بررسی فنی و اقتصادی روش‌های آب‌بندی ساختگاه سد‌مخزنی چپرآباد

یکی از دلایل اصلی گسیختگی سدهایی که برروی نهشته‌های‌ نفوذپذیر قراردارند فرسایش درونی است. آبی که در خاک جریان می‌یابد نیرویی درجهت جریان به توده‌ی‌خاک وارد می‌سازد، مقدار این‌نیرو متناسب با شیب‌های هیدرولیکی است. اگر نیروی نشت به‌اندازه‌ای باشد که بر نیروی مقاوم خاک غلبه‌‌کند پدیده‌ی فرسایش در خاک اتفاق‌ می‌افتد. با‌ شستن و انتقال ذرات خاک به‌سطح و پیشرفت عمل فرسایش، پدیده‌‌های مخرب نشت بتدریج توسعه می‌یابد‌‌‌[6]. پی‌اصلی سدچپرآباد از نهشته‌های آّبرفتی تشکیل‌شده ‌است، نوع این‌رسوبات در لایه‌های سطحی، بخصوص در‌پایین‌دست، از نوع ماسه‌سیلتی می‌باشد که مستعد پدیده‌های مخرب‌نشت هستند. همچنین وجود مسئله‌ی فرارآب، استفاده از ‌روش مناسب آب‌بندی و کنترل نشت را ضروری کرده ‌است.

2- زمین‌شناسی عمومی منطقه

گستره‌ی سد‌چپرآباد از دیدگاه زمین‌ساختی، بنابر تقسیم‌بندی نبوی(1355)، در واحد "خوی- مهاباد" واقع گردیده است‌‌‌[4]. ساختگاه عمدتاً دربرگیرنده‌ی سنگ‌های آهکی، شیست و شیل خرد‌شده، وکاملاًً تکتونیزه است. امتداد‌کلی طبقات زمین‌شناسی بصورت شمالی غربی- جنوب شرقی بوده  و به‌دلیل قدیمی بودن سازندها و تحمل فازهای تکتونیکی متفاوت‌، عوامل زیادی سبب ایجاد تغییر‌شکل‌ها، شکستگی‌ها شده و حضور آب‌های نفوذی در مناطق سطحی باعث گسترش خردشدگی‌ها درقالب هوازدگی سطحی شده است. نهشته‌های کواترنر در این محدوده از گسترش زیادی برخوردار هستند. ضخامت این نهشته‌ها در محدوده محور سد 60 متر است.

از گسل‌‌های عمده نزدیک به ساختگاه سد می‌توان به گسل‌های اشنویه و شیوه‌برو اشاره کرد. گسل اشنویه با طولی حدود20 کیلومتر، و فاصله 7 کیلومتر تا محل ساختگاه، دارای امتداد شمال‌شرقی‌ـ جنوب‌غربی بوده و در کواترنر دارای پیشینه لرزه‌خیزی می‌باشد. گسل شیوه‌برو با فاصله‌ی حدود 16 کیلومتر تا ساختگاه، دارای امتداد تقریبی شرقی- غربی بوده و آثار حرکت جوان در آن دیده نشده است.

3- ویژگی‌های زمین‌شناسی‌مهندسی ساختگاه سد

ساختگاه سد در یک دره‌ نامتقارن ونسبتاٌٌ پهن قرار‌ دارد. تکیه‌گاه‌راست از شیب بیشتری نسبت به تکیه‌گاه‌چپ برخوردار است. نسبت پهنای دره به عمق آن به‌حدود 20 می‌رسد. گسترش واحدهای زمین‌شناسی در شکل شماره (1) نشان داده‌شده است. نهشته‌های آبرفتی پی سد، عمدتاًً به‌دو گروه درشت‌دانه و ریزدانه‌ ‌تقسیم می‌شوند. بخش اصلی آبرفت طبق طبقه‌بندی یونیفاید، در تکیه‌گاه‌راست، شامل خاکهایی از نوع GP، GM،GC وGW و در تکیه‌گاه‌چپ از نوع SC و SM است. شکل‌(2) مقطع زمین‌شناسی‌مهندسی موازی محور سد را نشان می‌دهد. نتایج اصلاح‌شده‌ی SPT، در بخش درشت‌دانه و ریزدانه به‌ترتیب 35 و20 ضربه بوده ‌است که نشان‌دهنده‌ی بافت خیلی‌متراکم در بخش درشت‌دانه و متراکم در بخش‌ریزدانه است. اندازه‌گیری‌های مقدار RQD، تغییرات زیادی را نشان می‌دهد. میزان این شاخص در‌اکثر نقاط کمتر از 10درصد بوده و فقط در چند نقطه به بالای 40درصد رسیده است. بررسی نهشته‌ها از‌نظر وضعیت روانگرایی نشان‌دهنده‌ی وجود شش لایه‌ی روانگرا  با ضریب‌اطمینان کمتر از یک در عمق‌های مختلف 11 تا 40 متر می‌باشد، ضخامت این‌لایه‌ها از1 تا 4 متر متغیر است.

 4-  وضعیت آبگذری ساختگاه سد

باتوجه به‌نتایج آزمایش لوژون، نفوذپذیری آبرفت در‌جهـات افقی و قائم تغیـ‌یرات زیادی را نشان‌می‌دهد. به‌طـوری که از (^2-10*1) تا (^7-10*1) درنقاط مختلف، متغیر بوده است، هچنین بدلیل هوازدگی و خردشدگی بسیار‌زیاد در قشر‌سطحی سنگ‌بستر تا عمقی حدود10 متر، نفوذپذیری بیش از 100 لوژون اندازه‌گیری شده‌است، بنابراین از‌لحاظ نفوذپذیری، این‌قسمت از سنگ‌بستر نیز جزو‌ آبرفت بشمار می‌رود و ضخامت لایه‌ی نفوذپذیر در‌حدود 70 متر درنظر گرفته می‌شود. نفوذپذیری توده‌‌سنگ تکیه‌گاه‌ چپ تا عمق 55 متری بیشتر از100 لوژن است واز این عمق به پایین‌تر به 5 لوژن می‌رسد. در تکیه‌گاه راست نیز تا عمق40 متری بیش از 100 لوژن و در‌عمق 50 متری به16لوژن می‌رسد. در شکل‌(3) مقطع هم‌نفوذپذیری موازی محور سد، تغییرات نفوذپذیری در جهات مختلف را نشان می‌دهد.

5 - انتخاب روش آب‌بندی

نقش آب‌بندها در پی، جلوگیری از حرکت آب و طولانی کردن مسیر‌ جریان است. روش‌های مختلفی برای آب‌بندی وجود دارد که انتخاب هرکدام به‌شرایط ‌زمین‌شناسی، خصوصیات هیدرولیکی ساختگاه و ابعاد هندسی سد بستگی‌ دارد. روش‌های آب‌بندی ساختگاه سد چپرآباد در دو قسمت آب‌بندهای افقی و قائم مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرارگرفت:

 5-1- آب‌بندهای افقی

5-1-1-  روش پوشش بالادست:

تأثیر پوشش بالادست، افزایش طول مسیر جریان و در نتیجه کاهش شیب هیدرولیکی است، به‌عبارت‌ دیگر در شبکه‌‌ی جریان تعداد خطوط افت پتانسیل در مقایسه با حالت نبود پوشش افزایش می‌یابد. برای محاسبه‌ی ابعاد پوشش، روابط مختلفی وجود دارد از آن جمله می‌توان به‌روش بنت (Bennet) اشاره کرد.

 بااستفاده از این‌روش، ابعاد پوشش‌نفوذناپذیر لازم برای ساختگاه سد‌چپرآباد، با‌فرض نفوذپذیری متوسط پی در حد^3-10*3 (سانتیمتر برثانیه) و ضخامت ثابت 5/1 متر برای پوشش با نفوذپذیری^6-10*1(سانتیمتربرثانیه)، طولی حدود 700 متر بدست می‌آید. برای بررسی تأثیر پوششی با این طول، از نرم‌افزار Plaxis استفاده گردید. نتایج تحلیل نشان‌داد با‌‌ بکارگیری این‌روش، میزان نشت از 25 به‌10‌مترمکعب در‌روز کاهش می‌یابد و فاکتور ایمنی مصالح در برابر شیب هیدرولیکی خروجی در پایین‌دست از 83/0 به 7/2 می‌رسد‌(شکل4). برای اجرای پوششی‌رسی با‌این طول، باتوجه وسعت مخزن در بالادست محور، با درنظرگرفتن عملیات تسطیح،آماده‌سازی،خاکریزی و تراکم و ضرایب پیمان، حدود 30 میلیارد ‌‌ریال هزینه برآورد گردید شکل(5). بدلیل شیب زیاد تکیه‌گاه‌ها، بخصوص تکیه‌گاه‌راست، امکان اجرای پوشش وجود ندارد. همچنین در داخل‌مخزن، پوشش طبیعی گسترده‌ای با نهشته‌های سیلتی‌ـ رسی وجود دارد که در آب‌بندی مخزن و پی‌آبرفتی بستر، نقش مؤثری خواهد داشت. گستردگی این نهشته‌ها، علاوه بر بستر، برروی تکیه‌گاه‌چپ نیز ادامه دارد و فقط در محدوده‌ی محور، بدلیل شستگی و فرسایش از بین‌رفته است که می‌توان با ‌اجرای پوشش‌آب‌بند در زیر پوسته‌ی بالادست سد به‌طول حدود100متر، این محدوده را ترمیم کرد. شکل(6) گستردگی این پوشش در داخل مخزن و تکیه‌گاه چپ را نشان می‌دهد.

5-1-2- استفاده از ژئوسنتتیک‌‌ها:

ژئوممبران‌ها به‌عنوان نوع خاصی از ژئوسنتتیک‌ها در هرجایی که کنترل جریان آب یا سایر مایعات مدنظر باشد کاربرد دارند. این‌مواد به‌دلیل طبیعت پلیمری خود، نفوذپذیری وضخامت اندکی دارند. به همین دلیل کاربردهای گسترده‌ای در سازه‌های کنترل جریان آب‌، یافته است. نوع ژئوممبران به‌کاررفته پلی‌اتیلن فشرده(‌HDPE) بوده است[2]. استفاده از ژئوممبران‌ها به‌دو صورت آب‌بند قائم و افقی در ساختگاه سدچپرآباد می‌تواند گزینه‌ی قابل بحثی باشد. نتایجی که در طراحی پوشش‌آب‌بند با استفاده از روش بنت بدست آمد نشان داد طول لازم برای آب‌بندی با پوشش کاملاً نفوذناپذیر، حدود 500 متر است. بنابراین بافرض نفوذپذیری ژئوممبران در‌حد‌صفر، و اجرای آن با این طول، بدلیل وسیع‌تر بودن مخزن در بالادست، ابعاد بسیار زیادی را شامل می‌شود. هزینه‌ی لازم برای اجرای این ابعاد(250 هزارمترمربع) با‌درنظرگرفتن تمام ضرایب و تهیه نصب، حدود 40 میلیارد ریال برآورد می‌گردد.

5-2- آب‌بندهای قائم

در طراحی این‌نوع آب‌بندها در لایه‌های نفوذپذیر با ضخامت زیاد، یکی از پارامتر‌های مؤثر در کیفیت طراحی و هزینه‌ی‌ اجرای‌آن، عمق آب‌بندی است. تصمیم‌گیری در‌مورد بکارگیری آب‌بند کامل یا معلق و بدست‌آوردن عمق بهینه‌ی در آب‌بندهای معلق، یکی از مراحل اساسی در طراحی این نوع آب‌بندها بشمار می‌رود. به‌ همین‌منظور در سد‌چپرآباد از آنالیز تراوش با استفاده از برنامه‌ی اجزای محدود Plaxis استفاده گردید.

در این‌بررسی با مدل‌سازی آب‌بندی قائم با نفوذپذیری در حد (Cm/s)^5-10*1 و^7-10*1 و بافرض محتاطانه‌ی نفوذپذیری پی در حد (Cm/s)^2-10*1، میزان کاهش نشت با افزایش عمق آب‌بندی و تأثیر آن در افزایش ضریب اطمینان نهشته‌های پایین‌دست در مقابل نیرو‌های مخرب نشت مورد تحلیل قرارگرفت. شکل(7) نتایج بررسی در حالت آب‌بند با نفوذپذیری(Cm/s)^5-10*1 را نشان می‌دهد.

با‌توجه به‌شکل(7)، عمق بین 30 تا 35 متری عمق بهینه‌ای برای آب‌بندهای قائم است. در این عمق، علاوه بر‌اینکه میزان نشت به نصف رسیده و به حدود 4درصد مخزن کاهش یافته است، ضریب اطمینان در‌مقابل نیروی مخرب نشت نیز در این عمق، از 69/0 به‌ بیش از 5/2 رسیده است که برای افزایش بیشتر این ضریب، با استفاده‌ از  زهکش و فیلتر در پایین‌دست امکان‌پذیر کرد. شکل(8) میزان تأثیر آب‌بند قائم با عمق 35 متری را نشان می‌دهد.

بررسی مقطع زمین‌شناسی‌مهندسی نشان‌دهنده‌ی وجود لایه‌ای گسترده با نفوذپذیری کم و با دانه‌بندی CL در عمق حدود 35 متری می‌باشد. آرتزین گمانه‌های حفاری‌شده در این محدوده در عمق 35-30 متری در اثر این لایه‌، نویدبخش ‌وجود پوشش‌ آب‌بند طبیعی دیگر در این عمق است و انتخاب این عمق، به‌عنوان عمق بهینه را قوت می‌بخشد.

با‌‌ به‌‌دست‌آمدن عمق بهینه‌ی آب‌بندی، امکان اجرا و سایر پارامترهای طراحی روش‌های مختلف آب‌بندی بصورت زیر قابل بررسی و مقایسه است.

5-2-1- روش گودبرداری یا ترانشه‌زنی:  

این‌روش درجایی به‌کار برده می‌شود که ضخامت نهشته‌های‌آبرفتی یا نفوذپذیر کمتر از ارتفاع سد و کمتر از 35 متر باشد. در این‌حالت این نهشته‌ها برداشته شده و مصالح نفوذناپذیر مناسب جایگزین می شود.

 در ساختگاه سد‌چپرآباد بدلیل قرارگیری سطح آب‌زیرزمینی در عمق حدود5 متری سطح زمین، اجرای عملیات ترانشه‌زنی بسیار‌مشکل و پرهزینه خواهد بود. در صورت بکارگیری این‌روش، با عمق حدود 35 متری، حداقل حدود نیم میلیون‌مترمکعب گودبرداری و جایگزینی با‌ مصالح مناسب  لازم است. هزینه‌ی انجام چنین عملیاتی با درنظرگرفتن تمام ضرایب حدود 40 میلیارد ریال برآورد می‌گردد که در مقایسه با روش‌های دیگر، غیراقتصادی است شکل(5).

5-2-2- روش پرده‌ی آب‌بند:

این‌روش زمانی کاربرد دارد که ضخامت نهشته‌های آبرفتی کمتر از ارتفاع سد و بیشتر از 35 متر باشد. در این‌روش، از‌طریق حفر‌گمانه‌هایی درز و شکاف‌ها و منافذ‌، بوسیله‌ی دوغاب پرشده و مانعی برای حرکت و جریان آب ایجاد می‌شود. برای اجرای این‌روش در سنگ وخاک روش‌های مختلفی وجود دارد. از روش‌های متداول تزریق در آبرفت، تزریق با مانشت‌تیوب می‌باشد. تزریق با تیوب‌مانشت یکی از روش‌های مورداستفاده برای آب‌بندی پی‌آبرفتی سدچپرآباد می‌باشد. با‌توجه به تزریق‌های آزمایشی انجام‌گرفته، تزریق دوغاب سیمان در صورت سه‌ردیفی بودن پرده‌ی‌آب‌بند و گمانه‌های با فاصله‌ی نهایی1‌متری می‌تواند در قسمت درشت‌دانه، نتجه‌ی نسبتاً قابل قبولی می‌دهد. ولی در قسمت‌های دانه‌ریز( سمت چپ پی‌آبرفتی)، تزریق با دوغاب‌های شیمیای (رزین‌ها و پلیمرها) و به‌کارگیری روش شکست هیدرولیکی، توصیه می‌گردد. استفاده از‌این‌روش، در پی‌آبرفتی بدلیل زمان‌بر بودن، خورند بیشتر و همچنین هزینه‌ی‌ تهیه و نصب مانشت‌تیوب نسبت به تزریق معمولی با هزینه‌ی بسیار بالایی همراه می‌باشد. با‌توجه به‌میزان خورند گمانه‌های تزریق آزمایشی که بیش از 500 کیلوگرم درمتر است، هزینه‌ی اجرای این‌روش حدود 25 میلیارد برآورد می‌گردد (شکل5).

در پی‌های سنگی، تزریق معمولی، متداول‌ترین روش آب‌بندی بشمار می‌رود و برای آب‌بندی پی‌سنگی تشکیل‌دهنده تکیه‌گاه‌های سدچپرآباد، روش مناسبی است.

5-2-3- روش دیوارآب‌بند:

زمانی‌که ضخامت نهشته‌های آبرفتی و یا نفوذپذیر بیش از 35 متر باشد، ترانشه‌‌ای بصورت بسته در طول محل تماس هسته‌ سد با زمین و با عمق تعیین‌شده، برای رسیدن به لایه‌ی نفوذناپذیر حفر و با مصالح نفوذناپذیر پر می‌گردد. در ساختگاه سد‌چپرآباد، استفاده از دیوارآ‌ب‌بند در قسمت پی‌آبرفتی، یکی از گزینه‌های موردبحث می‌تواند باشد. از محدودیت‌های اجرای این‌روش در این‌ساختگاه، وجود لایه‌های روانگرا در عمق‌های مختلف است. هزینه‌ی لازم برای اجرای این‌روش، در حدود 12 میلیاردریال برآورد می‌گردد که نسبت به‌سایر روش‌های آب‌بندی ساختگاه سد‌چپرآباد کمترین هزینه را دارد.

6ـ نتیجه‌گیری و پیشنهادات:

1) مصالح آبرفتی با ضخامت حدود 60 متر، تشکیل‌دهنده پی اصلی ساختگاه سد چپرآباد می‌باشد. دانه‌بندی این مصالح در بیشتر نقاط بخصوص پایین‌دست سد، از نوع سیلتی‌ـ رسی می‌باشد، حساسیت این‌ مصالح در مقابل پدیده‌های مخرب نشت، بکارگیری روش آب‌بندی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد.

2) نفوذپذیری مصالح آبرفتی در امتداد افقی و عمودی بسیار متغیر بوده و از حدود(^2-10*1) تا (^7-10*1) سانتیمتر برثانیه تغییر می‌کند. مقطع هم‌نفوذپذیری در امتداد موازی با محور سد، کاهش عمومی نفوذپذیری مصالح با افزایش عمق را نشان می‌دهد.

3) مقایسه‌ی روش‌های مختلف آب‌بندی برای ساختگاه سد‌چپرآباد از لحاظ فنی و اقتصادی، روش دیوار‌آب‌بند را

روش مناسب نشان می‌دهد. تنها محدودیت انتخاب و اجرای این‌روش وجود لایه‌ها روانگرا می‌باشد. لذا ‌روش دیوارآب‌بند در ساختگاه‌های مشابه و بدون لایه‌روانگرا، از لحاظ فنی و اقتصادی روش مناسبی برای آب‌بندی است.

4) بدلیل حفاری بخشی از گمانه‌های پرده‌ی آب‌بند با فاصله‌ی 5/1 متری وعمق60 متر(روش در حال اجرا)، پیشنهاد می‌شود در اجرای عملیات تزریق، بعضی از پارامترها همچون نوع آمیزه‌‌ی تزریق تغییر داده شود و در قسمت‌های دانه‌ریزتر بویژه در سمت چپ پی‌آبرفتی با دوغابهای شیمیایی مانند رزین‌ها و.. انجام گیرد و در اعماق بیشتر از تزریق خاک‌شکنی استفاده گردد.

5)باتوجه به‌مقاطع هم‌نفوذپذیری و زمین‌شناسی‌مهندسی موازی محور سد، احداث پرده‌ای سه‌ردیفی با عمق متوسط 35-30 متری به‌همراه فیلتر و پرده‌ی زهکش در پایین‌دست، آب‌بندی ساختگاه را تأمین می‌کند لذا پیشنهاد می‌شود در ادامه‌ی عملیات، عمق پرده از 60متر به 30 متر کاهش داده شود.

6) در این‌مرحله از اجرای طرح پیشنهاد می‌شود با بکارگیری مهندسی ارزش برای بررسی‌ و مقایسه‌ی بیشتر فنی و اقتصادی روش‌های آب‌بندی و بهینه‌سازی طراحی‌های انجام شده، در جهت افزایش کیفیت و کاهش هزینه، اقدام شود.

7-  منابع و مراجع

 [1] سازمان آب منطقه‌ای آذربایجان غربی. (1381) «طرح  تأمین آب و شبکه‌ی آبیاری و زهکشی دشت نقده (سیستم گدارـ چپرآباد)؛ مطالعات مرحله‌ی دوم؛ گزارش فنی سد مخزنی چپرآباد».

[2] فیضی ماسوله، ش. (1381) «کاربرد ژئوممبران در دیوارهای آب‌بند»، سومین همایش بین‌المللی مهندسی ژئوتکنیک، پژوهشگاه نیرو، تهران.

[3] کمیته‌ی ملی سدهای بزرگ ایران. (1375) «تراوش در پی سد و شیوه‌های کنترل آن»، انتشارات دفتر فنی آب‌ـ وزارت نیرو، نشریه‌ی شماره‌ی6.

[4] نبوی، ح. (1355) «دیباچه‌ای بر زمین‌شناسی ایران»، انتشارات سازمان زمین‌شناسی کشور.

[5]Bell,F.G., (1993) “Engineering Treatment of  Soils”, Dept of Geology and Applied Geology, University of  Natal, Durban, F.N. Spon, P.P. 229-232.

[6]Kunitomo, N., (2000) “Design and Construction of Embankment Dams”, Dept. of Civil Eng., Aichi Inistitute of Technology, pp.3-6.