نویسنده:
ذوالفقار اکبریان
پدیده شکست هیدرولیکی
در سال1970 خبری از پدیده شکست هیدرولیکی در پژوهشها و مباحثهای از این پدیده در بین کارشناسان نبود. در سال 1972در یک مطالعه جامع در مورد ترکخوردگی سد محقق فقط سه مقاله پیدا کرد که در آنها استنتاج شده بود که احتمالاً نشت متمرکز در سدهای خاکی توسط شکست هیدرولیکی اتفاق میافتد [1]. از سال 1975 تغییرات وسیعی با پذیرش این مطلب که شکست هیدرولیکی تحت شرایط معین سبب نشت از سدها میشود، رخ داده است. در چند سال گذشته مقالات زیادی در مورد جنبههای گوناگون این مسئله ارائه شده که مقالات مراجع [2, 3, 4] نمونههایی از آنها هستند .[1]
ارزیابی شکست هیدرولیکی در سدها دارای یک دشواری ذاتی و مهم است. طبق تعریف، ترکهای هیدرولیکی فقط زمانی که فشار آب عمل میکند باز هستند و آنها درون سد هستند، بنابراین وارسی بصری این عمل ممکن نیست. لزوماً باید توسط تئوری پیشبینی شود. قبل از معرفی روشهای ارزیابی پتانسیل وقوع شکست هیدرولیکی، فرآیندی که توسط آن شکست هیدرولیکی میتواند نشت در یک سد را ایجاد کند بهطور خلاصه بیان شده است [1].
مشاهده شده است که ترکهای باز از اثر نشست تفاضلی معمولاً روی سطح سدهای خاکی ظاهر میشوند. معمولاً این ترکها به داخل خاکریز تا عمق بیش از چند متر گسترش نمییابد، زیرا تنشهایفشاریداخلی در خاکریز که با عمق افزایش مییابد، مانع گسترش آنها میشود. علاوه براین نشست تفاضلی منجر به تولید کرنشها در خاکریز متراکم شده، تغییر در توزیع تنش داخلی یا به عبارتی دیگر انتقال تنش میشود. در این بین فشار داخلی در برخی موقعیتها افزایش و در برخی دیگر کاهش مییابد. تنش اصلی کمینه در نواحی زیادی داخل سد تا صفر کاهش مییابد که حتی ممکن است خاک تحت کشش قرار گیرد [1].
هنگامیکه تراز آب مخزن بالاتر از یکی از سطوح کمتنش ناحیه غیرقابل نفوذ سد قرار گیرد، آب میتواند از وجه بالادست بهصورت یک لایه نازک متمرکز در امتداد آن سطح داخل خاکریز شود. زمانی که فشار آب مخزن اندکی بیشتر از تنش خاکریز شود دیگر مقاومتی در برابر ورود آب در داخل خاکریز نیست. هم چنانکه مخزن به بالا آمدن ادامه میدهد در ترک از آب پرشده فشار افزایش مییابد، حالتهای تنش در خاکریز تغییر میکند، مصالح خاکریز غیرقابل نفوذ تغییرشکل پیدا میکند و ترک بازتر میشود. تجربه نشان میدهد، هنگامیکه تراز مخزن فقط یک یا دو متر بالاتر از تراز ورودی ترک باشد نشت متمرکز وارد ترکهای موجود در هسته غیرقابل نفوذ میشوند. این نشان میدهد که فشار اضافی قابلتوجهی برای شروع شکست هیدرولیکی نیاز نیست. مطالعه رفتار سد Wister نشان میدهد، هنگامیکه فشار برابر یک یا دو متر هد آب بوده آب توسط شکست هیدرولیکی باید داخل سد شده باشد [1].
زمانی که شرایط فیزیکی ملاحظه شوند، درک این عدم مقاومت در برابر نفوذ اولیه آب در وجه بالادست ناحیه غیرقابل نفوذ سد مشکل نیست. نواحی غیرقابل نفوذ سدهای خاکی دارای تعداد کثیری از ترکهایی هستند که حین ساخت بهواسطه خشک شدن، تغییرشکل در اثر چرخ ماشینآلات و لایههای ناقص متصل شده، شکل میگیرند. این ترکها توسط وزن لایههای بالایی خاکریز بسته نگهداشته میشوند منتها بااینوجود آنها به عنوان ترکهای بسته در بافت خاک متراکم شده باقی میمانند که احتمالاً آب مخزن میتواند هنگامیکه فشار آّب بیشتر از فشار خاک است وارد آن شود، فرآیند شکست هیدرولیکی را شروع کند. بعد از نفوذ اولیه آب برای چند سانتیمتر به داخل این ترکهای بستهی کوچک در وجه بالادست ناحیه غیرقابل نفوذ، فشار آب شروع به عمل کردن روی سطح با حداقل مقاومت نموده و منجر به باز کردن ترکهایی میشود که قبل از آبگیری مخزن بسته بودند. احتمالاً نفوذ اولیه آب برای چند سانتیمتر به داخل وجه بالادست ناحیه نفوذناپذیر توسط این ترکهای بستهی کوچک تسهیل مییابد اما شکستگی اصلی هیدرولیکی که داخل هسته سد توسعه مییابد عموماً یک ترک جدید است که بهتدریج با نفوذ آب باز میشود [1].
تجارب گذشته وقوع شکست هیدرولیکی در سدهای نسبتاً همگن که عرض ناحیه غیرقابل نفوذ آنها 5 تا 7 برابر تراز آب مخزن است را نشان میدهد. برای سدهای هسته مرکزی خاکی و سنگریزهای عرض هسته نفوذناپذیر عموماً کمتر از تراز آب مخزن است و شرایط برای انتقال تنش خیلی شدیدتر است. بنابراین اگر شکست هیدرولیکی در سدهای همگن با ناحیه نفوذناپذیر نسبتاً عریض رایج است، پس انتظار میرود که شکست هیدرولیکی در سدهای هسته مرکزی با هستههای نسبتاً نازکتر حتی متداولتر باشد. در حال حاضر شواهد فراوانی از سوابق رفتار سدها وجود دارند که این نتیجهگیری را پشتیبانی میکنند. شواهد سوابق رفتار سدها در دو دسته اصلی 1) سدهایی با فیلترهای ناکافی که نشت فرسایشی را از میان هسته در اولین آبگیری مخزن ایجاد کردهاند و 2) سدهای بدون نشت فرسایشی که در آن حفاریهای اکتشافی در هسته با ترکهای پرشده از آب مواجه شدهاند [1].
از اوایل 30 سال قبل، تعداد اندکی از مهندسان اندازهگیریهایی روی سدها انجام دادند که منجر به نگرانی جدی شد که [1]silo action در سدهای ناحیهبندی شده میتواند فشار کل عملکننده روی سطوح افقی در میان هسته را به مقادیر پایین خطرناک کاهش دهد یا حتی ترکهایی روی سطوح افقی ایجاد کند. یک نمونه جالب در انجمن مهندسین ارتش ایالاتمتحده سد John Martin بود. در جایی که سلولهای فشار کل نصب شده بود فشارهای اندازهگیری شده روی سطوح افقی در هسته در دوران ساخت در سال 1942 کمتر از 30% وزن ستون خاکریز بالایی بود [5].
شکل 3 مثالی را نشان میدهد که یک بازشدگی اولیه در وجه بالادست هسته به علت یک ترک یا نقص تشکیل شده است. فشار آب در ترک پرشده از آب افزایش مییابد، بهطور مثال به علت افزایش تراز مخزن. اگر فشار آب در ترک زیادتر از مجموع تنش اصلی کمینه و مقاومت کششی خاک در رأس ترک گردد، سپس ترک بازتر شده و به داخل هسته بیشتر توسعه مییابد. در اصل، فرآیند از بالادست تا پاییندست پیشرفت میکند [6].
مراجع
1. J. L. Sherard, “Hydraulic fracturing in embankment dams,” Journal of Geotechnical Engineering, vol. 112, pp. 905-927, 1986.
2. I. Panel, “Review cause of Teton Dam failure,” Denver Colo: US Bureau of Reclamation, 1976.
3. F. H. Kulhawy and T. M. Gurtowski, “Load transfer and hydraulic fracturing in zoned dams,” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 102, 1976.
4. H. Widjaja, J. M. Duncan, and H. B. Seed, “Scale and Time Effects in Hydraulic Fracturing,” CALIFORNIA UNIV BERKELEY DEPT OF CIVIL ENGINEERING1984.
5. A. Penman, “Materials and construction methods for embankment dams and cofferdams,” General Report, Question, vol. 52, pp. 1105-1228, 1982.
6. G. S. Steffen, S. M. Candelaria, D. Stapledon, G. Bell, and M. Foster, Geotechnical engineering of dams: CRC press, 2014.
[1] قوسزدگی
