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
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 مخصوصاَ 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[.
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 معمولاً 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
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 عملاً 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 صرفاً 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.
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 صرفاً 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.
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
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

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
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 تقریباً 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.
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
پوشش بتنی الاستیک فرض شده و مدول تغییرشکل و ضریب پوآسون آن به ترتیب 21 GPa و 2/1 منظور شده است. براي زون تزریق معیار شکست پلاستیک موهر-کلمب انتخاب شده است. به دلیل عدم قطعیت هاي موجود از تغییرات خواص مکانیکی تودۀ سنگ تحت تأثیر تزریق صرف نظر شده است و فقط تغییرات نفوذپذیري در شبیه سازي عددي لحاظ شده و خواص مکانیکی آن معادل خواص مکانیکی پهنه منظور شده است.
با توجه به مراحل ساخت تونل شبیه سازي عددي بدین ترتیب انجام شده است:
الف( ساخت هندسه مدل، اعمال تنش هاي برجا مطابق با روباره تونل، فشار آب حفره اي مطابق با سطح ایستابی در هر پهنه، خواص هیدرولیکی و مکانیکی مطابق با معیار شکست موهر-کلمب، شرایط مرزي هیدرولیکی)فشار آب حفره اي و اشباع در مرز مدل تغییر نمی کند( و مکانیکی و شتاب ثقل برابر با 85/3 متر بر مجذور ثانیه.
ب( بررسی تعادل هیدرومکانیکی مدل به منظور صحت سنجی شرایط مرزي، تنش هاي برجا و فشار آب حفره اي اعمال شده در مدل عددي ) اگر شرایط مذکور به درستی اعمال نشده باشد مدل عددي نیروي نامتعادل خواهد داشت(.
ج( حفر تونل، صفر کردن فشار آب حفره اي در مرز تونل، ثابت کردن فشار آب حفره اي و اشباع در مرز تونل و انجام تحلیل هیدرولیکی به منظور ارزیابی دبی آب وردي به تونل.
شایان ذکر است که دبی ارزیابی شده با نرم افزار FLAC در واحد سطح محاسبه شده و به صورت بردار براي هر المان نمایش داده می شود. از این رو ،براي ارزیابی دبی آب ورودي به تونل به طور متوسط، دبی آب ورودي با توجه به سطح هر المان محاسبه شده و مجموع دبی آب وردي به تونل از المان هاي پیرامون تونل به عنوان دبی آب متوسط لحاظ شده است. با توجه به این که مدل سازي به صورت دو بعدي و تحت شرایط کرنش سطحی انجام شده است بعد دوم المان ها برابر با یک متر منظور شده است. مدل هنگامی از نقطه نظر هیدرولیکی تعادل دارد یا به عبارت دیگر حالت تراوش پایدار در مدل حاکم شده است که مجموع دبی هاي ورودي و خروجی از یک المان برابر باشد. که به این منظور می توان از متغیر qratio که در نرم افزار FLAC با استفاده از زبان برنامه نویسی Fish تعریف شده است استفاده کرد ]96[.
د( مقایسه دبی آب ارزیابی شده به وسیلۀ شبیه سازي عددي با دبی واقعی در هر پهنه و تغییر ضریب نفوذپذیري سنگ میزبان تا دست یابی به دبی واقعی.
ه( بازیابی مدل از حالت تعادل اولیه )ب(، حفر تونل، حل مدل تا رسیدن به تعادل، اعمال پوشش بتنی و زون تزریق با تغییر در خواص مکانیکی و هیدرولیکی المان هاي پیرامون تونل، اعمال ضریب نفوذپذیري محاسبه شده در بند د براي سنگ میزبان و انجام تحلیل هیدرولیکی به منظور برآورد دبی آب ورودي به تونل بعد از تزریق و پوشش تونل.
و( تحلیل حساسیت بر تغییرات ضخامت و نفوذپذیري زون تزریق و پوشش بتنی و بررسی میزان تأثیر آن بر دبی آب ورودي به تونل.
ز( ارزیابی ضخامت و نفوذپذیري زون تزریق با توجه به دبی آب ورودي به تونل در مرحله بهره برداري.
ح( بازیابی مدل از حالت تعادل اولیه، حفر تونل، حل مدل تا رسیدن به تعادل، اعمال پوشش بتنی و زون تزریق و انجام تحلیل هیدرومکانیکی به منظور برآورد دبی آب وردي 5013
به تونل، ضریب نفوذپذیري زون تزریق معادل ضریب نفوذپذیري ارزیابی شده در بند ز و ضریب نفوذپذیري سنگ میزبان معادل ضریب نفوذپذیري ارزیابی شده در بند د و ضخامت زون تزریق 9 متر لحاظ شده است.
2. برآورد ضریب نفوذپذیري سنگ ميزبان با بهره گيري از شبيه سازي عددي
با توجه به دبی آب ورودي به هر پهنه هیدرولیکی )شکل 2( حین حفاري تونل و انجام تحلیل برگشتی بر اساس کمینه کردن مربعات خطا، ضریب نفوذپذیري سنگ میزبان در هر پهنه ارزیابی و در جدول 9 نمایش داده شده است. تابع خطا با توجه به تفاضل دبی اندازه گیري شده و ارزیابی شده به وسیلۀ مدل عددي مطابق رابطه )5( تعریف شده است.

)5(
که در آن:

تابع خطا ،

تابع خطاي نرمال شده ،

دبی اندازهگیري شده و

دبی ارزیابی شده به وسیلۀ مدل عددي است.
در شکل 1 مقادیر توابع خطاي محاسبه شده براي پهنه هاي 2 و 0 در مقابل ضریب نفوذپذیري نمایش داده شده است. به دلیل تفاوت در شرایط هیدروژئولوژي پهنه هاي 2 و 0 دبی آب ورودي به تونل و به تبع آن مرتبه تابع خطا متفاوت است. از این رو ،به منظور نمایش تغییرات تابع خطا براي دو پهنه مذکور در قالب یک نمودار و حفظ وضوح نمودار، مقدار توابع خطا به دبی اندازه گیري شده در هر پهنه نرمال شده است.
5. تخمين نفوذپذیري و ضخامت زون تزریق
به منظور کنترل دبی آب ورودي به تونل از تزریق بهره برده شده است. ضخامت زون تزریق از 9 تا 6 متر متغیر است ]99[. از این رو، بررسی پارامتـري بر ضخامـت زون تزریـق و نفوذپذیري آن انجـام شده است. با تـوجه به تحلیـل هاي انـجام شده تغییرات ضخامت زون از 9 تا 6 متر تأثیر چندانی بر دبی آب ورودي به تونل ندارد و بیشینه تأثیر آن بر دبی آبورودي به تونل هنگامی که نفوذپذیري زون تزریق

متر بر ثانیه باشد ،1/2 درصداست )شکل 6(. دبی نمایش داده شده در شکل 6 با فرض نفوذپذیري

متر بر ثانیه براي

شکل 3. مقدار تابع خطاي نرمال شده براي پهنه هاي 2 و 3
جدول 5. ضریب نفوذپذیري ارزیابي شده براي سنگ ميزبان بر اساس تحليل برگشتي
3 3 3 0 5 2 1 پهنه هيدروليکي
00 83 522 511 216 216 531 تراز سطح ایستابی )متر(
51-59 59 61 011 51 91-91 21 دبی آب ورودي)لیتر بر ثانیه(
3/919 8/801 99/891 919/60 9/111 3/938
6/938 ضریب نفوذپذیري ارزیابی شدهمتر بر ثانیه

1

51

پوشش بتنی برآورد شده است. کاملاً واضح است که با افزایش ضریب نفوذپذیري زون تزریق تأثیر ضخامت زون تزریق بر دبی آب ورودي به تونل افزایش می یابد. تغییرات دبی با افزایش ضخامت زون تزریق از 9 به 6 متر هنگامی که نفوذپذیري پوشش بتنی و زون تزریق برابر باشد 9/1 درصد و هنگامی که نفوذپذیري پوشش بتنی هشتاد برابر نفوذپذیري زون تزریق باشد ،1/2 درصد است. این موضوع بیان گر این است که افزایش نسبت ضریب نفوذپذیري پوشش به زون تزریق منجر به افزایش نقش ضخامت زون تزریق در کنترل دبی آب ورودي به تونلمی شود ولی به هرحال باز مرتبه تغییرات دبی در مقایسه با تغییرات نفوذپذیري پوشش بتنیناچیز است.

5013

شکل 3. تأثير نفوذپذیري زون تزریق بر دبي آب ورودي به تونل براي پهنه 3
در شکل 0 نفوذپذیري پوشش بتنی

متر بر ثانیه لحاظ شده است. بیشینه تفاوت در دبی آب ورودي به تونل در شرایطی که ضخامت زون تزریق 2 برابر شود و نفوذپذیري زون تزریق

متر بر ثانیه باشد، برابر با 31/1 درصد است. هم چنین با افزایش نفوذپذیري زون تزریق تأثیر ضخامت زون تزریق بر دبی ورودي بیش تر می شود که حداکثر تفاوت دبی به مقدار 9/9 درصد می رسد. به طورکلی میتوان بیان کرد که کاهش نفوذپذیري پوشش بتنی می تواند تأثیر افزایش ضخامت زون تزریق بر دبی آب ورودي به تونل را افزایش دهد. براي سایر پهنه ها نیز روند مشابهی براي تغییرات دبی آب ورودي به تونل مشاهده شده است.
در شکل 8 تأثیر نفوذپذیري پوشش بتنی بر دبی آب ورودي به تونل در پهنه 0 نمایش داده شده است. در برآورد دبی آب ورودي به تونل ضخامت زون تزریق 9 متر منظور شده است.
واضح است که با افزایش نفوذپذیري پوشش بتنی، نقش نفوذپذیري زون تزریق در کنترل دبی آب ورودي به تونل بارزتر میشود و بهطورکلی می توان بیان کرد که نفوذپذیري زون تزریقهنگامی در کنترل دبی آب ورودي به تونل نقش دارد که مقدار آن از 11 برابر نفوذپذیريپوشش بتنی فراتر نرود.
بر اساس تحلیل هاي انجام می توان بیان کرد که به طورکلی تأثیر تغییرات ضخامت زونتزریق از 9 تا 6 متر بر دبی آب ورودي به تونل ناچیز است. از این رو، با فرض این کهضخامت زون تزریق 9 متر باشد ضریب نفوذپذیري هر پهنه بعد از تزریق با توجه به دبی آب ورودي به تونل بعد از تزریق و انجام تحلیل برگشتی ارزیابی شده است. مقادیر ضریب نفوذپذیري براي هر پهنه بعد از تزریق و نسبت ضریب نفوذپذیري بعد از تزریق به نفوذپذیري اولیه سنگ در جدول 2 نمایش داده شده است

شکل 3 تأثير نفوذپذیري زون تزریق بر دبي آب ورودي به تونل در پهنه 2

شکل 3. تأثير نفوذپذیري پوشش بتني بر دبي آب ورودي به تونل در پهنۀ 3
5024
شایان ذکر است که دبی آب ورودي به تونل در بخش عمده آن بعد از ترزیق کم تر 5 لیتربر ثانیه برآورد شده و فقط در پهنه 9 دبی آب وردي به تونل قابل توجه است و مقدار آن 521لیتر بر ثانیه است. چنان که در جدول 9 نمایش داده شده است در بخش عمدۀ تونل تزریق مقدار نفوذپذیري سنگ را حدود 5111 مرتبه کاهش داده است ولی در پهنه 9 تنها 51 مرتبه نفوذپذیري سنگ کاهش پیدا کرده است که بیان گر کارآیی نداشتن یا کفایت تزریق در این پهنه است. به عبارت دیگر هر چه دبی آب ورودي به تونل افزایش یابد کارآیی تزریق در کنترل دبی آب وردي به تونل کم تر می شود. این موضوع در پهنه هاي 9 و 1 کاملاً مشهود است.
در پهنه هایی که با نشت خفیف روبرو هستیم، نفوذپذیري پوشش بتنی به دلیل ضخامت ناچیز و ضریب نفوذپذیري تقریباً معادل زون تزریق )7-1E تا ٍ8-m/s 1E( نقشی در کنترل دبی آب وردي به تونل ندارد. در پهنه 9 درصورتی که ضریب نفوذپذیري پوشش بتنی )7-1E تا ٍ8-m/s 1E( که ضریب نفوذپذیري اغلب پوشش هاي بتنی است لحاظ شود ]58[، دبی آب ورودي به تونل مستقل از نفوذپذیري زون تزریق و کم تر از 521 لیتر بر ثانیه است و در فصل مشترک زون تزریق و پوشش بتنی هد استاتیکی بالایی تقریباً معادل با تراز ایستابی ایجاد خواهد شدکه منجر به تخریب پوشش بتنی می شود. با توجه به مشاهدات انجام شده در تونل و ملاحظات بیان شده، در این پهنه از نقش پوشش بتنی در کنترل دبی آب ورودي به تونل صرف نظر شده ونفوذپذیري آن معادل نفوذپذیري زون تزریق لحاظ شده است.
جدول 0. ضریب نفوذپذیري ارزیابي شده براي هر پهنه بعد از تزریق

پهنه هيدروليکي
. دبی آب ورودي بعد از تزریق
9/8 9/8 98 92111 9/8 9/8 9/8 ضریب نفوذپذیري

متر بر ثانیه
5361 5821 051 51 691 5361 5921 نسبت نفوذپذیري سنگ میزبان به زون تزریق
ن. خ.: نشت خفیف )کم تر از یک لیتر بر ثانیه(
0. تحليل توأمان
بررسی پارامتري با استفاده از شبیه سازي عددي توأمان هیدرومکانیکی بر دبی آب ورودي به تونل بعد از تزریق انجام شده است. در شکل 3 دبی آب ورودي به تونل در دو حالت
5021
تحلیل هیدرومکانیکی و هیدرولیکی در مقابل ضریب نفوذپذیري زون تزریق نمایش داده شدهاست. واضح است که تحلیل توأمان هیدرومکانیکی، دبی آب ورودي به تونل را کم تر ازتحلیل هیدرولیکی برآورد می کند و اختلاف میان دبی هاي برآورد شده در دو حالت با افزایش ضریب نفوذپذیري زون تزریق افزایش یافته و حداکثر به 12 درصد می رسد. گراف مذکور براي پهنه هیدرولیکی 9 که سطح آب در تراز 5911 متري قرار دارد رسم شده است. به دلیل این که در مابقی پهنه ها بعد از تزریق نشت خفیف گزارش شده است، تفاوت دبی ورودي به تونل در حالت هیدرولیکی و هیدرومکانیکی معنادار نیست ولی به هر حال در سایر پهنه ها نیز روند مشابهی مشاهده شده و میزان دبی در تحلیل هیدرومکانیکی تا 01 درصد کاهش داشته است.

شکل 3. تغييرات دبي آب ورودي به تونل در دو حالت تحليل توأمان و غير توأمان در پهنه 0
نتيجه گيري
تأثیر تغییرات ضخامت زون تزریق در مقایسه با نفوذپذیري پوشش و زون تزریق بر دبی آب ورودي به تونل ناچیز است. یکی از دلایل این امر دامنه تغییرات محدود ضخامت زون تزریق در مقایسه با تغییرات نفوذپذیري است.
با افزایش نسبت نفوذپذیري پوشش به زون تزریق، نقش ضخامت زون تزریق در کنترل دبی آب ورودي به تونل بارزتر می شود.
5022تزریق می تواند نفوذپذیري سنگ را از 51 تا 5111 مرتبه کاهش دهد و هر چه نفوذپذیرياولیه سنگ کم تر باشد کارآیی تزریق در کاهش نفوذپذیري کم تر است. در تحلیل توأمان هیدرومکانیکی دبی آب ورودي به تونل کم تر از تحلیل هیدرولیکی برآورد شده است، علت این امر می تواند کاهش گرادیان هیدررولیکی تحت تأثیر تحلیل توأمان و منظور کردن تنش هاي ثقلی باشد. تفاوت میان دبی برآورد شده در تحلیل توأمان با تحلیل هیدرولیکی با افزایش نفوذپذیري زون تزریق افزایش می یابد و به طورکلی دبی برآورد شده در تحلیل توأمان 11 تا 01 درصد
کم تر از تحلیل غیرتوأمان است
منابع
Tseng, Dar-Jen, Tsai, Bin-Ru, Chang, Lung-Chen,”A case study on ground treatment for a rock tunnel with high groundwater ingression in Taiwan”,Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 16 (2001) 175-183.
El Tani Mohammed, “Circular tunnel in a semi-infinite aquifer”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 18 (2003) 49-55.
Song W.K., Hamm S., Cheong J., “Estimation of groundwater discharged into a tunnel”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 21 (2006) 1-7.
Kolymbas D., Wagner P., “Groundwater ingress to tunnels the exact analytical solution” Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 22 (2007) 23-.72
Wang T. ., Jeng F.S., Lo W.,”Mitigating large water ingresses into the new Yungchuen tunnel, Taiwan”, Bulletin of Engineering Geology and Environment, Vol. 70 (2011) 173-.681
5025
Shahriar K., Sharifzadeh M., Khademi H. J.,”Geotechnical risk assessment based approach for rock TBM selection in difficult ground conditions”, International Journal of Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 23 (2008) 318-325.
Wenner, Dieter, Wannenmacher, Helmut, “Alborz service tunnel in Iran: TBM tunnelling in difficult ground conditions and its solutions”, 1st Regional and 8th Iranian Tunneling Conference, 18-20 May, Tehran, Iran, (2009) 1-12.
Zarei H.R., Uromeihy A., Sharifzadeh M.,”Identifying geological hazards related to tunneling in Carbonate Karstic rocks-Zagros, Iran”, Arabian Journal of Geosciences, Vol. 5, (2012) 457-464.
Park Kyung Ho, Adisorn Owatsiriwong, Joo Gong Lee, “Analytical solution for steady-state groundwater inflow into a drained circular tunnel in a semi-infinite aquifer: A revisit”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 23 (2008) 206-209.
Gong Q.M., Yin L.J., She Q.R., “TBM tunneling in marble rock masses with high in situ stress and large groundwater inflow: A case study in China”, Bulletin of Engineering Geology and Environment, Vol. 72 (2013) 163-172.
Huai-Na Wu, Run-Qiu Huang, Wen-Juan Sun, Shui-Long Shen, YeShuang Xu, Yan-Bin Liu, Shou Ji Du, “Leaking behavior of shield tunnels under the Huangpu River of Shanghai with induced hazards”, Natural Hazards, Vol. 70 (2014) 1115-1132.
.21 Goodman R.E., Moye D.G., Van Schalkwyk A., Javandel I., “Groundwater inflows during tunnel driving”, Bulletin of the International Association of Engineering Geologists, Vol. 2 (1965) 39-.65
5020
Franklin J.A., Zhang L., “Prediction of water flow into rock tunnels: An analytical solution assuming an hydraulic conductivity gradient”, International journal of Rock Mechanics and Mining Science, Vol. 30 (1993) 37-46.
Lei Shizhong, “An analytical solution for steady flow into a tunnel”, Atomic Energy Control Board, Vol. 37 (1999) 23-26.
Shin J.H., Lee I.M., Shin Y.J., “Elasto-plastic seepage induced stresses due to tunneling” International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 35 (2011) 1432-1450.
Ming Huang fu, Wang Meng-Shu, Tan Zhong-Sheng, Wang Xiu-Ying, “Analytical solutions for steady seepage into an underwater circular tunnel”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 25 (2010) 391-396.
Fernandez G., “Behavior of pressure tunnels and guidelines for liner design”, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 120 (1994) 17681791.
Schleiss A., “Design of reinforced concrete linings of pressure tunnels and shafts for external water pressure”, International Journal on Hydropower and Dams, Vol. 4 (1997).
Perrochet P., “Confined flow into a tunnel during progressive drilling”, Journal of Ground Water, Vol. 43 (2005) 943-.649
Perrochet P., Antonio D., “Modeling transient discharge into a tunnel drilled in a heterogeneous formation”, Journal of Ground Water, Vol. 45 (2007) 786-.097
Preisig G., Dematteis A., Torri R., Monin N., Milnes E., Perrochet P., “Modeling discharge rates and ground settlement induced by tunnel
5023
excavation”, Journal of Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 47 (2014) 869-884.
Marechal J.C., Lanini S., Aunay B., Perrochet P.,”Analytical solution for modeling discharge into a tunnel drilled in a heterogeneous unconfined aquifer”, Journal of Ground Water, Vol. 52 (2014) 597-605.
Bobet A., “Characteristic curves for deep circular tunnels in poroplastic rock”, Journal of Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 43 (2010) 185-200.
Carranza-Torres C., Zhao J., “Analytical and numerical study of the effect of water pressure on the mechanical response of cylindrical lined tunnels in elastic and elasto-plastic porous media”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 46 (2009) 531-547.
Heuer R.E., “Estimating rock-tunnel water inflow”, Proceeding of the
Rapid Excavation and Tunneling Conference, San Francisco, (1995) 41-
.06
Zarei H.R., Uromeihy A., Sharifzadeh M., “Evaluation of high local groundwater inflow to a rock tunnel by characterization of geological features”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 26 (2011) 364-373.
Jing L., Ma Y., Fang Z., “Modeling of fluid flow and solid deformation for fractured rocks with discontinuous deformation analysis (DDA) method”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 38 (2001) 343-.553
Sharifzadeh M., Karegar S., Ghorbani M., “Influence of rock mass properties on tunnel inflow using hydromechanical numerical study”, Arabian Journal of Geosciences, Vol. 6 (2013) 169-.571
5023
Chen H., Zhao Z., Sun J., “Coupled hydro-mechanical model for fractured rock masses using the discontinuous deformation analysis”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 38 (2013) 506-516.
Ohtsu H., Ohnishi Y., Taki H., Kamemura K., “A study on problems associated with finite element excavation analysis by the stress-flow coupled method”, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 23 (1999) 1473-1492.
Yoo C., “Interaction between tunneling and groundwater-Numerical investigation using three dimensional stress-Pore pressure coupled analysis”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 131 (2005) 240-250.
Graziani A., Boldini D., “Influence of hydro-mechanical coupling on tunnel response in clays”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering, Vol. 138 (2012) 415-.814
99. مهندسین مشاور مهاب قدس ،گزارش تونل انتقال آب چشمه ،روزیه تهران )5989(.
Palmström A., “RMi – A System for characterizing rock mass strength for use in rock engineering”, Journal of Rock Mechanics and Tunnelling Technology, Vol. 1 (1995) 69-108.
Hoek E., Diederichs M.S., “Empirical estimation of rock mass modulus”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 43,
(2006) 203-.512
96. مهدوري س.، هاشمی م.، آیتی ف.، بررسی دبی آب نشتی از تونل انتقال آب بهشت آباد با استفاده از روش هاي تحلیلی و عددي، نشریه علمی پژوهشی مهندسی معدن، سال چهارم، شمارۀ 0 )5988(.



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید