مقاله بهینه یابی زهکش های مایل در سدهای خاکی با هسته رسی

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله بهینه یابی زهکش های مایل در سدهای خاکی با هسته رسی دارای ۱۸ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله بهینه یابی زهکش های مایل در سدهای خاکی با هسته رسی  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله بهینه یابی زهکش های مایل در سدهای خاکی با هسته رسی،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله بهینه یابی زهکش های مایل در سدهای خاکی با هسته رسی :

چکیده

بهینه یابی زهکش های مایل در سدهای خاکی با هسته رسی پیوسته مورد توجه دست اندرکاران سدسازی بوده است. در این مقاله تعداد ۲۸۰ سد خاکی هسته دار با ارتفاع و سیستم زهکشی مایل و افقی مدل شده است. در این مدلها متغییرها شامل ابعاد هندسی سد، زهکشها، نفوذ پذیری، و پارامتر ضریب اطمینان برای پایداری سد بوده است . با استفاده از جعبه ابزار ژنتیک مدلی جهت تعیین ابعاد زهکش و زاویه بین دو زهکش ارائه شده است. نتایج نشان داده است که با افزایش ارتفاع سدهای خاکی با هسته رسی از ۳۰ متر تا ۶۰ متر، بهینه ترین زاویه زهکش مایل در تمامی ارتفاع ها، زاویه ۶۰ درجه بوده و غیراقتصادی ترین زاویه زهکش مایل در ارتفاع ۳۰ متری، ۱۰۰ درجه، در ارتفاع ۴۰ متری، ۹۰ درجه و در ارتفاع های ۵۰ و ۶۰ متری، ۷۵ درجه می باشد.

کلمات کلیدی: سد خاکی با هسته رسی، زهکش مایل، بهینه یابی

۱

۱ مقدمه

به طور کلی برای هدایت جریان در سدهای خاکی از سیستم زهکشی استفاده میشود. احداث زهکش در بدنه سد به منظور جمع آوری و هدایت زه آب تشکیل شده در بدنه سد میباشد که هدف آن خشک نگه داشتن شیب پایین دست و جلو گیری از افزایش فشار آب منفذی در بدنه است. از پرکاربرد ترین زهکشهای مورد استفاده در سد خاکی میتوان به زهکش افقی و مایل یا دودکشی اشاره کرد. بهترین ترکیب زهکش مایل و افقی ترکیبی خواهد بود که قادر به وظیفه اصلی خود که همان جمع آوری و تخلیه زه آب از بدنه سد خاکی می باشد. به نحو احسن عمل کرده و علاوه بر آن با پایدار نمودن بدنه سد خاکی دارای حداقل ابعاد نیز باشد. با توجه به این موضوع به نظر می رسد که یافتن راهی جهت محاسبه موقعیت ابعاد و شکل بهینه زهکش مایل و افقی در سد خاکی هسته دار از اهمیت اقتصادی و فنی برخوردار باشد.

تحقیقات محدودی در این مورد در گذشته انجام شده است. تساریک و کیلی (۱۹۸۴) با مدل کردن چند سد خاکی، گرافهایی جهت تخمین عملکرد زهکش افقی در پایین انداختن خط زه آزاد تهیه کردند. این محققین بر اساس این گرافها دو سد خاکی در حالت بدون وجود زهکش و با وجود زهکش افقی (زهکش با طول مشخص) را بوسیله مدل کامپیوتری و مدل آزمایشگاهی مدل کرده اند .[۱] زو، یونامی و کاواچی (۲۰۰۲) جهت بهینه کردن مصالح سدهای خاکی با دو مصالح مختلف از طریق پایین انداختن خط زه آزاد در بدنه سد خاکی جهت افزایش درصد حجم مصالح خشک بدنه نسبت به مصالح اشباع بررسی هایی انجام دادند .[۲] بها گوچاهار (۲۰۰۴) از روش ترسیمی کاساگرانده محل خط زه آزاد را تعیین و از این طریق طول حداقل و حداکثر زهکش افقی در سدهای خاکی همگن را برآورد کرده است .[۳] میشرا و سینگ (۲۰۰۵) جریان آب درون خاکریز، موقعیت خط زه آزاد، حداقل فاصله بین خط زه آزاد و دامنه پایین دست و موقعیت و طول موثر زهکش افقی را با لحاظ کردن اثر موئینگی آب در خاک را مورد بررسی قرار داده اند .[۴]

آمار تخریب سدهای خاکی ساخته شده تا کنون نشان می دهد که بیش از ۲۵ درصد علل تخریب سدهای ساخته شده تاکنون، ناشی از پدیده رگاب و زه کنترل نشده بوده است .[۵] امروزه با پیشرفت و گسترش فنون سد سازی و بررسی علل این تخریب ها، همواره در ساخت سدهای خاکی همگن امروزی به صورت توام را میان زهکش مایل و افقی استفاده شده و کمتر سد خاکی همگن مدرنی می توان یافت که این دو زهکش به طور توام در آن مورد استفاده قرار نگرفته باشند. با توجه به این موضوع و با توجه به تحقیقات پیشین در این زمینه، کماکان تحقیقاتی که بتواند با در نظر گرفتن موارد مختلفی از قبیل خاصیت موئینگی خاکها، موقعیت و ابعاد بهینه زهکش افقی و مایل در سدها را تعیین نماید از اهمیت بالایی برخوردار است. سیستم زهکش بهینه در یک سد خاکی سیستمی است که از یک طرف به وظایف اصلی خود، که همان تخلیه امن زه آب از بدنه سد خاکی می باشد به نحو احسن عمل کرده و از طرف دیگر بالاترین ضریب اطمینان را ایجاد نموده و همچنین دارای کمترین ابعاد باشد. در تحقیق حاضر تعداد

۲۸۰ سد خاکی با هسته رسی با ارتفاع های ۳۰ تا ۶۰ متر و ابعاد زهکشهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت ابعاد بهینه زهکشها تعیین شده است.

۲

۲ مواد و روشها

در تحقیق حاضر سعی شده تا راهی جهت محاسبه موقعیت، ابعاد و شکل بهینه زهکش های مایل و افقی در سدهای

خاکی با هسته رسی تعمیم داده شود. جهت نیل به این هدف، در این تحقیق تعداد ۲۸۰ سد خاکی با هسته رسی در مجموعه نرم افزارها SEEPWو SLOPEW از مجموعه نرم افزارهای Geostudio مدل شده است. به عبارت دیگر ابتدا این تعداد مدل در نرم افزار SEEPW در حالت تراوش ناپایدار مدل شده و پس از مشخص شدن خط زه آزاد و سایر پارامترهای خروجی از این برنامه، همین تعداد سد در نرم افزار SLOPEW مدل شده و

در نهایت، ضرایب اطمینان حداقل در حالت تراوش ناپایدار در تراز نرمال محاسبه شده است. با در اختیار داشتن پارامترهای هندسی بدنه اصلی و زهکش ها، پارامترهای مقاومتی، نفوذپذیری و ; مربوط به این مدل ها و همچنین

ضریب اطمینان در برابر گسیختگی دامنه ها در هر یک از این حالات، نمودارهایی جهت تعیین ابعاد بهینه زهکشها ترسیم شده و در نهایت با استفاده از جعبه ابزار برنامه ریزی ژنتیک نرم افزارMatlab نسخه ۶/۵، داده ها مورد

آنالیز قرار گرفته و یک مدل برای پیش بینی ضریب اطمینان در حالت تراوش ناپایدار ارائه گردیده است.

۱-۲ تشریح ابعاد و متغییرهای موجود در مسئله

در این بخش به متغیرهای مورد استفاده در مدل ها ی تحقیق حاضر، محدوده تغییرات آنها و علل انتخاب این محدوده ها پرداخته شده است:

ارتفاع سد خاکی با هسته رسی و نوع خاک: این ارتفاع از نتایج مطالعات مرحله توجیهی طرح و پس از انجام بهینه یابی های لازم در خصوص طول سرریز و ارتفاع آب روی آن (این ارتفاع در تعیین ارتفاع نهایی سد موثر است)

به دست میید. عموماً سد خاکی با هسته رسی با ارتفاع بیش از ۱۰ متر نیاز به سیستم زهکشی نفوذپذیر در پایین دست بدنه دارد . [۶] احداث سدهای خاکی با هسته رسی دارای سیستم زهکشی در بدنه، در ارتفاعات کوتاه اقتصادی می باشد. در تحقیق حاضر ارتفاع های ۳۰، ۴۰، ۵۰ و۶۰ متر جهت سدهای خاکی با هسته رسی اختیار شده است. از آنجا که بهترین خاک جهت استفاده در ساخت بدنه اصلی این نوع سدها خاک با دانه بندی GC بوده، این خاک به عنوان بدنه اصلی سدها و از خاک با دانه بندی GW به دلیل دارا بودن دانه بندی مناسب و نفوذپذیری بالا به عنوان زهکش استفاده شده است .[۷]

عرض تاج و شیب دامنه ها: جهت تعیین عرض تاج از رابطه دفتر فنی سدسازی آمریکا به شرح زیر استفاده شده

است.

۵ ۳ (۱) B H

۳

که در آن H ارتفاع سد خاکی برحسب متر، و B عرض تاج سد خاکی بر حسب متر می باشد. حد پایین شیب دامنه سدهای خاکی در تحقیق حاضر ۱ متر قائم به ۲ متر افقی و حد بالای آن به ۱ متر قائم به ۲/۵ متر افقی در نظر گرفته شده است. شیب ۱ متر قائم به ۲ متر افقی توسط پراکتور در سال ۱۹۹۳ به عنوان حداقل شیب جهت خاکریزها توصیه شده است. حد بالای شیب های منظور شده در مدل ها به گونه ای اختیار شده که بتواند حداقل ضرایب اطمینان مورد نیاز در حالت تراوش ناپایدار از تراز نرمال را در سد خاکی با هسته رسی تا ارتفاع ۶۰ متر و با خصوصیات مقاومتی فرض شده ارضاء نماید. در تحقیق حاضر شیب های بالادست و پایین دست سدهای خاکی در مدل ها یکسان فرض شده است.

ارتفاع آب داخل مخزن و شرایط پی: ارتفاع آب در مخزن سد برابر با ۷۰ درصد ارتفاع کل سد فرض شده است.

در مورد شرایط پی، با توجه به اینکه هدف اصلی در تحقیق حاضر بررسی تأثیر ابعاد سیستم زهکش داخلی سد بر روی ضرایب اطمینان پایداری بدنه سد می باشد لذا پی سدهای خاکی در مدل ها به صورت صلب و نفوذپذیری آن تقریباً برابر با صفر منظور شده است.

نفوذ پذیری مصالح سد خاکی: از مقادیر نفوذپذیری ارائه شده توسط شرارد و همکاران (۱۹۶۳) طبق جدول (۱)

استفاده شده [۶] و نفوذپذیری در جهات قائم و افقی یکسان فرض شده است.

جدول -۱ نفوذپذیری مصالح بکاررفته در مدلسازی سد

محل خاک دانه بندی حد بالای نفوذپذیری حد متوسط نفوذپذیری حد پایین
خاک (متر بر ثانیه) (متر بر ثانیه) نفوذپذیری
(متر بر ثانیه)
هسته رس ۱۰۰E-06 1.00E-09 1.00E-12
دامنه ماسه رس ۱۰۰E-03 1.00E-05 1.00E-08
دار
زهکش ماسه ۱۰۰E-01 1.00E-03 1.00E-05

پارامترهای مقاومتی مصالح: جهت دستیابی به یک فرض قابل قبول از پارامترهای مقاومتی مصالح بدنه و زهکش، مقادیر ضریب اطمینان به ازای مقادیر مختلف پارامترهای مقاومتی خاک و حالت های مختلف حداقل و حداکثر ارتفاع سدهای خاکی و به ازای تغییرات طول زهکش ها محاسبه شده است. با در اختیار داشتن این مقادیر ضرایب اطمینان، پارامترهای مقاومتی مناسب جهت دستیابی به ضریب اطمینان قابل قبول استخراج شده است. بر این اساس، چسبندگی خاک مصالح هسته برابر با ۵۰ کیلونیوتن بر مترمربع و زاویه اصطکاک داخلی آن برابر با ۵ درجه، چسبندگی خاک مصالح دامنه برابر با ۱۵ کیلونیوتن بر مترمربع و زاویه اصطکاک داخلی آن برابر با ۳۲ درجه و

۴

چسبندگی خاک مصالح زهکش برابر با ۱ کیلونیوتن بر مترمربع و زاویه اصطکاک داخلی آن برابر با ۲۸ درجه اختیار شده است.

طول زهکش افقی: مقاطع سد های خاکی مورد بررسی به صورت کلی همانند شکل (۱) مد نظر گرفته شده اند.

همانگونه که از شکل پیداست، طول زهکش افقی از دامنه پایین دست سد خاکی تا ابتدای پایین زهکش مایل ادامه دارد. طول زهکش از برخورد زه به دامنه پایین دست سد خاکی جلوگیری می گردد. در این حالت نزدیکترین فاصله خط زه آزاد از دامنه پایین دست می بایست برابر با ارتفاع موئینگی آب در خاک بوده تا از عدم برخورد خط زه آزاد به دامنه پایین دست اطمینان کامل حاصل شود.

.

شکل((۱ نمایش سیستم زهکشهای افقی و دودکشی درمقطع یک سد خاکی با هسته رسی

طول زهکش مایل: طول زهکش مایل یکی دیگر از پارامترهای متغیر در مدل ها بوده که در این مدل ها، تأثیر طول زهکش بر مقدار ضریب اطمینان پایداری دامنه ها نیز بررسی شده است. در مدل های انجام شده ۳ مقدار جهت طول زهکش مایل انتخاب شده است که شامل طول زهکش مایل حداکثر، متوسط و حداقل می باشد. مقدار طول زهکش مایل حداکثر به گونه ای انتخاب شده که این زهکش تا تراز نرمال آب در مخزن سد ادامه یابد. از این تراز به بالا به دلیل عدم وجود جریان قابل توجه آب در خاک، نیازی به وجود زهکش مایل نمی باشد. همچنین مقدار طول زهکش مایل متوسط، برابر با ۲/۳ طول زهکش مایل حداکثر و مقدار طول زهکش مایل کوتاه برابر ۱/۳

طول زهکش مایل حداکثر در نظر گرفته شده است.

زاویه بین زهکش مایل و افقی: زوایای مورد استفاده محدوده رایج زاویه بین زهکش مایل و افقی در سدهای خاکی با هسته رسی را به خوبی پوشش داده و شامل زوایای ۶۰، ۷۵، ۹۰ و ۱۰۰ درجه می باشد.

۵

۲-۲ آنالیز مدلها

پس از معرفی مدلهای مختلف با پارامترهای متغیر، این مدلها با استفاده از روش اجزای محدود در نرم نرم افزارهای آنالیز شده و محل خط زه آزاد در مدلها تعیین شده است. شکل (۲) بعنوان نمونه، نمایی از المان بندی یکی از مدلها را نشان می دهد. پس از محاسبه این پارامترها، سد خاکی در نرم افزار مورد انالیز پایداری قرار گرفته و ضریب اطمینان پایداری محاسبه شده است. به عنوان نمونه، تعدادی از ضرایب اطمینان محاسبه شده در این مرحله در جدول (۳) ارائه شده است.