تشكيل غار و بررسي آبخوانهاي كارستي با تاكيد ويژه برطبقه بندي مهندسي كارست
تشكيل غار و بررسي آبخوانهاي كارستي با تاكيد ويژه برطبقه بندي مهندسي كارست
مطالعه موردي: پي سنگ آهكي سد گلمن دره
خلاصه
نام كارست، از منطقه اي در يوگسلاوي گرفته شده كه درآنجا پوششهاي سنگي منطقه عمدتا از سنگ آهك مستعد به حفره زايي و تشكيل غار است. بدين ترتيب واژه كارست مترادف با خورندگي سنگهاي كربناته و دولوميتي توسط آب است كه بتدريج با گسترش تحقيقات در اين زمينه، واژه كارســت امروزه در مـورد سنـگهاي سولفـاته ( ژيپـس و انيـدريت) ، سنگهاي پريدوتيت، ماسه سنگ و كنگلومرا استفاده مي شود. بعنوان مثال در مورد سنگهاي خورد شده كربناته به سد لاردر ايران و سنگهاي خوردشده غير كربناته به سدهاي Mequinenza در اسپانيا، Krematsa در يونان و Yate در كالدونياي جديد اشاره كرد.
خواص خورندگي و يا انحلال در كربناتها
عموما خواص خورندگي و يا انحلال سنگ در آب، در مورد سنگهاي سولفاته بمراتب بيشتر از سنگهاي كربناته مي باشد. سنگهاي دولوميت معمولا در مقابل انحلال آب مقاومت بيشتري نشان مي دهند. مقدار انحلال سنگهاي كربناته در آب خالص در شرايط مختلف تركيب شيميايي آن داراي تغييراتي است، ولي بطور متوسط، درجه اشباع انحلال سنگ آهك در آب خالص بين 350-400 ميلي گرم بر ليتر است .
با افزايش ناخالصيها در آب خالص، زمان طولاني تري براي انحلال سنگ آهك لازم است.
رخداد كارست ها
در امتداد گسلها و مناطق خرد شده، كارستي شدن سريعتر اتفاق مي افتد. بطوريكه اين پديده از امتداد گسلها، خطواره ها و هر گونه عوامل تكتونيكي تبعيت مي نمايد. مقدار نزولات جوي ساليانه و انحلال گاز كربنيك هوا در آب باران نيز در ايجاد و گسترش كارست نقش مهمي دارند. هر چه نزولات جوي بيشتر باشد، مسلما روند كارستي شدن شدت مي يابد. اقليم سرد، باعث تسريع پديده كارست آهكي مي شود.
در مقياس جهاني، انحلال آهك و ژيپس توسط آبهاي طبيعي، اشكال گسترده و وسيع كارست(Karst) را ايجاد كرده كه براي مهندسين عمران نوعي از شرايط زمين شناسي بسيار متفاوت را بوجود آورده است. غارهاي حاصل، تهديدي بر فونداسيونها خواهد بود كه بطور قابل ملاحظه اي، عرض اين غارها از ضخامت سقفشان بيشتر است .
فرايندهاي كارستي شدن
دردرجه اول، كارستي شدن و پديده انحلال و مورفولوژي غاري شكل در سنگهايي گسترش مي يابند كه واجد شرايط _ از قبيل شكستگي_ بوده و مقاومت تراكم تك محوري در حالت سالم، 200-300 Mpa باشد. آهكهاي ضعيفتر، گل سفيد و رسوبات آهكي سخت نشده كه مقاومت كمي دارند، حفرات محدودتري نيز بوجود مي آورند .
رسوبات كربناته دور از ساحل، معمولا مورفولوژي كارست ندارند. كارستهاي ژيپسي همانند كارستهاي آهكي بوده، با اين تفاوت كه گسترش كارست بين چينه اي و لوله هاي برشي (breccia pipes) بيشتري داشته، ولي كارستهاي برجي(tower) و مخروطي(cone) بالغي ندارند. سنگهاي نمك هم به سرعت حل مي شوندومورفولوژي مخصوص به خود را دارند .
نقش اقليم در فرايند كارستي شدن
اقليم منطقه، بكمك كنترل رژيم هاي جرياني آبي خود، تاثير زيادي بر توپوگرافي كارستيك دارد . به همين دليل، كارستهاي بالغ در محيطهاي گرمسيري (tropical) توسعه بيشتري دارند. در مناطق معتدل(temperate)، انحلال سنگ آهك كاهش مي يابد و در رژيمهاي مناطق خشك، يخچالي و برون يخچالي به مقدار مينيمم خود مي رسد . پس با توجه به اين موضوع، اقليم قديمه مورد توجه مهندسين عمران خواهد بود. بنابراين مورفولوژي محيطهاي قديمه كه مرطوبتر يا گرمتر بوده اند، اكثر آنها ممكن است بصورت كارستهاي قديمه)پالئو كارست( مدفون باشند .
سرعت انحلال سنگ آهك
انحلال سنگ آهك به آهستگي صورت مي گيرد، بطوريكه در هر يكصد سال، تنها چند ميليمتر انحلال داريم؛ وليكن تحت شرايط ويژه اي مثل جريان شديد آب، سرعت انحلال افزايش يافته و بطور مثال مي تواند باعث نشت در سدها شود . از نظر مهندسي، خطر اصلي اين پديده، روند شستشوي خاكهاي درون حفرات سنگهاي قديمي و پايدار بسمت پايين تا مرحله شكست است . انحلال ژيپس سريعتر بوده و پتانسيل حفر يك متر در يكصد سال را دارند .
مورفولوژي كارست
1- مورفولوژيهاي كوچك مقياس سطحي : شيارهاي با عمق كمتر از يك متر، حاصل فرسايش انحلالي سنگ فاقد پوشش شامل :
Grykes : شكستگي هايي كه قطعات سنگ آهك را از هم جدا مي كند .
Rundkarren : مـورفولوژي انحـلالي كوچـك با عمق و عرض 50-500 mm و در نهايت بريدگيها كه كارستهاي هرمي (مخروطي) با ارتفاع2-30m را تشكيل مي دهند .
2- مورفولوژيهاي بزرگ مقياس سطحي : دره هاي خشك، دولين ها، فروافتادگي (poljes) با طول و پهناي زياد و ديواره هاي پرشيب، مخروطها و برجها و تمام اشكال موجود در انواع مختلف كارستها با مقياس كيلومتري .
3- اشكال موجود در زير خاك: مورفولوژيهاي انحلالي پيچيده اي از توپوگرافي كارستي با برجستگيهاي محلي كه مي تواند به دهها متر نيز برسد .
4- فروچالها : فروافتادگيهاي سطحي متنوعي با طول1-1000 m بسته به حفرات سنگي زيرين .
5- غارها : حفراتي با طول چند مترتا دهها متر، تشكيل شده در داخل سنگ تحت انحلال كه ممكن است خالي بوده يا با رسوبات پر شده باشند .
انواع كارست
مورفولوژيهاي سطحي بزرگ مقياس با هم تركيب شده و اشكال كارستيك مشخصي را بوجود مي آورند. مجموعه اشكال كارستيك، انواع اصلي كارستهاي آهكي را بوجود آورده كه هر كدام ويژگيهاي مشخص به خود را داشته و در رژيم اقليمي ويژه اي بطور وسيع گسترده شده اند .
1- كارستهاي يخچالي (glaciokarst) : سطوح سنگي بدون پوشش همراه با سنگ كف آهكي، پرتگاههاي سنگي و دره هاي عميق كه در عرضها و ارتفاعات بالا كه توسط يخچالهاي پلئيستوسن شسته شده و گسترش خاكهاي پس از يخچالي كمي دارند، بوجود آمده اند ؛ مثل منطقه Yorkshire Dalas در انگلستان) شكل1(.
2- كارستهاي آبرفتي(fluviokarst) : كه بصورت يك سيستم دندريتي) درختي( مشخصي از دره هاي خشك هستند و قبل از اينكه بوسيله زهكشي زير زميني در داخل غارها به دام بيفتند، توسط رودخانه ها قطع شده اند. اغلب در مناطقي بوجود آمده اند كه آن مناطق در مراحل سرماي پلئيستوسن دور از فرايند يخچالي شدن قرار داشتند . مثل منطقه Derbyshire Peak در انگلستان .
3- كارستهاي دولين(doline karst) : داراي شبكه اي چند ضلعي از ميان آبهايي كه فروافتادگيهاي نزديك به هم را از هم جدا ساخته است . هريك با طول100-1000 m كه بصورت مورفولوژيهاي غالب، بخاطر زهكشي هاي زيرزميني، جايگزين دره ها شده اند .
دولين ها، مورفولوژيهاي بالغي هستند كه در مناطق معتدل باآب و هواي مديترانه اي گسترش پيدا كرده اند . مثل كارستهاي قديميSlovenia وFlorida .
4- كارست مخروطيcone karst)ياكارست نوع ( fengcong : تپه هاي آهكي مخروطي يا نيمكروي با ارتفاع 30-100 m حالت بينابيني دولين هاي ستاره اي شكل كوچك و حفرات آبرفتي بزرگ . كارستهاي مخروطي، مورفولوژيهاي خيلي بالغي هستند كه در ميان مناطق گرمسيري محدود شده اند ؛ مثل Cockpit country در جامائيكا و منطقه Fengcong در چين .
5- كارست برجي( tower karst ياكارست نوع Fenglin ) : از زيباترين اشكال كارستيك با برجهاي جدا از هم و پرشيب با ارتفاع 50-100 m بالاتر از دشتهاي كارستي آبرفتي و بارزترين نوع كارست، محدود در مناطق گرمسيري مرطوب و با گسترش طويل و غير منقطع ؛ مثل منطقه Guilin/Yangshuo در چين .
زير تقسيمات ديگري نيز براي كارستها وجود دارد ؛ مثل كارستهاي مناطق خشكي كه محدود هستند ؛ ولي در طبقه بندي مهندسي كارست، توجه به مورفولوژي خاص كه تاثير اصلي را در شرايط زمين شناسي دارد از قبيل غارها، فروچالها و مورفولوژي خاص سطح كارست، مفيد خواهد بود .
غارها در كارست
غارها در هر سنگ قابل انحلالي كه جريان كافي آب وجود داشته باشد، تشكيل مي شود . سرعت جريان آب و درجه تحت اشباع بودن شيميايي آن ميزان ابعاد حفره را تعيين مي كند كه به سطوح لايه بندي و شكستگيهاي تكتونيكي بستگي دارد . بزرگ شدن شبكه شكافهاي باز و مسيرهاي جريان مناسب، به غارها و حفرات وابسته است . اگر آب خارج شود، رسوبات يا استالاگميت هاي آهكي بطور كامل يا بخشي، حفرات يا غارها را پر مي كنند؛ و يا اگر ناپايدار شوند، ممكن است فرو بريزند ( شكل ٢). حفرات پر شده، بشكل لوله هاي رسي يا ماسه اي در داخل سنگهاي سخت ظاهر مي شوند . ريزش پيشرونده سقف و توقف عمل انحلال كه بطرف بالا صورت مي گيرد، توده هاي انباشته از سنگهاي سقوط كرده در يك لوله برشي در سنگ آهك را ايجاد مي كند .
ابعاد غار، خيلي بزرگ است. در مناطق معتدل به قطري كمتر از 10mمي رسند. در مناطق مرطوب گرمسيري به 30m نيز مي رسند. بزرگترين حفره اي كه تاكنون مشاهده شده، كارستMulu درSarawak مالزي باعرض 300m و طول700m مي باشد.
تمام حفرات موجود در بلوكهاي آهكي كارستي از طريق زهكشها به هم متصل هستند. شكافهاي باريك، دالانهاي رودخانه اي عريض و حفرات بزرگ، اجزاء يك سيستم حفره اي (غاري) هستند. بنابراين مورفولوژي حفرات دردوره هاي زمين شناسي آهكي بايستي مورد مطالعه قرار گرفته، بطوريكه توزيع حفرات غاري شكل در توده هاي آهكي كشف نشده، قابل پيش بيني نيست و از اينرو يكي از مهمترين مشكلات براي مهندسين عمران خواهد بود.
توده سنگهاي كارستهاي آهكي تيپيك، كيفيت خوبي دارند ) رده III ( و در طبقه بندي بارتون و همكاران (1974) ، Q=4-10 و در رده بندي بنياوسكي ) (1973، RMR=40-60 خواهند داشت. در چنين مواردي اگر ضخامت سقف سنگي، 70% پهناي غار باشد، تحت بارگذاري فونداسيوني كه كه مقدار بارش از 2Mpa تجاوز نكند (نصف فشار تحمل مجاز) ، ايمن خواهد بود. ) نمودار (.
فروچالها در كارست ( Sinkholes )
فرورفتگيهاي قيفي شكل در زمينهاي آهكي كه در اثر حل شدن سنگهاي مزبور و فروريختن سقف ايجاد مي شوند . بدينصورت كه سطح زمين حول يك نقطه زهكشي داخلي، فرسايش يافته است . ژئومورفولوژيستها اين فرورفتگيها را "دولين" مي نامند؛ اما مهندسين آنها را "فروچال يا سينك هول " مي خوانند . قطر فروچالها از 1m تا 1km متغير بوده و عمقشان ممكن است تا500m نيز برسد و به ٦ نوع مختلف طبقه بندي مي شوند (شكل5) كه هر كدام مكانيسم تشكيل مختص به خود را دارند . انواع فروچالها توسط Waltham et al (2005) توضيح داده شده است . مورفولوژيهاي سنگي، در حالت طبيعي پايدار هستند، مگر اينكه داراي شكاف بوده يا بر روي حفرات قرار گرفته باشند . خطرات مهم و اصلي در زمينهاي كارستي، توسط فروچالهاي تشكيل شده در پوششهاي خاكي است .
انواع فروچالها
1- فروچالهاي انحلالي(Dissolution sinkholes): انحلالهاي آهسته درزير رخنمونها يا توپوگرافي هاي آهكي به كمك فروريختگيهاي كوچك مقياس. اين نوع از فروچاله ها از اشكال فراوان كارستيك بوده كه تشكيل آنها در مقياس هاي زماني زمين شناسي صورت مي گيرد. انواع قديمي شان كه 1000m طول و 10m عمق دارند، هنوز هم پتانسيل افزايش ابعاد را خواهند داشت . مورفولوژيهاي انحلالي، قابل مقايسه با Pothole (ديگ غول يا گودالهاي گرد) و Shaft (دودكشهاي بزرگ ، چاههاي عمودي) بوده با اين تفاوت كه اين اشكال، در گودالهاي كم عمق و داراي رژيم محدود جرياني تشكيل شده، در حاليكه فروچالهاي مخروطي، توسط آبهاي تراوشي پراكنده، بوجود مي آيند.
2- فروچالهاي ريزشي يا سقوطي(Collapse sinklohes) :كه توسط شكست آني پيشرونده و سقوط سقفهاي آهكي بر روي حفرات بزرگ يا مجموعه اي از حفرات كوچك تشكيل مي شوند. سنگ آهكهاي سالم، مقاوم بوده و ريزشهاي حفره اي بزرگ مقياس نادري دارند ( اغلب دره هاي عميق آهكي، حفرات و غارهاي ريزشي نيستند) هر چند كه فروچالهاي ريزشي بزرگ مقياس، معمول نيستند؛ وليكن ريزشهاي كوچك مقياس به فرسايش كارستها كمك كرده و يك پيوستگي ساختاري بين انواع فروچالهاي ريزشي و انحلالي بوجود مي آورند .
3- فروچالهاي داراي پوشش سنگي(Caprock sinkholes) : كه قابل مقايسه با فروچالهاي ريزشي هستند، با اين تفاوت كه يك سقوط و حفره زايي تحتاني پوشش سنگي غير قابل انحلال قرار گرفته روي حفرات كارستيك آهك زيرين نيز وجود دارد . اين فروچالها، در كارستهاي قديمه ( پالئو كارست) يا كارستهاي بين چينه اي همراه با حفرات بزرگ در سنگ آهكهاي دفن شده تشكيل شده و بنابراين در رخنمونهاي سنگي غير قابل انحلال، قابل رويت هستند .
4- فروچالهاي سقوطي يا فرونشستي( Dropout sinkholes) : در خاكهاي چسبنده اي كه آب باران باعث شسته شدن خاك به داخل حفرات و شكافهاي پايدار سنگ آهكهاي زيرين مي شود (شكل ٦ ) . وقتي كه به داخل درز و شكاف سنگ آهك زيرين شسته مي شود، حفراتي كه به آهستگي بطرف بالا عريض شده و سپس متوقف مي شوند، توسط خاك پر شده وسطح زمين بسرعت تخريب مي شود . به اين نوع از فروچالها، فروچالهاي فروريختگي سطحي نيز مي گويند .
5- فروچالهاي پر شونده (Suffosion sinkholes) : وقتيكه قسمتهاي پائيني خاك به داخل درز وشكاف سنگ آهك زيرين شسته شود، قسمتهاي فوقاني ريزش كرده وسطح زمين به آهستگي فرونشست ميكند (فرايند پر كنندگي). در يك خاك ماسه اي دانه اي، سالها طول مي كشد تا چنين فروچاله اي تشكيل شود. در خاكهاي رس چسبنده تا خاكهاي ماسه اي غير چسبنده، يك پيوستگي مورفولوژيكي و ژنتيكي بين فروچالهاي فرونشستي و پر شونده وجود دارد. هر دو نوع فروچاله ممكن است متواليا در يك منطقه با تغيير در شرايط بارش و جريان بوجود آيند؛ بطوريكه فرايند فرونشستي را مي توان همان فرايند پرشوندگي با سرعت بالا تصور كرد. اين دو نوع از فروچاله ها، از معمولي ترين انواع كارست بوده كه از هر دو نوع مي توان بعنوان فروچالهاي فرونشستي ياد كرد و از مهمترين خطرات مهندسي عمران بشمار مي روند.
6- فروچالهاي دفني(Buried sinkholes): زمانيكه فروچالهاي ريزشي يا انحلالي قديمه توسط خاك، واريزه و يا رسوبات بخاطر تغيير محيط پر شده باشند، بوجود مي آيند. فرونشست سطحي بخاطر تراكم خاك صورت گرفته و در صورت شسته شدن خاك به اعماق، شديدتر مي شود . اين فروچاله ها، توپوگرافي مشخص و بارزي دارند كه مي توانند پايداري فونداسيونها را بخطر اندازند. آنها ممكن است اجزاء اشكال منفرد و جداافتاده اي از يك مورفولوژي كارستيك هرمي باشند و همچنين مي توانند شامل فروچالهاي پر شده، لوله هاي پر شده با خاك و لوله هاي برشي كوچك بدون هيچگونه آثار و علائم سطحي باشند. لوله هاي برشي بزرگ، برروي تبخيريهاي دفني عميق تشكيل مي شوند. نشست آهسته مواد پركننده فروچاله هاي دفني كه شايد بدليل انحراف سطح آب زيرزميني باشد، فرونشستهاي سطحي كم عمقي را ايجاد مي كنند ؛ مثل فروچالهاي تراكمي آفريقاي جنوبي.
فروچالهاي خطر آفرين
مهمترين فروچالهايي كه در فعاليتهاي مهندسي عمران خطرناك هستند، انواعي هستند كه تحت شكستگي و فروريختگي سريع خاك صورت گرفته و تشكيل فروچاله هاي پر شونده و فرونشستي را مي دهند. كارستهاي نوع فرونشستهاي آني و سريع، تنها كارستهاي خطرناكي هستند كه هميشه باعث مرگ انسانها مي شوند و اغلب خاكها به اندازه كافي چسبنده هستند كه اين نوع كارستها بتوانند بطور ناگهاني در آنها تشكيل شوند. در پروفيلهاي خاكي نازك، شكست فروچاله ها به مقدار فراوان و در ابعاد كوچك صورت مي گيرد و اغلب مسائل مربوط به پي سازه ها، در خاكهاي با ضخامت 2-10m قرار گرفته بر روي توپوگرافي درز و شكافدار است.
توپوگرافي در كارست ها(Rockhead) ; مرز سنگي
نيمرخهاي حاصل ير روي سنگ بستر كارستيك مي تواند بي نهايت نامنظم باشد. جوينت هاي عمودي و مايل و سطوح لايه بندي شيبدار كه سنگهاي مدفون را قطع مي كنند، باعث ايجاد درز و شكافهايي شده كه در اثر نفوذ آب، اين درز و شكافها بزرگتر مي شوند. اين پديده بسرعت در سنگهاي انحلالي پيش ميرود. با گذشت زمان، قسمت فوقاني توده سنگ، خورد شده و بلوكهاي آهكي در مسير آب، اندازه شان كوچك و كوچكتر شده و از قطعات مجاور خود جدا مي افتند. محصول نهايي، توپوگرافي هرمي (مخروطي) شكلي است كه فعاليتهاي زمين شناسي مهندسي را مشكل ساز مي كند. توجه شود كه اين قطعات هرمي يا مخروطي شكل، تنها و تنها بوسيله خاكهاي اطراف نگهداشته شده اند. مابين اين بلوكهاي مخروطي آهكي، شكستگيهايي داخل حفرات بسمت پايين بوجود آمده است كه ممكن است خالي بوده يا توسط خاك پر شوند.
ابعاد كارستها
عموما اندازه قطعات، تابعي از شرايط اقليمي و تاريخ زمين شناسي منطقه است. بلوكهاي هرمي غول آسا(chaos)، در مناطق مرطوب گرمسيري مشاهده مي شوند كه زمان كافي و شرايط محيطي مناسب براي بلوغ كامل را داشته اند (شكل ٨). اكثر آهكهايي كه توسط يخهاي پلئيستوسن پوشيده شده اند، فقط سطوحشان شسته شده و انحلالهاي پس از دوره يخبندان فقط توانسته يكسري شكافهاي كوچك را در سطح آنها بوجود آورد . كارستهاي واقع در كف دره ها يا در محل رخنمونهاي شيلي، بدليل زهكش آبهاي اسيدي منطقه، شرايط و حالات پيچيده اي دارند. چنانچه يك كارست در سرتاسر يك سايت مهندسي واقع شود، معمولا فروچاله ها و حفرات پر كننده آنها چندان غير قابل پيش بيني هم نيستند تا نتوان يك سازه مهندسي منفرد را در آن احداث كرد.
طبقه بندي مهندسي كارست
طبقه بندي مهندسي كارست براي مهندسين عمران، بسيار مفيد و كارآمد است؛ بطوريكه اين طبقه بندي يك يا گروهي از پارامترها را درجه بندي و مشخص مي كند. اين طبقه بندي، تنوع ، فراواني فروچاله ها و اندازه حفرات زيرزميني را توصيف مي كند. انواع ديگر مورفولوژي كارستها از اهميت كمتري برخوردارند. مقاومت سنگ سالم در طبقه بندي لحاظ نمي شود، هر چند كه رده ها ممكن است به تعاريف گسترده اي از مقاومت توده مرتبط باشند. رده بندي ارائه شده مربوط به اشكالي است كه در سنگ آهكهاي مقاوم تشكيل مي شوند. اشكالي كه توسط ژيپس و انواع ديگر كارستها بويژه گل سفيد نامقاوم ظاهر مي شوند، انواع ديگري را تشكيل خواهند داد.
شرايط زمين شناسي كارست به 5 رده تقسيم مي شود كه شكل ضميمه شده، اشكال مورفولوژيك تيپيك و جدول ۱، پارامترها را توضيح ميدهد . 5 رده مذكور، اساس طبقه بندي مهندسي را تشكيل مي دهند و كارستها را بر حسب پيچيدگي و سختي شرايط كار كه يك سازه مهندسي با آن مواجه مي شود را توصيف مي كند. شكل، كارست را در حالت لايه بندي افقي نمايش مي دهد؛ آهكهاي چين خورده ممكن است اشكال انحلالي پيچيده اي را بوجود آورند، كه البته تاثير چنداني بر طبقه بندي ارائه شده نخواهد داشت. پارامترهاي ليست شده در جدول ۱، كاملا استثنائي هم نيستند. چه بسا كارستهاي بياباني ممكن است هيچ توسعه انحلالي نداشته باشند و در ردهKI قرار بگيرند.
Bored pile: ستونهاي حفر شده (شمع كوبي) در داخل كارست.
Driven pile: ستونهاي رانده شده (شمع كوبي) در داخل كارست يا شمع كوبيدني.
Raft: تير، ميله هاي زير زميني.
Beam: تير، ميله.
NSH: نرخ تشكيل فرو چاله هاي جديد در وسعت هر km2 در هر سال.
(Number of sinkholes)
رده بندي هاي قديمي بر روي كارست
رده بندي هاي قديمي، با توجه به محيط اقليمي بوده است. پس كارستهايي كه در مناطق گرمسيري مر طوب تشكيل مي شوند، نسبت به مناطق سردتر يا خشك تر، درجه بلوغ بيشتري داشته و در واقع، درجه كارستي شدن بيشتري دارند. اولين طبقه بندي مهندسي كارست(Fookes and Hawkins, 1998) كه تصحيح شده طبقه بندي (fookes, 1987) مي باشد، جايگزين رده بندي هاي قديمتر شد. اين رده بندي بيشتر بر اساس دولين ها بوده تا ساختار هرمي)مخروطي( و به اندازه طبقه بندي قبلي خود جامع و كامل نبودند؛ بطوريكه همه ٥ رده آن در ٤ رده اول طبقه بندي ارائه شده در اين مقاله قرار مي گيرد. كارستها، مستثني از طبقه بندي سنگهاي هوازده هستند و در رده بنديهاي جديد مهندسين، توده هاي سنگي جداي از كارستها بحث مي شوند.
طبقه بندي كارستها ديد وسيعي از مشكلات مهندسي را پيش رو گذاشته و راهنمايي خواهد بود براي غلبه بر مشكلات، هر چند كه تقريبي يا تخميني باشد. فرايندها و اشكال كارستهاي ژيپسي بطور وسيعي با سنگ آهك قابل مقايسه است؛ باستثناء اينكه، ژيپس در آبهاي طبيعي با سرعت بيشتري حل شده و از لحاظ شيميايي از سنگ آهكها ضعيفتر هستند. طبقه بندي كارست در زمينهاي ژيپسي هم قابل استفاده است، هر چند كه رده KV در ژيپسها تكامل نمي يابد. قبل از اينكه ابعاد حفرات در كارستهاي ژيپسي به حد زيادي برسد، فروريخته، پرتگاههاي سطحي، ملايمتر شده و عمل فرسايش بطور كامل، ژيپسها را تخريب كرده، قبل از اينكه از مرحله بلوغ به مرحله نهايت درجه كارستي شدن(KV) برسد. مقاومت كم و سرعت انحلال زياد، فروچالهاي ريزشي بزرگ را توسعه داده و كارستهاي ژيپسي رده KIII وKIV بصورت فروريزشهاي جدا و بزرگ قابل تشخيص اند.
بررسي زيرزميني روي كارستها
از مهمترين مسائلي كه در مهندسي عمران مطرح است، مربوط به كارستهاي زير زميني است. تجربه هاي قديمي براي تشخيص سايتهاي با كارستهاي ردهKI و KII كافيست؛ ولي در سايتهاي داراي كارستهاي با درجه بلوغ بالاتر(KIII-KIV-KV) ، به بررسي بيشتر و پيچيده تري نياز دارند.
اصليترين مشكل در بررسي كارست، تشخيص حفرات و غارهاي زيرزميني است. شايد چاره و راهكار اوليه، بررسي دقيق حفرات باشد؛ ولي در تعداد ٢٥۰۰حفره در يك هكتار، %٩۰ شانس مي خواهيم تا بتوانيم يك حفره به قطر ٥/٢ متر را پيدا كنيم. با اين وجود، بهترين انتخاب، بررسي در قاعده پايه ها است) مخصوصا در سايتهاي با كارستهاي بالغ (. شناسايي مورفولوژيهاي هرمي)مخروطي( در كارستهاي رده KIVوKV ، بررسي هاي دقيقتري نياز دارد؛ اما اينكه چه مقدار بررسي نياز هست، هنوز پاسخ مشخصي ندارد.
ژئوفيزيک روی کارستها
تفاسير ژئوفيزيکی بر روی حفرات زيرزمينی، بطورپيوسته تفاسير قابل قبول ومعتبری را ارائه نمی دهد، وليکن تکنولوژی در حال پيشرفت بوده و اکنون روشهايی وجود دارد که در موقعيتهای خاص، نتايج مفيدی را ارائه می دهد. صحت تمامی آنومالی های ژئوفيزيکی بايد توسط حفاری تائيد شود. در اينصورت با مشخص شدن هدف حفاری، هزينه بررسی ژئوفيزيکی کاهش می يابد. بررسی های ميکروگراويتی، توده ها و مواد مخفی داخل زمين را آشکار می کند.
حفرات منفرد، آنومالی منفی ايجاد کرده که باعث بزرگنمايی اندازه حفرات می شود ( دامنه،به اندازه حفره وابسته بوده و طول موج تابعی از عمق حفره است). از داده های مربوط به سايتهای بيشتر، مقادير گراويته و پروفيل های آنومالی می توان در طبقه بندی کارست استفاده کرد.
توموگرافی لرزه ای سه بعدی 3DTبرای شناسايی حفرات کاربرد داشته، وليکن برای جمع آوری داده ها به گمانه های عميق نياز داريم. برای بررسی پروفيل(نيمرخ) توپوگرافی مناطق کارستی، ازروش مقاومت ويژه الکتريکیresistivity استفاده ميشود، ولی بوسيله بررسی های ژئوفيزيکی سطحی، نمی توان مطالعات پيچيده کارستهای رده KIVوKV را مطالعه کرد. توموگرافی مقاومت ويژه الکتريکی، روشی است پرخرج، بااين وجود از تلفيق اين روش با روش ميکروگراويتی، می توان برای مطالعه فروچالهای دفنی استفاده کرد. رادار بررسی زمينی (GPR) ، به اعماق کم محدود می شود، ولی برای تشخيص فروچاله های اوليه مفيد است. در موقعيتهای مشابه، خاکهای دانه ای با چگالی کم، با مقدار SPT کمتراز5 مشخص شده اند، وليکن هميشه نمی توانند به پرکننده های فعال و شکست فروچالهای بالقوه اشاره نمايند.
پی های واقع بر روی مناطق کارستيک
کارستهای رده KI ، بازگو کننده مناطق با حداقل خطر هستند، ولی دارای حفرات کم عمق و شکافهای پراکنده ای بوده که می بايست حين اجرای پروژه، به آنها دقت شود. مناطق کارستيک رده KII، نيز عموما دارای حداقل خطر هستند(شکل 11). شمع کوبی يا ميله های زيرزمينی مستحکم برای چنين سايتهايی مناسب بنظر می رسند. در کارستهای رده KIIIاز Raft يا ميله های زير زمينی برای پل زدن روی حفرات استفاده می شود. در فلوريدا در مناطق NSH>0.05 ،هم ميله و هم دوغاب ريزی با هم انجام می گيرد. ژئوگريدهای سنگين، پروفيلهای خاک را پايدار می سازند که می توانند که بمنظور کاهش فروريختگيهای آينده بکار روند. دوغاب ريزی خاکهای واقه بر روی مناطق با حجم زياد درز و شکاف، قبل از احداث پی در پروفيل خاک، نسبت به شمع کوبی اقتصادی تر است.
بررسي كارست در ساختگاه سد گلمن دره
مقدمه
حوضه آبريزرودخانه دشت واقع در شمال باختري شهرستان جاجرم در استان خراسان شمالي شامل سه حوضه اصلي به نامهاي گلمندره، قزل قلعه و دشت شخ مي باشد كه وسعت حوضه گلمندره حدود 539كيلومتر مربع معادل دو سوم حوضه حوضه آبريزدشت مي باشد و دو حوضه ديگر هر كدام حدود 100كيلومتر مربع وسعت دارند. طبق آمار سيلابهاي سالهاي 1380و1384 در منطقه، متوسط دبي پيك سيلاب در اين حوضه 840 متر مكعب بر ثانيه مي باشد. بمنظور مهار سيلابها و استفاده بهينه از اين پتانسيل آب جهت تامين آب كشاورزي، ساخت سد گلمندره در اين منطقه پيشنهاد گرديده است .
هدف
هدف ازانجام اين مطالعات، بررسي خصوصيات ژئوتكنيك ساختگاه سد گلمن دره بويژه شناسايي كارستهاي ساختگاه و رده بندي مهندسي آن مي باشد. به همين منظور پس از مطالعات صحرايي و بازديدهاي محلي و همچنين مطالعات اوليه هيدرولوژي و زمين شناسي انجام شده توسط مهندسين مشاور كاوش پي مشهد، اقدام به حفر گمانه و انجام آزمايشات صحرايي (لوژن، لوفران، CPT،SPT، RQDو...) و آزمايشگاهي (بر روي نمونه هاي خاك و ترسيم لاگ گمانه ها) گرديد.
موقعيت جغرافيايي و راههاي دسترسي
منطقه مورد مطالعه در شمال شرقي ايران و در مجاورت مرز استانهاي خراسان شمالي و گلستان واقع شده است. موقعيت جغرافيايي محل پروژه در عرض ˝ 6/30 ΄16 ˚37 شمالي و در طول ˝ 2/3 ΄ 5 ˚ 56 شرقي قرار دارد. ساختگاه سد در نزديكي روستاي چشمه خان واقع است.
زمين شناسي عمومي منطقه
گستره مورد مطالعه در منتها اليه زون ساختاري- رسوبي ايران مركزي و درزون البرز واقع شده است. اين منطقه از نظر توپوگرافي، ادامه رشته كوههاي البرز مي باشد كه به كوههاي بينالود و آلاداغ مي رسد. توپوگرافي حوضه آبريز دشت شامل دوبخش كوهستاني و دشت مي باشد كه در بخش كوهستان ارتفاعات بين 1100 تا 1800 متر از سطح دريا ارتفاع داشته و شيب دامنه ها بين 70 تا 30 متغير است. قسمت دشت (Plate form) حوضه آبريز داراي شيب 20تا5 درجه و ارتفاع بين 900 تا 1200 متر متغير است.
پوشش ليتولوژيكي ارتفاعات، سنگي بوده و بيشتر از سنگهاي آهكي تشكيل شده است در حاليكه قسمت هاي پست و كم ارتفاع، داراي پوشش رسوبات نئوژن و آبرفت هاي كواترنر مي باشد. بعلت شرايط جوي و آب و هوايي، شدت بارندگي در منطقه زياد است و با توجه به اينكه پوشش گياهي منطقه از بين رفته است، بر اثر بارندگيهاي رگباري، سيلاب بسرعت جاري شده و شدت فرسايش زياد مي باشد و باعث جابجايي حجم زيادي از مصالح و رسوب مي گردد.
چينه شناسي
واحدهاي چينه اي از پركامبرين تا عهد حاضر قابل مشاهده است، در حاليكه سازند باروت با ليتولوژي دولوميت، سنگ آهك دولوميتي، شيل و ماسه سنگ كوارتزي با سن پركامبرين بعنوان قديمي ترين سنگ شناخته شده در منطقه در محل گسل خوردگيها در شمال روستاي دشت با مرزهاي تكتونيكي رخنمون دارند. پس از آن سازندهاي نيور، خوش ييلاق و مبارك به سن پالئوزوئيك داراي رخنمونهاي محدودي در منطقه مي باشد. جنس ليتولوژيكي اين سازندها شامل شيل، ماسه سنگ، سنگ آهك، سنگهاي تبخيري و سنگ گچ و شيلهاي ماسه اي مي باشد.
از سازندهاي مزوزوئيك در حوضه آبريز منطقه سازندهاي شمشك، لار و آهكهاي ماسه مي باشد. تشكيلات شمشك شامل شيل، مارن، ماسه سنگ و گاهي آهكهاي نازك لايه و سازند لار شامل لايه هاي آهكي توده اي و سنگهاي آهكي دولوميتي مي باشد. سازند سنوزوئيك كنگلومرايي فجن بعنوان آخرين آخرين واحد سنگي در محدوده طرح رخنمون دارند. آخرين تشكيلات رسوبي محدوده طرح، رسوبات آبرفتي تراسهاي جديد و قديم و رسوبات آبرفتي رودخانه اي مي باشد.
زمين شناسي مهندسي محل پروژه
محور پيشنهادي جهت احداث سد مخزني و جمع آوري سيلاب حوضه گلمندره در تنگترين نقطه ورودي اين سرشاخه به دشت مي باشد. عرض رودخانه در اين قسمت حدود 50متر است كه در جناح چپ يك تراس با شيب ملايم به عرض حدود 70 متر به آن اضافه مي شود. شيب توپوگرافي جناحين در سمت راست تند بوده و به حدود 50 درجه مي رسد و در جناح چپ، شيب مقداري ملايمتر است و به حدود 35 درجه مي رسد. شيب رودخانه در اين محل حدود 1.5 درصد بوده و بستر رودخانه بوسيله رسوبات آبرفت رودخانه اي نسبتا درشت دانه با ضخامت حدود 21 تا 30 متر پوشيده شده است. مصالح زمين شناسي محدوده طرح پيشنهادي سنگهاي آهكي كه در جناحين رخنمون دارند و رسوبات آبرفتي بستر رودخانه و رسوبات واريزه اي است .
از نقطه نظر بررسي خصوصيات ژئومكانيكي مصالح سنگي بعنوان توده سنگ در ظاهر بسيار خرد شده و توده سنگ ضعيفي بنظر مي رسد كه تحت تاثير عوامل مختلف فرسايشي و تكتونيكي، بصورت بلوكي و خرد شده در آمده است. در مقام مقايسه، تكيه گاه جناح راست شرايط نامطلوبتري نسبت به جناح چپ دارد، وليكن از نظر خصوصيات ذاتي، مصالح سنگي جناحين از مقاومت فشاري خوبي برخوردار بوده و سنگ مناسبي براي سازه هاي مختلف مي باشد. دانه بندي مصالح رودخانه اي از نظر طبقه بندي يونيفايد در كلاس GMو GP( مصالح شن و ماسه لاي دار ) بوده وداراي تراكم نسبتا كم ، نفوذ پذيري بالا، مقاومت برشي نسبتا خوب و خاصيت تراكم پذيري بالا است .
گمانه اي اكتشافي و نتايج بررسي كيفيت سنگ بستر
در محدوده محور سد 17 حلقه گمانه اكتشافي و آزمايشات مورد نياز انجام شد كه نتايج آن ضميمه اين مطالعه گرديده است. رسوبات بستر رودخانه كه از بخشهاي فوقاني حوضه سرچشمه گرفته اند عمدتا آهكي بوده و از گردشدگي نسبتا خوبي برخوردارند. در مجموع 284.25 متر حفاري در آبرفت انجام شد كه بيشترين ضخامت حدود 31.45متر مي باشد. نفوذپذيري آبرفت متغير بين 10E-3تا 10E-6، و آزمايشات نفوذ ( SPT & CPT )، يك تراكم كم خاك تا عمق حدود 4متر و يك زون خاك ضعيف در عمق حدود 10 تا 20 متر به چشم مي خورد.
بنابراين در مناطقي كه SPT يا CPT كاهش يافته است، نقوذپذيري در آن نقاط تاحدودي افزايش نشان مي دهد. بر اساس حفاري هاي انجام شده ، توده سنگ داراي ليتولوژيكي آهكي است و فقط در برخي محدوده جناح راست، ماسه سنگ هم به چشم مي خورد. فرايندهاي هوازدگي، اغلب بر روي توده هاي سنگي اثر گذاشته و آنها را هوازده كرده است. علاوه بر اين بواسطه وجود سيستم درزها، مقاومت فيزيكي توده سنگ كاهش يافته است.
جهت تعيين ميزان نفوذپذيري توده سنگ، از آزمايش لوژن روش مسدود كننده منفرد(Single packer) استفاده شده است. نتايج نشان مي دهد در جناح چپ و در پاي ارتفاعات اين جناح، كيفيت سنگ خوب است. جناح راست داراي كيفيت متوسط و در پاي ارتفاعات اين جناح، كيفيت سنگ بسيار بد مي باشد. در نقاط خط القعر محدوده، بعلت عمق زياد سنگ كف، تعداد آزمايشات كمتري انجام شده و آزمايشات RQD كيفيت پايين سنگ بستر(RQD<50) را نشان مي دهد. آزمايشات انحلال در منطقه مورد بررسي قرار نگرفته است.
در نهايـت نـيز بدلـيل شـرايـط مسـتعد تشكـيل كارسـت منطـقه (بويژه ليتولوژي آهكي و اقليم با بارندگي زياد) يكسري آزمايشات ژئوفيزيكي به روش گراني سنجي انجام شد. نتايج حاكي از يك كارست شدگي شديد در پي سنگ آهكي منطقه(KIV) نشان داد كه لاگ مربوطه در ضميمه آورده شده است.
نتايج
- نتايج حاكي از يك كارست شدگي شديد در پي سنگ آهكي منطقه(KIV) را نشان مي دهد.
- با استناد به نتايج آزمايشات مختلف بويژه گراني سنجي منطقه، پايدارسازي بستر كارستيك محور سد، اقتصادي نبوده و امكان پذير نمي باشد.
باتشکر از مجتبي لشكري پور-امير ميرزائي-پوريا كابلي که این مقاله را گرد آوری نموده اند.( مهدی داودی مدیر وبلاگ)
– محدوده شهر مشهد بر روي تصوير ماهواره لند ست 7 ، سال 1381
