ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل و روش ایده‌آل‌سازی بدنه سد
در این مطلب، بر اساس نتایج پژوهش منتشرشده در E3S Web of Conferences، نشان می‌دهیم چگونه ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل و رویکرد ایده‌آل‌سازی، می‌تواند هزینه‌ی ساخت را کاهش دهد، زمان اجرا را کوتاه کند و در عین حال، یکپارچگی و دوام بدنه سد را افزایش دهد.
تحلیل پروژه‌های بزرگ نشان می‌دهد که طراحی‌های سنتی سد بتن غلتکی، با وجود استفاده از فناوری راه‌سازی، هنوز از نظر کارایی، یکپارچگی سازه‌ای و هزینه‌ی ساخت در سطح ایده‌آل قرار ندارند. استفاده از بتن درشت‌متخلخل در بدنه سد و خنک‌سازی جرم سد با عبور ثقلی آب از منافذ، یکی از مهم‌ترین جهت‌گیری‌های جدید در بهینه‌سازی این سازه‌هاست.
۱. مقدمه‌ای بر ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل
سدهای بتنی ثقلی، سازه‌هایی بسیار حجیم و مصالح‌بر هستند که باید در طول عمر بهره‌برداری خود، در برابر فشار هیدرواستاتیک، بارهای دینامیکی، تغییرات دما، سیکل‌های یخ‌زدگی و ذوب و اثرات محیطی طولانی‌مدت مقاومت کنند. در این نوع سدها، وزن خود بدنه، نقش اصلی را در تأمین تعادل و مقابله با نیروهای وارده بر عهده دارد؛ به همین دلیل، کوچک‌ترین ضعف در طراحی یا فناوری اجرا می‌تواند به مشکلات جدی در پایداری و دوام منجر شود.
هزینه‌ی بالای مصالح و طولانی بودن دوره‌ی اجرا باعث شده است که هرگونه بهبود در طراحی و فناوری ساخت، تأثیر قابل‌توجهی روی اقتصاد پروژه داشته باشد. در چند دهه اخیر، تلاش‌های زیادی برای کاهش هزینه و زمان ساخت، از طریق استفاده از بتن غلتکی با سیمان کم، پوسته‌های محافظ، پرده‌های تزریقی و نیز بهره‌گیری از فناوری راه‌سازی در لایه‌چینی بدنه سد انجام شده است.
با وجود این پیشرفت‌ها، تجربه نشان داده است که بسیاری از این راه‌حل‌ها، به‌ویژه در شرایط اقلیمی سخت، تمام انتظارات را برآورده نمی‌کنند. درزهای افقی اجرایی باز می‌شوند، پوسته‌های محافظ دچار ترک و نفوذپذیری می‌شوند و در نهایت، یکپارچگی سازه‌ای و کارایی اقتصادی سد در سطح مطلوب باقی نمی‌ماند. این وضعیت، ضرورت حرکت به سمت رویکردهای بنیادی‌تر را در طراحی ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل برجسته می‌کند.
۲. مواد و روش‌ها
یکی از رویکردهای کلاسیک برای بهبود طراحی سدهای بتنی، «ارزیابی کارشناسی» است. در این روش، راه‌حل‌های مختلفی که در پروژه‌های واقعی به‌کار رفته‌اند، مورد تحلیل قرار گرفته و گزینه‌هایی که عملکرد بهتری از خود نشان داده‌اند، به‌عنوان الگوهای پیشنهادی ارائه می‌شوند. هرچند این روش به داده‌های واقعی و تجربه‌ی میدانی تکیه دارد، اما معمولاً به اصلاحات موضعی و پروژه‌محور منجر می‌شود و مسیر کلی توسعه‌ی فناوری را مشخص نمی‌کند.
نقطه‌ی عطف در توسعه‌ی فناوری سدهای بتنی زمانی بود که مهندسان هیدرولیک، فناوری راه‌سازی را با بتن غلتکی تلفیق کردند. در این طرح، مقطع سد تقریباً مثلثی بوده، هسته‌ی مرکزی از بتن غلتکی کم‌سیمان تشکیل و پیرامون آن با لایه‌های بتن ارتعاشی متراکم پوشانده می‌شد. این لایه‌ها در سمت بالادست نقش آب‌بند و در سمت پایین‌دست نقش محافظ در برابر یخ‌زدگی را بر عهده داشتند.
در این روش، بدنه‌ی سد در کل طول خود لایه‌به‌لایه و با استفاده از تجهیزات متداول راه‌سازی اجرا می‌شد:
- حمل بتن توسط کامیون‌های کمپرسی،
- پخش بتن با اسکرپرها،
- تسطیح لایه‌ها با بولدوزر،
- و تراکم با غلتک‌های سنگین.
این رویکرد سرعت اجرای سد را نسبت به بتن‌ریزی جرثقیلی سنتی به‌طور قابل‌توجهی افزایش داد، اما تحلیل‌های بعدی نشان داد که این فناوری نیز از نظر کارایی سازه‌ای و خنک‌سازی جرم سد هنوز ایده‌آل نیست.
در ادامه، پژوهشگران دانشگاه سامارا رویکردی تازه با عنوان «ایده‌آل‌سازی راه‌حل‌های سازه‌ای و فناورانه» پیشنهاد کردند. این رویکرد در دو مرحله انجام می‌شود:
- در مرحله‌ی نخست، مؤثرترین راه‌حل‌های سنتی که در تجربه‌ی جهانی به‌طور موفق استفاده شده‌اند، به‌عنوان طرح مرجع انتخاب می‌شوند.
- در مرحله‌ی دوم، با استفاده از تکنیک‌های نوآوری مهندسی، راه‌حلی طراحی می‌شود که ویژگی‌های آن تا حد امکان به «ساختار ایده‌آل» نزدیک باشد.
در این چارچوب، کارایی هر طرح بر اساس تأثیر آن بر کاهش هزینه‌ی ساخت، افزایش بهره‌وری فناوری و نزدیک کردن رفتار سد به الگوی ایده‌آل ارزیابی می‌شود.
۳. نتایج تحلیل روش‌های سنتی
۳–۱. چندمرحله‌ای و پرهزینه بودن فرآیند ساخت
نخستین نتیجه‌ی تحلیل روش‌های مرسوم این است که فرآیند ساخت در سدهای بتن غلتکی، ماهیتی چندمرحله‌ای و پرهزینه دارد. در بسیاری از طرح‌ها، هر لایه از بدنه سد به‌صورت یک «لایه‌ی سه‌جزئی» شکل می‌گیرد که در آن:
- سه نوع بتن با ترکیب‌های متفاوت به‌کار می‌رود،
- سه جریان اجرایی مستقل با تجهیزات متمایز لازم است،
- هماهنگی زمانی و ظرفیتی بین این جریان‌ها دشوار است.
این وضعیت منجر به افزایش زمان اجرا، بالا رفتن هزینه‌های مستقیم و غیرمستقیم، پیچیدگی کنترل کیفی و کاهش قابلیت استانداردسازی در پروژه‌های مشابه می‌شود.
۳–۲. محدودیت عملکرد پوسته‌های محافظ
در طرح‌های مختلف، برای افزایش دوام و آب‌بندی بدنه سد، از پوسته‌های محافظ گوناگون استفاده شده است؛ از جمله:
- ورق‌های فولاد ضدزنگ با ضخامت حدود ۳ میلی‌متر،
- لایه‌های قیری در جداره‌ی بلوک‌های پیش‌ساخته،
- پوسته‌های ضخیم بتنی در پایین‌دست تا ضخامت حدود ۶ متر،
- پرده‌های تزریقی زیر بدنه.
تجربه‌ی عملی نشان می‌دهد که بسیاری از این راه‌حل‌ها از نظر اقتصادی یا اجرایی بهینه نیستند:
- ورق‌های فولادی به‌دلیل هزینه‌ی بسیار بالا کنار گذاشته شده‌اند،
- لایه‌های قیری، به‌علت تعدد عملیات و پیچیدگی، کارایی کافی ندارند،
- پوسته‌های ضخیم بتنی هزینه‌ی کل ساخت را افزایش می‌دهند،
- پرده‌های تزریقی به تنهایی تضمین‌کننده‌ی پایداری درازمدت نیستند.
۳–۳. ضعف یکپارچگی سازه‌ای در سدهای بتن غلتکی
یکی از چالش‌های جدی، حفظ «یکپارچگی سازه‌ای» در سدهای بتن غلتکی است. در این سدها، درزهای افقی اجرایی به‌مرور باز شده و پوسته‌ی تحت فشار خاصیت آب‌بندی خود را از دست می‌دهد. دو تجربه‌ی مهم در سدهای Upper Stillwater و Willow Creek به خوبی تناقض‌های این روش را نشان می‌دهند.
در سد Upper Stillwater، پوسته‌ها تنها به عنوان قالب‌بندی عمل می‌کردند و آب‌بندی بدنه با افزایش چشمگیر مقدار مواد چسباننده انجام شد؛ به طوری که حدود ۱۷۰ کیلوگرم بر مترمکعب خاکستر بادی به همراه ۷۷ کیلوگرم بر مترمکعب سیمان مصرف شد. اگرچه نفوذپذیری کاهش یافت، اما مصرف سیمان و خاکستر بادی به حدود ۱۵۰ تا ۲۲۵ کیلوگرم بر مترمکعب رسید که از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی مطلوب نیست.
در سد Willow Creek، برای کاهش هزینه، مقدار چسباننده به حدود ۶۷ کیلوگرم بر مترمکعب کاهش یافت؛ در نتیجه نفوذپذیری بدنه افزایش پیدا کرد و آب در سراسر سد نفوذ کرد. پس از اتمام ساخت، تزریق گسترده‌ی سیمان در بدنه انجام شد تا نفوذپذیری کاهش یابد؛ اما این اقدام، همراه با آبگیری مخزن، مخاطره‌ی ایجاد تنش‌های کششی در هسته‌ی سد را افزایش داد.
این مثال‌ها نشان می‌دهند که با وجود تلاش‌ها برای کنترل نفوذپذیری، مسئله‌ی یکپارچگی سازه‌ای و پایداری در برابر واژگونی و یخ‌زدگی در نواحی داخلی سد حل نشده و نیاز به رویکردی بنیادی‌تر وجود دارد؛ رویکردی که در آن، از ابتدا به ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل و سیستم خنک‌سازی سازه‌ای فکر شود.
۴. بحث و معرفی طرح ایده‌آل‌شده
۴–۱. شکل‌گیری رویکرد ایده‌آل‌سازی
با توجه به نارسایی‌های روش‌های مرسوم، پژوهشگران دانشگاه سامارا رویکردی نو به نام «ایده‌آل‌سازی راه‌حل‌های سازه‌ای و فناورانه» ارائه کردند. در این رویکرد:
- طرح مرجع بر اساس مؤثرترین راه‌حل‌های موجود انتخاب می‌شود؛ یعنی بهترین نمونه‌های تجربه‌شده در سدهای بتنی جهان، نقطه‌ی شروع هستند.
- سپس، با بهره‌گیری از تکنیک‌های خلاقیت مهندسی، مدل ایده‌آل طراحی می‌شود که در آن، ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل و فناوری خنک‌سازی، به سطحی نزدیک به ایده‌آل برسد.
هدف اصلی، کاهش پیچیدگی اجرا، افزایش قابلیت صنعتی‌سازی، حفظ یکپارچگی بدنه و به حداقل رساندن هزینه‌ی مصالح و تجهیزات است؛ بدون آنکه از سطح ایمنی و دوام سازه کاسته شود.
۴–۲. ویژگی‌های سد ایده‌آل‌شده و فناوری ساخت آن
در طرح ایده‌آل‌شده، مقطع سد از نظر الگوی کلی شبیه سدهای خاکی است؛ یعنی توزیع جرم بدنه به گونه‌ای است که تعادل استاتیکی در برابر فشار آب و سایر بارها تأمین شود. تفاوت اصلی در جنس و فناوری اجرای بدنه است: بدنه سد از بتن کم‌سیمان و سپس از بتن درشت‌متخلخل ساخته می‌شود و پیرامون آن، عناصر فیلمی‌شکل محافظ قرار می‌گیرند که سد را در برابر فشار هیدرواستاتیک، دمای پایین و رطوبت جوی محافظت می‌کنند.
یکی از اصول کلیدی این طرح، حذف «منطقه‌بندی قائم» است؛ بدین معنا که تا حد امکان از ایجاد درزهای عمودی پرهیز شده و تنها درزهای افقی اجرایی باقی می‌مانند. این موضوع باعث افزایش پیوستگی سازه و کاهش تمرکز تنش‌ها در بدنه سد می‌شود.
فناوری ساخت سد نیز بر پایه‌ی «روش راه‌سازی ایده‌آل» طراحی شده است:
- کل بدنه در مدت کوتاه، معمولاً طی یک فصل تابستان، لایه‌به‌لایه اجرا می‌شود،
- از یک جریان اجرایی یکنواخت و تجهیزات ثابت پرظرفیت استفاده می‌شود،
- بدنه سد پیش از زمستان، به دمای بهره‌برداری نزدیک می‌شود و از تنش‌های حرارتی شدید جلوگیری می‌گردد.
۴–۳. مزایای اصلی طراحی و فناوری ایده‌آل
دو مزیت اصلی این طرح عبارت‌اند از:
- ساخت یکنواخت و تک‌جریان: در هر لایه، تنها یک نوع بتن استفاده می‌شود و نیازی به سه جریان مجزا نیست. این موضوع، برنامه‌ریزی منابع، کنترل کیفیت و مدیریت زمان را ساده‌تر و ارزان‌تر می‌کند.
- مسیر روشن توسعه: ایده‌آل‌سازی، جهت کلی توسعه سدهای بتنی را مشخص می‌کند و حتی اگر طرح نهایی هنوز کاملاً ایده‌آل نباشد، از نظر عملکردی به وضعیت مطلوب نزدیک است و امکان بهبود مستمر را فراهم می‌آورد.
۴–۴. بتن درشت‌متخلخل و خنک‌سازی نوین جرم سد
گام بعدی و اساسی در این رویکرد، جایگزینی بتن غلتکی سنتی با بتن درشت‌متخلخل است. در بتن درشت‌متخلخل، پس از تراکم، منافذ نسبتاً بزرگ و پیوسته‌ای در ساختار بتن باقی می‌ماند که امکان عبور کنترل‌شده آب را فراهم می‌کند.
مهندسان سامارا از این ویژگی برای توسعه‌ی یک روش نوین خنک‌سازی جرم سد استفاده کردند: لایه‌های بتنی که در فصل تابستان اجرا می‌شوند، پیش از شروع زمستان با عبور آب فیلترشده از منافذ بتن تا دمای پایدار بهره‌برداری خنک می‌شوند. این جریان آب می‌تواند لایه‌به‌لایه یا در کل ارتفاع بخش اجراشده بدنه هدایت شود.
مزیت این روش آن است که گرادیان‌های حرارتی شدید در بدنه سد کاهش یافته، تنش‌های حرارتی کنترل می‌شود و احتمال ترک‌خوردگی و بازشدگی درزها به حداقل می‌رسد. به این ترتیب، ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل، نه‌تنها از نظر سازه‌ای بلکه از نظر حرارتی نیز به وضعیت ایده‌آل نزدیک‌تر می‌شود.
۴–۵. بهینه‌سازی ساختار داخلی سد و گالری‌ها
گالری‌های بازرسی و تزریق نقش مهمی در کنترل رفتار سد و سیستم آب‌بندی دارند. در طرح پیشنهادی، برای ساخت گالری‌ها در بدنه سد، ترکیبی از بتن درشت‌متخلخل و ماسه دانه‌متوسط به کار می‌رود:
- بدنه اصلی هر لایه از مخلوط بتن درشت‌متخلخل تشکیل می‌شود،
- فضای داخلی پروفیل گالری با ماسه دانه‌متوسط پر می‌شود.
ابتدا، یک لایه بتنی با شیب آزاد به سمت گالری اجرا می‌شود. سپس، یک قالب حجمی برای شکل‌دهی حفره گالری مورد استفاده قرار می‌گیرد. پس از آنکه بتن به مقاومت کافی رسید، قالب با استفاده از سیستم پنوماتیک خارج و برای دفعات بعدی دوباره استفاده می‌شود. ماسه نیز توسط تجهیزات متداول برداشت و از طریق همان سامانه پنوماتیک در لایه‌های گالری قرار می‌گیرد.
این روش، زنجیره فرآیندهای پرهزینه و زمان‌بر مانند نصب و جداسازی قالب‌های پیچیده و تولید قطعات پیش‌ساخته متعدد را حذف کرده و در نتیجه، هزینه ساخت و مدت زمان اجرا را کاهش می‌دهد. آزمایش‌های انجام‌شده در مجتمع هیدروالکتریک شولبا نشان داده است که لایه‌های بتن درشت‌متخلخل با ضخامت حدود ۰٫۳۰ تا ۰٫۷۵ متر به‌خوبی با بولدوزر تسطیح و با عبور چندباره کامیون‌های سه‌محور و غلتک‌های پنوماتیک و لرزشی متراکم می‌شوند؛ این نتایج امکان استفاده از همین فناوری در ضخامت‌های بالاتر را نیز تأیید می‌کند.
۵. نتیجه‌گیری‌ها
بر اساس تحلیل‌ها و نتایج ارائه‌شده، می‌توان جمع‌بندی زیر را برای ساخت سد بتنی ثقلی با بتن درشت‌متخلخل ارائه کرد:
- روش ایده‌آل‌سازی، در ترکیب با تجربیات موفق روش‌های سنتی، چارچوبی فراهم می‌کند که در آن، طراحان می‌توانند راه‌حل‌هایی نزدیک به ساختار ایده‌آل را برای سدهای بتنی ثقلی بیابند. این رویکرد، بیشترین کارایی فنی و اقتصادی را در طراحی نهایی تضمین می‌کند.
- جایگزینی بتن غلتکی با بتن درشت‌متخلخل و استفاده از خنک‌سازی جرم سد از طریق عبور ثقلی آب، امکان ساخت لایه‌به‌لایه با سرعت بالا (عمدتاً طی یک فصل تابستان) را فراهم کرده و در عین حال، یکپارچگی سازه‌ای بدنه را حفظ می‌کند. این روش، مشکلات ناشی از تنش‌های حرارتی و بازشدگی درزها را به‌شدت کاهش می‌دهد.
- نتایج مدل‌سازی، آزمایش‌های میدانی و تحلیل‌های اقتصادی نشان می‌دهد که این رویکرد می‌تواند هزینه ساخت سدهای بتنی ثقلی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد؛ در حالی که پایداری، دوام و بهره‌وری فرآیند اجرا را افزایش می‌دهد. انتظار می‌رود به‌کارگیری صنعتی این روش، مسیر تازه‌ای در توسعه فناوری ساخت سدهای بتنی در سطح جهانی و به‌ویژه در پروژه‌های بزرگ آتی ایجاد کند.
منابع
بدون دیدگاه