مقدمه
آسیب پذیری سد های خاکی در برابر زلزله از دیرباز مورد توجه بوده زیرا مکرار شاهد ناپایداری آنها در هنگام زلزله های قوی و مخرب بوده ایم . در آمریکا در اواخر دهه 1950توجه بیشتری به پایداری لرزه ای سدهای خاکی معطوف شد. نمونه ای از خرابی سدهاوشیروانی های خاکی در زلزله را می توان در موارد زیر یافت؛ انهدام مخزن بلودین هیلز[1][1] در لوس انجلس ،انهدام شیروانی سد شفیلد [2][2] در اثر زلزله نه چندان قوی سانتا باربارا[3][3] در سال 1922 و انهدام شیروانی بالا دست سان فرناندو [4][4] در 1971.
حالتهای شکست
انواع آسیبهای احتمالی یک سد خاکی بهنگام زلزله به شرح زیراست :
الف.شکست و ریزش سد به علت وجود گسل اصلی در زیر قاعده سد.
باید توجه داشت که معمولا گسلها از میان دره ها ی آبخیز عبور می کنند و اتفاقا مکان مناسب برای احداث سد نیز در همین دره ها است.البته همه گسلها فعال ومخرب نمی باشند.
ب.گسیختگی دامنه سد دراثر جنبش زمین (لغزش شیروانی ها یبالا دست و پایین دست )
پ.از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر نشست نا متعادل در منطقه
ت.از بی رفتن ارتفاع آزاد در اثر لغزش دامنه ها وعریض شدن سد
ث.لغزش سد روی لایه های ضعیف
ج.سر ریزشدن آب از روی سد در اثر ایجاد امواج سطح آب
چ.شکست سرریز یا لوله ها خروجی آب به علتهای مختلف ،و نیزانسداد لوله های خروجی و سر ریزو یا زهکشها.
همچنین تخریب سد خاکی می تواند بر اثر عوامل زیر باشد :
o سرریزشدن آب از روی سد در اثر زمین لغزه ای ناگهانی در مخزن .
o روانگرایی ماسه های اشباع با تراکم پایین ،و یا از بین رفتن مقاومت رسهای اشباع در اثر ارتعاش زلزله؛زیرا امواج فشار ناشی از زلزله در وهله اول به آب منفذی وارد می شودو ناگهان از تنش موثر خاک کاسته وموجب کم شدن مقاومت برشی میگردد.
ویژگی های دینامیکی سدهای خاکی
جنس خاک پی سد نقش مهمی بر پایداری آن دارد.انهدام سد،روی سنگهای سخت ومحکم کمتر از سنگهای نرم است و بدترین حالت آن است که سد بر روی زمینهای رسی تحکیم نشده احداث شود (مانند سدهایی که روی آبرفتهای ضخیم رودخانه ای بنا شده اند).دامنه امواج ارتجاعی زلزله به هنگام عبور از لایه های سست ،زیاد شده و از سرعت امواج کاسته می شود.
در زلزله های شدید ،دامنه نوسانات به 30تا60سانتیمتر ،و طول امواج به 15تا30مترمی رسد.نشست خاکهای ریزدانه بیش از خاکهای دانه ای(شنی)است.
ماسه با تراکم کم و سست در زیر آبهای زیرزمینی در اثر افزلیش فشار منفذی روان می شوند.با کاهش سرعت امواج ،دامنه نوسانات زیاد می شود .سرعت متوسط امواج در مصالح مختلف تفاوت دارد .در جدول الف سرعت امواج زلزله برای برخی مصالح خاکی درج شده است.
| مصالح |
سرعت(متر بر ثانیه) |
| ماسه سست |
450-600 |
| شن سست |
600-750 |
| رسوبات دریایی |
1000-1150 |
| شن متراکم |
1050-1500 |
| شن سیمان دار (بهم چسبیده) |
1500-1950 |
| ماسه سنگ |
2400-2850 |
استهلاک
می دانیم که استهلاک موجب کاهش نیروهای زلزله می شود زیراانرژی حاصل از زلزله را جذب نموده و مستهلک می سازد .خاصیت استهلاک ناشی از عوامل مختلفی است مانند:رفتار پسماند ،استهلاک مکانیکی ناشی از لغزش در سطح ،لزجت داخلی ذرات ،و مقاومت (لزجت)خارجی آب یا هوا .
درخاکهای دانه ای [1][5] استهلاک ناشی از اصطکاک از عوامل دیگر مهمتر است .
.ضریب استهلاک سدهای خاکی بر حسب نوع مصالح مصرفی متفاوت است و می تواند بین 10%تا20%تغییر کند.فرکانس طبیعی اکثر خاکها بین20تا30هرتز است و با افزایش مقاومت خاک زیاد می شود.
محاسبه نیروهای وارد بر سد به روش استاتیکی
در روش استاتیکی ،نیروی زلزله به صورت یک نیروی افقی ثابت در برابردرصدی از وزن سد به آن وارد شده و آنگاه ضریب اطمینان سطوح احتمالی لغزش به روشهای مختلف (فلینیوس،بیشاپ،روش گوه)محاسبه می گردد.کمترین ضریب اطمینان با سطح لغزش بحرانی متناظر خواهد بود.در روش فلینیوس سطح لغزش به صورت بخشی از یک دایره در نظر گرفته شده و قطاع ناقصی از یک شیروانی خاکی بر روی سطح مزبور ،و حول مرکزاختیاری این دایره می لغزد ،شیروانی به لایه هایی قائم و موازی تقسیم شده و نیروی زلزله لایه nام به صورت دونیروی افقی بیان می شود . یکی مربوط به قسمت خشک و دیگری مربوط به قسمت مرطوب است.
ضریب زلزله
در آمریکا معمولا ضریب زلزله سذهای خاکی را بین 05/0تا15/0 در نظر گرفته و نیروی زلزله را به صورت استاتیکی به سد اعمال می کنند.آیین نامه ژاپنی کمیته ملی ژاپنی ساخت سدهای بزرگ در سال 1957ضریب زلزله را بین 12/0تا25/0تعیین نموده است .
البته باید دانست که نیروی زلزله واقعی می تواند بسیار بزرگتر از مقادیر اختیار شده در روش استاتیکی باشد .علاوه بر این به علت حرکتهای ارتعاشی سد،توزیع شتاب در ارتفاع سد بر خلاف فرضیات بخش قبلی به صورت یکنواخت نبوده و هر قدر به سمت تاج سد نزدیک شویم شتاب افزایش می یابد. محاسبات نشان می دهد که مقادیر شتاب تاج سد می تواند چند برابر شتاب پایه باشد . از این رو در کنار روشهایی که مقادیر ضریب زلزله را به طور ساده مساوی با یک مقدار ثابت فرض می کنند روش های پیچیده تری نیز مورد استفاده قرار می گیرد .که تبعا دقیق تر می باشد
تحلیل دینامیکی سدهای خاکی
برای درک رفتار واقعی سدخاکی زیر اثر ارتعاشات زلزله باید مدل دینامیکی مناسبی را برای سد انتخاب نموده و پاسخ لحظه ای آن را مورد مطالعه قرارداد. تاکنون روشهای مختلفی برای تحلیل دینامیکی سدهای خاکی توسط محققان مورد استفاده قرار گرفته است که اهم آن در زیر آمده است .
1. روشهای مبتنی بر حل معادلات حرکت سد
2. روش مجزا سازی سد به لایه های موازی ،و تحلیل دینامیکی آن به روشهای عددی
3. روش اجزاءمحدود
که در ایجا به عنوان نمونه روش مجزاسازی به طور مختصر توضیح داده می شود:
روش مجزا سازی
در این روش سد به لایه های موازی تقسیم شده و خواص هر لایه (جرم و سختی)به صورت متمرکز و مجزا مدل می گردد،و نهایتا سازه به صورت مجموعه ای از جرم ها متمرکز در می آید که با فنر به هم متصل شده اند .گاهی هر لایه افقی را نیز به چند بخش مجزا تقسیم کرده و آنها را بافنر به هم وصل می نمایند .چنین مدلی می تواند بیانگر تغییرات خواص سد در مقاطع مختلف باشد. از مزایای این روش توانایی آن در بیان رفتار غیر خطی سازه است .برای بدست آوردن معادلات حرکت ،ابتدا سد را صورت لایه لایه در می آوریم .
و سپس می توان سختی هر لایه را به صورت مجزا محاسبه و سختی کل را از روش فنرها محاسبه کرد.
بررسی اثر برخی از زلزله های وقوع یافته بر سد های خاکی اطراف آن ها
زلزله کانتی کالیفرنیا (kern country)
1ین زلزله که در 1952 اتفاق افتاد به بزرگی 6/7ریشتر بوده و تعداد 7سد را تا فاصله 150کیلومتری تحت تاثیر قرار داده است که ارتفاع این سدها از 6متر تا 27 متر بوده است .شتاب ماکزیمم تخمینی از g0.6برای سد در فاصله 6کیلومتری تا g0.04 برای سد در
فاصله 150کیلومتری تعیین شده است .در یک بررسی اجمالی نتیجه گیری شد که در سدهای کوبیده شده ومتشکل از مواد رسی هیچگونه خسارتی مشاهده نشده است ،در حالیکه در سدهای با ساخت هیدرولیکی ومتشکل از مود ماسه ای حتی در فاصله 150کیلومتری صدمات حاصل از زلزله به صورت ترکهای طولی و عرضی ظاهر شده اند .
زلزله فالن(fallon)در نوادا
این زلزله به بزرگی 7/6در 1954اتفاق افتاد و شتاب ماکزیمم زلزله در نزدیکی g4/0 گزارش شده است .از سه سد موجود در حوزه تاثیر این زلزله ،دو سد تخریب شده ند که یکی از آنها که در فاصله 2کیلومتری از فالون قرار دارد در اثر فاصله گرفتن خاک از بتن و عبور آب از انفصال آنها تخریب شده است .
زلزله توکاچی(Tokachi-oki)در ژاپن
این زلزله با بزرگی 8/7با شتاب ماکزیمم g0.2 در 1968اتفاق افتاد 93خاکریزبا ارتفاع از 6/4 تا 18متر (85 تا از آنها کوتاهتر از 10متر است)در ین منطقه تحت تاثیر لرزش زلزله قرار گرفته است .از بررسی آماری این سدها دیده می شود که در سدهای دارای مغزه آب بند کامل،گسیختگی پایین دست ثبت نشده است و اکثر خرابیها به علت روانگرایی خاک بوده است .ضمنا شیب دامنه ها تاثیری در پایداری نداشته است .