پایان نامه بررسی و مقایسه نرم افزارهای طراحی سدهای انحرافی و ارائه یك نرم افزار پیشنهادی به منظور طراحی سدها

پایان نامه بررسی و مقایسه نرم افزارهای طراحی سدهای انحرافی و ارائه یك نرم افزار پیشنهادی به منظور طراحی سدها

چکیده

با توجه به محدودیت منابع آب ناشی از موقعیت جغرافیایی و وضع اقلیمی کـشورمان ، نـاگزیر بـه اسـتفاده بهینه از منابع آب موجود هستیم . یکی از روشهای اساسـی و زیربنـایی در بهـره بـرداری از منـابع آب ، مهـار آبهـای سطحی می باشد.

مهار آبهای سطحی و احداث سدهای مخزنی و آببندها و بندهای انحرافی از زمانهای دور مورد توجـه مـردم کشورمان بوده است . در سالهای اخیر استفاده از جریانهای موجود رودخانـه هـا همزمـان بـا اسـتفاده از رودخانـه هـا بعنوان مجرای انتقال آبهای ذخیره شده در سـدهای مخزنـی ، مجـددًا مطـرح گردیـده و در ایـن زمینـه اقـدامات و سرمایه گذاریهای بسیاری برای احداث سازه های آبگیری از رودخانه ها انجام شـده اسـت . هرچنـد سـرمایه گـذاریهای مذکور در این مدت کوتاه ، بسیار ثمربخش بـوده و نقـش مـؤثری در احـداث و بهـره بـرداری از تأسیـسات آبگیـری داشته است ، ولی نسبت به سطح اراضی آبی که بـا انهـار سـنتی آبیـاری مـی شـوند و حجـم آبـی کـه بوسـیله ایـن انهارمنتقل می گردند ، بسیار ناچیز می باشند.

با توجه به موارد فوق و ضرورت بهره برداری هرچه بیشتر از پتانسیل آبهای جـاری در کـشور ، لـزوم تبـدیل سیستمهای نامطمئن سنتی به تأسیسات مدرن و مطمئن آبگیری (سدهای انحرافی ) کـه بـا رعایـت کلیـه اصـول و ضوابط فنی و اقتصادی طرح می شوند ، احساس می گردید.

وابستگی شدید اجزاء مختلف سدهای انحرافی به یکدیگر و ضرورت انجام آزمونهای متفاوت و متعـدد بـرای به انجام رساندن طرح سدهای انحرافی ، موجب صرف هزینه و زمان زیـادی مـی گـردد. در عـین حـال عـدم وجـود استاندارد و شیوه مشخص محاسباتی ، کنترل کارهای انجام شده را با دشواری روبرو می سازد . 

تأسیسات آبگیری ، تأسیسات انحراف ، آبگیر 

تأسیسات آبگیری ١ : به مجموعه ساختمانها و تجهیزات هیدرومکانیکی که در ابتدای سیستم تأمین آب قرار گرفته و به منظور هدایت جریان مورد نیاز از رودخانه به سیستم انتقال آب طراحی شده اند، تأسیسات آبگیری می گویند. این تأسیسات شامل تأسیسات انحراف آب ٢ و احتمالا" بسته به مورد، ایستگاههای پمپاژ با ارتفاع کم ٣ حوضچه های رسوبگیر ثقلی و وسایل اندازه گیری آب می باشد. (شکل ٢-١-a) 

وظایف سدهای انحرافی 

وظیفه سدهای انحرافی مشابه سدهایی است که در سیستمهای انحراف کوچک بکار می روند، می باشد. برای تأمین NWL مورد نیاز و کنترل سیلاب عبوری مورد استفاده قرار می گیرد.

اما ساخت این سدهای انحرافی کاملا" متفاوت با پروژه های کوچک معرفی شده می باشد. این سدها بجای سرریز آزاد و مجرای تخلیه رسوبات کم پهنا، شامل یک سد انحرافی دریچه دار با پایه های بتنی با شیب ملایم در بالادست می باشد. وظیفه مجرای تخلیه رسوبات می تواند به دهانه های سد دریچه ای واگذار گردد. یک سد دریچه ای بسیار گرانتر از یک سرریز آزاد می باشد. اینجا دلایل مختصری برای اتخاذ این راه حل ذکر می گردد :

بستن کانال رودخانه با یک سرریز آزاد تغییرات برگشت ناپذیری در ریخت شناسی کانال و شرایطجریان بوجود می آورد . بعضی از این تغییرات باعث شروع کف کنی می گردد . 

فهرست مطالب

 عنــوان                                                                                                    صفحه

١- مقدمه                                                                                                             ١

٢- معیارهای عمومی طرحهای انحراف آب از رودخانه                                                        ٥

 ٢-١- تعاریف                                                                                               ۶

 ٢-١-١- تأسیسات آبگیری ، تأسیسات انحراف ، آبگیر                                                 ٦

 ٢-١-٢- ترکیب بندی سیستم تأمین آب                                                                    ۷

 ٢-٢- وظایف تأسیسات آبگیری                                                                           ٩

 ٢-٣- هیدرولیک آبگیرها                                                                                  ٩

 ٢-٤- ضرورت وجود سدانحرافی در طرح جانمایی آبگیرها                                          ١٠

 ٢-٥- وظایف سدهای انحرافی                                                                             ١٢

٣- آشنایی با سدهای انحرافی                                                                                       ١٦

 ۳-١- کلیات                                                                                                         ١٧

 ۳-٢- تأسیسات انحراف                                                                                            ١٧

 ۳-٢-١- اجزاء تأسیسات انحراف                                                                                 ١٧

۳-٣- سدهای انحرافی                                                                                               ١٨

 ۳-٣-١- اجزاء اصلی سدهای انحرافی                                                                           ١٨

 ۳-٣-٢- انواع سدهای انحرافی                                                                                    ٢٠

 ۳-٣-٢-١- سد انحرافی با سرریز آزاد                                                                           ٢٠

 ۳-٣-٢-٢- سد انحرافی با سرریز دریچه ای                                                                    ٢١

 ۳-٣-٢-٣- سدهای انحرافی مختلف                                                                              ٢١

۳-٤- ضوابط کلی طراحی                                                                                ٢٣

 ۳-٤-١- محل سد انحرافی                                                                                ٢٣

 ۳-٤-٢- شرایط محل سد انحرافی                                                                       ٢٣

 ۳-٤-٣- نیروهای وارد به سدهای انحرافی                                                             ٢٤

 ۳-٤-٤- عوامل مؤثر در انتخاب نوع سد انحرافی                                                     ٢٥

 ۳-٤-٥- تعیین رقوم تاج سد                                                                              ٢٦

 ۳-٤-٦- طول تاج                                                                                         ٢٦

۳-٥- جمع بندی                                                                                            ٢٧

۴- روشهای طراحی اجزاء سدهای انحرافی                                                                      ٢٨

 ۴-١- طراحی هیدرولیکی سرریز اوجی                                                                         ٢٩

 ۴-١-١- مقدمه                                                                                                      ٢٩

 ۴-١-٢- انواع سرریزهای سدهای انحرافی                                                                      ٢٩

 ۴-١-٣- سرریزهای بدون کنترل                                                                                 ٣٠

 ۴-١-٣-١- سرریز اوجی                                                                                          ٣١

 ۴-٢- طراحی هیدرولیکی حوضچه آرامش                                                                      ٣٢

 ۴-٢-١- مقدمه                                                                                                      ٣٢

 ۴-٢-٢- پرش هیدرولیکی                                                                                         ٣٤

 ۴-٢-۳- مقایسه حوضچه های آرامش مستطیلی و ذوزنقه ای                                                 ٣٥

 ۴-٢-۴- عمق حوضچه آرامش براساس بلندای هیدرولیکی موجود                                           ٣٦

 ۴-٢-۵- شرایط پایاب                                                                                              ٣٨

 ۴-٣- طراحی تأسیسات در مقابل آبشستگی                                                                      ٤٠

 ۴-٣-١- عمل آبشستگی                                                                                            ٤٠

 ۴-٣-٢- روش مقابله با آبشستگی                                                                                 ٤٢

 ۴-٣-٣- محاسبه پارامترهای آبشستگی و طرح لایه حفاظتی سنگپوش                                       ٤٦

 ۴-٤- تراوش در بستر سدهای انحرافی و محاسبه زیرفشار و طراحی دیوار آببند                          ٤٧

 ۴-٤-١- تشریح و مقایسه روشهای محاسبه زیرفشار در سدهای انحرافی                                    ٤٧

 ۴-٤-٢- طرح سد انحرافی روی پی های نفوذپذیر                                                              ۴۷

٥- مقایسه نرم افزارهای موجود طراحی سدهای انحرافی                                              ۵۴

 ٥-١- مقدمه                                                                                                         ۵۵

 ٥-٢- نرم افزار Ansys                                                                                           ۵۶

 ٥-٣- نرم افزار ٧٧ WS                                                                                          ۵۷

 ٥-۴- نرم افزار ٢ DAM                                                                                         ٦٠

 ٥-۵- طراحی به کمک صفحات گسترده (نرم افزار Excel )                                                 ۶۳

 ٥-۶- نرم افزار 3D Flow                                                                                       ۶۷

۶ – معرفی برنامه کامپیوتری طراحی اجزاء سد انحرافی                                             ۶۹

 ۶-١- مقدمه                                                                                                         ٧٠

 ۶-۲- معرفی برنامه طراحی هیدرولیکی سد انحرافی (  HD-Dam )                                      ٧٠

 ۶-۲-١- طراحی سرریز اوجی و حوضچه آرامش                                                             ۷۱

۶-۲-۲- استاندارد USBR  جهت طرح سرریز اوجی                                                ۷۲

 ۶-۲-۲-١- هیدرولیک سرریز اوجی بدون کنترل                                                              ٧٢

 ۶-۲-۲-٢- دبی جریان از روی سرریز اوجی بدون کنترل                                                    ٧٥

 ۶-۲-۲-٣- ضریب تخلیه برای سرریز اوجی بدون کنترل                                                    ٧٧

 ۶-۲-۲-٤- سرریزهای اوجی کنترل شده                                                                        ٨٣

 ۶-۲-۳- طراحی هیدرولیکی حوضچه آرامش                                                                  ۸۶

 ۶-۲-٣-١- حوضچه آرامش برای اعداد فرود کمتر از ١.٧٠                                                 ٨٦

 ۶-۲-٣-٢- حوضچه آرامش برای اعداد فرود بین ١.٧٠ تا ٢.٥٠                                            ٨٦

 ۶-۲-٣-٣- حوضچه آرامش برای اعداد فرود بین ٢.٥٠ تا ٤.٥٠                                            ٨٧

 ۶-۲-٣-٤- حوضچه آرامش برای اعداد فرود پائین (حوضچه نوع IV اصلاح شده )                      ٩٠

 ۶-۲-٣-٥- حوضچه هایی با اعداد فرود بیشتر از ٤.٥٠                                                       ٩١

 ۶-۲-٣-٦- حوضچه آرامش SAF                                                                               ٩٤

 ۶-۲-۴- محاسبه پارامترهای آبشستگی و طرح لایه حفاظتی سنگپوش                                       ٩٧

 ٦-۲-۴-١- روشن نواک برای تعیین عمق گودال آبشستگی                                                   ۹۸

 ۶-۲-۴-۲- روش نواک برای تعیین ابعاد و ضخامت طول سنگپوش و دیوار آببند                          ۹۸

 ٦-۲-۴-۳- روش سازمان عمران آمریکا برای تعیین اندازه سنگهای سنگپوش حفاظتی                   ۱۰۰

 ۶-۲-۵- برنامه های فرعی Open File ,Save File  ,Save As File   ,New File                  ١٠١

۷ – معرفی برنامه کامپیوتری کنترل پایداری سد انحرافی                                             ١٠٢

 ۷-١- مقدمه                                                                                                  ١٠٣

 ۷-۲- معرفی برنامه پایداری سد انحرافی (  SC-Dam )                                             ١٠٣

 ۷-۲-١- زیر برنامه XYA                                                                               ١٠٤

 ۷-۲-٢- زیر برنامه  Calculate Uplift                                                               ١٠٤

 ٧-۲-٢-١- روش بلای برای محاسبه زیر فشار در سدهای انحرافی                                  ١٠٥

 ٧-۲-٢-٢- روش لین (نظریه خزش وزنی ) برای محاسبه زیر فشار در سدهای انحرافی       ١٠٨

 ۷-۲-٣- زیربرنامه Combo                                                                             ١١٠

 ۷-۲-۳-۱- نیروهای مؤثر بر عناصر سد انحرافی                                                      ١١٠

 ۷-۲-۳-۲- ترکیب بارگذاری                                                                              ١٢٠

 ۷-۲-۳-۳- مبانی آنالیز و فرضیات                                                                       ۱۲۲

 ۷-۲-۳-۴- علائم برای شرایط بارگذاری                                                                ١٢٣

 ۷-۲-۳-٥- پایداری قائم                                                                                    ١٢٧

 ۷-۲-۳-٦- پایداری واژگونی                                                                              ١٢٧

 ۷-۲-۳-٧- پایداری لغزشی                                                                                ۱۲۸

 ۷-۲-۳-٨- آنالیز تنش به روش ثقلی                                                                      ١٣٦

 ۷-۲-۳-۹- سازه سرریزهای دریچه دار سدهای انحرافی                                              ١٣٧

 ۷-۲-۴- زیربرنامه های Open File ,Save File  ,Save As File  ,New File              ١٤٣

۸- صحت سنجی و کاربرد برنامه های SC-Dam ,HD-Dam  و توانایی های اختصاصی آنها         ١٤٤

 ۸-١- مقدمه                                                                                                         ١٤٥

 ۸-٢- آزمونها                                                                                                       ۱۴۵

 ۸-٢- ١-آزمون صحت سنجی زیربرنامه Spillway  Design  در طرح یک سرریز اوجی

 بدون پایه                                                                                                             ١٤٥

 ۸-٢- ٢-آزمون صحت سنجی زیربرنامه Spillway Design،Elements of Nappe- 

Shaped Crest Profile - در طرح یک سرریز اوجی بدون پایه                                            ۱۴۸

 ۸-٢- ٣-آزمون صحت سنجی زیربرنامه Spillway Design در طرح یک سرریز اوجی پایه دار   ١٥١

 ۸-٢- ٤-آزمون صحت سنجی زیربرنامه Spillway Design در طرح یک سرریز لبه پهن            ١٥٣

 ۸-٢-٥-آزمون صحت سنجی زیربرنامه Protection  در محاسبات حفاظت های

بالادست و پائین دست                                                                                               ١٥٤

 ۸-٣- کاربرد برنامه ها                                                                                            ١٥٦

 ۸-۴- توانایی های اختصاصی برنامه  HD-Dam                                                            ۱۶۴

۸-٥- توانایی های اختصاصی برنامه  SC-Dam                                                             ۱۶۴

۸-۶- جمع بندی                                                                                                    ۱۶۵

٦- نتیجه گیری و پیشنهادات                                                                               ١٦٦

 ٦-١- کلیات                                                                                                         ١٦٧

 ٦-٢- کارهای انجام شده در این پایان نامه                                                                       ١٦٧

 ٦-٣- نتیجه گیری                                                                                                  ١٦٨

 ٦-٤- پیشنهادات برای ادامه کار                                                                                  ١٦٨

پیوست الف - راهنمای استفاده از برنامه ها                                                                      ١٧٠

مراجع                                                                                                                 ١٨٣

فهرست اشکال

عنــوان                                                                                                                          صفحه 

شکل ٢-١- شمای کلی تأسیسات آبگیری ، تأسیسات انحراف ، آبگیر                                         ٧

شکل ٢-٢- طبقه بندی کلی قسمتها و اجزای سیستم تامین آب                                                  ٨

شکل ٢-٣- شکل عمومی جریان در محل انحراف آب از یک رودخانه                                       ١١

شکل ٢-٤- روش های جلوگیری از عدم پایداری سرشاخه ها                                                  ١٥

شکل ٣-١- قسمت های مختلف یک بند انحراف                                                                 ١٩

شکل ٣-٢- مقاطع عرضی تیپ سرریز ثابت                                                                    ٢٠

شکل ٣-٣- مقاطع عرضی تیپ سرریزهای دریچه دار                                                         ٢٢

شکل ٤-١- انواع پروفیل سرریز بدون کنترل                                                                    ٣١

شکل ٤-٢- چگونگی پیشرفت طراحی اجزاء اتلاف انرژی در پائین دست سدها                            ٣٣

شکل ٤-٣- پروفیلهای مختلف پرش هیدرولیکی براساس عدد فرود                                            ٣٤

شکل ٤-٤- تعیین عمق حوضچه آرامش براساس اختلاف بلندای بین سطح مخزن و سطح پایاب          ٣٧

شکل ٤-٥- طبقه بندی شرایط پایاب برای طرح حفاظت در برابر آبشستگی پائین دست                    ٣٨

شکل ٤-٦- الگوی کلی آبشستگی در پائین دست حوضچه آرامش                                             ٤٠

شکل ٤-٧- نمونه هایی از آبشستگی در پائین دست دو سد انحرافی                                            ٤٢

شکل ٤-٨- راه حل اساسی برای مستهلک کننده انرژی در پائین دست سرریز                               ٤٣

شکل ٤-٩- کف بند و حفاظت انتهایی پائین دست                                                                ٤٦

شکل ٤-١٠- شبکه جریان ، زیر یک سرریز لبریز ، بدون کنترل کننده جریان نشتی                       ٤٨

شکل ٤-١١- مطالعه شبکه جریان با کف بند بالادست                                                          ٤٩

شکل ٤-١٢- مطالعه شبکه جریان برحسب موقعیت دیوار آب بند                                             ٥٠

شکل ٤-١٣- مطالعه نیروی زیرفشار برحسب موقعیت دیوار آب بند                                         ٥٢

شکل ٤-١٤- طرح پیشنهادی سرریز روی پی های نفوذپذیر                                                   ٥٣

شکل ٥-١- شمای کلی یک سد جهت محاسبه وزن و نیروهای وارد برآن                                     ٦٤