tiểu luận quan trắc công trình thủy

Phạm viChương này đề cập đến toàn bộ các công tác liên quan đến việc đo đạc, quan trắc đập vật liệu địa phương, và các kết cấu tiếp giáp của đập vật liệu địa phương như tràn xả lũ, cống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI 

TIỂU LUẬN QUAN TRẮC CÔNG TRÌNH THỦY

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS PHẠM NGỌC THỊNH

MỤC LỤC CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THUỶ LỢI 3

1 Giớ i thi ệu chung về công trình Thuỷ lợi 3

2 Khái quát về công trình thuỷ lợi 4

CHƯƠNG II CÁC NỘI DUNG CHÍNH NÀO CẦN PHẢI TIẾN HÀNH QUAN

TRẮC ĐỐI VỚ I Đ ẬP VẬT LIỆ U Đ ỊA PHƯƠNG 5

2 Tổng quát về dụng cụ/hệ ống và phương pháp quan trắc th 5

2.1 Vai trò của phân tích các hiể m h ọa tiề ẩn (PFMA) đố m i v i vi ớ ệc thiế ế hệ t k

2.2 Vai trò của phân tích các hiể m h ọa tiề ẩn (PFMA) đố m i v i vi ớ ệc thiế ế hệ t k

4.2 Phương pháp đo và thiết b ị đo biến dạ ng 15

6.1 Tổng quan về quan trắ c áp l ực đất 22

1 Xây dựng chương trình quan trắc 23

1.1 Các nội dung xây dựng chương trình quan trắc 23 1.2 Mộ ố lưu ý khi xây dựng chương trình quan trắc t s 24

CHƯƠNG I KHÁI NI ỆM CƠ BẢN VỀ THUỶ LỢI

Thuỷ lợi là tập hợp tất cả các biện pháp nhằm khai thác mặt lợi, khắc phục, hạn chế ững nhtác h i do nguạ ồn nước gây ra và phòng chống giảm nh thiên tai Cũng có thẹ ể nói Thuỷ lợi

là ngành kỹ thuật đặc biệt chuyên về quản lý và sử dụng đất, nước và tài nguyên liên quan

để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như lưu trữ nước, phòng chống lũ lụt, tưới tiêu, cung cấp nước sinh hoạt và công nghiệp, điện, du lịch và hạ tầng phát triển Thuỷ lợi thường bao gồm thiế ế, xây dựng và quản lý các công trình thuỷ lợi như đập, hồ ứa, kênh đào, t k chcống hóa và các hệ ống tiêu thoát nước Nó cũng liên quan đến việc nghiên cứu và ứng thdụng các công nghệ hiện đại trong việc quản lý và sử dụng tài nguyên nước một cách bền vững và hiệu quả

Công trình thuỷ lợi cũng là một gi i phápả của thuỷ lợi

1 Giới thi ệu chung về công trình Thuỷ lợi

- Sử dụng công trình thuỷ lợi vào:

+ Nông nghiệp

+ Thuỷ điện

+ Giao thông thuỷ

+ Cấp nước sinh hoạt

+ Xử lý nước thải

+ Cấp nước công nghiệp

+ Nuôi trồng, đánh bắt thuỷ hải sản

+ Bảo vệ và phát ển môi trường sinh tháitri

+ Du lịch, văn hoá, y tế

+ Phòng, chống, tránh, giảm nhẹ thiên tai

Sử dụng nguồn nước theo nguyên tắc lợ ụng tổng hợpi d

2 Khái quát về công trình thuỷ lợi

2.1 Nhiệm v ụ của công trình Thuỷ lợi

- Công trình thuỷ lợi có nhiệm vụ làm thay đổi, c i biả ến trạng thái tự nhiên của dòng chảy, của nước trong sông, hồ, biển, nước ngầm để sử dụng nước hợp lý và phòng tránh thiên tai

2.2 Tác dụng của công trình Thuỷ lợi

- Dâng nước phía thượng lưu (hình 1.1)

+ Có tác dụng điều tiết lưu lượng và mực nước; phòng chống thiên tai

Hình I 2.12

- ều chỉnh lòng dẫn và dòng chảĐi y

- Lấy nước, chuyển nước, dẫn nước

- Tạo đường giao thông thủy, bộ

CHƯƠNG II CÁC NỘI DUNG CHÍNH NÀO CẦN PHẢI TIẾN HÀNH QUAN TRẮC ĐỐI VỚ I Đ ẬP VẬT LIỆ U ĐỊA PHƯƠNG.

1 Giới thi ệu chung

1.1 Mục đích

Cung cấp các thông tin tổng quan về các dụng cụ và công nghệ quan trắc đập đất bao gồm các nội dung chính:

+ Thiết kế hệ thống quan trắc;

+ Đánh giá dữ ệu thu đượ ừ hệ ống quan trắli c t th c;

+ Ứng xử với các thông tin bất thường thu đượ ừ hệ ống quan trắc t th c

1.2 Phạm vi

Chương này đề cập đến toàn bộ các công tác liên quan đến việc đo đạc, quan trắc đập vật liệu địa phương, và các kết cấu tiếp giáp của đập vật liệu địa phương như tràn xả lũ, cống ngầm… Dụng cụ và công nghệ quan trắc cho kênh và đê sông không được trình bầy trực tiếp ở chương này, tuy nhiên rất nhiều các nguyên lý và các hệ ống đo trình bầy trong thchương này có thể được áp dụng cho việc quan trắc đê sông và kênh dẫn

2 Tổng quát về dụ ng c ụ/hệ ống và phương pháp quan trắc th

2.1 Vai trò của phân tích các hiể m h ọa tiề ẩn (PFMA) đố m i v i vi ớ ệc thiế ế hệ t k thống

Để đưa ra một chương trình quan trắc hợp lý cho đập, có chi phí hiệu quả, trước tiên cần xác định các mối đe dọa tiề ẩn đối với đập, hoặc cơ chế hoạt động của các hiểm họa tiềm m

ẩn, mà chương trình quan trắc được thiế ế để giảt k i quyết

2.2 Vai trò của phân tích các hiểm họa tiề ẩn (PFMA) đối với việc thiết kế hệ m thống đo

Thiết kế hệ thống quan trắc cho đập bao gồm 3 bước:

- Xác định hình thức của các hiểm họa tiề ẩn (các nguyên nhân dẫn đến đập có thể bị hư m hỏng).

- Đối với từng hiểm họa tiề ẩn cần xác định chỉ tiêu then chốt có liên quan đến sự bắt đầm u hoặc quá trình phát triển của các hiểm h a tiềm ọ ẩn đối vớ ập.i đ

- Dự kiến biên độ/phạm vi của giá trị cần quan ắc phù hợp với điều kiện làm việc của đập.tr

2.3 Vai trò của quan trắc trực quan đập

Các thống kê về sự cố đập đều thống nhất chỉ ra rằng sự cố đập gây ra bởi tác dụng của dòng thấm (xói ngầm) chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng số các sự cố đập Nguyên nhân dẫn đến sự cố an toàn đập do xói ngầm chủ yếu là do đập không có hệ ống quan trắc hoặc có th

hệ ống quan trắc nhưng không sử dụng được, dẫn đến hiện tượng xói ngầm hình thành và thphát triển và không được x lý kử ịp thời

2.4 Vai trò của quan trắc trực quan đập

Liên quan đến vấn đề đánh giá an toàn thấm, thường phải trả lời các câu hỏi sau đây:

- Có hay không việc dòng thấm mang theo đất đá hạt mịn?

- Vận tốc/lưu lượng của dòng thấm có tăng theo thời gian không?

- Có hay không các vùng thấm hoặc các vùng ẩm ướt mới ở hạ lưu đập?

- Có hay không vùng cỏ tươi tốt, hoặc sự thay đổi bất thường của cỏ trên bề mặt đập? -Có hay không các cây lớn/hoặ ễ cây mọc xuyên vào trong đập?c r

- Có hay không các hang động vậ ở đật p?

- Có hay không các hố sụt lún ở đập?

- Có hay không vết nứt ngang đập?

Việc trả lời một số câu hỏi trên thông qua việc quan trắc bằng các thiết bị đo là không thực

tế, thay vào đó kiểm tra trực quan đập sẽ giải quyết tốt vấn đề này, do đó việc kết hợp giữa việc kiểm tra trực quan đập và đo đạc quan trắc bằng thiết bị là cần thiết

2.5 Vai trò của quan trắc trực quan đập

Kết hợp giữa kiểm tra trực quan đập và đo đạc quan trắc bằng thiết bị không chỉ cần thiết đối v i viớ ệc quan trắc thấm mà với cả các nguy cơ tiềm tàng khác Ví dụ, các dữ ệu quan litrắc (bằng thiết bị) về áp lực nước, biến dạng và các dữ ệu về nứt nẻ, đẩy trồ ở hạ lưu đậli i p được ghi nhận bằng kiểm tra trực quan đều quan trọng cho việc đánh giá sự ổn định của mái đập

2.6 Vai trò của thiết bị quan trắc

Thiết bị quan trắc có thể cung cấp các số ệu liên quan đến các thông số quan trọng củli a đập, ví dụ: chuyển vị và biến dạng; sự suy giảm của cột nước thấm khi dòng thấm di chuyển

từ thượng lưu về hạ lưu, qua thiết bị ống thấm và nền; lưu lượng thấm qua thân đập… chCác thông tin trên cung cấp điều kiện thực tế của đập trong quá trình làm việc, các dữ liệu này được so sánh với thiết kế để kiểm tra xem đập có làm việc như thiết kế hay không, qua

đó có các điều chỉnh phù hợp

Thông thường thiết bị quan trắc có thể phát hiện những thay đổi bất thường như sự thay đổi

áp lực nước, đại lượng này không thể quan sát bằng mắt thường, sự hình thành và phát triển của dòng thấm trong thân đập, sự biến dạng quá mức cho phép của đập… Những số liệu này sẽ đượ ử dụng để đưa ra những cảnh báo cho các vấn đề an toàn đập.c s

2.7 Lựa ọn thiế ị quan trắc ch t b

Việc lựa chọn thiết bị quan trắc phải được phân tích cho từng trường hợp cụ thể để có được phương án tối ưu Yêu cầu chung đối với thiế ị quan trắc như sau: độ chính xác được duy t btrì trong th i gian dài, càng đơn giờ ản càng tốt, chống chịu tố ới môi trường làm việc, bảo t vdưỡng đơn giản, tương thích với công nghệ xây dựng được áp dụng, giá thành hợp lý

3 Quan tr ắc thấm đập đất

3.1 Tổng quan về quan trắc thấm

- Công tác quan trắc thấm cần được tiến hành thường xuyên, chính xác cho dòng thấ ở m trong thân đập, qua thiết bị thoát nước Cần chú ý đến vấn đề dòng thấm có mang theo vật liệu hay không

- Bố trí “bẫy bùn cát” (tràn, bể lắng ở trước các tràn, bể lắng trong các giếng quan trắc, thiết lập các bẫy trầm tích …) dọc theo vị trí của dòng chảy có thể quan trắc được khả năng vận chuyển bùn cát của dòng thấm bẫy bùn cát nên được sơn mầu trắng để quá trình quan trắc vật liệu mang ra bởi dòng thấm được dễ dàng Khi việc bố trí các bẫy bùn cát không khả thi, việc quan sát trực quan để phát hiện sự vận chuyển bùn cát bởi dòng thấm nên được thực hiện

- Xác định lưu lượng thấm có thể ực hiện bằng cách bố trí các tràn tam giác hoặc các thmáng Trapezoidal dọc theo vị trí đi ra của các dòng thấm

3.2 Phương pháp đo và thiế ị đo thấ t b m

3.2.1 Thùng đo và đồng hồ bấm giờ

Hình II.3.2.1

Cách đơn giản nhất để xác định giá trị lưu lượng thấm là đo thời gian cần để rót đầy một thùng chứa biết trước thể tích Phương pháp này phù hợp với trường hợp dòng thấm tương đối nhỏ (nhỏ hơn 90 đến 115 lít mỗi phút), dòng thấm tập trung vào một vị trí cửa ra (chủ yếu là các loạ ống hoặc các đập tràn chữ V), và toàn bộ dòng chảy có thể được thu nhận i bởi thùng chứa.

3.2.2 Phương pháp đập tràn đo lưu lượng

Hình II.3.2.2Cao độ của mặt nước bên trên ngưỡng tràn được đo tại một vị trí thích hợ ở phía thượng p lưu để tránh các ảnh hưởng ở gần ngưỡng tràn Sau đó sử dụng trị số cột nước thượng lưu

và các thông số của tràn để tính toán lưu lượng qua tràn

Hình II.3.2.2

Sự co hẹp dòng chảy phải tồn tạ ở 2 bên và dưới đáy, và dòng chảy qua đập tràn phải là i dòng chảy tự do với khoảng cách từ ngưỡng tràn đến mực nước hạ lưu không nhỏ hơn 6

cm Việc bố trí tràn sẽ tạo ra một bẫy bùn cát phía thượng lưu, việc đánh giá bùn cát phía thượng lưu có thể sẽ cung cấp các thông tin quan trọng cho việc đánh giá xói ngầm

Hình II.3.2.33.2.3 Máng thủy lực (Parshall Flumes)

Hình II.3.2.4Nguyên lý của máng thủy lực giống với đập tràn, ngoại trừ việc quản lý dòng chảy không phụ thuộc vào ngưỡng tràn Thay vào đó dòng chảy chảy qua một kênh dẫn với mặt cắt tiêu chuẩn Cao độ mặt nước tại các vị trí cần được xác định, cùng với đó mực nước thượng lưu cũng phải được xác định để có ể đánh giá đượth c dòng chảy

Để xác định mức độ vận chuyển vật liệu của dòng thấm, các mẫu nước được thu thập và phân tích nồng độ của chất hòa tan và chất “không hòa tan-lơ lửng”, Ion dương, Ion âm, độ

pH và các tham số khác có trong mẫu nước

Nồng độ của các chất có trong mẫu nước của các mẫu thử tại các thời điểm khác nhau được

so sánh với nhau, qua đó có thể xác định được sự hòa tan của các chất tại hiện trường theo

thời gian Từ đặc điểm của công trình và dữ ệu của mẫu nước được sử dụng để đánh giá lidòng thấm Thông thường, thời gian để thực hiện phương pháp này từ 1 đến 2 năm Phương pháp phân tích chất lượng mẫu nước cần được cân nhắc cẩn thận khi lựa chọn, đôi khi rất khó đưa ra kết luận từ các d liữ ệu thu thập được

3.2.6 Phương pháp “lưới quan trắc”

Đây là phương pháp đơn giản và hiệu quả để đánh giá hàm lượng bùn cát bị vận chuyển bởi dòng thấm Nội dung của phương pháp là bố trí một lưới quan trắc bao quanh thiết bị thoát nước, khi dòng thấm mang theo bùn cát đi qua thiết bị thoát nước, những hạt có đường kính lớn hơn đường kính của mắt lưới sẽ bị ữ lại, sau một khoảng thời gian nhất định sẽ gitiến hành đánh giá lượng sót tích lũy của các hạt trên lưới quan trắc từ đó có thể đánh giá

sơ bộ được tốc độ tích lũy của các hạt trên lưới hay là tốc độ xói ngầm Khi sử dụng phương pháp này cần chú ý đảm bảo rằng lưới quan trắc không cản trở dòng chảy thoát ra từ thiết

bị thoát nước

3.2.7 Phương pháp quét radar (ground penetrating radar – GPR)

Nguyên lý của phương pháp radar xâm nhập được trình bầy trong hình bên Thiết bị khảo sát radar bao gồm một bộ phát sóng (T) và một bộ thu nhận sóng (R), khi khảo sát bộ phát sóng và thu sóng được di chuyển cùng nhau (với một khoảng cách xác định) dọc theo tuyến

để khảo sát các đối tượng dưới lòng đất Khi đi qua các điểm khảo sát, hệ ống thu phát thsóng sẽ ghi lại các dữ ệu của sóng phát đi và sóng thu nhận được, kết quả ối cùng thu li cuđược là một biểu đồ sóng tương ứng với điều kiện địa chất c a tuyến khảo sát.ủ

3.2.8 Phương pháp phóng xạ

Phương pháp nhật ký gama tự nhiên

Đo lượng phóng xạ tự nhiên trong môi trường địa chất, hoặc sự suy giảm của sóng bức xạ được xem như là một trong những phương pháp hữu ích nhất của phương pháp phóng xạ Phương pháp này có thể được sử dụng trong môi trường mở hoặc trong các hố khoan liên thông v môi trưới ờng xung quanh

Ứng dụng quan trọng nhất trong nghiên cứu nước dưới đất của phương pháp nhật ký gamma

tự nhiên là sự xác định các trầm tích đất sét hoặc đá phiến sét Đất sét có xu hướng làm giảm độ rỗng hiệu quả và hệ số ấm của tầng chứa nước, và nhật ký gamma tự nhiên có ththể được sử dụng để xác định một cách thực nghiệm hàm lượng đá phiến sét hoặc đất sét trong một số ầm tích Phương pháp nhật ký gamma tự nhiên không có một phản ứng đặtr c biệt đối với thạch học Các phản ứng này thường được đồng nhất cho một môi trường xác định

Phương pháp nhật ký gama – gama

Phương pháp nhật ký gamma-gamma là phương pháp sử dụng thiết bị thăm dò để ghi nhận cường độ của bức xạ gamma từ một nguồn phát sau khi bức xạ được tán xạ và yếu đi trong

lỗ khoan và môi trường địa chất xung quanh Bộ thăm dò gamma-gamma chứa một nguồn bức xạ gamma, thường là coban-60 hoặc cesium-137, được bảo vệ bởi một máy dò ion natri Bức xạ gamma từ nguồn xâm nhập, phân tán và hấp thụ bởi chất lỏng, lớp vỏ, vữa,

và các vật liệu địa chấ xung quanh đầu dò Bức xạ gamma được hấp thụ và / hoặc phân tán t bởi tất cả vật liệu mà nó đi qua Bán kính dò tìm các đầu dò gamma-gamma khoảng 15 cm.Ứng dụng chính của phương pháp nhật ký gamma-gamma là để xác định tính chất của thạch học, và đo khối lượng thể tích cũng như là xác định độ rỗng Chúng cũng có thể được sử dụng để xác định các lỗ rỗng và vữa ngoài vỏ bọc Mật độ gamma-gamma được sử dụng rộng rãi để xác định tổng độ rỗng theo công thức:

Độ rỗng = (khối lượng riêng hạt đất – khối lượng thể tích đất)/ (khối lượng riêng hạt đấ – t khối lượng thể tích của nước)

Phương pháp nhật ký neutron

Phương pháp đo neutron (chất thử) được xem là một trong những công nghệ hiệu quả nhất trong việc sử dụng phương pháp địa vật lý để nghiên cứu động thái của nướ ngầm, bởi vì c các kết quả đo bằng phương pháp này được điều chỉnh chính bởi hidrô có trong nước Nhật

ký nuetron có các lợi thế của các phương pháp nhật ký hạt nhân khác, trong đó nó có thể di chuyển trong môi trường chất lỏng hặc các hố thăm dò không có nước, m c đứ ộ ảnh hưởng của neutron là tương đối lớn Khi sử dụng phương pháp này neutron được cho vào trong hố khoan, và ảnh hưởng của hố khoan đến neutron sẽ được đo đạc để đánh giá thấm Giả sử phần lớn các nguyên tố hidrô tồn tại trong môi trường ở dạng phân tố nước, môi trường có

độ rỗng lớn (chứa hàm lượng nước lớn hơn) sẽ làm chậm và giữ lại neutron hơn dẫn đến neutron thu đượ ở bộ phận dò tìm sẽ ít hơn Điều ngược lạ ẽ phù hợp với môi trường có c i s

độ rỗng nhỏ Giả thiết này sẽ không đúng khi trong môi trường có tồn tại các hợp chất khác của hidrô

Ứng dụng chính của phương pháp nhật ký neutron là để xác định độ ẩm của đất trong môi trường không bão hòa hoặc xác định độ rỗng của đất trong môi trường bão hòa Hầu hết các môi trường địa chất hàm lượng nguyên tố hydrô tương xứng với hàm lượng nước có trong lỗ rỗng của đất Tuy nhiên, hidrô-các bon, chất hóa học, nước vật lý hay bất cứ hợp chất hidrô nào có trong môi trường đất cũng có thể tạo ra những tín hiệu bất thường