تاثیر زلزلههاي دور و نزدیک گسل بر رفتار دینامیکی یک سد CFR

Transcript

1 تاثیر زلزلههاي دور و نزدیک گسل بر رفتار دینامیکی یک سد CFR 2 1 حسن هوشمندان فریدون قدیمی عروس محله 1 -کارشناس ارشد مهندسی عمران مکانیک خاك و پی 2- استادیار دانشگاه علم و صنعت واحد اراك hasanhoushmandan@yahoo.com drghadimi@yahoo.com خلاصه مقایسه تاریخچه زمانی و محتواي فرکانسی نگاشت هاي متعدد ثبت شده در زمین لرزه هاي دور و نزدیک گسل fault) (near fault - far نشان می دهد که ارتعاشات رسیده به نقاط مختلف می تواند وابستگی شدیدي به فاصله از گسل مسبب موقعیت قرارگیري نسبت به جهت پیشروي گسلش و مشخصات پارامترهاي چشمه داشته باشد. شتابنگاشت هاي حاصله از حوزه نزدیک عموما داراي مدت زمان موثر کمتري نسبت به نگاشت هاي دور از گسل هستند و معمولا از نوع مولفه هاي فرکانس بالا می باشند. این در حالیست که شتابنگاشتهاي ثبت شده در حوزه دور عموما شامل مولفه هاي فرکانسی پاي ینی می باشند. تاریخچه مطالعات رفتار لرزهاي سازه هاي مختلف نشان میدهد در اثر اعمال زلزله هاي حوزه نزدیک و دور گسل که داراي محتواي فرکانسی مختلفی هستند رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند. باتوجه به اینکه تاکنون چنین مطالعاتی بر روي سدهاي سنگریزه اي با رویه بتنی (CFRD) انجام نشده است در مقاله حاضر به آن پرداخته خواهد شد. بدینمنظور ابتدا پاسخ هاي دینامیکی سد گلورد نکا بهعنوان نمونهاي از سدهاي CFR به زلزلههاي مختلف حوزه دور و نزدیک بدست آمده و با یکدیگر مقایسه خواهد شد. در ادامه بر اساس نتایج بدستآمده در این تحلیل ها تفاوت رفتار لرزهاي سدهاي سنگریزه اي با رویه بتنی( CFRD ) در زلزله هاي دور و نزدیک گسل آشکار خواهد شد. کلمات کلیدي: سدهاي سنگریزه اي با رویه بتنی CFRD زلزله هاي حوزه نزدیک و دور -1 مقدمه سدهاي خاکی و سنگریزه اي از جمله سازه هاي ژي وتکنیکی هستند که گسیختگی در آنها می تواند منجر به خسارات جبران ناپذیري گردد از اینرو در طراحی آنها لازم است تمام کنترلها و حساسیتهاي لازم بعمل آید. یکی از این موارد کنترل پایداري سد در طول زلزله و بعد از آن میباشد.بررسی دقیق پایداري سدهاي سنگریزه اي با رویه بتنی در برابر زلزله از پیچیده ترین مسایل در حوزه سازه هاي خاکی است. علت این مسي له این است که مجموعه معلومات و روابط بین آنها در تحلیل این مسي له بسیار متنوع و متفاوت است.با توجه به وسعت کاربرد این نوع سدها و همچنین لرزه خیزي کشور ایران برآورد ایمنی لرزه اي اینگونه سدها نقش ارزنده اي دارد. دومین پروژه دردست احداث سدهاي سنگریزه اي با رویه بتنی درکشور سد سنگریزه اي با رویه بتنی گلورد نکا می باشد که جهت دهی مطالعه موردي این تحقیق را نیز به خود اختصاص داده است و ارتفاع آن به 113 متر خواهد رسید و از این نظر در ایران منحصر بفرد خواهد بود. این سد در استان مازندران و محل سد در فاصله 28 کیلومتري جنوب شرقی شهرستان نکا و در مختصات جغرافیاي ی 53 درجه طول شرقی و 36 درجه عرض شمالی قرار دارد (جدول 1 و شکل 1). نوع سد ارتفاع سد از بستر رودخانه عرض تاج رقوم تاج جدول 1) مشخصات بدنه سد سنگریزه اي با رویه بتنی گلورد نکا سنگریزه اي با رویه بتنی 111 متر 12 متر 739 متر از سطح دریا شیب سراب (بالا دست بدنه) 1V 1.5H شیب پایین (پایین دست بدنه) 1V 1.4H

2 در این تحقیق پاسخ دینامیکی شکل 1) مقطع عرضی سد مخزنی گلورد نکا سدهاي سنگریزه اي با رویه بتنی با مطالعه موردي بر روي سد سنگریزه اي با رویه بتنی گلورد نکا تحلیل می شود و باتوجه به اینکه تاکنون چنین مطالعاتی بر روي سدهاي سنگریزه اي با رویه بتنی (CFRD) انجام نشده است در مقاله حاضر به آن پرداخته خواهد شد.نرم افزار اصلی مورد استفاده بمنظور آنالیز دینامیکی دراین پایان نامه نرم افزار اجزاء محدود PLAXIS 8.2 می باشد که هم اکنون بصورت گسترده اي در مساي ل مکانیک خاك مورد استفاده قرار می گیرد. 2- مفاهیم نظري زلزله هاي fault) (near و fault) (far و اثرات آنها زلزله هاي نزدیک گسل به زلزله هایی اطلاق می شود که فاصله شان از مرکز آزاد شدن انرژي کمتر از یک حد معینی باشد. بعضی از محققین این فاصله را 50 کیلومتر می دانند و برخی دیگر از جمله اکی این فاصله را 15 کیلومتر در نظر می گیرند. در این مقاله محدوده زلزله هاي نزدیک گسل را شعاع 10 کیلومتري مرکز سطحی زلزله و فراتر از این فاصله را حوزه دور زلزله در نظر می گیریم.نگاشتهاي حاصل از حوزه نزدیک عموما داراي یک پالس شدید و غالب سرعت و تغییرمکان در فرکانسهاي کوچک هستند و این در حالی است که چنین ویژگی در رکوردهاي حوزه دور دیده نمیشود. علاوه بر مطالب مذکور مطالعات صورت گرفته نشان میدهد که شتابنگاشتهاي ثبت شده در حوزه نزدیک عموما شامل مو لفههاي فرکانس بالا میباشند در حالی که شتابنگاشتهاي ثبت شده در حوزه دور عموما شامل مو لفههاي فرکانس پایین میباشند. لازم به ذکر است که خصوصیت مذکور به دلیل اثر جهتپذیري 1 در مناطق جلوي جبهه گسیختگی مشاهده میشود زیرا در حالت انتشار گسیختگی به طرف سایت با سرعتی نزدیک به سرعت انتشار امواج برشی بیشترین انرژي لرزهاي ناشی از گسیختگی به صورت یک پالس قوي به سایت میرسد در حالیکه در نواحی پشت جبهه گسیختگی پالس مذکور در نگاشت مشاهده نمیشود.نکته دیگري که در مطالعه خصوصیات زمینلرزههاي حوزه نزدیک حاي ز اهمیت است این است که مو لفه عمود بر امتداد گسل انرژي بیشتري از مو لفه موازي گسل مسبب زمینلرزه را داراست و بین دو مو لفه مذکور اختلاف زیاد دامنه ارتعاش در فرکانسهاي پایین دیده میشود اما در فرکانسهاي بالا این فاصله به حداقل میرسد (شکل 2 ). همچنین همانگونه که در شکل مذکور مشاهده میشود طیف پاسخ جابهجایی مو لفه عمود بر امتداد گسل در فرکانسهاي کوچکتر از یک هرتز به طور قابل توجهی از مو لفه موازي امتداد گسل بزرگتر است.در صورتی که به نگاشتهاي زمینلرزههاي حوزه دور و نزدیک از دید طیفی نگاه شود تفاوت محسوسی مشاهده خواهد شد. شکل 2 ) شکل بالا تاریخچه زمانی شتاب سرعت و تغییر شکل مولفههاي عمود و موازي با حرکت افقی ثبت شده طی زلزله سال شکل پایین طیف پاسخ تغییرشکل عمود و موازي [1997 al., [Somerville et. 2 1 Directivity Effect -

3 رکوردهاي انتخابی بمنظور تحلیل که موارد 1 و 2 مربوط به زلزله هاي نزدیک گسل و موارد 3 و 4 مربوط به رکوردهاي دور از گسل می باشند از سري مجموعه رکوردهاي kalkan می باشد که عبارتند از: 1-fling 2- forward directivity 3- far fault (1) 4- far fault (2) از هر مجموعه رکورد فوق الذکر نیز یک نمونه رکورد که PGA آن مشابهت بیشتري نسبت به PGA منطقه سد گلورد داشته انتخاب گشت و مدل سد گلورد با رکوردهاي آماده شده و اصلاح شده آنها توسط حالات استاندارد گفته شده در فصل قبل مدلسازي و سپس تحلیل شد. جدول 2 )اطلاعات مربوط به رکورد هاي انتخابی بمنظور تحلیل دینامیکی مدل سدگلورد ازبین رکوردهايkalkan : GM Characteristics Record No Earthquake M W Mech. 1 Station Far-Fault(1) 4 Northridge Forward-Dir. 13 Northridge Moorpark (Ventura Fire Stn.) Jensen Filt. Plant Dist. 2 (km) Site Class 3 Comp. PGA (g) PGV (cm/s) PGD (cm) 26.4 D D Fling 11 Kocaeli Sakarya 3.2 C EW Far-Fault(2) 6 Northridge 6.7 PGA=0.41 g Saturn Street School 26.9 D MDL=0.31g 0.43 در محدوده سد گلورد با بررسی بعمل آمده: همچنین پارامترهاي میرایی مدل parameter) (Damping مطابق زیر بدست آمده اند: f1=0.296 f2=0.169 w1=1.256 w2=2.637 α = β = همچنین جهت استفاده از رکوردهاي زلزله فوق الذکر توسط نرم افزار PLAXIS بایستی رکوردهاي موردنظر اصلاح گردند (بجز سري رکوردهاي (fling و اصلاح نهایی رکوردهاي ورودي نیز بمنظور حذف فرکانس هاي اضافی شتاب نگاشت در هنگام ثبت زلزله نیز بطورکامل انجام پذیرفت. - 3 جزي یات مدلسازي Plaxis نرم افزاري المان محدود پیشرفته براي تحلیل تغییر شکل ها و پایداري در پروژه هاي مهندسی ژي وتکنیک کاربرد دارد.معمولا در مساي ل مهم ژي وتکنیک یک مدل رفتاري پیشرفته براي مدل سازي رفتار غیرخطی و وابسته به زمان خاکها بسته به هدف مورد نظر لازم است. لازم به ذکر است پی مدل نیز کاملا صلب درنظر گرفته شده است. جدول 2) پارامترهاي مصالح به منظور مدلسازي 3

4 بدین منظور پنج نقطه در ارتفاع سد به منظور شاخصی براي ارزیابی پارامترها انتخاب گردید که در تصویر زیر کاملا مشخص می باشد. شکل 3) نقاط انتخابی روي بدنه سد وبراین اساس نتایج تحلیل ها و خروجی هاي نرم افزار Plaxis براي 4 رکورد مورد استفاده در آنالیز حاضر اراي ه می گردد که در ادامه خواهد آمد و نحوه نگارش آن بدین صورت خواهد بود که کلیه نتایج حاصل از تحلیل توسط آن رکورد پس از اراي ه خروجی هاي نرم افزار بصورت گرافیکی در بدنه سد توسط گراف ها و نمودارهایی عرضه خواهد شد. - 4 نتایج ( 1-4 نتایج تحلیل با رکورد انتخابی : Fling در این مدل پاسخ غیرخطی سد cfr گلورد نکا در برابر زلزله با استفاده از مدل رفتاري Mohr-Coulomb به دست می آید.این مدل قادر به درنظر گرفتن دو نوع سخت شوندگی برشی و سخت شوندگی فشاري می باشد. این مدل میرایی ویسکوز را در حین اعمال بارهاي رفت و برگشتی به المان خاك مدل می کند.سعی شده است تا پارامترهاي مدل MC و پارامترهاي میرایی رایلی به دقت محاسبه شوند که نتیجه نهایی با دقت بالا قابل اتکاء باشد ) خروجی هاي حاصل از تحلیل بصورت اشکال گرافیکی: شکل 4) توزیع تغییرمکان قاي م شکل 5) توزیع تغییرمکان افقی 3-1-4) خروجی هاي حاصل از تحلیل بصورت نموداري و مقایسه اي در ارتفاع سد شکل 6) نمودار Ux-t 4

5 شکل 7) نمودار Uy-t ( 2-4 نتایج تحلیل با رکورد انتخابی : Forward directivity ( خروجی هاي حاصل از تحلیل بصورت اشکال گرافیکی شکل 8) توزیع تغییرمکان قاي م شکل 9) توزیع تغییرمکان افقی Displacements: ( خروجی هاي حاصل از تحلیل بصورت نموداري و مقایسه اي در ارتفاع سد شکل 10) نمودارUx-t 5

6 خ) ششمین کنگره ملی مهندسی عمران شکل 11) نمودار Uy-t ( 3-4 نتایج تحلیل با رکورد انتخابی (1) fault : Far ( خروجی هاي حاصل از تحلیل بصورت اشکال گرافیکی شکل 12) توزیع تغییرمکان قاي م شکل 13) توزیع تغییرمکان افقی Displacements: روجی هاي حاصل از تحلیل دینامیکی بصورت نموداري و مقایسه اي در ارتفاع سد: شکل (14 Ux-t شکل (15 Uy-t 6

7 ( 4-4 نتایج تحلیل با رکورد انتخابی (2) fault : Far توضیح اینکه در این مدل به دلیل اثرات زیاد تغییر مکانها در دامنه ها دو نقطه دیگر به منظور بررسی تاثیر تغییرمکانها در شییب هاي طرفین سد لحاظ گردید که نقاط F و G می باشند. ( خروجی هاي حاصل از تحلیل بصورت اشکال گرافیکی شکل 16) توزیع تغییرمکان افقی شکل 17) توزیع تغییرمکان قاي م ( خروجی هاي حاصل از تحلیل دینامیکی بصورت نموداري و مقایسه اي در ارتفاع سد: شکل (18 Ux-t شکل (19 Uy-t 7

8 8 5) نتایج دراین بخش به جمع بندي بررسی هاي انجام شده در پژوهش ونتایج حاصل از آن پرداخته خواهدشد که بترتیب ذیل خواهند بود : نتایج حاصل از آنالیز دینامیکی سد سنگریزه اي با رویه بتنی گلورد نکا با استفاده از 2 رکورد زلزله هاي نزدیک گسل که شامل رکورد fling و رکورد mohr-colomb می باشد نشان داد که مدل سد در تحلیل با استفاده از مدل رفتاري forward directuvity هب( عنوان مدل رفتاري مورد استفاده بمنظور تحلیل مدل در این سد ( پس از آنالیز تغییرات ماندگار نسبتا زیادي از خود نشان می دهد بطوریکه در مورد پارامتر جابجایی و تغییرمکانها این مقدار به حدود 32 سانتیمتر در مورد نشست و تغییرمکانهاي عمودي و حدود 18 سانتیمتر در مورد تغییرمکانهاي افقی ملاحظه گردید که در مورد پارامتر اول یعنی نشست مقدار نسبتا قابل توجهی بوده و نیاز به دقت بالاتري در ارتباط با نوع طراحی و محتاطانه عمل نمودن در این خصوص دارد.این در حالیست که پارامتر فوق الذکر در نتایج تحلیل با دو رکورد دور از گسل (far (2 & 1 fault بیانگر این واقعیت است که زلزله هاي دور از گسل تغییرات شگرفی بر روي مدل نخواهند گذاشت بطوریکه در مورد پارامتر جابجایی و تغییرمکانها این مقدار به حدود 5 سانتیمتر در مورد نشست و تغییرمکانهاي عمودي و حدود 6 سانتیمتر و 23 سانتیمتر در مورد تغییرمکانهاي افقی می رسد و مقادیر ذکر شده مقادیر تاثیر گذاري بر روي پارامترهاي مصالح و وضعیت عمومی سد پس از زلزله با موقعیت دور از گسل نخواهند بود. بیان مطالب فوق با توجه به ارتفاع بالاي سد بیانگر واقعیتی دیگر به شرح مندرج در پاراگراف بعدي نیز خواهد بود با نگرشی بر روي ادبیات فنی موجود دنیا در این زمینه و کارهاي تحقیقاتی مشابه و تحقیق حاضر این واقعیت پررنگ تر خواهد شد که هر چه ارتفاع یک سد و علی الخصوص در مورد سدهاي سنگریزه اي بالاتر باشد میزان تاثیر گذاري نگاشتهاي حاصل از حوزه نزدیک که عموما داراي یک پالس شدید بوده و غالب سرعت و تغییرمکان آنان در فرکانسهاي کوچک هستند نسبت به رکوردهاي دور از گسل بیشتر خواهد بود و سد را دچار تغییرات درازمدت ماندگار بیشتري خواهند کرد. لازم به ذکر است که خصوصیت مذکور به دلیل اثر جهتپذیري در مناطق جلوي جبهه گسیختگی مشاهده میشود زیرا از نظر لرزه شناختی در حالت انتشار گسیختگی به طرف سایت با سرعتی نزدیک به سرعت انتشار امواج برشی بیشترین انرژي لرزهاي ناشی از گسیختگی به صورت یک پالس قوي به سایت میرسد در حالیکه در نواحی پشت جبهه گسیختگی پالس مذکور در نگاشت مشاهده نمیشود در تحلیل هاي دینامیکی چه در مورد آنالیز مدل با رکوردهاي دور از گسل و چه با رکوردهاي نزدیک گسل می توان نتیجه گیري نمود که تغییر مکانهاي قاي م بیشینه در تاج سد (نقطه A) رخ می دهد در مورد تغییرمکانهاي افقی در هر گروه از نتایج پس از تحلیل در بدنه سد به طور کلی و تقریبی می توان گفت که در سمت مخزن تغییرات افقی کمتر از سمت بالادست می باشد همچنین با توجه به پراکندگی تغییر مکانها در بدنه سد می توان چنین نتیجه گرفت که عدم پایداري سد در حین زلزله به صورت فرونهشتن پیشانی تاج سد و تورم قسمت هاي پاي ین به سمت مخزن دریاچه می باشد که به صورت طبیعی این عمل قابل پذیرش است. لازم به ذکر است که شاخص هاي منحنی هاي هم نشست (output) بیانگر این مطلب می باشند که این منحنی ها در ناحیه فیلتر متمرکز می شوند و همانطوریکه ملاحظه می شود تاج سد در سمت فیلترها و زهکش ها داراي تغییر مکان هاي پسماند بیشتري می باشند و البته مقدار ارتفاع آزاد سد به حدي است که بعلت زلزله در تراوش پایدار خطر سرریز شدن آب از تاج سد( overtopping ) اتفاق نمی افتد و سازه در مقابل زلزله MCL رفتار مناسبی نشان می دهد. 6) مراجع [1] Wenchuan Earthquake in china and its effects on dam safety China Institute of Water Resourceand Hydropower Research MAY [2]Zipingpu Concrete Face Rockfill Dam Failures caused by the 8.0Earthquake on the 12th May 2008 (Chengdu, China)E. LekkasUniversity of Athens, Geology and Geoenvironment, Athens, Greece [3] وفاي یان م سدهاي پاره سنگی انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان دي ماه [4] Abdel-ghaffar,a.m.and scott,r,e,analysis of eart dam response to earthquakes, asce journal of the geotechnical engineering division, vol 105,no gt12 [5] prevost,j,h, Abdel-ghaffar,a.m and lacy,s nonlinear dynamic analysis of an earth dam, asce journal of the geotechnical engineering division, vol 111,no 6 [6] Elgamel, a,w, m, ] Abdel-ghaffar and,a.m prevost,j,h, 2D Elastoplastic seismic shear response of earth dam, asce journal of the engineering mechanics, vol 113 no 5, pp , 1987 [7] Griffiths, D, V,And Prevost, two and three dimensional dynamic finit element analysis of the long vally dam, geotechnique vol 38 no 3 [8] Wieland, M,and Malla,S,seismic safety evaluation of a 117m high embankment damresting on a thick soil layer [9] Finn, W,D,L, Leather, R,H,and marcuson,w,f,north American practice for evaluation