بررسی زمین شناسی و خواص ژئوتکنیکی ساختگاه سد ارداک

1ـ مقدمه

در مرحله  شناسایی محل ساختگاه سد ، بررسی های زمین شناسی  و زمین شناسی مهندسی از اهمیت خاصی برخوردار است. بررسی های دقیق در این مرحله، می تواند از بروز مشکلات در مرحله اجرا و بهره برداری سدها، جلوگیری نماید. در این راستا، بررسی های زمین شناسی و ژئوتکنیکی سد ارداک صورت گرفته است. سد مورد نظر یک سد خاکی با هسته رسی است . ارتفاع این سد از پی 77 متر و حجم مفید مخزن سد 30 میلیون متر مکعب می باشد. هدف از احداث این سد مخزنی ، تامین آب شرب شهر مشهد و کشاورزی اراضی پایین دست می باشد.

2ـ موقعیت جغرافیایی محل سد

ساختگاه سد ارداک در استان خراسان رضوی در 5/2 کیلومتری روستای ارداک در فاصله 70 کیلومتری شمال غرب شهر مشهد، در طول جغرافیایی ^/24 و ⁰59 و عرض جغرافیایی  ^/46 و⁰39 بر روی رودخانه ارداک قرار دارد. این رودخانه یکی از سرشاخه های فرعی کشف رود محسوب شده و خود از رودخانه های آبقد و میانمرغ تشکیل می گردد.

3ـ ژئومورفولوژی محل سد

تنگه محل سد در یال جنوبی تاقدیس میانمرغ قرار دارد . ارتفاع بستر رودخانه ارداک در این محل 1348 متر، ارتفاع تکیه گاه راست 1550 متر و ارتفاع تکیه گاه چپ حداکثر 1700 متر از سطح دریا می باشد. عرض تنگه در این قسمت حدود 55 متر می باشد و در رقوم تاج سد به حدود 350 متر می رسد. مورفولوژی این محل تحت تاثیر عوامل تکتونیکی و فرسایشی قرار گرفته ، بطوریکه اختلاف ارتفاع در
 تکیه گاه و افتادگی بخشی از تکیه گاه راست مبین این موضوع است.  تحت تاثیر این عوامل، گسستگی ها و فرو افتادگی هایی بوسیله سیستم گسل های گرابنی ایجاد شده است.

مخزن سد نیز در نزدیکی هسته و دماغه تاقدیس میانمرغ قرار دارد. محور تاقدیس از بخش های انتهایی مخزن با امتداد تقریباً شرقی ـ غربی می گذرد. دو رودخانه آبقد و میانمرغ در محدوده مخزن سد واقع گردیده و دارای شیب متوسط 2 و 8/1 درصد هستند . روند عمومی محور تاقدیس 90N و شیب
لایه های سنگی دریال جنوبی (بطرف محل سد ) 60 درجه و در یال شمالی بالا دست مخزن 50 درجه بطرف پایین دست سد می باشد.

4ـ زمین شناسی محل سد

بر اساس مطالعات انجام شده محدوده محل طرح در حوضه رسوبی کپه داغ قرار دارد. این زون پس از کوهزایی سیمرین پیشین، بصورت حوضه رسوبی در آمده و در آن از ژوراسیک تا میوسین، رسوبات ضخیمی با رخساره های متنوع روی هم انباشته شده است [1]. از جمله سازندهایی که در محدوده طرح گسترش دارند می توان به سازندهای چمن بید و مزدوران به سن ژوراسیک و رسوبات کواترنری اشاره نمود.

محدوده مخزن سد از سازندهای چمن بید و بخش کوچکی از آن در محل محور سد از بخش تحتانی سازند مزدوران و رسوبات کواترنری تشکیل یافته است. سازند چمن بید شامل مارنهای لامینه و مارنهای آهکی لایه نازک تیره رنگ و خاکستری به عرض حدود 3 کیلومتر و طول چندین کیلومتر، هسته تاقدیس و یالهای اطراف آن را تشکیل می دهد که محدوده مخزن و نواحی مجاور را در بر گرفته است. در نزدیکی محور سد و جناحین بتدریج مارنهای آهکی سازند چمن بید با لایه بندی نازک و متوسط در زیر لایه های متناوب آهک و مارنهای آهکی سازند مزدوران قرار می گیرند که این محدوده با توجه  به رقوم ماکزیمم مخزن ، 8/1 درصد مساحت مخزن را شامل می گردد. رسوبات کواترنری نیز از نهشته های تراسی ، آبرفت رودخانه ای و واریزه ای دامنه ای تشکیل شده اند.

واحدهای سنگی در برگیرنده محل محور سد نیز از رسوبات سازند مزدوران با سن ژوراسیک فوقانی
می باشد و رسوبات کواترنری نیز با پوشش نسبتاً کم ضخامت تا متوسط بر روی آنها قرار گرفته اند. جناحین محور سد در تحتانی ترین بخش این سازند (تناوب مارن و آهک) قرار دارند. این سازند بطور هم شیب بر روی سازند قدیمی تر یعنی سازند چمن بید (ژوراسیک میانی) که مخزن سد در آن قرار گرفته است ، قرار دارد. لیتولوژی سازند در محل محور سد شامل واحدهای مارنی ، مارنی آهکی و آهکی با ضخامت های متفاوت می باشد که واحدهای مارنی و مارنی آهکی نسبت به آهک ها گسترش بیشتری دارند. ضخامت این بخش از سازند مزدوران که محل سد بر روی آن قرار می گیرد حدود 250 متر
می باشد. هر دو تکیه گاه سداز نظر سنگ شناسی و نوع لایه بندی یکسان بوده و شیب لایه ها به طرف پایین دست و حدود 60 درجه می باشد. بر روی این سازند در پایین دست محل سد در فاصله حدود 800 متری، سازند شوریجه بطور هم شیب قرار می گیرد.

5ـ زمین ساخت محل سد

بطور کلی حوضه رسوبی کپه داغ شدیداً تحت تاثیر فازهای جوان آلپی قرار گرفته و چین خورده اند. در این واحدها چین ها طویل و نامتقارن هستند و فشردگی آنها در جنوب نسبت به شمال ، نسبتاً کمتر است. در منطقه محل طرح نیز، تحت تاثیر حرکات تکتونیکی ، تعدادی چین از نوع تاقدیس و ناودیس با روند عمومی شمال غرب ـ جنوب شرق بوجود آمده که احتمالاً مربوط به فاز پایانی آلپین است.

محور اکثر چین ها توسط گسل هایی با حرکت راستگرد و یا چیگرد قطع شده اند. این گسل ها با کناره حوزه و گسل های اصلی سراسری (از جمله گسل تبادکان) زاویه 15 و 75 درجه داشته که نشانگر مکانیسم برشی حاکم بر منطقه است که می توان آنها را مربوط به حرکت بلوک ایران مرکزی از جنوب و پلیت مقاوم توران در شمال دانست. در محل سد نیز چندین گسل موضعی از نوعی کششی و نرمال با جابجایی اندک که از چند متر تجاوز نمی کند در لایه های آهکی و مارنی سازند مزدوران مشاهده می گردد (جدول 1 ). از بین گسل های فوق گسل های F1 و F2 و F3 امتداد لایه بندی را قطع کرده و گسل های F4 و F5 به موازات لایه بندی می باشند.

6ـ ناپیوستگیها

علاوه بر گسل های مشاهده شده در محل سد که ذکر گردید ، در اثر فعالیت های تکتونیکی در منطقه ، آهک و مارنهای آهکی موجود که لیتولوژی غالب محل محور را تشکیل می دهند بوسیله مجموعه ای از درز و شکافها قطع گردیده اند. به منظور تعیین سیستم های غالب درزه ها و سایر ناپیوستگیها ،
برداشت های سطحی و بررسی ناپیوستگیها در هر دو تکیه گاه سد انجام و سپس با استفاده از نرم افزار Dips تجزیه و تحلیل آماری اطلاعات انجام گردید(شکل 1).

بر این اساس تعداد 3 دسته درزه در هر تکیه گاه مشخص شده که یک دسته درزه به موازات لایه بندی توده سنگی است. فراوانی آنها در تکیه گاه راست بطور متوسط 3 درزه در واحد سطح و در تکیه گاه چپ 2 درزه در واحد سطح است که موقعیت ساختاری ناپیوستگی های غالب در جدول(2) ارائه شده است. بطور کلی چهار سیستم درزه و شکاف در محل سد ، مجموعه محور را تحت تاثیر قرار داده که در نفوذ پذیری توده سنگها نقش مهمی دارند. اغلب درزه ها دارای پرشدگی هایی توسط کلسیت ، رس ولوم می باشند.

7ـ بررسی خصوصیات ژئوتکنیکی سنگ های ساختگاه سد

ویژگیهای ژئوتکنیکی مصالح زمین شناسی را می توان با توجه به طبیعت و کارایی آنها به دو گروه ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی تقسیم نمود که در رفتار مهندسی آنها تاثیر زیادی دارند. به منظور دستیابی به  خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگ های محل سد، اقدام به برداشت نمونه از اعماق مختلف گمانه ها گردیده و بر روی آنها آزمایشات آزمایشگاهی اعم از مقاومت فشاری تک محوری ، دانسیته ، وزن مخصوص، تخلخل و درصد جذب آب در حالت خشک و اشباع صورت گرفت.

7ـ1ـ ویژگیهای فیزیکی

تخلخل تاثیر مهمی بر خواص مکانیکی سنگ دارد، بطوریکه هرچه میزان تخلخل سنگ بیشتر باشد، مقاومت مکانیکی سنگ کمتر خواهد شد [2] . نتیجه آزمایشات انجام شده بر روی نمونه های آهکی و آهکی مارنی نشان می دهد که درصد تخلخل در آنها بین 16/0 تا 1/3 درصد متغیر بوده و بطور متوسط تخلخل نمونه ها  حدود 9/1 درصد ارزیابی می گردد. میزان تخلخل این سنگها با توجه به طبقه بندی آنون (1979) در رده سنگهای با تخلخل خیلی کم قرار می گیرند[3]. تخلخل سنگ نقش موثری در مقاومت مکانیکی ، نفوذ پذیری و درصد جذب آب دارد[4] . رابطه بین تخلخل و مقاومت فشاری سنگ در شکل (2) نشان داده شده است. همانطور که در شکل(2) که مشاهده می گردد،  با افزایش تخلخل ، مقاومت فشاری سنگ کاهش می یابد.

میزان جذب آب عبارت از نسبت وزن آب موجود در منافذ سنگ در حالت اشباع به وزن نمونه خشک، که بر حسب درصد بیان می شود. با افزایش درصد رطوبت و میزان جذب آب سنگ مقاومت سنگ کاهش
می یابد[5] . میزان جذب آب در آهک ها 707/0 درصد و در آهک های مارنی 798/0 درصد می باشد. رابطه بین تخلخل و جذب آب در نمونه ها در شکل (3) نشان داده شده است. همان طور که در شکل (3) مشاهده می گردد با افزایش تخلخل ، میزان جذب آب نمونه هم افزایش می یابد.

دانسیته سنگها، تابعی از ترکیب کانی شناسی و فضاهای خالی سنگ است [3]. در یک نمونه مشخص سنگ با افزایش عمق چگالی نیز افزایش می یابد.  زیرا با افزایش عمق و بیشتر شدن فشار وارده از سنگهای فوقانی ، درزه و شکافها بتدریج کم و مسدود می شود. بنابراین تخلخل سنگ رابطه مستقیم با دانسیته دارد . ارتباط میان دانسیته و تخلخل در سنگ های تشکیل دهنده ساختگاه سد در شکل (4) نشان داده شده است.

سن سنگ نیز معمولاً رابطه مستقیمی با دانسیته آن دارد. در سنگهای آهکی ، دانسیته خشک برابر
 gr/cm³ 665/2، دانسیته طبیعی برابر gr/cm³ 669/2 و دانسیته اشباع برابر gr/cm³ 683/2 می باشد.

در سنگهای آهک مارنی ، دانسیته خشک برابر gr/cm³646/2 ، دانسیته طبیعی gr/cm³ 661/2 و دانسیته اشباع برابر gr/cm³ 660/2 می باشد. با توجه به نتایج دانسیته خشک بدست آمده و بر اساس طبقه بندی آنون (1979) می توان نتیجه گرفت که سنگهای آهکی و آهکی مارنی ساختگاه سد در رده سنگهای با دانسیته زیاد قرار می گیرند.

7ـ2ـ ویژگیهای مکانیکی

خواص مکانیکی سنگ ها به کلیه خصوصیاتی گفته می شود که رابطه بین نیروهای وارد بر سنگ را نشان داده و تغییرات آنها را با تغییر شکل های حاصل از این نیروها نشان می دهد[6]. از جمله این خصوصیات ، مقاومت فشاری تک محوری ، زاویه اصطکاک داخلی و مقاومت چسبندگی مورد بررسی قرار گرفته اند. مقاومت فشاری تک محوری ، بالاترین مقدار تنشی است که یک نمونه استوانه ای سنگ
می تواند تحت بار تک محوری تحمل نماید[7].  ازجمله عوامل داخلی که بر میزان مقاومت فشاری تاثیر دارند می توان به تخلخل، دانسیته ، اندازه دانه ها ، شاخص پوکی ، ترکیب کانی شناسی و ناهمسان گردی اشاره نمود. رابطه بین دانسیته و مقاومت فشاری برای نمونه های آزمایش شده در شکل (5) نشان داده شده است. همان طور که مشاهده می گردد با افزایش دانسیته ، مقاومت فشاری نیز افزایش می یابد. در شکل (6) نیز رابطه میان مقاومت فشاری و عمق نشان داده شده است. همانطور که در شکل 6 مشاهده می گردد با افزایش عمق ، مقدار مقاومت فشاری سنگ نیز افزایش یافته است. با توجه به نتایج آزمایشات انجام گرفته مقاومت فشاری تک محوری خشک برای نمونه های آهک و آهک مارنی به ترتیب 58/637 و 4/568 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است. همچنین مقاومت فشاری تک محوری اشباع برای نمونه های آهک و آهک مارنی به ترتیب 9/477 و 07/370 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع تعیین گردیده است.

بر اساس نتایج بدست آمده از آزمایشات ، زاویه اصطکاک داخلی برای نمونه های سنگ آهکی و آهکی مارنی بین 45 ـ 40 درجه می باشد. مقاومت چسبندگی نیز برای نمونه های سنگ آهکی و آهک مارنی
 kg/cm² 3/0 ـ 2/0 است.

بر اساس مقاومت فشاری تک محوری ، رده بندی های مختلفی برای سنگها ارائه شده است و هر کدام از این رده بندی های ، محدوده متفاوتی از مقاومت را برای طبقه بندی نشان می دهد(جدول3).

8ـ نتیجه گیری

1ـ سنگهای تشکیل دهنده محل سد شامل واحدهای مارنی ، آهک مارنی و آهکی می باشد که واحدهای مارنی و آهکی مارنی نسبت به آهک ها گسترش بیشتری دارند. محدوده مخزن سد نیز از مارنهای لامینه و مارنهای آهکی لایه نازک تیره رنگ و خاکستری تشکیل گردیده اند.

2ـ سنگهای محل محور سد تحت تاثیر چهار سیستم درزه و شکاف قرار گرفته اند که سیستم درزه J1 که به موازات لایه بندی است، اصلی ترین ناپیوستگی را تشکیل می دهد.

3ـ هر دو تکیه گاه سد از نظر سنگ شناسی و نوع لایه بندی یکسان بوده و شیب لایه ها به طرف پایین دست و در حدود 60 درجه می باشد.

4ـ میزان تخلخل سنگها در رده سنگهای با تخلخل خیلی کم قرار می گیرد و با افزایش تخلخل ، مقاومت فشاری سنگ کاهش می یابد.

5ـ میزان جذب آب در آهک ها 707/0 درصد و در آهک مارنی 798/0 درصد است و مشاهده می گردد که با افزایش تخلخل، میزان جذب آب نمونه هم افزایش یافته است.

6ـ سنگهای آهکی و آهک مارنی ساختگاه سد در رده سنگهای با دانسیته زیاد قرار دارند.

7ـ مقاومت فشاری تک محوری خشک برای نمونه های آهک و آهک مارنی به ترتیب 58/637 و 4/568 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است و در حالت اشباع نیز به ترتیب 9/477 و 07/370 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع تعیین گردیده اند. رابطه مقاومت فشاری سنگها نیز با عمق و دانسیته بصورت مستقیم می باشد.

8ـ زاویه اصطکاک داخلی برای نمونه های سنگ آهکی و آهکی مارنی بین 45 ـ 40 درجه می باشد. مقاومت چسبندگی نیز برای نمونه های سنگ آهکی و آهک مارنی kg/cm² 3/0 ـ 2/0 است.

تشکر و قدردانی

از شرکت مهندسی مشاور آب پوی به خاطر در اختیار گذاشتن گزارشات و ایجاد تسهیلات جهت انجام مطالعات صحرایی تشکر و قدردانی می گردد .

مراجع :

[1] Berberian , F.M. , and King , G.C. , 1981 . " Towards paleogeography and tectonic evalution of Iran , can " . journal of Earth su.V.18,pp.210-265.

[2] Bieniawski,Z.T.,1976 . Rock mass classification in rock engineering . In Exploration for rock ergineering , proc. of the symp. , Cape Town,1,pp.97-106.

[3] Anon, 1979 . The description of rock masses for engineering purposes. working party Report. Quarterly Journal Engineering Geology,Vol. 10,pp.355-388.

[4] Hoek,E.,1994.Strength of roek and rock masses. New Journal, International society Rock Mechanics, 2,pp.4-16.

[5] Broch,I.,1974 . The influence of water on some rock properties in Advances in Rock Mechanics , Proc. of the 3 rd ISRM Congress,vol.II,pp.33-38.

 [6] Bell , F.G, 2000 ," Engineering properties of soils and Rocks."Blackwell Science.

 [7] فهیمی فر . ا ، سروش . ح و هجیری آذر . م ، طبقه بندی پیشنهادی سنگها بر اساس شاخص رطوبت ، دومین کنفرانس مکانیک سنگ ایران 1383 ، صفحه 523 ـ 511 .