بررسی ایمنی سدهای قوسی
سدهای قوسی از انواع سدهای با اضافه ظرفیت باربری بالا و خصیصه خود انطباقی و برتری نسبت ایمنی به قیمت بهره می‌برند. هر چه سد قوسی مرتفع‌تر و بزرگتر باشد، به همان نسبت شرایط زمین‌شناسی محل سد پیچیده‌تر بوده و ظرفیت مخزن نیز بزرگتر خواهد بود. بنابراین، در صورت وقوع هرگونه خرابی در این سدها، اقتصاد ملی متحمل زیان فراوان شده و زندگی و دارایی مردم در معرض خطر قرار خواهد گرفت. در نتیجه، خسارت‌های بالای ناشی از فروریزی سد نشان دهنده اهمیت بالایی است که باید به ارزیابی و نظارت بر مسائل امنیتی سد اختصاص داده شود. در حال حاضر، مهمترین اهداف در بررسی‌های امنیتی در این زمینه شامل، تئوری‌های مقاومت، تئوری پایداری، تئوری قابلیت اتکا، تئوری صدمات شکستگی به همراه تحلیل‌های شبیه‌سازی عددی، تست مدل ژئوهندسی، ارزیابی و تحلیل بالعکس داده‌ها و غیره است. با این وجود، این اهدا، دور از اصول تئوریکال علمی و اقبال از سوی چرخه مهندسان سد است . این مقاله درباره پیشرفت‌های صورت گرفته در زمینه سدهای قوسی و زیان و خسارت ناشی از فروریزی این سدها و خلاصه‌ای بر تئوری‌های اصلی موجود و اهداف ارزیابی‌های امنیتی سدهای قوسی بوده و نقاط ضعف این تئوری‌ها و اهداف را تحلیل کرده و مشکلات موجود بر سر راه تحقیقات آینده را مورد اشاره قرار داده و نهایتا به مسائل و موضوعات حیاتی و نقاط مشکل‌ساز به عنوان ارزیابی‌های امنیتی سدهای قوسی می‌پردازد.
● مقدمه
سدهای قوسی گونه‌ای از سدهای امن و اقتصادی هستند. از زمان ساخت اولین سد قوسی در جهان (سد زولا) در فرانسه در سال ۱۸۵۴ و اولین سد قوسی بلند در جهان (سد هاور( )به ارتفاع ۲۲۱ متر و طول تاج ۳۷۲ متر) در آمریکا در سال ۱۹۳۶، سدهای قوسی به لطف اضافه ظرفیت باربری منحصر به فرد و خصیصه خود تنظیمی، به وفور مورد توجه مهندسان سد در زمینه ساخت سد در سراسر جهان قرار گرفته‌اند، در حال حاضر بیش از نیمی از سدهای عظیم ساخته شده در سراسر جهان با ارتفاعی بیش از ۲۰۰ متر از نوع سدهای قوسی هستند. در نواحی غربی چین گروهی از سدهای قوسی ممتاز جهان با ارتفاعی بیش از ۳۰۰ متر در دست ساخت بوده و یا ساخته خواهند شد. سدسازی در تمام کشورهای جهان این موضوع را به اثبات رسانیده است، که هر چند سد بلندتر و مرتفع‌تر باشد، اهمیت اقتصادی و جنبه‌های امنیتی آن بیشتر خواهد بود. به طور کلی، سدهای قوسی با مخازن عظیم مانند سد قوسی مالپاست فرانسه، سد قوسی وایونت ایتالیا و غیره ثابت کرده‌اند که در صورت فروریزی وخرابی عواقب این مسئله کاملا جدی بوده و نه تنها اقتصاد ملی را متحمل زیان قابل توجهی می‌کنند، بلکه جان و مال مردم را شدیدا به خطر خواهند انداخت.
در سال ۱۹۵۹ سد قوسی مالپاست فرانسه به دلیل لغزش بدنه سد به همراه لایه عمیق سنگی شالوده، فرو ریخت که این اتفاق منجر به مرگ ۴۰۰ نفر و از دست رفتن سرمایه‌ای اقتصادی هنگفتی شد. بنابراین باید به اهمیت بالای مسائل امنیتی سدهای قوسی داده شود و بررسی‌های عمیقی باید به سمت تنش، تغییر شکل و مکانیزم تخریب در حین بهره‌برداری از این سدها سوق داده شود و همچنین ارزیابی‌هایی در ارتباط با ضریب اطمینان سدهای قوسی باید صورت پذیرد. (به این معنی که فاصله بین حالت طراحی شده و حالت تخریبی سد قوسی باید ارزیابی شود.) به طور کلی اکثر سدهای قوسی دارای شرایط ژئولوژیکی پیچیده، شرایط محیطی ناسازگار، عدم قطعیت فیزیکی (تصادفی) پارامترهای مکانیکی و غیره هستند. تمام این فاکتورها باعث عدم قطعیت در تحقیقات صورت گرفته در زمینه امنیت سدهای قوسی شده است. تمام تئوری‌ها و اهداف حال حاضر دارای هم نقطه ضعف و هم نقطه قوت بوده که باید پیشرفت‌ها و تکمیلات مربوطه به سرعت صورت پذیرد.
● بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری مقاومت
بر طریق تئوری مقاومت، خرابی یک سد قوسی به جهت ترک‌های قوسی ایجاد شده بر اثر تنیش‌های کششی اضافه، تسلیم شانه و یا بدنه سد بر اثر تنش‌های فشاری اضافی، لغزش بدنه صخره‌ای سد در امتداد سازه‌ای نرم و ضعیف بر اثر تنش‌های برشی اضافی و ... به وقوع می‌پیوندد. با مقایسه مقاومت تحت شرایط محدود و اثر بار طراحی می‌توان مشخص کرد، که آیا سازه به مقاومت تخریبی (مقاومت نهایی) خود رسیده است یا خیر. در کشورهایی مانند ایالات متحده، ژاپن، چین و ... رسم بر این است که ضریب اطمینان مقاومت کششی و فشاری از طریق آنالیز تنش کرنش سد قوسی توسط فرایند تقسیم بار تیر قوسی به دست آمده و سپس ضریب اطمینان مقاومت برشی براساس اصل تعادل حد بدنه‌ای صلب محاسبه شود.
در محاسبات عددی توسط فرایند المان محدود و ... مقیاس مور- کولمب و دراکر پراگر به طور معمول به عنوان میزان تسلیم برای مصالح سنگی خاکی مورد استقاده قرار می‌‌گیرند. در حالی که برای بتون مقیاس پارامتری چهارگانه به طور معمول مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مزایای ضریب اطمینان مقاومت عبارت است از: محاسبات ساده، قرارگیری بر پایه سال‌ها تجربه و فعالیت مهندسان سد، متداول در بین مهندسان و متخصصان سد و همچنین قابلیت انطباق با ضرائب اطمینان مجاز مشخص شده در کشورهای مختلف. مشکل این راه‌حل آن است که نارسایی مقاومت موضعی ممکن نیست باعث تخریب کلی سد قوسی شود و تنها زمانی که سطح تماس لغزش، یک صفحه و یا یک قوس دایروی باشد و از قبل داده شده باشد، می‌توانیم یک نتیجه محاسباتی منطقی از ضریب اطمینان تنش برشی به دست آوریم. به علاوه روش تئوری مقاومت، بدنه، شانه و شالوده سد را به عنوان یک تسلیم جامع و کلی در نظر نمی‌گیرد. برای کامل کردن فرایند آنالیز ضریب اطمینان مقاومت، بسیاری از دانشجویان از جنبه‌های مختلف به تحقیق پرداخته‌اند سان مینگ کووان، ژانگ جینگ جیان و ... ضریب اطمینان نقطه‌ای را بررسی و پیشنهاد کرده‌اند.
چینجیان پینگ، وانگ لیانکوی و ... تاثیر و طول ترک‌ها را بر روی تخریب سدهای قوسی مورد مطالعه قرار داده و یک مقدار بحرانی را برای ترک و طول ترک‌ها پیشنهاد کرده‌اند. چن جین، هووانگ وی و ... تحلیل‌هایی را برای روی اندازه سطح ترک خورده انجام داده و فرضیه سطح ترک را پیشنهاد کرده و دامنه بحرانی را نیز به دست آورده‌اند. تمام تحقیقات و مطالعات فوق‌لذکر به مفاد آنالیز تئوری مقاومت سدهای قوسی اضافه شده است. با این وجود قبول و انتخاب این مفاهیم نیازمند مطالعات بیشتری است.
● بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری پایداری
طبق مکانیسم سنتی، هیچ‌گونه مشکل پایداری وجود ندارد، و لغزش سد قوسی در امتداد سطح تماس فونداسیون، ناپایداری شانه‌های سد، و لغزش بلوک سنگی در امتداد سطح تماس سازه، همگی مرتبط با تخریب مقاومتی می‌باشند. اما با توجه به تعریف پایداری کینماتیک، هرگونه تغییر در یک حالت و یا یک شیئی یک حرکت به حساب آمده و موضوع پایداری مطرح می‌شود. زمانی که تمام بدنه سد به دلایل مختلف در حالت پایداری محدود شده به سر می‌برد، تنها یک آشفتگی جزئی باعث انحراف سد از حالت تعادل اولیه خود شده و باعث تخریب غیر قابل بازگشت می‌شود. با توجه به این اصل که زمانی که تخریب کامل سد قوسی اتفاق می‌افتد، حالت سکون سد به حالت قابل حرکت تغییر می‌کند، رن دینگ ون با توجه به منبع مطالعات تغییر حالت سیستم، پیشنهاد کرد که تخریب کامل سدهای قوسی ممکن است در ارتباط با پایداری باشد. اما برخلاف ناپایداری کمانشی، این نوع ناپایداری مربوط به ناپایداری حد نقطه‌ای بوده و شاخص تعیین کننده امنیت سد قوسی همان اتکاء سد می‌باشد. با توجه به تحقیقات صورت گرفته در ارتباط با ناپایداری سد قوسی تا هم اکنون هیچ‌گونه پیشرفتی نه بر پایه تئوری مکانیکی دقیق حتی به شکلی ساده و عملی صورت نگرفته است. در حال حاضر، پیشرفت‌هایی در زمینه‌های تحقیقاتی در ارتباط با پایداری کلی سد قوسی به قرار زیر صورت گرفته است: روش اضافه بار، ذخیره مقاومت، روش ترکیبی اضافه بار و ذخیره مقاومت و غیره.
● روش اضافه بار
طبق این روش با فرض ثابت بودن پارامترهای مقاومت مصالح و تحت عمل ترکیبی بارهای عملی نرمال، بار افقی با افزایش حجم مخزن (بالاتر از آب) تا آنجا افزایش می‌یابد، که ناپایداری و تخریب سد قوسی واقع شود. ثابت اضافه بار عبارت است از نسبت بار تخریبی به بار قائم (نرمال)، ضریب اطمینان اضافه بار غالبا بسیار بالا بوده و می‌توان به روش مدل سازی ژئومکانیکی و یا شبیه‌سازی حسابی به دست آید. با این حال در عین فعالیت طبیعی سد قوسی اضافه بار بیش از اندازه بسیار غیرمحتمل می‌باشد. به علاوه، اثر عواملی همچون پی سنگی، خوردگی، نشست و قلیایی شدن مصالح سازه‌ای به دلیل وجود آب بر روی مقاومت در نظر گرفته نشده است (بخصوص ناحیه ضعیف پی سنگی) به هر حال، خطر واقعی به خاطر تشدید بار نیست، بلکه به خاطر کافی نبودن مقاومت مصالح است.
● روش ذخیره مقاومت
بر طبق این روش، تحت شرایط عدم تغییر بار عمودی، مقاومت بدنه سد و پی سنگی به تدریج کاهش می‌یابد، تا زمانی که ناپایداری و تخریب سد قوسی است و ضریب ذخیره مقاومت عبارت است از تعداد دفعات کاهش نیمه. با این حال، در این روش به تعدادی مدل نیاز است. به طور کلی این آزمایش بر طبق اصل تعادل انجام می‌شود، بدین معنا که به جای ثابت نگه داشتن بار خارجی و کاهش تدریجی مقاومت مصالح، مقاومت مصالح ثابت نگه داشته می‌شود و همزمان بار خارجی و بار مرده خود سد افزایش می‌یابد، تا آنجا که تخریب صورت پذیرد. برای آزمایش به روش ذخیره مقاومت معادل، مشکل اساسی که همزمان بودن افزایش بار خارجی پی سنگی و بدنه سد می‌باشد باید حل گردد.
گوچونماو، گونگ ژاوزیاک و ... بر طبق اصل ارضای تشابه مدل فیزیکی و با استفاده از دستگاه گریز از مرکز- به عنوان دستگاه بارگذاری و جایگزین کردن میدان ثقلی با میدان نیروی گریز از مرکز، متوجه افزایش همزمان بار خارجی پی سنگی و بدنه سد شدند و آزمایش به روش ذخیره مقاومت معادل را بر روی یک مدل انجام دادند. نتیجه آزمایش نشان داد که گرایش بزرگی تنش و بزرگی تنش‌های کششی و فشاری به طور اساسی به سمت قانون عمومی است. برای انجام آزمایش به روش ذخیره مقاومت بر روی یک نمونه، نیاز به ایجاد مصالح جدیدی است که بتواند تغییر تدریجی برشی پی سد، سطح نرم و ضعیف سازه بر روی پی سنگی را آشکار ساخته و همچنین تکنیک‌های آزمایش را پاسخگو باشد. لوجینچی، لی چاووگو و ... بعد از سال‌ها بررسی مصالح با تغییرات مشابه دما را توجه داده‌اند که برای مدل سازی گسل‌های بین لایه‌ای و بدنه‌های صخره‌ای قابل استفاده می‌باشد.
این مصالح از بلنک فیکس x روغن موتور، مصالح و مخلوط‌های حل شدنی پلیمری که به میزان معینی با هم ترکیب شده‌اند، ساخته شده‌اند. در حین آزمایش با افزایش دما، مقاومت مصالح به تدریج کاهش می‌یابد. با وجود اینکه ضریب ذخیره مقاومت یک تصویر واضح را ارائه می‌کند. اما علت اصلی تخریب سد قوسی نیست. بنابراین کاهش مقاومت به نسبت نامساوی منطقی‌تر می‌باشد و فرایند تضمین برابر اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
● روش ترکیبی
تخریب یک سد قوسی تنها به دلیل اضافه بار و یا کاهش مقاومت مصالح نیست، بلکه به دلیل اثر توامان دو فاکتور مذکور است. بر طبق روش ترکیبی، با ترکیب کردن اضافه بار با ذخیره مقاومت، زمانی که سد قوسی به یک ضریب اضافه‌بار مشخصه می‌رسد، مقاومت باید به اندازه آن مرتبه کاهش داشته شود، که باعث تخریب سد قوسی می‌شود روش ترکیبی از لحاظ تئوری معقول می‌باشد، اما عملکرد واقعی نسبتا کامل شده باشد. خصوصا هیچ‌گونه استاندارد استواری در ارتباط با اینکه تا چه اندازه باید اضافه بار ایجاد شود، قبل از اینکه مقاومت مصالح کاهش پیدا کند، وجود ندارد. در حال حاضر، مطالعه کلی تخریب ناپایداری تنها توسط آزمایش‌های مدل هندسی صورت می‌پذیرد و موفقیت‌هایی در شبیه‌سازی کامپیوتری و محاسبات عددی روند خرابی سدهای قوسی صورت پذیرفته است.
در جهت شناسایی طرح مهندسی بر پایه آنالیز پایداری سیستماتیک باید صورت پذیرد، مخصوصا برای بررسی و حل یک سری از مشکلات تکنیکی و تئوریکال مانند روش آنالیز پایداری سیستماتیک، تکنیک آنالیز شبکه احتمال کاربردی، سیستم تصمیم‌گیری، پارامترهای آماری قانون و توزیع و غیره.
● تئوری‌های دیگری در زمینه ارزیابی ایمنی سد قوسی
عده‌ای از پژوهشگران معتقدند که تخریب یک سد و توده سنگی به دلیل گسترش مستمر ترک‌های ایجاد شده بر اثر تجمع دائمی آسیب اولیه است و بنابراین فرایند‌های مکانیک آسیب و مکانیک شکست را می‌توان برای مطالعه تخریب سدهای قوسی انطباق داد. هوانگ یون و دیگران پایداری و تمایل گسترش ترک‌های پاشنه سد در طرف بالا دست سدهای قوسی را به کمک فرایند المان شکست سه بعدی و تئوری فاکتور تراکم انرژی کرنش حداقل مورد مطالعه قرار داده و متوجه شده‌اند که شکافتن بر اثر آب، فاکتور اصلی در جهت انتشار ترک‌های ابتدایی است. پژوهشگران دیگر به سد قوسی به عنوان یک سیستم دینامیکی توجه کرده و خرابی را از نقطه نظر تغییر شکل غیر خطی مورد بررسی قرار داده‌اند. زمانی که تخریب تجمعی و تغییر شکل سیستم سد قوسی از بی‌نظمی به انتظام گسترش می‌یابد، خرابی کلی در حال صورت پذیرفتن است. طبق بررسی‌های صورت گرفته در زمینه علل خطاهای صورت گرفته در سد دو قوسی «کن» واقع در اتریش، لومبادری متخصص و مهندس سد سوئیسی، نظریه ضریب لاغری سدها را در سال ۱۹۸۶ بیان و منحنی لومبادری را ارائه کرد، این منحنی یک خط صاف است که تنها بستگی به ارتفاع سد دارد. رن کویینگ ون و دیگران شکل و علل ایجاد این منحنی آسیب را به کمک تئوری پایداری کمانشی و مقاومت بدنه سد مورد مطالعه قرار داده و پیشنهاد کردند که منحنی لومبادری به دو دسته تقسیم شود: دسته اول هذلولی‌هایی با در نظر گرفتن مقاومت بتون بدنه سد به عنوان پارامتر می‌باشند، که بستگی به ارتفاع سد و مقاومت بتون بدنه سد دارند، دسته دوم منحنی‌های توانی می‌باشند، که بستگی به کمانش بدنه سد دارند، به این معنا که بستگی به مدول الاستیسیته بتون بدنه سد، ارتفاع سد و ... دارند.
● نتیجه‌گیری و پیش‌بینی‌ها
خصوصیاتی از قبیل ذخیره سرمایه‌گذاری، ظرفیت باربری و ایمنی بالا، باعث شده است که سدهای قوسی، مخصوصا سدهای بلند قوسی مورد توجه تمام کشورهای جهان قرار گیرند. سدهای قوسی به طور فزاینده‌ای بلندتر ساخته می‌شوند و شالوده‌ها نیز به طور فزاینده‌ای پیچیده‌تر می‌شوند. شرایط ژئولوژیکی پیچیده و متغییر، به همراه تلفات سنگین در صورت تخریب سدهای قوسی، دانشمندان را بر آن داشته تا به بررسی و حل مشکلات تکنیکی ساخت سدهای قوسی بپردازند. شکافتن و تسلیم شدن به دلیل تنش موضعی بیش از حد پاسخ طبیعی هر سد قوسی است. بی‌شک قبل از تخریب سد قوسی، یک فرایند شکافت و تسلیم به وجود می‌آید و در طی این فرایند پتانسیل سد قوسی پایدار مانده و بنابراین کارکرد ایمنی ادامه می‌یابد.
بنابراین بررسی عملکرد و مکانیسم سدهای قوسی در طی فرایندی که از تسلیم موضعی مقاومت شروع و تا تخریب کامل سد به طول می‌انجامد، بسیار لازم و ضروری است. در بعضی کشورها مانند چین معتقدند که از تئوری پایداری سازه باید در طراحی سدهای قوسی استفاده شود. با این وجود، در ارزیابی حال حاضر، پایداری سدهای قوسی به کمک تئوری پایداری، توابع و عملکردهای انتخاب شده بیشتر براساس خصوصیات تخریب مقاومت سدهای قوسی بوده و آنچه در حال حاضر در حال بررسی است، همچنان پایداری موضعی است. یکی از مباحث عمده در مطالعات آینده چگونگی انتخاب متغیرهای تصادفی به گونه‌ای است که منعکس کننده حالت سیستم سد قوسی به عنوان متغیرهای اصلی برای آنالیز پایداری کلی سدهای قوسی باشد. با وجود اینکه موفقیت‌های چشمگیری در زمینه بررسی پایداری لغزشی سدهای قوسی در طول سطح تماس شالوده و همچنین در زمینه ناپایداری بدنه سنگی شانه سد به کمک تئوری پایداری جنبشی صورت پذیرفته است، اما اجزای یک سد قوسی شامل بدنه و شانه سد و شالوده سنگی و تغییر شکل‌هایشان بر روی هم اثر متقابل گذاشته و جدانشدنی است. بنابراین در نظر گرفتن بدنه و شانه سد و شالوده سنگی به عنوان یک مجموعه واحد جهت بررسی مکانیسم خرابی سدهای قوسی ارزش بررسی را داشته و یک معیار ناپایداری کلی را به دست داده و ایمنی کل سد را مشخص می‌سازد. بدنه سدهای قوسی و مصالح فوندانسیون که اغلب بتونی، سنگی و خاکی است جزء مصالح با کشش پایین و یا غیرکششی است. در حال حاضر، معیارهای تسلیم مور- کولمب و دراکر- پراگر و معیار چهار پارامتری به طور معمول مورد پذیرش مصالحی مانند مصالح سنگی- خاکی و بتونی می‌باشد. تفاوت عمده‌ای بین نسبت‌های تنش- کرنش اندازه‌گیری شده سدهای قوسی و روابط مذکور وجود دارد. از لحاظ اقتصادی این موضوع عملی نیست که به طول نامحدودی نقاط اندازه‌گیری شالوده سد را برای بررسی مدل ساختمانی مصالح افزایش دهیم. در عوض، بسیار واقع‌بینانه و منطقی است که یک مدل ساختمانی از مصالح افزایش دهیم. در عوض، بسیار واقع‌بینانه و منطقی است که یک مدل ساختمانی از مصالح براساس اطلاعات اندازه‌گیری شده صریح به کمک فرایند آنالیز معکوس و یا تکنیک تطبیق شبکه عصبی به دست آوریم. به لطف خصوصیاتی مانند مخارج پایین آزمایش کردن، غیر تخریبی بودن و ... تکنولوژی اندازه‌گیری مایکروویو و تکنولوژی بررسی لیزری، در ارزیابی ایمنی سدهای قوسی کاربردهای وسیعی پیدا کرده‌اند. اطلاعات نشان دهنده آن است که کاربی بیش از ۳۰ درصد از سدهای قوسی متناقض با کاربردهای پیش‌بینی توسط الگوهای طراحی است. در حین مطالعه ایمنی طراحی سدهای قوسی، لازم است که بررسی‌ها را معطوف به ایمنی کارکرد واقعی سدهای قوسی کنیم.
برای جمع‌بندی، بررسی‌های صورت گرفته در زمینه ایمنی کلی سدهای قوسی از بلوغ تنهایی خود به دور بوده و تا زمان حاضر شاهد کمبود روش‌های عملی که براساس تئوری‌های عملی و اقبال از سوی چرخه مهندسان سد باشد هستیم. انتظار می‌رود تا همکاری‌های بیشتری در محیط‌‌های دانشگاهی و چرخه مهندسان سد برای تحقیقات و بررسی‌های بیشتر صورت پذیرد.
