مقاله کامل اصول زمین شناسی در سد سازی

سد سازی از جمله طرح های مهندسی متمرکز به شمار می*آید كه در ارتباط مستقیم با زمین ساخته می*شوند. مطالعات زمین*شناسی مهندسی در تمامی مراحل اجرای یک طرح سد سازی مؤثر می*باشند. ناکامی و گسیختگی پیش از یک سوم از سدها در سطح جهان نتیجه ضعف مطالعات زمین*شناسی مهندسی محل اجرای آنها بوده است كه دلیل روشنی بر اهمیت دیدگاههای زمین*شناسی مهندسی در اجرای موفق طرحهای سد سازی می*باشد.
سدها سازه*های هیدرولیكی هستند كه عمود بر مسیر جریان آب احداث می*شوند. هدفهای متعددی با احداث یک سد برآورده می*شوند كه می*توان به موارد زیر اشاره كرد :
- تأمین آب آشامیدنی شهرها، آبیاری دشت های کشاورزی و تأمین آب واحدهای صنعتی.
- مهار سیلابهای فصلی و کاهش خطر تخریبی آنها.
- تولید برق با احداث نیروگاههای آبی در محدوده سدها
هرچند در پروژه*های سد سازی پایه تمام محاسبات بر تضمین موفقیت اجرای سد قرار دارد اما با وجود این مطلب تعدادی از سدها با مشکلاتی در زمان اجرا و بهره*برداری مواجه می*شوند. در ایران نیز عدم موفقیت برخی از سدها کاملاً مشهود است كه بارزترین آنها سد لار (واقع در شمال شرق تهران) می*باشد. هرچند ظرفیت مخزن سد تقریباً یک میلیارد متر مكعب می*باشد ولی از زمان بهره*برداری در سال 1359 تاکنون کمتر از 3/1 مخزن پر شده است و روزانه در حدود یک میلیون مترمكعب فرار آب وجود دارد. سدهای دیگر کشور از جمله سد لتیان، 15 خرداد، مارون، جیرفت و سفید رود نیز با مشکلاتی مواجه هستند كه مهمترین آنها فرار آب و یا پر شدن مخزن به وسیله رسوبات می*باشد.

عوامل مؤثر در انتخاب ساخت گاه سد
موفقیت یک سد در درجه اول به انتخاب صحیح ساخت گاه آن بستگی دارد. در انتخاب محل یک سد لازم است كه دو شاخص اصلی در نظر گرفته شود،
1- تأمین پایداری بدنه و مخزن
2- آب*بندی محدوده احداث سد.
عوامل متعددی در انتخاب ساخت گاه یک سد مؤثر می*باشند كه مهمترین آنها عبارتند از : شرایط توپوگرافی، ساختارهای زمین*شناسی و وضعیت حوضه آبریز. تأثیر هر کدام از این عوامل در انتخاب ساخت گاه سد به شرح زیر می*باشد.

شرایط توپوگرافی
ناهمواری *های سطح زمین و مورفولوژی آن معمولاً توسط نقشه*های توپوگرافی نشان داده می*شوند. بهترین موقعیت برای احداث سد معمولاً جایی انتخاب می*شود كه یک دره تنگ به وسیله یک دره باز در سمت بالادست دنبال شود. دره تنگ معرف استقامت بالای سنگ می*باشد كه در مقابل جریان آب رودخانه مقاومت بیشتری را نشان داده و دره باز محل مناسبی جهت مخزن می*باشد كه ظرفیت ذخیره*سازی آب را بالا می*برد.

تأثیر شرایط توپوگرافی در انتخاب ساخت گاه سد
ساختار زمین*شناسی
ساختار زمین*شناسی یک محل به وسیله عواملی همچون امتداد و شیب لایه*ها، ساختمان*های چین*خورده، گسلها و درزه*ها کنترل می*شود كه به شرح زیر مورد بررسی قرار می*گیرند:

امتداد لایه*ها
در محل هایی كه لایه*بندی سنگ مشخص باشد بهتر است محل احداث سد جایی انتخاب شود كه محور سد موازی با امتداد لایه*ها و یا دارای زاویه کمتری با امتداد لایه*ها باشد.

امتداد لایه*ها در انتخاب ساخت گاه سد
علت این انتخاب را می*توان در موارد زیر توجیه كرد:
الف) در صورتی كه محور سد دارای زاویه کمتری با امتداد لایه*ها باشد امکان دور ماندن از نقاط ضعف بیشتر است.
لازم به ذکر است كه نقاط ضعف مورد بحث را می*توان به شرح زیر بیان داشت.:
- لایه*های سنگی سست و ضعیف مانند سنگهای شیلی و مارنی
- لایه*های سنگی دربر گیرنده حفرات و دیگر پدیده*های كارستی حاصل از انحلال توده سنگ
- لایه*های سنگی کاملاً خرد شده و یا کاملاً هوا زده شده.
- گسلها و مناطق گسله كه عموماً با خردشدگی و شکستگی *های زیاد همراه می*باشد.
ب) در صورتی كه محور سد موازی با امتداد لایه*ها باشد سنگهایی با شرایط و خصوصیات یکسان در محدوده تكیه*گاهها و پی سد قرار می*گیرند. بنابراین سنگها رفتار مشابهی در طول محل بار گذاری خواهند داشت و پایداری سد بیشتر خواهد بود. در چنین شرایطی طراحی سد نیز ساده*تر خواهد بود.
ج) در صورتی كه محور سد موازی با امتداد لایه*ها باشد امکان فرار آب کمتر است. دلیل آن به این صورت است كه لایه*ها در جهت عمود بر مسیر جریان آب قرار داشته و نفوذ پذیری در آن جهت کاهش می*یابد.

شیب لایه*ها
به طور كلی بهتر است محل احداث سد جایی انتخاب شود كه جهت شیب لایه*ها به سمت بالا دست باشد یا به عبارت دیگر جهت شیب لایه*ها در جهت عکس جریان آب باشد. شکل (الف) ساخت گاه سدی را نشان می*دهد كه جهت شیب لایه*ها در آن به سمت پائین دست است در حالی كه جهت شیب لایه*ها در شکل ( ب) به سمت بالا دست است.

تأثیر جهت شیب لایه*ها در انتخاب ساخت گاه سد
برای توصیه این انتخاب می*توان به موارد زیر اشاره كرد:
الف- از آنجا كه معمولاً تراوش آب در جهت سطوح لایه*بندی صورت می*گیرد بنابراین در صورتی كه جهت شیب سطوح لایه*بندی به سمت بالا دست باشد امکان فرار آب کمتر است و محل احداث سد از شرایط آب*بندی بهتری برخوردار می*باشد.
ب- پایداری پی و تكیه*گاههای سد ببیشتر است زیرا كه قسمت اعظم بارهای وارده بر سطوح لایه*بندی به سمت بالادست منتقل می*شود.
در صورتی كه شیب لایه*ها به سمت پائین دست باشد امکان فرار آب بیشتر و ناپایداری سطوح لایه*بندی بیشتر خواهد بود و در نهایت پایداری بدنه سد نیز در معرض خطر قرار می*گیرد.

چین خوردگی
نقش ساختمان*های چین*خورده در انتخاب محل احداث یک سد را می*توان با توجه به موارد زیر بیان داشت.
الف- بهتر است محل احداث سد جایی انتخاب شود كه محور سد موازی با محور چین باشد و ساختمان چین*خورده از نوع طاقدیس باشد.
تأثیر چین خوردگی در ساخت گاه سد
ب- در صورتی كه محور سد عمود بر محور طاقدیس و یا ناودیس باشد لازم است كه جهت شیب لایه*ها در محل احداث سد در نظر گرفته شود. در هر دو حالت جهت شیب لایه*ها به سمت بالادست است. اگر سنگ*های تشکیل دهنده اینگونه ساختمانهای چین*خورده از شرایط خوبی با توجه به استقامت و آب*بندی برخوردار باشند می*توانند ساخت گاه مناسبی برای احداث یک سد در نظر گرفته شوند.

محور سد عمود بر محور چین خوردگی
وضعیت حوضه آبریز:
محل احداث سدها معمولاً در قسمت انتهایی یک حوضه آبریز انتخاب می*شوند بدین ترتیب حجم بیشتری از آب ذخیره و یا کنترل می*شود.. در جایی كه رودخانه*ها جریان فصلی دارند و سدهای ساخته شده اغلب از نوع مخزنی، تنظیمی و یا حفاظتی می*باشند. به عنوان مثال می*توان به سدهای كرج، جیرفت، ساوه، علویان و درود زن اشاره نمود.
در جایی كه رودخانه*ها جریان دائمی داشته باشند احداث سد در قسمتهای مختلف مسیر رودخانه وجود دارد و سدهای احداث شده اغلب از نوع سدهای نیروگاهی و یا مخزنی هستند به عنوان مثال می*توان از سدهای كارون 1، كارون 3، كارون 4، سد کرخه، سد استور و سد منجیل نام برد.

عوامل مؤثر در انتخاب نوع سد
سدها با توجه به نوع مصالح مورد استفاده و شکل ساختمان آنها به انواع مختلفی تقسیم می*شوند. انتخاب نوع سد معمولاً طوری صورت می*گیرد كه بیشترین سازگاری را با محیط اطراف خود به وجود می*آورد و در این شرایط است كه موفقیت سد تضمین می*گردد.
دره*ها معمولاً در اثر عملکرد پدیده*های مختلف زمین*شناسی شکل می*گیرند. شکل یک دره می*تواند در انتخاب نوع سد نقش عمده*ای داشته باشد در طرحهای مهندسی سد دره*ها با در نظر گرفتن دو شاخص زیر معرفی می*شوند:
الف- پهنای دره در محل تاج سد (B)
ب- عمق دره در محل احداث سد (H)
یکی از روش*های ساده برای طبقه*بندی دره*ها با توجه به شکل، طبقه*بندی آنها با توجه به روش توماس B/H می*باشد. دره*ها از نظر شکل به سه مجموعه زیر تقسیم می*شوند:
1- دره عمیق Gorge Valley دره*ای است كه در آن B/H کمتر از 3 می*باشد.
2- دره تنگ Narrow Valley دره*ای است كه در آن B/H بین 3 تا 6 می*باشد.
3- دره باز Wide Valley دره*ای است كه در آن B/H بیش از 6 می*باشد.

استقامت زمین
یکی از عوامل مؤثر در استقامت زمین محل اجرای پروژه، خواص مهندسی سنگ*ها و خاکهای منطقه احداث سد است. ظرفیت باربری یکی از شاخصهایی است كه به این عوامل بستگی دارد و می*توان به وسیله آن استقامت زمین را مورد سنجش قرار داد. جدول زیر الگویی مناسب برای احداث یک سد با در نظر گرفتن ظرفیت باربری مجاز زمین می*باشد:
با بررسی جدول فوق به تفاوت ظرفیت باربری در مورد انواع سدها آشنا می*شویم. سدهای خاکی با داشتن سطح قاعده وسیعتر سبب پراکنده شدن بار سد در گستره وسیع*تری می*شوند و در نتیجه واحد سطح کمتری خواهیم داشت.
و در مقابل سدهای بتونی قوس مضاعف به صورت بالعکس عمل می*كنند. بنابراین خواص باربری زمین در انتخاب نوع سد با توجه به شکل ساختمانی آن و کوه انتقال نیرو نقش عمده*ای پیدا می*كنند.
علاوه بر موارد مذکور شاخصهای دیگر مهندسی سنگها و خاکها از قبیل مقاومت*های ترا کمی، برشی و کششی، مدول الاستیسیته، ضریب پواسیون و همچنین عوامل مختلفی نظیر میزان هوا زدگی، درصد اشباع شد گی و موارد دیگری كه در جداول زیر طبقه*بندی شده*اند می*توانند نقش اساسی در روند اجرای پروژه ایفا کنند.
در پایان می*توان به موارد دیگری نیز اشاره کرد كه نقش مهمی در تصمیم*گیری*های اولیه مبنی بر آغاز پروژه ایفا می*كنند از این قبیل موارد می*توان به انتخاب نوع سد و موقعیت جغرافیایی آن و نکات دیگری اشاره کرد كه از نقطه نظر فراوانی، مصالح مورد بررسی*های اولیه قرار می*گیرند كه چه بسا همین بررسی*ها نیز پروژه*ای را صرفاً به علت مناسب نبودن بازدهی به طور کامل متوقف کند.
برای تفهیم بهتر این موضوع در جدول زیر به یکی از شاخه*های عوامل یاد شده اشاره شده است. به این صورت كه به مقایسه حجم مصالح مصرفی سدهای بتونی قوسی و سدهای خاکی پرداخته شده است.

با ذکر عوامل یاد شده مشاهده می*شود كه حتی اگر جزئی*ترین موارد در هر کدام از این زیرشاخه*ها با بی*تفاوتی و یا کمرنگ جلوه دادن آن مواجه شود چه بسا خسارات فراوانی را در پروژه*های گوناگون باید متحمل شویم. با طبقه*بندی این عوامل می*توان آنها را به صورت كلی به چند بخش تقسیم کرد تا یک نمای كلی از عوامل مؤثر در مطالعات زمین*شناسی ساخت. سد در ذهن ایجاد شود.
- محوریت بررسی*های زمین*شناسی در آغاز پروژه
- نقش زمین*شناسی مهندسی در انتخاب ساخت گاه و نوع سد
- مطالعات مناسب در طراحی پرده آب*بند و انتخاب روش صحیح جهت مهار تراوش آب در محدوده سد
- ارزیابی پایداری دامنه*ها در محدوده سد و مخزن سد با استفاده از ویژگی*های زمین*شناسی
همچنین در پایان پیشنهاد می*شود كه با توجه به تجارب به دست آمده در پرداخت هزینه*های هنگفت و روشن*شدن اهمیت مطالعات زمین*شناسی قبل از اجرای پروژه*ها به این مسئله بهای بیشتری داده شود. تا حداقل، شرایط اولیه برای اجرای یک پروژه كه همانا ایجاد امنیت اقتصادی در اجرای آن می*باشد به صورت نسبی تأمین شود.