Mikołaj Łyskowski 1, Ewelina Mazurek 2 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Analiza konsekwencji doboru nieodpowiedniej prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w trakcie interpretacji inżynierskich pomiarów metodą georadarową Wprowadzenie Rosnący popyt na badania geofizyczne dla budownictwa spowodował powstanie wielu małych przedsiębiorstw zajmujących się pomiarami terenowymi i interpretacją danych. Niestety działalność tych firm nie zawsze poparta jest doświadczeniem i wiedzą fachową osób przeprowadzających zlecone pomiary. Brak biegłości w projektowaniu badań i ich interpretacji może doprowadzić do katastrofalnych szkód. Nieprecyzyjność przedstawianych wyników może w znaczącym stopniu zwiększyć koszty inwestycji, a przypadku renowacji zabytków lub ich rekonstrukcji doprowadzić do trwałego uszkodzenia niektórych elementów. Realizacja prac remontowych w oparciu o tego rodzaju wyniki może także generować dodatkowe koszty związane z uszkodzeniami elementów infrastruktury podziemnej, na przykład instalacji elektrycznych czy wodno-kanalizacyjnych (w metodzie georadarowej zwanych ciałami zaburzającymi). Celem prezentowanej pracy jest nakreślenie ważnego aspektu dotyczącego projektowania i interpretacji pomiarów metody georadarowej (GPR z ang. Ground Penetrating Radar). Autorzy skupili się na opisie metody, zasadach projektowania pomiarów ze szczególnym naciskiem na jedną z podstawowych właściwości badanego ośrodka względną przenikalność elektryczną. Wartość tego niezwykle istotnego wskaźnika ośrodka rozpatrywano pod kątem szkód, jakich może dokonać zły dobór w pomiarach wykonywanych zarówno dla potrzeb nowoczesnego budownictwa, prowadzenia prac renowacyjnych, czy rekonstrukcji obiektów zabytkowych. Podstawy metody georadarowej Metoda georadarowa należy do obszernego zestawu metod geoelektrycznych geofizyki inżynierskiej. Jej pomiar bazuje na zapisie wartości amplitudy oraz czasu propagacji sztucznie wygenerowanych fal elektromagnetycznych (EM z ang. Electromagnetic Wave) z zakresu od 12,5 MHz do 6000 MHz (wysokie częstotliwości z ang. HF High Frequency) wysyłanych i odbieranych przez anteny aparatury [3]. Najprostszy zestaw pomiarowy składa się z jednostki centralnej (CPU - z ang. Central Processing Unit), która odpowiedzialna jest za kontrolę pracy oraz synchronizację zegarów nadajnika i odbiornika, rejestrację zapisanych wartości amplitud odbieranej fali oraz ich zapis na dysku twardym laptopa. Za wysyłanie fali EM odpowiedzialna jest antena nadawcza, która podłączona do nadajnika generuje impuls z określoną częstotliwością. Odbita od powierzchni granic lub obiektów, o różnych właściwościach elektrycznych w badanym ośrodku, fala wraca i rejestrowana jest przez antenę odbiorczą w określonym interwale pomiarowym. Odbiornik przekształca zapisaną informację z formy analogowej na cyfrową, po czym przesyła ją do jednostki centralnej [1]. Obecnie produkowanych jest kilka rodzajów anten georadarowych, m.in.: ekranowane (z ang. shielded), nieekranowane (z ang. unshielded), otworowe oraz RTA (z ang. Rough Terrain Antenna antena do pracy w trudnym terenie) [3]. W przypadku pomiarów inżynierskich zastosowanie mają dwa pierwsze typy. Koniecznie w tym miejscu jest zwrócenie uwagi na ich zalety i wady: Anteny ekranowane zamknięte są w obudowie, która jest ekranem elektromagnetycznym. Jego zadanie to m.in. ukierunkowanie generowanej 1 M. Łyskowski AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska. E: lyskowski@geol.agh.edu.pl 2 E. Mazurek AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska. 330 Logistyka 4/2013
fali EM w badany ośrodek. Ekran wykonany jest ze specjalnego tworzywa, który w sposób istotny podnosi wagę aparatury. Obudowa może zawierać w sobie zarówno antenę odbiorczą i nadawczą, jak i każdą osobno. Drugi typ nieekranowany, właśnie z powodu braku ekranu w większym stopniu narażony jest na zapis odbić fali elektromagnetycznej w powietrzu, których źródłem są obiekty naziemne, takie jak drzewa, latarnie, czy samochody. Pomiar georadarem nazywany jest ciągłym, choć w rzeczywistości odbywa się on co pewien interwał odległości i/lub czasu. Fala EM wysyłana jest do ośrodka z pewną częstotliwością, zaś zapis następuje co określony przez operatora krok pomiarowy. Domiar odległości między poszczególnymi rejestracjami kontrolowany jest przez wyzwalacz odległościowy. Mierzy on także długość przebytego dystansu na profilu. Wyzwalacz jest to mechanizm zliczający ilość obrotów odpowiednio skalibrowanego kółka, oddający ją w liczbie przebytych centymetrów i następnie przeliczany na metry bieżące profilu [3]. Prędkość propagacji fali EM w ośrodku, a wynik pomiaru Wśród wielu typów profilowań jakie można wykonać przy użyciu georadaru ważną rolę odgrywa profilowanie WARR (z ang. Wide-Angle Reflection and Refraction). Jego wykonanie jest dość proste, zaś uzyskany wynik jest kluczowy w późniejszej interpretacji. Załączony niżej schemat (rysunek 1.) przedstawia sposób wykonania profilu, opis powstałego echogramu oraz na przykładzie odbić fal elektromagnetycznych, w tym najważniejszej gruntowej, której nachylenie wykorzystuje się do wyliczenia prędkości propagacji fali EM. Rys. 1. Schemat wykonywania pomiaru WARR i interpretacji echogramu wynikowego wraz z przykładem rejestracji w betonie. Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury [1, 3]. Profilowanie WARR od klasycznego pomiaru różni się sposobem wykonania, gdyż przemieszczana jest tylko antena odbiorcza, zaś nadawcza pozostaje nieruchoma. Dzięki temu rejestrowane są fale EM odbite od tych samych warstw, czy też obiektów, ale w odmiennym czasie oraz na różnej odległości. Wynikiem końcowym pomiaru georadarowego jest surowy echogram. Składa się on z tras, czyli zarejestrowanych, odbitych, pojedynczych impulsów fali EM. Zbiór wszystkich tras z kolei tworzy obraz falowy badanego ośrodka. W skład echogramu wchodzą: oś pozioma długość profilu podawana Logistyka 4/2013 331
w metrach bieżących [m] oraz oś pionowa podwojony czas propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku, rejestrowany w nanosekundach [ns]. Aby uzyskać skalę głębokości wymagana jest konwersja czasowo-głębokościowa. Niezbędna do tego procesu jest wiedza dotycząca budowy geologicznej ośrodka. Wiąże się z tym przede wszystkim znajomość właściwości elektrycznych elementów składowych badanego medium. Innym sposobem jest właśnie wykonanie specjalnego profilowania WARR. Z punktu widzenia metody georadarowej najistotniejsza jest właściwość elektryczna badanego ośrodka, na której wartość wpływ mają, między innymi,: zawodnienie/zawilgocenie, zasolenie, porowatość, stan rozluźnienia, skład chemiczny, budowa geologiczna. Podstawową i analizowaną w tej pracy właściwością jest wartość względnej przenikalności elektrycznej/dielektrycznej [bezwymiarowa] ε r. Prawidłowe jej ustalenie ma ogromy wpływ na interpretację, ale także planowanie pomiarów. Niestety w metodzie georadarowej bezpośredni pomiar tej wartości nie jest możliwy. Do tego celu wykorzystane mogą być: dane tabelaryczne, w których dla danego rodzaju ośrodka podany jest przedział wartości; profilowanie prędkości WARR, które także nie wyznacza bezpośrednio wartości względnej przenikalności dielektrycznej, a jedynie parametr ośrodka z niej wynikający, czyli prędkość propagacji fali EM [1]. Wykorzystanie danych tabelarycznych względnej przenikalności elektrycznej do procesu konwersji czasowo-głębokościowej wymaga przeliczenia ich na prędkość propagacji fali EM. Obliczana wartość podawana jest zatem jako iloraz prędkości propagacji fali EM w próżni (c = 0,3 [m/ns]) i pierwiastka kwadratowego z względnej przenikalności elektrycznej badanego ośrodka ε r [3]. Ta zależność pozwala na wyliczenia, których wyniki pokazano na ostatniej rycinie (rysunek 4). Projektowanie pomiarów georadarem Jednym z najważniejszych aspektów wpływających na interpretację jest sposób zaprojektowania pomiaru. W tej kwestii należy pamiętać o prawidłowym doborze anten, które są odpowiedzialne za rozdzielczość oraz zasięg głębokościowy metody. Konieczne jest też zaprojektowanie siatki pomiarowej lub rozmieszczenia profili w taki sposób, aby radar był w stanie wykryć poszukiwany obiekt. Warto również rozważyć wykonanie pomiarów wielokanałowych z użyciem kilku różnych anten równocześnie. Wspomniane wyżej pojęcie rozdzielczości w metodzie georadarowej nie jest jednoznaczne. Pełne wyjaśnienie wymagałoby opisu matematycznego jak i wizualizacji na schemacie, a upraszczając wyróżniamy rozdzielczość poziomą i pionową. Najprostsza definicja podaje, iż jest to minimalna odległość pomiędzy ciałami zaburzającymi o takim samym przekroju czynnym, która pozwala radarowi (antenie) na rozróżnienie obiektów zalegających w badanym ośrodku, tak by na echogramie końcowym były one widoczne jako osobne. Wielkość tego parametru jest także związana bezpośrednio z zasięgiem głębokościowym [1]. Opisując ostatni termin wystarczy wspomnieć, iż im wyższa częstotliwość fali EM emitowanej w głąb ośrodka, tym mniejsza zdolność penetracji wgłębnej prześwietlanego medium, ale wysoka rozdzielczość. Jeśli częstotliwość emitowanej fali EM maleje, obniża się rozdzielczość, ale zwiększa się zasięg głębokościowy [1]. Finalnie, największy wpływ na dobór anten będą miały wyżej wymienione dwa parametry. Ważne jest też, aby w trakcie projektowania siatki pomiarowej, czy profili wykonać to w taki sposób, by nie prowadzić pomiaru równolegle do najdłuższej osi ciała zaburzającego. Stworzenie planu pomiaru związane jest również z doborem anten i określeniem obszaru śledzenia. Ostatni termin oznacza pewnego rodzaju powierzchnię, którą widzi antena w badanym ośrodku oraz rejestruje zmiany w właściwościach elektrycznych tworząc pojedynczą trasę echogramu. Obszar zwiększa się wraz ze spadkiem częstotliwości 332 Logistyka 4/2013
emitowanej fali EM [3]. Dlatego też gęsta siatka przy antenach o niskiej częstotliwości nie jest wymagana i odwrotnie, dla anten HF należy zagęścić pomiar. Wykonane pomiary Pomiary profilowań WARR zostały wykonane przy użyciu kilku typów anten. Do analizy rozważanego problemu wykorzystane zostaną jednak jedynie te wyniki, których pomiar przeprowadzono w ośrodkach, dla których wartości tabelaryczne względnej przenikalności elektrycznej podawane były w dość dużych przedziałach. Wyniki profilowań przedstawiono w sposób pokazujący różnice w przeliczeniu czasowogłębokościowym między skrajnymi wartościami (minimalną i maksymalną). Zestawiono je z wygenerowaną skalą głębokości, otrzymaną dzięki obliczonej prędkości propagacji fali EM z wykonanego profilowania WARR. Wyniki i dyskusja Na schematach (rysunek 2, 3) pokazano echogramy wynikowe profilowań WARR, które powstały w oparciu o dane przetworzone przy użyciu programu ReflexW, w wersji 7. Surowe wyniki nie mogą być przedstawione ze względu na znajdujący się na nich szum elektroniki anten oraz słabą amplitudę fal. Program do przetwarzania, dzięki zastosowaniu funkcji matematycznych na sygnale, pozwala na usunięcie zniekształceń, szumów, filtrację częstotliwościową oraz wzmocnienie i wygładzenie surowego echogramu. Należy jednak pamiętać by ingerencja w surowe dane była minimalna. Efektem tych zabiegów są echogramy wynikowe, które poddaje się interpretacji. Rys. 2. Echogram wynikowy profilowania WARR anteną nieekranowaną 200 MHz w ośrodku skalnym zbudowanym z wapieni. Obok skali głębokości przeliczonej przy użyciu maksymalnej i minimalnej wartości tabelarycznej względnej przenikalności dielektrycznej, oś wygenerowana dzięki wykonanemu pomiarowi. Źródło: opracowanie własne. Logistyka 4/2013 333
Rys. 3. Echogram wynikowy profilowania WARR antenami ekranowanymi 800 i 1600 MHz w ośrodku zbudowanym z betonu. Obok skali głębokości przeliczonej przy użyciu maksymalnej i minimalnej wartości tabelarycznej względnej przenikalności dielektrycznej, oś wygenerowana dzięki wykonanemu pomiarowi. Źródło: opracowanie własne. Analizując uzyskane wyniki można zauważyć, iż tabelaryczne wartości prędkości propagacji fali EM nie zawsze obejmą swoim zakresem pomierzoną profilowaniem WARR wartość (rysunek 2). Powodem tego mogą być m.in. różne warunki pogodowe i/lub bardziej złożona budowa geologiczna badanego górotworu lub obiektu antropogenicznego. Jest to kolejny powód potwierdzający znacznie pomiarów WARR. Załączone na rycinie poniżej (Rys. 4.) informacje są jasnym i przejrzystym dowodem na konieczność zwiększenia precyzji pomiarów z użyciem metody GPR. Szczególnie istotne jest zwrócenie uwagi na przeliczone prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku dla skrajnych wartości względnej przenikalności elektrycznej - ε r. Na przedstawionym echogramie z klasycznego pomiaru georadarowego na utworach wapiennych umieszczono dwie skale głębokościowe. Opisano również przedziały wielkości rozbieżności jakie mogą zaistnieć w trakcie interpretacji. Echogram przedstawiono w taki sposób, by znajdowały się na nim osie wyliczone z wartości skrajnych prędkości propagacji fali EM w ośrodku. Otrzymane wyniki pokazują jasno znaczenie właściwego doboru prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku. Mimo tego, iż analizowany parametr jest kluczową wartością w przypadku metody georadarowej, to często zapomina się o jego znaczeniu. Wizualizacja na przykładach pokazuje jego rangę i uwidacznia, że pomiar prędkości propagacji fali EM w ośrodku jest prosty i szybki, zaś wyniki nieodzowne przy interpretacji. 334 Logistyka 4/2013
Rys. 4. Tabela wartości względnej przenikalności dielektrycznej ośrodka, z wyliczoną prędkością dla skrajnych wartości przedziału. Poniżej echogram wykonany w zamkniętym kamieniołomie wapieni w rejonie centralnej Polski pokazujący różnice wynikające z stosowania się tylko do wartości tabelarycznych (ze względów technicznych nie pozyskano profilu WARR w miejscu tego pomiaru). Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury [1, 2, 4, 5]. Błędy generowane przez nieprawidłową skalę głębokości mogą sięgać kilku metrów, w zależności od tego, gdzie pomiar jest przeprowadzany. W przypadku nowoczesnego budownictwa wielokondygnacyjnego, czy budownictwa przemysłowego nieprecyzyjne wskazanie pustki, uskoku, czy innego obiektu geologicznego albo elementów infrastruktury w podłożu może mieć niekiedy katastrofalne skutki budowlano-finansowe. To samo dotyczy budowy wiaduktów, mostów i innych obiektów infrastruktury kolejowej lub drogowej. Jeśli rozważymy przypadek wykorzystania pomiarów antenami HF w celach poszukiwań instalacji elektrycznych lub kanalizacyjnych w budynkach lub pod drogami/chodnikami to rozbieżności mogą sięgać nawet kilkunastu centymetrów. Koszty naprawy ewentualnych uszkodzeń powstałych na skutek błędnej interpretacji echogramu mogą okazać się zaporowe dla dalszych inwestycji. Wnioski Metoda georadarowa jest jedną z najszybszych, a zarazem nieinwazyjnych metod z zestawu powierzchniowych badań geofizycznych. Jej wyniki są precyzyjne o ile pomiary zostaną prawidłowo zaprojektowane, wykonane oraz zinterpretowane. Konieczne jest precyzyjne podanie wartości prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku. Zaprezentowane wyniki pokazują bardzo duże rozbieżności w przypadku złego doboru tego parametru. Następstwa, jakie mogą wynikać z nieprecyzyjności ich interpretacji mogą mieć negatywne konsekwencje finansowe, a przede wszystkim tragiczne skutki w budownictwie cywilno-przemysłowym. Błędne podanie prędkości, a co za tym idzie zła interpretacja pomiarów, mogą wyraźnie podnieść już zaplanowane koszty zarówno budowlane, jak i związane z działaniami mającymi na celu zabezpieczenie terenów budowy. Logistyka 4/2013 335
Streszczenie Nowoczesne budownictwo oraz inżynieria wymaga precyzyjnych i szybkich pomiarów w miejscach prowadzenia prac inwestycyjnych. W takich zastosowaniach doskonale sprawdza się metoda georadarowa. Możliwe są różnorodne jej aplikacje: od geologicznych, poprzez inżynierskie, poszukiwawcze, a także archeologiczne, co tworzy praktycznie nieskończony zbiór. Autorzy skupili się na analizie wyników georadarowych pod ważnym aspektem, jakim jest dobór właściwej prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w badanym ośrodku. Rzutuje to na dokładność konwersji czasowo-głębokościowej pomiarów. Różnice w przypadku skrajnych, tabelarycznych wartości prędkości, a pomierzonych na miejscu badań potrafią sięgać nawet kilku metrów w pomiarach terenowych. Takie rozbieżności są w stanie doprowadzić do katastrofalnych finansowo skutków w przypadkach budowy, remontów lub rekonstrukcji różnego rodzaju obiektów antropogenicznych. Zwrócona przez Autorów uwaga na ten aspekt, poparta przykładami pomiarów w betonie oraz górotworze jest bardzo ważną kwestią, która może przesądzić o ewentualnych kosztach oraz terminie realizacji inwestycji budowlanych. Słowa kluczowe: georadar, WARR, prędkość, fala elektromagnetyczna, beton, górotwór. ANALYSIS OF THE CONSEQUENCES OF INCORRECT CHOICE OF THE ELECTROMAGNETIC WAVE PROPAGATION VELOCITY IN THE INTERPRETATION OF GPR MEASUREMENTS Abstract Modern building construction and civil engineering works require precise and fast measurements at the construction sites. Ideal for such applications is ground penetrating radar (GPR) method. The method can be applied to a variety of measurements starting from geological site characterization, through exploration and archaeological surveys creating virtually infinite set of applications. The Authors focuses on the one parameter in the analysis of the GPR results: the selection of the correct electromagnetic wave propagation velocity in the investigated medium. The choice affects the accuracy of the time-depth conversion in measurements. In the extreme case the differences between the tabulated value of velocity and the on-site measured can reach up to several meters in the field. Such discrepancies may lead to potentially disastrous financial consequences in case of construction, repair or reconstruction of various types of man-made objects e.g. buildings or bridges. Analysis presented by the Authors, supported by examples of measurements in concrete and rock formations emphasize this very important issue, which can influence on expected construction costs and time. Keywords: GPR, WARR, velocity, electromagnetic wave, concrete, rock formation. Literatura [1] Annan A.P.: Ground Penetrating Radar Workshop Notes, Sensors & Software Inc., Ontario - Canada, (2001). [2] Daniels D. J.: Ground Penetrating Radar - 2nd Edition, The Institution of Electrical Engineers, London 2004, ISBN 0-86341-360-9. [3] Karczewski J., Ortyl Ł. Pasternak M.: Zarys metody georadarowej, Wydanie drugie poprawione i rozszerzone, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH Kraków, Kraków 2011, ISBN 978-83-7464-422-8. [4] OYO Japan, OYO Georadar I Manual, Tsukuba 1988. 336 Logistyka 4/2013
[5] Reynolds J. M.: An Introduction to Applied and Environmental Geophysics, John Wiley & Sons Ltd., England 1997, ISBN 0-471-96802-1 - 0471-95555-8. Logistyka 4/2013 337