سرریز

دانلود پایان نامه

استفاده از آیین نامه های مختلف معتبر که مورد استفاده می باشد ، مشخصات بخشهای مختلف سدهای خاکی را طراحی نمود. در این راستا آئین نامه های متعددی جهت استفاده در طراحی سدهای مختلف مورد نظر می باشد که مهمترین آن ها عبارتند از:
ICOLD
ANCOLD49
IRCOLD50
مشهورترین و معتبرترین آیین نامه های جهان،ICOLDمی باشد. در ایران نیز از سوی کمیته ملی سدهای بزرگ ایران، نشریاتی جهت برخی از ضوابط مربوط به طراحی سدها به چاپ رسیده است که می تواند در طراحی ها مد نظر قرار گیرد.
۳-۹- علل تخریب سدهای خاکی
با همه دقت و تدابیری که در ساخت و تأمین ایمنی سدهای خاکی شده است، تاکنون تعداد زیادی از آنها تخریب و موجب خسارات جانی و مالی بسیار شده است. عوامل موثر در این تخریب ها به ترتیب اهمیت بشرح ذیل هستند:

۳-۹-۱- سرریز آب از روی بدنه
برآورد کم دبی و حجم حداکثر سیلاب وارد شده به مخزن سد، عدم قدرت تخلیه سرریزهای سد، نشست بیش از حد مجاز بدنه یا پی و کافی نبودن عمق آزاد سد هر یک ممکن است سبب سرریز آب از روی بدنه شوند و از آنجا که بدنه سد خاکی از مصالحی تشکیل شده که در اثر جریان آب شسته شده و ایجاد آب بریدگیهای عمیق و وسیع در بدنه و تاج سد می کند، منجر به تخریب سد می شود. تعریف ترازهای آب دریاچه به شرح زیر می باشد:
– ارتفاع تراز نرمال آب دریاچه۵۱ : ترازی است که سد برای آن طراحی می شود و منطبق بر تراز کف سرریز می باشد.
– تراز ماکزیمم آب دریاچه۵۲ : ترازی است که سرریز با حداکثر ظرفیت خود مشغول به تخلیه آب دریاچه می گردد.
– تراز مینیمم آب دریاچه۵۳: ترازی است که در آن حجم آب دریاچه، حجم مرده و غیر فعال می شود.
– ارتفاع آزاد۵۴ : ارتفاع سطح آب از تاج سد است و جهت جلوگیری از تأثیر منفی امواج، طراحی و اجرا می گردد.
۳-۹-۲-نشت و فرسایش درونی
نشت آب در داخل بدنه و پی سد، در صورت افزایش شیب آبی نسبت به شیب بحرانی، موجب به حرکت درآمدن ذرات خاک و شسته شدن آنها می گردد. استمرار این عمل موجب می شود تا مجرایی در داخل خاک ایجاد شود و با ازدیاد سطح مقطع آن، سرعت حرکت آب نیز بیشتر شده و ذرات بیشتری شسته و به خارج حمل شوند که در نتیجه تونل حاصله به مرور بزرگتر شده و فرسایش داخلی دائماّ گسترش یافته و نهایتا سبب تخریب سد خواهد شد. از جمله دلایل بروز این نشت می تواند ضعف عملیات ساختمانی و عدم کنترل کوبیدگی خاک، عدم اتصال مناسب بین قسمتهای خاکی بدنه سد و قسمتهای بتنی ساخته شده مانند مجاری یا دریچه های خروج آب، عدم اتصال مناسب بین بدنه و پی سد و اختلاف نشست در قسمتهای مختلف سد باشد.
۳-۹-۳- فرسایش حاصل از عمل تخریبی امواج
امواج ایجاد شده در پشت سد و در سطح دریاچه به هنگام برخورد با شیب بالادست مقدار زیادی انرژی تخریبی دارد که در صورت عدم حفاظت بدنه، می‌تواند به تخریب سد منجر شود. حرکت غلتک مانند امواج، همواره سعی دارد تا در هر هجوم قسمتی از خاک بدنه سد را کنده و به هنگام برگشت با خود منتقل کند. بهترین راه جلوگیری از عمل تخریبی امواج، ایجاد یک لایه پوشش محافظ بر روی سطح شیبدار است.
۳-۹-۴- فرسایش ناشی از جریان سطحی روی شیب پایین دست
بارندگی‌های شدید و جریان متمرکز آب‌های سطحی حاصل از آن، ممکن است روی شیب پایین‌دست فرسایش و آب بریدگی‌های وسیع و عمیقی ایجاد کند که سرانجام به تخریب سد منجر شود. بهترین راه برای کنترل این عامل، تعبیه سکو، زهکش‌های افقی در سطوح مناسب و پوشش محافظ مناسب پوسته پایین دست است.
۳-۹-۵- لغزش شیب‌ها بر اثر فشار آب منفذی
هنگامی‌که یک سد خاکی از مصالح تراکم‌پذیر و غیرقابل نفوذ ساخته می‌شود، زهکش شدن آب منفذی موجود در خاک به سختی انجام می‌گیرد. در نتیجه در حین عملیات ساختمانی و پس از آن فشار آب منفذی زیادی در بدنه ایجاد می‌شود که می‌تواند از نظر پایداری شیب بدنه، بحرانی باشد.
۳-۹-۶- لغزش شیب بالادست در هنگام افت ناگهانی سطح آب
در سدهای خاکی معمولاً بحرانی‌ترین حالت برای شیب بالادست موقعی است که سطح آب مخزن در پشت سد به طور ناگهانی پایین برود، بدون اینکه آب داخل بدنه سد در پوسته بالادست فرصت کافی برای تخلیه داشته باشد و سطح آب در قسمت اشباع شده خاک بدنه برای مدتی در سطح اولیه باقی بماند. بر اثر تخلیه و افت کامل سطح آب، فشار هیدرواستاتیک موجود در سطح خارجی شیب بالادست که در زمان پر بودن مخزن وجود داشت، حذف می‌شود، در حالی که فشار هیدرواستاتیک متعادل کننده آن در قسمت داخل بدنه سد که بر سطح شیبدار بالادست اثر می‌کرد، کماکان وجود دارد و این فشار سبب لغزش شیب بالادست و در نهایت تخریب سد خواهد شد.
۳-۹-۷- لغزش شیب پایین دست در حالت مخزن پر
هنگامی که دریاچه سد پر باشد، معمولاّ قسمتی از شیب پایین دست سد همواره اشباع بوده و فشار آب منفذی وارد بر توده خاک در زیر خط اشباع موجب کاهش تنش مؤثر بین ذرات خاک می‌گردد و این امر مقاومت برشی خاک را کاهش می‌دهد. این امر ممکن است در نقطه‌ای دچار ریزش یا لغزش موضعی گردد. این لغزش کوچک موجب افزایش شیب در آن قسمت شده و ادامه نشت آب سبب اشباع شدن و در نهایت ریزش مجدد قسمتی دیگر می‌شود. این عمل آن قدر می‌تواند افزایش یابد که منجر به تخریب سد شود.
۳-۹-۷-۱- لغزش و تخریب ناشی از روانگرایی
چنانچه بخش یا بخش‌هایی از بدنه یا پی یک سد خاکی متشکل از مصالح ریزدانه غیرچسبنده و غیرمتراکم (ماسه ریز تا متوسط) باشد، در شرایط اشباع بودن این مصالح و اعمال نیروی دینا
میکی مانند زلزله، فشار آب منفذی به شدت افزایش می‌یابد و به علت عدم قدرت تخلیه سریع، موجب کاهش شدید مقاومت برشی و در نتیجه لغزش و تخریب سد می‌گردد.
۳-۹-۸- لغزش و تخریب ناشی از ضعف پی
چنانچه پی یک سد خاکی متشکل از لایه‌های ضعیف رسی یا سیلتی باشد، ممکن است بر اثر اعمال تنش‌های اضافی ناشی از ساخت، سد دچار لغزش شود. این لغزش عموماّ از درون پی صورت می‌گیرد و اشباع شدن مصالح پس از آبگیری سد به تشدید آن کمک می‌کند. در بعضی موارد این تخریب ممکن است به صورت لغزش کلی پی رخ ندهد بلکه به صورت پخش بدنه سد پدیدار شود.
۳-۹-۹- تخریب ناشی از زلزله
امروزه تجربه چندانی در مورد رفتار سدها در مقابل زلزله موجود نیست، معذلک براساس تجربیات گذشته می‌توان چنین جمع‌بندی کرد که بیشتر خسارت‌های حاصله در سدهای خاکی بر اثر زلزله به علل زیر است:

الف) ایجاد شکاف در هسته و نشت متمرکز و شدید آب از میان سد
ب) نشت تاج سد که بر اثر فشرده شدن پی یا بدنه سد حاصل شده و سبب سرریز آب از روی بدنه می‌شود.
ج) ایجاد تکان‌های شدید در کف مخزن که موجب تولید امواج مرتفع و سرانجام سرریز آب از روی بدنه می‌شود.
د) ایجاد پدیده روانگرایی در لایه‌های ماسه‌ای بدنه و پی سد.
۳-۹-۱۰- تخریب ناشی از حفاری حیوانات
حیوانات حفار مانند موش می‌توانند با ایجاد تونل‌هایی در بدنه سد، موجب تمرکز و تسریع نشت آب و نهایتاً تخریب سد گردند.
۳-۱۰- حل عددی معادلات حاکم بر جریان‌های غیردائمی
معادلات حاکم بر جریان‌های غیردائمی در کانال‌های باز، معامله پیوستگی و مومنتوم می‌باشد و به معادلات سنت ونانت معروف هستند. این معادلات به شکل معادلات دیفرانسیل جزئی غیرخطی و از نوع هذلولی می‌باشند که به طور تحلیلی قابل حل نیستند.
بنابراین برای حل این معادلات باید از روشهای عددی استفاده شود. در سال ۱۹۵۶ اولین روش عددی برای معادلات جریان ناپایدار توسط استوکر و همکارانش ابداع شد و روش صریح شبکه ثابت نام گرفت. الگوی عددی مک کورمک یکی از الگوهای صریح تفاضل محدود می باشد که توسط فنما و چادری و دامولر و همکاران جهت محاسبه جریان در کانال‌های باز مورد استفاده قرار گرفت. الگوی ضمنی پرایزمن از اوایل دهه ۱۹۶۰ به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. این روش دارای این مزیت است که در آن حل دقیقی از شکل خطی شده معادلات حاکم به دست می‌آید.
۳-۱۰-۱- بررسی کلی معادلات حاکم بر جریان
جریان‌های ناماندگار از معادلات سنت ونانت پیروی می‌کند، این معادلات به شکل معادله حرکت دینامیکی جریان‌های غیردائمی می‌باشند و به معادلات سنت ونانت معروف هستند که برای یک مقطع منشوری جریان جانبی به صورت زیر تعریف می‌شوند. جریان عبوری از درون شکاف تشکیل شده در بدنه سد، جریانی ناماندگار۵۵ می‌باشد در نتیجه برای حل آن می‌توان از معادلات پیوستگی و اندازه حرکت (مونتوم) استفاده گردد.
معادله اول – معادله پیوستگی۵۶ که بیان کننده قانون بقای جرم می باشد.

شکل (۳-۶) حجم کنترل برای معادلات پیوستگی

(۳-۱)
جریان ورودی = (Q -)+
(۳-۲)
جریان خروجی = (Q +)
(۳-۳)
تغییرات مخزن =
(۳-۴)

(۳-۵)

معادله دوم- معادله (مومنتوم)۵۷ می‌باشد. که بیان کننده تعادل نیروها بر اساس قانون دوم نیوتن می‌باشد.

شکل (۳-۷) حجم کنترل برای معادلات اندازه حرکت
حجم کنترل برای معادلات اندازه حرکت بر اساس قانون دوم نیوتن:
(۳-۶)
FH =
(۳-۷)
FH =
(۳-۸)
F =
(۳-۹)

(۳-۱۰)

(۳-۱۱)

در معادلات فوقV سرعت جریان، y عمق جریان، A سطح مقطع جریان، So شیب کف کانال، S f شیب خط گرادیان انرژی، x مسافت در طول کانال، t زمان و g شتاب جاذبه ثقل می‌باشد.
معادلات حاکم بر جریان را می توان در قالب ماتریس به شکل زیر نوشت:
(۳-۱۲)

(۳-۱۳)

(۳-۱۴)

(۳-۱۵)

(۳-۱۶)

۳-۱۰-۲- شرایط مرزی و شرایط اولیه در حالت ناماندگار
شرایط اولیه می‌تواند به صورت تعیین پارامترهای جریان نظیر عمق و سرعت در حالت جریان دائم برای تمامی نقاط بر روی محور x و در لحظه شروع محاسبات بیان شود. شرایط اولیه (شامل دبی و تراز آب) نیز باید در تمام نقاط سیستم در آغاز مدلسازی، تعیین شوند تا بتوان معادلات پیوستگی و اندازه حرکت را حل نمود. متداول‌ترین روش برای تعریف شرایط اولیه، وارد کردن داده‌های جریان برای هر بازه و سپس محاسبه ترازهای سطح آب توسط مدل با اجرای یک تحلیل جریان دائمی می‌باشد. بنابراین شرایط اولیه از تحلیل هیدرو لیکی جریان ماندگار حاصل گردیده است.
چنانچه رژیم جریان زیر بحرانی باشد یک شرط مرزی در بالاست و یک شرط مرزی در پایین دست مورد نیاز است و چنانچه رژیم جریان فوق بحرانی باشد دو شرط مرزی در بالادست مورد نیاز است و در پایین دست به شرط مرزی نیازی نیست. این شرایط مرزی میتوانند به صورت رابطه‌ای بین مشخصات جریان نظیر عمق و سرعت و یا بیان این متغیرها به صورت توابعی از زمان در مرزهای بالادست و پایین دست بازه موردنظر تعریف شوند. در طرح مسائل روندیابی سیل و شکست سد به طور معمول هیدروگراف سیل در بالادست بازه به عنوان شرایط مرزی بالادست در نظر شده است.
هیدروگراف سیل ورودی که توسط مهندسین مشاور مهاب قدس تهیه گردیده است،? به عنوان شرط مرزی بالادست به صورت هیدروگراف شکل (۳-۷) معرفی شده است.
در مرز پایین دست جریان از عمق نرمال حاصل از فرمول مانینگ به عنوان
شرط مرزی در پایین دست بازه در نظر گرفته شده است. برای انجام محاسبات حاضر شیب نرمال کـه مولد عمـق?نرمال است، به عنوان شرایط مرزی انتخاب شده که این شیب برای رودخانه مورد مطالعه، معـادل ۰۰۴/۰ در نظر گرفته شده است.
برای محاسبه شیب خط گرادیان انرژی از رابطه مانینگ به صورت زیر استفاده شده است.
(۳-۱۷)

که در آن n ضریب زبری مانینگ، V سرعت جریان برحسب متر بر ثانیه شعاع هیدرولیکی، A سطح مقطع جریان و P پیرامون مرطوب می‌باشد.

شکل(۳-۸) هیستوگرام دبی ورودی به مخزن سد
زمان اوج هیدروگراف سیل است که مقدار آن برابر ۷ ساعت می‌باشد و زمان پایه هیدروگراف ۲۴ساعت می باشد.

۳-۱۰-۳- الگوی ضمنی پرایزمن۵۸
این الگو یکی از الگوهای تفاضل محدود می‌باشد که برای حل معادلات سنت و نانت می‌توان از الگوی تفاضل محدود پس از گسسته نمودن آنها به صورت چهارنقطه‌ای۵۹ وزنی ضمنی استفاده کرد. مشتق‌های جزئی مکانی و یا ضرائب، در قالب مقادیر متغیرها در مرحله زمانی مجهول جایگزین می‌شوند. این الگو مشتق‌های جزئی و سایرضرائب به ترتیب به صورت زیرتقریب زده می‌شوند :
(۳-۳۹)

(۳-۴۰)

(۳-۴۱)

که لحاظ می‌گردد، در روش چهار نقطه‌ای ضمنی مرکزی نیز ? = ۰.۵ در نظر گرفته می‌شود که این ضریب در فرمول لحاظ گردیده است و f به توابعی از عمق و سرعت جریان اشاره دارد. در معادلات بالا مرحله زمانی معلوم را با بالانویس kو مرحله زمانی مجهول را با بالانویسk+1 نشان داده‌ایم. در این معادلات از زیرنویس i جهت موقیت مکانی بر روی محور xاستفاده شده است.
شبکه محاسباتی نقاط به همراه علائم ذکر شده در شکل(۳-۷) نشان داده شده اند.

شکل (۳-۹) شبکه محاسباتی نقاط در صفحه x-t

با جایگذاری تقریب‌های تفاضل محدود و ضرایب ذکر شده در شکل ماتریسی معادلات حاکم خواهیم داشت:
(۳-۴۲)

این مدل معادلات حاکم را با روش تفاضلات محدود چهار نقطه‌ای وزن‌دار غیرصریح، با اعمال شرایط اولیه و مرزی مناسب و شرایط مرزی داخلی نظیر شکست سدها، با یک روش تکراری مناسب مثل روش نیوتن- رافسون، با توجه به غیر خطی بودن این معادلات حل می‌کند، که اساس تحلیل مدل نرم افزار HEC RAC می‌باشد.
۳-۱۰-۴- نتایج محاسبات هیدرولیکی شبیه‌سازی شکست سد در حالت تحلیل ماندگار
بررسی پدیده شکست تدریجی سد در این تحقیق به صورت زیر می‌باشد. با مدل عددی صریح فرآیند شکست تدریجی سد یا گسترش شکاف، انجام می‌شود. برای شبیه‌سازی و مدلسازی توسعه زمانی شکاف به وجود آمده در سد ناشی از روگذری، از روش

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *