Powódź – konieczność monitorowania i diagnozowania infrastruktury krytycznej

Powódź to najczęściej występująca katastrofa naturalna w Polsce, która powoduje nie tylko bezpośrednie straty materialne, ale również wpływa długofalowo na wiele obszarów społeczno-gospodarczych, takich jak przemysł, rolnictwo, turystyka czy edukacja. Skutki zmian klimatycznych są widoczne poprzez coraz bardziej ekstremalne zjawiska pogodowe, co między innymi wpływa na wzrost ryzyka powodzi. Zarówno ostatnie powodzie, które nawiedziły Polskę, jak i te wcześniejsze (w szczególności powódź tysiąclecia z 1997 roku), pokazują, jak ważne jest monitorowanie infrastruktury krytycznej. Systemy diagnozowania instalowane na wałach przeciwpowodziowych, zaporach czy zbiornikach wodnych mogą zasadniczo wpłynąć na poziom bezpieczeństwa. Monitoring pozwalający na ocenę stanu technicznego strategicznej infrastruktury to szansa na wykrycie nieprawidłowości (np. przesiąku, rozszczelnienia, wycieku) już na bardzo wczesnym etapie.

Nasi inżynierowie uczestniczyli w dwóch istotnych projektach badawczych związanych z monitorowaniem stanu konstrukcji za pomocą czujników światłowodowych, w tym technologii pomiarów drgań (DAS) i temperatury (DTS).

PROJEKTY BADAWCZE PROWADZONE PRZEZ INŻYNIERÓW SHM SYSTEM

🔴 Zapora w Rybniku – analiza zmian w czasie na obiekcie infrastruktury krytycznej

Badania zostały przeprowadzone we współpracy z PAN i Politechniką Warszawską. Inżynierowie SHM System brali udział w badaniach geofizycznych i pomiarach termicznych realizowanych w październiku 2023 r. i czerwcu 2024 r. w obrębie Zbiornika Rybnickiego. Trasy pomiarowe objęły całą długość zapory czołowej (800 m) oraz fragmenty zapory bocznej w miejscowości Orzepowice (2 x 120 + 2 x 140 = 520 m).

Na potrzeby badań zainstalowano w gruncie m.in. monolityczne czujniki światłowodowe EpsilonGraph. W zależności od zastosowanego rejestratora, czujnik ten umożliwia symultaniczne pomiary różnych wielkości fizycznych: drgań (distributed acoustic sensing DAS), temperatury (distributed temperature sensing DTS) oraz odkształceń (distributed strain sensing DSS). W trakcie badań wykorzystywano także wybrane metody geofizycznych technik pomiarowych, takich jak metoda georadarowa GPR, tomografia elektrooporowa ERT czy geofony trzykierunkowe.

W wyniku badań potwierdzono skuteczność stosowania geometrycznie ciągłych czujników światłowodowych (m.in. w technologii DAS distributed acoustic sensing i DTS distributed temperature sensing) jako źródła precyzyjnych danych o parametrach konstrukcji geotechnicznych.

Jednorazowa instalacja czujnika pozwala na łatwe i precyzyjne pomiary stanu konstrukcji na odcinkach rzędu nawet kilkudziesięciu kilometrów z rozdzielczością przestrzenną rzędu 1 m.

Pomiary wykonywać można w sposób automatyczny lub okresowo, wspomagając ekspertów w ocenie stanu technicznego konstrukcji obiektywnymi danymi. Stosowane czujniki są całkowicie odporne na działanie warunków atmosferycznych, w tym na cykliczne zmiany temperatury i wilgotności. Dlatego z powodzeniem mogą pracować w bardzo długim okresie czasu, a najlepiej w całym cyklu życia konstrukcji geo- lub hydrotechnicznej.

Warto podkreślić, że w sytuacjach kryzysowych możliwe jest prowadzenie pomiarów w czasie rzeczywistym, co daje szansę szybkiego reagowania na wszelkie nieprawidłowości.

🔴 Wieloetapowe badanie aktywnych technik sejsmicznych na potrzeby sejsmologii środowiskowej

Coraz częściej dochodzi do uszkodzeń nasypów z uwagi na starzenie się infrastruktury, awarie fundamentów, nadmierną filtrację i przesiąkanie, erozję wewnętrzną czy powstawanie i rozwój pęknięć.

Inżynierowie SHM System we współpracy z PAN i Politechniką Warszawską zrealizowali serię pomiarów z wykorzystaniem aktywnych źródeł sejsmicznych oraz technologii pomiarów drgań (DAS) na zaporze, w miejscowości Orzepowice. W badaniu wykorzystano m.in. czujniki światłowodowe EpsilonGraph dedykowane do równoczesnego pomiaru temperatury i odkształceń strukturalnych. Dzięki dodatkowi grafitu czujnik charakteryzuje się poprawioną przewodnością cieplną, jest lekki, o małym promieniu gięcia i niskiej sztywności, przez co świetnie współpracuje z monitorowaną konstrukcją i jest łatwy do zainstalowania. Uzyskane dane posłużyły do analizy stanu technicznego zapory, nasycenia gruntu wodą oraz lokalnych zagęszczeń lub rozrzedzeń ośrodka gruntowego. Wyniki mogą być wykorzystywane do okresowej oceny stanu technicznego, a tym samym ryzyka wystąpienia awarii.

Co istotne, prowadzenie automatycznych pomiarów długotrwałych ogranicza konieczność wykonywania okresowych badań aktywnych z udziałem ludzi, minimalizując ryzyko niewykrycia zagrożeń na wczesnym etapie ich powstawania.

W obliczu powtarzających się powodzi nasuwa się wiele pytań. Poniżej kilka z nich.

🔴 Czy można zabezpieczyć konstrukcję przed awarią?

Jak twierdzi prof. Paweł Popielski z Politechniki Warszawskiej, ryzyka nie można wyeliminować – „Zawsze jest ryzyko, bo z jednej strony woda to bardzo dynamiczny żywioł, a z drugiej – jej interakcja z budowlą hydrotechniczną jest zmienna w czasie”.

W tym kontekście istotnie rośnie znaczenie monitorowania bezpieczeństwa konstrukcji. Dzięki pomiarom jesteśmy w stanie w czasie rzeczywistym określać stan jej zagrożenia i podejmować działania w miejscach, gdzie niebezpieczeństwo jest największe. Obecnie przystępujemy do napraw dopiero po wystąpieniu uszkodzenia wałów.

🔴 Czy można zlokalizować, a następnie zabezpieczyć „słaby punkt” wałów?

Jak zauważa prof. Paweł Popielski – „Zawsze może nastąpić awaria, przy czym w przypadku wałów występują one lokalnie, na długości kilkudziesięciu metrów, a przecież całe wały mają setki kilometrów. Kluczowe, ale jednocześnie bardzo trudne, jest więc zlokalizowanie tego najsłabszego miejsca w trakcie oceny technicznej przed wezbraniami”.

I tu z pomocą przychodzą czujniki światłowodowe, które mogą obejmować pomiarami nawet kilkudziesięciokilometrowej długości odcinki wałów, przekazując informację o ich stanie technicznym z rozdzielczością geometryczną rzędu 1 m.

🔴 Jakie są najczęstsze przyczyny awarii wałów przeciwpowodziowych?

Prof. Popielski wskazuje na możliwą formę zniszczenia wału – są to „deformacje filtracyjne, powstałe na skutek długotrwałego piętrzenia wody i stanu wału przed wezbraniem. Mogą one powodować zniszczenie korpusu lub podłoża wału”.

Zastosowanie technologii pomiarów akustycznych DAS i termicznych DTS ma umożliwić analizę zmian stanu wału w czasie obecności fali wezbraniowej oraz po jej przejściu. Technika światłowodowa umożliwia prowadzenie tych analiz na bardzo długich odcinkach wałów, liczonych w dziesiątkach kilometrów. Dzięki temu nasza wiedza o stanie wałów i wynikającym stąd ryzyku ich lokalnego uszkodzenia będzie znacznie lepsza. Będziemy mogli reagować z wyprzedzeniem, zanim dojdzie do zniszczenia wałów.

🔴 Czy można monitorować stan wałów i zapór?

Zapory i wały w Polsce mają kilkadziesiąt lat. Ich eksploatacja oraz naprawa nie jest ani prosta, ani tania. Natomiast dzięki odpowiednio zaprojektowanemu systemowi monitorowania znaczącą część zagrożeń można zidentyfikować na wczesnym etapie, a następnie wprowadzić działania naprawcze jeszcze przed wystąpieniem katastrofy.

🔴 Co jest istotne dla ochrony przeciwpowodziowej?

„Dla ochrony przeciwpowodziowej kluczowe jest też, by nie tylko obiekty hydrotechniczne, ale też poszczególne jednostki współpracowały jak sprawny system” – zauważa prof. Popielski.

Oczywiście nie ma 100% skutecznych zabezpieczeń ochrony przeciwpowodziowej. Z perspektywy bezpieczeństwa, istotny byłby scentralizowany dostęp do danych, co umożliwiłoby połączenie polskich systemów hydrotechnicznych w jedną sieć. To z kolei pozwoliłoby na natychmiastową reakcję i sprawne przygotowanie działań w celu uniknięcia zagrożeń. 

PODSUMUJMY

W obliczu postępujących zmian klimatu, trzeba mieć świadomość, że zdarzenia z ostatnich dni będą powtarzać się coraz częściej. Konieczne jest więc wdrożenie odpowiednich systemów wczesnego reagowania. Systemy światłowodowe DAS, DSS oraz DTS pozwolą na opomiarowanie setek kilometrów wałów przeciwpowodziowych, zapór i zbiorników. Pomiary mogą być wykonywane automatycznie w czasie rzeczywistym (w szczególności w trakcie sytuacji kryzysowych), ale także okresowo wspomagając ekspertów w rzetelnej ocenie stanu technicznego danej konstrukcji. Tym samym możliwe będzie optymalne zarządzanie konstrukcją, w tym zmniejszenie ryzyka awarii i redukcja kosztów długookresowych. Wdrożenie rozwiązań prewencyjnych jest kluczowe z punktu widzenia bezpieczeństwa mieszkańców terenów szczególnie narażonych na zalania.