نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

بررسی مدل‌سازی عددی و تحلیل هیدرولیکی دیوار آب‌بند سد خاکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار دانشگاه شهید مدنی آذربایجان - گروه مهندسی عمران، تبریز، ایران.
2 دانشجوی دکترای، مهندسی عمران -آب و سازه‌های هیدرولیکی-دانشگاه مراغه، مراغه، ایران
3 کارشناسی ارشد، مهندسی عمران -آب و سازه‌های هیدرولیکی- دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران.
چکیده
سدهای خاکی به‌عنوان زیرساخت‌های حیاتی، نقش اساسی در مدیریت منابع آب، مهار سیلاب و تأمین آب کشاورزی و شرب دارند. چالش مهم در این سدها، کنترل نشت و فرسایش داخلی است که بر ایمنی و دوام آن‌ها اثر می‌گذارد. استفاده از دیوارهای آب‌بند با کاهش دبی نشت و گرادیان هیدرولیکی، می‌تواند کارایی هیدرولیکی سد را بهبود بخشد. این پژوهش به بررسی اثر عمق (9، 12، 15 و 16 متر) و ضخامت (1، 5/1، 2 و 2/2 متر) دیواره آب‌بند بر روی دبی نشت، گرادیان هیدرولیکی و نیروی زیر فشار براساس مشخصات محاصره یکی از سد های خاکی آذربایجان شرقی با استفاده از مدل‌سازی عددی (Seep/w و GeoStudio) می‌پردازد. نتایج نشان داد که افزایش عمق دیواره تا 15 متر، دبی نشتی را به میزان 4/53 درصد کاهش می‌دهد، درحالی‌که افزایش ضخامت تا 2 متر، کاهشی معادل 71/33 درصد دارد. افزایش بیشتر عمق و ضخامت، اثر قابل‌توجهی در کاهش نشت ندارد. بهینه‌سازی ابعاد دیواره آب‌بند منجر به کاهش 21/51 درصد در گرادیان هیدرولیکی با عمق 15 متر و کاهش 33/22 درصد با ضخامت 2 متر می‌شود. همچنین، نیروی زیر فشار با افزایش عمق و ضخامت به ترتیب 44/4 درصد و 81/3 درصد افزایش می‌یابد که با توجه به وزن بدنه سد، تأثیر منفی قابل‌توجهی بر پایداری ندارد. تحلیل اقتصادی نشان داد که با بهینه‌سازی ابعاد دیواره، می‌توان 53 درصد در هزینه‌های حفاری، 33درصد در هزینه‌های اضافی صرفه‌جویی کرد و 45 میلیارد ریال در اجرای سد خاکی مورد مطالعه صرفه‌جویی نمود. این پژوهش نشان می‌دهد که انتخاب بهینه عمق 15 متر و ضخامت 2 متر، ضمن کاهش مؤثر نشت و بهبود عملکرد هیدرولیکی، به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Numerical Modeling and Hydraulic Analysis of the Cutoff Wall in Earth Fill Dams

نویسندگان English

Ebrahim Asadi 1
Tohid Omidpour Alavian 2
mahdi soltani sotobadi 3
1 Assistant Professor of Azerbaijan Shahid Madani University - Department of Civil Engineering, Tabriz, Iran.
2 Ph.D. Student, Civil Engineering - Water and Hydraulic Structures, Maragheh University, Maragheh, Iran
3 Master's Student, Civil Engineering - Water and Hydraulic Structures of Azerbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده English

Earth dams, as critical infrastructure, play a vital role in water resource management, flood control, and supplying water for agricultural and domestic use. A key challenge in these structures is controlling seepage and internal erosion, which significantly impact their safety and durability. The use of cutoff walls can enhance hydraulic performance by reducing seepage flow and hydraulic gradient. This study investigates the effects of cutoff wall depth (9, 12, 15, and 16 meters) and thickness (1, 1.5, 2, and 2.2 meters) on seepage flow, hydraulic gradient, and uplift force, based on the specifications of an earth dam in East Azerbaijan, using numerical modeling (Seep/W and GeoStudio). The results indicate that increasing the cutoff wall depth to 15 meters reduces seepage flow by 53.4%, while increasing the thickness to 2 meters results in a 33.71% reduction. Further increases in depth and thickness have negligible effects on seepage reduction. Optimizing the cutoff wall dimensions leads to a 51.21% reduction in hydraulic gradient at a depth of 15 meters and a 22.33% reduction at a thickness of 2 meters. Additionally, uplift force increases by 4.44% and 3.81% with increasing depth and thickness, respectively, which has no significant adverse effect on dam stability due to the dam body’s weight. Economic analysis reveals that optimizing cutoff wall dimensions can save 53% in excavation costs and 33% in additional expenses, resulting in savings of 45 billion IRR in the construction of the studied earth dam. This research demonstrates that selecting an optimal depth of 15 meters and thickness of 2 meters effectively reduces seepage, improves hydraulic performance, and lowers costs.

کلیدواژه‌ها English

Hydraulic Analysis
Cutoff Wall
Earth Dam
Hydraulic Gradient
Amini, A. and Rahimi, H. 2020. Uplift pressure and hydraulic gradient in Sabalan Dam. Applied Water Science. 10(111): 1–12. https://doi.org/10.1007/s13201-020-01195-2
Bishop, R. E. D. 1967. The effect of impermeable layers on the control of leakage in dams. Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE. 93(SM2): 143–158. https://doi.org/10.1061/JSFEAQ.0000932
Cho, W., Lee, S., & Kim, H. 1998. Performance comparison of cutoff walls in reducing leakage. Hydraulic Engineering. 124(1): 1–7. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1998)124:1(1)
Hosseini, S. M. and Mohammadi, M. 2021. Investigation of the effect of depth and distance between cutoff walls on uplift force for gravity dams. International Journal of Environmental Science and Technology. 18: 1361–1378. https://doi.org/10.1007/s13762-020-02867-x
Garcia, E. A. and Alencar, A. S. 2019. Impact of climate change on the performance of sealing systems in dams. Water Resources Management. 33(6): 2001–2015. https://doi.org/10.1007/s11269-019-02245-4
Jafari, M. and Sohrabi, M. 2020. Investigation of the effect of the different configurations of double-cutoff walls beneath hydraulic structures on uplift forces and exit hydraulic gradients. Journal of Hydrology. 586: 124858. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124858
Kim, J. and Kim, H. 2021. Optimization of hydraulic performance of dam foundations using combined cutoff wall methods. Journal of Hydraulic Engineering. 147(4): 04021004. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001840
Kouhdaragh, M., Majedi Asl, M., Omidpour Alavian, T., Nobahari, N. and Ayami Lord, M. 2024. Analysis of seepage flow and hydraulic gradient in the body and foundation of Alavian earth dam. Journal of Water and Soil Science. 28(4): 177–192. https://doi.org/10.47176/jwss.28.4.177
Kraus, H. 1980. Application of cutoff walls in earth dams. Geotechnical Engineering Journal, 6(3), 25–34.
Lee, S., Cho, W. and Kim, H. 2010. The effect of cutoff walls on pressure distribution in dam foundations. Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE. 136(5): 589–596. https://doi.org/10.1061/(ASCE) GT.1943-5606.0000260
Morris, H. J. and Wang, H. 2012. Impact of cutoff wall thickness on hydraulic parameters of dam foundations. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 138(5): 589–596. https://doi.org/10.1061/(ASCE) GT.1943-5606.0000615
Sharifi, S. and Moghaddam, M. 2018. Comparative study of cutoff wall performance under various hydraulic conditions. Dams and Reservoirs. 28(2): 123–135. https://doi.org/10.1680/jdare.18.00024
Suzuki, T. and Saito, A. 2005. Experimental and numerical studies on the effect of cutoff wall thickness on leakage characteristics. Journal of Hydraulic Engineering. 131(8): 653–659. https://doi.org/10.1061/(ASCE) 0733-9429(2005)131:8(653)
Terzaghi, K. 1943. Theoretical Soil Mechanics. New York: John Wiley & Sons.
Tinkham, R. S. 1955. The effect of impervious layers on leakage control in dams. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. 81(1): 1–14.
Wang, Y., & Zhang, L. 2020. Numerical analysis of parameters affecting cutoff wall performance. Journal of Hydraulic Engineering, 146(2), 04019073. https://doi.org/10.1061/(ASCE) HY.1943-7900.0001702
Zienkiewicz, O. C. and Taylor, R. L. 1971. The finite element method: Volume 1: The basis. McGraw-Hill. London: McGraw-Hill. (p. 123)