Geum.ru

Старовойтов Анатолий Васильевич, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета мгу

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
№17


Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»


Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»

Полное название вуза


Научно-исследовательский материал


Примеры использования георадиолокации при инженерно-геологических

исследованиях на территории крупных городов


Полное название НИМ или НОМ


Состав научно-образовательного коллектива:
  1. Старовойтов Анатолий Васильевич, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ;
  2. Романова Анна Михайловна, научный сотрудник кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ.
  3. Жуков Александр Петрович. доктор геолого-минералогических наук, профессор Геологического факультета МГУ;
  4. Коротков Илья Петрович, геофизик Геологического факультета МГУ



ВВЕДЕНИЕ. При инженерно-геологических исследованиях на территории крупных городов широко используются различные геофизические методы, которые позволяют изучать геологические, гидрогеологические особенности разреза, оценивать некоторые свойства отложений, проводить корреляцию между скважинами и т.д. В последние 15-18 лет, кроме «стандартных» геофизических методов, в практике производственных работ значительное место занял сравнительно новый метод – метод подповерхностной георадиолокации. Кроме относительной простоты проведения полевых работ его основными преимуществами являются следующие: 1-возможность работы на ограниченных площадках, что в пределах плотной городской застройки часто является крайне важным; 2-высокая разрешающая способность по вертикали и в плане (при некоторых методиках наблюдений – соответственно до нескольких сантиметров и первых десятков сантиметров); 3- возможность изучения самой верхней части разреза (до глубин 10-15 метров), которая не всегда доступна исследованию другими методами; 4-часто весьма наглядная форма получаемых данных (профили иногда напоминают «готовые» разрезы); 5-имеется возможность работать на пресноводных акваториях даже при незначительных глубинах воды, включая работы со льда. Вместе с тем, при инженерно-геологических исследованиях в городах имеется много задач, для решения которых эти особенности метода георадиолокации являются определяющими. С помощью метода георадиолокации эффективно решаются следующие основные задачи:

1. На начальной стадии строительства различных объектов проводятся работы по обнаружению разнообразных коммуникаций и трубопроводов (теплотрасс, водопроводов, электрических кабелей, коллекторов). Довольно часто это может быть и самостоятельной задачей.

2. Поиск утечек в теплотрассах и водопроводах.

3. Археологические исследования (поиск остатков фундаментов и привязка их на местности, обнаружение подвалов, захоронений и т.д.).

4. Обнаружение уровня грунтовых вод или верховодки и участков локального повышенного увлажнения.

5. Изучение геологических особенностей верхней части разреза с высокой разрешающей способностью.

6. Поиск мест загрязнения углеводородами.

7. Изучение мощности современных, как правило, сильно загрязненных илов на пресноводных акваториях (прудах и реках) в пределах городов с целью их очистки и реабилитации (геоэкологические исследования).

8. Изучение глубины залегания и морфологии кровли коренных пород при строительстве разнообразных сооружений на пресноводных акваториях.

9. Поиск ослабленных зон в верхней части разреза, с которыми часто связаны просадки грунта и деформации различных инженерных сооружений (зданий, автомобильных дорог, железнодорожных насыпей и т.д.).

10. Изучение толщин конструктивных слоев различных покрытий автомобильных дорог с целью их соответствия проектной документации и, в дальнейшем, проведение мониторинга.

11. Обследование строительных конструкций и зданий (толщин стен и перекрытий, наличие трещин, арматуры) и, при наличии деформаций выяснение причин их образования.

В настоящее время при проведении георадиолокационных исследований наиболее часто используется аппаратура следующих марок: георадары серии «ОКО» (ООО «ЛОГИС», г. Жуковский; георадары серии «ЗОНД», «RADAR SYSTEMS» г. Рига, Латвия; георадары серии «SIR», «GSSI», США). В целом, при сопоставимых технических характеристиках, основные различия заключаются в некоторых дополнительных опциях, программах сбора и обработки данных. В зависимости от задачи, подбирается соответствующая антенна (т.е. частота), которая меняется от нескольких десятков мегагерц до 1500-2000 мегагерц. Чем выше частота, тем меньше глубинность исследований, но лучше разрешающая способность. При обследовании жестких покрытий можно выделять слои толщиной в несколько сантиметров. Работы, как правило, проводятся в режиме пешеходной съемки, для изучения протяженных объектов, таких как автомобильные дороги, железнодорожные насыпи и взлетно-посадочные полосы аэродромов, используются специальные антенны с отрывом от поверхности земли (рупорные), расположенные на автомобилях. Могут применяться также и многоканальные системы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. Георадарные исследования выполняются как на суше, так и на пресноводных акваториях с пластиковых или резиновых лодок. Как показывает опыт проведения работ, электромагнитные волны отражаются от границ слоев с различной литологией, гранулометрическим составом, различным типом флюида и т.д. Глубинность исследований зависит от присутствия в разрезе глин, плотных суглинков и засоленных грунтов. Наличие перечисленных грунтов резко уменьшает глубинность работ, вплоть до нуля. При работах на воде глубинность работ определяется также удельным электрическим сопротивлением (УЭС) воды – чем оно выше, тем на больших глубинах воды можно проводить исследования. Имеющиеся материалы показывают, что при УЭС более 100 Омм, можно работать при глубинах воды до 10-15 метров.

Поиск различных коммуникаций или отдельных объектов и определение глубины их залегания основан на явлении дифракции. Дифрагированные волны образуются не только от трубопроводов, но и от ребер фундаментов, коллекторов и т.д. Для выделения и идентифицирования объектов по этому признаку необходимо проведение серии параллельных профилей (линейный объект или объект изометричной формы). Подобные работы проводятся с целью как поиска их местоположения, так и подтверждения их наличия.

Важной задачей при работах в городах является также определение зон протечек в водопроводных сетях и теплотрассах. Выработан ряд критериев, по которым можно выделять такие участки. Одним из основных признаков является появление низкой частоты на георадарограммах (первые десятки мегагерц) ниже глубины залегания трубопроводов с предполагаемыми протечками. Данный признак можно использовать только для трубопроводов, которые проложены непосредственно в грунте, а не в коллекторе. Используются в основном антенны 250-300 МГц.

Задачи, возникающие при археологических и реставрационных исследованиях в городских агломерациях, как правило, включают в себя не только поиск каких либо объектов, но и привязка их на местности. Обнаружение остатков фундаментов и строений довольно сложно проводить по отдельным профилям. Более эффективным является построение горизонтальных амплитудных срезов, но для этого необходимы площадные наблюдения большой плотности, когда расстояния между георадиолокационными профилями не превышает 1 метра. Для этих целей применяются антенны 300-1500 МГц.

В связи со значительным изменением строения приповерхностной части разреза в городах, обусловленное строительством различных сооружений, автомобильных дорог и прокладкой коммуникаций, существенно меняются и гидрогеологические особенности разреза. На некоторых участках может происходить подтопление, что часто приводит к изменению прочностных характеристик грунтов и, соответственно, к деформациям сооружений и нарушению их функционирования. Кроме этого могут возникать участки локального повышенного увлажнения, которые обычно связаны с местами протечек в теплосетях и водопроводах. При определенном строении разреза в таких местах могут происходить провалы приповерхностной части. Исследования можно проводить как по периферии сооружений, так и из подвальных помещений строений. Плотная застройка, нарушение естественного гидрогеологического режима территории приводит к тому, что на небольшом расстоянии влажность отложений существенно меняется, а, следовательно, могут меняться и прочностные свойства грунтов. Основной антенной при этих исследованиях является обычно антенны 250-300 МГц.

Высокая разрешающая способность по вертикали позволяет достаточно детально проводить инженерно-геологическое расчленение разреза. Наличие скважин значительно повышает достоверность интерпретации георадиолокационных данных и дает возможность получать информацию о межскважинном пространстве. Даже при отсутствии скважинных данных большое значение имеет изучение геометрии разреза (характер изменения мощностей отдельных толщ, наличие палеоврезов, УГВ и т.д.). Существенное увеличение информации о разрезе дает комплексирование георадиолокации с электроразведкой и сейсморазведкой. Для изучения разрезов используются преимущественно низкочастотные антенны – 75-300 МГц.

При наличии нефтеперерабатывающих предприятий или нефтепроводов в пределах городов большое значение имеет обнаружение мест углеводородного загрязнения, которое обычно связано с техногенными авариями или протечками в трубопроводах. Оконтуривание ареалов распространения загрязненных углеводородами пород представляет довольно сложную задачу, так как их диэлектрическая проницаемость практически одинакова с сухими четвертичными отложениями, такими как пески, супеси, легкие суглинки и лессовидные суглинки. Задача несколько облегчается, если загрязненные грунты залегают в четко определяемых структурах, например, в отрицательных формах коренного рельефа, или приурочены к палеоврезам. Для решения этих задач применяются низкочастотные антенны – 300-400 МГц и меньше.

В связи с большой техногенной нагрузкой на окружающие территории практически всегда происходит загрязнение донных осадков городских водоемов и рек. Это обусловлено, прежде всего, стоками промышленных предприятий и плоскостным смывом. В результате этого наибольшему воздействию (т.е. загрязнению) подвергается самый верхний придонный слой осадков и его мощность может достигать 1,5-2,0 метров. Вследствие этого, происходит так называемое вторичное загрязнение воды водоемов и рек из этого придонного слоя. Практически единственной возможностью очистки и реабилитации водоемов в этом случае является снятие этого загрязненного слоя различными землесосными снарядами. Георадиолокация используется для определения мощности загрязненного слоя и его распространения в плане, а также, после проведения дноочистительных мероприятий, для контроля выполненных работ. Так как исследования часто проводятся на небольших водоемах (несколько десятков метров в поперечнике), то использовать метод одноканального сейсмоакустического профилирования практически нельзя, а георадиолокация позволяет решать подобные задачи с высокой эффективностью. Работы проводятся с пластиковых или резиновых лодок с антенными блоками 250-400 МГц.

При строительстве в пределах водоемов и рек причалов, при прокладке через них коммуникаций одной из важных задач является определение глубины залегания и морфологии коренных пород. Для решения этой задачи в зависимости от априорных данных применяются антенны от 100 до 400 МГц.

Интенсивное воздействие на верхнюю часть разреза в результате строительства как поверхностных, так и глубокозалегающих сооружений (тоннелей, коллекторов, различных коммуникаций) приводит к нарушению инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей разреза, что, в свою очередь может привести к образованию так называемых ослабленных зон. В этих зонах часто развиваются процессы суффозии, просадки, усадки грунтов, следствием которых часто являются деформации находящихся в непосредственной близости сооружений. Эти же процессы развиваются и в железнодорожных насыпях, в полотне автомобильных дорог. Для изучения этих процессов и прогнозирование их развития применяются обычно низкочастотные георадары (75-300 МГц). Работы проводятся в режиме пешеходной съемки, но могут выполняться и с движущихся средств (специальных автомобилей или вагонов). Выделение подобных зон является довольно сложной проблемой и требует заверки другими методами – динамическим и статическим зондированием, бурением и т.д.

Важной задачей в городских агломерациях является неразрушающий контроль над состоянием и ремонтом автомобильных дорог, а также выяснение причин деформаций их полотна. Для решения этих задач наиболее эффективным методом является георадиолокационный, который проводится, как правило, на двух частотах. Высокочастотная антенна (1500-1700 МГц) используется для обследования детального строения жестких покрытий а/дорог с разрешающей способностью по вертикали в первые сантиметры. Целью этих работ является определение толщин конструктивных слоев и их соответствие проектному заданию, контроль над выполнением ремонтных работ и т.д. Низкочастотные антенны (90-300 МГц) применяются для обследования полотна дорог на глубину в первые метры, так как зачастую причины деформаций обусловлены процессами, протекающими ниже слоев дорожного покрытия – суффозией, просадками, повышенным увлажнением и т.д.

Высокочастотные антенны широко применяются и при обследовании строительных конструкций и различных элементов зданий. Определяются их толщины, наличие арматурной сетки и ее шаг, наличие трещин, изучается их конструкция.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Применение георадиолокации при инженерно-геологических исследованиях на городских территориях показало ее высокую эффективность при решении многих задач, указанных во Введении. Георадиолокация существенно дополняет применявшиеся ранее геофизические методы исследований, а для решения некоторых задач является практически единственным методом. К ним относятся, например, обследование полотна автомобильных дорог с высокой степенью детальности, изучение мощности современных илов на мелководных водоемах, поиск ослабленных зон и некоторые другие. К настоящему времени накоплен большой опыт решения этих задач, имеется программное обеспечение для сбора, обработки и интерпретации получаемых данных.


ЛИТЕРАТУРА

  1. Анур А., Старовойтов А.В., Владов М.Л. Опыт применения георадиолокации для выявления зон развития провалов в городе. Вестник МГУ, сер. Геология, 1999, с. 55-57.
  2. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. 2005, Изд-во МГУ, с. 153.
  3. Владов М.Л., Старовойтов А.В., Калашников А.Ю. Основные типы деформаций в железнодорожных насыпях по данным георадиолокационного профилирования. Разведка и охрана недр, 2006, № 12, с. 14-17.
  4. Владов М.Л., Старовойтов А.В., Калашников А.Ю. Георадиолокационные исследования на пресноводных акваториях. М., Инженерная геология, март 2007, с. 47-52.
  5. Вопросы подповерхностной радиолокации. Под. редакцией А.Ю. Гринева, 2005, М., Изд-во «Радиотехника», с. 416.
  6. Ефимова Н.Н. Применение георадиолокации при решении задач инженерной геофизики. Автореферат дисс. канд. техн. наук, 1999, СПб, с.16.
  7. Калинин А.В, Владов М.Л., Старовойтов А.В., Шалаева Н.В. Высокоразрешающие волновые методы в современной геофизике. Разведка и охрана недр, 2002, № 1, с. 23-27.

8. Калинин А.В., Владов М.Л., Шалаева Н.В. Оценка глубинности георадиолокационных исследований на основе классической теории. Вестник МГУ, сер.Геология, № 3, 2003, с. 44-48.

9. Москва. Геология и город. Под ред. В.И. Осипова и О.П. Медведева, М., 1997, с. 400.

10. Пархоменко Э. И. Электрические свойства горных пород. М., Наука, 1965.

11. Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. Изд. второе, дополненное. М., ЦНИГРИ, 2001, с. 290.

12. Сейсмическая стратиграфия. Под ред. Ч.Пейтона., 1982, т. 1, М., «Мир», с. 373.

13. Старовойтов А.В., Владов М.Л. Интерпретация данных

георадиолокационных наблюдений. Разведка и охрана недр, 2001, № 3,

с. 11-14.

14. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. М., Изд-во МГУ, 2008, с. 190.

15. Технические указания по инструментальной диагностике земляного полотна. М., МПС РФ, 2000, с. 62.

16. Финкельштейн М.И., Мендельсон В.А., Кутев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. М., Сов. Радио, 1977, 176 с.

17. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение

радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. М., Недра, 1986, 128 с.

18. Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация. М., Радио и Связь, 1994, 216 с.

19. Фролов В.Т. Литология. 1995, Изд-во МГУ, т.3, с. 352.

20. Фролов А.Д.,Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. 1998, Пущино, с. 514.

21. Цыганок В.С. Применение метода георадиолокации и электроконтактного динамического зондирования при обследовании земляного полотна и искусственных сооружений на латвийской железной дороге. Тезисы докладов 4-ой международной научно-практической конференции «Георадар-2004», М., МГУ, с. 47-48.

22. Явна В.А., Грицык В.И., Ковдус В.В., Шаповалов В.Л., Окост М.В. Георадиолокационные исследования объектов железнодорожного пути. Тезисы докладов 4-ой международной научно-практической конференции «Георадар-2004», М., МГУ, с. 83-84.

23. Beres M., Haggenberger P., Green A.G., Horstmeyer H. Using two- and three-dimensional georadar methods to characterize glaciofluvial

architecture. Sedimentary Geology, 1999, vol. 129, p. 1-24.

24. Brewster M.L., Annan A.P. Ground-penetrating radar monitoring of a controlled DNAPL release: 200 MHz radar. Geophysics, 1994, vol. 59, № 8, p. 1211-1221.

25. Casas A., Lazaro R., Vilas M., Busquet E. Detecting karstic cavities with ground penetrating Radar at different geological environments in Spain. 1996, 6th International conference on Ground Penetrating Radar (GPR”96)., p. 455-460.

26. Ground Penetrating Radar in Sediments. Edited by C.S. Bristow and H.M. Jol. Geological Society Special Publication 211, London, 2003, p. 330.

27. Jol H.M., Young R., Fisher T.G., Smith D.G., Meyers R.A. Ground penetrating radar of eskers, kame terraces, and moraines: Alberta and Saskatchewan, Canada. 1996, 6th International Conference on Ground Penetrationg Radar (GPR”96), Sendai, Japan, p. 439-443.

28. Jol H.M., Junck M.B., Kaminsky G.M. High resolution ground penetrating radar imaging (225-900 MHz) of geomorphic and geologic setting: examples from Utah, Washington and Wisconsin. 2002., Proceedings of the Ninth International Conference on Ground Penetrationg Radar (GPR”2002).

29. Houck R.T. Measuring Moisture Content Profiles Using Ground- Penetrating Radar. NWWA/EPA conf. 1984, San-Antonio, Texas, Feb. 7-9, pp. 637-653.

30. Kathage A., Niessen J., White G., Bell N. “Fast Inspection of Railway Ballast by Means of Impulse GPR Equipped with Horn Antennas”. NDT.net.Sep2005.vol.10, № 9.

31. Manacorda G., Morandi D., Sarri A. “A customized GPR system for railroad tracks verification”. International conference on ground penetrating radar, № 9, ETATS-UNIS, 2002.

32. Pipan M., Baradello L., Forte E., Prizzon A. GPR study of bedding planes, fractures and cavities in limestone.

33. Rea J., Knight R. The use of Ground Penetrating Radar for aquifer characterization: an example from southwestern British Columbia. Proc. of the Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, 1995, Orlando, Florida, p. 279-288.

34. Sasahara K., Tsuchida T., Kobayashi T., Fenner T. J. An Investigation of Cracks in Rock Slope Using Ground Penetrating Radar. Proc. of the Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, 1995, Orlando, Florida, p. 149-158.

35. Sheriff R. E. A First Course in Geophysical Exploration and Interpretation. IHRDC, Boston, 1987.

36. Toth T. High resolution geophysics provides optimal results on inland waterways. First Break, 2004, vol. 22, pp. 45-51.

Ниже даны примеры данных, полученных при проведении георадиолокационных исследований в пределах городских территорий.


Примеры данных: рисунки.





Рис. 1. Фрагмент георадиолокационного профиля, выполненного над трубопроводом, с экранированной антенной 300 МГц. Цель работ – обнаружение трубопровода, который определяется по годографу дифрагированной волны (показан черной линией).




Рис. 2. Фрагмент георадиолокационного профиля по р. Москве. Использовалась экранированная антенна 300 МГц. Пример записи дифрагированной волны над трубой под дном реки. Глубина залегания – 1,4 метра от поверхности воды. Стрелкой показана теоретическая гипербола.





Рис. 3. Фрагмент исходного георадиолокационного профиля вдоль теплотрассы. Вертикальными линиями ограничен участок с повышенным увлажнением. Вскрытие показало наличие каверн в трубе, через которые и происходила утечка воды.