Floodbanks are to protect nearest region of those rivers from high water level. Spring - sloppy roads or torrential rains cause very often that a level of water in those rivers increase and lead to flood. The flood most often is a result of bad technical conditions of floodbanks. It means that proper conditions of floodbanks have strategic meaning for protection of people lives and their properties.
Last year some researches of structure of floodbanks with ground penetrating radar RAMAC GPR were done. The measurements were run in town Wroclaw on floodbanks among bridges Swojszycki and Jagellonski on the left side of bank. This article presents results of measurements of structure of banks with radar

Mydlikowski, Remigiusz

Szynkiewicz, Adam

Transactions of the VŠB - Technical University of Ostrava Civil Engineering Series

DSpace at VSB Technical University of Ostrava

 225     Remigiusz MYDLIKOWSKI1, Adam SZYNKIEWICZ2  WYKORZYSTANIE RADARU DO PENETRACJI GRUNTU (GPR) DO MONITORINGU  WAŁÓW PRZECIWPOWODZIOWYCH USING GROUND PENETRATING RADAR (GPR) TO MONITORING OF FLOODBANKS  Abstract Floodbanks are to protect nearest region of those rivers from high water level. Spring - sloppy roads or torrential rains cause very often that a level of water in those rivers increase and lead to flood. The flood most often is a result of bad technical conditions of floodbanks. It means that proper conditions of floodbanks have strategic meaning for protection of people lives and their properties. Last year some researches of structure of floodbanks with ground penetrating radar RAMAC GPR were done. The measurements were run in town Wroclaw on floodbanks among bridges Swojszycki and Jagellonski on the left side of bank. This article presents results of measurements of structure of banks with radar.  Key words: ground penetrating radar, floodbank   Wstęp Pod względem budowy wały przeciwpowodziowe w Polsce są bardzo zróżnicowane. Zróżnicowanie to wynika z dostępnych materiałów w danym rejonie oraz technologii użytych do ich budowy. Często w wałach przeciwpowodziowych znajdują się elementy infrastruktury technicznej (rurociągi, kable, elementy betonowe, itp.). Zbudowano je często na gruntach przepuszczalnych np. na starorzeczach itp. Badania stanu technicznego wałów przeciwpowodziowych reguluje polska norma (Prawo wodne 2001). Według normy, sprawdzenia takiego dokonuje się poprzez odwierty geologiczne i analizę uzyskanych próbek. Wybór umiejscowienia odwiertów dokonywany jest na podstawie oględzin zewnętrznego stanu technicznego wału. Wykonuje się 3 odwierty na 1 km długości wału i po analizie próbek interpoluje się cała strukturę wału pomiędzy danymi pochodzącymi z odwiertów. Prowadzenie badań technicznych metodą opisaną w normie jest niejednokrotnie zawodne. Interpolacja wyników na tak znacznym odcinku wału może wprowadzać pewne błędy w faktycznej ocenie stanu wału. Dla pełnej analizy stanu technicznego wału prowadzone odwierty wspomagane powinny być badaniami elektromagnetycznymi dzięki którym z łatwością można wskazać miejsca  w których struktura geologiczna wału jest zmieniona. Bardzo przydatnym urządzeniem do wspomagania klasycznych metod pomiarowych może okazać się radar do penetracji gruntu (Forest et al., 2004). W ubiegłym roku przeprowadzono badania struktury wału przeciwpowodziowego radarem do penetracji gruntu RAMAC GPR. Pomiarów dokonano w mieście Wrocław na wale przeciwpowodziowym pomiędzy mostami Swojszyckimi i Jagiellońskimi na lewym brzegu kanału powodziowego. Do wstępnych badań wybrano 50 metrowy odcinek wału w okolicach 100 metru wału licząc od osi jezdni przechodzącej przez most Jagielloński. 100 metr wału stanowił połowę badanego odcinka. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów struktury wału metodą georadarową.                                                                                                                                                                         1 Dr, Institute of Telecommunications, Teleinformatics and Acoustic, Wroclaw University of Technology, Wyspianskiego 27, Wroclaw, Poland, remigiusz.mydlikowski@pwr.wroc.pl 2 Dr, Institute of Geological Sciences, Wroclaw Uniwersity, pl. M.Borna 9, Wroclaw, Poland, aszyn@ing.uni.wroc.pl   226     Pomiary struktury wału przeciwpowodziowego metodą georadarową Badania struktury wału przeciwpowodziowego przeprowadzono radarem do penetracji gruntu RAMAC GPR szwedzkiej firmy Mala Geoscience, z anteną osłonowa o częstotliwości roboczej 250 MHz (Szynkiewicz 2000). Pomiary przeprowadzono na odcinku wału przeciwpowodziowego we Wrocławiu. Przed przystąpieniem do pomiarów radarem do penetracji gruntu należy ustalić parametry pomiarowe radaru. W przypadku radaru RAMAC GPR parametry te to: F  – sampling frequency, Ns  – numbers of samples S  – numbers of stacks, Nt  – numbers of traces Tw  – time window, Ti  – trace interval, A  – antenna separation. Najważniejsze parametry radaru na które operator ma wpływ to Ti oraz F.  W przeprowadzonych badaniach określono wpływ obu tych parametrów na otrzymywane wyniki pomiarów. Wszystkie przedstawione falogramy z radaru są podstawowymi falogramami bez nałożonych filtrów obrazu. Nakładanie odpowiednich filtrów umożliwia wyostrzenie obrazu i dokładniejsze ukazanie struktury wału. W pracy dla przejrzystości i możliwości bezpośredniego porównania otrzymanych wyników nie stosowano żadnych filtrów obrazu. Wpływ Ti na wyniki pomiarów radarem RAMAC GPR Trace interval Ti jest to długość odcinka z jakim wysyłany jest sygnał przenikający badany grunt. W badaniach określono wpływ tego odcinka na otrzymane wyniki. W tabeli  1 przedstawiono wyniki badań zaś otrzymane falogramy dla tych ustawień pokazano na rysunkach 1, 2. Oznaczenia  w tabeli: h – głębokość penetracji fali, d – długość otrzymanego falogramu odpowiadająca 50 m badanego wału.     Tabela 1 Wpływ Ti na wyniki pomiarów. Lp. F Ns S Nt Tw Ti h d Nr rys. [MHz] [–] [–] [–] [ns] [m] [m] [cm] 1 5361 800 8 2337 149 0,02 7,5 44,0 1 2 5361 800 8 949 149 0,05 7,5 18,0 2a 3 5361 800 8 486 149 0,10 7,5 9,5 2b 4 5361 800 8 97 149 0,50 7,5 2,0 2c 5 5361 800 8 49 149 1,00 7,5 1,0 2d     Jak widać z przedstawionych wyników badań, Ti ma zasadniczy wpływ na dokładność otrzymanych wyników. Długość odcinka z jakim badany jest grunt bezpośrednio wpływa na długość otrzymywanego falogramu. Krótszy odcinek Ti powoduje, że grunt jest badany z większą dokładnością. Fala elektromagnetyczna przenika badany grunt stosunkowo często dając dokładniejszy przebieg zmienności gruntu. Dłuższy odcinek Ti powoduje, że uzyskiwane falogramy,  227     które odwzorowują badany odcinek gruntu, są znacznie krótsze i zawierają dużo mniej informacji  o strukturze gruntu. Stosowanie krótkich Ti pozwala na dokładniejsze śledzenie struktury badanego gruntu ale pociąga za sobą dłuższy czas potrzebny na wykonanie pomiarów (wolniejsze przesuwanie radaru wzdłuż badanego odcinka). Krótkie Ti jest uzasadnione przy badaniu krótkich odcinków gruntu, gdy operatorowi zależy na bardzo dokładnym poznaniu struktury badanego gruntu. Gdy badaniom poddawany jest znacznie większy obszar gruntu i nie jest istotna duża dokładność pomiarów zdecydowanie bardziej wskazany jest dłuższy odcinek Ti. Przystępując zatem do badań, operator radaru musi wiedzieć czego poszukuje w gruncie, z jaką dokładnością oczekuje wyników i dla dobrze sprecyzowanych celów określać z jaką dokładnością należy wykonywać pomiary badanego ośrodka.    Rys.1 Falogram czasowy badanego 50 metrowego odcinka wału przeciwpowodziowego przy           Ti = 0,02 m, F = 5361 MHz. Wybierając długość Ti do badania struktury wałów przeciwpowodziowych wydaje się uzasadnione dobór Ti z przedziału 0,1 do 0,5 m. W przypadku badań wałów przeciwpowodziowych nie jest istotna zbyt dokładna struktura całego wału lecz raczej wskazanie niejednorodności w jego budowie. Dlatego też Ti = 0,1  0,5 m wydaje się optymalne by zbadać wał z wystarczającą dokładnością. Jeśli istniałaby potrzeba odnalezienia w wale zakopanych kabli energetycznych lub cienkich rurek czy tez  drobnych elementów ta długość Ti mogłaby okazać się niewystarczająca.  W takim przypadku optymalna długość Ti nie powinna przekraczać kilku cm. Wówczas otrzymywany obraz będzie na tyle dokładny by odnaleźć na nim drobne elementy.  228           Rys.2 Falogram czasowy badanego 50 metrowego odcinka wału przeciwpowodziowego przy F = 5361 MHz oraz Ti: a) 0,05 m, b) 0,10 m, c) 0,50 m, d) 1,00 m. a) b) c) d)  229     Wpływ F na wyniki pomiarów radarem RAMAC GPR Sampling frequency F jest to częstotliwość fali wnikającej w badany ośrodek. W badaniach określono wpływ tej częstotliwości na uzyskiwane wyniki. Pomiary przeprowadzono przy Ti równym 0,1 m. Taka długość Ti wydaje się optymalna do przeprowadzenia badań wału przeciwpowodziowego na niezbyt długim odcinku 50 m.  W tabeli 2 przedstawiono wyniki badań zaś otrzymane falogramy dla tych wyników pokazano na rysunkach 2a i 3,4.      Tabela 2 Wpływ F na wyniki pomiarów. Lp. F Ns S Nt Tw Ti h d Nr rys. [MHz] [–] [–] [–] [ns] [m] [m] [cm] 1 5361 800 8 486 149 0,10 7,5 9,5 2b 2 3899 800 8 492 205 0,10 10,0 9,5 3a 3 3064 800 8 493 261 0,10 13,0 9,5 3b 4 2042 800 8 492 391 0,10 19,0 9,5 4a 5 997 800 8 488 802 0,10 37,0 9,5 4b     Rys.3 Falogram czasowy badanego 50 metrowego odcinka wału przeciwpowodziowego przy Ti = 0,10 m oraz  F: a) 3899 MHz, b) 3064 MHz. Z przeprowadzonych badań wynika, że częstotliwość wnikającej fali w grunt zasadniczo wpływa na głębokość badanego gruntu. Im mniejsza częstotliwość fali wnikającej, penetracja gruntu możliwa jest na większych głębokościach. Dzieje się tak ze względu na fakt, że fala elektromagnetyczna w ośrodku półprzewodzącym jest silnie tłumiona zwłaszcza w iłach i glinie. Najmocniej tłumione są fale o najwyższych częstotliwościach zatem ich zasięg jest znacznie płytszy. Im głębiej ma być zbadany grunt należy liczyć się z tym, że pomiar będzie mniej dokładny. Wraz ze zwiększaniem się głębokości badań maleje rozdzielczość uzyskiwanych wyników. Oznacza to, że na a) b)  230     większych głębokościach dostrzegane będą jedynie największe obiekty takie jak jaskinie, tunele, uskoki oraz struktura warstw litologicznych. Nie stanowi to wady tych pomiarów, lecz ich zaletę, gdyż na dużych głębokościach nie są poszukiwane kable, rury czy okruchy skalne, których obecność w falogramie jedynie zaciemniałaby obraz.    Rys.4 Falogram czasowy badanego 50 metrowego odcinka wału przeciwpowodziowego przy Ti = 0,10 m oraz F: a) 2042 MHz, b)  997 MHz. W przypadku badań wałów przeciwpowodziowych istotne jest sprawdzenie struktury wałów oraz ich podstaw. Głębokość wnikania fali powinna zatem zapewnić taką widoczność by móc prześwietlić wały łącznie z ich podstawą. W przypadku badanego wału jego wysokość sięgała około 2 m, natomiast podstawa wału miała około 3 m. W badanym odcinku wału optymalną częstotliwością wydaje się częstotliwość większa od 5361 MHz, jednak przy stosowanej antenie większa częstotliwość nie była możliwa do uzyskania. Wnioski 1) Wprowadzenie radaru do penetracji gruntu jako metody uzupełniającej badania stanu technicznego wałów przeciwpowodziowych znacznie może poprawić skuteczność tych badań. Prowadzenie badań radarem pozwala na bezinwazyjne i ciągłe śledzenie struktury wału na całej jego długości. Wykrycie niejednorodności w strukturze wału może być pomocne przy wyborze miejsc odwiertów geologicznych prowadzonych klasyczną metodą pomiarowa oceny stanu wałów. 2) Przy stosowaniu radaru GPR do śledzenia struktury wałów przed dokonaniem pomiarów należy wybrać na odpowiednim poziomie jego parametry. Odpowiedni dobór  tych parametrów powinien zapewnić możliwie najlepszą widoczność struktury wału oraz jego podstawy. b) a)  231     3) Wybierając Ti należy określić wstępnie czy badaniu należy poddać strukturę wału czy poszukiwania w wale pewnych elementów infrastruktury technicznej. W przypadku poszukiwania niewielkich elementów (kabli, rurek, nor ssaczych na małych odcinkach wału) dobór Ti powinien być na poziomie kilku cm, by zapewnić w miarę dokładne przeszukiwanie gruntu. W przypadku sprawdzania jedynie struktury wału, wystarczający poziom Ti to 10 do 50 cm. 4) Chcąc dokładnie zbadać strukturę wału oraz podstawy wału należy określić ich wspólną wysokość. Dla tej wysokości należy dobierać częstotliwość fali wnikającej F. Przy doborze wartości tej częstotliwości należy mieć na uwadze, że im większa częstotliwość fali tym jej wnikanie płytsze. 5) Możliwe jest stosowanie radaru do penetracji gruntu RAMAC GPR jako urządzenia pomocnego przy ocenie stanu technicznego wału. Zalecane ustawienia parametrów radaru do prowadzenia takich badań to Ti = 0,1  0,5 m, natomiast F w zależności od wysokości wału od 6000 do 4500 MHz. Literatura [1] Szynkiewicz, A. (2000): GPR monitoring of earthen flood banks/levees. 8 Int. Conference on Ground Penetrating Radar, Vol. 4084, pp.85-90. [2] Forest, R. & Utsi, V. (2004): Non-destructive crack depth measurements with ground penetrating radar. 10 International Conference on Ground Penetrating Radar, Vol. II, pp.799-802. [3] Watters, M.S. (2004): GPR: A tool for archaeological management. 10 International Conference on Ground Penetrating Radar, Vol. II, pp.811-816. [4] Chen, B., Hu, Z. & Li, W. (2004): Using ground penetrating radar to determine water of rehabilitated coalmine soils treated by different methods. 10 International Conference on Ground Penetrating Radar, Vol. II, pp.513-516. [5] Ustawa o prawie wodnym z dnia 18 lipca 2001r. (Dz.U.2001.115.1229)  

Using ground penetrating radar (GPR) to monitoring of floodbanks

http://dspace.vsb.cz/bitstream/10084/64543/2/FAST%2029_Mydlikowski.pdf

Using ground penetrating radar (GPR) to monitoring of floodbanks

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

DSpace at VSB Technical University of Ostrava