تحصيلات تکميلي
پايان نامه کارشناسي ارشد در رشته عمران-مهندسي آب
عنوان:
بررسي تبعات شکست سد با نرم افزار MIKE11
(مطالعه موردي سد دز)
استاد راهنما:
دكتر غلامحسين اکبري
استاد مشاور:
مهندس مرتضي زرگر
تحقيق و نگارش:
الياس وحدت
(اين پايان نامه از حمايت مالي معاونت پژوهشي دانشگاه سيستان و بلوچستان بهره مند شده است)
شهريور1390
بسمه تعالي
اين پايان نامه با عنوان بررسي تبعات شکست سد با نرم افزار MIKE11، مطالعه موردي سد دز قسمتي از برنامه آموزشي دوره كارشناسي ارشدعمران- مهندسي آب توسط دانشجو الياس وحدت با راهنمايي استاد پايان نامه دکتر غلامحسين اکبري تهيه شده است. استفاده از مطالب آن به منظور اهداف آموزشي با ذكر مرجع و اطلاع كتبي به حوزه تحصيلات تكميلي دانشگاه سيستان و بلوچستان مجاز مي باشد.
(نام و امضاء دانشجو )

اين پايان نامه ……. واحد درسي شناخته مي شود و در تاريخ ………………….. توسط هيئت داوران بررسي و درجه ……………… به آن تعلق گرفت.
نام و نام خانوادگيامضاءتاريخاستاد راهنما:استاد راهنما:استاد مشاور: داور 1:داور 2:نماينده تحصيلات تكميلي:
تعهدنامه اصالت اثر
اينجانب الياس وحدت تعهد مي كنم كه مطالب مندرج در اين پايان نامه حاصل كار پژوهشي اينجانب است و به دستاوردهاي پژوهشي ديگران كه در اين نوشته از آن استفاده شده است مطابق مقررات ارجاع گرديده است. اين پايان نامه پيش از اين براي احراز هيچ مدرك هم سطح يا بالاتر ارائه نشده است.
كليه حقوق مادي و معنوي اين اثر متعلق به دانشگاه سيستان و بلوچستان مي باشد.
نام و نام خانوادگي دانشجو:
امضاء
تقديم به:
صباي عزيزم
و
پدر و مادر مهربانم
چكيده:
يکي از بزرگترين ريسکها در سد سازي، بحث شکست سد است که اگر به دقت شناخته شود و مطالعه در مورد آن صورت گيرد، ايمني در مورد شکست سد بوجود مي آيد و احتمال وقوع خرابي و متحمل شدن هزينه هاي زياد از بين مي رود. کاهش ريسک بايستي در تمامي ابعاد و براي کليه خطرات محتمل صورت پذيرد. در بررسي خطرات بايستي امکان هشدار و تخليه مردم در پائين دست در نظر گرفته شود. بنابراين کاهش ريسک ميتواند با برخورد جامع گرايانه، متعادل و کم هزينه گردد. در اين راستا مسائلي که مستقيما به سد مربوط نمي باشند مانند آبگرفتگي در پائين دست، بايستي به دقت مورد مطالعه قرار گيرند. توجه دقيق بايستي به عواملي مانند سرعت تخريب سد، عمق و سرعت جريان، فاصله سد از مراکز جمعيت، کارايي سيستم هشدار سيلاب و وضعيت اقليمي در شرايط سيلابهاي نادر معطوف شود. اين عوامل بعلاوه پارامترهاي ديگر، عواقب تخريب سد را معيين ميکنند با شناخت علل شکست سدها مي توان به چاره جويي مناسب براي اصلاح آنها پرداخت و قبل از طراحي، با شناخت آنها اقدام به طراحي صحيح نمود.
بررسي پيامدهاي ناشي از شکست سدها، از جمله مطالعاتي است که بر روي سدها ي ايران صورت مي گيرد و يا خواهد گرفت. اين موضوع بدليل قرار گيري بسياري از سدها در مجاورت مناطق مسکوني و شرايط خاص منطقه از نظر زلزله خيزي است. در اين تحقيق تبعات پديده شکست سد دز با نرم افزار MIKE11 مورد مطالعه قرار گرفت و با مقايسه نتايج با نتايج بدست آمده از روابط تجربي و همچنين نتايج بدست آمده از نرم افزارنمرود به اين نتيحه رسيديم که نرم افزار MIKE11 قادر است پهنه آبگرفتگيناشي از شکست سد را به خوبي مدل سازي کند.
كلمات كليدي: شکست سد – مدلسازي – MIKE11 – دز

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول، کليات1
1-1-مقدمه2
1-2-شکست هيدروليکي سدها2
1-3-بيان مسأله و هدف تحقيق3
1-4-شرح روش اجراي تحقيق :5
1-5-ساختار پايان نامه6
فصل دوم مروري بر مطالعات انجام شده :8
2-1-مقدمه9
2-2-اهميت بررسي مساله شکست سد :9
2-3-نمونه هايي از سدهاي شکسته شده در جهان9
2-4-بررسي عوامل ايجاد كننده شكست سدها 11
2-4-1- دسته‌بندي مكانيزم‌هاي شكست از نظر فراواني وقوع12
2-4-2-يافته هاي حاصل از مطالعات شكست سدها14
2-5-پيش بيني پارامترهاي شکافت15
2-5-1- روشهاي موجود براي پيشبيني پارامترهاي شکافت17
2-5-2-پيش بيني جريان خروجي پيک با دادههاي مطالعه موردي18
فصل سوم: روابط و معادلات حاكم بر مسئله شكست سد20
3-1-مقدمه21
3-2-معادلات حاکم بر مساله شکست21
3-3- روش حل معادلات22
3-3-2-شرايط مرزي24
3-3-3- شرط مرزي باز25
3-3-4- شرط مرزي منبع نقطه‌اي25
3-3-6- شرط مرزي سراسري26
3-3-7- شرط مرزي بسته26
فصل چهارم: معرفي مدل رياضي مورد استفاده27
4-3- نرم‌افزارهاي موجود29
4-4- انتخاب مدل رياضي مناسب31
4-5-1- نرم افزار MIKE1132
4-5-2- مدل هيدروديناميك(H D)34
4-5-3- معادلات حاكم34
4-5-4- تعريف مقاطع عرضي34
4-5-5- شبکه محاسباتي36
4-5-5-1-توصيف کلي36
4-5-5-2- انتخاب منطقه مدلسازي37
4-5-5-3- انتخاب فاصله نقاط (?X)37
4-5-5-4- شرايط پايداري37
4-5-5-5- مدل شكست سد38
4-6-مروري بر راهنماي کاربردي مدل MIKE 1139
4-6-1-ويرايشگر شبکه رودخانه:39
4-6-1-1- نمايش گرافيکي 40
4-6-1-2- نمايش جدولي40
4-6-2- وايشگر مقطع عرضي42
4-6-2-1- ورود اطلاعات خام مقطعي عرضي42
4-6-2-2- تعيين نوع مقطع عرضي43
4-6-3- ويرايشگر شرايط مرزي44
4-6-3-1- پنجره شرايط مرزي44
4-6-3-2- بررسي انواع شرايط مرزي45
4-6-4- ويرايشگر هيدروديناميک48
4-6-4-1- آشنايي با پنجره پارامترهاي هيدروديناميک49
3-3-4-2 تعيين پارامترهاي هيدروديناميکي مدل51
4-6-5- مدل سازي52
4-6-5-1- مدل ها52
4-6-5-2- ورودي ها53
4-6-5-3- شبيه سازي54
4-6-5-4- نتايج54
4-6-5-5- شروع شبيه سازي55
فصل پنجم: معرفي مطالعه موردي56
5-1- مقدمه57
5-2- سيستم رودخانه كارون و دز57
5-2-1-رودخانه‌ كارون‌57
5-2-2- رودخانه‌ دز58
5-2-2-1- رودخانه سزار59
5-2-2-2- رودخانه بختياري60
5-2-2-3ـ رودخانه‌ بالارود60
5-2-2-4 ـ رود خانه‌ شاوور60
5-3- ايستگاههاي آبسنجي حوضه آبريز كارون و دز61
5-4- مشخصات سدهاي مخزني سيستم رودخانه کارون و دز64
5-4-1- سد دز64
5-5- اطلاعات موجود70
5-5-1- مقاطع عرضي70
5-5-2- تهيه نقشه DEM منطقه71
5-5-3- گسترش مقاطع عرضي72
5-5-4- مسير رودخانه ها74
5-5-4-1- رودخانه هاي دز و بالارود75
5-5-4-2- رودخانه كارون575
فصل ششم: کاربرد مدل رياضي878
6-1- مقدمه79
6-2- متدولوژي080
6-3- مدل رياضي تهيه شده181
6-3-1- مسير رودخانه181
6-3-2- مقاطع عرضي84
6-3-3- شرايط مرزي585
6-3-3-1- شرط مرزي بالادست585
6-3-3-2- شرط مرزي پايين دست:686
6-3-4- شرايط اوليه898
6-3-6- ضريب مانينگ معرفي شده به مدل رياضي696
6-4- تعيين سناريوهاي مختلف شکست سد898
6-5- ارائه نتايج1101
6-5-1- دبي پيک شکست سد سناريوهاي مختلف1101
6-5-2- رونديابي سيلاب ناشي از شکست سد دز4103
فصل هفتم: نتايج و پيشنهادات111
7-1- نتايج2112
7-2- پيشنهادات3113
فهرست جدول ها
عنوان جدول صفحه
جدول 2-1. نمونه هايي از سدهاي شکسته شده در دنيا………………………………………………………………………………..10
جدول2-2. عوامل مختلف ايجاد کننده شکست سد11
جدول 2-3. آمار درصد وقوع شکست بر اساس نوع شکست12
جدول 2-4. نتايج حاصل از تحقيقات لوکولا برروي سدهاي چين13
جدول 2-5. رابطه بين سن سد و درصد عوامل تخريب سد14
جدول 4-1. برخي از مدل‌هاي متعارف در مطالعات شكست30
جدول 4-2. ويرايشگرهاي مورد استفاده در نرم افزار MIKE 11 جهت مدلسازي هيدروليك33
جدول 4-3. مدولهاي موجود در نرم افزارMIKE 11،33
جدول (5-1)- مشخصات ايستگاههاي آبسنجي رودخانه كارون در سرشاخه ها62
جدول ( 5-2)- مشخصات ايستگاههاي هيدرومتري حوضه آبي رودخانه دز در سرشاخه ها 63
جدول (5-3)- خلاصه مشخصات سد مخزني دز67
جدول (5-4)- مقادير عددي حجم – ارتفاع سد مخزني دز در طي سالهاي مختلف68
جدول (5-5)- دبي اشل سرريز سد مخزني دز(دبي برحسب متر مكعب بر ثانيه)69
جدول (6-2)- مقادير ضريب زبري ضريب زبري بر اساس تجربيات چاو براي آبراهه‌هاي طبيعي191
جدول (6-3)- مقدار ضريب زبري پايه بر اساس روش SCS393
جدول(6-4)- زبري اضافي مربوط به موانع عمودي393
جدول (6-5)- ضريب مربوط به پيچش مسير كانال393
جدول (6-6)- زبري اضافي براي پوشش گياهي494
جدول (6-7)- زبري اضافي براي تغييرات در اندازه مقطع و شكل كانال (ANONMOUSO1963B)595
جدول (6-8)- زبري اضافي براي نامنظمي سطح كانال595
جدول (6-9)- مقادير زبري رودخانه هاي كارون و دز در ساير مطالعات797
جدول (6-11) – مقاديرحداکثر دبي در محل سد به ازاي سناريو هاي مختلف شکست2101
جدول (6-12)- مقادير پيک سيلاب ناشي از شکست سد دز بر اساس روابط تجربي موجود2102
جدول (6-13) – مقادير حداکثر سيلاب ناشي از شکست به ازاي سه سناريو4104
فهرست شكل ها
عنوان شكل صفحه
شکل 1-1. شکست سد بتني مالپاست- فرانسه 3
شکل 2-1. پارامترهاي فيزيکي شکافت15
شكل 3-1. كانال و شبكه نقاط محاسباتي22
شكل 3-2. الگوريتم 6 نقطه‌اي ابوت مربوط به معادله پيوستگي1
شكل 3-3. الگوريتم 6 نقطه‌اي ابوت مربوط به معادله اندازه حركت 1
شكل 4-1. امتداد دادن سطح مقطع براي محاسبه پارامترهاي هيدروليكي36
شكل (5-1) موقعيت كلي حوضه كارون و دز …………………………………………………………………………………………………….64
شكل (5-2)- نمايي از سد دز و سرريز آن66
شكل (5-3)- منحني حجم ارتفاع مخزن سد دز در سال 200269
شكل (5-4)- منحني دبي اشل مجموع سرريزهاي سد دز070
شكل (5-5)- مقطع عرضي گسترش يافته رودخانه دز در كيلومتر446/25373
شكل (5-6)- مقطع عرضي گسترش يافته رودخانه كارون در كيلومتر851/97373
شكل (5-7)- مقطع عرضي گسترش يافته رودخانه كارون در كيلومتر698/117474
شكل (5-8)- مسير شماتيك رودخانه هاي دز و كارون474
شكل (5-9)- پروفيل طولي رودخانه دز575
شكل (5-10)- پرفيل طولي رودخانه گرگر676
شكل (5-11)- پرفيل طولي رودخانه شطيط777
شكل (5-12)- پرفيل طولي رودخانه كارون در بازه بند قير تا اهواز777
شکل (6-1) مسير کل رودخانه هاي کارون و دز به همراه سد مخزني دز83
شكل (6-2)- موقعيت شماتيك مقاطع عرضي زده شده در مخزن سد دز484
شكل (6-3)- مقطع مخزن نمونه سد دز در كيلومتر 899/11 از ابتداي مخزن سد484
شكل (6-4)- هندسه سه بعدي مخزن سد دز585
شكل (6-5)- تغيير ات تراز سطح آب در سال 2007 ميلادي در ايستگاه آبفاي خرمشهر888
شكل (6-6)- تغيير ات تراز سطح آب در سال 2007 ميلادي در ايستگاه 11 آبادان888
شکل (6-7)- هيدروگراف ناشي از شکست سد دز به ازاي سناريو اول3103
شکل (6-8)- هيدروگراف ناشي از شکست سد دز به ازاي سناريو دوم3103
شكل (6-9)- پروفيل سطح آب سد دز و پايين دست آن 1 ساعت بعداز شكست در سناريو اول5105
شكل (6-10)- پروفيل سطح آب سد دز و پايين دست آن 1 ساعت بعداز شكست در سناريو دوم5105
شكل (6-11)- پروفيل سطح آب سد دز و پايين دست آن 2 ساعت بعداز شكست در سناريو اول6106
شكل (6-12)- پروفيل سطح آب سد دز و پايين دست آن 2 ساعت بعداز شكست در سناريو دوم6106
شكل (6-13)- پروفيل سطح آب سد دز و پايين دست آن 6 ساعت بعداز شكست در سناريو اول7107
شكل (6-14)- پروفيل سطح آب سد دز و پايين دست آن 6 ساعت بعداز شكست در سناريو دوم8107
شكل (6-15)- هيدروگراف سيلاب ناشي از شكست سد دز در سناريو اول8108
شكل (6-16)- هيدروگراف سيلاب ناشي از شكست سد دز در سناريو دوم در محدوده رودخانه دز8108
شكل (6-17)- هيدروگراف سيلاب ناشي از شكست سد دز در سناريو اول9109
شكل (6-18)- هيدروگراف سيلاب ناشي از شكست سد دز در سناريو دوم9109
فهرست علائم
Aسطح مقطع جريانCعمق جريانdعمق جريانhتراز آب نسبت به يک تراز مبناnضريب زبري مانينگQدبي جريانqدبي در واحد طول برداشتRشعاع هيدروليكيVسرعت جريانX مختصات طولي در امتداد رودخانه
?a چگالي هوا
فصل اول
کليات
1-1- مقدمه
همه ساله در نواحي مختلف جهان خسارات جاني و مالي جبران ناپذيري بر اثر وقوع حوادث غير مترقبه مانند سيل به جوامع بشري وارد مي گردد. خوشبختانه در کشور ما با احداث سدهاي مخزني بزرگ بر روي برخي رودخانه هاي مهم کشور مانند دز به ميزان قابل توجهي از ميزان اين خسارات کاسته شده است. اما بايد به اين نکته توجه داشت که در اثر شکست اين سدهاي مخزني بزرگ نيز خسارات جبران ناپذيري به نواحي پايين دست آنها وارد مي گردد. لذا شبيه سازي هيدروليکي پديده شکست سد، جهت برآورد خسارت، بر نامه ريزي صحيح و تدارک فعاليتهاي امدادي در محدوده اثر اين واقعه از اهميت خاصي برخوردار مي باشد. خسارات بسيار زياد ناشي از شكست سد بخصوص در رابطه با سدهايي كه در نزديكي شهرهاي بزرگ احداث مي شوند، لازم است كه همزمان با مطالعه و طراحي بخشهاي مختلف سد در نظر گرفته شود ]6 [.
1-2- شکست هيدروليکي سدها
سيلاب ناشي از شكست سدهاي بزرگ خرابي و مصيبت زيادي را در دو قرن اخير سبب شده است شكست سد و جريان خروجي ناشي از آن به عنوان يكي از مهمترين مطالعات پژوهشي در بسياري از كشورها و موسسات تحقيقاتي بوده و در حال حاضر نيز ادامه دارد. شكست سدهاي بتني مي تواند به علت پديده هاي سرريز شدن از روي سد بدليل ناتواني ظرفيت تخليه سرريز، تراوش، اثر زلزله، ايجاد موج ضربه اي در اثر ورود توده لغزشي به داخل مخزن و يا در اثر خرابكاري صورت گيرد.
پس از وقوع اين پديده ها و ايجاد شکافت اوليه در بدنه سد و عبور جريان از ميان شکافت ايجاد شده به مرور زمان شکافت اوليه به کل بدنه يا بخش اعظم آن گسترش يافته و سبب تخريب آن مي گردد. البته در سدهاي بتني اين پديده معمولا به صورت ناگهاني و در زمان اندکي اتفاق مي افتد. در شکل (1-1) شکست سد بتني مالپاست 1 – فرانسه نشان داده شده است.

شکل 1-1. شکست سد بتني مالپاست- فرانسه [2]
1-3- بيان مسأله و هدف تحقيق
به دو طريق مي توان دبي پيك سيل ناشي از شكست سد بتني را پيش بيني نمود . يكي آنكه رابطه اي تجربي بين برخي پارامترها مانند حجم، عمق و … برقرار نمود و از طريق رگرسيون بين داده هاي جمع آوري شده مدلي آماري براي محاسبه دبي پيك ارئه كرد.روش دوم استفاده از كامپيوتر و مدلهاي فيزيكي براي شبيه سازي ايجاد شكست در سد و رها شدن آب موجود در مخزن آن است. روابط رگرسيوني در تسريع كار و در مواردي كه دادها در دست نيست، لازم هستند اما بزرگي سيل را با تخمين زياد پيش بيني مي كنند . اين روا بط بويژه در طراحي سازه هاي خاكي براي در نظر گرفتن نكات ايمني مفيد به نظر مي آيند .روشهاي محاسباتي فعلي مدلهاي كاملا فيزيكي به تمام معنا نبوده و در جاهائي به تخمين متوسل مي شوند .علاوه بر آن اين قبيل روشها بسيار پر زحمت بوده و نياز به اطلاعات زيادي در مورد سازه، ويژگي هاي مصالح، سيستم رودخانه اي و… دارند.
با استفاده از مدلسازي رياضي اين پديده مي توان يک تخمين بسيار مناسب از ميزان دبي پيک و تراز آب رودخانه در نواحي مختلف پايين دست سد به ازاي سناريو هاي مختلف مانند شکست آني يا تدريجي سد با صرف کمترين هزينه بدست آورد. براي اين كار مي بايستي هيدروگراف خروجي ناشي از شكست سد با توجه
به نوع شكست مشخص گشته سپس با توجه به مورفولوژي پايين دست رونديابي و پهنه بندي سيلاب مشخص گردد. همچنين مي توان با استفاده ازنتايج مدلسازي و سيستم اطلاعات جغرافيايي GIS ميزان خسارات ناشي از شکست سد را که به اراضي کشاورزي، شهر ها و روستاهاي پايين دست وارد خواهد شد، برآورد کرد، که مي تواند جهت برنامه ريزي فعاليتهاي آينده در محدوده رودخانه ها بسيار مفيد باشد . به طور کلي در بررسي پديده شکست سد بايد نکات زير را مورد توجه قرار داد ]6 [:
1- تخمين درست هيدروگراف ناشي از شکست سد
2- رونديابي سيلاب ناشي از شکست سد در رودخانه پايين دست و تهيه نقشه پهنه سيلاب آن
3- تعيين مناطق در معرض خطر
4- تهيه برنامه فعاليتهاي امدادي به ترتيب اولويت
مدل هاي رياضي از نظر بعد به پنج گروه تقسيم مي شوند :
1- مدل يک بعدي 2- مدل شبه دوبعدي 3- مدل دو بعدي 4- مدل شبه سه بعدي 5- مدل سه بعدي
در مدل يک بعدي معادلات جريان يک بعدي در راستاي اصلي جريان حل شده و متوسط پارامترهاي جريان در هر مقطع عرضي محاسبه گرديده و توزيع عرضي يا عمقي سرعت در نظر گرفته نمي شود.
در مدل شبه دو بعدي محدوده عرضي راستاي اصلي جريان به تعدادي از لوله هاي جريان و به موازات يکديگر تقسيم مي گردد. معادلات يک بعدي در راستاي لوله هاي جريان حل شده و متوسط پارامترهاي جريان در هر مقطع در جهت عرضي نيز محاسبه مي گردد.
در مدل دو بعدي معادلات ديفرانسيل دو بعدي در سيستم مختصات سطح افق يا سطح قائم با استقرار شبکه عددي حل مي گردد.
در مدل شبه سه بعدي معادلات ديفرانسيل دو بعدي با مختصات طول و عرض، در سطوح متوالي افقي-در امتداد عمق با استقرار شبکه عددي حل مي گردد.
در مدل سه بعدي معادلات ديفرانسيل سه بعدي در سيستم مختصات طول، عرض و عمق با استقرار شبکه عددي حل مي گردد.
پديده شکست سد از نظر هيدروليکي يک پديده بسيار ناپايدار بوده و جهت شبيه سازي عددي آن نياز به مدل رياضي بسيار قوي مي باشد. به طور کلي در پديده شکست سد از مدلهاي سه بعدي تنها در محدوده شکست سد و جهت تخمين بهتر هيدروگراف شکست سد، از مدلهاي دوبعدي در محدوده شکست و نواحي پايين دست نزديک سد جهت تعيين دقيق پهنه سيلاب ناشي از شکست سد و از مدلهاي يک بعدي در نواحي دوردست پايين سد جهت تعيين پهنه سيلاب ناشي از شکست سد استفاده مي گردد. همچنين اکثر مدلهاي رياضي موجود به دليل ضعف عمده در پيش بيني سرعت و روند گسترش شکافت ايجاد شده در بدنه سد خصوصا در سدهاي بتني، پديده شکست سد را به صورت آني فرض مي کنند ]6 [.
اما استفاده از مدلهاي سه بعدي و دوبعدي در نواحي نزديک به بدنه سد نياز به حجم اطلاعات بسيار زيادي داشته که بسيار مشکل و زمان بر مي باشد. لذا عمدتا در مسائل کاربردي جهت مدلسازي شکست سد از نرم افزارها و مدلهاي يک بعدي استفاده مي گردد. البته استفاده از مدلهاي يک بعدي جهت مدلسازي اين پديده چندان خالي از اشکال نبوده و در صورتيکه اطلاعات توپوگرافي مناسبي براي اين مدلها فراهم نگردد نتايج پهنه سيلاب ناشي از آنها خصوصا در محدوده نزديک به بدنه سد داراي خطاها و اشکالات فراواني مي باشد. لذا در اين تحقيق تلاش خواهد شد با بهره گيري از نرم افزار يک بعدي MIKE11 و زير مدل شکست سد آن پديده شکست سدهاي بتني در سناريوهاي مختلف که در ادامه تشريح خواهد شد و در مطالعه موردي کاربرد اين نرم افزار براي رودخانه دز و شکست سد مخزني دز به عنوان آخرين سد موجود بر روي اين رودخانه بررسي گردد.
اين نرم افزار جريان عبوري از مقطع شكسته شده سد را مانند جريان عبوري از بالاي يك سرريز عريض به دو روش مختلف در نظر مي گيرد : در روش اول مقطع شكست سد با زمان تغيير مي كند و در روش دوم جريان عبوري از بالاي تاج سد و جريان عبوري از مقطع شكست به صورت جداگانه محاسبه مي شوند.اين مدل مي تواند شكاف ايجاد شده در سد را به صورت تدريجي يا آني با استفاده از روابط انتقال رسوبات براي سدهاي خاکي يا سري زماني شكست سد تعريف شده توسط استفاده کننده براي سدهاي بتني، گسترش دهد تا سد به طور كامل نابود شده و از بين برود ]11،12 [.
1-4- شرح روش اجراي تحقيق :
رودخانه دز يکي از بزرگترين و پرآب ترين رودخانه ايران مي باشد كه در حوضه آبريز خليج فارس و درياي عمان جاري است. از رودخانه هاي كارون و دز كارون حدود 880 مقطع عرضي به فواصل تقريبي 1 تا 2 كيلومتر در اختيار مي باشد كه در قالب طرحهاي مختلف ساماندهي آبراهه كارون و حريم و بستر رودخانه كارون از سوي سازمان آب و برق خوزستان به عنوان كارفرماي پروژه ها برداشت شده است ]10[ . در اين تحقيق از مقاطع برداشت شده حد فاصل سد دز تا شهر اهواز استفاده خواهد شد. متاسفانه بازه بين سد مخزني تا سد تنظيمي دز به طور تقريبي 28 كيلومتر فاقد مقاطع عرضي مي باشد. لذا جهت تهيه مقاطع عرضي ابن بازه از نقشه هاي توپوگرافي 1:25000 و DEM3 منطقه استفاده خواهد شد. همچنين جهت معرفي هندسه مخزن سد دز به مدل نيز از نقشه هاي توپوگرافي 1:5000 مخزن سد استفاده خواهد شد.
به دليل آنکه تا کنون در حوضه کارون و دز پديده شکست سد حادث نشده است امکان کاليبراسيون دقيق پديده شکست سد وجود ندارد و بايد مدل تهيه شده را به چند بخش تقسيم و براي هر کدام از بخشها به صورت جداگانه مدل تدقيق گردد. همانطور که پيشتر اشاره گرديد معمولا در پديده شکست سد بايد موارد زير بررسي گردد:
– تخمين درست هيدروگراف ناشي از شکست سد
– رونديابي سيلاب ناشي از شکست سد در رودخانه پايين دست و تهيه نقشه پهنه سيلاب آن
– تعيين مناطق در معرض خطر
جهت اطمينان از نتايج مدل جهت پيش بيني هيدروگراف ناشي از شکست سد، ابتدا نتايج حاصل از مدل MIKE11 به ازاي يک مسئله ساده با حل تحليلي پديده شکست سد مقايسه خواهد شد و پس از اطمينان از صحت نتايج آن، آناليز حساسيت بر روي پارامترها تاثير گذار هيدروگراف ناشي از شکست سد دز انجام خواهد شد و تلاش خواهد شد هيدروگراف حاصل در سناريو منتخب با نتايج حاصل از روابط تجربي موجود براي اين پديده و کارهاي انجام شده توسط ديگران مقايسه و کنترل گردد.
جهت تعيين ضريب زبري رودخانه و سيلاب دشتهاي آن و کاليبراسيون رونديابي سيلاب ناشي از شکست سد در رودخانه پايين دست و تهيه نقشه پهنه سيلاب آن از روابط تجربي و کارهاي انجام شده در گذشته استفاده خواهد شد.
نهايتا هيدروگراف سيلاب ناشي از شکست سد دز در رودخانه دز روند يابي و نتايج حاصل از اين رودنديابي به ازاي نقاط مختلف رودخانه کارون و دز تعيين خواهد شد.
1-5- ساختار پايان نامه
كارهاي انجام شده در اين تحقيق در هفت فصل آمده است. فصل اول شامل کليات موضوع، هدف تحقيق و
روش بررسي آن مي‌باشد. در فصل دوم شرح مختصري از مطالعات انجام شده بر روي پديده شکست سد و نتايج برخي كارهاي نمونه انجام شده با نرم‌افزارهاي مختلف از جمله نرم افزار MIKE11 ارائه شده است. در فصل سوم روابط و معادلات حاکم بر پديده شکست سد تشريح خواهد شد. درفصل چهارم ابتدا شرح مختصري از مدلهاي موجود جهت مدلسازي پديده شکست سد ارائه و سپس روابط، معادلات و روش حل مدل منتخب مورد استفاده ارائه شده است.
در فصل پنجم به معرفي مطالعه مورد (رودخانه دز و سد دز) پرداخته شده است. در فصل ششم فرآيند مدلسازي مطالعه موردي ارائه شده است. در فصل هفتم نيز نتايج تحقيق و پيشنهادات مطالعات آينده ارائه خواهد شد.
فصل دوم
مروري بر مطالعات انجام شده
2-1-مقدمه
در اين فصل ابتدا تاريخه مطالعات انجام شده بر روي پديده شکست سد، به همراه روابط تجربي موجود جهت پيش بيني ابعاد حفره ايجاد شده در سد و دبي پيک ناشي از شکست سد بررسي شده است و علل شکست سدهاي مختلف در جهان ارائه شده است.
2-2-اهميت بررسي مساله شکست سد :
شکست سد بالدوين هيلز در سال 1964 نزديک لوس آنجلس، کاليفرنيا و شکست سد سَن فرناندو در 1971، ايالت کاليفرنيا را وادار به وضع قانون لزوم تهيه نقشههاي پهنه بندي سيل در اثر شکست سد توسط مالکان سدها کرد. از اين رو نياز به روشهاي توسعه يافته براي تخمين هيدروگراف شكست سد بوجود آمد. پيش از تصويب قانون کاليفرنيا روشهاي بسيار کمي درباره تخمين هيدروگراف خروجي شكست سد منتشر شده بود ]13[ .
شکست بيشمار سدها در ميانه دهه 70 ميلادي شامل سد بوفالو (1972)، سد تيتون (1976), سد لورل ران و سد سندي ران (1977) و سد کِلي بارنِس (1977) منجر به بازبيني گسترده برنامه اصلاح ايمني سدها شد. خيلي از بررسيها توصيه کردند که برنامهريزي براي آمادگي اضطراري با نقشههاي پهنه سيل بايد مورد تاکيد قرار گيرند. رهنمودهاي فدرال براي ايمني سدها مورخ 25 ژوئن 1979, اظهار داشتند که نقشههاي پهنه سيل بايد تهيه شوند. اين رويدادها نياز به روشهاي توسعه يافته براي تخمين هيدروگراف خروجي ناشي از شكست سدها را روشن ساخت ] 13 [.
2-3-نمونه هايي از سدهاي شکسته شده در جهان
دانش سد سازي بر پايه استفاده از تجارب ديگران استوار است. لذا در اين بخش شكست برخي سدهاي معروف در جهان بررسي شده است و دلايل شكست هر كدام از آنها به طور خلاصه ارائه شده است. در جدول (2-1) ليست برخي سدهاي شكسته شده مهم در دنيا ارائه شده است. همانطور كه در اين جدول ملاحظه مي گردد سد تيتون با ارتفاع حدود 93 متر از رودخانه معروفترين سدي است كه در امريكا شكسته شده است.
جدول 2-1. نمونه هايي از سدهاي شکسته شده در دنيانام سدنوع سدارتفاع سد (متر)نام کشورسال ساختسال شکست سدعلت شکستتلفات جاني(نفر)ميزان خسارت (ميليون دلار)Austin Damبتني15.5آمريکا1909سپتامبر 1911روگذري از سد، وجود عيب در فونداسيون7888Baldwin Hills Damخاکي20.1آمريکا1951دسامبر 1963ترك برداشتن بدنه سد و ايجاد حفره در بدنه سد5011Bellucci Damخاکيروماني19621991شكست دريچه موجب روگذري و شكست سد شد78Bilberry Damخاکيبريتانيا1843فوريه 1852كيفيت ضعيف ساخت81Blackbrook Damخاکيبريتانيا17971799نشست سد و ناكافي بودن گنجايش سرريزBuffalo Creek Damخاکي14آمريکا1972فوريه 1972روگذري از سرريز سد بعلت حجم زياد سيلاب12550Castlewood Damمصالح بنايي21.3آمريکا1890آگوست 1933كيفيت ضعيف فونداسيون21Dale Dyke Damخاکيبريتانيا1863مارس 1846كيفيت ضعيف ساخت150Glashutte Damخاکيآلمان1953اگوست 2002روگذري از سد، بعلت گنجايش ناكافي سرريزHabra Damمصالح بنايي35.5الجزاير1973دسامبر 1981روگذري از سرريز، بعلت ناكافي بودن گنجايش سرريز209Kelly Barenes DAmخاکي12.2آمريکا1948نوامبر 1977پديده رگاب 3093Lawn Lake Damخاکي8آمريکا197919823Malpasset Damبتني دوقوسيفرانسه1958دسامبر 1959زيرفشار421Mohne Damمصالح بنايي36.5آلمان1913مي 1943بمباران نيروگاه مجاورسد1300Puentes Damمصالح بنايي50اسپانيا1785آوريل 1802شكست شمعهاي چوبي فونداسيون608Teton Damخاکي93آمريکا19761976در آستانه تكميل كار سد، بعلت وجود ترك وپديده رگاب در خاكريز، سد شكسته شد11400Tous Damخاکي50اسپانيا19771979روگذري و واژگوني سدWalanut Grove Damبتني33.5آمريکا1888189085Williamsburg Damبتني13آمريکا1873مي1874138South Fork Damخاکي22آمريکا1888مي 18892209Zeyzoun Damخاکيسوريه19962004تخريب بدنه خاكريز22
2-4- بررسي عوامل ايجاد كننده شكست سدها ]2[
شكست سد مي‌تواند تحت اثر عوامل طبيعي و تصادفي و يا عمدي بوجود آيد. تخريب‌هاي طبيعي ناشي از وقايع طبيعي پيشبيني نشده از جمله بارش‌هاي غير متعارف و سيل ناشي از آن، زمين لرزه، نشست‌هاي نامتقارن، لغزش زمين و يا بدنه، نشت شرياني4، تراوش از بدنه، سرريزي، برخورد موج با بدنه و يا عوامل ديگر، مي‌باشد. شكست سد در اثر عوامل انساني و يا عمدي مي‌تواند شامل مواردي از جمله هر گونه خرابكاري، بمبگذاري و يا انفجار، ضعف سازه‌اي، اشتباهات طراحي، بهره‌برداري غلط مخزن و تخريب بدنه باشد. در جدول (2-2) عوامل مختلف ايجاد شكست بسته به نوع بدنه، در سه نوع سد خاكي، وزني و قوسي ارائه شده است.
جدول2-2. عوامل مختلف ايجاد کننده شکست سد ]2[
نوع سدنوع تخريبسدهاي خاكيهيدروليكي (سرريزي)زهابتخريب پياثر موجسدهاي وزنيلغزش سدواژگونيتخريب پيسدهاي قوسيلغرش صخره‌اي 5بارهاي فوق العاده ناشي از سيل‌هاي پيش‌بيني نشدهتخريب برشيسرريزي خارج از بدنه
2-4-1- دسته‌بندي مكانيزم‌هاي شكست از نظر فراواني وقوع ]2[
با توجه به برخي اطلاعات موجود تا سال 1971 ، آمار درصد وقوع شكست بر اساس نوع شكست در جدول (2-3) ارائه شده‌است. پنمن در 1986 سه عامل فرسايش در اثر سرريزي، لغزش‌هاي چرخشي و فرسايش‌هاي داخلي را به عنوان عوامل اصلي تخريب سدها بيان مي‌كند. برگا در 1992 اشاره مي‌كند كه 40 درصد وقايع تخريب‌ سد در اثر تجاوز سيل از مقدار سيل طراحي سرريز اتفاق افتاده است. لوكولا در 1993 با بررسي سدهاي چين نشان مي‌دهد كه عمده تخريب‌ها در اثر بارش‌هاي پيش بيني نشده و پايين‌بودن معيارهاي طراحي بوده است نتيجه تحقيقات وي در جدول (2-4) ارائه شده است. در اين جدول يك دسته عوامل اصلي تعيين و مواردي به عنوان عوامل وابسته به عنوان زير مجموعه عوامل اصلي در نظر گرفته شده است. در جدول (2-5) نيز رابطه سن سازه‌اي سد و درصد وقوع عوامل مختلف شكست سد ارائه شده است. اين جدول نشان مي‌دهد خطرات نشت در سال‌هاي اوليه بيشتر وجود دارد اين در حالي است كه مشكلاتي از قبيل سرريزي تقريبا در هر زماني از طول عمر سد احتمال وقوع دارد.
جدول 2-3. آمار درصد وقوع شکست بر اساس نوع شکست ]2[
نوع تخريبدرصد وقوع تا سال 1971مشكل پي40مشكل سرريز23مشكل سازه ضعيف12نشست پيشبيني نشده10بالا بودن فشار منفذي5جنگ3ايجاد لغزش در مخزن2مصالح نا مناسب2بهره برداري غلط2زلزله1
جدول 2-4. نتايج حاصل از تحقيقات لوکولا برروي سدهاي چين ]2[
رديفعوامل تخريب در صدهاي چيندرصد وقوع1سرريزيامكانات غير كافي براي سرريز42تجاوز سيل از معيارهاي طراحي5/92مشكلات نشت آبنشت از بدنه7/22نشت از فنداسيون3/1نشت از اطراف سرريز6/0نشت از اطراف تونل5/43مشكلات سازه‌ايلغزش بدنه سد6/2مشكلات كيفي سرريز6مشكلات كيفي تونل8/04مديريت غير صحيح بهره‌برداريعدم رعايت استاندارد ذخيره‌سازي در دوره ذخيره براي كنترل سيل1/1ضعف تجهيزات3/1تاخير در باز شدن دريچه سرريز به علت صدمه ديدگي5/0عدم مديريت بهره‌برداري3/15ساير مواردانسداد سرريز به علت لغزش ديواره‌هاي مخزن7/1ضعف طرح عمومي پروژه6/0
جدول 2-5. رابطه بين سن سد و درصد عوامل تخريب سد ]2[
عمر سد از زمان ساختدرصد عامل صدمه و يا تخريبسرريزينشت مجراييتراوش پيلغزش0-192316291-5175034245-1099131210-20309131220-30139121230-4010561140-50946050-603000
2-4-2-يافته هاي حاصل از مطالعات شكست سدها
– ابعاد سد و ظرفيت مخزن : بيشتر شكست سدها مربوط به سدهاي با ارتفاع متوسط بوده است. حدود 70 دردصد از اين سدها با ارتفاع كمتر از 15 تا 30 متر ارتفاع بوده كه حجم مخزن آنها بيش 1 ميليون متر مكعب بوده است.
– شكست سد ها بر حسب ارتفاع سد: نتايج مطالعات انجام شده نشان مي دهد كه حادثه شكست سدها بطور قابل ملاحظه‌اي در سدهاي با ارتفاع كمتر از 30 متر بيشتر از سدهاي با ارتفاع بيشتر از 60 متر بوده است.
– شكست سدها بر حسب نوع سد: بر اساس تحقيات انجام شده بيشتر تعداد سدهاي شكسته شده مربوط به سدهاي خاكي بوده است.
– شكست سدها به لحاظ عدم كاركد سازه هاي جانبي آنها: در سدهائيكه سازه هاي جنبي باعث شكست آنها شده اند، عدم كفايت سرريز از عمده ترين عوامل موثر شكست بوده است.
– اقدامات انجام شده پس از تخريب: بر اساس نتايج موجود 50 سد از 140 سد شكسته شده بحالت خود باقمانده است. 24 سد از 140 سد با طرح جديد در محل دوباره ساخته شده اند. 22 سد از 140 سد با طرح قبلي دوباره ساخته شده اند و در 18 سد از 140 سد بازسازي نواحي خراب شده صورت گرفته است.
اصلي ترين دليل بررسي شکست سدها تعيين ميزان حداکثر دبي خروجي بر اثر شکست مي باشد. در تعيين اين ميزان عوامل مختلفي وجود دارد که مهمترين آن پارامتر شکافت مي باشد.در ادامه به صورت اجمالي به توضيح اين بخش مي پردازيم.
2-5-پيش بيني پارامترهاي شکافت
پارامترهاي مورد نياز براي توصيف فيزيکي آن شامل عمق، عرض و شيب کناره هاي شکافت به علاوه پارامترهايي که زمان شروع و توسعه شکافت را تعريف ميکنند, هستند. در شکل (2-1) پارامترهاي فيزيکي شکافت نشان داده شده اند.
شکل 2-1. پارامترهاي فيزيکي شکافت
عمق شکافت:
اين پارامتر در تعداد زيادي از منابع منتشر شده اشاره به ارتفاع شکافت دارد. محدوه عمودي شکافت که از تاج سد تا کف شکافت اندازه گيري ميشود. برخي منابع نيز هِد مخزن را به عنوان مبنا گرفته اند و اندازه سطح آب مخزن تا کف شکافت را به عنوان عمق شکافت بيان نموده اند ]13 [.

عرض شکافت:
عرض نهايي شکافت و نرخ گسترش آن ميتواند به طور شگفت آوري روي دبي پيک و ترازهاي سيل پايين دستِ سد تاثير گذار باشد. در مطالعات موردي، جهت بررسي اين پارامتر هم از عرض ميانگين شکافت و هم عرض بالا يا پايين بازشدگي، جهت بررسي استفاده کرده اند ]14 [.
ضريب شيب ديواره شکافت:
ضريب شيب ديوراه شکافت نسبت عرض و عمق شکافت را تعيين ميکنند. تعيين صحيح زاويه شيب ديواره
شکافت نسبت به پيش بيني عرض و عمق شکافت در درجه دوم اهميت قرار دارد ]13 [.
پارامترهاي وابسته به زمان در مسئله شکست سد عبارتند از زمان آغاز شکافت و زمان شکل گيري آن گاهي به عنوان زمان توسعه به آن اشاره ميشود.
مشخص کردن دو پارامتر مجزا اين مسئله را تصديق ميکند که شکست سدهاي خاکي در واقعيت لحظهاي نيست و دو فاز وجود دارند که در آنها مکانيزم و نرخ فرسايش کاملا متفاوت است. در فاز آغاز شکافت، هنوز سد دچار شکست نشده است و جريان خروجي از سد ناچيز است؛ جريان خروجي شامل يک مقدار ناچيز ناشي از روگذري يا يک مقدار کم ناشي از پديده نشت يا رگاب ميباشد. در فاز آغاز شکافت اگر روگذري يا رگاب متوقف شود احتمال باقي ماندن سد وجود دارد . اما در فاز شکل گيري شکافت جريان خروجي و فرسايش به سرعت افزايش مييابند و متوقف نميشود.
شناخت و محاسبه دو فاز به اين علت مهم است که زمان آغاز شکافت روي زمان هشدار موجود براي تخليه جمعيت پايين دست تاثير گذار است . تحقيقات قبلي ( مطالعات موردي, معادلات تجربي, مدلهاي عددي و … ) اصولا روي زمان شکل گيري شکافت تمرکز کرده بودند و زمان آغاز شکافت به عنوان يک پارامتر مجزا در بيشتر مطالعات شکست سد گزارش نشده است.
هنگامي که زمانهاي شکل گيري شکافت در مطالعات موردي گزارش شدند سوالاتي همچون اينکه آيا زمانهاي گزارش شده فقط براي فاز شکل گيري شکافت هستند و يا اينکه ممکن است شامل چند بخش آغاز شکافت هم باشد. تشخيص دو مرحله حين و قبل از شکست کار دشواري است به خصوص براي مشاهده کنندهاي که که وقايع را به صورت پيوسته مشاهده ميکند. براي گزارش صحيحتر زمانهاي آغاز و شکل گيري شکافت تعاريف زير پيشنهاد ميشوند:
زمان آغاز شکافت : زمان آغاز شکافت با اولين عبور جريان از روي سد يا درون آن شروع ميشود و آغازگر هشدار, تخليه يا آگاهي از احتمال شکست سد است. زمان آغاز شکافت در آغاز فاز شکل گيري شکافت به پايان ميرسد ]13 [.
2-5-1- روشهاي موجود براي پيشبيني پارامترهاي شکافت
نتايج تحليل شکست سد به طور کلي در سه مسئله مجزا تقسيم شده است ]13 [:
1) پيشبيني هيدروگراف جريان خروجي
2) رونديابي هيدروگراف در پايين دست سد با استفاده از يک مدل نظير DAMBRK
3) پيشبيني خسارت ها و تلفات جاني ناشي از سيل
روشهاي ساده شدهاي که از پروسه تشکيل شکافت صرف نظر ميکنند؛ از داده هاي مطالعه موردي براي پيش بيني مستقيم حداکثر جريان خروجي و زمان مورد نياز براي شکست استفاده ميکنند. اين پيش بيني ها ميتوانند بر اساس مقايسه با يک يا چند سد که دچار گسيختگي شدهاند ( تحليل مقايسهاي6) يا بر اساس روابط رگرسيوني که حداکثر جريان خروجي و زمان گسيختگي را با پارامترهاي هيدروليکي وابسته مثل ارتفاع سد, ذخيره مخزن و حجم خاکريز, پيشبيني ميکنند ( معادلات پيشبيني کننده7), باشند.
يک روش سختتر شبيه سازي شکافت سد و جريان خروجي منتجه در DAMBRK با استفاده از روش پارامتري8 است. هندسه نهايي شکافت و زمان شکلگيري آن تعيين شده و توسعه شکافت به عنوان يک پروسه ساده شدهي وابسته به زمان ( افزايش خطي ابعاد شکافت) شبيه سازي ميشود. اين روش امروزه مورد استفاده قرار ميگيرد. مدل جديد FLDWAV نيز از همين روش استفاده ميکند.
شيوههاي بسياري براي پيش بيني پارامترهاي شکافت که به عنوان ورودي تحليل به کار مي روند, وجود دارند. سه روش اصلي را مي توان شناسايي کرد. آناليز مقايسهاي مطالعات موردي مشابه و استفاده از معادلات پيش بيني کننده بر اساس مطالعات موردي بيشمار, ساده ترين روشها هستند. روش سوم سخت تر است اما به جهت ارائه نتايج مفصلتر مانند پيشبيني زمان آغاز شکافت و پيشبيني ابعاد ميانگين شکافت و نيز پارامترهاي نهايي شکافت, همواره توصيه ميشود.
هر سه روش کاستيهايي دارند. آناليز مقايسهاي خيلي دقيق نيست و از کمبود دادههاي مطالعاتي فراگير روي انواع سدها به خصوص سدهاي خيلي بلند رنج ميبرد. روش معادلات پيشبيني کننده نيز داراي مشکلات مشابهي است و روابط رگرسيوني بر پايه دادههاي در دسترس عدم قطعيت بالايي دارند. مدلهاي پايه فيزيکي از فقر درک مکانيزم توسعه شکافت و پروسه پر انرژي فرسايش در تنگنا هستند.
2-5-2-پيشبيني جريان خروجي پيک با دادههاي مطالعه موردي
به جاي تعيين پارامترهاي شکافت و سپس رونديابي جريان ورودي و حجم مخزن, بسياري از بررسيها از دادههاي مطالعات موردي براي توسعه معادلات تجربي مربوط به پيک جريان خروجي شکافت به ارتفاع سد, حجم ذخيره مخزن يا ترکيب اين دو استفاده ميکنند.
کريک پاتريک9 13 مورد مطالعه موردي و 6 شکست فرضي را ارائه کرد و بهترين رابطه براي دبي پيک را به عنوان تابعي از عمق آب پشت سد در زمان شکست پيشنهاد داد. اين تحليل شامل دادههايي از شکست سد اس.تي فرانسيس10 و کاليفرنيا11 که يک سد وزني بتني بود, ميشد. گمان ميرفت که سد فرانسيس بر اثر پديده رگاب در خاکريز سمت راست دچار شکست شده است, اما مطالعات اخير نشان ميدهند که اين امر ممکن است بر اثر ترکيبي از روگذري جريان در قسمت بتني و لغزش خاکريز چپ انجام شده باشد, از اين رو اين نميتواند براي قرار گيري در تحليل مناسب



قیمت: تومان


پاسخ دهید