جریان آب زیرزمینی به داخل تونلها همیشه یك مشكل فنی و محیطی عمده برای سازه های زیرزمینی بوده است پیش بینی جریان آب زیرزمینی با استفاده از ابزارهای تحلیلی و عددی اغلب به علت عمومیت دادن و مختصر سازی پارامترهای مهم ، خصوصا“ در محیطهای نامتجانس همانند سنگهای متبلور ناموفق و بدون نتیجه موثر، مانده است

معرفی و بررسی عوامل موثر در میزان نفوذ آبهای زیرزمینی به داخل تونلهای معدنی

چكیده :

جریان آب زیرزمینی به داخل تونلها همیشه یك مشكل فنی و محیطی عمده برای سازه های زیرزمینی بوده است . پیش بینی جریان آب زیرزمینی با استفاده از ابزارهای تحلیلی و عددی اغلب به علت عمومیت دادن و مختصر سازی پارامترهای مهم ، خصوصا“ در محیطهای نامتجانس همانند سنگهای متبلور ناموفق و بدون  نتیجه موثر، مانده است . برای مشخص كردن پارامترهایی كه در این سنگها جریانهای آب را كنترل می كنند، یك تجزیه تحلیل آماری اصولی در یك تول كه در سنگهای متبلور سخت، در جنوب سوئد قرار دارد ، انجام شده است . این پارامترها  شامل ، متغیرهای مهم عارضه ای ، فنی و زمین شناسی در سنگهای متبلور سخت و همچنین در پوشان سنگها می باشند. مطالعات مشخص كرد كه عوامل زیادی به خصوصیات سنگ و همچنین خصوصیات پوشان سنگ وابسته می باشند. همچون تعداد شكافها، ضخامت پوشان سنگ ، نوع خاك و میزان مواد پركننده در بین سنگها كه مقدار چكه و نشت را كنترل می كنند. این مطالعات نشان میدهد كه یك تفاوت آشكار بین پارامترهایی كه نشتهای عمده و نشتهای جزئی را كنترل می كنند وجود دارد. نشتهای كوچكتر بیشتر به زهكشی توده سنگ مرتبط می باشد. در صورتیكه نشتهای عمده مشخصا“ به پارامترهای مختلف در پوشان سنگ بستگی دارند. در صورتی كه پوشان سنگ وتوده سنگ بعنوان یك سیستم مشترك مطرح شوند، پیش بینی جریانهای آب  زیرزمینی احتمالا“ با خطا همراه است .

 

فهرست علائم اختصاری بكار برده شده در متن :

1)    V. L.F: (Very low Frequenxy )

2)    A NOVA : (Analysis Of Variance )

3)    GIS : (Geographic Information System )

4)    K- W : (Kruskal – WALLIS )

5)    K-T : (Kendall Tau )

 

فهرست مطالب

عنوان :                                                                                              صفحه

1- مقدمه . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     1

2- سنگ ها . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     4

3- مشكلات ناشی از نشت آب . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . .     5

4- آب در روزنه ها و شكاف ها . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .     5

4-1- چرخه آب شناختی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     5

4-2- روزنه داری نخستین و ثانوی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      6

4-3- سفره آب زیرزمینی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      7

4-4- واحد های زمین شناختی آبده ، نیم آبده و نا آبده . . . . . . . . . . .      7

5-  حركت آبهای زیرزمینی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .       7

6- قانو ن دارسی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .       7

7- ضریب نفوذ پذیری یا هدایت هیدرولیكی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      8

8- ضریب انتقال . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      8

9-نشست ناشی از زهكشی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    10

10- حل شدن سنگ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     10

11- رسانندگی هیدرولیك سنگ ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     11

12- نگرشهای هیدرودینامیكی در مورد سنگها . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     13

13- تونل بولمن در جنوب سوئد . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    20

14- زمین شناسی و فرایند نشت در تونل بولمن . . . . . . . . . . . . . . .      22

15- پیش بینی جریانها و جمع آوری اطلاعات جربان های روبه داخل آبهای زیرزمینی در تونل بولمن . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     25

16- اطلاعات ورشهای بكاربرده شده درمطالعه موردی تونل بولمن   28

17-مطالعه جریانات ورودی آب با استفاده از نقشه های تونل. . . . .      32

18-نتایج  بدست آمده . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      35

18-1- متغیرهای توپوگرافی . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      36

18-2- متغیرهای خاك . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     38

18-3- متغیرهای سنگ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     38

18-4- متغیرهای تكنیكی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .      38

18-5- متغیرهای ژئوفیزیكی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     39

19-آنالیزرگراسیون مركب چندگانه متغیرهای مستقل درارتباط با تونل بولمن . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   45

19-1-آنالیز  رگرسیون درمقیاس 100 متری تونل بولمن . . . . . . .    45

19-2-آنالیز رگرسیون درمقیاس 500 متری تونل بولمن . . . . . . . .    46

20-بحث و بررسی نتایج بدست آمده از مطالعه موردی تونل بولمن48

21-نتیجه گیری . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     58

22-معادل فارسی واژه های انگلیسی بكار برده شده درمتن . . . . . .     58

23- منابع . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    61

 

فهرست اشكال

عنوان                                                                                                صفحه

شكل 1: ارتباط بین نشت واندازه مخزن درسنگهای پوشاننده . . . . . . .  3

شكل 2: تونل بولمن در جنوب سوئد . . . . . . . . . . . . ….. . . . . . . . . . . . . . .  3

شكل 3: مفاهیم سفره آب . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . .   6

شكل 4: نفوذ پذیری هیدرولیكی سنگها و توده های سنگی . . . . . . . . .   11

شكل 5: رابطه بین نفوذ پذیری و عرض شكستگی . . . . . . . . . . . . . . . .   12

شكل 6: نمودار همبستگی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... . . . . . . . . . . .  19

شكل 7: جهت اصلی تمام  درزه ها و تركها. . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . 23

شكل 8: توجیه اصلی تمام تركهای دارای نشت . . . . . . . . … . . . . . . . . .    23

شكل 9:  توزیع فراوانی تركها و تركهای دارای نشت . . … . . . . . . . . . . .  24

شكل 10: توزیع هندسی شكافهای با نشت جزئی . . . . . … . . . . . . . . . . .  34

شكل 11: توزیع هندسی شكافهای با نشت عمده . . . . . …. . . . . . . . . . .   34

شكل 12: توزیع لگاریتمی نرمال  تركهای با نشت جزئی …. . . . . . . . . .   34

شكل 13:     توزیع فراوانی شكافهای با نشت عمده . . . . . . ….. . . . . . .    36

شكل 14: نتایج كراسكال والیز آنووابه وسیله رتبه بندی. . . . …. . . . .     43

فهرست جداول

عنوان                                                                                                صفحه

جدول 1: فهرست متغیرهای هیدرولوژی  ، توپوگرافی و   تكنیكی كه در تونل بولمن مورد تجزیه و تحلیل آماری قرار گرفته اند.. . . . .  . . . . . .    30

جدول 2:   نتایج عمده همبستگی متغیرهای مختلف در ارتباط با نشت عمده و جزئی شكافها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .       37

جدول 3: نتایج حاصل از آنالیز واریانس كراسكال والیزآنووا متغیرهای توپوگرافی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .       37

جدول 4: نتایج حاصل ازآنالیزواریانس كراسكال والیزآنووامتغیرهای خاك37

جدول 5: نتایج حاصل ازآنالیزواریانس كراسكال والیزآنووامتغیرهای سنگ38

جدول6:نتایج حاصل ازآنالیزواریانس كراسكال والیزآنووامتغیرهای تكنیكی39

جدول7:نتایج حاصل ازآنالیزواریانس كراسكال والیزآنووامتغیرهای ژئوفیزیكی                     

                                                                                                              39

جدول8: فرمول های رگرسیون خطی برای نشتهای عمده و جزئی در مقیاس 100 متری . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  47

جدول 9: فرمول های رگرسیون خطی برای نشتهای عمده وجزئی در مقیاس 500 متری . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   47

 

1-   مقدمه :

نشت آب به داخل تونلها و حفریات سنگی مشكل فنی عمده ای برای این سازه‌های زیرزمینی می باشد. تراوش جریانهای آب به داخل سازه زیرزمینی باعث افزایش چشمگیر جهانی در هزینه های ساخت آن شده است. در ابتدا پمپاژ آبی كه به درون سازه تراوش می كندامری ضروری است . سپس افزایش تعداد نگهداری هاو ایجاد پیش حفریات كه هركدام از آنها مشكلاتی را به همراه دارندباید اتخاذ شود. یك قسمت قابل توجه از هزینه ها در هنگام حفر تونل در سوئد مربوط به عملیات پیش دوغاب ریزی[1] است كه برای محدود كردن جریان های آب ضروری می باشد. همچنین جریانهای زیاد آب به داخل تونل می تواند به طور جدی نیروی كاررا تحت خطر قرار دهد وموارد مطالعاتی بسیاری و گزارشهای متعددی درباره از دست رفتن زندگی افراد درج شده است . همچنین در حضور جریانهای بزرگ آب ، شرایط كاركردن سخت تر واز سرعت كار كاسته می شود. نتیجه محیطی مستقیم جریانهای آب ، افت فشار سطوح آب زیرزمینی در لایه های آبدار و سفره‌های آب زیرزمینی می باشد. افت فشار[2]  طویل المدت بر نمو گیاهان ، منابع  آب  زیرزمینی و همچنین بر شیمی آبهای زیرزمینی تاثیر می گذارد (13). نشستی كه در نتیجه كاهش فشار آب در لایه های خاكی اتفاق می افتد به ساختمانهای روی سطح زمین خسارت وارد می كند ( شكل 1) . به دلیل مشكلاتی كه جریانهای ورودی آب ایجاد می كنند تلاش شده تا حداقل جریانهای ورودی عمده تعیین محل و پیش بینی شوند. پیش بینی های صحیح و موفق در انتخاب مسیر نهفته تونل وشیوه ساخت آن و همچنین در تشخیص شعاع تاثیر[3]  و مخروط فرو رفتگی[4] یا افت فشار كه توسط جریانهای ورودی ایجاد  شده است كمك می كند. این مسائل دركاهش هزینه‌های ساختمانی و زیست محیطی موثر است امروزه مفهوم پیش بینی به مقدار زیادی به قابلیت اطمینان در مدل سازی جریان اب زیرزمینی وابسته می باشد . در سنگهای شكاف دار و با تخلخل كم مانند سنگهای اذرین سخت تلاشهای فراوانی در جهت توسعه روشهایی كه سعی بر در آوردن خصوصیات پیچیده هندسی شكافها و درزه ها مطابق مدل یعنی می باشد انجام گرفته است (11). همچنین روشهای دیگری برای حل مشكلات جریان در سنگ شكاف دار همانند آنالیز ها و تجزیه تحلیلهای بدون بعد[5]  ، شبیه سازی اتفاقی[6] و مدل فاقد كیفیتهای ظاهری و واقعی بكار برده می شوند (14)  . به طور متناوب و برحسب نیاز  روشهای متجانس و خواص موثر بر مدلسازی شكافهای مشخص استفاده شده است (7). به هرحال اغلب حتی با قابلیت استفاده خوب داده ها بدرستی نشان داده شده كه مدلهای عددی بیشتر روی یك مقیاس جهانی پیش بینی های موفقی رامی توانند خلق كنند(8)  . بعلاوه مدلسازی عددی دقیقا“ آخرین مرحله از یك عملیات پیش بینی كننده می باشد  واین نتیجه منحصرا“ به مدل ادراكی[7]  كه در یك مرحله خیلی مقدماتی از اتصال اطلاعات اصلی مختلف بسط داده شده است وابسته می باشد. بنابراین اگر دریك عملیات پیش بینی كننده در ابتدا كاملا درك شود كه چه چیزی و چگونه باید پیش بینی شود احتمال قوی تری برای موفقیت وجود دارد (9). اگر در بعضی مواقع معرفهای عددی توده سنگ برای پیش بینی كردن ناكافی باشند ، به این دلیل است كه بعضی از فاكتورهای مهم در پیش بینی جریانها به حساب آورده نشده اند . هدف این مقاله نشان دادن رابطه آماری پارامترهای زمین شناسی در كنترل كردن جریانهای آب به داخل تونلها می باشد. نظر به اینكه توده های سنگ سخت معمولا“ دارای تخلخل خیلی كم می باشند. هنگامی كه مخازن آبهای زیرزمینی در قسمت پوشان سنگ[8] یا كمر بالا قرار گرفته اند ، نشت از شكافها و درزهای سنگها صورت می گیرد . از این رو، بروی فاكتورهای مربوط به كمر بالا نیز ، مطالعات و آنالیز صورت گرفته است .

 

2-   سنگ ها

همانطور كه می دانیم سنگ ها از نظرجنس به سه دسته آذرین ، دگرگونی و رسوبی تقسیم می شوند كه هركدام شرایط فیزیكی خاص خود را دارند. انواع سنگ های زیر را می توان برحسب ماهیت ارتباط بین دانه ای تشخیص داد. 1- سنگ خرد كه خطوط مكانیكی ساده ای از كانیهای متفاوت یا دانه ای یك نوع كانی است كه ابدا“ به یكدیگر متصل نیستد ( ماسه، سنگریزه، ریگ) .

2-سنگ هم چسب یا رسی كه درآن پیوندهای كلوئید –آب دانه های تشكیل دهنده سنگ را با یكدیكر متصل می كند. مشخصه عمده این سنگ ها ، مومسانی زیاد آنها در حالتی است كه از آب اشباع باشند. این گونه سنگ ها اصولا“ محصول هوازدگی شیمیایی اند( رسها، آهك رسها ، بوكسیت ها ).

3-سنگ سخت كه در آن پیوند های كشسان صلب بین دانه های كانی تشكیل دهنده سنگ وجود دارد ( ماسه سنگ ها ، گرافیت ها ، دیابازها، گنایسها) . مهمترین نهادین سنگ ها ، بافت و ساختار آنهاست. مقصود از بافت ، سرشت بلورین سنگ ها ، اندازه و شكل دانه های كانی ، و ماهیت پیوند بین دانه‌هاست. مقصود از ساختار، نحوه استقرارمتقابل اجزاء از نظربافت متشابه سنگ است . مهمترین انواع ساختار از این قرارند:

الف: توده ای،كه درآن قطعات سنگ فاقد جهت یافتگی ترجیجی اند و گرد هم آیی متراكمی دارند.

ب : روزنه ای ، كه در آن قطعات سنگ گرد هم آیی متراكمی ندارند.

ج: چینه ای كه درآن اجزای سنگ تناوب دارند و چینه بندی یا لایه بندی را تشكیل می دهند ( 2).

 

3-مشكلات ناشی از نشت آب :

آب زیرزمینی منبع بارزشی است اما گاهی خطر ساز است و هزینه بسیار ایجاد می كند . آب زیرزمینی توانایی حل كنندگی و حمل مواد سمی را دارد. نفوذ آن به گودبرداریهای روباز یا تونلها سبب می شود كه آتشباری مشكل و ناایمن شود. مهندس غالبا“ ناچاراست كه مشكل درون تراویهای ناخواسته را حل كند و حذف این تراویها با پمپاژ ، یا آب بندی با دوغاب ریزی ، گران تمام می شود. فشار آب ، محرك زمین لغزه هاست و درون تراویهای آبها ، سنگ‌های هوازده را به شدت فرسایش می دهد و باخودمی برد . زهكشی‌های اسیدی از كانسنگ های سولفیدی یا از توده های باطله یك مشكل جدی زیست محیطی است . افت تراز سفره   آب زیرزمینی ، به عمد یا سهو می تواند آثار زیانبار بسیار داشته باشد. از جمله تداخل با ذخائر آب چاهها و آب كشاورزی و گهگاه می تواند به نشست زمین و یاحتی زمین لرزه منجرشود.

 

4-آب در روزنه های وشكاف ها:

4-1-چرخه آب شناختی

آب    زیرزمینی آبی است كه از طریق بارش به زمین می رسد، در زمین نفوذ می كند یا به واسطه چشمه ها به سطح زمین جریان پیدا میكند و با تبخیر دوباره به هوا بر می گردد. كل مقدار آب در این چرخه آب شناختی ثابت باقی می ماند . زمان سكونت آب در زمین ، بسته به مسیر جریان زیرزمینی می تواند از چند هفته تا چند هزار سال باشد.

 

4-2- روزنه داری نخستین و ثانوی

سنك سالم روزنه ها و ترك هایی بین دانه ها و بلورها و داخل آنها دارد این فضای تهی را روزنه داری نخستین می نامند. دیگر فضاهای تهی كه به شكل درزها ، گسل هاو شكاف های حاصل از آتشباری هستند، روزنه داری بعدی یا ثانویه و یا روزنه داری گسستگی می نامند. فضاهای خالی، از آب ، هوا و یا گاهی از گازها و مایعات دیگر پرمی شوند. حجم روزن نسبی این اجزاء ، روزنه دارای ، چگالی ، مقدار آب و درجه اشباع را تعیین می كند.

 

4-3- سفره آب زیرزمینی

سفره آب ، سطحی است كمابیش به موازات سطح زمین كه زمین اشباع را از زمین نا اشباع جدا می كند(شكل 3)،این محل مكان هندس نقاطی است كه در آنها فشار با فشار هوای سپهری برابر است . غالبا“ در بالای سفره آب یك حاشیه مویینه وجود دارد كه در آنجا فشارهای منفی ( كمتر از فشارهوای    سپهری ) باقی می مانند واین به دلیل نیروهای كششی سطحی در درزها یا بین دانه های ریزخاك است. سنگ و خاك در بالای این حاشیه مویینه خشك نیستند، بلكه به طور نسبی اشباع اند.

 

---