنگفتي‌ گرديد. بنابراين‌ اهميت‌ بالايي‌ بايد به‌ مسائل‌ امنيتي‌ سدهاي ‌قوسي‌ داده‌ شود و بررسي‌هاي‌ عميقي‌ بايد به‌ سمت‌ تنش‌، تغيير شكل‌ و مكانيزم تخريب در حين‌ بهره‌ برداري‌ از اين‌ سدها سوق‌ داده‌ شود و همچنين‌ ارزيابي هايي در ارتباط‌ با ضريب‌ اطمينان‌ سدهاي‌ قوسي‌ بايد صورت‌ پذيرد..( به‌ اين‌ معني‌ كه‌ فاصله ي بين‌ حالت‌ طراحي‌ شده‌ و حالت‌ تخريبي‌ سد قوسي‌ بايد ارزيابي‌ شود). به‌ طور كلي‌ اكثر سدهاي‌ قوسي‌ داراي‌ شرايط‌ ژئولوژيكي‌ پيچيده‌، شرايط‌ محيطي ناسازگار، عدم‌ قطعيت‌ فيزيكي‌ (تصادفی)، پارامترهاي‌ مكانيكي‌ و غيره‌ مي باشند. تمام‌ اين‌ فاكتورها باعث‌ عدم‌ قطعيت‌ در تحقيقات‌ صورت‌ گرفته‌ درزمينه ي امنيت سدهاي‌ قوسي‌ شده‌ است‌. تمام‌ تئوري ها و اهداف‌ حال‌ حاضر داراي‌ هم نقطه‌ ي ضعف‌ و هم نقطه ي قوت‌ بوده كه‌ بايد پيشرفت ها و تكميلات مربوطه‌ به‌ سرعت‌ صورت‌ پذيرد.

اولین سد قوسی در ایران

اولین سدهای ساخته‌شده را می‌توان سدهای وزنی دانست که راست و قائمند و از آجرهای سنگی یا سیمان ساخته می‌شوند تا در برابر نیروی وارده از آب مقاومت کنند. در حدود سال‌های 2750-2950 پیش از میلاد مسیح، مصریان عهد باستان اولین سد شناخته‌شده را ساختند که «سدالکفره» نام دارد. این سد 37 فوت ارتفاع دارد و عرض آن در تاج سد 348 فوت و در قسمت پایینی آن 265 فوت است. بیرون این سد از آجرهای قلوه‌سنگی ساخته شده بود و درون آن را با 100 هزار تن سنگریزه پر کرده بودند. روی آن یک پوشش سنگ‌آهکی نیز برای مقاومت در برابر خوردگی و تاثیر امواج کشیده شده بود. این ساختار احتیاجی به سیمان نداشت چون وزن برشی (Shear) آن برای اطمینان از پایداری‌اش کفایت می‌کرد. با تخمین آبی که در دوران باستان در آنجا وجود داشت می‌توان ظرفیت سد را چیزی حدود 20 میلیون فوت مکعب تخمین زد. این سد بعد از چند سال فرو ریخت و دلیل اصلی آن را لبریز شدن سد از آب و تخریب سریعش می‌دانند. کارگران بیچاره‌ای در این واقعه جان خود را از دست دادند و چون این سد در بین مصریان یک شکست محسوب می‌شد برای مدت‌ها به سراغ چنین کارهایی نرفتند.

بررسي‌ ايمني‌ سدهاي‌ قوسي‌ توسط‌ تئوري‌ مقاومت‌:

بر طبق‌ تئوري‌ مقاومت‌، خرابي‌ يك‌ سد قوسي‌ به‌ جهت‌ ترك هاي‌ قوسي‌ ايجاد شده‌ براثر تنش‌هاي‌ كششي‌ اضافي‌، تسليم شانه و يا بدنه ي سد بر اثر تنش هاي‌ فشاري‌ اضافي‌، لغزش‌ بدنه ي صخره‌اي‌ سد در امتداد سازه ي‌ نرم‌ و ضعيف‌ بر اثر تنش هاي‌ برشي‌ اضافي و... به‌ وقوع‌ مي پيوندد. با مقايسه ي‌ مقاومت‌ تحت‌ شرايط‌ محدود شده‌ و اثر بار طراحي‌ مي‌توان‌ مشخص‌ نمود، كه آيا سازه‌ به‌ مقاومت‌ تخريبي‌ (مقاومت‌ نهايي‌) خود رسيده ‌است‌ يا خير. در كشورهايي‌ مانند ايالات‌ متحده‌، ژاپن‌، چين‌ و... رسم‌ بر اين‌ است‌ كه‌ ضريب اطمينان‌ مقاومت‌ كششي‌ و فشاري‌ از طريق‌ آناليز تنش‌ ـ كرش‌ سد قوسي‌ توسط‌ فرايند تقسيم‌ بار تير قوسي‌ بدست‌ آمده و سپس‌ ضريب‌ اطمينان‌ مقاومت‌ برشي‌ براساس‌ اصل‌ تعادل‌ حد بدنه ي صلب محاسبه‌ شود.

در محاسبات‌ عددي‌ توسط‌ فرآيند المان ‌محدود و...مقياس‌ مور- كولمب و دراكر ـ پراگر به‌ طور معمول‌ به‌ عنوان‌ ميزان‌ تسليم‌ براي ‌مصالح‌ سنگي‌ خاكي‌ مورد استفاده‌ قرار مي‌گيرند. در حالي‌ كه‌ براي بتن مقياس‌ پارامتري‌ چهارگانه به‌ طور معمول‌ مورد استفاده‌ قرار مي گيرد.

مزاياي‌ ضريب‌ اطمينان‌ مقاومت‌ عبارت‌ است: از محاسبات‌ ساده‌، قرارگيري‌ بر پايه ي سال‌ها تجربه‌ و فعاليت‌ مهندسين‌ سد، متداول‌ در بين ‌مهندسين‌ و متخصصين‌ سد و همچنين‌ قابليت‌ انطباق‌ با ضرائب اطمينان‌ مجاز مشخص‌ شده‌ در كشورهاي‌ مختلف‌. مشكل‌ اين‌ راه‌ حل‌ آن‌ است‌ كه‌ نارسايي‌ مقاومت‌ موضعي‌ ممكن‌ نيست‌ باعث‌ تخريب‌ كلي‌ سد قوسي‌ شود و تنها زماني‌ كه‌ سطح‌ تماس‌ لغزش،‌ يك‌ صفحه‌ و يا يك‌ قوس دايروي باشد و از قبل‌ داده‌ شده‌ باشد، مي‌توانيم‌ يك‌ نتيجه ي محاسباتي‌ منطقي‌ ازضريب‌ اطمينان‌ تنش‌ برشي‌ بدست‌ آوريم‌. به‌ علاوه روش تئوري‌ مقاومت‌، بدنه‌، شانه و شالوده ي‌ سد را به‌ عنوان‌ يك تسليم جامع‌ و كلي‌ در نظر نمي‌گيرد. براي‌ كامل كردن‌ فرآيند آناليز ضريب‌ اطمينان‌ مقاومت‌، بسياري‌ از دانشجويان‌ از جنبه‌هاي‌ مختلف‌ به‌ تحقيق‌ پرداخته‌اندسان مينگ كووان، ژانگ جينگ جيان و… ضريب اطمينان نقطه اي را بررسي و پيشنهاد كرده‌اند. چنجيان پينگ، وانگ ليانكوي و… تأثير و طول ترك ها را بر روي‌ تخريب ‌سدهاي‌ قوسي‌ مورد مطالعه‌ قرار داده‌ و يك مقدار بحراني را براي‌ ترك‌ و طول‌ ترك ها پيشنهاد كرده اند. چن جين، هووانگ وي و… تحليل هايي‌ را بر روي اندازه‌ سطح‌ ترك‌ خورده‌ انجام‌ داده‌ و فرضيه ي ‌سطح‌ ترك‌ را پيشنهاد كرده‌ و دامنه ي‌ بحراني‌ را نيز به‌ دست‌ آورده‌اند. تمام‌ تحقيقات‌ و مطالعات‌ فوق‌ الذكر به‌ مفاد آناليز تئوري‌ مقاومت‌ سدهاي‌ قوسي‌اضافه‌ شده‌ است‌. با اين‌ وجود قبول‌ و انتخاب‌ اين‌ مفاهيم‌ نيازمند مطالعات‌ بيشتري ‌مي باشد.

بررسي‌ ايمني‌ سدهاي‌ قوسي‌ توسط‌ تئوري‌ پايداري‌:

طبق‌ مكانيك‌ سنتي، هيچ‌ گونه‌ مشكل‌ پايداري‌ وجود ندارد، و لغزش‌ سد قوسي‌ درامتداد سطح‌ تماس‌ فونداسيون‌، ناپايداري‌ شانه هاي‌ سد، و لغزش بلوك‌ سنگي‌ درامتداد سطح‌ تماس‌ سازه‌، همگي‌ مرتبط‌ با تخريب‌ مقاومتي‌ مي باشند. اما با توجه‌ به ‌تعريف‌ پايداري كينماتيك، هر گونه‌ تغيير در يك‌ حالت‌ و يا يك‌ شيئ‌، يك‌ حركت‌ به‌ حساب‌ آمده‌ و موضوع‌ پايداري‌ مطرح‌ مي‌شود. زماني‌ كه‌ تمام‌ بدنه‌ سد به‌ دلايل‌ مختلف‌ درحالت‌ پايداري‌ محدود شده‌ به‌ سر مي‌برد، تنها يك‌ آشفتگي‌ جزئي‌ باعث‌ انحراف‌ سد ازحالت‌ تعادل‌ اوليه‌ خود شده‌ و باعث‌ تخريب‌ غير قابل‌ بازگشت‌ مي‌شود. با توجه‌ به‌ اين ‌اصل‌ كه‌ زماني‌ كه‌ تخريب‌ كامل‌ سد قوسي‌ اتفاق‌ مي‌افتد، حالت‌ سكون‌ سد به‌ حالت قابل‌ حركت‌ تغيير مي‌كند، رن دينگ ون با توجه‌ به‌ منبع مطالعات‌ تغيير حالت ‌سيستم‌، پيشنهاد كرد كه‌ تخريب‌ كامل‌ سدهاي‌قوسي‌ ممكن‌ است‌ در ارتباط‌ باپايداري‌ باشد. اما بر خلاف‌ ناپايداري‌ كمانشي، اين‌ نوع‌ ناپايداري‌ مربوط‌ به‌ ناپايداري‌ حد نقطه‌اي‌ بوده و شاخص‌ تعيين‌ كننده ي‌ امنيت‌ سد قوسي‌ همان‌ اتكاء سد مي باشد. با توجه‌ به‌ تحقيقات‌ صورت‌ گرفته‌ در ارتباط‌ با ناپايداري‌ سد قوسي‌ تا هم‌ اكنون‌هيچگونه‌ پيشرفتي‌ نه‌ بر پايه ي‌ تئوري مكانيكي‌ دقيق‌ حتي‌ به‌ شكلي‌ ساده‌ و عملي‌صورت‌ نگرفته‌ است‌. در حال‌ حاضر، پيشرفت‌هايي‌ در زمينه‌هاي‌ تحقيقاتي‌ در ارتباط ‌با پايداري‌ كلي‌ سد قوسي‌ به‌ قرار زير صورت‌ گرفته‌ است‌: روش‌ اضافه‌ بار، ذخيره ي مقاومت‌، روش‌ تركيبي اضافه‌ بار و ذخيره ي مقاومت و غيره.

ـ روش‌ اضافه‌بار

طبق‌ اين‌ روش‌ با فرض‌ ثابت بودن پارامترهاي‌ مقاومت‌ مصالح‌ و تحت‌ عمل‌ تركيبي‌ بارهاي ‌عملي‌ نرمال‌، بار افقي‌ با افزايش‌ حجم‌ مخزن‌ (بالاتر رفتن تراز آب‌) تا آنجا افزايش‌ مي‌يابد، كه‌ ناپايداري‌ و تخريب‌ سد قوسي‌ واقع‌ شود. ثابت‌ اضافه‌ بار عبارت‌ است‌ از نسبت‌ بار تخريبي‌ به‌ بار قائم‌ (نرمال‌)، ضريب‌ اطمينان‌ اضافه‌ بار غالباً بسيار بالا بوده‌ و مي‌تواند به‌ روش‌ مدلسازي‌ ژئومكانيكي‌ و ياشبيه‌ سازي‌ حسابي‌ بدست‌ آيد. با اين‌ حال‌ در عين‌ فعاليت‌ طبيعي‌ سد قوسي‌ اضافه‌بار بيش‌ از اندازه‌ بسيار غير محتمل مي باشد، بعلاوه، اثر عواملي‌ همچون‌ پي‌ سنگي، خوردگي‌، نشست‌ و قليايي شدن‌ مصالح‌ سازه‌اي‌ به دليل وجود آب‌ بر روي‌ مقاومت‌ در نظر گرفته نشده است ‌( الالخصوص‌ ناحيه ي‌ ضعيف‌ پي‌ سنگي ‌).بهر حال‌، خطر واقعي‌ به‌ خاطرتشديد بار نمي باشد، بلكه‌ بخاطر كافي نبودن مقاومت‌ مصالح‌ مي باشد.

ـ روش‌ ذخيره ي مقاومت‌

بر طبق‌ اين‌ روش‌، تحت‌ شرايط‌ عدم‌ تغيير بارعمودي‌، مقاومت‌ بدنه‌ سد و پي‌ سنگي به تدريج‌ كاهش‌ مي‌يابد، تا زماني‌ كه‌ ناپايداري‌ و تخريب‌ سد قوسي‌ وقوع‌ يابد و ضريب ذخيره ي‌ مقاومت عبارت‌ است‌ از تعداد دفعات‌ كاهش‌ نيمه‌. با اين‌ حال‌، در اين روش به‌ تعدادي مدل نياز است‌. به‌ طور كلي‌ اين‌ آزمايش‌ بر طبق‌ اصل‌ تعادل‌ انجام ‌مي‌شود، بدين‌ معنا كه‌ به‌ جاي‌ ثابت‌ نگه داشتن‌ بار خارجي‌ و كاهش‌ تدريجي‌ مقاومت‌ مصالح‌، مقاومت‌ مصالح‌ ثابت‌ نگه‌ داشته‌ مي‌شود وهمزمان‌ بار خارجي‌ و بار مرده ي‌ خود سد افزايش‌ مي‌يابد، تا آنجا كه‌ تخريب‌ صورت‌ پذيرد. براي‌ آزمايش‌ به‌ روش‌ ذخيره‌ ي مقاومت‌ معادل،‌ مشكل‌ اساسي‌ كه‌ همزمان‌ بودن‌ افزايش‌ بار خارجي‌ پي‌ سنگي‌ و بدنه ي‌ سد مي باشد بايد حل‌ گردد

گو چونماو، گونگ ژاوزياگ و… بر طبق‌ اصل‌ ارضاء تشابه‌ مدل‌ فيزيكي‌ و با استفاده‌ از دستگاه گريز ازمركز* بعنوان‌ دستگاه‌ بارگذاري‌ و جايگزين‌ كردن‌ ميدان‌ ثقلي با ميدان‌ نيروي‌ گريز از مركز‌، متوجه ي‌ افزايش‌ همزمان‌ بار خارجي‌ پي‌ سنگي‌ و بدنه‌ سد شدند و آزمايش‌ به روش ذخيره ي مقاومت معادل‌ را بر روي‌ يك‌ مدل‌ انجام‌ دادند. نتيجه‌ آزمايش‌ نشان‌ داد كه‌ گرايش‌ بزرگي‌ تنش‌ و بزرگي‌ تنش هاي‌ كششي‌ و فشاري به‌ طور اساسي‌ به‌ سمت‌ قانون‌ عمومي‌ مي باشد. براي‌ انجام‌ آزمايش‌ به‌ روش‌ ذخيره ي مقاومت‌ بر روي‌ يك‌ نمونه‌، نياز به‌ ايجاد مصالح‌ جديدي‌ مي باشد كه‌ بتواند تغييرتدريجي‌ مقاومت‌ برشي‌ پي‌ سد، سطح نرم‌ و ضعيف‌ سازه‌ بر روي‌ پي‌ سنگي‌ را آشكار ساخته‌ و همچنين‌ تكنيك هاي‌ آزمايش‌ را پاسخ‌ گو باشد.

لو جينچي، لي چاووگو و... بعد از سالها بررسي “ مصالح با تغييرات مشابه دما“ را توسعه‌ داده اند كه‌ براي‌ مدلسازي‌ گسل هاي‌ بين‌ لايه‌اي‌ و بدنه‌ هاي صخره اي‌ قابل‌ استفاده مي‌باشد. اين‌ مصالح‌ از بلنك فيكس*، روغن‌ موتور، مصالح‌ و مخلوطهاي حل‌ شدني‌ پليمري كه‌ به‌ ميزان‌ معيني‌ با هم‌ تركيب‌ شده‌اند، ساخته‌ شده‌ است‌. در حين‌ آزمايش‌ با افزايش‌ دما، مقاومت‌ مصالح‌ بتدريج‌ كاهش‌ مي%E

منبع: hfarahani48.blogfa.com