Numerical Simulation of the Stability of Rock Mass around Large Underground Cavern

Geotechnical problems are complicated to the extent and cannot be expected in other areas since non-uniformities of existing discontinuous, pores in materials and various properties of the components. At present, it is extremely difficult to develop a program for tunnel analysis that considers all complicated factors. However, tunnel analysis has made remarkable growth for the past several years due to the development of numerical analysis method and computer development, given the situation that it was difficult to solve formula of elasticity, viscoelasticity, and plasticity for the dynamic feature of the ground when the constituent laws, yielding conditions of ground materials, geometrical shape and boundary conditions of the structure were simulated in the past. The stability of rock mass around an underground large cavern is the key to the construction of large-scale underground projects. In this paper, the stability analysis was carried out based on those parameters by using 2D FEM RS2 program. The calculated stress and displacements of surrounding rock and rock support by FEM analysis were compared with those allowable values. The pattern of deformation, stress state, and the distribution of plastic areas are analyzed. Finally, the whole stability of surrounding rock mass of underground caverns was evaluated by Rocscience - RS2 software. The calculated axial forces were far below design capacity of rock bolts. The strong rock mass strength and high horizontal to vertical stress ratio enhanced safe working conditions throughout the excavation period. Thus wide span caverns and the system of caverns could be stability excavated sedimentary rock during the underground cavern and the system of caverns excavation by blasting method. The new method provides a reliable way to analyze the stability of the caverns and the system of caverns and also will help to design or optimize the subsequent support. Doi: 10.28991/CEJ-2022-08-01-06 Full Text: PD

The Cenozoic salt diapir near Eyvanekey and Garmsar, Iran : new insights from structural investigations and analogue modeling

The Alborz Mountains are forming a ~100 km wide, E-W trending mountain chain where individual summits are up to 5000 m in elevation. The Alborz Mountains range are part of the Alpine orogen and are straddling a 2000 km wide area S of the Caspian Sea. The rocks of the Alborz Mountains consist of Neogen sediments, which are affected by folding and faulting. In the western part of the Alborz Mountains the folds and faults are trending NW-SE, whereas in the eastern part they are trending NE-SW. GPS data confirm N-S shortening including dextral strike-slip along ESE-WNW trending faults, and sinistral strike-slip along ENE-WSW trending faults. The present thesis is focusing on the active Garmsar salt nappe, the fragmented roof of which is pierced by rock salt which extruded near the front of the Alborz Mountains Range. During the past 5 m.y. the front of the Alborz chain migrated towards SSW on top of the salt of the Garmsar basin. The salt was squeezed towards SSW and took place at the Great Kavir. The extruded salt is forming the Eyvanekey plateau between the cities of Eyvanekey and Garmsar. Both the Garmsar salt nappe and the Eyvanekey plateau are dextrally displaced for ca. 9 km along the Zirab-Garmsar fault. Structural analyses of the Garmsar salt nappe indicate three different groups of joints which are trending perpendicular and parallel to the local mechanical anisotropy. The folds of the study area are congruent (type 2 and 3 after Ramsay) resulting from viscose inhomogeneous flow. InSAR-Investigations suggest the Alborz Mountains to be lifted up by ca. 1 cm/a, while horizontal shortening is active at a rate of 8 ±2 mm/a. These values are consistent with GPS data. Based on nine „Advanced Synthetic Aperture Radar“ (ASAR) scenarios, produced by the ENVISAT satellite of the European space agency between 2003 and 2006, we used interferograms to map the displacement via 22 increments during 2 – 18 months. The results suggest that the topographic height of the surface of the salt is changing at a rate which is controlled by the season. The displacement ranges from subsidence at -40 to -50 mm/a to uplift of 20 mm/a. In order to investigate the time-dependent deformation with high spatial resolution, we used algorithms which are based on data of small base lines (SBAS). The resulting interferometric SAR time series analyses also suggest that the study area is largely subsiding at a rate that is controlled by the seasons. The map with the averaged LOS deformation velocities, on the other hand, suggests the subsidence to increase from the upper part of the salt nappe towards deeper topographic 5 levels of the agricultural lowlands. The major part of subsidence is probably caused by the annual rainfall which results in subrosion of salt. The spatial changes in the subsidence rate are probably controlled by the distribution of fountains, mining activity at the margin of the salt glacier, and faults and fractures inside the salt. Striking seasonal imprints are obvious along the agricultural areas which are surrounding the Garmsar salt nappe. These areas are rapidly subsiding in summer and spring when groundwater is used for irrigations. The maximum rate of subsidence (40-50 mm/a) is located E and W of the Eyvanekey plateau, where large areas are irrigated. The maximum displacement is 20 mm/a in the farmland and 5 mm/a in the center of the salt nappe. Depth estimates using Euler deconvolution method for gravimetric and magnetic data suggest the salt to extrude from a depth less than ca. 2000 m. The gravity field of the study area is characterized by strong anomalies in the SW and weak anomalies in the NE. A considerable negative anomaly in the N indicates that the northern part subsided, whereas the southern part was lifted up. The seismic data show three major horizons inside the Miocene sediments: the Lower Red Formation, the Qom Formation, and the Upper Red Formation. The western part of the study area seems to be free from salt domes. The layers of the upper part of the Qom Formation show thinning along the NE and NW trending faults. In some areas the seismic reflectors indicate steep faults close the saddle of the folds. NE-SW-, NW-SE and E-Wtrending faults prevail. Analogue experiments have been carried out to extend our knowledge about the evolution of the Garmsar salt dome. We used a scaled model (34 cm * 25 cm * 2.5 cm) that was shortened perpendicular to its long side. The wedge shape of the Alborz Mountains was simulated by a wedge consisting of Styrofoam. Rock salt was simulated using Polydimethylsiloxan (PDMS), a linear viscous material with a viscosity of 2.3*104 Pa s and a density of 0.96 g/cm3 at room temperature. Other sediments were modeled using dry quartz sand. The experimental results can be used to simulate the structural evolution of the study area: The Alborz deformation front was emplaced on top of the salt rocks in the Garmsar area while migrating towards SSW. A salt basin and a salt extrusion have also been produced in the model. Cross sections through the wedge shaped analogue model indicate N- and S-dipping reverse faults, which are in line with the wedge shape of the Alborz chain. Moreover, ENE-WSW trending sinistral and ESE-WNW trending dextral strike-slip faults led to N-S shortening during the Miocene. Structural marker horizons, 6 which have been turned into Z-folds on the western fold limbs and to S-folds on the eastern fold limbs, are comparable with the folds of the study area. Solving the problem of waste is one of the central tasks of environmental protection. It is becoming increasingly difficult to find suitable sites that are acceptable to the public. Salt and salt formations have relevant properties to be utilizing as a repository for each kind of waste. The favorable properties make rock salt highly suitable as a host rock, in particular for nonradioactive and radioactive wastes. The Qom and Garmsar basins are the nearest salt diapirs to the Tehran province, and there are suitable repositories for waste disposal. Based on surface and subsurface data, the Garmsar salt diapir has been investigated as a case example for its suitability as a host and repository for various types of waste. The data used are based on field studies, interferometry, and geophysical investigations. The results of this study suggest the deep bedded salt of the Garmsar Salt Basin to be an appropriate host for the deposition of industrial waste. Rock salt of surficial layers or domes, on the other hand, is not regarded as an appropriate candidate for waste disposal.Die Alborz-Ketten bilden einen ~ 100 km breiten E-W streichenden Gebirgsgürtel mit bis zu 5000 m hohen Gipfeln im nördlichen Iran. Das Gebirge ist Teil des alpinen Gebirgsgürtels und erstreckt sich 2000 km südlich des Kaspischen Meeres. Die Alborz-Berge bestehen aus neogenen Sedimenten, die verfaltet und gestört sind. In den westlichen Alborz-Bergen streichen die Falten und Störungen NW-SE, in den östlichen Alborz-Bergen streichen sie NE-SW. GPS Untersuchungen belegen eine N-S Verkürzung mit dextraler Blattverschiebungskomponente entlang von ESE-WNW streichenden Störungen und sinistralen Bewegungen entlang von ENE-WSW streichenden Störungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der aktiven Garmsar-Salzdecke, deren fragmentiertes Dach von Salzgesteinen durchstoßen wird, die im Bereich der Alborz-Deformationsfront extrudieren. Während der vergangenen 5 Ma verlagerte sich die Alborz-Deformationsfront nach SSW und überfuhr dabei eine Salzabfolge im Garmsar-Becken. Dabei wurde das Salz nach SSW ausgequetscht, um auf der Oberfläche des Great Kavir Platz zu nehmen. Das „ausgeflossene“ Salz bildet das Eyvanekey-Plateau zwischen den Städten Eyvanekey und Garmsar. Die Garmsar-Salzdecke und das Eyvanekey-Plateau sind möglicherweise entlang der Zirab-Garmsar-Störung um ca. 9 km dextral versetzt worden. Die strukturgeologische Aufnahme der Garmsar-Salzdecke ergibt drei verschiedene Gruppen von Klüften, die senkrecht und parallel zur lokalen mechanischen Anisotropie angeordnet sind. Die Falten im Arbeitsgebiet sind kongruent (Typ 2 und 3 nach Ramsay) und resultieren aus viskosem, irregulärem Fließen. Die Ergebnisse der InSAR-Untersuchungen zeigen, dass die zentralen Alborz-Berge mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 cm/a gehoben und mit 8 ±2 mm/a verkürzt werden. Diese Werte stimmen mit den GPS-Daten überein. Basierend auf neun „Advanced Synthetic Aperture Radar“ (ASAR) Szenarien, die vom Satelliten ENVISAT der Europäischen Weltraumagentur zwischen 2003 und 2006 erstellt wurden, haben wir Interferogramme zur Kartierung des Versatzes über 22 Inkremente im Verlauf von 2 bis 18 Monaten erstellt. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Höhe der Salzoberfläche kontinuierlichen Schwankungen unterliegt, die saisonal bedingt sind. Der Oberflächenversatz über die gesamte Region reicht von reiner Subsidenz um -40 bis -50 mm/a bis hin zu einem Aufstieg von 20 mm/a. Um das zeitabhängige Deformationsverhalten mit einer hohen räumlichen Auflösung zu untersuchen, wurden Algorithmen auf der Grundlage kleiner Basislinien-Datensätze (SBAS) benutzt. Damit wurden interferometrische SAR2 Zeitreihenanalysen durchgeführt. Das Arbeitsgebiet sinkt demnach kontinuierlich mit einer jährlich variierenden Rate ab. Die Karte der mittleren LOS-Deformationsgeschwindigkeiten zeigt hingegen an, dass die Subsidenz im oberen Teil der Salzdecke nach unten bis hin zu den landwirtschaftlichen Flächen im Tiefland zunimmt. Der Großteil der Subsidenz kann vermutlich der Subrosion des Salzes durch die jährlichen Niederschläge von ca. 100 mm/a zugerechnet werden. Die räumlichen Änderungen in der Subsidenzrate werden möglicherweise von der Verteilung von Brunnen, von Bergbautätigkeit am Rande des Salzgletschers und von Störungen und Brüchen im Salz selbst gesteuert. Die auffälligsten saisonalen Effekte können auf den landwirtschaftlichen Flächen rund um die Garmsar-Salzdecke beobachtet werden. Diese Nutzflächen sinken im Summer und im Frühjahr schnell ab, also dann, wenn sie unter Entnahme von Grundwasser bewässert werden. Die maximale Subsidenzrate (40-50 mm/a) liegt östlich und westlich des Eyvanekey-Plateuas vor, wo Ackerflächen jeden Frühling und Sommer aus grundwassergespeisten Brunnen bewässert werden. Die maximale Oberflächendeformationsrate liegt bei 20 mm/a im Ackerland und bei 5 mm/a im Zentrum der Salzdecke. Tiefenabschätzungen mit Hilfe der Euler-Dekonvolution für Schwere- und Magnetikdaten machen deutlich, dass das Salz aus einer Tiefe von weniger als 2000 m extrudiert. Das Schwerefeld im Arbeitsgebiet ist durch starke Anomalien im SW und schwache Anomalien im NE charakterisiert. Eine deutlich negative Anomalie im N zeigt an, dass der nördliche Teil abgesunken ist, während die Südseite asymmetrisch angehoben wurde. Die seismischen Profile zeigen drei dominierende Horizonte in den miozänen Sedimenten : die Untere Rot-Formation, die Qom-Formation und die Obere Rot-Formation. In den seismischen Profilen vom Westteil des Arbeitsgebietes liegen keine Hinweise für aufsteigendes Salz und damit verbundene Salzdome vor. Entlang der NE- und NWstreichenden Störungen sind die Schichten jedoch im oberen Teil der Qom-Formation ausgedünnt. An einigen Stellen zeigen die Reflektoren steile Störungen nahe der Sattelkerne. Es überwiegen NE-SW- bzw. NW-SE und E-W-streichende Störungen. Analogexperimente wurden durchgeführt, um unser Wissen über die Entwicklung des Garmsar-Saldomes zu erweitern. Zur Modellierung diente ein skaliertes Modell mit den Dimensionen 34 cm * 25 cm * 2,5 cm (Länge * Breite * Höhe), welches senkrecht zu seiner Längsseite verkürzt wurde. Die Keilform der Alborz-Berge im Kartenbild wurde durch einen Styroporkeil simuliert. Als Analogmaterial für Steinsalz wurde 3 Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet, ein linearviskoses (Newtonisches) Material mit einer Viskosität von 2,3*104 Pa s und einer Dichte von 0,96/cm3 bei Raumtemperatur. Als Analogmaterial für siliziklastische Krustengesteine wurde trockener Quarzsand benutzt. Die Experimentalergebnisse lassen sich heranziehen, um die strukturelle Entwicklung des Arbeitsgebietes zu simulieren: Während ihres Fortschreitens nach SSW überfuhr die Alborz-Deformationsfront die Salzfolge im Garmsargebiet. Auch im Modell entstanden ein Salzbecken und eine Salzextrusion. Einige Schnitte durch das keilförmige Analogmodell zeigen N- und S-einfallende Auf- und Überschiebungen, die in guter Übereinstimmung mit der Keilform der Alborz-Gebirgskette stehen. Darüber hinaus wurden sinistrale Scherung entlang ENE-WSW-streichender Störungen der Alborz-Berge, sowie dextrale Blattverschiebungen entlang ESE-WNW-streichender Störungen mit einer N-S-Verkürzung während des Miozän in Verbindung gebracht. Strukturelle Vorzeichnungen, die im Modell zu Z-Falten auf dem „westlichen“ und zu S-Falten auf dem „östlichen“ Faltenschenkel gelegt wurden, sind vergleichbar mit den Falten im Arbeitsgebiet. Die neuen Ergebnisse können herangezogen werden, um mögliche Endlager für radioaktiven und sonstigen giftigen Abfall zu beweren. Die Entsorgung dieses Abfalls ist ein zentrales Problem für die Gesellschaft. Salzgesteine haben gute Eigenschaften was die Einlagerung von gefährllichen Stoffen anbelangt. Es ist nahezu impermeabel und verfügt aufgrund seiner plastischen Verfrombarkeit bereits unter geringen Temperaturen über einen "Selbstverschließungsmechanismus". Das Qom und Garmsar Becken stellen mit den hier vorhanden Salzdipiren aufgrund ihrer engen Nachbarschaft zu Theheran gute Kandidaten für die Einlagerung von geführlichen Stoffen dar. Aufgrund der vorliegenden Daten läßt sich feststellen, dass eine Einlagerung von gefährlichen Stoffen in tieferen Abschnitten des Salzdiapires möglich sein könnte, wohingegen eine Entsorgung in oberflächennahen Salzgesteinen nicht empfohlen werden kann, da hier die Wegsamkeit für zirkulierende Fluide erheblich größer ist als in tieferen Stockwerken

Guidelines for geoconservation in protected and conserved areas

These Guidelines are to help all of those involved in any aspect of protected area establishment and management and the stewardship of conserved areas to understand and address the conservation of geoheritage (termed geoconservation throughout these Guidelines)