EMP HŠP sondování

Popis metody  EMP HŠP sondování

Zásadou metody elektromagnetického pulzního hyperširokého pásmového sondování (EMP HŠP) je syntéza struktury geologického řezu nebo inženýrské konstrukce podle odráženého signálu při rozšíření elektromagnetických impulzů o nanosekundním času trvání. Za analog této metody se dá pokládat seizmické sondování pomocí akustických vln. Metoda EMP se rozpracovává v různých zemích světa, jako jsou USA, Francie, Japonsko, Švýcarsko a pod. během posledních 20-25 let. Úsilím početných vědeckých týmů a obchodních firem se podařilo vytvořit zařízení, které umožňuje sondovat objekty na hloubce do několika metrů. Však pokusy zvýšit hloubku sondování aspoňa na několika desítek metrů neměly žádný výsledek, protože zůstával stále nevyřešený problém generování potřebného výkonu a hlavně matematického zpracování signálu. Značný pokrok v dosažení efektivity EMP sondování byl zaznamenán po vytvoření speciálního matematického modelu rozšíření elektromagnetického impulzu skrz tvrdé látky a aplikování v zařízení unikatního generátoru nanosekundních impulzů. Nová metoda EMP HŠP sondování umožňuje vyšetřovat geologickou strukturu až do hloubky více než 100 metrů. Také je možné identifikovat vrstvy, které se nachází na této hloubce: písek, hlína, vápenec, nasycené vodou horniny, ropu atd. Přesnost určení místa a polohy jednotlivých vrstev činí téměř 3 až 5 % hloubky místa jejich polohy. Je také možné určit abscenci v půdě obrysu inženýrských konstrukcí, jako například základy budov a mostových opěr, pilot, tunelů, sběračů atd. a zároveň se dá pronajít vady a poruchy v těchto objektech. Oblast účelů, které řeší EMP, se stále rozšiřuje. Elektromagnetická vlna, když prochází skrz látku nebo horninu, se absorbuje a odráží. Dva tyto procesy záleží na velkém počtu parametru okolí, jako například dielektrická propustnost, vodivost, homogennost, vlhkost, polarizačnost, čas relaxace vlastních kmitání a jiných. Každé okolí má svůj specifický kruh podobných vlastností. Teoreticky se dá vykonat identifikaci okolí měřením vlastností absorbace a odrážení umělého elektromagnetického pólu. Když přitom jsou známé čas a rychlost průchodu signálu od objektu do přijímače, lehce se vypočítá vzdálenost do objektu. Avšak v skutečnosti v každém bodu sondování probíhá střídání geologických hornin, přitom hranice rozdílů jsou libovolně orientovány v okolí a mohou obsahouvat části jiných hornin nebo prázdnoty. Výsledkem je to, že přijímací signál je superpozicí početných odrážení a tlumení, co značně komplikuje proces identifikace inženýrských a geologických rozdílů a určování vzdálenosti. Za takových podmínek se dosažení výsledku určuje možnostemi řešení několika úkolů: generace elektromagnetického impulzu s optimálním pásem frekvence a dostatečného výkonu, kvalitou přijímacích a vysílacích anten, dynamickým rozpětím přijímací aparatury, který fakticky určuje hloubku sondování, algoritmem zpracování získaného signálu. Doporučovaná metoda EMP HŠP sondování obsahuje nejmodernější dosažení v oblasti generace nanosekundních impulzů o velkém výkonu a také v záření, příjmu a zpracování širokých pásmových signálů. Základem pro malorozměrové nanosekundní generátory jsou vypracované v Rosku nové polovodičové rozpojovací klíče (DDRV). Na základě jejich aplikování byla rozpracována série generátorů zabezpečujících potřebný při EMP sondování pás frakvence od 105 až do 109 Hz. Měřící komplex je také zabezpečen širokými pásmovými antenami, které se shodují s přenosnými linkami a mají vysokou citlivost pro přijímací signál. Hlavní podmínkou dosažení velké hloubky sondování a vysoké přesnosti identifikace vrstev je speciální metamatický program zpracování, který se spojuje se značnou zkoušební databázou, která se shromažďovala během několika let práce s komplexem. Používání zkoušební databáze, která nadvazuje charakter přijímacího signálu a typ geologického okolí, umožňuje značne zjednodušit získaní vysokokvalitních výsledků.

ОPřehled metod výzkumů vlastností základové vrstvy

V součastnosti pro určení parametrů základové vrstvy se aplikují různé metody, které se dá rozdělit na bourací a nebourací. Mezi prvních patří pátrací vrtání, a mezi geofyzických metod je seizmická akustika, v níž se používají vybušniny. Ke druhé skupině patří elektrické pátrací metody, seizmická akustika, metody gravimetrického a magnetického pátrání. Podle svých vlastností se metody dá zvýraznit další varianty metod:

    • pozemní;
    • vzduchové;
    • podzemní.

Ve skutečnosti výzkum elektrických vlastností základové vrstvy se nejčastěji aplikují pozemní metody radiového profilování a sondování. Podle aplikovaných frekvencí se obě metody dá rozdělit na tři velké skupiny:

    • metody, základem kterých je aplikování stejnosměrného proudu a proudů s nízkou frekvencí (od 1 Hz až 10 KHz);
    • metody, aplikující pole radiofrekvenčního rozpětí;
    • specifické metody pátrací geofyziky.

Každá metoda má své konstrukční přednosti, jako i nedostatky. Výběr metody se vykonává především ohledně postavených úkolů. Hlavním kritériem musí být získaní maximálně možného počtu informací při vysokých technických a ekonomických ukazatelů měřicího zařízení. Výběr geofyzické metody pro řešení konkretního úkolu se nejčastěji určuje tím, jestli ten úkol patří do oblasti geologie, která zkoumá minerální nerosty, nebo do inženýrské geologie. Většina z uvedených geofyzických metod řeší problémy výzkumu minerálních nerostů. Na rozdíl od regionálních geologických badání inženýrská geologie má k dispozici dost omezený počet výzkumných metod. Zdůvodňuje se to tím, že řešení inženýrských a geologických úkolů je těsně spojeno s problémy územního plánování, což vyžaduje aplikovat metody, které efektivně fungují za urbanistických podmínek. Například, velký rozdíl výšky budov a mostů ve městské části úplně vylučuje používání metody gravimetrie, vysoká úroveň šumu městské dopravy nebo jakýchkoliv stavebních prací vylučuje možnost použití seizmické akustiky; přítomnost velkého počtu metalických konstrukcí značně obtěžuje používat metody, při kterých se aplikuje jednosměrný proud a proud s nízkou frekvencí; vysoká úroveň elektromagnetických překážky, vyvolávané městskou dopravou a městských elektrických rozvodek vylučují aplikaci metod, při kterých se použije radiofrekvenční rozpětí. Kvůli uvedeným příčinám za podmínek městského okolí v inženýrské geologii je nutné používat specifické metody pátrací geofyziky, mezi které patří:

  •  
  • radiolokační metoda;
  • metoda radiovlnového prosvícení (RVP).

Poslední metoda je symbiózou mezi výzkumem vlastností inženýrského okolí pomocí pátracího vrtání a elektrického vrtání. Krátce vysvětlíme podstatu metody:

  • RVP zkoumá elektrické vlastnosti základové vrstvy v prostoru mezi vrty;
  • RVP zkoumá možnost použití metalických trubek;
  • RVP vyžaduje vysokou pevnost vrtu.

I když se charakterizuje vysokou efektivitou (šetření fyzických, mechanických a elektrický vlastností základového okolí v prostoru mezi vrty a jejich korelace) RVP v současnosti je dost finančně náročná metoda. Z výše uvedených důvodu za základní metodu, která se aplikuje v inženýrské geologii v celém světě, se uznává radiolokační metoda. Jsou to měřící systémy typu:

  • Penetrating Radar;
  • EMP sondování.

Například, do první skupiny patří:

  • systémy Road Scan, které vyšetřují strukturu a vydy asfaltových povrchů;
  • analogické s nimi systémy v Rusku "Grot", "Gerad-2";
  • systémy GSSI, které vyšetřují strukturu a vady stěn tunelů;
  • systémy Bridge Scan, které vyšetřují strukturu a vady mostových stropů atd.

Z důvodů svého úzkého určení systémy první skupiny mají dost nedostatků: body (profily) měření musí mít maximálně rovné pokrytí. Důvodem toho je to, že se podpovrchová struktura uspořádá podle vlnové funkce, t.j. funkce, která přenáší hodnoty z jednoho bodu v okolí do druhého. Výsledkem toho je přítomnost nerovností měřeného povrchu a to značně zkresluje výsledky badání. Je nutno zdůraznit ještě jeden nedostatek systému typu "Penetrating Radar System" – má malou hlubokost, která obyčejně nepřesahuje 5 - 7 m . Důvodem toho je to, že zásada takového systému je analogická práci dálkového měřicího radiolokátoru, který vyžaduje radiovou průhlednost a homogennost okolí pro své signály, t.j. vylučuje se "kalnost okolí" a její nehomogennost (všechny pojmy jsou z učebnice "Optika" G.S. Landberga).

Navrhuje se metoda EMP HŠP sondování, při které díky aplikaci širokého rozpětí frekvencí - od 80 MHz až 1 GHz a změně času trvání impulzu z 0,5 ns na 10 ns za maximálního rozkmitu vycházejícího signálu › 10 kV je možný průchod signálu skrz litinové roury, železné a betonové konstrukce, nasycené vodou litologické vrstvy hornin, včetně klíny, skrz “sloup” vody různých vodních nádrží. Metoda umožňuje skenovat jakékoliv inženýrské a geologické objekty až do hloubky 150 м, ziskávat informace o existujících v řezch poruchových strukturách a prognozovat vývoj fyzických a mechanických poruch v okolí, co pomáhá stavebníkům a expluatačním organizaciím včasně přijmout opatření, aby uniknot značení objektů. Hyperširoké podpovrchové sondování v podstatě představuje přímý analog procesu zkoumání vlastností dielektriku, který je umístěn do širokopásmového elektromagnetického pole.


Zařízení a metoda EVP HŠP sondování

Celá soupraví polní zařízení se skladá z dalších součástí:

  • generátory s impulzy ‹ 1ns, čas trvání impulzů je 10 ns, maximální kmitočet je › 10 kV a stejnou frekvenci průchodu impulzů 10 KHz;
  • přijímací a vysílací anteny s pásem frekvencí od 0 až109 Hz s kvocientem stojící vlny ‹1.85 ;
  • přijímací registrující blok s výsokou odolností proti překážkám, umožňující zápis přijímacích signálů za polních podmínek.

Všechny uzly měřicí soupravy polního zařízení jsou napojeny do statického napětí 12 V. Spotřebovaný výkon nepřekračuje sto vatů. Hmotnost celého komplexu je téměř 10 kg. Schéma sondování je uvedena na obrázku č. 1.


Obr. č. 1. Schéma fungování komplexu EMP HŠP sondování


Obr. č. 2. Vzhled komplexu EVP HŠP sondování

Celkem proces sondování jednoho bodu trvá několik sekund. Podle jednoho bodu se dá sestavit řez okolí v konkretním místě. Pro získání prostorného řezu je nutné vykonat sondování v několika bodech. Počet potřebných bodý sondování se určuje následujícími podmínkami: potřebná přesnost řezu, druh vyšetřovaného objektu (povrchové geologické natáčení, základ budovy nebo stavby, pilota atd-), hloubka sondování. Například, pro získání profilu nacházení nasyceného vodou horizontu o délce 1000 metrů na hloubce téměř 100 metrů stačí vykonat sondování za 20 až 50 metrů. V případě když na profilu 1000 metrů a na hloubce příbližně 100 metru je nutno určit přesné nacházení vrstvy horniny, nejpříznivějšího pro vybudování tunelu nebo sběrače, je nutné vykonat sondování za 10-20 metrů. Při urování obrysu základu nebo při vyhledávání pilot pod základem na hloubce téměř 10 metru je nutné vykonat sondování už za 1-2 metry. Takovým způsobem počet potřebných bodů sondování se určuje úkolem, který se řeší. Je možné sondování skrz vrstvu vody.

Zpracování signálu a sestavení zobrazení objektu
Zpracování signálů, sestavení zobrazení objektu se obyčejně vykonává v laboratoři za stacionárních podmínek a představuje nejsložitější a náročnou proceduru metody EVP HŠP sondování. Zafixovaný odrážený signál se podrobuje matematickému zpracování podle speciálního programu na vysoce výkonném počítači. Čas zpracování jednoho bodu záleží na hloubce sondování a může dosahovat několika desítek minut. Dále zpracovaný signál se srovnává s existující databázou různých čístí okolí a hornin a pak probíhá předběžná identifikace komponentů, které jsou v tomto řezu. Finální identifikaci horniny a sestavení zobrazení vykonává geofyzik se zkušeností práce s komplexem při využití databáze. Po zpracování signálů podle bodu se vykonává sestavení lineárního nebo objemového profilu objektu. Je také možné určit zvláštnosti vyšetřovaného objektu. Značné zrychlení a zvýšení přesnosti se dosahuje za přítomnosti kalibračního vrtu vedle vyšetřovaného objektu. To umožňuje provést kalibraci komplexu ohledně zvláštností hornin, které jsou charakteristické pro tento terén.

Základní oblasti aplikace metody EVP HŠP sondování

    • Provedení geofyzických výzkummů před a během výstavby těchto objektů: tunelů, městských sběračů, mostových stropů atd.
    • Odhalení vad v komplikovaných hydrotechnických stavbách, základech, pilotách a jiných betonových stavbách.
    • Určení místa nacházení ukrytých podzemných inženýrských staveb a vedení.
    • Archeologické práce.
    • Účast v pátrání minerálních ložisek (tvrdých, tekutých a plynných nerostů).
    • Určení míst znečištění životního prostředí (ropou atd.).