ویژگی‌های تنش و تغییرشکل سیستم کنترل نشت داخلی ژئوممبران–رس برای سد سنگریزه‌ای روی روباره عمیق

منبع: Baoyong Liu, Haimin Wu, Wansheng Wang, Qiankun Liu. «Properties of Stress and Deformation of Internal Geomembrane–Clay Seepage Control System for Rockfill Dam on Deep Overburden». Applied Sciences (MDPI)، ۲۰۲۵. doi.org/10.3390/app15179324

این متن ترجمه‌ی فارسی کامل این مقاله است که تحت مجوز Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0) منتشر شده است. ترجمه با کمک هوش مصنوعی انجام و ویرایش شده؛ فهرست منابع حذف شده و شکل‌ها و جدول‌های کامل در مقاله‌ی اصلی در دسترس‌اند. در صورت هرگونه اختلاف، متن انگلیسی ملاک است. تصویر شاخص: شکلی از همین مقاله (مجوز CC BY 4.0).

بائویونگ لیو، هایمین وو، وانشنگ وانگ، چیانکون لیو

چکیده

سیستم کنترل نشت داخلی ژئوممبران (GMB)–رس یکی از اشکال مهم سازه‌های کنترل نشت در سدهای سنگریزه‌ای به شمار می‌رود. به‌منظور بررسی مشخصات تنش و تغییرشکل ژئوممبران در سدهای سنگریزه‌ای با دیوار هسته رسی–ژئوممبرانی (geomembrane–clay core-wall rockfill dam - GMCWRD) تحت شرایط گوناگون ساخت و بهره‌برداری، میدان‌های تنش و تغییرشکل GMCWRDها از طریق شبیه‌سازی عددی (numerical simulation) در شرایط کاری مختلف محاسبه شد. مشخصات تنش و تغییرشکل سد و ژئوممبران طی دوره آبگیری (impoundment period) مورد ارزیابی قرار گرفت و اثرات ضخامت پخش (spreading thickness) دیوار هسته رسی (clay core-wall)، موقعیت نقص‌های ژئوممبران (geomembrane defects) و هد هیدرولیکی (hydraulic head) بر تنش و تغییرشکل ژئوممبران تحلیل شد. نتایج نشان می‌دهد که بیشینه کرنش کششی (tensile strain) ژئوممبران در بالادست دیوار هسته رسی طی دوره آبگیری، در محل مهاربندی (anchorage) ژئوممبران به دیوار آب‌بند بتنی (concrete cut-off) با مقدار بیشینه 2.70% رخ می‌دهد. با افزایش ضخامت پخش دیوار هسته رسی، بیشینه تنش کششی (tensile stress) و کرنش کششی ژئوممبران دچار نوسان شد. تحت شرایط ساخت سد و پی مورد بررسی در این مقاله، زمانی که ضخامت پخش دیوار هسته رسی برابر با 2 متر بود، تنش و کرنش کششی ژئوممبران در کمترین سطح خود قرار داشت. با کاهش تراز موقعیت نقص ژئوممبران، خط نشت (phreatic line) سد به‌تدریج بالا آمده و دبی نشت (seepage discharge) سد و کرنش کششی ژئوممبران به‌طور تدریجی افزایش می‌یابد؛ به‌طوری‌که بیشینه کرنش کششی به 3.98% می‌رسد. بیشینه تغییرشکل ژئوممبران در تمامی موارد بسیار کمتر از محدوده تغییرشکل الاستیک (elastic deformation) ژئوممبران PVC انتخاب‌شده است و نتایج این پژوهش مبنای علمی معتبری را برای طراحی و اجرای کنترل نشت سدهای سنگریزه‌ای با هسته ناتراوا فراهم می‌آورد.

واژگان کلیدی: روباره عمیق؛ سد سنگریزه‌ای؛ سیستم کنترل نشت داخلی ژئوممبران–رس؛ مشخصات تغییرشکل.

1. مقدمه

سد سنگریزه‌ای با دیوار هسته رسی–ژئوممبرانی (GMCWRD) یک سازه نوآورانه سد است که به‌منظور کاهش نشت و تغییرشکل‌های ناشی از تنش در سدهای سنگریزه‌ای متداول طراحی شده است. این سد دارای یک هسته ناتراوای مرکزی ساخته‌شده از ژئوممبران‌های با کارایی بالا است که با پوسته‌های سنگریزه‌ای (rockfill shells) جانبی متشکل از مصالح سنگریزه‌ای و شن دانه‌بندی‌شده تکمیل می‌گردد [1]. سدهای GMCWRD مزایای قابل‌توجهی از جمله سازگاری ارتقایافته با تغییرشکل پی، ساده‌سازی فرایندهای ساخت و مقرون‌به‌صرفه بودن را در مقایسه با گزینه‌های سنتی هسته رسی ارائه می‌دهند. برای سدهای سنگریزه‌ای با هسته رسی تحت بار آبی زیاد، استفاده صرف از دیوارهای هسته رسی یا تدابیر پوشش ژئوممبرانی به‌تنهایی برای آب‌بندی، به عملکرد آب‌بندی نامطلوب منتهی می‌شود. با این حال، ترکیب دیوارهای هسته رسی آب‌بند با ژئوممبران‌ها برای تشکیل یک سیستم آب‌بندی مرکب می‌تواند ریسک افت راندمان آب‌بندی یا شکست موضعی سد را به‌طور مؤثری کاهش دهد [2–4]. در مقایسه با سدهای سنگریزه‌ای با رویه بتنی (concrete-faced rockfill dams - CFRD) که در آن‌ها در صورت فراتر رفتن نشست (settlement) از مقادیر طراحی، درزهای رویه (faced joints) مستعد ناهم‌ترازی و نشت هستند، سدهای GMCWRD به دلیل ویژگی‌های ازدیاد طول (elongation) عالی ژئوممبران و خطر پایین ترک‌خوردگی، بسیار مورد توجه قرار دارند [5]. اگرچه کاربرد ژئوممبران به‌عنوان موانع کنترل نشت در خاکریزهای با ارتفاع کم رواج گسترده‌ای یافته است، اما پیشرفت‌های اخیر نشان‌دهنده روندی رو به رشد در به‌کارگیری ژئوممبران‌های کامپوزیت در سدهای بلندتر است [6–8]. ژئوممبران‌ها علاوه بر ارتقای راندمان کنترل نشت در سدهای سنگریزه‌ای، تراز خط نشت را به‌طور مؤثری کاهش داده و پایداری سد را بهبود می‌بخشند.

تحلیل تنش–تغییرشکل سیستم‌های کنترل نشت ژئوممبران–دیوار هسته رسی، روش‌شناسی بسیار مهمی را برای ارزیابی ویژگی‌های عملکردی GMCWRDها تحت سناریوهای بارگذاری متنوع فراهم آورده و مبانی علمی را برای بهینه‌سازی پارامترهای طراحی و ساخت ارائه می‌دهد [2,9]. در نتیجه، مشخصات تغییرشکل GMCWRDها در اقدامات عملی مهندسی ژئوتکنیک (geotechnical engineering) توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده است [10]. پیش‌تر، ژئوممبران‌ها به دلیل تردیدها پیرامون ایمنی عملکرد سدهای GMCWRD، در سدهای سنگریزه‌ای بلند به کار گرفته نمی‌شدند. در رابطه با کاربرد ژئوممبران در سدهای سنگریزه‌ای با دیوار هسته، شو و لی و همکاران [3] سازوکارهای تغییرشکل ژئوممبران را در درون GMCWRD تحلیل کردند. آنان به این نتیجه رسیدند که عامل کلیدی کنترل‌کننده چگونگی انتقال تغییرمکان‌های (displacements) بزرگ سد به ژئوممبران، رفتار تغییرشکلی ژئوممبران است و نه مدول (modulus) یا مقاومت آن. متعاقباً، زینگ و همکاران [2] با به‌کارگیری مدل‌سازی عددی نشان دادند که سیستم‌های هیبریدی ژئوممبران–دیوار هسته رسی، تراز خط نشت را به‌میزان چشمگیری کاهش داده، اثرات قوس‌زدگی (arching effects) را تعدیل نموده و سناریوهایی را که در آن‌ها تنش‌های اصلی (principal stresses) در هسته از فشارهای هیدرواستاتیک (hydrostatic pressures) در ترازهای معادل کمتر می‌شود، به‌کلی حذف می‌کنند. یافته‌های این دو پژوهش، درک مفاهیم طراحی GMCWRDها را ارتقا بخشید. از آن زمان به بعد، پژوهش‌های فراوانی در قالب مطالعات شبیه‌سازی عددی با تمرکز بر نیرو و تغییرشکل سدهای GMCWRD پدید آمده است. دینگ و رن و همکاران [9] از شبیه‌سازی عددی برای ترسیم توزیع تنش–کرنش در GMCWRDها استفاده نمودند، در حالی که جیانگ و همکاران [5] بر رفتار پوسته سنگریزه‌ای متمرکز شدند اما تغییرشکل‌های ویژه ژئوممبران را نادیده گرفتند. یائو و همکاران [11] اثر ژئوممبران کامپوزیت بر تنش و تغییرشکل سد را تحت اثر زلزله از طریق شبیه‌سازی عددی مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنان نشان داد که ژئوممبران کامپوزیت به‌طرز چشمگیری تنش و تغییرشکل سد را تعدیل می‌کند؛ با این حال، تغییرشکل خود ژئوممبران کانون توجه آن پژوهش نبود. پیشرفت‌های اخیر، کارایی ژئوممبران‌ها را در سدهای GMCWRD به اثبات رسانده است: شو و همکاران [12] عملکرد مکانیکی برتری را در چیدمان‌های S-شکل ژئوممبران در مقایسه با آرایش‌های خطی شناسایی کردند. علاوه بر این، کارکرد اصلی ژئوممبران در GMCWRDها کنترل نشت است، بنابراین ایجاد نقص‌های ژئوممبران ایمنی نشت سدهای GMCWRD را به‌شدت متأثر می‌سازد. هرچند ژئوممبران‌ها موادی ناتراوا تلقی می‌شوند، اما وقوع نقص‌ها و آسیب‌ها در حین مراحل تولید، حمل‌ونقل و اجرای نصب ژئوممبران امری اجتناب‌ناپذیر است [13–15]. گزارش شده است که حتی ژئوممبران‌های با اجرای مناسب نیز معمولاً محدوده‌ای بین 2 تا 5 روزنه در هر هکتار از خود نشان می‌دهند [16–21]. بر این مبنا، هوانگ و همکاران [22] از طریق شبیه‌سازی عددی آشکار ساختند که وجود نقص‌ها الگوهای نشت را دگرگون کرده، موجب ایجاد تراوش و افت کارکرد سد می‌گردد. وبر در پژوهش خود تأکید کرد که نشتی‌های ناشی از نقص‌های ژئوممبران، تهدیدی جدی علیه سازه سدها به شمار می‌رود [23]. افزون بر این، یانگ و همکاران نیز در تازه‌ترین پژوهش خود دریافتند که نقص‌های ژئوممبران می‌تواند موجب صعود خط نشت سدها شده و بدین ترتیب ناپایداری شیروانی (slope instability) را در پی داشته باشد [24]. علی‌رغم پژوهش‌های بی‌شماری که در زمینه تأثیر ژئوممبران بر تنش و تغییرشکل سدهای سنگریزه‌ای با دیوار هسته انجام شده است، مروری جامع بر متون علمی موجود، کمبود مطالعاتی را نشان می‌دهد که به بررسی رابطه بین نوع ژئوممبران و تنش و تغییرشکل سد پرداخته باشند. افزون بر این، تاکنون هیچ پژوهشی در مورد وضعیت تغییرشکل خود ژئوممبران، ضخامت دیوار هسته رسی و تأثیر موقعیت نقص ژئوممبران بر تغییرشکل سدها در GMCWRDها انجام نشده است. این عوامل برای بهره‌برداری ایمن از سدها از اهمیتی حیاتی برخوردارند و نباید نادیده گرفته شوند؛ بنابراین، مقاله حاضر به انجام مطالعات محاسباتی مربوطه می‌پردازد.

هدف از این مطالعه، بررسی مشخصات تنش و تغییرشکل (stress and deformation characteristics) ژئوممبران (geomembrane - GMB) در سدهای سنگریزه‌ای با هسته رسی و ژئوممبران (geomembrane-clay core-wall rockfill dams - GMCWRDs) تحت شرایط مختلف ساخت و بهره‌برداری بود. این پژوهش با هدف بهینه‌سازی پارامترهای طراحی و اجرای ژئوممبران در سد انجام گرفت. بدین منظور، میدان‌های تنش و تغییرشکل سدهای سنگریزه‌ای با هسته رسی و ژئوممبران از طریق شبیه‌سازی عددی (numerical simulation) محاسبه شدند. میدان تنش و میدان تغییرشکل با استفاده از شبیه‌سازی عددی محاسبه گردیدند. همچنین تحقیقی در زمینه مشخصات تنش و تغییرشکل بدنه سد و ژئوممبران در سدهای سنگریزه‌ای با هسته رسی و ژئوممبران در طول دوره آبگیری (impoundment period) به عمل آمد. تأثیر ضخامت هسته رسی (clay core-wall) و موقعیت نقص ژئوممبران (GMB defect) بر نیرو و تغییرشکل ژئوممبران تحلیل شد. علاوه بر این، تأثیر بارهای هیدرولیکی (hydraulic heads) مختلف بر نیرو و تغییرشکل ژئوممبران مورد بررسی قرار گرفت. هدف از این مطالعه، فراهم آوردن مبنایی علمی برای طراحی و اجرای ژئوممبران در سدهای سنگریزه‌ای با هسته رسی و ژئوممبران بود.

2. شبیه‌سازی عددی (Numerical Simulation)

2.1. روش‌ها (Methods)

به منظور شبیه‌سازی دقیق پاسخ مکانیکی (mechanical response) ژئوممبران‌ها و برهم‌کنش (interaction) آن‌ها با سازه سد، ژئوممبران با استفاده از المان غشایی M3D3 (M3D3 membrane element) موجود در نرم‌افزار آباکوس (ABAQUS software) [25] مدل‌سازی شد؛ روشی که در مطالعات پیشین پیرامون رفتار فرازبندهای (cofferdam) ژئوممبرانی با موفقیت صحت‌سنجی شده است [12]. المان‌های غشایی (membrane elements) به عنوان مصالح کششی (tensile materials) انعطاف‌پذیر تعریف می‌شوند که هدف آن‌ها تحمل تنش‌های درون‌صفحه‌ای (in-plane stresses) است. وجه تمایز این المان‌ها فقدان سختی خمشی (bending stiffness) در آن‌ها است؛ ویژگی‌ای که آن‌ها را قادر می‌سازد مشخصات مکانیکی بنیادین ژئوممبران‌ها را به شکل مطلوبی شبیه‌سازی کنند. فصل‌مشترک‌های تماس (contact interfaces) بین ژئوممبران و مصالح سنگریزه‌ای (rockfill materials) بالادست و پایین‌دست به منظور شبیه‌سازی برهم‌کنش‌های بین‌سطحی (interfacial interactions) مدل‌سازی شدند. مدل‌های مکانیکی سطوح تماس را می‌توان به مدل‌های عمود بر سطح (نرمال) و ماسی (normal and tangential models) دسته‌بندی کرد که امکان نمایش واقع‌گرایانه سازوکارهای حیاتی نظیر جدایش کششی (tensile detachment) و لغزش برشی (shear slippage) را در فصل‌مشترک ژئوممبران–سد فراهم می‌سازد.

2.2. مدل عددی و پارامترهای مصالح (Numerical Model and Material Parameters)

سد سنگریزه‌ای با هسته رسی مورد بررسی دارای تراز تاج (crest elevation) 1414.00 متر، حداکثر ارتفاع 59.00 متر، طول تاج (crest length) 363.00 متر و عرض تاج (crest width) 8.00 متر است. شیب‌های بالادست به ترتیب 1:2 و 1:2.25 بوده و شیب‌های پایین‌دست به ترتیب برابر 1:1.8 و 1:2 می‌باشند. تراز نرمال آب مخزن (normal reservoir water level) در 1410.00 متر حفظ می‌شود و تراز سیلاب طراحی (design flood level) در پایین‌دست 1361.54 متر است. پی سد متشکل از لایه‌های متناوب ماسه‌سنگ و شیل (interbedded sandstone and shale layers) است. نیروگاه برق‌آبی (hydropower station) دارای ظرفیت نصب‌شده (installed capacity) 43.5 مگاوات (MW)، حجم ذخیره کل مخزن 775.2 میلیون متر مکعب (m³) و تولید انرژی سالانه 282.1 گیگاوات‌ساعت (GWh) است. به منظور بهبود و تقویت کنترل نشت (seepage control)، یک ژئوممبران پلی‌وینیل کلراید (polyvinyl chloride - PVC) به ضخامت 3.0 میلی‌متر در بالادست هسته رسی به عنوان مانع نفوذناپذیر (impermeable barrier) اصلی نصب شد.

2.2.1. مدل عددی (Numerical Model)

نمای مقطع عرضی تیپ سد در شکل 1 ارائه شده است. دامنه محاسباتی (computational domain) از پنجه (toe) سد به میزان 2.0 برابر ارتفاع سد به سمت بالادست و 2.5 برابر ارتفاع سد به سمت پایین‌دست امتداد می‌یابد. پی سنگ بستر (bedrock foundation) از پایین‌ترین نقطه کف سد به میزان 1.0 برابر ارتفاع سد به سمت پایین گسترش دارد. ستون‌های سنگی (stone columns) با آرایش مربعی و نسبت‌های جایگزینی (replacement ratios) 0.35، 0.30، 0.25 و 0.20 در نواحی مختلف زیر پی سد اجرا شدند. نواحی بهسازی‌شده با ستون‌های سنگی از طریق تبدیل معادل پارامترهای مصالح، به عنوان زمین مرکب (composite ground) مدل‌سازی گردیدند. شرایط مرزی (boundary conditions) به این شرح تعریف شدند: قیدهای گیرداری کامل در کف مدل، و قیدهای تغییرمکان عمود بر سطح (نرمال) در مرزهای جانبی بریده‌شده (وجوه بالادست، پایین‌دست و جانبی). به وجه بالادست سد، بار هیدرولیکی ثابت معادل 55 متر اختصاص داده شد. در این مدل، بار هیدرولیکی در پی پایین‌دست سد برابر صفر در نظر گرفته شده و شیب پایین‌دست سد به عنوان سطح تخلیه آزاد (free discharge surface) تنظیم گردید. یک مدل عددی سه‌بعدی با المان‌های غشایی توسعه داده شد که پارامترهای آن در امتداد جهت ضخامت که معادل 1 متر تعیین شده بود، یکنواخت در نظر گرفته شد. دستگاه مختصات (coordinate system) بدین صورت مستقر گردید: محور X (جهت جریان، مثبت به سمت پایین‌دست)، محور Y (جهت محور سد، مثبت به سمت داخل) و محور Z (جهت قائم، مثبت به سمت بالا). شبکه‌بندی (grid division) مدل عددی مطابق با روش‌های معتبر تثبیت‌شده پیشین است [26,27].

شکل 1. نمودار مقطع عرضی سد سنگریزه‌ای با هسته رسی.

پیکربندی هسته رسی، بستر رسی با پلاستیسیته بالا (highly plastic clay base) و ژئوممبران در شکل 2 نشان داده شده است. ژئوممبران بین هسته رسی و لایه فیلتر (filter layer) با استفاده از پیکربندی «S» شکل [12] نصب شد که انتهای پایینی آن در تاج دیوار آب‌بند بتنی (concrete cut-off wall) مهار گردید. لایه فیلتر با شیب کلی 1:0.25 اجرا شد.

شکل 2. نمودار ساختار ترکیبی کنترل نشت ژئوممبران–هسته رسی.

2.2.2. پارامترهای مصالح (Material Parameters)

مدل رفتاری دانکن–چانگ (Duncan–Chang constitutive model) برای تحلیل رفتار خاک به کار گرفته شد. جدول 1 مروری خلاصه بر پارامترهای به‌کاررفته در مدل دانکن–چانگ برای تحلیل مصالح سد و لایه‌های پی (foundation strata) ارائه می‌دهد. پارامترهای ژئوتکنیکی لایه‌های خاک برجا (in situ soil layers) عمدتاً بر اساس داده‌های کاوش‌های ژئوتکنیکی (geotechnical investigation) تعیین شدند، در حالی که پارامترهای محاسباتی مصالح سد از طریق مقایسه با پروژه‌های مشابه به دست آمدند. پارامترهای کلیدی عبارتند از: ρ_sat — چگالی اشباع (saturated density)؛ ρ — چگالی طبیعی (natural density)؛ n₀ — تخلخل اولیه (initial porosity)؛ S_r0 — درجه اشباع اولیه (initial saturation ratio)؛ c — چسبندگی (cohesion)؛ φ₀ — زاویه اصطکاک داخلی اولیه (initial internal friction angle)؛ Δφ — زاویه اصطکاک افزایشی (incremental friction angle)؛ R_f — نسبت شکست (failure ratio)؛ K و n — به ترتیب پایه و توان برای مدول الاستیک اولیه (initial elastic modulus)؛ K_b و m — ثوابت هذلولوی برای مدول حجمی اولیه (initial bulk modulus)؛ K_ur — ثابت مدول باربرداری–بارگذاری مجدد (unloading–reloading modulus constant).

جدول 1 در مقالهی اصلی آمده است.

همان‌طور که در جدول 2 نشان داده شده است، پارامترهای زمین مرکب برای نواحی بهسازی‌شده با ستون‌های سنگی همراه با نسبت‌های جایگزینی 0.35، 0.30 و 0.25 ارائه گردیده‌اند. فهرست جامعی از ضرایب نفوذپذیری (permeability coefficients) مصالح سد و لایه‌های پی در جدول 3 ارائه شده است. برای ژئوممبران، چگالی 1.35 g/cm³ و ضریب نفوذپذیری 1.0 × 10⁻¹⁰ cm/s تعیین شد. در ژئوممبران‌ها از یک مدل الاستیک خطی (linear elastic model) استفاده می‌شود. مدول الاستیسیته این ماده برابر 20 مگاپاسکال (MPa) مشخص شد و ضریب اصطکاک فصل‌مشترک آن در برابر ژئوتکستایل‌های (geotextiles) مجاور معادل 0.34 تعیین گردید. اصطکاک بین‌سطحی میان ژئوممبران و خاک بر اساس مرجع [28] تنظیم شد. دیوار آب‌بند بتنی با چگالی 2.4 g/cm³، مدول الاستیسیته 2000 مگاپاسکال و مقاومت فشاری (compressive strength) 90 روزه معادل 8.0 مگاپاسکال مدل‌سازی گردید.

جدول 2 در مقالهی اصلی آمده است.

جدول 3 در مقالهی اصلی آمده است.

2.2.3. سناریوهای شبیه‌سازی عددی

در تحلیل اجزای محدود (finite element analysis)، از یک فرآیند بارگذاری مرحله‌ای (staged loading procedure) برای بازسازی توالی واقعی ساخت استفاده شد. مرحله نخست، تعادل تنش ژئواستاتیکی (geostatic stress equilibrium) پی و دیوار آب‌بند بتنی (concrete cut-off wall) را شبیه‌سازی کرد. مراحل بعدی، فرآیند ساخت سد و دیوار هسته رسی (clay core-wall) را در ۱۰ فاز مدل‌سازی نمودند، به‌طوری که ضخامت پخش (spreading thickness) اولیه دیوار هسته رسی ۵ متر و ضخامت‌های پخش بعدی هر کدام ۶ متر در نظر گرفته شد. دو شرایط بهره‌برداری بحرانی تحلیل شدند: مرحله پس از ساخت (post-construction phase) و مرحله آبگیری مخزن (reservoir impoundment phase). تراز آب مخزن در طول مرحله آبگیری طی ۹ مرحله در ارتفاع ۵۵ متری تثبیت گردید. در مجموع ۱۵ سناریوی شبیه‌سازی مورد ارزیابی قرار گرفت (جدول 4 را ببینید) که سناریوی GK1 شامل ۱۵۵٬۶۳۱ المان (elements) بود و سایر سناریوها نیز تراکم شبکه (mesh densities) مشابهی داشتند. سناریوهای GK1 تا GK4 به‌منظور بررسی تأثیر ضخامت پخش دیوار هسته رسی بر رفتار تنش-تغییرشکل (stress–deformation behavior) ژئوممبران (geomembrane - GMB) با در نظر گرفتن چهار ضخامت پخش ۱ متر، ۲ متر، ۴ متر و ۶ متر طراحی شدند. سناریوهای GK2 و GK5 تا GK12 برای تحلیل اثرات بار هیدرولیکی (hydraulic head) بر عملکرد ژئوممبران توسعه یافتند. ۹ بار هیدرولیکی مورد ارزیابی قرار گرفت که بیشینه بار متناظر با تراز طراحی آب مخزن به مقدار ۵۵ متر بود و از تاج پی سد (dam foundation crest) اندازه‌گیری شد.

جدول 4 در مقالهی اصلی آمده است.

سناریوهای GK13، GK14 و GK15 به‌منظور ارزیابی تأثیر ارتفاع محل نقص ژئوممبران (defect location height) بر رفتار تنش-تغییرشکل طراحی شدند. در مجموع سه ارتفاع نقص شامل ۱۰ متر، ۳۰ متر و ۵۰ متر، اندازه‌گیری‌شده از تاج پی سد، مورد بررسی قرار گرفت. این ارتفاع‌ها نشان‌دهنده نقص در قاعده، بخش میانی و تاج سد هستند. سناریوی GK2 که دارای ژئوممبران بدون نقص بود، به‌عنوان سناریوی کنترل تعیین شد. مدل نقص مربعی‌شکل با ابعاد ۲ سانتی‌متر × ۲ سانتی‌متر بر اساس بررسی‌های میدانی و ادبیات فنی موجود [22,29,30] و با فرض یک نقطه آسیب موضعی منفرد ایجاد شد. به ناحیه نقص، ضریب نفوذپذیری (permeability coefficient) معادل ۱۰ متر بر ثانیه اختصاص یافت تا هدایت هیدرولیکی (hydraulic conductivity) بالا شبیه‌سازی شود. با توجه به تقارن روزنه نقص، مرکز روزنه در لبه مدل قرار داده شد و نیمی از روزنه نقص در راستای محور سد (dam axis) در مدل تعبیه گردید.

3. نتایج و تحلیل

3.1. رفتار تنش-تغییرشکل سد و ژئوممبران در تراز نرمال آب مخزن

الگوهای تنش-تغییرشکل یکنواختی در سد و ژئوممبران در تمامی سناریوها مشاهده شد. با استفاده از سناریوی GK2 به‌عنوان یک نمونه شاخص، رفتار تنش-تغییرشکل سد و ژئوممبران در طول مرحله آبگیری مخزن در این بخش تحلیل شده است.

3.1.1. رفتار تنش-تغییرشکل سد

همان‌طور که در شکل ۳ نشان داده شده است، توزیع تنش اصلی (principal stress) در داخل سد در طول مرحله آبگیری مخزن ارائه گردیده است. مشخص گردید که تمام تنش‌های اولیه از نوع فشاری (compressive) هستند و بزرگی آن‌ها متناسب با عمق افزایش می‌یابد. بخش پایین‌دست (downstream) در هنگام قرارگیری تحت فشار آب مخزن، مقادیر تنش بالاتری را در مقایسه با بخش بالادست (upstream) نشان می‌دهد. تنش اصلی بیشینه (major principal stress) حداکثر به مقدار تقریبی ۱.۸۲ مگاپاسکال در قاعده لایه روباره (overburden layer) پایین‌دست واقع شده است. این الگوی توزیع تنش با رفتار مکانیکی مشخصه سدهای دارای دیوار هسته رسی همخوانی دارد. این الگوی توزیع تنش با رفتار مکانیکی مشخصه سدهای دارای دیوار هسته رسی تحت شرایط وزن خود (self-weight) مطابقت دارد [31].

شکل 3. تنش اصلی بیشینه سد در طول مرحله آبگیری مخزن (واحد: کیلوپاسکال).

همان‌طور که در شکل ۴ نشان داده شده است، توزیع جابه‌جایی (displacement) سد در طول مرحله آبگیری مخزن ارائه گردیده است. مطابق با شکل 4a، با رسیدن به تراز نرمال آب مخزن، حداکثر جابه‌جایی پایین‌دست به میزان ۰.۳۹ متر در بخش بالایی دیوار آب‌بند بتنی سمت راست مشاهده شد؛ در حالی که حداکثر جابه‌جایی بالادست ۰.۲۶ متر اندازه‌گیری گردید که نشان‌دهنده مقادیر تغییرشکل بیشتر در پایین‌دست است. این امر عمدتاً ناشی از فشار آب منفذی (pore water pressure) است. همان‌طور که در شکل ۵ نشان داده شده است، توزیع فشار آب منفذی در سد در طول دوره آبگیری به‌وضوح به تصویر کشیده شده است. از توزیع فشار آب منفذی در سد می‌توان دریافت که در طول دوره آبگیری، به دلیل وجود سیستم کنترل نشت (seepage control system)، بار فشار آب تنها بر سمت بالادست اعمال می‌شود. بنابراین، تحت تأثیر فشار آب منفذی، جابه‌جایی جانبی (lateral displacement) بخش بالادست در مقایسه با مرحله پس از ساخت کاهش یافته، در حالی که جابه‌جایی بخش پایین‌دست افزایش یافته است که این موضوع به اثرات فشار آب منفذی نسبت داده می‌شود. همان‌طور که در شکل 4b مشاهده می‌شود، حداکثر نشست (settlement) پی به ۱.۴۳ متر (از ۱.۵۴ متر در مرحله پس از ساخت) کاهش یافت و حداکثر نشست دیوار هسته به ۱.۰۸ متر (از ۱.۱۱ متر در مرحله پس از ساخت) تقلیل یافت که نشست اخیر در ارتفاع ۲۲ متری در داخل دیوار هسته رسی رخ داده است. این الگوهای تغییرشکل با رفتار مشخصه سدهای سنگریزه‌ای با هسته رسی (clay core-wall rockfill dams) تحت بارگذاری هیدرولیکی همخوانی دارند. این یافته با روابط حاصل از آزمایش‌های مدل سانتریفیوژ (centrifugal model experiments) انجام‌شده توسط Xu و همکاران [12] مطابقت دارد.

شکل 4. جابه‌جایی سد در طول مرحله آبگیری مخزن: (a) جابه‌جایی جانبی؛ (b) نشست.

شکل 5. توزیع فشار آب منفذی سد در دوره آبگیری.

3.1.2. رفتار تنش-تغییرشکل ژئوممبران

همان‌طور که در شکل ۶ نشان داده شده است، تغییرات تنش کششی اصلی (principal tensile stress) و کرنش کششی در امتداد ژئوممبران در بالادست دیوار هسته رسی در طول آبگیری مخزن ارائه شده است، که در آن اندازه‌گیری طول از ژئوممبران در تاج سد آغاز گردیده است. تنش کششی اصلی در بیشتر طول ژئوممبران نزدیک به صفر باقی می‌ماند، اما در بخش افقی آن در نزدیکی قاعده دیوار هسته رسی به‌میزان قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. حداکثر تنش کششی به میزان ۰.۶۸ مگاپاسکال در محل مهار (anchorage location) ژئوممبران به دیوار آب‌بند رخ می‌دهد که متناظر با ناحیه گذار میان بخش‌های افقی و عمودی ژئوممبران است. روند تغییرات کرنش کششی اصلی ژئوممبران در طول مرحله آبگیری مشابه روند تنش کششی اصلی است. کرنش کششی ژئوممبران در بخش نصب افقی آن در نزدیکی کف دیوار هسته رسی افزایش چشمگیری نشان می‌دهد. بیشترین مقدار کرنش کششی به میزان ۲.۷۰٪ در محل مهار ژئوممبران به دیوار آب‌بند مشاهده می‌شود.

پاسخ‌های تنش-تغییرشکل سد، تغییرات بسیار ناچیزی را در میان پارامترهای مختلف نصب ژئوممبران نشان می‌دهند؛ از این رو، تحلیل‌های بعدی بر تبیین تأثیر مشخصات ژئوممبران بر رفتار تنش-کرنش ذاتی آن متمرکز شده است.

3.2. تأثیر ضخامت پخش دیوار هسته رسی بر پاسخ تنش-تغییرشکل ژئوممبران

مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌ها بر روی سناریوهای GK1 تا GK4 انجام گرفت تا تأثیر تغییر ضخامت پخش دیوار هسته رسی بر رفتار تنش-تغییرشکل ژئوممبران مشخص شود. ضخامت‌های پخش برای این سناریوها برابر با ۱ متر، ۲ متر، ۴ متر و ۶ متر تحت بار هیدرولیکی طراحی ۵۵ متر تعیین گردید. همان‌طور که در شکل ۷ نشان داده شده است، بیشینه کشش...

تنش‌ها و کرنش‌ها در ژئوممبران (geomembrane یا GMB) در طول مرحله آبگیری (impoundment phase) در این پیکربندی‌های مختلف ارائه شده‌اند. یافته‌ها نشان‌دهنده نوسانات جزئی در پیک تنش‌ها و کرنش‌های کششی (tensile stresses and strains) با افزایش ضخامت پخش (spreading thickness) است، به‌طوری که هر دو پارامتر در ضخامت 2 m به حداقل مقادیر خود می‌رسند. به‌طور مشخص، حداکثر نشست‌های (settlements) ژئوممبران برای ضخامت‌های پخش 1 m، 2 m، 4 m و 6 m به‌ترتیب 1.01 m، 1.00 m، 1.04 m و 1.02 m ثبت شدند که بیانگر کنترل بهینه تغییرشکل (deformation) در پیکربندی 2 m است. جابجایی‌های افقی (horizontal displacements) در تمامی حالات یکنواختی و ثبات نشان دادند و حداکثر جابجایی‌ها بین 0.23 m و 0.24 m متغیر بود. با وجود پیشنهاد چهار طرح برای ضخامت لایه‌های دیوار هسته رسی (clay core-wall) در این مطالعه، ضروری است اذعان شود که اگرچه کاهش ضخامت لایه منجر به متراکم‌تر شدن دیوارهای هسته رسی می‌گردد، اما ضخامت بیش از حد ناچیز لایه اثر منفی چشمگیری بر راندمان اجرا (construction efficiency) دارد. در مقابل، ضخامت بیش از حد زیاد لایه نیز می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر کیفیت تراکم (compaction quality) دیوار هسته رسی بگذارد. در نتیجه، انتخاب ضخامت بهینه لایه برای این پروژه از اهمیت بسزایی برخوردار است. محاسبات اولیه نشان می‌دهد زمانی که ضخامت هر لایه از دیوار هسته رسی روی 2 m تنظیم شود، تأثیر آن بر تمرکز تنش (stress concentration) ژئوممبران به حداقل می‌رسد. بررسی جامع ویژگی‌های نیرو و تغییرشکل ژئوممبران و نیز به‌کارگیری روش چیدمان S شکل (S-shaped laying method) برای ساخت‌وساز نشان می‌دهد که ضخامت پخش دیوار هسته رسی نباید نه بیش از حد زیاد و نه بیش از حد کم باشد. در این مقاله، تحت شرایط سد و پی سد، مشخص شده است که ضخامت پخش 2 m مناسب‌تر است.

شکل ۶. تنش و کرنش کششی اصلی ژئوممبران در طول دوره آبگیری مخزن (reservoir filling period).

شکل ۷. تنش و کرنش کششی اصلی ژئوممبران در طول مرحله آبگیری مخزن تحت ضخامت‌های مختلف پخش.

همان‌طور که در شکل ۸ نشان داده شده است، پروفیل‌های جابجایی افقی و قائم در امتداد ژئوممبران در بالادست (upstream) دیوار هسته رسی تحت ضخامت‌های مختلف پخش در طول آبگیری مخزن ارائه شده‌اند. جابجایی‌های افقی ژئوممبران جهت‌گیری یکنواختی را به سمت پایین‌دست (downstream) نشان می‌دهند که مقادیر بزرگ‌تری در بخش بالایی سد در مقایسه با بخش پایینی مشاهده می‌شود. نشان داده شده است که افزایش ضخامت پخش به‌طور کلی بزرگی جابجایی‌های افقی را کاهش می‌دهد. برای ضخامت‌های پخش 1 m، 2 m، 4 m و 6 m، حداکثر جابجایی‌های افقی به‌ترتیب 0.242 m، 0.234 m، 0.236 m و 0.231 m به‌دست آمدند. حداقل مقادیر بین 0.045 m و 0.065 m متغیر بودند. این مقادیر حدی همواره در ارتفاع‌های 18 m و 54 m زیر تاج سد (dam crest) رخ دادند. نشست ژئوممبران در امتداد طول آن روندی غیریکنواخت (non-monotonic) را نشان می‌دهد که ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد؛ الگویی که به پیکربندی چیدمان S شکل نسبت داده می‌شود. حداکثر نشست‌ها تحت ضخامت‌های پخش 1 m، 2 m، 4 m و 6 m به‌ترتیب به 0.998 m، 1.005 m، 1.040 m و 1.022 m می‌رسند و در نزدیکی 36 m زیر تاج سد به اوج خود دست می‌یابند. مقدار نشست با افزایش ضخامت پخش، ابتدا یک افزایش اولیه و به‌دنبال آن یک کاهش بعدی را نشان می‌دهد.

شکل ۸. جابجایی افقی و نشست ژئوممبران در طول مرحله آبگیری مخزن.

3.3. تأثیر موقعیت نقص بر رفتار تنش-تغییرشکل ژئوممبران

مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌ها بر روی موارد GK13~GK15 انجام شد تا تأثیر ارتفاع نقص (defect height) ژئوممبران بر رفتار تنش-تغییرشکل سد و ژئوممبران تحت تراز آب طراحی مخزن به میزان 55 m ارزیابی شود. در مجموع، سه ارتفاع نقص نسبت به پی سد (dam foundation) مورد تحلیل قرار گرفت: پایه سد به اندازه 10 m، بخش میانی (mid-section) به اندازه 30 m، و تاج سد به اندازه 50 m. شکل ۹ مقایسه‌ای از حداکثر تنش‌ها و کرنش‌های کششی در ژئوممبران را در این پیکربندی‌ها ارائه می‌دهد. نشان داده شده است که وجود نقص‌ها تنش‌ها و کرنش‌های کششی را در ژئوممبران به‌طور چشمگیری تشدید می‌کند، به‌طوری که بزرگی آن‌ها همبستگی معکوسی با ارتفاع نقص دارد. حداکثر کرنش کششی ژئوممبران هنگامی که ارتفاع نقص 10 m باشد برابر با 3.98% است که حدود 1.47 برابر بیشتر از حالت بدون نقص است.

شکل ۹. حداکثر تنش کششی و کرنش کششی ژئوممبران در ارتفاع‌های مختلف نقص.

همان‌طور که در شکل ۱۰ نشان داده شده است، دبی نشت (seepage discharge) و ارتفاع خط فراتیک (phreatic line height) بر حسب ارتفاع نقص تغییر می‌کنند. دبی نشت بر حسب هر متر از ضخامت پخش در سرتاسر سد محاسبه شد. وجود نقص منجر به افزایش دبی نشت گردید که مقادیر آن برای ارتفاع‌های نقص 10 m، 30 m و 50 m به‌ترتیب برابر با 0.62 m³/d، 0.59 m³/d و 0.56 m³/d اندازه‌گیری شد. همبستگی منفی بین ارتفاع نقص و دبی نشت به اثبات رسیده است؛ یافته‌ای که توسط Sun et al. [30] نیز تأیید شده است. علاوه بر این، تحلیلی برای تعیین ارتفاع خط فراتیک سد در سطح تماس بین ژئوممبران و دیوار هسته انجام گرفت. مشخص شد زمانی که ژئوممبران فاقد نقص بود، ارتفاع خط فراتیک 14.81 m بود. با این حال، پس از ایجاد نقص در ژئوممبران، خط فراتیک شروع به بالا آمدن کرد. نشان داده شده است که ارتفاع خط فراتیک متناسب با ارتفاع نقص بوده و رابطه معکوسی بین این دو برقرار است. همچنین مشاهده شد هنگامی که ارتفاع نقص 10 m است، ارتفاع خط فراتیک به 20.11 m افزایش می‌یابد. جابجایی‌های افقی و نشست‌های ژئوممبران تا حد زیادی تحت تأثیر تغییرات ارتفاع نقص قرار نمی‌گیرند. این یافته‌ها نشان می‌دهند که ارتفاع‌های پایین‌تر نقص (برای نمونه، نزدیک به پی سد) اثر مخرب‌تری هم بر کنترل نشت و هم بر پایداری سازه‌ای بر جای می‌گذارند. این پدیده ناشی از افزایش فشار هیدرواستاتیک (hydrostatic pressure) در ارتفاع‌های پایین‌تر نقص است که خطرات شکست هیدرولیکی (hydraulic fracturing) موضعی و توزیع مجدد تنش (stress redistribution) در درون سد را تشدید می‌کند.

شکل ۱۰. دبی نشت و ارتفاع خط فراتیک سد در ارتفاع‌های مختلف نقص.

3.4. تأثیر مقدار بار هیدرولیکی بر رفتار تنش-تغییرشکل ژئوممبران

در موارد GK2 و GK5~GK12، تأثیر مقدار بار هیدرولیکی (hydraulic head magnitude) بر رفتار تنش-تغییرشکل ژئوممبران بررسی شد. ترازهای آب مد نظر برابر با 7 m، 13 m، 19 m، 25 m، 31 m، 37 m، 43 m، 49 m و 55 m بودند. تراز آب مخزن از پی سد اندازه‌گیری شد که در آن، حداکثر بار شبیه‌سازی‌شده 55 m مطابق با تراز آب طراحی مخزن بود.

شکل ۱۱ نموداری از مقادیر حداکثر تنش کششی و کرنش کششی ژئوممبران را در بارهای هیدرولیکی مختلف ارائه می‌دهد. همان‌طور که در شکل ۱۱ مشاهده می‌شود، با افزایش بار هیدرولیکی، تنش کششی و کرنش کششی ژئوممبران افزایش تدریجی و سپس تثبیت را نشان دادند که با کاهش هم‌زمان در نرخ افزایش همراه بود. شایان ذکر است که افزایش بار هیدرولیکی از 49 m به 55 m منجر به افزایش تنش کششی و کرنش کششی ژئوممبران تا سطوح حداکثر آن‌ها می‌شود. حداکثر تنش کششی و کرنش کششی ژئوممبران به‌ترتیب 0.68 MPa و 2.70% ثبت شده است. با افزایش مقدار بار هیدرولیکی، جابجایی افقی و نشست ژئوممبران نیز افزایش می‌یابد. هنگامی که بار هیدرولیکی از 7 m به 55 m افزایش می‌یابد، حداکثر جابجایی افقی ژئوممبران به سمت پایین‌دست از 0.10 m به 0.24 m و مقدار حداکثر نشست ژئوممبران از 0.97 m به 1.00 m افزایش می‌یابد. می‌توان نتیجه گرفت که هرچه بار هیدرولیکی بزرگ‌تر باشد، نیرو و تغییرشکل ژئوممبران نیز بیشتر خواهد بود. با توجه به گزارش اخیر پیرامون خواص مکانیکیِ

در خصوص ژئوممبران‌های PVC (ژئوممبران‌های پلی‌وینیل کلراید - PVC geomembranes)، مقدار بحرانی کرنش الاستیک (elastic strain) برای یک ژئوممبران PVC به ضخامت 3.0 میلی‌متر برابر با 62.3% است [32] که به‌مراتب بزرگ‌تر از حداکثر کرنش کششی (tensile strain) ژئوممبران PVC تحت هر یک از شرایط کاری در مطالعه حاضر است. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که ژئوممبران (geomembrane - GMB) تحت هر یک از شرایط کاری در این پژوهش، در محدوده مجاز و قابل‌قبول قرار دارد.

شکل 11. حداکثر تنش کششی و کرنش کششی ژئوممبران در بارهای هیدرولیکی مختلف.

4. نتیجه‌گیری

در این مقاله، رفتار تنش-تغییرشکل (stress–deformation behavior) سیستم کنترل تراوش (seepage control system) در سد سنگریزه‌ای با دیوار هسته رسی و ژئوممبران (GMCWRD - geomembrane-clay core-wall rockfill dam) تحت شرایط گوناگون ساخت و بهره‌برداری مورد بررسی قرار گرفت و بر اثرات ضخامت پخش هسته رسی (clay core-wall spreading thickness)، ارتفاع نقص ژئوممبران (GMB defect height) و مقدار بار هیدرولیکی (hydraulic head magnitude) بر پاسخ‌های جفت‌شده سد و ژئوممبران (coupled dam-GMB responses) تمرکز شد. یافته‌های کلیدی به شرح زیر خلاصه می‌شوند:

1. در طول مرحله آبگیری مخزن (reservoir impoundment)، ژئوممبران تغییرمکان‌های افقی (horizontal displacements) مداومی را به سمت پایین‌دست نشان داد که مقادیر آن در بخش‌های بالایی سد بیشتر از ارتفاعات پایین‌تر بود. مقادیر نشست (settlement) رابطه‌ای غیریکنواخت (non-monotonic) با عمق مدفون (embedment depth) داشتند، به‌طوری‌که ابتدا افزایش یافته و سپس به سمت پی سد کاهش یافتند. حداکثر کرنش کششی ژئوممبران (2.70%) در طول مرحله آبگیری، در محل مهار (anchorage) ژئوممبران به دیوار آب‌بند (cut-off wall) رخ داد.
2. مقادیر حداکثر تنش‌های کششی (tensile stresses) و کرنش‌های ژئوممبران با افزایش ضخامت دیوار هسته رسی نوسان می‌کند. با توجه به پارامترهای ساخت سد و پی تشریح‌شده در این مقاله، مشاهده می‌شود که تنش کششی و کرنش کششی ژئوممبران زمانی که ضخامت پخش برابر با 2 متر تعیین شود، به کمترین مقدار خود می‌رسند. با بالا آمدن تراز آب در مخزن، تغییرمکان افقی و نشست ژئوممبران به‌تدریج افزایش می‌یابد و تنش و کرنش کششی ژئوممبران نیز به‌مرور افزایش یافته و تثبیت می‌شود.
3. با کاهش ارتفاع محل نقص ژئوممبران، دبی تراوش (seepage discharge) از بدنه سد به‌تدریج افزایش می‌یابد و خط اشباع (phreatic line) بالا می‌آید که این امر منجر به افزایش کرنش کششی ژئوممبران می‌گردد. ارتفاع محل نقص ژئوممبران رابطه مستقیمی با فشار آب در محل نقص دارد که این مسئله به‌نوبه خود تأثیر منفی بر سد و ژئوممبران می‌گذارد. متعاقب بروز نقص در ژئوممبران، این پوشش افزایش چشمگیری را در هر دو مؤلفه تنش کششی و کرنش کششی تجربه کرد؛ به‌ویژه در محل نقصی در ارتفاع 10 متر بالاتر از سطح زمین، حداکثر مقدار کرنش کششی ژئوممبران در مقایسه با دوره پیش از بروز نقص، افزایش 1.47 برابری را نشان داد.
4. حداکثر کرنش‌های کششی وارد بر ژئوممبران برای ضخامت‌های مختلف پخش هسته رسی، موقعیت‌های مختلف نقص ژئوممبران و مقادیر گوناگون بار هیدرولیکی، به‌مراتب کمتر از محدوده تغییرشکل الاستیک (elastic deformation) بیشینه ژئوممبران PVC انتخاب‌شده بود.
5. مطابق با یافته‌های این پژوهش، تأثیر نواقص ژئوممبران بر ایمنی سازه‌ای سدها مستلزم توجه کافی است. بر این اساس، ضروری است حفاظت از ژئوممبران‌ها در حین اجرای پروژه در اولویت قرار گیرد. علاوه بر این، مطالعه حاضر تحت شرایط زمین‌شناسی مهندسی (engineering geological conditions) و ویژگی‌های مصالح سد مشخصی انجام شده است و می‌تواند مرجع سودمندی برای پروژه‌های مشابه باشد؛ با این حال باید توجه داشت که دستاوردهای این تحقیق نباید به‌صورت عمومی به تمام پروژه‌های کاربرد ژئوممبران تعمیم داده شود.