تحلیل عددی تأثیر ابعاد زهکش بر عملکرد هیدرولیکی و پایداری سد خاکی مطالعه موردی: سد آیدوغموش

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید ‌مدنی آذربایجان، تبریز

2 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه

3 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید ‌مدنی آذربایجان، تبریز

4 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز

10.22034/ceej.2026.69776.2461

چکیده

سدهای خاکی به‌دلیل ماهیت نفوذپذیر خود، در معرض پدیده تراوش کنترل‌نشده قرار دارند که می‌تواند منجربه افزایش فشار آب منفذی، کاهش پایداری سازه‌ای و در مواردی، خرابی کامل سد شود. یکی از مؤثرترین راهکارهای کاهش این خطر، طراحی بهینه سیستم زهکشی است. در این تحقیق، با ارائه یک رویکرد نوین عددی، تأثیر افزایش ۱۰ درصدی ابعاد زهکش‌های افقی و قائم بر عملکرد هیدرولیکی و پایداری سد خاکی آیدوغموش بررسی شده است. مدل‌سازی عددی با استفاده از نرم‌افزار SEEP/W و روش اجزای محدود (FEM) برای حل معادله لاپلاس انجام شد و اعتبارسنجی با داده‌های ابزار شامل ۵۱ پیزومتر (Piezometers) در بدنه و ۱۲ پیزومتر در پی صورت گرفت. مش‌بندی با المان‌های مثلثی (5/0 متر در زهکش‌ها و ۱ متر در سایر نواحی) طراحی گردید و شرایط مرزی با هد بالادست ۶۶ متر و پایین‌دست ۱۰ متر تعریف شد. دو سناریو (ابعاد اولیه و افزایش ۱۰ درصدی) تحلیل شدند و الگوریتم بهینه‌سازی ژنتیکی (GA) برای تنظیم خودکار ابعاد زهکش‌ها توسعه یافت. تحلیل حساسیت با تغییرات ±۵ درصدی نفوذپذیری دقت مدل را به ۹۹ درصد رساند و تحلیل آماری ANOVA با P-value < 001/0 معناداری تغییرات را تأیید کرد. نتایج نشان داد که افزایش ابعاد زهکش‌ها دبی تراوشی را تا ۲۰ درصد افزایش داد (از 015/0 به 018/0 مترمکعب بر ثانیه)، فشار آب منفذی در پی سد را 4/11 درصد کاهش داد (از ۲۲۰ به ۱۹۵ کیلوپاسکال) و هد هیدرولیکی را 5/3 درصد تعدیل کرد (از ۶۵ به 7/62 متر). توزیع دبی خروجی ۸۲ درصد از هسته و ۱۸ درصد از پاشنه سد را نشان داد، که تخلیه پاشنه ۲۰ درصد بهبود یافت. نوآوری کلیدی در کمّی‌سازی تأثیرات بر سه پارامتر کلیدی و معرفی شاخص پایداری جدید است که پایداری سد را تا 9/14 درصد افزایش داد و ریسک خرابی ناشی از تراوش (۳۰ درصد شکست‌ها) را کاهش داد، که با استانداردهای ICOLD (Bulletin 164) هم‌خوانی دارد. این چارچوب نوین، ایمنی و طول عمر سد را بدون افزایش قابل‌توجه هزینه‌ها بهبود می‌بخشد و برای اولین بار نتیجه پژوهش ریسک تراوش را در سدهای با مصالح متنوع تا ۹۸ درصد پیش‌بینی‌پذیر می‌کند. یافته‌ها می‌توانند در طراحی نسل جدید سدهای مقاوم در برابر تراوش کاربرد داشته باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Analysis of the Effect of Drain Dimensions on the Hydraulic Performance and Stability of an Earth Dam: A Case Study of the Aydoghmoush Dam

نویسندگان [English]

  • Ebrahim Asadi 1
  • Tohid Omidpour Alavian 2
  • Mahdi Soltani Sotobadi 3
  • Yusuf Gol Mohammadi 4
1 Department of Civil Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Technical and Engineering, University of Maragheh, Maragheh, Iran
3 Department of Civil Engineering, Faculty of Technical and Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
4 Department of Civil Engineering, Islamic Azad University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Earth dams, due to their permeable nature, are inherently susceptible to seepage, a phenomenon that can escalate pore water pressure, compromise structural stability, and, in severe cases, lead to catastrophic failure. Globally, approximately 30% of earth dam failures are attributed to uncontrolled seepage, underscoring the critical need for effective drainage systems to mitigate risks (ICOLD, 2013). The Aydoghmoush Dam, located in East Azerbaijan, Iran, serves as a strategic infrastructure for irrigation and water management, making it an ideal case study for evaluating seepage control measures. This study investigates the impact of a 10% increase in the dimensions of horizontal and vertical drains on the hydraulic performance and stability of the Aydoghmoush earth dam. By employing advanced numerical modeling, this research aims to quantify the effects on key parameters seepage discharge, pore water pressure, and hydraulic head while introducing a novel stability index and a genetic algorithm (GA) for optimizing drain dimensions. The findings offer a robust framework for enhancing the safety and longevity of earth dams without significantly increasing construction costs, contributing to the design of next-generation seepage-resistant structures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Earth dam
  • Drainage
  • Numerical modeling
  • SEEP/W
  • Pore water pressure
  • Seepage
  • Hydraulic stability

مراجع

Abd-Elhamid HF, El-Meligy AI, Ibrahim ES, “Modeling the effect of downstream drain geometry on seepage through earth dams”, Ain Shams Engineering Journal, 2021, 12 (3), 2511-2531. https://doi.org/10.1016/j.asej.2020.12.011
Al-Janabi AMS, Ghazaw YM, Ghazali AH, “Experimental and numerical analysis for earth-fill dam seepage”, Sustainability, 2020, 12 (6), 2490. https://doi.org/10.3390/su12062490
Casagrande A, “Seepage through dams”, Journal of the New England Water Works Association, 1937, 51 (2), 131-172.
Cedergren HR, “Seepage, drainage, and flow nets”, John Wiley & Sons, 1967.
Chahar BR, “Design of horizontal filter length in homogeneous earth dams”, ISH Journal of Hydraulic Engineering, 2012 10 (1), 72-81. https://doi.org/10.1080/09715010.2004.10514734
Chen Y, Li M, Si B, “3D simulation of dam-break flow through a narrow channel using an improved SPH method”, Journal of Hydrology, 2022, 612, 128062. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128062
Cho SE, “Probabilistic analysis of slope stability considering the variability of soil parameters”, Computers and Geotechnics, 2021, 130, 103916. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2020.103916
Fell R, MacGregor P, Stapledon D, “Geotechnical engineering of embankment dams”, Balkema, 1992.
Foster M, Fell R, Spannagle M, “The statistics of embankment dam failures and accidents”, Canadian Geotechnical Journal, 2000, 37 (5), 1000-1024. https://doi.org/10.1139/t00-030
GEO-SLOPE International Ltd. SEEP/W user's guide. GEO-SLOPE International Ltd, 2007.
ICOLD. Bulletin 130: Risk assessment in dam safety management. International Commission on Large Dams, 2005.
ICOLD. Bulletin 164: Internal erosion of existing dams, levees and dikes, and their foundations. International Commission on Large Dams, 2013.
Johnson M, Smith J, Lee K, “The effect of drainage system in earth dams under seismic loads”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2018, 144 (9), 04018062. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001937
Kacimov AR, Al-Maktoumi A, Al-Balushi M, Abdalla O, “Phreatic seepage flow through an earth dam with an impeding strip”, Computational Geosciences, 2020, 24 (6), 2597-2611. https://doi.org/10.1007/s10596-020-09968-0
Kouhdaragh M, Salmasi F, Abraham J, “Sensitivity analysis for uncertainty quantification in earth dams modeling”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2024, 150 (2), 04023112. https://doi.org/10.1061/JGGEFK.GTENG-10822
Malekpour A, Farsadizadeh D, Hosseinzadeh Dalir A, Sadat Helbar S, “Effect of horizontal drain size on the stability of an embankment dam in steady and transient seepage conditions”, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, 2012, 36 (2), 139-152. https://doi.org/10.3906/muh-1106-11
Rezk MAM, Senoon AAA, “Analytical solution for effect of seepage on earth dam with internal core”, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 2016, 13 (1), 8-15. https://doi.org/10.9790/1684-13130108
Salmasi F, “Effect of core characteristics on seepage through earth dams”, Arabian Journal of Geosciences, 2011, 4 (7-8), 1151-1157. https://doi.org/10.1007/s12517-010-0137-1
Sammen SS, Mohamed TA, Ghazali AH, Sidek LM, El-Shafie A, “Assessment of hydraulic performance of a new stormwater drainage system using SWMM model: A case study in Malaysia”, Sustainability, 2022, 14 (10), 6120. https://doi.org/10.3390/su14106120
Sherard JL, “Hydraulic fracturing in embankment dams”, Journal of Geotechnical Engineering, 1984, 110 (5), 519-538. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1984)110:5(519)
Terzaghi K, “Theoretical soil mechanics”, John Wiley and Sons, 1943.
U.S. Army Corps of Engineers, Seepage analysis and control for dams (EM 1110-2-1901). U.S. Army Corps of Engineers, 1993.
U.S. Bureau of Reclamation. Design of small dams (3rd Ed.). U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation, 1987.
Xu Y, Zhang LM, “Breaching parameters for earth and rockfill dams. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2009, 135 (12), 1957-1970. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000162
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست
دوره 56، شماره 122 - شماره پیاپی 122
بهار 1405
خرداد 1405
صفحه 21-38

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار