Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav vodních staveb

Transkript

1

2 Vysoké učení echnické v Brně Fakula savební Úsav vodních saveb ng. Jana Pařílková, Sc. MONTOROVÁNÍ PRODĚNÍ VODY ZEMNO A MOŽNOST JEHO VYŽTÍ OHRANNÝH HRÁZÍ MONTORNG OF WATER FLOW THROGH SOL AND POSSBLTES OF TS APPLATON N DKE Teze habiliační práce obor Fyzikální a savebně aeriálové inženýrsví Brno 21

3 Klíčová slova eoda elekrické ipedanční spekroerie, sonda, elekrická rezisivia, ochranná hráz, zeina, laboraorní experieny, experieny v reálné prosředí Key Words elecrical ipedance specroery ehod, probe, elecrical resisiviy, dike, soil, laboraory ess, easureen in siu Míso uložení Originál habiliační práce je uložen v archivu Oddělení pro vědu a výzku Fakuly savební, Vysokého učení echnického v Brně, Veveří 95, 62 Brno. V ezích je uvedena podsaná čás práce, kde je akcenován její hlavní přínos. Jana Pařílková, 21 SBN SSN X

4 OBSAH 1 ÚVOD ÍL PRÁE FYZKÁLNÍ PODSTATA METODY ELEKTRKÉ MPEDANČNÍ SPEKTROMETRE (ES) KONSTRKE SOND A JEJH MÍSTĚNÍ V PROSTOR Fyzikální podsaa sníače Konsrukce a insalace sond METODKA MĚŘENÍ TVORBA MAP REZSTVTY A JEJH VYŽTÍ PŘ ŘEŠENÍ VODOHOSPODÁŘSKÝH PROBLÉMŮ PŘÍKLADY APLKAE A ANALÝZA ZÍSKANÝH DAT Laboraorní experieny Měření na reálných objekech ZHODNOENÍ A ZÁVĚR LTERATRA ABSTRAT

5 PŘEDSTAVENÍ ATORKY ng. Jana Pařílková, Sc. odborná asisenka Úsavu vodních saveb FAST VT v Brně Narozena v Přerově Vzdělání základní ZDŠ Řehořova v Brně, sřední Gynasiu Koněvova 47, Brno, vysokoškolské Elekroechnická fakula VT v Brně, obor echnická kyberneika, ěřicí echnika. Vědecká hodnos Sc. obhajobou diserační práce, v saosané vědecké přípravě ve vědní oboru Fyzika kondenzovaných láek a akusika, na éa Sudiu rychlosního pole při proudění kapalin. Další vzdělání posgraduální sudiu na ČVT FJF v Praze, obor jaderná fyzika a cheie. Odborná činnos zavedení radionuklidových ěřicích eod ve vodohospodářské výzkuu, ( ), realizace auoaizované syčky dávkování srážedel při úpravě a čišění vod, (1988), způsob řízení vločkování při úpravě vod a zařízení k jeho provádění, ( ), rekonsrukce LVV ÚVST, pověřená vedoucí, (1997 2), zavádění ěřicích eod a realizace ěřicích přísrojů pro sledování proudění vody zeinou (od 1997). Výzkuná činnos řešielka rozvojového projeku FR 889/97 novace a rozvoj laboraoře pro podporu výuky v oboru Vodní hospodářsví a vodní savby (1997), řešielka projeků GAČR 13/1/57 Výzku eod oniorování ochranných hrází (21 23) a GAČR 13/4/741 Opializace eod oniorování volné hladiny a jejího působení v zeních hrázích (24 26), navrhovaelka a spoluřešielka ezinárodních projeků E!3838 Research, Developen and Processing of opuerized Measuring Syse of Soils Moisure wih ES Mehod (27 29) a E!4981 opuerized Measuring Syse for Analysis of hosen haracerisics and Processes in Porous Environen by ES Mehod (21 212), prograu EREKA, spoluřešielka projeku ESF a výzkuných záěrů EZ Savební fakuly, (od 1998). Publikační činnos akivní účas na odborných konferencích uzeských (od 1982), i zahraničních (od 21), články v odborných časopisech, spoluauorsví kapiol knižní publikace a skrip, (od 22). Pedagogická činnos podílí se na výuce předěu Hydraulika a hydrologie (R2, BR51, BR5, BS1), vedení bakalářských, diploových prací někeré získaly ocenění děkana, od r. 27 vedení dokorských prací (v současné době školí 3 dokorandy), od r. 27 periodická výuka v ýdenní inenzivní kurzu předěu 5R2 Physikalische Modellierung pořádané pro sudeny z T Luzern, Švýcarsko, v roce 27 výuka předěu R2 v jazyce anglické pro dva sudeny dokorského sudijního prograu z KHBO Brugge Oosende, Belgie a jednoho sudena ze Slovinska, vedení prací STČ, kurzů ŽV, ČKAT a seinářů pro odbornou praxi. Člensví v profesních a osaních organizacích a pracovních ýech Česká vědecko-echnická vodohospodářská společnos, FO, členka redakční rady časopisu Výsavba ěs a obcí, reg. č. MK ČR E 1838, SSN , více než 4 prací v ráci HČ. 4

6 1 ÚVOD Kliaické zěny a s nii související exréy počasí evidované v současnosi předsavují celosvěový problé a vyvolávají diskuzi, zda z hisorického hlediska navazují na předchozí epochy vývoje Zeě, či zda jsou odlišné. Odborná i laická veřejnos hledá odpověď na oázky dopadu exréů počasí na lidsvo a ekosysé. Řeší se nejen ožnosi inializace příčin kliaických zěn, ale i jak účinně čeli důsledků exréních zěn počasí, z nichž např. povodně předsavují pro Českou republiku nejvěší příé nebezpečí v oblasi živelných pohro, při kerých dochází ke zráá na lidských živoech, výrazný aeriální škodá v posižených oblasech, negaivní ekologický dopadů a v neposlední řadě aké k devasaci kulurního dědicví. Ochrana před povodněi se v poslední deseileí sává důležiou složkou živoa. Zvýšená pozornos je věnována i jednou z nejužívanějších prvků proipovodňové ochrany ochranný hrází. Jedná se obvykle o sypané zení hráze, a o jak hráze vzdouvací (přehradní, rybniční, suché), ak hráze ochranné. Oproi hrází sále zadržující vodu a vyvářející nádrže, ají ochranné hráze řadu specifik spojených zejéna s nepravidelný, krákodobý a časo exréní zaížení vodou, při něž ůže dojí k jejich porušení. Zajišění dlouhodobé sabiliy konsrukce ochranných hrází, a í jejich bezpečnosi za všech předpokládaných siuací, je prvořadou podínkou návrhu, provedení a provozu. Ze saisického hlediska vyplývá, že věšina poruch a havárií hrází byla způsobena buď jejich přelií (Obr. 1.1), nebo průsake. Obě nejvýraznější příčiny, a předevší oázka průsaků (ělese hráze i jeho podloží podékání ělesa hráze), jsou úzce spojeny s velkou variabiliou konsrukcí hrází, nejisoou jejich skuečných paraerů a nepravidelný hydrodynaický naáhání. Obecně lze uvés, že ochranné hráze jsou v porovnání například s hrázei přehradníi zaíženy věšíi nejisoai, co se ýká savu podloží, použiých aeriálů i echnologie provedení. Jedná se o liniové savby lokálního, ale i svěového význau, jejichž délka se pohybuje ve sovkách až isících kiloerů. Ochranné hráze byly a jsou budovány předevší z aeriálů ísních. Vzhlede k velké variabiliě přírodního prosředí, jeho geologické skladbě, geoechnické rozaniosi, členié orfologii, hydrogeologii a široké ypologii jednolivých saveb, je nuné na každou ochrannou hráz včeně jejích dílčích úseků pohlíže jako na originální a neopakovaelnou savbu. Mnohé z uvedených konsrukcí jsou vzhlede k jejich dlouhověkosi poznaenány nejisoou geologických a geoechnických podínek prosředí, zpravidla neexisuje dokuenace popisující jejich skladbu či echnologii výsavby. Navíc nohé byly v inulosi navyšovány, opravovány či zpevňovány, a ak sojí opě před závažnou oázkou, jak dlouho ohou odoláva exréníu hydrodynaickéu naáhání při povodňových průocích. Je zřejé, že spekru fakorů vsupujících do procesu posuzování ochranných hrází z hlediska jejich sabiliy je veli široké a při jejich projekování a rekonsrukcích se io jiné nevyplaí podcenění význau geoechniky. Ačkoli jsou ochranné hráze, hráze přehrad, poldrů, rybníků a dalších vodních nádrží konsruovány jako prvek proipovodňové ochrany, předsavují současně velké poenciální nebezpečí pro úzeí, keré by v případě poruchy bylo v dosahu průloové vlny. Z uvedeného důvodu by ěla bý věnována zvýšená pozornos zejéna ě úseků, jejichž porušení by ělo faální následky. Jední z echnických opaření eliinujících či snižujících povodňové škody je akivní užívání oniorovací echniky popř. syséů. Její role je v koplexu řešených probléů nezasupielná. plaňuje se předevší při ěření na objekech, u nichž je nebezpečí ze zráy sabiliy např. v důsledku zaížení povodňový průoke. Současná úroveň poznaků v geoechnice, zejéna výsledky výzkuů v oblasi reologie zein, jejich převárných, pevnosních a vodivosních vlasnosí, rozvoj nuerického odelování proudění, výpočení a zobrazovací echniky, zařízení pro oniorování inženýrských objeků a zkušenosi z analýzy evidovaných poruch ochranných hrází, včeně hrází přehradních, vyvářejí reálné ožnosi siulace a prognózy nežádoucích jevů vycházejících z inerakce vody se zení prosředí. Pro spolehlivos a ekonoickou efekivnos prvků proipovodňové ochrany bývá onioring nohdy rozhodující. 5

7 Obr. 1.1 Proržená hráz rybníka (Husopeče nad Bečvou ) 2 ÍL PRÁE Téae habiliační práce je oniorování hladiny vody v ochranné zení hrázi prosřednicví ěření rezisiviy a dále určení případných singulari. íle práce bylo prosřednicví oniorování přispě k prohloubení poznání póroviého zeního prosředí a jeho zěn probíhajících předevší v důsledku nepravidelného hydrodynaického naáhání. Vzhlede k oniorovanéu prosředí lze voli dva základní přísupy, a o invazivní a neinvazivní. Za invazivní jsou považovány posupy, keré ovlivní ěřené prosředí vr, odběr vzorků, insalace sond apod. Výhodou uvedeného přísupu je získání příé inforace o vlasnosech sledovaného prosředí (granuloerické složení, aeriálové složení, zhunění, vlhkos, rezisivia apod.), naopak nevýhodou je ovlivnění a nohdy až desrukce probíhajících sledovaných jevů (např. velký poče ěřicích sond neusí vés ke zpřesnění ěření, neboť jejich insalací je prosředí silně narušeno). Za prvořadou výhodu neinvazivních ěřicích posupů lze považova neovlivnění probíhajících jevů insalací ěřicí sondy do sledovaného prosředí. Tao výhoda však ůže bý, zvlášě u ak různorodého aeriálu jaký je zeina, polačena nižší cilivosí, přesnosí, spolehlivosí a reprodukovaelnosí ěření. V návaznosi na dosavadní zkušenosi, ěřicí eody a posupy uplaňované při sledování ochranných hrází byl řešen požadavek navrhnou dosaečně cilivou a finančně dosupnou ěřicí aparauru sesávající z ěřicí sondy a přísroje uožňujícího oniorování a zázna ěřených da, kerá by poohla vyvoři podínky pro zvýšení spolehlivosi a bezpečnosi provozu ochranných hrází a í i ochrany obyvaelsva a ajeků. Prosředke je realizovaná ěřicí echnika pracující s eodou sníání gradienů eploních polí a eodou elekrické ipedanční spekroerie (ES). Obě eody, keré jsou vůči ěřenéu prosředí invazivní, a realizované ěřicí aparaury, byly ověřeny v laboraorních podínkách. Možnos uplanění eody ES při ěření v podínkách reálného prosředí byla určující pro rozvoj ěřicí aparaury a byla rovněž důvode aplikace eody ES v oblasi vodního hospodářsví při řešení jeho náročných probléů. Následující ex nechť je podklade pro porozuění základní fyzikální koncepci eody ES, sraegii ěření a pochopení jejího význau. 6

8 3 FYZKÁLNÍ PODSTATA METODY ELEKTRKÉ MPEDANČNÍ SPEKTROMETRE (ES) Základní principe eody ES je ěření frekvenční charakerisiky ipedance Z zein. pedance Z je koplexní veličina popisující zdánlivý odpor póroviého prosředí a fázový posuv elekrického napěí proi elekrickéu proudu při průchodu haronického sřídavého elekrického proudu dané frekvence. Pro určení ipedance je proo řeba zabýva se analýzou časových průběhů sřídavého napěí a sřídavého proudu. Teríne sřídavý signál je ožno označi každý signál (haronický, rojúhelníkový, pilový, obdélníkový, ipulsní apod.), jehož sěr se periodicky sřídá. V další se předpokládá haronický sřídavý signál, jehož ideální časový průběh lze popsa funkcí sinus. Sřídavý proud vzniká v obvodu, kerý je připojen ke zdroji sřídavého napěí. Sřídavé napěí je haronické elekroagneické kiání, jehož okažiá hodnoa je určena vzahe u u( ) sin( +ϕ), (3.1.) kde je apliuda kiů napěí, je úhlová frekvence a φ je počáeční fáze sřídavého napěí. Sřídavý proud je rovněž haronické elekroagneické kiání, keré á sejnou periodu, ale není vždy ve fázi s napěí. deální průběhe sřídavého proudu je haronický sřídavý proud, jehož okažiá hodnoa se v čase ění podle funkce sinus ( + ϕ + ϕ) i i( ) sin, (3.2) kde je apliuda proudu, je úhlová frekvence, φ je počáeční fáze sřídavého proudu a φ je fázový rozdíl resp. fázový posuv, zkráceně fáze ezi napěí a proude. Ve výrazech (3.1) a (3.2) je čas a úhlová frekvence (úhlová rychlos) haronického kiání [rads -1 ] nebo rovněž pouze [s -1 ] je vyjádřena vzahe 2π 2 π f, (3.3) T kde f je frekvence oáčivého pohybu [Hz] a T je jeho perioda. Apliuda resp. a fázový rozdíl φ jsou určeny frekvencí a vlasnosi prvků zapojených do obvodu, j. vlasnosi zeiny. Haronické veličiny je ožno graficky znázorni časový průběhe (Obr. 3.1) nebo fázorový diagrae (vhodné pro řešení jednodušších obvodů), kde fázor je koplexní číslo vyjadřující časový vekor. Fázor proudu (Obr. 3.2) lze definova jako orienovanou úsečku o délce rovné apliudě haronického proudu, kerá se oáčí konsanní rychlosí kole počáku pravoúhlé rovinné souřadnicové sousavy x, y proi sěru pohybu hodinových ručiček. V čase je eno vekor oočen proi reálné ose o úhel ( +ϕ ). i y i() i() φ φ x + ϕ Obr. 3.1 Haronický proud s počáeční fází Obr. 3.2 Fázor proudu v rovině x, y V koplexní rovině (Obr. 3.3) je grafickou reprezenací fázoru proudu vekor, kerý se proi sěru hodinových ručiček oáčí kole počáku úhlovou rychlosí. Roující fázor proudu je v čase s, kdy je počáeční úhel fáze φ vyjádřen vzahe i ) Re( ) + j ( ), (3.4) ( 7

9 ( ) kde Re( ) cos( + ϕ ) a ( ) sin( + ϕ ). (3.5) Dosazení (3.5) do (3.4) lze psá v rigonoerické varu i ) cos( + ϕ ) + j sin( + ). (3.6) ( ) ( ϕ Pokud nejsou uvažovány přechodné složky resp. lze je zanedba vzhlede k poěrně kráké době působení, je ožno aplikací Eulerova vzahu Obr. 3.3 Fázor proudu v koplexní rovině exponenciální var fázoru sřídavého proudu i e ( + ϕ ) cos( ) ( ) + ϕ + j + ϕ j sin získa j + ϕ j jϕ j ( ) e ( ) e e e, (3.7) kde je fázor proudu pro axiální hodnoy. Za předpokladu kvazisacionárního lineárního obvodu se sřídavý proude a napěí, kdy v dané okažiku je odchylka elekrického proudu v různých průřezech nerozvěveného vodiče zanedbaelná a frekvence je všude sejná, j. je ožno počía jen s velikosí apliudy a počáeční fáze ( s, e j 1) je fázor proudu pro axiální hodnoy vyjádřen vzahe jϕ e. (3.8) V prakických siuacích jsou časěji znáy efekivní hodnoy sřídavých napěí a proudů. Proo i ve fázorových diagraech sřídavých obvodů se používají absoluní hodnoy fázorů, o velikosech rovných efekivní hodnoá,. Fázor proudu v ěříku efekivních hodno á var jϕ jϕ 1 e e. 2 2 ( ) φ φ Re( ) Re( ) Re Obr. 3.4 Fázor napěí v koplexní rovině Re Obdobně se posupuje i při odvození fázoru napěí (Obr. 3.4). V čase s bude vyjádřen vzahe jϕ e Re( ) + j ( ), (3.1) resp. fázor napěí v ěříku efekivních hodno jϕ jϕ 1 e e. (3.11) 2 2 Jesliže elekrický odpor (rezisance) R rezisoru charakerizuje vlasnosi zein v obvodu sejnosěrného proudu, ipedance Z charakerizuje vlasnosi zein v obvodech pro sřídavý proud. Na rozdíl od elekrického odporu, kde je napěí s proude ve fázi, u ipedance ohou bý fázově posunuy dle charakeru reakance. pedanci lze vyjádři Ohový vzahe pro sřídavé obvody, j. poěre fázoru elekrického napěí a fázoru elekrického proudu Z. (3.12) Po dosazení rovnic (3.5 a (3.1) do Ohova vzahu je ožno psá Re( ) + j ( ) Z. (3.13) Re( ) + j ( ) Obr. 3.5 Grafické vyjádření fázoru ipedance 8

10 Hodnoy ipedance jsou, sejně jako hodnoy rezisance R v případě sejnosěrných obvodů, vyjádřeny v ohech [Ω]. Kiočovou charakerisiku ipedance Z lze vyjádři jako funkci koplexní proěnné v algebraické (složkové) varu Z R + j X, (3.14) kde R je rezisance (elekrický odpor) vořící reálnou čás ipedance nezávislou na kioču, iaginární složka ipedance X je reakance, kerá se ění s kioče. Na (Obr. 3.5) je uveden fázor ipedance (vořený fázory a ). Z charakerisiky je zřejá ožnos zápisu ipedance v gonioerické varu (zobrazení ipedance v koplexní Gaussově rovině) Z Z cos ϕ + j Z sin ϕ (3.15) nebo v exponenciální varu (polární souřadnice) Z Z e jϕ, kde odul vekoru ipedance Z je vyjádřen užií Pyhagorovy věy Z 2 R + X 2 a fázový posuv je vyjádřen vzahe (3.16) (3.17) X ϕ arcan. (3.18) R pedance je základní vlasnosí charakerizující lineární záěž sřídavých elekrických obvodů. Je vždy věší nebo rovna reálnéu elekrickéu odporu v obvodu a závisí na zdánlivých odporech j. indukanci (reakance indukoru) X L a kapacianci (reakance kapacioru) X jednolivých prvků obvodu sřídavého proudu. Vzahy vyjadřující ipedanci na ideálních elekrických prvcích obvodu včeně časových a fázorových rovnic a průběhů uvádí Tab Pórovié zení prosředí lze popsa ipedancí ekvivalenního elekrického obvodu vořeného kobinací rezisoru, indukoru a kapacioru. Jejich zapojení v obvodu je ožné sériové (pro všechny prvky obvodu je společný fázor proudu) nebo paralelní (pro všechny prvky obvodu je společný fázor napěí), keré se pro ěření v zeinách ukázalo vhodnější (Obr. 3.6). X R - L L ϕ R Re a) ekvivalenní obvod ěřené Z b) schéa ideálního ekvivalenního R obvodu c) fázorový diagra Obr. 3.6 Ekvivalenní obvod ěřené ipedance Mezi napěí a proude na kapacioru plaí obecný vzah du( ) i( ), (3.19) d kde je kapacia kondenzáoru. Pro napěí na kapacioru je ožno odvodi 1 u( ) sin( τ )dτ + u cos( τ ) () π 2 [ 1 cos( ) ] + u () 1 sin( + ) + u () + u (). (3.2) 9

11 vedený časový průběh napěí obsahuje dva členy sejnosěrnou složku ) u ( + a haronický průběh. Je ožno jej považova za superpozici dvou nezávislých zdrojů, a o sejnosěrného a sřídavého. Sřídavý průběh je ožno ransforova s použií fázoru j j e j π 1 2, (3.21) kde výraz j 1 Z je ipedance kapacioru. Tab. 3.1 Vzahy ezi haronický napěí a proude ideálních pasivních prvků elekrických obvodů obvodový prvek (veličina) ipedance fázorové rovnice rovnice haronického napěí a proudu časový průběh funkcí u(), i() fázorový diagra rezisor (rezisance) R 1 + j j R Z G R R R i u + + ) sin( ) ( ) sin( ) ( ϕ ϕ ϕ j. napěí je ve fázi s proude Re ϕ kapacior (kapaciance) f X j π Z j j 1 i u ϕ π ϕ + + ) sin( ) ( ) 2 sin( ) ( 2 π ϕ j. napěí se zpožďuje za proude Re ϕ indukor (indukance) L f L X L j L π 2 + Z L j L j 1 L i u ϕ π ϕ ) sin( ) ( ) 2 sin( ) ( 2 π ϕ j. napěí předchází proud Re ϕ Dále po dosazení vzahu (3.1) pro haronické napěí, za předpokladu nulové počáeční fáze, do výrazu (3.19) lze psá ( ) [ ] ( ) + 2 sin cos d sin d d ) ( d ) ( π u i. (3.22) Transforací na fázor a s využií vzahu j e j 2 π j e j π 2 (3.23) 1

12 se získá lineární vzah ezi fázore proudu a fázore napěí, kerý je forálně shodný s Ohový vzahe pro sejnosěrné obvody, kde G, G je elekrická vodivos. Výraz Y j ve vzahu (3.23) se nazývá adiance kapacioru. Při vyjadřování ipedance paralelního zapojení ekvivalenního elekrického obvodu s prvky R a X se ve výpoču celkové ěřené ipedance zpravidla vychází z jednolivých adiancí Y [S] uvedených prvků (rezisance a kapaciance, příp. indukance), keré popisují zdánlivou vodivos prosředí a fázový posuv napěí proi proudu při průchodu haronického sřídavého elekrického proudu dané frekvence Y 1. (3.24) Z Dosazení vzahu (3.14) do (3.24) je po úpravě Y 1 R X + j R + j X R + X R + X 2. (3.25) Adianci je ožno vyjádři obdobný zápise jako ipedanci poocí reálné čási kondukance G [S] a iaginární složky předsavované suscepancí B [S] Y G + j B. (3.26) Dosazení reakancí jednolivých prvků paralelního obvodu R do výrazu (3.14) resp. (3.17) se obdrží odul ipedance resp. adiance obvodu 1 1 Z resp. Y + ( ) 2, (3.27) 2 1 R + ( ) 2 2 R fázový posuv ϕ arcg. (3.28) R Z uvedených poznaků vyplynula ěřicí eoda ES a í i konsrukce realizovaných Z-erů. Někeré z použiých eod ěření elekrické ipedance jsou uvedeny např. v (Krejčí,., Sudnička, P. 1999, Pařílková, J. a kol. 25, Pařílková, J. a kol. 29, Soklásek, R. 28). 4 KONSTRKE SOND A JEJH MÍSTĚNÍ V PROSTOR Z hlediska jednoné erinologie a orienace v další exu je nuné koenova někeré pojy dále užívané Tab. 4.1 Terinologie označení poju sníač sonda elekroda zapojení dvousvorkové zapojení čyřsvorkové ěřicí sesava význa 2 nebo 4 elekrody, variabilia konsrukčního řešení, nunos paralelního uísění v zeině resp. v ěřené prosředí realizace a uísění sníačů různý vodivý konsrukční aeriál, proěnná délka, ožnos současného nebo odděleného zapojení budicího a ěřicího signálu na svorku jedné elekrody je přiveden budicí i ěřicí signál na svorku jedné elekrody je přiveden pouze budicí nebo ěřicí signál účelné (verikální i horizonální) uísění sníačů 4.1 FYZKÁLNÍ PODSTATA SNÍMAČE Z fyzikálního hlediska lze sníače eody ES charakerizova jako pasivní, j. nevyžadující žádný vnější napájecí zdroj. Z hlediska zapojení je ožné využí dvousvorkovou ěřicí sesavu 11

13 nebo čyřsvorkovou ěřicí sesavu, kerá se v echnické praxi využívá k eliinaci vlivu úbyků napěí na odporu přívodních kabelů a přechodových odporech ezi elekrodai a ěřený prosředí. V obou ypech zapojení je nuné dodrže zásadu konaku sníače s obklopující (sledovaný) prosředí. 1 Z 1 Z T1 c c Z Zx Z er 2 Z 2 Z T2 Obr. 4.1 Dvousvorkový princip ěření (neeliinuje paraziní odpory) Měřič ipedance obsahuje zdroj budicího proudu c a vlasní ěřič Z. Vyhodnocená ipedance ěřená ezi svorkai 1 a 2 zahrnuje kroě zjišťované ipedance Z x ješě paraziní ipedance přívodních kabelů Z c a přechodové ipedance Z ezi elekrodou a ěřený prosředí. V případě dvousvorkového ěření vyjadřuje ěřená ipedance souče všech ipedancí (včeně paraziních), keré se v ěřicí rase vyskyují Z Z + Z + Z + Z + Z. (4.1) x 1 2 T1 T 2 Dvousvorkové uspořádání (Obr.4.1) je jednoduché na realizaci a např. v laboraorních podínkách ěření je jednoduché i na ruční anipulaci s elekrodai. V někerých případech ůže přechodová ipedance Z způsobova značné zkreslení výsledku, keré nedovoluje sledova jené zěny ipedance, číž oezuje použií eody pouze na sledování jevů popsaelných výraznou zěnou ipedance Z. Zapojení je vhodné např. pro ěření pohybu hladiny vody v zeinách, kde jsou zěny ipedance způsobené zěnou vlhkosi značné. vedené nevýhody způsobené syseaickou chybou odsraňuje čyřsvorkové uspořádání (Obr.4.2) ěřicí rasy, keré je koplikovanější a vyžaduje auoaizované přepínání ěřicích ís. Měřicí obvod je vořen dvěa syčkai. Proudová syčka napájí obvod ěřené ipedance prosřednicví proudových svorek 1, 2. Jsou-li poenciálové elekrody uísěny v ěsné blízkosi proudových elekrod, úbyek napěí odpovídající ěřené ipedanci je prosřednicví poenciálových svorek 3, 4 napěťová syčka, ěřen Z ere s vysokou vsupní ipedancí. Měřená ipedance je dána Z Z x (4.2) Zapojení je vhodné pro ěření akových deforací zeiny, kde zdroje zěny elekrické ipedance je zěna efekivního průřezu vodivého aeriálu (varové zěny vyvolávající alé zěny ipedance). c 1 Z 1 Z T1 c 3 Z er 4 Zx Z 2 Z T2 Z-er 2 Obr. 4.2 Čyřsvorkodový princip ěření (eliinuje paraziní odpory) 12

14 4.2 KONSTRKE A NSTALAE SOND Pro ěření ipedance zein se používají sondy ve varu yčí nebo verikálně dělených rub uísťovaných do sledovaného prosředí. Přenos signálu ze sníače je řešen vodiči napojenýi na aparauru Z-er. Scheaizace principu ěření je zřejá z (Obr. 4.3). Obr. 4.3 Různá konsrukční řešení ěřicích sond Základní znalosi ěřeného prosředí, vycházející z inženýrskogeologického a hydrogeologického průzkuu, ohou při aplikaci eody ES poskynou inforace na kvaliaivně vyšší úrovni ožnosí odifikovaného návrhu ěřicí sesavy (Obr. 4.4). Konsrukci sond je nuno navrhova předevší vzhlede k povaze ěření a prosředí, v něž se á ěření realizova. Proo bylo nuno zabýva se realizací sond pro dvě zcela odlišná použií, a o v laboraorních podínkách a podínkách reálného prosředí. Na (Obr. 4.5) jsou uvedeny příklady sond, keré byly ověřeny při různých experienech v laboraorních podínkách. Podle povahy sledovaných jevů byly elekrody kalibrovány (zpravidla byla sanovena závislos zěny elekrické vodivosi G na hloubce vody h nebo koncenraci solného rozoku c) nebo byla ěření vyhodnocena jako relaivní zěny prosředí vůči jeho počáečníu savu či byly deekovány zěny prosředí v čase a prosoru (ěření pohybu vody konsrukcí hráze vyhodnocení aicového uspořádání bodových sond či zěn zaznaenaných v ěřených profilech). Z (Obr. 4.5) je zřejé, že konsrukce sond je jednoduchá a sníače respekují povahu sledovaného děje a prosředí. Z aeriálového hlediska byly ověřeny hliníkové rubicové sondy vniřního průěru,1 v délkách,7 resp. 1,5, hliníkové T profily loušťky,2 a délky,7, dále nerezové yčové sondy vniřního průěru,4,,1 a,12 v délkách dle povahy experienu od,4 do 1,5 a nerezové rubicové sondy vniřního průěru,4 (délka volielná), ěděné elekrody byly realizovány v konsrukční uspořádání sond se společnou proudovou elekrodou a oddělenýi poenciálovýi elekrodai. Speciální řešení předsavují sondy bodové, kdy byla pro ěření využia dvojlinka seříznuá do sejných ěřicích průřezů izolovaných od sebe navzáje loušťkou obalového izolačního aeriálu ěděných vodičů nebo v konsrukční uspořádání ěřicích cel, kdy byl ěděný vodič na délce,1 odizolován (poěrně značná chyba ěření daná sršťování izolačního aeriálu). Dále byla využia konsrukce sondy prsencové. Plášť sondy byl zhooven z organického skla průěru,15, loušťky sěny,4, délce ěřicí čási,15 a o celkové délce,23. Na pláši sondy bylo zhooveno 2 zářezů ve vzdálenosi,5 13

15 (v iaginární sředu byl vyhodnocen ěřicí bod, j. přesnos ěření je,5 ), šířky,1 a hloubky,2 s alý ovore pro provlečení vodiče průěru, Měřicí vodiče se u ovorů v zářezech odizolovaly na pořebnou délku ak, aby bylo ožno v zářezu vyvoři vodivý závi lícující s povrche izolačního aeriálu j. rubkou z organického skla. Vyvořený závi byl fixován poocí pájky. Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Typ 5 Typ 6 Typ 7 Typ 8 Typ 9 Typ Délka [c] 18 c 14 c 135 c 15 c 15 c 95 c 9 c 75 c 6 c 55 c Poče Navržený Délka celke Poče sníačů Délka [c] 15 sníačů poče kusů [] celke 155 Typ , Typ , Typ , Typ , Typ , Typ , Typ , Typ Typ , Typ ,4 48 elke 82 84,6 396 Obr. 4.4 Schea zpřesňující ěřicí sesavy, návrh sond s proěnnou délkou elekrod na základě znalosi paraerů prosředí (ng. vo Pavlík návrh sond pro Golf areál Svraka) Poslední yp předsavují hliníkové páskové sondy v šířce cca,17, ověřené délce do,5 a loušťce cca , keré byly z jedné srany opařeny saolepicí vrsvou. vedené konsrukční řešení zajisilo dokonalý konak s ěřený prosředí s iniální ovlivnění pozorovaných jevů. Obr.4.5 Konsrukce laboraorních sníačů 14

16 Obr.4.6 Sníače využié při ěření v podínkách reálného prosředí Druhou velkou skupinu voří sondy realizované pro ěření v reálné prosředí (Obr. 4.6). Zde byly sondy konsruovány pro ěření charakerisik zein v délkách pořebných pro oniorování zěn probíhajících v hloubkách do,3 až 5, a ěření rozhraní vody a pevné vrsvy (kalu) v délkách 3, až 6,. Požadována byla znalos zěn probíhajících nejen v celé profilu, ale i v jednolivých vrsvách, proo byly sondy koncipovány jako verikálně dělené a při základní znalosi prosředí byly sondy i elekrody provedeny v různých délkách (Obr. 4.4). řešení verikálně dělených ěřicích sond se sřídá elekricky vodivá (nerezová rubka průěru,25 s loušťkou sěny,2 a volielnou délkou, dosud byla realizována v délkách,5,,1 a,15 ) a nevodivá čás (polyaid s loušťkou sěny,5 a volielnou délkou, dosud v rozsahu,5 až,4 ). Poče ěřicích profilů je liiován poče ěřicích kanálů přísroje na 128, vniřní průěre rubek a průěre vodiče, neboť propojovací kabely jsou vedeny rubkou a dále uhosí konsrukce sondy pro daný experien (pro někeré aplikace bylo nuno spojení elekrody a izolačního aeriálu zajisi šroubke). Pro ěření rozhraní voda kal byla např. na základě zkušenosí realizována sonda obilní, kdy byly vodivé čási (nerezový plech v délce,1 ) upevněny na novodurové rubce průěru,5. elková délka ěřicí čási byla 3, s ožnosí prodloužení až na 9,. Sondy jsou, z důvodu snazší insalace, vždy na jedno konci opařeny hroe z vrdého plasu a druhý konec (vývod kabelů, popř. konekor) je vyplněn silikonový ele z důvodu zabránění vniku vlhkosi. Sondy byly insalovány ručně, posupně při čásečné echanizaci posupů poocí přípravků vlasní výroby (Obr. 4.7). Vzhlede k realizovaný experienů se nejvhodnější aeriále pro výrobu sníače ukázala nerezová ocel (v aplikacích v oblasech odběru vody pro piné účely se jednalo o ocel cerifikovanou). Poněvadž pro vyhodnocení ěření neají paraery užiého aeriálu sníače zvlášního význau (ěření je v dané aplikaci realizováno vždy jen na užié elekrodě) nebyly sanovovány ani sledovány. Pokud je požadavek absoluního ěření nebo není posačující sledování zěn vůči počáečníu savu, doporučuje se kalibrace elekrod ve vzahu k jiné ěřicí eodě a jinéu sníači při aplikaci nepříých eod, případně kalibrace někerou z eod příých. Pozornos proo byla sousředěna spíše do oblasi inerpreace dosažených výsledků a jevů probíhajících ve sledované profilu zeiny při vybuzení elekrického pole. 15

17 a) anuální insalace b) čásečně echanizovaná anuální insalace Obr.4.7 Posup při insalaci sond 16

18 5 METODKA MĚŘENÍ Snaha zachyi pohyb hladiny vody v zeině a specifikova polohu lokální deforace vyžaduje posupné generování elekrických polí poocí bodových zdrojů sřídavého elekrického proudu uísěných ve sledované prosoru. Je-li sřídavý proud konsanní, je ěřené napěí přío úěrné ipedanci ěřeného prosředí. K ouo účelu byly realizovány verikálně dělené sondy (Obr. 4.4, Obr. 4.6 a Obr. 4.7). Princip eody ěření verikálně dělenýi sondai spočívá ve vyvoření úzkého svazku proudových rubic, keré využívají jen čás průřezu sledované zeiny k uzavření elekrického obvodu, číž přesněji verikálně lokalizují zěny elekrické vodivosi prosředí za předpokladu hoogenního izoropního elekrického pole. Meodika ěření ipedance póroviého zeního prosředí v jeho složiosi vychází z následující úvahy. Nechť jsou do zeiny paralelně insalovány dvě elekrody ve vzájené vzdálenosi l. Elekrodai vyezený sledovaný profil zeiny bude í vždy charaker rezisoru, edy vždy bude příona reálná čás R ipedance Z. Dá se předpokláda, že u zeiny suché či zrzlé bude reálný elekrický odpor velký. Zeinu lze považova za španý elekrický vodič resp. za izolan (dielekriku). Poněvadž délka siločar elekrického pole je dána vzdálenosí elekrod pohybuje řádově v jednokách erů, bude indukance vodiče charakerizovaná jeho indukčnosí podobná indukčnosi příého vodiče proékaného elekrický proude a bude pravděpodobně alá. Byl přija předpoklad, a ěření jej povrzují, že kapaciance zeiny je podsaně věší než indukance. Suchou zeinu (elekrický izolan) je ožné polarizova elekrický pole a edy ji nabí elekrický náboje jako kapacior, kerý se vyznačuje elekrickou kapaciou. Přesože elekrické vlasnosi ohoo kondenzáoru nebudou nijak dobré, bude í např. velký svodový proud daný vlhkosí zeiny, zůsává doinanní složkou iaginární čási ipedance Z. Je-li prosor ezi elekrodai vyplněný zeinou nenulové vlhkosi, bude elekrický odpor alý a zeina lépe povede elekrický proud. V oo případě ji lze považova za vodič (Obr. 5.1), jehož plocha A je definována délkou elekrod d. Při připojení elekrického zdroje na svorky proudových elekrod začne zeinou proéka elekrický proud, jehož velikos, proéká-li proud plochou A při dané husoě proudu J, je určena vzahe J da. (5.1) A Obr.5.1 Zeina jako vodič elekrického proudu Tok elekrického proudu je podíněn elekrický pole inenziy E (Obr.5.2), keré je popsáno elekrickýi siločárai (yšlené čáry), a o kvaliaivně (vare) i kvaniaivně (husoou čí je věší husoa siločar, í silnější je pole). Elekrické siločáry se navzáje neproínají, jsou kolé k povrchu ělesa a jsou vždy orienovány od kladného náboje k zápornéu (dáno dohodou). nenzia elekrického pole je určena výraze E ρ J, (5.2) kde ρ [Ω ] je aeriálová konsana zv. rezisivia (ěrný odpor), kerá charakerizuje elekrickou vodivos vodiče (zeiny). 17

19 E a) b) a) elekrické pole poblíž osy dvou opačně nabiých rovnoběžných desek, b) vizualizace elekrického pole siločarai ezi dvěa rovnoběžnýi yčovýi elekrodai uísěnýi v hoogenní izoropní prosředí (siulace zrnky krupice) Obr. 5.2 Hoogenní elekrické pole Převrácená hodnoa rezisiviy 1 σ. (5.3) ρ se nazývá kondukivia (ěrná vodivos), její jednokou je [S -1 ] a vyjadřuje schopnos zeiny dobře vés elekrický proud. Čí je její hodnoa vyšší, í je zeina lepší vodiče. Bude-li zeina vodiče s elekrický proude, vyvoří se kole vodiče agneické pole, jehož siločáry jsou kolé na siločáry pole elekrického (Obr. 5.3). Obr. 5.3 Siločáry elekrické a agneického pole ezi dvěa yčovýi elekrodai uísěnýi v hoogenní izoropní zeině Z hlediska agneických vlasnosí však lze předpokláda, že zeina bude í vždy povahu láek agneicky španě vodivých (ze železné rudy se hráze nebudují). Pro elekrické napěí ezi dvěa body X a Y uísěnýi ve vzdálenosi l, j. pro elekrické napěí ezi poenciálovýi elekrodai plaí Y E dl. X Pro proudovou rubici o průřezu A, za předpokladu rovnoěrného rozložení proudu v celé průřezu lze užií uvedených výrazů a Ohova vzahu odvodi výraz pro elekrický odpor ve varu Y ρ R dl. (5.5) A X (5.4) 18

20 Měření spočívá v posupné přepínání párů proudových elekrod a ve zjišění úbyku napěí ezi poenciálovýi elekrodai. Přepínání věšího nožsví vhodně uspořádaných elekrod, vořících rojrozěrnou aici, lze oniorova zěny ipedance v prosoru esovaného prosředí. Proože elekrické pole á snahu vyplni celý průřez vodiče, poo, á-li bý zachován úzkopásový var generovaného pole, nesí bý ěřicí elekrody resp. sondy od sebe příliš vzdáleny. Zkušenosi ukazují, že by vzdálenos neěla přesahova 2 při ěření na reálných objekech. Jak je zřejé z (Obr. 5.2b), jsou i ak siločáry hoogenního elekrického pole na koncích elekrod írně deforované vlive elekrického a agneického pole Zeě. Proo je skupinou odporových nepříých eod vyhodnocován zdánlivý elekrický odpor či zdánlivá elekrická vodivos. Základní znalosi ěřeného prosředí, vycházející z inženýrskogeologického a hydrogeologického průzkuu, ohou při aplikaci eody ES poskynou inforace na kvaliaivně vyšší úrovni ožnosí odifikovaného návrhu ěřicí sesavy. Není-li o oniorované prosředí nic znáo, nebo je podezření na nehoogeniu aeriálu, je vhodné insalova ěřicí elekrody sejných délek (Obr. 5.4) a ěření vyhodnocova jako relaivní vůči prvoníu zěřenéu savu. Obr. 5.4 Schea sondy insalované v zeině ochranné hráze 6 TVORBA MAP REZSTVTY A JEJH VYŽTÍ PŘ ŘEŠENÍ VODOHOSPODÁŘSKÝH PROBLÉMŮ Mapy rezisiviy jsou poěrně deailní obraze vyšeřovaného zeního prosředí sesavený z výsledků ěření. Opakovaný ěření je ožné posihnou probíhající zěny a posoudi vliv různých fakorů na sledované prosředí (vhodnos kobinace ěřicích eod). Sesavení ap rezisiviy však při ěření vsupních da vyžaduje ulielekrodové ěřicí aparaury, kde poče ěřicích elekrod úzce souvisí s přesnosí vykreslení hledaného obrazu prosředí. Meodai, keré splňují uvedený požadavek, jsou elekrická rezisivní oografie (ERT) a elekrická ipedanční oografie (ET). Zaíco eoda ERT je základní eodou pro geofyzikální oniorování při využií sejnosěrného budicího proudu a předsavuje kobinaci eod odporového profilování a verikálního elekrického sondování, eoda ET je základní eodou pro geofyzikální oniorování při využií sřídavého budicího proudu, kde uplanění nachází i eoda elekrické ipedanční spekroerie (ES). Aplikace sřídavých elekrických polí jsou prakikovány 19

21 z důvodu eliinace rušivých nízkofrekvenčních elekrických polí (bludné proudy apod.). Oba přísupy předsavují konakní ěřicí eody, kdy se budicí proud do zein zavádí a sníá elekrodai. Rovněž zpracování naěřených hodno jsou u obou přísupů obdobná. Příklad (Obr. 6.1) ožného výsledku ěření auoaický geoelekrický sysée ARES (výrobce GF nsruens, s.r.o., Brno), kerý využívá eodu ERT a vyhodnocení sofware pro zpracování a inerpreaci da RES2DNV a RES3DNV je převzaý z lieraury (GF nsruens, s.r.o. ). Obr. 6.1 Příklad 2D ěření zdánlivé rezisiviy eodou ERT a inverzní odel rezisiviy vyhodnocený sofware RES2DNV (z aeriálů firy GF nsruens, s.r.o. Brno) Mapy rezisiviy uožňují posoudi průběh úrovně volné hladiny vody v zeině, respekive dosah kapilárního výsupu vody. Např. v hoogenní zení prosředí, s iniální kapilární výsupe vody a bez lokálního vlivu cheicky rozpušěných láek na vodivos vody, je volná hladina určena osrý rozhranní hodno rezisiviy. Nízké hodnoy rezisiviy charakerizují prosředí nasycené vodou a vysoké hodnoy rezisiviy charakerizují prosředí nenasycené vodou. V prosředí nasycené vodou a bez lokálního vlivu cheicky rozpušěných láek na vodivos vody je zěna rezisiviy zěnou vlasnosí zeního prosředí. Časová zěna rezisiviy v bodě proo charakerizuje časovou zěnu vlasnosí prosředí např. filrační deforaci ad. Vzhlede k ou, že realizovaná aparaura s přísroje Z-er využívající eodu ES uožňuje ěření na 128 kanálech a lze ji edy považova za ulielekrodovou, je ožné účelný rozísění ěřicích sond snía pole ipedance a rezisiviy a eodou inverze vyváře 2D nebo 3D obrazy sledovaného prosředí. Při popisu proudění podzení vody lze elekrickou vodivos poocí vhodné inerpreace hydraulické vodivosi použí aké pro inverzní odelování proudění podzení vody. Vhodnos výkladu je podíněna sanovení závislosi ezi hydraulickou a elekrickou vodivosí příslušné zeiny, kerou je řeba urči např. laboraorně. Znalos ap rezisiviy a dalších elekrických veličin a jejich vhodná inerpreace je edy význaná při řešení vodohospodářských probléů. 7 PŘÍKLADY APLKAE A ANALÝZA ZÍSKANÝH DAT Provedené experieny a realizovaná ěření lze rozděli do dvou éaických celků, a o na ěření laboraorní a ěření v reálných podínkách. 2

22 7.1 LABORATORNÍ EXPERMENTY Laboraorní přísrojové vybavení včeně prograových prosředků dovoluje sníání frekvenční charakerisiky ipedance zeiny v rozsahu ěřených ipedancí 1 Ω až 1 MΩ, frekvenční rozsah 1 Hz až 8 MHz, přičež je vyhodnocována zvlášť reálná a iaginární složka ěřené ipedance. V experienech byla sledována inenzia zaěžování hráze vodou na návodní líci (sros nárůsu hladiny, kolísání hladiny) při různých vlhkosech zeiny (vlhkos, eploa, zhunění, granuloerie) a konsrukčních uspořádáních. Provedené laboraorní experieny je ožné rozděli do následujících skupin základní esovací ěření; dlouhodobé a krákodobé ěření pohybu volné hladiny vody v zení hrázi; a) hráz vybudovaná na pevné podloží siulované ocelový dne ěrného žlabu, b) hráz vybudovaná na propusné podloží vořené sejný aeriále jako její ěleso, c) hráz s plošný dréne, d) hráz s koínový dréne. ěření deforačních procesů v průběhu zaěžování hráze; e) vývoj nárže při přelií koruny hráze, f) vývoj výronové plochy na vzdušné líci hráze, krákodobé ěření pohybu volné hladiny vody v ělese varu krychle (Obr. 7.1). Obr. 7.1 Zení objek varu krychle Jední z esů cilivosi ěřicí aparaury včeně sníačů (nerezová yč průěru,12 a délky 1,5 ) byla jejich reakce na sřídavé zaížení sledovaného profilu zeiny vodou při kolísání úrovně její hladiny. Z důvodu polačení efeku zvýšení vodivosi v důsledku zěny průočného profilu, bylo vybudováno ěleso varu krychle o rozěru Zkoušenou zeinou byl bračický písek o velikosi efekivního zrna d ef 1,6, kerý byl ve vrsvách po,1 huněn plošný vibráore. Měření bylo provedeno na frekvenci f 8 Hz (axiu funkce X f (f) j. ax. cilivos Z-eru pro zkoušený aeriál), 4 V, T 2 s, zapojení ěřicí aparaury dvousvorkové, využi byl přísroj Z-er 1, vyhodnocena elekrická vodivos j. inverzní hodnoa reálné složky ěřené ipedance. Měřené charakerisiky (Obr. 7.2) byly zaznaenány čyři sondai, keré byly do aeriálu osazeny ve vzdálenosech po,2 od návodního líce a,5 od sěn žlabu j. délka vodiče byla l,9. Průběh elekrické vodivosi G daný nasycenosí zeiny vodou vykazuje vysokou shodu s pohybe hladiny vody na návodní líci ělesa. Křivka A byla sníána sondou uísěnou nejblíže návodníu líci, j. průočný profil byl při zaížení ělesa hladinou vody na návodní líci nejvíce nasycený, a proo křivka vykazuje nejvyšší hodnoy vodivosi. Rozdílné axiální hodnoy křivek jsou dány rozdílnou výškou hladiny prosakující vody v jednolivých profilech hráze. Se zvěšující se vzdálenosí od návodního 21

23 líce elekrická vodivos klesá, j. klesá nasycení zeiny vodou. Z charakerisiky je rovněž zřejé, že zeina na počáku experienu vykazovala určiou vlhkos odpovídající hodnoě cca G S a v době ukončení ěření je pozorovaelný vliv obalové vody, kdy je elekrická vodivos vyšší přibližně o,1 S proi počáeční hodnoě.,1,9,8 hlad A B D G, h [S, 1-2 ],7,6,5,4,3,2, [in] Obr. 7.2 Průběh elekrické vodivosi G zeiny při její proěnlivé zaížení vodou 7.2 MĚŘENÍ NA REÁLNÝH OBJEKTEH Při ěřeních na reálných objekech byl sledován pohyb volné hladiny podzení vody; infilrace vody do zeiny v důsledku srážek (siulace přívalových dešťů na lokaliě ve Švýcarsku). Výsledky provedených experienů jsou podrobně uvedeny v oponovaných zprávách o průběhu řešení ezinárodního projeku EREKA (Pařílková, Pavlík, 27, 28, 29). Poněvadž je oniorování eodou ES již od roku 26 realizováno na hrázi jedné z nádrží u Kobeřic (Obr. 7.3), jsou zde uvedeny někeré z dosažených výsledků. Na vodní díle se nachází zpevněný korunový bezpečnosní přeliv, dienzovaný na bezpečné převedení Q 1, výpusné zařízení, sedienační prosor před výpusný objeke. Zení hráz nádrže byla vybudována z ísních aeriálů. Je označena jako hoogenní, což však z hlediska ěřené ipedance není zcela pravdivé, neboť v hloubce přibližně 1,5 od koruny hráze se nachází vrsva zeiny s výrazně věší rezisancí (bylo povrzeno, že se při budování hráze bral aeriál ze dvou ís v lokaliě). vedené zjišění bylo důvode vyhodnocování oniorování v několika ypech závislosí, keré vycházejí ze sledování elekrické vodivosi G. siuace VD Kobeřice (podklad apy GEODS) zájová hráz vzdušný líc 22

24 návodní líc zení hráze nádrže Kobeřice s vyznačení oniorované oblasi Vzorový příčný řez hrází 1 : 5 Obr.7.3 Zení hráz vodní nádrže Kobeřice řeí nádrž zvaná Bezedník. Měření eodou ES bylo provedeno při ěřicí frekvenci f 8 Hz, přepínací perioda ezi jednolivýi ěřeníi byla 4 s, poče opakování na jedno ěřicí kanálu (jedné elekrodě) byl 5. Do návodního líce hráze bylo v koruně hráze osazeno 6 sond (Obr. 7.4), v roce 29 byly 2 sondy osazeny na vzdušné líci hráze. Obr. 7.4 Schéa uísění ěřicích sond v hrázi nádrže Kobeřice 23

25 Poněvadž nebyly znáy žádné doplňující inforace o konsrukci hráze ani její podloží, bylo rozhodnuo realizova sondy s pravidelný členění elekrod (nerezová rubka průěru,25 s loušťkou sěny,2 a délkou,15 ) a nevodivých čásí (polyaid o průěru,25, loušťce sěny,5 a délce,15 ). Ze sejného důvodu bylo dohodnuo, že sledované časové zěny elekrické vodivosi ve zvolené profilu hráze budou vyhodnocovány relaivně vůči prvníu ěření * G G G p, kde G * [-] je relaivní hodnoa elekrické vodivosi, G [S] je hodnoa elekrické vodivosi zjišěná v den ěření a G p [S] je hodnoa elekrické vodivosi zjišěná dne Poče ěřicích elekrod na sondě byl n 12, ěření edy bylo realizováno do celkové hloubky 3,5. Vzhlede ke skuečnosi, že hráz je vysoká 3,2, je oniorování realizováno i v její podloží. Z realizovaných ěření byl v prograu SMS vyhodnocen 2D obraz (Obr. 7.5) pole poěrné elekrické vodivosi G *, kde černé body předsavují ěřicí elekrody. Z obrázku 7.5c je zřejé, že chybí jedna sonda. Bohužel neznáý vandal uřezal vodiče od jednolivých elekrod, číž zneožnil propojení s přísroje. a) Původní zjišěný sav dne b) Měření při vypušěné nádrži z důvodu rekonsrukce návodního líce hráze, dne c) Měření dne Obr. 7.5 Vyhodnocené poěrné zěny elekrické vodivosi vůči počaečníu zjišěnéu savu (vyhodnocení ěření provedeno prograe SMS 9.2, Zachoval) Na konci roku 28 se uskuečnilo srovnávací ěření geoelekroagneickou eodou GEM2, přísroj byl zapůjčen podnike Povodí Moravy, s. p. Mobilní přísroje byla v ose hráze zěřena a vyhodnocena linie o celkové délce cca 87. Jak je zřejé (Obr. 7.6), v hodnocené linii byla podle hodno liiů pro vlhké zeiny rozlišeny 3 singulariy. Supnice pro hodnocení vlhkých zein byla volena z důvodu sálého dosahu kapilární vlhkosi, neboť se jedná o zení hráz vodní nádrže, s kolísavou úrovní vodní hladiny. Při ěření na frekvencích s krašíi hloubkovýi dosahy byla křivka zdánlivé rezisiviy vyrovnaná (hodnoy ezi 4 Ω 5 Ω odpovídají aeriálu písčiá hlína ) s jednou singulariou, na (Obr. 7.6b) označena zelenou barvou, odpovídající poloze bezpečnosního přelivu. Na frekvenci 6525 Hz s nejvěší hloubkový dosahe byly zaznaenány 2 lokální anoálie, na (Obr. 7.6b) jsou označeny 24

26 odrou barvou. Jedná se o lokální axia s hodnoai 59 Ω a 57 Ω ve vzdálenosi 26 od okraje účelové lesnické cesy o délce 2 a ve vzdálenosi 35 od okraje účelové lesnické cesy o délce 3. Červená barva značí, že ěření byla zjišěna vyrovnaná křivka rezisiviy bez výrazných singulari. a) ěření aparaurou GEM2 b) zjišěné singulariy Obr.7.6 Měření linie L1, rušený úsek značený zelenou barvou v koruně hráze Na základě srovnání výsledků dosažených oběa eodai, kdy ěření eodou ES je ožno považova za podrobnější, ohou bý anoálie zvýšené rezisiviy v základech hráze nebo v podloží vysvěleny například výskye hrubozrnějšího (a edy pro vodu propusnějšího) aeriálu, nebo zaěření výpusního porubí. Lze konsaova obdobná zjišění, jak z hlediska vyhodnocené polohy zjišěných singulari, ak i zdánlivé rezisiviy ρ [Ω ] aeriálu hráze (Tab. 7.1), kerá byla v případě eody ES sanovena arieický průěre zdánlivých rezisivi zjišěných ve vrsvě. Z důvodu objekiviy výsledků ěření je však vhodné ěření opakova i v jiné roční období. Tab.7.1 Zdánlivá rezisivia zeiny průěrná hodnoa L [] 9,6 11,65 13,65 15,5 17,4 zdánlivé rezisiviy ve zeina H [] 3,5 14,7 14,25 14,7 15,3 16,2 vrsvě 15,3 jíly (hlíny) 3,2 26,25 38,7 44,4 32,4 15,15 31,38 písčié jíly (hlíny) 2,9 15,15 15,15 14,85 14,25 15,3 14,94 jíly (hlíny) 2,6 14,85 14,85 14,7 15,9 19,65 15,99 jíly (hlíny) 2,3 16,35 17,1 18,3 23,7 33,9 21,87 písčié jíly (hlíny) 2, 71,55 8,4 26,25 4,5 49,65 53,67 písčié jíly (hlíny) 1,7 47,7 46,2 64,8 82,5 84,9 65,13 jílovié (hlinié) písky 1,4 9,45 66,3 37,2 233,4 233,55 132,18 slabě jílovié (hlinié) písky 1,1 172,5 162,9 32,4 64,2 72,75 1,86 jílovié (hlinié) písky,8 145,2 148,2 129, 346,95 271,2 28,11 slabě jílovié (hlinié) písky,5 64,8 36,15 34,5 61,8 56,1 5,58 písčié jíly (hlíny),2 49,35 32,4 31,5 37,35 62,25 42,57 písčié jíly (hlíny) Další z ožných výsupů ulielekrodové ipedanční eody je zobrazení odporových nehoogeni konsrukcí verikálních izoohických řezů (výsup se využívá u eod elekrické rezisivní oografie ERT či elekrické ipedanční oografie ET), případně verikálních řezů izolinií kondukiviy. Vyhodnocení verikálního řezu izolinií kondukiviy v příčné profilu hráze dle vzahu (7.1) je uvedeno na (Obr. 7.7) l σ G, (7.1.) A kde G je ěřená elekrická vodivos, l je vzdálenos ezi elekrodai resp. délka vodiče, A je obsah kolého průřezu (odvozen od délky elekrod). 25

27 Obr.7.7 Mapa kondukiviy hráz Kobeřice, ěření dne Na (Obr. 7.8) je v jednolivých ěsících roku uvedena výška vodního sloupce v nádrži zjišěná v den ěření, hodnoa celkové elekrické vodivosi G sanovená jako arieický průěr hodno ěřených v jednolivých fikivních bodech na návodní líci hráze a eploa vzduchu. Pro srovnání jsou uvedeny výsledky ěření z roku 28 a roku 29. Zaíco eploa vzduchu v roce 28 ve dnech ěření neklesla pod hodnou, v roce 29 byly hodnoy pod nulou zaznaenány 3. Obr.7.8 Vyhodnocené sledované veličiny 26

28 Z vyhodnocené závislosi průběhu celkové elekrické vodivosi G a výšky vodního sloupce H v nádrži v jednolivých ěsících roku 28 lze vypozorova vzájenou korelaci. V roce 29 ao korelace již ak výrazná není resp. v ěsících, kdy byla eploa pod nulou je ožno pozorova írný nárůs elekrické vodivosi, což při respekování skuečnosi, že zrzlá zeina je horší vodiče, signalizuje zěnu hydrodynaického zaížení. Vzhlede k ou, že hladina v nádrži nebyla v uvedené dny ěření na sejné úrovni a zjišěných hodno je dosud álo, nebyl v oo ohledu učiněn závěr. Výsledky ěření provedeného v roce 29 na sondách na vzdušné líci hráze a uvedené na (Obr.7.9) vedou k doněnce, že na zvýšených průsacích pozorovaných v paě vzdušného líce hráze j. zvýšených hodnoách elekrické vodivosi se ohou podíle praeny svedené z okolních svahů do podloží hráze. 4, 3,5 4, 3,5 3, 3, h [] 2,5 2, h [] 2,5 2, návodní a vzdušný líc hráze 1,5 1,,5, návodní líc Vzdušný líc,5,1,15 G [S] 1,5 1,,5 3_3a 4_4a,,,5,1,15 G [S] dva příčné profily sondy jsou uísěny v hraně koruny hráze (píseno a u číslice značí vzdušnou sranu hráze Obr.7.9 Průběh elekrické vodivosi v profilu 3_4 (vzdálenos 48,65 od lesní cesy, ěření 17. června 29) 8 ZHODNOENÍ A ZÁVĚR V habiliační práci je popsáno použií ulielekrodové geoelekroagneické eody ipedanční spekroerie (ES). Meoda, včeně navržených a realizovaných ěřicích aparaur, se uplanila při sledování časových a prosorových zěn ipedance zein zaěžovaných vodou. Měřicí aparaury s přísroje Z-er a poěrně jednoduchý sníače uožňují realizova jednoi ulifrekvenční analýzu a ěři frekvenčně závislou iaginární složku ipedance X. Výzku byl veden ve dvou úrovních, a o laboraorního výzkuu a ověřování poznaků oniorování v podínkách reálného prosředí na zvolených lokaliách. íle bylo ověření vhodnosi aparaur pro vodohospodářskou praxi. Modulárně řešená aparaura prokázala vhodnos použií ve dvou odlišných zapojeních (dvousvorkové a čyřsvorkové), jejichž volba je první vyezující paraere pro aplikační oblas. Při použií zařízení je dále nuno věnova pozornos ěřicí elekrodá a echnice jejich zabudování do zeiny, ěřenéu prosředí a účelu, ke keréu je ěřicí aparaura využia. Poněvadž byl sanoven požadavek ěření ipedance idenifikova polohu singulari v zeině, byla aplikována ěřicí aparaura s verikálně dělenýi párovýi sníači. Pro úlohu sníání průběhu hladiny vody v zeině bylo využio dvousvorkové zapojení, keré je dosaečně přesné, cilivé, při insalaci elekrod nedochází k výraznéu porušení zeiny a získané průběhy jsou jednoznačně reprodukovaelné. Nezbynou podínkou eliinace paraziních vlivů je ěsný konak ěřicí elekrody a zeiny a polohová sabilia elekrod. Pokud není před aplikací sesava kalibrována vzhlede k prosředí (rezisivia zein, zhunění, srukura, skladba, vlhkos, ad.) je vhodné poěrné vyhodnocení sledovaných veličin, kerýi jsou ipedance případně elekrický 27

29 odpor R nebo zdánlivá rezisivia ρ resp. elekrická vodivos G nebo kondukivia σ zeiny vůči počáečníu ěření danou aparaurou. Dosud provedené laboraorní experieny prokázaly ožnos sledování přechodových dějů (koninuální sycení zeiny vodou) a schopnos deekce odlišných aeriálů a jejich srukury (povrzeno jen na veli alou vzdálenos ěřicích elekrod). V kobinaci s výsledky dalších geofyzikálních eod a dále ověřovacích vrů a sond (důležiá je zde spolupráce s kvaliní laboraoří echaniky zein) lze ěření polí elekrické kondukiviy sledova zěny zeiny v důsledku zaížení vodou, lokalizova ísa nehoogeni, sledova jejich časové zěny a navrhnou další posupy při údržbě popř. opravách zeních hrází. Z jednání s podniky praxe vyplynulo využií realizované ěřicí echniky založené na ěření ipedance i jako finančně zajíavá alernaiva sledování zein. Možnosi aplikace eody jsou hledány řešení ezinárodních projeků E!3838 a E!4981 v prograu EREKA nejen v České republice, ale ve spolupráci s parnery projeků i ve Švýcarsku, álii, Slovensku, Belgii, Něecku, Rakousku a na Kypru. 9 LTERATRA ALSTON,., DANEL, D. E. AND DEVROY, D. J (1997) Design and consrucion of sand- Benonie liner for effluen reaen lagoon, Marahon, Onario, anadian Geoechnical Journal, No. 34, pp BAMANN, T., WERTH, H. J. (24). Visualizaion and Modeling of Polysyrol olloid Transpor in a Silicon Microodel. Vadose Zone Journal, 3, HEN Q., ZHANG L. M. (26). Three-diensional analysis of waer infilraion ino he Gouhou rockfill da using sauraed-unsauraed seepage heory. n: anadian Geoechical Journal, 43: ÍSLEROVÁ, M., VOGEL, T. a kol. (28). Transporní jevy ve vadózní zóně. Skripu ČVT v Praze, Fakula savební, KHMK, KHH. 111s. FENTON, G.A., GRFFTHS, D.V., AND AVERS, W. (25). Resisance facors for seleen design, anadian Geoechical Journal, 42(5), GF nsruens, s.r.o. Shor guide for resisiviy and induced polarizaion iaging. Shor guide for elecroagneic conduciviy apping. Firení aeriály. GRFFTHS, D. V., FENTON, G. A. (1997). Three-diensional seepage hrough spaially rando soil. ASE J. Geoech. Eng., 123(2), GRFFTHS, D. V., FENTON, G. A., ZEMANN, H. R. (28). Reliabiliy of passive earh pressure, Georisk: Assessen and Manageen of Risk for Engineered Syses and Geohazards, 2(2), GEDDODA, M. K., LAMARA, M., ABOBAKER, N., TAB, S. (28). Hydraulic onduciviy and Shear Srengh of Dune Sand Benonie Mixures. The Elecronic Journal of Geoechnical Engineering (EJGE), Vol. 13, Bund. H. GR, J. (1997). Technická zpráva savební čás Obnova vodní nádrže Kobeřice. Projek. JOHANSSON, S. (1997). Seepage Monioring in Ebanken Das. Sockhol: Royal nsiue of Technology, 5p., SBN KAMSHLN, A. N. (25). The resuls of physical odeling experiens wih he close dry suffosion. Geophysical Resarch Absracs, Vol.7 (25), Sref-D: /gra/EG5-A KREJČÍ,., STDNČKA, P. (1999). Experience wih Applicaions of Signal Processors Analog Devices. Proceedings of he conference Radioelekronika, VT FE Brno. 28