Новый подход к обследованию береговых земляных дамб для предотвращения наводнений

ВВЕДЕНИЕ

Уровень развития современного общества, особенно в равнинных районах, требует конкретных и точных знаний о рисках, связанных с разрушением земляных дамб вдоль берегов или пойм рек во время паводков (рис. 1). Ведь даже отдельный прорыв в таком сооружении может привести к наводнению и нанести экономический ущерб до нескольких десятков и даже сотен миллионов евро, не говоря уже о человеческих жертвах. В том числе недавние примеры в Северной и Центральной Италии показали, что экстремальные явления могут приводить к неожиданным разрушениям береговых дамб, в то время как лучше было бы заранее получать информацию о слабых местах в этих сооружениях и своевременно их усиливать. В начале своей статьи [1] Франчезе с соавторами указали, что экономически эффективный непрерывный мониторинг внутренней структуры береговых земляных дамб с высокой скоростью и достаточно хорошим разрешением могут дать только геофизические методы.

Рис. 1. Автомагистраль Милан – Венеция, затопленная 1 ноября 2010 года после разрушения земляной дамбы (выделенной желтой линией), идущей вдоль берега ближайшей реки [1]

С точки зрения участников исследования [1], подкрепленной ссылками на других авторов, наиболее эффективным для картирования аномалий и корреляции геофизических свойств с геотехническими и гидравлическими параметрами является профилирование методом электротомографии (ERT – electrical resistivity tomography). Этим методом можно получать подробные двумерные и трехмерные изображения подповерхностной среды. Но электротомографическая съемка является довольно медленной и слишком дорогой, поэтому она не подходит для мониторинга тысяч километров береговых земляных дамб в Северной Италии (где их общая длина составляет примерно 15 тыс. км). Сейсмическое профилирование и емкостное зондирование (capacitive coupling resistivity) связаны с частым перемещением тяжелого и объемного оборудования, поэтому они тоже не очень подходят для обширных съемок.

Для преодоления вышеназванных и других ограничений авторами статьи [1] в последние 10 лет был разработан и испытан комплексный подход к быстрому выявлению критических аномалий в телах береговых земляных дамб и в их грунтовых основаниях. Он основан на георадиолокации (GPR – Ground Penetrating Radar) и на электромагнитном индукционном частотном зондировании (FDEM – Frequency Domain Electro-Magnetic induction). Причем сначала использовался многочастотный метод FDEM, но потом он был заменен на многокатушечный (multi-array) FDEM, работающий на фиксированной частоте.

Основной целью быстрой визуализации было экономически эффективное картирование потенциальных аномалий, места расположения которых впоследствии можно было бы детально исследовать с помощью электротомографии (ERT).

На основе экспериментальных исследований были выбраны наиболее подходящие приборы, приемо-передающие устройства для профилирования методами GPR и FDEM. Соответствующие системы были установлены на тележках. Профили измерялись со средней скоростью 3–5 км/ч (до 20 км за рабочий день).

Данные, собранные в 2008–2018 годах на сотнях километров дамб вдоль ряда рек Северной и Центральной Италии (рис. 2), позволили авторам работы [1] оценить возможности и ограничения разработанного ими подхода.

Рис. 2. Места расположения площадок для оценки различных методов исследований речных земляных дамб в Северной и Центральной Италии, показанные красными точками с номерами и красными линиями на цифровой модели рельефа [1] (VENICE – Венеция; TRIEST – Триест; BOLOGNIA – Болонья; FLORENCE – Флоренция; GENOVA – Генуя; MILAN – Милан; TURIN – Турин; Switzerland – Швейцария; Austria – Австрия; kilometers – километры)

БОЛЕЕ ПОДРОБНО О МЕТОДАХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Наборы полевых данных авторы исследования [1] собирали с использованием инструментов GPR, FDEM и ERT. Данные о местоположении они получали с помощью дифференциальной геодезической станции глобальной системы позиционирования GPS (Global Positioning System), работающей в режиме кинематической съемки в реальном времени (RTK – Real Time Kinematic).

Многоканальная георадиолокационная (GPR) система IDS StreamX, установленная на тележке, имела 16 пар приемо-передающих диполей (антенн), расположенных с шагом 0,1 м и ориентированных параллельно направлению буксировки, и 15 бистатических каналов. Каждый диполь имел центральную частоту 200 МГц.

Использовался также низкочастотный георадар Лоза с мощными передатчиками и отдельными приемо-передающими неэкранированными антеннами (тестируемыми частотами были 25, 50 и 100 МГц).

Многочастотная FDEM-система GSSI EMP-400 имела горизонтальную генераторную петлю (slingram), расстояние между катушками 1,2 м и рабочую полосу пропускания 1–16 кГц с пороговой частотой 1 кГц. Катушки были ориентированы параллельно поверхности земли. Система записывала до трех частот одновременно.

Многокатушечная система FDEM № 1 (Dualem 642S) была оснащена электромагнитным передатчиком, работавшим на частоте 9 кГц, и тремя парами электромагнитных приемников, ориентированных горизонтально, копланарно и перпендикулярно и расположенных на расстояниях 2; 4 и 6 м от генераторной установки соответственно. Такая система одновременно снимала 6 показаний на каждом временнОм шаге.

Многокатушечная система FDEM № 2 была оснащена электромагнитным передатчиком, работавшим на частоте 9 кГц, и двумя копланарными приемниками, расположенными на расстояниях соответственно 3,8 и 5,8 м от передатчика. Эту решетку можно было повернуть на 90 град. и повторить профилирование с передатчиком и приемником, ориентированными вертикально, а затем полученные данные могли быть объединены в единый профиль.

Аппаратура для 2D/3D электротомографии ERT (IRIS Syscal Pro) имела 48/96 электродов, 10 каналов одновременного считывания потенциалов и подаваемый ток до 2,5 А.

Данные, полученные с помощью георадара (GPR), обрабатывались с использованием полуавтоматической процедуры в программном пакете CWP Seismic Unix. Процесс базовой обработки был прямым и включал: коррекцию дрейфа нуля по времени для выравнивания моментов вхождения в грунт каждой трассы и приведения их к началу отсчета времени; полосовую фильтрацию для улучшения отношения «сигнал/шум»; устранение фона (вычитание среднего сигнала) для удаления огибающей низкочастотных амплитуд (типичного низкочастотного шума, вызванного приходом прямой волны); фильтрацию методом скользящего среднего для удаления типичных горизонтальных полос; восстановление амплитуд (сигнала).

Данные многочастотного FDEM были представлены в виде псевдоразрезов распределения кажущейся удельной электропроводности. Инверсия данных не проводилась, поскольку результаты могли быть недостоверными. Здесь авторам исследования [1] пришлось столкнуться с двумя основными проблемами: температурным дрейфом, который является общей проблемой для инструментов электроразведки; наличием вторичных техногенных объектов на земляной дамбе (например, бетонных стенок, каменных блоков, дорожных ограждений и т. д.), которые повлияли на измерения электромагнитного излучения и значительно усложнили интерпретацию данных (рис. 3). Для преодоления этих двух проблем выполнялась съемка достаточно коротких сегментов, чтобы избежать температурного дрейфа (обычно авторы статьи [1] использовали 10-минутные съемки), и съемка «однородных» сегментов (например, со стенами или без стен, с каменными блоками или без них и т. д.). Основное допущение заключалось в том, что изменения в системе элементов дамбы зависят только от свойств ее внутренней части. Затем данные для каждого «однородного» сегмента дамбы обрабатывались отдельно, а аномалии (песчаные тела или полости с высокой водопроницаемостью) были идентифицированы как большие отрицательные отклонения от среднего значения, типичного для этого сегмента (рис. 4).

Рис. 3. Демонстрация того, как наличие инфраструктуры на гребне дамбы может повлиять на данные электроразведки: a – примеры техногенных сооружений вблизи реки Пьяве; b – железобетонные покрытия вдоль реки Баккильоне; c – записи, полученные с помощью многочастотного FDEM на каналах, работавших на частотах 3; 7 и 14 кГц, при приближении к металлическому дорожному ограждению [1] (Piave River – река Пьяве; paved road – асфальтированная дорога; brick wall – кирпичная стена; guardrail/barrier – дорожное ограждение; levee reinforced with stone blocks – земляная дамба, усиленная каменными блоками; N – север; m – м; Bacchiglione River – река Баккильоне; concrete reinforcement – бетонное укрепление откоса; apparent conductivity, mS/m – кажущаяся удельная электропроводность (обратная удельному сопротивлению), мСм/м (миллисименс на метр); distance – расстояние; KHz – кГц; metal barrier starts here – здесь начинается металлическое ограждение)

Рис. 4. Определение потенциальной критической зоны сегмента земляной дамбы с помощью графического отображения отклонений от среднего значения для этого сегмента. Значительные отрицательные отклонения указывают на потенциально критический сегмент дамбы [1] (deviance – отклонение от среднего; N values – число измерений; potential critical zone – потенциальная критическая зона)

Данные многокатушечного FDEM были инвертированы авторами работы [1] с помощью промышленного программного обеспечения EM4Soil с гладким квази-2D алгоритмом с использованием однородной исходной модели, основанной на средневзвешенных значениях кажущейся удельной электропроводности (обычно в интервале 25–35 мСм/м (миллисименс на метр)) и максимум с 10 итерациями. Данные, полученные с помощью датчика Dualem 642S, привели к более надежным инверсиям из-за наибольшего количества точек данных вдоль вертикальной оси.

Данные по удельному сопротивлению (ERT) оказались для дамб очень хорошего качества. Измерения с обратной установкой электродов показали незначительные отклонения от среднего, что подтвердило надежность различных наборов данных. В некоторых случаях покрытые асфальтом или щебнем поверхности привели к плохим результатам, поэтому соответствующие точки были удалены авторами статьи [1] из набора данных перед инверсией модели кажущегося сопротивления в модель истинного сопротивления. Была использована сетка с тетраэдрическими ячейками размером от 0,5 до 2,5 м в зависимости от геометрии сбора данных. Инверсия проводилась с помощью промышленного программного обеспечения Ertlab3D с использованием обычного подхода с ограничением гладкости (smoothness-constrained approach) согласно допущениям языка программирования Occam. Повторное определение веса компонент (параметров) инверсии на каждой итерации уменьшило несоответствия, которые составили менее 5% для большинства точек данных.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ИХ ДОСТОВЕРНОСТИ

Результаты визуализации с помощью методов GPR и FDEM были подтверждены авторами исследования [1] с помощью профилирования методом ERT, геотехнических испытаний или обследования выкопанных шурфов.

Многочастотный метод FDEM

На площадке исследований № 106 (см. рис. 2) авторами исследования [1] были пройдены два почти параллельных профиля вдоль основания дамбы, идущей по берегу небольшой реки Альпоне, многочастотным методом FDEM. Была выявлена серия песчаных карманов (sand boils) ниже уровня основания дамбы (рис. 5). Анализ отклонений от среднего для набора данных, полученного на канале 7 кГц, показал две большие отрицательные аномалии (участки A и B на рисунке 5). При этом профиль, пройденный вдоль основания дамбы методом ERT (см. рис. 5, рис. 6), показал два высокоомных тела, соответствующих аномалиям, выявленным методом FDEM. Присутствие водопроницаемых песчаных тел A и B, расположенных чуть ниже основания дамбы, было подтверждено и с помощью обследования выкопанных траншей. Наличие песчаного тела на участке B было совершенно неожиданным, так как никакие песчаные карманы там не выходили на поверхность. Франчезе с соавторами [1] предположили, что просачивание воды на участке B зависело от наличия слоя мелкого песка прямо под основанием дамбы, а также от поднятия кровли нижележащих гравийных отложений (см. рис. 6).

Рис. 5. Карта площадки исследований № 106 (см. рис. 2), на которой показаны два профиля, пройденные многочастотным методом FDEM и методом ERT вдоль основания правой стороны дамбы, ограждающей берег небольшой реки Альпоне, рядом с небольшими песчаными карманами. Результаты анализа аномалий (отклонений от среднего) по записям на канале 7 кГц показывают отрицательные значения, превышающие 17% на участках A и B. Участок A находится прямо наверху песчаного кармана, а на участке B нет никаких поверхностных свидетельств просачивания воды [1] (highway Milan-Venice – автомагистраль Милан – Венеция; levee – земляная дамба; profile – профиль; small sand boils – небольшие песчаные карманы; m, meters – м, метры; N – север; deviance – отклонение от среднего, аномальность; N data-points – число точек измерений)

Рис. 6. Профиль ERT, пройденный на площадке исследований № 106 (см. рис. 2) вдоль профиля многочастотного FDEM: a – разрез удельных сопротивлений, включенный в трехмерную модель дамбы; b – профиль удельных сопротивлений. Аномалия A, выявленная при использовании метода FDEM, соответствует приповерхностному высокоомному слою. Аномалия B, обнаруженная с помощью FDEM, может наблюдаться из-за слегка высокоомного приповерхностного слоя и заметного поднятия кровли нижележащих гравийных отложений [1] (resistivity (Om) – удельное сопротивление, Ом; Alpone stream – река (ручей) Альпоне; levee crest – гребень земляной дамбы; sand lenses – песчаные линзы; clay and silt – глина с илистыми (пылеватыми) отложениями; gravel and coarse sand – мелкий гравий с крупнозернистым песком; north-east – северо-восток; south-west – юго-запад; distance – расстояние; depth – глубина; m – м)

Песчаные карманы также были видны на поверхности площадки исследований № 104 (рис. 7) у подножия дамбы на реке Церезоне недалеко от промышленной зоны. Там авторами работы [1] были пройдены три параллельных профиля FDEM по гребню дамбы и по ее бровкам. Анализ отклонений от среднего для набора данных, собранных на канале 7 кГц, показал отрицательную аномалию прямо перед песчаными карманами (см. рис. 7). Профилирование методом ERT подтвердило присутствие проницаемого песчаного тела, расположенного у основания дамбы и под ней (см. рис. 7). Данные бурения и обследование откопанной траншеи подтвердили наличие проницаемого слоя песка в интервале 7–19 м электротомографического профиля.

Рис. 7. Геофизические исследования на площадке № 104 (см. рис. 2): a – карта площадки исследований № 104 (см. рис. 2), на которой был пройден профиль многочастотным методом FDEM по гребню с правой стороны дамбы вдоль реки Церезоне в соответствии с серией песчаных карманов у подножия дамбы (результаты анализа отклонений от среднего для данных, полученных на канале 7 кГц, показывают длинный сегмент с большими отрицательными значениями); b – песчаные карманы, расположенные у подножия дамбы; c – профиль ERT, пройденный по гребню дамбы и центрированный по аномалии FDEM (высокоомное тело представляет собой песчаное палеорусло, расположенное прямо под подошвой дамбы) [1] (N – север; levee – земляная дамба; Ceresone River – река Церезоне; profile – профиль; m – м; sand boils – песчаные карманы; deviance – отклонение от среднего, аномальность; levee toe – подножие земляной дамбы; Z – высотная отметка от поверхности; SSW – ЮЮЗ; NNE – ССВ; resistivity (Om) – удельное сопротивление, Ом; distance – расстояние; seeping occurs through a sandy paleochannel – фильтрация воды происходит через песчаное палеорусло)

Многоканальный метод GPR

Во время паводка на реке Баккильоне наблюдалось несколько крупных песчаных карманов на расстоянии нескольких метров от подножия дамбы (рис. 8). Площадка исследований № 115 (см. рис. 2) была расположена в нижней части поймы. На горизонтальном сечении трехмерной записи (временнОм срезе), полученном авторами работы [1] по результатам съемки многоканальным георадаром (GPR), отчетливо видна серия сильных отражающих границ, ориентированных почти перпендикулярно дамбе (см. рис. 8). Шурфы, выкопанные прямо в местах аномалий, подтвердили наличие под дамбой песчаных карманов, возникших в результате суффозионных или эрозионных процессов. Профиль ERT, пройденный вблизи гребня дамбы, выявил присутствие высокоомного тела (см. рис. 8). Это водопроницаемое тело было интерпретировано в том числе с помощью данных бурения (см. рис. 8) как песчаный палеоканал. Франчезе с соавторами [1] сочли наличие последнего основной причиной фильтрации воды под основанием дамбы.

Рис. 8. Геофизические и геотехнические исследования на площадке № 115 (см. рис. 2): a – карта площадки № 115, на которой была выполнена съемка многоканальным георадаром (GPR) рядом с крупным песчаным карманом; b – стратиграфия по данным бурения скважины S1; c – горизонтальные сечения трехмерных георадиолокационных записей GPR для высотных отметок от поверхности (глубин) Z, показывающие аномальную отражательную способность, вызванную образованием в результате суффозии песчаных карманов; d – профиль ERT, частично пройденный по гребню дамбы (относительно высокоомное тело представляет собой песчаный палеоканал, расположенный на несколько метров ниже основания дамбы) [1] (N – север; levee – земляная дамба; ERT profile – электротомографический профиль; m – м; large sand boil – большой песчаный карман; borehole S1 stratigraphy – стратиграфическая колонка по данным бурения скважины S1; gravel – гравий; silty sand and silt – илистый (пылеватый) песок и илистые (пылеватые) отложения; silty clay – илистая (пылеватая) глина; medium and coarse sand – средне- и крупнозернистый песок; GPR depth slices – горизонтальные сечения трехмерных георадиолокационных записей для глубин Z; Z – высотная отметка от поверхности (глубина); resistivity (Om) – удельное сопротивление, Ом; reflectivity – отражательная способность; K – тысяч (кило-, к); m – м; distance – расстояние; sandy paleochannel – песчаное палеорусло; NW – СЗ; SSE – ЮЮВ; iteration – итерация; residual – невязка)

На площадке исследований № 110 Франчезе с соавторами [1] не выявили никаких признаков слабых мест в земляной дамбе вдоль реки Пьяве. Быстрое получение изображений с использованием предложенной интеграции профилирования методами FDEM и GPR вдоль гребня указанной дамбы позволило выявить аномалии удельной электропроводности и отражательной способности на длинном сегменте самой верхней части дамбы (рис. 9). Аномалии, обнаруженные этими двумя методами, хорошо коррелировали между собой, что указывало на действительное наличие неоднородностей в теле дамбы в соответствующих местах (рис. 10). При этом съемки методами FDEM и GPR проводились авторами статьи [1] не одновременно, а для более хорошего определения аномалий дополнительно использовались результаты электротомографии (ERT) (см. рис. 10). При анализе разреза ERT сбоку дамбы был обнаружен ряд нор грызунов (см. рис. 10). Очень высокие значения удельного сопротивления на этом разрезе предполагали наличие больших пустот в теле дамбы. Позже выявленные пустоты были откопаны и залиты бетоном.

Рис. 9. Геофизические исследования на площадке № 110 (см. рис. 2): a – карта площадки № 110 с профилем кажущейся удельной электропроводности, полученным с помощью 2-метрового горизонтального копланарного канала многокатушечной системы FDEM (длинный сегмент профиля указывает на аномалию с низкой проводимостью); b – карта площадки № 110 с GPR-срезом на глубине примерно на 1 м ниже гребня дамбы (сегмент с высокой отражательной способностью хорошо коррелирует с аномалией, связанной с низкой удельной электропроводностью, выявленной с помощью многокатушечного метода FDEM) [1] (N – север; levee – земляная дамба; river – река; m, meters – м, метры; apparent conductivity (mS/m) – кажущаяся удельная электропроводность (обратная удельному сопротивлению), мСм/м (миллисименс на метр); resistor – геологическое тело, обладающее определенным электрическим сопротивлением; FDEM HCP response – сигналы при горизонтальной копланарной конфигурации катушек системы FDEM; tx–rx=2.0 m – расстояние между генераторной и приемными катушками равно 2,0 м;  reflector – граница с определенной отражательной способностью; reflected amplitude – амплитуда отраженного сигнала; K – тысяч (кило-, к); GPR depth slice – горизонтальное сечение трехмерной георадиолокационной записи для глубины Z; Z – высотная отметка от поверхности (глубина)

Рис. 10. Геофизические исследования на площадке № 110 (см. рис. 2): a – подробная карта, показывающая аномалию и расположение профиля ERT; b – фотография, сделанная с внутренней стороны земляной дамбы, показывающая расположение профиля ERT и нору грызуна, расположенную прямо под линией профилирования; c – карта удельного сопротивления, показывающая серию высокоомных аномалий, вызванных пустотами в теле дамбы [1] (N, north – север; S, south – юг; levee – земляная дамба; river – река; m, meters – м, метры; ERT profile – разрез по данным электротомографии; conductivity/reflectivity anomaly – аномалия удельной электропроводности / отражательной способности; levee crest – гребень земляной дамбы; ERT line – линия электротомографического профиля; rodent hole – нора грызуна; Z – высотная отметка от поверхности земли (глубина); distance – расстояние; resistivity (Om) – удельное сопротивление, Ом; iteration – итерация; residual – невязка)

Многокатушечный метод FDEM

Основное преимущество многокатушечного метода FDEM, по мнению Франчезе с соавторами [1], связано с возможностью инвертирования кажущейся электропроводности в истинную, что обеспечит полную корреляцию с профилем ERT.

На площадке исследований № 112 (см. рис. 2) произошло серьезное разрушение земляной дамбы во время паводка. Авторы статьи [1] предположили, что сквозь тело и основание правой стороны дамбы просочилась речная вода, что и вызвало обрушение (рис. 11). Затем правая и левая стороны дамбы рядом с местом разрушения были исследованы с помощью многокатушечной системы FDEM для картирования других потенциально слабых зон. Высота дамбы составляла около 9 м, что ограничивало возможность сбора полных данных о подстилающих отложениях с использованием переменных расстояний между генераторной и приемными катушками  6; 4 и 2 м (рис. 12).

На профиле FDEM общей протяженностью более 10 км Франчезе с коллегами [1] обнаружили три аномальных участка (по их мнению, эти аномалии возникли из-за наличия в отремонтированной в прошлом дамбе крупных каменных блоков и залитого бетона).

В непосредственной близости от разрушенной части дамбы данные, полученные на 6-метровом горизонтальном копланарном канале (при горизонтальном копланарном расположении катушек и расстоянии между генераторной и приемной катушками 6 м), позволили выявить участок с низкой электропроводностью (A на рисунке 11). Двумерная инверсия показала четко определяемое высокоомное тело, расположенное в теле дамбы и простирающееся под ее основанием (см. рис. 11). Авторы статьи [1] отметили, что этот сегмент имеет решающее значение, поскольку он расположен на выпуклой огибающей (outer curve) поперечного профиля дамбы, где вода во время паводков течет с более высокой скоростью, увеличивая нагрузку на земляное сооружение, поэтому этот вопрос Франчезе с коллегами [1] все еще исследуют. Третье выявленное авторами работы [1] пятно – это сегмент с низкой электропроводностью, расположенный с западной стороны от пятна А. Значения удельной электропроводности здесь низкие, но не настолько, чтобы считаться критическими.

Рис. 11. Исследования многокатушечным методом FDEM на площадке № 112 (см. рис. 2): a – карта площадки с записью кажущейся электропроводности на 4-метровом горизонтальном копланарном канале, то есть при горизонтальном копланарном расположении катушек и расстоянии между генераторной и приемной катушками 4 м (были обнаружены три аномальных пятна с низкой кажущейся электропроводностью, причем аномалия с восточной стороны связана с наличием каменных блоков, использованных для ремонта разрушенного участка дамбы в 2010 году); b – фотография, сделанная с гребня дамбы, показывает прорыв в этом земляном сооружении сразу после разрушения; c – инверсия FDEM-данных показала высокоомный / проницаемый элемент, расположенный в теле дамбы и распространяющийся вниз [1] (N, north – север; residual criticity – остаточная критичность; 2010 failure (repaired breach) – разрушение 2010 года (заделанный прорыв); apparent conductivity (mS/m) – кажущаяся удельная электропроводность (обратная удельному сопротивлению), мСм/м (миллисименс на метр); km – км; W-SW – З-ЮЗ; E-NE – В-СВ; levee top – верх дамбы; levee base – низ дамбы; Z – высотная отметка от поверхности (глубина); distance – расстояние; m – м; resistivity (Om) – удельное сопротивление, Ом; resistive anomaly in the levee body extending down to the levee base – аномалия удельного сопротивления в теле дамбы, распространяющаяся  вниз к грунтовому основанию; east – восток; west – запад; 2010 failure – разрушение 2010 года)

Приведенные выше примеры показали, что многочастотный FDEM оказался надежным методом при использовании разработанного подхода к обработке данных. В любом случае, по мнению Франчезе с соавторами [1], предпочтительнее многокатушечный метод FDEM, так как он может выявлять участки удельной электропроводности / удельного сопротивления почти сопоставимо с профилированием методом ERT.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ПРОЕКТА

Окончательная валидация предложенного способа комплексирования геофизических методов была выполнена с участием некоторых авторов работы [1] во время крупного исследовательского проекта недалеко от Венеции (рис. 12). Было обследовано более 100 км земляных дамб вдоль берегов или пойм реки Баккильоне. Среднее расстояние между точками измерений (sextets) методом FDEM составляло 0,9 м, а шаг георадарных зондирований вдоль профиля был равен 0,1 м. Это обследование было завершено менее чем за две недели при рабочей бригаде из трех человек и наличии двух автомобилей.

Рис. 12. Экспериментальный проект получения данных с помощью геофизических исследований вдоль земляных дамб реки Баккильоне недалеко от Венеции: a – карта, показывающая исследуемую территорию; b – многокатушечная система FDEM; c – многоканальная георадарная установка [1] (N – север; Alpine foothills – предгорья Альп; VICENZA – Виченца; PADUA – Падуя; VENICE – Венеция; TREVISO – Тревизо; VERONA – Верона; Berici hills – холмы Беричи; Euganean hills – Эуганские (Юганские) холмы; Adriatic sea – Адриатическое море; km – км; EM resivers – приемники электромагнитного излучения (приемные катушки); TX – генератор электромагнитного излучения (генераторная катушка); HCP – горизонтальное копланарное расположение катушек; PRP – перпендикулярное расположение катушек; GPS – приемник глобальной системы позиционирования GPS; m – м; tx-rx dipoles – пары приемо-передающих диполей)

Вдоль исследованных земляных дамб с участием некоторых из авторов статьи [1] было обнаружено и нанесено на карту 60 геофизических аномалий. Большинство из этих аномалий удалось выявить с помощью FDEM, а неглубоко расположенные из них также обнаруживались с помощью GPR. Но несколько аномалий были видны только на GPR-изображениях. Некоторые аномалии были дополнительно исследованы путем ERT-профилирования и геотехнических обследований и испытаний.

Затем каждый аномальный сегмент был преобразован в упрощенную гидравлическую модель с использованием корреляции Арчи между удельным сопротивлением и пористостью, а также с помощью некоторых лабораторных исследований образцов грунта, причем с особым вниманием к его частичной водонасыщенности. Затем было использовано гидравлическое моделирование для установившегося режима с целью верификации характеристик фильтрации воды через дамбу во время паводков. В очень немногих случаях фильтрация происходила чуть выше подошвы дамбы.

Примеры вышеупомянутых геофизических аномалий представлены на рисунках 13 и 14.

Аномалия A (см. рис. 13), была найдена на правом берегу реки Баккильоне. Этот участок относится к более высокой равнине, где ширина поймы составляет около 500 м, а высота земляной дамбы – чуть меньше 4 м. Кажущаяся удельная электропроводность по данным, полученным на 4-метровом горизонтальном копланарном канале (при горизонтальном копланарном расположении катушек и расстоянии между генераторной и приемной катушками 4 м), имела значения немного выше 4 мСм/м (милисименс на метр), что свидетельствовало о наличии гранулированного грунта. Инверсия данных FDEM (см. рис. 13) ясно показала высокоомную структуру (resistor) длиной 20 м со значениями удельного сопротивления до 200 Ом. Двумерный профиль ERT, полученный на том же участке, подтвердил наличие этой аномалии (см. рис. 13). Значения удельного сопротивления, оцененные с помощью инверсии данных FDEM и ERT, оказались полностью сопоставимыми.

Рис. 13. Геофизические обследования земляных дамб вдоль берегов и пойм реки Баккильоне: a – карта, на которой показано распределение кажущейся удельной электропроводности по данным, полученным на 4-метровом горизонтальном копланарном канале, то есть при горизонтальном копланарном расположении катушек и расстоянии между генераторной и приемной катушками 4 м (А – аномалия низкой удельной электропроводности); b – результат инверсии данных FDEM (виден высокоомный / проницаемый элемент, расположенный в теле дамбы); c – картина, полученная при измерениях по профилю ERT для валидации результатов инверсии данных FDEM (значения удельного сопротивления полностью сопоставимы) [1] (N – север; apparent conductivity (mS/m) – кажущаяся удельная электропроводность (обратная удельному сопротивлению), мСм/м (миллисименс на метр); m – м; N-NW – С-СЗ; S-SE – Ю-ЮВ; depth – глубина; distance – расстояние; resistivity (Om) – удельное сопротивление, Ом; levee base – основание земляной дамбы)

Аномалия B (рис. 14) была обнаружена на левом берегу реки Баккильоне примерно в 5 км ниже по течению от аномалии A. Геометрия земляной дамбы здесь сопоставима с предыдущей, хотя огражденная этой дамбой пойма является более узкой (примерно на 50 м). На 4-метровом горизонтальном копланарном канале был выявлен длинный сегмент с кажущейся удельной электропроводностью около 7 мСм/м (миллисименс на метр). Результат инверсии данных FDEM на отрезке длиной 100 м показал, что вся дамба имеет умеренное сопротивление (см. рис. 14), поскольку она, по предположению авторов статьи [1], состоит из мелкозернистого и пылеватого (илистого) песков. Более высокие значения удельного сопротивления находятся прямо посередине профиля и составляют около 170–180 Ом. Длинный двумерный профиль ERT (см. рис. 14), пройденный там же, подтвердил наличие этой аномалии, хотя показал несколько более низкое удельное сопротивление (около 130–140 Ом). В этом случае, по мнению Франчезе с соавторами [1], разница в абсолютном сопротивлении в 15–20% не является большой проблемой, поскольку не влияет на интерпретацию данных. Такое различие может быть значительным в случае мелкозернистых грунтов, так как низкопроницаемые слои песка и пылеватого (илистого) песка могут быть интерпретированы как проницаемые пески.

Рис. 14. Геофизические исследования вдоль земляных дамб, ограждающих берега и поймы реки Баккильоне: a – карта, на которой показано распределение кажущейся удельной электропроводности по данным, полученным на 4-метровом горизонтальном копланарном канале (B – аномалия низкой удельной электропроводности); b – результат инверсии данных FDEM (виден высокоомный / проницаемый элемент, расположенный в теле дамбы); c – картина, полученная при измерениях по профилю ERT для валидации результатов инверсии данных FDEM (значения удельного сопротивления на 15–20% ниже, чем по результатам инверсии данных FDEM) [1] (N – север; apparent conductivity (mS/m) – кажущаяся удельная электропроводность (обратная удельному сопротивлению), мСм/м (миллисименс на метр); m – м; W-NW – З-СЗ; E-SE – В-ЮВ; depth – глубина; distance – расстояние; resistivity (Om) – удельное сопротивление, Ом; levee base – основание земляной дамбы)

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По мнению авторов статьи [1], многокатушечный FDEM среди различных динамических методов для обследования береговых дамб, безусловно, является выбором номер один, особенно благодаря возможности инвертировать наборы данных по кажущейся удельной электропроводности в разрезы истинного удельного сопротивления. Но, к сожалению, этот метод в протестированных конфигурациях не обеспечивал достаточной разрешающей способности для, например, выявления норы небольшого животного в самой верхней части дамбы, в то время как места некоторых прорывов дамб совпадали с расположением нор, пересекавших береговые земляные сооружения в поперечном направлении от внутренней к внешней стороне.

В случае площадки исследований № 110 (см. рис. 2) пустОты были четко видны как на временнЫх GPR-срезах, так и на карте кажущейся удельной электропроводности, полученной с помощью системы FDEM с горизонтальным расположением катушек на расстоянии 2 м друг от друга. В этом случае аномалия была связана с группой больших полостей, а не с одной норой. Кроме того, самая верхняя часть дамб обычно бывает очень тонкой. И пока такие земляные сооружения не подвергнутся нагрузкам во время обычных паводков, бывает очень мало данных об их потенциально слабых местах. К тому же многие из них были неверно построены или неправильно отремонтированы. Например, известно несколько случаев расширения бровки и увеличения высоты дамбы с использованием неподходящих материалов, когда земляное сооружение изначально было построено прямо на песчаном палеорусле. А присутствие проницаемых песков представляет собой двойную угрозу из-за их более высокой водопроницаемости, а также потому, что животные предпочитают рыть норы именно в таких грунтах.

Франчезе с соавторами [1] считают, что предложенный подход с комплексированием методов FDEM и GPR в основном оказался успешным, но все же у него есть кое-какие недостатки. Так, сигнал GPR плохо проникает в электропроводящую среду (илистые и глинистые грунты), а удельное сопротивление земляных дамб может быть ниже 50 Ом, что ограничивает использование георадиолокации для их обследований. К тому же изменения в удельной электропроводности, вызванные изменениями во влажности грунта, могут быть по величине того же порядка, что и некоторые электромагнитные аномалии.

Поэтому возможный способ решения подобных проблем – это уже упомянутое ранее разделение обследования дамбы на два этапа.

Георадиолокационное профилирование (GPR), по мнению авторов работы [1], следует проводить после длительного засушливого периода. Они предполагают, что летний для Северной Италии сезон является наилучшим временем для сбора георадарных данных. Например, данные GPR на площадке исследований № 110 были собраны в конце весны 2013 года после двух месяцев, в течение которых почти не было атмосферных осадков. Оцененная глубина исследований методом GPR составила тогда 1,5–2,0 м ниже гребня дамбы, и это позволило обнаружить норы грызунов до этого уровня. На том же участке с помощью георадара в илисто-глинистой дамбе было обнаружено несколько вертикальных трещин, образовавшихся вследствие высыхания. Антенны на 500 МГц обеспечивали более высокое разрешение для обнаружения трещин, а глубина исследования при этом уменьшалась совсем ненамного.

Электромагнитное индукционное частотное профилирование (FDEM), по мнению Франчезе с соавторами [1], следует проводить в зимний для Северной Италии сезон после нескольких дождливых дней. Влияние переменного содержания воды после окончания дождей сводится к минимуму, а дамба остается влажной в течение нескольких дней из-за уменьшенного зимнего испарения воды. Датчики FDEM перемещаются вдоль гребня дамбы, а многокатушечная решетка является линейной и параллельной направлению буксировки. При использовании такой геометрии съемки невозможно точно определить горизонтальную геометрию аномалии относительно профиля движения. Однако этот недостаток, с точки зрения авторов статьи [1], совсем незначителен, поскольку процедура быстрой визуализации нацелена на обнаружение аномалий, а не на полное разрешение для определения их формы и свойств (последней цели авторы собираются посвятить дальнейшие геофизические исследования с помощью двумерной и трехмерной электротомографии (ERT)).

Далее Франчезе с соавторами [1] указывают, что серьезным ограничением может быть наличие идущей по гребню дамбы дороги с наличием соответствующей инфраструктуры (железобетонных стенок и металлических дорожных ограждений), потому что в этом случае сигналы FDEM при большом шаге зондирований (то есть при расстоянии между передатчиком и приемниками более 2–3 м), могут значительно отклоняться.

Следующим осложнением является то, что высокая дамба ограничивает глубину исследований. На практике максимальная глубина исследований методом FDEM обычно в 1,5 раза превышает расстояние между передатчиком и приемником. А при использовании расстояний между генераторной и приемными катушками 6, 4 и 2 м она может быть оценена в 9 м, хотя полевые данные показали, что она может быть немного меньше в такой электропроводящей среде, как береговая дамба. Использование же расстояний между генераторной и приемными катушками 8, 6, 4 и 2 м, по мнению авторов статьи [1], позволит собрать полную запись о структуре дамбы и подстилающих ее отложений даже в случае высокого земляного сооружения. Однако логистика такой системы может быть достаточно сложной, поскольку общая длина буксирного состава составляет целых 15 м уже для системы «6-4-2 м».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Авторами статьи [1] для быстрой и недорогой визуализации внутренней структуры сотен километров береговых земляных дамб и их грунтовых оснований вдоль рек Северной Италии был испробован подход, основанный на интеграции двух геофизических методов – электромагнитного индукционного частотного профилирования (FDEM) и многоканальной георадиолокационной съемки (GPR). Достоверность полученных с помощью этой технологии данных была подтверждена с помощью более медленного и дорогого в использовании метода электротомографии (ERT).

Cначала использовалась многочастотная система FDEM из-за ее небольшого веса и связанной с этим простой логистики. Она оказалась вполне функциональной при использовании определенных ограничений во время обработки данных, но в основном это был качественный подход. Многокатушечная система FDEM с одним передатчиком и шестью приемниками явилась значительным шагом вперед, поскольку она позволила инвертировать данные и визуализировать участки удельной электропроводности, результаты чего были сравнимы с результатами стандартного профилирования методом ERT.

Используя разработанный подход, можно было получить полное отражение внутренней структуры земляной дамбы и ее грунтового основания в геофизических полях до глубины 7–8 м ниже гребня сооружения. Вдоль различных рек Северной Италии были обнаружены и закартированы норы животных, трещины, слои, карманы или линзы песка в телах различных береговых дамб и водопроницаемые палеоканалы в их грунтовых основаниях.

Предложенная интеграция двух указанных геофизических методов дает значительную экономическую выгоду и бережет время, но у него есть некоторые ограничения. Авторы работы [1] в заключении обобщают информацию об этих ограничениях и дают соответствующие рекомендации.

1. Прежде всего электромагнитная и георадарная съемки не могут выполняться одновременно, потому что метод FDEM лучше работает во влажных проводящих земляных сооружениях (в зимних для Северной Италии условиях после дождей) а метод GPR – в сухих (в летний сезон).

2. Электромагнитное индукционное профилирование по гребню дамбы приводит к тому, что выявленное распределение удельной электропроводности в вертикальной плоскости в середине дамбы получается негодным без дополнительной информации о положении аномалии. Но последнее является незначительной проблемой, поскольку каждую аномалию можно дополнительно исследовать с помощью электротомографии (ERT).

3. Наличие построенной на гребне дамбы дороги с металлическими ограждениями и железобетонными стенками может вызвать серьезные помехи для электромагнитного сигнала, что сделает съемку методом FDEM совершенно невозможной в определенных местах. Подобная транспортная инфраструктура встречается не так уж часто, но при планировании геофизических исследований это должно быть принято во внимание.

4. Некоторые очень высокие дамбы с гребнем выше 7–8 м нельзя полностью обследовать из-за ограниченной глубины исследований выбранными геофизическими методами. Однако эту проблему для метода FDEM можно легко решить путем использования дополнительной пары катушек или изменения положения внешней пары катушек на бОльшем расстоянии от передатчика. С точки зрения авторов статьи [1], cистема, состоящая из передатчика и четырех пар приемников с внешней парой катушек на расстоянии 8 м от передатчика, вполне подойдет для профилирования методом FDEM вдоль земляных дамб, ограждающих берега или поймы большинства итальянских рек.

5. Франчезе с соавторами [1] пока не могут точно сказать, даст ли близкое расположение электромагнитных катушек достаточную разрешающую способность для обнаружения небольшой полости, протягивающейся поперек направления профилирования. Но они считают, что определенные эксперименты в контролируемых полевых условиях могли бы существенно помочь в валидации этого варианта метода FDEM.

6. Рентабельность системы быстрой визуализации методом GPR может быть значительно улучшена, если отказаться от непрерывных георадиолокационных измерений и перейти к технологии пошаговых зондирований.

Источник для обзора

1. An integrated geophysical approach to scan river embankments // ResearchGate. Fast Times. 2018. Vol 23. № 3. URL: researchgate.net/publication/328190628_An_integrated_geophysical_approach_to_scan_river_embankments.