بررسی اثرات تخریبی انفجار بر حفریات طرح سد و نیروگاه کارون ۳

دسته زمین شناسی مهندسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و پنجمین گردهمائی علوم زمین
نویسنده محمد عطائی
تاريخ برگزاری ۳۰ بهمن ۱۳۸۵

چکیده:
 
حداکثر سرعت ذرات مهمترین معیار ارزیابی میزان خطرات ناشی از لرزش زمین می باشد. بر اساس تحقیقات به عمل آمده این پارامتر به تنهایی می تواند گویای میزان خسارت احتمالی و متناسب با آن باشد. تا کنون روابط مختلفی برای محاسبه این پارامتر توسط محققین ارائه شده است ولی هیچکدام از آنها به تنهایی در تمام مناطق کاربرد ندارد و هر کدام بسته به شرایط منطقه ای از قبیل زمین شناسی، تکتونیکی، مکانیک سنگی و ... در همان منطقه خاص کاربرد دارد. طرح کارون ۳ در منطقه ای با سازند های آسماری و پابده قرار گرفته است. به منظور پیش بینی تاثیر انفجار بر سازه های این طرح، از معیار حداکثر ذرات استفاده شده است که بدین منظور در چندین انفجار در این منطقه، سه پارامتر حداکثر سرعت ذرات، میزان خرج مصرفی به ازای هر تاخیر و فاصله از محل انفجار اندازه گیری شده است. در مرحله بعد با برازش بهترین منحنی، روابطی به منظور پیش بینی حداکثر سرعت ذرات ارائه شده است که با استفاده از این روابط می توان انفجارها را به گونه ای طراحی کرد که لرزشهای حاصل از انفجار، باعث خسارت در سازه ها و تاسیسات مجاور نشود.
 
 
 
Abstract :
 
Peak particle velocity is the most important criteria for analyzing the dangers resulted from ground vibration. According to the investigations made, this parameter can solely indicate the possible damage and can be symmetrical to damage. Up to now, investigators have proposed many different formulas to calculate this parameter but none of them are applicable for all areas and based upon regional condition such as geological, technical, geotechnical, rock mechanical and so on, these formula are applicable in similar area. Karoun۳ project is located in an area with Asmary and Pabdeh formation. A peak particle velocity criterion is used to predict blast effect on structures of this project. For this purpose, some blasts is done and in each blasting, peak particle velocity, charge weight for each delay and distance from blasting source are measured. Then, two formulas to peak particle velocity prediction are developed by best curve fitting. By these formulas, can be design optimum drilling and blasting pattern.

بررسی اثرات تخریبی انفجار بر حفریات طرح سد و نیروگاه کارون 3
 
◊◊◊◊
 
محمد عطائی  ، عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی معدن و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود
 
◊◊◊◊
 
چکیده:
 
حداکثر سرعت ذرات مهمترین معیار ارزیابی میزان خطرات ناشی از لرزش زمین می باشد. بر اساس تحقیقات به عمل آمده این پارامتر به تنهایی می تواند گویای میزان خسارت احتمالی و متناسب با آن باشد. تا کنون روابط مختلفی برای محاسبه این پارامتر توسط محققین ارائه شده است ولی هیچکدام از آنها به تنهایی در تمام مناطق کاربرد ندارد و هر کدام بسته به شرایط منطقه ای از قبیل زمین شناسی، تکتونیکی، مکانیک سنگی و ... در همان منطقه خاص کاربرد دارد. طرح کارون 3 در منطقه ای با سازند های آسماری و پابده قرار گرفته است. به منظور پیش بینی تاثیر انفجار بر سازه های این طرح، از معیار حداکثر ذرات استفاده شده است که بدین منظور در چندین انفجار در این منطقه، سه پارامتر حداکثر سرعت ذرات، میزان خرج مصرفی به ازای هر تاخیر و فاصله از محل انفجار اندازه گیری شده است. در مرحله بعد با برازش بهترین منحنی، روابطی به منظور پیش بینی حداکثر سرعت ذرات ارائه شده است که با استفاده از این روابط می توان انفجارها را به گونه ای طراحی کرد که لرزشهای حاصل از انفجار، باعث خسارت در سازه ها و تاسیسات مجاور نشود.
 
 
 
Abstract :
 
Peak particle velocity is the most important criteria for analyzing the dangers resulted from ground vibration. According to the investigations made, this parameter can solely indicate the possible damage and can be symmetrical to damage. Up to now, investigators have proposed many different formulas to calculate this parameter but none of them are applicable for all areas and based upon regional condition such as geological, technical, geotechnical, rock mechanical and so on, these formula are applicable in similar area. Karoun3 project is located in an area with Asmary and Pabdeh formation. A peak particle velocity criterion is used to predict blast effect on structures of this project. For this purpose, some blasts is done and in each blasting, peak particle velocity, charge weight for each delay and distance from blasting source are measured. Then, two formulas to peak particle velocity prediction are developed by best curve fitting. By these formulas, can be design optimum drilling and blasting pattern.
 
 
◊◊◊◊
 
مقدمه :
 
یکی از معمول ترین روشهای حفر تونلها، ترانشه ها و فضاهای زیر زمینی کوچک و بزرگ استفاده از چالزنی و انفجار می باشد. مهندسین غالبا با مشکلات پیچیده ای در راستای استفاده از مواد منفجره مواجه بوده اند. انرژی حاصل از انفجار مواد منفجره علاوه بر خرد کردن سنگها موجب لرزش زمینهای اطراف می شود که این لرزشها بر سلامت افراد و سازههای اطراف محل انفجار تاثیر می گذارد. این مساله با گسترش شهر نشینی اهمیت فوق العاده ای پیدا کرده است. در بسیاری از پروژه های عمرانی و معدنی به منظور کاهش لرزشهای زمین در سازه های مجاور، پایداری توده سنگ باقیمانده، کاهش هزینه مرمت و بازسازی، کاهش عقب زدگی و یکنواختی و زیبایی سطح بوجود آمده از آتشکاریهای کنترل شده استفاده می شود.
لرزشهای ناشی از انفجار در سدها و نیروگاههای زیر زمینی چه در مرحله ساخت و چه در مرحله بهره برداری از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و لازم است که به هر طریق ممکن آن را کنترل کرد. در لرزشهای حاصل از انفجار عواملی همچون فاصله از محل انفجار و خصوصیات زمین شناسی منطقه ( ناپیوستگی ها، جنس زمین، کیفیت و مقاومت سنگ و ... ) غیرقابل کنترل می باشند ولی عواملی همچون الگوی چالزنی و آتشکاری قابل کنترل می باشند]1[. لذا عملیات چالزنی و آتشکاری به گونه ای باید انجام شوند که لرزش های حاصل از انفجار زیر حد استاندارد باشد.
طرح کارون 3 یکی از عظیم ترین پروژه های ملی و در نوع خود دارای پیچیده ترین و فشرده ترین حفریات زیر زمینی می باشد که در مجموع میزان حفریات زیر زمینی آن بالغ بر یک میلیون و دویست هزار متر مکعب می باشد. این حفریات زیر زمینی شامل مجموعه نیروگاه، تونلها، چاههای آب بر و دسترسی های مختلف می باشد که در فواصل نزدیک هم قرار گرفته اند و در بیشتر موارد عملیات حفاری آنها بطور همزمان انجام می گیرد. لذا لازم است که انفجارها با کنترل دقیقی صورت گرفته و طراحی انفجار بر اساس لرزشهای مجاز تاسیسات مجاورشان باشد. در این تحقیق سعی شده است با انجام آزمایشها و برداشتهایی در نقاط مختلف منطقه روشی برای کنترل انفجارها ارائه شود.
 
استانداردهای لرزش ناشی از انفجار
بر اساس نیم قرن تحقیق محققین و دانشمندان در زمینه انفجار، استانداردهای مختلفی برای لرزش ارائه شده است که اهم آنها به شرح ذیل می باشد:
1- حداکثر سرعت ذرات (Peak particle velocity )
در سال 1948کیلستروم (Kihlstrom )، وستربرگ (Westerberg) و لانگفورس (Langeforse) برای اولین بار شاخص حداکثر سرعت ذرات را مورد مطالعه قرار دادند و محدوده هایی برای ایجاد خسارت و ایمنی تعریف کردند]2 [. در سال 1959 نورثود (Northwood) و ادوارد (Edward) نیز در کشور کانادا ضمن استفاده از شاخص حداکثر سرعت ذرات محدوده هایی برای خسارت و ایمنی تعریف کردند]3 [. در سال 1971 داوال (Duvall)، جهانسون (Johnson) و نیکلاس (Nichols)، در سال 1980 سیسکیند (Siskind) از اداره معادن آمریکا تحقیقاتی در این زمینه انجام دادند و استانداردهایی در این زمینه ارائه کرده اند]4 و 5 [. مطالعات همه این محققین نشان می دهد که اگر سرعت ذرات بیش از 2 اینچ در ثانیه (50 میلیمتر در ثانیه) باشد به احتمال زیاد ایمنی برقرار نخواهد بود.
در مشخصات فنی قرارداد طرح کارون 3 مقادیر مجاز لرزش برای سازه ها به صورت زیر ارائه شده است:
الف- برای بتن ریزی و تزریق هایی که بیش از 60 ساعت از اجرای آنها می گذرد: حداکثر سرعت مجاز ذرات در صورتی که سازه مسلح باشد، 80 میلیمتر در ثانیه و اگر سازه غیر مسلح باشد، 60 میلیمتر در ثانیه توصیه می شود.
ب- برای بتن ریزی و تزریق هایی که کمتر از 60 ساعت از اجرای آنها می گذرد: حداکثر سرعت مجاز ذرات 10 میلیمتر در ثانیه توصیه می شود.
ج- برای سنگ در تونلها و حفریات روباز: حداکثر سرعت مجاز ذرات 50 میلیمتر در ثانیه توصیه می شود.
 
2- مقیاس فاصله (Scaled distance)
این شاخص توسط اداره معادن آمریکا به منظور کنترل لرزشهای حاصل از انفجار ارائه شده است. مقیاس فاصله طبق تعریف برابر است با:
(1)
که در این رابطه  مقیاس فاصله،  فاصله از محل انفجار بر حسب فوت و  حداکثر خرج مصرفی به ازای هر تاخیر بر حسب پوند می باشد. در این رابطه اگر مقیاس فاصله بیش از 50 باشد، انفجار ایمن و لرزش محسوس نخواهد بود ولی اگر مقیاس فاصله کمتر از 25 باشد انفجار خطرناک، لرزش محسوس و احتمال خسارت زیاد خواهد بود. در طراحی ها معمولا مقیاس فاصله را 60 فرض می کنند]6[.
 
3- شتاب ذرات (Particle acceleration )
اولین مطالعات در این زمینه توسط توئن (Thoenen) و وایدز(Wides)ارائه شده است که طبق نظر آنها چنانچه شتاب ذرات کمتر از ده درصد شتاب ثقل باشد، ایمنی برقرار خواهد بود ولی در شتاب بین ده درصد شتاب ثقل تا شتاب ثقل، احتیاط و در شتاب بیشتر از شتاب ثقل خسارت بوجود خواهد آمد]7[.
 
4- نسبت انرژی
این شاخص در سال 1949 توسط کراندل (Crandell) به صورت زیر تعریف شده است:
(2)
که در این رابطه  نسبت انرژی،شتاب بر حسب فوت در ثانیه و  فرکانس بر حسب هرتز می باشد. بر اساس نظریه کراندل چنانچه شاخص نسبت انرژی کمتر از 3 باشد، ایمنی برقرار خواهد بود ولی اگر شاخص نسبت انرژی بین 3 تا 6 باشد احتیاط و بزرگتر از 6 خسارت وارد خواهد شد]6[.
 
پیش بینی حداکثر سرعت ذرات
حداکثر سرعت ذرات مهمترین پارامتری است که برای ارزیابی و پیش بینی میزان خسارت ناشی از لرزش زمین در اثر انفجار به کار می رود که تا کنون روابط تجربی مختلفی برای پیش بینی آن ارائه شده است. شکل کلی این روابط تجربی بصورت زیر است]6[:
(3)
در این رابطه PPV حداکثر سرعت ذرات، R فاصله تا محل انفجار، Q حداکثر خرج مصرفی در هر تاخیر و a، b و k ضرایب ثابتی هستند که توسط تحلیلهای رگراسیون چند متغیره بر اساس داده های ثبت شده در یک محل خاص بدست می آیند.
 
ثبت داده های لرزه ای
به منظور بررسی تاثیر ارتعاشهای حاصل از انفجارهای انجام شده در حفریات طرح کارون 3 ، عملیات ثبت داده های لرزه ای توسط دستگاه لرزه سنج (Vibrogrph) مدل UVS500 ساخت شرکت نیترونوبل صورت گرفته است. این دستگاه شامل سه بخش دستگاه مادر، ژئوفن و کابلهای رابط می باشد. توان دستگاه از طریق یک باتری 5/1 ولتی تامین می شود. دستگاه دارای یک رطوبت سنج بوده که در صورتی که رطوبت محل اندازه گیری بیش از حد مجاز باشد، فعال می شود. در این گونه مواقع باید محل نصب دستگاه را عوض کرد. ژئوفن بکار رفته قادر است سرعت جابجایی ذرات در سه جهت اصلی و همچنین برآیند آنها را اندازه گیری کند و همچنین نمودار تغییرات PPV بر حسب زمان را به صورت گرافیکی ارائه دهد.
برای ثبت داده های لرزه ای در یک نقطه ابتدا باید بولت ژئوفن که دارای طول 25 سانتیمتر و قطر 20 میلیمتر می باشد، نصب شود. بدین منظور پس از حفر چال، بولت ژئوفن را در آن قرار داده و بعد از تزریق سیمان و رسیدن مقاومت آن به مقاومت هفت روزه می توان آزمایشها را شروع کرد. محلی که بولت ژئوفن نصب می شود نباید هیچگونه ضعف زمین شناسی از قبیل هوازدگی، لایه بندی، درزه و ... داشته باشد زیرا هر گونه از این موارد از دقت آزمایشها خواهد کاست. پس از نصب ژئوفن بر روی بولت، دستگاه از طریق کابلهای رابط به ژئوفن وصل و در محل امن قرار داده می شود. با انجام مراحل بالا دستگاه آماده ثبت می شود. پس از روشن کردن آن تا 12 دقیقه زمان وجود دارد که انفجار انجام شود و بعد از آن دستگاه خودبخود خاموش می شود و به همین خاطر اگر تا 12 دقیقه انفجار انجام نشود دوباره باید دستگاه را روشن کرد. مختصات محل نصب ژئوفن و مرکز انفجار باید توسط نقشه برداری بطور دقیق مشخص شود. در هر انفجار باید الگوی انفجار و میزان خرج مصرفی به ازای هر تاخیر بدقت تعیین شود. در شکل 1 موقعیت 11 ژئوفن نصب شده در طرح سد و نیروگاه کارون 3 با شماره های 1 تا 11 نمایش داده شده است. برای هر انفجار فاصله محل انفجار تا ژئوفن، میزان خرج مصرفی به ازای هر تاخیر و حداکثر سرعت ذرات ایجاد شده در اثر آتشکاری ثبت و در جدول 2 درج شده است.
 
 
شکل 1- موقعیت 11 ژئوفن نصب شده در طرح سد و نیروگاه کارون 3
 
 
تجزیه و تحلیل اطلاعات برداشت شده
همانگونه که در روابط تجربی ارائه شده به منظور پیش بینی حداکثر ذرات ذکر شد، پارامترهای اصلی موثر در میزان سرعت ذرات، وزن خرج مصرفی در هر تاخیر و فاصله تا مرکز انفجار می باشد. عوامل دیگر از جمله عوامل زمین شناسی، ژئوتکنیکی و ... نیز به صورت ضریبی در روابط اعمال شده است. به منظور راحتی تحلیل نتایج مقیاس فاصله بصورت رابطه زیر تعریف شده است:
 
(4)
که در این رابطه  مقیاس فاصله،  فاصله از محل انفجار بر حسب متر و  حداکثر خرج مصرفی به ازای هر تاخیر بر حسب کیلوگرم می باشد. توان  در این رابطه با برازش بهترین منحنی بر داده های لرزه ای ثبت شده محاسبه خواهد شد. انفجارهای انجام شده همگی در زیر زمین بوده و در هر تاخیر 20 تا 50 کیلوگرم ماده منفجره مصرف شده است. اما فاصله محلهای اندازه گیری تا محلهای انفجار دامنه تغییرات وسیعی دارد. از این رو تحلیل تمام اطلاعات ثبت شده به صورت یکجا منطقی نبوده و منحنی های برازش شده از ضریب همبستگی کمی برخوردار خواهند بود. به منظور حل این مشکل داده های ثبت شده به دو دسته با فاصله کمتر از 50 متر و بیشتر از 50 متر تقسیم شده است و هر کدام از این دو دسته جداگانه تحلیل شده است.
در شکل 2 منحنی تغییرات حداکثر سرعت ذرات بر حسب مقیاس فاصله با توانهای مختلف برای فواصل کمتر از 50 متر و در شکل 3 منحنی تغییرات حداکثر سرعت ذرات بر حسب مقیاس فاصله با توانهای مختلف برای فواصل بیشتر از 50 متر نمایش داده شده است. با نگاهی اجمالی به منحنی های برازش شده، مشاهده می شود که برای فواصل کمتر از 50 متر بهترین توان در رابطه 4 مساوی 1 و برای فواصل بیشتر از 50 متر بهترین توان در رابطه 4 مساوی5/0می باشد.
 
جدول 1- داده های لرزه ای ثبت شده در طرح سد و نیروگاه کارون 3
شماره
حداکثر خرج در هر تاخیر (کیلوگرم)
فاصله
 (متر)
حداکثر سرعت ذرات
(میلیمتر در ثانیه)
1
25/72
9/173
1/1
2
5/39
6/172
3/0
3
2/35
5/100
7/1
4
35
4/101
3/1
5
35
3/102
3/1
6
35
4/103
5/1
7
75/53
7/42
34
8
5/32
98/76
5/2
9
5/23
41/99
3/3
10
35
6/117
2/1
11
5/22
43/40
7/4
12
41
91/90
7/3
13
5/30
4/130
7/0
14
41
5/143
1
15
25/30
3/141
4/0
16
25
9/138
6/0
17
54
18/32
63
18
5/53

کلید واژه ها: سایر موارد