ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Η ΥΠΟΓΕΙΑ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΣΤΑ ΕΔΑΦΗ

Transcript

1 ΤΕΙ ΑΜΘ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΤΕ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Η ΥΠΟΓΕΙΑ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΣΤΑ ΕΔΑΦΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ Γ. ΠΟΥΡΣΑΪΤΙΔΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Dr. ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Κ. ΚΑΡΓΙΩΤΗΣ ΚΑΒΑΛΑ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2013

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ H παρούσα πτυχιακή εργασία ασχολείται με τις μελέτες που γίνονται στα πετρώματα μιας περιοχής προτού ξεκινήσει η δόμηση ενός τεχνικού έργου σε αυτή. Πρόκειται για πολύπλοκες μελέτες, οι οποίες περιλαμβάνουν τον προσδιορισμό του τύπου του εδάφους στο οποίο πρόκειται να θεμελιωθεί ένα έργο και τη μέτρηση συγκεκριμένων φυσικών, μηχανικών και υδραυλικών ιδιοτήτων του που θα κρίνουν την καταλληλότητα της περιοχής. Για παράδειγμα, μελετάται η αντοχή ενός πετρώματος στη θλίψη, η ελαστικότητά του, η περιεκτικότητα του σε νερό κ.α. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις υδραυλικές ιδιότητες των εδαφών και μάλιστα στην υδραυλική αγωγιμότητα αυτών, κάτι που βρίσκει εφαρμογή σε έργα γεωτρήσεων, κατασκευές φραγμάτων κ.α. Μια βασική διάκριση των πετρωμάτων που εξυπηρετεί αυτή τη μελέτη είναι σε στερεά και μαλακά πετρώματα ή αλλιώς εδάφη. Πολλοί διάσημοι φυσικοί έχουν ασχοληθεί με το φαινόμενο της κίνησης των υγρών και κυρίως του νερού μέσα από τα πετρώματα και έχουν διατυπώσει σχετικούς νόμους. Ανάμεσα τους διακρίνονται ο νόμος του Bernoulli και ο νόμος του Darcy. Βέβαια, πέρα από τη συμπεριφορά των υγρών, σημαντικό ρόλο παίζει και η διάθεση του πετρώματος να επιτρέψει την κίνηση του υγρού μέσα του, κάτι που συνδέεται με το μέγεθος της διαπερατότητας. Η διαπερατότητα ενός πετρώματος υπολογίζεται είτε μέσα στο εργαστήριο είτε στη φύση με επί τόπου δοκιμές. Μάλιστα, για τη μέτρηση της διαπερατότητας και άλλων μεγεθών ενός εδαφικού σχηματισμού, στον οποίο έχει ανοιχτεί φρεάτιο, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι, όπως π.χ. ηλεκτρικές καταγραφές, καταγραφές ραδιενέργειας κ.α. οι οποίες γενικότερα αναφέρονται ως γεωφυσικές καταγραφές. Σελίδα 1 από 92

3 ABSTRACT The current thesis is showing the research that has been done about the rocks of an area before a technical project takes place there. These kind of research is a complicated one, that consist of the definition of the ground that that the project is going to be grounded and measurement of specific physical, mechanical and hydraulic properties that will judge the suitability or the area. For instance, it is being studied a rock s strength in grief, it s flexibility, it s concentration of water and more. Particular emphasis is given on the hydraulic properties of soils and even in the hydraulic conductivity of these, which is applicable to projects of boreholes, construction of dams and more. A key distinction of rock that serves this study is in solid rock and soft rock or otherwise soils. Many famous physicists have dealt with the phenomenon of the motion of fluids especially water through the rocks and have formulated relevant laws. Among them distinguished Bernoulli's law and Darcy's law. Of course, apart from the behavior of liquids, an important thing is the "disposal" of rock to allow the movement of fluid into it, and that is related to the size of the permeability. The permeability of a rock is measured either in the laboratory or in the nature with field trial. Σελίδα 2 από 92

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ 6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.. 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τεχνικά έργα, Υπόγεια Υδραυλική και οι εφαρμογές της Διάκριση πετρωμάτων 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ορισμοί Πυριγενή ή Εκρηξιγενή ή μαγματογενή πετρώματα Ιζηματογενή πετρώματα Μεταμορφωμένα πετρώματα Φυσικές ιδιότητες πετρωμάτων Τα πετρώματα ως ελαστικά μέσα Μηχανικές ιδιότητες πετρωμάτων. 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ορισμοί Φυσικές ιδιότητες εδαφών Υδραυλικές ιδιότητες εδαφών Μηχανικές ιδιότητες εδαφών 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τα υπόγεια ύδατα και υδροφορείς Χρήσιμη ορολογία και παραδοχές Αρχή της συνέχειας της ροής Νόμος Bernoulli Νόμος του Darcy.. 55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ορισμός διαπερατότητας Εργαστηριακές μέθοδοι μέτρησης της διαπερατότητας Εξωτερικές μέθοδοι μέτρησης της διαπερατότητας.. 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή στις γεωφυσικές καταγραφές Οι γεωτρήσεις Γεωτρητικός πολφός Ηλεκτρικές καταγραφές Άλλες μέθοδοι καταγραφών.. 82 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 88 Σελίδα 3 από 92

5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1: Ταπείνωση του υπόγειου ορίζοντα. 10 Εικόνα 1.2 : Φαινόμενο υφαλμύρινσης.. 11 Εικόνα 1.3 : Η μελέτη των φραγμάτων κρύβει πολλές ιδιαιτερότητες 12 Εικόνα 2.1 : Πλουτωνίτες.. 16 Εικόνα 2.2 : Ηφαιστίτες 16 Εικόνα 2.3 : Διαδικασίες σχηματισμού ιζηματογενών πετρωμάτων 19 Εικόνα 2.4 : Μεταμορφωμένα πετρώματα Εικόνα 2.5 : Μεταμορφικές φάσεις 22 Εικόνα 2.6 : Σχέσεις τάσεων-παραμορφώσεων για διάφορες κατηγορίες πετρωμάτων 26 Εικόνα 2.7 : Καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση.. 27 Εικόνα 3.1 : Τριγωνικό σύστημα για την κατάταξη των εδαφών 32 Εικόνα 3.2 : Κύριοι εδαφικοί ορίζοντες. 32 Εικόνα 3.3 : Αθροιστική κοκκομετρική καμπύλη εδαφικού σχηματισμού.. 33 Εικόνα 4.1:Διαίρεση υπόγειων υδροφορέων και κατανομή υπόγειου νερού σε αυτούς 48 Εικόνα 4.2: Τύποι διάταξης σφαιρικών κόκκων με την ίδια διάμετρο 50 Εικόνα 4.3 : Α1,Α2 : Εμβαδά των διατομών του αγωγού 52 Εικόνα 4.4 : Κινητική ενέργεια (Δυναμικό Ταχύτητας) 53 Εικόνα 4.5 : Το πείραμα του Darcy 56 Εικόνα 4.6 : Διαδρομή ροής διαμέσου του εδάφους 57 Εικόνα 4.7 : Παράδειγμα εφαρμογής της γραφικής μεθόδου 59 Εικόνα 5.1 : Τυπικές τιμές του συντελεστή διαπερατότητας για διάφορους εδαφικούς σχηματισμούς 61 Εικόνα 5.2 : Μέσος συντελεστής διαπερατότητας 62 Εικόνα 5.3 : Διαπερατόμετρο σταθερού φορτίου 63 Εικόνα 5.4 : Διαπερατόμετρο Μεταβλητού φορτίου 64 Εικόνα 5.5: Η δοκιμή Le Franc. 66 Εικόνα 5.6 : Ο συντελεστής c 68 Εικόνα 5.7: Τυπική διάταξη δοκιμής Lugeon 69 Εικόνα 5.8 : Διάγραμμα απωλειών για τις βαθμίδες πίεσης που εφαρμόστηκαν σε δοκιμή Lugeon 71 Εικόνα 6.1: Παραδείγματα διαγραφιών αντίστασης και αντίστασης-στιγμιαίου δυναμικού SP 80 Εικόνα 6.2 : Τμήμα διαγράμματος γεωφυσικών διασκοπήσεων όπου περιέχονται και διαγραφίες ακτινών γ 84 Σελίδα 4 από 92

6 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1: Σύγκριση ειδικού βάρους με φαινόμενο βάρος Πίνακας 3.1: Ταξινόμηση των εδαφών με βάση της κοκκομετρίας. 34 Πίνακας 3.2: Το ύψος τριχοειδούς ανόδου Hkmax σύμφωνα με το μέγεθος των κόκκων Πίνακας 4.1:Κλίμακα πορώδους πετρωμάτων.. 50 Πίνακας 5.1:Τιμές συντελεστή θύλακα. 66 Σελίδα 5 από 92

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στους γονείς μου Σελίδα 6 από 92

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι οι μελέτες που γίνονται στα πετρώματα μιας περιοχής προτού ξεκινήσει η δόμηση ενός τεχνικού έργου σε αυτή. Μελετώνται διάφορες ιδιότητες του εδαφικού σχηματισμού και κρίνεται τελικά κατά πόσο είναι κατάλληλος για τη δόμηση του έργου. Από τις ιδιότητες αυτές, άλλες έχουν μεγαλύτερη και άλλες μικρότερη βαρύτητα για την κρίση αυτή. Μια από τις πιο κρίσιμες ιδιότητες είναι αυτή της υδραυλικής αγωγιμότητας του εδάφους. Σκοπός αυτής της πτυχιακής εργασίας είναι αρχικά να αποσαφηνιστούν οι έννοιες πέτρωμα και έδαφος και στη συνέχεια να μελετηθούν οι σημαντικότερες ιδιότητες τους και ιδιαίτερα η διαπερατότητα τους που είναι και η ιδιότητα που ρυθμίζει κυρίως την κίνηση των υγρών μέσα από αυτά. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στα έργα και τα προβλήματα στα οποία βρίσκει εφαρμογή αυτή η μελέτη. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην κατασκευή φραγμάτων και στους παράγοντες που την επηρεάζουν. Ακόμη, στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται η διάκριση των πετρωμάτων σε στερεά και μαλακά. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αρχικά, αναλύονται οι βασικές κατηγορίες πετρωμάτων με βάση την προέλευσή τους(εκρηξιγενή, ιζηματογενή και μεταμορφωμένα πετρώματα) και στη συνέχεια οι ιδιότητές τους, δίνοντας πάντα έμφαση σε αυτές που σχετίζονται και με τη δόμηση τεχνικών έργων (αντοχή, ελαστικότητα κ.α.). Στο τρίτο κεφάλαιο δίνεται το βάρος στα χαλαρά πετρώματα ή αλλιώς εδάφη. Γίνεται κατηγοριοποίηση τους με βάση τη σύσταση και τη δομή τους και στη συνέχεια μελετώνται εκτενώς οι ιδιότητες του, πάντα δίνοντας προσοχή σε αυτές που έχουν σχέση και με τη δόμηση έργων σε αυτά. Στο επόμενο κεφάλαιο, η μελέτη περνάει στα υπόγεια νερά. Κατηγοριοποιούνται και αναφέρεται η σημασία τους σε διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες. Έπειτα με βάση κάποιους φυσικούς νόμους που έχουν διατυπωθεί αναλύεται η συμπεριφορά και κίνηση αυτών των υπόγειων υδάτων μέσα στα διάφορα εδάφη. Πιο συγκεκριμένα παρατίθεται η αρχή της συνέχειας της ροής, ο νόμος Bernoulli και ο νόμος του Darcy. Στο πέμπτο κεφάλαιο, μελετάται η έννοια της διαπερατότητας. Γίνεται η διάκριση της σε σχετική και γεωμετρική διαπερατότητα και παρατίθεται μια απλή εφαρμογή για την καλύτερη κατανόηση της. Ακόμη, γίνεται εκτενής αναφορά σε διάφορες Σελίδα 7 από 92

9 μεθόδους υπολογισμού της τόσο μέσα σε εργαστήρια όσο και επί τόπου στη φύση δοκιμές (δοκιμή Maag, δοκιμή Le Frank, δοκιμή Lugeon κ.α.). Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο περιγράφονται διάφορες τεχνικές γεωφυσικών καταγραφών που έχουν αναπτυχθεί από τους ερευνητές και εφαρμόζονται στις γεωτρήσεις μεγάλου βάθους (με πολφό). Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι διαγραφίες ίδιου ή στιγμιαίου δυναμικού S.P., οι καταγραφές αντίστασης, οι καταγραφές εστιασμένων αντιστάσεων, οι καταγραφές αγωγιμότητας, οι καταγραφές κλίσης στρωμάτων, οι ακουστικές καταγραφές και οι καταγραφές ραδιενέργειας. Σελίδα 8 από 92

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τεχνικά έργα, Υπόγεια Υδραυλική και οι εφαρμογές της Όλα τα τεχνικά έργα δομούνται στην επιφάνεια του εδάφους ή κάτω από αυτήν. Η ασφαλής θεμελίωση αυτών, προϋποθέτει καλή γνώση των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων του υποβάθρου θεμελίωσης, κάτι που επιτυγχάνεται με την επιτόπου έρευνα αυτού του χώρου και διαπίστωση των συνθηκών καταλληλότητας του για τη θεμελίωση του συγκεκριμένου έργου. Στην παρούσα μελέτη, εξετάζονται οι τύποι των πετρωμάτων που αποτελούν το υπόβαθρο θεμελίωσης τεχνικών έργων, καθώς και οι φυσικές, μηχανικές και υδραυλικές τους ιδιότητες. Μάλιστα, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην υπόγεια υδραυλική των εδαφών, δηλαδή στη μελέτη της κίνησης του νερού μέσα στα εδάφη που πρόκειται να θεμελιωθούν διάφορα τεχνικά έργα (Τολίκας, 1997). Όσο αφορά την κίνηση του νερού μέσα από το έδαφος, σε άλλα έργα αυτή είναι επιθυμητή (π.χ. αντλήσεις για την προμήθεια νερού από τον υπόγειο ορίζοντα) ενώ σε άλλα όχι (π.χ. υδατική ροή διαμέσου του πυρήνα φράγματος). Τα πρακτικά προβλήματα τα οποία σχετίζονται με την υπόγεια υδραυλική είναι πάρα πολλά. Πριν προχωρήσουμε στην αναφορά μερικών από αυτά τα προβλήματα, θα ήταν χρήσιμο να δώσουμε τον ορισμό του ταμιευτήρα ( LAIO3.pdf). Ταμιευτήρας (τεχνητός) είναι χώρος αποθήκευσης νερού που δημιουργείται με την κατασκευή φράγματος ή άλλου έργου ανάσχεσης και κύριο σκοπό έχει την αποθήκευση του νερού, τη ρύθμιση των φυσικών παροχών και την εξασφάλιση επιθυμητής στάθμης για διάφορες χρήσεις όπως υδροδυναμικές εγκαταστάσεις, αρδεύσεις, υδρεύσεις κ.α. Βασικό αντικείμενο μελέτης αποτελεί η υδατική ροή διαμέσου της περιμέτρου ενός ταμιευτήρα και του σώματος του φράγματος. Ακόμη, είναι κρίσιμος ο βαθμός σφράγισης ταμιευτήρων στους οποίους αποθηκεύονται τοξικά απόβλητα. Ιδιαίτερα μελετούνται οι τρόποι στεγάνωσης, οι πιθανές απώλειες κατά τη συνήθη λειτουργία και οι συνέπειες από την ατελή λειτουργία της σφραγιστικής στρώσης (π.χ. μόλυνση του υπόγειου ορίζοντα, μεταφορά των αποβλήτων με τα υπόγεια νερά Σελίδα 9 από 92

11 προς τα κατάντη, μόλυνση κατάντη πηγών και άλλες περιβαλλοντικές επιπτώσεις). Μια ειδική περίπτωση τέτοιων ταμιευτήρων είναι οι υπόγειοι αποθηκευτικοί χώροι πυρηνικών αποβλήτων. Σε αυτή όμως την περίπτωση το πρόβλημα είναι πιο σύνθετο καθώς υπεισέρχεται και το φαινόμενο της έκλυσης θερμότητας ταυτόχρονα με τη ροή ρευστών( Άλλο ένα πρόβλημα που μελετά η υπόγεια υδραυλική είναι η ποσότητα του νερού που διηθείται προς το εσωτερικό εκσκαφών κάτω από το φρεάτιο ορίζοντα. Σε αυτή την περίπτωση τα διηθούμενα νερά, εκτός του ότι παρεμποδίζουν τις εργασίες στο εσωτερικό της εκσκαφής, χαλαρώνουν το έδαφος, με συνέπεια να εμφανίζονται καταπτώσεις των παρειών της εκσκαφής, χαλάρωση του πυθμένα κ.α. Επίσης χρήσιμη είναι και η εκτίμηση της χρονικής εξέλιξης των υποχωρήσεων των κατασκευών στα κορεσμένα εδάφη ( Soil%20Mechanics/ch04.pdf). Εικόνα 1.1 Ταπείνωση του υπόγειου ορίζοντα Αναπτύσσονται συστήματα αντλήσεων για την προμήθεια νερού από υπόγειους φυσικούς ταμιευτήρες, για την αποστράγγιση λιμνών και ελών και για τη μείωση της στάθμης του υδροφόρου κάτω από τις ρίζες των φυτών (Εικόνα 1.1). Σε αυτές τις περιπτώσεις ζητείται να σχεδιαστούν τα απαραίτητα έργα (διάμετρος, βάθος και απόσταση των φρεάτων, ισχύς των αντλιών κλπ.) ώστε να κατέλθει η στάθμη του υπόγειου ορίζονται ή να αντληθεί ορισμένη ποσότητα νερού. Να σημειωθεί ότι, όσο αφορά την άντληση (εξόρυξη) πετρελαίου ενδιαφέρει τους μελετητές η αστάθεια της διεπιφάνειας διφασικών ροών (Τολίκας, 1997). Ένα άλλο πρόβλημα που σχετίζεται με την υπόγεια υδραυλική είναι αυτό της υφαλμύρινσης. Αυτό προκύπτει από την υπεράντληση των υπόγειων υδροφορέων (κυρίως κατά τους καλοκαιρινούς μήνες) και οδηγεί στην υποβάθμιση της ποιότητας του γλυκού νερού, καθιστώντας το ακατάλληλο για κάθε χρήση. Πιο συγκεκριμένα, στους παράκτιους υδροφορείς η υδραυλική κλίση του υπόγειου νερού έχει συνήθως κατεύθυνση προς τη θάλασσα. Λόγω της παρουσίας του αλμυρού νερού, στο τμήμα του υδροφορέα που βρίσκεται κάτω από το επίπεδο της Σελίδα 10 από 92

12 θάλασσας σχηματίζεται μια ζώνη επαφής μεταξύ του ελαφρύτερου γλυκού νερού του υδροφορέα και του υποκείμενου βαρύτερου αλμυρού νερού. Ο όγκος του αλμυρού νερού κάτω από το γλυκό λόγω της χαρακτηριστικής του μορφής ονομάζεται σφήνα. Το αλμυρό και το γλυκό νερό είναι αναμίξιμα με αποτέλεσμα η μεταξύ τους ζώνη επαφής να παίρνει τη μορφή μιας μεταβατικής ζώνης λόγω του φαινομένου της διάχυσης (Εικόνα 1.2). Το φαινόμενο της υφαλμύρινσης εμφανίζεται όταν η υδραυλική κλίση του παράκτιου υδροφορέα προς τη θάλασσα είναι μικρή και ακόμα περισσότερο όταν αλλάζει διεύθυνση εξαιτίας των έντονων αντλήσεων. Στην περίπτωση αυτή δημιουργούνται ευνοϊκές συνθήκες για τη μετακίνηση της αλμυρής σφήνας προς το εσωτερικό του υδροφορέα με αποτέλεσμα την υφαλμύρινση του, την αύξηση δηλαδή της συγκέντρωσης των ιόντων χλωρίου, μαγνησίου και ασβεστίου στα υπόγεια νερά (Καλλέργης, 1986). Εικόνα 1.2 Φαινόμενο υφαλμύρινσης Όπως φαίνεται από όλα τα παραπάνω, η υπόγεια υδραυλική βρίσκει εφαρμογή σε ένα μεγάλο εύρος προβλημάτων. Κλείνοντας αυτό τον κύκλο παραδειγμάτων, να αναφερθούν επίσης οι περιπτώσεις διασποράς ουσιών σε πορώδες μέσο, τα φίλτρα άμμου ή ενεργού άνθρακα στα διυλιστήρια νερού, καθώς και η κατασκευή βυθισμένων κυματοθραυστών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως για την προστασία ακτών μέσω της απόσβεσης κυματισμών και του ελέγχου της στερεομεταφοράς (Κουτάντος, Καραμπάς, Γκουτίτας, 2003). Η μελέτη των παραπάνω εφαρμογών είναι ιδιαίτερα σύνθετη. Για να γίνει κατανοητό αυτό ας γίνει εμβάθυνση στο παράδειγμα του φράγματος. Κατά την πρώτη πλήρωση του ταμιευτήρα που δημιουργείται με την κατασκευή ενός φράγματος, το νερό διεισδύει στους πόρους του υλικού του φράγματος και βαθμιαία εκτοπίζει τον αέρα από τους πόρους. Συγχρόνως, όμως, η στάθμη του ταμιευτήρα ανέρχεται, οι υδατικές πιέσεις στο φράγμα αυξάνονται και ταυτόχρονα Σελίδα 11 από 92

13 αυξάνονται οι ποσότητες του διηθούμενου νερού. Το πρόβλημα σε αυτή την περίπτωση είναι ιδιαίτερα πολύπλοκο για τους εξής λόγους( Λόγω της άγνωστης και χρονικά μεταβαλλόμενης θέσης της ελεύθερης υδατικής επιφάνειας της ροής στο εσωτερικό του φράγματος. Λόγω της αποθήκευσης νερού στο εσωτερικό του φράγματος (στους πόρους), με συνέπεια το νερό που εξέρχεται από την κατάντη παρεία του φράγματος να είναι λιγότερο από αυτό που διηθείται από τον ταμιευτήρα προς το εσωτερικό του φράγματος. Λόγω της άγνωστης κατανομής των υδατικών πιέσεων στο εσωτερικό του φράγματος. Οι πιέσεις προσαρμόζονται διαρκώς στις χρονικά μεταβαλλόμενες συνθήκες ροής στο εσωτερικό του φράγματος και στις ανάντη συνοριακές συνθήκες (μεταβαλλόμενη στάθμη ταμιευτήρα). Επειδή, με τη μεταβολή των υδατικών πιέσεων στο εσωτερικό του φράγματος (χωρίς να μεταβάλλονται πάντοτε εξίσου και οι ολικές τάσεις), μεταβάλλονται οι ενεργές τάσεις που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του φράγματος. Η μεταβολή των ενεργών τάσεων προκαλεί ογκομετρικές παραμορφώσεις του υλικού του φράγματος (διόγκωση ή συμπίεση), δηλαδή μεταβολές του όγκου των πόρων του εδαφικού υλικού, με συνέπεια την πρόσθετη αποθήκευση νερού (ή τη μείωση του αποθηκευμένου όγκου νερού) στους πόρους του υλικού του φράγματος. Λόγω της εναλλαγής πολύ διαπερατών με λιγότερο διαπερατές εδαφικές στρώσεις, της παρουσίας διόδων του νερού μέσα από ρωγμές στο εσωτερικό του φράγματος, της δημιουργίας φαινομένων διασωλήνωσης (piping) στο κατάντη πρανές του φράγματος κλπ. Εικόνα 1.3 Η μελέτη των φραγμάτων κρύβει πολλές ιδιαιτερότητες 1.2 Διάκριση πετρωμάτων Σελίδα 12 από 92

14 Τα πετρώματα είναι φυσικά στερεά υλικά σε συμπαγή ή χαλαρή μορφή, που αποτελούνται από ένα ή περισσότερα ορυκτά και συμμετέχουν στη δομή του φλοιού της Γης(Λυκούδη, 2005). Εκτενής μελέτη των πετρωμάτων γίνεται στο δεύτερο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας. Η διάκριση των πετρωμάτων στην τεχνική γεωλογία, γίνεται με βάση την ικανότητα σύνδεσης των επιμέρους τεμαχίων τους, που επιτρέπει τη διαφοροποίηση της συμπεριφοράς τους απέναντι στο νερό και στη στερεότητά τους σε σχέση με το χρόνο. Τα κριτήρια για την τεχνικογεωλογική διάκριση τους είναι τα ακόλουθα ( i. Η συμπεριφορά τους απέναντι σε κλιματικές επιρροές ii. Η συμπεριφορά τους απέναντι σε πρόσθετες μεταφορές φορτίων iii. Καθορισμένα στοιχεία της δομής τους Για καθαρά, λοιπόν, κατασκευαστικούς λόγους τα πετρώματα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες. Τα στερεά πετρώματα ή αλλιώς βράχος ή βραχομάζα και τα χαλαρά πετρώματα ή αλλιώς έδαφος ή εδαφομάζα. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν όλοι οι τύποι πετρωμάτων που έχουν ενδογενή προέλευση, όπως ακόμη και τα ιζηματογενή και μεταμορφωμένα πετρώματα που έχουν φτάσει στη πλήρη διαγέννεσή τους (βλ. Κεφάλαιο 2). Στην δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα νεώτερα ιζηματογενή πετρώματα τα οποία έχουν χαλαρή δομή και τα οποία θα μελετηθούν εκτενέστερα στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σελίδα 13 από 92

15 2.1 Ορισμοί Με το όνομα πετρώματα αναφέρονται γενικά τα στερεά υλικά, σε ειδικές περιπτώσεις υγρά (π.χ. πετρέλαιο), που σχηματίζουν τον γήινο φλοιό. Κάθε πέτρωμα από την πλευρά του είναι σχηματισμένο από ένα ή περισσότερα ορυκτά (Διδάγγελος, 2002). Καλό είναι σε αυτό το σημείο να δοθεί και ο ορισμός των ορυκτών. Ορυκτά είναι φυσικά, ομογενή, στερεά συστατικά του φλοιού της Γης, που κάτω από ορισμένες συνθήκες έχουν καθορισμένη σύσταση και κρυσταλλική δομή. Τα ορυκτά διακρίνονται σε ουσιώδη και επουσιώδη. Ουσιώδη είναι εκείνα που θεωρούνται απαραίτητα στην ταξινόμηση και ονοματολογία των πετρωμάτων, ενώ τα επουσιώδη απαντώνται σε σχετικά μικρές ποσότητες στα πετρώματα και η παρουσία ή απουσία τους δεν επηρεάζει την ταξινόμηση και ονοματολογία των πετρωμάτων(διδάγγελος, 2002). Αναφέρθηκε επίσης ότι τα ορυκτά έχουν κρυσταλλική δομή. Ως κρύσταλλος ορίζεται ένα σώμα ομογενές που έχει στερεό γεωμετρικό σχήμα ορισμένο από πλευρές, γωνίες και κορυφές. Οι κρύσταλλοι περιγράφονται και χαρακτηρίζονται με τα εξής στοιχεία συμμετρίας: (α) άξονες συμμετρίας, (β) επίπεδα συμμετρίας, (γ) κέντρο συμμετρίας. Ανάλογα με το σύνολο των στοιχείων συμμετρίας που έχουν, ταξινομούνται σε εφτά μεγάλα συστήματα (κυβικό, εξαγωνικό, τριγωνικό, τετραγωνικό, ρομβικό, μονοκλινές, τρικλινές) (Διδάγγελος, 2002). Τα πετρώματα ανάλογα με τις συνθήκες πετρογένεσης διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: i. Πυριγετή ή Εκρηξιγενή ή μαγματογενή πετρώματα ii. Ιζηματογενή πετρώματα iii. Μεταμορφωμένα πετρώματα 2.2 Πυριγενή ή Εκρηξιγενή ή μαγματογενή πετρώματα Αυτή η κατηγορία πετρωμάτων οφείλει τη γένεσή της στον μαγματισμό. Τα πυριγενή πετρώματα σχηματίζονται από τη στερεοποίηση του μάγματος στο εσωτερικό του φλοιού ή πάνω στην επιφάνεια της Γης. Ο όρος μάγμα αναφέρεται στο τήγμα που προέρχεται από το εσωτερικό της Γης(Λυκούδη, 2005). Αποτελείται Σελίδα 14 από 92

16 κυρίως από πυριτικά άλατα και είναι σε ρευστή κατάσταση, είναι δηλαδή ένα μείγμα υγρών και αερίων σε θερμοκρασία C. Το μάγμα σχηματίζεται στα σημεία εκείνα της Γης, όπου η θερμοκρασία είναι ικανή να λιώσει τα πετρώματα. Αυτό συμβαίνει συνήθως στα εξωτερικά στρώματα του άνω μανδύα και στα βαθύτερα στρώματα του φλοιού της Γης. Σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό του μάγματος παίζουν τα είδη των πετρωμάτων, αφού έχουν διαφορετικό σημείο τήξης το καθένα και η πίεση που είναι διαφορετική στα διάφορα βάθη. Το μάγμα περιέχει αέρια και νερό, γεγονός που το κάνει ελαφρύτερο από τα γύρω πετρώματα και με τη συμβολή των πιέσεων που επικρατούν γύρω του υποχρεώνεται να κινηθεί προς τα πάνω μέσα από ασυνέχειες, από ρωγμές και, ρήγματα του φλοιού της Γης. Μάλιστα, σε αυτή την προς τα επάνω κίνηση του λιώνει τα γύρω πετρώματα και ανοίγει ευρύτερους δρόμους μέσα στα στρώματα της Γης. Πριν φτάσει στην επιφάνεια συναντά διάφορες γεωλογικές συνθήκες, που οδηγούν στο σχηματισμό διαφόρων συγκεντρώσεων μάγματος οι οποίες ανάλογα με την περίπτωση ονομάζονται βαθύλιθοι, φλέβες, κοίτες, λακκόλιθοι, ηφαιστειακοί λαιμοί, φακοί και σωροί. Τέλος, το υλικό που φτάνει στην επιφάνεια, λόγω των αλληλεπιδράσεων που περιγράφηκαν παραπάνω είναι διαφορετικό από το αρχικό μάγμα και ονομάζεται λάβα(διδάγγελος, 2002). Για να περιγραφεί η διαδικασία ψύξεως και κρυσταλλώσεως του μάγματος σε πυριγενές πέτρωμα χρησιμοποιείται ο όρος μαγματικές φάσεις. Οι φάσεις αυτές ξεκινούν αρχικά με την αποβολή κρυστάλλων μεταλλικών ορυκτών από ένα ψυχόμενο μάγμα, μέχρι το σχηματισμό κρυστάλλων από το υδροθερμικό διάλυμα ώστε να γίνει πλήρης στερεοποίηση του μάγματος. Επιγραμματικά οι φάσεις είναι: Ορθομαγματική Πηγματιτική Πνευματολυτική Υδροθερμική) (Διδάγγελος, 2002). Τα πυριγενή πετρώματα ανάλογα με τις συνθήκες κρυστάλλωσης του μάγματος, διακρίνονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες(λυκούδη, 2005): o Πλουτωνίτες: Έτσι ονομάζονται τα πετρώματα που σχηματίζονται σε μεγάλο βάθος στο εσωτερικό της γης. Σε αυτά τα πετρώματα η πήξη έγινε αργά κάτω από ορισμένες συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και υγρασίας και το αποτέλεσμα είναι να υπάρχουν σχηματισμένοι μεγάλοι κρύσταλλοι ορατοί με γυμνό μάτι. Τα κυριότερα πετρώματα αυτής της κατηγορίας είναι: Γρανίτης, Συηνίτης, Διορίτης, Γάββρος, Περιδοτίτης κ.α. Σελίδα 15 από 92

17 Εικόνα 2.1 Πλουτωνίτες o Ηφαιστίτες: Πρόκειται για τα πετρώματα που σχηματίζονται στην επιφάνεια της Γης από τη λάβα. Επειδή η πτώση της θερμοκρασίας και της πίεσης είναι φαινόμενο που εκδηλώνεται άμεσα έχει και σαν συνέπεια την γρήγορη πήξη της λάβας με συνέπεια να μην μπορέσουν να κρυσταλοποιηθούν τα διάφορα ορυκτά, έτσι προκύπτουν κρύσταλλοι αόρατοι με γυμνό μάτι. Εάν μάλιστα η πήξη είναι πολύ ταχεία, τότε δεν δημιουργούνται καθόλου κρύσταλλοι αλλά μια υαλώδης μάζα. Είναι επίσης δυνατό, πριν από την έκχυση της λάβας να έχουν σχηματιστεί αρκετά μεγάλοι κρύσταλλοι, οι οποίοι κατά την έκχυση παρασύρονται με την υπόλοιπη μάζα που είναι μικροκρυσταλλική ή υαλώδης. Οι κυριότεροι ηφαιστίτες είναι: Λιπαρίτης, Τραχείτης, Ανδεσίτης, Δακίτης, Βασάλτης, Κίσηρης, Οψιδιανός, Ρυόλιθος κ.α. Εικόνα 2.2 Ηφαιστίτες o Φλεβίτες: Έτσι αποκαλούνται τα πετρώματα που σχηματίζονται όταν το μάγμα πήζει σε διάφορες ρωγμές που εισέρχεται και σε μικρό βάθος από την επιφάνεια της Γης, ή όταν μπαίνει και πήζει μεταξύ στρωμάτων παρακείμενων πετρωμάτων. Αποτελούν την ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ πλουτωνιτών και ηφαιστιτών. Σελίδα 16 από 92

18 2.3 Ιζηματογενή πετρώματα Τα ιζηματογενή πετρώματα σχηματίζονται από υλικό το οποίο προκύπτει από την καταστροφή άλλων πετρωμάτων στην επιφάνεια της Γης. Μπορεί να προέρχονται δηλαδή από την καταστροφή είτε πυριγενών, είτε ιζηματογενών, είτε μεταμορφωμένων πετρωμάτων(λυκούδη, 2005). Τα τέσσερα βασικά στάδια σχηματισμού των ιζηματογενών πετρωμάτων είναι τα ακόλουθα: o Αποσάθρωση-Διάβρωση Το στάδιο αυτό αναφέρεται στις φυσικοχημικές διεργασίες που υφίστανται τα προϋπάρχοντα πετρώματα με αποτέλεσμα την καταστροφή τους. Η φυσική αποσάθρωση εμφανίζεται σε θρύμματα διαφόρων διαστάσεων, που είναι συνένωση κρυστάλλων ή χωριστά κρύσταλλα ή μέρη κρυστάλλων ή τμήματα και θραύσματα του μητρικού πετρώματος, ενώ η χημική αποσάθρωση (ή αλλιώς αλλοίωση) εμφανίζεται σε υλικά που έχουν διαφορετική σύνθεση, τουλάχιστον μέχρι ένα βαθμό, από τη σύνθεση των μητρικών πετρωμάτων. Στην πραγματικότητα και η φυσική και η χημική αποσάθρωση ενεργούν ταυτόχρονα, απλά μπορεί να παρατηρηθεί σε μερικές περιοχές ή μία να κυριαρχεί επί της άλλης. Πιο συγκεκριμένα έχει παρατηρηθεί ότι οι φυσική αποσάθρωση κυριαρχεί στα ξηρά κλίματα, ενώ η χημική στα υγρά. Βασικοί παράγοντες που προκαλούν μηχανική αποσάθρωση είναι: η μεταβολή της θερμοκρασίας, ο πάγος, η τάση κρυστάλλωσης των αλάτων, ο τεκτονισμός, τα φυτά, οι κεραυνοί, οι πυρκαγιές στα δάση κ.α. Από την άλλη πλευρά, βασικοί παράγοντες που προκαλούν χημική αποσάθρωση είναι: η παρουσία οξυγόνου, διοξειδίου του άνθρακα, το νερό, οι χημικές ουσίες και οι ζωντανοί οργανισμοί, οι δράσεις οξειδώσεως, ενυδάτωσης, διάλυσης, υδρόλυσης, καθώς και η δράση των οργανισμών (Διδάγγελος, 2002). o Μεταφορά Το στάδιο αυτό αναφέρεται στην απομάκρυνση του υλικού αποσάθρωσης από τον τόπο σχηματισμού του. Το πόσος χρόνος θα περάσει μέχρι να ξεκινήσει αυτή η απομάκρυνση εξαρτάται από τα φυτά που καλύπτουν το έδαφος, από την κλίση του εδάφους, από το είδος του υλικού και από τη συχνότητα και την ένταση των βροχοπτώσεων καθώς και από την πυκνότητα των χειμάρρων και των ποταμών. Τα μέσα μεταφοράς των ιζηματογενών υλικών είναι η βαρύτητα, το νερό, ο αέρας και οι παγετώνες (Διδάγγελος, 2002). Σελίδα 17 από 92

19 o Απόθεση Είναι το στάδιο όπου η ταχύτητα του μεταφορικού μέσου που μετακινεί τα υλικά της αποσάθρωσης μειώνεται και δεν είναι σε θέση να τα διατηρεί σε αιώρηση η διάλυση. Έτσι αυτά αρχίζουν να αποτίθενται. Η ταχύτητα απόθεσης επηρεάζεται από το ιξώδες του μέσου στο οποίο γίνεται η απόθεση όταν τα μόρια είναι πολύ μικρά (<0.1mm). Αυτό δεν ισχύει για μεγαλύτερα μόρια (>0.1mm). Όπως είναι λογικό τα πιο μεγάλα μόρια είναι τα πρώτα που αποθέτονται και μάλιστα η απόθεση είναι πολύ δυναμική αν υπάρχει απότομη πτώση της ταχύτητας του μέσου. Ανάλογα με το περιβάλλον απόθεσης του υλικού αποσάθρωσης τα ιζήματα διακρίνονται σε: (α) χερσαία ιζήματα (απόθεση στην επιφάνεια της ξηράς), (β) λιμναία ιζήματα (απόθεση σε λίμνες) και (γ) θαλάσσια ιζήματα (απόθεση σε θάλασσες) (Λυκούδη, 2005). o Διαγένεση Το στάδιο αυτό αναφέρεται στις διεργασίες μετασχηματισμού ενός χαλαρού ιζήματος σε συμπαγές πέτρωμα με τη βοήθεια της πίεσης των υπερκείμενων στρωμάτων και της φυσικής συνδετικής ύλης. Οι μετασχηματισμοί αυτοί αρχίζουν αμέσως μετά την απόθεση και γίνονται πάντοτε πιο φανεροί όταν τα ιζήματα φτάνουν σε πιο βαθιές ζώνες της λιθόσφαιρας. Το υλικό που αποτίθεται σε ένα υδάτινο περιβάλλον, υφίσταται αρχικά συμπύκνωση εξαιτίας της πίεσης που ασκείται από τα υπερκείμενα ιζήματα. Έτσι ελαττώνεται το πορώδες του πετρώματος. Οι αργιλώδεις λάσπες σχηματίζονται σε συμπαγή και αδιαπέρατα πετρώματα. Τα πιο χονδροειδή πετρώματα διατηρούν ένα βαθμό πορώδους που επιτρέπει των πέρασμα διαλυμάτων νερού και την καθίζηση δευτερευόντων ορυκτών. Σε αυτή την περίπτωση το ίζημα υφίσταται μια διεργασία συγκόλλησης που, ανάλογα με την ένταση θα δώσει ημισυνεκτικά ή συνεκτικά πετρώματα. Ακόμη, σε μερικούς τύπους ιζημάτων (κυρίως ανθρακικά και αλατούχα) μπορούν να γίνουν φανερά φαινόμενα της ανακρυστάλλωσης που οδηγούν σε μια γενική αύξηση των διαστάσεων των κόκκων (Διδάγγελος, 2002). Σελίδα 18 από 92

20 Εικόνα 2.3 Διαδικασίες σχηματισμού ιζηματογενών πετρωμάτων Ανάλογα με τη διαδικασία αποθέσεως του ιζήματος, τη σύσταση του πετρώματος και το μέγεθος των κόκκων, τα ιζηματογενή πετρώματα χωρίζονται στις παρακάτω κατηγορίες (Λυκούδη, 2005): Κλαστικά ή Μηχανικά: Τα υλικά που προκύπτουν από τη μηχανική αποσάθρωση είναι κομμάτια του μητρικού πετρώματος που βρίσκονται σε μηχανική αιώρηση στο νερό ή στον αέρα και σχηματίζουν τα μηχανικά ή κλαστικά πετρώματα. Είναι μάλιστα τα πιο ανθεκτικά και αναλλοίωτα ορυκτά συστατικά των πετρωμάτων. Ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων των συστατικών τους ταξινομούνται σε διάφορες κατηγορίες: Κροκάλες/Λαπύτες, Ψηφίδες, Άμμος, Ιλύς. Χημικά: Τα υλικά που προκύπτουν από τη χημική αποσάθρωση είναι χημικά διαλύματα από το μητρικό πέτρωμα. Είναι αλλιώς γνωστά και ως εβαπορίτες. Αυτά τα διαλύματα όταν αυξηθεί η συγκέντρωση τους μέσα σε θάλασσες και λίμνες κατακάθονται και σχηματίζουν τα χημικά ιζηματογενή πετρώματα. Τα πιο διαδεδομένα από αυτά είναι τα ακόλουθα: Γκεϋζερίτης, Ορυκτό αλάτι, Γύψος Ανυδρίτης, Τραβερτίνης, Ασβεστολιθικόε τόφφος, Ωολιθικός και πισσολιθικός ασβεστόλιθος, Σταλακτίτες Σταλαγμίτες κ.α. Βιογενή: Τα πετρώματα αυτά σχηματίζονται από τα υπολείμματα των διαφόρων οργανισμών και κυρίως από κελύφη, σκελετούς και εκκρίσεις ζωικών μικροοργανισμών. Τα πιο γνωστά από αυτά είναι: Ορυκτοί άνθρακες, Σελίδα 19 από 92

21 Υδρογονάνθρακες, Ασβεστόλιθος, Δολομίτης, Κρητίδα (Κιμωλία), Κερατόλιθος, Γη διατόμων, Γη ραδιολαριτών κ.α. 2.4 Μεταμορφωμένα πετρώματα Τα μεταμορφωμένα πετρώματα προέρχονται από ιστολογική, ορυκτολογική ή/και χημική μεταβολή προϋπαρχόντων πετρωμάτων, πυριγενών, ιζηματογενών ή ακόμα και μεταμορφωμένων, σε συνθήκες διαφορετικές από αυτές που επικρατούν στην επιφάνεια της γης, παραμένοντας όλως συνεχώς σε στερεή κατάσταση(λυκούδη, 2005). Χαρακτηρίζονται από τον σχιστοφυή ιστό τους, που εμφανίζεται στα περισσότερα από αυτά (π.χ. γνεύσιος), και ο οποίος είναι αποτέλεσμα της στρωσιφυούς ανάπτυξης των συστατικών των πετρωμάτων κυρίως φυλλόμορφων και ινόμορφων. Ακόμη χαρακτηρίζονται από την παρουσία ορυκτών, όπως ανδαλουσίτη, κυανίτη, σιλλιμανίτη, ζοϊσίτη, γρανάτη και άλλων, τα οποία δεν συναντώνται ή είναι επουσιώδη στα πυριγενή πετρώματα. Μεταμορφωμένα πετρώματα καλύπτουν ένα μεγάλο τμήμα του ελλαδικού χώρου όπως της Κεντρικής και Δυτικής Μακεδονίας, Ανατολικής Θεσσαλίας, Αττικής, Κυκλάδων νήσων κλπ. Αυτά τα πετρώματα χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται λόγω της ιδιαίτερης ανθεκτικότητας αλλά και ομορφιάς τους ως δομικοί λίθοι. (Λυκούδη, 2005) Ακολουθεί μια ονομαστική αναφορά στα κυριότερα μεταμορφωμένα πετρώματα: Φυλίτης Μαρμαρυγιακός σχιστόλιθος Γνεύσιος Χαλαζίτης Πρασινοσχιστόλιθος Αμφιβολίτης Αμφιβολιτικός σχιστόλιθος Σερπεντινίτης Εκλογίτης Ταλκικός σχιστόλιθος Γλαυκοφανιτικός σχιστόλιθος Κερατίτης Μάρμαρο Σμύριδα Χλωριτικός σχιστόλιθος Γρανουλίτης - Σερικιτικός σχιστόλιθος Μειγματίτης - Μπλε σχιστόλιθος Εικόνα 2.4 Μεταμορφωμένα πετρώματα Σελίδα 20 από 92