مقدمه
سدهای خاکی  را تقریباً در روی هر نوع فونداسیون و یا سایتی که برای ساخت سازه های بتنی نامناسبت هستند می توان اجرا نمود. برای احداث این نوع سدها به شرط آنکه در ناحیه بندی مصالح به کار رفته دقت شود از انواع مختلفی از مصالح ساختمانی می توان در هنگام ساخت بهره جست. در سال های اخیر ساخت سدهای خاکی و سنگریزه ای نسبت به دیگر انواع سدها رواج بیشتری یافته است که دلایل آن عبارتند از:

• در اکثر کشورهای مترقی مناطق مناسب برای احداث سدهای بتنی قبلاً مورد استفاده قرار گرفته و دیگر یافت نمی شود.
• هزینه عملیات خاکی برای سدهای خاکی نسبت به عملیات بتنی دارای رشد کمتری بوده است.

 

از سال 1955 تاکنون تعداد سدهای خاکی بزرگ (یعنی آنهایی که دارای ارتفاع بیش از 15 متر می باشند) با آهنگی تقریباً برابر با 200 سد در سال در سطح دنیا در حال افزایش بوده است. بر طبق آمار ارائه شده توسط ICOLD (کمیته بین المللی سدهای بزرگ ) در حال حاضر بلندترین سدهای جهان عبارتند از سد نورک  با ارتفاع 300 متر که در کشور شوروی سابق احداث گردید و سد روگان  با ارتفاع 335 متر که این سد نیز در شوروی سابق ساخته شده است. هر دو این سدها از نوع سدهای خاکی می باشند.
وظایف یک سد به عنوان یک سازه عبارتند از:

(الف) ایجاد حائلی ناتراوا در برابر جریان آب با هدف ذخیره سازی آن
(ب) انتقال نیروی آب به فونداسیون با ضریب اطمینان کافی

 

انواع سدهای خاكی
سدهای خاکی را به چهار دسته می توان تقسیم نمود:

• سدهای همگن
• سدهای ناحيه بندي شده
• سدهای غشائی
• سدهای ساخته شده توسط پسماند ها (سدهای پسماندی)

 

سدهای همگن

هر سدی که از یک نوع مصالح ساخته شده باشد، همگن نامیده می شود، هرچند ممکن است دارای یک سیستم زهکش داخلی نیز باشد. در این نوع سدها با استفاده از حفاری، گودال های قرضه یا با استفاده از تغییر میزان و درصد تراکم و درصد رطوبت در بخش های مختلف سازه از مزایای سدهای ناحیه بندی شده نیز می توان بهره جست. افزایش درصد رطوبت و یا انرژی تراکم می تواند باعث کاهش نفوذپذیری در حدود 10 تا 100 برابر نسبت به زمانی شود که تراکم در طرف خشک درصد رطوبت بهینه انجام پذیرفته است (رجوع شود به مبحث تراکم در درس مکانیک خاک).
تقریباً در تمام سدهای خاکی همگن باید زهکش هایی با اهدف ذیل به کار گرفته شوند:
(الف) کاهش سطح آب آزاد (فریاتیک) به منظور افزایش پایداری شیب پایین دست.
(ب) کنترل جریان آب در محل خروج آن در پایین دست سد برای جلوگیری از فرسایش و شسته شدن خاک در اثر پدیده رگاب
انواع معمول زهکش ها در سدهای خاکی همگن در شکل 1-1-الف، 1-1-ب و 1-1-پ نشان داده شده است.

شکل 1-1: زهکش های مورد استفاده در سدهای همگن
(الف) زهکش پنجه ای  (ب) زهکش پتویی یا افقی (پ) زهکش دودکشی

 

از زهکش های پنجه ای در سدهایی استفاده می شود که ارتفاع آن ها از 20 متر کمتر است. زهکش هایی پتویی یا افقی در سد های با ارتفاع بیش از 20 متر به کار گرفته می شوند. در هنگام استفاده از این نوع زهکش ها باید این نکته را توجه نمود که به دلیل طبیعت لایه ای خاک های متراکم شده در هنگام ساخت سد، نفوذپذیری افقی این خاک ها می تواند بسیار بزرگتر از نفوذپذیری قائم آن باشد و این خطر وجود دارد که به دلیل این خاصیت خاک های متراک شده، جریان آب در داخل سد خاکی از داخل زهکش عبور نکنند و این نوع زهکش ها کارایی خود را از دست دهند. زهکش های دودکشی بهترین نوع زهکش ها بوده و در اکثر سدهای بزرگ و مهم از این نوع زهکش ها استفاده می شود.
ابعاد و نفوذپذیری زهکش ها باید طوری انتخاب شوند که مجموعه مورد نظر بتواند میزان جریان آب محاسباتی را با یک حاشیه اطمینان کافی انتقال دهد. ضریب نفوذپذیری مصالح زهکش ترجیحاً باید 100 برابر ضریب نفوذپذیری مصالح خاکریز باشد.
زهکش های پتویی باید حداقل 1 متر ضخامت داشته باشند ولی ضخامت زهکش های دودکشی نباید کمتر از 2 متر باشد.

 

سدهای ناحیه بندی شده (ناهمگن)

ایده به کار رفته در یک سد ناحیه بندی شده استفاده بهینه از مصالح موجود است به طوری که بیشترین صرفه اقتصادی حاصل گردد. مصالح رسی معمولاً دارای مقاومت برشی کمتری نسبت به مصالح شنی یا سنگدانه های نفوذپذیر بوده و معضلاتی همچون ایجاد فشار منفذی و مسائل مربوط به نشت را به همراه دارند. بنابراین با محدود کردن میزان استفاده از مصالح رسی می توان سدی با حجم کمتر و هزینه پایین تر ساخت. در چنین سدهایی از مصالح رسی برای ساخت هسته استفاده شده و بقیه قسمت های سد را با استفاده از مصالح متخلخل با مقاومت بالا که توسط فیلترهایی از هسته جدا می شوند، می سازند.

 

الف: سدهای ناحیه بندی شده با هسته قائم

در این نوع سدها (شکل 1-2)، هسته را می توان در داخل فونداسیون امتداد داد تا در صورت نفوذپذیر بودن فونداسیون، نقش غشاء آب بند را نیز ایفا نماید. باید به این نکته توجه داشت که قرار دادن یک هسته نازک قائم در بین مصالح سنگی نسبتاً سخت مخاطراتی را نیز می تواند به همراه داشته باشد زیرا در چنین حالتی پدیده قوس زدگی  می تواند رخ داده و باعث کاهش تنش های قائم در مصالح هسته گردد. پدیده قوس زدگی ممکن است منجر به شکست هیدرولیکی هسته گردد.
مزایای استفاده از هسته قائم عبارتند از:

(الف) فشار تماسی بالاتری بین هسته و فونداسیون وجود خواهد داشت. این مسئله می تواند احتمال نشت در این محل را کاهش دهد.
(ب) برای یک مقدار مشخص از مصالح خاکی، ضخامت هسته مقداری بیشتر از ضخامت یک هسته شیب دار است.

شکل 1-2: سد ناحیه بندی شده با هسته قائم

 

ب: سدهای ناحیه بندی شده با هسته شیب دار

مزایای استفاده از هسته های شیب دار (شکل 1-3) در سدهای ناحیه بندی شده عبارتند از:

(الف) بخش پایین دست را می توان در ابتدا اجرا نمود. این مسئله در مناطقی که دارای فصل خشک کوتاهی جهت اجرای هسته می باشند دارای اهمیت زیادی می باشد.
(ب) همزمان با اجرای قسمت پایین دست سد می توان عملیات تزریق در زیر هسته را نیز به انجام رساند.
(پ) این نوع از هسته ها، حساسیت کمتری به ترک های ناشی از نشست های تفاضلی در مناطق مختلف سد دارند.

 شکل 1-3: سد ناحیه بندی شده با هسته شیب دار

در هنگام تصمیم گیری برای ضخامت بهینه و موقعیت هسته، عوامل زیر باید در نظر گرفته شوند:

(1) هزینه های واحد نسبی عملیات خاکی مصالح درشت دانه و مصالح رسی هسته
(2) حجم خاکریز سد: به جز در مواردی که مصالح هسته دارای مقاومت برشی بالایی هستند، حداقل حجم خاکریز سد زمانی حاصل می شود که هسته سد دارای ضخامت کمی باشد.
(3) شرایط اقلیمی: در شرایط آب و هوایی بسیار مرطوب یا شرایط یخبندان امکان اجرای عملیات خاکی با مصالح رسی وجود ندارد. این در حالیست که مصالح نفوذپذیر همانند مصالح شنی و سنگی را در تمام شرایط آب و هوایی می توان اجرا نمود.
حداقل ضخامت هسته بستگی به عوامل زیر دارد:
(1) میزان مجاز تراوش آب در داخل هسته
(2) حداقل عرضی که اجازه عملیات اجرایی را به طور مناسب بدهد.
(3) نوع مصالح موجود برای اجرای هسته و پوسته ها
(4) طراحی فیلتر های مورد نظر
(5) پروژه های مشابه پیشین

 

پ: سدهای غشائی

سدهای غشائی با استفاده از مصالح درشت دانه نفوذپذیر ساخته می شوند ولی سطح شیب دار رویه بالادست آن با استفاده از غشائی نازک که نفوذ ناپذیر است رویه می شود. این غشاء نازک معمولاً از بتن سیمانی یا بتن آسفالتی ساخته می شود اما اخیراً ورقه های فولادی یا ورقه های لاستیکی (سنتتیکی) نیز برای ساخت غشاء استفاده شده است. در حالی که از غشاء های داخلی نیز برای ساخت سدهای خاکی استفاده شده است، بیشترین کارایی و مزایا هنگامی حاصل می شود که غشاء در روی رویه بالادست سد قرار داده می شود.

مزایای استفاده از سد های غشائی عبارتند از:

(1) با استفاده از یک سیستم زهکش مناسب در پشت غشاء فشار های منفذی ناشی از تراوش در داخل خاکریز از بین می روند. این امر منجر به افزایش پایداری می گردد به طوری که می توان خاکریز سد را با شیب بیشتر اجرا نمود و بدین ترتیب حجم خاکریز مورد نظر کم تر خواهد شد.
(2) غشاء سد همیشه در معرض بازرسی و در صورت نیاز ترمیم قرار دارد. بدین ترتیب می توان جلوی نشت را گرفت.
(3) غشاء سد به عنوان محافظ در برابر برخورد امواج عمل می نماید.
(4) در صورت وقوع نشت، غشاء دچار فرسایش نمی شود.

معایب سدهای غشائی عبارتند از:

(1) هزینه ساخت آن بالاست.
(2) در محل اتصال غشاء به پنجه احتمال ترک خوردگی غشاء وجود دارد.
(3) ممکن است طول عمر کوتاهی داشته باشند. به طور مثال غشاء های فولادی.

 

استفاده از سدهای غشائی هنگامی دارای توجیه می باشد که شرایط زیر حاکم باشد:

(1) فونداسیون ها و تکیه گاه های جانبی صخره ای یا سنگی هستند.
(2) خاک های رسی یا ناتراوا موجود نباشند.
(3) ایجاد سیستم محافظ در برابر برخورد امواج هزینه زیادی در بر داشته باشد.
(4) فصول بارانی در منطقه ساخت سد بسیار طولانی باشد.
(5) عملیات تزریق بسیار گسترده و وسیع می باشد. تزریق را می توان در راستای پنجه غشاء همزمان با ساخت سد انجام دارد.

ناحیه	2	سنگریز خوب دانه بندی شده (حداکثر اندازه 225 mm)	A	غشاء بتنی مسلح
ناحیه	3A	سنگریز با کیفیت خوب دانه بندی شده (حداکثر اندازه 600 mm)	B	شن رودخانه ای
ناحیه	3B	مشابه ناحیه 3A با محدوده دانه بندی باز تر (حداکثر اندازه 914 mm)	C	محور سد
			D	ناحیه تسلیح شده توسط انکر
شکل 1-4: سد غشائی

 

 ت: سدهای پسماندی

سدهای پسماندی با هدف ذخیره و دپو کردن پسماندهای بدست آمده از عملیات معدن کاری احداث می شوند و نه ذخیره آب برای مصارف آشامیدنی، کشاورزی و یا صنعتی. چنین سدهایی را در یک فصل مجزا مورد بحث قرار خواهیم داد.