سد لاستیکی (Inflatable rubber dam)

تاریخچه سد لاستیکی در ایران و جهان:
تکنولوژی ساخت سدهای لاستیکی تکنولوژی نسبتاً جدیدی می باشد که برای مهار آبهای سطحی به کار گرفته شده است. قبل از این نوع سدها برای مهار و هدایت آب به سوی زمینهای وسیع و آبروها، از دریچه های فولادی و تخته های چوبی استفاده می شد که در جلوی دریچه ها قرار می گرفت تا آب با فشار بیشتری جریان داشته باشد. در این کار نیز به نیروی انسانی نیاز بود و اگر در باز کردن این دریچه ها تأخیری روی می داد سیل ایجاد می شد و دریچه را با خود می برد.

 ایده استفاده از سدهای لاستیکی اولین بار در سال ۱۹۵۰ توسط «ایمبرسون» مطرح شد. در سال ۱۹۶۵ اولین سد لاستیکی بادی در ژاپن برای ذخیره سازی آب به بهره برداری رسید.
هم اکنون در حدود ۱۰۰ سد لاستیکی در آمریکای شمالی، بیش از ۱۰۰۰ سد لاستیکی در ژاپن و خاور دور و در مجموع ۲۶۰۰ سد در نقاط مختلف جهان به طور موفقیت آمیز در دست بهره برداری میباشند.

اولین سد لاستیکی ایران در سال ۱۳۷۵ در استان مازندران بر روی رودخانه بابل و در حاشیه دریای مازندران توسط شرکت لاستیک سازی satujo با هدف جلوگیری از تداخل آب شور دریای مازندران با آب رودخانه بابل ساخته شد. ارتفاع این سد ۱۰٫۳ و طول آن ۶۰ متر و از نوع بادی می باشد

کاربرد ها و مزایای سدهای لاستیکی

کنترل سیلاب ها و تنظیم جریان رودخانه:

این کار توسط دستگاه های الکترونیکی در اتاق کنترل و به طور خودکار انجام می گیرد. پایین آمدن رقوم سطح آب از یک سطح مشخص به معنای پایان سیلاب است، که در این صورت دستگاه الکترونیکی کنترل، دستور افراشتن سد را اعلام می دارد که با این اعلام کمپرسور هوا به کار افتاده و سد را باد میکند.

کنترل رسوب رودخانه:
از آن جا که سکوی بتنی محل استقرار سد لاستیکی، در کف رودخانه و هم تراز با بستر آن کار گذاشته می شود، در هنگام خواباندن سد، شرایط رودخانه مانند شرایط قبل از احداث سد لاستیکی است. این ویژگی باعث می شود که پشت سدهای لاستیکی را رسوب پر نکند، زیرا در هنگام وقوع سیل که بیشترین بار رسوب گذاری رودخانه است، سد به صورت اتوماتیک به حالت خوابیده در می آید و رودخانه شرایط طبیعی پیدا می کند.

موارد استفاده از سدهای لاستیکی:

۱- کنترل سد و حفاظت ساحلی در برابر فرسایش.
۲- نصب بر روی بندها و سدها به منظور افزایش ارتفاع آنها و کمک به تولید برق.

۳- کاهش آلودگی آب.
۴- افزایش ظرفیت ذخیره سدها.
۵-مسائل تفریحی از قبیل شنا، قایق رانی،…
۶- جلوگیری از نفوذ آب شور دریا به هنگام مد به ساحل.

۷- کاهش فرسایش در رودخانه های با شیب تند.

۸- استفاده از تیوب های لاستیکی به جای دریچه های لاستیکی در سد ها.

۹- پرورش میگو در نواحی ساحلی با استفاده از سدهای لاستیکی.

مزایای اقتصادی سدهای لاستیکی نسبت به موارد جایگزین:

از جمله مزایای اقتصادی این سد ها نسبت به موارد جایگزین شده عبارتند از :
۱-سدهای لاستیکی به فونداسیون پیچیده ای نیاز ندارند.
۲-این سد ها می توانند تا دهانه ای به طول ۱۰۰ متر اجرا شوند.
۳-این سدها به حداقل حفاظت و نگهداری نیاز دارند. قسمت عمده تعمیرات مربوط به سیستمهای مکانیکی سد می باشد. تعمیر و نگهداری بدنه سد نیز شباهت بسیاری به تعمیر لاستیک اتومبیل دارد و در صورت سوراخ شدن بدنه سد آن را مانند لاستیک اتومبیل پنچر گیری می کنند.
۴-انعطاف پذیری سد در مقابل زلزله.
۵- نصب و ساختن بسیار سریع.

اجزای سدهای لاستیکی:
سدهای لاستیکی از یک تیوپ هوا که به یک بستر متصل می شود تشکیل شده است، انواع قدیم سدهای لاستیکی نامیده می شد که به در آنها مخلوط آب و هوا برای متورم کردن تیوپ استفاده می شد، در حال حاضر از سدهایی به نام INFLATABLE DAM استفاده می گردد یعنی سدهایی که قابل باد شدن می باشند.
ساختمان سدهای لاستیکی را می توان متشکل از سه بخش دانست:
۱- بدنه سد (RUBBER DAM BODY)
۲- بستر سد و تجهیزات مهار
۳- سیستم کنترل و بهره برداری FABRI DAM

بدنه سد:
بدنه سد پیشرفته ترین جز تشکیل دهنده سد لاستیکی می باشد که ترکیبی از لاستیک و الیاف تقویت کننده بوده و به صورت ورق تولید می گردد. ورقه های لاستیکی در طولهای مورد نیاز به عرض ۱ متر الی ۲ متر تولید می گردد که از اتصال آنها به یکدیگر به صورت عرضی بدنه سد به صورت یکپارچه تولید می شود.
برای حفاظت بدنه در برابر عوامل جوی و همچنین اجسام معلق در آب از مواد مختلفی برای مقاوم کردن بدنه استفاده می شود از جمله کلروپرن (CR) و اتیلن پروپیلن مونومد (EPDM) که هر دو ماده مقاومت بالایی در برابر عوامل جوی و تغییرات گسترده درجه حرارت محیط دارند که این نوع مواد از فیبرهای سخت که تحت فشار و حرارت زیاد قرار می گیرند تشکیل می گردد.

بستر سد و تجهیزات مهار:
بستر سد عموماً در کف به صورت سطح و در دو طرف به صورت شیب دار ساخته می شود. لوله هایی که در پر وخالی کردن آب یا هوا به کار می روند عمدتاً در بستر کار گذاشته می شوند. بدنه لاستیکی سد به وسیله لوله و میله در محل نگه داشته و توسط پیچ مهار، نصب می گردد. با تزریق رزین پلی استر در محل، این قسمت سخت و محکم می شود. بخش بیرونی پیچهای مهار پس از عبور از سوراخهای تعبیه شده در بدنه سد لاستیکی توسط مهره و واشر به بستر محکم می گردد. ارتفاع این پیچ و مهره ها پس از بستن سد لاستیکی بایستی پایین تر از سطح کف بستر رودخانه باشدتا از تجمع گل و لای هنگامی که سد خالی است جلوگیری به عمل آید.
نصب بدنه سد به بستر به دو روش سیستم مهار یک ردیفی و سیستم مهار دو ردیفی صورت می گیرد. مزیت سیستم مهار دو ردیفی این است که هر چه فاصله دو ردیف بیشتر باشد تأثیر تغییرات ارتفاع سد با نوسانات سطح آب به حداقل می رسد.

اتاق کنترل:
ابعاد یک اتاق کنترل استاندارد در حدود ۱۰ مترمربع می باشد، اجزای اتاق کنترل در زیر آمده است:

اتاق کنترل شامل یک  و یک کمپرسور هوا می باشد.

۱- سنسور کنترل سطح آب.

۲- قاب کنترل.

۳- کمپرسور هوا.

۴- گیج کنترل و تنظیم فشار هوا.

۵- شیر پر کردن هوا.

۶- شیر خالی کردن هوا.

۷- شیر دستی برای چک.

۸- شیر شناور.

مراحل اجرای سدهای لاستیکی:

۱- قالب بندی، آرماتوربندی و کارگذاری بلت ها و ورق های مخصوص جهت اجرای مراحل بعدی

۲- جایگذاری نازل ها و لوله های انتقال هوا.

۳- بتن ریزی و عملیات نگهداری از بتن.

۳- بتن ریزی و عملیات نگهداری از بتن.

دلایل انتخاب هوا به جای آب برای متورم کردن سدهای لاستیکی:

انتخاب هوا به جای آب به چند دلیل زیر می باشد:
۱-دسترسی به هوای تمیز با حجم زیاد خیلی راحت تر از دسترسی به آب تمیز با حجم زیاد است.
۲- از لحاظ اقتصادی هزینه پرکردن سدهای لاستیکی با هوا خیلی کمتر از هزینه پرکردن با آب میباشد.
۳-لوله های حامل آب جهت پر کردن سد اغلب به خاطر در بر داشتن آب حاوی رسوب مبتلا به گرفتگی شده و مشکلات تعمیری را بوجود می اورد.
۴-سدهای پر شده از آب به یک سیستم لوله کشی خیلی پیچیده و لوله های قطور احتیاج دارند و برای پر کردن یک سد در هنگام نبودن آب اغلب به یک مخزن نگهداری آب در حاشیه آن نیاز است.
۵-از لحاظ عملی هوا زمان خیلی کمتری از آب برای آهسته بلند کردن یک سد لاستیکی نیاز دارد.
۶-سدهای پر شده از آب در یک هوای سرد ممکن است دچار یخ زدگی شود.
۷-هزینه ساخت فونداسیون سدی که از آب پر شده نسبت به سدی که از هوا پر شده بیشتر است.
۸-از نظر سازه ای پی سد آبی از لحاظ استحکام به دلیل تحمل وزن عظیمی از آب روی خود از پی سد بادی حجیم تر است.

مبانی طراحی سدهای لاستیکی:

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

۱- طراحی پی سد لاستیکی:

به علت سبکی غشاء و بستر بتنی، از این نوع سدها در بسیاری از زمینها قابل احداث می باشد 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 ماسه ای (Sand piles) در فواصل ۱۰ متری و ب عمل ۲ متر استفاده می شود تا ضمن زهکشی امکان هرگونه روانگرایی (Liquifation) از بین می رود لازم است خاک زیر بستر متراکم شود تا بستر قابل اطمینان در زیر دال بتنی بوجود می آید.

۲- 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 کناره ها اجرا می شود 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. 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 می باشد.

این بستر برخلاف پی سدهای بتنی باید تحمل نیروهای نقطه ای وارده از طریق اتصالات را نیز داشته باشد و در سد انحرافی سیلوه بحرانی ترین حالت، یعنی حالتی که ارتفاع آب در بالادست به مقدار حداکثر یعنی ۷/۳ متر از تراکزف رودخانه می رسد و ارتفاع آب پائین دست صفر است، در نظر گرفته شده ا ست. 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 کناره های سد، دیوارها به ارتفاع ۳ متر به صورت صلب به دال بتنی متصل می شوند. این دیوارها شیبدار ابتدا در پی و دیوارهای تعیین می گردد و سپس در بتن مدفون می شود. محل کلیه تاسیسات مهاذری غشاء نیز ابتدا مشخص شده، میل مهارها و صفحات پائینی نیز کار گذاشته می شوند و سپس با بتن ریزی در محل خود تثبیت می گردند.

۳- طراحی سیستم مهاربندی سد لاستیکی: 

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

در سد سیلوه از سیستم مهاربندی یک ردیفه (Single anchoring) استفاده شده است. برای تثبیت غشاء به دال کف و دیواره ها از یک ردیف پیچ استفاده می شود. در این روش اگرچه در تعداد پیچها و بستهای مهاری صرفه جوئی می شود 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 می باشند و مونتاژ آن به علت یک ردیفه بودن بسیار اسانتر است. برای طراحی این پیچها، بحرانی ترین حالت بارگذاری، یعنی حالتی که ارتفاع آب بالادست برابر ارتفاع غشاء بوده و ارتفاع آب پایین دست صفر است، در نظر گرفته شده است.

با توجه به تحلیلهای انجام شده در بحرانی ترین 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 2536 می باشد. بر اساس آئین نامه سازمان مدیریت و برنامه ریزی، تنش برشی مجاز برای پیچها در اتصال انکائدی و غیراصطکاکی Fv = 1050kg/cm2 است. اگر مساحت مقطع پیچ را به A = пD2 نشان دهیم داریم:

 F=FvA

۲۵۳۶=۱۰۵۰пD2/4  D=17.5mm

برای اطمینان بیشتر، از پیچهای ۲۲ میلی متری استفاده می گردد. با توجه به آئین نامه، فاصله پیچ ها و برای اطمینان بیشتر این فاصله را mm 15 در نظر می گیریم. فاصله پیچها از یکدیگر مضاربی از ۵ می باشندذ. طول استاندارد صفحات مهاری mm120 بوده و در هر صفحه از ۶ پیچ ۲۲mm به فاصله ۱۵cm استفاده می گردد. فالصله پیچها از لبه انتهایی نیز ۱۵cm در نظر گرفته می شود. 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 نامه ای منظور نشده است.

برای تثبیت غشاء از صفحات مهار کننده نیز استفاده می شود. این صفحات فرم استانداری به شکل M دارند که در بالا و پائین غشاء در دو طرف قرار می گیرند و بعلت شکل کام و زبانه ای که دارند غشاء را کاملاً محصور می کنند. طول این صفحات برای سهولت حمل و نقل cm 120 در نظر گرفته شده است. عرض این صفحات cm 15 بوده و قطر آنها cm 2 می بالشد. 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 می کنند. این صفحات نیروی بسیاری را تحمل می کنند لذا باید در طراحی آنها به موارد زیرا توجه شود:

الف- تغییرشکل این صفحات باید به کمترین مقدار محدود شود زیرا حتی یک میلیمتر تغییر شکل آنها، می تواند موجب نشتی هوا گردد.

ب- در طراحی این صفحات باید تنش های حراتی برای تغییر دمای ۷۰ درجه در نظر گرفته شود.

۴- طراحی غشاء لاستیکی سد لاستیکی: 

غشاء لاستیکی از شبکه الیاف نایلونی تشکیل شده و توسط دو لایه پوشش لاستیکی غیرقابل احاطه می گردد. ضخامت آن ۱۵mm است. چون این لاستیک در معرض تنشهای کششی، فشاری و خستگی (Fatigue) قرار دارد در لایه های نفوذناپذیر از تراشه های سرامیکی (Ciramic chips) استفاده می شود تا ضمن بالا بردن مقاومت کششی و فشاری لاستیک، آن را در مقابل ا شعه فرابنفش و اوزن که در اثر تابش اشعه خورشید بوجود می آیند، حفظ نماید. در الیاف این لاستیک از مونومتر اتیلن پروپیلن که خود جزو مواد با مقاومت بالا در مقابل تنشهای کششی است استفاده می گردد. زبری این غشاء در قسمت فوقانی زیاد نبوده و این امر عبور آب را از روی غشاء آسانتر می کند.

وقتی که غشاء از سیال خالی است بصورت یک لاستیک دوئ لایه در کف بستر می خوابد و نسبت به محور طولی خود کاملاً متقارن است. برای پر کردن غشاء از هوا بعنوان سایل پر کننده استفاده می شود. این سیال در هنگام طغیان به سرعت تخلیه می شود و امکان بازبینی داخل غشاء در آن وجود دارد. دارای تاسیسات و مکانزیم ساده تری ایست و احتمال گرفتگی در لوله ها و مجراها در آن کمتر است. تعمیرات آن نیز ساده تر می باشد. چون در هنگام سرریز شدن آب از روی غشاء باید هوادهی تیغه آب توسط گالری هوا صورت می گیرد. 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 کناره ها و شیب دیواره های جانبی برابر است با:

L=L(0)+2H/SINa

طول مهار جانبی (B) که وظیفه مهار کردن لبه های کناری غشاء را بعهده دارد از رابطه زیر بدست می آید:

در این فرمول:

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

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

برای بدست آوردن حجم سد ا بتدا باید سطح مقطع عرضی سد بدست می آید. با توجه به اینکه سیستم سد از نوع هوائی و اتصال یک ردیفه است شکل مقطع عرضی سد از دو تیم دایره با مساحت A1 و یک ربع بیضی با مساحت A2 تشکیل میشود. سطح مقطع سد برابر است با:

A=A1+A2

A2=0.39H²                          A1=0.47H²

A=A1+A2=0.47H²+۰٫۳۹H²=۰٫۸۶H²

چون مقطع غشاء در کناره ها 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 = 2Vs

   چون لبه ها به اندازه ۱۵% بالاتر از قسمت میانی قرار می گیرند و با توجه به اینکه شیب جداره ها ۱۵/۱:۱ است، داریم:

                                               Vs=1/3(1.15H/Sin a) ×A=0.38/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 می باشند. با توجه به اعمال نیروها به غشاء نیروی کششی در تمام طول نوار لاستیکی یکنواخت خواهد بود.

برای محاسبه فرم مقطعه، بحرانی ترین حالت یعنی وقتی که سد با ارتفاع آب H در بالادست پر شده است در نظر گرفته می شود. 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 می باشد. از آنجائیکه این رابطه ارتعاش را در بدنه سد محدود می کند. در ضمن برای جلوگیری از هرگونه ارتفعاش  جزئی یک زائده به نام (Fin) در قسمتی که تیغه آب از روی سد عبور می کند 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.

 برخی از مشکلات سدهای لاستیکی:

۱- آسیب دیدگی بدنه سد در هنگام خالی کردن باد بدنه.
۲- برخورد اجسام بزرگ و نوک تیز که موجب آسیب به بدنه می شود.
۳- فرار و خروج هوا:

به هنگام خالی کردن باد بدنه سد ممکن است اجسام نوک تیز ایجاد پنچری نمایند و نیز هنگام سیلاب در اثر برخورد اجسام بزرگ مانند تنه درخت و… با بدنه سد در آن خراشیدگی یا سوراخ ایجاد کنند.

منابع:
۱- گرداوری و تالیف سایت civiltech.ir
۲- iranhydrology.com
۳-  مقاله آقای مهدی عمارتی مقدم