WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 457 472 Zenon PILECKI *, Jerzy KŁOSIŃSKI ** * Akademia Górniczo Hutnicza/Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków ** Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu madowego za pomocą metody sejsmicznej Streszczenie Przedstawiono rozpoznanie stanu podłoża gruntowego obwałowań przeciwpowodziowych na terenie os. Mogiła Lesisko w Krakowie. Analizowano zmiany prędkości refrakcyjnej i bezpośredniej fali sejsmicznej typu P oraz zmiany współczynnika tłumienia tych fal w strefie aeracji. Dla potrzeb oceny stanu podłoża wykorzystano wyniki badań geologicznoinżynierskich. W wyniku kompleksowej analizy danych wyznaczono odcinki charakteryzujące się szczególnym osłabieniem. 1. Wprowadzenie Na podstawie materiałów archiwalnych [4], a także współczesnych obserwacji tereny położone na tarasie niższym rzeki Wisły w Krakowie, w sąsiedztwie starszych, niemodernizowanych obwałowań rzecznych należą do zagrożonych powodziami. Obwałowania rzeki Wisły wraz z dopływami na odcinku od stopnia Dąbie do stopnia Przewóz zostały zbudowane przed pierwszą wojną światową (rys. 1.1). Obecnie, po kilkudziesięcioletniej eksploatacji, ich znaczna część jest w złym stanie technicznym [4]. Materiał korpusu obwałowania jest osłabiony (stan zagęszczenia gruntów jest poniżej wymaganego dla tej klasy obwałowania), a odcinkami obwałowania mają niewystarczająca wysokość. W aspekcie planowanych prac modernizacyjnych obwałowania rzeki Wisły istotnym jest rozpoznanie stanu geotechnicznego podłoża obwałowania. W niniejszej pracy pokazano sposób takiego rozpoznania za pomocą metody sejsmicznej. Rozpoznanie to przeprowadzono na podstawie zmian prędkości refrakcyjnej i bezpośredniej fali sejsmicznej typu P oraz zmian współczynnika tłumienia tych fal w strefie aeracji w podłożu gruntowym a także archiwalnych informacji geotechnicznych o stanie podłoża obwałowania na badanych odcinkach. Przedstawiono wyniki pomiarów na wybranych, szczególnie stwarzających zagrożenie podtopieniem odcinkach obwałowań na terenie os. Mogiła Lesisko. 2. Podstawy fizyczne przeprowadzonych badań Do oceny stanu obwałowań i ich podłoża wykorzystuje się coraz częściej metody geofizyczne. W literaturze krajowej i zagranicznej znane są zastosowania głównie metody 457

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... georadarowej, elektrooporowej i sejsmicznej (Ślusarczyk 1992; Mościcki 1992; Madej 1992; Larsson i Mattsson 2003; Jakóbiec Kwaśnicka i Wróbel 2004; Pilecki 2004). Metody te należą do metod nieniszczących, pozwalających na prowadzenie rozpoznania w sposób ciągły i względnie atrakcyjny ekonomicznie. Rys. 1.1. Mapa z rejonu badań (na podstawie [1]) Fig. 1.1. The map of investigation site (on the basis of [1]) Należy podkreślić, że wyniki pomiarów geofizycznych mają na ogół charakter jakościowy i nie pozwalają na wyznaczenie w sposób bezpośredni parametrów geotechnicznych, których używa się w obliczeniach konstrukcyjnych. Oceny ilościowe są możliwe jedynie w przypadku wyskalowania mierzonych parametrów geofizycznych z odpowiednimi parametrami geotechnicznymi w konkretnych warunkach. Generalnie, metoda sejsmiczna może być wykorzystana do rozpoznania stanu korpusu obwałowania i jego podłoża, struktury ośrodka i litologii czy lokalizacji zwierciadła wód gruntowych. W szczególności metoda ta pozwala na lokalizację stref anomalnych związanych z osłabieniem lub wzmocnieniem ośrodka gruntowego. W celu realizacji tych zadań używane są techniki profilowania refrakcyjnego, refleksyjnego oraz różne typy prześwietlania. Podstawowymi bezpośrednimi parametrami wyznaczanymi z pomiarów sejsmicznych są prędkości fal P i S oraz współczynnik tłumienia fal sejsmicznych. Parametry te zależą od wielu cech fizycznych ośrodka gruntowego, z których do najistotniejszych należy zaliczyć porowatość wraz z nieciągłościami, gęstość, skład mineralny i wypełnienie przestrzeni porowej mediami. Granice sejsmiczne, które niekoniecznie są granicami litologicznymi, wyznaczają strefy charakteryzujące się konkretną sprężystością. Natomiast tłumienie charakteryzuje zdolność 458

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie ośrodka do dyspersji energii sejsmicznej. Wskazuje ono na strefy osłabienia lub wzmocnienia właściwości ośrodka i opisuje jego zachowanie mechaniczne. Istotnym czynnikiem wpływającym na pomiar parametrów sejsmicznych jest również stan naprężenia i deformacji. W ośrodku gruntowym prędkość fal ze wzrostem głębokości wyraźnie się zwiększa. Ilustracją tej zależności może być zmiana prędkości fal P i S w nieskonsolidowanym piasku (Bachrach i in. 1998) (rys. 2.1). Na ogół w rozwiązywaniu przypowierzchniowych zadań inżynierskich, pomiary sejsmiczne tak się projektuje, aby wpływ naprężenia był pomijalny. Zakłada się również, że procesy termodynamiczne w konkretnych warunkach pomiarowych mają równomierny wpływ na sposób rozchodzenia się fal sejsmicznych. Rys. 2.1. Zmiana prędkości fal P i S ze wzrostem głębokości w nieskonsolidowanym piasku (Bachrach i in. 1998) Fig. 2.1. The changes of P nad S-wave velocity with depth increase in unconsolidation sand (Bachrach i in. 1998) W warunkach rozwoju procesu niszczenia prowadzącego do utraty stateczności układu podłoże obwałowanie, charakterystyczne zmiany właściwości gruntu zachodzą nie tylko w korpusie obwałowania, lecz również w podłożu ([3], Gilvear i in. 1994; Larsson i Mattsson 2003, Pilecki 2004, [17]). Proces niszczenia jest bardziej intensywny w przypadku podłoża przepuszczalnego. Badania sejsmiczne pozwalają na lokalizację stref osłabienia w podłożu, które mogą być przyczyną lub są efektem procesu niszczenia. W zagadnieniach stateczności obwałowań, metoda sejsmiczna ma również zastosowanie do rozpoznania różnego rodzaju zmian w budowie geologicznej ośrodka oraz położenia poziomu wód gruntowych, które mogą mieć zasadniczy wpływ na zachowanie się układu korpusu obwałowania i jego podłoża. Pomiary sejsmiczne wykonane w różnych okresach mogą dostarczyć informacji o czasoprzestrzennych zmianach stanu mechanicznego gruntu na przykład wskutek filtracji wody, wahania poziomu wód gruntowych, a także wskutek różnego rodzaju prac geoinżynierskich. 459

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... Należy podkreślić, że wynik interpretacji sejsmicznej, czy innych metod geofizycznych, ma charakter wieloznaczny. Anomalne zmiany parametrów sejsmicznych mogą wynikać z różnych przyczyn. Na przykład strefa obniżonej prędkości fali refrakcyjnej typu P może być z jednej strony efektem zmian w litologii, a z drugiej strony efektem osłabienia ośrodka pod wpływem wody. Wyniki badań sejsmicznych wymagają korelacji, najkorzystniej z danymi z otworów badawczych, lub z inną odpowiednio dobraną do warunków metodą geofizyczną lub geotechniczną. Badania sejsmiczne przedstawione w pracy, dotyczą analizy zmian parametrów sejsmicznych w strefie aeracji. Rozpoznanie granic sejsmicznych poniżej poziomu wody wymaga odmiennej techniki pomiarowej. 3. Charakterystyka obwałowania na terenie badań Korona obwałowania położona jest na wysokości rzędnej od 201,3 m npm do 201,4 m npm (rys. 3.1 i 3.2). Wysokość obwałowania w odniesieniu do morfologii terenu jest zmienna i wynosi: od 2,6 m do 4,6 m. Szerokość w koronie wynosi 3 m, a nachylenie skarp odwodnej w stosunku 1:2 i odpowietrznej w stosunku 1:1,5. Lokalnie po koronie wału przebiega utwardzona droga. Obwałowania wybudowano z materiału miejscowego tj. piasku gliniastego, gliny pylastej lokalnie z przewarstwieniami piasku. Rys. 3.1. Przekrój poprzeczny geologiczno-inżynierski P-14 (na podstawie [4]) Fig. 3.1. The geological engineering cross-section P-14 (on the basis [4]) W czasie rozpoznania w terenie nie stwierdzono obrywów ani większych uszkodzeń powierzchni obwałowania. Korona jest często nieregularna, jednostronnie znacznie nachylona. Międzywale po obu stronach rzeki to tereny zalewowe, głównie łąki porośnięte kępami drzew i krzewów. Szerzej charakterystykę obwałowań omówiono w dokumentacjach archiwalnych [4, 5 i 6], podkreślając następujące zagadnienia: 1) Obwałowania Wisły, obustronnie na badanym odcinku zostały wykonane z niejednorodnych gruntów spoistych z przewarstwieniami piasków gliniastych i posiadają 460

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie generalnie niedostateczne zagęszczenie w stosunku do wymagań dla I klasy budowli. 2) W podłożu obwałowania w części przypowierzchniowej występują niejednorodne grunty spoiste, poniżej zalegają zawodnione piaski i żwiry dochodzące do stropu szczelnych utworów miocenu na głębokościach 10 12 m poniżej powierzchni terenu. 3) Na rozpoznawanym odcinku obwałowania poziom wody gruntowej koreluje z lustrem wody w rzece, a przy wielkich wezbraniach pod obwałowaniem i na zawalu występują wody naporowe i subartezyjskie. Filtracja wody z koryta Wisły na zawalu przy wysokich stanach wody ma miejsce głównie przez warstwę piasków i żwirów o miąższości ok. 8-10 m zalegającą nad stropem iłów mioceńskich. 4) Mimo wad technicznych obwałowania na badanym odcinku zachowują stateczność. Rys. 3.2. Przekrój poprzeczny geologiczno-inżynierski P-15 (na podstawie [4]) Fig. 3.2. The geological engineering cross section P-15 (on the basis [4]) 4. Ogólna budowa geologiczna rejonu badań Omawiany obszar doliny Wisły położony jest w środkowej części Zapadliska Przedkarpackiego, które zbudowane jest z utworów miocenu. W czwartorzędzie Wisła wycięła w ilastych utworach miocenu swoje koryto. Procesy zachodzące w plejstocenie, podczas okresów glacjalnych i preglacjalnych, spowodowały przemieszczenia koryta Wisły w kierunku południowym i zasypywanie rzeki osadem plejstoceńskim pochodzącym z topnienia lodowców. Po obu stronach Wisły, w części wschodniej Krakowa i dalej na wschód, A. Kleczkowski (1972) wyróżnia trzy wyraźnie rozgraniczone jednostki: taras niski na poziomie około 200 m npm i szerokości ok. 1 3 km; taras wysoki na poziomie około 200-220 m npm o szerokości ok. 2 km; pas wzgórz północnych, osiągający w pobliżu badanego terenu około 275 m npm (rys. 4.1). Na terenie tych jednostek, generalnie występują trzy wyraźnie różniące się między sobą kompleksy: osadów lessowatych, piaszczysto-żwirowych i ilastych. Na tarasie niskim utwory pokrywowe są typu madowego i powstały w wyniku rozlewisk Wisły. Mioceński, najniższy kompleks ilasty zbudowany jest z szarych, niekiedy zielonkawych 461

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... iłów zwykle zwięzłych, silnie wapnistych. W iłach stwierdza się czasem otoczaki i głazy skandynawskie. Są to przypuszczalnie pozostałości zlodowacenia krakowskiego. Kompleks mioceński występuje na terenie badań na głębokości poniżej 12 15 m. Plejstoceński (czwartorzędowy) kompleks piaszczysto żwirowy charakteryzuje się zmiennością litologiczną. A. Kleczkowski (1972) dokonał podziału tego kompleksu na cztery poziomy ze względu na dość urozmaicony skład litologiczny i granulometryczny. Rys. 4.1. Przekrój poprzeczny przez tarasy Wisły na wschód od Krakowa wg A. Kleczkowskiego (1972) Fig. 4.1. The cross-section along Wisla river taraces in the eastern direction from Krakow according to A. Kleczkowski (1972) Wśród otoczaków i fragmentów występują wapienie i krzemienie pochodzące ze skał jurajskich, fragmenty kredy (cenonom, turon), piaskowce i rogowce związane z fliszem karpackim, oraz krystaliczne skały skandynawskie. Z badań przeprowadzonych nad ustaleniem pochodzenia poszczególnych poziomów żwirowych wynika, że żwirowiska dolne powstały we wcześniejszym stadium zlodowacenia środkowopolskiego, żwirowiska środkowe i górne w późniejszym stadium zlodowacenia środkowopolskiego, a żwirowiska pokrywowe we wcześniejszym stadium zlodowacenia bałtyckiego. Na tarasie niższym na terenie badań występują głównie żwirowiska dolne, w których zaznacza się duży udział (do 80%) piaskowców szarozielonkawych mikowych. Są to prawdopodobnie glaukonitowe piaskowce godulskie. Piaskowcom towarzyszą czarne rogowce i otoczaki łupków krzemionkowych oraz mlecznobiałe kwarce. Oprócz tych skał występują wapienie i krzemienie w ilości 5 10%. Wśród największych (10 18 cm) otoczaków w tej części profilu przeważają piaskowce i buły krzemienne. Półprzepuszczalny kompleks osadów lessowatych, leżący powyżej utworów żwirowopiaszczystych, jest zbudowany głównie z glin pylastych i pyłów koloru jasno-żółtego, a czasem szarego (rys. 4.2). Występują też piaski pylaste i piaski. Charakterystyka geologicznoinżynierska kompleksu została szerzej omówiona w kolejnym rozdziale. W kompleksie tym mogą występować, około 2 3 m ponad stropem żwirowisk, torfy oraz ciemnoszare lub brązowoczarne plastyczne namuły miąższości kilkudziesięciu cm do 2 m. W kilku poziomach pojawiają się także cienkie przeławicenia piaszczysto-żwirowe oraz silnie zawodnione piaski niekiedy pylaste typu kurzawek. Kompleks osadów lessowatych należy stratygraficznie do 462

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie późnego stadium zlodowacenia bałtyckiego i holocenu. Tereny położone w bezpośrednim sąsiedztwie koryta Wisły charakteryzują się prawie wyłącznie występowaniem utworów piaszczysto-żwirowych facji nurtowej. Rys. 4.2. Syntetyczny przekrój podłużny wzdłuż otworów WL-14 i WL-15 (na podstawie [4]) Fig. 4.2. Synthetic cross-section along WL-14 and WL-15 boreholes (on the basis [4]) Dalej od brzegów występuje facja rozlewiskowa (powodziowa) gdzie przeważają osady gliniaste mady. Osiągają one miąższość maksymalnie do 4,0 m, średnio 2,0 m. Najmłodszymi osadami są utwory antropogeniczne, czyli nasypy wałów przeciwpowodziowych usypane z miejscowych holoceńskich gruntów gliniasto-piaszczystych. 5. Charakterystyka geologiczno inżynierska podłoża gruntowego obwałowania 5.1. Wprowadzenie Na podstawie informacji o genezie i litologii gruntów oraz wyników badań parametrów geotechnicznych wydzielono 4 główne warstwy geotechniczne [4] (rys. 4.2): Warstwa I grunty korpusu obwałowania (piaski drobne, piaski gliniaste, glina pylasta, glina piaszczysta, gliny). Warstwa II grunty podłoża spoiste (piaski gliniaste, gliny, gliny pylaste, pyły), Warstwa III grunty podłoża organiczne (namuły pylaste) nie występują w opracowanych przekrojach geologiczno-inżynierskich na terenie badań. Warstwa IV grunty podłoża niespoiste (piaski i żwiry). W dalszej części opracowania szerzej omówiono jedynie grunty podłoża obwałowania. 463

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... 5.2. Właściwości geotechniczne podłoża gruntowego W części przypowierzchniowej są to przeważnie grunty spoiste - warstwa II, a głębiej niespoiste (piaszczysto-żwirowe) warstwa IV. Całkowita miąższość czwartorzędowych utworów akumulacji rzecznej wynosi około 12 15 m. Lokalnie w obniżeniach mogą występować wkładki o niewielkiej miąższości gruntów organicznych - warstwa III. Warstwa II to grunty spoiste typu madowego występujące od powierzchni w postaci różnego rodzaju glin o barwie szaro żółto brązowej z nieregularnymi przewarstwieniami pyłu i piasku pylastego. Średnia miąższość warstwy II pod wałem prawym 1,99 m i lewym 1,81 m. Na podstawie zawartości frakcji pylastej i ilastej, decydującej o przepuszczalności, grunty te rozdzielono na dwie warstwy geotechniczne: Warstwa IIa to mało spoiste i średniospoiste piaski gliniaste i gliny pylaste oraz lokalnie pyły. Grunty te występują generalnie w stanie plastycznym o I L = 0,16 0,44, średnio 0,28. Miąższość gruntów warstwy IIa pomimo, iż zalega ona stosunkowo równomiernie jest zmienna i waha się od 0,5 do 3,8 m. Warstwa IIb to gliny zwięzłe. Grunty te o miąższości około 0,5 2,5 m zalegają w sposób nieciągły jako wkładki i soczewki wśród gruntów warstwy IIa. Warstwa III to grunty organiczne - namuły pylaste o barwie od szaro-popielatej do szaroniebieskiej. Grunty te w postaci cienkich wkładek i soczewek występują sporadycznie i lokalnie w samym spągu najniżej położonych wyżłobień erozyjnych stanowiących pozostałość po dawnych starorzeczach i zastoiskach. Grunty te posiadają konsystencję plastyczną o I L = 0,35 i stosunkowo niewielką zawartość części organicznych I om = 2,5 4 %. Warstwa IV to grunty niespoiste piaski głębiej przechodzące w żwiry i pospółki o barwie szarej lub szaro-brązowej o zmiennym zagęszczeniu od luźnego w stropie, z głębokością przechodzące do średnio-zagęszczonego i zagęszczonego. Warstwa ta zalega średnio do głębokości 10 12 m z tym, iż wraz z głębokością zwiększa się zawartość frakcji grubszych. Ze względu na zagęszczenie, uziarnienie i związany z tym współczynnik filtracji warstwę tą rozdzielono na 2 podwarstwy: Warstwa IVa to piaski drobne i średnie o barwie żółtoszarej do brązowej, lokalnie z domieszką pylastych, najczęściej luźne na pograniczu średniozagęszczonych o I D = 0,38, zalegające bezpośrednio pod warstwą gruntów spoistych. Warstwa ta osiąga miąższość 1,5 3,5 m. Warstwa IVb to pospółki i żwiry do rozpoznanej głębokości średnio-zagęszczone o I D = 0,55, w stropie o barwie szaro-brązowej wraz z głębokością przechodzące w szare. Jak wynika z wierceń archiwalnych warstwa ta zalega stosunkowo regularnie do głębokości około 12 m. W tabeli 5.1 zamieszczono wyniki badań podstawowych parametrów geotechnicznych wyróżnionych warstw. 5.3. Warunki hydrogeologiczne Na omawianym terenie występuje jeden poziom wodonośny związany z utworami piaszczysto-żwirowymi zalegającymi powyżej iłów mioceńskich oraz poniżej gruntów madowych. Generalnie, zwierciadło wody ma charakter swobodny i stabilizuje się na rzędnych 194,0 195,7 m npm zależnie od odległości od koryta rzeki i stopnia wodnego Przewóz. 464

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Lokalnie, gdzie spąg gruntów madowych zalega głębiej, zwierciadło wody wykazuje charakter lekko napięty i stabilizuje się powyżej stropu warstwy piaszczystej. Tabela 5.1 Zestawienie podstawowych parametrów geotechnicznych gruntów podłoża [4] Table 5.1 The basic geotechnical parameters of soil basement [4] L.p. Parametr Warstwy geotechniczne IIa IIb III IVa IVb 1 Stopień zagęszczenia - I D - - - 0,38 0,55 2 Stopień plastyczności - I L 0,28 0,32 0,35 - - 3 Wilgotność naturalna - Wn (n) [%] 18,3 27,5 26,0 22,0 18,0 4 Gęstość objętościowa - [Mg/m 3 ] 1,95 2,0 1,9 1,98 2,0 5 Spójność - c u [kpa] 11,0 17,0 8,0 - - 6 Kąt tarcia wewnętrznego - u [%] 10,0 8,0 6,0 31,0 37,0 7 Zaw. cz. organicznych I om [%] 0,0-1,7 0,0-2,01 0,0-4,5 - - 8 Wsp. filtracji k [m/s] 1,5 x 10-7 4,2 x 10-8 1,5 x 10-7 1,76 x 10-4 3,2 x 10-4 9 Współczynnik nośności: ND NC NB 2,47 8,34 0,19 465 2,06 7,53 0,11 1,72 6,81 0,06 20,63 32,67 8,85 42,92 55,63 23,69 Zasilanie utworów wodonośnych następuje przez infiltrację wody z dopływów Wisły oraz przez bezpośrednie przesiąkanie wód opadowych. Zasilanie utworów wodonośnych z dopływów Wisły zachodzi intensywnie w rynnach plejstoceńskich w podłożu ilastym wypełnionym piaskiem i żwirem. Wody Wisły są spiętrzone stopniem w Przewozie. Rzędna normalnego poziomu spiętrzenia w przekroju stopnia wynosi 195,20 m. npm. Poziom wód gruntowych w sąsiedztwie rzeki układa się generalnie na poziomie normalnego spiętrzenia stopniem w Przewozie. W okresie występowania wysokich stanów wody w międzywalu następuje podtopienie terenów najniżej leżących, głównie wodami własnymi dopływów wobec braku odpływu przez zamknięte przepusty wałowe do międzywala Wisły. Przy zamkniętej klapie zwrotnej przepustu wałowego następuje podtopienie zabudowań. Generalnie, nisko położone obszary zawala Wisły na odcinku między stopniami wodnymi Dąbie i Przewóz na znacznej swojej powierzchni są nadmiernie zawodnione. Zbyt wysoko położone zwierciadło wód gruntowych nie sprzyja ani terenom upraw rolniczych ani obszarom budowlanym. 6. Metodyka badań sejsmicznych 6.1. Zakres badań Pomiary sejsmiczne przeprowadzono w miesiącu sierpniu 2004 roku. Wykonano 660 mb profili sejsmicznych na odcinkach podłoża wałów stwarzających potencjalne zagrożenie powodziowe. Położenie profili sejsmicznych pokazano na rysunku 6.1. 6. 2. Metodyka pomiarowa Prace sejsmiczne zostały przeprowadzone za pomocą techniki profilowania refrakcyjnego.

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... Uogólniony schemat refrakcyjnego profilowania sejsmicznego przedstawiono na rysunku 6.2. a) b) Rys. 6.1. Szkic terenów pomiarowych; a) teren 1 profile AA i BB ; b) teren 2 profile CC i DD (na podstawie [13]) Fig. 6.1. The sketch of survey terrain; a) site 1 profiles AA and BB ; b) site 2 profile CC and DD (on the basis [13]) 466

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie V1 prędkość fal P w warstwie 1, V2 prędkość fal P w warstwie 2, H1 miąższość warstwy 1, i1 kąt krytyczny dla fali refrakcyjnej na granicy warstw 1 i 2 Rys. 6.2. Schemat refrakcyjnego profilowania sejsmicznego Fig. 6.2. The scheme of refraction profiling Przyjęto następującą metodykę pomiarową: - długość rozstawu: 115 m, - odstęp między czujnikami: 5 m, - zakładka pomiędzy rozstawami: 15 m, - położenie punktu wzbudzania na rozstawie: -7 m; 2,5 m; 12,5m; 32,5 m; 52,5 m; 72,5 m; 92,5m; 112,5 m; 122 m. - próbkowanie sygnału: 0,125 ms., - czas rejestracji: 0,512 sek., - wzbudzanie fali sejsmicznej: 6 kg młot, - składanie pionowe: 5-8 krotne. 6.3. Metodyka przetwarzania i interpretacji danych sejsmicznych 6.3.1. Wyznaczanie prędkości i granic refrakcyjnych Wstępne przetwarzanie danych refrakcyjnych profilowań sejsmicznych wykonano przy pomocy programu PickWin95 (prod. OYO). Przetwarzanie to polegało na sortowaniu tras, składaniu, filtracji częstotliwościowej 20 Hz 140 Hz, (20 db/oct), filtracji prędkościowej, wyznaczeniu czasów wejścia fali bezpośredniej i pierwszych wejść fali refrakcyjnej. Wstępnie opracowane pliki zostały w kolejnym etapie przetworzone w programie interpretacyjnym Plotrefa (prod. OYO). W programie tym dane sejsmiczne uzupełniono opisem ukształtowania terenu wzdłuż profili sejsmicznych, współrzędnymi położenia czujników i punktów wzbudzania fali, a następnie obliczono model prędkościowy i głębokościowy za pomocą uogólnionej metody czasu wzajemnego GRM (ang. Generalized Reciprocal Method). Korekty modelu dokonano metodą analizy odwrotnej. Zmieniając położenie granic modelu głębokościowego dopasowano hodografy obliczone do obserwowanych w taki sposób, aby średni błąd kwadratowy był minimalny. 6.3.2. Wyznaczanie współczynników tłumienia fal sejsmicznych Tłumienie fal sejsmicznych analizowano pod kątem zaniku z odległością od źródła maksymalnych amplitud bezpośredniej i refrakcyjnej fali P w strefie aeracji. Obliczenia 467

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... współczynnika tłumienia maksymalnej amplitudy fali P przeprowadzono w następujących etapach: a) wyznaczono maksymalne wartości amplitudy fal P w polu dalekim, w strefie aeracji modelu sejsmicznego ośrodka dla poszczególnych geofonów, b) znormalizowano wielkości amplitud, c) obliczono współczynniki tłumienia z aproksymacji liniowej danych pomiarowych w układzie logarytmicznym. 6.4. Aparatura pomiarowa Pomiary przeprowadzono za pomocą 24. kanałowej aparatury sejsmicznej Geode produkcji USA. Aparatura ta charakteryzuje się dynamiką systemową 144 db i rozdzielczością 24 bitów. Do pomiarów wykorzystano geofony o częstotliwości własnej 14 Hz produkcji Geospace Inc., USA. System pomiarowy był obsługiwany za pomocą oprogramowania MGOS (ang. Multiple Geode Operation System) firmy Geometrics Inc. produkcji USA. 7. Wyniki pomiarów sejsmicznych i ich analiza 7.1. Wprowadzenie Przyjęto, że model ośrodka składa się z 2 warstw sejsmicznych. Pierwsza obejmuje strefę aeracji, a górna granica drugiej jest poziomem wody gruntowej. Dla każdego profilu przedstawiono dwa rodzaje ilustracji wyników interpretację sejsmiczną i geotechniczną. Sejsmiczna pokazuje przebieg granicy i zmiany prędkości fali refrakcyjnej w strefie aeracji (rys. 7.1). Interpretacja geotechniczna pokazuje zmiany współczynnika tłumienia w strefie aeracji ośrodka wraz ze strefami anomalnymi wyróżnionymi na podstawie kompleksowej analizy wielkości prędkości refrakcyjnej fali P, współczynników tłumienia i charakteru warunków wodnych. Strefy anomalne wskazują na istotne osłabienie właściwości ośrodka gruntowego. 0-2 160 165 Grunty spoiste 160 170-4 -6-8 1 770 1770 1770 Grunty zawodnione -10 [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 00 110 [m ] Rys. 7.1. Przekrój sejsmiczny wzdłuż profilu A-A Fig. 7.1. The seismic cross-section through A-A profile Poniżej opisano zmiany wielkości prędkości fali refrakcyjnej P oraz współczynnika tłumienia na obu profilach pomiarowych. 468

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 7.2. Wyniki badań na profilu 1 Wyniki badań zilustrowano na rysunku 7.2. W przyjętym dwuwarstwowym modelu podłoża wyinterpretowano następujące wielkości: Warstwa I Prędkości refrakcyjne V P w warstwie pierwszej zmieniają się od 120 m/s do 170 m/s. Wyższe wartości prędkości występują od strony zawala. Grubość warstwy I zmienia się od 1,9 m do 3,7 m. Warstwa II Prędkości refrakcyjne V P są bardzo mało zmienne - na poziomie 1760 m/s. Głębokość położenia górnej granicy tej warstwy, która wskazuje na poziom zawodnienia ośrodka wynosi od 1,9 m do 3,7 m. Współczynnik tłumienia wyznaczony w I warstwie modelu (w strefie aeracji) po stronie międzywala zmienia się od 0,286 do 0,377 natomiast po stronie zawala zmienia się od 0,325 do 0,369. W końcowej, wschodniej części profilu BB zaznaczono strefę anomalną ze względu na bardzo wysoką wartość współczynnika tłumienia oraz obniżenie poziomu wód gruntowych co może oznaczać napięty jego charakter. 7.3. Wyniki badań na profilu 2 Rys. 7.2. Wyniki badań sejsmicznych teren badań 1 Fig. 7.2. Results of seismic surveys site 1 Wyniki badań zilustrowano na rysunku 7.3. W przyjętym dwuwarstwowym modelu podłoża wyinterpretowano następujące wielkości: Warstwa I Prędkości V P w warstwie pierwszej zmieniają się od 145 m/s do 240 m/s. Generalnie, wyższe prędkości wyznaczono od strony zawala (powyżej 190 m/s). Prędkości od strony międzywala nie przekraczały 150 m/s. Grubość tej warstwy zmienia się od 2,0 m do 3,3 m. 469

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... Warstwa II Prędkości refrakcyjne V P zmieniają się od 1650 m/s do 1670 m/s i należy przyjąć, że są jednakowe w granicach błędu pomiarowego. Głębokość górnej granicy warstwy, podobnie jak na profilu 1 odpowiada granicy zawodnienia ośrodka wynosi od 2,0 m do 3,3 m. Współczynnik tłumienia w strefie aeracji zmienia się od 0,345 do 0,423 po stronie międzywala natomiast po stronie zawala zmienia się od 0,320 do 0,410. Na obu profilach CC i DD wyznaczono strefy anomalne. Strefy te charakteryzują się przede wszystkim bardzo wysokim współczynnikiem tłumienia powyżej 0,37, a na profilu CC we wschodniej jego części występują dodatkowo ponad jednometrowe wahania poziomu zawodnienia ośrodka na krótkim kilkunastometrowym odcinku. Na rysunku 7.3 zaznaczono dodatkowo strefy szczególnego osłabienia podłoża, odpowiadające takim odcinkom podłoża obwałowania, na których z obu jego stron (zawala i międzywala) występują anomalne strefy osłabienia. 8. Podsumowanie Rys. 7.3. Wyniki badań sejsmicznych teren badań 2 Fig. 7.3. Results of seismic surveys site 2 Z badań geologiczno-inżynierskich wynika, że w pierwszej przypowierzchniowej warstwie podłoża obwałowania rzeki Wisły występują na ogół gleby, piaski pylaste, piaski gliniaste i gliny. Grunt w tej warstwie (strefa aeracji) charakteryzuje się zmianami wilgotności od stanu suchego do w pełni nasyconego wodą na poziomie wody gruntowej. Grubość tej warstwy zmienia się od 1,9 m do 3,7 m na profilu 1 i od 2,0 m do 3,3 m na profilu 2. 470

WARSZTATY 2005 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Generalnie, na podstawie pomiaru współczynnika tłumienia i prędkości fal, należy stwierdzić, że podłoże w warstwie aeracji charakteryzuje się bardzo słabymi właściwościami sprężystymi i wytrzymałościowymi. Na tle tych ogólnie bardzo słabych właściwości wyróżniono dodatkowo tzw. strefy anomalne i strefy szczególnego osłabienia podłoża. Strefy anomalne związane są z wysokimi wartościami współczynnika tłumienia powyżej 0,37 i ewentualnymi wahaniami poziomu wody gruntowej. Strefy te występują na obu profilach od strony zawala i międzywala, lecz w sposób zróżnicowany. Na odcinkach obwałowania, gdzie strefy anomalne występują po obu jego stronach wyznaczono tzw. strefy szczególnego osłabienia. Strefy te wymagają szczególnej staranności przy pracach modernizacyjnych, które miałyby na celu uszczelnienie i wzmocnienie podłoża. Drugą warstwę na badanych odcinkach podłoża tworzą różnego rodzaju zawodnione żwiry, piaski i pospółki o zmiennym stopniu zailenia. Metodyka badań sejsmicznych nie była ukierunkowana na rozpoznanie właściwości tej warstwy, gdyż z drugiej strony warstwa ta generalnie posiada korzystne cechy dla posadowienia obwałowania. Literatura [1] Atlas Miasta Krakowa. 2002-2003, skala 1:15000, Wyd. II, Copernicus, PPWK, Warszawa. [2] Bachrach R., Dvorkin J., Nur A. 1998: High resolution shallow seismic experiments in sand. Highresolution shallow-seismic experiments in sand, Part II: Velocities in shallow unconsolidated sand. Geophysics, vol. 63, issue 4, 1234-1240 [3] Considerations EM 1110-2-1908, 1995: Behaviour of embankments and abutments. [4] Dokumentacja 2000a: Ocena geotechniczna wałów Wisły i podłoża na odcinku od stopnia Dąbie do stopnia Przewóz w Krakowie. Geotester, Kraków (praca niepublikowana). [5] Dokumentacja 2000b: Ocena oddziaływania na środowisko Geotester, Kraków, (praca niepublikowana). [6] Dokumentacja 2000c: Wykonanie pomiaru testującego możliwość zastosowania techniki georadarowej dla oceny warunków strukturalnych i jednorodności korpusu obwałowań przeciwpowodziowych. Bylica K. i in., Geopartner Sp z o.o., Kraków, (praca niepublikowana). [7] Dokumentacja 2004: Wyniki pomiarów sejsmicznych na wybranych odcinkach wałów przeciwpowodziowych w województwie małopolskim. Pilecki Z. i in., IGSMiE PAN, Kraków, (praca niepublikowana). [8] Gilvear D.J., Davies J.R., Winterbottom S.J. 1994: Mechanism of floodbank failure during large flood events on the rivers Tay and Earn, Scotland. Quaterly Journal of Engineering Geology 27, 319-332. [9] Jakóbiec Kwaśnicka B., Wróbel A. 2004: Metoda sejsmiczna w badaniu wałów przecipowodziowych Wisły, Materiały Konferencyjne Warsztaty Górnicze 2004, Kraków. s. 633-645. [10] Kleczkowski S.A. 1972: Zarys budowy geologicznej Wyżyny Krakowsko-Wieluńskiej Stud. Ośr. Dokum. Fizjogr. (1(1972)):11-19. [11] Larsson i Mattsson 2003: Settlements and shear strength increase below embankments. Report no 63 Swedish Geotechnical Institute, Linkoping. [12] Madej J. 1992: Badanie zapór ziemnych metodą grawimetryczną. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka stosowana z. 12, Kraków. [13] Mapa sytuacyjno wysokościowa skala 1:500 zlecenie 1024, Spółka Usług Geodezyjnych i Kartograficznych Pomiar s.c., Kraków 2004. [14] Mościcki J. 1992: Badanie zapór ziemnych na przykładzie zapory Chańcza. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka stosowana z. 12, Kraków. [15] Pilecki Z. 2004: Rozpoznanie metodą sejsmiczną stanu podłoża obwałowań przeciwpowodziowych, Materiały Konferencyjne Warsztaty Górnicze 2004, Kraków. s. 669-679. [16] Poradnik projektowania obwałowań rzecznych, red. Ludwiczyńska A. 1999, Wrocław. 471

Z. PILECKI, J.KŁOSIŃSKI Ocena stanu podłoża obwałowania przeciwpowodziowego typu... [17] Polska Norma PN-B-12095:1997. Urządzenia wodno-melioracyjne - Nasypy - Wymagania i badania przy odbiorze. [18] Ślusarczyk R. 1992: Badanie zapór ziemnych, betonowych metodami sejsmiki powierzchniowej i otworowej. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka stosowana z. 12, Kraków. Estimation of state of river embankment soil basement of mud type by seismic method Recognition of the state of river Vistula embankment soil basement in Cracow Mogila. Refracted and directed P-wave changes and attenuation coefficient changes in aeration zone have been analyzed. For the purposes of the estimation of the soil basement state some results of geological engineering recognition have been involved. As a result of complex data analysis some sections of river embankments have been determined as the most weakest zones. Przekazano: 20 marca 2005 r. 472