آب بندی پی و تکیه گاههای بند تاریخی اخلمد از دیدگاه زمین شناسی مهندسی
| دسته | زمین شناسی مهندسی |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | بیست و پنجمین گردهمائی علوم زمین |
| نویسنده | حمید رضا زارعی |
| تاريخ برگزاری | ۰۲ اسفند ۱۳۸۵ |
چکیده:
بند اخلمد بعنوان یکى از بناهاى تاریخى ایران در استان خراسان رضوى و برروى رودخانه اخلمد واقع شده است. علیرغم گذشت بیش از ۷۰۰ سال از عمر این بناى تاریخى جز فرسودگى بخشهایى از آن سایر بخشها سالم و پابرجا باقى مانده است. به منظور بهره بردارى مجدد از بند تاریخى اخلمد که یکى از اهداف اصلى آن جذب توریسم مى باشد نیاز به آب بندى مخزن از فعالیت هاى اصلى به شمار مى رود. در این تحقیق سعى بر آن شده است تا به منظور آب بندى پى و تکیه گاههاى بند اخلمد از مناسب‌ترین روشهاى آب بندى، با توجه به شرایط زمین شناسى مهندسى سایت استفاده شود و علاوه بر استفاده بهینه از مصالح موجود در سایت، حداقل تغییر در ظاهر و شرایط بناى تاریخى اخلمد بوجود آید. بدین منظور ساختگاه بند اخلمد به سه زون ژئوتکنیکى با ویژگى هاى مهندسى متفاوت تقسیم شده است و بر اساس ویژگى هر یک از زون ها روشهاى آب بندى مناسب طراحى و ارائه شده است. روش هاى بکار رفته در این آب بندى شامل ترکیبى از پتوى رسى، پوشش بتنى و حفارى و تزریق مى باشد.
Abstract:
Akhlamad dam is one of historic structures of Iran in khorasan Rasavi province which has been built on AkhlamadRiver. In spite of ۷۰۰ years old this ancient structure has been good resistance to failure. For rehabilitation of Akhlamad dam, reservoir water tightness is one of the main activities. This research has attempted to design the best procedure, based on engineering geological condition, for seepage control along the dam foundation and abutments. Water tightness procedure has been designed in a manner that changes the least view of Akhlamad dam. For this propose Akhlamad dam site has been categorized in to ۳ main geotechnical domain. Based on hydrogeological and engineering properties of each domain Water tightness procedure has been designed. A combination of impermeable blanket, concrete carpet and grout curtain has been used in this rehabilitation.
آب بندی پی و تکیه گاههای بند تاریخی اخلمد از دیدگاه زمین شناسی مهندسی
◊◊◊◊◊◊◊
حمید رضا زارعی ، دانشجوی دکتری زمین شناسی مهندسی دانشگاه تربیت مدرس تهران
سعیده خالصی مقدم، دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه تربیت مدرس تهران
◊◊◊◊◊◊◊
چکیده:
بند اخلمد بعنوان یکی از بناهای تاریخی ایران در استان خراسان رضوی و برروی رودخانه اخلمد واقع شده است. علیرغم گذشت بیش از 700 سال از عمر این بنای تاریخی جز فرسودگی بخشهایی از آن سایر بخشها سالم و پابرجا باقی مانده است. به منظور بهره برداری مجدد از بند تاریخی اخلمد که یکی از اهداف اصلی آن جذب توریسم می باشد نیاز به آب بندی مخزن از فعالیت های اصلی به شمار می رود. در این تحقیق سعی بر آن شده است تا به منظور آب بندی پی و تکیه گاههای بند اخلمد از مناسب‌ترین روشهای آب بندی، با توجه به شرایط زمین شناسی مهندسی سایت استفاده شود و علاوه بر استفاده بهینه از مصالح موجود در سایت، حداقل تغییر در ظاهر و شرایط بنای تاریخی اخلمد بوجود آید. بدین منظور ساختگاه بند اخلمد به سه زون ژئوتکنیکی با ویژگی های مهندسی متفاوت تقسیم شده است و بر اساس ویژگی هر یک از زون ها روشهای آب بندی مناسب طراحی و ارائه شده است. روش های بکار رفته در این آب بندی شامل ترکیبی از پتوی رسی، پوشش بتنی و حفاری و تزریق می باشد.
Abstract:
Akhlamad dam is one of historic structures of Iran in khorasan Rasavi province which has been built on AkhlamadRiver. In spite of 700 years old this ancient structure has been good resistance to failure. For rehabilitation of Akhlamad dam, reservoir water tightness is one of the main activities. This research has attempted to design the best procedure, based on engineering geological condition, for seepage control along the dam foundation and abutments. Water tightness procedure has been designed in a manner that changes the least view of Akhlamad dam. For this propose Akhlamad dam site has been categorized in to 3 main geotechnical domain. Based on hydrogeological and engineering properties of each domain Water tightness procedure has been designed. A combination of impermeable blanket, concrete carpet and grout curtain has been used in this rehabilitation.
◊◊◊◊◊◊◊
مقدمه :
سد یا بند سازی از فعالیت های مهندسی به شمار می رود که شرایط تاریخی و جغرافیایی خاص مناطق در پیدایش، شکل گیری و گسترش آن سهم بسزایی داشته است. در ایران به جهت کمبود آب، شرایط اقلیمی خاص و نیازهای روزمزه، آب ماده ای بسیار ارزشمند محسوب می شده که این امر را علاوه بر بند سازی، سد سازی و آثار به جا مانده می توان در فرهنگ ایرانی به وضوح مشاهده و مطالعه کرد [3].
بند اخلمد را شاید بتوان یکی از بندهای پایه ای ایران دانست که دیواره نسبتا ضعیف آن توسط پایه‌های استوانه‌ای پشتیبان تقویت شده‌اند. این بند به صورت دیوار مستقیمی به طول 225 متر و ارتفاع 5/12 متر می‌باشد که ضخامت آن در پی 13 متر و در تاج 11 متر می باشد. بند اخلمد بعد از احداث یک پی، با ضخامت تقریبا 2 متر متشکل از قطعات درشت سنگ و ساروج مستقیما بر روی رسوبات آبرفتی بستر رودخانه بنا شده است. این رسوبات دارای تناوبی از لایه های رسوبی درشت دانه و ریز دانه می باشند. ضخامت این رسوبات به سمت تکیه گاهها کاسته می شود به طوریکه بدنه بند در تکیه‌گاهها مستقیما بر روی سنگ قرار گرفته است.
این تحقیق به منظور آب بندی پی و تکیه گاهها، با دیدی ویژه به بررسی نتایج مطالعات زمین شناسی مهندسی ساختگاه بند اخلمد پرداخته است. این مطالعات شامل مطالعات زمین شناسی،زمین شناسی مهندسی، مکانیک سنگ و مکانیک خاک می باشد که بر اساس نتایج حفاری های اکتشافی، بازدیدهای صحرایی، نتایج آزمایشهای آزمایشگاهی و صحرایی انجام شده است. در این مقاله با توجه به اهمیت حفظ نما و شرایط ظاهری و سازه‌ای بند تاریخی اخلمد سعی بر آن شده است تا متناسب با شرایط زمین شناسی مهندسی ساختگاه از مناسب‌ترین روشهای آب بندی در پی و تکیه گاهها استفاده شود. بدین منظور ساختگاه بند تاریخی اخلمد به سه زون ژئوتکنیکی با ویژگی های مهندسی متفاوت تقسیم شده است. بر اساس ویژگی هر یک از این زون ها روشهای آب بندی مناسب طراحی و ارائه شده است. روشهای طراحی شامل تلفیقی از پرده آب بند، پتوی رسی و پو شش بتنی است.
◊◊◊◊◊◊◊
بحث :
زمین شناسی
از دیدگاه زمین شناسی منطقه مورد مطالعه قسمتی از زون بینالود می باشد که در سلسله جبال البرز و بخش شرقی آن واقع شده است. ارتفاعات بلند و برفگیر بینالود رودخانه های متعددی را تغذیه می کند که رودخانه اخلمد جزئ یکی از آنها به شمار می رود. این رودخانه در طول شکستگی های بهم پیوسته جریان دارد. حوزه آبریز این رودخانه 132 کیلومتر مربع می باشد که بلندترین ارتفاعات آن 1510 متر و حداقل آن در محل بند اخلمد و 1278 متر از سطح دریا می باشد[3].
زمین شناسی مهندسی ساختگاه بند
بند تاریخی اخلمد در یک دره تکتونیکی-فرسایشی متشکل از سنگ آهکهای ژوراسیک واقع شده است. سنگ آهکهای تشکیل دهنده ساختگاه بند اخلمد دارای ساختار توده ای و رنگ نخودی روشن بوده و از نظر چینه شناسی شبیه به تشکیلات لار می‌باشند. ضخامت لایه های این واحد سنگی در ساختگاه بین 2 تا 5 متر می باشد. از ساخت های تکتونیکی مهم و قابل توجه در محدوده ساختگاه وجود چین خوردگی در محدوده مخزن و گسلهای F1 و F2 می باشند که تاثیر متقابل آنها در تکیه گاه چپ یک زون گسله با پهنای نسبتا زیاد را ایجاد کرده است[3]. (شکل1)
شکل 1- موقعیت ساختگاه بند تاریخی اخلمد
بطور کلی تشکیلات آهکی ساختگاه بند اخلمد بافت ریزدانه و ساختار توده ای دارند. این سنگها دارای مقاومت نسبتا بالایی می باشند. اما به دلیل وجود گسل ها و سیستم ناپیوستگی های فراوان در ساختگاه بند اخلمد توده سنگهای تشکیل دهنده این ساختگاه بویژه در تکیه گاه چپ دارای کیفیت بسیار پائین (RQD<25)و نفوذپذیری بسیار بالا(LU>100) می باشند. بر اساس طبق‌بندی IAGE این سنگها از نظر چگالی در کلاس 4 (سنگهای با چگالی بالا) قرار می‌گیرند[نقل از 2]. حداکثر مقاومت تراکمی تک محوری این سنگها در دو حال خشک و اشباع به ترتیب 1/53 و 9/32 مگاپاسکال و حداقل 4/34 و 2/19 مگاپاسکال می باشد.
رسوبات آبرفتی تشکیل دهنده پی بند اخلمد عمدتا شامل گراول خوب دانه بندی شده به همراه درصدی از سیلت و ماسه(GW-GM) یا گراول سیلتی با ماسه(GM) می‌باشند. بر اساس طبقه بندی مهندسی خاک (سیستم یونیفاید) این خاکها در رده GP-GW و SP-SM قرار می گیرند[نقل از 2]. این خاکها فاقد چسبندگی بوده (PI<2.5) و از تراکم پذیری خوبی برخوردار می باشند. وزن مخصوص این مصالح در حالت خشک 85/1 تا 01/2 گرم بر سانتی متر مکعب متغییر است. ضخامت این رسوبات در امتداد محور بند تاریخی اخلمد متغییر بوده و حداکثر 22/18 متر می باشد. از لحاظ نفوذپذیری این گروه از خاکها در رده خاکهای با نفوذپذیدی کم تا متوسط قرار می گیرند (3-10×6/2 -4-10×79/1 سانتی متر بر ثانیه) [نقل از 2].
جدول 1- برخی از ویژگی های مهندسی رسوبات آبرفتی پی ساختگاه بند تاریخی اخلمد
|
Sand Equivalent
|
Plasticity Index
|
Liquid Limit
|
Unified Classification
|
Soil Description
|
|
9/72
|
None
|
-
|
GW
|
گراول خوب دانه بندی شده با ماسه
|
|
2/73
|
5/2
|
2/15
|
GW-GM
|
گراول خوب دانه بندی شده با ماسه و سیلت
|
|
1/66
|
None
|
9/14
|
GM
|
گراول سیلتی با ماسه
|
|
83
|
None
|
-
|
GW
|
گراول خوب دانه بندی شده
|
رسوبات دریاچه ای نهشته شده در مخزن نیز در حد ماسه، سیلت و رس بوده و از چسبندگی پائینی برخوردار می باشند. ضخامت این رسوبات به خصوص در نزدیکی بدنه و تکیه گاه چپ به حدود 10 متر می رسد. بر اساس طبقه بندی مهندسی خاک (سیستم یونیفاید) این خاکها در رده CL-ML و CL قرار می گیرند[نقل از 1]. وزن مخصوص این مصالح در حالت خشک 75/1 گرم بر سانتی متر مکعب است. از لحاظ نفوذپذیری این گروه از خاکها در رده خاکهای با نفوذپذیدی کم تا تا خیلی کم قرار می گیرند (6-10×3/4 -5-10×6/1 سانتی متر بر ثانیه). این رسوبات دارای چسبندگی کم می باشند[نقل از 2]. برخی از ویژگیهای مهندسی این گروه از خاکها در جدول 3 آورده شده است.
جدول 3 برخی از ویژگی های مهندسی رسوبات دریاچه ای ساختگاه بند تاریخی اخلمد
|
k
|
Fric.
|
c
|
γ
|
PI
|
LL
|
Unified Classification
|
Soil Description
|
|
Cm/s
|
Deg.
|
MPa
|
gr/cm3
|
(%)
|
(%)
|
||
|
6-10×8/9
|
28
|
085/0
|
75/1
|
1/6
|
7/25
|
CL-ML
|
رس همراه با سیلت و ماسه
|
|
6-10×8/9
|
22
|
055/0
|
65/1
|
3/7
|
6/28
|
CL
|
رس ماسه ای با خاصیت خمیرایی کم
|
با توجه به نتایج بدست آمده ساختگاه بند اخلمد از لحاظ ویژگی های مهندسی و هیدروژئولوژیکی از 3 واحد ژئوتکنیکی (Geotechnical Domain) اصلی با ویژگیهای متفاوت تشکیل شده است[3]. اما هر یک از این واحدها خود دارای ویژگی های یکنواختی می باشند. جهت ارائه مدل زمین شناسی مهندسی و ژئوتکنیک، ساختگاه بند اخلمد به 3 واحد ژئوتکنیکی مجزا (واحد ژئوتکنیکی تکیه گاه راست، واحد ژئوتکنیکی پی و واحد ژئوتکنیکی تکیه گاه چپ) تقسیم شده است(شکل2) [نقل از 4].
شکل 2- تقسیم بندی ژئوتنیکی ساختگاه بند تاریخی اخلمد
آنالیز نشت از واحد ژئوتکنیکی پی:
با توجه به اینکه برآورد میزان نشت (Seepage)، تخمین فشار بالازدگی (Uplift Pressure)، رگاب (Piping) و فرسایش درونی (Internal Erosion) در رسوبات آبرفتی که ناشی از جریان آب زیرزمینی و نشت آب از درون آنها می باشد می تواند نقش مهمی در پایداری بند داشته باشد و همجنین به منظور بررسی وضعیت نشت و لزوم یا عدم لزوم سیستم‌های آب بند نیاز به آنالیز نشت می باشد[نقل از 5]. در این تحقیق از روش رسم شبکه جریان استفاده شده است. نتایج حاصل از این آنالیز در شکل 3 نشان داده شده است. باتوجه به نتایج بدست آمده از این روش، حداکثر میزان نشت برآورد شده 66/96 مترمکعب در روز در طول بند (125 متر میانی) می‌باشد. همانطور که انتظار می‌رود مقدار نشت محاسبه شده از این آنالیز بالا است و نیاز به اجرای یک سیستم آب بندی به منظور کاهش میزان نشت ضروری می باشد.
شکل 3- آنالیز نشت از واحد ژئوتکنیکی پی بند تاریخی اخلمد
کنترل تراوش از پی
به منظور کاهش میزان تراوش از پی در چنین شرایطی از روشهای مختلف مانند اجرای دیوار آب بند (Cutoff Wall)، اجرای دیافراگم بتنی (Concrete Diaphragm)، اجرای پرده تزریق (Grout Curtain)، اجرای پتوی نفوذناپذیر (Impermeable Blanket)، اجرای پوشش های بتنی (Concrete Carpet) و یا تلفیقی از آنها با توجه شرایط استفاده می شود[6].با توجه به شرایط موجود و طبقه بندی ژئوتکنیکی انجام شده در ساختگاه بند اخلمد هر یک از واحد‌های ژئوتکنیکی معرفی شده توسط یکی از روشهای فوق آب بند خواهد شد.
آب بندی واحد ژئوتکنیکی پی (Foundation Geotechnical Domain)
بخش عمده این واحد ژئوتکنیکی از رسوبات آبرفتی پی تشکیل شده است، سنگ بستر این واحد بسیار ضعیف بوده و توده سنگها از نفوذپذیری بسیار بالا برخوردار می باشند. در صورت استفاده از پرده تزریق عمق گمانه های تزریق باید از روی پی بیش از 40 متر باشد. از طرف دیگر با توجه به ضخامت رسوبات آبرفتی و نفوذپذیری کم تا متوسط آنها در این واحد ژئوتکنیکی استفاده از روش های معمول تزریق در آبرفت( با استفاده از لوله های مانشت یا تزریق جت) نیاز به تجربه و کادر فنی مجرب دارد[6].
با توجه به موارد عنوان شده در این بخش مناسب ترین روش آب بندی استفاده از پتوی نفوذ ناپذیر رسی در کف مخرن می باشد. با توجه به رسوبات دریاچه ای موجود در مخزن می توان از این مصالح جهت احداث پتوی رسی استفاده کرد. این رسوبات دریاچه ای از نفوذپذیری پائینی برخوردارند اما چسبندگی انها نیز نسبتا پائین است (PI=6.3-7.1). بنابراین باید از مصالح کمکی مانند آهک یا رس های با چسبندگی و خاصیت خمیرائی بالا جهت بهبود ویژگی های تحکیم پذیری آنها استفاده شود[1]. بنابراین رسوبات قاعده پتوی رسی باید به استفاده از روش های تراکم خاکهای سست متراکم شوند.
نتایج آنالیز نشت نشان می دهد که با استفاده از پتوی رسی با گسترشی به طول 100 متر در دریاچه بند میزان نشت به 40 متر مکعب در روز کاهش خواهد یافت. به طور کلی به ازائ هر 10 متر افزایش طول پتوی رسی 3 متر مکعب در روز از میزان نشت کاهش می یابد.
آب بندی واحد ژئوتکنیکی تکیه گاه چپ ( Left Geotechnical Domain)
این واحد به دلیل وجود و تاثیر متقابل دو گسل F1 و F2 کاملا خرد شده و ضعیف می باشد. توده سنگهای تشکیل دهنده این واحد از پارامترهای مقاومتی ضعیفی برخوردار بوده و نفوذپذیری آنها بسیار بالا می باشد(Lu>100). با توجه به نتایج بدست آمده از گمانه های حفاری شده در این واحد عمق زون خرده شده بیش از 35 متر بوده و مقادیر لوژن محاسبه شده در این عمق حدود 70 می باشد. بنابراین حفاری و تزریق به تنهایی در این بخش جوابگو نخواهد بود و باید علاوه بر حفاری و تزریق سطح سنگ کاملا تمیز شده و توسط پوشش های بتنی پوشیده شود. با توجه به خرد شدگی شدید در این واحد و وجود فشار بالا زدگی، جهت تامین پایداری پوشش بتنی باید از پیچ سنگ یا تزریق گمانه استفاده شود. (شکل 5)
شکل 5- نمای شماتیک گسترش پوشش بتنی تکیه گاه چپ بند تاریخی اخلمد
آب بندی واحد ژئوتکنیکی تکیه گاه راست ( Right Geotechnical Domain)
توده سنگهای تشکیل دهنده این واحد از پارامترهای مقاومتی خوبی برخوردار بوده و نفوذپذیری آنها متوسط می باشد(Lu=17-25). در اعماق 20 الی 25 متر نفوذپذیری به شدت کاهش می یابد(Lu<3) . بنابراین حفاری و تزریق به تنهایی در این بخش جوابگو خواهد بود.
بر اساس جهت یابی سیستم ناپیوستگی های موجود در واحد ژئوتکنیکی آرایش گمانه های تزریق باید بصورت قائم تا محدوده انتهای جاده موجود در تکیه گاه راست باشد و بعد از آن بصورت گمانه های فن (Fan) به طول 20 متر اجرا شود. عمق گمانه های تزریق که بصورت عمودی حفاری می شوند حداکثر 30 متر می‌باشد( شکل 6).
حفاری و تزریق گمانه های پرده آب بند در این واحد ژئوتکنیکی به روش نیم کردن فواصل گمانه ها انجام می گیرد (Split Spacing). بدین صورت که ابتدا گمانه های سری اول (P)با فواصل 16 متر با روش مغزه گیری حفاری شده و سپس باروش از پائین به بالا در مقاطع 5 متری تزریق می شوند. از این گمانه ها بعنوان گمانه های اکتشافی نیز استفاده می شود[6].
گمانه های سری دوم (S) با فاصله 8 متر از گمانه های سری اول و در بین آنها حفاری و تزریق می شود. بدین ترتیب گمانه های سری سوم (T) و سری چهارم (Q) به ترتیب با فواصل 4 متر و 2متر در بین گمانه‌های تزریق شده قبل حفاری و تزریق می شوند[6].
شکل 6- نمای شماتیک گسترش و آرایش گمانه های پرده آب بند در تکیه گاه راست بند تاریخیاخلمد
◊◊◊◊◊◊◊
نتیجه گیری :
بر اساس بررسی ها و مطالعات انجام شده و داده های جمع آوری شده از مطالعات ژئوتکنیک، بازدید های صحرایی و حفاریهای اکتشافی موارد زیر در خصوص مسائل ایمنی، آب بندی و پایداری بند تاریخی اخلمد قابل توجه می باشد:
1- با توجه به نتایج بدست آمده میزان نشت از پی و تکیه‌گاههای بند تاریخی اخلمد قابل ملاحظه می باشد و در صورتیکه طرحی مناسب برای آب بندی آن در نظر گرفته نشود، خطرات ناشی از نشت، رگاب و فرسایش بسیار زیاد خواهد شد.
2- با توجه به تنوع ویژگی ژئوتکنیکی در ساختگاه بند اخلمد و وجود مصالح و ساختارهای زمین‌شناسی متفاوت، طراحی یک روش به تنهایی جهت آب بندی و مرمت ساختگاه بند مناسب نخواهد بود. در چنین شرایطی باید با توجه به ویژگی ژئوتکنیکی هر واحد طرحی مجزا و مناسب برای هر واحد ارائه کرد. ارتباط و پیوستگی هر یک از طرح ها باید به گونه ای باشد که در نهایت طرحی یکپارچه و مناسب با هر واحد، برا