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

پیشگفتار :

با حمد و سپاس خداوند منان و با درود به پیامبر اسلام ( ص) و با سلام به حضرت مهدی صاحب الزمان (ع) پژوهش و نگارش این تحقیق معرفی در بررسی عوامل موثر در میزان نفوذ آبهای زیرزمینی به داخل تونلهای معدنی می باشد که به اختصار بیان شده .

درابتدا برخود لازم میدانیم از همه اساتید محترم و گرامی دانشگاه آزاد میمه به خصوص جناب آقای مهندس چدنی ، که فانوس دانائیشان روشنگر راه پرفراز و نشیب دانشجویان و جویندگان حقیقت می باشد تشکر و قدردانی نمائیم .

در آخر از همکاری آقایان مهندس فرهای مددی و جیحون شلیله که در طول نگارش این پژوهش مارا یاری فرمودندنیز تشکر و قدردانی می نمائیم .

چکیده :

جریان آب زیرزمینی به داخل تونلها همیشه یک مشکل 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 کردن پارامترهایی که در این سنگها جریانهای آب را کنترل می کنند، یک تجزیه تحلیل آماری اصولی در یک تول که 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 کرد که عوامل زیادی به خصوصیات سنگ و همچنین خصوصیات پوشان سنگ وابسته می باشند. همچون تعداد شکافها، ضخامت پوشان سنگ ، نوع خاک و میزان مواد پرکننده در بین سنگها که مقدار چکه و نشت را کنترل می کنند. این مطالعات نشان میدهد که یک تفاوت آشکار بین پارامترهایی که نشتهای عمده و نشتهای جزئی را کنترل می کنند وجود دارد. نشتهای کوچکتر بیشتر به زهکشی توده سنگ مرتبط می باشد. در صورتیکه نشتهای عمده مشخصا“ به پارامترهای مختلف در پوشان سنگ بستگی دارند. در صورتی که پوشان سنگ وتوده سنگ بعنوان یک سیستم مشترک مطرح شوند، پیش بینی جریانهای آب زیرزمینی احتمالا“ با خطا همراه است .

فهرست علائم اختصاری بکار 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- مشکلات ناشی از نشت آب . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . 5

4- آب در روزنه ها و شکاف 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- حرکت آبهای زیرزمینی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

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

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

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

9-نشست ناشی از زهکشی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

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

11- رسانندگی هیدرولیک سنگ ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

12- نگرشهای هیدرودینامیکی 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 بکاربرده 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 خاک . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

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

18-4- متغیرهای تکنیکی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 38

18-5- متغیرهای ژئوفیزیکی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

19-آنالیزرگراسیون مرکب 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 بکار برده شده درمتن . . . . . . 58

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

1- مقدمه :

نشت آب به داخل تونلها و حفریات سنگی مشکل 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 که به درون سازه تراوش می کندامری ضروری است . سپس افزایش تعداد نگهداری هاو ایجاد پیش حفریات که هرکدام از آنها مشکلاتی را به همراه دارندباید اتخاذ شود. یک قسمت قابل توجه از هزینه ها در هنگام حفر تونل در سوئد مربوط به عملیات پیش دوغاب ریزی[1] است که برای محدود کردن جریان های آب ضروری می باشد. همچنین جریانهای زیاد آب به داخل تونل می تواند به طور جدی نیروی کاررا 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 کارکردن سخت تر واز سرعت کار کاسته 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 که در نتیجه کاهش فشار آب در لایه های خاکی اتفاق می افتد به ساختمانهای روی سطح زمین خسارت وارد می کند ( شکل 1) . به دلیل مشکلاتی که جریانهای ورودی آب ایجاد می کنند 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 که توسط جریانهای ورودی ایجاد شده است کمک می کند. این مسائل درکاهش 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 شکاف دار و با تخلخل کم مانند سنگهای اذرین سخت تلاشهای فراوانی در جهت توسعه روشهایی که سعی بر در آوردن خصوصیات پیچیده هندسی شکافها و درزه ها مطابق مدل یعنی می باشد انجام گرفته است (11). همچنین روشهای دیگری برای حل مشکلات جریان در سنگ شکاف دار همانند آنالیز ها و تجزیه تحلیلهای بدون بعد[5] ، شبیه سازی اتفاقی[6] و مدل فاقد کیفیتهای ظاهری و واقعی بکار برده می شوند (14) . به طور متناوب و برحسب نیاز روشهای متجانس و خواص موثر بر مدلسازی شکافهای مشخص استفاده شده است (7). به هرحال اغلب حتی با قابلیت استفاده خوب داده ها بدرستی نشان داده شده که مدلهای عددی بیشتر روی یک مقیاس جهانی پیش بینی های موفقی رامی توانند خلق کنند(8) . بعلاوه مدلسازی عددی دقیقا“ آخرین مرحله از یک عملیات پیش بینی کننده می باشد واین نتیجه منحصرا“ به مدل ادراکی[7] که در یک مرحله خیلی مقدماتی از اتصال اطلاعات اصلی مختلف بسط داده شده است وابسته می باشد. بنابراین اگر دریک عملیات پیش بینی کننده در ابتدا کاملا درک شود که 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 کردن ناکافی باشند ، به این دلیل است که بعضی از فاکتورهای مهم در پیش بینی جریانها به حساب آورده نشده اند . هدف این مقاله نشان دادن رابطه آماری پارامترهای زمین شناسی در کنترل کردن جریانهای آب به داخل تونلها می باشد. نظر به اینکه توده های سنگ سخت معمولا“ دارای تخلخل خیلی کم می باشند. هنگامی که مخازن آبهای زیرزمینی در قسمت پوشان سنگ[8] یا کمر بالا قرار گرفته اند ، نشت از شکافها و درزهای سنگها صورت می گیرد . از این رو، بروی فاکتورهای مربوط به کمر بالا نیز ، مطالعات و آنالیز صورت گرفته است .

2- سنگ ها

همانطور که می دانیم سنگ ها از نظرجنس به سه دسته آذرین ، دگرگونی و رسوبی تقسیم می شوند که هرکدام شرایط فیزیکی خاص خود را دارند. انواع سنگ های زیر را می توان برحسب ماهیت ارتباط بین دانه ای تشخیص داد. 1- سنگ خرد که خطوط مکانیکی ساده ای از کانیهای متفاوت یا دانه ای یک نوع کانی است که ابدا“ به یکدیگر متصل نیستد ( ماسه، سنگریزه، ریگ) .

2-سنگ هم چسب یا رسی که درآن پیوندهای کلوئید –آب دانه های تشکیل دهنده سنگ را با یکدیکر متصل می کند. مشخصه عمده این سنگ ها ، مومسانی زیاد آنها در حالتی است که از آب اشباع باشند. این گونه سنگ ها اصولا“ محصول هوازدگی شیمیایی اند( رسها، آهک رسها ، بوکسیت ها ).

3-سنگ سخت که در آن پیوند های کشسان صلب بین دانه های کانی تشکیل 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 شکل دانه های کانی ، 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،که درآن قطعات سنگ فاقد جهت یافتگی ترجیجی اند و گرد هم آیی متراکمی دارند.

ب : روزنه ای ، که در آن قطعات سنگ گرد هم آیی متراکمی ندارند.

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

3-مشکلات ناشی از نشت آب :

آب زیرزمینی منبع بارزشی است اما گاهی خطر ساز است و هزینه بسیار ایجاد می کند . آب زیرزمینی توانایی حل کنندگی و حمل مواد سمی را دارد. نفوذ آن به گودبرداریهای روباز یا تونلها سبب می شود که آتشباری مشکل و ناایمن شود. مهندس غالبا“ ناچاراست که مشکل درون تراویهای ناخواسته را حل کند و حذف این تراویها با پمپاژ ، یا آب بندی با دوغاب ریزی ، گران تمام می شود. فشار آب ، محرک زمین لغزه هاست و درون تراویهای آبها ، سنگ‌های هوازده را به شدت فرسایش می دهد و باخودمی برد . زهکشی‌های اسیدی از کانسنگ های سولفیدی یا از توده های باطله یک مشکل 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 کشاورزی و گهگاه می تواند به نشست زمین و یاحتی زمین لرزه منجرشود.

4-آب در روزنه های وشکاف ها:

4-1-چرخه آب شناختی

آب زیرزمینی آبی است که از طریق بارش به زمین می رسد، در زمین نفوذ می کند یا به واسطه چشمه ها به سطح زمین جریان پیدا میکند و با تبخیر دوباره به هوا بر می گردد. کل مقدار آب در این چرخه آب شناختی ثابت باقی می ماند . زمان سکونت 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

سنک سالم روزنه ها و ترک هایی بین دانه ها و بلورها و داخل آنها دارد این فضای تهی را روزنه داری نخستین می نامند. دیگر فضاهای تهی که به شکل درزها ، گسل هاو شکاف 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 کند.

4-3- سفره آب زیرزمینی

سفره آب ، سطحی است کمابیش به موازات سطح زمین که زمین اشباع را از زمین نا اشباع جدا می کند(شکل 3)،این محل مکان هندس نقاطی است که در آنها فشار با فشار هوای سپهری برابر است . غالبا“ در بالای سفره آب یک حاشیه مویینه وجود دارد که در آنجا فشارهای منفی ( کمتر از فشارهوای سپهری ) باقی می مانند واین به دلیل نیروهای کششی سطحی در درزها یا بین دانه های ریزخاک است. سنگ و خاک در بالای این حاشیه مویینه خشک نیستند، بلکه به طور نسبی اشباع اند.