Optymalizacja prac wzmacniających i uszczelniających masyw skalny z wykorzystaniem metod GIS na przykładzie podłoża zapory wodnej

Transkrypt

1 WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Danek GRODECKI Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków Optymalizacja prac wzmacniających i uszczelniających masyw skalny z wykorzystaniem metod GIS na przykładzie podłoża zapory wodnej Streszczenie Wykonanie prac uszczelniających i wzmacniających skalne podłoże obiektów hydrotechnicznych jest zabiegiem koniecznym dla prawidłowego ich funkcjonowania. Prace te są źródłem istotnych danych o stanie masywu skalnego. W artykule przedstawiono rozwiązanie wykonane w oparciu o oprogramowanie GIS umożliwiające archiwizację i prezentację wyników prac iniekcyjnych. W oparciu o analizę danych geologiczno inżynierskich (bieżących i archiwalnych) możliwa jest ocena wyników prac iniekcyjnych oraz ich optymalizacja. 1. Wprowadzenie Masywy skalne w otoczeniu budowli inżynierskich (szyby, tunele, zapory wodne) często wymagają wykonania zabiegów poprawiających ich właściwości filtracyjne i wytrzymałościowe. Wieloletnia współpraca budowli inżynierskich z masywem skalnym wymaga wykonania tych zabiegów w czasie jego eksploatacji. Prace iniekcyjne polegają na udostępnieniu masywu skalnego w otoczeniu obiektu budowlanego otworami wiertniczymi i zatłoczeniu przez nie w pustki medium uszczelniającego. Zatłoczone środki uszczelniające (np. zaczyny cementowe, asfalty, żywice) zestalają się w wolnych przestrzeniach masywu skalnego wzmacniając go i uszczelniając. Określenie stopnia nieszczelności masywu skalnego wykonywane jest jako badanie poprzedzające proces uszczelnienia masywu skalnego. Polega ono na zatłaczaniu w izolowany 2-5 metrowy fragment otworu wiertniczego (tzw. strefę) wody w przedziale ciśnień ustalonym dla warunków geologiczno-inżynierskich panujących w otoczeniu badanego masywu skalnego (BN ). Uzyskany wynik decyduje o uszczelnianiu tej bądź rozpoznaniu następnej części masywu skalnego. Uzyskanie optymalnego efektu prac iniekcyjnych związane jest w dużej mierze z odpowiednio gęsto rozmieszczonymi otworami wiertniczymi. W warunkach przesłon uszczelniających fliszowe podłoże zapór karpackich, za optymalne przyjmuje się dwu lub trójrzędowe przesłony. Odległości pomiędzy poszczególnymi otworami wiertniczymi oscylują w granicach 1 m. Ze względów organizacyjnych przesłony o długościach od kilkudziesięciu do kilkuset metrów dzieli się na mniejsze kilkunastometrowe odcinki, łatwiejsze w realizacji. Mamy więc do czynienia ze specyficznym elementem konstrukcyjnym łączącym budowlę inżynierską z jej otoczeniem. Element ten o znacznej rozpiętości liniowej, sięgającej kilkuset metrów wykonany jest w masywie skalnym na głębokość od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. 357

2 D. GRODECKI Optymalizacja prac wzmacniających i uszczelniających masyw skalny... Warunki geochemiczne i hydrogeologiczne panujące w masywie skalnym oraz specyfika pracy budowli piętrzącej (zwłaszcza w systemie szczytowo-pompowym) skutkują sukcesywnym niszczeniem wykonanej przesłony. Po upływie lat prowadzone są prace rekonstruujące uszczelnienie masywu w podłożu obiektu piętrzącego (Dziewański 2004). 2. Problematyka archiwizacji danych i optymalizacji prac iniekcyjnych Na etapie projektowania prac uszczelniających podłoże istotne znaczenie ma rozpoznanie warunków geologiczno-inżynierskich w czasie wykonywanych uprzednio prac. Porównanie danych archiwalnych z aktualnymi wynikami badań dokumentującymi intensywność niekorzystnych procesów w podłożu obiektu pozwala na skuteczniejsze wykonanie prac iniekcyjno-wzmacniających (Dziewański i Grodecki 1997). Dysponując dostępem do danych geologicznych oraz inżynierskich wykonywanych w całym okresie pracy obiektu oraz możliwością ich syntetycznych zestawień projektant może wykorzystać tę wiedzę w celu: określenia obszarów masywu skalnego szczególnie podatnego na rozwój niekorzystnych procesów, określenie tempa rozwoju tych procesów, określenie obszarów masywu o zbliżonych właściwościach geologiczno-inżynierskich, wyznaczenie głębokości prowadzonych prac iniekcyjnych z uwzględnieniem specyfiki masywu skalnego w podłożu obiektu piętrzącego, określenia ilości rzędów przesłony oraz parametrów przestrzennych otworów (kąt nachylenia otworu, azymut kierunku wiercenia, wzajemne odległości między otworami). W dotychczasowej praktyce dane te przedstawiane są w postaci przekrojów geologicznoinżynierskich, profili otworów wiertniczych i tabel. Przyjęty sposób wymaga czasochłonnego opracowania wyników prac, utrudnia ich prezentację, oraz analizę wariantową uzyskanych wyników. Osobną grupą problemów są utrudnienia związane z wykorzystaniem danych o charakterze archiwalnym. Problemy te dotyczą najczęściej deformacji geometrycznych dużych arkuszy papieru, pogorszenia czytelności ozalidowych kopii przekrojów, utraty danych na załamaniach arkuszy, rozproszenia danych zgromadzonych w dokumentacjach zawierających bardzo dużą ilość załączników graficznych. Aby można było wykorzystać dane uzyskane w ciągu pracy obiektu muszą być one wprowadzone do jednolitego środowiska pozwalającego na ich agregację i prezentację. Skutecznym narzędziem pozwalającym na realizację takich zadań jest oprogramowanie z rodziny aplikacji GIS, łączące w sobie możliwości wyboru i prezentacji zarówno danych graficznych jak i opisowych. Przedstawione rozwiązania uzyskano wykorzystując oprogramowanie MapInfo firmy Imagis. Uzupełnieniem dla standardowego, powszechnie stosowanego sposobu archiwizowania i prezentacji wyników prac iniekcyjnych mogą być możliwości oferowane przez współczesne bazy danych GIS opracowane na komputery PC i przenośne. Oprogramowanie to umożliwia pracę z różnego rodzaju nośnikami informacji jak: skanowane mapy i przekroje (format rastrowy), obiekty wektorowe, dane opisowe. Dzięki łatwości wymiany danych, jakim cechuje się oprogramowanie tego typu możliwe jest ich archiwizowanie i analizowanie w jednolitym środowisku. 358

3 WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Podstawowe grupy informacji jakie są rozpatrywane w czasie prac iniekcyjnych obejmują: dane geologiczno-inżynierskie (litologia materiału skalnego, obserwacje tektoniczne, wodochłonności), dane technologiczne (stosowane ciśnienia, parametry technologiczne mieszanek uszczelniających i ich zużycie), lokalizacja przestrzenna (współrzędne otworów wiertniczych, lokalizacja istotnych dla prawidłowego przebiegu procesu uszczelnienia elementów konstrukcyjnych), informacja dodatkowa (nietypowe obserwacje z otworów wiertniczych, zaobserwowane nieszczelności w obrębie korpusu zapory, awarie sprzętu). Podział taki można realizować w oparciu o źródła jakie stanowią dane kartograficzne, opracowane dane dokumentacyjne, dzienniki prowadzenia prac iniekcyjnych oraz współczesne bazy danych (rys. 2.1). Pozwala on na zbudowanie w systemie komputerowym modelu środowiska geologicznego podłoża zapory z jednoczesnym uwzględnieniem danych o charakterze inżynierskim. Rys Typy danych wejściowych i wyodrębnione grupy tematyczne w dokumentowaniu komputerowym Fig 2.1. Input data types and proposed data organization and grouping Na rysunku 2.2 przedstawiono schemat podziału źródeł danych, umożliwiający wprowadzenie informacji do systemu GIS. W pierwszej kolejności dokonano podziału danych na dwie kategorie: opisowe gromadzone były w tabelach, a poszczególne rekordy otrzymały unikalne identyfikatory umożliwiające połączenie z obiektami graficznymi. W tej grupie zawarta jest informacja opisowa (przykładowo: opis tekstowy wydobytego rdzenia wiertniczego, obserwacje tektoniczne) i technologiczna związana z zabiegami wykonywanymi przez otwory wiertnicze, graficzne wprowadzone do systemu komputerowego prezentują występowanie obiektów istotnych dla prawidłowego przebiegu prac uszczelniająco wzmacniających. Obiekty te występowały w przestrzeni masywu skalnego rozpoznanego otworami wiertniczymi. Połączenie obu typów danych realizowane w oparciu o zapytania SQL umożliwia sortowanie, agregację danych i ich przestrzenną prezentację. Uzyskane w ten sposób przekroje 359

4 D. GRODECKI Optymalizacja prac wzmacniających i uszczelniających masyw skalny... geologiczno inżynierskie i zestawienia tabelaryczne umożliwiają ocenę właściwości masywu skalnego w otoczeniu budowli hydrotechnicznej zarówno w stopniu ogólnym jak i szczegółowym. Analiza uzyskanych w ten sposób zestawień z materiałami archiwalnymi umożliwia czasoprzestrzenną ocenę zachodzących w podłożu zjawisk oraz optymalizację prac zabezpieczających. Rys Schemat organizacji danych geologiczno-inżynierskich Fig 2.2. Outline of the geological engineering data organization 3. Przykład zastosowania systemu GIS do optymalizacji prac uszczelniających podłoże zapory w Myczkowcach W rozdziale tym przedstawiono praktyczne możliwości wykorzystania zaproponowanego systemu archiwizacji, wyszukiwania i prezentacji danych. Projektowanie i wykonawstwo prac wzmacniających i uszczelniających dużą uwagę przywiązuje do rozpoznania właściwości filtracyjnych podłoża obiektu hydrotechnicznego. Rozpoznanie to przeprowadzono dla podłoża zapory wodnej w Myczkowcach, posadowionej na drobnorytmicznym fliszowym masywie skalnym. Prace uszczelniające podłoże zapory rozpoczęto w 1993 roku. Poprzedzone były wieloletnimi obserwacjami rozwoju filtracji pod korpusem zapory. Podstawowym źródłem informacji pozwalającym na zaprojektowanie położenia otworów i wykonania prac iniekcyjnych były dokumentacje archiwalne dotyczące korpusu zapory i rozpoznania geologiczno inżynierskiego podłoża. Istniało jednak kilka miejsc odnośnie których istniały wątpliwości co do jednoznaczności położenia istotnych dla projektu elementów zapory. Problemy te przyczyniły się do opracowania w środowisku programu Auto CAD 360

5 WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie przestrzennego modelu korpusu zapory. W oparciu o ten model projektowane były otwory wiertnicze, a dane z wykonanych otworów uszczegóławiały położenie elementów konstrukcyjnych zapory w jej korpusie, wyjaśniając wcześniejsze wątpliwości. W ten sposób aktualizowany był projekt techniczno technologiczny prac uszczelniających. Wykonywane prace wiertnicze i uszczelniające były źródłem znacznych ilości danych. W samym podłożu lewego skrzydła na odcinku 140 m wykonano około 250 otworów wiertniczych o łącznej długości przekraczającej m. Zebrany materiał dokumentacyjny głównie wykorzystywany był w celu weryfikacji budowy geologicznej podłoża ze szczególną uwagą zwróconą na występowanie obszarów spękanych i zbrekcjonowanych oraz właściwości filtracyjnych i chłonności podłoża. Wykorzystanie różnorodnych danych i ich tradycyjna prezentacja graficzna była czasochłonna, a uzyskane wyniki niezadawalające. Znacznym usprawnieniem w analizie i prezentacji danych stało się wykorzystanie przedstawionego komputerowego systemu archiwizacji. Wspólne środowisko (w tym przypadku programistyczne) pozwoliło na ocenę zmian filtracyjnych w podłożu zapory. Początkowo rejonizację intensywności procesów filtracyjnych w podłożu wykonano według zaleceń BN (rys 3.1) Podział ten nie pozwalał na wydzielenie obszarów wskazujących na charakter filtracji w poszczególnych seriach skalnych. Rys 3.1. Rozkład filtracji w podłożu zapory Myczkowce według BN Fig 3.1. Filtering intensity distribution in the Myczkowce dam bedrock according to BN W celu bardziej czytelnego przedstawienia zmian właściwości podłoża zapory zaproponowano zmianę podziału wodochłonności (tabela 3.1). Przyjęty podział pozwolił na określenie charakteru wodochłonności masywu skalnego. Przedstawiony na rys 3.2 podział wodochłonności pozwala na wydzielenie części masywu skalnego objętego zdegradowanego (co się objawia między innymi utratą jego kierunkowych właściwości) oraz obszarem rozwoju procesów degradacji. Występowanie w przypowierzchniowej części masywu rejonów objętych intensywną filtracją powoduje, że prace iniekcyjne 361

6 D. GRODECKI Optymalizacja prac wzmacniających i uszczelniających masyw skalny... powinny być tam wykonywane szczególnie starannie, a ich wyniki dokładnie skontrolowane (Dziewański i Grodecki 2000). Tabela 3.1. Zaproponowane zmiany przepuszczalności masywu skalnego w porównaniu do podziału BN Table 3.1. Scope of changes introduced to the partitioning used in BN Podział stosowany wg BN [dm 3 /min*0,01 MPa] <0,01 masyw praktycznie nieprzepuszczalny 0,01-0,03 masyw słabo przepuszczalny Proponowana zmiana podziału na podstawie wyników prac z zapory Myczkowce [dm 3 /min*0,01 MPa] <0,03 masyw słabo przepuszczalny 0,03-0,1 masyw przepuszczalny 0,03-0,1 masyw przepuszczalny Powyżej 0,1 masyw silnie przepuszczalny 0,1-0,3 masyw silnie przepuszczalny 0,3-0,8 rozwój procesów degradacji Powyżej 0,8 masyw zdegradowany Rys 3.2. Rozwój obszarów intensywnej filtracji w podłożu zapory Fig 3.2. Development of the intense filtering areas in the dam bedding Dzięki wprowadzeniu do systemu komputerowego wyników wcześniejszych prac iniekcyjnych możliwe okazało się prześledzenie tempa rozwoju zmian filtracyjnych w podłożu zapory oraz wielkość obniżenia granicy przepuszczalnego masywu skalnego (rys 3.3). Wyznaczona w ten sposób prędkość zmian własności filtracyjnych podłoża pozwala na oszacowanie odporności różnych kompleksów skalnych na wietrzenie wywołane zmianą 362

7 WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie warunków hydrogeologicznych. Określenie dynamiki i granic tych zmian w różnych seriach skalnych wraz z wydzieleniem obszarów filtracji jest istotną informacją w projektowaniu prac iniekcyjnych. Rys 3.3. Zmiana właściwości filtracyjnych masywu skalnego w podłożu zapory w Myczkowcach Fig 3.3. Changes of filtration properties of rock massif in the basement of the Myczkowce water dam 4. Wnioski Rozwój systemów komputerowych wspomagających prace geologiczno-inżynierskie pozwala na wykorzystywanie baz danych do dokumentowania i analizy prac iniekcyjnych. Dzięki wykorzystaniu oprogramowania typu GIS otrzymujemy bazę danych geologicznoinżynierskich o podłożu obiektu. Umożliwia ona szybki dostęp do informacji potrzebnych do prawidłowego zaprojektowania prac iniekcyjnych oraz bieżącą ich analizę. Praca wykonana w ramach projektu badawczego KBN 5T12A00324 Literatura [1] Dziewański J. Iniekcyjna przesłona przeciwfiltracyjna w karpackim fliszowym masywie skalnym podłożu budowli piętrzącej. Wydawnictwo IGSMiE PAN Kraków [2] Dziewański J., Grodecki D. Budowa przesłony przeciwfiltracyjnej pod lewym skrzydłem zapory w Myczkowcach. Stabilizacja masywów skalnych w podłożu budowli hydrotechnicznych. Materiały konferencyjne, Warszawa, 14 września 2000.Wyd. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa 2000 [3] Dziewański J., Grodecki D Metody przedstawienia wyników badań własności filtracyjnych fliszowego masywu skalnego. W: Denudacja stoków w górnych odcinkach zlewni rzek karpackich. Studia, Rozprawy, Monografie nr 47, Kraków. 363

8 D. GRODECKI Optymalizacja prac wzmacniających i uszczelniających masyw skalny... [4] Norma branżowa BN Określenie wodochłonności skał litych. Warunki techniczne i metody badań. Optimization of the bedrock strengthening and sealing work with the use of the GIS software and methodology show on a example of the dam bedrock Strengthening and sealing of the bedrock of hydro-geological structures is a necessary procedure to assure proper binding between ground level dam elements and bedrock. Such work is a essential source of data carrying information about the condition of the bedrock. It is worth to note however that analysis of the injection sealing and strengthening data is difficult due to the small distance between injection holes. In this paper we present the solution based on the GIS software which allows to efficiently collect, model and visualize data. Based on the outcome of modeling and visualization of the current and archival data it becomes possible to assess the results of the injection strengthening and sealing work and develop optimization techniques. Przekazano: 30 marca 2005 r. 364