ZASTOSOWANIE TERMOWIZJI W BADANIACH FILTRACJI PRZEZ ZAPORY ZIEMNE THE USE OF THERMOVISION IN SURVEYS OF FILTRATION THROUGH EARTH DAMS M. ŁĄGIEWKA, L. OPYRCHAŁ, S. LACH AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, e-mail: lagiewka@agh.edu.pl, opyrchal@agh.edu.pl, slach@agh.edu.pl Abstrakt: Jeżeli występuje filtracja przez zaporę ziemną, to jej odpowietrzna skarpa będzie zawilgocona. Zawilgocony obszar będzie cechować inne promieniowanie termiczne niż obszar suchy. Dlatego powinna istnieć możliwość wyznaczenia obszaru wilgotnego za pomocą kamery termowizyjnej. Badania termowizyjne przeprowadzono na zaporach ziemnych Dębe oraz Koronowo. Z obszarów o różnym promieniowaniu pobrano próby gruntu. Następnie przy zastosowaniu specjalistycznego oprogramowania przeprowadzono analizę termogramów oraz wykonano badanie wilgotności pobranego gruntu. Na skutek przeprowadzonych pomiarów oraz analizy uzyskanych wyników wykazano, że obszary o wyższej temperaturze cechuje mniejsza wilgotność gruntu od obszarów o temperaturze niższej. Dowodzi to postawionej tezie oraz pozwala na zaproponowanie nowej metody termomonitoringu filtracji przez zapory ziemne. Słowa kluczowe: filtracja, termowizja, termomonitoring, zapora ziemna Wstęp: Budowlą piętrzącą nazywamy każdą budowlę, która umożliwia stałe lub okresowe piętrzenie wody, a także każdej substancji płynnej lub półpłynnej ponad przyległy teren lub akwen zwierciadła wody [1]. Wśród budowli piętrzących możemy wyróżnić między innymi zapory ziemne, które są zbudowane z gruntu rodzimego, kamienia łamanego lub rumoszu skalnego i przystosowane są do stałego piętrzenia wody niezależnie od swojej wysokości [1]. Filtracja w kontekście budowli wodnych jest to ruch wody, który ma miejsce w ośrodku gruntowym. Filtracja jest zjawiskiem nieuniknionym i występującym zawsze w przypadku eksploatacji budowli piętrzących z uwagi na przepuszczalność gruntów tworzących te budowle [3]. Występowanie zjawiska filtracji w zaporze ziemnej przyczynić się może do powstawania odkształceń miejscowych oraz do zmiany stanu gruntu i jego wewnętrznej budowy. Pod wpływem działania mechanicznego wody w gruncie może zachodzić szereg zmian prowadzących do powstawania różnego rodzaju zagrożeń. Zjawiska, które wówczas mogą nastąpić to sufozja i wyparcie gruntu, przy czym zmiany te nigdy nie występują samodzielnie, lecz są ze sobą ściśle powiązane. Najczęściej wystąpienie wyparcia gruntu jest poprzedzone wystąpieniem zjawiska sufozji. Ponadto filtracja może powodować zjawisko unoszenia przez wodę drobnych ziaren gruntu wypełniających szkielet gruntowy składający się z ziaren o większych wymiarach. Miejscowe osłabienie wytrzymałości gruntu powodowane tym zjawiskiem może powodować występowanie nieprzewidzianych przemieszczeń i siadań, a w skrajnych przypadkach może prowadzić do utraty nośności granicznej konstrukcji. Filtracja wody przez korpus zapory lub jej podłoże powoduje powstanie sił erozyjnych, wykazujących tendencje do przemieszczania cząstek gruntu. Jeżeli siły przeciwstawiające się erozji są mniejsze od sił ją wywołujących, cząstki gruntu są przemieszczane i mogą być wynoszone na zewnątrz konstrukcji. Zjawisko sufozji może doprowadzić w gruntach sypkich do powstania przebicia hydraulicznego[5]. Obiekty piętrzące stale lub okresowo podlegają procesom filtracyjnej degradacji podłoża, starzenia materiałów oraz ekstremalnym zjawiskom naturalnym, zwłaszcza hydrologicznym, ale także sejsmicznym. Oprócz tego na ich stan wpływają niedoskonałości projektowania i wykonawstwa. Jednym z zagrożeń jakie niosą ze sobą budowle hydrotechniczne jest przerwanie
zapory, które wiąże się z gwałtownym opróżnieniem zbiornika i nagłą powodzią o skali zwykle znacząco większej niż naturalne, nawet ekstremalne wezbranie [4,5]. Członkowie i pracownicy ICOLD (International Commission on Large Dam) przeanalizowali 14700 zapór o wysokości większej niż 15 m (ICOLD, 2000). Badania wykazały, że 0,83 % zapór ziemnych uległo katastrofie. Erozja wewnętrzna korpusu lub podłoża oraz niekontrolowana filtracja były przyczyną katastrofy w ok. 40 % przypadkach. Równie wartościowa analiza obejmująca zestawienie ważniejszych przyczyn awarii wałów przeciwpowodziowych w Polsce pokazuje, iż jeszcze większy procent awarii spowodowanych jest destrukcyjnym działaniem filtracji. Autorzy twierdzą, że przecieki przez podłoże oraz filtracja przez korpus wału powoduje ok. 50% awarii [2]. Zestawienia te potwierdzają niebezpieczeństwo jakie związane jest ze zjawiskiem filtracji przez zapory i wały, a zarazem uwidaczniają wartość podejmowanych badań mających za cel zwiększenie bezpieczeństwa tych obiektów hydrotechnicznych. Warunkiem podejmowania racjonalnych działań związanych z konserwacją, naprawami i modernizacją zbiorników wodnych, zapór ziemnych czy wałów jest uzyskiwanie na bieżąco aktualnych informacji dotyczących m.in. warunków filtracji przez podłoże, korpus a także skarpy zapór i wałów. Informacje te otrzymujemy stosując monitoring na terenie obiektów, polegający na systematycznych obserwacjach, pomiarach i badaniach. Metody termograficznej detekcji opierają się na poznaniu zależności pomiędzy transportem ciepła i wody w ośrodku gruntowym korpusu, bądź skarpy zapory. Na rozkład temperatury w obiekcie wpływają takie parametry jak: temperatura powietrza oraz temperatura wody w zbiorniku. W niektórych przypadkach lokalny wpływ na temperaturę budowli ziemnej może mieć stopień nasłonecznienia, działalność wiatru i in. Gdy zjawisko filtracji nie występuje rozprowadzanie ciepła w gruncie następuje wyłącznie przez stosunkowo wolny proces przewodzenia. W przypadku wystąpienia filtracji, ciepło jest transportowane ze zbiornika z masą wody, ze znacznie większą prędkością w głąb korpusu zapory. Proces ten powoduje znaczne zaburzenia termiczne i pozwala na detekcję obszarów na których zachodzi proces filtracji [10, 11]. W dotychczasowych badaniach pomiarowych nie stosowano metody termowizyjnej do oceny filtracji przez korpus zapory. Prowadzono tylko pomiary temperatury wody w piezometrach klasycznymi metodami przy użyciu specjalistycznych termometrów [9]. Do metod termodetekcji procesów destrukcyjnych stosowano również światłowodowe czujniki temperatury, których zastosowanie wymaga ich instalacji bezpośrednio w budowli, co powoduje, iż nie jest to metoda wystarczająco uniwersalna [9,4]. Celem niniejszej pracy jest wykazanie, iż na podstawie termogramów wykonanych przy użyciu kamery termowizyjnej można wnioskować o przeciekach wody przez korpus zapory ziemnej. Praca pokazuje znaczącą zależność pomiędzy wilgotnością gruntu, a zmianą temperatury widocznej bezpośrednio na obrazie termowizyjnym - termogramie. Materiał i metody: Pomiary przedstawione w niniejszej publikacji przeprowadzono na zaporze ziemnej Koronowo w Pieczyskach, piętrzącej wodę na rzece Brda. Zapora znajduje się na terenie województwa kujawsko-pomorskiego. Badania polowe na zaporze ziemnej Koronowo zostały wykonane w okresie 30 września 02 października 2013 roku. Pomiary zostały przeprowadzone o świcie oraz o zmierzchu, zamiarem uniknięcia wpływu promieniowania światła słonecznego na otrzymane termogramy. Opis zapory Analizowana w niniejszym artykule zapora ziemna znajduje się w miejscowości Pieczyska, w 49,115 km biegu rzeki Brdy. Zamyka ona zlewnię o powierzchni 4109 km 2. Korpus zapory został wykonany z jednego rodzaju gruntów nieskalistych (piasków drobno i średnioziarnistych) metodą namywania. Wyposażona jest w żelbetowy, dwuprzewodowy uspust denny służący do
przepuszczania wody, a także do okresowego płukania starego koryta rzeki Brdy w Koronowie. Skarpa odwodna korpusu zapory (pomiędzy rzędnymi 75,00 a 84,50 m n.p.m.) została zabezpieczona płytami betonowymi, zaś skarpa odpowietrzna poprzez darniowanie. Podstawowe parametry zapory przedstawiono w tabeli poniżej (Tab. 1). Tab. 1. Podstawowe parametry zapory Koronowo w Pieczyskach [6] Parametr Wartość ZAPORA Rzędna korony 84,50 m n.p.m. Szerokość korony 9,0 m Nachylenie skarpy odwodnej: część dolna część górna 1:4 1:3 Nachylenie skarpy odpowietrznej: od korony do rzędnej 80,30 pomiędzy rzędnymi 80,30 i 76,00 poniżej rzędnej 76,00 1:4 1:5 1:10 Wysokość zapory 23,5 m Maksymalna szerokość korpusu w podstawie 60,0 m Długość korony 340 m UPUST DENNY Światło upustu dwa przewody o przekrojach 3,0 x 3,0 m Długość (łącznie z niecką wypadową) 277,3 m Spadek podłużny 0,35% Wydatek jednego przewodu (teoretyczny) 50 m 3. s -1 Całkowity wydatek spustu 73,0 m 3. s -1 Badania i pomiary Przeprowadzone badania polegały na wykonaniu projekcji termowizyjnych zapory, w miejscach w których przypuszczalnie występuje zjawisko filtracji przez skarpę obiektu. W celu wykonania precyzyjnych pomiarów wyżej wymienionego zjawiska, wykorzystano specjalistyczną aparaturę kamerę termowizyjną R300S-W2-NNU-C01 firmy NEC, a także obiektyw szerokokątny IRL-WX02C-B. Pomiar temperatury oraz wilgotności powietrza niezbędny do ustalenia parametrów kamery termowizyjnej został wykonany przy użyciu termohigrometru TH-Pen 8709. Po wykonaniu pomiarów termowizyjnych pobrano próbki gruntu w celu zmierzenia ich wilgotności wagowej gruntu w laboratorium Katedry Kształtowania i Ochrony Środowiska, AGH. Próbki gruntu zostały pobrane w miejscach, gdzie występowała różnica temperatur widoczna na wygenerowanych termogramach. Po uzyskaniu materiałów badawczych przeprowadzono obróbkę obrazów oraz analizę termiczną wyników przy użyciu specjalistycznego oprogramowania RC-Radiometric Complete Online. Na tej podstawie ustalono zależność pomiędzy zmianą temperatury na terenie skarpy zapory, a zmiennością wilgotności pobranych prób gruntu. Wyniki: Zdjęcia termowizyjne W wyniku pomiarów na zaporze ziemnej Koronowo uzyskano szereg zdjęć termowizyjnych termogramów. W tym celu zastosowano kamerę marki NEC model R300S o numerze fabrycznym 2070965. W celu publikacji zostało wybranych kilka, najlepiej obrazujących różnice pomiędzy poszczególnymi obszarami na bocznej skarpie zapory. Dodatkowo na rysunku 1 punktami A, B, C oraz D zostały oznaczone miejsca poboru prób gruntu, które następnie zostały poddane badaniu na wilgotność wagową. Na termogramie poniżej (rys. 1) wyraźnie możemy zobaczyć wyróżniające się trzy pasy o różnym natężeniu barwy. Pas środkowy jest obszarem potencjalnie zawilgoconym, gdzie przypuszcza się występowanie filtracji. Na rysunku 2 możemy zobaczyć termogram ukazujący skarpę z nieco większej odległości, a także z innej perspektywy niż na rysunku 1. Podobnie jak poprzednio widoczne są
różnice w nasileniu barwy wyznaczające pas pośrodku skarpy o przypuszczalnie zwiększonej wilgotności. Rysunek nr 3 potwierdza wcześniejsze spostrzeżenia przedstawiając ponownie skarpę z wyznaczonym termowizyjnie pasem o innej barwie pośrodku skarpy. Badania termowizyjne przeprowadzono również na zaporze ziemnej Dębe. Wykonano termogramy betonowego umocnienia koryta rzeki. Na zdjęciu (rys. 4) możemy zobaczyć ciemniejszy pas ciągnący się na całej długości umocnienia. Jest to obszar zawilgocony na skutek filtrującej wody, widoczny dopiero na zdjęciu termowizyjnym. Rys. 1. Termogram skarpy zapory wraz z oznaczonymi miejscami poboru próbek gruntu [źródło własne] Rys. 2. Termogram skarpy zapory [źródło własne]
Rys. 3. Termogram skarpy zapory [źródło własne] Rys. 4. Termogram betonowego umocnienia koryta rzeki [źródło własne] Wilgotność gruntu Na terenie zapory ziemnej Koronowo pobrano cztery próbki gruntu. Pobrany został humus z głębokości 5-10 cm pod powierzchnią terenu. Dwie próbki pobrano z obszaru o stwierdzonej (na podstawie wykonanych termogramów) zwiększonej wilgotności gruntu (próbka nr 1 i próbka nr 2). Dwie kolejne próbki pobrano z obszaru na którym nie stwierdzono (na podstawie termogramów) zmian temperaturowych (próbka nr 3 i próbka nr 4). Próbki zostały przewiezione w szczelnym zabezpieczeniu na teren AGH, a następnie zostały poddane badaniu wilgotności wagowej w laboratorium na Wydziale Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska.
W celu wykonania oznaczenia zważono puste oraz wysuszone naczynie wagowe m t [g]. Następnie po umieszczeniu w naczyniu wagowym odpowiedniej ilości próbki gruntu ponownie naczynie zważono m wt [g]. Po odnotowaniu wyników naczynie z próbką umieszczono w suszarce w temperaturze 105 ± 5 C i suszono do stałej masy. Kolejno zważono naczynie z wysuszoną próbką gruntu m st [g]. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli poniżej (tab. 2). Wilgotność wagową gruntu w [%] określono jako stosunek masy wody zawartej w poszczególnych próbkach m w [g] do masy gruntu suchego m s [g] korzystając ze wzoru [7]: w = m w /m s 100 [%], m w = m wt m st [g], m s = m st m t [g], gdzie: m wt masa wilgotnej próbki z masą naczynia wagowego [g], m st masa próbki wysuszonej z masą naczynia wagowego [g], m t masa naczynia wagowego [g]. Wyniki pomiarów oraz obliczeń wilgotności wagowej przedstawiono w tabeli 1. Tab.2. Wilgotność wagowa poszczególnych próbek gruntu. Nr próbki m t [g] m wt [g] m st [g] m w [g] m s [g] w [%] 1 32,450 46,394 44,288 13,944 11,838 117,790 2 24,150 36,857 34,623 12,707 10,473 121,331 3 27,127 43,097 41,168 15,970 14,041 113,738 4 29,430 48,093 45,856 18,663 16,426 113,619 Dyskusja wyników i wnioski: Na podstawie wykonanych pomiarów termowizyjnych na zaporze ziemnej Koronowo w Pieczyskach oraz badań laboratoryjnych stwierdzono związek pomiędzy temperaturą powierzchni, a wilgotnością wagową pobranych próbek gruntu, co udowadnia tezę pracy. Wilgotność wagowa próbek gruntu pobranych z obszaru o potencjalnym zawilgoceniu wyniosła kolejno dla próbki nr 1: 117,790%, natomiast dla próbki nr 2: 121,331%. Wilgotność wagowa próbek pobranych z obszarów, gdzie na podstawie termogramów nie stwierdzono przecieków zawarła się w granicy 113%. Różnica pomiędzy wartościami uzyskanych wyników badań dowodzi, iż pomiar termowizyjny pozwala na wskazanie obszarów o różnym stopniu zawilgocenia. Choć bez wątpienia istnieje związek pomiędzy temperaturą, a filtracją przez budowlę ziemną [8], to jednak w przypadku pomiarów termowizyjnych nie on jest łatwy do wykazania. Muszą być spełnione szczególne warunki pogodowe, takie jak: kilka dni bez opadów, brak bezpośredniego oddziaływania promieniowania słonecznego, najlepiej podczas pochmurnego dnia. Pomiary mogą być wykonywane również o świcie lub o zmierzchu. Powinny także występować jak największe różnice temperatury powietrza i filtrującej wody. Jest to osiągalne w warunkach kilku dni o stabilnej temperaturze 1 3 lub 15 18 C. W przypadku niższej temperatury grunt zamarza, a w przypadku wysokich temperatur grunt znacznie się nagrzewa. W obu przypadkach powierzchniowe różnice temperatury nie wystąpią. Podczas gdy właśnie powierzchniowe różnice temperatury identyfikuje się na termogramie. Innym zjawiskiem silnie oddziałującym na pomiary termowizyjne jest roślinność. Powoduje ona, że mierzone promieniowanie pochodzi od roślinności a nie od gruntu. Korpusy zapór ziemnych są zwykle pokrywane humusem i obsiewane trawami. Zatem można przypuszczać, że najkorzystniejsze warunki do pomiarów termowizyjnych występują późna jesienią, kiedy temperatury są niskie, a roślinność zwiędnięta. Dodatkowo, jesienią rzadko występują słoneczne dni. Niestety jesienne opady często mogą uniemożliwić prawidłowe wykonanie pomiarów termowizyjnych.
Kolejnym stwierdzonym utrudnieniem w badaniach termowizyjnych zapór ziemnych jest praktyczna niemożność prostopadłej projekcji. Powoduje to, że można porównywać ze sobą jedynie obszary o podobnym kącie projekcji. Badania termowizyjne umocnień betonowych na zaporze ziemnej Dębe potwierdzają skuteczność zastosowania kamery termowizyjnej w celu wykrywania przecieków, czy filtracji. Pokazują również, iż termowizja może znaleźć zastosowanie nie tylko w przypadku zapór ziemnych, ale również w kontekście zapór betonowych. Podsumowując należy zauważyć, że fotografie termograficzne mogą być skutecznym narzędziem do wykrywania filtracji przez budowle ziemne oraz betonowe na wczesnym etapie rozwoju tego groźnego zjawiska. Jednakże przygotowanie praktycznych wskazówek, co do sposobu, doboru miejsc projekcji oraz warunków otoczenia wymagają dalszych badań, prowadzonych na przestrzeni całego roku. Dotychczasowe badania i ich analiza pozwoliły na wstępne i bardzo ogólne określenie warunków, które pozwalają na wykonanie projekcji termowizyjnych zapór ziemnych. Niniejsze badania zostały sfinansowane z grantu dziekańskiego nr:15.11.150.255/13 Literatura: 1. W. Depczyński, A. Szamowski, Budowle i zbiorniki wodne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999. 2. ICOLD, Katastrofy zapór - Analiza statystyczna, Biuletyn nr 99, IMGW, Warszawa 2000. 3. M. Kiełbik, Budownictwo wodne tom II, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa 1968. 4. Z. Kledyński, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, Monitoring i diagnostyka budowli hydrotechnicznych, cz. 1, vol 35 2011, s. 54-61. 5. Z. Kledyński, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, Monitoring i diagnostyka budowli hydrotechnicznych, cz. 2, vol 36 2011, s. 36-38. 6. Materiały archiwalne Elektrowni Wodnej Koronowo. 7. E. Myślińska, Laboratoryjne badania gruntów, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2006. 8. K. Radzicki, Bezpieczeństwo zapór nowe wyzwania. Seria: Monografie Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Zastosowanie termomonitoringu do detekcji przecieków oraz erozji wewnętrznej w zimnych budowlach piętrzących, IMGW, Warszawa 2011, s. 88-98. 9. K. Radzicki, Czasopismo Techniczne, Modele analizy pomiarów temperatury w termodetekcji przecieków i w termomonitoringu procesów filtracyjnych, vol 16 2010, s. 49-53. 10. K. Radzicki, INFRAEKO, Istotne aspekty termomonitoringu procesów destrukcyjnych wałów przeciwpowodziowych, vol 31 maj 1 czerwiec 2012, s. 213-222. 11. B. Więcek, G. De Mey, Termowizja w Podczerwieni Podstawy i Zastosowanie, Wydawnictwo PAK, Warszawa 2011.