سدهای خاکی ؛ سدهای دم دستی یا پیچیده

به طور کلی سدها در دسته سازه های تنظیم ( Regulating Structures ) قرار می گیرند. سازه هایی که به منظور تنظیم سطح آب در بالادست و دبی پایین دست در شبکه های انتقال، مجاری شبکه های زه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجا که آب جمع شده در پشت یک سد، می‌تواند نیروی بسیار عظیمی به سد وارد کند، در طراحی سدها، اصلی‌ترین مسئله استاتیکی (ایستایی)، غلبه بر این نیرو و رسیدن به شرایط پایداری است که با تخلیه و یا آبگیری سد، پیوسته برقرار باشد. از نقطه نظر استاتیکی، سدها به دو گروه عمده تقسیم می‌گردند؛ قوسی و وزنی. سدهای خاکی که در این مقاله به آن ها به طور مفصل خواهیم پرداخت، در زیرگروه سدهای وزنی قرار دارند. در سدهای وزنی بار وارده فقط وارد بر پی می باشد و به دستک ها، وزنی وارد نمی شود. برای اینکه در برابر فشار بسیار زیاد آب، مقاومت مناسبی به‌وسیله وزن سازه سد صورت پذیرد، سدهای وزنی معمولاً حجم بسیار عظیمی دارند. بدیهی است در ساخت سازه‌ای با این حجم، اقتصادی‌ترین مسئله، بحث تامین مصالح است. بنابراین این سدها معمولاً از مصالح موجود در محل احداث خود بهره می‌برند. و همین طور بدیهی است که در دسترس‌ترین این گونه مصالح سنگ و خاک است. سدهای وزنی به همین دلایل امروزه در دو نوع سدهای بتنی و سدهای خاکی ساخته می‌شوند.

سدهای خاکی ( Earth Dam ) یا ( Embankment Dam ) از ادوار قدیم، به منظور کنترل و ذخیره آب معمول بوده است. اما به علت امکانات محدوده و عدم شناخت قوانین مکانیک خاک و هیدرولیک، ارتفاع سدها و بندهای خاکی از یک مقدار محدودی فراتر نمی رفته است، هرچند از نظر وسعت و طول سد چنین محدودیتی وجود نداشته است. البته تاریخچه سدسازی در ایران به دوران باستان و زمان هخامنشیان می‌رسد. امروزه با پیشرفت علم مکانیک خاک و توسعه امکانات تکنولوژی و مطالعات دقیق تر توانسته اند سدهای خاکی را با ارتفاعات قابل ملاحظه احداث نمایند، بطوریکه در زمان حاضر از مرتفع ترین سدهای دنیا سدهای خاکی و پاره سنگی هستند. به علاوه زمین هایی را که سابقا برای این منظور غیر مناسب تشخیص می دادند هم اکنون می توانند آن ها را برای زیربنای احداث سد خاکی آماده سازند. سدهای خاکی در شرایطی متداول هستند که شرایط فونداسیون برای هر نوع سد بتنی مناسب نباشد و دارای دو سطح بالادست و پایین دست با شیب کم می باشند. بنابراین با روزن، بر سطح بسیار بزرگ پخش می شود. حجم مصالح به کار برده شده 10 تا 20 برابر بیشتر از مصالح سد بتنی با همان ارتفاع است. اصولا سدهای خاکی بر روی فونداسیون های نفوذناپذیر ساخته می شوند. یکی از مهم ترین فاکتورهای اصلی در طراحی سدهای خاکی، حفاظت از سطوح شیبدار بالادست و پایین دست است و فاکتورهای بعدی در درجه دوم اهمیت قرار دارند: دیوار آب بند، پایین آمدن ناگهانی سطح آب، سرریز شدن ( Piping )، پایداری سطوح شیبدار، آب شکستگی داخلی، امواج، خطوط آزاد سطح آب، تنش وارده بر فونداسیون، زلزله و عمق آزاد.

 تحلیل پایداری، بر اساس سطح برشی که در آن خرابی ایجاد می شود استوار است. این سطح، سطحی در بدنه سد یا فونداسیون است که در آن تنش برشی ایجاد شده بیشتر از مقاومت برشی است و در نتیجه کل جرم بر روی آن سطح لغزشی حرکت خواهد کرد. در روش های بررسی پایداری سطوح شیبدار، ابتدا یک سطح لغزشی انتخاب می شود و سپس کل جرم بالای سطح لغزش به قطعات نواری قائم تقسیم می شود. در کلیه روش های تحلیل پایداری سطوح شیبدار، می توان از تنش موثر یا تنش کل استفاده نمود که این پارامترها از آزمایش سه محوری ( Triaxial Test ) قابل استخراج می باشند.

 بدنه اصلی سدهای خاکی معمولا از مصالح بدون ملات نظیر لاشه سنگ، قلوه سنگ، لای و رس به طور مخلوط یا مجزا و به صورت همگن یا منطقه بندی شده ساخته شده اند ( به طور کلی از مصالح خاکی ساخته شده اند ) و مشخصه کلی این سدها یکپارچه نبودن بدنه اصلی سد است. به عنوان مثال سد کرخه، بزرگترین سدخاکی کشور است که در آن برای بند شدن به منظور اصلاح پی از Cut Off استفاده شده است. سدهای خاکی بر حسب کمیت و کیفیت مصالح به کار برده شده و نیز متناسب با روش ساخت ممکن است به دو صورت زیر طبقه بندی شوند:

1. برحسب نوع مصالح ( چیدمان مصالح و دانه بندی خاک )
2. بر حسب روش ساخت و اجرا

سدهای خاکی همگن ( Homogeneous Earth Dam ): از یک مصالح خاک با دانه بندی مشخص تشکیل شده است. ممکن است در داخل سد خاکی همگن یک سیستم زهکش نیز تعبیه شده باشد.

سدهای خاکی ناهمگن ( Zoned Earth Dam ): این نوع از سدهای خاکی، سدهای منطقه بندی نیز می گویند. این سدها از یک نوع مصالح تشکیل نمی شوند. معمولا با هسته مرکزی همراه هستند. هدف اصلی از انتخاب و طراحی سدهای خاکی ناهمگن، استفاده حداکثری از مصالح موجود محلی به منظور به حداقل رساندن هزینه های اجرایی سد است. بنابراین با حضور هسته، می توان حجم عملیات را کاهش داد که از دو نوع ناهمگن با هسته مرکزی و لنز نفوذناپذیر تشکیل شده است.

سدهای خاکی غشایی یا سنگریزه ای ( Rockfill Dam with Impervious Membrane ): حتما باید در این نوع سدها یک بافت آب بند در مرکز آن لحاظ شود. شکل این سدها درست مانند سد ناهمگن خاکی با هسته مرکزی می‌باشد با این تفاوت که در مرکز سد به جای رس از سنگ ریزه نفوذ ناپذیر استفاده می‌شود و در دور تا دور سد سنگریزه‌های دشت تر ریخته می‌شود. در برخی موارد رویه سد را به جای سنگریزه با بتن می‌پوشانند که در آن صورت دیگر نیازی به هسته آب بند نمی‌باشد. این گونه سدها اغلب از نوع بلند می‌باشند و در برابر زلزله بسیار مقاوم هستند. سنگ های ریخته شده برای سد بایستی خاصیت هایی از قبیل جذب کم آب، سایش کم، مقاومت فشاری بالا و در برابر سرد و گرم شدن مقاومت خوبی داشته باشند. این غشای یاد شده در این نوع از سدهای خاکی می تواند از موارد زیر تشکیل شود: قیر، بتن، آسفالت و صفحات pvc که در هم فرو می روند.

سدهای خاکی مسلح: خاک را در لایه هایی با ضخامت 30 سانتی متر می ریزند و بعد متراکم می کنند ( تراکم بالای %90 ) و حدفاصل بین این لایه ها، لایه ای از الیاف مصنوعی یا چوبی قرار می دهند و بعد متراکم می کنند. الیاف مصنوعی، لایه ای مشبک است یا چشمه های بازتری نسبت به گونی های پلاستیکی. لازم به ذکر است که دانه بندی خاک نباید خیلی درشت باشد، چون در حین متراکم شدن ممکن است الیاف از بین بروند. این الیاف در واقع حجم سد را کاهش می دهند. طبق فرمول زیر فی که زاویه اصطکاک داخلی است، در حالت مسلح تا 2 برابر افزایش می یابد. C میزان چسبندگی است که با افزایش زاویه اصطکاک داخلی، کاهش می یابد. سیگما نیز تنش برآیند نیروهای محوری و عمودی است.

دایک ( Dyke ): دایک ها در واقع سازه ای هستند برای مهار کردن ارتفاع سیلاب که در سواحل رودخانه ای مورد استفاده قرار می گیرند. دایک ها سازه تنظیم به حساب نمی آیند ولی می توان آن ها از نظر جنس مصالح در دسته سدهای خاکی قرار داد.

طبقه بندی سدهای خاکی بر حسب روش اجرا:

• روش ساخت دستی
• روش ساخت مکانیکی: از ماشین آلات تراکم استفاده می شود. خاک را ریخته، متراکم کرده و تا رقوم تاج، بالا می آوریم که این روش در سدهای ناهمگن بیشتر دیده می شود.
• روش ساخت هیدرولیکی( به کمک آب ): بیشتر در سدهای همگن شاهد این روش خواهیم بود. یک مانع ایجاد می کنیم، آب پشت این مانع قرار می گیرد و رسوبات مرتبا جمع می شوند و سد را ایجاد می کنند.
• استفاده از تله های انفجار: در سدهای سنگریزه ای مشاهده می شود. در محلی که قصد احداث سد داریم، مواد منفجره را در مسیر آبراهه قرار می دهیم تا منفجر گردد و مصالح خاک و سنگ سد را ایجاد کند.