WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 669 Mat. Symp. str. 669 – 679 Zenon PILECKI Polska Akademia Nauk IGSMiE, Kraków Rozpoznanie metodą sejsmiczną stanu podłoża obwałowań przeciwpowodziowych Streszczenie W pracy przedstawiono sposób rozpoznania stanu i struktury podłoża obwałowań przeciw- powodziowych za pomocą metody sejsmicznej. Podstawowymi wyznaczanymi parametrami sejsmicznymi są prędkość refrakcyjnej fali typu P oraz współczynnik tłumienia r efrakcyjnej fali typu P i fali bezpośredniej w strefie aeracji ośrodka gruntowego. Omówiono efektywność pomiarów sejsmicznych w kontekście czynników mających wpływ na utratę stateczności obwałowania przeciwpowodziowego. Przedstawiono przykłady pomiarów sejsmicznych wyko- nanych dla obwałowań przeciwpowodziowych. 1. Wprowadzenie Wały przeciwpowodziowe nazywane również obwałowaniami mają na celu ochronę terenów w okresie powodzi. Obwałowania te w odróżnieniu od zapór ziemnych, pracują okresowo i powinny zachować stateczność w czasie długotrwałych wysokich stanów wód o przewidywanej wysokości, czasie jej narastania i trwania. Budowle te w zależności od ich geometrii, właściwości materiału korpusu oraz właściwości i struktury podłoża posiadają zróżnicowaną odporność na oddziaływanie wód. Obwałowania są wykonane z lokalnych materiałów, często niedostatecznie zagęszczonych, o przypadkowej, niejednorodnej strukturze. W okresie powodzi, w korpusie wału zachodzi proces filtracji wody o charakterze nie- ustalonym, którego intensywność zależy od przepuszczalności i gradientu hydraulicznego. Sposób filtracji wody przez korpus wału i jej wpływ na stateczność wału komplikuje się w przypadku przepuszczalnego podłoża. Rozpoznanie zjawiska filtracji i jego efektów należy do trudniejszych zagadnień badawczych. Do bardziej efektywnych metod tego rozpoznania należy zaliczyć modelowania fizyczne lub numeryczne oraz badania geofizyczne. 2. Przyczyny utraty stateczności obwałowania przeciwpowodziowego Generalnie, obwałowanie przeciwpowodziowe może utracić stateczność z różnych przyczyn, wśród których należy wymienić (Gilvear i in. 1994; Considerations... 1995; Poradnik ... 1999; Borys i Mosiej 2003): - rozmycie korpusu obwałowania w efekcie przepływu wezbranych wód ponad jego koroną. Przepływ wody ponad koroną obwałowania może wynikać z niewłaściwej oceny objętości przepływającej wody lub z obniżenia wysokości obwałowania z różnych przyczyn związanych z niekorzystnym stanem mechanicznym korpusu obwałowania; - utrata stateczności w wyniku nieustalonego przepływu wody przez korpus obwałowania (przeciekania). Przeciekanie powoduje wystąpienie zjawiska uprzywilejowanej drogi prze-
11
Embed
Zenon PILECKI Rozpoznanie metodą sejsmiczną stanu ...warsztatygornicze.pl/wp-content/uploads/2004_45.pdf · pomocy programu „PickWin95” (prod. OYO). Przetwarzanie to polegało
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
Rozpoznanie metodą sejsmiczną stanu podłoża obwałowań
przeciwpowodziowych
Streszczenie
W pracy przedstawiono sposób rozpoznania stanu i struktury podłoża obwałowań przeciw-powodziowych za pomocą metody sejsmicznej. Podstawowymi wyznaczanymi parametrami sejsmicznymi są prędkość refrakcyjnej fali typu P oraz współczynnik tłumienia refrakcyjnej fali typu P i fali bezpośredniej w strefie aeracji ośrodka gruntowego. Omówiono efektywność pomiarów sejsmicznych w kontekście czynników mających wpływ na utratę stateczności obwałowania przeciwpowodziowego. Przedstawiono przykłady pomiarów sejsmicznych wyko-nanych dla obwałowań przeciwpowodziowych.
1. Wprowadzenie
Wały przeciwpowodziowe nazywane również obwałowaniami mają na celu ochronę
terenów w okresie powodzi. Obwałowania te w odróżnieniu od zapór ziemnych, pracują
okresowo i powinny zachować stateczność w czasie długotrwałych wysokich stanów wód
o przewidywanej wysokości, czasie jej narastania i trwania. Budowle te w zależności od ich
geometrii, właściwości materiału korpusu oraz właściwości i struktury podłoża posiadają
zróżnicowaną odporność na oddziaływanie wód. Obwałowania są wykonane z lokalnych
materiałów, często niedostatecznie zagęszczonych, o przypadkowej, niejednorodnej strukturze.
W okresie powodzi, w korpusie wału zachodzi proces filtracji wody o charakterze nie-
ustalonym, którego intensywność zależy od przepuszczalności i gradientu hydraulicznego.
Sposób filtracji wody przez korpus wału i jej wpływ na stateczność wału komplikuje się
w przypadku przepuszczalnego podłoża.
Rozpoznanie zjawiska filtracji i jego efektów należy do trudniejszych zagadnień
badawczych. Do bardziej efektywnych metod tego rozpoznania należy zaliczyć modelowania
Rys. 2.1. Sposób utraty stateczności układu obwałowanie – podłoże w wyniku rozwoju powierzchni poślizgu; a) stan równowagi w warunkach filtracji wód gruntowych grawitacyjnych, b) warunki
filtracji w okresie powodzi, c) utrata stateczności w wyniku poślizgu materiału Fig. 2.1. The way of stability loss of embankment-soil basement system in result of slide surface
development; a) state of equilibrium in condition of gravitational water filtration; b) water filtration in flood condition; c) loss of embankment stability as a result of slide process
Jakość korpusu obwałowania i jego podłoża można rozpoznawać metodami geofizycznymi.
Efektywność tych badań w dużym stopniu zależy od rozwoju procesu niszczenia i właściwości
ośrodka.
Z. PILECKI – Rozpoznanie metoda sejsmiczną stanu podłoża obwałowań...
Rys. 2.2. Charakter zmian składowej poziomej przemieszczenia w warunkach statycznego oddziaływania wód powodziowych na obwałowanie, a) model geologiczny (podłoże przepuszczalne); b) rozkład
składowej poziomej przemieszczenia przed powodzią, c) rozkład składowej poziomej przemieszczenia w czasie powodzi
Fig. 2.2. Characteristic changes of horizontal displacement component in condition of static water influence on embankment; a) geological model (permeable soil basement); b) distribution of horizontal displacement component before flood; c) distribution of horizontal displacement component after flood
3. Zastosowanie metod geofizycznych do oceny stanu obwałowania
Do oceny stanu obwałowania i jego podłoża, w tym dla zapór ziemnych, wykorzystuje się
szeroko metody geofizyczne. W literaturze krajowej i zagranicznej znane są zastosowania
metody georadarowej, elektrooporowej, grawimetrycznej, geotermicznej i sejsmicznej (np.
Dokumentacja 2000 i 2004; Larsson i Mattsson 2003; Madej 1992; Mościcki 1992; Ślusarczyk
1992). Metody te należą do metod nieniszczących, pozwalających na prowadzenie rozpoznania
w sposób ciągły i względnie atrakcyjny ekonomicznie. Należy podkreślić, że wyniki pomiarów
geofizycznych mają na ogół charakter jakościowy i nie pozwalają na wyznaczenie w sposób
bezpośredni parametrów, których używa się w obliczeniach konstrukcyjnych. Oceny ilościowe
są możliwe jedynie w przypadku wyskalowania mierzonych parametrów geofizycznych
z parametrami geotechnicznymi w konkretnych warunkach.
Generalnie, metoda sejsmiczna jest wykorzystywana do rozpoznania stanu korpusu
obwałowania, struktury ośrodka i litologii, lokalizacji zwierciadła wód gruntowych, lokalizacji
stref anomalnych związanych z osłabieniem lub wzmocnieniem właściwości ośrodka grunto-
wego, a także wyznaczeniem dynamicznych właściwości mechanicznych ośrodka. W tym celu
używane są techniki profilowania refrakcyjnego, refleksyjnego oraz różne typy prześwietlania.
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
Rys. 4.2. Refrakcyjny przekrój sejsmiczny od strony zawala; a) model ośrodka z zaznaczonymi zmianami prędkości refrakcyjnych; b) model ośrodka z zaznaczonymi zmianami współczynnika tłumienia [4] Fig. 4.2. Seismic refraction cross-section from leeward, a) model of medium with indicated changes
of refraction velocities, b) model of medium with indicated changes of attenuation coefficient [4]
Rys. 4.3. Refrakcyjny przekrój sejsmiczny od strony międzywala; a) model ośrodka z zaznaczonymi zmianami prędkości refrakcyjnych; b) model ośrodka z zaznaczonymi
zmianami współczynnika tłumienia [4]
Fig. 4.3. Seismic refraction cross-section from riverward, a) model of medium with indicated changes
of refraction velocities, b) model of medium with indicated changes of attenuation coefficient [4]
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
Z badań wynika, że warunki wodne są średnio zmienne, a strefy anomalne słabo się
zaznaczają. Współczynnik tłumienia w strefie aeracji po stronie międzywala zmienia się od
0,152 do 0,196 natomiast po stronie zawala zmienia się od 0,156 do 0,175. Zmienność tego
współczynnika wskazuje na klasę gruntu od słabej do średniej.
Przykład II – pomiar sejsmiczny w Bogucicach na odcinku obwałowania rzeki Raby
Wyniki badań przedstawiono na przykładzie profilu sejsmicznego AA’ od strony zawala na
rysunku 4.4 i profilu sejsmicznego BB’ od strony międzywala na rysunku 4.5.
Interpretacja litologiczna dla tego profilu jest podobna jak w przykładzie I, przy czym
warstwy druga i trzecia prawdopodobnie zawierają mniej materiału ilastego. Prędkości fali
P w warstwie pierwszej zmieniają się od 140 m/s do 220 m/s.
Grubość tej warstwy zmienia się od 1,5 m do 3,0 m. W drugiej warstwie prędkości
refrakcyjne VP zmieniają się od 500 m/s do 600 m/s. Grubość warstwy drugiej zmienia się od
4,4 m do 6,4 m. W warstwie trzeciej prędkość fali refrakcyjnej typu P zmienia się od 1800 m/s
do 1900 m/s. Głębokość zalegania warstwy trzeciej zmienia się od 6,0 m do 9,2 m.
Z pomiarów wynika, że warunki wodne są silnie zmienne, a strefy anomalne wyraźnie się
zaznaczają. Współczynnik tłumienia po stronie międzywala zmienia się od 0,179 do 0,194
natomiast po stronie zawala zmienia się od 0,177 do 0,197. Współczynnik tłumienia w strefie
aeracji po stronie międzywala zmienia się od 0,152 do 0,196 natomiast po stronie zawala
zmienia się od 0,156 do 0,175. Zmienność tego współczynnika wskazuje na klasę gruntu od
słabej do dobrej.
Rys. 4.4. Refrakcyjny przekrój sejsmiczny od strony zawala, a) model ośrodka z zaznaczonymi zmianami prędkości refrakcyjnych, b) model ośrodka z zaznaczonymi zmianami współczynnika tłumienia [4]
Fig. 4.4. Seismic refraction cross-section from leeward, a) model of medium with indicated changes of refraction velocities, b) model of medium with indicated changes of attenuation coefficient [4]
Z. PILECKI – Rozpoznanie metoda sejsmiczną stanu podłoża obwałowań...
Rys. 4.5. Refrakcyjny przekrój sejsmiczny od strony międzywala a) model ośrodka z zaznaczonymi zmianami prędkości refrakcyjnych, b) model ośrodka z zaznaczonymi zmianami współczynnika tłumienia [4]
Fig. 4.5. Seismic refraction cross-section from riverward, a) model of medium with indicated changes of refraction velocities, b) model of medium with indicated changes of attenuation coefficient [4]
Generalnie na badanych odcinkach obwałowań występują liczne strefy anomalne, które
mają wpływ na stateczność obwałowań. Strefy te należy interpretować w sposób wieloznaczny
jako odcinki podłoża o słabszych właściwościach mechanicznych lub silniejszych w porówna-
niu do otaczającego ośrodka. Wydzielenie strefy było związane z wyraźnymi zmianami
położenia zwierciadła wody, które mogą sugerować wyraźne zmiany litologii lub wskazywać
na drogi filtracji wody.
5. Podsumowanie
W warunkach rozwoju procesu niszczenia prowadzącego do utworzenia się powierzchni
poślizgu i w efekcie utraty stateczności układu podłoże – obwałowanie, charakterystyczne
zmiany właściwości gruntu zachodzą nie tylko w korpusie obwałowania, lecz również w pod-
łożu. W pracy pokazano ten efekt na przykładzie modelowania numerycznego. Badania sejsmi-
czne pozwalają na lokalizację takich stref osłabienia w podłożu, które można identyfikować
z efektami procesu niszczenia. Efektywność tych badań zależy od stopnia rozwoju procesu
niszczenia i właściwości ośrodka. Należy podkreślić, że wyniki badań geofizycznych procesu
niszczenia wykonanych w korpusie obwałowania oraz w podłożu mogą się zasadniczo różnić.
W przedstawionych przykładach badań sejsmicznych przyjęto metodykę profilowania
refrakcyjnego, która pozwala na standaryzację pomiaru współczynnika tłumienia w strefie
aeracji podłoża. Na podstawie kilkudziesięciu pomiarów w różnych warunkach opracowano
skalę współczynnika tłumienia do oceny stanu gruntu w podłożu obwałowania przeciwpowo-
dziowego. Skala ta wymaga dalszej weryfikacji, a zwłaszcza korelacji z parametrami geote-
chnicznymi gruntów.
Istotną informację geofizyczną dostarczają również zmiany prędkości fal refrakcyjnych.
W badaniach stanu podłoża obwałowań należałoby wyznaczać oba parametry prędkość fali
i współczynnik tłumienia.
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
[1] Bachrach R., Dvorkin J., Nur A. 1998: High resolution shallow seismic experiments in sand. High-
resolution shallow-seismic experiments in sand, Part II: Velocities in shallow unconsolidated sand. Geophysics, vol. 63, issue 4, 1234 – 1240.
[2] Considerations EM 1110-2-1908, 1995: Behavior of embankments and abutments. [3] Dokumentacja 2000: Wykonanie pomiaru testującego mozliwośc zastoswania techniki georada-
rowej dla oceny warunków strukturalnych I jednorodności korpusu obwałowań przeciwpowodzio-wych. Bylica K. i in., Geopartner Sp z o.o. , Kraków, (praca niepublikowana).
[4] Dokumentacja 2004: Wyniki pomiarów sejsmicznych na wybranych odcinkach wałów przeciw-powodziowych w województwie małopolskim. Pilecki Z. i in., IGSMiE PAN, Kraków, (praca niepublikowana).
[5] 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.
[6] Larsson i Mattsson 2003: Settlements and shear strength increase below embankments. Report no 63 Swedish Geotechnical Institute, Linkoping.
[7] Madej J. 1992: Badanie zapór ziemnych metodą grawimetryczną. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka stosowana z. 12, Kraków.
[8] Mościcki J. 1992: Badanie zapór ziemnych na przykładzie zapory Chańcza. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka stosowana z. 12, Kraków.
i otworowej. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka stosowana z. 12, Kraków.
Seismic recognition of soil basement state of embankments
In the paper, technique and examples of seismic investigations on recognition of state and structure of embankment soil basement have been described. The basic determined seismic parameters are refraction P-wave velocity and attenuation coefficient. Seismic technique was especially designed to determine attenuation of soil medium in aerial zone. A scale of attenuation coefficient has been worked out on the basis of some tens of measurements. Effectivity of seismic investigations in the context of failure conditions has been described. Two examples of recognition of soil basement state and its structure along Dunajec and Raba rivers embankments have been presented.