Metoda sejsmiczna w badaniu wałów przeciwpowodziowych Wisły w okolicach Krakowa

Transkrypt

1 WARSZTATY 004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. tr Bożena JAKÓBIEC - KWAŚNICKA, Anna WRÓBEL Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Metoda ejmiczna w badaniu wałów przeciwpowodziowych Wiły w okolicach Krakowa Strezczenie Przedtawiono wyniki badań tanu technicznego odcinka obwałowań rzecznych Wiły w rejonie Krakowa za pomocą metody ejmicznej. Przy pomocy metody refrakcyjnej, zatoowanej przy topie wału, uzykano rozkład prędkości fal podłużnych i na tej podtawie określono budowę geologiczną podłoża. Pomiary ejmiczne czujnikami mierzącymi trzy kładowe drgań wykonano na koronie wału. Na ich podtawie wyznaczono prędkości fal poprzecznych i podłużnych i obliczono dynamiczne moduły prężytości. Rozkład wielkości tych modułów wzdłuż badanego odcinka wału pokazuje miejca ich anomalnych wartości. Mogą one świadczyć o jakości materiału budującego obiekt i wkazują miejca wymagające wzmocnienia lub modernizacji w pierwzej kolejności. 1. Wtęp Na podtawie materiałów hitorycznych, a także wpółczenych oberwacji i analiz wiadomo, że Kraków w poważnym topniu zagrożony jet powodziami. Najbardziej narażone na niebezpieczeńtwo ą tereny tarych dzielnic. Ochrona Krakowa przed powodzią jet zadaniem priorytetowym ze względu na bezpieczeńtwo dużego kupika ludzi i dziedzictwa kulturowego. Pierwze obwałowania rzeki Wiły zotały zbudowane przed pierwzą wojną światową. Obecnie ich znaczna część pozbawiona zabiegów konerwacyjnych i modernizacyjnych po kilkudzieięcioletniej ekploatacji tała ię mniej kuteczna i częto zawodna. W planach modernizacji itniejących obwałowań rzeki Wiły pierwzym krokiem jet wyznaczenie takich odcinków wałów przeciwpowodziowych, które muzą być poddane wzmocnieniu w pierwzej kolejności. Konieczne wydaje ię włączenie nowoczenych metod, którymi dyponuje geofizyka do wykonania tego zadania. Dotychcza do badania jakości obwałowań przeciwpowodziowych zerzej wykorzytano metodę georadarową (Bylica 000) oraz geoelektryczną (Forbiz i Cholewicka Meyner 1999). Metoda ejmiczna toowana była w ograniczonym zakreie. Metoda ejmiczna może być wykorzytywana do rozpoznawania właściwości fizycznych wartw przypowierzchniowych. Do celów inżynierkich i geotechnicznych konieczna jet znajomość dynamicznych modułów prężytości, które określają właściwości mechaniczne kał. Z pomiarów ejmicznych można wyznaczyć prędkości fal prężytych P i S, a natępnie obliczyć te moduły jak również tounek prędkości fali P i S, co może dać pogląd na naycenie ośrodków wodą. 633

2 B. JAKÓBIEC - KWAŚNICKA, A. WRÓBEL Metoda ejmiczna w badaniu wałów... Specyfika budowy obwałowań rzecznych wymaga opracowania odpowiedniej metodyki ejmicznych pomiarów polowych i doboru takich poobów ich interpretacji, które pozwolą na podtawie parametrów fal ejmicznych jednoznacznie określić właściwości ośrodka kalnego z którego zbudowany jet wał przeciwpowodziowy. Ekperymentalne badania ejmiczne przeprowadzono na obwałowaniach rzeki Wiły w rejonie Pychowic (około 7 km od Krakowa, na traie Kraków Tyniec) (ry. 1.1). Ich celem była lokalizacja niejednorodności i tref nieciągłości w podłożu i korpuie wałów. Dokonując wyboru miejca pomiarów kierowano ię dotępnością do obiektu badań, tanem obiektu oraz możliwością korzytania z itniejącej dokumentacji geologicznej. Ry Rejon badań wały Wiły pod Pychowicami Fig Survey area embankment of Wiła river near Pychowice Badania polowe obejmowały: profile refrakcyjne wykonane u topy wału od trony odwodnej i odpowietrznej, w celu rozpoznania budowy geologicznej podłoża wału i lokalizacji ewentualnych nieciągłości; profile na koronie wału, gdzie rejetrowano trzy kładowe drgań dla określenia prędkości fal poprzecznych i podłużnych rozchodzących ię w koronie wału. Na ich podtawie obliczono dynamiczne moduły prężytości i wyznaczono ich rozkład wzdłuż wykonanych profili.. Budowa geologiczna obiektu badań Podłoże wałów w badanym rejonie budują zalegające głębiej utwory przepuzczalne przykryte utworami łabo przepuzczalnymi (Florkowki i Adamek 1998). Nayp naziemny to utwory litologicznie niejednorodne: grunty mało poite (w przewadze), grunty średnio poite, grunty bardzo poite i grunty ypkie (miejcami). Grunty mało poite reprezentowane przez piaki gliniate, pyły piazczyte i pyły ą przeważnie w tanie twardoplatycznym, lokalnie półzwartym lub platycznym. 634

3 WARSZTATY 004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Grunty średnio i bardzo poite reprezentowane ą przez gliny, gliny pylate, gliny pylate zwięzłe. Wytępują one najczęściej w tanie platycznym, czaami w tanie twardoplatycznym. Grunty ypkie wykztałcone ą jako piaki drobne i średnie z domiezką żwirku (Młodawka i in. 1998). W trefie od korony wału do głębokości,5 m więkzość gruntów znajduje ię w tanie twardoplatycznym (lokalnie zwartym lub platycznym). Poniżej tej trefy do głębokości 3 m przeważają grunty w tanie platycznym. Przedtawione na ryunku.1 wyniki ondowań gruntów korpuu wałowego wykazały zróżnicowane zagęzczenie budującego go materiału. Obiekt badań ejmicznych obejmuje podłoże i wał przeciwpowodziowy, który powtał ztucznie z materiału podobnego do kał podłoża. Ry..1. Przekrój poprzeczny przez wał w badanym rejonie (Młodawka i in. 1998); 40 A onda tatyczna ze karpy odpowietrznej, 40 B onda tatyczna z korony obwałowania, 40 C onda tatyczna ze karpy odwodnej Fig..1. Cro ection through embankment in urvey area (Młodawka 1998); 40 A tatic probe from venting lope, 40 B tatic probe from top off levee, 40 C tatic probe from dehydrated lope 3. Metodyka badań Jak wpomniano w badaniach ejmicznych zatoowano dwa warianty metodyczne: a) dla zbadania budowy geologicznej podłoża wału wykonano dwa profile refrakcyjne: 1-1 od trony odwodnej i - od trony odpowietrznej (ry. 3.1) o natępujących parametrach: długość roztawu 9 m, rodzaj i ilość czujników: 4 geofony pionowe o czętotliwości włanej 4,5 Hz, 635

4 B. JAKÓBIEC - KWAŚNICKA, A. WRÓBEL Metoda ejmiczna w badaniu wałów... odtęp między geofonami 4 m, źródło młot 6 kg. Ry Uytuowanie profili refrakcyjnych 1-1, - względem geologicznego przekroju Fig Refraction ection location 1-1, - according geological ection Schemat wykonanych profili refrakcyjnych przedtawia ryunku m +15 m 0 15 m 31 m 47 m 61 m 77 m -8 m +4 m 0 15 m 31 m 47 m 61 m 77 m 96 m Ry. 3.. Schematy oberwacyjne profili refrakcyjnych (1-1, - ) wykonanych na topie wału Punkt trzałowy Geofon Fig. 3.. Obervation diagram of refraction ection (1-1, - ) performed at the toe of embankment Shot point Geophone b) w celu wyznaczenia prędkości fal podłużnych i poprzecznych rozchodzących ię w korpuie wału zaprojektowano 6 krótkich profili (ry. 3.3 i ry. 3.4) o długości 1 m. Odległości między odbiornikami wynoiły 1,5 m. Odbiorniki rejetrowały trzy kładowe drgań. W ich kład wchodzą geofony o czętotliwości włanej 4,5 Hz. W obu przypadkach rejetratorem drgań była aparatura Geode. Profil 1 Profil Profil 3 Profil 4 Profil 5 Profil 6 Ry Rozmiezczenie profili ejmicznych na koronie wału (rzut z góry) przekrój z ryunku.1 Fig Arrangement of refraction ection at the top of levee (forward view) ection in fig

5 WARSZTATY 004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 15 m 1.5 m 1 m 3 m Ry Schemat oberwacyjny profili ejmicznych Geofon Punkt trzałowy Fig Obervation diagram of eimic ection Geophone Shot point 4. Wyniki pomiarów refrakcyjnych Do opracowania pomiarów refrakcyjnych zatoowano program SeiImager w kład którego wchodzą podprogramy: PickWin 95 i Plotrefa. W programie PickWin 95 natępuje ortowanie i kładanie tra ejmicznych, filtracja czętotliwościowa i prędkościowa oraz pikowanie pierwzych wtąpień. Jet to przygotowanie do interpretacji w programie Plotrefa. Wprowadzając wpółrzędne położenia czujników i punktów wzbudzenia fali do programu Plotrefa określono morfologie terenu wzdłuż profili ejmicznych, uzykano rozkład prędkości i głębokość wytępowania granic ejmicznych między ośrodkami o różnych parametrach prężytych (ry. 4.1). Ry Model prędkościowy podłoża dla profilu 1-1 Fig elocity model of bed-rock on the 1-1 ection Z tego modelu wynika, że podłoże wału jet zbudowane z cienkiej wartwy gleby (prędkość rozchodzenia ię fal podłużnych około 00 m/), wartwy glin o grubości kilku metrów (prędkości około 500 m/), a poniżej z podłoża jurajkiego-wapienia (prędkość fal ejmicznych wynoi około 00 m/). Taką interpretację potwierdza przekrój przedtawiony na ryunku 4. wykonany na podtawie otworów geologicznych wierconych w koronie i w podłożu wału. Ciągłość wyznaczonych granic ejmicznych i tała prędkość w pozczególnych wartwach świadczą o braku niejednorodności i tateczności podłoża. Taką amą budowę geologiczną uzykano do profilu

6 B. JAKÓBIEC - KWAŚNICKA, A. WRÓBEL Metoda ejmiczna w badaniu wałów... Ry. 4.. Przekrój podłużny przez wał w badanym rejonie Fig. 4.. Longitudinal ection acro embankment on urvey area 5. Wyniki i interpretacja pomiarów uzykanych czujnikami trójkładowymi Pierwzym etapem opracowania pomiarów czujnikami trójkładowych jet rozdzielenie zapiów na pozczególne kładowe, H 1 i H. Układ odbiorników przedtawia ryunek 5.1, a przykładowe zapiy tra ejmicznych przedtawiają ryunki: 5., 5.6 i H 1 H Ry Układ odbiorników rejetrujących kładowe - Z, H 1 -X i H Y czujnika trójkładowego podcza pomiarów na wałach przeciwpowodziowych Fig Configuration of receiver recorded component - Z, H 1 -X i H Y three-directional geophone during eimic meaurment at the embankment Dla ułatwienia identyfikacji zarejetrowanych fal dokonano filtracji, toując filtry dolnoprzeputowe (zakre przepuzczanych czętotliwości do 30 Hz) i górnoprzeputowe (zakre przepuzczanych czętotliwości powyżej 100 Hz) oraz obliczono widma amplitudowe. Przykładowe wyniki filtracji przedtawiają ryunki: 5.3, 5.4, 5.7, 5.8, 5.11, i 5.1, zaś widma amplitudowe zapiów przed filtracją ryunki: 5.5, 5.9 i

7 WARSZTATY 004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Na zapiach kładowych pionowych i poziomych twierdzono obecność fal o czętotliwościach Hz oraz o czętotliwości 0 Hz. Te pierwze określono jako fale podłużne, poprzeczne, te drugie, prawdopodobnie powierzchniowe. Ry. 5.. Zapi tra ejmicznych dla kładowej Fig. 5.. Record of eimic trace for component Ry Zapi tra ejmicznych po filtracji do 30 Hz dla kładowej Fig Record of eimic trace after filtration up to 30 Hz for component Ry Zapi tra ejmicznych po filtracji przepuzczającej czętotliwości powyżej 100 Hz dla kładowej Fig Record of eimic trace after filtration let by frequency more than 100 Hz for component Ry Widmo amplitudowe przed filtracją dla kładowej Fig Amplitude pectrum before filtration for component Ry Zapi tra ejmicznych dla kładowej H1 Fig Record of eimic trace for component H1 Ry Zapi tra ejmicznych po filtracji do 30 Hz dla kładowej H1 Fig Record of eimic trace after filtration up to 30 Hz for component H1 639

8 B. JAKÓBIEC - KWAŚNICKA, A. WRÓBEL Metoda ejmiczna w badaniu wałów... Ry Zapi tra ejmicznych po filtracji przepuzczającej czętotliwości powyżej 100 Hz dla kładowej H1 Fig Record of eimic trace after filtration let by frequency more than 100 Hz for component H1 Ry Widmo amplitudowe przed filtracją dla kładowej H1 Fig Amplitude pectrum before filtration for component H1 Ry Zapi tra ejmicznych dla kładowej H Fig Record of eimic trace for component H Ry Zapi tra ejmicznych po filtracji do 30 Hz dla kładowej H Fig Record of eimic trace after filtration up to 30 Hz for component H Ry Zapi tra ejmicznych po filtracji przepuzczającej czętotliwości powyżej 100 Hz dla kładowej H Fig Record of eimic trace after filtration let by frequency more than 100 Hz for component H Ry Widmo amplitudowe przed filtracją dla kładowej H Fig Amplitude pectrum before filtration for component H 640

9 WARSZTATY 004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 641 Z zapiów uzykanych na pozczególnych kładowych dla zidentyfikowanych fal podłużnych i poprzecznych wyznaczono prędkości, które przedtawiono w tabeli Parametry prężyte wyznaczone na podtawie prędkości fal P i S Podtawowym parametrem określającym właściwości utworów kalnych ą prędkości fal prężytych P i S. Zależność pomiędzy parametrami prężytymi ośrodka a prędkościami fal określają wzory: (5.1.) (5..) gdzie: P prędkość fali P, S prędkość fali P, G moduł prężytości potaciowej, K moduł prężytości objętościowej, gętość ośrodka. Znajomość prędkości fal podłużnych i poprzecznych uzykane w badaniach ejmicznych pozwala na obliczenie dynamicznych modułów prężytości i dynamicznego wpółczynnika Poiona wg natępujących wzorów (Stokoe 000): dynamiczny moduł prężytości E d: (5.3.) dynamiczny moduł prężytości potaciowej G d: (5.4.) dynamiczny moduł prężytości objętościowej K d: (5.5) dynamiczny wpółczynnik Poiona d: (5.6.) 3 4G / K p G d G 3 4 p d K 1 p p 1 d 1 p 4 p 3 ) ( E d

10 B. JAKÓBIEC - KWAŚNICKA, A. WRÓBEL Metoda ejmiczna w badaniu wałów... Z powyżzych zależności wynika, że zmiany prędkości fal ejmicznych świadczą o zmianach właściwości prężytych ośrodka. Zakłada ię, że badany obiekt zachowuje ię prężyście w zakreie odkztałceń wywołanych propagacją fal ejmicznych. Na podtawie wzorów obliczono dynamiczne moduły prężytości dla prędkości uzykanych z pomiarów na koronie wałów. Wyznaczono również P/ S. Wyniki obliczeń przedtawia tabela 5.1. Wykrey przedtawione na ryunkach: pokazują zmienność pozczególnych wartości na przebadanym odcinku wałów. Tabela 5.1. Dynamiczne moduły prężytości i dynamiczny wpółczynnik Poiona obliczone na pozczególnych profilach Table 5.1. Dynamic modul of elaticity and dynamic Poion ratio calculated at individual line Profil nr p p/ G * K* v E* kładowa ,57 0,68 0,58 0,08 1, ,45 0,50 0,8 0,5 1, ,45 0,40 0,44 0,15 0, ,48 0,40 0,60 0,3 0, ,71 0,68 0,78 0,16 1, ,65 0,68 0,99 0, 1,67 kładowa H ,7 0,45 0,71 0,4 1, ,45 0,6 0,48 0,05 1, ,58 0,35 0,43 0,18 0, ,59 0,45 0,53 0,13 1, ,60 0,6 0,48 0,05 1, ,44 0,6 0,66 0,14 1,4 kładowa H ,69 0,45 0,6 0,1 1, ,53 0,56 0,65 0,17 1, ,56 0,40 0,9 0,03 0, ,63 0,40 0,5 0,15 0, ,55 0,75 0,59 0,05 1, ,60 0,6 0,76 0,18 1,46 * Gętość ośrodka wynoi 1,55 g/cm 3, G, K i E ą w jednotkach (g/cm ) 10 9 Analizując wykrey dynamicznych modułów prężytości wzdłuż oi wału można wydzielić odcinki profili 3, 4 i 6 gdzie moduł ztywności G d ma zaniżoną wartość dla prędkości wyznaczonych na kładowych, H 1, H. Świadczyć to może o rozluźnieniu materiału budującego wał na tych odcinkach, ponieważ wpółczynnik G d jet zczególnie wrażliwy na zmianę właności ośrodka w kierunku poprzecznym. Wykrey pozotałych modułów wykazują podobną tendencję. Można zatem twierdzić, że mimo dogęzczenia, które było przeprowadzone w 1995 roku, te odcinki uległy ołabieniu i wymagają konerwacji. 64

11 WARSZTATY 004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Pa*10^8 1,8 1,6 1,4 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, Numer profilu G K v E Ry Zmiany dynamicznych modułów prężytości i dynamicznego wpółczynnik Poiona dla prędkości wyznaczonych dla kładowej Fig Dynamic module change of elaticity and dynamic Poion ratio for velocity aigned for component H1 Pa*10^8 1,8 1,6 1,4 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, Numer profilu G K v E Ry Zmiany dynamicznych modułów prężytości i dynamicznego wpółczynnika Poiona dla prędkości wyznaczonych dla kładowej H1 Fig Dynamic module change of elaticity and dynamic Poion ratio for velocity aigned for component H1 643

12 B. JAKÓBIEC - KWAŚNICKA, A. WRÓBEL Metoda ejmiczna w badaniu wałów... H Pa*10^8 1,8 1,6 1,4 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, Numer profilu G K v E Ry Zmiany dynamicznych modułów prężytości i dynamicznego wpółczynnika Poiona dla prędkości wyznaczonych dla kładowej H Fig Dynamic module change of elaticity and dynamic Poion ratio for velocity aigned for component H 6. Podumowanie Powodzie zdarzają ię niepodziewanie i można jedynie tarać ię przewidzieć i zminimalizować ich kutki. Do tego potrzebny jet prawny ytem zapór, zbiorników i obwałowań. Wały wiślane w okolicach Krakowa pilnie wymagają konerwacji i modernizacji. Aby zapobiec katatrofie należy wkazać te odcinki wałów, które powinny być wzmocnione w pierwzej kolejności. Jak wykazały przeprowadzone ekperymenty, metoda ejmiczna z powodzeniem może być zatoowana do badania podłoża i oceny tanu technicznego wałów przeciwpowodziowych. Aby zbadać korpu wału i miejce poadowienia wału należy zatoować możliwie najwięcej wariantów metodycznych. Każdy z nich badając inne parametry fal ejmicznych przyczyni ię do bardziej zczegółowej oceny tanu technicznego zarówno wału jak i podłoża. Na podtawie badań refrakcyjnych określić można granice wartw budujących podłoże wału i rozkład prędkości fal ejmicznych wewnątrz tych wartw. Zmiana ciągłości granic lub zmiany prędkości fal ejmicznych wewnątrz pozczególnych wartw mogą świadczyć o zmianie właściwości kał budujących podłoże wału, a tym amym wyznaczać miejca gdzie może wytąpić przeciek wód pod wałem lub jego podmycie i rozerwanie. Pomiary przeprowadzone na koronie wału przy zatoowaniu czujników trójkładowych pozwalają uzykać prędkości bezpośrednich fal podłużnych i poprzecznych rozchodzących ię w korpuie wału. Na ich podtawie oblicza ię dynamiczne moduły prężytości i dynamiczny wpółczynnik Poiona wzdłuż badanego odcinka wału. Anomalne wartości tych wpółczynników wkazują miejca, gdzie materiał budujący wał ma zmienione właściwości, np. jet rozluźniony. Tu przede wzytkim przy naporze wód powodziowych natąpi znizczenie obwałowania. 644

13 WARSZTATY 004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Celowym wydaje ię opracowanie pecjalnych norm, które na podtawie badań geofizycznych kwalifikowałyby odcinki wałów do odpowiednich kla, w zależności od ich tanu technicznego. Ułatwiłoby to decyzje, które miejca należy modernizować w pierwzej kolejności. Artykuł częściowo zotał wykonany w ramach prac włanych nr Literatura [1] Bylica K. 000: Wykonanie pomiaru tetującego możliwość zatoowania techniki georadarowej dla oceny warunków trukturalnych i jednorodności korpuu obwałowań przeciwpowodziowych. Kraków, (praca niepublikowana). [] Florkowki J., Adamek D. 1998: Podwyżzenie obwałowań i bulwarów wiślanych w Krakowie na odcinku od topnia Dąbie do topnia Kościuzko. Kraków, (praca niepublikowana). [3] Farbiz J., Cholewicka Meyner D. 1999: Badania geofizyczne wałów przeciwpowodziowych rzeki Odry, Konferencja Naukowo Techniczna, Kraków, [4] Młodawka E., Kwiecień S., Filo A. 1998: Dokumentacja z badań tanu technicznego obwałowań rzeki Wiły oraz warunków geologiczno-inżynierkich ich podłoża na odcinku od topnia Dąbie do topnia Kościuzko. Kraków, (praca niepublikowana). [5] Stokoe K. H., Santamarina J. C. 000: Seimic wave bed teting in geotechnical engineering. Proceeding of GEOE-nag 00, Melbourne, Autralia, Seimic method in invetigation of Wiła river embankment near Kraków Seimic method were ued to invetigate technical condition of the flood bank on the Wiła river near Kraków. The refraction method wa ued at bottom of the bank to obtain the ditribution of longitudinal wave, which allow determining of the geological tructure of the baement. Three-directional geophone were ued at the top of bank to determine the velocitie of the longitudinal and tranvere wave. They erved for the calculation of the dynamic coefficient of elaticity. Space ditribution of thee coefficient allow the identification of anomalou zone in the bank, which require moderniation or repair. Przekazano: 15 kwietnia 004 r. 645