Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности

Geo-radar method of revealing ground water local zones in upper ground layers (up to 20—30 m) with evaluation of their three-dimensional humidity concerning the sounding signal with stepwise alteration of its carrier frequency has been considered. The method is based on phase structure of reflected...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Сугак, В.Г., Овчинкин, О.А., Силаев, Ю.С., Сугак, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2014
Назва видання:	Геофизический журнал
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100401
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности / В.Г. Сугак, О.А. Овчинкин, Ю.С. Силаев, А.В. Сугак // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 2. — С. 127-137. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100401
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1004012016-05-22T03:02:41Z Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности Сугак, В.Г. Овчинкин, О.А. Силаев, Ю.С. Сугак, А.В. Geo-radar method of revealing ground water local zones in upper ground layers (up to 20—30 m) with evaluation of their three-dimensional humidity concerning the sounding signal with stepwise alteration of its carrier frequency has been considered. The method is based on phase structure of reflected signals which characteristics are determined to essential degree by three-dimensional humidity of ground rocks. Effectiveness of the method was evaluated by practical example of revealing water-saturated ground layers at the depths up to 20 m and was confirmed by the data of drilling and laboratory tests. Розглянуто георадарний метод виявлення локальних зон ґрунтових вод у верхніх шарах ґрунту (до 20—30 м) з оцінкою їх об‘ємної вологості стосовно зондувального сигналу з покроковою зміною його несучої частоти. Метод засновано на застосуванні фазової структури відбитих сигналів, характеристики якої значною мірою визначаються об‘ємною вологістю порід ґрунту. Ефективність методу оцінено на практичному прикладі виявлення насичених водою шарів ґрунту на глибинах до 20 м і підтверджено даними буріння та лабораторних випробувань. 2014 Article Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности / В.Г. Сугак, О.А. Овчинкин, Ю.С. Силаев, А.В. Сугак // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 2. — С. 127-137. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0203-3100 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100401 621.396.969.25 ru Геофизический журнал Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Geo-radar method of revealing ground water local zones in upper ground layers (up to 20—30 m) with evaluation of their three-dimensional humidity concerning the sounding signal with stepwise alteration of its carrier frequency has been considered. The method is based on phase structure of reflected signals which characteristics are determined to essential degree by three-dimensional humidity of ground rocks. Effectiveness of the method was evaluated by practical example of revealing water-saturated ground layers at the depths up to 20 m and was confirmed by the data of drilling and laboratory tests.
format	Article
author	Сугак, В.Г. Овчинкин, О.А. Силаев, Ю.С. Сугак, А.В.
spellingShingle	Сугак, В.Г. Овчинкин, О.А. Силаев, Ю.С. Сугак, А.В. Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности Геофизический журнал
author_facet	Сугак, В.Г. Овчинкин, О.А. Силаев, Ю.С. Сугак, А.В.
author_sort	Сугак, В.Г.
title	Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности
title_short	Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности
title_full	Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности
title_fullStr	Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности
title_full_unstemmed	Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности
title_sort	георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
publishDate	2014
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100401
citation_txt	Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности / В.Г. Сугак, О.А. Овчинкин, Ю.С. Силаев, А.В. Сугак // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 2. — С. 127-137. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Геофизический журнал
work_keys_str_mv	AT sugakvg georadarnyjmetodobnaruženiâvodonasyŝennyhsloevgruntasocenkojihobʺemnojvlažnosti AT ovčinkinoa georadarnyjmetodobnaruženiâvodonasyŝennyhsloevgruntasocenkojihobʺemnojvlažnosti AT silaevûs georadarnyjmetodobnaruženiâvodonasyŝennyhsloevgruntasocenkojihobʺemnojvlažnosti AT sugakav georadarnyjmetodobnaruženiâvodonasyŝennyhsloevgruntasocenkojihobʺemnojvlažnosti
first_indexed	2025-07-07T08:47:11Z
last_indexed	2025-07-07T08:47:11Z
_version_	1836977258816864256
fulltext	ГЕОРАДАРНЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ ГРУНТА ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 127 Введение. Задачи обнаружения и картогра- фирования зон залегания грунтовых вод всегда представляли значительный интерес в народ- ном хозяйстве. Во-первых, вода необходима для жизнедеятельности человека, во-вторых, развивающиеся в последние годы процессы подъема уровня грунтовых вод (подтопление) требуют своевременного их мониторинга с целью предотвращения техногенных послед- ствий. Грунтовые воды залегают не сплошным водным слоем, а пропитывают собою какую- нибудь породу (песок, суглинок, лесс и т. п.), всю или часть, образуя так называемый водо- носный слой или ярус, большей частью непре- рывный на значительной площади. Мощность водоносного горизонта и степень насыщенно- сти водой крайне разнообразны и иногда до- стигают значительных величин. Поверхность грунтовых вод редко бывает горизонтальной; чаще она волниста, образует всевозможные мульды, выпуклины и т. п. Цир- куляция вод в основном слабая, хотя при особо благоприятных условиях (ноздреватости, тре- щинах в водоносной породе и т. п.) возможны быстрые подземные течения как сплошные, так и жильные [Лебедев, 1936]. Движение грунтовых вод определяется степенью водопроницаемости пород, которая колеблется в значительных пределах. Пределы изменения коэффициента фильтрации дости- гают нескольких порядков. Например, в рабо- те [Полубаринова-Кочина, 1952] все горные УДК 621.396.969.25 Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности © В. Г. Сугак, О. А. Овчинкин, Ю. С. Силаев, А. В. Сугак, 2014 Институт радиофизики и электроники НАН Украины, Харьков, Украина Поступила 11 февраля 2013 г. Представлено членом редколлегии Э. Д. Кузьменко Розглянуто георадарний метод виявлення локальних зон ґрунтових вод у верхніх шарах ґрунту (до 20—30 м) з оцінкою їх об‘ємної вологості стосовно зондувального сигналу з покро- ковою зміною його несучої частоти. Метод засновано на застосуванні фазової структури від- битих сигналів, характеристики якої значною мірою визначаються об‘ємною вологістю порід ґрунту. Ефективність методу оцінено на практичному прикладі виявлення насичених водою шарів ґрунту на глибинах до 20 м і підтверджено даними буріння та лабораторних випробувань. Ключові слова: георадар, радіолокатор підповерхневого зондування, зона аерації, водо- насичені шари, об’ємна вологість. породы делятся на пять категорий по степени водопроницаемости: 1) хорошо водопроницаемые (галечники, крупнозернистые пески, массивные сильно- трещиноватые и пещеристые породы) с коэф- фициентом фильтрации больше 10 м/сут; 2) водопроницаемые (пески, трещинова- тые породы) с коэффициентом фильтрации 10—1 м/ сут; 3) слабоводопроницаемые (мергели, песча- ники, супеси) с коэффициентом фильтрации 1—0,01 м/сут; 4) весьма слабопроницаемые или полупро- ницаемые (глинистые песчаники, супеси, су- глинки) с коэффициентом фильтрации 0,01— 0,001 м/сут; 5) непроницаемые, практически водоупор- ные породы (глины, нетрещиноватые скальные породы и др.) с коэффициентом фильтрации менее 0,001 м/сут. Таким образом, чрезвычайно разнообраз- ная структурная конфигурация водоносных горизонтов и их различие в фильтрационных характеристиках весьма осложняет и удорожа- ет их поиск стандартными методами инженер- ной геологии, а именно бурением контрольно- наблюдательных скважин, количество которых может быть значительным. В качестве альтернативных методов поис- ка водоносных горизонтов можно предложить георадарные методы, которые в последнее вре- мя находят широкое применение в инженер- ной геологии. В. Г. СУГАК, О. А. ОВЧИНКИН, Ю. С. СИЛАЕВ, А. В. СУГАК 128 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 Трудность использования георадарного метода зондирования с целью обнаружения водоносных горизонтов состоит главным об- разом в том, что их верхняя граница не явля- ется резко выраженной, а плавно изменяется по объемной влажности от полного насыщения пор вблизи водоупорной границы до значения в верхнем слое грунта, соответствующего есте- ственному ненасыщенному влагой состоянию. Другими словами, над зеркалом грунтовых вод располагается зона капиллярного поднятия, в которую по капиллярным порам затянута ка- пиллярная вода. Высота капиллярного поднятия в среднезер- нистых песках равна 0,15—0,35 м, в мелкозер- нистых — 0,02—1,0 м, в супесях она возрастает до 1—1,5 м, в суглинках — до 3—6,5 м [Кли- ментов, Богданов, 1977]. В глинах вода может подниматься, согласно работе [Коссович, 1916], на высоту до 8 м, а в лессах — до 4 м (за два года). В зависимости от особенностей мине- ралогического состава и степени окатанности песчаных частиц высота капиллярного подня- тия будет неодинакова даже при одинаковой степени дисперсности, поскольку различный минералогический состав и форма частиц обу- словливают различную величину пор и соот- ветственно пористость и оказывают влияние на взаимодействие воды с минеральными ча- стицами. Высота капиллярного поднятия воды в грунтах зависит от многих причин, в том чис- ле от первоначального состояния их увлажне- ния. Согласно работе [Дранников, 1964], высо- та капиллярного подъема воды колеблется от 2 до 60 см в песках (в зависимости от крупности зерна), в супесях — от 60 до 120 см, суглинках — от 120 до 160 см и глинах — от 300 до 400 см. В работе [Климентов, Богданов, 2008] приведена таблица высоты капиллярного поднятия воды в зависимости от размера частиц пород, соглас- но которой эта высота для песчаной фракции колеблется от 8,4 до 101,2 см. По нашим экспериментальным данным из- мерения диэлектрической проницаемости по- род грунта в лизиметре [Сугак, Кузьмин, 2008], которые проводились в процессе постепенного водного насыщения породы, мощность зоны капиллярного поднятия достигает 15—20 см в песке и 40—50 см в суглинке. Таким образом, даже в песках зона капил- лярного поднятия воды может достигать 1 м и более. Так как длина радиоволн, применяе- мых для зондирования на глубину до 15—20 м, обычно не превосходит 1 м, то эта зона пред- ставляет собой слабоотражающую границу вследствие плавного изменения диэлектри- ческих свойств (особенно удельной прово- димости), сопровождающегося нарастанием затухания радиоволн. Это приводит к тому, что обычные радиояркостные изображения сечения грунта, получаемые при использова- нии таких зондирующих сигналов, как радио- импульсный или со ступенчатым изменением его несущей частоты, являются малоэффек- тивным инструментом для определения верх- ней границы водонасыщенного горизонта. Об этом свидетельствуют немногочисленные публикации по этой тематике. С помощью гео- радарного метода можно определять уровень залегания грунтовых вод только в песчаных грунтах [Золотарев и др., 1982]. Иногда удается косвенно увидеть размытую верхнюю грани- цу насыщенного водой слоя по резкому воз- растанию затухания радиоволн в таких слоях. Однако сделать какие-либо выводы о степени насыщения грунтовыми водами водопрони- цаемых слоев практически невозможно. Пу- бликации по практическому использованию георадарного зондирования в инженерной гео- логии в основном касаются вопросов, связан- ных с зондированием слоев грунта до уровня грунтовых вод или зондированием в пресных водоемах для определения их водоупорных границ (дна) [Ground..., 2004]. В серии работ [Ground…, 2003] подробно описаны результа- ты применения георадаров для зондирования в осадочных породах и лишь в отдельных ра- ботах этой серии косвенно приводятся резуль- таты зондирования в насыщенных водой поро- дах грунта. Хорошим методическим пособием с практическими примерами использования георадарного зондирования служит моногра- фия [Владов, Старовойтов, 2004], где приведе- ны многочисленные результаты георадарного зондирования в различных породах грунта с подробным описанием методики и приемов ин- терпретации данных, в том числе и некоторые примеры определения уровня грунтовых вод. В работе [Шуман и др., 2008] демонстрируется эффективность комплекса геоэлектрических методов, таких как метод становления корот- коимпульсного поля (СКИП), вертикального электрорезонансного зондирования (ВЭРЗ) и георадарного зондирования при решении инженерно-геологических задач, которые уве- личивают вероятность правильной интерпре- тации результатов зондирований. Разработанный нами метод использования фазовой структуры сигналов в георадарном методе зондирования на основе зондирую- ГЕОРАДАРНЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ ГРУНТА ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 129 щего сигнала со ступенчатым изменением его несущей частоты может оказаться эффектив- ным инструментом для определения таких слабовыраженных границ, как граница уров- ня грунтовых вод [Sugak, Sugak, 2010] и самих слоев с оценкой их объемной влажности. Ока- залось, что фазовая структура сигналов очень чувствительна к даже небольшим изменени- ям электрических характеристик подповерх- ностной структуры грунта (ПСГ), в том числе обусловленных изменением влажности этой структуры. Другим важным преимуществом фазовой структуры сигналов является то, что она позволяет определять не только границы между слоями с разным литологическим соста- вом, но и определять толщину слоев, так как эта структура сохраняет свои свойства во всем сравнительно однородном слое. Краткое описание метода обработки сигна- лов с использованием их фазовой структуры. Как показано в работе [Sugak, Sugak, 2010], фа- зовая структура сигналов (ФСС), определяемая их фазочастотным спектром, очень чувстви- тельна к физическим характеристикам среды, в частности к объемной влажности и типу грунта. В этой же работе показано, что ФЧС отражен- ных от неоднородностей ПСГ и прошедших слои грунта сигналов определяется выражени- ем, в котором фазовый множитель ΔФ опреде- ляет зависимость ФЧС от физических свойств среды в каждом дискретном значении глубины rn, определяемым разрешающей способностью зондирующего сигнала: ( )n nr r , ( ) 2 0 1 8 f f . (1) В этих выражениях rn — текущее значение дискретной глубины, n — номер дискретного значения несущей частоты зондирующего сиг- нала, f0 — начальное значение несущей частоты, Δf — дискретное изменение несущей частоты, σ — удельная проводимость пород грунта, ε — диэлектрическая проницаемость пород грунта, μ — магнитная проницаемость пород. Таким образом, если физические характе- ристики ПСГ не изменяются с глубиной, то ФЧС линейно зависит от глубины (или часто- ты). Скорость нарастания по глубине этой со- ставляющей (градиент) определяется характе- ристиками среды. Как видно из выражения (1), основной вклад в эту добавку вносит удельная проводимость среды, так как она входит в ква- драте в выражение (1), в то время как диэлек- трическая проницаемость — только в степени 3/2. Это обстоятельство дает дополнительный положительный эффект — более высокую чув- ствительность ФЧС к изменению влажности по- роды грунта. На рис. 1 показаны кривые, характери- зующие зависимость постоянного фазового коэффициента, который входит множителем дискретного значения глубины, от объемной влажности. Каждая кривая соответствует определенному типу грунта, который характе- ризуется процентным содержанием песчаной и глинистой фракций. На рис. 2 приведены дан- ные моделирования в виде нарастающих линей- ных зависимостей фазового набега от глубины Рис. 1. Зависимость фазового коэффициента от влажно- сти: 1 — песок 30 %, глина 70 %; 2 — песок 50 %, глина 50 %; 3 — песок 70 %, глина 30 %. Рис. 2. Линейные зависимости фазового набега от глубины при разной влажности породы грунта. В. Г. СУГАК, О. А. ОВЧИНКИН, Ю. С. СИЛАЕВ, А. В. СУГАК 130 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 при разной влажности породы слоя грунта. Для данного случая была выбрана порода, содержа- щая 70 % песчаной фракции и 30 % глинистой. Видно, что фазовый коэффициент и скорость нарастания ФЧС очень сильно зависят от типа грунта и объемной влажности. Аналогично представлению информации о результате подповерхностного зондирования в виде радиояркостного изображения сечения грунта по профилю движения георадара можно представить и изображение фазой структуры сигналов. При таком же способе представления изображения фазовой структуры сигналов по- казываются в виде кривых, соответствующих максимумам фазовых сдвигов (например, зна- чениям +2π), располагающихся сравнительно периодично по глубине. При наличии локаль- ных зон или слоев грунта, в которых фазовая скорость распространения радиоволн отлича- ется от окружающей структуры грунта, будут наблюдаться смещения положения этих макси- мумов по глубине за счет изменения градиента роста фазы отраженного сигнала. Для того, чтобы связать характеристики фазовой структуры георадарных сигналов с физическими характеристиками пород грун- та, необходимо иметь адекватные им модели электрических характеристик основных пород грунта. В идеале модель должна учитывать влия- ние множества различных факторов на диэлек- трические свойства грунта. Такими факторами являются объемная плотность грунта, текстура, композиционные свойства (распределение раз- мера частиц и их минералогия), объемная кон- центрация водных компонентов (обычно в виде свободной и связанной воды), воздух, степень солености и температура [Scott, Smith, 1992]. Модель, использованная в данной работе, является разновидностью широко используе- мых моделей, основанных на смесях различных пород грунта, в основном песка, глины и ила (осадочных пород), воды в разных состояниях (например, связанной и свободной), воздуха и соляного раствора. Это так называемая 4-ком- понентная модель, описание которой подроб- но изложено в работе [Сугак и др., 2012]. Для аппроксимации реально встречающихся пород грунта широко применяется треугольная диа- грамма текстурных классов грунта [Ground..., 2004] для определения процентного состава композитных пород для требуемого типа грунта. При расчетах использовалась скорректиро- ванная модель, в которой были изменены на- клон частотных зависимостей диэлектрической проницаемости и удельной проводимости таким образом, чтобы результаты были более близки- ми к наблюдаемым экспериментальным данным [Сугак и др., 2012]. Для этого получаемая в ре- зультате расчета по указанной модели функция зависимости диэлектрической проницаемости и удельной проводимости грунта от частоты умножалась на множители ( ) ( )deg 10 rK , ( ) ( )deg 10 rK соответственно, где ω0 — на- чальная частота зондирующего сигнала, degr1 и degr2 — показатели степени, величины кото- рых варьируются в пределах 0,7…0,9 и 0,5…0,6 соответственно. В итоге расчетные результаты по общему затуханию, частотной зависимости погонного затухания и частотной дисперсии диэлектрической проницаемости получались более адекватными заданному типу грунта. Для получения распределения объемной влажности по глубине в заданном сечении грун- та использовался комплекс методов: анализ изображений фазовой структуры грунта, использование априорной информации о типе пород грунта, расчет частотных зависимостей комплекс- ной диэлектрической проницаемости по- род грунта, моделирование процессов распростра- нения радиоволн в слоях грунта [Sugak, 2007]. Далее один из основных параметров моде- ли — объемная влажность — методом итераций подбирался так, чтобы расчетные данные о рас- стоянии между соседними изолиниями фазо- вой структуры грунта (крутизне фазочастотной характеристики) совпадали бы с данными зон- дирования (на изображении с фазовой струк- турой сигналов вдоль профиля в заданных его сечениях). Применение метода в реальной задаче об- наружения подповерхностных водоносных слоев. Рассмотрим результаты применения описанного метода использования фазовой структуры георадарных сигналов на примере выявления водоносных слоев в пос. Роговка (Валковский р-н, Харьковской обл., Украина). Геологическая структура почвы в этом районе очень неоднородна, что проявляется в крайне неравномерном распределении водо- носных слоев в подповерхностной структуре грунта этого региона. В поселке существует единичные места, в которых можно добывать воду из колодцев с глубины порядка 14—16 м. По-видимому, эта вода фильтруется по водо- проницаемым слоям (языкам) относительно ГЕОРАДАРНЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ ГРУНТА ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 131 небольшими в поперечном сечении, из источ- ников в виде нескольких озер, располагающих- ся севернее на расстоянии около 0,7—1,0 км от поселка (рис. 3). Выявление таких водоносных слоев является очень важным для жителей по- селка. Для анализа был выбран длинный профиль случае при зондировании использовался ча- стотный диапазон примерно 100—160 МГц. Анализируя детально изображение фазо- вой структуры сигналов по указанному про- филю (рис. 5), можно сделать следующие выво- ды. На изображении можно выделить четыре характерные зоны. Первая зона — верхний слой почвы до глу- бины около 2 м, характеризуется сравнительно однородной структурой грунта. Вторая зона — слой почвы от 2 м до пример- но 8 м. Здесь можно выделить сравнительно однородный участок (слой), располагающийся на дистанции от примерно 100 м от начала про- филя до 200 м. Третья зона — слой почвы на глубине от 8 до примерно 21 м на этом же участке, также характеризуется сравнительно однородной структурой. Наиболее интересными с точки зрения ана- лиза являются три зоны, обозначенные циф- рой 4, выделенные на рисунке пунктирными линиями, и зона под номером 3. Первая из них начинается с глубины примерно 10 м и нахо- дится на расстоянии от 20 до 100 м от начала профиля. По-видимому, эта зона соответствует водонасыщенному слою, из которого наполня- ется указанный выше колодец с водой. Вторая зона располагается в конце профи- ля и на глубине более 12—14 м характеризует второй, предположительно водонасыщенный слой грунта (язык), который может представ- лять интерес с точки зрения добычи питьевой воды (такой вывод будет подкреплен дальней- шим анализом). В этих зонах наблюдается существенный подъем изолиний фазовой структуры сигна- лов на глубине от 11 до 17—20 м. Здесь присут- ствует также сильная изрезанность фазовой структуры грунта, что может быть связано с большим количеством локальных неоднород- ностей в структуре грунта и, как следствие, с большими неоднородностями по степени увлажнения грунта. В третьей зоне наблюдается существенно более однородная структура грунта с постепен- ным уменьшением расстояния между изоли- ниями, начиная с глубины 13 м, что характе- ризует однородно увлажненный слой на этих глубинах. Для перехода к численным оценкам объем- ной влажности этих зон необходима информа- ция о литологическом строении и физических характеристиках пород грунта этих зон и ве- личин отклонений по глубине соответствую- Рис. 3. Карта участка в окрестности пос. Роговка. Рис. 4. Увеличенный масштаб участка. движения георадара, который начинался в окрестности расположения действующего колодца и простирался на длину около 230 м (рис. 4). Такой выбор профиля диктовался не- обходимостью сравнения георадарных дан- ных, получаемых при пересечении водонос- ного слоя, из которого питается действующий колодец, с данными, получаемыми вдоль всего профиля движения георадара. Детальное опи- сание принципа работы георадара со ступенча- тым изменением его несущей частоты можно найти в работе [Сугак и др., 2005]. В данном В. Г. СУГАК, О. А. ОВЧИНКИН, Ю. С. СИЛАЕВ, А. В. СУГАК 132 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 щих изолиний фазовой структуры сигналов, а также указанная выше модель электрических характеристик различных грунтов. Для это- го более детально анализировалась фазовая структура сигналов на той части профиля, которая представляла наибольший интерес с точки зрения наличия водоносных слоев грун- та. Такая зона, где отчетливо видна неоднород- ность изолиний фазовой структуры сигналов с существенно разными градиентами скорости нарастания, показана на рис. 6. Определение типа грунтов осуществлялось бурением вручную контрольной наблюдатель- ной скважины в окрестности второй водонасы- щенной зоны, т. е. на расстоянии около 220 м от начала профиля (табл. 1). Для дальнейшего анализа использовалась типовая классификация грунтов по содержа- нию глинистых и песчаных фракций. По про- центному содержанию глинистых частиц раз- личают глины, суглинки и супеси, а по разме- рам песчаных частиц — глинистые, глинисто- пылеватые грунты [Полубаринова-Кочина, 1952]. Классификация глинистых грунтов по зерновому составу, принятая, например, в до- рожном деле, приведена в табл. 2. Рис. 5. Фазовая структура сигналов по профилю движения георадара. Рис. 6. Фазовая структура сигнала в окрестности сечения II по профилю движения георадара. ГЕОРАДАРНЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ ГРУНТА ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 133 Таким образом, породы грунта из контроль- но-наблюдательной скважины в нашем случае (пылеватая глина) должны иметь процентное содержание глинистой фракции более 30 %. Далее, используя указанную выше модель за- висимости электрических характеристик пород грунта от процентного содержания песчаной и глинистой фракций, влаги, пористости, тем- пературы и т. д., было проведено моделирова- ние распространения зондирующего сигнала со ступенчатым изменением частоты через среду, параметры которой варьировались так, чтобы результаты моделирования совпадали по возможности с данными зондирования. При моделировании использовались два типа грунта в соответствии с табл. 2. В первом случае процентное содержание песчаной фракции со- ставляло 30 %, а во втором — 40 %. Понятно, что при одинаковом расстоянии между изолиниями фазовой структуры грунта объемная влажность будет больше для второго случая, а именно для грунта с большим процентным содержанием песчаной фракции. Моделирование начиналось с анализа информации о зависимости рассто- яния между изолиниями фазовой структуры сигналов по глубине для двух выбранных зон (рис. 7). Затем с использованием указанной выше модели электрических характеристик пород грунта и полученной информации о за- висимостях расстояния между изолиниями фа- зовой структуры от глубины проводился подбор объемной влажности выбранных типов пород грунта так, чтобы результаты моделирования совпадали с данными зондирования. Т а б л и ц а 1. Описание типов пород грунта из пробуренной скважины Глубина, м Характеристика грунта 0,5 Слой чернозема 4,5—5,5 Глина пылеватая светлая среднезернистая, комковатая, с включениями известковых пород, сухая 6,5 То же, но более темная 7,5 То же, но еще более темная 8 Глина пылеватая, тяжелая, полутвердая, с небольшими примесями песка, темно-коричневая, комковатая, с включениями твердых образований в виде комков известняка (диаметром от 1 до 3—5 см) 10,5 То же 11 Глина пылеватая темно-коричневая, комковатая, с включениями извесковых комков, влажная 12 То же, насыщенная влагой 15 То же Т а б л и ц а 2. Классификация глинистых грунтов по зерновому составу и содержанию фракций Порода Размеры частиц, мм Глинистые 0,002 Пылеватые 0,002—0,05 Песчаные 0,5—2,0 Глинистые грунты Глина более 30 — Больше, Суглинок 30—10 — чем Супесь 10—3 — пылеватых Глинисто-пылеватые грунты Пылеватая глина более 30 Больше, — Пылеватый суглинок 30—10 чем — Пылеватая супесь 10—3 песчаных — В. Г. СУГАК, О. А. ОВЧИНКИН, Ю. С. СИЛАЕВ, А. В. СУГАК 134 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 На рис. 8 и 9 приведены результаты мо- делирования для выбранных трех зон подпо- верхностной структуры грунта (см. выше). Для каждой зоны приведены две кривые распреде- ления объемной влажности по глубине, одна из них соответствует процентному содержа- нию песчаной фракции 30 %, а вторая — 40 %. Можно предположить, что для указанного типа грунта реальные кривые будут соответствовать какому-то промежуточному случаю. Так как нашей задачей было определение зон повы- шенной влажности для возможного в будущем рытья колодца, то такой точности определения объемной влажности в принципе достаточно. К сожалению, мы не обладали априорной информацией о типах пород грунта, в которых происходила фильтрация влаги. Дело в том, что в реальной ситуации фильтрация влаги из зон расположения указанных озер должна осу- ществляться по грунтам с большим значением коэффициента фильтрации, т. е. по тем поро- дам, в которых больше содержание песчаной фракции. Поэтому такие породы грунта будут ближе к кривым с 40 %-ным содержанием пес- чаной фракции или больше. Из анализа рисунков видно, что в двух наиболее подходящих для фильтрации воды породах грунта (см. рис. 8) наблюдается боль- шая изрезанность фазовой структуры грунта, что проявляется в больших скачках объемной влажности по глубине. Это свидетельствует в пользу того, что именно здесь происходит основная фильтрация влаги, так как такие породы грунта должны характеризоваться большей неоднородностью структуры грунта (наличие включений различных пород грунта с разными значениями плотности и коэффи- циента фильтрации). Наш опыт зондирования таких структур (например, зондирование отко- са плотины дамбы Дубоссарской ГЭС [Сугак, 2010]) показывает, что именно в таких слоях наблюдается сильная изрезанность фазовой структуры радиолокационных сигналов. В пользу такого вывода говорит также то, что максимальные значения объемной влажно- сти в этих зонах превосходят соответствую- щие значения в любых других зонах. Из двух указанных зон несколько меньшая мощность слоя обводнения наблюдается во второй зоне (сечение № 3). Мощность этого слоя не превы- шает 3 м (глубина примерно от 9,5 до 12,5 м), в то время как в первой зоне мощность этого слоя превышает 4 м (глубины 9—13 м). В зоне № 3 (рис. 9) наблюдается сравнитель- но большая однородность фазовой структуры сигналов. При этом объемная влажность уве- личивается с глубиной и достигает меньшего максимума, приходящегося на глубину около 17—19 м. Вследствие существенно более одно- родной фазовой структуры сигналов на протя- Рис. 7. Зависимость расстояния между изолиниями от глу- бины: 1 — первая зона; 2 — вторая зона. Рис. 8. Распределение объемной влажности в двух сече- ниях грунта I (сплошные линии) и II (пунктирные) по про- филю движения георадара (см. рис. 5): 1, 2 — процентное содержание песчаной фракции 30 %; 1 , 2 — процентное содержание песчаной фракции 40 %. ГЕОРАДАРНЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ ГРУНТА ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 135 жении всей этой зоны можно сделать вывод о том, что грунт здесь имеет также сравнительно однородную структуру с большим содержани- ем глинистой фракции, препятствующей филь- трации влаги по этой породе. Выводы. 1. В работе методологически, экс- периментально и теоретически обоснован ме- тод георадарного обнаружения водоносных слоев грунта на глубине до 25 м, основанный на использовании зондирующего сигнала со ступенчатым изменением его несущей частоты и фазовой структуры отраженных сигналов. В методе используется связь между крутизной нарастания фазочастотного спектра сигналов и физическими характеристиками пород грунта. 2. Разработана методика расчета распре- деления объемной влажности по глубине, по- лученного из радиолокационных данных с ис- пользованием моделей электрических харак- теристик пород грунта. Методика основана на итерационных процедурах подбора значения объемной влажности при расчете фазовой структуры радиолокационных сигналов при известных процентных содержаниях глини- стой и песчаной фракций. 3. Показана перспективность данного мето- да для решения задач инженерной геологии, в частности обнаружения и картографирования зон залегания подповерхностных грунтовых вод и верховодок. Рис. 9. Распределение объемной влажности в сечении III по профилю движения георадара (см. рис. 5): 3 — процентное содержание песчаной фракции 30 %; 3 — процентное со- держание песчаной фракции 40 %. Владов М. Л., Старовойтов А. В. Введение в геора- диолокацию. Москва: Изд-во Моск. ун-та, 2004. 154 с. Дранников А. М. Инженерная геология. Киев: Гос. изд-во литературы по строительству и археоло- гии УССР, 1964. 256 с. Золотарев В. П., Кофман Л. М., Сыяев Г. Н., Фин- кельштейн М. И. Измерение глубины залегания уровня грунтовых вод в песчаных отложениях методом радиолокационного зондирования. Вод- ные ресурсы. 1982. № 4. Р. 176—179. Климентов П. П., Богданов Г. Я. Общая гидрогеоло- гия. Москва: Недра, 1977. 357 с. Коссович П. С. Краткий курс общего почвоведения. 2-е изд. Петроград: Типография Альтшулера, 1916. 276 с. Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды. Москва: Изд-во АН СССР, 1936. 316 с. Полубаринова-Кочина П. Я. Теория движения грун- товых вод. Москва: Гос. изд-во технико-теорети- ческой литературы, 1952. 678 с. Список литературы Сугак В. Г., Бондаренко И. С., Сугак А. В. О противо- речии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических харак- теристик пород грунта. Радиофизика и электро- ника. 2012. Т. 3. № 1. С. 19—29. Сугак В. Г., Букин А. В., Педенко Ю. А., Овчинкин О. А., Силаев Ю. С. Применение специализирован- ного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии. Наука та інновації. 2005. Т. 1. № 2. С. 32—43. Сугак В. Г., Кузьмин В. В. Динамика электрических характеристик грунтов при изменении режимов инфильтрации влаги и загрязняющих нефте- продуктов в условиях, близких к естественным. Вестник Днепропетровского ун-та. Сер. Фи- зика. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 15. № 2/1. С. 89—99. Сугак В. Г. Дубоссарская ГЭС. Радиофизическое зондирование откоса плотины радиолокатором подповерхностного зондирования «Сканирую- щий георадар». Отчет по хоздоговорной НИР «Днестр», Харьков, ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины, инв. № 02.10U007056. 2010. В. Г. СУГАК, О. А. ОВЧИНКИН, Ю. С. СИЛАЕВ, А. В. СУГАК 136 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 Шуман В. Н., Левашев С. П., Якимчук Н. А., Корча- гин И. Н. Радиоволновые зондирующие системы: элементы теории, состояние и перспективы. Геоинформатика. 2008. № 2. С. 22—50. Ground Penetrating Radar (Ed. D. J. Daniels), 2004. 2nd Edition. London: Institute of Electrical Engineers Publ., 723 p. Ground Penetrating Radar in Sediments (Eds C. S. Bris- tow, H. M. Jol), 2003. London: Geol. Soc. Publ. House, Spec. Publ. 211, 338 p. Scott W. R., Smith G. S., 1992. Measured electrical con- stitutive parameters of soil as functions of frequency and moisture content. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 30, 621—623. Sugak V. G., 2007. Particularities of Signal Processing at Subsurface Radar Sounding in Dispersive Media. Telecommunication and Radio Engineering 66(16), 1425—1440. Sugak V. G., Sugak A. V., 2010. Phase Spectrum of Sig- nals in Ground Penetrating Radar Applications. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 48, 1760—1767. Vladov M. L., Starovojtov A. V., 2004. Introduction to the GPR. Moscow: MSU Publ., 154 p. (in Russian). Drannikov A. M., 1964. Engineering geology. Kiev: State Publ. Literature on Construction and Archeology of the Ukrainian SSR, 256 p. (in Russian). Zolotarev V. P., Kofman L. M., Syjaev G. N., Finkel’- shtejn M. I., 1982. Measuring the depth of the ground water level in sandy sediments by radar sounding. Vodnye resursy (4), 176—179 (in Russian). Klimentov P. P., Bogdanov G. Ja., 1977. General hydro- geology. Moscow: Nedra, 357 p. (in Russian). Kossovich P. S., 1916. Short course of general soil sci- ence. 2nd ed. Petrograd: Typography Altshuler, 276 p. (in Russian). Lebedev A. F., 1936. Soil and groundwater. Moscow: Publ. House of the USSR Academy, 316 p. (in Rus- sian). Polubarinova-Kochina P. Ja., 1952. The theory of groundwater motion. Moscow: State Publ. Ttech- nical and Theoretical Literature, 678 p. (in Russian). Geo-radar method of revealing water-saturated ground layers with evaluation of their three-dimensional humidity © V. G. Sugak, O. A. Ovchinkin, Yu. S. Silayev, A. V. Sugak, 2014 Geo-radar method of revealing ground water local zones in upper ground layers (up to 20—30 m) with evaluation of their three-dimensional humidity concerning the sounding signal with stepwise alteration of its carrier frequency has been considered. The method is based on phase structure of reflected signals which characteristics are determined to essential degree by three-dimensional humidity of ground rocks. Effectiveness of the method was evaluated by practical example of re- vealing water-saturated ground layers at the depths up to 20 m and was confirmed by the data of drilling and laboratory tests. Key words: geo-radar, radio-locator of subsurface sounding, aeration zone, water-saturated lay- ers, three-dimensional humidity. References Sugak V. G., Bondarenko I. S., Sugak A. V., 2012. About contradiction subsurface sensing data to theoretical models of the dielectric characteristics of rocks soil. Radiofizika i jelektronika 3(1), 19—29 (in Russian). Sugak V. G., Bukin A. V., Pedenko Ju. A., Ovchinkin O. A., Silaev Ju. S., 2005. Application georadiolokator spe- cialized in problems of engineering geology, hy- drogeology and ecology. Nauka ta іnnovacii 1(2), 32—43 (in Russian). Sugak V. G., Kuz’min V. V., 2008. Dynamics of the elec- trical characteristics of the soil when changing modes moisture infiltration and polluting petroleum products under conditions close to natural. Vestnik Dnepropetrovskogo un-ta. Ser. Fizika. Radiojelek- tronika is. 15(2/1), 89—99 (in Russian). Sugak V. G., 2010. Radiophysical sensing dam slope sub- surface sounding radar «Scanning GPR». Report on research of economic contracts «Dniester», Kharkov, IRE A. Ya. Usikov NAS of Ukraine, № 02.10U007056 (in Russian). Shuman V. N., Levashev S. P., Jakimchuk N. A., Korchag- in I. N., 2008. Radiowave sounding system elements ГЕОРАДАРНЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ ГРУНТА ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 137 of the theory, the state and prospects. Geoinforma- tika (2), 22—50 (in Russian). Ground Penetrating Radar (Ed. D. J. Daniels), 2004. 2nd Edition. London: Institute of Electrical Engineers Publ., 723 p. Ground Penetrating Radar in Sediments (Eds C. S. Bris- tow, H. M. Jol), 2003. London: Geol. Soc. Publ. House, Spec. Publ. 211, 338 p. Scott W. R., Smith G. S., 1992. Measured electrical con- stitutive parameters of soil as functions of frequency and moisture content. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 30, 621—623. Sugak V. G., 2007. Particularities of Signal Processing at Subsurface Radar Sounding in Dispersive Media. Telecommunication and Radio Engineering 66(16), 1425—1440. Sugak V. G., Sugak A. V., 2010. Phase Spectrum of Sig- nals in Ground Penetrating Radar Applications. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 48, 1760—1767.

Георадарный метод обнаружения водонасыщенных слоев грунта с оценкой их объемной влажности

Репозитарії

Схожі ресурси