أنواع السدود المائية

السد هو هيكل مبني عبر جدول مائي أو نهر أو مصب، يستخدم لتخزين المياه. يتم بناء السدود لتلبية احتياجات الاستهلاك البشري للمياه ولري الأراضي القاحلة وشبه القاحلة، وكذلك للاستخدام في العمليات الصناعية. يتم استغلالها أيضا لزيادة إمدادات المياه لتوليد الطاقة الكهرومائية، وتقليل قمم الفيضانات التي تحدث نتيجة العواصف الكبيرة وذوبان الثلوج الكثيفة، ولزيادة عمق الماء في النهر لتحسين الملاحة وتسهيل سفر القوارب والسفن.

يمكن للسدود أيضا توفير بحيرة للأنشطة الترفيهية مثل السباحة وركوب القوارب وصيد الأسماك، وتم بناء العديد من السدود لأغراض متعددة، فمثلا يمكن استخدام المياه في خزان واحد للصيد وتوليد الطاقة الكهرومائية ودعم نظام الري، وغالبا ما يتم تحديد هياكل التحكم في المياه من هذا النوع كسدود متعددة الأغراض.

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.

تشمل الأعمال المساعدة الأخرى أنظمة إزالة الطمي المتراكم في الخزان، وأقفال للسفن للسماح بمرورها عبر أو حول موقع السد، وسلالم للأسماك (خطوات متدرجة)، وغيرها من الأجهزة التي تساعد الأسماك على السباحة في الخلف أو حول السد.

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 الساحلية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للخزانات الكبيرة أن تغمر مساحات واسعة من الأراضي التي يعيش فيها الكثير من الناس، مما أدى إلى زيادة المعارضة لمشاريع السدود من قبل المجموعات التي تتساءل عما إذا كانت فوائد المشاريع المقترحة تستحق التكلفة.

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.

في هندسة السدود الحديثة، يتم عادة اختيار المواد بين استخدام الخرسانة وطمر التربة والصخور، على الرغم من أن بعض السدود في الماضي تم بناؤها باستخدام التقنيات التقليدية مثل البناء المشترك، ولكن هذه الممارسة قد أصبحت قديمة إلى حد كبير واستُبدلت بالخرسانة.

تستخدم الخرسانة أيضا في بناء السدود الجاذبية الضخمة والسدود القوسية الرقيقة والسدود الداعمة، وسمح تطوير الخرسانة المضغوطة بوضع خرسانة عالية الجودة باستخدام نوع معدات تطورت في الأصل لنقل وتوزيع وطمر الردم، وعادة ما يتم تجميع سدود الطمر والصخور معا كسدود، حيث تشكل هذه الصخور تلالا ضخمة من الأرض، وتتم تجميعها في السدود بواسطة الإنسان.

أنواع السدود المائية

السدود المائية الخرسانية الحديثة

1- سدود الجاذبية الخرسانية

تعمل السدود الخرسانية عادة في خط مستقيم عبر وادٍ واسع، وتتحمل القوى الرئيسية الثلاثة التي تعمل على سد الجاذبية: وزن السد وضغط المؤسسة ودفع المياه المخزنة في الخزان. تقاوم السد الدفع الأفقي للماء الذي يتم حجزه بالكامل بواسطة وزن السد.

يجب أيضًا مراعاة القوى التي تؤثر على الجزء العلوي من السد ، مثل الطمي المتراكم داخل الخزان ، أو الجليد المتراكم على سطح الماء، والقوى الخاملة التي يمكن أن تسببها النشاط الزلزالي، وبشكل خاص، قوة الطفو العالية التي تؤدي إلى تسرب المياه تحت السد أو في المفاصل الأفقية.

وقد تسبب الارتفاع في 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 مقاما على الصخور الصلبة، فإن الإسقاط البسيط للخرسانة في الصخر يكفي عموما لقطع التسرب والقضاء على ضغوط الرفع، ومع ذلك عادة ما يكون الأساس الصخري قابلا للاختراق، وأحيانا إلى أعماق كبيرة، لذا فإن بناء قطع موثوق به تماما إما صعب أو مستحيل.

يجب بعد ذلك الاعتماد على نظام واسع من الحشو الصخري المشقوق، وتخفيف ضغط الرفع عن طريق التصريف، وتمتلك العديد من السدود القاطعة 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.

تم استخدام هذا النظام أيضًا لرفع سدود الجاذبية القائمة إلى مستويات أعلى، مما يزيد من سعة تخزين الخزان بشكل اقتصادي، ومن المثير للاهتمام خاصةً وجود ثلاثة سدود جاذبية خرسانية تتميز بوجه منحدر مستقيم.

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.

وقد تم إنشاء سد غراند ديكسينس في سويسرا في عام 1962م، عبر الوادي الضيق للديكسينس، ويبلغ طول القمة 700 متر (2،296 قدما)، ويحتوي على حوالي 5،960،000 متر مكعب (7،790،000 ياردة مكعبة) من الخرسانة، ويبلغ ارتفاعه 285 مترا (935 قدما). كان أعلى سد في العالم حينها، إلى أن تم الانتهاء من سد نورك على نهر فاخش في طاجيكستان في عام 1980م، والذي يبلغ ارتفاعه 317 مترا (1040 قدما). بالمقارنة، يحتوي هرم الجيزة الأكبر في مصر على 26،000،000 متر مكعب (3،400،000 ياردة مكعبة) من البناء.

2- دعامة خرسانية وسدود متعددة الأقواس

بدلا من الجاذبية، سدود الدعم لا تعتمد بالكامل على وزنها لمقاومة ضغط الماء. وبالتالي، الوجه العلوي لهذه السدود ليس عموديا بل يميل بزاوية تتراوح بين 25 و 45 درجة. وبالتالي، يميل ضغط الماء على وجه السد في اتجاه الأساس. كانت هناك دعامات في بعض السدود الرومانية التي بنيت في إسبانيا، مثل سد بروسيربينا. مع التقدم التكنولوجي، بنيت الآن سدود تستخدم دعامات رقيقة من الخرسانة المسلحة لدعم الوجه المائل.

في السدود الداعمة الحديثة، يتم اعتماد نهج يقوم على تحقيق أقصى قدر من الاقتصاد في استخدام الخرسانة، ويتم تجنب استخدام حديد التسليح وتقليل مساحة القوالب اللازمة التي تكلف باهظة الثمن، وبالتالي، فإن سدود الدعامات الحديثة يمكن أن تكون أقل نحافة.

يمكن أن يتباين تصميم وصلة الربط بين الدعامات على وجه الماء بشكل كبير، وفي حالة عدم توقع حركة نسبية في أسس الدعامة، يمكن استخدام تصميم يربط رؤوس الدعامات الفردية بشكل صارم بواسطة 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- 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 هذا إلى تطوير السد المقوس الذي يحتوي على زاوية ثابتة أو نصف قطر متغير، والذي تم بناؤه لأول مرة في سالمون كريك في ألاسكا في عامي 1913 و1914، وهو عبارة عن هيكل سميك يستمد قوته من تشكيله المنحني.

تعتمد قوة السد المقوس على دعمها الفعال في دعاماتها، وقوتها وصلابتها تجعلها حساسة للحركات في الدعامات، وتكون المواقع المفضلة هي التي توفر الصخور الصوتية المناسبة لبناء السدود المقوسة.

تم عرض القدرات الكبيرة للقوة المخزونة في السد المقوس بشكل كبير في عام 1963م، وعندما تم تدمير الخزان وراء سد Vaiont في إيطاليا بسبب انهيار أرضي، أصبح سد Vaiont، في ذلك الوقت، ثاني أعلى سد في العالم، عبر ممر ضيق على أسس من الحجر الجيري، حيث يبلغ طول القمة 262 مترا (858 قدما) فوق قاع الوادي، وارتفاعه فقط 190 مترا (623 قدما).

لاحظ المهندسون في وقت سابق عدم استقرار واسع النطاق في سفح الجبل فوق الخزان أثناء التعبئة، الأمر الذي سمح لهم بالمضي ببطء شديد، وبعد ذلك بثلاث سنوات، في تاريخ 9 أكتوبر 1963م ومع ملء غير مكتمل للخزان، انزلق حوالي 240 مليون متر مكعب من التربة والصخور إلى الخزان، مما أدى إلى حجم هائل من الماء على ارتفاع 260 متر على الجانب الآخر من الوادي.

تجاوز الفيضان السد إلى عمق 100 متر، وانتشر في الوادي ودمر عدة قرى وأدى إلى خسائركبيرة في الأرواح، ومع ذلك، لم يُحدث السد سوى أضرار سطحية، والتي بلغ سمكها حوالي 3.4 متر 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.

وعلى عكس الخرسانة، تمتلك مواد السدود مقاومة محدودة لاختراق المياه، ويعتمد معدل الاختراق على الضغوط التي يمارسها الماء في الخزان، وعلى طول مسارات التسرب عبر السد، وعلى نفاذية 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.

يمتلك المجال نطاقاً واسعاً للغاية، ويتسرب من خلال الحصى النظيف بمعدل 10000 مرة أكثر من الرمال، و10000000 مرة أكثر من الطمي، و100000000 مرة أكثر من الطين الكثيف، ويجب أن يكون السد مستقراً وأن لا تحدث انزلاقات جانبية أو انزلاقات.

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 لتخزين المياه على الجانب العلوي خلال المواسم الممطرة، وتُطلق المياه المخزنة خلال موسم الطقس الجاف أوعندما يكون هناك طلب أكبر على المياه، ويمكن أيضًا استخدام المياه المخزنة لتوليد الطاقة والري وإمدادات المياه وما إلى ذلك.

سد التحويل

سد التحويل هو 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 لتجميع حطام المياه النهرية، والرمل، والحصى، والأخشاب العائمة، إلخ، وهي حطام يتدفق عادةً مع مياه النهر، وتكون المياه على الجانب السفلي من سد الحطام واضحة.

سد الفائض

السد الفائض هو سد يسمح للماء بالتدفق فوق قمته، وعندما يتدفق الفائض من المياه على الجانب العلوي، يطلق عليه سد المفيض أو سد السقوط.