مرجع تخصصی آب و فاضلاب

سد خاکی: آشنایی، طراحی و محاسبات

سدهای خاکی از قدیمیترین و پرکاربردترین انواع سدها هستند که با استفاده از مصالح طبیعی مانند خاک، شن و سنگ ساخته میشوند. این سدها به دلیل هزینه کمتر، انعطافپذیری در طراحی و سازگاری با شرایط زمینشناسی متنوع، در پروژههای ذخیره آب، کنترل سیلاب و تولید برق آبی استفاده میشوند. در زیر به بررسی اجمالی اصول طراحی و محاسبات سدهای خاکی پرداخته میشود:

۱. انواع سدهای خاکی

۱. سد همگن (Homogeneous Dam):

• تمام بدنه از یک نوع مصالح نفوذناپذیر (مانند رس) ساخته میشود.

• مناسب برای ارتفاعهای کم (تا ۱۵ متر).

۲. سد زونبندی شده (Zoned Dam):

• شامل لایههای مختلف با کاربردهای متفاوت:

  • هسته نفوذناپذیر (Core): از جنس رس برای جلوگیری از نشت آب.

  • پوسته (Shell): مصالح نفوذپذیر (شن و سنگ) برای پایداری سازه.

  • فیلتر و زهکش: جلوگیری از انتقال ذرات ریز و کنترل فشار آب حفرهای.

۳. سد دیافراگمی (Diaphragm Dam):

• استفاده از دیواره نفوذناپذیر (بتنی یا ژئوممبران) در مرکز سد.

۲. مراحل طراحی سد خاکی

الف) مطالعات اولیه

• بررسی زمینشناسی: تعیین مقاومت خاک بستر، شناسایی گسلها و نفوذپذیری لایه ها.

• تحلیل هیدرولوژی: تعیین حداکثر سیلاب محتمل (PMF) و حجم مخزن.

• انتخاب مصالح: بررسی منابع محلی خاک، شن و سنگ.

ب) طراحی هندسی

• ارتفاع سد: بر اساس حجم مخزن و شرایط توپوگرافی.

• شیب شیروانیها:

  • شیب بالا دست (مخزن): معمولاً ۱:۲.۵ تا ۱:۴ (عمودی:افقی).

  • شیب پایین دست: ۱:۲ تا ۱:۳.

• عرض تاج (Crest Width): حداقل ۵ متر برای سدهای کوچک و تا ۱۵ متر برای سدهای بزرگ.

ج) سیستمهای کنترل نشت

• هسته رس: ضخامت هسته معمولاً ۱۰–۳۰٪ ارتفاع سد.

• زهکشهای سنگریزهای: کاهش فشار آب حفرهای در پایین دست.

• پوشش بتنی یا ژئوتکستایل: در صورت نیاز به آببندی بیشتر.

۳. محاسبات کلیدی

الف) پایداری شیروانیها (Slope Stability)

• روش دایره لغزش (Slice Methods):

  • روش بیشاپ سادهشده (Bishop’s Method):

    FS=∑Wsinθ∑[c′⋅Δl+(Wcosθ−u⋅Δl)tanϕ′]​

    • \FS: ضریب اطمینان (حداقل ۱.۵).

    • c′′: چسبندگی مؤثر خاک.

    • ϕ′′: زاویه اصطکاک مؤثر.

    • W: وزن برش خاک.

    • u: فشار آب حفرهای.

ب) تحلیل نشت (Seepage Analysis)

• قانون دارسی:

  Q=k⋅i⋅A

  • Q: دبی نشت.

  • k: ضریب نفوذپذیری خاک.

  • i: گرادیان هیدرولیکی.

  • A: سطح مقطع جریان.

• نرمافزارهای شبیهسازی: مانند SEEP/W یا GeoStudio.

ج) محاسبه نشست (Settlement)

• فرمول تراکم یکبعدی:

  ΔH=H0​⋅Cc​⋅log(σ0′​σ0′​+Δσ​)

  • Cc​: شاخص تراکمپذیری.

  • σ0′​: تنش مؤثر اولیه.

  • Δσ: افزایش تنش ناشی از ساخت سد.

۴. ملاحظات اجرایی

• تراکم خاک: استفاده از غلتکهای ویبره برای رسیدن به چگالی مطلوب (حداقل ۹۵٪ تراکم استاندارد Proctor).

• کنترل کیفیت: آزمایشهای برجا مانند نفوذ مخروط (CPT) و آزمایش نفوذپذیری.

• زهکشی ساختگاه: جلوگیری از جمعشدن آب در پی سد حین ساخت.

۵. چالشهای رایج

• گسیختگی ناشی از نشت (Piping): ایجاد کانالهای فرسایشی در پایین دست.

• لغزش شیروانیها: در صورت طراحی نادرست شیب یا فشار آب حفرهای بالا.

• ترکخوردگی هسته: ناشی از نشست نامتقارن یا انقباض خاک رس.

۶. استانداردها و آیین نامه ها

• استاندارد ایران: مباحث ۷ و ۸ مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای سدهای خاکی).

• استانداردهای بینالمللی:

  • USACE (سازمان مهندسی ارتش آمریکا).

  • BSI (موسسه استاندارد بریتانیا).

۷. مثال طراحی ساده

هدف: طراحی سد خاکی همگن به ارتفاع ۱۰ متر برای ذخیره آب کشاورزی.

• شیب شیروانیها: ۱:۳ (بالادست و پایین دست).

• عرض تاج: ۵ متر.

• مصالح: خاک رسی با c′=۲۰ kPac′=۲۰kPa، ϕ′=۲۵∘ϕ′=۲۵∘، k=۱×۱۰−۶ m/sk=۱×۱۰−۶m/s.

• تحلیل پایداری: با استفاده از روش بیشاپ، ضریب اطمینان FS=۱.۶FS=۱.۶.

• کنترل نشت: نصب زهکش سنگریزهای در پایین دست.

۸. جمع بندی

طراحی سد خاکی نیازمند تلفیق دانش زمینشناسی، هیدرولوژی و مکانیک خاک است. محاسبات پایداری، نشت و نشست از ارکان اصلی طراحی هستند. استفاده از نرمافزارهای تخصصی و رعایت استانداردهای روز دنیا، ایمنی و دوام سد را تضمین میکند. در مناطق زلزلهخیز، تحلیل دینامیکی سد نیز الزامی است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب