۲-۹ مراحل بحرانی فشارهای منفذی در سد
سه مرحله مختلف که شرایط بحرانی برای فشار منفذی در بدنه سد به حساب می آیند به صورت زیر تقسیم می شوند:

الف) در حین ساختمان و تحت اثر فشردگی ناشی از افزایش ارتفاع خاکریز (که معمولا فشارهای منفذی در حین ساختمان نامیده می شوند) یا پایان ساختمان سد.
ب) پس از پر شدن مخزن سد و گذشت زمان کافی ، به طوری که حالت تراوش پایدار در بدنه سد به وجود آید.
ج) در حالت افت سریع تراز آب مخزن در مواقع ضروری (که این فشارها را فشار منفذی تخلیه سریع می نامند).
۲-۹-۱ فشارهای منفذی حین ساختمان
یک خاکریز متراکم شده بوسیله غلطک معمولا تا درجه اشباع ۸۰ تا ۹۰ درصد کوبیده می شود. به عبارت دیگر ۸۰ تا ۹۰ درصد فضای بین دانه های خاک را آب اشغال نموده و در حال تعادل با حباب های هوا می باشد. فشرده شدن این مخلوط (آب و هوا) تحت اثر بارهای فزاینده خاکریز باعث افزایش فشارهای منفذی در خاک های ریز دانه می گردد. مقدار این فشارهای منفذی به عوامل متعددی از جمله درصد رطوبت خاکریز ، خاصیت فشردگی و نفوذپذیری خاک ، سرعت انجام عملیات ساختمانی و مسیرهای موجود برای زهکشی بستگی دارد. هرچه خاک قابلیت تراکم بیشتری داشته باشد (نرم تر باشد) فشارهای منفذی حین ساخت در آن بیشتر است و بر عکس. این شرایط هم برای شیب بالادست و هم برای شیب پایین دست می توانند بحرانی باشند. برآورد صحیح و دقیق فشارهای منفذی در طراحی به علت عدم اطمینان در برآورد بسیاری از پارامترهای موثر ، امکان پذیر نیست. اغلب گسیختگی شیروانی ها در طول ساخت یا پایان ساخت سد اتفاق می افتد. روش های مختلف برآورد تقریبی فشارهای منفذی حین ساختمان در زیر نام برده شده است :
۲-۹-۱-۱ روش ضرایب فشار منفذی اسکمپتون ( ضرایب A و B) و ضریب
این روش بر اساس اندازه گیری فشارهای منفذی بوجود آمده در یک نمونه که در آزمایش سه محوری در طول فرایند تحکیم و برش قرار می گیرد می باشد. از آنجایی که رفتار خاک ها تحت فشار تا حدود زیادی با رفتار آنها تحت کشش اختلاف دارد ، فشارهای آب منفذی نهایی برای هر مسیر تنشی متفاوت بوده و با به دست آوردن مقادیر مختلف ضرایب فشار منفذی مشخص می گردد. بنابراین برای بدست آوردن ضرایبی که گویای فشارهای منفذی واقعی باشند ، شرایط محتمل تنش در بدنه سد باید تا حد امکان در آزمایشگاه اقتباس گردد. اگرچه دستیابی به چنین شرایطی خیلی مشکل است بنابراین در این تحقیق از پارامترها با شرایطی مشابه با سد سنگریزه ای استفاده گردیده است.
برای استفاده از ضرایب فشار آب منفذی A و B مشخص نمودن مرحله تنش بر روی مسیر تنش وابسته به این ضرایب ، ضروری است. غالب اوقات بررسی تغییر شکل های نسبی خاک فقط در حالت گسیختگی نمونه انجام گرفته و ضرایب فشار آب منفذی A وB در این مرحله بدست می آیند. مقدار ضریب B برای خاک هایی که تا اندازه ای اشباع هستند بین ۰ و ۱ بوده و اگر با درصد رطوبت بهینه پراکتور متراکم گردیده باشند در محدوده بین ۱/۰ و ۵/۰ قرار دارد. از دیگر عوامل موثر بر ضرایب فشار آب منفذی می توان دست خوردگی نمونه ، شرایط محیطی مانند درجه حرارت ، طبیعت مایع موجود در فضای خالی خاک و زمان تحکیم را نام برد.
بنابر مطالعات ترزاقی و پک ، برای اکثر ماسه های شل و خاک های رس غیر حساس و تحکیم یافته عادی مقدار ضریب A در کرنش کم ، از یک کمتر بوده و در تمام طول آزمایش حدودا ثابت می ماند ولی ضریب فشار منفذی B به طور غیر خطی با درجه اشباع تغییر می نماید[۷]. در مواردی که به علت عدم وجود زهکش هیچ گونه استهلاک فشاری در اثر تنش سربار وجود نداشته باشد نسبت فشار منفذی نیز به صورت عددی ثابت برای تخمین فشار منفذی ایجاد شده ناشی از سربار در محاسبات پایداری استفاده می شود.
این ضریب به صورت معادله (۲-۱) تعریف می شود:
(۲-۱)
که در آن :
u = فشار آب حفره ای ، = وزن مخصوص کل ، = ارتفاع ستون خاک
با جابجا کردن متغیرها فشار آب حفره ای uبه صورت رابطه (۲-۲) محاسبه می شود :
(۲-۲)
۲-۹-۱-۲ روش هیلف – بیشاپ
روش هیلف – بیشاپ برای شرایط پایان ساخت سد دارای یک مبنای مستحکم تئوریکی می باشد و عموما با اندازه گیری های صحرایی تطابق دارد. هیلف با توجه به تحکیم خاکریز تحت اثر خاک سربار ( تئوری تحکیم ) ، مقادیر فشارهای منفذی را در شرایط زهکشی نشده در انتهای ساختمان بدست آورد. برای این کار او آزمایش مرسوم تحکیم را به منظور بدست آوردن مشخصه های فشردگی خاک نیمه اشباع خاکریز بکار برد و بیشاپ این روابط را بسط داد و به صورت معادله (۲-۳) بدست آورد[۸]:
(۲-۳)
که در آن :
u = فشار منفذی به وجود آمده در اثر بارگذاری
= فشار اتمسفری مطلق
H = ثابت هنری برابر ۰۱۹۸/۰
به ترتیب درجه اشباع اولیه و تخلخل اولیه
تغییر حجم خاکریز نسبت به حجم اولیه
از آنجایی که در عمل همواره مقداری استهلاک فشار بر اثر قطع عملیات ساختمانی یا زهکشی بوسیله فیلترهای کناری هسته وجود دارد این روش مجددا توسط بیشاپ با روابط پیچیده برای هر مرحله زهکشی بعد از قطع عملیات ساختمانی اصلاح گردید.
۲-۹-۱-۳ روش نیکی پروویچ و تسی بلونیک برای پایان ساختمان
این روش برای برآورد فشارهای منفذی در هسته نازک قائم سدهای خاکی به کار می رود. هسته نازک در این روش هسته ای تعریف شده که عرض قاعده آن H(0.1-0.5) می باشد که H ارتفاع هسته است. فرضیاتی برای این روش بیان شده است که با توجه به این فرضیات ، نیکی پروویچ و تسی بلونیک راه حلی برای معادله تحکیم یک سیستم سه فازی (آب- هوا- خاک) ارائه نمودند. در پایان هر مرحله ساختمان مقادیر فشارهای منفذی در هسته دارای حداکثر مقدار خود می باشند [۷].
۲-۹-۱-۴ روش اجزاء محدود برای برآورد فشارهای منفذی در حین ساختمان سد
تعدادی از راه حل های تحلیلی برای برآورد فشارهای منفذی در هسته سدهای خاکی در حین ساختمان مشتمل بر حل معادله دیفرانسیل مربوطه به روش تفاضلات محدود می باشد( گیبسون (۱۹۵۸) و کوپلا (۱۹۷۰)) [۹]. بهمنظور ترکیب تحلیل فشارهای منفذی با تحلیل تنش و تغییر شکل در تمام نقاط سد ، فرمول بندی مسئله تحکیم به روش اجزاء محدود بر فرمول بندی بر اساس تفاضلات محدود رجحان دارد. با فرض اینکه وضعیت تغییر شکل در هسته مرکزی یک سد محدود شده بین دو پوسته سخت یک بعدی باشد برای تراوش ایزوتروپیک یا همسان ، معادله تحکیم دو بعدی با مرز بالایی متحرک بوسیله معادله دیفرانسیل (۲-۴) بیان می شود :
(۲-۴)
که در آن :
= ضریب تحکیم u = فشار منفذی
= تنش اصلی حداکثر t = زمان
= پارامتر فشار منفذی که تابع تنش های اصلی است
به هر صورت ، برآورد دقیق فشارهای منفذی حین ساختمان به علت اشکالاتی که در بدست آوردن درصد رطوبت متوسط و فشردگی خاک ، آن گونه که در ساختمان سد مورد استفاده قرار می گیرد و نیز امکان زهکشی در خاکریز دشوار می باشد.
۲-۹-۲ فشارهای منفذی در حالت تراوش پایدار
مدتی بعد از اتمام ساختمان سد و پر شدن مخزن ، بدنه آن تحت تاثیر نیروی تراوش حاصل از جریان آب به درون سد واقع می شود. مدت زمان لازم برای اشباع شدن بخش پایین دست سد و ایجاد تراوش پایدار ، به نفوذپذیری خاک بدنه و مدت زمانی که آب به طور ثابت تا آخرین حد پشت سد باقی می ماند بستگی دارد. در حالی که ممکن است برای مصالح نفوذپذیر به وجود آمدن حالت اشباع و خط جریان در سد یکسال طول بکشد برای مصالح تقریبا نفوذپذیر این مدت میتواند دو تا سه سال به طول بیانجامد. در بعضی از سدها بعد از چندین سال به علت تغییرات سطح آب در مخزن ممکن است هنوز این شرایط بوجود نیامده باشد. در شرایطی که حالت تراوش پایدار به وجود آید ، معادله حاکم بر جریان ، معادله لاپلاس است. این معادله راه حل تئوریک عمومی نداشته و باید با توجه به شرایط مرزی خاص به صورت ترسیمی ،عددی ، آنالوگ حل گردد. در هر حال جریان نشت و در نتیجه نیروهای نشت مستقیما در جهت شیب پایین دست عمل می کنند. نیروهای نشت نزدیک شیب پایین دست بیشتر از فشارهای هیدرواستاتیکی هستند که بر روی شیب بالا دست وارد می شوند و از این رو شرایط نشت بصورت پایدار برای شیب پایین دست حالت بحرانی به خود می گیرد. در این شرایط فرسایش داخلی خطرناک است. بخاطر اینکه آن می تواند در مدت زمان نسبتا کوتاهی ایجاد و گسترش یابد و به طور جدی ایمنی سد را آسیب بزند.
شبکه جریان در شرایط نشت دائم ، توزیع فشار منفذی در مقطع سد را به صورت واقعی و قابل اعتماد ارائه می دهد. در چنین شرایطی معمولا در سراسر جهان از روش تنش موثر استفاده می شود.
۲-۹-۳ فشارهای منفذی در حالت تخلیه سریع مخزن
هنگامی که سطح آب در مخزن سد پایین بیاید ، جهت نیروهای تراوش معکوس گردیده و جریانی از درون بدنه سد به سمت شیب بالادست ایجاد می گردد. در مصالح با نفوذپذیری زیاد مانند شن و ماسه درشت دانه سطح آب درون مصالح همزمان با پایین آمدن آب در مخزن کاهش می یابد. لیکن در مصالح با نفوذپذیری کم به شرط آنکه تخلیه ناگهانی و سریع باشد ، فرض منطقی آن است که در لحظه بلافاصله پس از تخلیه ، خط جریان بالایی مربوط به تراوش پایدار ، حالت اولیه خود را حفظ می کند. این شرایط برای شیب پایین دست در مقایسه با نشت دائم مغایرت کمتری دارد. شرایط افت سریع برای شیب بالادست دارای حالت بحرانی است.
با فرض صلب بودن مصالح بدنه سد می توان تصور نمود که معادله لاپلاس بلافاصله پس از تخلیه بر جریان حاکم است. بدین ترتیب امکان رسم یک شبکه جریان برای شرایط مرزی جدید ، با توجه به اینکه خود شیب بالادست اکنون یک خط جریان است ، بوجود آمده و فشارهای منفذی را بوسیله آن می توان بدست آورد. ولی معادله لاپلاس در مورد خاکریزهایی که هنگام تخلیه سریع مخزن فشرده می گردند صادق نیست. برخی از طراحان مایلند که از روش تنش کل در این حالت استفاده کنند که روش های تجربی برای اینکار توسط بیشاپ(Bishop)، هنکل (Henkel ) و هاو (Hawe ) ، (Bishop,1957) ارائه گردیده است. بیشاپ با بیان فشارهای منفذی برحسب پارامترهای فشار منفذی اسکمپتون A و B راه حلی برای محاسبه فشارها در حالت تخلیه سریع برای خاکریزهای قابل تراکم ارائه داده است. فشارهای منفذی حتی در قابلیت تراکم پذیری کم نیز به نحو قابل توجهی از فشارهای منفذی حاصل از شبکه جریان ناپایدار بزرگتر هستند.
اداره عمران آمریکا (USBR,1987)، حالات مختلفی را برای بررسی پایداری سد لازم دانسته است ، لیکن شرایط آبگیری اولیه بین آنها مستقیما ذکر نشده است .[۱۰]
۲-۱۰ لغزش یا گسیختگی