بخشی از مقاله
چکیده
از جمله روشهای شبیه سازی هندسی محیطهای ناپیوسته در ژئومکانیک، استفاده از روش شبکهی شکستگیهای مجزا 1 میباشد. این روش یک مدل مجزای خاص است که بیشترین کاربری آن در جریان و انتقال سیال از درون توده سنگ شکسته، و از میان مجموعه درزه-های متصل به هم است. این روش در سال 1980 برای حل مسائل دوبعدی و سه بعدی معرفی شد و به دنبال آن به طور وسیع در بسیاری از کاربردها در عمران، محیط زیست، مهندسی مخازن و بخصوص دفن زبالههای هستهای در تونلهای زیرزمینی در سنگهای سخت و درز و شکاف دار و سایر رشتههای مرتبط با علوم زمین از جمله مکانیک سنگ توسعه داده شد.
با توجه به اینکه سیستم درزهها در سنگ هندسه پیچیده ای دارد. کیفیت و مقدار اطلاعات، پارامترهای هندسی به دست آمده از برداشت رخنمون که بوسیله مساحت محدود شده اند و تصاویر گمانهها که بوسیله قطر و عمق گمانه محدود شده اند، درجه زیادی از عدم قطعیت را در بر میگیرد . به منظور کاهش چنین عدم قطعیتیهایی، کار معمول استفاده از مدل شبکه شکستگی مجزا است که در آن پارامترهای هندسی درزهها به صورت آماری توزیع شدهاند.
در این مقاله با استفاده از اطلاعات حاصل برداشتهای زمین شناسی پروژه سد پارسیان شامل طول خط اثر، جهتداری، شیب و جهت شیب توابع توزیع احتمال مربوط به شبیه سازی تصادفی توده سنگ به شکل آماری تعیین و پس از برازش بهترین توزیع روی دادههای خام موجود با استفاده از آخرین نسخه از نرم افزار 3DEC ، یکی از محصولات شرکت ITASCA و بهرهگیری از روش شبیه سازی مونت کارلو 2 محل شکستگیهای موجود با استفاده از یک الگوریتمبازگشتی به شکل سه بعدی تولید و نهایتاً شکل شبیه سازی شده تصادفی از توده سنگ با بهره گیری از تحلیل آماری دادههای زمین شناسی بدست آمد، همچنین المان حجم معرف توده سنگ از روابط تجربی بدست آمد.
-1 مقدمه
یکی از روشهای شبیه سازی محیطهای ناپیوسته، روش شبکهی شکستگی مجزا3 میباشد. این روش یک مدل مجزای خاص است که روند جریان و انتقال سیال را درون توده سنگ شکسته، و از میان مجموعه درزههای متصل به هم در نظر میگیرد. این روش در سال 1980 برای حل مسائل دوبعدی و سه بعدی معرفی شد و به دنبال آن به طور وسیع در بسیاری از کاربردها در عمران، محیط زیست، مهندسی مخازن و سایر رشتههای مرتبط با علوم زمین از جمله مکانیک سنگ توسعه داده شد.[1]
این روش برای مطالعهی جریان سیال و انتقال ذرات و مواد4 در توده سنگ دارای درزه، که فرض یک مدل پیوسته معادل برای آنها مشکل است و یا لازم نیست، مناسب میباشد. مدل شبکهی شکستگی مجزا برای مدلسازی و نمایش دو عامل ایجاد شده است: هندسه سیستم درزهها و بازشدگی - قابلیت انتقال - درزه تکی.5 سیستم درزهها در سنگ هندسه پیچیدهای دارد. کیفیت و مقدار اطلاعات، پارامترهای هندسی به دست آمده از برداشت رخنمون که بوسیله مساحت محدود شدهاند و تصاویر گمانهها که بوسیله قطر و عمق گمانه محدود شدهاند، درجه زیادی از عدم قطعیت را در بر میگیرد. به منظور کاهش چنین عدم قطعیتیهایی، کار معمول استفاده از مدل شبکه شکستگی است که در آن پارامترهای هندسی درزهها به صورت آماری توزیع شدهاند.
در شبیهسازی رفتار توده سنگ درزهدار، زمانی که شبکههای شکستگی زیادی بر اساس توابع توزیع آماری این پارامترها ایجاد شوند، عدم قطعیت در اطلاعات زمینشناسی به مقدار زیاد کاهش پیدا میکند.[1] چارچوب کار براساس شبیهسازی تصادفی سیستم درزهها با استفاده از توابع چگالی احتمالاتی6 پارامترهای هندسی دسته درزهها، براساس نتایج بدست آمده از برداشتها و اندازهگیریهای برجا - میدانی - ، میباشد.
اطلاعات لازم برای ایجاد شبکه شکستگی معمولاً از طریق نمونه برداری مستقیم و برداشت مستقیم درزه از روی سطوح قابل دسترس مثل رخنمون ها و یا گمانه حفاری بدست میآید. این اطلاعات معمولاً با استفاده از روش پنجره برداشت و یا خط برداشت بدست میآید. قابلیت اطمینان یا سطح اعتماد اطلاعات بدست آمده از نتایج مدلسازی با استفاده از شبکهی شکستگی، به کیفیت برداشت و نمونهگیریهای میدانی بستگی دارد، و بنابراین اعتماد به ارزیابیها مشکل است.
مشکلی مشابه در تعیین بازشدگی جمعیت درزهها وجود دارد، چون آزمایشهای برجا و آزمایشگاهی فقط میتوانند تعداد محدودی از درزهها را بررسی کنند.[1] با وجود محدودیتهای ذکر شده، مدل شبکهی شکستگی مجزا برای حل مسائل جریان سیال در توده سنگهای دارای درزه بطور گستردهای کاربرد دارد. این کاربرد وسیع اساساً بعلت این حقیقت است که امروزه شبکهی شکستگی مجزا یک ابزار غیر قابل جایگزین برای مدلسازی جریان سیال و پدیدههای انتقال در هر دو مقیاس میدان نزدیک و میدان دور می- باشد.[1]
در مواردی که در مدل شبکهی شکستگی مجزا نیاز به نمایش صریح و شبیهسازی تعداد زیادی درزه باشد، مدلسازی شبکه شکستگی بدلیل محدودیتهایی که در ظرفیت پردازش کامپیوترهای امروزی وجود دارد، کمتر موثر واقع خواهد شد و بنابراین در این موارد استفاده از مدلهای پیوسته با خصوصیات معادل مناسبتر خواهد بود.[1] در این مقاله با استفاده از اطلاعات حاصل از برداشت زمین شناسی محل ساختگاه پروژه سد پارسیان و با استفاده از توابع توزیع آماری مربوطه و بهرهگیری از روش شبیه سازی مونت کارلو کدی با زبان برنامه نویسیFISH در محیط نرم افزار 3DEC برای تولید شبکهی شکستگیهای مجزا نوشته شد که در ادامه روش تولید شبکه شکستگیهای مجزا ذکر شده است.
-2 ضرورت ساخت شبکهی شکستگیهای مجزا
شبیه سازی مدلهای شبکهی شکستگیهای مجزا که در آن شبکه شکستگی میتواند ناهمگنی طبیعی خود را داشته باشد، امروزه یکی از موثرترین رویکردهای تحلیل جریان سیال در توده سنگهای شکسته می-باشد.[1] که در این مقاله بعد تحلیلی دادههای حاصل از برداشت زمین شناسی و تولید شبکه شکستگیهای مجزا در نرم افزار3DEC مورد توجه قرار گرفته است. مشخصات هندسی مورد نیاز برای تولید شبکهی شکستگیهای عبارتند از:[2]
1. تعداد دسته شکستگیها
2. جهتداری شکستگیها
3. فاصله داری و دانسیته سه بعدی هر دسته شکستگی
4. توزیع آرایش مرکز شکستگیها
5. شکل و اندازه شکستگیها
6. بازشدگی دهانه هر شکستگی
از آنجایی که برداشت صحیح و دقیق شکستگیها در توده سنگها در مقیاس مهندسی عملی نمیباشد، زیرا برداشت برجا یک ناپیوستگی به تنهایی مشکل و برداشت تمام ناپیوستگیها غیر ممکن است. از طرفی نکتهی مهم و کلیدی در شبیه سازی شبکهی شکستگی توده سنگ، برآورد مناسب پارامترهای هندسی شکستگیها میباشد. همچنین خواص شکستگیهای موجود در توده سنگ تصادفی میباشند و از نقطهای به نقطهی دیگر تغییر میکنند. بنابراین در کاربردهای عملی تنها رویکرد واقع بینانه استفاده از یک مدل تصادفی است که با استفاده از دادههای پراکنده ساخته میشود. [2]
-3 انواع شبکهی شکستگیهای مجزا
یک شبکه شکستگی مجزا گروهی از صفحات - سه بعدی - یا خطوط - دو بعدی - است که معرف شکستگیها میباشند. شکستگیهای از نوع یکسان که در زمان یکسانی تولید میشوند، در یک دسته شکستگی طبقه بندی میشوند. هر شبکه شکستگی شامل حداقل یک دسته شکستگی است اما میتواند تعداد بیشتری نیز داشته باشد. [1] در شبکه شکستگی دو بعدی معمولاً برای نمایش شکستگیها از یک سری خطوط ناپیوسته بر روی صفحه استفاده میشود.
برای ایجاد شبکههای دو بعدی معمولاً به توابع دو بعدی پارامترهایی همچون جهتداری، فاصلهداری و اندازه شکستگی نیاز است. شکل شکستگیها در مدل سه بعدی ممکن است به صورت صفحات متعامد نامحدود - شکل-1 ب - ، صفحات نامحدود - شکل-1 ج - صفحات چند ضلعی - شکل-1د - ، دیسکهای دایرهای - شکل-1 ه،ز - ، صفحات بیضوی - شکل-1 ح - . سادهترین این مدلها صفحات نامحدود متعامد است. مدل دیسکهای دایرهای به طور گستردهای در شبیه سازی هیدرولیکی توده سنگ استفاده میشود.[3]
شکل-1 انواع شبکهی شکستگیهای مجزا.[3]
رویکرد کلی در تولید DFN در نظر گرفتن محل، امتداد - اندازه - ، جهت-داری و سایر خواص شکستگیها به عنوان متغیرهای تصادفی با توزیعهای احتمالاتی میباشد. به منظور کاهش پیچیدگی مسئله، هندسه سادهای برای شکستگیها فرض میشود، در ابتدا، رایج ترین هندسه، خطوط راست برای شکستگیهای دو بعدی و بیضیها برای شکستگیهای سه بعدی بود، هرچند صفحات دو بعدی بینهایت - صفحات پواسون - نیز مورد استفاده قرار گرفته است.[3]
-4 خصوصیات هندسی شکستگیهای مجزا
شکستگیهای سنگی معمولاً به صورت یک جفت سطوح صفحهای و صاف فرض میشوند، به طوری که بتوان قانون مکعب را به سهولت برای آنها به کار برد. اینگونه ساده سازیها به خصوص برای مدلهای DFN بزرگ مقیاس که شامل تعداد زیادی شکستگی میباشد، مناسب و مفید است1] .[ مهمترین خصوصیات هندسی شکستگیها که برای ساخت شبکه شکستگی استفاده میشوند عبارتند از:
-1-4 تعداد دسته شکستگی
در شبیهسازی شکستگیها، تقسیم شکستگیها به زیر گروهها یا دستههایی بر اساس جهتداری آنها کاری متداول است. این کار بر اساس این باور است که، شکستگیهای شکل گرفته توسط فعالیتهای زمین شناسی مشابه، خواص مشابهی از قبیل جهتداری یکسان، خواهند داشت. رده بندی زیر گروهها در کاربردهای دو بعدی توسط رزدیاگرام7 جهت یافتگی شکستگیها و کاربردهای سه بعدی توسط تصاویر نیم کره انجام میشود. هر دسته شکستگی به صورت مجزا و در زمان یکسان و با پروسهای مشابه شبیهسازی شده و غالباً دارای خواص یکسانی هستند و شبیه سازی نهایی ترکیب سادهای از همه زیرگروههای مستقل شبیه سازی شده میباشد. [1]
-2-4 تعداد شکستگیها
روشهای مختلفی برای تعریف و اندازهگیری تعداد شکستگیها وجود دارد:
-1-2-4دانسیته خطی شکستگی
تعداد شکستگی در واحد طول، که بایستی برای هر دسته شکستگی و در جهت عمود بر شکستگیها اندازهگیری شود.
-2-2-4مجموع طول خط اثر یا دانسیته صفحهای
مجموع طول همه شکستگیها قطع شده در یک صفحه میباشد که به داسیته صفحهای منجر میشود. دانستن دانسیته شکستگی به این معنی نیست که تعداد شکستگیها در یک حجم مشخص است چون این دو مفهوم وابسته به شکل و اندازه شکستگیهای موجود در حجم هستند. بیشتر مطالعات انجام شده روی شبکه شکستگیها و خواص شکستگی بر روی طول خط اثر متمرکز شده است.
