Manuscript ID : 1401041438362 Visit : 3463 Page: 63 - 78

Article Type: Original Research

Hydrodynamic behavior of Soremeh Carbonate Formation on groundwater inflow to Nowsud Tunnel in Zimkan valley region, Kermanshah

Subject Areas :

H.R. Nasseri ¹ , N. Bayat ^{2
*} , J. Ezzati Feyz ³

1 -
2 -
3 -

Received: 2022-07-05 Accepted : 2022-07-05 Published : 2022-07-05

Keywords: Karst aquifer, Nowsud Tunnel, Conduit flow, Recession curve,

Abstract :

Groundwater control is an important issue during underground excavation in fractured rocks. More than any other factor, the lack of groundwater control can cause costs to rise. In this study, the characteristics of the Surmeh Formation in Zimkan aquifer were analyzed using the recession curve of discharge water from the tunnel. The results show that behavior of the recession curve of discharge water from the tunnel is similar to discharge of the conduit flow system of karst springs. In the first seven days, the slope of the recession curve was high and equal to 0.041, but over time in considering to progress of tunnel excavation and 41 meters groundwater table drawdown in karstic aquifer of Surmeh Formation; the slope of the recession curve decreased and it became similar to diffuse flow system of the karstic aquifer. In the recession curve of discharge water from the Nowsud Tunnel, all three porous systems, including conduit, semi conduit and diffuse are properly identifiable in time intervals of seven, 48, and 87 days respectively. with respect to similarities in the behavior of discharge water from the tunnel with karst springs, the hydrograph of recharge water into the tunnel can be used as a discharge below the base level of the karst hydrologic system in order to assess the dynamic reserve of the upper karst aquifer (above the tunnel level).

References:

آقانباتی، ع.، 1383. زمین‌شناسی ایران. انتشارات سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور.640 .
بیات، ن.، 1394. ارزیابی توانایی روش‌های تجربی، تحلیلی و بیلان در برآورد آب ورودی به قطعه دوم تونل زاگرس– کرمانشاه. پایان‌نامه کارشناسی ارشد آب‌شناسی، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی. 155.
سازمان زمین‌شناسی کشور، 1386. نقشه زمین‌شناسی غرب پاوه با مقیاس 1:100000.
شرکت ملی نفت ایران، 1388. نقشه زمین‌شناسی باینگان با مقیاس 1:100000.
مهندسين مشاور ایمن‌سازان، 1394- الف. گزارش هيدروژئولوژي تونل قطعه دوم تونل نوسود.
مهندسین مشاور ایمن‌سازان، 1394- ب. گزارش زمین‌شناسی تکمیلی، هیدروکلیماتولوژی، هیدروژئولوژی، آماربرداری ادواری گمانه‌ها و منابع آب‌زیرزمینی مسیر تونل انتقال آب نوسود.
مهندسين مشاور پارس کانه کیش، 1385. مطالعات هيدروژئولوژيکي بخش دوم تونل زاگرس.
مهندسين مشاور ساحل، 1385. گزارش مطالعات زمین‌شناسی مهندسي مسير قطعه دوم تونل نوسود.
مهندسین مشاور لار،1383. مطالعات مرحله يک تونل انتقال آب نوسود.
ناصری، ح.ر.، بیات، ن.، ایزدی کیان، ل.، و علیجانی، ف.، 1397. نقش ساختارهای تکتونیکی در هدایت آب‌های زیرزمینی به قطعه دوم تونل انتقال آب زاگرس – استان کرمانشاه. فصل‌نامه زمین‌شناسی ایران، سال11، شماره 45.
Atkinson, T.C., 1977. Diffuse flow and conduit flow in limestone terrain in Mendip Hills, Somerset (Great Britain). Journal of Hydrology, 35, 93-10
Bonacci, O., 1993. Karst springs hydrographs as indicators of karst aquifers. Journal of Hydrological Sciences, 38, pp 51-62. https://doi.org/10.1080/02626669309492639
Fernandez, G. and Moon, J., 2010. Excavation-induced hydraulic conductivity reduction around a tunnel – part 1: Guideline for estimate of groundwater inflow rate. Journal of Tunneling and Underground Space Technology, 25, 560-566. DOI: 10.1016/j.tust.2010.04.001.
Foladgar, A., 2003. Introduction of Kuhrang tunnel project and excavation methods. In: 6th Iranian Tunneling Conference, Tehran, Iranb.
Komac, B., 2006. The Karst Springes of Kanin Massif Kra Ki Izvir Pod Kanin Skim Pograje. .http://www.zrc-sazu.si/giam/zbornik/komac41
Korkmaz, N., 1990. The Estimation of groundwater recharge from spring hydrographs. Journal of Hydrological Sciences, 35, 209-217.
Li, D., Li, X., Li, Ch., Huang, B., Gong, F. and Zhang, W., 2009. Case studies of groundwater flow into tunnels and an innovative water-gathering system for water drainage. Journal of Tunnelling and Underground Space Technology. 24, 260-268.
Li, X. and Li, Y., 2014. Research on risk assessment system for water inrush in the karst tunnel construction based on GIS: Case study on the diversion tunnel groups of the Jinping II Hydropower Station. Journal of Tunnelling and Underground Space Technology, 40, 182–191.
Maillet A., 1905. Essais d’Hydraulique Souterraine et Fluviale. Herman, Paris, France.
Mudry, J., 1997. Role of karstification and rainfall in the behavior of a heterogeneous karst system", Journal of Environmental Geology, 114-123.
Ramsay J. and Huber, M., 1987. The Techniques of Modern Structural Geology, 2; Folds and Fractures, Ramsay, Academic Press; 1 edition.
Shahriar, K., Sharifzadeh, M. and Khademi, H.J., 2008. Geotechnical risk assessment based approach for rock TBM selection in difficult ground conditions. Journal of Tunneling and Underground Space Technology, 23, 318–325.
Zarei, H.R., Uromeihy, A. and Sharifzadeh, M., 2012. Identifying geological hazards related to tunneling in carbonate karstic rocks - Zagros, Iran. Arabian Journal of Geosciences, 5. pp 457–464. DOI 10.1007/s12517-010-0218-y.
Zarei, H.R., Uromeihy, A. and Sharifzadeh M., 2011. Evaluation of high local groundwater inflow to a rock tunnel by characterization of geological features. Journal of Tunneling and Underground Space Technology, 26, 364–373.
Zhang, J. and Chen, G., 1988. Some new ideas on the prediction of tunnel inflow in Karst area by water balance method. In: IAH 21th Congress on Karst Hydrogeology and Karst Environment Protection, 10–15 October, China.

Full-Text:

رفتار هیدرودینامیکی سازند آهکی سورمه در جریان ورودی آب به تونل نوسود در گستره دره زیمکان، کرمانشاه

حمیدرضا ناصری¹، نرگس بیات*2و جواد عزتی فیض3

1- استاد گروه زمین‌شناسی معدنی و آب، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی

2- دانشجوی دکتری آب‌های زیرزمینی، گروه زمین‌شناسی معدنی و آب، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی

3- کارشناسی ارشد آب‌شناسی، گروه زمین‌شناسی معدنی و آب، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

کنترل آب‌های زیرزمینی مسئله مهمی در طی حفاریهای زیرزمینی در سنگهای درزهدار است. نبود کنترل آب‌های زیرزمینی میتواند باعث تأخیر در حفاریهای زیرزمینی و افزایش هزینهها شود. در این پژوهش اطلاعات مربوط به آب نفوذی به تونل نوسود در دره زیمکان با تحلیل منحنی فرود دبی خروجی به‌منظور تعیین ویژگیهای سیستم کارستی سازند سورمه در آبخوان زیمکان استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهند که رفتار منحنی فرود جریان خروجی تونل مشابه با تخلیه چشمه‌های کارستی با سیستم مجرایی غالب است. شیب منحنی فرود در هفت روز ابتدایی زیاد و برابر 041/0 بوده است، ولی به‌مرور زمان و پیشرفت حفاری و افت 41 متری سطح آب در آبخوان کارستی سازند سورمه، شیب منحنی فرود کم و شبیه به تخلیه سیستم افشان محیط کارستی شده است. در نمودار فرود دبی تونل نوسود هر سه سیستم تخلخل مجرایی، شکستگی و زمینه به ترتیب با زمان‌های هفت، 48 و 87 روز به‌خوبی قابل تفکیک است. با توجه به شباهت تغییرات جریان خروجی تونل با تغییرات دبی چشمه‌های کارستی، از هیدروگراف آب نفوذی به تونل می‌توان به‌عنوان تخلیه در زیر تراز سطح اساس سیستم هیدرولوژیک کارست برای برآورد ذخیره دینامیک بخش بالایی مخزن کارست (بالاتر از تراز تونل) استفاده کرد.

واژههای کليدي: آبخوان کارستی، تونل انتقال آب نوسود، جریان مجرایی، منحنی فرود

مقدمه

ورود آبهای زیرزمینی به تونلها میتواند دارای خطر بالقوه باشد و همچنین یکی از عوامل مؤثر در کاهش سرعت حفاری تونل است(Li et al., 2009) . برآورد مناسب از میزان جریان ورودی به تونل در انتخاب تراز تونل، تزریق، نصب پوشش، برنامه زمان‌بندی و برآورد هزینه حفاری اهمیت زیادی دارد.(Fernandez and Moon, 2010) ناصری و همکاران (1397) با ارزیابی جریانهای مقطعی آب زیرزمینی با دبی بالا در 4/17 کیلومتر ابتدایی قطعه دوم تونل نوسود نتیجه گرفتند، حجم زیادی از جریان آب ورودی به تونل به‌صورت متمرکز از درزه‌ها و یا پهنه‌های گسله و خرد شده صورت میگیرد. ساختارهای زمین‌شناسی همانند گسل‌ها و شکستگی‌های باز معابر مناسبی را برای ورود آب فراهم کرده‌اند. بنابراین ارزیابی جریان، بر اساس ویژگیهای ساختارهای زمین‌شناسی نسبت به روشهای تحلیلی و تجربی مناسب‌تر است (Zarei et al., 2011).

پیش‌بینی آب ورودی به تونل در مناطق کارستی پیچیدگیهای زیادی دارد و شامل مسائل هیدروژئولوژی، زمین‌شناسی مهندسی، تکنولوژی ساخت و مکانیک سنگ است (Li and Li, 2014). رویه‌های فعلی برای تخمین آب ورودی به تونل با استفاده از روش‌های تحلیلی و تجربی است و شامل فرضیات ساده کننده محیط متخلخل همگن و ایزوتروپ اطراف تونل است که جریان را به‌صورت خطی فرض میکند، است. اما در کارست بیشتر جریان به‌صورت آشفته و غیرخطی است (Zhang and Chen, 1988). شناخت تقاطع شكستگي‌ها در مطالعات كارست به سبب تمركز جريان آب‌زيرزميني در محل تقاطع اهميت دارد، زیرا در محل تلاقی نفوذ بیشتر می‌شود و به همراه آن کارست بیشتر توسعه می‌یابد. اغلب فروچاله‌ها و حفرات کارستی، در پهنههای کارستی به این صورت تشکیل می‌شوند.

ارزیابی روشهای تحلیلی و تجربی در برآورد آب ورودی به قطعه دوم تونل زاگرس نشان داد، این روشها در پهنههای کارستی از دقت لازم برخوردار نیستند (بیات، 1394) و میتوانند موجب تأخیر در حفاری و افزایش هزینه شوند. حفاری تونل‌ها در پهنه‌های کارستی و آبدار با مجاری و کانال‌های زیرزمینی، با مشکل هجوم ناگهانی آب زیاد به داخل تونل در هنگام حفاری روبرو می‌باشند. برخورد به لایه‌های کارستی در هنگام حفاری باعث به وجود آمدن مشکلات پیش‌بینی نشده، غرقاب شدن تونل، وارد شدن خسارت به تجهیزات ساخت تونل و کارکنان، کند شدن روند حفر تونل و در نهایت توقف عملیات اجرایی می‌شود. تونل‌های انتقال آب کوهرنگ (Foladgar, 2003- Zarei et al., 2012) و سبزکوه در استان چهار محال و بختیاری و تونل نوسود در استان کرمانشاه (Shahriar et al., 2008) نمونه‌هایی از تونلهای درگیر با مشکلات سازندهای کارستی در ایران می‌باشند. از این‌رو بررسی کارست در مسیر تونل‌ها از جمله مسائلی است که باید برای آن اهمیت ویژه‌ای قائل شد. در چند دهه اخير به علت پديد آمدن مشكلات كم آبي و ارتباط پديدههاي كارستي با مسائل منابع آب، كارست به‌طور روزافزون مورد توجه قرار دارد. از جمله اين مطالعات، شناخت ویژگی‌های كارست براساس، شاخص‌های هيدروگرافي چشمه‌ها است، پژوهشگراني همچون(2006) Komac، Atkinson (1997)، (1993) Bonacci، (1993) Mudry و (1990) Korkmaz به این موضوع پرداخته‌اند. بيشترِ اين مطالعات كه داراي تحليل هيدروژئولوژيك میباشند به‌نوعی دنباله‌رو مدل هیدروتکنیکی مایلت (Maillet, 1905) هستند.

در مرداد ماه 1394 با برخورد مته TBM به مجرای کارستی سازند سورمه در هنگام حفاری تونل نوسود، هجوم آب به تونل با دبی اولیه حدود 7/4 متر مکعب در ثانیه رخ داد. به‌مرور زمان دبی آب خروجی از تونل با افت سطح آب در حریم تونل کاهش یافت به‌طوری‌که در خرداد ماه 1395 دبی خروجی از تونل به 3/1 متر مکعب در ثانیه رسید.

هدف اصلی این پژوهش بررسی متغیرهای کلیدی در ورود آب به قطعه دوم تونل زاگرس، که موجب هجوم جریان ناگهانی به داخل تونل شده است، می‌باشد. به این منظور ابتدا ضرایب تخلیه با استفاده از منحنی فرود تعیین شد. سپس نمودار گل‌سرخی درزه‌های برداشت شده صحرایی در دره زیمکان با نمودار گل‌سرخی خطواره‌های استخراج شده حاصل از تصاویر ماهوارهای مقایسه شده‌اند. همچنین دبی در ماههای مختلف حفاری مورد بررسی قرار گرفت. حداکثر دبی 39/4156 لیتر در ثانیه در متراژ 18900 می‌باشد (مهندسین مشاور ایمن‌سازان، 1394، الف) که کانالهای کارستی و گسلها عامل اصلی هدایت‌کننده آب زیرزمینی میباشند. دبی آب ورودی به قطعه دوم تونل زاگرس توسط متغیرهای مختلفی کنترل میشود و پیچیدگی‌های زیادی را به همراه داشته است.

موقعیت جغرافیایی و راه‌های دسترسی به گستره مورد مطالعه

گستره مورد نظر از نظر تقسیمات کشوری در شمال غربی استان کرمانشاه و در نزدیکی مرز ایران و عراق واقع شده است. گستره بيشتر كوهستاني و در شمال غرب كرمانشاه و باختر پاوه در ناحيه مرزي قرار دارد. راه اصلی برای دسترسی به گستره مورد مطالعه، راه آسفالته کردی قاسمان به هماجگه که در بخشی از مسیر به‌صورت خاکی ادامه می‌یابد،میباشد (شکل 1). ورودي تونل نوسود در مختصات طـول شرقي ״10 ׳6 ˚34 و عرض شمالي ״30 ׳10 ˚45 که در فاصله تقريبي دو کيلومتري جنوب‌شرقی بخش ازگله واقع شده است. خروجي آن در مختصات جغرافيايي طـول شرقی ״11 ׳51 ˚34 و عرض شمالي ״49 ׳52 ˚45 واقع شده است و در فاصله تقريبي 300 متري شمال‌غرب روستاي بانيلوان قرار دارد.

زمین‌شناسی گستره مورد مطالعه

سازندهای زمین‌شناسی گستره مورد مطالعه شامل واحدهای سنگی دوران دوم و سوم و رسوبات کواترنری هستند. دولوميت با ميان لايه‌هاي آهك مارنی و شیلی و برش‌های تودهای سازند خانه کت، قدیمی‌ترین واحد سنگی واحد رخنمون يافته در گستره مورد مطالعه است و در هسته تاقدیس زيمكان رخنمون دارد. سنگ مارن و آهک مارنی متوسط لایه تا نازک لایه كه گاهی با ميان لايه‌هايی از تبخيري‌ها (انیدریت) و شيل سازند نیریز همراه است که مشخص‌ترین واحد سنگی در گستره مورد مطالعه است (آقانباتی، 1383). واحدهای آهکی ژوراسیک شامل سازند آهکی سورمه، شیلهای گورپي، آهک ايلام، آهک‌رسی نازک لایه و شیلهای گرو دیگر واحدهای سنگی در مسیر تونل میباشند (شکل 2).

$C:\Users\bayat\Desktop\واتساپ\dr.bayat\dr.bayat\موقعیت منطقه.jpg$

$C:\Users\bayat\Desktop\واتساپ\dr.bayat\dr.bayat\جاده دسترسی جدید.jpg$

شکل 1. موقعیت جغرافیایی قطعه دوم تونل نوسود

$C:\Users\bayat\Desktop\موقعیت.jpg$

شکل 2. نقشه زمین‌شناسی گستره مورد مطالعه (سازمان زمین‌شناسی کشور 1386، شرکت ملی نفت ایران 1388)

گستره مورد مطالعه تحت تأثیر حرکات تکتونیکی جوان کوهزاد زاگرس، گسل‌خوردگی و چین‌خوردگی پیدا کرده است. سطح محوری تاقدیس‌ها و ناودیس‌ها اغلب قائم و امتداد آن‌ها شمال غرب به جنوب شرق است. شدت چین‌خوردگی در گستره قطعه دوم تونل زاگرس کمتر از گستره قطعه اول است. علت آن قرار گرفتن قطعه اول در پهنه زاگرس مرتفع که گسل‌های فشاری معکوس زیادی در آن ایجاد شده است، می‌باشد. گستره مورد مطالعه تحت تأثیر گسلش راندگی و امتدادلغز متعدد قرار دارد. بیشتر گسل‌های واقع در مسیر تونل، گسل‌های معکوس می‌باشند و شیبی به سمت شمال شرق دارند. گسل‌های امتدادلغز از فراوانی کمتری برخوردارند. با بررسی‌های ساختاری و پیمایش‌های انجام شده توسط موسسه ایمن‌سازان، 12 پهنه گسلی برداشت شده و دو پهنه گسلی امتدادلغز و 10 پهنه گسلی به‌صورت راندگی است. شناسایی گسل‌ها با برداشت‌های دقیق سطحی انجام شده است که برخی دارای شواهد مستقیم و برخی با شواهد غیرمستقیم تشخیص داده شده‌اند. برخی گسل‌ها نیز با داده‌های زیرسطحی از جمله داده‌های حاصل از گمانه‌ها ژرف‌نگری شده‌اند. البته لازم به ذکر است برخی از این راندگی‌ها در نزدیکی محور تونل هستند و در نیمرخ تونل نشان داده نشده‌اند (شکل‌های 3 تا 5).

شکل 3. موقعیت ساختارهای گستره محور تونل.( الف) مهندسین مشاور ایمن‌سازان 1394، ب) مهندسین مشاور ایمن‌سازان 1394)

الف

شکل 4. الف) قطع‌شدگی امتدادی لایهها پس از برخورد به پهنه گسلی SF1 (دید به سمت شرق)، ب) موقعیت راندگی TF2 (دید به سمت شمال غرب)، پ) موقعیت راندگی TF5 در جنوب روستای هماجگه (دید به سمت شرق)، ت) راندگی TF3 در فاصله حدود 2 کیلومتری خاور محور تونل (باعث راندگی بخشهای زیرین این واحد بر روی بخشهای بالایی)، (دید به سمت جنوب شرق)، ث) موقعیت راندگی TF6 در شمال روستای هماجگه در مسیر تونل (دید به سمت شمال شرق)، ج) موقعیت راندگی TF5 در مجاور رودخانه زیمکان (دید به سمت شمال شرق)، چ) پهنه خرد شده راندگی (مهندسین مشاور ایمن‌سازان، 1394 - الف، مهندسین مشاور ایمن‌سازان، 1394- ب، مهندسين مشاور پارس کانه کیش، 1385)

[1] * نویسنده مرتبط: Nbayat87@yahoo.com

$C:\Users\saber\Desktop\profile.jpg$

شکل 5. مقطع تونل نوسود در گستره تاقدیس زیمکان (الف- مهندسین مشاور ایمن‌سازان، 1394، مهندسین مشاور ایمن‌سازان، 1394؛ ب - مهندسین مشاور لار، 1383) و آب ورودی به تونل

شاید یکی دیگر از ساختارها در گستره مورد مطالعه که باعث هجوم جریان آب به داخل تونل شده است، تشکیل سدل ریف¹ میباشد. این ساختار شاید در تاقدیس زیمکان در فاصله بین 20200 تا 21000 وجود دارد و باعث ورود حجم زیادی از آب به داخل تونل شده است (شکل 6). دو مکانیسم چین‌خوردگی مختلف برای دو سنگ با ویژگیهای مکانیکی مختلف باعث ایجاد این ساختار میشود. در این حالت لایه بالایی با سازوکار جناغی و لایه پایینی بهصورت مدور چین میخورد و باعث ایجاد یک فضای خالی میشود که معبر مناسبی برای جریان آب زیرزمینی را فراهم میکند. به این فضاهای خالی سدل ریف گفته میشود (Ramsay and Huber, 1987).

$C:\Users\saber\Desktop\Untitled-1.jpg$

شکل 6. شکل شماتیک سدل ریف

هیدروژئولوژی گستره مورد مطالعه

آهك سازند ایلام و همچنین دولومیت‌های سازند سورمه در تاقديس زیمکان با داشتن درز و شکاف‌های فراوان و وجود لايه شيل آهكي در زير آن‌ها، بستر مناسبي را براي تشكيل آبخوان فراهم کرده‌اند. آبخوانهای کارستی گستره مورد مطالعه در سازندهای کربناته ایلام- سروک با مساحت 153/92 کیلومتر مربع و سورمه با مساحت 54/239 کیلومتر مربع تشکیل شده‌اند.

روش مطالعه

بررسی داده‌های ایستگاه‌های هیدرومتری بالادست و پایین‌دست تونل نشان میدهد، بین رودخانه زیمکان و تونل نوسود ارتباط هیدرولیکی وجود دارد. زیرا میزان دبی آب رودخانه قبل و بعد از محور تونل به میزان 1/0 متر مکعب در ثانیه کاهش می‌یابد (جدول 1) و حاکی از تغذیه آبخوان توسط رودخانه است. بنابراین زمانی‌که حفاری تونل در موقعیت زیر رودخانه قرار میگیرد، جریان ورودی به تونل تحت تأثیر تغذیه ناشی از رودخانه قرار دارد.

جدول 1. دبی‌ اندازه‌گیری شده رودخانه زیمکان برحسب لیتر بر ثانیه (مهندسین مشاور ایمن‌سازان، 1394- الف، مهندسین مشاور ایمن‌سازان،1394- ب)

ایستگاه‌ هیدرومتری رودخانه زیمکان					تاریخ اندازه‌گیری
A	B	C	D	شاه‌گذر	تاریخ اندازه‌گیری
411	507	516	550	350	خرداد94
380	490	510	540	345	تیر 94
380	495	511	542	345	مرداد 94
354	455	475	500	310	شهریور 94
350	460	479	494	305	مهر 94
950	1059	1080	1100	900	آبان 94
780	898	920	945	750	آذر 94
775	890	912	942	740	دی 94
774	891	910	940	740	بهمن 94
782	905	932	960	750	اسفند 94
895	1008	1015	1040	860	فروردین 95
781	890	905	940	740	اردیبهشت 95

خطواره‌های گستره مورد مطالعه با استفاده از تصویر ماهواره‌ای IRS و فیلترهای Laplacian وHigh Pass در نرم‌افزار Envi v5.1، همچنین با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای لندست (باند پان‌کروماتیک²) در محیط نرم‌افزار PCI Geomatica استخراج شد. در استخراج خطواره‌ها به‌صورت خودکار، نرم‌افزار به‌طور اشتباه جاده‌ها، خطوط انتقال کانال‌های آب، مرز زمین‌های کشاورزی، ستیغ ارتفاعات و غیره را به‌صورت خطواره نشان داده است. در صورت استفاده از این خطواره‌های غیرواقعی، خطا اتفاق می‌افتد. بنابراین، این خطواره‌های غیرواقعی باید حذف شوند. برای حذف خطواره‌های غیرواقعی، خطواره‌های استخراج شده از این دو نرم‌افزار را به نرم‌افزار Google Earth برده و خطواره‌های مشکوک که در بالا اشاره شد، حذف شدند. شکل 10 خطواره‌های تصحیح شده را نشان می‌دهد. برای به دست آوردن خطواره‌های گستره مورد مطالعه با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای Bing در افزونه Arc-brutile، در محیط نرم‌افزارGIS اقدام صورت گرفت و در نهایت با تطابق خطواره‌های استخراج شده از این سه نرم‌افزار نقشه خطواره‌ها و تقاطع خطواره‌ها تهیه شد (شکل10).

سپس از روی خطواره‌ها استخراج شده در محیط نرم‌افزار GIS، نقشه تقاطع خطواره‌ها گستره به دست آمد. با استفاده از تابع density از ابزار spatial analyst tools در نرم‌افزار GIS نقشه چگالی خطواره‌های گستره تهیه شد. به‌منظور تعیین روند شکستگیهای گستره و نمایش گرافیکی آن از نمودار گل‌سرخی استفاده شده است. نمودار گل‌سرخی شکستگیهای گستره، بر اساس شکستگی‌های استخراج شده رسم شده است. جهت یافتن روند کلی شکستگیهای گستره، با استفاده از نرم‌افزار lineament statistics در محیط GIS مجموع فراوانی محاسبه شده است.

جریان ورودی به تونل در محل مغار

بررسي و تحليل هيدروگراف چشمهها روشي براي ارزيابي سیستم جریان و ميزان كارستي بودن مخزن آن می‌باشد. تخليه سیستم‌های کارستی بیشتر در تراز سطح اساس هیدرولوژیک از طريق چشمه‌ها صورت مي‌گيرد. در حقیقت ضریب فرود نشان‌دهنده میزان کارست شدگی در آبخوان آهکی است. در این پژوهش برای تحلیل سیستم کارست از آمار دبی روزانه آب ورودی به تونل نوسود (به‌عنوان تخلیه کننده سیستم کارستی) و داده‌های روزانه سطح آب چاه‌های مشاهده‌ای در دره زیمکان استفاده شده است. با تحلیل هیدروگراف آب خروجی از تونل نوسود به محاسبه و تحليل پارامترهايي همچون، حجم ذخيره ديناميكي، زمان مرگ آب ورودی به تونل، ضرايب فرود و تعیین سهم انواع تخلخل در تخلیه آب در سیستم پرداخته شده است. مناسب‌ترين زمان براي تجزيه و تحليل منحنی فرود گستره هیدروگراف آب خروجی تونل، پس از باران‌هاي بهاري كه ورودي سطحی به سيستم در عمل صفر است. در حقیقت در اين زمان آبخوان در مرحله تخليه مداوم است و اين تخليه به‌وسیله آبدهي تعیین شده است. برای برآورد و تحليل ميزان ضريب فرود از دو روش خط برازش منحني فرود چشمه‌ها به‌صورت توانی از عدد نپرین (e) در نمودار فرود و فرمول تجربي مایلت (Maillet, 1905) استفاده شده است. بر اساس مباني نظري و معادله‌ای كه مايلت براي منحني پسروي در يك دورة خشك به كار گرفت، مي‌توان به اطلاعات و داده‌هاي كمي مربوط به توانايي تخليه آبخوان‌ گستره دست يافت. معادله‌ای که به بررسی ضریب تخلیه α می‌پردازد، از طریق زاویه تانژانت بین خط مستقیم و محور افقی بیان می‌شود. ضریب تخلیه نتیجه ویژگیهای هیدروژئولوژیک گستره کارستی (فضاهای خالی مؤثر و قابلیت انتقال آبخوان) و شاخص توانایی تخلیه آبخوان است. طبق رابطه1 می‌توان ضریب تخلیه را محاسبه کرد:

در این رابطه، دبی در زمان t برحسب متر مکعب بر ثانیه، دبی در زمان برحسب متر مکعب بر ثانیه، α ضریب تخلیه تونل و t زمان بر حسب روز است.

نمودار شکل 7 تغییرات دبی تونل نوسود و تراز سطح آب گمانه در دره زیمکان در سال آبي 1394 را نشان میدهد.

نمودار مربوط به منحني فرود دبی تونل به‌گونه‌ای كه محور افقي آن زمان بر حسب روز و محور عمودي دبي تونل بر حسب مترمکعب بر ثانیه با مقياس نيمه لگاريتمي است. با تحلیل نمودار فروکش آبدهی تونل در طول دوره خشک، سه ضریب تخلیه را می‌توان مشخص کرد. به عبارتی هر یک از این ضریب‌ها، نمایانگر یک رژیم تخلیه می‌باشند. حجم ذخيره ديناميكي نيز به‌عنوان عاملي كه نتيجة شرايط خاص زمين‌شناسي و بازخوردی از توسعه كارستي يك گستره است، از طريق رابطه2 به دست می‌آيد:

رابطه 1

در این رابطه حجم ذخیره دینامیکی مخزن،Q01 ،Q02 ، Q03دبی و 01α، 02α، 03α ضریب تخلیه می‌باشند.

غغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغغ

شکل 7. نمودار تغییرات دبی تونل نوسود و تراز سطح آب گمانه در دره زیمکان

همان‌طور که در شکل 8 مشاهده می‌شود، دبی تونل بعد از برخورد به حفره کارستی در هنگام حفاری (خرداد 94) که طبق گزارش موسسه ایمن‌سازان نزدیک به 4700 لیتر بر ثانیه است، به 1135 لیتر بر ثانیه در دی 94 کاهش یافته است و از دی ماه 94 تا اردیبهشت 95 دبی آب ورودی به تونل روند صعودی داشته و به حدود 1550 لیتر بر ثانیه افزایش یافته است. دلیل آن می‌تواند تأثیر بارش‌های رخ داده در زمستان و بهار باشد. تحلیل هیدروگراف آب ورودی به تونل و مقایسه آن با میزان بارش‌های صورت گرفته بر روی گستره نشان می‌دهد، بین بارش و افزایش آب ورودی به تونل رابطه‌ای وجود دارد و تأثیر بارش‌ها چند روز بعد از پیک بارش بر روی آب ورودی به تونل نمایان می‌شود. شکل 8 رابطه بارش گستره با افزایش آب ورودی به تونل را نشان می‌دهد.

$C:\Users\bayat\Desktop\2 نمودار.jpg$

شکل 8. نمودار آب ‌ورودی به تونل و ارتباط آن با بارش

بحث

بر اساس تحلیل منحنی فرود تونل نوسود (شکل 9) مقدار ضریبهای تخلیه طبق رابطه 1 محاسبه شد. بر این اساس ، و به ترتیب04063/0، 01448/0 و 0026/0 در زمان‌های به ترتیب هفت، 48 و 87 روز به دست آمد. تجزیه و تحلیل ضریب تغییرات با توجه به کاهش ضریب تخلیه () با گذشت زمان، نشان می‌دهد، سیستم جریان غالب منطقه، شکستگی - افشان است و نشان‌دهنده توسعه کارست شدگی متوسط در منطقه است. مقدار ضریب‌های تخلیه نشان می‌دهد، در ابتدا، تخلیه جریان آب متأثر از کانال‌ها و مجاری بزرگ در سیستم کارست بوده است (1α) و پس از هفت روز جریان آب از مجاری بزرگ اهمیت خود را از دست داد و جریان آب تخلیه‌ای از درز و شکاف‌های باریک‌تر بوده است (2α)، در ادامه آب از منافذ درز و شکاف‌های بسیار باریک (3α) (تحت سیستم جریان افشان) تخلیه شده است. هر چه ضریب تخلیه بزرگ‌تر باشد، دبی تخلیه از تونل به همان نسبت بیشتر صورت می‌گیرد. مهم‌ترين نكته در تفسير ويژگي‌هاي هيدروژئولوژي حوضه آبگیر يك چشمه، توجه به ضريب در فرود انتهايي چشمه است، چرا كه ضریب تخلیه پاياني مؤيد خصوصيات عميق‌ترين بخش آبخوان است و جریان پایه را از طریق تونل تخلیه می‌کند. در رژیم در مدت زمان 87 روز دبی خروجی تونل از 1730 به 1379 لیتر در ثانیه کاهش یافته است.

شکل 9. منحنی فرود دبی تونل نوسود

محاسبات بر اساس روش مایلت نشان می‌دهد، حجم ذخیره دینامیک آبخوان کارستی سورمه در تراز بالاتر از محور تونل حدود 45 میلیون متر مکعب است. با توجه به رفتار تخلیه تونل که شبیه رفتار چشمه‌های کارستی است می‌توان با داشتن ضرایب تخلیه، زمان خشک شدن تونل را در صورت ادامه دوره خشک (بدون بارش) بر اساس رابطه3 محاسبه کرد :

رابطه 2

در این رابطه مدت زمان تخلیه چشمه با دبی (ضریب خشکیدگی) و برابر 4343/0 می‌باشد. بر اساس محاسبات روش مایلت، انتظار می‌رود این حجم ذخیره (45 میلیون متر مکعب) در صورت نبود بارندگی با توجه به رابطه 3، در مدت 1628 روز معادل (5/4 سال) از آغاز دوره خشک از تونل خارج شود و سپس تونل خشک شود. البته این زمان همان‌طور که اشاره شد بدون در نظر گرفته احتمال برخورد به مجاری و شکستگی آبدار پیش رو در طی حفاری آتی تونل و با در نظر گرفته ثبات شرایط فعلی و بدون تغذیه سالانه محاسبه شده است.

تعداد خطواره‌های گستره مورد مطالعه 2991 میباشد و حداقل طول 46 متر و حداکثر طول 15162 متر است (شکل 10).

شکل 10. خطواره‌های حوضه آبریز رودخانه زیمکان

با توجه به نمودار گل‌سرخی شکستگیهای گستره (شکل 11) روند شکستگی‌های گستره در جهتهای شمال شرق و جنوب غرب می‌باشد (عمود بر روند چین‌خوردگی‌های گستره) و بیشترین فراوانی شکستگی‌های گستره در محدوده آزیموتی 30 تا 60 درجه قرار دارد. با توجه به روند محوری چین‌خوردگی گستره، بیشتر این شکستگیها از نوع عرضی است و نقش اصلی در انتقال آب (نفوذ) به تونل را دارند. شکستگی‌های طولی در روند محور چین‌خوردگی قرار دارند. روند خطواره‌های استخراج شده گستره نشان می‌دهد، خطواره‌های استخراج شده به‌احتمال زیاد جنبه ساختاری دارند.

شکل 11. نمودار گل‌سرخی شکستگی‌های استخراج شده از تصاویر ماهواره‌ای حوضه آبریز رودخانه زیمکان

تقاطع شکستگی‌های حوضه آبریز رودخانه زیمکان در شکل 12 نشان داده شده است. نقشه چگالی خطوارهها بر حسب درصد به 10 رده تقسیم‌بندی شد و با توجه به اینکه چگالی خطواره بیشتر معرف نفوذ بیشتر و به‌تبع تغذیه بیشتر می‌باشد به چگالی‌های بیشتر ارزش بیشتر داده شد (مناطق دارای ارزش 10 حداکثر چگالی درزه و مناطق دارای ارزش یک حداقل چگالی درزه را دارا می‌باشند). نقشه چگالی خطواره‌ها حوضه آبریز رودخانه زیمکان در شکل 13 نشان داده شده است.

شکل 12. تقاطع شکستگی‌های حوضه آبریز رودخانه زیمکان

شکل 13. طبقه‌بندی چگالی خطواره‌های حوضه آبریز رودخانه زیمکان

برداشتهای صحرایی ناپیوستگیها

در گستره مطالعاتی تاقدیس زیمکان، دسته درزههایی با جهت شیب 300 تا 305، 150 تا 160، 80 تا 90 و 320 تا 330 دارای بیشترین فراوانی میباشند (مهندسين مشاور ساحل، 1385). نمودار گل‌سرخی این درزهها در شکل 14 نشان داده شده است. جهت ناپيوستگيها (لايهبندي، شيستوزيته) به‌عنوان يك عامل مهم در شروع و توسعه جابجایی‌ها در اطراف تونل عمل ميکنند. همچنین در مسير تونل چند گسل كه پهنههاي خرد شدهاي را در اطراف خود ايجاد کردهاند، شناسایی شد. با وجود ساز و کار فشاري گسلهاي مورد بحث، ليتولوژي سنگهاي در بر گيرنده باعث ميشود، ضخامت پهنه خرد شده آنها چندان زياد نباشد. پهنه خرد شده cz1 دارای پهنای تقريبي 25 الي 30 متر است. در متراژهاي تقريبي 2000 تا 2100 متر از انتهاي تونل پهنه خرد شده ديگري كه در اثر فعاليت گسل معكوسي در همين بخش ايجاد شده است، تشخیص داده شد. پهناي اين پهنه خرد شده با توجه به ساختارهاي خرد شده موجود در گستره آن در حدود 100 متر برآورد ميشود. خرد شدگي سنگها در اين پهنهها ميتواند ضمن زهكش کردن آبهاي زيرزميني به سمت تونل، ريزشهايي را در تونل باعث شود.

شکل 14. نمودار گل‌سرخی شکستگی‌های برداشت شده حوضه آبریز رودخانه زیمکان

مدل مفهومی آبخوان کارستی مورد مطالعه در شکل 15 نشان داده شده است.

$C:\Users\bayat\Desktop\a.jpg$

شکل 15. مدل مفهومی از آبخوان کارستی

نتیجه‌گیری

تخمین دبی ورودی به تونل در گستره کارستی دره زیمکان مسئلهای پیچیده است و متغیرهای مختلفی بر آن تأثیر گذاشته است. رودخانه زیمکان و ساختارهای پیچیده تکتونیکی منطقه از یک سو و کارستی بودن گستره از سوی دیگر باعث هجوم جریان آب به داخل تونل شده است. بر اساس تجزیه و تحلیل منحنی فرود دبی تونل و همچنین ضرایب تخلیه به دست آمده چنین استنباط می‌شود، تونل نوسود در گستره دره زیمکان از یک توده آهکی با تکامل درجه متوسط کارستی تغذیه می‌شود و نبود توسعه کامل کارست در توده آهکی باعث تأخیر در پایان هجوم آب ورودی به تونل شده است. نتایج نشان می‌دهد سه رژیم کارستی تیپیک در کارست دره زیمکان در گستره تونل نوسود وجود دارد. سه رژیم تخلیه برای آبخوان کارستی بیان شده با ضرایب 04063/0، 01448/0 و 0026/0 منطبق با سه نوع سیستم جریان مجرایی، شکستگی و زمینه‌ای مشخص شده است. با بررسی منحنی فرود دبی تونل، حجم ذخیره دینامیک این آبخوان برابر 45 میلیون متر مکعب و زمان مرگ آب ورودی به تونل از طریق سیستم کارستی 1628 روز (معادل 5/4 سال) محاسبه شد. البته این زمان بدون در نظر گرفتن احتمال برخورد به مجاری و شکستگی آبدار پیش رو در طی حفاری تونل و با در نظر گرفتن ثبات شرایط فعلی و بدون تغذیه سالانه محاسبه شده است. نمودار گل‌سرخی درزه‌های برداشت شده صحرایی و درزه‌های حاصل از تصاویر ماهواره‌ای دارای جهت یکسانی هستند، بنابراین در مقدار دبی ورودی به تونل مؤثر میباشند.

منابع

Hydrodynamic Behavior of Soremeh Carbonate Formation on Groundwater Inflow to Nowsud Tunnel in Zimkan valley region, Kermanshah

Nassery, H.R.1, Bayat, N.2 and Ezzati Feyz, J.3

1- Professor of Hydrogeology, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshshti University

2- PhD student in Hydrogeology, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshshti University, Tehran

3- Graduated from Master of Hydrogeology, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran

Abstract

Groundwater control is an important issue during underground excavation in fractured rocks. More than any other factor, the lack of groundwater control can cause costs to rise.

In this study, the characteristics of the Soremeh Formation in Zimkan aquifer were analyzed using the recession curve of discharge water from the tunnel. The results show that behavior of the recession curve of discharge water from the tunnel is similar to discharge of the conduit flow system of karst springs. In the first seven days, the slope of the recession curve was high and equal to 0.041, but over time in considering to progress of tunnel excavation and 41 meters groundwater table drawdown in karstic aquifer of Soermeh Formation; the slope of the recession curve decreased and it has become similar to diffuse flow system of the karstic aquifer. In the recession curve of discharge water from the Nowsud Tunnel, all three porous systems, including conduit, semi conduit and diffuse are properly identifiable in time intervals of seven, 48, and 87 days respectively. In consideration to similarities in the behavior of discharge water from the tunnel with karst springs, the hydrograph of recharge water into the tunnel can be used as a discharge below the base level of the karst hydrologic system in order to assess the dynamic reserve of the upper karst aquifer (above the tunnel level).

Keywords: Karst aquifer, Nowsud Tunnel, Conduit flow, Recession curve

[1] Saddle reef

[2] Band panchromatic

رابطه 3

Share To

Article Url

Hydrodynamic behavior of Soremeh Carbonate Formation on groundwater inflow to Nowsud Tunnel in Zimkan valley region, Kermanshah