27. oktober 2016

 

Ugotavljanje stabilnosti visokovodnih nasipov in zemeljskih bran z geoelektrično metodo eGMS

 1.  Uvod

 

Se spominjate nesreče na Madžarskem, kjer se je samo 160 km od Budimpešte razlilo 700.000 kubičnih metrov rdečega blata. Prizadetih je bilo okoli 7.000 prebivalcev, nesreča pa je zahtevala tudi 9 smrtnih žrtev.

 

 

 

Pri nas je podobnih zadrževalnikov in nasipov veliko po celi Sloveniji. Recimo v Pomurju, kjer je ena izmed verjetnosti poplavljanja v poletnem obdobju nevihte in nalivi na širšem območju Pomurja, ki lahko povzročajo močan porast večjih pritokov reke Ščavnice, Ledave in Krke, in poplave zaradi porušitve pregrad vodnih zbiralnikov Ledava in Gajševci.

 

Poleg poplav ob močnem deževju, ki jih povzročajo vodotoki na katerih so tudi vodni zadrževalniki je možno, da pride do porušitve jezov umetnih jezerih in s tem nenaden odtok večjih količin voda ali nekontrolirano praznjenje zbiralnikov. Pri tem je potrebno upoštevati tudi nekatera akumulacijska jezera hidroelektrarn.

 

 

Območje Slovenije obsega pet vodnih območij, na katerih so zgrajeni visokovodni nasipi, tem pa bi lahko prišteli še zemeljske nasipe hidrocentral in zemeljske pregrade, ki so sestavni del akumulacijskih jezer hidrocentral ali vodnih zadrževalnikov. Vsem je skupno dejstvo, da so zgrajeni iz zelo različnega materiala, odvisno od lokacije na katerih se nahajajo in od časa v katerem so bili zgrajeni. Večina starejših viskokovodnih nasipov je zgrajenih iz materiala lokalnega zaledja. To so po večini rečni sedimenti, prod, pesek in melj ter glina. S postopnim staranjem nasipov se s konsolidacijo materiala kvaliteta teh nasipov spremeni. Dodatni vzrok za zmanjšanje stabilnosti teh objektov pa je izpiranje materiala skozi telo, vegetacija ki zraste na in ob objektu ter dejavnosti živali, ki živijo v okolici.

 

Stanje nasipov se ugotavlja s vizualnim monitoringom, ki pa temelji na subjektivni oceni izvajalca monitoringa in poznavanju zgodovine poplavnega območja. Tak nadzor predstavlja zgolj grobo oceno stanja saj tako lahko ugotovimo le velike in očitne napake v nasipih. Dodatno se pri ugotovljenih nepravilnostih uporablja tudi geomehansko vrtanje in ocena stanja materiala, ki gradi nasip.

 

Notranja erozija (sufuzija) je najpogostejši razlog za propadanje in poslabšanje stanja nasipov. Notranja erozija je odvisna od geotehničnih lastnosti vgrajenih materialov (z granulometrično sestavo nasipnih materialov, načrtovano poroznostjo nasipov) in hidrodinamičnih pogojev v nasipih. Medtem ko so lastnosti materialov po navadi znane, so hidrodinamične lastnosti znotraj njih slabo poznane. Te se močno razlikujejo v odvisnosti od nehomogenosti in hitrosti toka precejne vode. Erozija znotraj nasipov nastane pri relativno nizkih pornih hitrostih, zato je ugotavljanje teh hitrosti in s tem ugotavljanje t.i. izpranih con ključnega pomena pri varovanju stabilnosti nasipov. Kar nekaj teh metod se sedaj uporablja, ki temeljijo na geofizikalnih meritvah. Naj naštejemo glavne oblike meritev (www.floodprobe.eu)

 

-          Elektro tomografija ERT (Electrical Resistivity Tomography) s katero, preko vgrajenih elektrod ugotavljamo spremembe v upornosti kamnin,

 

-          Seizmične meritve MASW (Multi-chanel Analysis of Surface Waves), ki se uporabkja za lokalizacijo kraških kavern,

 

 

-          Tehnika Lastnega potenciala, ki je bila razvita v okviru ERINOH (ERosion Interne des Ouvrages Hydrauliques) s katero se ugotavlja povečana prepustnost nasipov,

 

-          Temperaturne meritve v telesu nasipov za ugotavljanje povečane notranje erozije v telesu nasipa,

 

 

-          Večkanalna upornostna meritev (DC-ERI – Electrical Resistivity Imaging multi-chanel resistivity meter) za hitro ugotavljanje večjih odsekov nasipov ali zelo natančne meritve na kratkih odsekih,

 

-          Slingram, RMT (Radio Magnetic Method) in ERT (Electrical Resistivity Tomography) za preverjanje nasipov v suhem stanju,

 

 

-          eGMS (Geophysical Monitoring System) – hitra geofizikalna metoda za ugotavljanje kvalitete stanja visokovodnih nasipov

 

 

Zadnjo od naštetih metod skupaj z podjetjem Vodni Zdroje a.s. iz Prage in Univerzo Trinity Cellege iz Dublina razvijamo tudi v Sloveniji.

 

Namen eGMS projekta je nadgradnja GMS baze, ki se uporablja za obdelavo in interpretacijo podatkov pridobljenih z GMS (Geophysical Monitoring System). eGMS projekt bo tako v pomoč končnim uporabnikom kot so: upravljavci nasipov, ministrstvom oz. oddelkom za tehnično varnost, regijskemu in mestnemu upravnemu osebju in Civilni zaščiti pri pridobivanju kvalitetnih informacij, ki se nanašajo na nehomogene in nestabilne nasipe in zemeljske brane. Analiza pomanjkljivosti izgradnje visokovodnih nasipov z bazama GMS in eGMS pokaže skrite napake, ki so bile prisotne že pred in med izgradnjo nasipov. Lahko so to naravne razmere (npr. izgradnja nasipov ki so nastale tako med gradnjo nasipov kot tekom let, saj so to objekti, ki praviloma ostanejo na mestu več desetletij. Lahko detektiramo tudi stare skrite rečne kanale, preko katerih je bil zgrajen nasip ali pa konstrukcijske napake in neustrezni gradbeni material uporabljen za izgradnjo. Tudi ponavljajoče poplavljanje vode v okviru rednih poplav ima lahko resne posledice, saj se pri tem iz nasipov izpira material različnih frakcij. Erozija tako stalno vpliva na kvaliteto nasipov na površju in znotraj telesa nasipov.

 

Razvita programska oprema omogoča izdelavo realne slike ogroženosti nasipov. Modularni sistem mora biti prilagojen za vsako državo članico EU posebej (t.j. za linijske nasipe porečij evropskih rek, kjer se baza GMS lahko uporablja), izhaja pa iz raziskav v Republiki Češki, Angliji in Irski.

 

 

2.                     Metoda geofizikalnih meritev

 

Geofizikalni Monitoring Sistem (GMS), sestavljajo 3 osnovni elementi:

 

1. Hitre preskusne meritve (QTM), ki služijo za oceno sestave nasipov in njihove strukture. Metoda sloni na ponavljajočih meritvah (RMM) in DEMP (dipole electromagnetic profiling) z uporabo poli-frekvenčne naprave (GEM 2 proizvajalca GEOPHEX-ZDA).

 

2. Diagnostične meritve (DM) uporabljene za odkrivanje skritih napak, ki jih povzroča nehomogena sestava nasipov. Metoda temelji na geoelektričnih meritvah – upornostni tomografiji, mikrogravimetriji in tomografiji.

 

 

3. Meritev geomehanskih lastnosti (MGM), ki omogoča v kombinaciji z laboratorijskimi analizami, določitev geomehanskih okoliščin v nasipu. V ta namen se uporabljajo seizmične in mikrogravimetrijske metode.

 

Glavna prednost in inovacija GMS metode je uporaba DEMP (dipole electromagnetic profiling) metode za hitro določitev stanja nasipov. Glavna parametra meritev sta, konduktivnost in upornost kamnin. Določeni instrumenti merijo tudi druge parametre, kot so magnetna prevodnost in sprememba upornosti pri frekvenci 50 Hz. Ti parametri omogočajo oceno homogenosti uporabljenih materialov, njihovo strukturo (prodnato – peščeno – glinasti materiali), relativno prepustnost in določitev komunalnih vodov  (kablov, cevitev itd ) v nasipih. Meritve se izvajajo tako, da izvajalec meritev hodi z opremo po nasipu, meritve pa se zapisujejo s pomočjo GPS instrumentov.

 

Meritve se sproti izvajajo na različnih frekvencah, vsaka meri različno globino v nasipu od enega metra do desetih metrov, odvisno od uporabljene frekvence in upornosti kamnin. To omogoča osnovno določitev sprememb v lastnosti nasipnega telesa, v vertikalni in horizontalni smeri. Primer meritev z merilno napravo »GEM« je prikazan na sliki 1.

 

 

 

 

Slika 1, Primer QTM rezultatov in interpretacija

 

 

Zgornji graf prikazuje upornostne krivulje materialov v nasipu izmerjenih z GEM2. Na osnovi teh meritev se izvede osnovna interpretacija dela nasipa – razdelitev na kvazihomogene bloke (graf 2). Bloki so definirani z lomljeno črto z vrednostjo med -2 in +2, z opisom prevladujočega materiala v telesu nasipa, za katerega se poda vrednost. V našem primeru je opazna je velika nehomogenost. Odseki, kjer prevladuje glina izkazujejo nizko prepustnost, visoko pa tam, kjer prevladujejo peščeni in prodni odseki. Prehodi so zelo ostri (na primer meje blok A1/E1, A3/E2). Pri večkratni zaporedni osušitvi nasipa lahko pa pride do lomljenja in razpok v telesu nasipa. Ti ostri prehodi torej nakazujejo šibke točke nasipnega telesa.

 

Spremembe  upornosti nastajajo tudi v vertikalni smeri. Zvišanje upornosti pri frekvenci 6525 Hz (modra krivulja) v primerjavi s frekvenco 47025 Hz (rdeča krivulja), označuje prisotnost prodnatih – zelo prepustnih sedimentov pod nasipom (ponavadi stari meandri reke). Nasprotno - znižanje »modre« krivulje upornosti (frekvenca 6525 Hz) v primerjavi z »rdečo« določa glinasto sestavo. Z meritvami »šumov« pri frekvenci 50 Hz (graf 3) in magnetne prevodnbosti (graf 4) ugotavljamo prisotnost umetnih teles v nasipu (cevovodi, večji jekleni predmeti). Prisotnost teh elementov v nasipu vedno povečuje možnost precejanja skozi nasip, v primeru starih, slabo izdelanih nasipov ali napeljav »na črno«, pa se ta možnost še poveča. Take anomalije so prikazane na sliki 1 na razdalji med 2700 in 2980 m.

 

Osnovni princip delovanja GMS sistema je v rednem ponavljanju meritev z DEMP metodo. Analiza ponavljajočih meritev prinaša nov tip geofizikalnih informacij. To pomeni, da je mogoče določiti odseke nasipov, kjer se v časovnem obdobju kažejo slabosti v strukturi nasipa. Te kažejo v razlikah, ki jih določimo z večkratnimi meritvami. Največkrat se pojavljajo na mestih, kjer se pojavlja precejanje skozi telo nasipa ali pod njim. Pri izvedbi meritev je potrebno upoštevati dve osnovni pravili:

 

- Potrebno je določiti »standardno/normalno« deviacijo upornosti kamnin, ki izvira zaradi različne vlažnosti nasipnega materiala in plasti pod nasipom. To se izvaja s ponavljajočimi meritvami. Vlažnost je odvisna od padavin in nivoja vode v reki. Take variacije upornosti dosegajo deset do sto odstotkov.

 

- Ponavljajoče meritve za določitev precejnic se izvajajo v različnih hidroloških in hidravličnih pogojih, najbolje v suhem obdobju, ko je nasip suh (osnovna meritev) in visokih vodah(celo med poplavami), ko je jezero za nasipom polno in nasip prepojen (kontrolne meritve).

 

Efekt »standard/normal« variacije upornosti se uravna matematično z izračunom tako imenovane rezidualne upornostne anomalije (upoštevaje dolžino odseka kjer nastopa anomalija). Nato se analizira oblika variacije izmerjenih krivulj, ki se največkrat odražajo zaradi precejanja vode skozi nasip. Interpretacija časovno nestabilnih upornostnih anomalij temelji na predpostavki,da mesta precejanja, lomov ali razpok nastopajo skupaj s ponavljajočim spiranjem fine frakcije iz telesa nasipa, prav tako pa se upornost materialov spreminja v primerjavi z materiali iz okolice. Razlog za spremembo upornosti je v povečani vsebnosti vode v predelih, kjer nastopa anomalija, ki se kaže z relativnim znižanjem upornosti glede na meritve izvedene v nasipih, opravljenih s kontrolnimi meritvami (visokovodnimi). Nasprotno, glede na osnovne meritve (suho obdobje), se v odseku pojavijo relativno večje upornosti, ki nastanejo zaradi povečane poroznosti materiala, ki je rezultat razpok in lomov, povzročenih zaradi ponavljajočega spiranja materiala.

 

Primer analize odseka s ponavljajočimi meritvami je prikazan na sliki 2. Odsek je enak kot na sliki 1. Krivulje na vrhu grafa prikazujejo upornost pri frekvenci 47025 Hz, izmerjene v suhem obdobju (modra krivulja) in v »visokovodnem obdobju« (rdeča krivulja). Opazno je zmanjšanje upornosti med stanjem zasičenosti z vodo – to odgovarja »standard/normal« varianci. Kar je zanimivo, so lokalne variacije med izmerjenimi krivuljami. S pomočjo rezidualnih upornostnih anomalij, prikazanih na spodnjem grafu, so ocenjeni tisti odseki, kjer razlika med upornostjo med stanjem 1 in stanjem 2 presega 20% (značilen odklon rdeče krivulje pod modro). Skupno je ugotovljenih 6 odsekov. Na sliki 2 so označeni rumeno s črkami od A do E. Podroben pogled pokaže razlike upornostnih krivulj glede na zgornje krivulje. Vsekakor pa so na grafu rezidualnih anomalij variacije bistveno bolj vidne.

 

 

Slika 2, Primer rezultatov ponavljajočih meritev RRM in interpretacija

 

 

Rezultati izvedenega monitoringa se preverjajo z »visokovodnimi« pogoji in s terenskim ogledom. Na sliki 3 so prikazane anomalije in označene za E1.

 

 

 

Slika 3, Detajl spiranja nasipa ob »visokovodnih« pogojih

 

 

V okviru predstavljene metode so bile na lokaciji Hull prikazane tudi metode »dipol elektromagnetic profiling« DEMP (osnova za QTM) in »resistivity tomography« RT (osnova za DM)

 

Osnova DEMP metode temelji na meritvah indukcije primarnega elektromagnetnega polja preiskovanega okolja. Padec napetosti med dvema merilnima sondama pa označuje prevodnost (upornost) kamnine med dvema sondama. V našem primeru so to kamnine, ki gradijo telo in podlago nasipa. Globina meritev je odvisna od frekvence primarnega elektromagnetnega polja. Nizke frekvence dosegajo večje globine.

 

Pri meritvah so bili uporabljeni instrumenti GEM2 (GEOPHEX USA), ki delujejo kot več frekvenčne merilne naprave. V našem primeru smo uporabili 4 frekvence, ki so se izkazale kot najprimernejše, glede na elektromagnetni šum okolja. Uporabljene so bile naslednje frekvence: 6526 Hz, 13025 Hz, 27025 Hz in 47025 Hz. Te frekvence odgovarjajo globinam meritev: 12 m, 8 m, 4 m in 2 m. Meritve so bile izvedene tako, da je bilo izvedenih po 5 zaporednih meritev. Meritve se izvajajo med hojo operaterja po nasipu z merilno napravo in GSM oddajnikom.

 

 

Slika 4, Izvedba meritev

 

Gostota meritev je znašala 3 do 4 skeniranja za 1 m profila.

 

Za primerjavo rezultatov meritev so bile uporabljene klasične geoelektrične meritve »resistivity tomography« (RT). To so meritve električnega toka skozi kamnine. V tem primeru gre za klasično geoelektrično upornostno metodo, ki temelji na električnem polju, ki ga pod površjem vzpostavimo preko galvanskega člena in para tokovnih elektrod. Z drugim parom elektrod merimo spremembe v potencialni razliki, ki jo ob znanem toku izrazimo v upornosti določene prostornine tal. Ta je opredeljena z razporeditvijo štirih elektrod na površju. Meritve upornosti temeljijo na dejstvu, da se električna prevodnost posameznih plasti kamnin razlikuje glede na vsebnost vlage v plasteh. Razdalje med elektrodami med meritvami so znašale med 1 in 2 m.

 

 

 

 

 

 

Opisana metoda nam omogoča hitro določanje skritih anomalij v nasipih, zato lahko z urejenim monitoringom ukrepamo preden se zgodi podobna nesreča kot na Madžarskem. S tem pa seveda preprečimo veliko gospodarsko škodo in rešimo življenja prebivalcev. Metoda bo podrobno predstavljena tudi v okviru strokovnih predavanj na Inženirski zbornici Slovenije 13/10/11. Morda nam uspe pritegniti pozornost tudi naših vzdrževalcev visokovodnih nasipov in bran.

 

 

Kamnik, avgust 2011                                             mag. Josip Sadnikar, univ.dipl.inž.geol.