Χρήση εξειδικευµένου λογισµικού στη µελέτη γεωτεχνικών έργων. Τρισδιάστατο γεωλογικό µοντέλο Κατολίσθησης Κρυσταλλοπηγής Use of Integrated software in designing geotechnical projects. 3d geological model of Krystallopigi Landslide Πεταλωτή Ελένη, Γεωλόγος Msc, Εγνατία Οδός Α.Ε. Χαραλαµπάκης Εµµανουήλ, Πολιτικός Μηχανικός, Εγνατία Οδός Α.Ε. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Οι σύγχρονες δυνατότητες των υπολογιστικών συστηµάτων στη συλλογή, επεξεργασία και παρουσίαση των αποτελεσµάτων βρίσκουν πολλές εφαρµογές σε κάθε εργασία µηχανικού. Στη συγκεκριµένη εργασία παρουσιάζεται µία µελέτη εφαρµογής (κατολίσθηση Κρυσταλλοπηγής), µε τη χρήση ενός ολοκληρωµένου πακέτου λογισµικού (του Rockworks), το οποίο συνδυάζει βάση δεδοµένων µε χωρικές πληροφορίες και δυνατότητες παραγωγής τρισδιάστατων µοντέλων, προσφέροντας µεγάλη ευελιξία στον µελετητή. ABSTRACT: Modern software packages offer unlimited potentials to the geotechnical engineer, regarding the collection and processing of data and the presentation of results. The present paper uses an integrated software (Rockworks) in examining Krystallopigi landslide. The software combines data base with spatial information and the facility to produce 3d models, which makes it a very flexible tool in the engineer hands. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα λογισµικά πακέτα διαχείρισης χωρικών δεδοµένων δεν είναι ένας ακόµα εναλλακτικός τρόπος προβολής δεδοµένων µε γραφικά, είναι ένα αναλυτικό σετ εργαλείων για τη συλλογή, αποθήκευση, ανάκτηση και απεικόνιση χωρικών πληροφοριών, αλλά και ένα σηµαντικό εργαλείο µελέτης ενός γεωτεχνικού έργου. Έχει επιλεγεί να παρουσιασθεί το γεωλογικό µοντέλο της κατολίσθησης της Κρυσταλλοπηγής, που έχει παραχθεί από τη συνάδελφο γεωλόγο κα Φυγαλία Παπαγεωργίου. Η οριζοντιογραφία και οι τοµές που σχεδιάσθηκαν, παραδόθηκαν σε µορφή σχεδιαστικών αρχείων autocad. 2. Κατολίσθηση Κρυσταλλοπηγής Η περιοχή της Κρυσταλλοπηγής βρίσκεται στο υτικό τοµέα της Εγνατίας οδού. Το τµήµα αυτό χαρακτηρίζεται από ορεινό φυσικό ανάγλυφο το οποίο παρουσιάζει κυρίως µέτριες και τοπικά έντονες µορφολογικές κλίσεις, µεγάλο βαθµό διάβρωσης των σχηµατισµών και σύνθετη τεκτονική δοµή. Στη ζώνη διέλευσης παρατηρείται σηµαντική εκδηλωµένη αστάθεια και έντονος τεκτονισµός. Στην εκτεταµένη αυτή κατολίσθηση, µήκους 1000 m και βάθους έως 100 m, παρατηρούνται φαινόµενα ερπυσµού του εδάφους στους επιφανειακούς αργιλικούς ορίζοντες αλλά και κινήσεις σε µεγαλύτερα βάθη. Γεωλογικά, το αλπικό υπόβαθρο αποτελείται από σχηµατισµούς που ανήκουν στην ενότητα Ιονίου και συγκεκριµένα συναντώνται εναλλαγές λεπτοστρωµατωδών ψαµµιτών και ιλυολίθων του φλύσχη, µεσοστρωµατώδεις Ηωκαινικοί ασβεστόλιθοι και οι άστρωτοι κυρίως ασβεστόλιθοι του Παντοκράτορα, οι οποίοι έχουν σηµαντική εµφάνιση κατά µήκος της χάραξης. Ασύµφωνα στους παραπάνω, επικάθονται µεταλπικοί σχηµατισµοί, που αποτελούνται κυρίως από κορηµατικά υλικά αργιλικής κατά βάση σύστασης, βραχώδη υλικά έντονης ανοµοιοµορφίας που προέρχονται από 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1
καταπτώσεις και ολισθήσεις των ανάντη ασβεστολιθικών εµφανίσεων και τέλος αργιλικής κυρίως σύστασης υλικά, µε σηµαντική παρουσία φλυσχικού υλικού. Η πολυπλοκότητα της γεωλογίας, των υδραυλικών συνθηκών, αλλά και ο συνδυασµός µε δεδοµένα παρακολούθησης αποτελούν χαρακτηριστικά, τα οποία απαιτούν εξελιγµένες µεθόδους επεξεργασίας για την ολοκληρωµένη διαχείρισή τους και συντέλεσαν στην επιλογή της συγκεκριµένης περιοχής στην εργασία αυτή. 3. Λογισµικό Rockworks Το Rockworks είναι ένα λογισµικό πακέτο που ενοποιεί τη διαχείριση δεδοµένων γεωτρήσεων, την ανάλυση και δηµιουργία γεωλογικών-γεωτεχνικών µοντέλων και την παρουσίασή τους. Το λογισµικό εστιάζει στη χρήση σε µελέτες, οπότε η δοµή του βασίζεται στη διαχείριση µεµονωµένων έργων. Το Rockworks διαθέτει βάση δεδοµένων για τις γεωτρήσεις µε πολλά πεδία που περιλαµβάνουν χωρικά δεδοµένα, γεωφυσικές και γεωχηµικές µετρήσεις, δεδοµένα λιθολογίας, στρωµατογραφίας, στάθµης νερού κ.λπ. Τα δεδοµένα καταγράφονται σε βάση Access MDB file. Επίσης διαθέτει µία σειρά από εργαλεία (utilities) δηµιουργίας επιφανειών, στερεών µοντέλων, τοµών, υπολογισµών όγκων, υδραυλικών και υδροχηµικών υπολογισµών, τοπογραφικών µετασχηµατισµών και διάφορα άλλα. Μπορεί ακόµα να εκτελέσει υπολογισµούς κλίσεων, παρατάξεων, να εξάγει µορφολογικό χάρτη των κλίσεων, µέχρι και να υπολογίσει τη διαδροµή των επιφανειακών υδάτων. 4. Μελέτη Εφαρµογής Κατολίσθησης Κρυσταλλοπηγής Στη συνέχεια περιγράφεται η µεθοδολογία παραγωγής του τρισδιάστατου γεωλογικού µοντέλου της περιοχής της κατολίσθησης µε το λογισµικό Rockworks. Τα πεδία δεδοµένων της βάσης γεωτρήσεων (Borehole manager) που χρησιµοποιήθηκαν είναι τα ακόλουθα: Πίνακας 1. Table 1. Location information Orientation Lithology Stratigraphy Well Construction Symbols Vector Water levels εδοµένα Γεωτρήσεων Borehole data Όνοµα, Συντεταγµένες εδοµένα του προφίλ της γεώτρησης. Χρησιµοποιήθηκε µόνο σε κλισιόµετρα Ευρήµατα γεωτρήσεων. Στρωµατογραφία - χρήση στην παραγωγή 3 µοντέλου Στοιχεία κατασκευής (σωλήνωσης). Χρησιµοποιήθηκε στα εγκατεστηµένα όργανα Εισαγωγή εικονιδίου στο κατάλληλο βάθος για την απεικόνιση των ηλεκτρικών πιεζοµέτρων. Χρησιµοποιήθηκε στα κλισιόµετρα: Βάθος κίνησης, αζιµούθιο, µέγεθος (µέση ετήσια εξέλιξη) για την παραγωγή διανυσµατικού µοντέλου. Πλήρη στοιχεία µετρήσεων πιεζοµέτρων (ηµ/νία, στάθµη, βάθος) Υιοθετήθηκε η παρακάτω σύµβαση: Το βάθος του πυθµένα του οργάνου ή του Casagrande tip ή του αισθητήρα πίεσης πόρων, ορίστηκε ως βάση απεικόνισης της στάθµης υδάτων, το βάθος της οποίας αποτελεί το πάνω όριο. Αυτή η σύµβαση υιοθετήθηκε για να είναι δυνατή εκτός από την απεικόνιση της ανώτατης στάθµης (ή πίεσης πόρων) σε κάποιο σχηµατισµό, και της πληροφορίας του βάθους του σηµείου καταγραφής. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2
Εικόνα 1: Βάση δεδοµένων γεωτρήσεων στο Rockworks Picture 1: Borehole manager in Rockworks 4.1 Χρήση χωρικών δεδοµένων Το Rockworks διαχειρίζεται διανυσµατικά δεδοµένα είτε από τη βάση γεωτρήσεων είτε από διάφορα βοηθητικά αρχεία. Συνδυάζει και παρουσιάζει σε δυναµική τρισδιάστατη µορφή γραµµικά δεδοµένα, γεωµετρικά στερεά, αλλά και τρισδιάστατες επιφάνειες και στερεά µοντέλα που παράγονται από το πρόγραµµα. Για την παραγωγή των µοντέλων της παρούσας εργασίας χρησιµοποιήθηκε κάνναβος (grid) τριών διαστάσεων εύρους 1000 x 1050 x 470 µέτρα, µε αποστάσεις 10 µέτρων στο οριζόντιο επίπεδο και 5 στον κατακόρυφο, που αντιστοιχεί σε 987000 κόµβους (nodes). Η κατασκευή επιφανειών (εδάφους, έργων, στρωµατογραφίας κ.λπ.) λειτουργεί µε την κατασκευή ενός επίπεδου καννάβου σε κάθε σηµείο του οποίου αντιστοιχεί µία τιµή υψοµέτρου. Η µεθοδολογία που θα χρησιµοποιηθεί για την κατασκευή grid (κανναβοποίηση) επιλέγεται από τον µελετητή ανάλογα µε τη φύση και τα χαρακτηριστικά των δεδοµένων. Η δηµιουργία της επιφάνειας του εδάφους έγινε χρησιµοποιώντας σηµεία (points) µε γνωστές συντεταγµένες. Τα σηµεία προέκυψαν από την υφιστάµενη αποτύπωση, η οποία όµως έγινε σε εύρος 50µ. εκατέρωθεν της χάραξης. Η αποτύπωση συµπληρώθηκε µε στοιχεία τοπογραφικού υποβάθρου από τη µελέτη οδοποιίας (τα οποία πιθανότατα προέκυψαν από ψηφιοποίηση των χαρτών ΓΥΣ). Οι ισοϋψείς αυτές ψηφιοποιήθηκαν και εξήχθησαν τα απαραίτητα σηµεία µε συντεταγµένες. Ακολούθησε η κατασκευή κανάβου µε τη µέθοδο τριγωνοποίησης (triangulation), από την οποία εξήχθη το µοντέλο της επιφάνειας. Μία επιφάνεια αφού παραχθεί, µπορεί να παρουσιασθεί µε διάφορους τρόπους, µε τρισδιάστατη απεικόνιση, µε µορφή ισοϋψών ή µε χρωµατική κλίµακα αναγλύφου. 4.2 ηµιουργία επιφάνειας από τοπογραφικό υπόβαθρο 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3
Εικόνα 2: Μορφολογικός χάρτης Picture 2: Morphology map Για τη βελτίωση της τρισδιάστατης παρουσίασης υπάρχει η δυνατότητα επικόλλησης (drape) ενός ορθοφωτοχάρτη (ή άλλης εικόνας) πάνω σε αυτήν. Στη συγκεκριµένη περίπτωση χρησιµοποιήθηκε εικόνα από το google earth µε την εφαρµογή της τιµής 0 στην ανύψωση αναγλύφου εδάφους, ώστε να αντιστοιχεί σε ορθή απεικόνιση. Για να ολοκληρωθεί η απεικόνιση της περιοχής κατασκευάστηκαν και δύο ξεχωριστές επιφάνειες για το οδόστρωµα και τα έργα οδοποιίας. Τέλος προστέθηκαν και άλλα στοιχεία του έργου όπως οι σήραγγες (Νεοχωρίου, Κρυσταλλοπηγής), οι οχετοί, η αποστραγγιστική σήραγγα, ακόµα και αποστραγγιστικές οπές για τις οποίες διαθέταµε κατασκευαστικά δεδοµένα, τα οποία προσοµοιώθηκαν µε αντίστοιχα γεωµετρικά σχήµατα. Εικόνα 3: Επιφάνειες εδάφους, εικόνας (draped), επιχωµάτων και οδοποιίας Picture 3: Surfaces of land, draped image, embankments and alignment 4.3 ηµιουργία γεωλογικού µοντέλου Τονίζεται ότι σκοπός της εργασίας αυτής δεν είναι η νέα γεωλογική µελέτη του έργου αλλά η ανάδειξη της χρησιµότητας εξειδικευµένου λογισµικού στη διεκπεραίωσή της, η εφαρµογή νέων τεχνικών και λογισµικού και η σύγκριση της παραγωγής γεωλογικών µοντέλων µε τα αντίστοιχα µιας πιο παραδοσιακής τεχνικής (σχεδίαση σε autocad). 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4
Λιθολογία Στρωµατογραφία Με τον όρο λιθολογία στο Rockworks, εννοούµε τους παρατηρούµενους σχηµατισµούς κατά τη διάτρηση, που µπορεί να συναντηθούν παραπάνω από µία φορές. Η συνήθης πορεία κατά τη διάρκεια µιας γεωλογικής µελέτης µε τη χρήση του rockworks είναι η εισαγωγή της λιθολογίας των γεωτρήσεων, η παραγωγή λιθολογικών τοµών και η συσχέτιση οµαδοποίηση των λιθολογιών σε στρωµατογραφικούς πλέον σχηµατισµούς. Αυτή η µεθοδολογία απαίτησε τη δηµιουργία ενός ενιαίου λιθολογικού υποµνήµατος, ώστε να ενοποιηθούν οι περιγραφές των ευρηµάτων των γεωτρήσεων. Το πρόγραµµα δίνει τη δυνατότητα δηµιουργίας διαφόρων πινάκων λιθολογίας και σχεδίασης των συµβόλων των σχηµατισµών. σχηµατισµών όπως διαµορφώθηκε για να εισαχθεί στη βάση είναι το ακόλουθο: Εικόνα 4: Υπόµνηµα στρωµατογραφίας Picture 4: Stratigraphy table Σηµειώνεται ότι η σειρά εµφάνισης των στρωµατογραφικών σχηµατισµών στο υπόµνηµα του προγράµµατος (στήλη order) δεν ταυτίζεται πάντα µε τη χρονολογική σειρά εµφάνισης στα γεωλογικά υποµνήµατα (νεότερο προς παλαιότερο). Και αυτό γιατί το πρόγραµµα δέχεται την εµφάνιση των στρωµάτων µε µία συγκεκριµένη σειρά που θα ορίσει ο χρήστης και δεν επιτρέπει αλλαγές σε αυτήν την αλληλουχία ή επανεµφανίσεις σχηµατισµών. Εδώ αξίζει να τονισθεί ότι µπορεί ένα λογισµικό να προσοµοιάζει την πραγµατικότητα κατά τον καλύτερο δυνατό τρόπο, αλλά η κρίση του χρήστη µελετητή είναι αυτή που θα το κάνει πιο ευέλικτο και χρηστικό εργαλείο, παρακάµπτοντας τις ατέλειές του. Εικόνα 3: Μητρώο γεώτρησης Picture 3: Borehole log Στη συγκεκριµένη εργασία δεν εξελίχθηκε στρωµατογραφικό µοντέλο από την αρχή. Για να επιτευχθεί η κατά το δυνατόν µεγαλύτερη σύγκλιση µε το υφιστάµενο γεωλογικό µοντέλο (της κας Παπαγεωργίου), επιλέχθηκε να εισαχθεί στη βάση απευθείας η στρωµατογραφία του µοντέλου αυτού. Πιο συγκεκριµένα το υπόµνηµα των γεωλογικών Μετά την καταχώρηση της στρωµατογραφίας, γίνονται κάποιες διορθώσεις, καθώς και τοποθέτηση µηδενικών ζωνών στα στρώµατα που δεν συναντώνται, ώστε να γίνει πιο ακριβής παρεµβολή µεταξύ των θέσεων εµφάνισης των σχηµατισµών. Η διόρθωση αυτή µπορεί να γίνει µε ειδικό γραφικό εργαλείο (stratigraphy picker), το οποίο δίνει καλύτερη αντίληψη στο µελετητή. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5
Εικόνα 5: Γραφικό εργαλείο διόρθωσης στρωµατογραφίας Picture 5: Stratigraphy picker Στη συνέχεια κατασκευάζεται το τρισδιάστατο γεωλογικό µοντέλο, το οποίο µπορεί να γίνει µε διάφορες µαθηµατικές µεθόδους, η κάθε µία από τις οποίες έχει τα δικά της µειονεκτήµατα και πλεονεκτήµατα. Στη συγκεκριµένη εφαρµογή χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος Inverse-Distance η οποία έχει και τη δυνατότητα επιρροής από ρήγµατα (που έχουν προηγουµένως ψηφιοποιηθεί στη βάση). Εικόνα 6: Οριζοντιογραφία µε τα κύρια ρήγµατα στην περιοχή Picture 6: Map with the main faults in the landslide area Το παραγόµενο µοντέλο µπορεί να παρουσιασθεί µε διάφορους τρόπους. Στην εικόνα 7 δίνεται το µοντέλο µε τις επιφάνειες σε παράθεση. Εικόνα 7: Τρισδιάστατο γεωλογικό µοντέλο κατολίσθησης Κρυσταλλοπηγής Picture 7: 3-dimensional geological model of Krystallopigi landslide 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6
Μετά την παραγωγή του µοντέλου, υπάρχει η δυνατότητα εµφάνισης στρωµατογραφικών τοµών οπουδήποτε επιλέξει ο χρήστης. Εικόνα 8: Παραγόµενη Γεωλογική τοµή Picture 8: Geological section Στη βάση των γεωτρήσεων καταχωρήθηκαν επίσης πλήρη στοιχεία µετρήσεων πιεζοµέτρων (ηµ/νία, στάθµη, βάθος οργάνου). Τα στοιχεία αυτά χρησιµοποιήθηκαν για τη δηµιουργία µοντέλου στάθµης των υπόγειων υδάτων, µία απεικόνιση του οποίου σε συνδυασµό µε το επιφανειακό υδρογραφικό δίκτυο, δίνεται στην εικόνα 9. Το κατώτερο όριο των υπόγειων υδάτων όπως παρουσιάζεται στην τοµή αναφέρεται στη θέση εγκατάστασης του αντίστοιχου οργάνου µέτρησης (όπως αναφέρεται και στην παράγραφο 4). Εικόνα 9: Τοµή Υδραυλικού µοντέλου Picture 9: Aquifer profile presentation 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η επιτυχής χρήση των νέων τεχνολογιών πληροφορικής αποτελεί σήµερα αναπόσπαστο εργαλείο στα χέρια ενός µελετητή. Η χρήση λογισµικών τα οποία συνδέουν γεωλογικάγεωτεχνικά χωρικά δεδοµένα και ταυτόχρονα απεικονίζονται στο χώρο (σε δισδιάστατη και τρισδιάστατη µορφή), ανεβάζει την παραγωγικότητα του µελετητή και τη δυνατότητα αντίληψης σε υψηλό επίπεδο. Παράλληλα όµως, η χρήση µαθηµατικών µεθόδων για τη µοντελοποίηση φυσικών φαινοµένων (π.χ. κατολισθήσεων) ή γεωµορφολογικών εµφανίσεων, περιλαµβάνει και την παγίδα της χρήσης τους χωρίς βαθιά αξιολόγηση από τον επιστήµονα. Καµία µέθοδος δεν µπορεί να αντικαταστήσει την πολυπλοκότητα του ανθρώπινου µυαλού στο συνδυασµό διαφόρων δεδοµένων αλλά και της αίσθησης της φυσικής υπόστασης. Πάντως, καθίσταται σαφές ότι τα σύγχρονα εξειδικευµένα λογισµικά πακέτα είναι ένα χρήσιµο εργαλείο, ειδικά στη µελέτη µεγάλων οδικών έργων και µπορούν να αντικαταστήσουν παραδοσιακούς τρόπους εργασίας. Η τεχνική αρτιότητα της µελέτης που επιτυγχάνεται µε τη χρήση των περιγραφόµενων νέων τεχνολογιών, µπορεί να επιφέρει ελαχιστοποίηση του χρόνου κατασκευής και του κόστους ενός έργου, αλλά και καλύτερη συνολική διαχείρισή του. 6. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν την κα Φυγαλία Παπαγεωργίου, γεωλόγο, για τη διάθεση των σχεδιαστικών αρχείων του γεωλογικού µοντέλου της κατολίσθησης. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 7
7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - ΕΓΝΑΤΙΑ Ο ΟΣ Α.Ε. (2007-2009), Μηνιαία αναφορά παρακολούθησης Κατολίσθησης Κρυσταλλοπηγής, Greece - Rockware (2008), Rockworks 14, USA -Χ. Κράνης, Β.Ε. Αντωνίου, 2003, Γεωλογικοί Χάρτες, Σηµειώσεις Μαθήµατος, Τµήµα Γεωλογίας Πανεπιστηµίου Αθηνών 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 8