السد ، هو الهيكل المبني عبر جدول ، أو نهر ، أو مصب للاحتفاظ بالمياه ، وقد تم بناء السدود لتوفير المياه للاستهلاك البشري ، ولري الأراضي القاحلة وشبه القاحلة ، أو للاستخدام في العمليات الصناعية ، ويتم استخدامها لزيادة كمية المياه المتاحة لتوليد الطاقة الكهرومائية ، ولتقليل ذروة تصريف مياه الفيضانات الناتجة عن العواصف الكبيرة ، أو ذوبان الثلوج الكثيفة ، أو لزيادة عمق المياه في النهر من أجل تحسين الملاحة ، والسماح للمراكب ، والسفن السفر بسهولة أكبر.
ويمكن أن توفر السدود أيضًا بحيرة للأنشطة الترفيهية ، مثل السباحة ، وركوب القوارب ، وصيد الأسماك ، وتم بناء العديد من السدود لأكثر من غرض واحد ، على سبيل المثال ، يمكن استخدام المياه في خزان واحد للصيد ، لتوليد الطاقة الكهرومائية ، ودعم نظام الري ، وغالبًا ما يتم تحديد هياكل التحكم في المياه ، من هذا النوع كسدود متعددة الأغراض. [1]
الأعمال المساعدة لعمل السدود المائية
تشمل الأعمال المساعدة التي يمكن أن تساعد في عمل السد بشكل صحيح ، الممرات المنبثقة ، والبوابات المتحركة ، والصمامات التي تتحكم في إطلاق فائض المياه ، في اتجاه مجرى النهر من السد ، كما يمكن أن تشتمل السدود أيضًا على هياكل السحب التي تنقل المياه إلى محطة كهرباء ، أو إلى القنوات ، أو الأنفاق ، أو خطوط الأنابيب المصممة لنقل المياه المخزنة ، بواسطة السد إلى أماكن بعيدة.
والأعمال المساعدة الأخرى هي أنظمة لإخلاء ، أو طرد الطمي الذي يتراكم في الخزان ، وأقفال للسماح بمرور السفن ، عبر أو حول موقع السد ، وسلالم السمك (خطوات متدرجة) ، وغيرها من الأجهزة لمساعدة الأسماك التي تسعى للسباحة في الخلف أو التي حولها سد.
ويمكن أن يكون السد هيكلًا مركزيًا في مخطط متعدد الأغراض ، ومصمم للحفاظ على موارد المياه على أساس إقليمي ، كما يمكن أن تحمل السدود متعددة الأغراض ، أهمية خاصة في البلدان النامية ، حيث قد يجلب السد الواحد فوائد كبيرة تتعلق بإنتاج الطاقة الكهرومائية ، والتنمية الزراعية ، والنمو الصناعي.
ومع ذلك ، أصبحت السدود محور الاهتمام البيئي ، بسبب تأثيرها على الأسماك المهاجرة ، والنظم البيئية المشاطئة ، بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للخزانات الكبيرة أن تغمر مساحات شاسعة من الأراضي التي يقطنها الكثير من الناس ، وقد أدى ذلك إلى تعزيز معارضة مشاريع السدود ، من قبل المجموعات التي تتساءل عما إذا كانت فوائد المشاريع المقترحة ، تستحق التكاليف.
السدود المائية من حيث الإنشاء الهندسي
من حيث الهندسة ، تقع السدود في عدة فئات متميزة محددة حسب النوع الهيكلي ، ومواد البناء ، ويعتمد قرار نوع السد المراد بناؤه إلى حد كبير على ظروف الأساس في الوادي ، ومواد البناء المتاحة ، وإمكانية وصول الموقع إلى شبكات النقل ، وخبرات المهندسين ، والممولين ، والمروجين المسؤولين عن المشروع.
وفي هندسة السدود الحديثة ، عادة ما يكون اختيار المواد بين الخرسانة وطمر التربة والطمر ، على الرغم من أنه في الماضي تم بناء عدد من السدود من البناء المشترك ، فإن هذه الممارسة أصبحت الآن قديمة إلى حد كبير ، وقد حلت محلها الخرسانة.
كما يتم استخدام الخرسانة لبناء سدود الجاذبية الضخمة ، والسدود القوسية الرقيقة ، والسدود الداعمة ، وقد سمح بتطوير الخرسانة المضغوطة ، بالأسطوانة بوضع خرسانة عالية الجودة مع نوع المعدات التي تم تطويرها في الأصل ، لنقل وتوزيع وطمر الردم ، وعادة ما يتم تجميع سدود الطمر والصخور معًا ، كسدود لأنها تشكل تلالًا ضخمة من الأرض ، والصخور التي يتم تجميعها في فرض السدود من صنع الإنسان. [2]
أنواع السدود المائية
السدود المائية الخرسانية الحديثة
1- سدود الجاذبية الخرسانية
عادة ما تعمل سدود الجاذبية الخرسانية ، في خط مستقيم عبر واد واسع وتقاوم الدفع الأفقي للماء المحتجز بالكامل من خلال وزنها ، والقوى الرئيسية الثلاثة التي تعمل على سد الجاذبية : هي دفع المياه المخزنة في الخزان ، ووزن السد ، والضغط الذي تمارسه المؤسسة.
ومن الضروري أيضًا مراعاة الدفع الذي يحدث على الوجه العلوي من خلال الطمي المودع في الخزان ، أو الجليد على سطح الماء ، والقوى الخاملة التي يمكن أن تسببها الحركة الزلزالية ، وعلى وجه الخصوص ، قوة رفع الطفو المرتفعة لتسرب المياه تحت السد أو في المفاصل الأفقية.
وقد تسبب الارتفاع من التسرب في نقاش مستمر بين المهندسين الذين يعود تاريخهم إلى تسعينيات القرن التاسع عشر ، حيث يدعو رفع إلى أقصى درجات العناية في التصميم والبناء ، وعندما يكون السد مقامًا على الصخور الصلبة ، فإن الإسقاط البسيط للخرسانة في الصخر يكفي عمومًا لقطع التسرب والقضاء على ضغوط الرفع ، ومع ذلك عادةً ما يكون الأساس الصخري قابلاً للاختراق ، وأحيانًا إلى أعماق كبيرة ، لذا فإن بناء قطع موثوق به تمامًا إما صعب أو مستحيل.
كما يجب الاعتماد بعد ذلك على نظام واسع من الحشو الصخور المشقوقة ، وتخفيف ضغوط الرفع عن طريق الصرف ، وتمتلك العديد من السدود القواطع والنقص ، وقد حدث تطور آخر في بناء سدود الجاذبية ، وهو دمج الفولاذ المعلق في الهيكل.
على سبيل المثال ، ساعد هذا في تقليل المقطع العرضي لسد Allt na Lairige في اسكتلندا إلى 60 في المائة فقط ، من سد الجاذبية التقليدي من نفس الارتفاع ، وتقاوم سلسلة من القضبان الفولاذية العمودية بالقرب من وجه الماء العلوي ، والتي يتم الضغط عليها بواسطة الرافعات وترسيخها بأمان في الأساس الصخري ، ومقاومة الانقلاب لهذا القسم الأكثر نحافة.
وقد تم استخدام هذا النظام أيضًا لرفع سدود الجاذبية الموجودة إلى مستوى قمة أعلى ، مما يزيد من سعة تخزين الخزان اقتصاديًا ، ومن المثير للاهتمام بشكل خاص ثلاثة سدود جاذبية خرسانية تتميز بوجه منحدر مستقيم منحدر.
براتسك ، الذي بني عبر نهر أنغارا في إيركوتسك في روسيا واكتمل في عام 1964م ، يقف على ارتفاع 125 مترًا (410 قدمًا) فوق مستوى الأساس ، وباستثناء السدود الجانبية الترابية ، ويبلغ طوله حوالي 1525 مترًا (5000 قدمًا) ، ويحتوي على 4500000 متر مكعب (5900000 ياردة مكعبة) من الخرسانة.
وتم بناء سد غراند كولي ، الذي تم الانتهاء منه في عام 1941م ، عبر نهر كولومبيا في ولاية واشنطن ، الولايات المتحدة ، ويبلغ ارتفاع هيكلها الرئيسي 168 مترًا (550 قدمًا) ، وطولها 1.592 مترًا (5223 قدمًا) ، وتحتوي على ما يقرب من 9000.000 متر مكعب (12.000.000 متر مكعب) من الخرسانة.
وسد غراند ديكسينس في سويسرا ، الذي اكتمل في عام 1962م عبر الوادي الضيق للديكسينس ، ويبلغ طول القمة 700 متر (2،296 قدمًا) ، ويحتوي على ما يقرب من 5960000 متر مكعب (7790000 ياردة مكعبة) من الخرسانة ، على ارتفاع 285 مترًا (935 قدمًا) كان أعلى سد في العالم ، حتى اكتمال سد نورك على نهر فاخش في طاجيكستان في عام 1980م ، بارتفاع 317 مترًا (1040 قدمًا) ، وبالمقارنة يحتوي هرم الجيزة الأكبر في مصر على 26000000 متر مكعب (3،400،000 ياردة مكعبة) من البناء.
2- دعامة خرسانية وسدود متعددة الأقواس
على عكس سدود الجاذبية ، لا تعتمد سدود الدعم بالكامل على وزنها لمقاومة دفع الماء ، وبالتالي فإن وجهها العلوي ليس رأسيًا ولكنه يميل حوالي 25 درجة إلى 45 درجة ، وبالتالي فإن دفع الماء على وجه التيار يميل نحو الأساس ، وتوجد دعامات جنينية في بعض السدود الرومانية التي بنيت في إسبانيا ، من بينها Proserpina ، مع تقدم التكنولوجيا ، تم بناء السدود مع دعامات رقيقة من الخرسانة المسلحة التي تدعم الوجه المنحدر المائل.
وفي السدود الداعمة اليوم ، يُؤخذ في الاعتبار قدر أقل من تحقيق أقصى قدر من الاقتصاد ، في استخدام الخرسانة ، والاتجاه هو تقليل مساحة القوالب المكلفة اللازمة ، وتجنب استخدام حديد التسليح ، مع ارتفاعات أكبر ، تكون سدود الدعامات الحديثة حتمًا أقل نحافة.
وهناك العديد من الاختلافات الممكنة في تصميم الوصلة بين الدعامات على وجه الماء ، وفي حالة عدم توقع حركة نسبية في أسس الدعامة ، يمكن أن يربط التصميم رؤوس الدعامات الفردية بشكل صارم ، عن طريق الأقواس ، لتشكيل سد متعدد القوس.
مثال كندي من هذا النوع هو 214 مترا (703 قدم) عالية متعددة قوس دانيال جونسون سد على نهر Manicouagan في كيبيك ، والسد الذي تم الانتهاء منه في عام 1968م ، يستخدم ما مجموعه 14 دعامة بطول قمة يبلغ 1310 متر (4297 قدم) ، وبه دعامتان أكبر بكثير تدعمان الهيكل فوق مجرى النهر الأصلي.
وعندما تنتج أسس الدعامة ، يجب أن يسمح التصميم ببعض حرية الحركة بين رؤوس الدعامات ، ويتم تحقيق ذلك عادةً بتوسيع الرؤوس حتى تصبح على اتصال تقريبًا ثم ضمها بأختام مرنة ، وهكذا فإن الرؤوس تقدم وجهًا صلبًا للماء ، وتم استخدام هذا التصميم في بناء سد فرحناز بهلوي في إيران ، وتم بناء هذا السد لمجلس مياه Tehrān الإقليمي في عام 1967م ، ويبلغ ارتفاعه الأقصى 107 أمتار (351 قدمًا) ، ويبلغ طول القمة حوالي 360 مترًا (1181 قدمًا).
وتظهر المقارنة بين سد دانيال جونسون متعدد السدود ، وسد دعامة فرحناز بهلوي أنه يجب وضع الدعامات بالقرب من بعضها أكثر مما هو ضروري مع سد متعدد الأقواس ، وهذا يسمح لكل دعامة أن تكون أكثر رشاقة ، ومع ذلك ينشر الحمل بالتساوي على الأساس ، وكان التصميم التفصيلي في أسفل دعامات فرحناز بهلوي مطلوبًا بسبب ظروف التأسيس الضعيفة في الموقع ، والحاجة إلى تحديد طول كل دعامة لتقليل استجابتها للعمل الزلزالي ، وعلى النقيض من ذلك ، يمكن تأسيس دعامات دانيال جونسون بشكل فردي ، مستغلة تمامًا ميزة مهمة من سدود الدعامة على سدود الجاذبية ، وتلك الخاصة بقوى الرفع الأصغر. [3]
3- السدود المقوسة
تم تقدير مزايا بناء سد مقوس ، وبالتالي استخدام ضغط الماء لإبقاء المفاصل مغلقة في البناء ، وكان ذلك في وقت مبكر من العصر الروماني ، والسد القوسي عبارة عن هيكل ينحني إلى أعلى النهر ، حيث يتم نقل دفع الماء إما مباشرة إلى جوانب الوادي ، أو بشكل غير مباشر من خلال الدعامات الخرسانية ، ومن الناحية النظرية ، قوس الزاوية الثابتة المثالي في واد على شكل حرف V له زاوية مركزية تبلغ 133 درجة للانحناء.
وقد أدى ذلك إلى تطوير السد المقوس ذي الزاوية الثابتة (أو نصف القطر المتغير) ، الذي تم بناؤه لأول مرة في سالمون كريك في ألاسكا في 1913م وحتى 1914م ، والسد المقوس هو عبارة عن هيكل سميك يستمد قوته من ملفه المنحني.
وتعتمد قوتها على الدعم الفعال في دعاماتها ، قوتها وصلابة تجعلها حساسة للحركات في الدعامات ، فقط المواقع المفضلة التي توفر الصخور الصوتية مناسبة للسدود المقوسة.
وقد تم عرض الاحتياطيات الكبيرة من القوة المتأصلة في السد المقوس بشكل كبير في عام 1963م ، وعندما تم تدمير الخزان وراء سد Vaiont في إيطاليا ، بسبب الانهيار الأرضي تم بناء Vaiont ، في ذلك الوقت ، أصبح ثاني أعلى سد في العالم ، عبر ممر ضيق على أسس من الحجر الجيري ، بحيث يبلغ طول القمة ، 262 مترًا (858 قدمًا) فوق قاع الوادي ، 190 مترًا فقط (623 قدمًا).
وقد لاحظ المهندسون في وقت سابق عدم استقرار واسع النطاق ، في سفح الجبل فوق الخزان أثناء التعبئة ، وسمح لهم بالمضي ببطء شديد ، وبعد ذلك بثلاث سنوات ، في 9 أكتوبر 1963م ، مع ملء لا يزال غير مكتمل ، انزلق حوالي 240 مليون متر مكعب (314 مليون ياردة مكعبة) من التربة والصخور إلى الخزان ، مما أدى إلى حجم هائل من الماء على ارتفاع 260 متر (853 قدم) على الجانب الآخر من الوادي.
وتجاوز الفيضان السد إلى عمق 100 متر (328 قدم) ، وارتفع إلى الوادي ، ودمر عدة قرى وتسبب في خسائر كبيرة في الأرواح ، ومع ذلك لم يلحق السد سوى أضرار سطحية ، والتي يبلغ سمكها حوالي 3.4 متر (11.2 قدم) في ذروته.
السدود الحاجزة
غالبًا ما تم بناء السدود المبكرة من الطمر ، أو الردم على أنها هياكل متجانسة بسيطة ، مع استخدام نفس المواد في جميع الأنحاء ، لم يتم بذل أي جهد في البداية ، لتقسيم السد إلى مناطق منفصلة مع المواد الأكثر ملاءمة في كل منطقة ، ومثل سد الجاذبية الخرسانية ، فإن وزن سد الجسر يحرف الاتجاه الأفقي لضغط الماء وصولاً إلى الأساس ، كما يجب ألا تتسبب الضغوط الناتجة عن الأساس في تشويه مفرط ، لأن ذلك سيؤدي إلى الفشل.
وبخلاف الخرسانة ، تمتلك مواد السدود المقاومة المحدودة فقط لاختراق المياه ، ويعتمد معدل الاختراق على الضغوط التي يمارسها الماء في الخزان ، وطول مسارات التسرب عبر السد ، ونفاذية مادة البناء ، وتتراوح التربة والصخور من الطين غير القابل للاختراق إلى حد كبير من خلال الطمي والرمال ، إلى الحصى الخشنة المتدرجة وشظايا الصخور التي لا تتمتع بمقاومة تذكر لحركة المياه.
والنطاق واسع للغاية ، معدل التسرب من خلال الحصى النظيف ، وهو 10000 مرة من خلال الرمال ، 10000000 مرة من خلال الطمي ، و 100000000 مرة من خلال الطين الكثيف ، ويجب أن يكون سد السد مستقرا ، ويجب ألا تنزلق المنحدرات الجانبية أو تنزلق.
بالإضافة إلى ذلك ، يجب ألا يحدث تسييل للتربة ، ويجب تجنب تآكل التربة ، ونتيجة لقمة الماء على القمة ، أو حركة الأمواج على وجه التيار ، أو تسرب المواد الدقيقة من خلال الخشنة ، كما هو الحال مع السد الخرساني ، ويجب التحكم أيضًا في تسرب المياه من الخزان من خلال الأساس ، وتحت السد الفعلي لضمان السلامة.
سد التخزين
يتم إنشاء سد التخزين ، لتخزين المياه على الجانب العلوي ، وخاصة خلال المواسم الممطرة ، ويتم إطلاقه خلال موسم الطقس الجاف ، أو عندما يكون هناك طلب أكبر على المياه ، كما يمكن أيضًا استخدام المياه المخزنة لتوليد الطاقة والري ، وإمدادات المياه وما إلى ذلك.
سد التحويل
سد التحويل عبارة عن سد يتم إنشاؤه لتحويل تدفق المياه ، إلى قناة أو قناة أخرى ، ويستخدم هذا النوع من السدود بشكل عام لملء قنوات الري.
سد الحطام
تم بناء سد الحطام للاحتفاظ بحطام مياه النهر ، الرمل والحصى ، والأخشاب العائمة وما إلى ذلك هي حطام يتدفق بشكل عام مع مياه النهر ، والمياه على الجانب السفلي من سد الحطام واضحة. [4]
سد الفائض
السد الفائض هو سد يسمح للماء فوق قمته ، عندما يتدفق الفائض من المياه على الجانب العلوي ، ويسمى هذا أيضًا بسد المفيض أو سد السقوط.