اهمیت شناخت ویژگیهای ژئومکانیکی مارن درعملیات آب بندی محل سدها
| دسته | زمین شناسی مهندسی |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | بیست و چهارمین گردهمایی علوم زمین |
| نویسنده | محمدحسین قبادی*، محمدرضا رسولی فرحی**، غلامرضا خانلری |
| تاريخ برگزاری | ۱۴ اسفند ۱۳۸۴ |
چکیده : لایه هاى مارنى سازند پابده در پى سد تنظیمى مارون بعنوان لایه هاى آب بند عمل میکنند. مقاومت این لایه هاى آب بند در مقابل هوازدگى کوتاه مدت با شاخص دوام و شکفتگى قابل توصیف میباشد. به این منظوردوام لایه هاى مذکوربعنوان یک عامل مهم مهندسى براى شناخت رفتار ژئومکانیکى آنها طى یک سرى آزمایش تعیین گردیده است. با توجه به اینکه هدف اصلى این مقاله بررسى اثر ترکیب کانى شناسى روى دوام و مقاومت مارن ها میباشد، ده نمونه مغزه مارنى از گمانه هاى اکتشافى محل سد تنظیمى مارون انتخاب گردیده و روى آنها آزمایش دوام و شکفتگى طى پنج سیکل انجام شده است. همچنین روى تمام نمونه ها آزمایش مقاومت بار نقطه اى صورت گرفت تا ارتباط بین شاخص دوام و مقاومت بار نقطه اى بررسى شود. ارتباط بین شاخص خمیرى و شاخص بارنقطه اى نیز مطالعه گردیده است. نتایج نشان میدهد که نوع و مقدار کانى هاى رسى و میزان کربنات روى تغییرات شاخص هاى دوام و خمیرى موثرمیباشند. به بیان دیگرترکیب کانى شناسى و دوام متفاوت موجب بروز رفتار ژئومکانیکى مارنهاست.
Abstract
The marl beds of Pabdeh Formation act as watertight beds in the foundation of Marun regulating dam. The resistance of marl beds to short-term weathering is described through a durability parameter called the slake durability index. As durability is an important engineering parameter for the geomechanical behaviour of weak rocks, it was assessed by a number of tests. The main purpose of this paper is to assess the influence of mineralogical composition on the durability and strength of marls. For this purpose, ۱۰ samples of marl were selected from the boreholes in the dam site. Samples were subjected to five cycles of slake durability test. Also to determine the relationship between durability and strength the point load tests performed on all of the samples. Relationship between slake durability index and plasticity index were investigated. The results indicate that the type and amount of clay mineral and carbonate contents are the main factors influencing the variations of the slake durability and plasticity index in all samples. Mineral composition and different durability are responsible for the geomechanical behaviour of marls.
مقدمه
به منظورشناخت رفتار ژئومکانیکی سنگهای مارنی تعیین خصوصیات کانی شناسی، ویژگی های فیزیکی و مکانیکی سنگ ضروری میباشد. آگاهی از چنین خصوصیاتی میتواند به ارزیابی شرایط پایداری شیبهای سنگی، تعیین روش آبندی سدهای واقع شده برروی پی های مارنی کمک کند. بطور معمول تغییر در میزان کربنات، نوع و مقدار کانیهای رسی روی دوام و شکفتگی مارن تاثیر میگذارد. تغییرات در رطوبت و میزان تخلخل مارن مقاومت آنرا تحت تاثیر قرارمیدهد به این معنا که با افزایش رطوبت و درصد تخلخل دوام سنگ کاهش پیدا میکند. افزایش تعداد سیکل های آزمایش دوام به منظور اطلاع از چگونگی تخریب کانی های رسی در سنگهای مارنی در سالهای اخیرتوسط تعدادی از پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته است( 5،4). رس های سدیم دار آسان تر از رس های دارای پتاسیم ، منیزیم و باریم در معرض شکفتگی و تخریب قرار میگیرند( 1 ). در مواردی که رس ها بطور عمده متشکل از مونت موریلونیت و ایلیت هستند هیراته شدن بسیارآسانتر انجام میشود (7). همچنین روند کاهش میزان کربنات که با افزایش سیکل های آزمایش دوام اتفاق می افتد بخوبی کاهش دوام سنگ را در سیکل های آخر آزمایش نشان میدهد. در این مقاله اثرافزایش تعداد سیکلها که موجب شناخت بهتردوام مارن ها میگردد مورد مطالعه قرارگرفته و با نتایج آزمایش حدود آتربرگ مقایسه شده است. چنین مطالعاتی میتواند برای تعیین روش آب بندی محل سد تنظیمی مارون که درپائین دست سد مخزنی مارون در شمال شهرستان بهبهان بر روی رودخانه مارون در دست احداث میباشد مورد استفاده قرار بگیرد.
زمین شناسی
محل سد تنظیمی مارون بر روی سنگهای دوران سوم زمین شناسی و نهشته های کواترنرواقع شده است. این نهشته ها با ضخامت حداقل12 تا حداکثر 45 مترروی سنگ کف را می پوشانند. واحد های سنگی در محدوده سد به سازند های پابده و آسماری تعلق دارند. سازند پابده شامل تناوبی از سنگ آهک ماسه ای ، آهک مارنی، شیل و مارن میباشد که در محل محور سد تنظیمی بطور هم شیب در زیر سازند آسماری قرار گرفته است(شکل 1). تناوب شیل و مارن موجود در این سازند در مجاورت هوا به آسانی شکفته شده و فرسایش پیدا کرده اند. سازند آسماری درمحدوده سد مخزنی مارون متشکل از سه بخش پائینی، میانی و بالایی است ولی در محل سد تنظیمی مارون فقط بخش پائینی آسماری رخنمون دارد (شکل 2).
مهمترین ساختمان تکتونیکی محل تاقدیس نامتقارن خویزمیباشد(شکل 3). عرض تاقدیس مذکور حدود 5 کیلومتراست که در دو پهلوی آن سنگ آهکهای ضخیم لایه آسماری رخنمون دارند.. سد تنظیمی مارون روی یال جنوب غربی تاقدیس قراردارد. گسل عمده ای در محل سد تنظیمی مشاهده نشده است. امتداد لایه های سازند های آسماری و پابده شمال غرب –جنوب شرق میباشد که با شیبی در حدود 30 درجه بطرف جنوب غرب قراردارند. دو سیستم ناپیوستگی در سنگ آهکهای آسماری و سنگ آهکهای ماسه ای و مارنی سازند پابده وجود دارد. دسته اول با امتداد 40 درجه شیبی نزدیک قائم دارند و دسته دوم با امتداد 130 درجه با شیبی درحدود 30 درجه بطرف جنوب غرب قرارگرفته اند.
مطالعات آزمایشگاهی
1- تعیین خصوصیات فیزیکی
جهت شناخت ویژگیهای ژئومکانیکی مارنها 10 نمونه مغزه از گمانه های حفاری شده در محور سد واز اعماق مختلف جمع آوری گردیده است. مشخصات فیزیکی نمونه ها در جدولهای 1و2 آورده شده است. حداقل رطوبت طبیعی نمونه ها 05/0 و حداکثر75/0 ، درصد تخلخل آنها حداقل 27/1 و حداکثر 02/13 میباشد. میزان جدب آب نمونه هاحداقل 65/0 و حداکثر 74/5 است.
2- تعیین شاخص مقاومت بارنقطه ای (Is)
به منظور تعیین شاخص مقاومت بار نقطه ای بر روی 10 نمونه مغزه طبق استاندارد ASTM D5731 آزمایش مقاومت بار نقطه ای انجام شد(2) که نتایج در جدول 2 آورده شده است. با توجه به جدول 1 رابطه مشخصی بین شاخص مذکور و ویژگیهای فیزکی نمونه ها دیده میشود. بعنوان مقایسه چنین رابطه ای در نمونه های MT1 و MT2 بخوبی دیده میشود که با افزایش درصد تخلخل و درصد رطوبت شاخص بار نقطه ای کاهش نشان میدهد.
3- تعیین شاخص دوام و شکفتگی (Id)
به منظور ارزیابی دوام و شکفتگی مارنها روی ده نمونه مغزه مطابق با استلندارد ASTM D4644 آزمایش دوام انجام شد(2). با توجه به نتایج بدست آمده از پژوهشهای جدید(4،5) در آزمایش دوام و شکفتگی مارنها بجای استفاده ازشاحص مرحله اول ( Id1 ) و مرحله دوم ( Id2) ، شاخص دوام و شکفتگی سنگ در مرحله پنجم آزمایش مورد استفاده قرار گرفت تا اثرات کاهش میزان کربنات و نیزتخریب کانی های رسی روی دوام مارن مورد بررسی قرار بگیرد. نتایج در جدول 3 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه میشود اثر افزایش تعداد سیکل های آزمایش روی اکثر نمونه ها از مرحله سوم به بعد کاملا محسوس میباشد. نکته قابل توجه این است که بعضی نمونه ها مانند MT1 با وجود داشتن تخلخل بیشتر نسبت به نمونهMT4 که دارای تخلخل کمتری است دوام بیشتری بعد از مرحله پنجم آزمایش نشان میدهد. چنین موضوعی میتواند به تفاوت در میزان کربنات، نوع و درصد کانی رسی در دو نمونه مذکور ارتباط پیدا کند(جدول 3).
4- تعیین شاخص خمیری (Ip)
جهت بررسی رابطه بین افزایش رطوبت و کاهش دوام سنگ روی باقیمانده سنگ بعد از مرحله پنجم آزمایش دوام، آزمایش حد روانی و حد خمیری انجام شد. تعدادی از نمونه ها فاقد خاصیت خمیری بودند و تنها برای 5 نمونه شاخص خمیری محاسبه شده است (جدول 4). همانطور که ملاحظه میشود با افزایش شاخص خمیری سنگ دوام آنها کاهش یافته است. این موضوع در ارتباط با نمونه های شماره MT2, MT4, MT6, MT8 صادق است.
بحث و نتیجه گیری
ترکیب کانی شناسی وهوازدگی دو ویژگی مهم زمین شناسی مهندسی هستند که رفتار ژئومکانیکی سنگ را کنترل میکنند (1). چنین رفتاری در شناخت شرایط پایداری شیبهای سنگی متشکل از تناوب لایه های آرژیلیتی اهمیت ویژه ای دارد(1،6). آگاهی ازچگونگی فرآیند هوازدگی چنین لایه هایی طی آزمایش شتابدار دوام و شکفتگی سنگ در موضوع آب بندی سدها نیز قابل توجه میباشد. در این آزمایش با افزایش تعداد سیکل ها این فرصت فراهم میشود تا اثر تخریبی آب بعنوان مهمترین عامل کاهش دوام سنگ و افزایش شاخص خمیری مورد ارزیابی قرار بگیرد. با افزایش رطوبت، شاخص دوام سنگها بویژه در سیکل پنجم کاهش نشان میدهد چنین فرآیندی در نمونه های MT1,MT2,MT6,MT7 و MT10در جدول 3 دیده میشود. همچنین با افزایش درصد تخلخل نمونه ها شاخص دوام در سیکل پنجم آزمایش کاهش نشان میدهد. این فرآیند در نمونه های MT2,MT3,MT4,MT6 و MT7 در جدول 3 ملاحظه میگردد. با توجه به نتایج بدست آمده ازمقایسه بین سیکل های آزمایش میتوان دریافت که افزایش تعداد مراحل آزمایش، موجب کاهش دوام مارن و افزایش شاخص خمیری میشود. چنین فرآیندی با توجه به ویژگیهای فیزیکی و خصوصیات کانی شناسی مارن قابل تفسیر میباشد. مارنها از نظرترکیب کانی شناسی متشکل از کانی های رسی و کانی های کربناته هستند. کانیهای رسی مارن بطور عمده اسمکتیت، کائولینیت و ایلیت هستند. کانی های یاد شده بویژه ایلیت به سهولت هیدراته میشود. همچنین با افزایش مراحل آزمایش از دو به پنج سیکل روند کاهش میزان کربنات اتفاق می افتد. در چنین شرایطی مارنهای دارای رطوبت و تخلخل بیشتر کاهش دوام زیادی خواهند داشت. ضمن اینکه با وجود کانی های رسی شاخص خمیری افزایش خواهد یافت.
نتایج آزمایش های مقاومت بار نقطه ای نیز معرف کاهش مقاومت سنگ با افزایش رطوبت است. این فرآیند در نمونه های MT1,MT2,MT6,MT7 و MT10در جدول 2 بخوبی قابل ملاحظه است. همچنین با افزایش تخلخل، مقاومت سنگ کاهش پیدا میکند که چنین فرآیندی در نمونه هایMT3,MT4,MT5,MT6,MT7,MT8, MT2, و MT9 در جدول 2 مشاهده میشود.
نتیج آزمایش های مقاومت، دوام و حدود آتربرگ نشان میدهد که با افزایش شاخص خمیری سنگ مقاومت و دوام تقیل پیدا میکند. این موضوع درجدول 4، بین شاخص خمیری و شاخص بار نقطه ای در نمونه های MT2,MT4,MT6 و MT8 مشاهده میشود و بین شاخص خمیری و دوام سنگ در نمونه های MT2,MT4,MT6 و MT10برقرا ر میباشد.
بنابراین درساختگاه سدهای واقع شده روی پی سنگهای مارنی نمی توان فقط با توجه به رفتار نمونه های تیپ مارن روی ویژگیهای ژئومکانیکی آنها قضاوت کرد. در چنین شرایطی پیشنهاد میشود آزمایش های مقاومت بارنقطه ای ، دوام و حدود خمیری انجام شود و نتایج آنها با انجام آزمایش هایXRD و XRF تکمیل گردد. به این ترتیب فراوانی کانی های رسی و نیز اکسید های موجود در ترکیب کانی شناسی مارنها معین شده و قضاوت روی رفتار سنگ در مرحله آبگیری و سپس بهره برداری اطمینان بخش خواهد بود. در این شرایط بهتر میتوان نسبت به انتخاب روش آب بندی اقدام نمود، زیرا با توجه به میزان تراوش مجازآب از پی ممکن است سنگهای دارای دوام کم و شاخص خمیری بالا بعلت وارفتگی زیاد کارائی دیواره آبند اجرا شده را کاهش دهند. که در صورت اخیر با بکارگیری کف پوش رسی اثرات منفی تماس آب با سنگهای مارنی به حداقل خواهد رسید.
منابع
1- محمدحسین قبادی ، 1381، رابطه بین لیتولوژی و دوام در ارزیابی ناپایداری شیبهای سنگی (مطالعه موردی ). مجله علوم دانشگاه شهید چمران اهواز، شماره 8، صفحات 16-1.
2. ASTM, (1999) . Annual Book of ASTM Standards. Vol.04.08 &04.09,ASTM, USA.
3.Bieniawski, Z.T., 1979. The geomechanical classification in rock engineering applications. 4th international congress rock mechanics. pp.41-48.
4.Canda,G., et al., (2002). Factors affecting the durability of selected weak and clay bearing rocks from Turkey, with particular emphasis on the influence of the number of drying and wetting cycles. Engineering Geology, Vol.57, pp.215-237.
5.Dhakal, G., et al., (2002). Slake durability and mineralogical properties of some pyroclastic and sedimentary rocks. . Engineering Geology, Vol.65, pp.31-45.
6.Eberhardt, E., and et al., 2004. Slope instability mechanisms in dipping interbedded conglomerates and weathered marls-the 1999 Rufi landslide, Switzerland, . Engineering Geology, Vol.77, pp.35-56.
7. Ghobadi, M.H., 2000. Petrology, weathering and long-term stability slopes. 8th international IAEG congress, pp.4167-4171