Aplikacja metody GPR do badania dróg na terenach o zwiększonym zagrożeniu deformacjami o genezie krasowej

Transkrypt

1 Ewelina Mazurkiewicz 1, Mikołaj Łyskowski 2, Anna Strzępowicz 3 AGH w Krakowie Aplikacja metody GPR do badania dróg na terenach o zwiększonym zagrożeniu deformacjami o genezie krasowej Wprowadzenie W pracy autorzy skupili się na kontroli stanu technicznego szlaków komunikacyjnych. Geofizyczne pomiary doraźne lub ratunkowe są w wielu krajach podstawową metodą kontroli stanu technicznego dróg oraz infrastruktury drogowej. Określanie ich kondycji, w tym zagrożeń geologicznych oraz geotechnicznych, jest bazą zapewniającą bezpieczeństwo szlaków lokomocyjnych. Bezpieczna realizacja procesu transportowego jest jednym z priorytetów z jakim spotykają się dzisiejsze przedsiębiorstwa. W literaturze światowej można znaleźć wiele przykładów georadarowych rejestracji zmian struktury nawierzchni oraz podłoża dróg. Nie zawsze są to zaburzenia związane z procesami o genezie krasowej, jednak te stanowią dobry przykład rejestracji anomalii w ośrodkach geologicznych. Pracę z tego zakresu przedstawiali m.in. Karczewski i in. [5]. Badania związane z lokalizacją struktur pochodzenia krasowego, w tym wypadku jaskiń przedstawiają Łyskowski i in. [6]. Opisane wyniki są przykładem efektywnego rozpoznania przestrzennych zmian zagęszczenia ośrodka geologicznego. Inwentaryzacja struktur krasowych dostępna jaskinia oraz nowe, nieznane do tej pory obiekty, są przykładem doskonałych wyników. Mazurek i Łyskowski w 2014 roku [7] zaprezentowali pracę, w której metoda georadarowa została wykorzystana do oceny stabilności oraz stateczności gruntu dla celów budowlanych. Opisaną metodykę można w analogiczny sposób zastosować do badania szlaków komunikacyjnych. Zagraniczna literatura prezentuje także przykłady georadarowych rejestracji anomalii pochodzących od dynamicznych procesów geologicznych przy szlakach drogowych. Pueyo Anchuela i in. [9] w 2015 r. przedstawili swoje wyniki, które poparli geotechnicznymi badaniami ośrodka gruntowego. Solla i in. [10], w 2014 roku przedstawili także innego rodzaju zakres badań georadarowych związanych z badaniem szlaków komunikacyjnych. Badania te dotyczyły bezpośrednio rozpoznania spękań w strukturze nawierzchni drogowej. Metodyka badań Pomiary georadarowe (z ang. Ground Penetrating Radar GPR) wykonano na terenie województwa świętokrzyskiego w miejscowości Lechów (Rys. 1). W momencie pomiarów stan nawierzchni drogowej wizualnie można było uznać za spełniający wymogi bezpieczeństwa. Nieciągłość warstwy asfaltu została uprzednio skorygowana przez załatanie. Ze względu na potencjalne zagrożenie zdecydowano się jednak na podjęcie działań mających na celu ustalenie źródła nieciągłości oraz ocenę stateczności podłoża. 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków, Polska, ewemazurkiewicz@gmail.com 2 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków, Polska 3 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków, Polska 9474

2 Logistyka nauka Rys. 1. A mapa strukturalna regionu kieleckiego. B miejscowość, w której wykonywano pomiar. C mapa Polski z zaznaczonym miejscem pomiarów oraz jego współrzędnymi. Źródło: opracowanie własne na podstawie Urban [11] Droga krajowa numer 74 jest szlakiem komunikacyjnym łączącym miasto wojewódzkie Kielce, z Opatowem. Rejon, w którym prowadzone były pomiary należy do Kielecko-Łagowskiej synkliny znajdującej się w strefie permsko-triasowego paleokrasu. Jest to obszar, w którym występują podpowierzchniowe formy krasowe oraz zapadliska wypełnione materiałem klastycznym albo węglanami pochodzenia wietrzenia chemicznego. Głównym budulcem w tym rejonie są środkowo- i górnodewońskie wapienie, dolomity i margle [11]. Metoda georadarowa Metoda georadarowa należy do inżynierskich metod badań geofizycznych. Jest jedną z pomiarowych technik geoelektrycznych [3]. Aparatura georadarowa generuje falę elektromagnetyczną (z ang. Electromagnetic Wave EM), która propaguje w głąb badanego ośrodka. Tam ulega procesom odbicia, załamania oraz tłumienia. Z perspektywy opisywanej metody, najważniejszym zjawiskiem jest odbicie fali elektromagnetycznej na granicy ośrodków różniących się właściwościami elektrycznymi. Podstawowa aparatura składa się z jednostki centralnej, nadajnika, odbiornika oraz anten. Główny element systemu jednostka centralna służy do synchronizacji zegarów nadajnika i odbiornika w celu prawidłowej kolejności genero- 9475

3 wania oraz rejestrowania fali EM. Nadajnik generuje impulsowo falę elektromagnetyczną o określonej częstotliwości. Ta określona jest przez rozmiar podłączonej anteny. Analogicznie odbiornik rejestruje wartość amplitudy na określonym, podwójnym czasie propagacji fali EM [1]. Częstotliwości anten mieszczą się w przedziale wartości od 12.5 [MHz] aż do 6000 [MHz]. W teorii ogólna zasada dotycząca głębokości penetracji fali elektromagnetycznej oraz rozdzielczości metody radarowej mówi: im niższa częstotliwość, tym większy zasięg głębokościowy ale niższa rozdzielczość pomiaru [5]. W praktyce jednak głębokość penetracji fali elektromagnetycznej w ośrodek gruntowy jest silnie związana z właściwościami badanego medium. W silnie przewodzących ośrodkach np. gruntach ilastych oraz gliniastych, mimo zastosowania anten emitujących fale elektromagnetyczne o niskich częstotliwościach, zasięg głębokościowy pozostaje zwykle niewielki. Dodatkowo, o czym wspomniano we wstępie, ważnym aspektem pomiarów jest prawidłowa interpretacja otrzymanych danych. Georadar nie rejestruje głębokości na jakiej znajduje się ciało anomalne oraz nie rozpoznaje typu tego ciała. Głębokość uzyskiwana jest na drodze konwersji czasowogłębokościowej. Można jej dokonać na podstawie specjalnego profilowania prędkości (np. z ang. Wide Angle Refraction-Reflection WARR) lub danych tabelarycznych [8]. Również określenie dokładnego źródła pochodzenia anomalii na wyniku pomiaru nie jest możliwe, zadaniem georadaru jest jedynie wskazanie obszarów anomalnych. Wynikiem pomiarów jest tzw. echogram. Jest to wykres zbudowany z pojedynczych tras rejestrowanych co określony krok pomiarowy. Na osi X znajduje się przebyta odległość (w metrach bieżących). Wartość ta uzyskiwana jest na skutek obrotu specjalnego mechanizmu (kółka pomiarowego lub nici) podłączonego do anteny i zliczającego ilość obrotów, przeliczając ją później na metry bieżące profilu. Oś Y reprezentuje podwójny czas propagacji fali EM w ośrodku. Oś równoległą z osią X Z, głębokościową, otrzymuje się poprzez przeliczenie czasu propagacji fali elektromagnetycznej [2]. Wyniki Pomiary wykonane zostały przy użyciu systemu GPR szwedzkiego producenta MALA Geoscience. Model jednostki centralnej jaki wykorzystano, to RAMAC/GPR. Pomiar wykonany był z zastosowaniem anteny nieekranowanej o częstotliwości 200 [MHz]. Tym samym autorzy zwracają uwagę na możliwość wystąpienia odbić od obiektów znajdujących się na powierzchni ziemi, które w zaznaczają się na prezentowanych wynikach. Są to charakterystyczne hiperbole, których źródłem w opisywanym przypadku są przydrożne drzewa (Rys. 2). Surowe dane pomiarowe, przed prezentacją, poddane zostały przetwarzaniu przy użyciu wyspecjalizowanego programu ReflexW (Sandmeier Software). Podczas obróbki danych zastosowano szereg procedur mających na celu wprowadzenie poprawek statycznych, usunięcie szumu generowanego przez elektronikę anten, odfiltrowanie częstotliwościowe, czy wzmocnienie oraz wygładzenie poprzez uśrednianie w oknie czasowo-odległościowym. Surowe dane były wielokrotnie i niezależnie przetwarzane przez każdego z uczestników badań. Ostatecznie, wybrano najbardziej reprezentatywne echogramy. Wszystkie zastosowane procedury zwiększyły stosunek informacji użytecznej do szumu. 9476

4 Logistyka nauka Rys. 2. Dwa echogramy (równoległe) zarejestrowane na drodze krajowej numer 74 przy użyciu anteny nieekranowanej 200 [MHz]. Źródło: opracowanie własne Widoczne na echogramach (Rys. 2) hiperbole pojawiające się na 4 (profil A) i 2 (profil B) metrze głębokości, pochodzą z rejestracji odbić fali EM od obiektów na powierzchni ziemi. Różnica w ich odległości od powierzchni oraz rozmieszczeniu jest spowodowana faktem zmniejszenia dystansu dzielącego profil od źródła anomalii. Najbardziej interesującą zmianą na obrazie radarowym jest wzmocnienie amplitudy fal widoczne pomiędzy 40 a 48 [mb] (A) oraz 38 a 44 [mb] (B). Na drodze analizy dostępnej informacji geologicznej, charakteru i kształtu anomalii, wywnioskowano iż jest to struktura o genezie krasowej pustka. Na górnym profilu (A) jej głębokość można oszacować na 4 [m]. Profil równoległy (B) pokazuje w sposób jasny, że jest to obiekt o strukturze przestrzennej i przybiera kształt nieckowaty. Taki wniosek sformułowano w oparciu o analizę zmiany zasięgu głębokościowego anomalii (na drugim profilu (B), sięga ona jedynie 2 [m]). Dyskusja i podsumowanie Dzięki wykorzystaniu metody georadarowej możliwa była ocena stanu utworów budujących nasyp drogowy. Nieinwazyjne, szybkie oraz precyzyjne pomiary pozwoliły na wskazanie miejsca występowania 9477

5 pustki, której geneza związana była z procesami krasowienia utworów wapiennych. Przestudiowana literatura pozwala także stwierdzić, że zastosowana metodyka oraz wybór metody GPR jako jedynej do tego zadania był optymalny. Ze względu na charakter miejsca pomiarów droga krajowa numer 74, oraz priorytet tego zadania uszkodzenie szlaku komunikacyjnego łączącego miasto wojewódzkie z innym większym w regionie, wybór metody pomiarowej wydał się trafny. Zastosowanie innej metody geofizycznej sprawdzającej się zwykle w badaniach rozluźnień ośrodka elektrooporowej, byłoby utrudnione ze względu na pokrywę asfaltową. W celu uzyskania precyzyjnych wyników metoda ta wymaga bezpośredniego kontaktu elektrod z ośrodkiem gruntowym. W tym wypadku asfalt stanowi izolator. Podsumowując, łatwość implementacji, nieinwazyjność oraz wysoka precyzja pozwalają metodzie GPR na doskonałe sprawdzenie się w realizacji tego typu badań. Zaprezentowane wyniki pomiarów terenowych wykonanych przy użyciu aparatury georadarowej na drodze w rejonie świętokrzyskim w sposób wyraźny potwierdzają przydatność oraz efektywność w rozwiązywaniu problemów geologiczno-geotechnicznych na terenach o zwiększonym zagrożeniu deformacjami o genezie krasowej. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki pomiarów wykonanych za pomocą metody georadarowej. Badania miały na celu ocenę stopnia zagrożeń szlaków komunikacyjnych, będących następstwem dynamicznych procesów geologicznych. Zwiększone ryzyko występowania deformacji związane jest z obszarami, w których podłożu występują krasowiejące utwory wapienne. Metoda georadarowa dzięki łatwości implementacji, nieinwazyjności oraz wysokiej precyzji doskonale sprawdza się w realizacji tego typu badań. Autorzy prezentują wyniki terenowych pomiarów wykonanych przy użyciu aparatury georadarowej na drodze w rejonie świętokrzyskim. Wyraźne anomalie pochodzące od zapadlisk krasowych jasno pokazują przydatność oraz efektywność metody georadarowej w rozwiązywaniu problemów geologiczno-geotechnicznych. Słowa kluczowe: kras, drogi, GPR APPLICATION OF GPR METHOD FOR TESTING ROADS IN AREAS WITH A INCREASED RISK OF KARST ORIGIN DEFORMATIONS Abstract The article presents the results from measurements made using the GPR. The presented case study was made in order to evaluate the scale of hazard in the areas, where dynamic geological processes can occur and can present threat for communication routes. Increased risk of malformations is associated with areas where the limestone formation undergo karst processes. The GPR method thanks to the ease of implementation, non-invasiveness, and thanks to high precision is perfectly suited for this type of investigation. The authors present the results of field measurements using GPR equipment on the road in Świętokrzyskie region. Distinct anomalies on the echograms, which are derived from karst sinkholes, clearly demonstrates the usefulness and effectiveness of GPR method in solving geological and geotechnical problems. Keywords: karst, road, GPR Literatura [1] Annan A. P., Ground Penetrating Radar Workshop Notes, Sensors & Software Inc., Ontario - Canada,

6 [2] Daniels D. J., Ground Penetrating Radar - 2nd Edition, The Institution of Electrical Engineers, London [3] Karczewski J., Ortyl Ł., Pasternak M., Zarys metody georadarowej, Wydanie drugie poprawione i rozszerzone, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH Kraków, Kraków [4] Karczewski J., Ziętek J., Tomecka-Suchoń S., Zastosowanie metody georadarowej do rozwiązywania zagadnień geotechnicznych, Nauki o Ziemi w badaniach podstawowych, złożowych i ochronie środowiska na progu XXI wieku, Kraków, 28 i 29 czerwiec 2001, S [5] Reynolds J. M., An Introduction to Applied and Environmental Geophysics, John Wiley & Sons Ltd., [6] Łyskowski M., Mazurek E., Ziętek J., Ground Penerating Radar investigation of limestone karst at the Odstrzelona Cave in Kowala, Świętokrzyskie Mountains, Poland, Journal of Cave and Karst Studies, 76-3, S , [7] Łyskowski M., Mazurek E., Mazurek GPR based analysis in building land suitability evaluation, Logistyka, 4, CD Logistyka nauka, S , Poznań [8] Łyskowski M., Mazurek E., Analiza konsekwencji doboru nieodpowiedniej prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w trakcie interpretacji inżynierskich pomiarów metodą georadarową, Logistyka, 4, CD Logistyka nauka, S , Poznań [9] Pueyo Anchuela Ó., López Julián P., Casas Sainz A.M., Liesa C.L., Pocoví Juan A., Ramajo Cordero J., Pérez Benedicto J.A., Three dimensional characterization of complex mantled karst structures. Decision making and engineering solutions applied to a road overlying evaporite rocks in the Ebro Basin (Spain), Engineering Geology, 193, S , [10] Solla M., Laguela S., Gonzales Jorge H., Arias P., Approach to identify cracking in asphalt pavement using GPR and infrared thermographic methods: Preliminary findings, NDT & E International, 62, S , [11] Urban J., Permian to Triassic paleokarst of the Świętokrzyskie (Holy Cross) MTS, Central Poland, Geologia, AGH University of Science and Technology Press, 33 1, S. 5 50, Kraków Podziękowania Pracę dofinansowano w ramach umów oraz (Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie). 9479