Индустриални приложения на геофизичните методи Печат

Софийски Университет
"Св. Климент Охридски"
Физически факултет

Лаборатория по Археогеофизика
Джеймс Баучер 5, София 1164, Е-мейл адресът e защитен от спам ботове. , тел. 8161732

www.phys.uni-sofia.bg/bul/departments/ucsrt/agpl/index.html

Индустриални (технически) приложения на геофизичните методи използвани от лабораторията по Архео-геофизика в строителството, ВИК, геотехниката, инженерната геология, мините, електроснабдяването, транспорта, армията,криминалогията, охраната и екологията

Измерванията с използваният от нас георадар са 100- 600 пъти по-евтини от сондирането, при над 20 пъти по-голяма разделителна способност и скорост на работа. Това прави георадара най- ефективния и евтин метод за изследване на подземни обекти до 25 метра дълбочина.

Областите на приложение на георадара са:

СТРОИТЕЛНИ ПРИЛОЖЕНИЯ

При проектиране на сгради, пътища, летища, газопроводи и нефтопроводи е необходимо подробно да се изучи геоложкия строеж на почвата и скалите в района за строителство. Използването на геофизически методи в проучването за строителството, особенно при сложни инженерно-геоложки условия на строителните площадки, дава допълнителна информация за строежа на грунта и повишава качеството на проекните решения.

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- празнини (фиг.1, 2) и дефекти в постройки

-свлачища, пропадания, разломи (фиг.3), разседи и др. опасности (фиг.4) за строежите при проектиране на нови жилищни комплекси и сгради.

- невидими пукнатини в сгради

- участъци на деградиране на железобетона от корозия на арматурата

- корозия на връзките на панели

- проводници и арматура (фиг.11) в подове, стени и тавани

- елементи на подово отопление

- септични ями и канали (фиг.20);

- пещери (фиг.5), каверни(фиг.6) и др.карстови образувания предизвикващи пропадания на терена

- подземни резервоари (фиг.30)

- заровени и зазидани тръби (фиг.20), кабели (фиг.21), и др.;

- тунели (фиг.7), катакомби и канали

-подземни силови, телефонни или други кабели, които биха били закачени при изкопи за строежи или ремонт, което би довело до късо съединение, прекъсване на кабелите или дори инциденти по време на работа. Това предпазва от разрушаването им при строителни работи и от инциденти при тях

фиг.1.Интензитет на отражение на радарният сигнал от тавана на 4 ет на сграда Б на Физическия факултет (фиг.2) измерен от 5 етаж през бетонната плоча над тях.

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

фиг.2. Фотография на контрафорсите (бетонните греди) на тавана на 4 ет на сграда Б на Физическия факултет измерени с георадар (фиг.1)

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

Недеструктивно локализиране и идентифициране на подземни тръби от метал, пластмаса, керамика, бетон и азбестобетон.

Недеструктивна оценка на състоянието и мониторинг на:

стабилността на терена, настилки и фундаменти

фиг.3. Локализиране на свлачище по разлом Radar Systems inc

фиг.4. Локализиране на легло на древна река, което не се забелязва на повърхноста Radar Systems inc

фиг.5.Локализиране на пещери във варовик на 7 и 18 метра дълбочина. Radar Systems inc

фиг.6. Локализиране на каверна (ляво) във варовик под слой глина (горе) Radar Systems inc

Оценка на амортизацията на:

сгради, кули, тераси, гаражи, балкони, панели, жезелни и бетонни конструкции.

фиг.7. Железопътен тунел на 15 метра дълбочина във варовик.

Radar Systems inc

фиг.8. Екстремален профил на две стени на 5 ет на сграда Б на Физическия факултет измерен от 6-тия етаж през бетонната плоча над тях.

Я. Шопов (лаб. Археогеофизика)

ИНЖЕНЕРНИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Георадара измести рентгена в дефектоскопията на големи съоръжения, поради вредноста, високата цена, времеемкоста и ограниченията на рентгеновата дефектоскопия.

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- стени (фиг.8), подпори (фиг 9, 10), арматура (фиг 11) и др. носещи конструкции;

- вградени елементи и системи в конструкции (фиг 13-18)

фиг.9. Двумерна карта (в метри) на радарният сигнал от бетонни греди на тавана (с дебелина 25см) и празнини между тях- 80см. Поради разсейването на сигнала радара "вижда" 7.46 метра, вместо 7-те метра които сканира. Виждат се и луминесцентните лампи (фиг.1) м/у 3-4 и 4 и 5ти метър от скана

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

фиг.10. Фотография на контрафорсите (бетонните греди) на тавана на 4 ет на сграда Б на Физическия факултет измерени с георадар (фиг.1, 9).

Същият обект е представен и на фиг.1 и 2

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

фиг 11. Локализиране на арматура в железобетонен под.

Radar Systems inc

фиг 12. Профилиране на езеро от дъното на пластмасова лодка.Локализирани са няколко метални обекта много добре забележими в слоя тиня като хиперболи. Radar Systems inc

фиг.13.Плътностен профил на две стени от 5-ти до 3-ти ет на сграда Б на Физическия факултет измерен от 6-тия етаж през бетонната плоча над тях.

Я. Шопов (лаб. Археогеофизика)

- празнини (фиг.1,2) и дефекти в структури;

- тръби (фиг.19,20) , кабели и проводници в конструкции (фиг. 21)

фиг.14.Екстремален профил на две стени от 5-ти до 2-ри ет на сграда Б на Физическия факултет измерен от 6-тия етаж през бетонната плоча над тях.

Я. Шопов (лаб. Археогеофизика)

фиг.15. Двумерна карта (в метри) на радарният сигнал от двете бетонни греди в средата на тавана на мазето на сграда Б на Физическия факултет измерен НА 17,11- 17,38 МЕТРА ДЪЛБОЧИНА от 5 етаж през 5 бетонни плочи с обща дебелина 3,25 метра!

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

фиг.16.Интензитет на отражение на радарният сигнал от двете бетонни греди на тавана на мазето на сграда Б на Физическия факултет (в средата) измерен НА 17,11- 17,38 МЕТРА ДЪЛБОЧИНА от 5 етаж през 5 бетонни плочи с обща дебелина 3,25 метра!

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

фиг.17.Интензитет на отражение на радарният сигнал от тавана на мазето на сграда Б на Физическия факултет  ИЗМЕРЕН НА 17 МЕТРА ДЪЛБОЧИНА от 5 етаж през 5 бетонни плочи с обща дебелина 3,25 метра!

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

фиг.18. Фотография на контрафорсите (бетонните греди) на тавана на мазето на сграда Б на Физическия факултет измерени с георадар (фиг.15-17).

Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб. Археогеофизика)

Определяне на:- дебелина на настилки, фундаменти, асфалт, бетон и др.;

- изтъняване, изкривяване и други видове износване на настилки, фундаменти и др.;

- мрежата от проводници, метални или пластмасови тръби

Недеструктивно изследване, оценка на състоянието и мониторинг на:

настилки, площадки, фундаменти, плочи, крепежни и носещи конструкции и др. структури.

КОМУНИКАЦИИ, ГАЗОПРОВОДИ, НЕФТОПРОВОДИ, ВОДОПРОВОДИ И КАНАЛИЗАЦИЯ

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- заровени и зазидани тръби (фиг.19, 20), канали (фиг.20), кабели (фиг.21), тунели (фиг.7) и др.;

- подводни тръби, кабели и др.;

- течове по тръбопроводи (водни, газови и др.).

фиг.19. Локализиране на три метални нефтопровода, зарити в земята на 1- 1,5 метра дълбочина. Всяка тръба дава хиперболичен сигнал, на върха на който се намира тя. Radar Systems inc

фиг.20. Локализиране на канализационна тръба (долу), минаваща перпендикулярно под метален тръбопровод (горе)

Sensors & Software inc


Фиг.21. Локализиране на пластмасови и метални тръби и кабел,  зарити в земята. Всяка тръба и кабел дават хиперболичен сигнал, на върха на който се намира тя. Sensors & Software inc

ТРАНСПОРТНИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- пукнатини, пропадания, празнини и др. дефекти в основата и настилката на пътища, писти, Ж.П. линии и др. транспортни съоръжения;

- пукнатини, пропадания, празнини и др. дефекти в тунели и тунелни конструкции;

- изтънявания, изкривявания, пукнатини, празнини и др. дефекти в мостове и мостови конструкции.

Недеструктивно измерване на дебелината на:

платната на мостове, настилки, нов и стар асфалт, фундаменти, дренаж и др.

Недеструктивно изследване, оценка на състоянието и мониторинг на

пътища, писти, Ж.П. линии, тунели, мостове и др. съоръжения.

Оценка на амортизацията на мостове, писти, тунели, надлези, многоетажни паркинги и др.

ХИДРОЛОЖКИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

-          Подземни реки

-          подземни води (фиг.22)


Недеструктивно определяне на дълбочината на водното ниво на подземните води

Фиг.22. Определяне на дълбочината на водното ниво на подземните води Sensors & Software inc

ГЕОЛОЖКИ И ГЕОТЕХНИЧЕСКИ ПРИЛОЖЕНИЯ

През последното десетилетие драстично нарастна използването на метода на подповърхностно радио-локационно сондиране (георадар) в практиката на инженерно-геологическите проучвания. В сравнение с традиционните геофизически методи (електроразузнаване, сеизморазузнаване) методът на радиолокационно сондиране се отличава с изключително висока разделителна способност по дълбочина, висока детайлност на проучванията, при възможност за получаване на информация за строежа на изследваният разрез и визуализация на резултатите по време на измерването, в следствие на което се получава висока производителност на проучванията.

Картиране на профили и изследване на структурата на:

- скали;

- седименти;

- подводни седименти;

- скални повърхности под седиментни скали

- скално дъно и дънни отлагания на сладководни басейни (езера и реки)- фиг.12

- почви;

- подземни води;

- водни хоризонти  (фиг.22);

- карстови образувания (пещери (фиг.5), каверни (фиг.6), въртопи, понори и др.);

- пропадания, разседи, свлачища (фиг.3) и др.;

Недеструктивна стратификация и стратиграфско картиране на

- седименти;

- почви;

- водни хоризонти (фиг.22);

Откриване и картиране на структурните нееднородности в разрез (карст, тектонични нееднородности, контакти на литологически различни скали, участъци на вклиняване на пластовете, включвания на скални породи в седиментна среда и т.н.);

Сондиране и измерване на торфени и сапропелни отлагания

Недеструктивно изследване, оценка на състоянието и мониторинг на подземните водни ресурси, геоложката и хидрогеоложката обстановка

Недеструктивно определяне на:

- дебелина и плътност на снежна и ледена покривка

- дълбочина на основната скала

Характеризиране на пукнатини и разломи

МИННИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Недеструктивно локализиране и картиране на:

- опасни зони в открити рудници и минни галерии.

- стари подземни минни галерии.

- въглищни пластове;

- рудни залежи;

- солни залежи;

- боксити;

Недеструктивно изследване, оценка и мониторинг на находищата и опасните зони.

ВОЕННИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- бункери, скривалища, подземни складове, пещери  и др. стратегически подземни обекти

- противопехотни и противотанкови мини;

- неексплоадирали снаряди (фиг.23) и гранати;

- дефекти в бункери, полигони, тунели, пътища, писти, мостове и др. стратегически обекти

- кабели (фиг.21), тръбопроводи (фиг.19-20), тунели  (фиг.7) и др. комуникации;


Геофизичните методи се прилагат ефективно дори в разузнаването!

Фиг.23. Локализиране на неексплодирали снаряди на различна дълбочина Sensors & Software inc

КРИМИНАЛОЖКИ (СЪДЕБНИ) И ОХРАНИТЕЛНИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- Зазидани сейфове, каси (фиг.24) и скривалища

- Тайни единични и масови гробове (фиг.25, 26);

-тунели прокопани под банки, затвори, трезори, галерии, музеи, складове (фиг.27) и др. сгради с цел обир или бягство от затвор

- заровени, зазидани и скрити по друг начин улики, оръжия (фиг.28), боеприпаси, опасни вещества и др.

- подслушващи устройства

Недеструктивно изследване, оценка на състоянието и мониторинг на обекти, предмет на съдебно разследване или специални охранителни мерки.

Фиг.24. Скан на тухлена стена. Централната част на профила ясно показва сигнал от зазидана каса. Radar Systems inc

фиг.25. Локализиране на заровено човешко тяло

Sensors & Software inc


Фиг.26. Пре-погребени човешки останки (в центъра) и тръба в ров (ляво) по Conyers , 2004

Фиг.27. Кухина (изкоп) под бетона Sensors & Software inc

Фиг.28. Локализиране на заровен пластмасов контейнер (ляво) и пистолет (дясно) Sensors & Software inc

ОКОЛНА СРЕДА

Електропроводими замърсявания на подземните води силно поглъщат сигнала на георадара и за това той е ефективен уред за картиране на разпространението на такива замърсявания  (фиг.29).

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- течове и разливи на замърсители (фиг.29);

- септични ями и канали;

- заровени, зазидани или потопени замърсители;

- подземни резервоари (фиг.30) и хранилища на замърсители;

Недеструктивно изследване, оценка на състоянието и мониторинг на


замърсени терени, подпочвени води, резервоари и хранилища на опасни отпадъци, и защитени природни обекти или паметници на културата.

Фиг.29. Профил на пясък с повишена проводимост от изтичане на замърсители предизвикваща бързо затихване на сигнала Sensors & Software inc

Фиг.30. Локализиране на резервуари с тръби, лежащи под асфалт, бетон и жици. Sensors & Software inc

СЕЛСКОСТОПАНСКИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Недеструктивно локализиране, определяне на дълбочината и картиране на:

- Нивото на подпочвените води (фиг.22)

- дренажни тръби и съоръжения

- корените на дърветата

ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИ СПАСИТЕЛНИ ОПЕРАЦИИ

Недеструктивно локализиране на хора и предмети затрупани от лавини:

Използвана апаратура

Най- подходящият геофизичен метод за решаването на тези задачи е земният радар (георадар, наричан още земен "скенер"). Преди създаването на георадара подземни обекти от пластмаса, теракота, бетон и асфалт се смятаха за неоткриваеми. Георадара стана основният метод за локализиране и картиране на непроводящи, неметални и немагнитни обекти.

Георадар- Методът е разработен от НАСА за изследване на лунния грунт за нуждите на американската космическа програма и е подобен на ехолота (сонара). Георадарът е цифров портативен уред за подповърхностно сканиране предназначен за работа по широк спектър от геотехнически, геологически, екологически, инженерни и други задачи, при които е необходимо подповърхностно наблюдение. По време на сканирането операторът вижда радиолокационната картина на дисплея на компютъра в реално време. Данните се записват на твърдата памет на компютъра за цифрова обработка, разпечатка и интерпретация на резултатите.

Принципът на действие на апаратурата за подповърхностно радиолокационно сондиране (георадар) се основава на излъчването на свръхшироколентови (наносекундни) импулси от метровия, дециметровия и сантиметровия диапазон на радиовълните и приемане на сигналите, отразени от границите на изследваната среда, имащи различни електрофизични свойства. Такива граници в изследваните среди се явяват контактът между сухи и влагонаситени почви- ниво на подпочвените води, контактите между скали с различни свойства, границите скала- въздух, почва-метал и т.н.

Георадарът открива метални обекти, тунели, гробници, кладенци, бункери и всичко, което се отличава от обкръжаващата среда. Този високо технологичен радар изследва обширни области с голяма прецизност. Хиляди квадратни метра площ може да бъде изследвана за един ден.

Използваният от нас георадар работи на дълбочина до 25 метра (фиг.15-18) с разделителна способност от 2- 15 сантиметра, като сканира и визуализира обекта в реално време (по време на изследването). Георадара не изисква интрузивен контакт. Той не поврежда изследваните обекти.

Позволява създаване на двумерни карти (срезове) на подземните обекти на различни дълбочини под земната повърхност чрез допълнителна компютърна обработка. Позволява създаване на тримерни реконструкции (3D образ) на точната форма и дълбочина на подземните обекти

Георадарът е идеален за локализиране на подземни електрически кабели, тръби, канали, празнини и определяне на дебелина на плочи или настилка при изследване на шосета, мостове, канализация, електроснабдяване, телефонни линии, за трасиране на подземни водни магистрали (естествени и изкуствени), и картиране на градската комуникация, необходимо при строителни работи. Работи ефективно при локализиране на подземни обекти и измерване на стабилноста на терена преди започване на изкопна дейност за строеж или ремонт.

Лабораторията по Археогеофизика използва георадар, който може да се използва и за изследване под вода в сладководни басеини. Той е мощен съвременен уред, който може да се използува за много различни приложения и за рещаване на цялостни проучвателни проблеми.


.