Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo áp lực nước trong đất trường đại học bách khoa tp hồ chí minh

oe — _ŒM 4/91 _ BỘ GIÁU DỤC WA DAO TAO DAI HQC QUOC GIA TP.HCM ~ TRUGNG DAI HOC BACH K Ca BAO CAO DE TAINGHIEN CUU KHOA HOC CAP THANK PHO A Tén dé tal: NGHIEN CUU CHE TAO HE THONG po AP LUC NUGC TRONG DAT Ung dung va-chuy: Đào tạo Đại học giao công nghệ - LAM Sau Đại học NGHIÊN CỨU : Co quan quan lý 0d quan chủ trì Đơn vị thực Chủ nhiệm đề tài Hợp đồng số :_ : —: - Sở Khoa hoc Céng nghé TP HCM Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM Phịng Thí Nghiệm Cơ học Ứng Dụng - ĐHBK :68§.TS Ngơ Kiểu Nhi :_ 92/HĐ - SKHGNMT Thang 08/2005 Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Thành phố I TONG QUAN Mục đích quan trắc nước giới Việt Nam Bảo vệ nguồn tài nguyên nước nhiệm vụ hàng đầu người giai đoạn lâu dài sau.Vấn để bảo vệ nguồn nước khơng cịn vấn để quốc gia mà trở thành nhiệm vụ chung nhiều nước Các nguồn nước sử dụng chủ yếu giới nguồn nước mặt sơng ngịi, ao hổ, nguồn nước đất Hai nguồn nước đóng vai trò quan trọng đảm bảo sống người, đảm bảo hoạt động sản xuất công nông nghiệp, đấm bảo cân sinh thái Bên cạnh vấn để chất lượng nguồn nước việc khai thác sử dụng nguồn nước hợp lý mục tiêu quan trọng Để đạt mục tiêu mạng lưới trạm quan trắc xây dựng rộng khấp giới nhằm mục đích theo dõi trình khai thác sử dụng, chất lượng nguồn nước, phân bố nguồn nước từ có đánh giá nhằm sử dụng nguồn nước hiệu Đối với trạm quan trắc việc theo đối mực nước tiêu thiếu được, kể quan trắc nguồn nước mặt hay nước duới đất Đối với nguồn nước mặt, theo dõi mực nước cách đủ kịp thời giúp cho việc đánh giá dự báo dòng chẩy, lưu lượng; quan trắc mực nước vùng phụ cận đánh giá trữ lượng hồ, đánh giá khả trữ nước hay xả nước có kế hoạch sử dụng nguồn nước cụ thể Đối với nguồn nước ngầm việc quan trắc mực nước giúp điểu tiết khả sử dụng nước đất cách hơp lý, hạn chế gây ô nhiễm nguồn nước, tượng sụt lún cơng trình xây dựng, đặc biệt đánh giá cảnh báo xâm nhập nước biển Môt số lĩnh vực ứng dung: Ngoài mục tiêu bảo vệ nguồn nước quan trắc mực nước cịn ứng dụng số lĩnh vực khác theo dõi điểu hòa hệ thống tuới tiêu, điều tiết nước hổ chứa Quan trắc mực nước hay áp lực nước lỗ rỗng đất có vai trị quan trọng việc theo dõi bảo vệ cơng trình đất đê điều, đập Nếu xác định phân bố biết thay đổi thành phân nước đất đễ dàng cảnh báo hư hỏng xây CS Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Thành phố "— Thực trang quan trắc Việt Nam: Theo báo cáo Diễn biến môi trường, Việt Nam quốc gia có trữ lượng nước lớn, có hệ thống sơng ngịi day đặc, tổng đòng chảy hàng năm 255 tỷ mỶ, khả sử dụng đạt mức 53 tỷ mỶ mà chủ yếu sở vật chất khả tài cịn Bên cạnh nguồn nước mặt đổi dào, Việt Nam cịn có trữ lượng nước đất lên đến 60 tỷ mỶ, khai thác 5% Mặc dh khai thác cách không hợp lý nên nguồn nước ngầm bị ô nhiễm nghiêm trọng đặc biệt thành phố lớn Hà Nội, Hồ Chí Minh Theo đánh giá phủ nguồn tài nguyên nước đưa vào sử dụng tăng cách đáng kể năm tới, đó, vấn để bảo vệ nguồn nước, khai thác sử dụng hợp lý yêu cầu hàng đầu Ở Việt Nam mạng quan trắc bao gồm hai hệ thống gồm mạng quan trắc quốc gia gồm 232 trạm thủy văn mạng quan trắc địa phương gồm 310 trạm với 600 điểm quan trắc nước ngầm Tuy nhiên với số lượng không đáp ứng yêu cầu quan trắc nguồn nước với trữ lượng lớn, chưa đáp ứng nhu cầu khai thác sử dụng gia tăng nhanh chóng Dự kiến phủ phải tăng dẫn số trạm quan trắc phủ khắp nước tăng dần suất quan trắc trạm Ngồi ra, Việt Nam có hệ thống đê sông đê biển trãi dài từ bắc vào nam Đặc biệt hệ thống đê sông Hồng sông Mêkông lớn, hai hệ thống đê bảo vệ sống hàng triệu người hai khu vực sản xuất lớn nước, Đảm bảo an toàn cho hai hệ thống đê hay hệ thống đê nói chung nước nhiệm vụ quan Các hệ thống đê dễ bị phá hủy đặc biệt vào mùa mưa, mà mực nước sông dâng cao kết hợp với nước mưa khả chịu tải cơng trình đất giảm nhiễu Khả phụ thuộc nhiều vào áp suất nước đất, theo dõi thường xuyên áp suất nước đất dự báo sớm hư hỏng xây Ngồi cơng trình đất khác có nhu câu theo đõi khả ¬ăng chịu tải đất để đánh giá chất luợng, tuổi thọ cơng trình, khả làm việc nên việc theo dõi áp lực nước lỗ rỗng áp dụng để đánh giá mục tiêu Từ nhu cầu đó, nhóm để xuất =ghiên cứu, thiết lập va chế tạo hệ thống đo mực nước hay đo áp lực nước Đây `3 đối tượng nghiên cứu để tài bà nầy Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Thành phố Phân loại thiết bị đo mực nước: Thiết bị đo áp suất hay đo mực nước nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh, gồm nhiều chẳng loại khác áp dụng cho nhiễu đối tượng khác Các thiết bị đo chủ yếu thiết bị đo điện tử có khả hoạt động thời gian dài Các thiết bị đo mực nước giới phong phú, hoạt động nhiễu nguyên lý đo khác như: đo không tiếp xúc sóng siêu “ âm, rada, tiếp xúc thi thông qua áp suất hay hệ thống phao treo, tùy theo đối tượng cân đo, tầm đo, độ xác 4.1 Câm biển đo mực nước dạng siêu âm: Cam biến đo siêu âm thuộc loại cảm biến đo không tiếp xúc, cảm biến phát chùm sóng truyển qua khơng khí, chùm sóng phản xa trở lại gặp bể mặt chất lỏng thiết bị thu nhận sóng phản xạ Xác định khoảng thời gian thời điểm sóng truyền thời điểm nhận sóng phản xạ tính khoảng cách từ cảm biến đến bể mặt chất lồng Ưu điểm tuyệt đếi cảm biến sóng siêu âm cảm biến hoàn toàn nằm tách biệt, không tiếp xúc với chất lỏng Các tác nhân ảnh hưởng đến độ xác cảm biến đạng siêu âm góc phát sóng âm, bể mặt chất lỏng khoảng cách từ cảm biến đến chất lỗng Cảm biến dạng siêu âm có khoảng cách tối thiểu thường khoảng từ 30 đến 45cm Nếu mực nước dâng lên nằm khoảng cảm biến khơng thể phân biệt sóng truyền sóng dội, kết khơng thể tính mực nước Tuy nhiên cảm biến siêu âm lại cho kết xác bể mặt chất lỏng gân khoảng cách giới hạn Cảm biến siêu âm phải bố trí cho vng góc với bể mặt chất lỏng để đấm bảo sóng truyền phản xạ trở lại cảm biến Ngoài ra, cảm biến phải đủ xa thành để tránh sóng âm chạm vào thành chắn Các yếu tố ánh hưởng đến độ xác cảm biến đo áp suất sóng âm: Nhiệt độ mơi trường: Nhiệt độ khơng khí hay lượng xạ nhiệt ảnh hưởng kể lên độ xác cắm biến Tốc độ truyền âm khơng khí thay đổi đáng kể nhiệt độ Khơng khí thay đổi Khi nhiệt độ khơng khí thay đổi 12C tốc độ truyền âm khơng khí thay đổi 0.18% Nếu cảm biến bố trí bên giếng cách iy nhiệt độ giếng thay đổi lớn nhiều so với nhiệt độ bên ngồi, vấn để bù nhiệt cần thiết Các cảm biến đạng siêu âm -3- ~ -— ~—- Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Thành phố có hệ thống bù nhiệt độ, cảm biến giả sử tốc độ truyền âm khơng khí khơng thay đổi, nhiệt độ đo bù vào tính tốn khoảng cách cảm biến mực chất lỏng Ngoài thiết bị điện tử bị ảnh hưởng nhiệt độ, cảm biến nên để bóng râm Sóng bề mặt chất lơng: Vì cắm biến siêu âm nhận sóng phần xạ từ bể mặt chất lồng, Thơng thường ta bố trí cảm biến giếng cách ly mặt nước phản xạ sóng thật ổn định Ngồi ra, sóng âm bị hấp thụ dé dàng lớp bọt, sóng phản xa di qua lớp bọt làm thay đổi hướng nên ảnh hưởng đáng kể đến độ xác cẩm biến Tuy nhiên giảm góc phát chùm sóng siêu âm hạn chế đáng kể ảnh hưởng bọt Các ưu nhược điểm cảm biến siêu âm là: Uu điểm: - Do không tiếp xúc với nước nên không bị ảnh hưởng nhiệt độ thay đối nước, rác, hay sinh vật sống nước - Khong bị ảnh hưởng tốc độ dòng chảy - Cân chuẩn dễ dàng - Chỉ phí bảo trì thấp - Độ tuyến tính cao, tính trể r Sy ~ a bể mặt chất lổng có sóng ảnh hưởng đến độ xác cẩm biến - Đệ tin cậy lớn Nhược điểm: - Bị ảnh hưởng đáng kể thay đổi nhiệt độ môi trường, bọt mặt nước, mạng nhện - Phải cân chuẩn góc cảm biến theo phương thẳng đứng xác - Ảnh hưởng sóng bể mặt - Khơng thể đo mực nước thay đổi n:'ều không gian chật hẹp -4- Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Thành phố 4.2 Câm biến đo mực nước dạng phao: Cảm biến dạng phao thường có hai loại Loại thứ gồm có phao nối với đối trọng thông qua puly Khi mực nước dâng lên hay hạ xuống đối trọng làm căng dây, puly dây tiếp xúc với khiến cho puly quay theo dẫn Đo góc quay puly xác định dâng lên hay hạ xuống mực nước Loại thứ hai phao nối với dây dẫn, đối trọng puly thay lị xo xoắn Lị xo xoắn ln phải chịu nén, mực nước dâng lên, phao dâng theo lò xo xoắn giải nén Tương tự loại trên, đo góc quay lị xo xoắn xác định dâng lên hay hạ xuống mực nước Vì phao thả mặt nước nên để tránh ảnh hưởng sóng dong chây, vật trôi, phao thường bỏ giếng cách ly a) Hệ thống gồm phao, puly đối trọng |ï b) Hệ thống bao gồm phao lò xo xoắn Hình 1: Nguyên lý làm việc cẩm biến dạng phao Ưu nhược điểm: Uu điểm: - Không bị ảnh hưởng nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước - Không bị ảnh hưởng bọt - Giá thành chi phi bdo trì thấp Nhược điểm: - Nếu mực nước ổn định thời gian dài puly, hay lò xo xoắn bị hư hỏng Báo cáo nghiệm thu để tài cấp Thành phố 4.3 Câm biến đo dang áp suất: Đây loại cẩm biến thông dụng dé dang sử dụng Cảm biến đo mực nước dựa nguyên lý áp suất điểm nước tỉ lệ tuyến tính với cột nước phía Do đo áp suất điểm biết trước, mực nước xác định dễ dàng Cảm biến để đo áp suất có nhiều loại khác nhau, phổ biến cảm biến dạng màng, màng có tích hợp thiết bị đo điện tử, có áp suất thay đổi, thiết bị đo điện tử cắm nhận biến dạng màng chuyển thành tín hiệu điện Dựa vào quan hệ đặc tính học màng, tín hiệu điện thiết bị điện tử mà tính áp suất tác động lên màng hay tính thay đổi mực nước Tùy theo cấu tạo cảm biến đo áp suất mà có loại đo áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối Vì cầm biến loại đo áp suất nên bị ảnh hưởng thay đổi áp suất khí quyển, để đo áp mực nước xác phải bà áp suất khí quyển, biện pháp chủ yếu đo áp suất khí để làm tham chiếu đo chênh áp trực tiếp điểm cẩn đo với áp suất khí phía mặt thoáng Cẩm biến đo áp suất dễ sử dụng, cần bố trí thấp điểm thấp khoảng 20cm quan trắc dễ dàng Các tu nhược điểm: Uu điểm: - Dễ lắp đặt - Không bị ảnh ưỡng thay đổi nhiệt độ khí - Không bị ảnh hưởng bọt - Giá thành thấp Nhược điểm: - Bị ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ nước - Bị ảnh hưởng rác trôi sinh vật sống nước - Để có kết xác hơn, cảm biến thường lắp giếng cách - Có thể bị hư hỏng sét, tiếp xúc trực tiếp với nước Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Thành phố Š Đỉnh hướng nghiên cứu để tài: Tại Việt Nam trạm quan trắc mực nước chủ yếu dùng cảm biến đo áp suất Mỹ, Hà Lan, Nhật Các cảm biến chủ yếu làm việc độc lập, sử dụng pin, có chức lưu trữ liệu lớn, tần suất lấy mẫu thay đổi Tuy nhiên cảm biến sau sử dụng hết lượng khơng có pin thay thế, liệu truyền máy tính có kết nối trực tiếp Diéu hạn chế đáng kể khả cập nhật liệu liên tục nhằm đưa dự báo tức thời hạn chế khả phát triển mạng quan trắc rộng khắp Trên nhu cầu đó, nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến đo mực nước thông qua áp suất với đặc điểm cho phép phát triển hệ thống đo có khả hoạt động thời gian dài, cập nhật truyền liệu liên tục, nhằm đáp ứng câu phát triển trạm quan trắc tự động Bên cạnh chúng tơi nghiên cứu ứng dụng vào lĩnh vực đo áp suất nước đất, đặc biệt cơng trình đất đắp để phục vụ việc theo dõi thường xuyên đưa cảnh báo tức thời khả phá hủy Mạng quan trắc dự kiến sau ~+—Chênh lệch mực nườc re nước 2mm ee—— bee Su” Mạng điện thcai công cộng en 143y tinh laptop œ động Hình 2: Mơ hình mạng quan trắc