شکست هیدرولیکی در سدهای خاکی-سنگی ۲۰۱۴
Hydraulic Fracturing in Earth-rock Fill Dams 2014

** *ارائه‌ی یک مطالعه سیستماتیک و جامع در مورد شکست هیدرولیکی، با تمرکز منحصربه‌فرد بر مسائل اساسی خاک* **

تا کنون موارد متعددی از سدها وجود داشته است که به دلیل نشت‌های متمرکز و بدون علت ظاهری، دچار شکست یا آسیب شده‌اند. در برخی از این موارد، محققان به این نتیجه رسیده‌اند که ترک‌های ناشی از نشست‌های نامتقارن، علت احتمالی بوده‌اند، حتی اگر هیچ ترکی در سطح مشاهده نشده باشد. در این مثال‌ها، مشخص نشد که آیا ترک قبل از پر شدن مخزن باز بوده است یا بعد از آن ایجاد شده است. در میان مسائل حل‌نشده‌ی مربوط به ایمنی سدهای خاکی-سنگی، مسئله‌ی شکست هیدرولیکی در هسته‌ی خاکی این سدها، توجه گسترده‌ی طراحان و محققان را به خود جلب کرده است. شکست هیدرولیکی عموماً به عنوان یک عامل کلیدی در ایجاد نشت سد در طول اولین آبگیری در نظر گرفته می‌شود.

در این کتاب جامع، یک روش شبیه‌سازی عددی جدید ارائه شده است. این روش بر اساس تکنیک المان محدود دو بعدی مرسوم و فرمول‌بندی‌های تئوری برای محاسبه نرخ رهاسازی انرژی با استفاده از روش توسعه ترک مجازی است. عوامل مؤثر بر همگرایی انتگرال J محاسبه‌شده مورد بررسی قرار می‌گیرند. دقت انتگرال J محاسبه‌شده با تجزیه و تحلیل سه مسئله‌ی نمونه در مکانیک شکست، که در آن‌ها انتشار ترک ممکن است به ترتیب از حالت I، حالت II و حالت ترکیبی I-II پیروی کند، تأیید می‌شود. با استفاده از روش عددی جدید، عوامل مؤثر بر وقوع شکست هیدرولیکی در سدهای خاکی-سنگی مورد بررسی قرار می‌گیرند. نتایج بررسی نشان می‌دهد که افزایش مدول الاستیسیته، نسبت پواسون و چگالی خاک هسته، به کاهش احتمال وقوع شکست هیدرولیکی کمک می‌کند. احتمال وقوع شکست هیدرولیکی با افزایش سطح آب یا عمق ترک افزایش می‌یابد. قسمت پایین هسته‌ی سد، ناحیه‌ای است که در آن پدیده‌ی شکست هیدرولیکی به راحتی می‌تواند ایجاد شود. به عنوان نمونه‌ای برای تجزیه و تحلیل توانایی سد خاکی-سنگی در مقاومت در برابر شکست هیدرولیکی، سد نوژادو واقع در غرب چین مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

* ارائه‌ی یک مطالعه سیستماتیک و جامع در مورد شکست هیدرولیکی، با تمرکز منحصربه‌فرد بر مسائل اساسی خاک
* تمرکز بر مسئله‌ی شکست هیدرولیکی در سدهای خاکی-سنگی از سه جنبه: شرایط و مکانیسم‌های شکست هیدرولیکی، معیار شکست هیدرولیکی و روش عددی شکست هیدرولیکی
* بررسی آزمایش‌های پیشرفته‌ی خاک در آزمایشگاه، کاربرد روش‌های عددی و آزمایش/نظارت میدانی، که همگی برای درک بهتر شکست هیدرولیکی در سدهای خاکی/سنگی مورد نیاز هستند.
* ارائه‌ی یک مرجع ضروری در زمینه‌ای که تحقیقات کمی در آن انجام شده است و نیاز به آن در ساخت سدهای خاکی مرتفع در کشورهای در حال توسعه شدیداً احساس می‌شود.

ایده‌آل برای محققان در زمینه‌های مهندسی هیدرولیک و ژئوتکنیک، دانشجویان دوره‌های کارشناسی ارشد یا دکترا و همچنین طراحان و سازندگان در زمینه‌های مهندسی هیدرولیک و ژئوتکنیک.

Presents a systematic and comprehensive study of hydraulic fracturing, original in its concentration of core soil problems

There have been a number of well-studied cases in which dams have failed or been damaged by concentrated leaks for no apparent cause. In some of these experiences, investigators concluded that differential settlement cracks were the probable causes, even though no cracks were seen on the surface. In these examples, it was not determined whether the crack was open before the reservoir filled or whether it might have opened afterward. In several unsolved problems on the safety of the earth-rock fill dam, the problem of hydraulic fracture in the soil core of the earth-rock fill dam is one that is widely paid attention by designers and researchers. Hydraulic fracturing is generally considered as a key cause which may induce the leakage of the dam during first filling.

In this extensive book, a new numerical simulate method is suggested. The method is based on the conventional two-dimensional finite element technique, and the theoretical formulations to calculate energy release rate using virtual crack extension method. The influence factors on convergence of calculated J integral are investigated. The accuracy of the calculated J integral is verified by analysing the three typical problems in Fracture Mechanics, in which propagation of crack may follow mode I, mode II and mixed mode I-II respectively. Using the new numerical method, the factors affecting the occurrence of hydraulic fracturing in the earth-rock fill dam are investigated. The investigating results indicate that increasing any of the Young’s modulus, the Poisson’s ratio and the density of the core soil is helpful to reduce the likelihood of the occurrence of hydraulic fracturing. The likelihood of the occurrence of hydraulic fracturing increases with increasing the water level or the crack depth. The lower part of the dam core is the zone in which the phenomenon of hydraulic fracturing may be induced easily. As an example to analyse the ability of earth-rock fill dam to resist hydraulic fracturing, the Nuozhadu Dam located in Western China is analysed.

• Presents a systematic and comprehensive study of hydraulic fracturing, original in its concentration of core soil problems
• Focuses on the problem of hydraulic fracturing in earth-rock fill dams from three aspects; conditions and mechanisms of hydraulic fracturing, criterion of hydraulic fracturing, and numerical method on hydraulic fracturing
• Examines advanced laboratory soil testing, application of numerical methods and field testing/monitoring, all needed for a better understanding of hydraulic fracturing in earth/rock fill dams
• Provides an essential reference in an area of scarce research in this field, and the need in high earth dam construction in developing countries is pressing

Ideal for researchers in Hydraulic and Geotechnical Engineering Fields; Students on Masters or PhD courses; as well as Designers and Constructors in Hydraulic and Geotechnical Engineering Fields.