بررسی مبانی طراحی سد‌های لاستیکی

استفاده از لاستیک در صنعت آب

استفاده از لاستیک در صنعت آب، سابقه و عمر بسیار کوتاهی دارد، اما از طرفی ساخت بیش از ۴۰۰۰ سد لاستیکی در دنیا و اجرای صد‌ها طرح افزایش ارتفاع سد و استفاده از لاستیک به‌جای دریچه‌های فلزی نمایانگر این است که این ماده جای خود رابین مصالح مختلف کاملاً بازکرده است و هرروز شاهد استفاده هر چه بیشتر از این فناوری هستیم. به علت اهمیت موضوع، لازم است مهندسان طراح و دست‌اندرکاران صنعت لاستیک با تجربیاتی که درزمینه طرح‌های سد لاستیکی وجود دارد، بیشتر آشنایی یابند.

این مطلب را از دست ندهید: بزرگترین سد لاستیکی گیلان

بخش‌های مختلف سد‌های لاستیکی

• بدنه سد
• بستر سد و تجهیزات کنترل
• سیستم تنطیم و بهره برداری

مبانی طراحی سد‌های لاستیکی

در ادامه مبانی به طراحی سد‌های لاستیکی با ذکر یک مثال پرداخته می‌شود:

• طراحی پی سد لاستیکی

به علت سبکی غشاء و بستر بتنی، از این نوع سد‌ها در بسیاری از زمین‌ها قابل احداث است و تنها باید بستر مناسب برای دال بتنی آن‌ها فراهم شود. طبق تحقیقات انجام شده برای دستیابی به بستری مناسب باید به صورت مناسبی زهکشی شود.

برای این منظور از شمع‌های ماسه‌ای (Sand piles) در فواصل ۱۰ متری و ب عمل ۲ متر استفاده می‌شود تا ضمن زهکشی امکان هرگونه روانگرایی (Liquifation) از بین می‌رود لازم است خاک زیر بستر متراکم شود تا بستر قابل اطمینان در زیر دال بتنی به‌وجود می‌آید.

• طراحی بستر بتنی سد لاستیکی

برای قرار گرفتن غشاء لاستیکی بر روی یک بستر صاف و برای تثبیت و محدود کردن غشاء یک دال بتنی در کف و کناره‌ها اجرا می‌شود تا غشاء بر روی آن نصب گردد.

این بستر بتنی باید کلیه نیرو‌های وارده اعم از نیروی هیدرواستاتیک، نیروی کششی و نیروی وارده از سیستم مهاربندی را تحمل کند.

ببینید: سرریز کردن سد طالقان

این بستر برخلاف پی بتنی سد‌های انحرافی بتنی به منظور ایجاد تعادل نبوده و بسیار کم حجم است.

از آنجا که محل اتصال غشاء به پی در سطح روئی پی است ممان‌های وارده بسیار کم بوده و در نتیجه حجم بتن لازم کم است.

این بستر برخلاف پی سد‌های بتنی باید تحمل نیرو‌های نقطه‌ای وارده از طریق اتصالات را نیز داشته باشد و در سد انحرافی سیلوه بحرانی‌ترین حالت، یعنی حالتی که ارتفاع آب در بالادست به مقدار حداکثر یعنی ۷/۳ متر از تراکزف رودخانه می‌رسد و ارتفاع آب پائین دست صفر است، در نظر گرفته شده است.

همچنین ارتفاع موثر دال طوری در نظر گرفته شده است تا پوشش لازم را برای میل مهار‌ها داشته باشد. برای جلوگیری از رانش پی در جهت جریان، دوپاشنه به عرض ۱/۱ متر و عمق ۱/۱ متر در نظر گرفته شده است تا هرگونه حرکتی را محدود کند.

ارتفاع غشاء از روی پی ۲/۲ متر است. برای ایجاد مهار‌های جانبی در کناره‌های سد، دیوار‌ها به ارتفاع ۳ متر به صورت صلب به دال بتنی متصل می‌شوند.

این دیوار‌ها شیبدار ابتدا در پی و دیوار‌های تعیین می‌گردد و سپس در بتن مدفون می‌شود. محل کلیه تاسیسات مهاذری غشاء نیز ابتدا مشخص شده، میل مهار‌ها و صفحات پائینی نیز کار گذاشته می‌شوند و سپس با بتن ریزی در محل خود تثبیت می‌گردند.

• طراحی سیستم مهاربندی سد لاستیکی

برای مهار کردن غشاء لاستیکی به بستر بتنی و دیواره‌های جانبی ابتدا میل مهار‌ها و صفحات مهارکننده پائینی را در بتن نصب می‌کنند و سپس غشاء را با تاور کربن (Tower crane) حمل کرده به محل سد می‌آورند و سوراخ‌های تعبیه شده در غشاء را با میل مهار‌ها تنظیم می‌کنند و سپس صفحات مهار کننده فوقانی را روی آن‌ها قرار داده و با بولت‌های فولادی محکم می‌بندند.

در سد سیلوه از سیستم مهاربندی یک ردیفه (Single anchoring) استفاده شده است.

برای تثبیت غشاء به دال کف و دیواره‌ها از یک ردیف پیچ استفاده می‌شود. در این روش اگرچه در تعداد پیچ‌ها و بست‌های مهاری صرفه جوئی می‌شود، ولی در عوض باید مقاومت پیچ‌ها بیشتر باشد.

از مزایای این روش این است که تمامی پیچ‌ها و بست‌های مهاری پس از نصب در دسترس هستند و مونتاژ آن به علت یک ردیفه بودن بسیار اسانتر است. برای طراحی این پیچها، بحرانی‌ترین حالت بارگذاری، یعنی حالتی که ارتفاع آب بالادست برابر ارتفاع غشاء بوده و ارتفاع آب پایین دست صفر است، در نظر گرفته شده است.

این مطلب را از دست ندهید: سرمایه گذاری ۱۵۰ میلیارد ریالی در ساخت سد لاستیکی

با توجه به تحلیل‌های انجام شده در بحرانی‌ترین حالت بارگذاری در مورد نیروی هیدرواستاتیک و نیروی کششی نتایج زیر حاصل شده است. این نتایج برای المانی از غشاء به عرض واحد در نظر گرفته شده و سپس برای طول غشاء تعمیم داده شده است. نیروی برشی ماکزیمم هر پیچ (F) پس از تحلیل برابر ton ۲۵۳۶ است. بر اساس آئین نامه سازمان مدیریت و برنامه ریزی، تنش برشی مجاز برای پیچ‌ها در اتصال انکائدی و غیراصطکاکی Fv = ۱۰۵۰kg/cm۲ است. اگر مساحت مقطع پیچ را به A = пD۲ نشان دهیم داریم:

F=FvA

۲۵۳۶=۱۰۵۰пD۲/۴ D=۱۷.۵mm

برای اطمینان بیشتر، از پیچ‌های ۲۲ میلی متری استفاده می‌گردد. با توجه به آئین نامه، فاصله پیچ‌ها و برای اطمینان بیشتر این فاصله را mm ۱۵ در نظر می‌گیریم. فاصله پیچ‌ها از یکدیگر مضاربی از ۵ هستند.

طول استاندارد صفحات مهاری mm۱۲۰ بوده و در هر صفحه از ۶ پیچ ۲۲ mm به فاصله ۱۵ cm استفاده می‌گردد.

فالصله پیچ‌ها از لبه انتهایی نیز ۱۵ cm در نظر گرفته می‌شود. پیچ‌ها باید دارای پوشش ضدزنگ باشند، زیرا دائما در معرض جریان قرار درند. ضریب اطمینان طراحی این پیچ‌ها نباید از ۲ کمتر باشد.

این ضرایب اطمینان در تنش‌های آئین نامه‌ای منظور نشده است.

برای تثبیت غشاء از صفحات مهار کننده نیز استفاده می‌شود.

این صفحات فرم استانداری به شکل M دارند که در بالا و پائین غشاء در دو طرف قرار می‌گیرند و بعلت شکل کام و زبانه‌ای که دارند غشاء را کاملاً محصور می‌کنند. طول این صفحات برای سهولت حمل و نقل cm ۱۲۰ در نظر گرفته شده است.

عرض این صفحات cm ۱۵ بوده و قطر آن‌ها cm ۲ می‌بالشد. برای انتقال کامل نیرو از بولت‌ها به صفحات باید سطح این صفحات کاملا صاف و تمیز باشد.

از آنجایی که قطر این صفحات زیاد است، آن‌ها را با پوششی از روی، نسبت بهخ خوردگی و پوسیدگی مقاوم می‌کنند. این صفحات نیروی بسیاری را تحمل می‌کنند لذا باید در طراحی آن‌ها به موارد، زیرا توجه شود:

1.  تغییرشکل این صفحات باید به کمترین مقدار محدود شود، زیرا حتی یک میلیمتر تغییر شکل آنها، می‌تواند موجب نشتی هوا گردد.
2. در طراحی این صفحات باید تنش‌های حراتی برای تغییر دمای ۷۰ درجه در نظر گرفته شود.

•  طراحی غشاء لاستیکی سد لاستیکی

غشاء لاستیکی از شبکه الیاف نایلونی تشکیل شده و توسط دو لایه پوشش لاستیکی غیرقابل احاطه می‌گردد. ضخامت آن ۱۵ mm است. چون این لاستیک در معرض تنش‌های کششی، فشاری و خستگی (Fatigue) قرار دارد در لایه‌های نفوذناپذیر از تراشه‌های سرامیکی (Ciramic chips) استفاده می‌شود تا ضمن بالا بردن مقاومت کششی و فشاری لاستیک، آن را در مقابل اشعه فرابنفش و اوزن که در اثر تابش اشعه خورشید بوجود می‌آیند، حفظ نماید.

در الیاف این لاستیک از مونومتر اتیلن پروپیلن که خود جزو مواد با مقاومت بالا در مقابل تنش‌های کششی است استفاده می‌گردد. زبری این غشاء در قسمت فوقانی زیاد نبوده و این امر عبور آب را از روی غشاء آسانتر می‌کند.

زمانی که غشاء از سیال خالی است بصورت یک لاستیک دوئ لایه در کف بستر می‌خوابد و نسبت به محور طولی خود کاملاً متقارن است. برای پر کردن غشاء از هوا بعنوان سایل پر کننده استفاده می‌شود.

این سیال در هنگام طغیان به سرعت تخلیه می‌شود و امکان بازبینی داخل غشاء در آن وجود دارد. دارای تاسیسات و مکانزیم ساده تری ایست و احتمال گرفتگی در لوله‌ها و مجرا‌ها در آن کمتر است.

این مطلب را از دست ندهید: ایجاد ۵ سد لاستیکی در مازندران

تعمیرات آن نیز ساده‌تر است. چون در هنگام سرریز شدن آب از روی غشاء باید هوادهی تیغه آب توسط گالری هوا صورت می‌گیرد. بنابر این بهتر است دو قسمت انتهایی از دو طرف به اندازه ۲۰-۱۵ درصد ا رتفاع سد بالاتر آورده شود.

طول غشاء لاستیکی (L) با توجه به اندازه کناره‌ها و شیب دیواره‌های جانبی برابر است با:

L=L (۰) +۲H/SINa

طول مهار جانبی (B) که وظیفه مهار کردن لبه‌های کناری غشاء را بعهده دارد از رابطه زیر بدست می‌آید:

در این فرمول:

P = عرض نوار لاستیکی ½^ B= [(PH/۲) ²+ (H/Sin a) ²

طراحی نوار لاستیکی بر اساس ضوابط فوق باعث می‌شود که در هنگام تورم کامل غشاء لاستیکی ارتفاع سد در قسمت میانی برابر H و در کناره‌ها بین ۱ تا ۵/۱ برابر H باشد.

برای بدست آوردن حجم سد ا بتدا باید سطح مقطع عرضی سد بدست می‌آید.

با توجه به اینکه سیستم سد از نوع هوائی و اتصال یک ردیفه است شکل مقطع عرضی سد از دو تیم دایره با مساحت A۱ و یک ربع بیضی با مساحت A۲ تشکیل میشود. سطح مقطع سد برابر است با:

A=A۱+A۲

A۲=۰.۳۹H² A۱=۰.۴۷H²

A=A۱+A۲=۰.۴۷H²+۰٫۳۹ H²=۰٫۸۶ H²

چون مقطع غشاء در کناره‌ها مانند قسمت میانی نیست برای محاسبه حجم کل (V t) باید حجم قسمت‌های جانبی (Vs) به صورت جداگانه محاسبه شده و به حجم قسمت میانی (V m) اضافه شود.

V t = V m = ۲Vs

چون لبه‌ها به اندازه ۱۵% بالاتر از قسمت میانی قرار می‌گیرند و با توجه به اینکه شیب جداره‌ها ۱۵/۱:۱ است، داریم:

Vs=۱/۳ (۱.۱۵H/Sin a) ×A=۰.۳۸/Sina HA

با استفاده از فرمول‌های بالا و ارقام مربوطه در سد انحرافی سیلوه حجم سد برابر ۲۳۵ متر مکعب ساخته شده است.

برای تعیین فرم مقطع غشاء لاستیکی باید نیرو‌های وارد بر غشاء را تعیین کرد. این نیرو‌ها شامل، نیروی فشار داخلی، نیروی هیدرواستاتیکی و نیروی کشش لاستیک هستند. با توجه به اعمال نیرو‌ها به غشاء نیروی کششی در تمام طول نوار لاستیکی یکنواخت خواهد بود.

این مطلب را از دست ندهید: احداث سازه‌های نوین دریایی برای گذر از بحران آب

برای محاسبه فرم مقطعه، بحرانی‌ترین حالت یعنی وقتی که سد با ارتفاع آب H در بالادست پر شده است در نظر گرفته می‌شود. در سایر موارد شکل مقطع مهم نیست.

به علت عبور تیغه آب از روی غشاء امکان بوجود آمدن ارتعاش در بدنه وجود دارد. برای ا ین منظور در طارحی سد ارتفاع تیغه آب عبوری از روی غشاء بین ۲۰-۳۰ سانتی متر در نظر گرفته شده است. در این صورت نسبت ارتفاع تیغه آب روی سرریز (h) به ارتفاع غشاء (H) برابر ۱۳۶/۰ است.

از آنجائیکه این رابطه ارتعاش را در بدنه سد محدود می‌کند. در ضمن برای جلوگیری از هرگونه ارتفعاش جزئی یک زائده به نام (Fin) در قسمتی که تیغه آب از روی سد عبور می‌کند تعبیه شده است، تا ضمن آسانتر کردن عمل هوادهی توس گالری هوا، ارتعاشات را از بین ببرد و باعث قرار گرفتن یکنواخت غشاء در هنگام تخلیه شود.

انتهای پیام/