MKK ReNovate Environmental Group

بسمه تعالی

 

((   ارزیابی ایمنی سدهای موجود در برابر زلزله  ))

 

مهندس محمد کربلائی کرپمی

کارشناس ارشد مهندسی عمران

عضو باشگاه پژوهشگران جوان دانشگاه آزاد اسلامی

m.k.karimi80@gmail.com

خلاصه :

در اروپا و هرجائیکه امکان سنجی اقتصادی منابع آب بطور قابل توجه پیشرفت کرده است ,از سال 1930 با وجوداینکه سدهای بزرگ به اولین سازه هاییکه بصورت سیستماتیک در برابر زلزله طراحی شده اند تعلق دارد.ایمنی لرزه ای اغلب سدها بر اساس ضوابط و متدهای لرزه ای طراحی شده اند که در حال تکمیل هستند.این موضوع که سدهای اصلی درهنگام زلزله تخریب نشده اند نشان می دهد که طراحی مناسب سدها را در برابر زلزله ایمن می کند .فلذا  به ارزیابی مجدد ایمنی لرزه ای سدهای موجود که بر اساس تکنیکهای بسیار پیشرفته موجود پایه گذاری شده است نیاز داریم و ترمیم سدهای موجود ضروری است .در مجموع بسیاری از سدهای کوچکتر که برای آبیاری و ذخیره آب توسط روستاییان یا ارگانها با تجربه کم در اجرای سد ساخته شده است وتاثیرات زلزله بر روی اینگونه سدها بندرت بررسی شده است .

 

1 – مقدمه :

سدهای بزرگ اولین سازه هایی بودند که ضوابط طراحی لرزه ای از سال 1930 تا 1989 زمانیکه کمیسیون بین المللی سدهای بزرگ (ICOLD1989) منتشرشده است و بولتن 72 (( انتخاب پارامترهای لرزه ای سدهای بزرگ ))توصیه هایی در خصوص طراحی سدها در برابر زلزله   ارائه داده است .روش رایج طراحی در برابر زلزله روش pseudo-static بصورت تیپ برای شتاب افقی g 0.1 درمراجع, مفهوم دو طراحی در برابر زلزله برای سدها,.عملکرد پایه زلزله (OBE) و ماکزیمم زلزله طراحی (MDE) یا ماکزیمم زلزله محتمل (MCE) معرفی شده بود .شروع آنالیز لرزه ای سدهابعد از زلزله (1971) san Fernando درکالیفرنیا جائیکه موجب آسیب سد خاکی san Fernando شد.همچنین سد قوسی وزنی Pacoimaبود .با وجوداینکه طراحی تعداد کمی از سدهای بتنی با متدهای مدرن آنالیز دینامیکی آغاز شده بود.آنالیز دینامیکی خطی الاستیک از مدلهای فونداسیون سد مخزنی, سدهای خاکی متد آنالیز خطی معادل از 1979 تا 1989 مورد استفاده قرار گرفت.این آنالیزها اصولا جهت آنالیز مجدد سدهای احداثی از سال 1970در تعداد کمی از سدهای مرتبط ساخته شده در کشورهای غربی استفاده شد .

برای سدهای ساخته شده در کشورهای کمتر توسعه یافته در این دوره زمانی ضوابط قدیمی طراحی لرزه ای در برخی از نواحی با خطر لرزه ای خیلی زیاد در سدها مورد استفاده قرار گرفته اند.

امروزه ضوابط حداقل طراحی لرزه ای در بولتن 72 ICOLD ارائه شده است .این راهنما در حال ویرایش مجدد است .اگرچه مفهوم ایمنی پایه لرزه ای یک سد با پتانسیل آسیب زیاد باید بتواند در برابر حرکت شدید زمین مقاومت کند تا انتظار رود در محل سایت, سد آسیب نبیند .

تعدادی از 245 سدی که اصولا کوچک بودند و برای ذخیره آب و آبیاری مورد استفاده بودند و در زلزله Bhuj در 26 ژانویه 2001 در گجرات هند آسیب دیدند حاصل از نتایج روانگرایی بود.

یک بند بتنی همچنین چندین بخش زیان دیده بعلت حرکت گسل و حرکت زمین هنگام 21 سپتامبر 1999 در زلزله chi-chi تایوان (تصویر11)

سدپشت بنددار سفید ود در ایران یکی از گونه های مدرن سدها محسوب می شود که در زمان وقوع زلزله منجیل در سال 1990 باعث حرکت زمین شدکه موجب وقوع یک MCE بود .این کیس یک متد شناخته شده در میان مهندسین سد نمی باشد .(تصویر1) .

 

تصویر1- ترک افقی در درز LIFT در سد پشت بند دار سفید رود موجب شد با زلزله منجیل در سال 1990 در ایران(تصویر چپ :ترک در سطح پایین دست ,تصویر راست :ترک در سطح پشت بند در پایین دست)

زلزله های شدید در سال 2003 در ایران,2004 در سوماترا,2005 در کشمیر و چندتا در ژاپن رخ داد .با وجوداینکه حرکت زمین می تواند موجب مشکلاتی در سدها شودخسارت جدی مشاهده نشد .این رویدادها نشان می دهد که در کشورهایی با خطر زلزله میبایست یک رفتار جدی در سدها را انتظار داشت.

 

2 – اثرات فعالیتهای لرزه ای بر سدها :

زلزله ها خطرات مختلفی بوجود می آورند که شامل لرزش زمین ,حرکات گسل ,حرکات جرم بسمت مخزن و موج آب به مخزن لرزش زمین فعالیت اصلی بررسی شده توسط مهندسین بر تمام اعضای سازه ای و الحاقات یک پروژه سد اعم از فونداسیون ,تجهیزات ایمنی ,سیستم فشار,سازه های وابسته,عملیاتهای زیر زمینی,تجهیزات الکترومکانیکال و هیدرومکانیکال ,... .بنابراین تمام اعضا باید طراحی یا کنترل شوند برای مقاومت لرزه ای در برابر زلزله و ایمنی توسط مهندسین, ژئولوژیستها,مهندسین مکانیک و الکترونیک و ... .

ایمنی لرزه ای برای بسیاری از سدها که طراحی نشده است در برابر زلزله و یا بر اساس متد آنالیز و ضوابط طراحی لرزه ای قدیمی طراحی شده است ناشناخته است و سدهای جدید بخصوص سدهای کوچک ساخته شده اند توسط سازمانها که تجربه آنها درسدسازی نامناسب و کم است .لازم است سطح ایمنی و عملکرد صحیح این قبیل پروژه ها را بررسی کنند .

3 – جنبه های ایمنی لرزه ای بر سدها :

1-3 -  مفهوم ایمنی لرزه ای :

مفهوم اصلی ایمنی جلوگیری از شکست یک سد و رها شدن غیرقابل کنترل آب مخزن با وقوع سیلاب می باشد (کاهش عمرمفیدسد,زیان اقتصادی,آسیب محیط زیست)که بصورت معمول موجب زیان اقتصادی بیشتری به سد می شود .بنابراین برای ارزیابی ریسک لرزه ای یک سد ,مخزن پر حالت بحرانی محسوب می شود .

اصولا ایمنی لرزه ای یک سد به فاکتورهای زیر بستگی دارد :

1 – ایمنی سازه ای :مقا.مت در برابر نیروهای لرزه ای بدون آسیب دیدگی ظرفیت جذب نیروهای لرزه ای زیاد با تغیرشکلهای غیرارتجاعی (بازشدگی درزها و شکافها در سدهای بتنی ,حرکت درزها در بستر سنگی فونداسیون مشخصه های تغیرشکل غیرارتجاعی در مصالح خاکی)پایداری(پایداری در برابر لغزش و واژگونی)

2 – ایمنی بازبینی : برسی تجهیزات حرکت قوی سد و فونداسیون,مشاهدات بصری و بازرسی بعد از زلزله ,آنالیز اطلاعات و گزارشات بعد از زلزله در خصوص ارزیابی ایمنی .

3 – ایمنی بهره برداری :

4 – طرح اضطراری :هشدار دهنده تراز آب,طرح مسیل سیلاب و طرحهای تخلیه,دسترسی ایمن به سد و مخزن بعد از یک زلزله شدید,پایین آوردن تراز مخزن ,پشتیبانی مهندسی .

در مجموع سدهاییکه می توانند در برابر لرزشهای شدید زمین مقاومت کنند تحت گونه های دیگر فعالیتها اجرا خواهند شد.

در این بحث تاکید بر ایمنی سازه ای سد قرار گرفته است که با تغییرات رفتار دینامیکی و بازتاب  لرزه ای سد و کاهش آسیب پذیری سد می تواند تقویت شود.این موضوع مربوط به بررسیهای سازه ای می باشد ایمنی بازبینی و ایمنی بهره برداری و طرح اضطراری مربوط به سنجشهای غیرسازه ای می باشدکه در مورد آنها بحث نخواهد شد .

2-3 – طراحی لرزه ای و ضوابط اجرا:برای طراحی لرزه ای سدها و تکیه گاه و ایمنی اجزاء مرتبط (دریچه سرریز,تخلیه کننده های تحتانی)گونه هایی از طراحی لرزه ای استفاده شده است .(Wieland2005)

1 – زلزله پایه عملیاتی((OBE : OBEبرای محدود کردن زیانهای یک زلزله به یک سدتعریف  شده است .بنابراین یک اظهارنظرتوسط مالک سد محسوب می شود.براین اساس هیچ ضابطه ثابتی برای OBE وجود ندارد با وجوداینکه ICOLD پیشنهاد کرده است یک دوره بازگشت میانگین از 145 سال(50درصد مرزاحتمالاتی در 100 سال).بعضی اوقات دوره های بازگشت از 200 یا 500 سال استفاده می شود.سد ممکن است باقی بماند قابل بهره برداری بعد از OBEوفقط زیانهای جزیی قابل ترمیم قابل پذیرش است .

2-ماکزیمم زلزله محتمل MCE)) : ماکزیمم زلزله طرح یا ارزیابی ایمنی در زلزله(SEE)است . MCEیک رویداد قابل تخمین است و بزرگترین زلزله ممکن است که قابل وقوع در یک گسل شناخته شده یا در حدود یک ناحیه تکنوتکنیک تعریف شده , تحت دانسته های حاضر است .

3-3- ملاحظات ریسک لرزه ای :

الزاماتیکه سد با پتانسیل آسیب زیاد درحرکت زمین میبایست دارا باشد شامل MCE یا SEE با دوره 1000 ساله منطقی است ضمنا سد باید برای عبور ماکزیمم سیلاب محتمل (PMF) یا سیلاب 10000 ساله طراحی شود .زلزله های شدید در مناطقی با خطر لرزه خیزی کم تا متوسط رویدادهای نادری هستند .

4-ایمنی در برابر زلزله برای سدهای کوچک:

سدهای آبیاری وذخیره آب معمولا سدهایی با ارتفاع کمتر از 15 متر طبق تعریف ICOLD محسوب می شوند.اغلب آنها توسط سازمانها یا کمیته های محلی که تجربه کمی یا بی تجربه در طراحی و اجرای سد هستند ساخته می شوند.این نقطه قابل توجه نشان می دهد سدهای روستایی با سدهای بلند با طراحی مهندسی برای تولید انرژی متفاوت هستند.

زلزله Bhuj در 26 ژانویه 2001 نشان داد این سدها در برابر زلزله آسیب پذیر هستند.سدها یطور اساسی تحت روانگرایی آسیب دیدند که موجب ایجاد ترک و تغییرشکل و نشست گردید(تصویر3و4).

 

 

تصویر2- آسیب سدخاکی در زلزلهBhuj  سال 2001هند(245 آسیب یا نقص درسد بوجودآمدکه نیاز به ترمیم و کنترل و بهبود سیستم لرزه ای سد بعد از زلزله داشت )

سدهای روستایی در برابر زلزله مقاوم نیستندو تحت زلزله های متوسط نیز امکان تخریب دارندوبارها تحت MCE رخ داده است و تحت یک زلزله شدید دامنه ای وسیع در میدانی بشعاع کیلومترها و صدها نفر آسیب خواهند دید.بعد از تجربه زلزله Bhuj مشخص شد ایمنی سدهای کوچک روستایی اغلب نامناسب و با طراحی ضعیفتر نسبت به سدهای بلند انجام شده است .

 

تصویر3-تیپ آسیبهای زلزله Bhuj سال2001هنددرسدsuvi  بالا:حرکت تکه اصلی (6)درجهت شیب جریان

5- ارزیابی ایمنی لرزه ای سدهای موجود :

دو موضوع جهت ارزیابی ایمنی سدهای موجود وجود دارد 1 – زمانیکه زلزله شدید رخ دهد و تجهیزات موجود لرزش شدید را در یک سد ثبت کندو بعد از زلزله بازرسی سد برخی آسیبها را نشان می دهند.

2- زمانیکه ضوابط طراحی لرزه ای یا ضوابط اجرای لرزه ای تغییرکندیا پیشرفتهای جدیدی حاصل شود

a- ارزیابی خطرلرزه ای b- درمتد آنالیز لرزه ای c- در رفتار دینامیک مصالح

 

1-4- سدهای خاکی :

قدم اصلی برای ارزیابی مجدد لرزه ای ایمنی لرزه ای سدهای خاکی بشرح ذیل است :

-         تعیین پارامترهای اصلی ارزیابی ایمنی در برابر زلزله

-         تخمین مشخصات دینامیک مصالح براساس اطلاعات موجود یا نتایج آزمایشگاهی دینامیک و استاتیک (نتایج استاندارد آزمایش نفوذ می تواند مورد استفاده قرار گیرد .)

-         آنالیز دینامیک مدل المان محدود یک یا دو یا سه بعدی سیستم فونداسیون سد مورد استفاده در متد خطی معادل .

- ارزیابی بالا بردن  فشار منفذی (آنالیز روانگرایی برای شرایط خاص فونداسیون یا مصالح در سدهای خاکی هیدرولیکی)

- محاسبه تغییرمکان پایدار پتانسیل جرم قطعه در امتداد شیب سد با آنالیز قطعه مورد بررسی .

-آنالیز نشست لرزه ای .

- تخمین کاهش تراز سطح آزاد آب در زمان ارزیابی ایمنی زلزله .

2-4-  سدهای بتنی :

در مطالعه سدهای بتنی قدمهای اصلی برای ارزیابی مجدد ایمنی لرزه ای بشرح ذیل است :

-         تعیین پارامترهای اصلی ارزیابی ایمنی لرزه ای .

-         تخمین مشخصات دینامیکی مصالح جرم بتن و بستر سنگی فونداسیون .

-         مدل اتصالات هرجاییکه لازم باشد .

-         آنالیز دینامیک دو یا سه بعدی مدل المان محدود سیستم سد-مخزن-فونداسیون

-         آنالیز پایداری دینامیکی بلوکهای بتنی مجزا با مفاصل و درز .

-         آنالیز پایداری دینامیکی فونداسیون

-         ارزیابی ایمنی لرزه ای بنابر نتایج آنالیز زلزله .

5- ارزیابی و نوسازی ایمنی لرزه ای:

1-5- کلاس بندی ایمنی سد:

موریسن (2003 ) متد ارزیابی ایمنی لرزه ای بیش از 90 سد (اکثرا سازه های بتنی) در اسکاتلند را مورد بررسی قرار داد .برای کلاس بندی ,حجم مخزن ,ارتفاع سد,جمعیت پایین دست سد ,پتانسیل آسیب پایین دست مورد بررسی قرار گرفته است . یک سیستم ساده برای محاسبه شاخص آسیب پذیری سازه ای بشرح ذیل تعریف شده اند :

-         ارتفاع سد

-         PGA درسایت سد

-         شرایط فونداسیون سد .

-         عمر و شرایط سد.

 

2-5- نوسازی,تقویت و ترمیم سدهای آسیب دیده بتنی :

مشاهدات کمی از سدهای بتنی که تحت زلزله آسیب دیده اند وجود دارد .معروفترین و شناخته شده ترین  نمونه ها سدپشت بنددار Hsinfengkiang در چین ,سدوزنی Konya در هند ,سد پشت بنددار سفیدرود در ایران و بندبتنی Shih-Kang در تایوان را شامل می شوند .

 

                                                                                                          

تصویر4 – ترمیم و تقویت سدوزنی یکپارچه بدون سرریز Konyaبا مهارهای پس تنیده (چپ) و پشت بند(راست)(Wieland2003)

در سه مورد اول ,آسیبی که بیشتر مشاهده شد ترکهای ظاهرشده در نزدیکی قوس سطح  پایین دست سدها بود.سدهای بتنی اساسا در امتداد مفاصل افقی و بلوکهای مجزا با حرکات محدود قطعات رو به پایین ترک خواهند خورد .سازه ها درحالیکه تحت بهره برداری هستند بایستی امکان ترمیم داشته باشند ,اما تکنیکهای ترمیم متفاوت است .

 

 

 

تصویر5– عملیات ترمیم در سدپشت بنددار سفیدرود(بالا و چپ) – اجرای 12 عدد مهار پس تنیده در پشت بندهای 8 تا 23 سد- a)) مقطع عرضی  (b) نمای بالا (c) مقطع A-A (راست)

در بند Shih-Kang واقع در محل گسل فعال ,آسیب اصلی در محل گسل و سطح حرکت ایجاد شده بود . درصورتیکه اقدامات خاص شامل مفصل با قابلیت تغییر مکان خاص پیش بینی نگردد.بلوکهای سد بتنی بطور کامل تخریب خواهند شد .

3-5- ارزیابی ایمنی سد در کالیفرنیا :

درکالیفرنیا بالغ بر 1200 سد تحت نظارت ایالتی و مالکیت حکومت فدرال وجود دارد .ایمنی لرزه ای این سدها کنترل شده است .نتایج حاصل از این ارزیابی جامع نشان می دهد 116 سد دارای تقص می باشندکه شامل چندین آسیب در اثر زلزله بوده اند و نیاز به ترمیم جهت افزایش ایمنی بودند .عملیات ترمیم سازه شامل مواردی متعدد اعم از ایجاد بازوberming)), ایجاد پشت بند,افزایش فونداسیون جهت افزایش پایداری است .

 

جدول 1 – تقویت لرزه ای 116 سد در کالیفرنیا

 

 

تصویر6- بازسازی سدخاکی Stevens Greek

                                                                                                  

 

 

تصویر 7 – تقویت سیستم لرزه ای سد چندقوسی   Weberدرکالیفرنیا

 

 

 

 

 

6- فعالیتهای ICOLD در ایمنی لرزه ای سدهای موجود :

ایمنی لرزه ای سدهای موجود موضوعی است که از سال 1999 در کمیته اثرات زلزله بر طراحی سدها مورد بررسی قرار گرفته است .راهنمای خاص یا بولتنی تابحال تهیه نشده است . ICOLD براساس جلسات متعدد اعضای کمیته زلزله با 25 عضو از کشورهای مختلف و با پیگیری بسیاری از کشورها که موضوعات کمیته را پیگیری می کنند می تواند به یک موفقیت بزرگ نائل گردد .

کشورهایی از قبیل ژاپن,چین,روسیه,کانادا,سوییس,آلمان,استرالیا,نیوزلند,آمریکا نسبت به تهیه راهنمای طراحی لرزه ای جدید برای سدها اقدام نموده و جهت ارزیابی سدهای موجود مورد استفاده قرار دادند .

 نکته قابل توجه آن است که تعدادی ازکشورهایی که خطر لرزه ای متوسط یا کمی دارند نیز نسبت به تهیه راهنما اقدام نموده اند .

راهنماهای ICOLD جهت ارزیابی ایمنی لرزه ای سدهای موجود در ذیل آمده است .منابع معرفی شده بعنوان یک مرجع برای مهندسین سد مورد بهره برداری قرار گرفته است .

1-     بولتن 52 (1986) ,دستورالعمل آنالیزاثرات  زلزله بر سدها, ICOLDپاریس

2-     بولتن 72 (1989) , راهنمای انتخاب پارامترهای لرزه ای سدهای بلند, ICOLDپاریس

3-     بولتن 112 (1998) ,نئوتکتونیک و سدها, ICOLDپاریس

4-     بولتن 113 (1999) ,مشاهدات لرزه ای سدها, ICOLDپاریس

5-     بولتن 120 (2001) ,طراحی مشخصات سد جهت مقاومت موثر در حرکت لرزه ای زمین, ICOLDپاریس

6-     بولتن 123 (2002) ,طراحی در برابر زلزله و ارزیابی سازه های جانبی سد, ICOLDپاریس

 

7- نتایج :

تکنولوژی طراحی و اجرای سدها و سازه های جانبی که بتوانند بطور ایمن در برابر اثرات لرزش شدید زمین مقاومت کنند دردسترس است .صنعت سدسازی از غرب بسمت کشورهای کمترتوسعه یافته حرکت کرده است و درسدهای موجود علاوه بر ساختمان سد میبایست ضوابط و مفاهیم طراحی نیزکه قدیمی شده اند با توجه به پیشرفتهایی که از زلزله San Fernandoسال1971 حاصل شده است مورد بازبینی و بررسی مجدد قرار گیرند .

سدها بطور ذاتی در برابر زلزله ایمن نیستند.در نواحی با خطر نسبی کم تا متوسط وقوع زلزله جائیکه زلزله های شدید بندرت رخ می دهد بررسی ایمنی لرزه ای و خطر زلزله بر سدها مورد تاکید زیادی قرار گرفته است وانتخاب ضریب زلزله جهت طراحی سدها برابر  0.1  مناسب بوده وهیچ کدام در اثر وقوع زلزله تاکنون تخریب نشده اند .

جهت ارزیابی لرزه ای در برابر زلزله ضوابطی از قبیل (پایداری سد در برابر ماکزیمم زلزله محتمل MCE)) ) و ایمنی هیدرولوژیک( ماکزیمم سیلاب محتمل( (PMFباید بطور ایمن عبور کند) بایستی مورد بررسی قرار گیرد . ضوابط طراحی لرزه ای سدها قبل از سال 1989 ( زمانیکه  ICOLDمنتشر شود) جهت کنترل رفتار و ایمنی سد در برابر ماکزیمم حرکت محتمل زمین بررسی نشده است .ایمنی در برابر زلزله برای این قبیل سدها ناشناخته بوده و بر اساس مطالعه جامعی که در کالیفرنیا روی سدها انجام شد ,برخی از سدها نتایج قابل قبولی بر اساس ضوابط امروزی ارائه نمی دادند .بنابراین مالکین سدهای قدیمی میبایست جهت کنترل ایمنی لرزه ای  سدهایشان اقدام نمایند .

نکته قابل توجه اینکه نیروی زلزله حتی درسدهای بلند در مناطق با خطر نسبی کم تا متوسط ,موجب وقوع بار بحرانی بر سد می شود .فلذا بازبینی مجدد بر اساس تغییرات بوجودآمده در ضوابط طراحی و مفاهیم طراحی در مدت زمان بهره برداری یک سد بلند لازم الاجراست.این بحث حتی در مورد سایر پروژه های زیربنایی نیزقابل توجه است .

در پایان باید بدانیم دانش ما در زمینه رفتار سدهای بلند در زمان لرزش شدید زمین هنوز خیلی محدود است و اثرات تخریبی حاصل از زلزله بر سدها این موضوع را تصدیق می کند .

 

              تصویر 8 – آسیب بند Shih-Kang درزلزله Chi-Chi سال 1999 تایوان