معرفی و بررسی عوامل موثر در میزان نفوذ آبهای زیرزمینی به داخل تونلهای معدنی
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 )
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
شکل 3: مفاهیم سفره آب . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . . 6
شکل 4: نفوذ پذیری هیدرولیکی سنگها و توده های سنگی . . . . . . . . . 11
شکل 5: رابطه بین نفوذ پذیری و عرض شکستگی . . . . . . . . . . . . . . . . 12
شکل 6: نمودار همبستگی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... . . . . . . . . . . . 19
شکل 7: جهت اصلی تمام درزه ها و ترکها. . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . 23
شکل 8: توجیه اصلی تمام ترکهای دارای نشت . . . . . . . . … . . . . . . . . . 23
شکل 9: توزیع فراوانی ترکها و ترکهای دارای نشت . . … . . . . . . . . . . . 24
شکل 10: توزیع هندسی شکافهای با نشت جزئی . . . . . … . . . . . . . . . . . 34
شکل 11: توزیع هندسی شکافهای با نشت عمده . . . . . …. . . . . . . . . . . 34
شکل 12: توزیع لگاریتمی نرمال ترکهای با نشت جزئی …. . . . . . . . . . 34
شکل 13: توزیع فراوانی شکافهای با نشت عمده . . . . . . ….. . . . . . . 36
شکل 14: نتایج کراسکال والیز آنووابه وسیله رتبه بندی. . . . …. . . . . 43
جدول 1: فهرست متغیرهای هیدرولوژی ، توپوگرافی و تکنیکی که 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 شکافها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
جدول 3: نتایج حاصل از آنالیز واریانس کراسکال والیزآنووا متغیرهای توپوگرافی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
جدول 4: نتایج حاصل ازآنالیزواریانس کراسکال والیزآنووامتغیرهای خاک37
جدول 5: نتایج حاصل ازآنالیزواریانس کراسکال والیزآنووامتغیرهای سنگ38
جدول6:نتایج حاصل ازآنالیزواریانس کراسکال والیزآنووامتغیرهای تکنیکی39
جدول7:نتایج حاصل ازآنالیزواریانس کراسکال والیزآنووامتغیرهای ژئوفیزیکی
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 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-
20 – بحث وبررسی[9] نتایج بدست آمده ازمطالعه موردی تونل بولمن :
درحال حاضر روشهای متعدد ی برای پیش بینی نشت آب در تاسیسات زیرزمینی حفر شده در سنگ های سخت بکار گرفته شده است. درطول 2 تا3 دهة گذشته تلاشهای زیادی برای بسط و توسعه مدلهای پیچیده 2 بعدی و 3 بعدی صورت گرفته است . با این وجود میان روشهای موجود هیچیک به طور عمومی به عنوان روش قابل اعتماد به رسمیت شناخته نمی شود. این می تواند بطور ضمنی به این معنی باشد که برخی نکات مهم در پروسة پیش بینی هنوز درنظر گرفته نشده است. یکی از محدودیتهای عمده درطول پیش بینی ، ممکن است این باشدکه تنها پارامترهای سنگ در نظر گرفته می شودو پارامترهای هیدرژئولوژی نظیر ضخامت پوشان سنگ و ارتباط با منابع تخلیة آب نادیده گرفته می شود. هدف از مطالعة حاضر، عمدتا“ بررسی معنی دار بودن آماری پارامترهای مختلف سنگ ، توپوگرافی، خاک و تکنیکی بود. بهمنظور تشریح رویدادهای نشت در حال وقوع درطول 25 کیلومتر از تونل بولمن که یک تونل صخره ای سخت در جنوب سوئد است ، توزیع فراوانی تعداد نشتها درطول مقاطع 100 متری در تونل بولمن بوسیلة توزیع هندسی بهتر تخمین زده می شد. اما با درنظرگرفتن تعداد متوسط شکافهای درحال نشت ، درفواصل 500 متری با مقاطع 100 متری پشت سرهم، فرم توزیع