نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 2 تابستان 5931 5043

تحليل تراوش در تونل انتقال آب چشمه روزيه در مرحله ساخت و بهره برداري با بهره گيري از شبيه سازي عددي
علي احمدزاده، راحب باقرپور، سعيد مهدوري؛
دانشکده مهندسي معدن، دانشگاه صنعتي اصفهان
تاریخ: دریافت 59/51/39 پذیرش 95/1/39چکيده
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

با توجه به قرارگیري بخش عمدۀ ایران در ناحیۀ خشک و بیابانی حفر تونل هاي انتقال آب امري اجتناب ناپذیر است. یکی از چالش هاي اساسی در ساخت این تونل ها ورود آب به آن در مرحلۀ ساخت و بهره برداري است. تونل انتقال آب چشمۀ روزیه به طول 9211 متر بخشی از طرح انتقال آب به شهر سمنان است که در 91 کیلومتري شمال شرق سمنان ساخته شده است. بر اساس اطلاعات حاصل از گمانه هاي حفاري شده، تونل از نقطه نظر ژئومکانیکی به 8 پهنه تقسیم شده که در این تحقیق بعد از بررسی پارامترهاي ژئومکانیکی و هیدروژئولوژیکی تونل با توجه به دبی آب ورودي به تونل در حین ساخت ضریب نفوذپذیري سنگ میزبان تونل در هر پهنه با استفاده از تحلیل برگشتی و بر اساس نتایج شبیه سازي عددي ارزیابی شده است. در ادامه برررسی پارامتري بر ضخامت زون تزریق، ضریب نفوذپذیري پوشش و زون تزریق در هر پهنه انجام شده است. بر اساس نتایج این پژوهش، تأثیر تغییرات ضخامت زون تزریق بر دبی آب ورودي به تونل ناچیز است. از این رو، با فرض ضخامت 9 متر براي زون تزریق ،ضریب نفوذپذیري سنگ میزبان بعد از تزریق ارزیابی شده است. تزریق سیمان می تواند نفوذپذیري سنگ میزبان را از 51 تا 5111 مرتبه بسته به نفوذپذیري اولیه سنگ کاهش دهد. دبی آب ورودي به تونل در هر پهنه با استفاده از تحلیل توأمان هیدرومکانیکی نیز محاسبه شد. نتایج تحلیل نشان داد که دبی ورودي به تونل در تحلیل توأمان 11 تا 01 درصد کم تر از تحلیل هیدرولیکی است.
1626489212678

واژهاي کليدي: تحلیل توأمان هیدرومکانیکی، شبیه سازي عددي، تونل چشمه روزیه، تراوش آب.
[email protected] نویسنده مسئول *
5043
مقدمه
با گسترش جوامع شهري و به تبع آن افزایش نیازهاي آبی در بخش شرب، صنعت و کشاورزي مدیریت منابع آب از طریق احداث سد و حفر تونل هاي انتقال آب مخصوصامخصوصاَ در کشور ایران که در ناحیۀ خشک و کم آب قرار گرفته است امري اجتناب ناپذیر است. در حفر تونل با چالش هاي زیادي مواجه می شویم که یکی از این چالش ها هجوم آب به تونل حین حفاري آن است. جریان هاي شدید آب باعث بروز مشکلات فراوان مانند کاهش ضریب پایداري، تأخیر در برنامۀ زمان بندي، زوال سیستم نگه داري و کاهش خواص ژئومکانیکی سنگ می شود ]5[-]8[.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

از اثرات جانبی هجوم آب به تونل می توان به نشست سطحی تحت تأثیر تحکیم لایه هاي فوقانی، ناپایداري تونل و خشک شدن چشمه ها به عنوان اثرات اجتماعی آن اشاره کرد ]2[، ]9[، ]3[. در جدول 5 به برخی از حوادث اتفاق افتاده حین حفاري تونل ناشی از هجوم آب اشاره شده است. از این رو، تخمینی مناسب از دبی آب وارده به تونل در طراحی، تعیین روش هاي اجرا و نیز پیش بینی هزینه ها بسیار مفید خواهد بود. محققان بسیاري به بررسی دبی آب ورودي به تونل توجه کرده اند. پژوهش هاي انجام شده در این زمینه را می توان در سه دستۀ تحلیلی، تجربی و عددي قرار داد. روش هاي تحلیلی معمولامعمولاً در محیطی همگن و هم سان گرد با اعمال شرایط مرزي خاص و حل معادلات دیفرانسیل جریان، دبی آب ورودي به تونل را ارزیابی می کنند ]2[، ]9[، ]3[، ]52[، ]29[.
روش هاي تحلیلی، ساده و سریع است ولی دقت کافی در برآورد دبی آب در تودۀ سنگ هاي ناهمگن ندارند و لازمۀ استفاده از این روش ها اعمال فرضیات ساده کننده اي در ارتباط با هندسه تونل، شرایط مرزي و رفتار مصالح است و امکان لحاظ کردن پیچیدگی هاي موجود در محیط تراوش وجود ندارد.
روش هاي تجربی با استفاده از اطلاعات مربوط به پروژه هاي پیشین و برقراري ارتباط میان دبی آب ورودي به سازه زیرزمینی و ملاحظات زمین شناسی سعی در برآورد دبی آب ورودي به تونل در بررسی هاي موردي مشابه دارند ]21[.

5043
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

جدول 1. مشکلات پيش آمده ناشي از وجود آب در تونل
منبع عامل حادثه نام پروژه
]5[ ریزش ناگهانی به دلیل ورود آب زیرزمینی تونل پیش آهنگ پینگ لین5 در تایوان
]9[ جریان آب به درون تونل از طریق درزه ها و گسل ها تونل گام جونگ2 در کره جنوبی

]6[ وجود زون گسله، ناپایداري دیواره تونل، وجود آب در طولتونل تونل انتقال آب نوسود در غرب کرمانشاه
]0[ گاز متان، مچاله شوندگی زمین و جریان شدید آب به تونل تونل خدمات رسانی البرز، آزادراه تهران-شمال
]1[ ورود جریان زیاد آب زیرزمینی تونل یان چیون9 در تایلند
]8[ هجوم آب به تونل تونل گوهرنگ
]51[ تنش برجاي بالا و فشار و جریان بالاي آب زیرزمینی تونل هاي 5 و 9 نیروگاه هیدرولیکی جین پینگ9II، چین
]55[ جریان شدید آب تونل بزرگراه شانگهاي زیر رودخانه هانگپو1
پژوهش هاي قبلی نشان داده است که تفاوت زیادي میان دبی ارزیابی شده بر اساس روش هاي تجربی و مقادیر واقعی وجود دارد ]26[. هم چنین بیان خصوصیات زمین شناسی به صورت کمی و بررسی ارتباط آن با دبی آب ورودي به تونل، زمان بر و گران است.
به برآورد دبی آب ورودي به تونل با استفاده از تحلیل هاي هیدرولیکی یا توأمان هیدرومکانیکی در روش هاي عددي بیش تر توجه شده است. مشروط بر این که درک خوبی از شرایط مرزي مدل و داده هاي ورودي مدل عددي وجود داشته باشد روش هاي عددي چه در محیط پیوسته یا ناپیوسته ابزار مناسبی براي ارزیابی دبی آب ورودي به تونل و تحلیل توأمان هیدرومکانیکی است. لازمۀ تحلیل تراوش در محیط ناپیوسته دانستن هندسه درزه ها شامل شیب، جهت شیب، پایایی و مشخصات هیدرولیکی درزه ها شامل بازشدگی، زبري و پرشدگی است که دست یابی به این گونه از اطلاعات در بیش تر پروژه هاي تونل سازي عملاعملاً غیرممکن

Pinglin
Gumjong
Yungchuen
Jinping
Huangpu
5043
یا بسیار هزینه بر و وقت گیر است و غالب تحلیل هاي تراوش انجام شده در محیط ناپیوسته بریک درزه یا دسته درزه با فرض جریان آرام انجام شده است ]20[، ]28[، ]23[. از این رو ،انجام تحلیل هاي هیدرومکانیکی در محیط پیوسته با استفاده از یک ضریب نفوذپذیري معادل بسیار رایج است ]91[، ]95[، ]92[.
روش هاي تجربی برآورد دبی آب ورودي به تونل صرفاًصرفا در موارد مشابه کاربرد دارد و در صورت تطابق نداشتن با موارد ثبت شده در بانک اطلاعاتی روش تجربی، استفاده از آن ها خطاي زیادي دارد. روش هاي تحلیلی نیز در محیطی هموژن و هم سان گرد و تونل هاي دایره اي قابل کاربرد است و قادر به منظور کردن پیچیدگی هاي زمین شناسی نیستند. از این رو ،روش هاي عددي ابزار مناسبی براي ارزیابی دبی آب ورودي به تونل هستند مشروط بر این که داده هاي ورودي مدل با دقت ارزیابی و امکان کالیبراسیون مدل وجود داشته باشد.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

در اغلب پژوهش هاي انجام شده با بهره گیري از شبیه سازي عددي تأثیر نگه داري در تحلیل لحاظ نشده است ]20[، ]28[، ]91[ یا صرفاًصرفا رفتار پوشش بتنی یا شاتکریت در حالت هیدرومکانیکی مد نظر قرار گرفته است ]95[، ]92[ و پژوهش هاي اندکی تأثیر ضخامت و نفوذپذیري زون تزریق یا پوشش بتنی را در دبی آب ورودي به تونل بررسی کرده است ]95[.از این رو ،در این تحقیق ابتدا تونل انتقال آب چشمه روزیه معرفی و بر اساس برداشت هاي زمین شناسی، گمانه هاي حفاري شده و آزمون هاي انجام شده، تونل از نقطه نظر ژئومکانیکی و هیدرولیکی پهنه بندي شده است. سپس با استفاده از تحلیل برگشتی و دبی آب ورودي به تونل حین اجرا و بعد از بهره برداري، ضریب نفوذپذیري سنگ میزبان و ضخامت زون تزریق ارزیابی و تأثیر تحلیل توأمان هیدرومکانیکی بر دبی آب ورودي به تونل ارزیابی شده است.
زمين شناسي
1. موقعيت و زمين شناسي تونل
تونل انتقال آب سمنان به قطر 2/9 متر و طول 9211 متر با هدف انتقال آب شرب از چشمه روزیه به شهر سمنان در 91 کیلومتري شمال شرق سمنان ساخته شده است )شکل 5(. 5043
سطح مقطع تونل نعل اسبی است و براي انتقال آب از یک لوله فولادي با قطر 5 متر که درکف تونل قرار گرفته استفاده شده است.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

تونل در سنگ هاي رسوبی دورۀ کامبرین و سنزوئیک حفاري شده است. توالی سنگ هاي دورۀ کامبرین ترکیبی از سنگ آهک، دولومیت، سیلت، شیل و ماسه سنگ است که حدود 01 درصد از مسیر تونل را پوشش داده است و مابقی آن با سنگ هاي دوران سنزوئیک مانند توف پوشش داده شده است ]99[.

شکل 1. موقعيت جغرافيایي و مشخصات مقطع عرضي تونل سمنان ]55[
با توجه به برداشت هاي سطحی و داده هاي حاصل از حفاري چهار حلقه گمانه، تونل از نقطه نظر زمین شناسی به 8 پهنه تقسیم شده که در شکل 2 نمایش داده شده است. ارزیابی خواص ژئومکانیکی سنگ هاي میزبان تونل بر اساس آزمایش روي مغزه هاي حاصل از حفاري انجام شده و براي طبقه بندي مهندسی تودۀ سنگ از روش هاي تجربی 89RMR و GSI بهره برده شده است. نتایج حاصل از طبقه بندي هاي مهندسی تودۀ سنگ و مقاومت فشاري سنگ بکر براي هر پهنه در شکل 2 نمایش داده شده است.
2. هيدروژئولوژي تونل
از دیدگاه هیدروژئولوژي تونل از واحد شهمیزاد عبور می کندکه این واحد از شمال به وسیلۀ گسل رورانده بشم و از جنوب به وسیلۀ گسل مارل و شیل محدود می شود. این واحد از دو سفرۀ آب زیرزمینی کربناته و ماسه سنگی تشکیل شده که ارتباط میان آن ها بر اساس 5014
تحلیل هاي هیدروژئولوژي تأیید شده است. تراز سطح ایستابی در امتداد تونل با توجه به ترازآب در گمانه هاي حفاري شده، تراز چشمه ها و قنوات منطقه ارزیابی شده است )شکل 2(.
به منظور تعیین قابلیت هدایت هیدرولیکی سنگ میزبان تونل، در 69 گمانه آزمون لوژان انجام شده است. بر اساس نتایج این آزمون ها بیش ترین مقادیر هدایت هیدرولیکی در منطقه مربوط به سنگ هاي آهک و دولومیت است. مقادیر قابلیت هدایت هیدرولیکی مربوط به هر پهنه در شکل 2 نمایش داده شده است ]26[.
شبيه سازي عددي
1. هندسه تونل و شرایط مرزي
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

مطابق پیشنهاد پالمسترم در شرایطی که نسبت دهانه تونل به ابعاد متوسط بلوک هاي سنگی حاصل از برخورد دسته درزه ها کمتر از 6 یا بیش از 91 باشد تحلیل عددي می تواند در محیط پیوسته انجام شود ]99[. هم چنین لازمۀ انجام تحلیل عددي در محیط ناپیوسته، اطلاع دقیق از مشخصات هندسی، مکانیکی و هیدرولیکی دسته درزههاي موجود در محیط است که در اغلب پروژه هاي ژئومکانیکی دسترسی به این سطح از اطلاعات مقدور نیست. از این رو ،با توجه به ملاحظات زمینشناسی مهندسی، سنگ میزبان تونل به عنوان محیطی پیوسته معادل، لحاظ شده و بر مبناي نتایج حاصل از طبقه بندي مهندسی سنگ و آزمایشهاي انجام شده روي مغزه ها ،پارامترهاي ژئومکانیکی تودۀ سنگ میزبان تونل با استفاده از روش پیشنهاد شدۀ هوک و دیدریچ براي هر پهنه ارزیابی و در جدول 2 نمایش داده شده است ]91[.
بهمنظور شبیه سازي عددي از نرم افزارFLAC5 که بر اساس روش عددي تفاضل محدود پایه گذاري شده، استفاده شده است. با توجه به این که دبی آب ورودي به تونل در دورۀ ساخت مستقل از دبی آب ورودي از جبههکار و در فواصل دور از جبهه کار )بیش از 1 برابر قطر تونل( اندازه گیري شده است نیازي به منظور کردن تأثیر جبههکار در تحلیل عددي وجود ندارد. از این رو ،شبیه سازي به صورت دوبعدي )کرنش سطحی( انجام شده است. هندسه تونل به همراه شرایط مرزي هیدرولیکی و مکانیکی در شکل 9 نمایش داده شده است. فاصله مرزهاي
مکانیکی تا مرکز تونل به گونه اي تعیین می شوند که بر توزیع تنش و جابه جاییها پیرامون تونل

1. Fast Lagrange Analysis of Continuum .تأثیر نداشته باشد
5011
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

375539-2770175

شکل 2. پروفيل زمين شناسي تونل انتقال آب چشمه روزیه ]55[
5012
جدول 2. پارامترهاي ژئومکانيکي توده سنگ ميزبان تونل در هر پهنه ]55[
چسبندگي )kPa( ضریب پوآسون مدول تغيير شکل )(GPa زاویۀ اصطکاک داخلي
)درجه( شمارۀ پهنه
911 /91 1/8 98 5
601 1/21 9/9 91 2
111 1/91 1/0 28 9
9611 1/22 58/1 92 9
5121 1/20 5/8 91 1
2311 1/22 50/1 90 6
831 1/21 9/0 98 0
811 1/26 2/2 93 8
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

در عمل مرزهاي هیدرولیکی در مکانی قرار دارد که تغییرات سطح ایستابی تحت تأثیر زهکشی تونل قابل چشم پوشی باشد. از این رو ،در این مکان می توان فشار آب حفره اي و درصد اشباع را ثابت در نظر گرفت. شایان ذکر است که درصد اشباع در المان هاي زیر سطح ایستابی 511% لحاظ شده و فشار آب حفره اي مطابق با سطح ایستابی ارزیابی شده است. در شرایطی که مرزهاي هیدرولیکی بیش از حد به تونل نزدیک باشد دبی آب ورودي به تونل بیش از واقع تخمین زده می شود که علت این امر افزایش شیب هیدرولیکی با نزدیک شدن مرزهاي هیدرولیکی به تونل است. از طرف دیگر اگر مرزهاي هیدرولیکی از تونل بیش از حد مورد نیاز دور باشد، باعث افزایش زمان حل مدل و صرف هزینه بیش تر است. از این رو ،به منظور تعیین بهینه محل مرزهاي هیدرولیکی، دبی آب ورودي به تونل با بهره گیري از مدل هاي عددي با ابعاد 91×91 تا 581×581 متر ارزیابی شد )شکل 9(. چنان که ملاحظه می شود با افزایش ابعاد مدل و یا به عبارت دیگر دور شدن مرزهاي هیدرولیکی دبی آب ارزیابی شده به وسیلۀ مدل عددي کاهش یافته و زمانی که عرض مدل به 521 متر می رسد تقریباتقریباً ثابت باقی می ماند. از این رو، مرزهاي هیدرولیکی در فاصلۀ 61 متري از مرکز تونل منظور شده است. در شبیه سازي از المان هاي مثلثی با کرنش ثابت 5CST استفاده شده است. بهمنظور کاهش خطا، اندازه مش هاي پیرامون تونل در مدل عددي 51 سانتی متر لحاظ شده که 5015
مقدار آن با نزدیک شدن به مرزهاي مدل به تدریج افزایش می یابد. علت افزایش تدریجی اندازۀ مش ها با دور شدن از مرز تونل کاهش زمان محاسبات است.
به دلیل سهولت در ارزیابی پارامترهاي ورودي معیار شکست موهر-کلمب و مفهوم فیزیکی قابل درک آن ها، در اغلب شبیه سازي هاي عددي از این معیار به عنوان معیار شکست استفاده می شود. در تحقیق حاضر نیز معیار شکست استفاده شده معیار موهر-کلمب است که پارامترهاي ورودي این معیار براي هر پهنه در جدول 2 نمایش داده شده است.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]

در نرم افزار FLAC از المان ساختاري تیر5 براي شبیه سازي نگه داري هایی مانند پوشش بتنی، شاتکریت و قاب فولادي استفاده می شود که عنصري ناتروا است. به دلیل این که پوشش نصب شده در تونل تراوا است ،از این رو، براي شبیه سازي پوشش بتنی و زون تزریق از عناصر نفوذپذیر CST استفاده شده و ضخامت آن معادل ضخامت پوشش بتنی و زون تزریق منظور شده است )شکل 9(.

شکل 5. هندسه شماتيک و شرایط مرزي مدل عددي

1. Beam
5010

شکل 0. تأثير جانمایي مرز هيدروليکي بر دبي آب ورودي به تونل در شبيه سازي عددي
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3405 ]



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید