شبیه‌سازی هندسی سه‌بعدی شبکه‌ی ناپیوستگی‌های توده‌سنگ در محل احداث تونل دسترسی سد رودبار لرستان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی شاهرود، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک

2 عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک؛ دانشگاه شاهرود

چکیده

امروزه مدل‌سازی توده‌سنگ به طور فراگیری به منظور تعیین ویژگی‌های مقاومتی و رفتار هیدرولیکی توده‌سنگ بکار برده می‌شود. از طرفی عدم قطعیت و تغییرپذیری در مطالعات زمین‌شناسی مهندسی در ارتباط با توده‌سنگ‌های متشکل از مواد طبیعی و ناهمگن اجتناب‌ناپذیر است. زمانی که متغیرهای در فرآیند، عدم قطعیت و تغییرپذیری را نشان می‌دهند، لازم است ماهیت ویژگی‌های تصادفی تعریف شود. در این مقاله، با توجه به اهمیت بالای ویژگی پایایی درزه بر رفتار مقاومتی و هیدرولیکی توده‌سنگ، به توسعه مدل هندسی تصادفی سه بعدی شبکه درزه با در نظر گرفتن ویژگی آماری اندازه درزه بر اساس مدل ونزیانو پرداخته شده است. با استفاده از برداشت‌های انجام شده در تونل دسترسی به گالری سد و نیروگاه رودبار لرستان و برآورد بهترین توابع توزیع احتمالی بر ویژگی‌های هندسی دسته درزه‌های موجود در این منطقه، مدل هندسی سه بعدی شبکه درزه‌ها تهیه شده است. به منظور اجرای مدل، برنامه کامپیوتری‌ای به زبان برنامه‌نویسی ++C، به نام DFN-FRAC3D، نوشته شده که قادر است با استفاده از داده‌های برداشت شده، علاوه بر تولید خروجی رقومی، نمایش بصری از شبکه ناپیوستگی‌ها در راستاهای مختلف ارایه‌ دهد. نتایج حاصل از این مقاله می‌تواند ورودی‌های مفید برای مدل‌های عددی جهت تحلیل پایداری و مطالعه رفتار هیدرولیکی توده‌سنگ باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Three-dimensional geometrical simulation of rock mass discontinuities network in the access tunnel of Rudbar Lorestan dam & hydropower plant

نویسندگان [English]

  • Mehdi Noroozi 1
  • Seyed Esmaeil Jalali 2
  • Reza Kakaei 2
1 Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics, Shahrood University
2 Associate Professor, Faculty of Mining Engineering, Petroleum and Geophysics, Shahrood University
چکیده [English]

In this paper, Given the high importance of joint persistence characteristics on the mechanical behavior of the rock mass, geometric-stochastic joint network model, based on Veneziano method, has been developed by considering the statistical characteristics of joint size. Using surveyed data in the access tunnel of Rudbar Lorestan dam & hydropower plant and estimation of the best probability distribution function on geometric characteristics of existing joint sets in the study area, three-dimensional (3-D) geometric model of joint network has been presented.
 
Introduction
Nowadays, modeling is increasingly put forward as a method of determination of rock mass strength characteristics. An accurate description of the rock mass structure does provide a better starting point for modeling of rock mass. Besides, there will always be some random variation in the geometric properties of joints by virtue of rock mass heterogeneous nature. Therefore, it is necessary to describe the ordered properties stochastically and to use in rock mass modeling. 3-D stochastic joint network modeling technique represents the most optimal choice for simulating the probability nature of joint geometric properties.
 
Methodology and Approaches
Using field measurements and statistical analysis, stochastic parameters of discontinuities are detemined. In this paper, collected data is obtained using a linear surveying. Data processing including matching different probability distribution function on geometric properties of surveyed joint sets has been performed using Dips and EasyFit software packages. In order to calculate volumetric joint density, joints, which have been visible to the naked eye in the field, have been counted within an area of 1 m2 using a square frame (1×1 m) with grid lines at 10 cm intervals. Using the areal joint density and existing equations, the volumetric joint density has been calculated for each joint set, separately. Thus, to prepare the geometric-stochastic model, the required inputs,mentioned above, have been used . The generated joints by the developed model, are coincided on the ordered probability distribution function of joint persistence.
 
Results and Conclusions
In this paper, a 3-D geometrical- stochastic discontinuities network model for the access tunnel of Rudbar Lorestan dam has been presented. In order to model implementation, a computer code written in C++, named DFN-FRAC3D, has been developed to represent the joint network in different directions and to generate digital outputs. The results of this paper can be a useful input for numerical stability analysis and hydraulic behavior studies of rock mass.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Geometrical Model
  • Stochastic Modeling
  • Joint Network
  • Joint Mapping
  • Statistical Studies
  • Rudbar Lorestan Dam
[1] Xu, C., & Dowd, P. (2010). A New Computer Code for Discrete Fracture Network Modeling. Computers & Geosciences, 36(3), 292–301. DOI:10.1016/j.cageo.2009.05.012.
[2] Wanga, C., & Tannant, D. D., & Lilly, P. A. (2003). Numerical Analysis of the Stability of Heavily Jointed Rock Slopes using PFC2D. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 40(3), 415–424. DOI:10.1016/S1365-1609(03)00004-2.
[3] Le Garzic, E., & L’Hamaide, T., & Diraison, M., & et al. (2011). Scaling and Geometric Properties of Extensional Fracture Systems in the Proterozoic Basement of Yemen, Tectonic interpretation and fluid flow implications. Journal of Structural Geology, 33(4), 519-536. DOI:10.1016/j.jsg.2011.01.012.
[4] Gumede, H., & Stacey, T. R. (2007). Measurement of Typical Joint Characteristics in South African Gold Mines and the Use of These Characteristics in the Prediction of Rock Falls. The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 107, 335-344. ISSN: 0038-223X/3.00.
[5] افتخاری، س.م. و باغبانان، ع. و باقرپور، ر. (1392). تحلیل عددی تأثیر مشخصات هندسی شکستگی‌های توده‌سنگ بر نرخ نفوذ دستگاه TBM. نشریه علمی و پژوهشی مهندسی معدن، 8 (18)، 1-12.
[6] نوروزی، م. و کاکایی، ر. و جلالی، س.م.ا. (1392). بررسی مدل تصادفی– ترکیبی برای تعیین ویژگی­های مقاومتی توده­سنگ. سی و دومین گردهمایی و نخستین کنگره بین المللی تخصصی علوم زمین، تهران.  
[7] Pine R. J., & Coggan, J. S., & Flynn, Z., & Elmo, D. (2006). The Development of a New Numerical Modeling Approach for Naturally Fractured Rock Masses. Rock Mechanics and Rock Engineering, 39(5), 395- 419. DOI:10.1007/s00603-006-0083-x.
[8] Park, H. J, & West. T. R. (2001) .Development of a Probabilistic Approach for Rock Wedge Failure. Engineering Geology, 59(3), 223-251. DOI:10.1016/S0013-7952(00)00076-4.
[9] Hoek, E. T. (1998). Reliability of the Hoek–Brown Estimates of Rock Mass Properties and their Impact on Design. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 35(1), 63–8. DOI:10.1016/S0148-9062(97)00314-8.
[10] نوروزی، م. و جلالی، س.م.ا. و کاکایی، ر. (1393). توسعه مدل تصادفی شبکه درزه‌ها با در نظر گرفتن ویژگی آماری اندازه درزه. پنجمین کنفرانس مکانیک سنگ، تهران، ایران.
[11] نوروزی، م. و جلالی، س.م.ا. و کاکایی، ر. (2013). روابط آماری حاکم بر مشخصات هندسی ناپیوستگی‌ها.International Conference on Mining Mineral Processing, Metallurgical and Environmental Engineering، زنجان.
[12] Hudson, J. A., & La Pointe, P. R. (1980). Printed Circuits for Studying Rock Mass Permeability, International journal of rock mechanics and mining sciences and geomechanics abstracts, Technical Note, 17(5), 297-301. DOI:10.1016/0148-9062(80)90812-8.
[13] Robinson, P. C. (1983). Connectivity of Fracture Systems - A Percolation Theory Approach. Journal of Physics A: Mathematical and General 16(3), 605–614. DOI:10.1088/0305-4470/16/3/020.
[14] Dershowitz, W. S., & Einstein, H. H. (1988). Characterizing Rock Joint Geometry with Joint System Models. Rock Mechanics and Rock Engineering 21(1), 21–51. DOI:10.1007/BF01019674.
[15] Priest, S. D., & Samaniego, J. A. (1988). The Statistical Analysis of Rigid Block Stability in Jointed Rock Masses. 5th Australia-New Zealand Conference on Geomachanics, (pp. 398-403), Barton, A.C.T.: Institution of Engineers, Australia, Sydney. ISBN: 0858254271 & 0858254085.  
[16] Reyes, O., & Einstein, H. H. (1991). Failure Mechanics of Fractured Rock - A Fracture Coalescence Model. 7th International Society for Rock Mechanics, A.A. Balkema. Permission to Distribute - International Society for Rock Mechanics.
[17] Martel, S., & Hestir, K., & Long, J. C. S. (1991). Generation of Fracture Patterns Using Self-Similar Function Concepts. Earth Sciences Division Annual Report, Lawrence Berkeley Lab, Berkeley, California, 52-56.
[18] Yu, X. (1992). Stochastic Modeling of Rock Fracture Geometry. M.S. Thesis, MIT, Cambridge, MA. URI: http://hdl.handle.net/1721.1/12176.
[19] Priest, S. D. (1993). Discontinuity Analysis for Rock Engineering. Published by Chapman & Hall, London, p. 473. ISBN: 978-94-010-4656-5.  
[20] Ivanova, V., & Xiaomeng, Y., & Veneziano, D., & Einstein, H. H. (1995). Development of Stochastic Models for Fracture Systems. Rock Mechanics, Balkema, Rotterdam, ISBN 90 5410 552 6.
[21] Kulatilake, P. H. S. W., & Park, J., & Um, J. (2004). Estimation of Rock Mass Strength and Deformability in 3-D for a 30 m Cube at a Depth of 485 m at Aspo Hard Rock Laboratory. Geotechnical and Geological Engineering, 22(3), 313–330. DOI:10.1023/B:GEGE.0000025033.21994.c0.
[22] Baghbanan, A., & Jing, L. (2008). Hydraulic Properties of Fractured Rock Masses with Correlated Fracture Length and Aperture. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 44(5), 704–719. DOI:10.1016/j.ijrmms.2006.11.001.
[23] Bang, S. H., & Jeon, S., & Kwon, S. (2012). Modeling the Hydraulic Characteristics of a Fractured Rock Mass with Correlated Fracture Length and Aperture: Application in the Underground Research Tunnel at Kaeri. Nuclear Engineering and Technology, 44 (6), 639-652. DOI:10.5516/ 02.2011.026.
[24] Escuder Viruete, J., & Carbonell, R., & Jurado, M. J., & et al. (2001). Two-Dimensional Geostatistical Modeling and Prediction of the Fracture System in the Albala Granitic Pluton, SW Iberian Massif, Spain. Journal of Structural Geology, 23, 2011-2023. DOI:10.1016/S0191-8141(01)00026-8.
[25] Kulatilake, P. H. S. W., & Um, J., & Wang, M., & et al. (2003). Stochastic Fracture Geometry Modeling in 3-D Including Validations for a Part of Arrowhead East Tunnel, California, USA. Engineering Geology, 70(1), 131-155. DOI:10.1016/S0013-7952(03)00087-5. 
[26] گزارش زمین شناسی مهندسی مرحله دوم. (1386). طرح سد و نیروگاه رودبار لرستان، شرکت توسعه منابع آب و نیروی ایران.
[27] Kulatilake, P. H. S. W., & Chen, J., & Teng, J., & et al. (1996). Discontinuity Geometry Characterization in a Tunnel Close to the Proposed Permanent Shiplock Area of the Three Gorges Dam site in China. International Journal of Rock Mechanics, Mining Science & Geomechanics Abstract, 33(3), 255-277. DOI:10.1016/0148-9062(95)00060-7.
[28] Study on Possibility of Concrete Lining Omission in AGC (Access Gallery). (2013). Rudbar Lorestan Dam & Hydropower Plant, Pöyry Energy Ltd., Iran Water & Power Resources development Co.
[29] Priest, S. D., & Hudson, J. A. (1976). Discontinuity Spacing in Rock. International Journal of Rock Mechanics, Mining Sciences & Geomechanics, Abstract 13(5), 135-148. DOI:10.1016/0148-9062(76) 90818-4.
[30] Hudson, J. A., & Priest, S. D. (1983). Discontinuity Frequency in Rock Masses. International Journal of Rock Mechanics, Mining Sciences & Geomechanics, Abstract, 20(2), 73-89. DOI:10.1016/0148-9062(83)90329-7.
[31] Zhang, L., & Einstein, H. H. (2000). Estimating the Intensity of Rock Discontinuities. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, 37(5), 819-837. DOI:10.1016/S1365-1609(00)00022-8.
[32] Lin, A., & Yamashita, K. (2013). Spatial Variations in Damage Zone Width Along Strike-Slip Faults: An Example from Active Faults in Southwest Japan. Journal of Structural Geology, 57, 1-15. DOI:10.1016/j.jsg.2013.10.006.
[33] Baecher, G. B. (1983). Statistical Analysis of Rock Mass Fracturing. Journal of Mathematical Geology, 15(2), 329-347. DOI 10.1007/BF01036074.
[34] Sari, M. (2009). The Stochastic Assessment of Strength and Deformability Characteristics for Apyroclastic Rock Mass. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 46(3), 613-628. DOI:10.1016/j.ijrmms.2008.07.007.
[35] Dowd, P. A., & Xu, C., & Mardia, K. V., & Fowell, R. J. (2007). A Comparison of Methods for the Simulation of Rock Fractures. Mathematical Geology, 39, 697–714. DOI:10.1007/s11004-007-9116-6.
[36] Zadhesh, J., & Jalali, S. E., & Ramezanzadeh, A. (2013). Estimation of Joint Trace Length Probability Distribution Function in Igneous, Sedimentary, and Metamorphic Rocks. Arabian Journal of Geosciences, DOI 10.1007/s12517-013-0861-1.
[37] Wu, F., & Wang, S. (2002). Statistical Model for Structure of Jointed Rock Mass. Geotechnique, 52(2), 137–140. DOI: 10.1680/geot.2002.52.2.137.