Pars Geology

تعریف کارست :

اصطلاحاً به پدیده خوردگی و انحلال توده سنگهای کربناته کارست گفته میشود. این پدیده در سایر سنگهای انحلال پذیر مانند سنگهای سولفاته و کلروره نیز اتفاق می افتد. پدیده کارست در سنگهای آواری نیز قابل مشاهده است. برای مثال ماسه سنگها و کنگلومراهای دارای سیمان کربناته و یا سولفاته تحت تأثیر انحلال کارستی قرار خواهند گرفت.

اهمیت کارست:

اکثر مناطق آبدار کشور در امتداد کوهای زاگرس  متمرکز است که در آن  مناطق کارستی زیاد است. آب شرب 25% از جمعیت جهان از منابع آب موجود در سنگهای کارستی تأمین میشود. منابع فراوانی از آب زیرزمینی مناسب به صورت آبخوانهای کارستی در زاگرس جنوبی، زاگرس شمالی، البرز و ایران مرکزی وجود دارد. سنگهای کربناته همچنین میزبان 50% منابع هیدروکربور جهان هستند. منابع مناسبی از نقره، سرب،  روی و بوکسیت در مناطق کارستی وجود دارند.

دلایل شکل گیری کارست:

 کارست پدیده ای در پوسته زمین است که آثار آن به صورت اشکال مختلف از قبیل حفرات و غارها در سطح  و در زیر سطح وجود دارد. علت ایجاد چنین پدیده ای به وجود شکستگی ها و قابلیت انحلال توده سنگ مربوط میشود که در نتیجه آن یک سیستم آب زیرزمینی میتواند شکل بگیرد. بنابراین شکل گیری یک سیمای کارستی در گرو وجود دو عامل است:

اول این که توده سنگ قابلیت انحلال داشته باشد

و دوم اینکه زمینه تشکیل یک سیستم جریان آب زیرزمینی فراهم گردد.

با تعریف گفته شده 27% پوسته زمین از کارست تشکیل شده است.

رده بندی کارست:

1)براساس شرایط ژئومورفولوژیکی

-کارست کامل

-کارست ناقص

-کارست انتقالی

2)براساس شرایط هیدروژئولوژیکی

-کارست مسطح یا سکویی

-کارست ناودیسی

3)براساس شرایط تکتونیکی

-کارست قبل از کوهزایی(ستونی،چین خورده،حوضه ای،عمیق)

-کارست کوهزایی (عدسی شکل،کوهزایی چین خورده،کوهزایی خرد شده)

4)براساس قدمت زمین شناسی

-کارست قدیمه

-کارست جوان

5)براساس عمق کارستی شدن

-کارست عمیق

-کارست کم عمق

انواع دیگر کارست:

-کارست باقی مانده،

-کارست برجی بریده

کارست کاذب:

کارست کاذب به پنج صورت میتواند تشکیل شود.

-کارست حرارتی

-کارست آتشفشانی

-کارست هیدروترمال

-کارست رگابی

-کارست گرانیتی

تخلخل در زمین شناسی مهندسی کارست:

تخلخل اولیه در سنگهای آهکی و دولومیتهای ریز دانه کم است.این سنگها چنانچه فاقد درز و شکاف باشند ناتراوا محسوب میشوند.در سنگهای آهکی درشت دانه تخلخل اولیه ممکن است به بیش از 20% برسد.بعضی سنگهای کربناته مانند گل سفید ممکن است تلخل بالاتر از 50% داشته باشند.سنگ آهکهای مرجانی نیز بیش از 20%تخلخل دارند.

تخلخل اولیه در کارست چندان معمول نیست و فرآیند کارستی شدن تحت تأثیر تخلخل ثانویه است.وجود ناپیوستگی هایی که منشأ مختلف دارند میتواند به ایجاد تخلخل ثانویه منجر شود.این ناپیوستگی ها ممکن است ساختارهای تکتونیکی باشند،مانند شکستگی های کششی و برشی ویا ساختارهای رسوبی باشند.ساختارهایی مانند درزه های رهایی نیز ناپیوستگی محسوب میشوند.

برای مناطقی که در آنها کارستی شدن شدید است تخلخل ثانویه ممکن است به 10 تا 15% برسد که به طور محلی این تخلخل به 30% هم میرسد.حفرات ایجاد شده ناشی از تخلخل ثانویه مانند غارها و مجاری کارستی میتوانند توسط موادی مثل رس،سیلت،ماسه و شن پر شوند.بررسی های انجام شده بر روی سنگهی آهکی محل سد لار تخلخل ثانویه تا 21.5% دارند.

عمق کارست:

کارستی شدن با فعالیت شیمیایی و انحلال توده سنگ در امتداد بازشدگی های اولیه شروع میشود و با انتقال کربنات حل شده ادامه می یابدبه تدریج مجاری کارستی شکل گرفته و فراختر میشوند.مراحل کارستی شدن در مناطق مرتفع شدت بیشتری دارد.عمق کارستی شدن در نواحی مختلف متفاوت است.کارستی شدن در برخی نواحی مانند ناحیه کارستی دیناریک در یوگوسلاوی سابق میتواند تا عمق 2236 متری هم ادامه داشته باشد.ولی در همین منطقه در بعضی نواحی عمق کارستی شدن به 250 متر هم نمیرسد.

با افزایش عمق درجه کارستی شدن کاهش می یابد و در عمق بیشتر از 300 متر به صفر میرسد.ارقام مطرح شده به شرایط منطقه بستگی دارد و عوامل مختلفی بر آن تأثیر گذارند.

نقش تکتونیک در کارستی شدن:

علت اصلی نفوذپذیری سنگ ها کربناته وجود درزه هاست که امکان ورود آب و جریان یافتن آن را به داخل توده سنگ فراهم میکند.سیستم درزه های کششی معمولاً در ایجاد و توسعه کارست مهمتر هستند زیرا خود موجب تفکیک بلوکها میشوند.این درزه ها در تاقدیسها و در عمق ناودیسها فراوانند.

درزه های تشکیل شده در سطح شدت هوازدگی را بالا میبرند.درزه های عمود بر هم نیز نقش مهمی دارند.نواحی گسله مستعد کارستی شدن هستند و در این مناطق فروچاله ها و فرورفتگ های کوچک شکل میگیرند.

خرد شدن توده های سنگی موجب افزایش سطح تماس آب میشوند و انحلال افزایش می یابد.

ژئومورفولوژی کارست:

مراحل تشکیل اشکال مختلف ژئومورفولوژیکی در آهک با دولومیت متفاوت است.در آهکها شیبهای تند و خرد شدگی مواد نمایان است.دره های تشکیل شده در مناطق دولومیتی شیب آرام دارند.انواع پدیده های ژئومورفولوژیکی شامل موارد زیر است:

-کارن ها

-فروچاله ها

-دره های خشک

-چاه های کارستی

-غارها

-پولیه یا پولژه(دائمی،خشک،موقت)

-دشت کارستی

-طاق طبیعی

-پنجره های کارستی

-پونرها یا چاههای مکنده

سرعت آب در کارست:

معمولاً جریان آب در آبخوانهای کارستی آرام بوده و میانگین سرعت جریان آب در کارستهای دارای تخلخل زیاد عموماً کمتر از 1 متر در روز است که با جریان آرام یا خطی مطابقت دارد.البته کارستهایی هم وجود دارند که سرعت جریان در آنها برابر چند سانتی متر در ثانیه و یا بیشتر است.به عنوان مثال در کارستهای محدوده مخزن سد خاکی لار سرعت جریان آب در کارست از مخزن سد به سمت پائین دست بین 5 تا 12 سانتی متر در ثانیه است.

میتوان برای مناطق کارستی سرعت بین 0.002 تا 55 سانتی متر بر ثانیه را در نظر گرفت.البته مقادیر حداقل و حداکثر به ندرت یافت مبشوند.میانگین سرعت در کارستهای توسعه یافته 5 سانتی متر بر ثانیه است.

انواع تغذیه کارست:

1)تغذیه پراکنده

2)تغذیه نقطه ای

3)تغذیه مختلط

شرایط هیدرودینامیکی دره های کارستی:

مجاری کارستی در اثر افزایش قطرشان مقاومت کمتری در مقابل جریان آب نشان میدهند.مجاری زیرزمینی اشکال متغیری دارند.این مجاری در مناطق به شدت تکتونیزه و دارای شکستگی های متمرکز ممکن است در امتداد شکستگی های غالب به رودخانه های زیرزمینی منفرد وتا حدودی پیوسته تبدیل شوند.میزان تخلیه این رودخانه های زیرزمینی میتواند به چندین متر مکب در روز ثانیه برسد.حداکثر آبدهی در چشمه کارستی دومانلی در ترکیه به میزان 100 متر مکعب در ثانیه دیده شده است.

عمق جریان آب نیز از دیگر ویژگیهای دره های کارستی است.عمق کارستی شدن تا حدود 1200 متری زیر بستر بعضی از رودخانه ها گزارش شده است.

سطح زهکشی آب زیرزمینی:

عموماً آب زیرزمینی در کارست جریان می یابد تا خود را به سطح زهکشی یا تخلیه برساند.این جریان تنها تابع شیب توپوگرافی نیست و عوامل دیگری نیز بر روی آن مؤثر است از جمله ارتباط بین ساختمان هیدروژئولوژی و موقعیت آبخوان کارستی.

عموماًسطح زهکشی از شیب عمومی جهت حرکت آب زیرزمینی تبعیت میکند.

مطالعات زمین شناسی مهندسی در مناطق کارستی:

این مطالعات طی چهار مرحله انجام میشود:

1)جمع آوری اطلاعات و انجام کارهای دفتری

2)بازدیدهای صحرایی

3)مطالعات ژئوفیزیکی

4)مطالعات هیدروژئولوژیکی

آزمایش لوژان:

آزمایش لوژان که به آزمایش فشلر آب نیز معروف است جهت تعیین نفوذپذیری توده سنگهای کارستی و غیر کارستی به کار گرفته میشود.یک لوژن مقدار آبی است که در فشار 10 اتمسفر در طول یک متر از گمانه در واحد زمان تزریق میشود.آزمایش لوژان را میتوان در زیر و یا در بالای سطح ایستابی انجام داد.افزایش نفوذپذیری در سنگ حاکی از کاهش مدول الاستیسته سنگ است.

انحلال پذیری:

انحلال پذیری سنگ فرایندی است که با جریان یافتن آب بر روی سنگ ویا با نفوذ و حرکت آب در درون سنگ اتفاق می افتد.کانی های انحلال پذیر توسط آب حمل میشوند.

افزایش نفوذپذیری میتواند کارایی پرده تزریق را کاهش دهد.توسعه فضاهای خالی ناشی از انحلال سنگ میتواند موجب نشست سازه شود.

پدیده انحلال تابع عوامل متعددی است.عامل اساسی در فرآیند انحلال پذیری توده سنگ وجود شکستگی های به هم پیوسته است.در غیر این صورت عدم جریان یافتن آب در توده های سنگی موجب خواهد شد تا پدیده های انحلالی فقط در سطح سنگ مشاهده شود.عمده عوامل مؤثر در انحلال سنگ شامل موارد زیر است:

-ناپیوستگی های توده سنگ

-نوع مواد پرکننده ناپیوستگی ها

-ترکیب شیمیایی سنگ

-ترکیب شیمیایی آب

-درجه حرارت

-اسیدیته آب

-سطح در معرض تماس اب

-سرعت جریان آب

-نوع جریان (خطی،آشفته)

-حجم جریان عبوری آب

تعادل کربنات در آب کارستی:

آبهای کارستی ممکن است با وجود طی مسافت طولانی غیر اشباع باشند زیرا فاقد گازکربنیک بوده اند و قدرت خورندگی نداشته اند.درجه انحلال پذیری کلسیت به طور عمده از اسیدیته محیط تأثیر می پذیرد.معمولاًدر اسیدیته پائین انحلال سریعتر صورت میگیرد و در اسیدیته های بالا بیکربنات کلسیم محلول میتواند به صورت کربنات رسوب کند.

تعدادی از سازه های هیدرولیکی بناشده بر روی سنگهای انحلال پذیر در مقابل پدیده انحلال ایمن هستند زیرا که آبهای زیرزمینی قبل از رسیدن به سازه اشباع شده اند.

گسترش دهانه شکستگی ها و افزایش آبگذری:

در طبیعت و به منظور کنترل تراوش از توده سنگ های کارستی باید غارهای موجود پر شده و عمملیات تزریق تحکیمی در مواد پرکننده اجرا شود.برای کاهش تراوش آب از میان درزه های نسبتاًکوچک باقی مانده باید به این نکته توجه شود که عموماًدرزه های با عرض کم خطر گسترش کمتری نسبت به درزه های با عرض بزرگتر دارند.عرض بحرانی شکافها بسته به نوع کانی های انحلال پذیر متفاوت است و نحوه کنترل تراوش در انها نیز باهم تفاوت دارد.روش های کنترل تراوش از سنگهای کربناته با سنگهای سولفاته و کلروره متفاوت است.

به منظور آب بندی توده سنگهای آهکی دارای درزه های با دهانه 0.5 تا 1.5 mm و توده سنگهای سولفاته دارای درزه های با دهانه 0.2 تا 0.3 mm روش تزریق دوغاب پیشنهاد میشود.برای توده سنگهای سولفاته حاوی انیدریت با درزه های 0.1 تا 0.2 mm و سنگهای کلروره حاوی هالیت با درزه های 0.5 mm استفاده از دیوار آب بند با بتن پلاستیک توصیه میگردد.

برای سنگهای سولفاته غنی از ژیپس با عرض دهانه کمتر از 0.2 mm امکان عبور دوغاب وجود ندارد (به دلیل اندازه ذرات سیمان پرتلند)،در چنین شرایطی استفاده از دیوار آب بند همراه به کفپوش رسی روش مناسبتری است.

برای به دست آوردن عرض دهانه درزه ها میتوان از مسدود کننده های چرمی در حین آزمایش لوژان استفاده کرد.

اجرای پروژه های عمرانی در مناطق کارستی:

در پروژه های مهندسی اجرا شده در مناطق کارستی نشست زمین و ایجاد پدیده های ژئومورفولوژیکی کارست مانند تشکیل فروچاله ها از مشکلات متداولی است که در اغلب موارد به بروز خسارات مالی و جانی منجر میگردد.پدیده فرونشست به علت ایجاد گسیختگی در سنگهای انحلال پذیر در بعضی از مناطق شهری اتفاق می افتد.

مشکلاتی که کارست ایجاد میکند به 2 دست تکنیکی و بوم شناسی تقسیم میشود.نوع تکنیکی آن به ساختارها و سازه های بزرگ دست ساز بشر مربوط میشود.

مهمترین مشکلات تکنیکی فرونشست زمین،فرونشست در اطراف تونلها،نفوذ آب به پی سدها،ورود آب و گل در هنگام حفاری های زیرزمینی،نفوذ آب دریا در نزدیک ساحل،به هم خوردن تعادل عمومی آب زیرزمینی و... است.

در بسیاری از پروژه ها عملیات آب بندی به صورت موضعی مؤثر است.عملیات آب بندی نیازمند سرمایه،پشتکار و داشتن الگوی مناسب است.

در مواردی مانند سد لار بهبود و آب بندی با توجه به پول و زمان صرف شده کافی نبود.زیرا شرایط آب زیرزمینی پیچیده بوده و مسیرهای فرار آب عمیق بودند.

ساخت سد یا مخزن آن در محیط کارستی به معنای شکست طرح و فرار آب نیست.

برطبق شرایط ژئومورفولوژیکی و آبشناسی وابسته به تراوش،مکان سدها و مخازن در کارست میتواند در گروه های زیر قرار گیرد:

سدها و مخازن در دره های باریک و تنگ

سدها و مخازن در دره های رودخانه ای

سدها و مخازن در پولیه های کارستی

در دره های باریک و عمیق کارستی سطح رودخانه در سطوح پائین فرسایشی است.همانند اینکه فرسایش آبرفتی سریعتر از پروسه کارستی شدن است.ویژگیهای کارستی شدن در زیر سطح رودخانه نادر است.اینگونه سطح اساسهای رودخانه ای تراوش محدودی دارند.سطح آب در ارتباط با رودخانه است.سطح اساس کارستی شدن نزدیک عمق رود است.قسمتهای بالای سد و ساحل مخزن مستعد تراوش است.نمونه آن سد کارون 1 است.

نوع دوم نیازمند توجه بیشتری است.در این نوع کارستی شدن سریعتر از فرسایش آبرفتی است.

یکی از بدترین شرایط این است که کارستی شدن در اعماق زیادی از سطح اساس رود رخ دهد.مانند سدهای کبان و لار.در این نوع هزینه بهبود دوغابریزی به دلیل عمقی بودن زیاد است.

اجرای پروژه های مهندسی در مناطق کارستی در سه مرحله به ترتیب قبل از اجرا،در حین اجرا و در زمان بهره برداری به توجه و دقت نیازمند است.

زمین شناسی مهندسی پی های کارستی:

در مهندسی پی شناخت ضخامت خاک و یافتن عمق سنگ کف به منظور انجام طراحی از اقدامات اولیه می باشد که با کمک زمین شناس مهندس انجام میشود.ممکن است مهندسین عمران با توجه به میزان مقاومت و نفوذپذیری،لایه های آبرفتی را به عنوان سنگ کف در نظر بگیرند.چنین اقدامی با توجه به تفاوت در ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی آبرفت و سنگ منطقی به نظر نمیرسد.این موضوع ممکن است هنگام اجرای پروژه کوچک مشکل ایجاد نکند ولی در زمان بهره برداری میتواند مسئله ساز باشد.

زمانی که خاک روی سنگ پی انحلال پذیر قرار دارد،آب زیرزمینی به تدریج سنگ را حل کرده و در یک دوره زمانی طولانی آنرا به سنگ کارستی تبدیل میکند.حضور سنگ کف کارستی در زیر خاک در مهندسی پی مسائلی را به وجود می آورد که در سه بخش مرتبط باهم قابل بررسی میباشد.

1)تراکم متفاوت و نشست

2)فرسایش زیر سطحی یا رگاب

3)ایجاد فروچاله ها

پولیه های کارستی مکانهای پیچیده ای برای ساختگاه سد هستند.این جایگاهها زونهای عریض و بزرگ زهکشی دارند.در فصول خشک سطح آب زیر سطح افت می افتد.مهمترین ویژگیها کانالهای کارستی،ترکهای پوسیده پوشیده شده با گل و ترکهای باز بزرگ است.

مهمترین ریسک ساخت سد در مناطق کارستی فرار آب است.با بالا آمدن آب مجراهای قدیمی عبور آب فعال شده و مجراهای جدیدی نیز ایجاد میگردند.

خطر کارستی شدن در زمان انتخاب مکان و هنگام ساخت سازه بررسی میشود.بعد از ساخت نیز خطرات دیگری اضافه میشود.مانند افزایش لرزه خیزی.

گاهاًبه دلیل هزینه فراوان بررسی ها فقط در اعماق کم انجام میشود که احتمال وجود کارست در اعماق بیش از 100 متر زیاد است.

خطر ساخت سازه در مناطق کارستی به مراحل زیر تقسم بندی میشود:

-خطر هنگام انتخاب مکان سازه

-خر هنگام انتخاب تکنولوژی ساخت

-خطر مدیریت ساخت

-خطر عملیات ساخت

مهمترین خطر در مناطق کارستی طبیعت زمین شناسی است.

خطر تخریب در تونلها به دلیل حفاری با ماشین بیشتر از روشهای مرسوم است.یکی از مشکلات جدی زمان است.هرچه سرعت تخریب و انحلال بالاتر باشد خطر بیشتر است.

بدون شک تمام انواع سنگها باید بررسی و بهیابی شوند.این امر برای مخازن سدها به صورت بازرسی های سالیانه است.با توجه به وضعیت سنگ به 15 سال هم میرسد.

خطر بعدی استهلاک منابع طبیعی با آب است.تکرار فرایند سبب تخریب میشود.

تاًثیر بر اکولوژی:

ساخت سازه های بزرگ آبی سبب تغییر شرایط آب سطحی و زیر سطحی میشود.در مناطق کارستی گردش در آب زیرزمینی رخ میدهد.تعادل در آبخوان کارستی به هم میخورد.نتیجه آن به صورت تغییر کیفیت و دمای آب در چشمه های پائین دست ظاهر میشود.

در بیشتر موارد تاًثیرات منفی اکولوژیکی کمتر از تاًثیرات مثبت آن است.تاًثیراتی مانند ایجاد چشم انداز آبی،بهبود آبیاری،زهکشی و بهبود پوشش گیاهی.

پر شدن ناگهانی آبخوان کارستی سبب ایجاد ریز لرزه هایی میشود.این لرزه ها به دلیل حضور جمعیت در اطراف سازه باید به دقت ثبت و بررسی شوند.لرزه ها سبب تخریب پر شدگی ها و پرده آب بند میشوند.

استراتژی کاهش خطر:

تهیه نقشه های خوب زمین شناسی و بررسی های دقیق

آب بندی سدها در مناطق کارستی:

هدف اصلی از آب بندی سدها جلوگیری از فرار آب است.در این ارتباط باید به موارد زیر توجه داشت:

-تعیین میزان نفوذپذیری توده سنگ قبل از آبگیری و پرشدن مخزن

-شناخت مواد پرکننده ناپیوستگی های توده سنگهای کارستی که ممکن است از مواد انحلال پذیر مانند ژیپس،انیدریت،نمک و یا رسهای واگرا باشد و به علت انحلال و یا شسته شدن رس از مجاری کارستی نفوذپذیری توده سنگ را بعداز آبگیری دریاچه افزایش دهد.

-مشخص کردن جهت جریان آب زیرزمینی تا بتوان نواحی دارای نفوذپذیری بالا را تعیین نمود.

-پیش بینی جهت های احتمالی آب زیرزمینی که تحت تأثیر پرشدن دریاچه در تراز عادی و حداکثر ممکن است به وجود آید.این جهت های جریان مسیرهای احتمالی فرار آب از دریاچه را نشان میدهد.

جهت طراحی و اجرای عملیات آب بندی تعیین نفوذپذیری توده سنگ نیاز می باشد که برای آن از آزمایش لوژان استفاده میگردد.

*پیشنهاد آب بندی بر مبنای نتایج آزمایش لوژان*

*پیشنهاد آب بندی بر مبنای نتایج آزمایش لوژان*

اولویت بعدی در اجرای عملیات آب بند شناخت شرایط هیدرودینامیکی دره کارستی است.در این مورد باید به ارتباط بین آب زیرزمینی و آب رودخانه توجه شود.

الف:

آب بندی در شرایطی که سطح ایستابی بالاتر از سطح آب رودخانه است.

برای دره هایی که در انها آب زیرزمینی وارد آب رودخانه میشود و به عبارتی رودخانه با افزایش آبدهی مواجه بوده و آبزا تلقی می گردد،میتوان عملیات آب بندی را با اجرای پرده تزریق انجام داد و آنرا به لایه های ناتراوای موجود مانند شیستهای رسی،مارن و یا شیل متصل نمود.در صورت موجود نبودن لایه ناتراوا باید به وضعیت کارستی بودن سنگهای کربناته توجه نمود.کارستی شدن سنگهای کربناته ممکن است با افزایش عمق کاهش یابد،در این صورت باید عمق پرده تزریق تا رسیدن به سنگهای کربناته با نفوذپذیری کم در نظر گرفته شود.در چنین شرایطی حداقل عمق مساوی با ارتفاع سد منظور خواهد شد.

عمق پیشنهادی پرده تزریق بسته به شرایط زمین شناسی محل سد میتواند تغییر کند.برای مثال در صورت کاهش میزان نفوذپذیری توده سنگ عمق پرده تزریق ممکن است به نصف ارتفاع سد تقلیل یافته و این کاهش با به کارگیری سایر روشها مانند استفاده از کفپوش رسی جبران گردد.

ب:

آب بندی در شرایطی که سطح ایستابی پائین تر از سطح آب رودخانه است.

قرارگیری سطح ایستابی در ترازی پائین تر از تراز آب رودخانه در مناطق کارستی از حساسیت زیادی برخوردار است.

قرارگیری سطح ایستابی در عمق بیش از 100 متر میتواند حاکی از کارستی شدن عمیق باشد.در چنین شرایطی باید به تغییر مکان سد اقدام کرد.در صورت ضرورت احداث باید شناخت دقیقی از شرایط زمین شناسی و هیدروژئولوژیکی محل به دست آورد.در چنین مکانهایی استفاده از روشهای مختلف آب بندی مانند کف پوش رسی،تزریق و کف پوش پلاستیکی توصیه میشود.همچنین با انجام تغییراتی مانند کاهش ارتفاع سد،فشار هیدرواستاتیکی کاهش یافته و از ایجاد فروچاله های جدید در مخزن جلوگیری میشود.

روشهای آب بندی در مناطق کارستی:

تراکم لایه خاک رس در سطح،ساخت روکش نفوذناپذیر شاتکریتی،استفاده از ورقه های پلاستیکی در سطح ،دوغابریزی،بستن حفرات و ساخت سدها و دایکهای سیلندری برای ایزوله کردن حفرات است.

1)ایجاد کف پوش ناتراوا

این روش ساده ترین و قدیمی ترین روش آب بندی در مناطق کارستی است.کف پوشها رسی یا پلاستیکی بوده و در ابعاد مورد نیاز طراحی میشوند.

2)ایجاد پرده تزریق

ساخت پرده تزریق کاری تکراری است و نیز به دقت بالایی دارد.نیازی نیست که سدها 100% آب بندی شوند.اما باید خطر فرسایش را نیز در نظر گرفت.

پرده های تزریق بیشتر به منظور کنترل تراوش و نشت در پی و دیواره های سدها در مناطق کارستی به کار میروند.به علت غیر یکنواخت بودن نفوذپذیری در مناطق کارستی اجرای آنها نیاز به روشهای خاص دارد.در موقع اجرای پرده تزریق باید مطمئن بود که:

-سیستمهای شکستگی موجود که دارای خصوصیات تراوش آب بوده بسته شده است.

-جریانهای موجود در مجاری زیرزمینی که با سرعت زیاد در جریان بوده  قطع شده اند.

عوامل تاًثیرگذار بر پرده تزریق:

-فشار هیدرواستاتیک

-فشار فیلتر (تراوش)

-فشار آب درون حفره ای

-فشار هیدرودینامیک منطقه ای

پارامترهای این موارد باید در تمام راستاها جهتیابی شوند.تعیین جهت بهینه که سبب کاهش حداکثری فشارها میشود مشکل است.پرده تزریق باید به طور مؤثری نفوذناپذیر باشد،به درستی جهتیابی شده باشد، پایدار باشد.باید در برابر فشار هیدرواستاتیک مقاومت کرده و نباید صلب باشد تا بتواند با سازه انعطاف داشته باشد.باید به حد کافی ضخیم باشد تا در برابر فشارها مقاومت کندافزایش گرادیان تراوش از آن میتواند سبب شکست آن شود.ابعاد پرده به پارامترهای زمین شناسی و هیدروژئولوژی ،اجازه up lift  تراوش و ...بستگی دارد.

هر پرده تحت تأثیر فشارهای هیدرواستاتیکی مانند فشار آب منفذی و فشارهای هیدرودینامیکی مانند فشار تراوش قرار دارد.ساختن پرده تزریق در شرایطی که قادر باشد اثر این نیروهارا به حداقل برساند بسیار مشکل است.از نقطه نظر پایداری سد نیز پرده باید به قدر کافی غیر قابل نفوذ باشد و در جای مناسب ایجاد گردد.نباید خیلی سخت باشد بلکه باید خاصیت شکل پذیری داشته و در مواقع زلزله از خود پایداری نشان دهد.

عناصر پایه ای پرده تزریق:

-موقعیت در فضا

-ابعاد سازه

-تعداد ردیفها گمانه

-فاصله بین ردیهای گمانه

-فاصله بین گمانه ها در ردیفها

-ترکیب دوغاب

-روش دوغابریزی

-قطر گمانه ها

-ارتباط پرده تزریق با سازه

اطلاعات پایه برای طراحی پرده تزریق:

1.آنالیزهای حاصل از ساختارهای زمین شناسی

2.آنالیز رشد کارست و تعیین عمق کارستی شده

3.آنالیز نوسانات آب زیرزمینی

4.آزمایشات محلی  و منطقه ای

5.آزمایش پمپاژچاههای آب

6.شناسایی دقیق مناطق کارستی

7.نتایج به دست آمده از آزمایش فشار آب.

پرده تزریق متصل:

با افزایش عمق کارستی شدن و به علت گسترش مجاری کارستی در توده سنگهای انحلال پذیر با توجه به مسائل اقتصادی پروژه باید پرده تزریق به نحوی طراحی گردد که هم در عمق و هم در تکیه گاههای سد به قشر ناتراوا متصل شود.هزینه پروژه باید در نظر گرفته شود و با توجه به بزرگی طرح و بهره دهی آن تصمیمات لازم اخذ شود.در صورتی که قشر ناتراوای زیر پی در فاصله دور باشد میتوان از طریق گالری زیر سد پرده تزریق را به سمت قشر ناتراوا(ترجیحاً به سمت مخزن) اجرا کرد.این شکل پرده تزریق را ناودانی میگویند.

پرده تزریق معلق:

در صورت عدم دسترسی به قشر ناتراوا در فاصله معقول با در نظر گرفتن شرایط فنی و اقتصادی پروژه میتوان پرده تزریق معلق ایجاد کرد.ولی چون مسدود کردن قشر ناتراوا ممکن نیست نمیتوان به عملیات آب بندی اطمینان کرد مگر اینکه با افزایش عمق در پی و تکیه گاهها از درجه کارستی شدن کاسته شود.

ضخامت پرده های تزریق:

پرده های تزریق با توجه به تعداد ردیفهای گمانه ها ضخامت متفاوت دارند.به منظور افزایش ضخامت پرده تزریق لازم است دو یا سه ردیف گمانه حفاری شوند.فواصل گمانه ها مرکز به مرکز است که با افزایش ردیف گمانه ها این فاصله کاهش می یابد.معمولاًفاصله گمانه ها برای ردیف اول 6 متر،برای ردیف دوم 3 متر و برای ردیف سوم 1.5 متر در نظر میگیرند.

برای انجام عملیات تزریق معمولاً طول قطعات را 5 متر در نظر میگیرند ولی هرچه عرض ترکه کمتر و تعداد آنها در واحد طول بیشتر باسد بهتر است طول قطعات تزریق کمتر شود.از نظر اقتصادی منظور نمودن طول قطعات بین 5-3 متر مناسب است.

محتوای دوغاب:

محتوای معمول دوغاب در کارست به عوامل زیر بستگی دارد:

-آزمایش فشار آب

-محتوای حجم دوغاب مصرفی

آزمایش فشار آب درجه کارستی شدن را مشخص میکند اما ضریب نفوذپذیری و هدر رفت آب مخزن محاسبه شده از آزمایش فشار آب درست نمیباشد.

عمق دوغابریزی:

نظریه پذیرفته شده بر پایه رابطه خطی بین ارتفاع سد(فشار آب) و عمق پرده  است.دفتر اصلاح ایالات متحده رابطه زیر را ارائه داده است:

جایی که h  عمق پرده،H ارتفاع سد و c  متغیری است که بین 8 تا 25 متر است (برطبق نظر زمین شناسان و مهندسین 15 تا 20 متر).

عمق پرده نباید کمتر از H/3 باشد.اما در کل رابطه خطی ای وجود ندارد.تنوع عمق پرده در مناطق کارستی زیاد است.بر طبق رابطه ای ارتباط عمق پرده با حداکثر ارتفاع آب پشت سد یه صورت زیر است:

در دره های عمیق این رابطه بین 0.3 تا H1،در دره های رودخانه ای 0.5 تا H2.5،در دره های با ارتفاع زیاد H 4،و در پولیه های کارستی مرتفع 6 یا بیشتر است.

عمق کارستی شدن پارامتر مهمی در ساخت پرده بهینه است.پرده باید 10 تا 30 متر پائین تر از سطح ایستابی آب باشد.

فلاش کردن سنگهای کارستی برای دوغابریزی:

این روش معمولاً برای بهبود مشخصات سنگهای کارستی در مجاورت پی سد استفاده میشود.این روش برای شستن مواد رسی یا ماسه ای در ترکها و درزه های کارستی استفاده میشود.برای شستشو ار آب یا فشار هوا استفاده میشود.این عمل تا زمانی که آب یا هوای خروجی تمیز باشد ادامه می یابد.مقدار مورد نیازmin/ 12m3 برای هوا  و  200l/min برای آب است.مدت زمان لازم 30 دقیقه است

قبل از دوغابریزی گمانه ها را با آب میشویند.فشار آب 3/2 فشار دوغابریزی است.

فشار تزریق دوغاب:

فشار تزریق باید بعد از بررسی های هیدروژئولوژی و زمین شناسی مهندسی تعیین شود.فشار بالا نفوذ خوب دوغاب به درون درزه ها و غارها را فراهم میکند اما سبب افزایش مصرف دوغاب میشود و احتمال بازشدن درزه ها نیز وجود دارد،باعث تحت تاًثیر قرار گرفتن توده سنگ بالای مکان دوغابریزی میشود و سبب فعال شدن تکتونیکی منطقه میگردد.

برای دستیابی به فشار بهینه توجه به موارد زیر الزامی است:

-وضعیت تکتونیکی و زمین شناسی

-مشخصات هیدروژئولوژیکی

-فشار هیدرواستاتیک

-عمق دوغابریزی

-نحوه دوغابریزی

فشار معمولاً 10 تا 130 بار انتخاب میشود.عوامل تاًثیر گذار دیگر ارتفاع ستون آب،عمق تزریق، و وزن سنگهای روبار هستند.فشار مینیموم باید برابر یا بیشتر از وزن سنگهای روباره باشد.

شکل3 : ارتباط فشار تزریق با عمق پرده.

Hydraulic fracturing معمولاًهنگامی که فشار دوغاب بالا میرود رخ میدهند.دلیل آن باز شدن درزه ها است.فشار بحرانی به عوامل زیر بستگی دارد.

-نوع سنگ

-وزن توده سنگی روباره

-موقعیت و وضعیت ناپیوستگی ها

فشار بحرانی از رابطه زیر به دست می آید:

فشار لیتواستاتیک،vضریب پوآسون و c  ضریب است.

فشار بحرانی همچنین به قطر گمانه و نفوذپذیری سنگ و مشخصات سیال بستگی دارد.

برطبق نظر Lombardi ،hydro-jacking بی ارتباط با زاویه بین گمانه و درزه ها ست.

پر کردن و تزریق غارها:

شناسایی غار و شناخت ابعاد آن قدم اول است.به منظور تزریق غارها قطر گمانه ها باید بین 146 تا 218 mm باشد تا دسترسی به غار امکانپذیر شده و ارسال مواد شنی یا بتنی به سهولت انجام گیرد.در شروع کار برای پر نمودن آن از سنگ خرد شده یا شن استفاده میشود.شنهای مورد استفاده باید آنقدر یکنواختی داشته باشند تا به تخلخل 40-50% برسد.یکنواختی شن فضای مناسبی برای تزریق دوغاب به درون آن فراهم میکند.عملیات دوغابریزی در 2 مرحله رفت و برگشت در قطعات 3 متری اجرا میشود.

غیر هموژن بودن محیط باعث مصرف زیاد دوغاب میشود.در یوگوسلاوی در یک گمانه تا 1073 تن بتن خشک مصرف شده است.

نرخ مصرف دوغاب برای ترکهای شدید و سنگ آهکهای کارستی بین 100 تا 600 KG/m است.

تزریق در مجاری کارستی پرسرعت:

در مجاری پرسرعت امکان تزریق در شرایط عادی وجود ندارد.زیرا سرعت آب کلیه مصالح و مواد را شسته و همراه خود میبرد.روش خاصی باید به کار گرفته شود.بدین منظور میتوان از تزریق پلیرور اتان استفاده کرد که همراه با عامل ایجاد کننده فوم میتواند به محض برخورد با آب تولید فوم کرده و حجم وسیعی را در برابر جریان ایجاد نماید.با مصرف حجم نسبتاً محدودی از مصالح میتوان نسبت به ایجاد مانع اقدام کرد و ایمنی را بالا برد.

برای کاهش فرار آب از مخزن روش های زیر نیز پیشنهاد میشود:

-مسدود کردن حفراتی که آب را میبلعد با سدهای بتنی سیلندری.

 اطراف دهانه و سنگهای اطراف آن را سیمانی کرده و اطراف لوله را با رسهای متراکم میپوشانند.

 -ایزوله کردن مناطق نفوذپذیر با دایکها.

-مسدود کردن استاولها با بتن.

-استفاده از تراکم سطحی و دریچه های یک طرفه.

-استفاده از pvc برای آب بندی کف.

 -پوشاندن سنگهای آهک با شاتکریت.

شاتکریت به کار رفته باید ضد آب بوده و حداقل ضخامت 5 cm داشته باشد.الیاف به کار رفته در بتن باید طولی بین 3 تا 30 mm داشته باشند.

 -مسدود کردن ترکها با دوغاب.

-پرده دیافراگم و cut-off  wall

-استفاده از لوله های تهویه هوا

توصیه های فنی در آب بندی مناطق کارستی:

1)در صورت وجود مخازن معلق کارستی در عمق زیاد هزینه آب بندی بالا خواهد بود و رد محل سد توصیه میگردد.در این مناطق عمق کارستی شدن زیاد است.

2)اجرای پرده های تزریق به منظور آب بندی مناطق کارستی توصیه میگردد.

3)آب بندی با طبیعت محل سد ارتباط دارد.در صورت یافتن قشر ناتراوا در عمق مناسب باید اجرای پرده تزریق متصل در اولویت باشد.

4)پرده های معلق در صورت نرسیدن به سنگ ناتراوا چندان مؤثر نیستند.

5)در مناطق کارستی مسدود کردن چاههای مکنده و فروچاله ها توسط کف پوش رسی یا پلاستیکی میتواند به ایجاد زهکش های جدید منجر شود.

6)آب بندی مناطق کارستی در ناودیسها به شناخت بیشتری از شرایط زمین شناسی نیاز دارد.

7)توصیه میشود در مناطق کارستی روی رودخانه های بزرگ نسبت به احداث سد اقدام شود تا میزان فرار آب از مخزن توجیه اقتصادی داشته باشد.