آنالیز دینامیکی سد خاکی با Plaxis و تحلیل خروجی‌های برنامه

کشور ایران به عنوان یکی از مناطق زلزله‌خیز جهان همواره در طی سالیان گذشته در معرض زلزله‌های ویران کننده‌ای 

  قرار داشته است. شرایط طبیعی و زمین‌شناسی ایران از دیدگاه وقوع زلزله به طور جدی در دستور کار مهندسین و برنامه‌ریزان قرار گرفته است. با توجه به اینکه سدهای بسیاری در مناطق زلزله‌خیز احداث شده و یا در دست ساخت قرار دارند، طراحی ایمن آن‌ها در برابر زلزله از اهمیت و جایگاه ویژه‌ای برخورداراست. بررسی دقیق پایداری لرزه‌ای سدهای خاکی از مسائل پیچیده در حوزه سازه های خاکی است. تنوع خواص دینامیکی بدنه سد و گوناگونی جنس و ضخامت شالوده که می‌توانند در انتقال، تضعیف و تقویت امواج زلزله نقش اساسی داشته باشند، وجود یا عدم وجود گسل فعال در محدوده محور سد، ویژگی‌های زلزله مانند فاصله مرکز زلزله تا سد، شدت و طول زمان وقوع زلزله، نوع و امتداد امواج رسیده به سد و محتوا فرکانسی امواج، همه از عواملی هستند که در پاسخ دینامیکی سد نقش به سزایی دارند.

به طور کلی سدهای خاکی، سازه‌هایی سه بعدی، عظیم، ناهمگن، غیرایزوتروپ و غیر ارتجاعی هستند که در اندر کنش با شالوده و آب مخزن می‌باشند. نمونه‌های عددی که بتوانند تمام عوامل فوق را در نظر بگیرند از پیچیدگی زیادی برخوردار خواهند بود. بسته به اینکه کدام یک از شرایط فوق به طور مشخص حاکم بر مسئله باشد نمونه می‌تواند آن پارامتر را ملحوظ نموده و به منظور یافتن رفتار واقعی تر سد آن‌ها را در نظر بگیرد. در سال‌های اخیر پیشرفت‌های صورت گرفته در هر دو زمینه نرم‌افزار و سخت‌افزار کامپیوتر بسیاری از این مشکلات را خصوصاً در زمینه نمونه کردن هندسه سه بعدی بدنه سدها و رفتار غیرخطی و غیر ارتجاعی خاک قابل حل نموده است. به همین نسبت پیشرفت‌های صورت گرفته در زمینه روش‌های آزمایشگاهی و صحرایی در ارزیابی خواص دینامیکی مصالح سد و نتایج حاصل از آزمایش‌های ارتعاش اجباری سدها و ثبت پاسخ سدها در برابر زلزله‌های واقعی در جهت تصحیح و اعتبار بخشیدن به روش‌های عددی و تحلیلی بسیار موثر بوده است.

با توجه به مشاهدات و تجربه‌های موجود می‌توان علل محتمل آسیب‌پذیری سدهای خاکی را در برابر زلزله به شرح زیر پیش‌بینی نمود

1.      شکست و فروریختن سد به علت وجود گسل اصلی در زیر بدنه سد

2.      گسیختگی شیب‌های شیروانی سد در اثر تکان زلزله

3.      از بین رفتن ارتفاع آزاد در اثر نشست و یا لغزش دامنه‌ها

4.      لغزش سد بر روی لایه‌های ضعیف در اثر بارگذاری زلزله

5.      سرریز شدن آب از روی سد در اثر ایجاد امواج در آب مخزن و یا تأثیر زمین لغزه در مخزن سد

6.      شکست سرریز یا لوله‌های خروجی آب

7.      روانگرایی ماسه‌های اشباع با دانسیته کم و یا از بین رفتن مقاومت رس‌های اشباع در اثر زلزله ( در رس‌های حساس )

8.      ترک‌های طولی که در نزدیکی تاج، در اثر کرنش‌های کششی بزرگ ناشی از ارتعاش جانبی به وجود می‌آیند

9.      ترک‌های عرضی که در اثر کرنش‌های کششی ناشی از ارتعاش طولی و یا پاسخ جانبی متفاوت و در نزدیکی تکیه‌گاه‌های جانبی با شیب تند و یا مرکز تاج ایجاد می‌شوند

با توجه به دامنه کاربرد سدهای خاکی در مقایسه با دیگر انواع سدها در کشور لرزه‌خیز ایران، تحلیل دینامیکی این‌گونه سدها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. روش‌های مختلفی تاکنون برای پیش‌بینی رفتار انواع مختلف سدهای خاکی توصیه و بکار رفته است. روش شبه استاتیکی که بر مبنای تحلیل‌های تعادل حدی قرار گرفته است، هر چند با کاربرد آسان و فرضیات ساده ایمنی سد را ارائه می‌دهد، اما در کنار این مزایا این روش قادر به در نظر گرفتن عامل افزایش فشار آب حفره‌ای در سد نمی‌باشد. از طرف دیگر روش شبه استاتیکی، بعضاً می‌تواند به نتایج بسیار بدبینانه نسبت به پایداری لرزه‌ای سازه منجر شود که خود به ارائه طرحی غیراقتصادی ختم می‌گردد. امروزه با پیشرفت روزافزون و فراگیر شدن کامپیوتر، استفاده از روش‌های عددی در تحلیل و طراحی سدهای خاکی در مقابل زلزله به مراتب از گذشته بیشتر شده است. انتخاب نمونه رفتاری مناسب مهم‌ترین فاکتور در آنالیز با روش‌های اجزای محدود یا تفاضل محدود سدهای خاکی، برای نمونه کردن رفتار تنش ـ کرنش خاکریز می‌باشد. به دلیل اینکه رفتار خاک الاستیک خطی نیست، استفاده از چنین مدل‌هایی می‌تواند به نتایج غیر ایمن و غیراقتصادی منجر شود. همچنین در حین ساخت سد و بعد از آن به ویژه در مرحله آبگیری، مسیرهای مختلفی از تنش همراه با دوران جهت تنش‌های اصلی در خاکریز رخ می‌دهند که در نتیجه نمونه‌های الاستیک غیرخطی نیز قادر به در نظر گرفتن وابستگی رفتار به مسیر تنش که در اثر رفتار غیر ارتجاعی خاک حادث می‌شود، نمی‌باشند. در همین راستا سعی می‌شود در این تحقیق پاسخ دینامیکی سدهای خاکی با استفاده از نمونه‌های الاستوپلاستیک تحلیل شود. نرم‌افزار اصلی مورد استفاده PLAXIS _V8.2 می‌باشد که در حال حاضر به صورت گسترده‌ای در مسائل مکانیک خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. سدهای خاکی و سنگریز از جمله سازه های ژئوتکنیکی هستند که گسیختگی در آن‌ها می‌تواند منجر به خسارات جبران ناپذیری گردد، از اینرو در طراحی آن‌ها لازم است تمام کنترل‌ها و حساسیت‌های لازم به عمل آید. یکی از این موارد، کنترل پایداری سد در طول زلزله و بعد از آن می‌باشد. بررسی دقیق پایداری سدهای خاکی در برابر زلزله از پیچیده‌ترین مسایل در حوزه سازهای خاکی است. علت این مسئله این است که مجموعه معلومات و روابط بین آن‌ها در تحلیل این مسئله بسیار متنوع و متفاوت است. با توجه به وسعت کاربرد این نوع سدها و همچنین لرزه‌خیزی کشور ایران، برآورد ایمنی لرزه‌ای این‌گونه سدها نقش ارزنده‌ای دارد.