تصميم السدود الترابية
السدود بمختلف أشكالها ذات أهمية كبيرة وفوائد اقتصادية وبيئية متعددة، والتي منها توفير وتخزين المياه والتحكم بالفيضانات وتوليد الطاقة الكهرومائية والقدرة على ري المناطق الزراعية المجاورة لها بالإضافة للترفيه فهي توفر أماكن جميلة غنية بالمياه يمكن التنزه فيها والتجول بالقوارب، وهنا سنتكلم عن أحد أنواع السدود وهو السد الترابي وأنواعه وكيفية تصميمه.
ما هو السد الترابي
السد الترابي (Embankment Dam) هو حاجز ترابي يعترض المجرى المائي ويتم بناؤه من خلال ضغط طبقات متتالية من التربة باستخدام مواد منيعة (غير منفذة للماء) في اللب، وإحاطته بمواد أخرى قد تكون منفذة للماء في المنبع والمصب، كما يغطى بالحجارة المكسرة لمنع التآكل بفعل الرياح أو الأمطار.
أجزاء السد الترابي
جميع السدود تتكون من ثلاثة مكونات أساسية وهي الأساس (Foundation) والغلاف (Casing) واللب أو النواة (Core)، وبحسب نوع السد تضاف إليه ملحقات إضافية لمساندة المكونات الأساسية وتمكينها من العمل بشكل جيد، وفيما يلي فكرة عامة عن هذه المكونات الأساسية:
- الأساس: هو الوسيط الداعم الذي يعلم على مقاومة القوى الرأسية والأفقية التي يتعرض لها السد، وبالاعتماد على مادة الأساس فيما إذا كانت تربة أو صخورًا فقد تسمح بتدفق المياه أو تقاومها، إذ إن الصخور هي أفضل خيار للأساس بشرط خلوها من العيوب، كما أن الرمال والحصيات أيضًا تشكل دعمًا جيدًا للسد ولكن يجب التحكم في التسرب عند استخدامها.
- الغلاف: أو القشرة وهي تزيد من ثبات السد وتحمي النواة وأغلب المواد كالرمال والحصى والطين والرمل غير المعرضة للتشقق تحت الظروف الجوية العادية تعتبر مناسبة لتشكيل الغلاف، كما أن منحدرات المنبع والمصب للغلاف يجب تحديدها اعتمادًا على المواد المتوفرة وحالة الأساس وارتفاعه ونوع السد، إذ إن ميل المنبع يتراوح ما بين 2/1 إلى 4/1 لتأمين الاستقرار وفي حال كانت المواد منخفضة النفاذية يتم اختياره بشكل مسطح، في حين يتراوح ميل المصب من 2/1 إلى 2.5/1.
- اللب: يمنع اللب التسرب ويعمل كحاجز غير منفذ للماء عبر جسم السد، وتعتبر التربة المضغوطة بدرجة عالية وذات المحتوى العضوي غير مناسبة للاستخدام في اللب، وهناك العديد من التوصيات عند إنشاء اللب وهي:
- بحسب المواد المتوفرة وطبوغرافيا الموقع يجب وضع اللب إما مائلًا أو مركزيًا في المنبع.
- يثبت المستوى العلوي من اللب على ارتفاع متر واحد من أقصى مستوى قد يصله الماء.
- الحد الأدنى للعرض العلوي للب هو ثلاثة أمتار، كما تحدد السماكة النهائية بالاعتماد على توفر المادة غير المنفذة المناسبة وعلى مقاومة الأنابيب والتسرب المسموح به عبر السد والمواد الأخرى المتوفرة للغلاف والفلتر وما إلى ذلك.
أنواع السدود الترابية
السدود الترابية لها نوعان رئيسيان اعتمادًا على تصميمها وبنائها ونوع مادة الردم المستخدمة، هما السدود التربية (Earthfill Dam) والسدود الصخرية (Rockfill Dam).
- السد التربي: يتكون من تربة ناعمة الحبيبات يتم الحصول عليها من أماكن الحفريات والتي يتم رصها ودمكها عند إنشاء السد بوسائل ميكانيكية، إذ إنه بعد إنشاء الأساس تنقل التربة من أماكن الحفريات إلى موقع السد ومن ثم يتم إغراقها ونشرها في طبقات بالعمق المطلوب، ثم تدك وترص هذه الطبقات باستخدام بكرات الدك أو بكرات هوائية ثقيلة أو جرارات، وأهم ما يميز السد الترابي أنه يتكيف مع الأساس الضعيف بشرط اختبار الأساس وتصميمه.
- السد الصخري: يتكون من صخور مجزأة ذات لب منيع (غير منفذ للماء)، ولكن في حال لم تتوفر مادة مانعة للتسرب بشكل تام في اللب يجب صنع الغلاف من الخرسانة أو الإسفلت أو الصفيحة الفولاذية على وجه المنبع، ومع ذلك قد تخرق هذه الأغشية بسبب التسوية لذلك يتم ضغط مناطق ملء الصخور ببكرات اهتزازية ثقيلة بطبقات من 12-24 بوصة.
يمكن أن يكون اللب مكونًا من صخور مجففة ومضغوطة جيدًا بمنحدرات حادة في حال كان أساس السد صخري، وفي حال كان من اللازم وضع حشو صخري على أساس أرضي (ترابي) يجب أن تكون المنحدرات أكثر انبساطًا، ويجب وضع مناطق للانتقال بين الأساس وطبقة الصخور.
المواد المستخدمة في السدود الصخرية تتراوح من الصخور الكبيرة إلى المواد الأكثر تفتيتًا مثل الأحجار الرملية والصخور الطينية التي تتكسر تحت الضغط لتشكيل كتلة منيعة.
تصميم السدود الترابية
يتم تصمم السدود الترابية النموذجي باتباع الخطوات التالية:
- جمع كافة المعلومات الطبوغرافية والهيدرولوجية اللازمة
ودراسة كافة الصور الجوية والخرائط الكبيرة وفي حال لزم الأمر يجب زيارة الموقع.
- تحديد إنتاجية المجمع المائي
الذي سيشيد عليه السد، إذ تشكل هذه الإنتاجية أهم عامل لتقييم جدوى السد وتحسب من العلاقة التالية أدناه؛ حيث أن:
Y: إنتاجية المجمع بالمتر المكعب
RF: الجريان السطحي السنوي لإنتاجية المجمع بالميللمتر.
A: مساحة المجمع المائي بالكيلومتر المربع
- حساب سعة تخزين السد
بالمتر المكعب، وفق العلاقة التالية؛ حيث أن:
Q: سعة التخزين بالمتر المكعب.
L: طول جدار السد بالعرض الكامل بالمتر.
T: الارتداد بالمتر.
H: أقصى ارتفاع الحاجز بالمتر.
- تحديد ارتفاع السد
ويعتمد على منحنى السعة العميقة ومنحنى سعة منطقة التخزين.
- إضافة حد الطفو إلى ارتفاع الجسر
إذ يجب مراعاة ذلك في تصميم السدود الترابية للحفاظ على السلامة وتجنب الفيضان، وبشكل عام يكون حوالي 10-15% من حد الطفو هو المستوى الأقصى للفيضان.