تأثیر ابعاد زهکش های افقی در کنترل نشت از بدنه سد خاکی همگن با کاربرد مدل فیزیکی و روش عددی بدون شبکه (meshfree)
چکیده
سد خاکی همگن سازه ای است که با هدف استفاده بهینه از مصالح محلی برای کنترل و ذخیره رواناب سطحی احداث می شود. یکی از مهمترین عوامل تخریب این سازه، نشت از داخل بدنه و زیر پی می باشد. در این تحقیق، برای تعیین ابعاد مناسب زهکش افقی جهت کنترل نشت در شرایط ماندگار و غیرماندگار، آزمایش هایی بر روی مدل فیزیکی سد خاکی همگن انجام شد و نتایج با روابط تحلیلی موجود مقایسه گردید. سپس تحلیل عددی نشت با روش عددی بدون شبکه با استفاده از توابع شعاعی rbf انجام شد تا تأثیر تغییر طول و ضخامت زهکش بر کنترل نشت مورد بررسی و مقایسه با نتایج مدل فیزیکی قرار گیرد. نتایج این تحقیق نشان داد که در آزمایش های نشت ماندگار به ازای حداقل طول زهکش بدست آمده از رابطه چاهر(2004) و حداقل ضخامت، عملکرد زهکش قابل قبول نمی باشد. با افزایش ضخامت کارایی زهکش بهبود یافت اما مقدار پارامتر بدون بعد پوشش شیب پائین دست (d*) کمتر از مقدار قابل قبول بدست آمد. به ازای بقیه طول ها و ضخامت ها زهکش-ها در کاهش تراز سطح فریاتیک نشت عملکرد مناسب نشان دادند. محدوده تغییرات d* برای عمق آب 30 سانتی متر در مخزن سد 6/0- 1/0 بدست آمد در صورتی که به ازای گرادیان هیدرولیکی اول (عمق آب 35 سانتی متر در مخزن) محدوده تغییرات این پارامتر 4/0- 05/0 بدست آمد. در مجموع با بررسی سه گرادیان هیدرولیکی ناشی از عمق آب 35، 30 و 25 سانتی متر در مخزن مشخص گردید که طول حداکثر زهکش به ازای همه ضخامت ها و گرادیان های هیدرولیکی مختلف قابلیت کنترل نشت و ظرفیت تخلیه جریان نشتی را داشته است و پوشش شیب پائین دست ایجاد شده بیش از مقدار حاصل از رابطه چاهر (2004) می باشد. با اعمال گرادیان های هیدرولیکی چهارم و پنجم برای طول حداقل زهکش پوشش شیب پائین دست با افزایش ضخامت بترتیب برابر با 5/5، 2/6 و 2/6 سانتی متر برای گرادیان هیدرولیکی چهارم به ازای هر سه ضخامت زهکش برای گرادیان هیدرولیکی پنجم برابر با 4/6 سانتی متر بدست آمد. میزان پوشش شیب پائین دست در نزدیکی زهکش به طول متوسط با افزایش ضخامت بترتیب 6/11، 12 و 8/12 سانتی متر بدست آمد. این مقدار به ازای گرادیان هیدرولیکی پنجم به ازای ضخامت های زهکش مختلف بترتیب 9/13، 9/13 و 5/14 سانتی متر بدست آمد. به ازای طول حداکثر زهکش، حداکثر پوشش شیب پائین دست در این تحقیق برای گرادیان های هیدرولیکی چهارم و پنجم و برابر با 8/20 سانتی متر بدست آمد. در شرایط نشت غیرماندگار ناشی از تخلیه سریع با بررسی دو قطعه لغزشی ab و cd برای قطعه ab تغییرات ضریب اطمینان در محدوده 6/2-5/1 واقع شد که این محدوده برای قطعه cd، 2/2-3/1 بدست آمد. نتایج نشان داد که اگر 3/0l/h زهکش های با نسبت طول موثر متوسط (71/0l/h=) به ازای ضخامت متوسط به خوبی پایداری در مقابل لغزش را تأمین نمودند. زهکش های با نسبت طول موثر حداکثر (1/1l/h=) به ازای همه ضخامت ها و نسبت های افت سطح آب پایداری در مقابل لغزش سطحی و عمیق را میسر نمودند. همچنین به ازای حداقل ضخامت زهکش تغییرات زمانی ضرایب اطمینان در مقابل لغزش سطحی و عمیق بترتیب در محدوده 8/2-8/1 و 5/2-88/1 بدست آمد. برای حداکثر ضخامت موثر زهکش تغییرات زمانی ضرایب اطمینان در مقابل لغزش سطحی و عمیق بترتیب 3-2 و 3-2/2 حاصل شد. بنابراین نتایج نشان داد که به ازای حداکثر ضخامت موثر، ضریب اطمینان نهایی در مقابل لغزش سطحی و عمیق تقریباً با یکدیگر برابر می باشند. در انتها در تحلیل نشت با استفاده از روش عددی بدون شبکه با استفاده از توابع پایه شعاعی(rbf) سه تابع rbf بی نهایت هموار (گوسیان، کوادریک معکوس و مولتی کوادریک) مورد استفاده قرار گرفت و به ازای مقادیر مختلف فاصله هالتون و پارامتر شکل سطح فریاتیک حاصل از مدل عددی با نتایج مدل فیزیکی مقایسه گردید. نتایج نشان داد که برای تابع گوسیان با کاربرد کوچکترین ابعاد زهکش موثر، با افزایش فاصله هالتون ارتفاع سطح فریاتیک در نزدیک زهکش بیش از مقدار واقعی تخمین زده می شود و برخورد آن با شیب پائین دست احتمال فرسایش درونی را بیش از واقعیت نشان می دهد. با افزایش طول زهکش و قرارگیری فصل مشترک مرز دیریکله و نیومن در فضای میانی سد خاکی فواصل هالتون بزرگ نتایج دقیق تری نسبت به حالت کاربرد فاصله هالتون بزرگ و حداقل طول زهکش ارائه نمود. برای حداقل طول زهکش بکار رفته در تحقیق با حداقل فاصله هالتون 4 سانتی متر نتایج قابل قبولی بدست آمد. همچنین برای تابع گوسیان مقدار حداقل خطا در ابعاد کوچک زهکش به ازای مقادیر بالاتر پارامتر شکل (5-4 را ناحیه دارای فشار منفی تحت تأثیر زهکش براورد نمود. کاهش طول ناحیه جریان مرده و افزایش منطقه دارای فشار منفی تحت تأثیر زهکش متوسط نشان دهنده پایداری و کاهش احتمال جریان های موئینه در مجاورت و روی شیب پائین دست می باشد. در نتیجه با استفاده از نتایج تحلیل عددی وقوع فرسایش درونی به ازای کاربرد زهکش های با طول و ضخامت بزرگتر یا مساوی با طول و ضخامت زهکش متوسط غیرمحتمل می باشد.