Marek CELMER, Mieczysław LUBRYKA, Jan KUTKOWSKI Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. KWK Jas-Mos, Jastrzębie

Transkrypt

1 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Marek CELMER, Mieczysław LUBRYKA, Jan KUTKOWSKI Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. KWK Jas-Mos, Jastrzębie Zastosowanie wyników badań georadarowych do oceny zagrożenia powszechnego związanego z użytkowaniem grobli komunikacyjnej Słowa kluczowe: Metoda georadarowa, grunty nasypowe, anomalie georadarowe. Streszczenie Artykuł przedstawia wyniki przeprowadzonych badań grobli komunikacyjnej oddzielającej dwa stawy rybackie. Badania miały na celu określenie, czy przejazd przez groblę stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego oraz zniszczenia grobli. Wyniki przeprowadzonych badań metodą georadarową jednoznacznie wskazały strefy osłabienia grobli zagrażające jej zniszczeniem. 1. Wprowadzenie Właściciel nieruchomości na której znajdują się stawy rybackie oddzielone groblą komunikacyjną, nie wyraził zgody na przejazd sąsiadowi przez groblę komunikacyjną do swojej nieruchomości. Sprawa trafiła do Sądu Powszechnego w roku 2000 i trwała do 2011, w sprawie wypowiedziało się ośmiu biegłych różnych specjalności i żaden jednoznacznie nie stwierdził, czy przejazd przez groblę zagraża bezpieczeństwu powszechnemu. Sąd zwrócił się do autorów o wykonanie niezbędnych działań dla określenia, czy przejazd przez groblę samochodami zagraża bezpieczeństwu powszechnemu. Określenie stopnia bezpieczeństwa wymagało zastosowania specjalistycznej metody badań, wykorzystywanej do badania gruntów podłoża autostrady. Celem badań była próba lokalizacji strefy ewentualnego przecieku, a także niekorzystnego układu warstw budujących groblę. 2. Badania korpusu i podłoża grobli 2.1. Wstęp Badania geofizyczne metodą georadarową przeprowadzone zostały w miejscowości Golasowice, wzdłuż grobli oddzielającej od siebie dwa sztuczne zbiorniki wodne o różnej wysokości lustra wody. 31

2 M. CELMER i in. Wyniki badań georadarowych do oceny zagrożenia powierzchniowego... Celem wykonanych bezinwazyjnych badań geofizycznych było poznanie stanu nasypu grobli, na której przebiega droga do prywatnej posesji. Niejednorodności w budowie grobli mogą być wynikiem procesów naturalnych (m.in. przemarzaniem gruntu, migracją wód opadowych, naporem wody ze zbiorników, procesami wietrzeniowymi in. oraz wynikiem działalności antropogenicznej (m.in. jakości i technologii wykonania grobli, niejednorodności w doborze materiału budowlanego, ruchu pojazdów po koronie grobli i in.). Grobla oddzielająca stawy A i B zaliczona jest do II kategorii budowli hydrotechnicznych zgodnie z wymogami ITB 424/2006 tj. skarpy nasypów do 8m wysokości (rys. 2.1)( Instrukcja ITB 424/2006). Zbudowana jest z naprzemianległych warstw o słabej nośności, dlatego przy znanych warunkach morfologicznych, geologicznych, wodnych i ocenie szaty roślinnej, można rozważyć i ocenić oddziaływania pośrednie i bezpośrednie. Grobla znajduje się w polu oddziaływań grawitacyjnych (ciężar własny) i hydraulicznych (oddziaływania wody). Do bezpośrednich oddziaływań mających znaczenie dla stateczności grobli zaliczyć należy: ciężar gruntu i wody, parcie gruntu, parcie wody, ciśnienie spływowe, obciążenie pojazdami. Do oddziaływań pośrednich na groblę należy zaliczyć: pęcznienie gruntu i skurcz warstw, przemieszczenia związane z pełzaniem lub osiadaniem gruntu znajdującego się w grobli, przemieszczeniem związanym z degradacją, zmianami w składzie mineralnym, samozagęszczaniem lub rozpuszczaniem gruntu oraz skutkami działania temperatur (w tym zamarzania). Dla oceny wartości użytkowej analizowanej grobli najważniejszymi elementami są: działanie wody, strefy osłabienia oraz obciążenie pojazdami z czynników bezpośrednich oraz wszystkie oddziaływania pośrednie. Rys Rejon badań geofizycznych (georadarowych); mapa bazowa: Fig The area of geophysical research (GPR); the base map: 32

3 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 2.2. Metodyka badawcza (Kutkowski 2010) Metoda georadarowa należy do grupy elektromagnetycznych metod geofizycznych. Jej podstawą metodyczną jest zjawisko związane z propagacją fal elektromagnetycznych w ośrodku geologicznym, ich odbicia od nieciągłości ośrodków o różnych własciwościach elektromagnetycznych. Metoda bazuje na zmianach dwóch parametrów fizycznych ośrodka, tzn. przenikalności elektrycznej -, która odpowiada za współczynnik odbicia fali i zmiany prędkości fali elektromagnetycznej oraz na przewodności, które odpowiada za tłumienie fal. Parametry te mają bezpośredni wpływ na pojawianie się anomalii w obrazie georadarowym oraz warunkują zasięg głębokościowy metody. Dlatego kontrast (silna zmiana), która pojawia się pomiędzy skonsolidowaną a rozluźnioną częścią grobli, czy jego podłoża, będzie silnie wpływać na amplitudy rejestrowanych refleksów. Dodatkowo zmiany prędkości dają informacje m.in. o rozluźnieniach, mediach wypełniających pory, zmianach wietrzeniowych, geologicznych, geotechnicznych. Badania zmian tłumienia pozwalają na określenie czy zmiany w zapisie georadarowym są wynikiem rozluźnień, czy też wynikają z użycia różnego materiału i technologii budowy wału oraz czy rozluźnienia są w stanie suchym czy zawodnionym (Encyklopedia internetowa Wikipedia). W celu przeprowadzenia powyżej opisanych badań georadarowych zastosowano zero-offsetowe profilowanie refleksyjne. Sposób pomiaru zjawisk rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w ośrodku geologicznym należy do grupy metod aktywnych. Oznacza to iż do ośrodka wprowadzona zostaje poprzez antenę nadawczą fala elektromagnetyczna o zadanych parametrach takich jak kształt i częstotliwość. Fala ta ulega w ośrodku przekształceniom wywołanym przez zmiany parametrów elektromagnetycznych skał, przez jej odbicia od granic rozdziału oraz tłumienia. Tak przekształcona fala (wyposażona w informację o budowie ośrodka skalnego) powraca na powierzchnię i jest odbierana przez antenę odbiorczą. Na jakość uzyskanego wyniku, oprócz odpowiedniego doboru anten, wpływ ma odpowiedni dobór parametrów pomiarowych do których należą: okno czasowe rejestracji czyli liczba próbek sygnału i częstotliwość próbkowania, krok pomiarowy wzdłuż profilu, sposób wyzwalania sygnału, krotność sumowania tras sygnału, oraz dobór początku sygnału. Badania wykonano z użyciem dwóch anten pomiarowych o różnych częstotliwościach: 500 MHz (o zasięgu głębokościowym w ośrodkach nasypowych ok. 2 3 m; i średniej rozdzielczości ok. 0,05m) oraz 250 MHz (o zasięgu głębokościowym w nasypach ok. 5 6 m; średnia rozdzielczość ok. 0,1m). Anteny dobrane zostały w taki sposób, aby przebadać przypowierzchniową część grobli z dużą rozdzielczością (antena 500 MHz) oraz głębszą część grobli z okonturowaniem większych stref anomalnych (antena 250 MHz). Badania w standardzie profilowania refleksyjnego przeprowadzono wzdłuż 3 profili, pokazanych na rys Zaprojektowano dwa profile badawcze wzdłuż obu kolein drogi oraz jeden profil referencyjny wzdłuż nasypu przy górnym stawie. Za początek profili przyjęto granicę parkingu, a profile kończono na przepuście wody pod drogą (rys. 2.1 i 2.2). 33

4 M. CELMER i in. Wyniki badań georadarowych do oceny zagrożenia powierzchniowego... Rys Projekt rekonesansowych badań georadarowych zielone profile; profil geologicznogeotechniczny zaznaczono kolorem czerwonym Fig The project of GPR research green profiles; the geological geotechnical profile is indicated by red color 2.3. Wyniki przeprowadzonych badań Wyniki badań georadarowych dla zastosowanych anten 500 MHz i 250 MHz przetworzono w odmienny sposób. Zastosowano również różne techniki wizualizacji wyników. Przedstawione profile zaznaczone linią zieloną odpowiadają następującym rysunkom odpowiednio : profil 1 - rys. 2.3, profil 2 - rys. 2.4, profil 3 - rys Dla anteny 500 MHz przedstawiono rozkład amplitud sygnałów odbitych (rys. 3, 4, 5 z sygnaturą A), natomiast dla anteny 250 MHz okonturowano strefy zwiększonych energii sygnałów georadarowych (rys. 2.3, 2.4, 2.5 z sygnaturą B). Wszystkie prezentowane wyniki (echogramy) przedstawiono w tej samej skali poziomej, z przewyższeniem skali pionowej dla lepszej wizualizacji wyników badań (rys. 2.3, 2.4, 2.5). Ponieważ w omawianym rejonie nie prowadzono badań prędkościowych, dlatego do konwersji czasowo- głębokościowej przyjęto prędkość średnią v śr = 0,09 m/ns; z tego powodu należy liczyć się z błędem określenia głębokości rzędu %. Na echogramy dla profili badawczych (tj. profil 1 i profil 2) naniesiono informacje z otworów geologiczno-geotechnicznych nr: 1, 2 i 3 (rys. 2.3). 34

5 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie A) B) Rys Echogramy dla profilu 1, dla anteny: A) 500 MHz oraz B) 250 MHz, Fig The echograms for profile 1, for antenna: A) 500 MHz oraz B) 250 MHz Zastosowano następujące kolory dla określenia budowy grobli: kolor szary nasyp, tj. pył próchniczy i piasek próchniczy, zielony namuł, żółty piasek drobnoziarnisty, brązowy pył próchniczy, czarny torf. Wyniki badań anteną 500 MHz interpretowane zostały w standardzie porównawczym, tzn. analizowano zmiany pomiędzy profilem referencyjnym (rys. 2.5A) oraz profilami badawczymi (rys. 2.3A i 2.4A). Na wszystkich trzech profilach (rys. 2.3, 2.4, 2.5 z sygnaturą A) zauważyć można podobny rozkład anomalii, tzn. silne amplitudy sygnałów odbitych (kolory czerwone i czarne) od powierzchni terenu do głębokości ok. 1m oraz szybki zanik rejestracji poniżej 1m. Fakt ten można wyjaśnić silnym tłumieniem fal wysokoczęstotliwościowych (500 MHz) w warstwie namułów (przewaga minerałów ilastych), zalegających na głębokościach poniżej ok. 1m (rys. 2.3A i 2.4A informacje otworowe). Silne amplitudy w strefie przypowierzchniowej mają dwojaką genezę: wynikają z niejednorodności w nasypie (mieszanina pyłów i piasków, miejscami uzupełniana gruzem) oraz wynikają z silnego oddziaływania na strefę przypowierzchniową procesów przemarzania, migracji wód opadowych (powodujących wypłukiwanie z ośrodka drobniejszych frakcji) a także różnych procesów wietrzeniowych. 35

6 M. CELMER i in. Wyniki badań georadarowych do oceny zagrożenia powierzchniowego... A) B) Rys Echogramy dla profilu 2, dla anteny: A) 500 MHz oraz B) 250 MHz Fig The echograms for profile 2, for antenna: A) 500 MHz oraz B) 250MHz Podstawową różnicą w echogramach, obserwowaną pomiędzy profilem referencyjnym (rys. 2.5A) oraz profilami badawczymi (rys. 2.3A i 2.4A) jest bardziej horyzontalny, uporządkowany ( pasowy ) rozkład stref wysokoamplitudowych wzdłuż profili badawczych. Efekt ten można tłumaczyć procesem kompakcji przypowierzchniowej części ośrodka w wyniku albo jego dogęszczania na etapie budowy drogi lub w wyniku statycznych i dynamicznych oddziaływań na groblę ruchu pojazdów po jej koronie. Kolejną charakterystyczną cechą odróżniającą rejestracje z profilu referencyjnego (rys. 2.5A) oraz profili badawczych (rys. 2.3A i 2.4A) jest pojawienie się horyzontalnej granicy na głębokości ok. 1m. Częściowo tłumaczyć to można rozgraniczeniem między strefą aeracji napowietrzania zbioników wodnych wskutek działania wiatrów lub cieków wodnych, i saturacji rozumiana jako pełne nasycenie ośrodka wodą, czego potwierdzeniem są informacje otworowe wskazujące, że nawiercony poziom wodonośny zmienia się w przedziale głębokości od 0,6m do 1,1m. Rejestracja znacznie silniejszych amplitud dla tej granicy na 36

7 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie profilu 1 (rys. 2.3A) niż na profilu 2 (rys. 2.4A) może wskazywać na powstanie granicy rozluźnionej od strony skarpy grobli (rys. 2.2). Trzecią charakterystyczną cechą zapisów z profili badawczych jest pojawianie się stref anomalnych o większym pionowym zasięgu. Anomalie te wskazują na silniejszą dezintegrację pewnych fragmentów przypowierzchniowej części grobli. W profilu 1 (rys. 2.3A) są to strefy: od 0m do 4m; od 34m do 37m; od 44m do 46m; podczas gdy dla profilu 2 (rys. 2.4A) obserwuje się dużą strefę w kształcie niecki od 0m do ok. 20m, w której można wyróżnić podstrefę od 11m do 15m o charakterystycznej zmianie zapisu. Podstrefa ta jest najprawdopodobniej silniej rozluźniona od ośrodka otaczającego i wypełniona kurzawką. Kolejna strefa o charakterystycznym nieckowatym kształcie widoczna jest w rejonie otworu nr 2. A) B) Rys Echogramy dla profilu 3, dla anteny: A) 500 MHz oraz B) 250 MHz Fig The echograms for profile 3, for antenna: A) 500 MHz oraz B) 250 MHz Analizując zapis anteną 250 MHz, strefy zwiększonej energii sygnałów georadarowych (obszary fioletowe i czerwone) widoczne na rys. 2.3B w początkowej części profilu (od ok. 3m do ok. 16m) wskazują na istnienie strefy anomalnej rozciągającej się w pionie od głębokości ok. 4m prawie do powierzchni terenu. Pomiędzy ok. 23m a ok. 28m oraz ok. 34m a ok. 50m profilu widoczne są kolejne strefy anomalne, rozciągające się w pionie do głębokości ok. 1m 1,5m. 37

8 M. CELMER i in. Wyniki badań georadarowych do oceny zagrożenia powierzchniowego... Podobny rozkład anomalii obserwuje się wzdłuż profilu nr 2 (rys. 2.4B), z tym że duża strefa anomalna w początkowej części profilu jest przesunięta w stosunku do profilu 1, i rozciąga się od ok. 6m do ok. 18m oraz w pionie od głębokości ok. 4m do powierzchni terenu. Przypowierzchniowa strefa anomalna w drugiej części profilu 2 jest znacznie mniejsza niż dla profilu 1, i można ją zawęzić do obszaru pomiędzy ok. 37m, a ok. 45m profilu. Wzdłuż referencyjnego profilu 3 (rys. 2.5B) obserwuje się jedynie anomalie przypowierzchniowe rozciągające się do głębokości ok. 1,5m 2,0m. 3. Podsumowanie Nie dysponując informacjami o technologii budowy grobli, lecz jedynie informacjami otworowymi (3 otwory zlokalizowane w drugiej połowie grobli) wskazującymi na niejednorodności jej budowy, trudno jednoznacznie zdefiniować pochodzenie opisanych anomalii georadarowych. Prowadząc interpretację porównawczą pomiędzy profilem referencyjnym (rys. 2.5B) i badawczymi (rys. 2.3B i 2.4B) można przyjąć, że silne anomalie przypowierzchniowe zlokalizowane pomiędzy głębokościami od ok. 0,5m do ok. 1,5m 2,0m są w dużym stopniu związane czynnikami naturalnymi, m.in. przemarzaniem gruntu, migracją wód opadowych, procesowymi wietrzeniowymi. Dodatkowo na powstanie tak silnych anomalii przypowierzchniowych miały prawdopodobnie wpływ intensywne opady. Istnienie anomalii przypowierzchniowych warunkuje również rodzaj i rozkład budulca użytego przy konstrukcji grobli. Jak wynika z informacji otworowych, do głębokości ok. 1m zalegają pyły i piaski, które charakteryzują się zwiększoną porowatością w stosunku do zalegających pod nimi namułów (frakcja ilasta). Zwiększona porowatość utworów przypowierzchniowych w połączeniu z procesami wietrzeniowymi spowodowały powstawanie anomalnych stref przypowierzchniowych, rejestrujących się na echogramach w postaci stref zwiększonej energii sygnałów georadarowych. Pewien wpływ na rozkład anomalii przypowierzchniowych będzie miała również działalność antropogeniczna. Ruch pojazdów po koronie grobli powinien powodować kompakcję gruntu w części przypowierzchniowej grobli, a więc zmniejszanie lub nawet zanik stref silnych anomalii georadarowych. Efekt ten można obserwować porównując wyniki dla profili badawczych, tj. rys. 2.3B i 2.4B (droga) z wynikami z profilu referencyjnego, tj. rys. 2.5B (nasyp). Ruchu pojazdów po koronie grobli powinien w taki sam sposób wpływać na ośrodek pod drogą, więc w efekcie powinien w taki sam sposób zmieniać zapis georadarowy wzdłuż obu profili badawczych. Natomiast obserwuje się różne poziome rozkłady przypowierzchniowych stref anomalnych (rys. 2.3B i 2.4B). Zmiany w zapisie pomiędzy profilem 1 (rys. 2.3B) i profilem 2 (rys. 2.4B) mogą wynikać z faktu, że profil 1 zaprojektowany został przy skarpie grobli, a więc w rejonie podlegających łatwiejszemu osuwaniu i rozluźnieniom, niż profil 2. Najbardziej interesujące z punktu widzenia stateczności badanego ośrodka są opisane wcześniej anomalie zarejestrowane w początkowych częściach profili badawczych (rys. 2.3B i 2.4B). Z informacji z najbliższego otworu w rejonie anomalii, tzn. otwór nr 1 wynika, iż pod warstwą namułów pojawia się w tej części grobli warstwa piasków drobnoziarnistych (rys. 2.3B i 2.4B). Jeśli frakcja piaszczysta kontynuuje się w kierunku początku profilu 1 i profilu 2 to, podobnie jak dla interpretacji strefy przypowierzchniowej, będzie ona 38

9 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie charakteryzować się zwiększoną porowatością w stosunku do warstwy namułów. Strefa silnie porowata może kumulować wody opadowe oraz wody wsiąkowe ze stawów rybnych, co powodować może wzrost refleksyjności takich stref i w efekcie na echogramach pojawiać się mogą wysokoenergetyczne strefy anomalne (kolory fioletowe i czerwone). Jeśli natomiast odwiert nr 1 został wykonany w rejonie lokalnego spłaszczenia ośrodka i jeśli w początkowej części profilu 1 i profilu 2 budowa grobli jest podobna do budowy w końcowej części grobli (rys. 2.3B i 2.4B otwory nr 2 i nr 3) to pochodzenie anomalii (strefa wysokich energii sygnałów georadarowych) jest związane z innymi czynnikami. Można wykluczyć tutaj raczej czynniki wietrzeniowe, ponieważ anomalia ta sięga bardzo głęboko, i ma charakter lokalny. Poza tym anomalia ta nie jest obserwowana na profilu referencyjnym (rys. 2.5B), a procesy wietrzenia, przemarzania czy też migracji wód w ośrodku powinny oddziaływać na całą groblę w taki sam sposób. Jeśli przyczyną tej anomalii nie jest zmienna budowa grobli, to prawdopodobnie jest ona efektem działań antropogenicznych, tzn. albo niewłaściwą konstrukcją (budową) grobli lub obciążeniem i wibracjami wynikającymi z ruchu pojazdów po koronie grobli. Obciążenia statyczne i dynamiczne z jednej strony powodują kompakcję przypowierzchniowej części gruntu, z drugiej zaś strony mogą powodować zmniejszanie spójności ośrodka w głębszych jego partiach i w efekcie wzrost porowatości, rozluźnienia, rozwarstwienia, obsunięcia, co obrazuje się na wynikach badań georadarowych jako strefy silnych anomalii. Przyjmując hipotetycznie, że grobla w początkowej części została wykonana w tej samej technologii co końcowa jej część, oraz użyto jednorodnego i izotropowego materiału, to za drugą wersją interpretacji przemawia fakt, że echogram dla profilu referencyjnego (rys. 2.5B) nie posiada głębiej leżących stref anomalnych, podczas gdy na profilach badawczych (rys. 2.3B i 2.4B) strefy te potwierdzają się wzajemnie. Oczywistym jest fakt, iż pionowa rozciągłość strefy anomalnej w początkowych częściach profilu 1 i 2 od ok. 0,5m do ok. 4m jest superpozycją przypowierzchniowej strefy anomalnej oraz głębiej zalęgającej strefy rozluźnionej. Należy wspomnieć, że referencyjny profil 3 przebiegał po nasypie, tj. ok. 0,5 1,0 m wyżej niż profile 1 i 2 (rys. 2.2). Wkop w nasypie oraz znajdujące się na nim zwałowisko ziemi i drewna uniemożliwiały wykonanie ciągłego profilowania, dlatego też na rys. 2.5 zaznacza się przerwa w pomiarach georadarowych. Na profilu 3 (rys. 2.2) nie naniesiono informacji otworowych, ponieważ profil ten był profilem referencyjnym, i służył do przeprowadzenia interpretacji porównawczej z profilami badawczymi. Przeprowadzone badania georadarowe potwierdziły przypuszczenia niektórych biegłych sądowych. Wykorzystanie metody georadarowej do określenia bezpieczeństwa powszechnego użytkowników grobli, zakończyły spory stron postępowania sądowego. W ocenie autorów przydatność metody georadrowej dla oceny bezpieczeństwa powszechnego użytkowania grobli komunikacyjnej była nieodzowna. Literatura [1] Kutkowski J.: 2010: Bezinwazyjne badania korpusu grobli komunikacyjnej, Praca własna (nie publikowana), Jastrzębie. [2] Encyklopedia internetowa Wikipedia [3] Instrukcja ITB 424/2006: Ocena stateczności skarb i zboczy. Instytut Techniki Budowlanej 2006, Warszawa 39

10 M. CELMER i in. Wyniki badań georadarowych do oceny zagrożenia powierzchniowego... The use of research concerning the usefulness of GPR in general threat assessment connected with using the causeway Keywords Ground-Penetrating Radar GPR, GPR anomalies, embankments Summary The article introduces the results of GPR research of the causeway, that separates two fishing ponds. The aim of the research was to analyze, if the transit through the causeway makes a threat to general safety and could cause a destruction. The results of research carried out by GPR indicate the weak points of the causeway. The owner of the property, on which the fishing ponds are localized, prohibited the transit through the causeway, because of lack of chance in agreeing with the neighbor and deprived the possibility of getting to his possession. Przekazano: 9 maja 2012 r. 40