ارزیابی لرزه ای سدهای دوستدار محیط زیست (سدCSG)

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره شش، شهریورماه 98

ارزیابی لرزه ای سدهای دوست دار محیط زیست (سد CSG)

امیر عارفیان [1]

علی نورزاد  [2]  ^*

a_noorzad@sbu.ac.ir

محسن قائمیان  ^[3]

عباس حسینی  ^[4]

چکیده

زمینه و هدف: سد شن و ماسه سیمانته شده ذوزنقه­ای )سد CSG ذوزنقه ای( نوع جدیدی از سدها می باشد که با توجه به ویژگی های آن در دهه اخیر از لحاظ محیط زیستی مورد توجه قرار گرفته است. این نوع از سدها به دلیل نحوه انتخاب مصالح در ساخت سد نسبت به سدهای بتنی وزنی آثار تخریبی محیط زیستی کم تری دارند. با عنایت به عمل کرد مثبت این نوع از سدها در مقوله محیط زیستی ضروری است عمل کرد سازه ای آن ها نیز مورد بررسی قرار گیرند.

روش بررسی: به دلیل کمبود مطالعات دینامیکی در زمینه سد CSG، این تحقیق به آنالیز سد CSG ذوزنقه ای به روش المان محدود و توسط نرم افزار آباکوس پرداخته است.

یافته ها: برای به دست آوردن خرابی های ناشی از زلزله، منحنی های شکنندگی بر پایه شاخص خرابی رسم شده است که عبارتند از طول ترک ایجاد شده در پایه سد و مساحت المان های ترک خورده در سد.

بحث و نتیجه گیری: نتایج نشان داد سدهای CSG علی رغم این که از مصالح ضعیف تر که در راستای دست خوردگی کم تر محیط زیست می باشد، در مقایسه با سدهای بتنی ساخته شده‌اند، مقاومت خوبی از خود نشان داده و حتی در بعضی موارد عمل کرد بهتری از سدهای بتنی وزنی از خود نشان می‌دهند.

واژه‌های کلیدی:‌ محیط زیست، ارزیابی لرزه ای، سدCSG، مقاومت سد.

Seismic Assessment of Environment Friendly Dams

 (CSG Dam)

Amir Arefian [5]

Ali Noorzad [6] ^*

a_noorzad@sbu.ac.ir

Mohsen Ghaemian  [7]

Abbas Hosseini [8]

Abstract

Background and Objective: Trapezoidal Cemented Sand and Gravel Dam(trapezoidal CSG dams) are new type of dams which recently considered as environmental point of view specially. These types of dams have less negative effect on environment specially compare to concrete weight dams. Considering the positive environmental performance of these dams, it’s important to assess their structural performance.

Method: As the dynamic researches on CSG dams are so limited, this research will analysis the trapezoidal CSG dams using finite element method with ABAQUS software.

Findings: To calculate earthquake damages, fragility curves plotted based on damage index which is the length of cracks on the dam base and areas of the cracks on dam.

Discussion and Conclusion: The final results of this research shows trapezoidal CSG dams comparing with concrete dams showing a good structure resistance and in some other sampels they showed a better performance than concrete gravity dams, considering the materials in trapezoidal CSG dams weakened to reduce the negative environment aspect of dams.

Key words: Environment, Seismic Assessment, CSG dam, Resistance dam.

مقدمه

با توجه به نیاز روز افزون بشر به سد سازی و هم چنین پیشرفت و توسعه این صنعت، مهندسین همواره سعی در حرکت به سمت دو عامل کاهش هزینه ها و حفظ محیط زیست دارند. در بعضی موقعیت ها، منابع و معادن محدود هستند، لذا تهیه مصالح از معادن، منفصل و جداگانه انجام می­شود. به همین دلیل هزینه های بالاتر و دست خوردگی بیش تر محیط زیست حاصل می گردد و در نهایت منجر به کاهش بازده حفاری و استخراج بیش تر می شود که همگی دغدغه های بزرگ برای ساخت سدها هستند. سدهای CSG نوع جدیدی از سدها هستند که بارهای وارده بر محیط زیست پیرامون را کاهش می دهند. عدم توجه به اصول حرفه ای در این زمینه نیز منجر به مشکلات جدی می‌شود، مثل کاهش محسوس بازده یا افزایش حجم پروژه ها که خود باعث ایجاد افزایش هزینه ها می‌گردد. مصالح شن و ماسه سیمانته شده (CSG)، نوع جدیدی از مصالح به کار رفته در بدنه سدها هستند که خواصی بین خواص سدهای بتنی و سدهای خاکی دارند. تغییر شکل سطح مقطع سدهای مثلثی به ذوزنقه‌ای باعث کاهش تنش‌های ایجاد شده در المان‌های بدنه سد می‌گردد(1). در سال 1992، لاند^[9]محقق فرانسوی مقاله‌ای در مورد تقارن مقطع سدها منتشر نمود و اشاره کرد که می‌‌توان به نوع جدیدی از سد دست یافت که نسبت به سد RCC هزینه کم تر و ‌ایمنی بیش تری دارد(2).

در سال 2004، فوجیساوا^[10] گزارشی در مورد «سد CSG ذوزنقه‌ای شکل و خواص مصالح CSG» ارایه نمود. او هم چنین به معرفی فرازبند ناگاشیما^[11] پرداخت که برای اولین بار از تکنولوژی ساخت CSG بهره برده بود (3،4). یانگ با استفاده از پروژه‌های ‌ایستگاه برق- آبی Baisha،   Jiemian و Hongkou آزمایش‌های مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، نسبت پواسون را برروی مصالح CSG با مقادیر متفاوت انجام داد (5).

لین^[12] مصالح CSG را به عنوان مصالح الاستوپلاستیک ‌ایده آل در نظر گرفت و آنالیز المان محدود را بر روی سد CSG برای بحث درباره تأثیرحساسیت بر روی تنش و پایداری، که با چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی و مدول یانگ مصالح رابطه دارد، با نرم افزار ANSYS انجام داد (6) . سای روش برنامه­ریزی عددی غیرخطی را برای بهینه کردن سد CSG انتخاب کرد. طرح اولیه نشان می‌دهد که با ارضاء تنش و پایداری، شیب سد CSG می‌تواند بیش تر ازشیب سد سنگ ریز معمولی باشد. سد CSG از میزان سنگ کم تری استفاده می‌کند و هزینه کمی‌ در بردارد، درضمن مقطع سد‌ایمن و منطقی است (7). جی روش المان محدود الاستیک خطی و روش طیف پاسخ را برای مقایسه ویژگی‌های کاری استاتیکی و دینامیکی سد CSG با سد وزنی انتخاب کرد. برخی قوانین از تأثیر ویژگی‌های کاری استاتیکی و دینامیکی سد CSG با پیگیری تغییرات شیب سد می‌توانست دریافت شود و‌این که چطور نفوذپذیری سد و فونداسیون از ویژگی‌های کاری سد تأثیر می‌پذیرد نیز بررسی شده بود(8).

2-روش کار

روش تحقیق در مطالعه حاضر به ترتیب در گام های ذیل انجام پذیرفته است:

• ساخت هندسه مدل
• بیان پارامترهای رفتار پلاستیک سد
• انجام آنالیز مقدماتی به منظور تعیین نیروهای جانبی وارد بر پی
• اعمال زلزله به مدل و محاسبه طول ترک و مساحت المان های ترک خورده
• در نظر گرفتن حالت حدی :

LS1: طول پایه سد *26/0

LS2: مساحت بزرگترین مانولیت * 0195/0

• رسم منحنی های شکنندگی
• مقایسه منحنی شکنندگی سد CSG با سدهای بتنی وزنی

3-مدل سازی

1-3- ایجاد هندسه مدل

ترسیم مدل هندسی، در ماژول Part انجام می‌شود. مدل هندسی شامل بدنه سد، فونداسیون و دو دیوار (یکی در سمت راست فونداسیون و دیگری در سمت چپ فونداسیون) می‌باشد. این دیوارها با فاصله از طرفین فونداسیون قرار می‌گیرند تا بتوان دمپرها را بین این دیوارها و فونداسیون مدل کرد .بنابراین ابتدا هندسه مدل ساخته شده است که شامل دو پارت 1) آب و 2) سد و پی می باشد (شکل 1).

شکل 1-مدل هندسه سد و فونداسیون

Figure 1. Dam geometry model and foundation

سپس مدل رفتاری Concrete Damaged Plasticity ، برای مدل کردن رفتار مصالح بدنه سد و  مدل رفتاری موهر – کولمب، برای مدل کردن رفتار مصالح فونداسیون مورد استفاده قرارگرفت. مدل Concrete Damaged Plasticity ، قابلیت کلی برای مدل کردن بتن و دیگر مصالح شبه شکننده را در همه انواع سازه ها (تیرها، خرپاها، پوسته ها و جامدات) فراهم می کند.

پس از آن پارامترهای میرایی مصالح و شرایط مرزی لایزمر، در نظر گرفته شده است و تمام محاسبات در نرم افزار آباکوس برای انجام مراحل بعدی مورد استفاده قرار گرفت.

3-2-  آنالیز استاتیکی

ابتدا یک آنالیز مقدماتی انجام می‌دهیم تا نیروهای جانبی وارد بر پی تعیین گردد، سپس این نیروها را به صورت بار به کناره های پی سد وارد می‌کنیم (شکل 2).

شکل2- نیروهای جانبی وارد بر کناره های پی

Figure 2. Lateral forces imposed on the foundation sides

3-3- آنالیز دینامیکی

از سایت peer Berkeley، سه زلزله یDuzci، Kocaeli، Lomaperiata گرفته شده و بر اساس PGA آن ها را نرمال و سپس خروجی زلزله ها با PGAهای g1/0 ،g3 /0 ،g6 /0،g1 به دست آورده شده است..نوع خاک تیپΠ. و زلزله ها به مدل وارد گردیده است.

4-نتایج

4-1- مشاهده خروجی های حاصل از تحلیل

پس از انجام آنالیز دینامیکی غیر خطی با اعمال سه زلزله، خروجی ها مطابق با اشکال زیر خواهند بود:

4-1-1- خروجی های حاصل ازتحلیل سد با زلزله یDUZCI

همان طور که در اشکال (3 تا 6) دیده می شود، ترک کششی از پنجه سد شروع شده و در0.6g  PGA=ترک کششی در پاشنه رویت  می گردد. در1 PGA=  گرم، ترک های کششی در پنجه و پاشنه به هم می رسند.

4-1-2 خروجی های حاصل ازتحلیل سد با زلزله

Kocaeli

مطابق با اشکال (7 تا 10)ترک کششی در ایتدا در پاشنه و درg 3/0 PGA=ترک در پنجه به وجود می آید.

4-1-3-خروجی های حاصل ازتحلیل سد با زلزله Loma Perita

مطابق با اشکال (11 تا 14) ترک های کششی در ابتدا در پاشنه و در g6/ 0PGA= ترک در پنجه به وجود می آید.

4– 2-رسم منحنی های شکنندگی

به منظور بیان کمی آسیب پذیری اجزای مختلف سازه ای و یا غیر سازه ای بر حسب میزان خطر زلزله می توان در مورد هر نوع از سازه ها یا اجزای غیر سازه ای حساس به جابه جایی نسبی و اجزای غیر سازه ای حساس به شتاب، احتمال وقوع یا فرا گذشت از یک میزان خسارت خاص را بر حسب یک ویژگی معرف زلزله نظیر PGA , PGV, PGD بیان نمود. تکرار این عملیات برای مقادیر مختلف PGA یا سایر تک پارامترها، منجر به تولید منحنی های نرمال شده ای موسوم به منحنی شکنندگی (Fragility curve) می گردد. منحنی شکنندگی بیان گر احتمال فراگذشت یک رخداد از یک حالت حدی است. برای به دست آوردن منحنی شکنندگی حداقل سه زلزله نیاز است که در این تحقیق از پنج زلزله استفاده شده است. برای رسم منحنی شکنندگی باید حالت حدی تعریف شود.

4–2–1-ترسیم منحنی شکنندگی بر اساس حالت حدی 1

LS1= 26/0* dam base lenght

Ls1= 91* 26/0=66/23

منحنی شکنندگی برای limit state 1( based on length of crack at the base) به صورت شکل (15) می‌باشد.

شکل 15- منحنی شکنندگی بر اساس طول ترک در پایه سد

Figure 15. Seismic fragility curves based on the length of crack at the base

بر اساس منحنی های شکنندگی، با افزایش PGA احتمال گذشت از حالت حدی تعریف شده افزایش می یابد. البته بعد از 4/0= PGA با میزان افزایشی با کاهش روبه رو می‌شود.

4– 2­–­2 ترسیم منحنی شکنندگی بر اساس حالت حدی2

LS2= 0195/0* tallest monolith section of dam

LS2= 0195/0*2644=56/51

منحنی شکنندگی برای2Limit state (based on total areas of cracked elements in the body of dam) به صورت شکل (16) خواهد بود.

شکل16-  منحنی شکنندگی بر اساس مساحت المانهای ترک خورده

Figure 16. Seismic fragility curves based on the areas of cracked elements

بر اساس منحنی شکنندگی بر اساس مساحت المان های ترک خورده مشاهده می شود با افزایش PGA احتمال گذشت از حالت حدی تعریف شده افزایش می یابد. البته باز هم بعد از 4/0PGA=، با مقدار افزایشی با کاهش روبه رو می‌شود و مشاهده می گردد نتایج مشابه نتایج حالت حدی اول می باشد. این نتیجه توسط Kondo و همکاران در سال 2014 بر روی سدهای بتنی وزنی نیز تایید شده بود (9).

3-4 مقایسه با سدهای بتنی وزنی

در شکل (17) منحنی شکنندگی سد تبتسو در مقایسه با سدهای  Blue Stone و Pine Flat رسم شده است.حالت حدی در هرسه منحنی طول ترک در پایه سد می باشد. همان طور که ملاحظه می گردد احتمال رخ دادن  LS مذکوردر سد تبتسو بیش تراز سد BLUE STONE وکم تر از سد PINEFLAT می باشد.

شکل 17- منحنی های شکنندگی بر پایه طول ترک

Figure 17. Seismic fragility curves based on crack length at the base

نتیجه گیری

در این مطالعه نشان داده شد سدهای مورد مطالعه که نسبت به سدهای خاکی و بتنی وزنی از اثرات تخریبی محیط زیستی کم تری در هنگام ساخت برخوردارند، از لحاظ  لرزه ای نیزعملکرد قابل قبولی داشته و  حتی در بعضی شرایط عملکرد بهتری از سدهای بتنی وزنی از خود نشان می‌دهند که این موضوع می‌تواند تا حدودی بدلیل شکل این سدها و استفاده از مقطع با شکل ذوزنقه ای باشد. Obara و همکاران نیز در سال 2013 به مبحث محیط زیستی بودن سدهای مورد مطالعه اشاره کرده بودند (10).

نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که برای طراحی و ساخت سدهای ذوزنقه ای با مصالحCSG نیاز به آنالیز دقیق می‌باشد.

در این تحقیق خصوصیات سدهای ذوزنقه ای با مصلح CSG بر اساس نتایج آنالیز غیر خطی دینامیکی توسط روشfinite element  و رسم منحنی های شکنندگی شرح داده شده است.

• همان طور که در اشکال دیده می‌شود تنش کششی حداکثر در پنجه و پاشنه سد ایجاد می‌گردد و لازم است در این نواحی از مصالح با کیفیت تری استفاده شود. ابتدا در منطقه پاشنه سد دچار گسیختگی می‌گردد و سپس در ناحیه پنجه گسیختگی به وجود می‌آید، ولی در نهایت گسیختگی در منطقه پنجه گسترده تر از پاشنه می‌باشد.
• استفاده از دو حالت حدی بیست و شش صدم طول پایه سد و صد و نود و پنج ده هزارم، بزرگ ترین مقطع سد برای بررسی منحنی های شکنندگی سدهای ذوزنقه ای با مصالحCMD  مناسب می‌باشد.
• استفاده از معیار مساحت المان های ترک خورده نسبت به معیار طول ترک در base سد به خصوص در PGA های کوچک تر از 4/0 محافظه کارانه تر می‌باشد.
• از مقایسه منحنی های شکنندگی سد CSG با سدهای بتنی وزنی توسط مطالعه موردی سدهای  Bluestone،  Toubetsuو Pineflat به این نتیجه می‌رسیم که علی رغم این که سدهایCMD از مصالح ضعیف تری نسبت به سدهای بتنی ساخته می‌شوند، لیکن مقاومت خوبی داشته و حتی در بعضی شرایط بهتر از سدهای بتنی وزنی از خود نشان می‌دهند که این موضوع می‌تواند تا حدودی به دلیل شکل این سدها و استفاده از مقطع با شکل ذوزنقه ای باشد.

Reference

1. Nozad, A and Zahedi, H. 2012. Design and compilation of trapezoidal dams with sanded sand aggregates. Publisher: National Committee of the Great Dams of Iran, 256P (in Persian).
2. Londe, P., Lino, M., (1992). Hard fill dam, the faced symmetrical Hard fill dam a new concept for RCC. International Water Power & dam Construction 44, 19–24.
3. Fujisawa, T., (2004). Material Properties of CSG for the Seismic design of Trapezoid-Shaped CSG dam, 13^th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Canada, 391-393.
4. Fujisawa, T., Nakamura, A., Kwasaki, H., Hirayama, d., Yamaguchi, Y., and Sasaki, T. (2004). Material Properties of CSG for the Seismic design of Trapezoid – Shaped CSG dam
5. Yang, S.H., and Yishan, L., (1981). Water Control. Beijing, Xinhua Publishing House, 562–575.
6. Lin, L., and Adams, J., (2007). Lessons for the fragility of Canadian hydropower components under seismic loading, ⁹th Canadian Conference on Earthquake Engineering, Ottawa, Ontario, Canada, 1762-1771.
7. Cai X, Wu Y L, Guo X W, Ming Yu., (2012). Research review of the cement sand and gravel (CSG) dam. Journal of Hohai University, 6(1):19–24 (in Chinese).
8. Jie, Z., Jinsheng, J., Futian, J., Fengling, M., Wei, F., (2013). Preliminary Study on the Performance of Continuous Sliding Mixing Equipment for CSG, China Institute of Water Resources & Hydropower Research.
9. Kondo, M., Shida, T., and Enomura, T., (2014). Dynamic Analysis of Seismic Behavior of Raised Concrete Gravity Dam, International Symposium on Dams in Global Environmental Challenges, Bali, Indonesia, 50-59.
10. Obara, T., An, X., Jine, F., (2013). Environment Impact Evaluation of a New Type Continuous Mixing Plant for Dam Construction, Tsinghua University: China Institute of Water Resources & Hydropower Research