مطالعه عددي دوبعدي پايداري تكيه‌گاه سدهاي بتني قوسي با تاكيد بر نقش درزه‌هاي سنگي و جريان آب در آنها

2D numerical study of the stability of concrete arch dams with special focus on the role of rock joints and the internal flowing water

در سدهاي بتني قوسي، بخش عمده فشارهاي هيدرواستاتيكي در اثر عملكرد قوسي و طره­اي بدنه سد به تكيه­ گاه­ها منتقل مي‌شود. به همين دليل در بررسي ايمني اين‌گونه سدها، ارزيابي درست از وضعيت پايداري تكيه ­گاه­ها از اهميت ويژه­اي برخوردار است. ناپايداري تكيه­گاه عموماً به شكل گسيختگي در راستاي لايه­ هاي ضعيف يا دسته ­درزه ­هاي آن رخ مي­دهد. علاوه بر آن، فشار آب عبوري از درزه­ ها نيز لغزش و گسيختگي در امتداد صفحات ضعف مذكور را تسهيل مي­كند. اين مقاله به بررسي اهميت پارامترهاي مقاومتي درزه ­ها و تأثير جريان آب بر ايمني تكيه ­گاه سدهاي بتني قوسي مي­پردازد. اگرچه مطالعه دقيق اين مسئله نياز به انجام تحليل‌هاي سه­ بعدي دارد، ليكن به دليل پيچيدگي‌هاي زياد در مدل‌سازي سه‌بعدي محيط‌هاي درزه ­دار، خصوصاً با در نظرگرفتن رفتار اندركنش هيدروليكي- مكانيكي، در اين تحقيق از تحليل‌هاي دوبعدي استفاده شد. با اين‌حال به منظور افزايش اعتبار نتايج تحليل‌هاي دوبعدي، توزيع نيروهاي وارده بر مدل تحليل دوبعدي از نتايج تحليل‌هاي سه بعدي يك سد بتني قوسي و توده­سنگ ساختگاه آن استخراج شد. پايداري تكيه­گاه سد مورد نظر با استفاده از دو روش افزايش تدريجي فشار آب مخزن و كاهش پارامترهاي مقاومتي درزه­ها و ضريب ايمني SRF مورد ارزيابي قرار گرفت. در اين راستا از پنج پارامتر بيشينه بازشدگي و لغزش در امتداد درزه­ها، شدت بازشدگي و شدت لغزش در سرتاسر تكيه­ گاه و همچنين بيشينه دبي عبوري در محل درزه­ها به عنوان شاخص­هايي جهت ارزيابي ايمني استفاده شد. نتايج نشان مي­دهد كه فرض عدم عبور جريان آب از درزه­ ها، غالباًً نادرست بوده و مي­تواند ضرايب ايمني تكيه ­گاه را بسيار بالاتر از ميزان واقعي آن نشان دهد. همچنين ايمني تكيه ­گاه، حساسيت كمي نسبت به پارامترهاي مقاومتي و مكانيكي درزه­ ها دارد.

Due to the arching behavior of concrete arch dams, the hydrostatic loads imposed on dam body are transferred to the abutments. Accordingly, an accurate evaluation of the stability of abutments is very important. The failure mechanism of abutment is substantially governed by a network of discontinuities crossing the abutment. Meanwhile, the flowing water through discontinuities provides an easier condition for discontinuities to slide and/or open. In this paper, the effects of fluid flow and mechanical characteristics of joints are treated on safety of abutments. Though, a full 3D simulation of dam body and its surrounding rock mass is needed for a complete understanding of the problem, but in general, the 3D jointed abutment stability analysis considering hydromechanical interaction are too time consuming and complicated. Therefore, in this study, a 2-D DEM model for the most critical region of a typical arch dam abutment resulted through a 3D FE modeling is considered to evaluate the abutment safety. In this research, the effects of fluid flow and mechanical characteristics of joints on the safety are investigated through SRF and increasing water pressure methods in both dry and saturate assumptions. In order to recognize the conditions leading to failure in abutments, the values of maximum sliding, maximum opening, opening and sliding intensity and maximum resulting water flow rate along discontinuities are used as failure criterions. The results demonstrate that the assumption of dry abutment is not proper for evaluating the stability condition and may submit the safety factors much larger than the real values. Moreover, the strength characteristics of rock joints are less significant on the stability of abutment.