دانلود تحقیق معرفی و بررسی عوامل موثر در میزان نفوذ آبهای زیرزمینی به داخ

جریان آب زیرزمینی به داخل تونلها همیشه یک مشکل فنی و محیطی عمده برای سازه های زیرزمینی بوده است .

پیش بینی جریان آب زیرزمینی با استفاده از ابزارهای تحلیلی و عددی اغلب به علت عمومیت دادن و مختصر سازی پارامترهای مهم ، خصوصا“ در محیطهای نامتجانس همانند سنگهای متبلور ناموفق و بدون نتیجه موثر، مانده است .

برای مشخص کردن پارامترهایی که در این سنگها جریانهای آب را کنترل می کنند، یک تجزیه تحلیل آماری اصولی در یک تول که در سنگهای متبلور سخت، در جنوب سوئد قرار دارد ، انجام شده است .

این پارامترها شامل ، متغیرهای مهم عارضه ای ، فنی و زمین شناسی در سنگهای متبلور سخت و همچنین در پوشان سنگها می باشند.

مطالعات مشخص کرد که عوامل زیادی به خصوصیات سنگ و همچنین خصوصیات پوشان سنگ وابسته می باشند.

همچون تعداد شکافها، ضخامت پوشان سنگ ، نوع خاک و میزان مواد پرکننده در بین سنگها که مقدار چکه و نشت را کنترل می کنند.

این مطالعات نشان میدهد که یک تفاوت آشکار بین پارامترهایی که نشتهای عمده و نشتهای جزئی را کنترل می کنند وجود دارد.

نشتهای کوچکتر بیشتر به زهکشی توده سنگ مرتبط می باشد.

در صورتیکه نشتهای عمده مشخصا“ به پارامترهای مختلف در پوشان سنگ بستگی دارند.

در صورتی که پوشان سنگ وتوده سنگ بعنوان یک سیستم مشترک مطرح شوند، پیش بینی جریانهای آب زیرزمینی احتمالا“ با خطا همراه است .

نشت آب به داخل تونلها و حفریات سنگی مشکل فنی عمده ای برای این سازه‌های زیرزمینی می باشد.

تراوش جریانهای آب به داخل سازه زیرزمینی باعث افزایش چشمگیر جهانی در هزینه های ساخت آن شده است.

در ابتدا پمپاژ آبی که به درون سازه تراوش می کندامری ضروری است .

سپس افزایش تعداد نگهداری هاو ایجاد پیش حفریات که هرکدام از آنها مشکلاتی را به همراه دارندباید اتخاذ شود.

یک قسمت قابل توجه از هزینه ها در هنگام حفر تونل در سوئد مربوط به عملیات پیش دوغاب ریزی است که برای محدود کردن جریان های آب ضروری می باشد.

همچنین جریانهای زیاد آب به داخل تونل می تواند به طور جدی نیروی کاررا تحت خطر قرار دهد وموارد مطالعاتی بسیاری و گزارشهای متعددی درباره از دست رفتن زندگی افراد درج شده است .

همچنین در حضور جریانهای بزرگ آب ، شرایط کارکردن سخت تر واز سرعت کار کاسته می شود.

نتیجه محیطی مستقیم جریانهای آب ، افت فشار سطوح آب زیرزمینی در لایه های آبدار و سفره‌های آب زیرزمینی می باشد.

افت فشار طویل المدت بر نمو گیاهان ، منابع آب زیرزمینی و همچنین بر شیمی آبهای زیرزمینی تاثیر می گذارد (13).

نشستی که در نتیجه کاهش فشار آب در لایه های خاکی اتفاق می افتد به ساختمانهای روی سطح زمین خسارت وارد می کند ( شکل 1) .

به دلیل مشکلاتی که جریانهای ورودی آب ایجاد می کنند تلاش شده تا حداقل جریانهای ورودی عمده تعیین محل و پیش بینی شوند.

پیش بینی های صحیح و موفق در انتخاب مسیر نهفته تونل وشیوه ساخت آن و همچنین در تشخیص شعاع تاثیر و مخروط فرو رفتگی یا افت فشار که توسط جریانهای ورودی ایجاد شده است کمک می کند.

این مسائل درکاهش هزینه‌های ساختمانی و زیست محیطی موثر است امروزه مفهوم پیش بینی به مقدار زیادی به قابلیت اطمینان در مدل سازی جریان اب زیرزمینی وابسته می باشد .

در سنگهای شکاف دار و با تخلخل کم مانند سنگهای اذرین سخت تلاشهای فراوانی در جهت توسعه روشهایی که سعی بر در آوردن خصوصیات پیچیده هندسی شکافها و درزه ها مطابق مدل یعنی می باشد انجام گرفته است (11).

همچنین روشهای دیگری برای حل مشکلات جریان در سنگ شکاف دار همانند آنالیز ها و تجزیه تحلیلهای بدون بعد ، شبیه سازی اتفاقی و مدل فاقد کیفیتهای ظاهری و واقعی بکار برده می شوند (14) .

به طور متناوب و برحسب نیاز روشهای متجانس و خواص موثر بر مدلسازی شکافهای مشخص استفاده شده است (7).

به هرحال اغلب حتی با قابلیت استفاده خوب داده ها بدرستی نشان داده شده که مدلهای عددی بیشتر روی یک مقیاس جهانی پیش بینی های موفقی رامی توانند خلق کنند(8) .

بعلاوه مدلسازی عددی دقیقا“ آخرین مرحله از یک عملیات پیش بینی کننده می باشد واین نتیجه منحصرا“ به مدل ادراکی که در یک مرحله خیلی مقدماتی از اتصال اطلاعات اصلی مختلف بسط داده شده است وابسته می باشد.

بنابراین اگر دریک عملیات پیش بینی کننده در ابتدا کاملا درک شود که چه چیزی و چگونه باید پیش بینی شود احتمال قوی تری برای موفقیت وجود دارد (9).

اگر در بعضی مواقع معرفهای عددی توده سنگ برای پیش بینی کردن ناکافی باشند ، به این دلیل است که بعضی از فاکتورهای مهم در پیش بینی جریانها به حساب آورده نشده اند .

هدف این مقاله نشان دادن رابطه آماری پارامترهای زمین شناسی در کنترل کردن جریانهای آب به داخل تونلها می باشد.

نظر به اینکه توده های سنگ سخت معمولا“ دارای تخلخل خیلی کم می باشند.

هنگامی که مخازن آبهای زیرزمینی در قسمت پوشان سنگ یا کمر بالا قرار گرفته اند ، نشت از شکافها و درزهای سنگها صورت می گیرد .

از این رو، بروی فاکتورهای مربوط به کمر بالا نیز ، مطالعات و آنالیز صورت گرفته است .

1- سنگ ها
همانطور که می دانیم سنگ ها از نظرجنس به سه دسته آذرین ، دگرگونی و رسوبی تقسیم می شوند که هرکدام شرایط فیزیکی خاص خود را دارند.

انواع سنگ های زیر را می توان برحسب ماهیت ارتباط بین دانه ای تشخیص داد.

1- سنگ خرد که خطوط مکانیکی ساده ای از کانیهای متفاوت یا دانه ای یک نوع کانی است که ابدا“ به یکدیگر متصل نیستد ( ماسه، سنگریزه، ریگ) .

2-سنگ هم چسب یا رسی که درآن پیوندهای کلوئید –آب دانه های تشکیل دهنده سنگ را با یکدیکر متصل می کند.

مشخصه عمده این سنگ ها ، مومسانی زیاد آنها در حالتی است که از آب اشباع باشند.

این گونه سنگ ها اصولا“ محصول هوازدگی شیمیایی اند( رسها، آهک رسها ، بوکسیت ها ).

3-سنگ سخت که در آن پیوند های کشسان صلب بین دانه های کانی تشکیل دهنده سنگ وجود دارد ( ماسه سنگ ها ، گرافیت ها ، دیابازها، گنایسها) .

مهمترین نهادین سنگ ها ، بافت و ساختار آنهاست.

مقصود از بافت ، سرشت بلورین سنگ ها ، اندازه و شکل دانه های کانی ، و ماهیت پیوند بین دانه‌هاست.

مقصود از ساختار، نحوه استقرارمتقابل اجزاء از نظربافت متشابه سنگ است .

مهمترین انواع ساختار از این قرارند:
الف: توده ای،که درآن قطعات سنگ فاقد جهت یافتگی ترجیجی اند و گرد هم آیی متراکمی دارند.

ب : روزنه ای ، که در آن قطعات سنگ گرد هم آیی متراکمی ندارند.

ج: چینه ای که درآن اجزای سنگ تناوب دارند و چینه بندی یا لایه بندی را تشکیل می دهند ( 2).

3-مشکلات ناشی از نشت آب :
آب زیرزمینی منبع بارزشی است اما گاهی خطر ساز است و هزینه بسیار ایجاد می کند .

آب زیرزمینی توانایی حل کنندگی و حمل مواد سمی را دارد.

نفوذ آن به گودبرداریهای روباز یا تونلها سبب می شود که آتشباری مشکل و ناایمن شود.

مهندس غالبا“ ناچاراست که مشکل درون تراویهای ناخواسته را حل کند و حذف این تراویها با پمپاژ ، یا آب بندی با دوغاب ریزی ، گران تمام می شود.

فشار آب ، محرک زمین لغزه هاست و درون تراویهای آبها ، سنگ‌های هوازده را به شدت فرسایش می دهد و باخودمی برد .

زهکشی‌های اسیدی از کانسنگ های سولفیدی یا از توده های باطله یک مشکل جدی زیست محیطی است .

افت تراز سفره آب زیرزمینی ، به عمد یا سهو می تواند آثار زیانبار بسیار داشته باشد.

از جمله تداخل با ذخائر آب چاهها و آب کشاورزی و گهگاه می تواند به نشست زمین و یاحتی زمین لرزه منجرشود.

4-آب در روزنه های وشکاف ها: 4-1-چرخه آب شناختی آب زیرزمینی آبی است که از طریق بارش به زمین می رسد، در زمین نفوذ می کند یا به واسطه چشمه ها به سطح زمین جریان پیدا میکند و با تبخیر دوباره به هوا بر می گردد.

کل مقدار آب در این چرخه آب شناختی ثابت باقی می ماند .

زمان سکونت آب در زمین ، بسته به مسیر جریان زیرزمینی می تواند از چند هفته تا چند هزار سال باشد.

4-2- روزنه داری نخستین و ثانوی سنک سالم روزنه ها و ترک هایی بین دانه ها و بلورها و داخل آنها دارد این فضای تهی را روزنه داری نخستین می نامند.

دیگر فضاهای تهی که به شکل درزها ، گسل هاو شکاف های حاصل از آتشباری هستند، روزنه داری بعدی یا ثانویه و یا روزنه داری گسستگی می نامند.

فضاهای خالی، از آب ، هوا و یا گاهی از گازها و مایعات دیگر پرمی شوند.

حجم روزن نسبی این اجزاء ، روزنه دارای ، چگالی ، مقدار آب و درجه اشباع را تعیین می کند.

4-3- سفره آب زیرزمینی سفره آب ، سطحی است کمابیش به موازات سطح زمین که زمین اشباع را از زمین نا اشباع جدا می کند(شکل 3)،این محل مکان هندس نقاطی است که در آنها فشار با فشار هوای سپهری برابر است .

غالبا“ در بالای سفره آب یک حاشیه مویینه وجود دارد که در آنجا فشارهای منفی ( کمتر از فشارهوای سپهری ) باقی می مانند واین به دلیل نیروهای کششی سطحی در درزها یا بین دانه های ریزخاک است.

سنگ و خاک در بالای این حاشیه مویینه خشک نیستند، بلکه به طور نسبی اشباع اند.

4-4-واحد های زمین شناختی آبده ، نیم آبده ، نا آبده آبده : یک واحد زمین شناختی است ، که میتواند مقادیر چشمگیری آب را در شیب های هیدرولیک عادی گذر دهد.

ناآبده : یک واحد زمین شناختی است که نمی تواندمقادیری چشمگیرازآب را از خودگذر دهد.

واحد زمین شناختی نیم‌ آبده ، بینابین این دواست .

گسل ها ممکن است لایه های رس داشته باشند، که به صورت ناآبده عمل کنند(3).

5- حرکت آبهای زیرزمینی : آبهای زیرزمین حرکتی دارند که براساس اصول مکانیک سیالات انجام می شود.

حرکت آب در طبقات آبده را می توان با فرمول دارسی توجیه کرد.

نفوذ پذیری درحرکت آبهای زیرزمینی رل مهمی دارد.

اندازه گیری نفوذ پذیری ممکن است در آزمایشگاه و یا در صحرا انجام شود.

با استفاده از قانون دارس و اصل تداوم جریان می توان معادلات حرکت آب زیرزمینی راتنظم کرد.

6- قانون دارسی :‌ بطورکلی فرمول دارسی را می توان بصورت رابطه (1) بیان کرد : (1) که در آن Q شدت جریان A سطح مقطع عبور جریان ، گرادیان فشار یا شیب هیدرولیکی و K ضریب نفوذ پذیری یا هدایت هیدرولیکی است .

سرعت حرکت آبهای زیرزمینی ،‌بستگی به شیب هیدرولیکی و نفوذ پذیری طبقه آبده دارد.

(2) (3) درفرمول (3)، Vسرعت حرکت آب های زیرزمینی و I شیب هیدرولیکی می باشد.

7- ضریب نفوذ پذیری یا هدایت هیدرولیکی : یکی از مهمترین خصوصیات منطقی ، از نقطه نظر حرکت آبهای زیرزمینی نفوذ پذیری آن است وآن ویژگی محیط متخلخل است که اجازه می دهد سیال معینی از آن عبور کند .

برای تعیین نفوذ پذیری کوششهای زیادی انجام گرفته است و براساس آنها فرمول هایی دراین زمینه ارائه شده است.

بایستی توجه داشت که چون نفوذ پذیری به عوامل مختلفی از جمله شکل ،ابعاد و نوع دانه بندی ذرات تشکیل دهنده بستگی دارد، لذا هیچ یک از این فرمولها قادر نیستند اندازه دقیق این ضریب را معین کنند.

(4) به طوریکه در رابطه (4) دیده می شود، بعد فیزیکی K همان بعد فیزیکی سرعت یعنی L /T است.

از سویی دیگر براساس رابطه بالا می توان ضریب نفوذ پذیری هرمحیط را نسبت به سیال معین و دردمای معینی عبارت از حجمی از سیال دانست که از واحدسطح مقطع محیط مزبور و در تحت شیب هیدرولیکی واحد عبور می کنند.ضریب نفوذ پذیری نه فقط به مشخصات محیط متخلخل بلکه به خصوصیات سیال نیز بستگی دارد.

8- ضریب انتقال : اگر ضخامت حفره ها b و عرض آن L فرض شود سطح مقطع عبور جریان از رابطه (5) بدست می آید: (5) A = b .

L بنابراین رابطه 019 به شکل زیر در می آید: (6) حاصلضرب k.

b یعنی ضریب نفوذ پذیری در ضخامت سفره به نام ضریب انتقال خوانده می شود: T = k .b و بدین ترتیب رابطه دارسی را می توانیم به شکل زیر بنویسیم : Q = T.L dh/dl وازآنجا که dh/dl درواقع شیب سطح ایستانی یا پیزومتریک است .

لذا اگر آن را با I نشان دهیم .

رابطه دارسی به شکل ساده زیردرخواهد آمد : Q = T .L .i روابط (10) تا (12) ، نسبت به هرامتداد ،سرعت سیال درآن امتداد را بدست می دهند :‌ (10) (11) (12) ازمقایسه این روابط با روابط قبل ، در می یابیم که تابع پتانسیل سرعت در مورد حرکت آب زیرزمینی به شکل زیر است : (13) Q = - kh تعبیر این رابطه ، بدین معنی است که برای جریان یک پتانسیل سرعت قائل شده ایم .

وجود تابع پتانسیل سرعت ، مستلزم وجود یک جریان بدون گردش است و چون در مورد حرکت‌ آبهای زیرزمینی که از اطراف دانه های موجود در محیط انجام میگیرد ، می توان دانه ها را بصورت اجسام نیمه مستغرق فرض کرد، لذا شرایط لازم برقرار است.

(4)0 9- نشست ناشی از زهکشی : نشست می تواند از جذف سیالهای موجود در خاک تراکم پذیر نتیجه شود.

این مکانیسم که نشست ناشی از زهکشی تعبیر شده است .

می توانداز تونل زنی در خاک یا سنگ زیرین آن نتیجه شود و یا حاصل پمپاژ چاههای آب و میدان های نفتی در درازمدت باشد.

نشست ها م معمولا“ گسترش کما بیش یکنواخت در محوطه ای وسیع دارند.

اگرچه ضخامت نایکنواخت خاک یا تنوع آن می تواند به نشست افتراقی یا کج شدگی رویه منجر شود (3).

10 – حل شدن سنگ :‌ هنگامی که آب ازطریق منافذ و درز و شکافهای سنگ وارد آن می شود در قسمت هایی که مواد قابل حل وجود دارد، این مواد را درخود حل کرده ، سبب پیدایش حفره ها و چاله های بزرگ و بزرگتر می گردد.

این چاله ها وحفره ها را می توان به دودسته تقسیم کرد: دسته اول : چاله ها وحفره هایی که در نتیجه تجزیه یا حل شدن موادشیمیایی موجود در سنگ ها به وجود می‌آید .

آب در اثر تماس با سنگ ، مواد شیمیایی قابل حل آن را حل می کند و از بین می برد که حاصل آن بوجود آمدن چاله ها و حفره ها می باشد.

پدیده تجزیه مواد شیمیایی موجود در سنگ ها قابل توجه است.

این پدیده در سنگ های آذرین هم اتفاق می افتد.

به عنوان مثال براثر تجزیه مواد معدنی در سنگهای آذرین، مواد شیمیایی موجود در سنگ ها توسط آب باعث می شود که در سنگ هائی که خاک موجود درآنهابی نهایت کم است .

( مانند سنگ های آتشفشانی ) درشرایط مساعد دارای کمی آب گردد.

دسته دوم: چاله ها وحفره هایی که درنتیجه حل شدن مواد سنگی قابل حل ایجاد می گردد.

در سنگ هایی مانند آهک و گچ و نمک ، آب باعث حل شدن قسمتی از آنها وبوجود آمدن چاله ها وحفره ها و دانه های کوچک و بزرگ می شود.

چنانچه آب درداخل این گونه سنگ ها بطور مداوم عمل کرده و جریان یابد بطور مسلم حفره ها و غارهای بوجود آمده فوق العاده بزرگ می گردد.

(5) .

11- رسانندگی هیدرولیک سنگ ها : گستره نمونه وار مقادیر رسانندگی یا هدایت هیدرولیکی سنگ ها در شکل (4) آمده است .

چون بیشتر جریان آب به جای جریان در فضای روزنه ای، در طول درزها جریان پیدا می کنند، مقادیر رسانندگی حاصل از آزمون های درجا ، تقریبا“ همیشه بیشتر از آن است که آزمون آزمایشگاهی روی نمونه‌های کوچک بدست می آید.

“ لوئیس “ رسانندگی هیدرولیک جهت دار دسته‌ای از درزهای پیوسته را در هردوجریان خطی و آشفته یا رابطه (14) نشان داده است : (14) که در آن e میانگین اندازه منفذ یا عرض شکستگی ، b میانگین فاصله بین شکستگی ها ،‌ K Fرسانندگی هیدرولیک یا ضریب نفوذ پذیری درز ( که خود تابعی است از مربع اندازه منفذ برای جریان خطی ) و Km ضریب نفوذ پذیری سنگ است که اغلب قابل چشم پوشی است .

یک درزه درهرمتر ، بامنفذی به اندازه 1/0 میلی متر، رسانندگی در حدود 8-10 متر برثانیه دارد ( شکل 5) .

اما وجود منفذی به اندازه 1 میلی متر باهمین فاصله بینابینی ، رسانندگی را به 3-10 متر برثانیه می رساند که مشابه با رسانندگی ماسه یکدست ناپیوسته است .

رسانندگی اولیه سنگهای آذرین و دگرگون معمولا“ از 11-10 تا 12-10 متر برثانیه یاحتی خیلی کمتر از این است.

اما مناطقی موضعی دراین سنگ ها ، معمولا“ به دلیل شکستگی و درزها می توانند بسیار رساننده باشند.

رسانندگی توده سنگ اغلب ناهمسانگرد است.

در سنگ های رسوبی لایه ای ، رسانندگی در جهت افقی معمولآ 5/1 برابر رسانندگی در جهت قائم است .

روزنه داری و رسانندگی هیدرولیک رابطه خطی – لگاریتمی دارند، به طوریکه کاهش اندکی درروزنه داری ، به کاهش بسیار دررسانندگی منجر می شود.

با افزایش عرض و تعدد شکستگی ها ضریب نفوذ پذیری یا رسانندگی هیدرولیکی افزایش می یابد (3).

12- نگرشهای هیدرودینامیکی در مورد سنگها :‌ سنگ ها همیشه مقداری آب درخود دارند بطورکلی سه نمونه آب درداخل سنگ ها وجود دارد: !- آب موجود به صورت پیوند شیمیایی 2- آب با پیوند فیزیکی 3- آب آزاد .

آب پیوند شیمیایی همراه با مولکولها ویونهای دیگر بخشی از شبکه بلوری کانیها را تشکیل می دهد.

حذف این آب به تخریب کانی و تغییر آن به ترکیبی دیگر که بدون آب است منجر می شود.

اگر آب موجود در شبکه بلور به صورت ملکولی باشد، آن را آب تبلور می نامند.

این گونه آب مشخصه گچ آبدار (Caso 4.

2 H20) اپال (sio2 .

nH2o) کارنالیت (KCI.MgC12 .

6H2o) و بسیاری کانیهای دیگراست .

آب تبلور به طور کلی در دمای 200 تا 600 درجه سلسیوس جدا می شود.

آبی که براثر گرم شدن یونهای هیدروکسید H +,OH-) ) تشکیل می شود.، بخشی از شبکه بلور را تشکیل می دهد و آنرا آب ساختمانی می نامند .

این گونه آب در دماهایی بالاتر از آنچه بـــرای آب تبلــور لازم اســت (تاحدود c1300 درجه سلسیوس ) از دست می رود.

آب ساختمانی مشخصه کانیهایی چون تالک Mg3(oH)2.

Si4o2 و مالاکیت (Ca2 Co5 (oH)2) است .

وجود آب با پیوند شیمیایی در سنگ ، تنها با گرم شدن آشکار می شود.

به هرحال این آب، اهمیت بسیار دارد.

زیرا می تواند سبب تغییرویژکیهای سنگ در دماهای بالا شود.

چون شبکه بلوری کانیها وقتی با آب همراه باشند تخریب می شود، سنگ سست می شودو درنهایت از هم پاشیده می شود.

هرچند درمواردی ( مثلا“ درمورد رسها ) این آمیختگی به فشردگی سنگ منجر می شود.

آ ب پیوند فیزیکی از طریق نیروهای جاذبه ملکولی با ذرات جامد سنگ پیوند نزدیکی دارد و آن ذرات را به صورت غشایی می پوشاند.

کمیت این آب به ظرفیت نم گیری بستگی دارد.نم گیری ویژگی پوشیده شدن سنگ از آب است .

درجه نم گیری هرسطح جامد یا نوعی مایع را زاویه مرز بین صفحه جسم جامد و مماس گذرنده از سطح یک قطره مایع که از نقطه تماس این قطره با جسم ترسیم می شود تعیین می کند.

بیشتر سنگ ها به آسانی نم می پذیرند( آنها را نم دوست می نامند ) .

گوگرد ، ذغال سنگ ، ماسه سنگ و برخی دیگر انواع سنگ ها به صورت جزئی یا کامل نم پذیرند.

نم پذیری سنگ ها نتیجه ظرفیت جذب سطحی و توانایی آنهادر جمع آوری ملکولهای مایع بر سطح بیرونی خود، به واسطه کشش الکترواستاتیکی است .

ظرفیت جذب سطحی سنگها در صورتی که حاوی نمک های قابل انحلال و کانیهای رسی ( بخصوص کانیهای نظیر مونتمور یلونیت با شبکه بلوری طویل شونده ) باشند ونیز درصورت افزایش سطح کلی فازجامد، افزایش پیدا می کند .

آب با پیوند فیزیکی ( محکم) در سنگ حرکت نمی کند، چگالی بالایی دارد( تا 74/1 گرم برسانتیمتر مکعب ) نقطه انجماد آن پایین است (78-درجه سلسیوس ) و درعین حال ظرفیت گرمایی ، نفوذ پذیری نسبی و رسانندگی هیدرولیکی آن کم است وحلال به شمار نمی آید.

این آب در دمای بین 105 تا 110 درجه سلسیوس از دست می رود ووجود آن ویژگیخای فیزیکی سنگ را تاحد قابل توجهی تغییر می دهد.

مقدارآب پیوند فیزیکی را به کمک دوشاخص حداکثرنم داری و حداکثر ظرفیت رطوبت ملکولی تخمین می زنند.

حداکثر نم داری (Wn)عبارت است ازبیشترین رطوبتی که سنگ می تواند از هوا با رطوبت نسب 94 درصد جذب کند .

این شاخص ظرفیت جذب سطحی سنگ را مشخص می کند.

ظرفیت رطوبت ملکولی یاویژه ( Wm) مقدارآبی است که به واسطه نیروی کشش ملکولی به سطح ذرات سنگ متصل می شود ومقدار آن از رابطه (15) بر حسب واحد وزن بدست می آید.

(15) که Gmوزن نمونه همراه با رطوبت سطحی و Gdوزن نمونه خشک شده دردمای 105 تا 110 درجه سلسیوس است باحضور رطوبت ویژه که پیوند ضعیفی با سنگ داردداریم : Wn ‹ Wm که جنبه متمایزکننده این رطوبت از آب با پیوند فیزیکی ( قوی ) توانایی حرکت آن براثر کشش نیروهای ملکولی است .

سنگ های رطوبت دار خاصیت جذبی خاصی دارند.

به این معنا که توانایی حرکت آن براثر کشش نیروهای ملکولی است .

سنگ های رطوبت دار خاصیت جذبی خاصی دارند.به این معنا که توانایی جذب سطحی یونها را به طور انتخابی ، همراه با آب از محلول اشباع شده آن یونها دارند .

این خاصیت را ظرفیت یون گیری می نامند .

ویژگی یاد شده در بررسی واکنشهای الکتروشیمیایی سنگها ، مطالعه رسانندگی الکتریکی و میدانهای الکتریکی در توده های سنگ، اهمیت بسیار دارد.

آگاهی ازظرفیت یون گیری سنگ ها در استفاده ازروشهای ژئوتکنیکی ، پی جویی بر اساس الکتروشیمی و نیزدر اموری چون فرایندهای سیمان دارشدن سنگ ها لازم است.

آب آزاد در سنگ ها به شکل آب مویینه که نیروهای کشش موییینگی آن را در روزنه‌های ریز سنگ نگه می دارند وآب گرانی که روزنه های درشت را پر می کند وبراثر نیروی گرانی یا فشار در درون سنگ حرکت می‌کندوجوددارد.

مقدارآب مویینه را با توجه به پارامترظرفیت رطوبت موییینه تعیین می کنند که به میانگین اندازه گذرگاههای روزنه ای عمود برسطح ایستابی در حجم موردمطالعه بستگی دارد.

نسبت انواع مختلف آب درسنگ ها بسته به ترکیب کانی و توزیع اندازه دانه ای سنگ ها و شکل ذرات تشکیل دهنده سنگ فرق می کند.مثلا“ ماسه به طورکلی آب ثقلی دارد(10 درصد) و دررسها و آهکهاآب مویینه وملکولی غلبه دارند .مقدارآب مویینه در رسها از 18 تا50 درصد است.نوع آب درسنگ تاثیر آن را در ویژگیهای سنگ مشخص می کند.ازاین روست که اگرآب مویینه موچود درسنگ دربالاتراز سطح ایستابی قرار داشته باشد به افزایش هم چسبی سنگ ها کمک می کند و درعین حال مقدرا بارمجاز و زاویه شیب تل باطله را زیاد میکند.

اما برعکس ، اگر آب مویینه به منبع خود متصل باشد به ستون فشاری تبدیل می‌شود وپایداری شیب را کاهش می دهد، کاربرد تکنیکهای ممکن برای زهکشی آب از کانسار نیز به نوع آن بستگی دارد.

سهلترین آب ازنظر زهکشی ، آب ثفلی است و زهکشی آب مویینه بسیار مشکلتر است.آب با پیوند فیزیکی براثر تکانده شدن به آب آزاد تغییر می کند.

این فرایند را تیکسوتروپی می نامند.خاکهای رسی مرطوب که درآنها ذرات کوچکتر از 002/0 میلیمتر بیش از 2 درصد است.

درمعرض وقوع پدیده تیکسوتروپی هستند.

حداکثر مقدار آب پیوندی ، مویینه وثقلی که سنگ می تواند درخود داشته باشد با کل ظرفیت رطوبت آن تعیین می شود.

برحسب وزن برحسب وزن کهGr وزن سنگ درحداکثر اشباع ، VL حجم آبی است که سنگ را پرمی کندو Vrحجم سنگ است.

مقدار کل ظرفیت رطوبت تقریبا“ برابراست باروزنه داری سنگ (p).

اگر ارتباط مقابل فضاهای روزنه داری ضعیف باشد، مقدار معینی از گاز یا هوا می تواند ، حتی درمواردی ک سنگ کاملا“ اشباع از آب است ، درآن به تله بیافتدازاین رو P › Wt .

درحالتی که آب می تواند بین شبکه بلوری کانی ها نفوذ کند P ‹ Wt خواهد بود و این مشخصه سنگ های همچسب ( آرژیلیتی ) است.

برای مشخص کردن سنگ در حالت طبیعی آن ، از پارامترهای زیر استفاده می شود.

مقدار رطوبت طبیعی ( Wn) که برابر است با مقدار میانگین آب موجود در سنگ درشرایط طبیعی ، وضریب اشباع ازآب (Kws) که میزان اشباع سنگ را از آب نشان می دهد.

(18) اگر به جای Wnاز Wt و به جای Wt از P ( روزنه داری ) استفاده کنیم ، ضریب اشباع از آب ،میزان پرشدگی فضاهای روزنه با آب را مشخص می کند.

اگر سنگی حداکثر رطوبت ممکن را بگیرد، بیرون کشیدن تمام آب موجود در آن با وسایل مکانیکی ممکن نخواهد بود.

بازدهی آب از رسها وماسه های ریز دانه با زحمت صورت می گیرد .توانایی سنگ به آب پس دادن براثر کنش مکانیکی را با پارامتر بازدهی آب ---- می سنجند که عبارت است از تفاضل بین کل ظرفیت رطوبت و حداکثر ظرفیت رطوبت ملکولی .به اینن ترتیب هرچه ظرفیت رطوبت ملکولی سنگ بیشتر باشد ضریب بازدهی آن که بزرگی آن به اندازه ذرات سازنده سنگ ، اندازه روزنه ها و نیزوضعیت متقابل روزنه ها به یکدیگر بستگی دارد، کمتر است.

اگر بازدهی آب اندکباشد ، بهره دهی استخراج سنگ به روش های مکانیکی وهیدرولیکی کم می شود زهکشی کانسار و نیز ترابری وخرد کردن کانیها مشکل می شود.

حرکت آب درسنگ ها سبب انحلال ، شستشوی مکانیکی ،سیمان دارشدن وفرایند های دیگر می شود ضریب تراوایی (Kper) توانایی سنگ به انتقال سیالات را مشخص می کند.

(19) (20) درروابط (19) و (20) ، Q شدت جریان آب گذرنده از مقطع S ، Vp سرعت یا نرخ فرورفت .

F – افت فشار حین فرورفت مایع L --- و --- ضریب گرانروی دینامیکی مایع برحسب پواز است.

واحد اندازه گیری تراوایی ،دارسی است که عبارت است از تراوایی نمونه سنگی با سطح مقطع یک سانتیمتر مربع ، به طول یک سانتیمتر که در هرثانیه یک سانتیمتر مکعب از مایعی به گرانروی یک سانتی پواز ، باافت فشار یک اتمسفر از آن می گذرد .

هردارسی مساوی است با 13-10 * 86/9 متر مربع می باشد.

در معدنکاری اساسا“ از ضریب فرورفت (Kp) استفاده می کنند.

(21) که در رابطه (21) وزن مخصوص آب است .درعمل می توان رابرابر باواحد درنظر گرفت .دراین صورت از لحاظ عدد Kp = Kper ( Kpبرحسب متر بر ثانیه می شود.

سنگ ها برحسب ضریب فرورفت به ناتراوا، کم تراوا ، نیمه تراوا و بس تراوا تقسیم می کنند.

تراوایی سنگ اساسا“ به اندازه شکل ونسبت کل روزنه ها به حجم سنگ بستگی دارد که به طورکلی حجم سیال فرو رونده ،مسیر عبورجریان ، ونیروهای اصطکاکی بازدارنده حرکت را تعیین می کنند.

به طورکلی تراوایی با افزایش روزنه داری سنگ، بخصوص اگر روزنه ها متصل به یکدیگر وباز باشند، زیاد می شود ( شکل 6) .

اما انحراف هایی از این قاعده کلی مشاهده شده است .میانگین قطر روزنه ها (D) دراین امر نقش محسوسی دارد.

این میانگین را می توان از معادله (22) که خود مشتق از معادله پوازی است( با صرفنظر کردن از خماخم گذرگاهها ) محاسبه کرد.

(22) که Kper تراوایی ( برحسب سانتیمتر مربع ) و P روزنه داری می باشد .البته ، امکان عبور سیال از روزن های فرامویینه ، براثر کنش نیروهای گرانشی یا فشار، مطابق باقوانین هیدرودینامیک وجود دارد.

درروزنه های مویینه ، سیال ها با نیروی مویینگی حرکت می کنند.

براثر کنش فشار، سیال ها تنها وقتی می توانند حرکت کنند که ستون فشاراز نیروی کشش ملکوتی تجاوز کندو عملا“ سیال ها از روزنه های فرو مویینه عبور نمی‌کنند.

رسها از این گونه مواد ناتراوا به شمار می آیند.

هرچند که روزنه داری آنها بیش از 50 درصد است.

ناتراوایی رسها به دلیل فرومویینه بودن اندازه روزنه های آنهاست .

که در نتیجه آن تقریبا“ تمام آب موجود دررسها به حالت حبس شده است .واین امرمانع حرکت آبهای ثقلی در آنهاست.

بنابر این Kper به تمام عواملی که روزنه داری سنگ را کنترل می کنند بستگی دارد، یعنی به شکل ، اندازه جهت یا فتگی ، جورشدگی و میزان سیمان داری دانه ها .

تراوایی آن در سنگ های لایه ای ماهیتی ناهمسانگرد دارد: بدین معنا که درامتداد لایه بندی بیشتر از جهت عمودبر آن است.

همچنین ترکیب کانی شناختی نیز درتراوایی سنگ های ناپیوسته موثر است .

به عنوان مثال از کانیهای که رخ خوب دارند، آب به میزان کمی عبور می کند، زیرا روزنه هایی که دراین کانیها ایجاد می شود.

اندازه ای کوچکتر از روزنه هایی دارند که دردیگر کانی ها پدید می آید که ذرات به خوبی گرد شده دارندو فاقد رخ هستند.

آب از کانیهایی که ظرفیت نم پذیری بالایی دارندبه سهولت بسیار می گذرد .

تراوایی سنگ ها با افزایش مقدار رس در آنها کم می شود.

تراوایی سخت ترین سنگ ها به میزان گسستگی آنها بستگی دارد.

ازاین رو توده های گسسته آذرین و دگرگونه ، با وجود کم روزنه داربودن به شدت تراوایند.

13- تونل بولمن در جنوب سوئد : بعد از انجام تحقیقات دولت سوئد برروی مناطقی که برای تامین آب آشامیدنی ناحیه اسکانیا مناسب بودند، سرانجام برای این منظور استفاده از آب شیرین دریاچه بولمن توصیه و تونل بولمن برای انتقال این آب ساخته شد ( شکل 2) .

طول تونل 80 کیلومتر وامتداد وروند آن از دریاچه بولمن در جنوب اسمالند به سمت پراستورپ در ناحیه اسکانیا درجنوبی ترین نقطه سوئد می باشد.

ساختن آن در سال 1975 آغاز و درسال 1986 پایان یافته است .

مو.ضوع تحقیقات چندبعدی تونل ، مورد حمایت مالی تعدادی از سازمانهای خصوصی وملی قرار گرفت (13) .

اطلاعات به طور وسیعی مخصوصا“ در ناحیه استاورهالت جمع آوری شد.

جایی که توجه عمده به مطالعه محل برخورد تونل به سطوح آب زیرزمینی معطوف بود(13) .

ازجمله تحقیقاتی که درکارگاهها و محلهای مختلف کار در تونل بولمن انجام شده بود.به شرح ذیل می توان نام برد: آنالیز عکس های هوایی تهیه نقشه های زمین شناسی در یک ناحیه به عرض 10 کیلومتر در سرتاسر اطراف مسیر تونل مغناطیس سنجی هوا بردی وزمینی اندازه گیری مقاومت ویژ ه الکتریکی وفرکانسهای خیلی کوچک اندازه گیری لرزه نگاری 200 کیلومتر آنالیز مغزه های بدست آمده از حفاری وثبت اطلاعات چاههای حفر شده تهیه نقشه کلی زمین شناسی تونل تونل بولمن به علت طول زیاد، از مناطق با مشخصه های هیدروژئولوزیکی مختلف عبور می کند.

اگرچه زمین شناسی آن بیشتر از سنگهای متبلور سخت تشکیل شده است .

این طرح تحقیقاتی برروی یک قسمت از تونل که شامل 25 کیلومتر شمالی آن می باشد، متمرکز شده است.

درآن منطقه مقادیر زیادی از اطلاعات راجع به جریانهای روبه داخل جمع آوری شده بود.

14- زمین شناسی وفرایندنشت در تونل بولمن :