Георадары

Для поиска подземных коммуникаций помимо трассоискателей используются также георадары, которые обладают более широкими возможностями. Георадар — прибор, предназначенный для решения широкого спектра задач при работе в районах с неблагоприятным климатом, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок.

Метод георадиолокации (англ. «Ground Penetrating Radar» или GPR) — подповерхностного зондирования — основан на изучении распространения радиоволн в исследуемой среде. Работа георадиолокационного прибора — георадара — основана на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различие по диэлектрической проницаемости (рис. 5.61).

Рис. 5.61. Принцип работы георадара

Во время работы георадара передающей антенной прибора излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (длительностью в единицы и доли наносекунды), имеющие 1,0-1,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Изменение частоты зондирования, которая зависит от типа выбранной антенны, приводит к изменению глубины зондирования и разрешающей способности. Границами раздела по диэлектрической проницаемости в исследуемых средах, например, являются контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами (уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами и т. д. (рис. 5.62).

Рис. 5.62. Схема образования дифрагированной электромагнитной волны от трубы, залегающей на глубине Н, и волны, отраженной от границы раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями (глубинный разрез)

Для формирования зондирующих импульсов используется набор сменных антенных модулей. Генерация сигналов осуществляется ударным методом возбуждения путем перепада напряжения. При этом импульс отражается от находящихся в исследуемой среде предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной, после усиления преобразуется в цифровой вид при помощи аналого-цифрового преобразователя и запоминается для последующей обработки. Задержка отраженных сигналов зависит от глубины залегания Н объектов и скорости распространения волны v в среде, связанной с ее диэлектрической проницаемостью ε.

τ = 2H/v,

где

Важными характеристиками георадарных исследований являются глубинность и разрешающая способность. Глубинностью считается максимальная глубина залегания лоцируемого объекта, отраженная волна от которого может быть зафиксирована прибором, а разрешающей способностью называют минимальное расстояние, на котором могут быть различимы два отражающих объекта или их детали. Глубинность оценивается величиной глубины обнаружения плоской границы с коэффициентом отражения 1. В результате георадиолокационного зондирования получается радарограмма — массив отраженных импульсов с различными амплитудами по каждому шагу зондирования, записанный в файл. Эти данные могут быть также представлены графически в виде разреза (георадиолокационного профиля), который называют радарограммой. Для получения радарограммы производят запись отраженных сигналов, последовательно перемещая прибор по поверхности исследуемой среды в непрерывном или дискретном режиме. Полученные данные могут быть записаны на жесткий диск компьютера для дальнейшего использования (обработка, распечатка на принтере, интерпретация и т. д.).

С помощью георадара помимо поиска инженерных подземных коммуникаций могут быть выполнены геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи, включающие картирование поверхности коренных пород под рыхлыми осадками (песка, глины, мерзлых грунтов торфа и т. д.), определены уровни грунтовых вод и границы между слоями с различной степенью водонасыщения, толщина льда и снега, оценены мощности водного слоя и выполнено картирование поддонных отложений. При проведении инженерно-геодезических работ георадар обычно применяется для поиска и обследования локальных объектов, имеющих небольшую глубину залегания (0,2-15 метров), например, для поиска подземных полостей; обследования мостов и дорожного покрытия; картирования коммуникаций (трубопроводов и кабелей); обследования бетонных конструкций, засоленных почв, загрязненных почв и т. п. участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта — рекультивированных земель, засыпанных выемок, а также для профилирования дна водоемов и поддонных отложений, и других схожих задач.

Георадары также используются при проведении горных исследований, гляциологии, археологии, в судебной медицине, для картирования уровня грунтовых вод. В геологии — для построения геологических разрезов, определения положения уровня грунтовых вод, толщины льда, глубины и профиля дна рек и озер, границ распространения полезных ископаемых в карьерах, положения карстовых воронок и пустот. В транспортном строительстве — для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов, изыскания карьеров дорожно-строительных материалов, оценки оснований под транспортные сооружения, определения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях, содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях, эрозии грунтов на участках мостовых переходов. В промышленном и гражданском строительстве — для определения качества и состояния бетонных конструкций (мостов, зданий и т. д.), состояния дамб и плотин, выявления оползневых зон, месторасположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и других объектов коммунального хозяйства). В археологии — для нахождения археологических объектов и границы их распространения. При экологических исследованиях — для оценки загрязнения почв, обнаружения утечек из нефте- и водопроводов, мест захоронения экологически опасных отходов. Георадары используются также и силовыми структурами для обнаружения мин, контрабандных вложений и т. п.