بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تخمین آب ورودی به تونل با استفاده از نتایج آزمایش لوﮊن (مطالعه موردی; تونل انتقال آب از سد امیرکبیر به تصفیه خانه شماره ٦ تهران)
چکیده:
تونلها و فضاهای زیرزمینی برای مقاصد متفاوتی از جمله تونل های آببر شامل تونل انحراف آّب، تونل آبگیر، تونل آبرسانی و تخلیه فاضلاب ایجاد میشوند. جریان بیش از حد آب زیرزمینی از عوامل مهم ناپایدار کننده تونلها و دیگر فضاهای زیرزمینی است که باید از قبل مورد شناسایی قرار گیرد. پیشبینی دقیق نفوذ آب در تونلهای سنگی در حین اجرا امکانپذیر نیست، زیرا همه فاکتورهای مربوط را نمیتوان از قبل تعیین کرد. علاوه بر اینها حتی اگر بررسیها مقدار دقیق آب را نیز به دست دهد، اغلب مشخص نیست که این حجم آب در کل تونل تراوش خواهد نمود یا اینکه به صورتی متمرکز و تنها از یک یا دو نقطه خارج خواهد شد. سامانه انتقال آب غرب تهران به منظور انتقال آب شرب از سد امیرکبیر طراحی و در حال اجراست. قطعه دوم تونل که دارای طول تقریبی ١٦ کیلومتر میباشد در مسیر خود از سنگها با خصوصیات لیتولوﮊیکی تقریبا یکسان و ویژگیهای مهندسی و هیدروﮊئولوﮊیکی متفاوت عبور میکند. به خاطر اینکه مقادیر بالای فشار و دبی آب ورودی به تونل در حین اجرا مشکل عمدهای محسوب میشود، لازم است قبل از انجام طراحیها تخمین کلی از آن به دست آید تا در حین اجرای تونل راهکارهای مناسبی برای مقابله با آن اندیشیده شود. در این مطالعه سعی شده با استفاده از یک روش تجربی، تخمین مناسبی از میزان نفوذ آب به داخل تونل، قبل اجرای آن به دست آورد.
مقدمه
در بررسی آب زیرزمینی و پیشبینی فشار و دبی آب ورودی به تونل، سه نکته مهم میباشد ]٤:[ وضعیت نفوذپذیری و قابلیت جریان آب در محیط اطراف تونل تراز آب زیرزمینی بالای تونل شرایط نظیر لایههای آبدار تحت فشار، ساختارهای هادی جریان و ... تجربه نشان داده است که نفوذناپذیر کردن صددرصد تونل و فضاهای زیرزمینی اغلب امکانپذیر نبوده یا به صرفه نمیباشد. حفر تونل در زمینهای آبدار مشکلات زیادی را به دنبال دارد، از جمله این مشکلات، هجوم شدید آب به سینه کار تونل و توقف عملیات اجرا، کاهش ضریب پایداری ساختاری توده سنگهای اطراف تونل (شستگی پر شدگی درزهها)، تأثیر بر پارامترهای مقاومتی سنگ بکر و ... را میتوان نام برد ]٤.[ در حال حاضر روش پذیرفته شدهای به منظور تخمین نفوذ آب به تونل وجود ندارد. در این مطالعه به منظور تخمین مقدار آب ورودی به تونل، هم مولفه جریان در حالت پایدار دراز مدت، (Long term steady state inflow) qs و هم مولفه جریان اولیه در سینه کار، Initial heading ) qh (inflow در نظر گرفته شده است]٥.[
تونل انتقال آب سد امیرکبیر به تهران دارای طول تقریبی ٣٠ کیلومتر میباشد که در در دو قطعه مجزا اجرا میشود. برای اجرای قطعه اول این تونل (از ET به (K’، دو گزینه به عنوان مسیر تونل مطر ح بود که در نهایت به دلایل مختلف از جمله شرایط زمینشناسی مسیر (به ویژه برای اجتناب از گسل پورکان- وردیج)، گزینه مسیر قوسی انتخاب گردید. طول این بخش از مسیر ١٥٩٨٠ متر بوده و با استفاده از روش مکانیزه به وسیله ماشین حفار تمام مقطع (TBM) حفر خواهد شد ]١.[ محاسبات اولیه حاکی از این است که دبی آب ورودی به تونل در برخورد با لایههای تحت فشار شناسایی شده، زیاد خواهد بود، بنابراین لازم است قبل از رسیدن به این نقاط تمهیدات لازم جهت مهار آب صورت گیرد. برای مطالعات زیرسطحی تعداد ١٥ حلقه گمانه در قطعه اول، تا تراز کف تونل حفر گردیده است،
زمینشناسی مسیر تونل
این گستره در برگیرنده مجموعه چین خوردهای از تاقدیس و ناودیسهای ملایم تا بازی است که در روند عمومی شمال خاوری- جنوب باختری شکل گرفتهاند. مجموعه مذکور با دو پهنه گسلی به نسبت بزرگ شمال تهران و پورکان- وردیج در بر گرفته شده است. گستره طر ح از دیدگاه چینهشناسی در برگیرنده مجموعه رسوبی- آتشفشانی مختلفی از سازند کرج است. چینهشناسی منطقه بر پایه نقشه
٠٠٠٠٠ ١:١ چهارگوش تهران، وابسته به بالاترین بخش توف میانی و بخشهای زیرین تا میانی شیل آسارا از سازند کرج هست که در قلمرو سنی ائوسن پسین تا میانی قرار میگیرد. سنگشناسی آنها به طور کلی شامل تناوبهایی از توف، توف ماسهسنگی، کنگلومراهای ریزدانه و بخشهای سیلتسنگ، گدازه و آگلومرایی هستند. مسیر تونل در سر راه خود دست کم ١١ پهنه گسلی یا گسله شناخته شده را پشت سر گذاشته است. بر اساس بررسیهای زمینشناسی و اطلاعات به دست آمده از عملیات ﮊئوتکنیک، در مجموع ٩ گونه زمینشناسی مهندسی (واحد) در مسیر تونل شناسایی شده است ]١.[ معیار اصلی در جدایش این واحدها ویژگیهای ﮊئومکانیکی آنها بوده است. در شکل (١) مقطع زمینشناسی تونل نشان داده شده است. جدول (١) خصوصیات واحدهای مسیر تونل را ارائه میدهد.
ساختارهای زمینشناسی هدایت کننده جریان
در بیشتر پروﮊههای تونلسازی، خود مصالح سنگی نسبتاﹰ ناتراوا هستند و جریان آب و نفوذ آن به درون تونل معمولاﹰ از طریق ناپیوستگیهای موجود در توده سنگها صورت میگیرد. بر این اساس عوامل و ساختارهای کنترل کننده جریان آب را میتوان به دو نوع منفرد ١ (Singular) و منشعب (Distributed) تقسیم بندی نمود که در ادامه شرح مختصری از هر یک ارائه میشود]٢:[
ساختارهای منفرد: این ساختارها سرچشمههای نامتداول و موضعی هستند که نفوذ آب به داخل تونل از طریق آنها از نظر مقدار قابل توجه است. گسلههای حاوی برشهای دانهای تمیز، فعالیتهای انحلالی در سنگهای کربناته، توده سنگهای بسیار خرد شده و درزههای منفرد باز از جمله این ساختارها محسوب میشوند. شناسایی ساختارهای منفرد در گمانه معمولی و تخمین نفوذ آب از طریق آنها امکانپذیر نمیباشد.
ساختارهای منشعب: ساختارهایی متداول بوده و معمولاﹰ در سراسر توده سنگ گسترده شدهاند. معمولاﹰ سیستمهای به هم پیوستهای از ناپیوستگیها هستند و شامل سطو ح لایهبندی، درزههای ساختاری و سایر ساختارها نظیر حفرهها میباشند. پهنههای گسله و برشی با ضخامت چندین متر یا پهنههای ساختاری در هم ریخته از این موارد هستند. جریان آب در چنین شرایطی تحت کنترل ساختارهای منشعب میباشد.
مولفههای جریان آب به داخل تونل
آب معمولاﹰ در میان درزههای مسطح و صفحهای جریان دارد، بنابراین مناسبترین مدل برای جریان در توده سنگ، جریان ورقهای (Sheet flow) در میان درزهها میباشد، اما عدم امکان تعریف دقیق سیستم درزههای صفحهای مرتبط، قبل از اجرای تونل وجود دارد . به نظر میرسد استفاده از روشهای تحلیل بر اساس مفاهیم جریان آب در محیطهای متخلخل مفیدتر است.
در تخمین نفوذ آب به داخل تونل میتوان دو مولفه جریان به سمت تونل را در نظر گرفت. این دو مولفه عبارتند از جریان اولیه در سینه کار، (Initial heading inflow) qh که بلافاصله بعد از حفر تونل، در سینه کار به وقوع میپیوندد و جریان پایدار دراز مدت، (Long term steady state inflow) qs که در طی زمان اجرا و بهرهبرداری (یک دوره چند ماهه تا چند ساله) حاکم است (شکل (٢)) ]٢.[
جریان آب در حالت پایدار:
برای تخمین جریان آب در حالت پایدار، دو حالت جریان شعاعی و قائم (شکل(٣)) وجود دارد. مدل A یا جریان قائم، زمانی است که منب ع تغذیه یا حجم زیادی از آب در یک تراز ثابت، نزدیک به تونل باشد. مدل B یا جریان شعاعی آب به سمت تونل همانند جریان آب به سمت چاههای پمپاﮊ بوده و برای تخمین جریان از معادلهای که برای تخمین جریان در اطراف چاه وجود دارد، استفاده میشود. این مدل در مورد تونلهایی که منبع تغ ذیه آنها ضخامت زیادی دارد، صادق است. محاسبات نشان داده است که فقط هنگامی که Z در مدل A خیلی کوچک است، تفاوت بین مدلهای A و B قابل توجه است.
جریان در حالت پایدار در واحد طول با توجه به شکل (٢)، در هر مدل تقریباﹰ برابر است با رابطه (١) که Fs تابعی است که به شرایط مرزی بستگی دارد ]٥: [
جریان آب اولیه از سینه کار تونل:
بدیهی است که جریان آب در جبهه کار بلافاصله بعد از حفاری بیشتر از جریان در حالت پایدار دراز مدت (هنگامی که جریان به تعادل میرسد) میباشد. دلایل این امر را میتوان به شرح زیر بر شمرد: الف) جریان سه بعدی در جبهه کار تونل: آب از سینه کار تونل و از دیوارهها جریان مییابد.
ب) گرادیان هیدرولیکی بالاتر در جبهه کار: آب با فشار بالاتر به جبهه پیشرونده تونل نزدیکتر است. گرادیان بیشتر باعث نرخ جریان آب بیشتر به سمت تونل میشود.
ج) کاهش ذخیره آب: آب ذخیره شده در حفرات توده سنگ اطراف تونل در جریان اولیه شرکت مینماید، اما در طول یک دوره معین زهکشی میشود و از محیط خارج میشود.
مقدار جریان ابتدایی در جبهه کار و زمان مورد نیاز برای اینکه به شرایط جریان پایدار دراز مدت کاهش یابد، ناشی از اندرکنش پیچیده عوامل مختلف نظیر تراوایی توده سنگ، ضریب ذخیره، نوسانات سه بعدی تراوایی و ضریب ذخیره، ماهیت تغذیه و نر خ پیشروی تونل میباشد. در عمل مقدار جریان در جبهه کار را میتوان با استفاده از رابطه زیر تخمین زد ]٥:[
در رابطه فوق Fh، فاکتور جریان آب در جبهه کار است که بر اساس تجارب به دست آمده مقداری بین ١ تا ٥ دارد. بدیهی است تودههای سنگی تراواتر، مقدار Fh بزرگتری دارند.
برخی روشهای تئوری به منظور محاسبه زمان لازم برای رسیدن به حالت پایدار برای شرایط ساده توسعه یافتهاند، اما به دلیل اینکه رفتار واقعی جریان آب در تونلهای سنگی بسیار متغیر بوده و ویژگیهای سیستمهای شکستگی و شرایط مرزی ناشناخته هستند، نتایج خوبی را ارائه نمیدهند.
تعیین نفوذپذیری توده سنگ و روابط بین مقادیر لوﮊن و نفوذپذیری توده سنگ
مهمترین عامل تأثیرگذار بر مقدار جریان آب به سمت تونل در محیطهای سنگی، تراوایی توده سنگ اطراف تونل است که وابسته به شرایط ﮊئومکانیکی سنگ میباشد . متداولترین روش تعیین نفوذپذیری توده سنگ، آزمایش فشار آب با پکر (لوﮊن) میباشد که در گمانههای اکتشافی معمولی انجام میشود. مزیت این روش هزینه کمتر و سهولت انجام آن است، در پروﮊههایی که در مسیر تونل احتمال بروز مشکل وجود دارد، بایستی در کلیه گمانههای مسیر تونل، آزمایش مذکور در پایین سطح ایستابی نیز انجام گردد. مهمترین نقیصه بر اساس دلایل زیر، عدم کاربرد ساده این روش در روابط موجود برای محاسبه جریان آب به داخل تونل میباشد:
مقادیر تستهای فشار در سنگ، منعکس کننده تراوایی یک توده ماسهای معادل میباشد. نفوذپذیری توده سنگ یک پارامتر ناهمسانگرد است.
تستهای فشار آب که در زمانی محدود در یک گمانه انجام میشوند، تنها میتوانند ناحیه کوچکی از توده سنگ مجاور گمانه را تحت تأثیر قرار دهند.
در معادلات ارائه شده در شکل (٣ ) نفوذپذیری برای کل حجم توده سنگ که محتوای آن به سمت تونل جریان دارد، یکسان در نظر گرفته میشود.
فرض یک مقدار مشخص به عنوان نفوذپذیری متوسط برای کل توده سنگ (در طول گمانه) باعث میشود تغییرات قابل انتظار مقدار جریان آب در نقاط مختلف مسیر تونل لحاظ نگردد.
اگر پیشبینی شود مسیر تونل در سازندهای زمینشناسی متفاوتی قرار دارد، لازم است برای هر بخش تونل در آن سازند خاص، به طور جداگانه هیستوگرام ترسیم شود.
اهمیت تبدیل مقادیر لوﮊن به ضریب نفوذپذیری K در کاربرد ضریب نفوذپذیری K برای تخمین مقادیر نشست در محیطهای متخلخل میباشد. با توجه به اینکه بررسی خصوصیات هیدرولیکی محیطهای سنگی درزهدار و ناپیوسته بسیار مشکل و پیچیده میباشد، از این رو از محیطهای پیوسته معادل با محیط ناپیوسته استفاده میشود. از این رو تبدیل مقادیر لوﮊن که حاصل آزمایش فشار آب (WPT) در محیطهای ناپیوسته درزهدار است به ضریب نفوذپذیری
