گرچه استفاده از مصالح مختلف نظیر خاک ، سنگ ، سیمان ، چوپ ، … و فولاد در ساخت سازههای آبی از دیرزمانی رواج داشته و متخصصین عمران با کاربرد آنها آشنائی دارند، اما یکی از جدیدترین مادههایی که در چند سال اخیر در کشورهای مختلف دنیا به عنوان سازه آبی مورد توجه و مطرح گردیده است، ماده مصنوعی لاستیک است.
با وجود اینکه سابقه استفاده از ماده لاستیک در صنعت آب عمر بسیار کوتاهی دارد، اما در اطراف واکناف جهان ساخت تعداد بیشماری سد لاستیکی و صدها طرح افزایش ارتفاع سد و سرریز و استفاده از لاستیک بجای دریچههای فلزی سنگین و پرهزینه در طرحهای آبی ، نمایانگر این حقیقت است که این ماده جای خود را در بین مصالح مختلف کاملاً باز نموده و هر روز شاهد استفاده هر چه بیشتر از این نوآوری هستیم.
کاربرد لاستیک از مدتها پیش در پارهای از طرحهای آبی مطرح و مورد استفاده بوده ، از جمله تولید لولههای لاستیکی ، ضربهگیرها، در سیستم انتقال به عنوان لاستیک آب بندی و در سواحل دریا برای جلوگیری از خسارت برخورد کشتی به سازههای صلب بتنی را میتوان نام برد. اما در ذهن مردم ، هنگامیکه از لاستیک یاد میشود ، استفاده از آن به عنوان تایر در وسایل نقلیه را تداعی میکند و حتی بعضی از متخصصین در صنعت لاستیک و آب از کاربرد آن در مسائل آبی آگاهی چندانی ندارد.
بحث سدهای لاستیکی هرچند در دنیا بحث جدیدی نیست اما شاید برای دانشجویان آب جالب و جذاب باشد.هرچند در کشور هم خیلی کم به اون پرداخته شده است.در چند قسمت سعی خواهد شد این موضوع بیشتر بررسی شود.
· قسمت اول : تاریخچه استفاده از سدهای لاستیکی
· قسمت دوم : اهداف کلی از ساخت سدهای لاستیکی
· قسمت سوم : مزایای سدهای لاستیکی
· قسمت چهارم : انواع سدهای لاستیکی
· قسمت پنجم : ملاحظات و مشکلات فنی و مسایل زیست محیطی در سدهای لاستیکی
· بررسی مولفه های سد لاستیکی
یک سد لاستیکی از قسمت های مجزایی تشکیل می شود که از نقطه نظر طراحی و ساخت کاملا” متفاوت می باشند.به طور کلی مؤلفه های ساختمانی یک سد لاستیکی عبارتند از :
-
سیستم انحراف
-
بدنه سد لاستیکی ( قسمت ششم )
-
سازه های مرتبط با سد از قبیل :
۳-۱٫ بالشتک بتنی بدنه ( قسمت ششم )
۳-۲٫ باله آبی ( قسمت ششم )
۳-۳٫ حوضچه آرامش ( قسمت هفتم )
۳-۴٫ دیواره های بالی شکل و تقاربی ( قسمت هفتم )
۴٫ تجهیزات شامل :
۴-۱٫ مهاری ها ( قسمت هشتم )
۴-۲٫ لوله های انتقال هوا یا آب (قسمت هشتم )
۳-۴٫ اتصال بدنه به جناحین (قسمت هشتم )
۵٫ سیستم کنترل و بهره برداری – وسایل اندازه گیری و تاسیسات برقی
قسمت اول : تاریخچه استفاده از سدهای لاستیکی
سدهای لاستیکی تحت عناوین Inflated Dam, Flexidams, Rubber Dams و یا Inflatable Flexible Membrain Dams در بین سازندگان و طراحان و محققین سدهای لاستیکی شناخته شدهاند.
اصول استفاده از چنین وسیلهای در سال ۱۹۴۷ توسط یک مهندس فرانسوی بنام Mesnager بیان گردید. اما فکر ساخت سد از مواد مصنوعی از جمله مواد لاستیکی از سال ۱۹۵۰ برای اولین بار توسط Norman Imberston ، رئیس دپارتمان مهندسی آب و نیرو در شهر لسآنجلس مطرح و چندی بعد در سال ۱۹۵۸ اولین سد لاستیکی در این شهر توسط کمپانی لاستیک سازی بریجستون طرح و ارائه گردید.
نتایج کار از قبل قابل پیش بینی نبود ، اما در کشورهای پیشرفته بدلیل اهمیت دادن به فکر و ایدههای نو در مهندسی ، سرمایهگذاری لازم را در تحقیقات انجام داده و همین امر موجب پیشرفت و ترقی این صنعت گردید. لذا میتوان گفت که سابقه این نوآوری و استفاده از سدهای لاستیکی به حدود ۵۰ سال اخیر میرسد و از آن زمان به بعد این قبیل سدها در سرتاسر جهان بعنوان یک سازه آبی مطرح و مورد استفاده قرار گرفته است ، بدنبال این نوآوری بسیاری از کشورها که مترصد استفاده از ایدههای نو هستند ، نظیر کشورهای اروپایی و آسیائی ، ژاپن ، استرالیا ، چین ، انگلستان ، فرانسه ، ایتالیا ، چک ، هلند و … به ساخت این قبیل سدها اقدام و بر تجربیات گذشته مواردی چند افزودند.
تخمین زده میشود که در حال حاضر بیش از ۴۰۰۰ سد لاستیکی در مناطق مختلف دنیا ساخته شده ، که در حدود ۱۰۰ سد در آمریکا ، ۱۰۰۰ سد در ژاپن ، ۳۰۰ سد در چین و صدها سد لاستیکی در اروپا و در کشورهایی نظیر آلمان ، اتریش ، هلند ، فرانسه، انگلیس، یوگسلاوی و … در حال بهرهبرداری است.
سهم کشور ما از این نوع سدها تنها یک سد از ۴۰۰۰ سد است که آنهم عملکرد چندان مناسبی نداشته است. اولین سد لاستیکی در کشور در استان مازندران در سال ۱۳۷۵ در حاشیه دریای مازندران بر روی رودخانه بابل بنام سد لاستیکی بابل توسط شرکت لاستیکسازی Satujo ساخته شده است.
هدف اصلی از احداث این سد جلوگیری از تداخل آب شور دریای مازندران و استفاده از دبی پایه رودخانه و در نتیجه تأمین آب زراعی دشت مجاور بوده است.
قسمت دوم : اهداف کلی از ساخت سدهای لاستیکی
در اینجا به جنبه دیگری که انحصاراً به سدهای لاستیکی مربوط میگردد ، پرداخته میشود.
قبل از برشمردن موارد کاربردی ساخت سدهای لاستیکی ، باید به این نکته اشاره گردد که اهداف استفاده از چنین سدهایی متنوع و بیشمار است و باختصار میتوان از سدهای لاستیکی در کارهای آبی زیر استفاده کرد.
– ذخیره موقت دبی پایه رودخانهها برای تأمین آب کشاورزی.
– افزایش سطح تراز آب در رودخانه و کاهش هزینه پمپاژ آب به اراضی کشاورزی در این رودخانهها.
– جداسازی آبهای آلوده یا شور از آب شیرین.
– استفاده از سدهای لاستیکی برای افزایش حجم ذخیره سدهای بزرگ.
– استفاده از تیوبهای لاستیکی بجای دریچههای فولادی در سدها.
– کاهش فرسایش در رودخانههای با شیب زیاد و تند.
– بهبود شرایط زیست محیطی و بیولوژیکی و اکولوژیکی محدوده طرح.
– استفاده از سدهای لاستیکی به عنوان بندهای انحراف در تأمین آب کشاورزی.
– استفاده از بندهای لاستیکی برای بازیافت آب زهکشها در طرحهای آبیاری.
– پرورش میگو در نواحی ساحلی با استفاده از سدهای لاستیکی.
– جداسازی آب شیرین رودخانهها از آب شاخابهائی که از سازندههای شور عبور میکند.
– کنترل سیلاب در رودخانههای مجاور در نواحی شهری.
– تولید الکتریسیته توسط نیروگاههای آبی کوچک و بزرگ.
– استفاده از بندهای کوتاه لاستیکی در حوضچههای پرورش ماهی.
– استفاده از سدهای لاستیکی به عنوان بندهای تنظیمی و انحراف.
– بالا آوردن سطح تراز آب در رودخانهها برای افزایش آبخور قایقها و کشتیها.
– ساماندهی رودخانهها.
– اجرای طرحهای تغذیه مصنوعی با کمک سدهای لاستیکی.
– استفاده از سدهای لاستیکی در طرحهای زیست محیطی و آبخیزداری.
قسمت سوم : مزایای سدهای لاستیکی
هنگامی که صحبت از مزایای سدهای لاستیکی به میان میآید ، باید این قبیل سدها را با سازههای آبی از انواع مصالح دیگر مقایسه کرد.
همانطوریکه بیان گردید تاکنون در طرحهای آبی از سازههای صلب بتنی ، خاکی ، سنگریزهای ، مصالح سنگی ، گابیون و دریچههای فلزی بصورت گستردهای استفاده گردیده است. اما در پارهای از موارد این سازهها بدلیل عملکرد خاص خود نتوانستهاند با شرایط محیط سازگاری داشته باشند و لذا بهرهبرداری از چنین سیستمهایی با مشکل روبرو گردیده و حتی گاهی اوقات لازم شده که بدلیل نیاز مبرم به آب با استفاده از چنین سازه آبی خطرات جنبی آن را بپذیریم.
از خصوصیات بارز سازههای صلب این است که بدون تغییر شکل در مسیر رودخانه در سواحل دریا و یا در سرریز سدها همواره در مقابل جریانهای ورودی و خروجی با شرایط خاصی عمل میکنند و لذا با تغییر شرایط در محل ساختگاه مانند وقوع سیلابها ، زلزله و … این سازهها خود بصورت یک مشکل در بهرهبرداری عمل نموده و عبور جریانهای سیلابی را با مانع روبرو میسازد و موجب غرقاب شدن اراضی و تجمع رسوب در داخل مخزن میگردد.
حال اگر از یک سازه قابل انعطاف مانند لاستیک استفاده شود ، این سد در حالات و شرایط مختلف و ویژگیهای خاص رودخانه از جمله در هنگام ووقع سیلابها و یا جریان دبی پایه ، جزر و مد در سواحل دریا و در سرریز سدها برای رهاسازی جریان ذخیره آب با تغییر شکل مناسب خود به صورت سازهای با کارکرد متغییر عمل میکند و بهرهبرداری از سیستم در مقابله با عدم قطعیت پارامترهای طبیعی محیط راحتتر ، سادهتر ، کم خطرتر و ارزانتر صورت خواهد گرفت.
بطور مسلم یکی از عوامل مؤثر در اجرای طرحهای آبی ، هزینههای عملیات ساختمانی است که انتخاب مصالح باید سمت و سوی کاهش هزینهها را در برداشته باشد. خوشبختانه در طی سالهای اخیر سازههای لاستیکی نشان داده که هزینههای اجرایی این قبیل سازهها نسبت به طرح سازههای بتنی و خاکی بسیار کمتر است.
اگر بخواهیم بطور خلاصه مزایای استفاده از لاستیک را در مقایسه با طرحهای آبی از مصالح دیگر برشماریم باید گفت که :
– یکی از مسائل مهم در استفاده از لاستیک به جای مصالح دیگر ، سازگاری عملکرد آن با طبیعت است.
– هزینههای اجرایی طرحهای سد لاستیکی به مراتب ارزانتر از اجرای طرح با مصالح دیگر است.
– مدت زمان طراحی در چنین سیستمهایی نسبت به سایر سازهها بسیار کم و اندک است.
– مدت اجرای عملیات ساختمانی سازههای لاستیکی کوتاه و سریع است.
– پارامترهای مورد نیاز طراحی در این قبیل سازهها کم و اندک و دسترسی به آنها با سهولت بیشتری ممکن است و حتی در پارهای از مواقع ، قضاوت و حدس و تخمین مهندسی کفایت میکند.
– این سازههای لاستیکی در کلیه شرایط آب و هوایی در شرایطی که حتی پی ساختگاه نامناسب باشد و امکان ساخت سازههای دیگر ممکن نگردد و یا مصالح دیگری در محل وجود ندارد، قابل اجرا است.
– طرح و اجرای سدهای لاستیکی از هیچگونه پیچیدگی خاصی برخوردار نیست.
– بعلت کمی هزینه ، استفاده از توان مالی مردم برای ساخت چنین سدهایی امکان پذیر است.
– سهولت بهرهبرداری و کاهش هزینههای بهرهبرداری و نگاهداری ، از مزایای عمده این سازهها است.
از این رو استفاده از لاستیک در طرحهای آبی از جمله ایجاد بندها ، سدها ، افزایش ارتفاع و ایجاد حجم ذخیره در سدها ، استفاده از سدهای لاستیکی به جای دریچهها ، برای تله اندازی رسوب، بندهای انحرافی و استفاده در نیروگاههای برق آبی در مقایسه با سایر سدها از ارجحیت بالاتری برخوردار است.
از نقطه نظر مکانی نیز این قبیل سدها در دشت ها ، سواحل و کرانه دریاها و دریاچهها ، مردابها ، در مسیر رودخانههای کوهستانی، در محل ساختگاه سدها در روی سرریزها و همچنین در دشتهای مرکزی کشور بدون نگرانی از کمبود مصالح ، پی ضعیف و یا وجود طغیانها و سیلابها قابل توصیه است.
بنابراین کاربرد لاستیک در طرحهای آبی در کلیه نقاط کشور و در طرحهای متنوع آبی و به خصوص بصورت گسترده در طرحهای آبی کوچک و بزرگ قابل اجرا است.
قسمت چهارم : انواع سدهای لاستیکی و مقایسه ی آن ها
اصولاً سد لاستیکی که از یک تیوب بزرگ و حجیم تشکیل شده است به روشهای مختلفی طبقهبندی میشود ، از جلمه :
۱- سدهای لاستیکی با باله (Deflector )
۲- سدهای لاستیکی بدون باله
در سدهای لاستیکی با باله ، زائده بالی شکلی در محل قوس تاج در بخش پایین دست در نظر میگیرند که در هنگام عبور جریان از تماس آب با بخش پایین دست لاستیک جلوگیری میشود. علت وجود این باله جلوگیری از خطر خلاء زایی ( Cavitations ) درهنگام سرریزی آب از تاج سد است که این پدیده منجر به ارتعاش میگردد.
در سدهای لاستیکی بدون باله در سطح خارجی سهمی شکل تیوب لاستیک که با آب در تماس است هیچگونه زائده و یا بالهای وجود ندارد.
در روش دیگر ، طبقهبندی سدهای لاستیکی بر نحوه تأمین سیال درون تیوب برای متورم کردن آن تأکید دارد و این روش معمولیترین و متداولترین طبقهبندی این قبیل سدها است. بر این اساس سدهای لاستیکی به دو گروه تقسیم میشوند:
-
سدهای لاستیکی بادی (Air inflated rubber dam )
-
سدهای لاستیکی آبی ( Water inflated rubber dam )
گاهی اوقات از یک نوع سومی که به نام سدهای لاستیکی آبی – بادی ( Water and air rubber dam ) معروف است ، نیز یاد میشود که تقریباً در حال حاضر استفاده از این نوع سدهای لاستیکی منسوخ شده است.
استفاده از هر کدام از انواع سدهای فوق به شرایط محیط ارتباط پیدا میکند ، از جمله :
– وجود یا عدم وجود آب به مقدار و کیفیت مناسب در محل .
– مشکل پایداری سد در هنگام ایستادگی کامل بر روی پی.
– مدت زمان لازم برای پر و خالی نمودن تیوپ سد در مقابله به هنگام ، با سیلاب رودخانهها.
– تکنولوژی ساخت لاستیک در کشور مصرف کننده.
– هزینههای اجرایی طرح سدهای بادی یا آبی.
– سهولت اجرا و بهرهبرداری در هر کدام از انواع سدهای فوقالذکر.
با توجه به تجربههای موجود ، از بین دو سد فوق ارزانترین نوع به سدهای لاستیکی بادی مربوط میشود و از طرف دیگر در هنگام بهرهبرداری ، زمان تخلیه و پر نمودن تیوپ بسیار اندک و در محدوده قابل انتظار است. چون وزن سد لاستیکی از نوع بادی کمتر میباشد لذا در پیهای ضعیف نیز ارجحیت خود را بر سدهای لاستیکی آبی نشان میدهد.
سیستم هوارسانی در سدهای بادی یا انتقال آب به داخل تیوپ سد لاستیکی از نوع آبی کاملاً متفاوت و لولههای هوارسان با قطر کمتری نسبت به لولههای آبرسان آبی طراحی میشوند.
اما نباید فراموش کرد که در سدهای لاستیکی نوع آبی کنترل تراز سطح آب سادهتر و در هنگام تخلیه تیوپ ، از سدهای بادی پایداری بیشتری نشان میدهند. در همان حال کنترل دمای داخل سد لاستیکی بادی نیز به سادگی انجام میشود و در نقاط بسیار سرد که خطر یخبندان آب وجود دارد سیستم سد لاستیکی بادی از ارجحیت بیشتری برخوردار است.
باید توجه داشت که اغلب سدهای لاستیکی جهان از نوع بادی ساخته شدهاند. در کشور ما ، در سواحل دریای خزر و خلیج فارس و بحر عمان نیز ممکن است بدلیل کمبود میزان آب و کیفیت نامناسب آب زیرزمینی یا گل آلودبودن دبی پایه رودخانهها استفاده از سد لاستیکی آبی مشکل ساز باشد.
گرچه انتخاب هر کدام از سدهای لاستیکی بادی و یا آبی به شرایطی که بیان گردید مربوط میشود ، اما بطور خلاصه خصوصیات هر کدام از این نوع سدها به شرح زیر خلاصه میشود:
۱. خصوصیات سدهای لاستیکی بادی
در مقایسه بین سدهای لاستیکی آبی و بادی باید اشاره گردد که :
-
سدهای بادی اقتصادیتر هستند، به ویژه در سدهای بزرگ با ارتفاع بیشتر از ۲ متر عملکرد خوبی از خود نشان دادهاند.
-
بدلیل افت کم لولههای هوارسان ، قطر لوله انتقال هوا به مراتب کوچکتر است و هزینههای طرح را کاهش میدهند.
-
نسبت ارتفاع به محیط در سدهای بادی از سدهای آبی کوچکتر است و لذا ماده لاستیک کمتری برای ساخت تیوپ لازم خواهد بود.
-
زمان پر و خالی کردن هوا به مراتب از نوع آبی کمتر است.
-
سدهای بادی در آب و هوای سرد عملکرد بهتری دارند.
-
خطر خوردگی و گرفتگی در سیستم لولههای انتقال هوا به مراتب کاهش مییابد.
-
بار وزن سدهای بادی بر پی از سدهای آبی کمتر خواهد بود.
-
حساسیت هوای داخل لاستیک نسبت به دمای بالا ، زیاد است که موجب تغییرات فشار داخلی میشود.
-
هزینه ساخت سدهای بادی به مراتب از نوع سدهای آبی کمتر است.
۲. خصوصیات سدهای لاستیکی آبی
این قبیل سدها خود دارای مزایایی هستند که نمیتوان از آن چشمپوشی کرد.
-
اثر مثلثی شدن V-notck effect در سدهای آبی کمتر است.
-
نسبت به افزایش سطح تراز آب و کنترل سطح آب عملکرد بهتری دارد.
-
در حالت ایستاده یا بار کامل ، سدهای لاستیکی آبی پایدارتر از سدهای بادی هستند.
-
ارتعاش لاستیک در مقابل سرریزی با سطح تراز بالای عمل مجاز آب کمتر اتفاق میافتد ، اما خطوط و شبکه آبرسانی به داخل تیوپ با اقطار بزرگتر بوده و همواره در خطر گرفتگی و خوردگی هستند.
-
سیستم زهکش این سدها برای تخلیه آب داخل لاستیک از نگرانیهای این قبیل سدها است.
در مجموع بدلیل سهولت طراحی ، اجرای ساده عملیات ساخت و اقتصادی بودن سدهای بادی ، بنظر میرسد که در ایران نیز سدهای لاستیکی از نوع بادی مناسبتر باشد و توصیه عمومی بر استفاده از سدهای لاستیکی بادی خواهد بود. به ویژه که همواره هوای تمیز و با حجم کافی فراهم است، در صورتیکه در مورد فراهمی آب با کیفیت مناسب همواره شک و تردید وجود دارد. همانطور که قبلاً بیان گردید معمولاً سدهای لاستیکی بادی از ارجحیت بیشتری برخوردارند و بخش عمدهای از سدهای لاستیکی در دنیا از نوع بادی هستند.
سدهای لاستیکی آبی بر عکس سدهای لاستیکی بادی نسبت به افزایش ارتفاع آب بر روی تاج سد حساس نیستند. برای مثال در سدهای لاستیکی بادی در حدود ۲۰ درصد و در سدهای آبی تا ۵۰ درصد افزایش ارتفاع آب از سطح تراز تاج امکان پذیر است.
قسمت پنجم : ملاحظات ، مسایل و مشکلات فنی در سدهای لاستیکی
تاکنون سدهای لاستیکی زیادی در جهان ساخته شده و یا در نظر است که ساخته شود ، ولی هنوز مسائل و مشکلات مربوط به افزایش ارتفاع سد لاستیکی حل نشده است. بطوریکه تاکنون بیشینه ارتفاع سدهای لاستیکی از ۱۰-۸ متر تجاوز نکرده است و لذا مشکلات فنی این قبیل سدها در هنگامیکه ارتفاع سد لاستیکی زیاد میگردد بحال خود باقی مانده است. در واقع به دلیل این محدودیت، ارتفاع بیشتر سدهای لاستیکی در محدوده ۴-۱ متر و در تعدادی از طرحها تا ۵/۶ متر ارتفاع اجرا شده و بنظر میرسد که رسیدن به ارتفاع ۱۰-۸ متر در سدهای لاستیکی در زمان حاضر ممکن است. سایر مشکلاتی که عموماً طرحهای سدهای لاستیکی با آن روبرو هستند عبارتنداز:
– وجود ارتعاشات در بدنه سد لاستیکی با افزایش ارتفاع آب در آستانه سد لاستیکی.
– چروک خوردگی بدنه لاستیکی در مجاورت دیوارههای جانبی در شیبهای مختلف.
– تشکیل معبر عبور جریان بصورت v در طول تاج سد یا V-notch.
– پارگی تیوپ در نتیجه اضافه فشار.
– مشکل تعمیرات سد لاستیکی در هنگام طغیان سیلابها.
– نداشتن تخصص برای نگهداری ، بهرهبرداری و تعمیرات سدهای لاستیکی در کشورهای توسعه نیافته.
– گرفتگی لولههای هوارسان یا لولههای تأمین آب تیوب لاستیکی.
– در حال حاضر عدم وجود امکانات لازم برای ساخت بدنه لاستیکی در کشور و ارزبری لاستیک.
مسائل زیست محیطی سدهای لاستیکی
مسائل و مشکلات زیست محیطی این قبیل طرحهای عمرانی به دلیل کوچکی ابعاد آن کم و ناچیز است و این اثرات شامل عکسالعملهای متقابل محیط بر سد و سد لاستیکی بر محیط است که خود به دو گروه ، اثرات مفید و زیانبار تقسیم میشوند. اما آنچه در این مورد قابل بحث است اثر نامناسب محیط بر سد لاستیکی و بالعکس خواهد بود. زیرا هر سد یا طرح عمرانی برای رسیدن به اهدافی است که احتمالاً مسائل اقتصادی و اجتماعی را ملحوظ میدارد و برای حصول به نتایج اقتصادی و اجتماعی ساخته میشود.
عمر و دوام سدهای لاستیکی
در سازههای آبی اقتصاد طرح به عمر و دوام مصالح مورد استفاده مربوط میگردد و هر چه عمر مصالح و یا دوام آنها زیاد و احتمال تخریب کم باشد ، سهم هزینههای تحمیلی در دوره طرح کاهش یافته و در نتیجه منافع اقتصادی طرح افزایش مییابد.
سدهای لاستیکی نسبت به عوامل محیط از قبیل آب ، اکسیژن ، مواد آلاینده ، آبهای شور و قلیایی ، پسماندهای سمی و اسیدها بطور کامل مقاوم میباشند. حتی از نقطه نظر مکانیکی اجسام تیز معمولی ، شاخ و برگ درختان ، قطعات یخ و خرده سنگهای معمولی قادر به صدمه زدن شدید به لاستیک سد نخواهند بود و دوام لاستیک در مقابل این حوادث زیاد است.
این خصوصیات و همچنین تاریخچه ساخت و بهرهبرداری از این قبیل سدها در کشورهای مختلف جهان نشان میدهد که عمر این سدها به راحتی از حدود ۴۰-۳۰ سال بیشتر است. با توجه به اینکه اصولاً عمر اقتصادی سازههای کوچک آبی در همین حدود است، لذا نوع مصالح لاستیکی در دسته و گروه مصالح مقاوم و با دوام تلقی میشود.
از طرفی چون امکان تعمیر تیوب لاستیک وجود دارد و این عملیات به سهولت انجام میشود، لذا مدت بهرهبرداری از سدهای لاستیکی به مراتب بیش از ۳۰ سال خواهد بود. در بعضی از نقاط جهان پارهای از سدهای لاستیکی با بیش از ۴۰ سال عمر در حال حاضر مشغول به کار است. از این رو بطور معمول عمر مفید اقتصادی سدهای لاستیکی در حدود ۴۰ سال در نظر گرفته میشود و این طول دوام یا عمر سد لاستیکی بر اساس تجربه ۲۰۰۰ سد ساخته شده در دنیا به دست آمده است. شکل ۶-۱ استفاده از سد لاستیکی برای انحراف آب به تصفیه خانه را نشان میدهد و انتظار میرود که در طی عمر تصفیه خانه این سازه بخوبی عمل کند.
باید توجه داشت که بهرهبرداری بد و ناقص از سد لاستیکی میتواند موجب کاهش شدید عمر این قبیل سدها گردد. در کشورهایی که در امر بهرهبرداری دقت و هوشیاری به خرج میدهند و از افراد صلاحیتدار برای نگاهداری و تعمیر سدهای لاستیکی استفاده میشود، عمر این قبیل سدها بسیار طولانی و در کشورهائی که در امر بهره برداری چندان مراقبتی نمینمایند، معمولاً عمر سدهای لاستیکی کوتاه و حتی در پارهای از موارد دوره بهره برداری به یک فصل سال منتهی میشود.
قسمت ششم : شکل سطح مقطع بدنه سد لاستیکی
چون بدنه لاستیکی سد در مقابل نیروها از قابلیت انعطاف زیادی برخوردار است ، لذا در شرایط گوناگون کم یا بیش شکل سطح مقطع تیوپ لاستیکی آن متفاوت خواهد بود. عواملی که در شکل مقطع تیوب سد لاستیکی دخالت دارند عمدتاً عبارتنداز:
– نیروهای استاتیکی و دینامیکی حاصل از وجود آب در بالا و پایین دست سد.
– روش پرشدگی تیوب سد توسط جریان آب یا هوا .
– نحوه اتصال تیوب لاستیکی به پی یا بالشتک بتنی در کف و جناحین.
– فشار داخلی تیوب و ارتفاع سد لاستیکی.
– وزن تیوب سد لاستیکی که خود به ضخامت لاستیک ، ارتفاع سد و طول دهانه ارتباط پیدا میکند.
به منظور تعیین شکل سطح مقطع تیوب لاستیکی بدنه از روش تحلیل بدلیل پیچیدگی راه حل اجتناب میشود و بایستی با یک سری فرضیات محاسبات را انجام داد و همین امر موجب میگردد که نتایج نظری حاصل با شکل واقعی سد که قابل مشاهده و اندازهگیری است تفاوت نماید. برای مثال برای سهولت حل مسئله، از وزن سد لاستیکی صرفنظر میشود و یا سطح تراز آب در پایین دست لحاظ نمیگردد.
سطح مقطع تیوب در حالت دو بعدی از دو قسمت متمایز بالادست و پایین دست تشکیل می شود که هر بخش آن شکل متفاوتی دارد.در سدهای لاستیکی نوع بادی بخش پایین دست شبیه نیم دایره است ، در صورتیکه در سدهای آبی این بخش به شکل دایره مشاهده نمی شود.
معمولا” بخش بالا دست سدهای لاستیکی با زاویه به طرف پایین دست کشیده می شود ، که در سدهای آبی این زاویه کمتر از سدهای لاستیکی بادی است.
شکل بدنه تیوب بر اساس فشار داخلی نیز متغیر است و برای مثال در حالت مرزی که سد لاستیکی از آب و باد خالی شده باشد به صورت یک نوار مسطح بر روی بالشتک می خوابد و در کاملا” ایستاده شکل نهایی تیوب بدست می آیدو مشابه یک سرریز عمل می کند.که در شکل زیر حالت های فوق را می توان مشاهده کرد.
بالشتک بتنی
برای احداث سد لاستیکی ، اتصال بدنه لاستیک به یک بالشتک یا اصطلاحاً پی ضرورت دارد که معمولاً یک بستر صلب بتنی صاف را برای اینکار در نظر میگیرند.
گاهی اوقات رقوم تراز سطح بالشتک را از کف رودخانه بالاتر میسازند. فایده اینکار ، کاهش ارتفاع سد لاستیکی برای یک سطح تراز معین آب ، جلوگیری از ورود شن وماسه به بخش پایین دست تیوب لاستیکی ، امکان تعمیر ساده و مناسب تیوب لاستیکی و نهایتاً کاهش مشکلات تکنیکی و هزینههای اجرایی است.
باید توجه داشت که بایستی با طراحی مناسب از نشست بالشتک یا پی بتنی جلوگیری شود. لذا توزیع همگن بار از مواردی است که باید کاملاً رعایت شود و در صورت وجود پی ضعیف ، تحکیم پی برای تحمل بار صفحه بتنی و بدنه سد لاستیکی ضروری خواهد بود. مطابق معمول با در دست داشتن اطلاعات و دادههای مکانیک خاک در محل ساختگاه و یا در پارهای از موارد با عملیات ژئوتکنیک مختصر وضع پی مشخص میگردد تا پایداری سد تأمین شود. گاهی اوقات لازم است که در محل ساختگاه سد لاستیکی مصالح رودخانه را برداشته و از مصالح جدیدی برای ایجاد پی محکم و پایدار استفاده شود. در پارهای از اوقات با استفاده از شمع کوبی و استقرار صفحه بتنی بر روی آن کار ساختمان سد انجام میشود. این روش در نواحی با خاک سست و لجنی بکار گرفته میشود. خوشبختانه سدهای لاستیکی بدلیل کمی وزن و انعطاف پذیری آن از سایر سدهای متعارف در این قبیل موارد مشکلات کمتری دارد.
درز ساختمانی بستر بتنی سد لاستیکی در هر ۱۵-۸ متر و اتصال آنها با استفاده از لاستیک آببند و یا نوارهای مسی و پیویسی صورت میگیرد. معمولاً استفاده از لاستیک آببند متداولتر است. در پارهای از موارد پرده آببند در جلوی صفحه بتنی برای پایداری و غیر قابل نفوذ کردن پی ضرورت پیدا میکند.
بالشتک صفحه بتنی در بستر یا کف رودخانه ساخته میشود و در جناحین تا آنجا که با بستر سد لاستیکی درتماس است ادامه مییابد. ضخامت بتن پی بالشتک سد لاستیکی معمولاً در حدود ۱-۵/۰ متر و با استفاده از حداقل فولاد و برای نمونه با فولاد طراحی میشود. بالشتک بتنی در لاستیکی به صورت یکپارچه بر روی آن مستقر میشود. معمولاً شیب طبیعی رودخانه در ساخت و سازه بالشتک و جناحین رعایت میشود تا با تغییرات ساختمانی موانع شدیدی در مسیر رودخانه ایجاد نگردد و موجب ظهور پدیدههای هیدرولیکی از جمله آبشستگی ، گرداب و امواج نشود و گرنه این عوامل بطور معمول سبب مشکلاتی در هنگام بهرهبرداری خواهند شد.
اگر پی سد لاستیکی بجای آبرفت از یک سازند مقاوم تشکیل شده باشد ، مشکل آببندی و نگرانی از نشت زیر بدنه سد وجود ندارد و میتوان با حداقل ضخامت دال بتنی بالشتک مناسب برای سد طراحی کرد.
بدلیل ضخامت کم بالشتک و با توجه به ابعاد نسبتاً بزرگ صفحه بتنی در پلان و ناچیز بودن نیروهای افقی و عمودی نگرانی از واژگونی و لغزش این سازه وجودندارد.
در پارهای از مواقع که ازتیوب لاستیکی برای افزایش ارتفاع سدها استفاده میگردد و در دهانههای سرریزهای ساخته شده نصب میشود ، برای اتصال لاستیک به کف و دیوارهها ابتدا یک ورقه فولادی را در کف و جناحین نصب و سپس بدنه تیوب را بر روی آن صفحه مهار میکنند. اما استفاده از یک صفحه فولادی پهن و گسترده بر روی پیبالشتک بتنی مسطح مقرون به صرفه نمیباشد.
در صورتیکه مصالح مناسب برای ساخت بتن موجود نباشد و یا با مصالح موجود در محل بتن کم دوامی تولید بشود. شاید استفاده از ورقههای فولادی به روش خاصی توجیه اقتصادی داشته باشد.
پس از بتن ریزی صفحه بالشتک برای شروع عملیات ساختمانی بعدی باید مدت ۲۸ روز از تاریخ بتنریزی گذشته باشد.
توسعه سازه بالشتک در جناحین به مجموعه پارامترهای ارتفاع سد ، بیشینه ارتفاع مجاز آب در آستانه تاج سد لاستیکی ، ارتفاع موج و عمق آزاد بستگی دارد. بطور معمول در سدهای بادی ارتفاع مجاز آب بالای تاج سد لاستیکی به ۲۰ درصد و در سدهای آبی به حداکثر ۵۰ درصد ارتفاع سد لاستیکی ، از تاج تا سطح بالشتک ، محدود میگردد.
ارتفاع امواج در مسیر رودخانه به عواملی از جمله باد و چگونگی رهاسازی جریانهای بالادست از سدها و آبگیرها بستگی دارد. اما چون اصولاً در سدهای لاستیکی میتوان در مواقع سیلابی لاستیک را از هوا یا آب تهی و بر روی بالشتک خوابانید، لذا گاهی اوقات رعایت و محاسبه ارتفاع امواج در ساخت سازه جناح لازم نیست. در هر حال با توجه به شرایط محلی نظر راح در این مورد بر اعمال یک تصمیم دیکته شده ترجیح دارد. عمق آزاد بطور معمول ۳۰-۱۰ درصد بسته به شرایط فرسایش پذیری ، ارتفاع بستر رودخانه از تراسهای بالادست و سرعت آب تفاوت مینماید. در واقع حداقل ارتفاع بتن در جناحین از مقدار (۱٫۵H تا ۱٫۲H) باضافه ۳۰%-۲۰% ارتفاع آب روی آستانه سد بدست میآید. حال با توجه به شیب جناحین و در دست بودن ارتفاع لازم از روی بالشتک ، میتوان به سهولت طول صفحه بتنی مورب در تکیهگاهها را بدست آورد.
باله آبی
همانطوریکه قبلاً اشاره شد باله آبی یک زایده لاستیکی است که در بخش بالائی بدنه و در قسمت پایین تاج ، از بدنه لاستیکی بیرون زده است. عمل این باله برای کاهش ارتعاشات تیوب لاستیکی درهنگام عبور جریان سیلابهای از آستانه یا تاج سد لاستیکی است. در این حالت باله به جداشدگی آب از بخش پایین دست سد لاستیکی و یا جلوگیری از تماس آب با سطح لاستیک در پایین دست کمک مینماید. به ویژه در سدهای بادی که نسبت به ارتعاشات حساسیت بیشتری دارند ، این بالهها مفید واقع میشوند. شکل زیر وجود باله را در سد لاستیکی نشان میدهد. باله را ممکن است با لبه ثابت و یا کمی متحرک بر روی بدنه سد لاستیکی قرار داد. عدم پایداری در نتیجه نوسانات و تغییرات فشار سد به ناپایداری کلوین – هلموتز Kelvin – Helmotz Instability معروف است که برای جلوگیری از این ناپایداری ، سد لاستیکی به باله مجهر میشود. منظور ثانویه از تعبیه باله ، سهولت عبور مواد جامدی است که توسط رودخانه حمل میشود و به محل ساختگاه سد میرسد و بدین ترتیب مواد پس از عبور از روی تاج به جلو سد لاستیکی پرتاب میگردد. البته برای کاهش ارتعاشات به راههای دیگر نیز متوسل میشوند و از جمله:
– افزایش فشار کیسه لاستیکی بدنه سد.
– افزایش فاصله بین خطوط مهار لاستیک بر روی بالشتک به کاهش ارتعاشات کمک میکند.
– افزایش مدول لاستیک نیز از راههای بهبود پایداری و رفع مشکل ارتعاشات است.
نتایج آزمایشگاهی و تجربیات صحرائی نشان میدهد ، باله درهنگامی وارد عمل میشود که ارتفاع آب در بالادست سد لاستیکی بادی به حدود ۱٫۲H ارتفاع سد است برسد و در سدهای لاستیکی آبی این ارتفاع در حدود ۱٫۵H خواهد بود که آستانه لرزش و ارتعاشات سد را پدید میآورد.
حوضجه آرامش
یکی دیگر از مؤلفههای ساختمانی لازم در سدهای لاستیکی ، سازه حوضچه آرامش است. در رابطه با عبور جریان از محل ساختگاه سد لاستیکی در هنگام بهرهبرداری چند حالت متمایز را میتوان متصور شد.
در حالت اول فرض میشود که سد لاستیکی بر روی بالشتک بتنی خوابیده است و در این وضعیت جریان رودخانه بدون هیچگونه مانعی از محل سد عبور میکند. در این هنگام سازه بتنی بالشتک و یا دیوارههای بالی شکل و تقاربی و تغییر شکل جناحین رودخانه بدلیل وجود دیوارههای بالی شکل و لاستیک خوابیده بر کف میتواند تا اندازهای به عنوان تغییرات نامناسب بستر تلقی شود. وضعیت هیدرولیکی جریان در این حالت با ایجاد گردابهای محلی ، افزایش سرعت و ایجاد پرش هیدرولیکی تغییر مییابد و قابل بررسی خواهد بود.
در حالت دوم ، فرض میشود که سد لاستیکی بصورت ایستاده کامل در آمده ، اما مصرف آب در بالا دست به حدی است که امکان لب ریزی از سد وجود ندارد و سد لاستیکی شبیه یک بند یا سد ذخیرهای بدون سرریزی عمل میکند، در این وضعیت به دلیل عدم آب از روی سرریز یا بدنه سد لاستیکی هیچگونه مشکل هیدرولیکی در پایین و بالا دست سد پدید نمیآید و بخش بالادست سد همانند یک حوضچه آب عمل میکند. لذا در این وضعیت بررسی هیدرولیک جریان منتفی است.
در حالت سوم ، جریان آب مصرفی در بالادست سد کمتر از دبی رودخانه فرض میشود و لذا به ناچار مقداری از آب اضافه بر مصرف از روی تاج سد لاستیکی سرریز میکند.
با توجه به سه حالت بهرهبرداری فوق بنظر میرسد که فقط در وضعیت اول و سوم باید به بررسی هیدرولیکی جریان پرداخت و برای کنترل پدیده جهش هیدرولیکی تمهیداتی را لحاظ نمود.
اما در این حالات نیز توجه به وضعیت رودخانه در پایین و بالادست سد از نقطه نظر نوع سازند ، فرسایش پذیری مسیر و یا غیر قابل فرسایش بودن آن ضروری است، در صورتیکه بستر رودخانه از یک سنگ مقاوم تشکیل شده باشد، هیچگونه احتیاجی به سازههایی از قبیل حوضچههای آرامش نخواهد بود. اما اگر مسیر پایین و بالادست سد لاستیکی از رسوبات آبرفتی تشکیل شده باشد باید به احداث سازهای اقدام کرد که در هنگام لبریزی و یا در هنگام طغیان سیلابها ، آبرفت پایین دست شسته نشود و پایداری بالشتک بتنی به خطر نیافتد.
موضوع دیگری که باید بدان توجه کرد ، وجود عمق آب در پایاب است که در صورت وجود چنین پایابی خطر فرسایش کاهش مییابد. همانطور که قبلاً بیان گردید بحرانیترین حالت در هنگام بهرهبرداری زمانی پیش میآید که ارتفاع آب در بالای تاج سد لاستیکی از نواع بادی ۱٫۲H و در سدهای لاستیکی آبی به ۱٫۵H برسد. در این مرحله از بهرهبرداری و با تداوم افزایش حجم سیلاب سد لاستیکی از هوا یا آب تخلیه میگردد تا سیلاب راه خود در مسیر عادی رودخانه به پایین دست پیدا کند. اگر فرض شود که ارتفاع سد لاستیکی در حدود ۶ متر باشد ، لذا بیشینه مجاز ارتفاع آب در بالا دست سد نسبت به پایین دست به حدود ۹ متر میرسد که در مقیاس سرزیرهای سدهای متعارف کم و ناچیز است. لذا بنظر میرسد که اگر حتی عمق آب در پایاب صفر فرض شود ، ارتفاع این ریزش با سدهای متعارف قابل مقایسه نیست و به نظر میرسد که سازه حوضچه آرامش مورد نیاز در حدود سدهای کوتاه محسوب میشود.
حال اگر توجه شود که در بسیاری از سدهای لاستیکی ، ارتفاع سد در حدود ۴-۲ متر است، بدین ترتیب تراز بیشینه آب ۶-۳ متر میگردد و اگر فرض شود که عمق پایاب در چنین سدهای در حدود ۲-۱ متر باشد، ارتفاع کل ریزش آب به حدود ۴-۱ متر بالغ میشود. شرح این موارد کلی نشان میدهد که اصولاً این عمق ریزش آب کم و ناچیز است. از این رو سازه مربوط به حوضچه آرامش در این قبیل سدها یک سازه کوچک و معمولی است تا بتواند موجب استهلاک انرژی جریان گردد. باید گفت که یکی از مزیتهای عمده سدهای لاستیکی بر سدهای متعارف همین تغییر شکل سازه در مقابل سیلاب است که خود موجب رهاسازی جریان و عدم نیاز به سازه های بزرگ است.
در حالت کلی در صورتیکه سد بطور کامل ایستاده باشد، جریان عبوری معمولاً بصورت ریزشی به پایین دست جریان مییابد. لذا در این حالت با ایجاد یک حوضچه آرامش ساده با شیب کف کم یا نزدیک به صفر خطر فرسایش بکلی از بین میرود.
در طرح سازه سعی می شود تا عمق آب در پایاب از تاج سد لاستیکی پایینتر باشد تا مشکل استغراق جریان عبوری پیش نیاید. اما وجود آبشستگی و کنترل جهش آبی را تا اندازهای حل مینماید.
در صورتیکه شیب مسیر رودخانه در پایین دست کم و اندک باشد. بدلیل سرعت کم آب در رودخانه عمق پایاب افزایش مییابد و از طرفی چون باید در هنگام وقوع سیلاب از خطر سیلابگیری تراسهای مجاور جلوگیری شود، لذا در اینگونه مواقع باید از ایجاد دندانه یا هر گونه برجستگی در حوضچههای آرامش برای کاهش انرژی جلوگیری کرد. زیرا در شرایطی که سد بصورت خوابیده در آمده ، باید مسیر جریان کاملاً باز و آزاد باشد تا برگشت آب و امواج حاصله از برخورد جریان با زائدههای درون حوضچه موجب غرقابی اراضی ساحلی اطراف نشود. بطور معمول و در شرایط متوسط یک دال بتنی با حداکثر طول ۱۰-۵ متر با شیب کم یا نزدیک به صفر کافی به نظر میرسد.
در مواقعی که شیب بستر رودخانه یا مجرای جریان زیاد است ، برای کنترل طول جهش و یا استهلاک انرژی در صورت وجود آبرفت، میتوان با احداث یک کف بند بتنی با شیب کم یا نزدیک به صفر ریزش آب عبوری از تاج سد لاستیکی کنترل گردد و سپس با صفحات بتنی یا با استفاده از بلوکهای بتنی ، گابیونی کف حوضچه آرامش را به بستر رودخانه متصل مینمایند.
شاید بهتر است گفته شود که در واقع در سدهای لاستیکی با ساخت یک Plung pool کوچک انرژی جریان عبوری مستهلک میشود. شکل ۷-۳ نشان میدهد که چگونه بدون استفاده از حوضچه آرامش از سد لاستیکی بهرهبرداری شود.
دیوارههای بالی شکل در رودخانه
با احداث سدهای لاستیکی در مسیرهای آبرفتی که موجب بالا آمدن سطح آب نیز میشود، ممکن است لغزش و تخریب دیوارههای بالا دست و حتی پایین دست ساختگاه سد اتفاق بیافتد و این امر مشکلاتی در بهرهبرداری ایجاد میکند و از طرف دیگر موجب از بین رفتن اراضی کشاورزی در تراسهای رودخانهای در بالادست سد لاستیکی میشود.
بعلاوه با ایجاد سازه بتنی بالشتک و استقرار سد لاستیکی بر روی آن و با زبری و ناهمواری جدیدی که بر مسیر جریان رودخانه تحمیل شده ، پارامترهای هیدرولیکی جریان تغییر و برخورد خطوط جریان با این سازهها سبب جریانهای گردابی گشته که خود سبب آبشستگی و تشدید لغزش شیبهای کناری مجاور میگردد.
برای رفع این مشکل ایجاد سازههای غیر قابل فرسایش در کف و دیوارههای رودخانه در بالا و پایین دست رودخانه لازم و ضروری است. این دیوارهها و کف بندها که به عنوان بخش دیوارههای بالی شکل طرح محسوب میشود، موجب تقارب جریان میگردد و معمولاً از مصالح زیر ساخته شوند.
– دیوارههای بتنی مایل یا عمودی با کف سازی بتنی.
– استفاده از مصالح سنگ و ملات سیمان ، گابیون و یا اصطلاحاً سازههای توری سنگی.
– استفاده از بالشتک ژئوگرید که از شن و ماسه پر شده باشند.
– استفاده از مصالح سنگی و سنگریزهای همراه با توریهای از جنس پلیمرها.
طبیعی است که انتخاب مصالح بر اساس دوام ، کیفیت کار ، فراهمی مصالح ، سرعت عمل و هزینههای اجرائی خواهد بود. دیوارههالی بالی شکل (Wing wall) میتواند اثر کاملاً مناسبی برای هدایت خطوط جریان آب داشته باشد و به دلیل طلبیت آن از خطر فرسایش در امان خواهد بود. توسعه این دیوارهها معمولاً ۲۰-۱۰ متر در بالا دست و پایین برای هدایت جریان و رفع مشکلات هیدرولیکی کافی خواهد بود. بدیهی است که طبیعت منطقه طول پوشش را مشخص میکند.
اگر عرض ساختگاه از عرض رودخانه کمتر انتخاب شده است زاویه این دیوارهها با محور تقارن رودخانه در حدود ۱۵-۱۰ درجه انتخاب میشود و از آن طریق طول دیوار بالی شکل بدست میآید. استفاده از گیاهان برای تثبیت شیب دیوارهها در بالادست و پایین دست رودخانه در محل ساختگاه سد سبب کاهش سطح مقطع جریان ، کنده شدن و سقوط درختان و برخورد آن با لاستیک خواهد شد.
گاهی اوقات رفع مشکل لغزش شیبهای جناحین با احداث سازههای صلب ممکن نیست. در صورت احتمال لغزش شیب دیوارهها ، بایستی با استفاده از طغیان آب در هنگام بهرهبرداری از سد به شستشوی مواد اقدام کرد. بدیهی است در صورتیکه بدنه سد لاستیکی بصورت خوابیده در آمده و رسوب روی لاستیک جمع شده باشد، باید با شستشو و دفع مواد رسوبی و همچنین با دمیدن هوا و آب اجازه حرکت به لاستیک داده شود.
هنوز دیدگاهی وجود ندارد.
دیدگاهتان را بنویسید
بدون دیدگاه