Czy technologia może pomóc ?? - film

Taki oto filmik znalazłem w necie.
http://www.usatoday.com/media/cinematic/video/1969297/technology-can-help-locate-sinkholes/
Niby nic, a jednak urzekł mnie tytuł " Technologia może pomóc .." - czy może ?? A czy ktoś w ogóle w to kiedykolwiek wątpił ?? Człowiek  nie po to wynalazł ogień, koło, wędkę czy choćby grawimetr, aby sobie utrudnić życie. Ale do rzeczy, filmik krótki, po angielsku  z polskim akcentem ;), i bez pokazanych rezultatów badań,  a szkoda bo ciekaw jestem wyników badań.

Filmik który wrzuciłem to tylko takie preludium mojego dzisiejszego posta. Chciałem pokazać że nie tylko w stanach i na zachodzie europy technologia "pomaga". Tak, tak, tu u nas  też wiele się dzieje, choć prawie w ogóle się o tym nie mówi.Słowo geofizyka w naszym kraju kojarzy się tylko z ropą i gazem łupkowym - i to kojarzy się niekoniecznie dobrze. Ale chyba tak już jest i musi być. Minie jeszcze wiele lat zanim geofizyka będzie tak powszechną dyscyplina nauki jak choćby geologia czy geotechnika.

Wracając do filmiku a raczej do sedna sprawy - lokalizowanie zapadliska. Może lokalizowanie to złe słowo w tym przypadku, bo chodzi o osuwisko na którym miałem przyjemność pracować.
Osuwisko powstałe na skarpie sztucznego zbiornika ze skutkiem śmiertelnym.Nie będę się rozpisywał o pracach , profilach, przekrojach, sondach, badaniach itp.,  jakie zostały wykonane w ramach dokumentacji mającej wyjaśnić przyczyny osunięcia się ziemi. Chodzi mi tylko o przybliżenie samego zjawiska bo liczby robią tu wrażenie.
Osuwiskiem został objęty obszar ok. 6 ha a objętość mas ziemnych zerwy szacuje się
na ok. 1 mln m3. Osuwisko powstało na południowo-zachodnim zboczu wyrobiska "Piaseczno" ok. godziny 13 w dniu 11 maja 2011 r. W momencie powstania osuwiska w tym rejonie były
prowadzone prace związane z kształtowaniem docelowego profilu nadwodnych skarp
wyrobiska w gruntach zwałowych zwałowiska wewnętrznego. Poziom wody w wyrobisku,
według pomiaru z dnia 10.05.2011 r. kształtował się na rzędnej 135,03 m n.p.m.
Kilka fotek z lotu ptaka:

Z zeznań świadków zdarzenia wynika, że osuwisko zostało zainicjowane nagłym
zapadaniem się ziemi za spycharką XX, która w tym momencie przepychała masy ziemne
w kierunku zbiornika i znajdowała się najbliżej jego brzegu. Zjawisko to miało gwałtowny
przebieg na tyle, że pomimo otwartych drzwi kabiny spycharki jej operator nie zdążył wyskoczyć
z maszyny. Należy przypuszczać, że w momencie zapadania się ziemi nie zauważył tego faktu
gdyż obserwował przedpole pracy maszyny w kierunku przemieszczania mas ziemnych.
Moment zapadnia się ziemi za spycharką XX, która wraz z operatorem zniknęła pod wodą,
zauważył operator spycharki Cat-D9N, pracującej wyżej na zboczu jednak nie był w stanie
go uratować. Rozwój osuwiska następował w sposób gwałtowny powodując postępujące w górę
i boki zbocza zapadanie się ziemi przed pracującymi wyżej spycharkami. . Pomimo podjętej próby wycofania koparki XY jej operatorowi nie udało się
uratować maszyny, która zapadła się wraz z ziemią pod wodę. Pozostałe 4 spycharki, które tym
w momencie przemieszczały się w górę zbocza zdołały się wycofać z zagrożonego rejonu
w kierunku bazy oddziału.
Natychmiast po powstaniu zdarzenia podjęte zostały próby zlokalizowania pod wodą
spycharek pochłoniętych przez osuwisko. Próby te prowadzone z wykorzystaniem
specjalistycznego sprzętu nie powiodły się. Należy przypuszczać, że uwodnione masy ziemne
osuwiska zostały przemieszczone wraz z spycharkami pod wodą w kierunku dna zbiornika,
które w tym rejonie miało głębokość 25-30 m. W tej sytuacji 2 spycharki, w tym jedna
z operatorem, mogły się znaleźć w przydennej warstwie zbiornika pod grubą warstwą mas
ziemnych.
Powstanie osuwiska spowodowało w tym rejonie przesunięcie linii brzegowej zbiornika
o ponad 200 m i utworzenia zatoki o powierzchni ok. 5 ha rys ponizej. W skutek obsunięcia mas
ziemnych poziom wody w zbiorniku wzrósł o 56 cm. Przy rzędnej lustra wody 135 m n.p.m. jej
powierzchnia wynosi ok. 107 ha co oznacza, że pod wodę przemieściło się ok. 600 tys. m3 mas
ziemnych.

To tyle. Ktoś jest ciekaw dlaczego się tak stało ?

Nowy tydzień - stary problem -Geoelektryka

Dziś obiecane dokończenie ostatniego posta. Zacznę może jeszcze raz.Po co to robimy?? 

Celem jest określenie przestrzeni zalegania bariery zrobionej z DSM o raz na ile to możliwe wskazanie (jeżeli takie istnieją) rozluźnień wewnątrz kolumny. 

Proste?? - chyba tak, zwłaszcza że znam geologię z przed wykonania kolumn. 

Jak widzicie na profilu geologicznym występują gliny rzeczne. Pod względem litologicznym wykształcone są one jako pyły, pyły piaszczyste i gliny pylaste, gliny oraz gliny pylaste zwięzłe.
Gliny rzeczne są zróżnicowane pod względem stanu konsystencji, dominuje jednak stan plastyczny. Lokalnie stwierdza się występowanie gruntów miękkoplastycznych.
Wśród warstwy glin rzecznych, na głębokości 10,5 - 12,0 m ppt  stwierdzono warstwę piasków średnich przewarstwionych gliną pylastą. 

Znając budowę geologiczną i wiedząc że pod wpływem mieszania cementu z gruntem powstanie ośrodek o stosunkowo odmiennej oporności elektrycznej (od otaczającego tła jakim są gliny rzeczne), potrafie przewidzieć jaki otrzymam obraz z pomiarów terenowych. 
Zaprezentuje to na przykładzie prostego modelowania.

Zakładam oporność tła(glin) na poziomie 60 Ohm, a cementogruntu na poziomie około 150 Ohm, przy odpowiednim rostawie rzędu 120m, powinienem osiągnąć max głębokość pomiaru około 15-20m. Dodaję delikatne szumy, i otrzymuję taki oto obraz:

Nic trudnego, i mając trochę obycia z geoelektryką łatwe do przewidzenia. Ale co można powiedzieć o wyniku ? Po pierwsze primo, na pierwszy rzut oka wygląda bardzo ładnie. Interacja zatrzymana po trzecim obliczeniu przy błędzie na poziomie 2.4% - co oznacza że zarejestrowane(modelowane) dane są bardzo dobrej jakości.  Po drugie primo, znając mniej więcej położenie bariery zastosowany układ nie jest wstanie "dokladnie" określić granic pionowych bariery. I po trzecie primo - ultimo ! przy zastosowanym rozstawie elektrod, rozdzielczość metody w tym wypadku jest zbyt słaba.
W teorii tyle, teraz czas na pomiar terenowy ;)
Badania przeprowadzone zostały przy + temperaturze i miłej atmosferze ;) Obeszło się bez problemów i tzw rzucania błędami. Okład zastosowany to "pełny wenner" co oznacza dwie rzeczy:
-pomiar będzie trwał długo
-osiągniemy maksymalną możliwą głębokość przy takim rozstawie elektrod (2m)

 Ta czerwona kreska na rysunku to nasza linia pomiarowa, a te kółka to kolumny DSM. Środek rozstawu przypada dokładnie na środku kolumny.
Tyle o terenie, teraz trochę o wynikach.

Po odpaleniu programu i szybkiej obróbce, otrzymałem ładny kolorowy obraz, ale ku mojemu zaskoczeniu, zupełnie inny niż zakładałem - wtf?? Otrzymałem co prawda zarys kolumny ale spodziewałem się dokładniejszego odwzorowania, zwłaszcza dna kolumny. A co najważniejsze spodziewałem otrzymać wysokooporowy ośrodek pośród niskooporowego tła!
Nasuwa się pytanie co tak naprawdę się stało ? Czy otrzymany wynik jest poprawny, czy może należy powtórzyć badanie? Jak to interpretować?
Zajmijmy się samym kształtem.
Mozolne przetwarzanie w programie, próby zastosowań innych metod obliczeniowych i nadal to samo. Nagle, zaświeciło mi w głowie - odpalę starą demówkę, jeszcze ze studiów, res2dinv - zobaczymy jak ten program sobie poradzi. Program zatrzymuje się po 3 interacjach i wynik jest jeszcze gorszy - szkoda, ale nie poddaję się, szukam starych projektów i znajduję ;) - "modelowanie i inwersja w res2dinv". Eureka !! -opcja "robust inversion" - zastosowanie do pionowych granic. Tak tak, to jest to. Jaka różnica ;) Szkoda że to tylko demo. Program res2dinv poradził sobie znacznie lepiej, możemy już z dużym przybliżeniem wskazać granicę kolumny, a zwłaszcza spąg.

Pozostaje jeszcze kwestia niskiej oporności bariery. Jak to zinterpretować ? - w tej chwili ciężko cokolwiek o tym powiedzieć, a nie chce wysuwać pochopnych wniosków. Jasne jest że kolumna nie jest jednorodna. Pozostaje tylko pojechać tam jeszcze raz i zastosować inną metodę geofizyczną.
Taki o to wydawało by się prosty temat, a dał nam więcej pytań niż odpowiedzi.
Teraz pozostaje tylko czekać na dobre warunki atmosferyczne, jechać w teren i rozpracować ten obiekt za pomocą metod sejsmicznych.

Nowy tydzień - stary problem

Nowy tydzień - stary problem

Od pewnego czasu borykam się z pewnym zagadnieniem, które nie wiadomo z której strony ugryźć i wogóle czy da się to zjeść. Dlatego też od tygodnia nic nie napisałem, choć pisałem że będę pisał - no ale tak już jest że jak się chce to się nie da. A więc dziś podzielę się z Wami przemyśleniami o zastosowaniu  geofizyki w budownictwie inżynierskim czyli coś co lubię najbardziej ;) Ok, to do rzeczy:

Miejsce : wschodnia część podkarpacia, a dokładniej obiekt mostowy zlokalizowany w około 620 km projektowanej autostrady A4.

Badany obiekt.

Trochę o obiekcie:

Konstrukcję obiektu zaprojektowano jako jednoprzęsłową ramę o konstrukcji belkowo zespolonej. Posadowienie obiektu przewidziano jako bezpośrednie na podłożu wzmocnionym kolumnami cementowo-gruntowymi DSM.  

A więc w czym problem ?? Problem jest duży, bo duży jest wiadukt który nie wiadomo dlaczego osiada. Obiekt osiadł na tyle dużo że przekroczył wszystkie możliwe normy - a nawet nie został jeszcze skończony.. Nasuwa się kilka pytań ,czy to wina źle zrobionej geologi czy może wina leży po stronie projektanta, albo jeszcze : czy da się teraz coś zrobić ?? Te pytania na razie pozostają bez odpowiedzi, a ja nie będę nawet próbował na nie odpowiedzieć. 

A więc jak może pomóc tu geofizyka ?? Obiektowi nie przywrócimy jego poziomu ale postaram się za pomocą metod geofizycznych określić wymiary kolumn DSM i jeżeli to możliwe wskazać osłabienia wewnątrz kolumny (o ile takie występują).

Jeżeli chodzi o DSM :

DSM (Deep Soil Mixing) polega na formowaniu kolumny cementowo gruntowej poprzez mechaniczne zmieszanie materiału gruntowego z zatłaczanym zaczynem cementowym.

W podłoże wprowadzane jest specjalne mieszadło, składające się z żerdzi wiertniczej, belek poprzecznych i końcówki świdra z koronką. Wiercenie odbywa się bez wstrząsów i jest wspomagane wypływem zaczynu cementowego z tzw. monitora, znajdującego się na końcu żerdzi wiertniczej. Po osiągnięciu głębokości założonej w projekcie, następuje faza formowania kolumn DSM, których średnica, w przypadku naszego obiektu, wynosi 0,8 m. W tym czasie obracane i podciągane do góry mieszadło zapewnia wymieszanie zaczynu z gruntem. Głębokość pogrążania końcówki mieszającej oraz ilość wpompowanego zaczynu jest na bieżąco rejestrowana.

Technologia DSM pozwala na stworzenie warstwy nośnej, wzmocnionej kolumnami cementowo gruntowymi. Metoda formowania kolumn nie zapewnia jednak jednorodnej budowy poszczególnych kolumn, co wynika bezpośrednio z technologii DSM. Skutkiem jest niejednorodność parametrów wytrzymałościowych kolumn. 

Wracając do geofizyki,
po pierwsze należy wybrać metody które sprostają temu zadaniu - w moim przypadku nie mam co wybierać gdyż dysponuje tylko dwoma co trochę ogranicza pole do popisu. Pisząc tego posta jestem już po pomiarach geoelektrycznych o których dokończę jutro bo godzina 16 wybija ;).

Jeśli ktoś ma pomysł na zaplanowanie badań w celu określenia ilościowej i jakościowej charakterystyki DSM - czekam na uwagi ;)

Z mojej szuflady

 Skoro postanowiłem pisać, to piszę, a raczej nie napiszę  tylko wkleję coś co kiedyś napisałem. 

Może jutro, może w przyszłym tygodniu postaram się trochę napisać o aktualnych projektach i problemach z nimi związanymi. A tym czasem enjoy ;)

Wykorzystanie metod geofizyki inżynierskiej do ilościowej i jakościowej oceny złóż surowców skalnych.

Wstęp

Rozwój gospodarki, a w szczególności infrastruktury drogowej, kolejowej i mieszkaniowej, powoduje, że zapotrzebowanie na kruszywa naturalne i materiały budowlane nieustannie rośnie. Rozwijający się rynek wymusza poszukiwania nowych źródeł zaopatrzenia - nowych złóż. W świetle obowiązujących przepisów jest to proces skomplikowany i czasochłonny, związany ze znacznymi nakładami finansowymi.

Zastosowanie nowoczesnych metod prospekcji może okazać się kluczem do efektywniejszego  wykorzystania czasu i środków finansowych przeznaczonych  na przygotowanie nowych złóż do eksploatacji.

 

Grupa metod geofizycznych, o której traktuje niniejszy artykuł, dzięki niezwykle szybkiemu postępowi  technologicznemu znajduje bardzo szeroką aplikację w procesie rozpoznania złóż i ich przygotowania do wydobycia. Dotyczy to zarówno złóż kruszyw naturalnych jak również surowców skalnych , surowców do produkcji ceramiki budowlane, surowców chemicznych itd. 

Dostępne technologie pomiarowe,, nieporównywalna z ostatnimi laty moc obliczeniowa komputerów  i coraz doskonalsze oprogramowanie, uczyniły z urządzeń geofizycznych niezwykle precyzyjne, efektywne i stosunkowo tanie narzędzie dla geologa, górnika, a przede wszystkim Przedsiębiorcy działającego w przemyśle materiałów budowlanych. Metody geofizyki inżynierskiej znajdują również szerokie zastosowanie przy opracowaniach dotyczących  zagadnień kształtowania i ochrony środowiska, hydrogeologii, archeologii.

Metody geofizyczne są atrakcyjnym uzupełnieniem tradycyjnych metod badawczych , takich jak kosztowne wiercenia rdzeniowe,  wykopy itp. Są przy tym nieporównywalnie szybsze, a pozyskiwana informacja ma charakter przestrzenny, a nie skupiony do jednego punktu rozpoznania.

Stosowanie poszczególnych metod(  jak sejsmika inżynierska : refrakcja, refleksja, MASW oraz badania elektrooporowe: tomografia elektrooporowa ERT) w sposób usystematyzowany i planowy, pozwala na bardzo precyzyjne określenie zasobów złoża, określenie zagrożeń projektowanej eksploatacji, określenie metod udostępnienia złoża.

 W łatwy i skuteczny sposób można wyznaczyć zarówno geometryczne parametry  warstw złożowych, nadkładu, przewarstwień itd.,  jak również przeprowadzić pierwszą, wstępną, ale często decydującą o opłacalności przedsięwzięcia, analizę parametrów jakościowych kopaliny.

Wybrane przykłady zastosowań:

Poniżej zostaną przedstawione przykłady zastosowań powierzchownych badań geofizycznych, zrealizowanych w celu rozpoznania złóż, a w szczególności określenia geometrii  zalegania stropu warstwy złożowej, jej stanu fizycznego i ewentualnych zagrożeń.

Okolice Opatowa

            Badania prowadzone były na przyległych do kopalni terenach leśnych i rolnych. Ukształtowanie oraz użytkowanie terenu, jak i brak w rejonie badań infrastruktury drogowej oraz zabudowań z punktu prowadzenia badań geofizycznych ocenić należy jako sprzyjające.

Celem badań geofizycznych, wykonywanych metodą tomografii elektrooporowej było określenie głębokości zalegania stropu starszego podłoża wykształconego w rejonie badań jako  wapienie i dolomity dewońskie.

Wynik tomografii elektrooporowej -ERT

Rysunek 1. Wynik tomografii elektrooporowej ERT

Wybór metody pomiarowej dla realizacji powyższego zadania podyktowany był:

1)  koniecznością osiągnięcia głębokości penetracji rzędu powyżej 50 m,                                    2) koniecznością uzyskania odpowiedniej do skali prac rozdzielczości pionowej i poziomej.   3) korzystnym z punktu widzenia prowadzenia prac geoelektrycznych kontrastem opornościowym pomiędzy wysokooporowymi skałami podłoża  a niskooporowym nadkładem.

Pomiary wykonano układami pomiarowymi Wenner oraz dipol-dipol. Do końcowej interpretacji wykorzystano dane zarejestrowane układem Wennera jako charakteryzujące się najlepszą w tym przypadku rozdzielczością poziomą i pionową. Pomiary wykonano z krokiem bazowym elektrod pomiarowych równym 4m, 5m oraz 7m. Zmiany kroku pomiarowego podyktowane były uzyskaniem odpowiedniej głębokości penetracji układu pomiarowego. Jako metodę uzupełniającą zastosowano metodykę badań sejsmicznych w wariancie badań MASW (wielokanałowa analiza fal powierzchniowych). 

Wynik MASW

Przy interpretacji geologicznej otrzymanych wyników przetwarzania danych pomiarowych przyjęto następujące założenia dotyczące wartości oporności elektrycznej dla utworów występujących na terenie badań.

- warstwa gruntów przypowierzchniowych – około 30 ohmm i mniej. Oporności te identyfikowane są z gruntami gliniastymi spotykanymi w rejonie badań. 

- warstwa przypowierzchniowych utworów gliniastych oraz piaszczystych – zakres rejestrowanych oporności na poziomie 30-70 ohmm (najprawdopodobniej są to gliny piaszczyste, przy wyższych opornościach przechodzące piaski gliniaste, paski)

 -  skała spękana - od 100 do 300 ohmm (skała o różnym stopniu spękania, przy czym wzrost wartości oporności odpowiada spadkowi stopnia spękania)

     - skała lita  - od 400 ohmm do 1000 ohmm (identyfikowana z twardymi niespękanymi skałami podłoża dolomitami oraz wapieniami)

Zgromadzone dane geoelektryczne poddane zostały procesowi przetwarzania celem otrzymania rozkładu rzeczywistych wartości oporności. W procesie tym otrzymano wyniki obarczone błędem inwersji na poziomie około 3  procent(Rysunek 1). Wynik taki należy uznać za bardzo dobry, pozwalający uznać wyniki interpretacji danych pomiarowych za wiarygodne.

Wynikiem przeprowadzonych badań sejsmicznych jest profil MASW (Rysunek 2). Przedstawia on rozkład prędkości fali poprzecznej V_S w badanym ośrodku. Zakres prędkości do 400m/s odpowiada glebie, 400-1200m/s zwietrzelinie a prędkości powyżej 1200 m/s identyfikowane są ze skałą litą wykształconą jako wapienie dewońskie.  Dzięki zastosowaniu metod sejsmicznych otrzymujemy szereg informacji o strefach uskokowych, spękaniach, urabialności skał do celów eksploatacji, parametrów geomechanicznych ośrodka skalnego a także wstępną informację o klasach górotworu (KFG, RMR) oraz modułów sprężystości i współczynnika Poissona.

Uzyskane dane pomiarowe umożliwiły inwestorowi analizę ekonomiczną opłacalności udostępnienia i eksploatacji złoża.

Kopalnia Serpentynitów

Celem badań było rozpoznanie geofizyczne ośrodka skalnego pod katem występowania skały serpentynitowej, oraz określenie lokalizacji ewentualnych stref spękań, stref nawodnionych w obrębie skały macierzystej.

Prace terenowe w kopalni odkrywkowej.

Wyraźny kontrast opornościowy pomiędzy skałą litą a strefami występowania skały spękanej (rysunek 4), skały o różnym stopniu zwietrzenia jest korzystny z punktu widzenia prowadzenia prac geoelektrycznych. Umożliwia na podstawie zarejestrowanego rozkładu oporności ocenę jakości skały budującej złoże.

Oporności skały litej i skały mało spękanej osiągają wartości na poziomie kilkuset do kilku tysięcy ohmm, natomiast skała spękana, również rumosz skalny, charakteryzuje się znacznie niższymi opornościami na poziomie kilkudziesięciu do 100 ohmm. Dodatkowo obecność wody w obrębie skały spękanej powoduje znaczne obniżenie obserwowanych wartości oporności znacząco wpływając na  poprawę kontrastu opornościowego.

Wynik tomografii elektrooporowej ERT.

Uzyskane wyniki badań elektrooporowych pozwalają na określenie obszarów, stref, w których jakość skały z uwagi na stopień spękania, wietrzenia jest niższa (strefy niskich oporności), oraz strefy występowania skały litej, mało spękanej ( strefy wysokooporowe)

Podsumowanie

W artykule przedstawione zostały niektóre aspekty wykorzystania badań geofizycznych w problematyce poszukiwań i eksploatacji złóż. Zaprezentowane metody, dzięki:

-ograniczeniu kosztów i czasu prac,

-wykonywaniu pomiarów bez ingerencji w środowisko przyrodnicze,

- zastosowaniu technologii „3D”

są atrakcyjną alternatywą, a  co najmniej koniecznym uzupełnieniem, czasochłonnych i kosztownych badań metodami tradycyjnymi opartymi głównie o wiercenia rdzeniowe.