WYKRYWANIE NIEJEDNORODNOŚCI W
OBRĘBIE OBWAŁOWAŃ RZECZNYCH Z WYKORZYSTANIEM METOD SEJSMIKI INŻYNIERSKIEJ
1.
WSTĘP
Od czasu powodzi w 1997 roku zaczęto zwracać większą
uwagę na przyczyny takich tragedii oraz podjęto działania mające na celu
zapobieganiu im w przyszłości (rys.1). Jedną z wielu przyczyn powodzi jest źle
wykonana konstrukcja obwałowań rzecznych, lub niedostateczna ich konserwacja.
Duży wpływ na kondycję obwałowań i powstające tam miejscowe strefy rozluźnionego
materiału mają głównie: opady atmosferyczne, przemarzanie gruntu, aktywność
człowieka, zwierząt itp. Czynniki takie mogą być przyczyną przeciekania lub
nawet przerwania ciągłości nasypu.
Do tej pory kontrola stanu technicznego obwałowań
rzecznych była prowadzona w sposób inwazyjny, tzn. poprzez nawiercenie otworów
i pobranie próbek do badań laboratoryjnych.
Jest to jednak bardzo czasochłonne i dostarcza tylko punktowej informacji o nasypie. Dlatego przedstawione poniżej metody
sejsmiczne, nie tylko mogą odgrywać ważną rolę w kontroli jakości wałów oraz w
wykrywaniu miejscowych osłabień dając nam ciągłą informację na temat ich stanu
technicznego, ale też charakteryzują się
nieinwazyjnością tj. nie naruszają ich struktury.
Rys. 1.
Powódź z 1997 roku w Krakowie.
2.
LOKALIZACJA
BADAŃ
Pomiary sejsmiczne zostały wykonane w maju i we wrześniu
2008 roku. Rejonem badań był fragment wału Wiślanego zlokalizowany we
wschodniej części Krakowa, w okolicy Elektrociepłowni Łęg (rys.2).[2]
Rys. 2. Rejon badań Rys. 3. Rozmieszczenie profili
Przeprowadzono 6 profili, wzdłuż lewego wału Wisły, z
których każdy miał 47 metrów długości (rys.
3). W rejonie pierwszego profilu zlokalizowany był otwór geotechniczny WL 14,
który wykorzystano do dowiązania wyników badań do budowy geologicznej nasypu. Rozmiar
obwałowania w zależności od miejsca pomiaru wynosił ok. 4-6 m wysokości oraz
3-4 m szerokości.
Do rejestracji użyto systemu pomiarowego ABEM Terraloc
MK6 (rys.4)[6]. Na każdy profil (o rozciągłości W-E) składa się 48 geofonów,
których częstotliwość zróżnicowana była w zależności od używanej metody. Jako
źródło sejsmiczne, posłużono się młotkiem o wadze 5 kg, którym uderzając w
płytę generowano sygnał o częstotliwości okol 80 Hz(rys.5)[6].
Rys. 4. System pomiarowy ABEM Terraloc
MK6 Rys. 5. Wzbudzanie sygnału sejsmicznego
3.
Metodyka
badań
3.1.
Wykorzystane
metody
W badaniach
wykorzystano metody refrakcji, tomografii refrakcyjnej, metodę MASW
(Wielokanałowa Analiza Fal Powierzchniowych), oraz land streamer.
3.1.1. Refrakcja
Metoda
refrakcyjna, inaczej podłużnych fal załamanych – jest to metoda służąca do
kartowania pojedynczych granic sejsmicznych, przy czym
prędkość w warstwie leżącej wyżej musi być mniejsza niż w warstwie leżącej
niżej[1]. W badanym przypadku warunek ten jest spełniony, tzn. w górnej
części wału znajduje się gleba, w której prędkości wynoszą ok. 800 – 900 m/s,
poniżej natomiast znajdują się piaski, w których prędkość wynosi ok. 1500-1700
m/s(rys. 6). Głębokość do granicy między warstwami wynosi około 8m.
3.1.2. Tomografia refrakcyjna
Natomiast
powierzchniowa Tomografia refrakcyjna jest metodą pozwalająca na odtworzenie
rozkładu prędkości propagacji fal sprężystych warstw przypowierzchniowych, przy czym musi być spełniony warunek jak dla
metody refrakcyjnej tzn. V2>V1[1]. W metodzie tej punkt wzbudzania sygnału przesuwano o
krok pomiarowy wynoszący 6 m, zaczynając i kończąc na odsunięciu 12 m.
Podczas pomiaru w wyżej wymienionych metodach
rejestrowano fale podłużne przy użyciu 48 geofonów o częstotliwości 100 Hz
stosując różne położenie punktu strzałowego. Aby uzyskać informację o granicy
refrakcyjnej, należało wzbudzać sygnał na skrajnych geofonach (pierwszy i
ostatni geofon) i z odsunięciem wynoszącym 24 m (refrakcja) oraz 12 m
(tomografia refrakcyjna) w celu wyeliminowania strefy cienia.
Rys. 6. Warunek
powstawania fali w metodzie refrakcyjnej
Zarejestrowane w ten sposób dane sejsmiczne w postaci
sejsmogramu (rys. 7a) zostały następnie odpowiednio przetworzone przez program
sejsmiczny Reflexw w celu uzyskania hodografów zbieżnych (rys. 7b), które w kolejnym
etapie pozwoliły na odtworzenie głębokości do granicy refrakcyjnej. Na sejsmogramie wyraźnie została
zarejestrowana fala refrakcyjna.
Rys. 7. Przetwarzanie
danych a) rekord sejsmiczny ; b) hodografy zbieżne
3.1.3. MASW
Metoda MASW
(ang. Multichannel Analysis of Surface Waves) – wykorzystuje własności
dyspersji fal powierzchniowych rozchodzących się poziomo wzdłuż powierzchni
Ziemi, bezpośrednio od źródła energii do odbiorników[4]. W wyniku inwersji
krzywych dyspersji fal powierzchniowych uzyskuje się informacje o rozkładzie
prędkości fali poprzecznej (Vs) zarówno w postaci modelu 1D
(głębokość) jak i 2D. Metoda ta umożliwia określenie modułów dynamicznych w
warstwach nadkładu oraz ich zmian z głębokością. W metodzie MASW wzbudzano
sygnał z krokiem pomiarowym co 4 m z odsunięciem 12, 8 oraz 4 m (rys.8a)[3],
pozostałe parametry (rozstaw, etc.) zastosowano takie jak we wcześniejszych
metodach (rys. 8b)[5].
Rys. 8a. Metodyka pomiarów w metodzie MASW
Rys. 8b. Schemat układu
pomiarowego w metodzie MASW
Ze względu
na brak dostatecznej ilości jednego typu geofonów, w metodzie posłużono się
czterema ich rodzajami (rys. 9)[6]. Zastosowano
geofony różnej produkcji, wśród których znalazły się również te polskiego pochodzenia
o częstotliwości 4,5 Hz.
Rys. 9. Geofony wykorzystane w metodzie MASW
W następnym
etapie przetworzono uzyskane z pomiarów dane sejsmiczne w celu uzyskania
krzywych dyspersji, obrazujących zależność prędkości fazowej od częstotliwości.
Należy zwrócić uwagę, że w procesie inwersji dla użytej metody wykorzystano
tylko główną modę jako krzywą dyspersji.
3.1.4. Land streamer
Jako
ostatnią zastosowano pionierską w naszym kraju metodę Land Streamer (kabel
przesuwny) (rys. 10a)[6]. Należy zaznaczyć, że została ona użyta tylko w celach
poznawczych, mających na celu dopracowanie jej oraz wyeliminowanie wszelkich
wykrytych wad. Cechuje się on prostą konstrukcją, a zarazem szybkością i
efektywnością działania. Podczas pomiaru streamer jest połączony z samochodem
(rys. 10b)[6], w którym znajduje się aparatura pomiarowa.
Rys. 10. a) Land Streamer b)
Streamer podłączony z samochodem
Następuje wzbudzenie
sygnału - rejestracja i szybka zmiana punktu pomiarowego. Warto wspomnieć, że
takie działanie skraca czas pracy i pozwala na częściowe przetwarzanie danych
już w terenie(rys. 11a,b)[6]. Metoda ta cały czas jest dopracowywana, aby w
przyszłości dawała jak najlepsze rezultaty.
3.2. NAPOTKANE PROBLEMY
Podczas
badań napotkano się na pewne problemy. Głównie chodzi tu o szumy z otoczenia,
takie jak: opady atmosferyczne, przebiegająca w pobliżu trakcja kolejowa,
maszyny przemysłowe z pobliskich zakładów, ruch samochodowy, a nawet
przelatujące samoloty. Innym problemem okazała się słaba jakość zapisu, która
mogła wynikać z geometrii wału oraz samego faktu, że jest to konstrukcja
sztuczna. Innym powodem takiego stanu rzeczy może być wzajemne znoszenie się fal
spowodowane kształtem obwałowania.
4. ANALIZA WYNIKÓW
Jako wynik refrakcji i tomografii refrakcyjnej uzyskano
informacje na temat położenia poziomu wodonośnego (zielona przerywana kreska),
który zaznaczył się na głębokości około 5 m oraz otrzymano rozkład prędkości
fali P pod wałem, jednak nie uzyskano szczegółowych informacji o budowie samego
wału(rys. 12). Głębokość do litego podłoża wyniosła ponad 7 m.
Rys. 12. Rozkład prędkości
fali P
Szczegółowa informacja o budowie nasypu natomiast, uwidoczniła się w wyniku przetwarzania MASW
(rys. 13). Można zaobserwować rozkład prędkości wzdłuż całego profilu. Obraz
ten pozwala również na lokalizację poziomu wód gruntowych, który zaznacza się
na głębokości około 5 m, co jest zgodne
z wynikiem uzyskanym w metodzie refrakcyjnej. Widoczne zagłębienie na
samym początku profilu prawdopodobnie wskazuje na granicę strefy pomiędzy
częścią wału utwardzoną i nieutwardzoną.
Rys. 13. Rozkład prędkości fali S
5. PODSUMOWANIE
Zaprezentowane metody sejsmiki inżynierskiej pozwalają
stosunkowo szybko i w sposób bezinwazyjny określić przypowierzchniową budowę nasypów
oraz wzajemnie się uzupełniają tworząc razem przejrzysty obraz faktycznego
stanu obwałowań. Mogą więc być one wykorzystywane na innych podobnych do
obwałowań obiektach inżynieryjnych, takich jak : nasypy kolejowe, tamy, zapory
ziemne a także do monitoringu osuwisk, wykrywanie pustek, czy też w badaniach
archeologicznych.
LITERATURA :
[1] Chao
Chen, Jiangping Liu, Jianghai Xia, Zhenyu Li, Integrated geophysical techniques
in detecting hidden dangers in river embankments, Journal of Environmental & Engineering
Geophysics; June 2006; v.
11; issue. p. 83-94; DOI: 10.2113/JEEG11.2.83
[2] www.google.maps.pl
[4] Park
C.B., Miller R.D., Xia J. 1999 Multichanel analisis of surface waves,
Geophysics, 64, 800-808
[5] Siata R.,
Chodacki J., Zastosowanie metody MASW do wyznaczania profilu prędkościowego
warstw przypowierzchniowych, Wyższy Urząd Górniczy, 6 (130), 2, Katowice, 2005.
[6] Zdjęcia
z albumów własnych
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz