Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии

В статье приведены результаты теоретического и экспериментального исследования возможностей подповерхностного радиолокационного зондирования применительно к решению задач инженерно–геологических изысканий – определения глубины уровня грунтовых вод, определения литологического состава грунтов зоны аэ...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2005
Автори:	Сугак, В.Г., Букин, А.В., Овчинкин, О.А., Педенко, Ю.А., Силаев, Ю.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2005
Теми:	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/2649
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:	Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии / В.Г. Сугак, А.В. Букин, О.А. Овчинкин, Ю.А. Педенко, Ю.С. Силаев // Наука та інновації. — 2005. — Т. 1, № 2. — С. 32-43. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-2649
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-26492017-02-18T20:40:37Z Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии Сугак, В.Г. Букин, А.В. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України В статье приведены результаты теоретического и экспериментального исследования возможностей подповерхностного радиолокационного зондирования применительно к решению задач инженерно–геологических изысканий – определения глубины уровня грунтовых вод, определения литологического состава грунтов зоны аэрации, глубины залегания и мощности слоя нефтепродуктов, образующегося в результате различного рода техногенных утечек, а также картографирование участков, подверженных оползневым процессам. Показано, что использование сканирующего по частоте радиолокатора успешно решает указанные задачи, обеспечивая ряд существенных преимуществ, как перед традиционными методами геофизических исследований, так и по сравнению с использованием радиолокаторов подповерхностного зондирования с импульсными сигналами. Ключевые слова: подповерхностное зондирование, радиолокация, георадар, геология, загрязнение почвы, уровень грунтовых вод, нефтяная линза, экология. У статті наведено результати теоретичного та експериментального дослідження можливостей підповерхневого радіолокаційного зондування стосовно до вирішення завдань інженерно-геологічних робіт – визначення глибини рівня грунтових вод, літологічного складу грунтів зони аерації, глибини залягання та потужності шару нафтопродуктів, що утворюються в результаті різного роду техногенних витоків, а також картографування ділянок, підданих зсувним процесам. Показано, що використання скануючого по частоті радіолокатора успішно вирішує вказані задачі, забезпечуючи ряд істотних переваг, як перед традиційними методами геофізичних досліджень, так і у порівнянні з використанням радіолокаторів підповерхневого зондування з імпульсними сигналами. Ключові слова: підповерхневе зондування, радіолокація, георадар, геологія, забруднення грунту, рівень грунтових вод, нафтова лінза, екологія. In the article it is brought the outcomes of theoretical and experimental research of opportunities of subsurface radar probing for decision of problems of engineering - geological researches - definitions of depth of a level of subsurface water, definitions of soil lithologic section structure of zones of aeration, depth of deposition and thickness of a layer of oil products formed as a result of various sort of man-caused outflow and also mapping of territories subject to landslide process. It is shown, that use of step-by-step radar probing successfully solves the specified problems, providing a number of essential advantages in comparison to traditional methods of geophysical researches, and in comparison with use of radar subsurface probing with pulse signals. Keywords: underground probing, radiolocation, ground penetrating radar, geology, soil pollution, subsoil waters surface, lens of oil, ecology. 2005 Article Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии / В.Г. Сугак, А.В. Букин, О.А. Овчинкин, Ю.А. Педенко, Ю.С. Силаев // Наука та інновації. — 2005. — Т. 1, № 2. — С. 32-43. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin1.02.032 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/2649 ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
spellingShingle	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Сугак, В.Г. Букин, А.В. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С. Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии
description	В статье приведены результаты теоретического и экспериментального исследования возможностей подповерхностного радиолокационного зондирования применительно к решению задач инженерно–геологических изысканий – определения глубины уровня грунтовых вод, определения литологического состава грунтов зоны аэрации, глубины залегания и мощности слоя нефтепродуктов, образующегося в результате различного рода техногенных утечек, а также картографирование участков, подверженных оползневым процессам. Показано, что использование сканирующего по частоте радиолокатора успешно решает указанные задачи, обеспечивая ряд существенных преимуществ, как перед традиционными методами геофизических исследований, так и по сравнению с использованием радиолокаторов подповерхностного зондирования с импульсными сигналами. Ключевые слова: подповерхностное зондирование, радиолокация, георадар, геология, загрязнение почвы, уровень грунтовых вод, нефтяная линза, экология.
format	Article
author	Сугак, В.Г. Букин, А.В. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С.
author_facet	Сугак, В.Г. Букин, А.В. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С.
author_sort	Сугак, В.Г.
title	Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии
title_short	Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии
title_full	Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии
title_fullStr	Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии
title_full_unstemmed	Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии
title_sort	применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/2649
citation_txt	Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии / В.Г. Сугак, А.В. Букин, О.А. Овчинкин, Ю.А. Педенко, Ю.С. Силаев // Наука та інновації. — 2005. — Т. 1, № 2. — С. 32-43. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT sugakvg primeneniespecializirovannogogeoradiolokatoravzadačahinženernojgeologiigidrogeologiiiékologii AT bukinav primeneniespecializirovannogogeoradiolokatoravzadačahinženernojgeologiigidrogeologiiiékologii AT ovčinkinoa primeneniespecializirovannogogeoradiolokatoravzadačahinženernojgeologiigidrogeologiiiékologii AT pedenkoûa primeneniespecializirovannogogeoradiolokatoravzadačahinženernojgeologiigidrogeologiiiékologii AT silaevûs primeneniespecializirovannogogeoradiolokatoravzadačahinženernojgeologiigidrogeologiiiékologii
first_indexed	2025-07-02T05:50:36Z
last_indexed	2025-07-02T05:50:36Z
_version_	1836513164352552960
fulltext	32 Інноваційні проекти Національної академії наук України © НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. 2005 Наука та інновації.2005.Т 1.№ 2.С. 32–43. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ГЕОРАДИОЛОКАТОРА В ЗАДАЧАХ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ, ГИДРОГЕОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ В. Г. Сугак, А. В. Букин, О. А. Овчинкин, Ю. А. Педенко, Ю. С. Силаев Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, Харьков Надійшла до редакції 31.03.05 Резюме: В статье приведены результаты теоретического и экспериментального исследования воз� можностей подповерхностного радиолокационного зондирования применительно к решению задач инженерно�геологических изысканий � определения глубины уровня грунтовых вод, определения ли� тологического состава грунтов зоны аэрации, глубины залегания и мощности слоя нефтепродуктов, образующегося в результате различного рода техногенных утечек, а также картографирование участ� ков, подверженных оползневым процессам. Показано, что использование сканирующего по частоте радиолокатора успешно решает указанные задачи, обеспечивая ряд существенных преимуществ, как перед традиционными методами геофизических исследований, так и по сравнению с использованием радиолокаторов подповерхностного зондирования с импульсными сигналами. Ключевые слова: подповерхностное зондирование, радиолокация, георадар, геология, загрязнение почвы, уровень грунтовых вод, нефтяная линза, экология. В. Г. Сугак, А. В. Букін, О. А. Овчінкін, Ю. А. Педенко, Ю. С. Сілаєв. ЗАСТОСУВАННЯ СПЕЦІАЛІЗОВАНОГО ГЕОРАДІОЛОКАТОРА У ЗАДАЧАХ ІНЖЕНЕРНОЇ ГЕОЛОГІЇ, ГІДРОГЕОЛОГІЇ ТА ЕКОЛОГІЇ. Резюме: У статті наведено результати теоретичного та експериментального дослідження можливос� тей підповерхневого радіолокаційного зондування стосовно до вирішення завдань інженерно�гео� логічних робіт � визначення глибини рівня ґрунтових вод, літологічного складу ґрунтів зони аерації, глибини залягання та потужності шару нафтопродуктів, що утворюються в результаті різного роду техногенних витоків, а також картографування ділянок, підданих зсувним процесам. Показано, що використання скануючого по частоті радіолокатора успішно вирішує зазначені завдання, забезпечу� ючи ряд істотних переваг, як перед традиційними методами геофізичних досліджень, так і у порівнянні з використанням радіолокаторів підповерхневого зондування з імпульсними сигналами. Ключові слова: підповерхневе зондування, радіолокація, георадар, геологія, забруднення грунту, рівень грунтових вод, нафтова лінза, екологія. V. G. Sugak, A. V. Bukin, O. A. Ovshinkin, Yu. A. Pedenko, Yu. A. Silaev. USE OF SPECIALIZED GROUND PENETRATING RADAR IN TASKS OF ENGINEERING GEOLOGY, HYDROGEOLO2 GY AND ECOLOGY. Abstract: In the article it is brought the outcomes of theoretical and experimental research of opportunities of subsurface radar probing for decision of problems of engineering � geological researches � definitions of depth of a level of subsurface water, definitions of soil lithologic section structure of zones of aeration, depth of deposition and thickness of a layer of oil products formed as a result of various sort of man�caused out� flow and also mapping of territories subject to landslide process. It is shown, that use of step�by�step radar probing successfully solves the specified problems, providing a number of essential advantages in compari� son to traditional methods of geophysical researches, and in comparison with use of radar subsurface prob� ing with pulse signals. Keywords: underground probing, radiolocation, ground penetrating radar, geology, soil pollution, subsoil waters surface, lens of oil, ecology. 33НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 Інноваційні проекти Національної академії наук України ВВЕДЕНИЕ Развитие промышленности на современном этапе характеризуется возрастанием техно� генного воздействия на окружающую среду. В частности, нарушение инфильтрационного водного режима зоны аэрации (ЗА) приво� дит к постепенному подъему уровня грунто� вых вод и, вследствие этого, к подтоплению промышленных и жилых районов. Часто в таких районах образуется "верховодка" (зона повышенного увлажнения верхних слоев грунта в результате различного рода утечек воды), которую также необходимо вовремя локализовать и устранить причины ее воз� никновения. Интенсивными темпами возрастает пе� реработка и транспортировка нефти и нефте� продуктов с использованием трубопроводов, железнодорожных и автомобильных перево� зок. Это неизбежно ведет к возрастанию не� контролируемых потерь, что вызывает за� грязнение грунта и грунтовых вод зоны аэра� ции. При значительных масштабах эти за� грязнения проявляются в виде линз нефте� продуктов, располагающихся на уровне пер� вых грунтовых вод. Принятие своевремен� ных мер для ликвидации последствий таких загрязнений требует оперативных методов картографирования пространственных гра� ниц загрязнений. Особый интерес представ� ляет локализация границ залегания загряз� нений на территориях нефтебаз, нефтепере� рабатывающих заводов и бывших военных аэродромов. Одной из важных задач инженерной гео� логии является картографирование ополз� ней, представляющих значительную угрозу инженерным и строительным сооружениям. При стандартном методе мониторинга зоны аэрации в таких местах оборудуется сеть контрольно�измерительных скважин. Однако картографирование уровня грунто� вых вод и зоны загрязнения требует значи� тельного количества скважин, что сущест� венно удорожает работы, а бурение скважин в зоне оползней зачастую является и риско� ванным мероприятием. Использование метода радиолокацион� ного зондирования грунтов (георадарное зон� дирование), является одним из наиболее пер� спективных и динамичных направлений раз� вития геофизических исследований. Основ� ными преимуществами метода являются вы� сокая разрешающая способность, помехоус� тойчивость по отношению к искажающим сигналам, а также оперативность и экономич� ность. Кроме того, георадарное зондирование требует минимума пространства для развер� тывания необходимой аппаратуры, что зачас� тую является существенным преимуществом при его использовании в условиях плотной городской и промышленной застройки. Однако, вследствие недостаточной изу� ченности, использование георадарного зон� дирования в настоящее время ограничено по сравнению с использованием традиционных геофизических исследований. Для решения этой проблемы нами в ряде работ была вы� полнена теоретическая и экспериментальная оценка возможности применения георадар� ного зондирования для обнаружения и кар� тографирования подповерхностных скопле� ний нефтепродуктов техногенного характера, картографирования уровня грунтовых вод и определение пространственной конфигура� ции и мощности оползня [1, 2, 3]. Целью статьи является обоснование воз� можности использования георадарного зон� дирования для решения следующих, весьма важных задач инженерных изысканий: опре� деления глубины уровней грунтовых вод и литологического состава грунтов зоны аэра� ции, глубины залегания и мощности слоя жидких нефтепродуктов, располагающегося на уровне грунтовых вод, а также – определе� ние пространственной конфигурации и мощ� ности оползневых процессов. 34 Інноваційні проекти Національної академії наук України НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 При экспериментальном обосновании использовался специально разработанный для этих целей радиолокатор подповерхност� ного зондирования (сканирующий георадар). При разработке георадара использованы тео� ретические и экспериментальные исследова� ния, которые проводились в течение ряда лет ИРЭ НАН Украины (г. Харьков) совместно с ДАР ВОДГЕО (г. Москва) и НТИ ТТР (г. Харьков) [1, 2]. Основными направления� ми работ были: – исследование зависимости электричес� ких характеристик типовых грунтов от влажности и степени насыщения нефте� продуктом в диапазоне радиочастот от десятков до сотен мегагерц; – исследование динамических свойств эле� ктрических характеристик типовых грунтов в лизиметре при изменении влажности и степени насыщения нефте� продуктом; – разработка моделей функциональных за� висимостей электрических характерис� тик пород грунта в указанном выше диа� пазоне частот от процентного содержа� ния твердых фракций, объема пор и влажности; – разработка математических алгоритмов обработки радиолокационной информа� ции, учитывающих тонкую структуру спектров сигналов, отраженных от под� поверхностных неоднородных объектов; – разработка методов восстановления фи� зических свойств слоев грунта и отдель� ных неоднородных объектов на основе информации, получаемой в результате численных методов решения уравнений переноса и диффузии (инфильтрацион� ные процессы в зоне аэрации) и числен� ных методов решения электродинамиче� ских уравнений методом конечных эле� ментов. При обработке информации, полученной с помощью георадара, использовались специ� альные математические алгоритмы, разрабо� танные для определения электрических харак� теристик грунта, позволяющие, в том числе, получить зависимости коэффициента затуха� ния радиоволн в заданной полосе частот [3]. 1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОРАДАРА, ИСПОЛЬЗОВАВШЕГОСЯ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ В основу георадара положено использование непрерывных зондирующих сигналов посто� янной амплитуды с пошаговым изменением частоты. Это позволило, применяя соответ� ствующие алгоритмы обработки, реализо� вать ряд функциональных возможностей, в том числе: – возможность измерения электрических постоянных, влажности и скорости рас� пространения радиоволн в слоях грунта; – возможность адаптации параметров зон� дирующего сигнала (ширины спектра и положение на оси частот) к типу грунта и глубине мониторинга; – использование комплексной радиофизи� ческой и гидрогеологической информа� ции при интерпретации результатов мо� ниторинга; – повышенную точность измерения границ слоев грунта и объектов по сравнению с классическими (импульсными) радиоло� каторами подповерхностного зондирова� ния. Антенна георадара разработана с учетом требования подавления излучения сигнала в верхнее полупространство. Для этого она вы� полнена в виде прямоугольного металличес� кого резонатора с прорезанной в его нижней грани щелью. Диаграмма направленности та� кой антенны имеет ширину, не превышаю� щую 30 градусов под поверхностью земли. Приведем основные технические харак� теристики георадара: 35НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 Інноваційні проекти Національної академії наук України – Излучаемая мощность – 3 Вт. – Диапазон рабочих частот 100...450 МГц. – Максимальная глубина зондирования – 10...30 м в зависимости от влажности грунта. – Разрешающая способность в вертикаль� ном направлении – 5...30 см в зависимос� ти от глубины зондирования и влажнос� ти грунта. – Время накопления сигнала – 1,3 с. – Точность измерения электрических по� стоянных и скорости распространения радиоволн в грунте – 15...20 %, влажнос� ти слоев грунта – 20...30 % в зависимости от глубины зондирования и априорной геологической информации. – Потребляемая мощность – 20 Вт – Масса – 11,5 кг. Преимуществами по сравнению со стан� дартными методами геоэлектроразведки (ме� тод электрокаротажа, частотного и простран� ственного профилирования и др.) являются: – более высокая разрешающая способ� ность по всем трем координатам – глуби� не и в горизонтальной плоскости; – значительное ослабление мешающих сиг� налов, возникающих вследствие воздей� ствий отражений от различных объектов, расположенных на поверхности земли (инженерные коммуникационные соору� жения, здания, электропровода и пр.). При обработке результатов зондирова� ния применялось оригинальное программное обеспечение, разработанное индивидуально для каждой задачи. На первом этапе произво� дилась обработка результатов зондирования с целью построения радиолокационных изо� бражений подповерхностного пространства по каждому из проходов. Причем, для опре� деления литологической структуры грунта, глубины залегания верховодки, зон разуп� лотнения грунта и исследования фундамента применялись разные математические алго� ритмы обработки сигналов. Необходимость применения различных математических ал� горитмов определяется многими факторами, основные из которых: – большой динамический диапазон мощ� ности сигналов, отраженных от верхних и нижних неоднородных подповерхност� ных объектов (например границ литоло� гических слоев грунта); – сильное влияние мощных отражений от неоднородностей, расположенных в верхних слоях грунта, на сигналы, прихо� дящие с больших глубин (эффект муль� типликативности); – зависимость фазовой скорости распрост� ранения радиоволн от литологического состава слоя грунта. Проверка возможностей георадарного зондирования осуществлялась на несколь� ких участках, в том числе на территории двух бывших военных аэродромов в Сумской об� ласти, на территории строительства культур� ного центра в г. Сумы, а также на участке оползня Генуэзской крепости в г. Судак). На некоторых участках была оборудована сеть контрольно�измерительных скважин для на� блюдения за уровнем грунтовых вод и мощ� ностью слоя жидких нефтепродуктов, что позволило выполнить сравнение результатов исследований с фактическими данными. 2. ОСОБЕННОСТИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ СЛАБОКОНТРАСТНЫХ ГРАНИЦ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ УРОВНЕМ ГРУНТОВЫХ ВОД Для понимания физики процессов при про� ведении измерений с помощью георадара рассмотрим особенности радиолокационного зондирования зоны аэрации с поверхности земли с целью пространственной локализа� ции границы залегания уровня грунтовых вод. Для решения задачи об отражении ра� диоволн от таких границ необходимо знать 36 Інноваційні проекти Національної академії наук України НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 соответствующие им законы изменения с глубиной электрических характеристик грунта, для расчета которых, в свою очередь, необходимо пользоваться законами измене� ния влажности по глубине в этой области. Для расчета зависимости объемной влажности, отсчитываемой от границы со 100 % влажностью (уровень грунтовых вод), воспользуемся методикой [4]. Известно, что в пористой среде из�за капиллярных явлений насыщенность влаги в толще пород зоны аэ� рации не постоянна. Для расчета законов распределения насыщенности влаги в насто� ящее время получила широкое распростране� ние эмпирическая зависимость Ван Генухте� на, связывающая для двухфазной системы воздух–вода капиллярное давление h(z) и на� сыщенность S: (1) где S = (S – Sm)/(1 – Sm) – "эффективная" на� сыщенность поровой среды водой; Sm – "оста� точная" (неизвлекаемая) насыщенность по воде; α[L–1] и n[–] – параметры поровой сре� ды; m = 1 – 1/n; hi(z) – функциональная зави� симость капиллярного давления фазы i (i = w – вода, o – нефтепродукт, a – атмосфера) от глубины z. Функциональные зависимости капил� лярного давления при равновесии связаны с глубиной следующими соотношениями: (2) где ρro – плотность нефтепродукта относи� тельно воды; ρw – плотность воды; zoo – гра� ница раздела воздух/нефтепродукты; zow – граница раздела нефтепродукты/вода; z – вертикальная координата точки относитель� но общей плоскости сравнения. Применительно к зависимости (1) изуче� но большое число грунтов, для которых опре� делены параметры α и n. Для указанных ниже условий проведе� ния экспериментов использовалась модель грунта в виде песчанистого суглинка со сле� дующими параметрами, входящими в фор� мулу Ван Генухтена: Sm = 0,15; α = 7,5; n = 1,9. На рис. 1 показано изменение насыщен� ности грунта влагой и нефтепродуктом (при наличии такового) порового пространства при равновесных условиях для условий про� ведения экспериментов (песчаный суглинок, глубина УГВ 3,5 м). По оси абсцисс отложена высота относительно уровня грунтовых вод. Глубина залегания УГВ и параметры грунта выбраны применительно к условиям проведения экспериментальных исследова� ний. Для расчета зависимости электрических характеристик грунта от частоты при различ� ной влажности, солености, пористости и про� центном содержании твердых фракций, ис� пользовалась модель [5, 6]. Согласно этой Рис.1. Распределение насыщенности влаги (кривая 1) и нефтепродукта (кривая 2) по глубине 37НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 Інноваційні проекти Національної академії наук України модели элемент грунта в диапазоне частот от нескольких десятков до нескольких сотен ме� гагерц можно рассматривать как статистиче� ски однородную механическую смесь твер� дых частиц, воздуха, пленочной влаги и по� рового электролита. Для выражения эффек� тивной комплексной диэлектрической про� ницаемости смеси через значения проницае� мостей и объемные концентрации компонент применялась методика работы [6]. В модели использовалась трехфазная смесь (твердая фракция, влага, воздух) со следующими параметрами: пористость грун� та; объемное содержание воздуха; объемная влажность; объемное содержание твердой фа� зы; комплексная диэлектрическая проницае� мость твердой фазы (кварц, полевой шпат), электролита, пленочной влаги и воздуха. Используя графики зависимости элект� рических характеристик суглинка от влажно� сти и степени насыщенности нефтепродук� том, построим результирующую зависимость относительной диэлектрической проницае� мости от глубины на частоте, соответствую� щей середине выбранного диапазона частот. Эта зависимость представлена на рис. 2. Таким образом, после подстановки зави� симости влажности от глубины, определяю� щей влажность в каждом дискретном слое, согласно формуле Ван Генухтена (1), в фор� мулы определяющие электрические характе� ристики грунта [6], можно рассчитать их функциональные зависимости от частоты для участка с распределенной границей. Перейдем к расчету коэффициентов от� ражения радиоволн от рассматриваемых гра� ниц. Для этого воспользуемся результатами работы [1], где рассмотрены методы вычис� ления коэффициентов отражения от неодно� родного слоя с произвольным законом изме� нения электрических характеристик в случае падения на этот слой плоской волны. Такое приближение не учитывает особенности, связанные с отличием формы реальной элек� тромагнитной волны от плоской, но дает воз� можность качественно и количественно оце� нить особенности отражения радиоволн от реальных подповерхностных слоев. В расче� тах использовался численный метод реше� ния, основанный на разбиении рассматрива� емого слоя на N малых по толщине слоев (по сравнению с длиной волны в рассматривае� мом слое), в пределах которых электричес� кие характеристики являются фиксирован� ными. В этом случае коэффициент отраже� ния от неоднородного слоя определяется сле� дующим выражением: , (3) где Zs – поверхностный импеданс неоднород� ного слоя; Z1 – импеданс слоя, из которого падает волна на неоднородный слой. Вычисление поверхностного импеданса на распределенной границе рассматриваемо� го неоднородного слоя производится рекур� Рис. 2. Результирующая зависимость относительной диэлектрической проницаемости от глубины на часто2 те, соответствующей середине выбранного диапазона частот: верхняя кривая – при наличии слоя нефтепро2 дукта, нижняя – в отсутствие нефтепродукта 38 Інноваційні проекти Національної академії наук України НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 рентно, начиная с последнего от границы n� го элементарного слоя по формулам: , (4) где Θn–1 – угол падения, под которым проис� ходит распространение волны в n – 1 слое (определяется из закона Снелиуса [7]; Zs n – поверхностный импеданс n�го слоя; Zn–1 – им� педанс n – 1 слоя; dn–1 – толщина n – 1 слоя. В результате расчетов было выяснено, что значения коэффициентов отражения ра� диоволн от границы уровня грунтовых вод и верхней границы линзы с нефтепродуктом находятся в диапазоне значений 0,3…0,4 и 0,35…0,45 соответственно, что достаточно для выделения таких сигналов. Несколько боль� шее значение коэффициента отражения от верхней границы слоя с нефтепродуктом объясняется существенно большей крутиз� ной изменения насыщенности нефтепродук� та в этой области. Заметим, что в данном слу� чае можно считать обе границы скачкообраз� ными. Это допущение приводит к ошибкам в расчетах коэффициентов отражения не пре� вышающим 5…10 %. Данный результат мож� но объяснить тем, что в рассматриваемом ди� апазоне длин радиоволн имеет место сущест� венное изменение комплексной диэлектри� ческой проницаемости на отрезках меньших и соизмеримых с длиной радиоволны. Это приводит к рассогласованию слоя с распро� страняющейся электромагнитной волной. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Первая серия экспериментов проводилась на участке вблизи бывшего военного аэродрома (пос. Лебедин, Сумская обл.), где была обна� ружена линза с авиационным керосином, расположенная на глубине около 7…8 метров (на уровне грунтовой воды). Участок обору� дован сетью контрольно�измерительных скважин. Всего на выбранном участке было снято 9 профилей с шагом замеров 2 м. Рас� стояние между профилями составляло 5 м. Подповерхностное зондирование было вы� полнено примерно в девятистах точках. Данные о литолигическом составе пород получены на основе сравнения радиолокаци� онных изображений с профилями геологиче� ских разрезов, представленных УкрНИИН� ТИЗ г. Сумы. При интерпретации результа� тов зондирования учитывалась информация о том, что границы уровня грунтовых вод (УГВ) и нефтепродукта не являются четко выраженными. Например, зона перехода от установившегося максимального уровня влажности в насыщенном слое до установив� шегося уровня естественной влажности слоя могла достигать 1,2...1,5 м. Аналогичная зона для нефтепродукта немного меньше – 0,5...0,7 м. Поэтому эти границы на радиоло� кационных изображениях выглядят размы� тыми. Кроме того, уровни воды и нефтепро� дукта в контрольно�измерительных скважи� нах расположены обычно ниже уровней их залегания в грунте. Эта разница может быть значительной. Поэтому данные о мощности нефтепродукта, полученные из радиолокаци� онных данных, как правило, существенно за� вышены по сравнению с данными замеров в контрольно�измерительных скважинах. Анализ результатов показал, что структу� ра слоев зоны аэрации на выбранном участке весьма неоднородна. Очень хорошо фиксиру� ется граница супесь–песок, расположенная на глубине около 4...6 м. Уверенно фиксируется граница уровня грунтовых вод, которая на рассматриваемом участке располагается на глубине от 7,2 до 8,7 м. Структура зоны аэра� ции и литологический состав пород на рассма� триваемом участке приведены на рис. 3. Гра� ница уровня авиационного керосина фикси� руется сравнительно четко по всему участку. 39НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 Інноваційні проекти Національної академії наук України На рис. 4 и 5 представлены радиолокаци� онные изображения, относящиеся соответст� венно к профилям №1 и 5, расстояние между которыми составляет 20 м. На профилях от� мечена граница УГВ и верхняя граница неф� тепродукта. Видно, что на первом изображе� нии границы УГВ и нефтепродукта практи� чески слились, в то время как на втором ра� диолокационном изображении они отчетли� во различимы. Тот факт, что уровень грунто� вых вод существенно меняется (прогибается в результате воздействия линзы с нефтепро� дуктом), говорит о присутствии нефтепро� дукта. Карты изолиний мощности нефтепро� дукта и уровня грунтовых вод, построенные по радиолокационным данным представлены на рис. 6, а и рис. 6, б соответственно. Анализ радиолокационных изображений и карт изолиний уровня грунтовых вод и мощности нефтепродукта позволил сделать выводы о том, что глубина залегания пород зоны аэрации, уровня грунтовых вод и неф� тепродукта совпадают с данными, получен� ными с помощью контрольно�измеритель� Рис. 3. Структура зоны аэрации и литологический со2 став пород: I – почва суглинок чёрный: II – суглинок бурый с примесью растительных остатков; III – суг2 линок лессовый тугопластичный с запахом ГСМ; IV – песок мелкий, влажный водонасыщенный, загрязнен2 ный ГСМ; V – слой, насыщенный нефтепродуктом; VI – водоупорный слой; VII – контрольно2измери2 тельная скважина; VIII – глубина уровня нефтепро2 дукта; IX – глубина уровня грунтовых вод; X – мощ2 ность нефтепродукта в скважине Рис. 4. Радиолокационное изображение сечения грунта в профиле №1: 1 – граница суглинок/песок; 2 – верхняя граница нефтепродукта; 3 – граница УГВ Рис. 5. Радиолокационное изображение сечения грунта в профиле №5: обозначения такие же, как и на рис. 4 40 Інноваційні проекти Національної академії наук України НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 ных скважин. Обнаружено, что на некоторых участках, например, вблизи шоссе, мощность нефтепродукта снижается. Проникновение в эту область происходит в виде "языков", что характерно для неоднородного грунта. Вторая серия экспериментов проводи� лась на территории строительства культур� ного центра в г. Сумы, находящегося в зоне подтопления. Основной задачей было опре� деление уровня грунтовых вод в верхних сло� ях зоны аэрации, так называемой верховод� ки, представляющей собой сильно увлажнен� ный слой, расположенный на сравнительно слабо проницаемой границе (водоупорной границе слоя с малыми значениями коэффи� циента фильтрации). Источниками верхо� водки являются осадки и различного рода утечки воды, например, из коммуникацион� ных труб. В табл. 1 приведен литологический состав пород и данные замеров УГВ в кон� трольно�измерительных скважинах, обору� дованных на этом участке. На рис. 7 показано радиолокационное изображение сечения грунта по одному из маршрутов движения ге� орадара на участке. Сравнение результатов, представленных на рис. 7 и в табл. 1, показывает, что радиоло� кационные данные хорошо согласуются с Рис. 6. Карты изолиний мощности нефтепродукта (а) и уровня грунтовых вод (б) на участке измерений Таблица 1. Глубина расположения границ слоев грунта Рис. 7. Радиолокационное изображение сечения грунта по профилю, расположенному в микрорайоне г. Сумы: 1 – Граница супесь/песок; 2 – Уровень грун2 товых вод; 3 – Граница песок/суглинок; 4 – Граница водоупорного слоя 41НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 Інноваційні проекти Національної академії наук України данными, полученными с помощью кон� трольно�измерительных скважин. Третья серия экспериментов проводи� лась на территории бывшего военного аэро� дрома в Глуховском районе Сумской облас� ти. Под поверхностью этого аэродрома гид� рогеологической службой УкрГИИНТИЗ (г. Сумы) при помощи бурения сети кон� трольно�измерительных скважин была обна� ружена и нанесена на карту линза с авиаци� онным керосином. Мощность линзы в облас� ти максимума достигала 3,5 м. Примерная карта места проведения измерений с кон� трольно�измерительными скважинами №7, 8 и 9 приведена на рис. 8, а. На этом же рисун� ке показаны изолинии уровня грунтовых вод (нижняя граница линзы), построенные по ра� диолокационным данным. На следующем рис. 8, б приведены изолинии равной мощно� сти линзы, построенные по данным подпо� верхностного зондирования. В табл. 2 приведены литологический со� став пород, данные замеров УГВ и мощности линзы в контрольно�измерительных скважи� нах №7, 8 и 9 (уровень грунтовых вод распо� лагался на глубине 13,5…15 м). На радиоло� кационных изображениях сечений грунта по трассам прохода наблюдались границы слоев грунта разного характера, глубины располо� Таблица 2. Литологический состав пород, данные замеров УГВ и мощности линзы в контрольно2измерительных скважинах Рис. 8. Карта участка зондирования: а) изолинии нижней границы линзы, построенные по данным бу2 рения; б) изолинии равной мощности линзы по дан2 ным георадарного зондирования, наиболее затемнен2 ные участки соответствуют мощности 4 м, наиболее светлые – 0,8 м 42 Інноваційні проекти Національної академії наук України НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 жения которых практически совпадают с данными, полученными в результате бурения сети контрольно�измерительных скважин. Ниже на рис. 9 приведено радиолокаци� онное изображение сечения грунта по про� филю прохода георадиолокатора через сква� жины № 7, 8, 9. На этом же рисунке показаны места расположения скважин, через которые проходили трассы проходов георадара, с ука� занием номера скважины, глубины и мощно� сти авиационного керосина в них. Они пока� заны в виде заштрихованных полос, располо� женных на глубинах, соответствующих дан� ным измерений по этим скважинам. Предпо� лагаемые границы (нижняя и верхняя) лин� зы показаны пунктирными линиями. Глуби� на залегания линзы – примерно 12,5...15,5 м. Видно, что глубина расположения и мощ� ность линзы, полученные по радиолокацион� ным данным, хорошо согласуются с данными замеров в скважинах. На изображениях от� четливо видны радиолокационные отраже� ния от границ слоев, указанных в табл. 2. Не� обходимо отметить, что линза имеет в неко� торых местах очень неравномерную мощ� ность (горизонтальные неоднородности). Особенно это относится к участку вблизи скважин №7, 8 и 9. Четвертая серия экспериментов прово� дилась на территории Генуэзской крепости в г. Судак. Исследуемая территория примыка� ла к крепостной стене и занимала площадь 200 120 м2. Крупномасштабные уклоны по� верхности на различных участках составляли от 3 до 15 градусов. Территория склона кре� пости подвержена стандартному механизму оползнеобразования, при котором породы, слагающие часть склона, находятся в состоя� нии предельного равновесия, а смещения происходят по поверхности, которую можно аппроксимировать круглоциллиндрической поверхностью. В результате радиолокационного подпо� верхностного зондирования была определена пространственная конфигурация и мощность оползня, пространственная конфигурация литологических слоев грунта, пустоты и ра� зуплотнения грунта. Анализ радиолокационных изображений сечений грунта показал существование по крайней мере двух границ скольжения пород, слагающих оползень. Первая затрагивает по� роды расположенные на глубинах 11…12 м, она отчетливо выделяется на всех радиолока� ционных изображениях сечений грунта на участке зондирования. Вторая граница рас� положена на глубинах 7…9 м и обнаружива� ется реже. Анализ радиолокационных изображений показал, что наиболее интенсивно оползне� вые процессы проходят на участках с наи� большими уклонами. По линии скольжения на этих изображениях наблюдаются харак� терные складки пород, вызванные сдвиговым механизмом, приводящим к наползанию верхних пород на нижние. Сказанное иллюс� трирует рис. 10, на котором приведено радио� локационное изображение сечения грунта на участке с уклоном около 15 градусов в на� правлении максимального уклона. Глубина × Рис. 9. Радиолокационное изображения сечения грунта по профилю прохода георадиолокатора через скважины 7, 8 и 9 43НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2005 Інноваційні проекти Національної академії наук України на данном рисунке указана относительно по� верхности земли. На изображении хорошо видны следы оползневых процессов в виде характерных складок как результат смятия пород, которые расположены на глубинах от 7 до 9 м и от 10 до 12 м (границы двух слоев). ВЫВОДЫ Таким образом, основными выводами, полу� ченными в результате цикла эксперимен� тальных полевых зондирований, проведен� ных с использованием разработанного геора� дара, являются: 1. Метод, основанный на георадарном зондировании, может эффективно дополнять существующие методы геологических изыс� каний и геофизических исследований, давая возможность детально исследовать подпо� верхностную структуру грунтов, существен� но уменьшая расходы на бурение контроль� но�измерительных скважин. При этом разре� шающая способность по пространственным координатам, получаемая в данном методе, существенно превосходит существующие ге� офизические методы изысканий, что позво� ляет выявить тонкую структуру загрязнений. 2. Экспериментально подтвержден вы� вод о том, что приборы такого класса могут эффективно использоваться при мониторин� ге и картографировании уровня грунтовых вод в зонах подтопления, участков подпо� верхностного загрязнения нефтепродуктами (линз), а также для картирования структуры пород в зоне действия оползневых процессов с определением линии скольжения и мощно� сти оползней. 3. Показана возможность уверенного выделения сигналов, отраженных слабоконт� растными слоями (уровень грунтовых вод, границы литологического строения зоны аэ� рации, верхняя граница слоя нефтепродукта и др.) и достаточно точного для практичес� ких приложений определения их глубины за� легания. 4. Экспериментально показано, что уве� личение мощности линзы сопровождается снижением (прогибом) уровня грунтовых вод. ЛИТЕРАТУРА 1. Кузьмин В. В., Сугак В. Г. К возможности радио� физического мониторинга верхней подповерхно� стной структуры Земли // Радиофизика и радио� астрономия. – Харьков, 1997.–2, №3.–C. 274–280. 2. Сугак В. Г. Оценка возможности обнаружения подповерхностных слоистых неоднородностей при зондировании с поверхности Земли // Изв. вузов. Радиофизика.–1997.–40, №8.–C. 952–979. 3. Сугак В. Г. Восстановление электрических харак� теристик грунта по зависимости коэффициента затухания радиоволн от частоты // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр./НАН Украины. – Харьков, 2002.–7, № 3.–C. 491–497. 4. Van Genuchten, M.Th. (1980). A closed�form equa� tion for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. 44: 892–898. 5. Dobson M. C., Ulaby F. T., Hallikainen M. T., El�Rayes M. A. Microwave dielectric behavior of wet soil – Part 2. Dielectric mixing models // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing.–1986.–GE�23, №1.–P .35–46. 6. Овчинкин О. А., Сугак В. Г. Влияние электричес� ких свойств грунта на характеристики сигнала при подповерхностном зондировании. Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр./НАН Украины. – Харьков, 2001.–6, № 2�3.–C. 235–241. 7. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. – М.: Изд�во АН СССР, 1957.–502 с. Рис. 10. Радиолокационное изображение сечения грунта в области максимального уклона: окружнос2 тью выделена область складок в результате наполза2 ния слоев оползня

Применение специализированного георадиолокатора в задачах инженерной геологии, гидрогеологии и экологии

Репозитарії

Схожі ресурси