مطالعات ژئوتکنیکی در گستره سد خوانسار به روش رادار نفوذی به زمین تقویت شده

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران

2 شرکت مهندسین مشاور زمین‌آب‌پی

3 شرکت روسی VNIISMI

چکیده

روش رادار نفوذی به‌طور گسترده‌ای در به تصویر کشیدن اهداف زیرسطحی کم‌عمق استفاده شده است و کاربردهای فراوانی در علوم مختلف دارد. این روش در به تصویر کشیدن گسلها و پراکنش شکافها در درون سنگ (زمین‌شناسی مهندسی) موفقیت فراوانی را نشان داده است. یکی از اهداف مقاله حاضر، نشان دادن توانایی روش رادار نفوذی به زمین در انجام مطالعات ژئوتکنیکی، به ویژه در محدوده‌های رسانای سدها، به‌منظور ارزیابی و تعیین خصوصیات ژئوفیزیکی آنها است. مقاله حاضر دربرگیرنده نتایج حاصل از مطالعات ژئوتکنیکی به روش رادار نفوذی به زمین در محدوده سد خوانسار می‌باشد. یکی از مشکلات موجود در این سد وجود فضاهای خالی و مجراهای احتمالی گذر آب و درزه و شکستگی‌های احتمالی می‌باشد. وارد شدن آب به این حفره‌ها، به مرور زمان می‌تواند استحکام سد را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین، شناسایی این فضاهای خالی و مجراها، برای مقاوم‌سازی و ترمیم کف سد خوانسار بسیار حائز اهمیت است. بدین‌منظور برای تعیین محل قرارگیری خط سنگ بستر و خط هسته رسی با آبرفت، تعیین سطح آب زیرزمینی، تعیین فضاهای خالی و مجراهای احتمالی گذر آب در سنگ، آبرفت و بدنه سد از روش رادار نفوذی به زمین استفاده شده است. یکی از مهمترین محدودیت‌های روش رادار نفوذی، قدرت نفوذ کم در محیط‌های با رسانندگی بالا مانند رس‌ها و خاک‌های شور و آبدار است. بنابراین، هدف دیگر این مطالعه، به تصویر کشیدن توانایی نسل متفاوتی از سامانه رادار نفوذی به زمین برای شناسایی اهداف عمیق در محیط‌های رسانا (مانند مطالعات ژئوتکنیکی حاضر) می‌باشد. در این مقاله همچنین سعی شده است با تشریح خصوصیات اصلی این نسل از رادار نفوذی به زمین، راه برای مطالعات آینده در این زمینه و انجام تحقیقات بیشتر هموار گردد. برخلاف سامانه‌های رادار نفوذی معمول، این نوع از رادار نفوذی قادر به نفوذ و ثبت داده تا عمق بسیار زیاد (250متر) می‌باشد. این سامانه با ثبت مستقیم امواج رادار (بدون تبدیل استروبوسکوپی) و به‌کارگیری دایپل‌های دارای مقاومت، قادر به نفوذ زیاد، حتی در زمین‌های رسی و شور، بوده که برای سامانه‌های معمول رادار نفوذی غیرممکن می‌باشد. در این مطالعه از آنتن با بسامد  25هرتز و فرستنده با توان  10000وات برای مطالعات زیر سطحی تا عمق بیش از  100متر استفاده شده است. همچنین،  9916متر پروفیل رادار نفوذی در محدوده مطالعاتی برداشت گردیده و با وجود رسانندگی بالای زمین در محل سد، داده‌های بسیار مناسبی تا عمق حدود  100متر دریافت شده است. بر پایه تحلیل داده‌های برداشت شده و تلفیق آنها با اطلاعات زمینشناختی، بی‌هنجاریهایی در برخی از نواحی سد بر روی پروفیل‌ها شناسایی شده‌اند. تفکیک لایه‌های زمینشناختی تا عمق حدود  100متر نشان‌دهنده کارایی این سامانه حتی در زمین‌های رسانا است. همچنین در تفسیرها و مدل‌های ارائه شده از پروفیل‌های رادار نفوذی، عمق سنگ بستر، بی‌هنجاری مربوط به نایکنواختی ساختاری ناشی از وجود یک کانال قدیمی مدفون، بی‌هنجاری موجود در اطراف کالورت سد و نفوذ آب به آن و گسل‌ها و شکستگی‌های موجود در اطراف سد، تفکیک شده است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Geotechnical study around the Khansar dam by enhanced power GPR method

نویسندگان [English]

  • Hashem Ranjy Roodposhti 1
  • Alireza Aliyari 2
  • Farshad Jamali 2
  • Alireza Liaghat 2
  • Leonid Krynytsky 3
چکیده [English]

Ground Penetrating Radar (GPR) method has been extensively employed to map shallow subsurface targets. This method has been widely used to image faults, deformations and discontinuity in network inside rock in engineering and geological studies. The first aim of this study is to show applicability of GPR method in geotechnical study of conductive area (similar to the area around a dam) and the second goal of the study is to verify the capability of a new generation of GPR system (Loza) in imaging of deep targets. In addition, the main features of this system are described in this paper. GPR signal propagation is strongly controlled by water content. It has limited performance in fine-grain soils such as clays, marl and silts, or in saline groundwater, all of which strongly attenuate signals. The main restriction of the method is the limited penetration especially in the areas with conductive materials. Unlike the common GPR systems, the Loza system can penetrate deep into the ground even in the conductive areas (up to 250 m). The GPR Loza is a portable, enhanced-power ground penetrating mono-pulse radar developed by VNIISMI Ltd. A distinctive feature of this instrument as compared to other commercial GPR systems is an increase in the transmitter peak power by a factor of 10000 to work in environments with high conductivity. The 10 KW high-power transmitter with 25 MHz unshielded antenna and 6 m length was applied for subsurface study to the depth of 100 m. The average velocity of subsurface was chosen 0.11 m(ns)−1 according to the subsurface materials. With the Loza GPR system, the highpower transmission of radar waves in asynchronous mode are recorded with resistive loaded dipole receivers. Geophysical study by GPR method was carried out to find the geophysical properties around Khansar dam. Khansar dam is an earth dam with clay core and 5 million cubic meters reservoir capacity. The dam is of 770 m length, 38 m height, and 10 m crest width. It is located south of Khansar city in the east of Zagrous Chain Mountains. The main geological layers in the study area are limestone, schist and young alluvium. The objective of the study was to investigate contacts of the clay core of the dam with the bedrock and alluvium, groundwater level and the channel and cavities in the bedrock, alluvium and dam. A total of 9916 m parallel and perpendicular profiles was designed for achieving these purposes. The profiles over the dam consist of two groups of profiles. First, profiles that were carried out along the dam, over the rip rap and berms and second, the profiles that were carried out over the dam along the river. Three profiles have been selected for interpretation. Despite the conductive area of the dam, suitable data was received from the depth of 100 m. For each profile, the geological model is designed based on the interpretation and analysis of GPR data. Furthermore, the Krot software was applied for processing and data interpretation. Several anomalies have been detected based on the GPR processed data and geological information. Moreover, Geological layers and the bedrock (which is crashed along some profile) have been detected in the radargrams. In addition, a buried channel is distinguished in the profiles which is located over a crashed zone. The buried channel, weak and heterogeneous zones are interpreted in the GPR radargrams and plotted in the map of the dam. Separation of the geological structure to the depth of 100 m verifies the applicability of this system. Subsequent drilling results in the dam area approve the results of the GPR data.
 
 
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Enhanced power
  • geotechnical study
  • GPR
  • Khansar Dam
  • Loza
مهندسین مشاور زمین‌آب‌پی، 1391، گزارش مطالعات ژئوفیزیک به روش رادار نفوذی در گستره سد خوانسار: ویرایش دوم.
محجل، م.، 1371، نقشه زمین‌شناسی 1:100000 گلپایگان: سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور.
Abramov, A. P., Vasiliev, A. G., Kopeikin,V. V., and Morozov, P. A., 2004, Underwater ground penetrating radar in archeological investigation below sea bottom: 10th International Conference on Ground Penetrating Radar, 21–24 June, Delft, Netherlands.
Al-Nuaimy, W., Huang, Y., Nakhkash, M., Fang, M. T. C., Nguyen, V. T., and Eriksen, A., 2000, Automatic detection of buried utilities and solid objects with GPR using neural networks and pattern recognition: J. Appl. Geophys., 43, 157– 165.
Berkuit, A. I., Kozlykov, A. N., Belinskij, A. B., Merkulov, S. V., Vasiliev, A. G., Kopeikin, V. V., and Morozov, P. A., 2006, Enhanced power ground penetrating radars “LOZA”: Experoience with 3D mapping to locate archaeological objects: 11th International Conference on Ground Penetrating Radar, June 19–22, Columbus Ohio, USA.
Cardimona, S., Clement, W. P., and Kadinsky-Cade, K., 1998, Seismic reflection and ground-penetrating radar imaging of a shallow aquifer: Geophysics, 63, 1310–1317.
Christie, M., Tsoflias, G. P., Stockli, D. F., and Black, R., 2009, Assessing fault displacement and off-fault deformation in an extensional tectonic setting using 3-D ground-penetrating radar imaging: J. Appl. Geophys., 68, 9–16.
Davis, J. L., and Annan, A. P., 1989, Ground penetrating radar for high-resolution mapping of soil and rock stratigraphy: Geophysical Prospecting, 37, 531–551.
Denis, A., Huneau, F., Hoerlé, S., and Salomon, A., 2009, GPR data processing for fractures and flakes detection in sandstone: J. Appl. Geophys., 68, 282–288.
Grandjean, G., Gourry, J. C., and Bitri, A., 2000, Evaluation of GPR techniques for civil-engineering applications study on a test site: J. Appl. Geophys., 45, 141–156.
Harari, Z., 1996, Ground-penetrating radar (GPR) for imaging stratigraphic features and groundwater in sand dunes: J. Appl. Geophys., 36, 43–52.
Isted, G. A., 1991, Guglielmo Marconi and the History of Radio - Part I: General Electric Company, p.l.c., GEC Review, Volume 7.
Isted, G. A., 1991, Guglielmo Marconi and the History of Radio - Part II: General Electric Company, p.l.c., GEC Review, Volume 7.
Jin-Liang L., Yin Y., Zhan T., Feng J. H., and Zhong H. H., 2007, Application of a self-breakdown hydrogen spark gap switch on high power pulse modulator. Plasma Science: EEE 34th International Conference, 17–22 June, Albuquerque;
NM.http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecen tIssue.jsp?punumber=4345408.
Kopeikin, V. V., Krasheninnikov, I. V., Morozov, P. A., Popov, A. V., Guangyou, F., Xiaojun, L., and Bin, Z., 2007, Experimental verification of LOZA-V GPR penetration depth and signal quality: Advanced Ground Penetrating Radar, 4th International Workshop, Naples, Italy, 27–29 June, 230 -233.
Lin, M. C., Kang, Y. M., Lee, K. F., and Hsu, H. C., 2009, A study on the technologies for detecting underground water level and processing image: Int. J. Appli. Sci. and Engineering, 7(1), 61–68.
McClymont, A. F., Green, A. G., Kaiser, A., Horstmeyer, H., and Langridge, R., 2010. Shallow fault segmentation of the Alpine fault zone, New Zealand revealed from 2- and 3-D GPR surveying: J. Appl. Geophys., 70(4), 343–354.
Negri, S., Leucci, G., and Mazzone, F., 2008, High resolution 3D ERT to help GPR data interpretation for researching archaeological items in a geologically complex subsurface: J. Appl. Geophys., 65, 111-120.
Pauselli, C., Federico, C., Frigeri, A., Orosei, R., Barchi, M. R., and Basile G., 2010, Ground penetrating radar investigations to study active faults in the Norcia Basin (central Italy): J. Appl. Geophys., 72, 39-45.
Rubin, Y., and Hubbard, S. S., 2005, Hydrogeophysics: Springer, 185–213.
Simons, R. W., 1996, Guglielmo Marconi and Early Systems of Wireless Communication: General Electric Company, p.l.c., GEC Review, Volume 11.
Topp, G. C., Davis, J. L., and Annan, A. P., 1980, Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines: Water Resour. Res., 16, 574–582.
Travassos, J. D. M., and Luiz Menezes, P. D. T., 2004, GPR exploration for groundwater in a crystalline rock terrain: J. Appl. Geophys., 55, 239– 248.
Turesson, A., 2006, Water content and porosity estimated from groundpenetrating radar and resistivity: J. Appl. Geophys., 58, 99–111.
User’s guide of Subsurface sounding set (geoprobe) LOZA-N, 2008, Mechanical Tools Institute VNIISMI, Moscow.