بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
اثر حفر تونل در سنگ هاي درزه دار زیر تراز آب زیر زمینی
چکیده
آب درون سنگ هاي درزه دار نقش مهمی در پایداري سازه هاي زیرزمینی مانند تونل و دالان هاي بزرگ ایفا می کند. نداشتن اطلاعات کافی از جریان درون ترك ها و تغییرات در وضعیت جریان ها در اثر ایجاد تونل به طور جدي تأثیر به سزایی در عملکرد تونل می گذارد. جریان آب درون تونل می تواند ساخت تونل را به تأخیر بیاندازد. با افزایش فشار آب تنش موثر کاهش یافته که در نتیجه باعث جابجایی سنگ و ناپایداري می گردد. همچنین جریان آب درون درزه هاي سنگ بر پوشش حفریات زیرزمینی تاثیرگذاشته که در نتیجه آن ها باید براي بار سنگ و فشار آب طراحی شوند. فرض اصلی این مقاله این است که جریان از طریق درزه هاي سنگ وارد تونل می شود و خود ماده سنگ نفوپذیري کمی دارد. با توجه به این فرض با مدل هاي انجام شده به بررسی اثر حفر تونل درون سنگ هاي درزه داري که در زیر تراز سطح آب زیرزمینی قرار دارند پرداخته وبا روابط محققین مختلف مقایسه گردیده و اثر عمق تونل و هندسه ترك هاي سنگ بررسی می گردد. نتایج نشان می دهد که عمق تونل تاثیر بسزاي در میزان دبی وارد شده به تونل دارد همچنین دبی وارد شده به تونل تابعی از شکل ترك ها می باشد.
کلمات کلیدي: تونل، سنگ درزه دار ،جریان آب،دبی،تنش
.1 مقدمه
کنترل جریان آب یکی از مهم ترین موضوعات در فرآیند ساخت فضـاهاي زیرزمینـی اسـت. وجـود آب از لحـاظ پایـداري فضاي زیرزمینی، عملیات اجرایی و نیز در زمان بهره برداري یکی از مسائل مهـم و قابـل توجـه مـی باشـد. ایـن امـر در سـاخت سازه هاي زیرزمینی هزینه زیادي را دربرداشته و موجب تأخیر در اجراي پروژه می گردد. به همین جهت در هر پـروژه بایسـتی با در نظر گرفتن شرایط زمین ساختی و نیز وضعیت آب زیرزمینی، یک تخمـین مناسـب از میـزان جریـان آب وارده بـه فضـاي حفاري انجام گیرد تا در طراحی یک سیستم پمپاژ مناسب و یا هر راهکار دیگري از آن اسـتفاده شـود. آن دسـته از روش هـاي تحلیلی که به طورمعمول استفاده می گردند، شامل فرضـیات سـاده کننـده اي از قبیـل وجـود یـک محـیط متخلخـل همگـن و ایزوتروپ در اطراف تونل می باشند. با استفاده از این فرضیات ساده کننده می توان محیط هایی را کـه داراي ناپیوسـتگی هـاي نامنظم و با هندسه ي پیچیـده مـی باشـند را بـه سـادگی مـدل سـازي نمـود. چنـدین محقـق در مـدل هـاي پیوسـته ي همگـن و ایزوتروپ، ساختار درزه را نیز درنظرگرفته اند. آن ها به این نتیجه رسیدند کـه یـک نمونـه ي سـنگی درزه دار را مـی تـوان بـه صورت یک محیط متخلخل معادل درنظرگرفت؛ فقط درصورتی که نمونه خیلی بزرگ و با شکستگی زیاد باشد و جهت داري درزه ها به صورت نامنظم و بازشدگی آن ها ثابت باشد.
در این مقاله ابتدا روش هاي تخمین آب به درون تونل که توسط Harr و Raymer بدست آمده ارائه می گردد سپس مدلسازي توسط نرم افزار Udec انجام شدهمق وبا نتایجم ایسه ی گردد در ادامه به بررسی اثر عمق و ضریب فشار سنگ در میزان دبی ورودي به تونل پرداخته میگردد.
.1.1 تخمین میزان آب ورودي به تونل توسط روابط Harrو Raymer
یکی از روش هایی که در تخمین جریان آب زیرزمینی به درون تونل استفاده می شود روش چاه مجازي متقارن آقاي Harr می باشد[1] (شکل .(1 فرضیات حاکم بر این روش، وجود یک محیط متخلخل همگن و ایزوتروپ با یک ضریب تراوایی معادل K eq می باشد. .در این روش، یک تونل مجازي در بالاي سطح زمین درنظرگرفته م شود. در مواردي که تراز آب بالاتر از سطح زمین وجودمیباشد ( سرچشمه ي آب مانند رودخانه، دریاچه و....) فاصله ي تونل مجازي از سطح زمین برابر با عمق تونل واقعی (Z) بوده وخط زمین به عنوان خط تقارن درنظرگرفته می شود. سپس فرض می گردد که از تونل مجازي جریان آبی به سمت بیرون تخلیه می گردد که ازلحاظ مقدار، برابر با جریان آب ورودي به تونل واقعی می باشد .درواقع اساس این روش، حل معادلات جریان ایجاد شده بین این دو تونل می باشد؛ یعنی جریان آبی که نقطه ي شروع آن تونل مجازي و نقطه ي پایان آن تونل واقعی است .به همین دلیل، این دو تونل را تونلهاي تخلیه و تغذیه نیز می نامند.
.
شکل -1 روش تونل مجازي متقارن
روش حل براساس ترسیم خطوط جریان و خطوط هم پتانسیل و حل معادلات جریان می باشد .مطابق با شکل، خط زمین هم به عنوان یک خط هم پتانسیل درنظرگرفته می شود .معادلات به دست آمده براساس این روش، براي دبی جریان آب ورودي به تونل به صورت رابطه (1) نشان داده شده است
که در آن Q دبی، Keq نفوذپذیري معادل، H عمق تونل زیر سطح آب زیر زمینی، Z عمق حفاري، ro شعاع تونل می باشد.
درصورتی که عمق تونل زیر سطح آب زیرزمینی پایین تر از سطح زمین قرارگیرد (H<Z)، سفر ه ي آب زیرزمینی به عنوان خط تقارن درنظرگرفتهشو می د و فاصله ي تونل مجازي از خط تقارن برابر H خواهد بود. در این حالت در روابط بالا H جاگزین Z می گردد.
آقاي Raymer فرض کرد که در اثر حفر تونل سطح آب تغییر می کند(شکل 2و) براي تونل هاي کم عمق مقدار دبی ورودي به تونل را به صورت رابطه (2) پیشنهاد کرد. [2]
که در آن Q دبی، Keq نفوذپذیري معادل، H عمق تونل زیر سطح آب زیر زمینی، Rz شعاع تاثیر عمودي، Rx شعاع تاثیر افقی و a شعاع تونل می باشد.
براي تعیین نفوذپذیري معادل در روابط 1)و) (2) می توان از رابطه (3) که توسط آقاي Goodman براي سه دسته ترك عمود بر هم استفاده کرد.[3]
از ترکیب روابط (1)و (2) با (3) می توان به روابط (4) و (5) رسید.
.2 نحوه مدل تونل توسط نرم افزار Udec
.1. 2 هندسه مدل
دو دسته درزه هاي عمود بر یکدیگر در توده سنگ در جهت عمود و افقی با امتداد یافتگی و فاصله مساوي 6 m از یکدیگر مدل گردیده است. (شکل . ((3) شعاع تونل 6 m و عمق آن 50 m زیر سطح زمین سطح آب زیر زمینی در تراز سطح زمین فرض شده است. به دلیل تقارن محیط نصف تونل مدل گردیده است. از هر دسته درزه دو دزه مقط تونل حفاري را قطع می کند. جنس توده سنگ گرانیت می باشد.
شکل-3 تونل حفر شده در توده سنگ با دسته ترك هاي عمود بر هم
ابعاد هندسه مدل با توجه به بیشترین مقدار از حالت زیر تعیین گردیده است
الف) آقاي گودمن پیشنهاد کرد در فاصله اي برابر با 4 تا 5 برابر قطر تونل از مرکز تونل حفر تونل بر محیط دیگر اثر ندارد. ب) از آنجایی که بعد از حفر تونل فشار آب در درزه ها کاهش می یابد در فاصله اي که نسبت فشار آب درون درزه بعد از حفاري به قبل از حفاري 90 درصد گردد.
.2. 2 شرایط مرزي
ابتدا در مدل شبیه سازي شده باید تنش هاي برجا وارد گردد. بدین منظور مرز هاي قائم مدل تحت اثر تنش هاي افقی قرار می گیرد. از آنجایی که محیط توده سنگ از سطح زمین مدل گردیده است در بالاي مدل هیچگونه تنش قائمی نخواهیم داشت . مقدار تنش افقی با توجه به رابطه (4-12) تعیین می گردد.
که در آن وزن مخصوص توده سنگ، h عمق سنگ از سطح زمین، v تنش عمودي، h تنش افقی، K ضریب فشار سنگ می باشد.
