WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie

Transkrypt

1 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagożenia natualne w gónictwie Mateiały Wasztatów st Remigiusz MYDLIKOWSKI*, Gzegoz BEZIUK*, Adam SZYNKIEWICZ** * Instytut Telekomunikacji, Teleinfomatyki i Akustyki, Politechnika Wocławska ** Instytut Nauk Geologicznych, Uniwesytet Wocławski, Wocław Badanie własności guntu elektomagnetycznymi metodami geofizycznymi Steszczenie Stosowanie geofizycznych metod elektomagnetycznych pozwala na ocenę własności badanego guntu czy tez obiektu technicznego. Zaletą stosowania tych metod jest ich bezinwazyjność oaz możliwość liniowego śledzenia stuktuy badanego obiektu. Powadzenie takich badań pozwala na szybkie zlokalizowanie niejednoodności w stuktuze badanego obiektu i wskazaniu tych miejsc do dalszej analizy. W atykule pzedstawiono wyniki badań geologicznych guntu metodą anten amowych oaz geoadaem GPR. Badaniom poddano wał pzeciwpowodziowy kanału zecznego Ody we Wocławiu. 1. Wstęp W codziennym życiu badzo często istnieje potzeba pzepowadzania badań okeślających własności geologicznych guntu. Potzeby takie wymuszane są badaniami geologicznymi, acheologicznymi jak ównież badaniami inżynieskimi naziemnej i podziemnej infastuktuy technicznej. Częściej wykonywanymi i jednocześnie koniecznymi do cyklicznego powtazania są badania spawdzające stuktuę infastuktuy technicznej. Badaniami takimi obejmuje się lotniska, autostady, dogi, mosty, tamy, zbioniki wodne czy też obwałowania zbioników i zek. Ocena stanu technicznego budowli technicznych jest badzo często utudniona. Powadzenie badań na funkcjonującym obiekcie klasycznymi metodami geologicznymi jest niejednokotnie niemożliwe. Stosowanie klasycznych metod geologicznych do oceny stanu danej budowli powadzi często do jej miejscowego zniszczenia lub nadweężenia konstukcji. Dlatego też powadzenie oceny technicznej obiektu oganicza się niejednokotnie tylko do oceny wzokowej jej stanu. Pomocnymi w ozwiązaniu tego poblemu są, coaz częściej stosowane, geofizyczne metody elektomagnetyczne. Główną zaleta tych metod jest ich bezinwazyjność oaz możliwość liniowego śledzenia stuktuy badanego obiektu. Takie badania pozwalają na szybkie zlokalizowanie niejednoodności w stuktuze badanego obiektu i wskazaniu tych miejsc do dalszej analizy. Jedną z metod, któą można z powodzeniem zastosować do szybkiego wykywania niejednoodności w stuktuze badanego obiektu, jest metoda pomiau impedancji wzajemnej układu anten amowych pacujących pzy wielkiej częstotliwości (Kelle 1966; Kuk 2000). Globalnym paametem, jaki wyznacza się pzy pomocy wspomnianej metody jest ezystywność pozona ośodka półpzewodzącego (Kuk 2000; Wilt 1982). Na podstawie zmian 459

2 R. MYDLIKOWSKI, G. BEZIUK, A. SZYNKIEWICZ Badanie własności guntu miezonej ezystywności pozonej można stwiedzić występowanie w badanym obiekcie niejednoodności. Inną metodą geofizyczną, jaką można zastosować do badania stuktuy obiektów technicznych jest metoda geoadaowa (Tudelft 2004). Rezultatem badań geoadaowych jest ozkład pzenikalności elektycznej w stuktuze obiektu, co w połączeniu ze znajomością zmian ezystywności pozonej, daje więcej infomacji o budowie badanego obiektu. W atykule pzedstawiono wyniki badań geologicznych guntu metodą anten amowych oaz adau GPR. Badaniom poddano wał pzeciwpowodziowy kanału zecznego Ody we Wocławiu. 2. Pomia impedancji wzajemnej układu anten amowych umieszczonych nad ziemią Pomia impedancji wzajemnej układu anten amowych umieszczonych nad ziemią jest powszechnie znaną metodą geofizyczną (Nabighian 1988). Ważnym paametem układu anten amowych jest częstotliwość ich pacy, pzy któej uzyskiwana jest zadowalająca dokładność pomiaowa pzypowiezchniowych wastw ziemi. Oganiczeniem pzy doboze tej częstotliwości jest zakes, dla któego można pominąć pądy pzesunięcia pzy wykonywaniu pomiaów. Jako miaę częstotliwości, dla któej można pominąć wpływ pzenikalności elektycznej na popagację fali w ziemi, podawany jest współczynnik okeślający stosunek pądu pzewodzenia do pądu pzesunięcia (Huang 2002): gdzie: 2 f pulsacja, konduktywność ziemi, 1 ezystywność, pzenikalność elektyczna póżni (8, [F/m]), 0 pzenikalność elektyczna ośodka. 0 0 (2.1) Jeżeli watość tego współczynnika pzekacza 5% należy uwzględnić zjawisko występowania pądów pzesunięcia. W celu okeślenia częstotliwości należy pzyjąć watości pzenikalności elektycznej i ezystywności występującej w wałach pzeciwpowodziowych. Na podstawie wielu wyników pomiaów elektoopoowych wałów pzeciwpowodziowych (Beziuk 2003, 2004) pzyjęto, że zakes ezystywności zadko mieści się poza ganicami pzedziału (1 100) m. Pzenikalność elektyczną pzyjęto ówną 10. Jest to watość pzenikalności dla typowych guntów (Nabighian 1988). Dla tak pzyjętych watości 10, 100 m : f max kHz (2.2) W ostateczności pzyjęto 1 MHz jako częstotliwość pacy systemu antenowego. Pzy tej częstotliwości współczynnik (2.1) jest ówny 5,6 %, co świadczy, że pominięcie pądów pzesunięcia nie wpowadza dużego błędu w wynikach pomiaów. 460

3 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagożenia natualne w gónictwie 3. Uządzenia pomiaowe Pzedstawione w pacy wyniki badań wału pzeciwpowodziowego kanału zecznego zeki Ody, uzyskano z pomiaów impedancji wzajemnej anten amowych oaz geoadaem GPR. Układ do pomiau impedancji wzajemnej jest podobny swoją budową do systemu opisanego pzez Wighta i Chewa (2000), z tym że pacuje on pzy pojedynczej częstotliwości ównej 1MHz. Został on zbudowany na politechnice wocławskiej w latach System umożliwia wykonywanie pomiaów modułu i fazy impedancji wzajemnej dla wszystkich konfiguacjach anten amowych: koplananych (pionowych i poziomych), koncentycznych i postopadłych. Rozstaw pomiędzy antenami jest zmienny w ganicach 2 6 metów. Anteny są umieszczone 0,5 meta nad ziemią. Pomiay mogą być wykonywane z kokiem pomiaowym z zakesu 0,05 1,6 meta. Intepetacja wyników pomiaów, czyli wyznaczanie ezystywności pozonej, polega na poównaniu zmiezonej watości impedancji wzajemnej z watościami teoetycznymi (Kuk 1966, Wilt 1982). Na ysunku 3.1 pzedstawiono schemat systemu pomiaowego do pomiau impedancji wzajemnej anten amowych. Rys Schemat systemu pomiaowego: 1 wózek pomiaowy, 2 antena źódłowa, 3 antena pomiaowa, 4 pzetwonik A/C układ tansmisji RS 232, 5 kabel światłowodowy 6 mienik pzemieszczenia, 7 kompute pzenośny, Fig Diagam of measuing system: 1 cat, 2 souce antenna, 3 measuing antenna, 4 a/d convete and RS 232 tansmission system, 5 fibe-optic cable, 6 system displacement mete, 7 potable compute Pomiay stuktuy wału pzeciwpowodziowego wykonano ównież geoadaem RAMAC/ GPR szwedzkiej fimy Mala Geoscience. Pomiay pzepowadzono z wykozystaniem ekanowanej anteny o częstotliwości 250 MHz. 4. Wyniki pomiaów Na ys. 4.1 pzedstawiono wyniki pomiaów 200-metowego odcinka wału pzeciwpowodziowego dwoma metodami: popzez pomia impedancji wzajemnej anten w układzie koplananym poziomym i koncentyczym oaz geoadaem. Pomiay impedancji wzajemnej wykonano dla anten koplananych poziomych i koncentycznych, z ozstawem anten ównym 5 metów i kokiem pomiaowym 0,3 meta. Natomiast pomiay geoadaowe wykonano pzy częstotliwości 250 MHz z kokiem pomiaowym 0,2 meta. 461

4 R. MYDLIKOWSKI, G. BEZIUK, A. SZYNKIEWICZ Badanie własności guntu a) b) 462

5 głębokość [m] WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagożenia natualne w gónictwie c) s [m] Rys.4.1. Wyniki pomiaów odcinka wału pzeciwpowodziowego metodą pomiaową: a) antenami koplananymi poziomymi, b) antenami koncentycznymi, c) geoadaem Fig.4.1. Results of suveys flood embankments by means of: a) mutual impedance of hoizontal coplana loops, b) mutual impedance of vetical coaxial loops, c) GPR Na kzywych, będących intepetacją wyników badań impedancji wzajemnej, wyaźnie widać występowanie niejednoodności na odcinku od 110. do 180. meta wału pzeciwpowodziowego. Na niejednoodności te wskazują także wyniki uzyskane metodą geoadaową. Dodatkowo na obazie uzyskanym geoadaem wyaźnie widać występowanie niejednoodności w okolicach 45. meta odcinka wału. Niejednoodności tej nie udało się wykyć pomiaem impedancji wzajemnej, co może wskazywać na mniejszą dokładność tej metody. 5. Wnioski 1. Wyniki otzymane pzy pomocy obu metod elektomagnetycznych (pomiay antenami amowymi oaz metoda geoadaowa) w znacznym stopniu pokywają się wskazując na niejednoodności w budowie wału w tych samych miejscach. Pzy stosowaniu obu metod można uzyskać dosyć dużą dokładność pomiaową (kok pomiaowy w zakesie kilkudziesięciu cm). 2. Celowe jest stosowanie metod elektomagnetycznych lub geoelektycznych do wstępnej oceny stuktuy wału pzeciwpowodziowego. Wykonanie pomiaów w stosunkowo kótkim czasie pozwala na wskazanie miejsc, w któych stuktua wału jest zmieniona. Wskazane miejsca mogą być pomocne pzy wyboze miejsc sondowań klasyczną metodą pomiaową. 3. Łączna analiza uzyskanych wyników pomiaów pokazuje celowość stosowania kilku metod jednocześnie do wstępnego badania pzypowiezchniowych stuktu ziemi. 463

6 R. MYDLIKOWSKI, G. BEZIUK, A. SZYNKIEWICZ Badanie własności guntu Liteatua [1] Kelle G. V., Fischknecht F. C., 1966: Electical methods in geophysical pospecting, Pegamon Pess. [2] Kuk J., Meekes J. A.C., Beg P. M., Fokema J.T., 2000: An appaent-esistivity concept fo lowfequency electomagnetic sounding techniques, Geophysical Pospecting, 2000, vol. 48, [3] [4] Wilt M., Stak M., 1982: A simple method fo calculating appaent esistivity fom electomagnetic sounding data, Geophysics, vol. 47, [5] Nabighian M. N., 1988: Electomagnetic methods in applied geophysics, Society of Exploation Geophysicist (SEG), vol. 1, 2. [6] Huang H., Fase D.C., 2002: Dielectic pemittivity and esistivity mapping using high-fequency, helicopte-bone EM data. Geophysics, vol. 67, [7] Beziuk G., Pałat A., 2003: Examination of flood embankments via measuement of mutual impedance of loop antennas opeating at high fequency, IEEE Intenational Geoscience and Remote Sensing Symposium, Fance. [8] Beziuk G., Pałat A., 2004: Detemination of appaent esistivity though high-fequency electomagnetic measuements, Nea Suface 2004 X Euopean Meeting of EAEG. [9] Wight D. L., Chew W. C., 2000: Enhancement to and chaacteization of the vey ealy time electomagnetic (VETEM) pototype instument and applications to shallow subsuface imaging at sites in the DOE complex. Final Repot U. S. Depatment of Enegy, [ ], Reseach of gound electomagnetic geophysical methods Reseach with electomagnetic geophysical methods allows detection of inhomogeneities in nea-suface stuctue of the gound. These methods allow non-inject and linea measuements stuctue of eseached object and fast localizing unsimilaity in his stuctue. Reseaches of flood embankments wee caied by these methods. Flood embankments wee chosen as one of most impotant elements of hydo-potection systems. The pape pesents esults of examination of flood embankments by means of two geophysical methods: GPR and mutual impedance of loop antennas measuements. Pzekazano: 23 maca