سد قوسي

السد القوسي هو سد خرساني مُقوّس باتجاه مجرى النهر. ^{[ 1 ]} يُصمّم السد القوسي بحيث يضغط ضغط الماء عليه، المعروف بالضغط الهيدروستاتيكي ، مما يؤدي إلى استقامة القوس قليلاً وتقوية بنيته عند دفعه نحو أساساته أو دعاماته. يُعدّ السد القوسي الأنسب للأودية الضيقة أو المضائق ذات الجدران الصخرية المتينة شديدة الانحدار لدعم بنيته وتحمّله للضغوط. ^{[ 2 ]} ولأنها أرقّ من أي نوع آخر من السدود، فإنها تتطلب كميات أقل بكثير من مواد البناء، مما يجعلها اقتصادية وعملية في المناطق النائية.

بشكل عام، يتم تصنيف السدود القوسية بناءً على نسبة سمك القاعدة إلى الارتفاع الهيكلي (b/h) على النحو التالي: ^{[ 1 ]}

• رقيقة، لنسبة العرض إلى الارتفاع أقل من 0.2،
• متوسطة السماكة، لنسبة العرض إلى الارتفاع بين 0.2 و 0.3، و
• سميك، لنسبة b/h التي تزيد عن 0.3.

السدود القوسية المصنفة حسب ارتفاعها الهيكلي هي: ^{[ 1 ]}

• سدود منخفضة يصل ارتفاعها إلى 100 قدم (30 متراً) ، 
• السدود متوسطة الارتفاع التي يتراوح ارتفاعها بين 100 و300 قدم (30-91 متراً) ،  
• السدود العالية التي يزيد ارتفاعها عن 300 قدم (91 متراً) .  

بدأ تطوير السدود المقوسة عبر التاريخ مع الرومان في القرن الأول قبل الميلاد، وبعد تطوير العديد من التصاميم والتقنيات، تحققت درجة عالية من التوحيد في القرن العشرين. أول سد مقوس معروف هو سد غلانوم ، المعروف أيضًا باسم سد فالون دو بوم، بناه الرومان في فرنسا ويعود تاريخه إلى القرن الأول قبل الميلاد. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} كان ارتفاع السد حوالي 12 مترًا (39 قدمًا) وطوله 18 مترًا (59 قدمًا) . وكان نصف قطره حوالي 14 مترًا (46 قدمًا) ، ويتكون من جدارين حجريين. بناه الرومان لتزويد بلدة غلانوم المجاورة بالمياه. سد مونتي نوفو في البرتغال هو سد مقوس آخر بناه الرومان في عام 300 ميلادي. كان ارتفاعه 5.7 مترًا (19 قدمًا) وطوله 52 مترًا (171 قدمًا) ، ونصف قطره 19 مترًا (62 قدمًا) . التقت الأطراف المنحنية للسد بجدارين مجنحين تم دعمهما لاحقًا بدعامتين. كما احتوى السد على مخرجين للمياه لتشغيل الطواحين في اتجاه مجرى النهر. ^{[ 6 ]}         

يُعدّ سد البوابة الحديدية فوق أنطاكية أقدم سد قوسي معروف لا يزال قائمًا ، وقد جمع بين وظائف جسر الطريق ، وجسر القناة المائية ، وسور المدينة ، والسد. ولا يزال سد البوابة الحديدية يعمل كسد حتى يومنا هذا. ^{[ 7 ]} وكان سد دارا سدًا قوسيًا آخر بناه الرومان. وقد كتب المؤرخ بروكوبيوس عن تصميمه: "لم يُبنَ هذا الحاجز في خط مستقيم، بل انحنى على شكل هلال، بحيث يكون الانحناء، بمواجهته لتيار النهر، قادرًا على توفير مقاومة أكبر لقوة التيار." ^{[ 3 ]}

بنى المغول أيضًا سدودًا قوسية في إيران الحالية. كان أولها سد كيبار الذي شُيّد حوالي عام 1300، وكان ارتفاعه 26 مترًا (85 قدمًا) وطوله 55 مترًا (180 قدمًا) ، ونصف قطره 35 مترًا (115 قدمًا) . أما سدهم الثاني، سد كوريت ، فقد بُني حوالي عام 1350. بعد إضافة 4 أمتار (13 قدمًا) إلى السد عام 1850، أصبح ارتفاعه 64 مترًا (210 أقدام) ، وظل أطول سد في العالم حتى أوائل القرن العشرين. صُمم سد كوريت من الحجر، وشُيّد في وادٍ ضيق جدًا، لدرجة أن طول قمته لا يتجاوز 44% من ارتفاعه. لا يزال السد قائمًا حتى اليوم، على الرغم من سقوط جزء من واجهته السفلية المواجهة للمصب. ^{[ 4 ]}          

سد تيبي في مدينة تيبي بإسبانيا هو سد قوسي يعود إلى ما بعد العصور الوسطى، بُني بين عامي 1579 و1594، وهو أول سد من نوعه في أوروبا منذ العصر الروماني. بلغ ارتفاع السد 42.7 مترًا (140 قدمًا) وطوله 65 مترًا (213 قدمًا) . يقع هذا السد القوسي على سفوح الجبال. ^{[ 4 ]}  

في أوائل القرن العشرين، شُيّد أول سد قوسي ذي نصف قطر متغير في العالم على نهر سالمون كريك بالقرب من جونو ، ألاسكا . تميز سد سالمون كريك بانحناء واجهته العلوية باتجاه المنبع، مما خفف الضغط على الأقواس السفلية المنحنية الأقوى قرب الدعامات. كما تميز السد بقاعدة عريضة، مما خفف الضغط على الجزء السفلي منه باتجاه المنبع، والذي أصبح أكثر انحناءً باتجاه المصب. سمحت التقنية والفوائد الاقتصادية لسد سالمون كريك بتصميم سدود أكبر وأعلى. ولذلك، كان السد ثوريًا، وسرعان ما اعتُمدت تصاميم مماثلة في جميع أنحاء العالم، ولا سيما من قبل مكتب استصلاح الأراضي الأمريكي . ^{[ 4 ]}

في عام 1920، قام المهندس السويسري ومصمم السدود ألفريد ستوكي بتطوير طرق حساب جديدة للسدود المقوسة، ^{[ 8 ]} وقدم مفهوم المرونة أثناء بناء سد مونتسالفينس المقوس في سويسرا، وبالتالي تحسين شكل السد في الاتجاه الرأسي باستخدام شكل قوس مكافئ بدلاً من شكل قوس دائري.

كان سد بينساكولا ، الذي اكتمل بناؤه في ولاية أوكلاهوما عام 1940، يُعتبر أطول سد متعدد الأقواس في الولايات المتحدة. صممه دبليو آر هولواي ، ويتكون من 51 قوسًا، ويبلغ أقصى ارتفاع له 46 مترًا (150 قدمًا) فوق قاع النهر. يبلغ الطول الإجمالي للسد وأجزائه 2001 مترًا (6565 قدمًا )، بينما يبلغ طول قسم الأقواس المتعددة 1306 أمتار (4284 قدمًا) ، ويبلغ طوله مع أقسام المفيض 1568 مترًا (5145 قدمًا) . يبلغ عرض كل قوس في السد 18 مترًا (60 قدمًا) ، ويبلغ عرض كل دعامة 7.3 مترًا (24 قدمًا) . ^{[ 9 ]}            

استمرت تصاميم السدود القوسية في اختبار حدود وتصاميم جديدة، مثل السدود ذات الانحناء المزدوج والمتعدد. طوّر ألفريد ستوكي ومكتب استصلاح الأراضي الأمريكي طريقة لتوزيع الوزن والإجهاد في ستينيات القرن الماضي، وشهد بناء السدود القوسية في الولايات المتحدة آخر طفرة له آنذاك مع سدود مثل سد مورو بوينت ذي الانحناء المزدوج في كولورادو، والذي يبلغ ارتفاعه 143 مترًا، واكتمل بناؤه عام 1968. ^{[ 10 ]} وبحلول أواخر القرن العشرين، وصل تصميم السدود القوسية إلى مستوى من التوحيد النسبي في جميع أنحاء العالم. ^{[ 4 ]} حاليًا، يُعد سد جينغبين-1 في الصين ، الذي يبلغ ارتفاعه 305 أمتار (1001 قدم)، أطول سد قوسي في العالم ، وقد اكتمل بناؤه عام 2013. ^{[ 11 ]} أما أطول سد متعدد الأقواس مع دعامات في العالم فهو سد دانيال-جونسون في كيبيك ، كندا . يبلغ ارتفاعه 214 متراً (702 قدماً) وطوله 1314 متراً (4311 قدماً) عند قمته. تم الانتهاء من بنائه عام 1968 ودخل الخدمة عام 1970. ^{[ 12 ]}   

كان سد بينساكولا أحد آخر السدود متعددة الأقواس التي بُنيت في الولايات المتحدة. ويشير طلب إدراجه في السجل الوطني للأماكن التاريخية إلى أن ذلك يعود إلى انهيار ثلاثة سدود من هذا النوع: (1) سد بحيرة جيم، وسد سانت فرانسيس (كاليفورنيا)، وسد بحيرة هودجز (كاليفورنيا). ولم يكن أي من هذه الانهيارات ناتجًا بشكل مباشر عن تصميم الأقواس المتعددة. ^{[ 9 ]}

يُعدّ تصميم السدود القوسية عملية بالغة التعقيد. تبدأ هذه العملية بتخطيط أولي للسد، يتم تحسينه باستمرار حتى يتم تحقيق أهداف التصميم ضمن معايير التصميم المحددة. ^{[ 1 ] [ 13 ]}

حمولات

الأحمال الرئيسية التي صُمم السد القوسي من أجلها هي: ^{[ 1 ] [ 13 ]}

• حمولة ميتة
• الحمل الهيدروستاتيكي الناتج عن الخزان ومياه المصب
• الحمل الحراري
• حمولة الزلازل

تشمل الأحمال المتنوعة الأخرى التي تؤثر على السد ما يلي: أحمال الجليد والطمي، وضغط الرفع. ^{[ 1 ] [ 13 ]}

في أغلب الأحيان، يُصنع السد القوسي من الخرسانة ويُقام في وادٍ على شكل حرف V. يجب أن تكون أساسات أو دعامات السد القوسي شديدة الثبات ومتناسبة مع الخرسانة. يوجد تصميمان أساسيان للسد القوسي: السدود ذات نصف القطر الثابت ، والتي تتميز بانحناء ثابت، والسدود ذات نصف القطر المتغير ، والتي تحتوي على انحناءات في اتجاهي المنبع والمصب تتناقص تدريجيًا في نصف القطر أسفل القمة. يُطلق على السد ذي الانحناء المزدوج في كل من المستويين الأفقي والرأسي اسم السد القُبّي . أما السدود القوسية التي تحتوي على أكثر من قوس أو مستوى متجاور فتُسمى السدود متعددة الأقواس . من الأمثلة المبكرة سد إسباراغاليخو الروماني، ومن الأمثلة اللاحقة سد دانيال جونسون (1968) وسد إيتايبو (1982). مع ذلك، ونتيجةً لانهيار سد غلينو بعد فترة وجيزة من بنائه عام 1923، أصبح بناء السدود متعددة الأقواس الجديدة أقل شيوعًا. ^{[ 14 ]}

تُوضع فواصل الانكماش عادةً كل 20 مترًا في السد القوسي، ثم تُملأ لاحقًا بالجص بعد أن يبرد ويتصلب. ^{[ 15 ]}

سد قوسي ذو نصف قطر ثابت

يتميز الوجه الأمامي للسد بنصف قطر ثابت، مما يجعله ذا شكل خطي على امتداد ارتفاع السد. أما المنحنيات الداخلية، فيقل نصف قطرها كلما اتجهنا لأسفل من أعلى السد إلى أسفله، وبالتالي يشكل المقطع العرضي شكل مثلث.

سد قوس متغير

يختلف نصف قطر كل من الوجهين الداخلي والخارجي لقوس السد من الأسفل إلى الأعلى. يكون نصف قطر القوس أكبر ما يمكن في الأعلى وأصغر ما يمكن في المناطق المنخفضة. كما تتسع الزاوية المركزية للقوس كلما اتجهنا للأعلى.

سد قوسي بزاوية ثابتة

يُعدّ هذا النوع الأكثر اقتصاديةً في الإنشاء. مع ذلك، يتطلب النوع الثالث من السدود القوسية أساسًا أقوى نظرًا لوجود بروزات في أقسام الدعامات. أما السد القوسي ذو الزاوية الثابتة، فهو الذي تكون فيه الزوايا المركزية لحلقات القوس الأفقية متساوية في جميع الارتفاعات.

• سد الجاذبية المقوس
• سد الجاذبية
• قوس مكافئ

• موقع PBS.org: أساسيات السدود
• التطور التاريخي للسدود القوسية: من الأقواس الحجرية المنحوتة إلى التصاميم الخرسانية الحديثة
• أهم التطورات في تاريخ السدود القوسية ، من موقع archive.org