Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở Việt Nam

Với các công trình thủy điện, công tác quan trắc xác định mức độ biến dạng của công trình vẫn được tiến hành, nhưng chủ yếu dựa trên các công nghệ đo đạc truyền thống là sử dụng các máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ -ĐỊA CHẤT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1- PGS.TS TRẦN KHÁNH 2- PGS.TS NGUYỄN QUANG PHÚC

HÀ NỘI – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu

và kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trong bất

cứ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM DOÃN MẬU

MỤC LỤC Tên mục Trang

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC ……… ……….

i ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……… ……… v

DANH MỤC CÁC BẢNG ……….……….……… vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……… ………… ……… viii

MỞ ĐẦU ……… ……….……… 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ……… 7

1.1 Đặc điểm cấu trúc các công trình thuỷ điện ở Việt Nam …………

1.2 Mục đích, nhiệm vụ và yêu cầu độ chính xác quan trắc biến dạng công trình thủy điện……….

7

12

1.3 Các phương pháp thành lập lưới quan trắc biến dạng công trình 16 1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc biến dạng công trình ……… 19

1.5 Một số nhận xét đánh giá về công tác quan trắc biến dạng công trình ……….………. 25

Chương 2 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH ……… 27

2.1 Nguyên lý và kỹ thuật định vị GPS ……… 27

2.2 Đặc điểm thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình bằng công nghệ GPS ………

2.3 Đánh giá các phương pháp thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình - Phương án lưới 2 cấp…………

2.4 Đề xuất thành lập lưới một cấp quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện ………

33

36

43

2.5 Giải pháp nâng cao hiệu quả công nghệ GPS trong quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện ………. 46 2.6 Thực nghiệm thành lập luới GPS quan trắc chuyển dịch ngang

CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ……… 59 3.1 Ước tính độ chính xác lưới GPS ……… ………

3.2 Tính toán bình sai lưới GPS ……….……… ………

59

61 3.3 Phân tích độ ổn định hệ thống mốc cơ sở của lưới GPS quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thủy điện ……… 65 3.4 Xử lý số liệu mạng lưới kết hợp GPS - Mặt đất trong quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thủy điện ……….……… 72 Chương 4 THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI

GPS QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG ĐẬP THUỶ ĐIỆN

TUYÊN QUANG ……… ……… ………….……… 80 4.1 Giới thiệu về công trình thực nghiệm……… 80 4.2 Thiết kế hệ thống lưới quan trắc ……… ………. 82 4.3 Thực nghiệm phân tích độ ổn định lưới GPS cơ sở quan trắc

đập thủy điện Tuyên Quang ……….… ……… ……… 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……….……… 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ…… 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 98 PHẦN PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 1: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=1+1ppm) ……… 105

PHỤ LỤC 2: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=3+2ppm) ……… 107 PHỤ LỤC 3: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……… 109 PHỤ LỤC 4: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……… 112 PHỤ LỤC 5: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=1+1ppm) ………

115

PHỤ LỤC 6: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=2+2ppm) ……… 118 PHỤ LỤC 7: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……… 121 PHỤ LỤC 8: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……… 124 PHỤ LỤC 9: Kết quả tinh toán lưới quan trắc thủy điện Tuyên

Quang ( Chu kỳ 1) ……… 127

PHỤ LỤC 10: Kết quả tính toán lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang

(Chu kỳ 2) ……… 137 PHỤ LỤC 11: Kết quả tính toán lưới quan trắc thủy điện Tuyên

Quang (Chu kỳ 2) ……… 141 PHỤ LỤC 12: Chương trình phân tích độ ổn định luới GPS ……… 150

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 GPS Global Positioning System

2 SSTP Sai số trung phương

3 BDCT Biến dạng công trình

4 CDNCT Chuyển dịch ngang công trình

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công

trình……… 14

1.2 Giới thiệu một số máy loại máy thu GPS……… 18

2.1 Thông số kỹ thuật cúa các hệ thống định vị vệ tinh……… 27

2.2 Ước tính độ chính xác lưới quan trắc thủy điện Hòa Bình 39 2.3 Ước tính độ chính xác lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang……… 41

2.4 Ước tính độ chính xác bậc lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang………

42 2.5 Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Hòa Bình 44 2.6 Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Tuyên Quang……… 44

2.7 Kết quả bình sai lưới thực nghiệm - Chu kỳ 1……… 55

2.8 Kết quả bình sai lưới thực nghiệm - Chu kỳ 2……… 56

2.9 Kết quả tính chuyển dịch……… 56

3.1 Ma trận trọng số đảo vector tọa độ lưới GPS……… 77

3.2 Bảng trị đo cạnh trong lưới kết hợp……… 78

3.3 Ma trận Q của lưới kết hợp GPS - mặt đất……… 78

3.4 Kết quả tính ma trận nghịch đảo Q của lưới kết hợp GPS - mặt đất……… 79

3.5 Kết quả tính tọa độ và sai số vị trí điểm lưới kết hợp GPS - mặt đất……… 79

Bảng Tên bảng Trang

4.1 Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 1) ……… 86

4.2 Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 2) ……… 87

4.3 So sánh tọa độ các điểm mốc cơ sở (FIX tọa độ điểm

QT-06)……… 88

4.4 Định vị lại mạng lưới với điều kiện C=B……… 89

4.5 Kiểm tra độ ổn định của lưới (sau khi phát hiện điểm QT-03

không ổn định) ……… 89

4.7 Kết quả tính chuyển dịch các điểm quan trắc theo công

nghệ truyền thống ( phương pháp đo toàn đạc điện tử) ……… 91

4.8 So sánh kết quả tính chuyển dịch theo công nghệ GPS và

công nghệ đo đạc mặt đất……… 92

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Hồ thủy điện……… 8 1.2 Đập dâng và đập tràn. ……… 10 1.3 Đường ống áp lực và nhà máy thủy điện……… 11 1.4 Thử nghiệm quan trắc chuyển dịch ngang đập thủy

điện Tuyên Quang……… 25

2.1 Sơ đồ nguyên lý định vị tương đối……… 28 2.2 Biểu đồ độ chính xác cạnh GPS theo thời gian ca đo 29 2.3 Đồ hình liên kết các điểm đo GPS……… 36 2.4 Sơ đồ lưới quan trắc công trình thủy điện Hòa Bình 38 2.5 Sơ đồ bậc lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( Lưới

Sơ đồ lưới một cấp thủy điện Tuyên Quang………

Sơ đồ mạng lưới quan trắc thực nghiệm………

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thuỷ điện là nguồn tài nguyên năng lượng lớn mà nước ta tập trung

khai thác góp phần thúc đẩy quá trình xây dựng nền kinh tế đất nước ngày một phát triển Hiện nay, từ Bắc vào Nam nước ta có hơn 500 công trình thuỷ điện lớn nhỏ đã được xây dựng Nổi bật là những công trình thuỷ điện như: Hoà Bình, Sơn La, Yaly, Sông Hinh, Trị An, thuỷ điện Tuyên Quang… Sự hoạt động của nhà máy đã góp phần quan trọng trong việc phát triển hệ thống năng lượng cũng như duy trì độ ổn định và tin cậy của hệ thống điện quốc gia Ngoài ra các công trình thủy điện còn có tác dụng cải tạo môi trường, phục vụ

du lịch Tuy nhiên, nếu các công trình thủy điện không được xây dựng theo một quy trình nghiêm ngặt, việc khảo sát về địa hình, địa chất thủy văn không được chính xác, chất lượng xây dựng công trình kém… có thể dẫn đến hậu quả to lớn, gây thiệt hại về người và của cải cho một vùng rộng lớn Ở Việt Nam, tuy chưa có những thảm họa liên quan tới thủy điện nhưng các hiện tượng lún, sự biến dạng các công trinh thủy điện cũng đã gây nhiều tốn kém trong công tác xử lý như đập thủy điện Sông Tranh 2 (Quảng Nam) hiện nay, gây tâm lý hoang mang lo ngại trong việc quản lý, sử dụng các công trình thủy điện…

Trên thế giới, công tác quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình thủy điện đã được đặc biệt quan tâm sau hàng loạt các thảm họa do vỡ đập gây ra Năm 1963 đập Vaiont cao 262m của Italia bị vỡ làm chết 1889 người, năm 1959 đập Manpasse cao 66m của Pháp bị vỡ làm chết 421 người, năm

1976 đập Titon cao 93m của Mỹ bị vỡ làm chết 144 người [48, 59] Hai đập Bản Kiều và Thạch Mạn Than của Trung Quốc bị nước lụt làm vỡ năm 1975

đã là hàng trăm người bị chết và hàng ngàn người khác mất nhà cửa, tài sản, thiệt hại ước tính lên tới trên 10 tỷ nhân dân tệ [10]

Nước Nga lần đầu tiên theo dõi biến dạng đập đất đá Sirakov cao 48m trong thời gian từ năm 1948 đến năm 1971 và phát hiện đập lún 74cm và dịch chuyển ngang 96cm [61]

Đập Soiser cao 156m của Thụy Sỹ sau 20 năm xây dựng được quan trắc từ năm 1976 đến năm 1980 phát hiện đập lún xuống 10cm và dịch chuyển hướng ngang về phía hạ lưu 9cm [51] Đập vòm Zeuzier cũng của Thụy Sĩ sau hơn 20 năm vận hành bình thường mới xuất hiện dị thường nếu không kiên trì quan trắc sẽ không phát hiện được và phát sinh tai họa [10] Cho nên, trong quá trình xây dựng và vận hành, việc theo dõi và quan trắc độ biến dạng của công trình thuỷ điện là rất cần thiết và phải được thực hiện một cách hệ thống, thường xuyên

Trong những năm gần đây công nghệ định vị vệ tinh GPS đã được ứng

dụng rộng rãi trong sản xuất trắc địa - địa hình Đây là công nghệ đo đạc tiên tiến, rất thuận lợi trong công tác xây dựng các mạng lưới khống chế trắc địa Công nghệ GPS có nhiều tiềm năng để thành lập lưới khống chế chuyên dùng trong khảo sát, thi công và vận hành các công trình kỹ thuật Có thể khẳng định rằng, việc ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới trắc địa là sự bổ sung rất quan trọng đối với các phương pháp xây dựng lưới mặt đất truyền thống Với các công trình thủy điện, công tác quan trắc xác định mức độ biến dạng của công trình vẫn được tiến hành, nhưng chủ yếu dựa trên các công nghệ đo đạc truyền thống là sử dụng các máy móc trắc địa quang học, quang - điện tử mà chưa sử dụng công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch, đặc biệt là đối với quan trắc các đập thủy điện

Ở nước ngoài đã có nhiều công trình nghiên cứu được công bố về ứng dụng định vị vệ tinh để thành lập các mạng lưới trắc địa chính xác cao, trong

đó có lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình, như ở Nga, Ba Lan, Trung Quốc, Mỹ Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh

trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở nước ta vẫn chưa được đề cập thỏa đáng trong các nghiên cứu khoa học cũng như trong ứng dụng thực

tế Chính vì vậy, luận án: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thuỷ điện ở Việt Nam" được đặt ra nhằm khảo sát

các luận cứ khoa học và thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ đo đạc vệ tinh trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả của công tác quan trắc biến dạng công trình

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện trong điều kiện Việt Nam

- Đối tượng nghiên cứu là các công trình thuỷ điện ở Việt Nam, trong

đó đi sâu nghiên cứu công tác quan trắc tuyến đập thủy điện

- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: Phân tích lý thuyết, khảo sát thực nghiệm ứng dụng GPS để quan trắc chuyển dịch ngang các công trình thuỷ điện thông qua ví dụ cụ thể tại đập thủy điện Tuyên Quang

3 Nội dung nghiên cứu của luận án

1- Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và yêu cầu quan trắc biến dạng các công trình thuỷ điện Phân tích, so sánh, đánh giá các phương pháp quan trắc đang được sử dụng ở Việt Nam

2- Nghiên cứu, đánh giá khả năng và đặc điểm ứng dụng GPS để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện, trong đó chú ý đến việc thành lập lưới khống chế một cấp trong quan trắc chuyển dịch ngang đập thủy điện

3- Nghiên cứu một số vấn đề về xử lý số liệu GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện

4- Thực nghiệm ứng dụng GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình

ở thực tế sản xuất Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng Internet và các thư viện

- Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết quan trắc biến dạng công trình, các thuật toán xử lý số liệu đo đạc, làm cơ sở lý luận, thiết kế dữ liệu, mô hình tính toán, viết thuật toán và chương trình

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm trên thực địa

để khẳng định tính đúng đắn của các vấn đề nghiên cứu lý thuyết

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác và các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp

- Phương pháp ứng dụng toán học và tin học: Xây dựng các thuật toán

và lập chương trình tính toán trên máy tính

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hoàn thiện ứng dụng công

nghệ GPS cho mục đích quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện

Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để quan trắc chuyển dịch ngang đối với các công trình ở thực tế sản xuất nhằm giảm thời gian công tác và nâng cao hiệu quả kinh tế mà vẫn đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật

6 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm thứ nhất: Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, hoàn toàn có

thể sử dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang các công trình thuỷ điện với yêu cầu độ chính xác cỡ ± 3 mm

Luận điểm thứ hai: Để ứng dụng công nghệ GPS cần phải xây dựng hệ

thống thuật toán và quy trình hợp lý xử lý số liệu lưới hỗn hợp GPS-mặt đất trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện

7 Các điểm mới của luận án

1- Đề xuất phương pháp thiết kế đồ hình lưới GPS cho mục đích quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thủy điện ở Việt Nam theo hình thức lưới khống chế một cấp Kiểm chứng, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ GPS

để quan trắc chuyển dịch một số đập thủy điện ở nước ta

2- Đề xuất hệ thuật toán và quy trình hợp lý để xử lý số liệu lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình với các nội dung: Phân tích độ ổn định hệ thống điểm mốc cơ sở, tính toán bình sai lưới mặt bằng quan trắc thành lập theo phương pháp kết hợp các trị đo GPS với trị đo mặt đất

8 Cấu trúc và nội dung luận án

Cấu trúc luận án gồm ba phần:

1 Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục

tiêu, ý nghiã và tình hình nghiên cứu trong, ngoài nước về những vấn đề liên quan đến nội dung của luận án Từ đó hình thành phương pháp, nội dung nghiên cứu của luận án, đồng thời đưa ra các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án

2 Phần nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong 4 chương Chương 1- Tổng quan về quan trắc biến dạng công trình thủy điện

Chương 2- Khảo sát khả năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện

Chương 3- Tính toán, xử lý số liệu lưới GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện

Chương 4- Thực nghiệm thiết kế và xử lý số liệu lưới GPS quan trắc

chuyển dịch ngang đập thủy điện Tuyên Quang

3 Phần Kết luận và Kiến nghị: Tổng hợp lại những kết quả đã nghiên

cứu trong luận án, đưa ra những nhận xét, đánh giá và các kiến nghị để nâng

cao hiệu quả ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện

9 Lời cảm ơn

Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Khánh, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện các nội dung luận án

Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Trắc địa, đặc biệt là các thầy, cô thuộc Bộ môn Trắc địa công trình trường Đại học Mỏ - Địa chất, các cán bộ giảng viên truờng Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ và có những ý kiến đóng góp quý báu, giúp tác giả hoàn thiện nội dung của luận án

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG

CÔNG TRÌNHTHỦY ĐIỆN

1.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CÁC CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN Ở VIỆT NAM

1.1.1 Giới thiệu chung:

Công trình thuỷ điện là loại công trình làm việc trong môi trường nước, chịu tác dụng của các loại lực do nước gây nên như lực thuỷ tĩnh, thuỷ động,

áp lực cột sóng, áp lực thấm, áp lực đẩy nổi Ngoài ra nó còn chịu tác dụng của các loại lực khác như áp lực gió, áp lực đất, áp lực do động đá, áp lực do bùn cát…Công trình thuỷ điện được xây dựng để sử dụng tài nguyên thuỷ năng và nguồn dự trữ nước vào việc cung cấp điện năng cho đất nước và góp phần điều hoà nguồn nước cho một vùng rộng lớn, ngoài ra còn phục vụ cho việc du lịch, bảo tồn sinh thái, điều hòa khí hậu cho một khu vực lãnh thổ Do vậy, các công trình thuỷ điện thường thuộc loại công trình trọng điểm của quốc gia Có số vốn đầu tư lớn, thời gian chuẩn bị và thi công kéo dài nhiều năm với rất nhiều hạng mục kết cấu phức tạp, đa dạng cần phải có sự tham gia của nhiều ngành khoa học kỹ thuật với trình độ cao

Công trình thuỷ điện có ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế xã hội và môi trường của cả vùng và cả nước Thật vậy, việc xây dựng các bậc thang thuỷ điện đầu mối trên sông và sự hình thành các hồ chứa nước lớn đã phá vỡ dòng chảy, dẫn tới hàng loạt các biến đổi lớn đối với môi trường tự nhiên Do tính đặc thù của công trình thuỷ điện thường được xây dựng ở các sông suối miền núi nên việc nghiên cứu các báo cáo kinh tế, kỹ thuật cần phải được tiến hành công khai và theo đúng các trình tự để tránh các sai sót Công trình thuỷ điện ngoài chức năng phát điện còn có thể kết hợp với việc điều tiết nước và

xả lũ cho vùng thượng lưu và hạ lưu

1.1.2 Các hạng mục chủ yếu của công trình thủy điện

Cấu trúc của công trình thuỷ điện cơ bản có các hạng mục chính là hồ chứa nước, các công trình chính và các công trình phụ trợ

1.1.2.1 Hồ chứa nước

Hồ chứa nước được hình thành do việc ngăn sông đắp đập, lượng nước này nhằm để phục vụ cho nhà máy thuỷ điện Các thông số của hồ chứa bao gồm: diện tích lưu vực, dung tích hồ, mức nước dâng bình thường, mức nước chết, mức nước gia cường Hồ chứa nước gây ngập, ảnh hưởng đến môi trường trong khu vực, vì vậy các cơ quan thiết kế phải đưa ra nhiều phương

án mức nước dâng khác nhau để so sánh, lựa chọn với nhau nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của hồ chứa nước tới môi trường và đảm bảo an toàn cho vùng hạ lưu Khi thiết kế hồ phải giải quyết những nhiệm vụ cơ bản sau:

- Xác định biên giới ngập nước của hồ chứa ứng với độ cao mực nước thiết kế Xác định biên giới lòng hồ và thể tích hồ chứa, tính toán tổn thất ngập lụt

- Đề xuất bản thiết kế phòng ngập cho các thành phố, các điểm dân cư,

xí nghiệp công nghiệp, những vùng đất canh tác có giá trị cũng như bản thiết

kế các công tác gia cố bờ hồ

Hình 1.1: Hồ thủy điện

1.1.2.2 Công trình chính

Đây là hạng mục quan trọng nhất của nhà máy thuỷ điện, đòi hỏi tính kinh tế, kỹ thuật cao nhất Công trình chính gồm tổ hợp các hạng mục quan trọng là:

- Đập đất đá: là một loại đập được cấu tạo bằng đất đá mà không cần chất kết dính, là một trong những loại công trình dâng nước kinh tế nhất khi xây dựng ở những vùng có sẵn đá, giao thông không thuận lợi

- Đập bê tông: bao gồm bê tông đầm lăn, bê tông bản mặt và bê tông trọng lực Đập bê tông trọng lực là loại đập mà sự ổn định chủ yếu dựa vào trọng lượng bản thân của nó Ưu điểm của đập bê tông trọng lực là có tính bền vững lớn, có thể sử dụng kết hợp với đập tràn và nhà máy thuỷ điện Nhược điểm của đập bê tông trọng lực là chỉ sử dụng được khi có đủ chất liệu chế tạo

bê tông, đòi hỏi nhiều nguyên vật liệu, yêu cầu về nền móng cao Hiện nay trong xây dựng đập bê tông trọng lực người ta đã sử dụng loại bê tông RCC vừa có hiệu quả kinh tế cao, vừa đẩy nhanh tiến độ thi công

b) Đập tràn

Đập tràn gồm có đập tràn tự do và đập tràn có điều khiển đóng mở bằng cáp hay thuỷ lực Thường thì người ta xây dựng các đập bê tông dạng vòm uốn cong làm việc như một hệ thống vòm cuốn đàn hồi tựa trên các bờ cứng Ngoài ra có thể là dạng đập bê tông dạng thẳng và một số dạng đập khác…

c) Nhà máy

Về kiểu nhà máy thuỷ điện, thông thường có hai loại nhà máy thuỷ điện

đó là nhà máy thuỷ điện kiểu sau đập, nhà máy thuỷ điện kiểu đường dẫn (có

áp và không áp)

d) Các công trình tuyến năng lượng (Kênh dẫn, đường hầm dẫn nước)

Mục đích của các công trình này là dẫn nước từ hồ chứa đến nhà máy, thông thường thì kết cấu của hệ thống công trình tuyến năng lượng được thi công bằng bê tông, riêng tuyến áp lực kết cấu là thép và được bao bọc bằng bê tông

Hình 1.2: Đập dâng và đập tràn thủy điện

Hình 1.3: Đường ống áp lực và nhà máy thuỷ điện

Công suất của nhà máy điện và sản lượng điện năng phụ thuộc vào độ cao cột nước và lưu lượng dòng chảy, khối lượng dòng chảy Các công trình này khó thiết kế, khó thi công nhất và phải sử dụng các thiết bị thi công đắt tiền Các thiết bị lắp đặt như ống thép chịu áp lực cao, các tổ máy phát điện hiện nay phải nhập của các hãng chế tạo nước ngoài

1.1.2.3 Công trình phụ trợ

Hạng mục này gồm có hai nhóm công trình chủ yếu sau:

- Các công trình phục vụ cho thi công và vận hành như: hệ thống điện,

hệ thống nước, nhà xưởng, kho vật tư thiết bị, bãi để chuyển nguyên vật liệu cùng các công trình khác như giao thông, thông tin liên lạc

- Các công trình phục vụ cho làm việc và sinh hoạt của cán bộ công nhân viên như: nhà quản lý vận hành, văn phòng, nhà ở và nhà văn hoá…

1.2 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN

1.2.1 Mục đích, nhiệm vụ và đối tượng quan trắc

Quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình nhằm mục đích xác định

mức độ chuyển dịch biến dạng, nghiên cứu tìm nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng, từ đó có biện pháp xử lý, đề phòng các tai biến có thể xảy ra trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình, cụ thể là:

- Xác định giá trị chuyển dịch tại thời điểm quan trắc để đánh giá mức độ

- Lập sơ đồ phân bố các mốc khống chế và mốc quan trắc

- Thiết kế sơ đồ quan trắc

- Xác định yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc ở những giai đoạn khác nhau

- Phương pháp và phương tiện dùng trong quan trắc

- Đo đạc ngoại nghiệp

- Xử lý số liệu quan trắc, tính toán các thông số chuyển dịch biến dạng công trình

1.2.2 Yêu cầu độ chính xác quan trắc

Yêu cầu độ chính xác của công tác quan trắc chuyển dịch là độ chính xác cần thiết xác định sự chuyển dịch công trình của các chu kỳ quan trắc Chỉ tiêu độ chính xác này được xác định dựa vào các chỉ tiêu cơ lý của nền móng công trình, đặc điểm kết cấu công trình

Có hai cách xác định yêu cầu độ chính xác của công tác quan trắc chuyển dịch công trình là xác định theo yêu cầu độ chính xác của công tác quan trắc từng hạng mục công trình trong thiết kế kỹ thuật công trình và xác định theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành của các Bộ, Ngành

Đối với các tuyến đập bê tông trọng lực của các công trình thủy điện thì

độ chính xác quan trắc được nêu ra trong thiết kế kỹ thuật công trình

1.2.2.1 Dựa vào giá trị chuyển dịch dự báo

Yêu cầu độ chính xác được xác định theo công thức 25, 63:

mq: Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ở thời điểm ti,

q: Giá trị chuyển dịch dự báo giữa hai chu kỳ quan trắc, t: Hệ số đặc trưng cho độ tin cậy của kết quả quan trắc chuyển dịch

Đối với công tác quan trắc chuyển dịch, thường lấy xác xuất P = 0.997 (t=3), khi đó công thức tính độ chính xác của quan trắc chuyển dịch là:

q

Nếu công trình có giá trị chuyển dịch dự báo nhỏ thì mq tính theo công

thức (1.2) sẽ rất nhỏ, trong một số trường hợp rất khó đạt được độ chính xác như vậy Đặc biệt là đối với công tác quan trắc chuyển dịch ngang các công trình thủy điện

1.2.2.2 Dựa vào loại nền móng và đặc điểm kết cấu đối với từng loại công trình

Yêu cầu này có thể được nêu ra trong thiết kế kỹ thuật hoặc theo tiêu chuẩn, quy chuẩn của các cơ quan Nhà nước Yêu cầu độ chính xác quan trắc của các công trình dân dụng, công nghiệp thông thường được đưa ra trong bảng (1.1) 44

Bảng 1.1: Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Số

Sai số trung phương xác định chuyển dịch

1 Công trình bê tông trên nền đá gốc 1 mm

2 Công trình bê tông xây dựng trên nền cát,

sét và các loại đất chịu nén khác

3 mm

4 Công trình xây dựng trên nền đất đắp 10 mm

1.2.3 Chu kỳ quan trắc

Quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình là công tác đo lặp, được thực hiện nhiều lần với cùng một đối tượng Mỗi lần đo gọi là một chu kỳ Thời gian thực hiện các chu kỳ đo được nêu ra trong phương án kỹ thuật quan trắc biến dạng của từng công trình cụ thể

Thời gian giữa các chu kỳ quan trắc ở tại các thời điểm khác nhau cũng khác nhau Thông thường giai đoạn thi công, thời gian quan trắc giữa hai chu kỳ

sẽ ngắn hơn trong giai đoạn quản lý, sử dụng và vận hành công trình

Thời gian quan trắc giữa hai chu kỳ thường được xác định dựa vào các tiêu chuẩn, quy chuẩn; theo các công trình tương tự đã được xây dựng và sử dụng hoặc theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn đã được áp dụng trên thế giới Việc lựa chọn khoảng thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc là rất quan

trọng Vừa phải đảm bảo sao cho số liệu quan trắc thể hiện được thực chất quá trình chuyển dịch của đối tượng quan trắc vừa phải đảm bảo được hiệu quả kinh tế, tránh gây ra sự lãng phí không cần thiết

Có thể phân chia quá trình quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình làm ba giai đoạn là: Giai đoạn thi công, giai đoạn đầu của quá trình vận hành,

sử dụng, giai đoạn công trình đi vào ổn định

Trong mỗi giai đoạn khác nhau, thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc cũng khác nhau Đặc biệt đối với các công trình thủy điện thì theo quy định về công tác quan trắc biến dạng các công trình thủy điện của Liên Xô cũ và các tài liệu của tác giả A.A.Karson, tiến hành đo 26 lần trong một năm [66] Tham khảo công tác quan trắc một số công trình thủy điện lớn [16, 39, 40…] như Hoà Bình, Yaly, Tuyên Quang, Sông Ba Hạ, Sê San 4… thì thời gian quan trắc giữa các chu kỳ được thực hiện như sau:

- Giai đoạn thi công: Trung bình 6 tháng quan trắc một lần Chu kỳ 0

được quan trắc vào thời điểm chuẩn bị tiến hành tích nước hồ chứa (Tuyến đập đang ở trạng thái tải trọng tự thân nó, chưa chịu áp lực nước của hồ chứa) Chu kỳ 1 được tiến hành khi mực nước hồ chứa đạt mực nước dâng bình thường theo thiết kế Ngoài ra theo yêu cầu của cơ quan thiết kế, công tác quan trắc còn phải được thực hiện tại những thời điểm nhất định như khi mực nước hồ chứa đón lũ đầu tiên sau giai đoạn tích nước

- Giai đoạn quản lý vận hành: Trung bình từ 6 tháng đến một năm thực

hiện quan trắc một lần Thời điểm quan trắc còn thực hiện khi xẩy ra điều kiện bất thường như công trình vừa chịu những trận lũ lớn, lũ lịch sử thì cần phải tiến hành quan trắc để đánh giá ngay trạng thái công trình

- Giai đoạn công trình đi vào ổn định: Trung bình cứ 2 năm tiến hành

quan trắc một lần, trừ những trường hợp đặc biệt như đã nêu ở trên Nếu như

sự chuyển dịch ngang của các điểm quan trắc có tốc độ nhỏ hơn 2mm/năm thì

có thể xem xét ngừng việc quan trắc 25, 61

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

Quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp trắc địa có thể được thực hiện bằng công nghệ đo đạc mặt đất (sử dụng máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử, máy thủy chuẩn quang học, máy thủy chuẩn điện tử, máy thủy chuẩn

tự động) và công nghệ đo đạc vệ tinh (sử dụng các máy thu tín hiệu vệ tinh)

1.3.1 Phương pháp mặt đất

Đây là phương pháp truyền thống sử dụng các thiết bị đo ngắm trực tiếp trên mặt đất tự nhiên Lưới được thành lập chủ yếu bằng các phương pháp: lưới tam giác (đo góc, đo cạnh, đo góc-cạnh), lưới đa giác Độ chính xác của lưới và hình dạng lưới phụ thuộc vào các đặc điểm tự nhiên và yêu cầu độ chính xác của từng hạng mục công trình

1.3.1.1 Lưới tam giác đo góc

Tam giác đo góc là dạng lưới được dùng chủ yếu trong thời gian các

phương tiện đo dài chưa được phổ biến và sử dụng rộng rãi Lưới tam giác đo góc sử dụng một cạnh đo có độ chính xác cao làm cạnh gốc (cạnh đáy) để phát triển lưới tam giác dạng hình chuỗi tam giác hay đa giác trung tâm Đồ hình được quy định rất nghiêm ngặt về hình dạng và độ lớn của các góc theo yêu cầu quy phạm Nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đến nay dạng lưới tam giác đo góc không còn được áp dụng trong thành lập lưới khống chế

1.3.1.2 Lưới tam giác đo cạnh

Lưới tam giác đo cạnh được xây dựng theo dạng đồ hình chuỗi tam giác đơn, lưới tứ giác trắc địa hay lưới đa giác trung tâm đo tất cả các cạnh bằng máy đo dài điện tử Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là không có

sự ảnh hưởng của chiết quang ngang như lưới tam giác đo góc, thời gian đo

mỗi cạnh trong lưới chỉ vài phút nên tốc độ thi công nhanh hơn nhiều so với phương pháp đo toàn góc

Nhược điểm của phương pháp là số trị đo thừa trong mạng lưới ít dẫn

đến đồ hình lưới không được chặt chẽ như trong trường hợp đo góc

1.3.1.3 Lưới tam giác đo góc-cạnh

Là dạng lưới có tính ưu việt nhất kế thừa được các ưu điểm và khắc

phục một phần nhược điểm của hai phương pháp tam giác đo góc và tam giác

đo cạnh

1.3.1.4 Lưới đa giác

Lưới đa giác được xây dựng dưới dạng tuyến đường chuyền đơn hoặc lưới có điểm nút Ưu điểm của phương pháp này là do chỉ có hai hướng đo nên các hướng có thể bố trí linh hoạt, giảm được chi phí xây dựng cột tiêu và thông hướng Nhược điểm của phương pháp này là nếu cùng một độ dài như mạng lưới tam giác thì các điểm khống chế theo phương pháp đa giác có độ chính xác kém hơn do phép đo thừa ít

1.3.2 Phương pháp GPS

GPS là hệ thống định vị không gian sử dụng vệ tinh NAVSTAR của

Mỹ thuộc hệ thống định vị toàn cầu Độ chính xác của các trị số đo pha sóng mang cùng với kĩ thuật bình sai thoả đáng, thích hợp cho nhiều mục đích khác nhau của công tác trắc địa - bản đồ Ứng dụng GPS để thành lập lưới khống chế trắc địa chủ yếu dùng phương pháp định vị tương đối Số lượng máy thu tối thiểu của phương pháp này là 2 chiếc Khi sử dụng 2 máy thu để xây dựng lưới, công việc tổ chức đo đạc khá dễ dàng, song tiến độ thi công lại chậm chạp và ảnh hưởng của sai số định tâm đến độ chính xác của lưới do phải định tâm nhiều lần trên một điểm Số lượng của máy thu được khuyến cáo nên dùng là 3  6 máy 3, 13, 55 Lúc đó sẽ tăng được tiến độ thi công và độ chính xác so với việc sử dụng số lượng máy đo tối thiểu

Ưu điểm nổi bật của phương pháp là có thể thu tín hiệu ở mọi nơi, mọi lúc, không phụ thuộc vào thời tiết và cũng không đòi hỏi sự thông hướng giữa các điểm mặt đất Thời gian thi công nhanh do có thể sử dụng nhiều máy chủ động để tổ chức thi công

Ở một số nước trên thế giới, công nghệ định vị vệ tinh đã bước đầu được ứng dụng để quan trắc biến dạng công trình Ở nước ta, hiện nay mới chỉ

có một số đề tài nghiên cứu về mặt lý thuyết ứng dụng công nghệ GPS cho mục đích quan trắc 8, 19, 23, 41 Việc áp dụng công nghệ này trong thực tế sản xuất quan trắc biến dạng công trình thủy điện vẫn còn rất hạn chế Trong bảng 1.2 nêu thông số kỹ thuật một số loại máy định vị vệ tinh có thể dùng để quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình

Bảng 1.2: Giới thiệu một số loại máy thu GPS

Tầm hoạt động, km

SSTP

đo ph vị

Loại máy tần số thu GPS

4600LS

Trimble

Mĩ (5mm + 1ppm) ≤10 (1”+5/D)

1 tần L1 GPS

4800LS

Trimble

Mĩ (5mm + 0.5ppm) ≥10 (1”+5/D)

2 tần L1, L2 GPS

5700LS

Trimble

Mĩ (5mm + 0.5ppm) ≥10 (1”+5/D)

2 tần L1, L2

* Trong bảng 1.2: D là chiều dài cạnh đo tính bảng đơn vị km

1.4 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

1.4.1 Tình hình nghiên cứu lý thuyết

1.4.1.1 Trên thế giới

Chuyển dịch biến dạng của công trình có thể gây ra những nguy cơ làm

hư hỏng hoặc thậm chí làm đổ vỡ công trình Đối với vỏ trái đất thì chuyển dịch ngang là một minh chứng cho các thuyết về kiến tạo của trái đất và các học thuyết địa động khác Vì vậy, quan trắc chuyển dịch vỏ trái đất và các công trình kỹ thuật là đối tượng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học tại các viện nghiên cứu và các trường đại học lớn trên thế giới Các hướng nghiên cứu để đảm bảo hiệu quả của công tác quan trắc biến dạng công trình bao gồm [46, 47, 50, 53, 55, 56, 58, 63, 66,…]:

1- Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị hiện đại trong quan trắc biến dạng công trình với mục đích nâng cao hiệu quả của công tác quan trắc

- Các thiết bị đo đạc thông dụng, bao gồm: máy thủy chuẩn quang học, máy thủy chuẩn điện tử, máy toàn đạc điện tử độ chính xác cao

- Các thiết bị chuyên dùng phục vụ cho mục đích quan trắc biến dạng, gồm có: máy thủy tĩnh tự động để xác định độ lún, máy đo hướng chuẩn, hệ thống quan trắc tự động (bao gồm máy toàn đạc điện tử, máy GPS, máy quét laze mặt đất chuyên dụng)

2- Nghiên cứu phương pháp và quy trình quan trắc

- Thiết kế tối ưu công tác quan trắc biến dạng công trình: xác định yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc hợp lý cho từng loại công trình cụ thể; Tối ưu hóa thiết kế lưới quan trắc với hàm mục tiêu là nâng cao độ chính xác hoặc giảm thời gian thao tác ngoại nghiệp; Nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu quan trắc ngoại nghiệp: Xác định và đánh giá độ ổn định của các điểm cơ

sở trong quan trắc biến dạng, tính toán bình sai lưới quan trắc và tính tham số biến dạng công trình

3- Phân tích, đánh giá kết quả quan trắc biến dạng công trình

Các công trình nghiên cứu đã được công bố đều tập trung vào các hướng chủ yếu như sau:

- Phân tích, đánh giá kết quả quan trắc biến dạng trong không gian 3 chiều

- Phân tích, đánh giá kết quả quan trắc biến dạng theo thời gian, từ đó đưa ra dự báo được biến dạng công trình trong tương lai

- Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố tác động đến biến dạng công trình

1.4.1.2 Ở Việt Nam

- Nghiên cứu về phương pháp thiết kế và xử lý số liệu quan trắc:

Vào những năm 90 của thế kỷ trước, do công nghệ GPS mới được phát triển ở Việt Nam, do đó chưa có các nghiên cứu về xử lý trị đo GPS mà các nghiên cứu tập trung vào xử lý, tính toán các trị đo mặt đất Từ năm 1991-

1993 thực hiện đề tài cấp Bộ của nhóm tác giả do PTS Đoàn Xuân Đài làm chủ trì đã nghiên cứu ứng dụng vi tính trong xử lý số liệu trắc địa công trình Cùng nội dung trên còn có các nghiên cứu của TS Trần Khánh 15 Đến năm

1996 tác giả Nguyễn Thế Thận đã công bố đề tài nghiên cứu và xây dựng các thuật toán giải hệ phương trình lớn trong bình sai mạng lưới mặt đất có sử dụng số liệu GPS 37 Đề tài đã nêu ra và phân tích đặc điểm cấu tạo, độ chính xác và xử lý toán học mạng lưới tọa độ Việt Nam; mô hình bài toán theo phương pháp bình phương gián tiếp bằng kỹ thuật ma trận thưa kết hợp công thức truy hồi, bình sai chia khối bằng các mặt cắt song song, tính chuyển tọa độ WGS84 về hệ tọa độ HN72 Trong thời gian đó cũng có nhiều nghiên

cứu về bình sai kết hợp các trị đo GPS và các trị đo mặt đất được các tác giả khác công bố như: Nghiên cứu phương pháp bình sai kết nối lưới mặt đất và lưới GPS trong trắc địa công trình 19, 22; Phương pháp xác định ma trận tương quan của vector tọa độ lưới GPS trong trắc địa công trình 17; Năm

2006, GS.TSKH Hoàng Ngọc Hà đã công bố bài báo: Một số vấn đề về các

mô hình toán học bình sai hỗn hợp lưới mặt đất - GPS Nội dung bài báo trình bày một số thuật toán bình sai hỗn hợp luới GPS - mặt đất với các mô hình khác nhau như bình sai hỗn hợp xác định 7 tham số tính chuyển, bình sai hỗn hợp khi sử dụng trị đo GPS, bình sai trên Ellipsoid, bình sai hỗn hợp xác định

4 tham số tính chuyển, bình sai lưới mặt đất và GPS khi tính chuyển trị đo GPS thành các gia số tọa độ, phương vị và cạnh 6 Liên quan đến các vấn đề bình sai, tính toán và xử lý các số liệu GPS và lưới GPS - mặt đất còn có các nghiên cứu của các tác giả như PGS.TS Phan Văn Hiến 9, PGS.TS Trần Khánh 19, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc 29, PGS.TS Đặng Nam Chinh

về ứng dụng công nghệ GPS và máy toàn đạc điện tử để quan trắc và đánh giá chuyển dịch ngang của các công trình 12, PGS.TSKH Hà Minh Hòa trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để xác định dịch chuyển vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy Lai Châu- Điện Biên 29, PGS.TS Trần Viết Tuấn với đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình ở Việt Nam 35, PGS.TS Hoàng Xuân Thành trong luận án nghiên cứu

ứng dụng công nghệ hiện đại trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy lợi – thủy điện cũng đã đề cập đến việc ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang các công trình này 36; Viện Công nghệ Xây dựng (Bộ Xây dựng), Viện Nghiên cứu Địa chính (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Viện Công nghệ vũ trụ (Viện Khoa học công nghệ Việt Nam)… cũng có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình công nghiệp và giao thông…11, 31, 38,

số công trình quan trắc điển hình tại một số nước trên thế giới như sau:

Công trình đập Santa Lucia ở Bồ Đào Nha, được quan trắc độ lún bằng máy thuỷ chuẩn số tự động, quan trắc chuyển dịch bằng máy toàn đạc điện tử, còn phương pháp GPS chỉ mới tiến hành thử nghiệm [50]

Mỹ là nước sử dụng nhiều nhất công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình (đặc biệt đối với các công trình thuỷ lợi - thuỷ điện) Ví dụ đập thuỷ điện Pacoima, đập Libby, công trình hồ chứa Diamond Valley, cầu Floating 520 Seattle tại Mỹ đều được quan trắc biến dạng bằng GPS [48, 49]

Công trình nhà ga trung tâm Zurich của Thụy Sỹ được quan trắc bằng máy toàn đạc điện tử tự động Công trình mỏ đồng Phalaborwa ở Nam Phi được quan trắc biến dạng bằng công nghệ GPS 58 Công trình cầu Incheon

ở Hàn Quốc, đập thuỷ điện Lagre (Bồ Đào Nha), đập Ladhon (Hy Lạp), thuỷ

điện Quebec (Canada) cũng được quan trắc biến dạng bằng công nghệ GPS

46, 50, 51, 59 Đặc biệt tại công trình đập thuỷ điện Tam Hiệp trên sông Dương Tử (Trung quốc) là công trình thuỷ điện lớn nhất thế giới hiện nay (đập dài 2390m, cao 185m và hồ có dung tích 38 tỷ m3) được bố trí hệ thống

tự động quan trắc chuyển dịch ngang bằng công nghệ GPS, đập thủy điện bê tông trọng lực dạng vòm Cách Hà Nham (dài 653m, cao 151m) cũng bố trí hệ thống tự động hóa GPS quan trắc biến dạng ngoài đã đưa vào sử dụng từ

tháng 3/1998 [10]…

1.4.2.2 Ở Việt Nam

Hiện nay, ở nước ta công tác quan trắc biến dạng các công trình kỹ thuật cũng đã được chú trọng và được triển khai ở hầu hết tất cả các công trình lớn, trong đó công nghệ GPS đang được thực nghiệm ứng dụng tại một số loại công trình sau:

- Đối với các công trình thủy lợi - thủy điện: Hầu hết các công trình thủy lợi thủy điện trong cả nước đã tiến hành công tác quan trắc biến dạng (quan trắc chuyển dịch ngang được thực hiện bằng các máy toàn đạc điện tử chính xác, quan trắc độ lún bằng các máy thủy chuẩn quang học, điện tử và bằng đĩa từ) Ví dụ: nhà máy thủy điện Đa Nhim, thủy điện Thác Bà, thủy điện Hòa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện Tuyên Quang 39, 40 Hiện nay, một số hồ chứa còn có lắp hệ thống quan trắc và cảnh báo lũ tự động Việc thử nghiệm ứng dụng công nghệ GPS đã được Công ty cổ phần tư vấn xây dựng điện I kết hợp với một số giảng viên Trường Đại học Mỏ - Địa chất đo thử nghiệm một chu kỳ vào năm 2002 tại Nhà máy thủy điện Yaly nhưng chưa đi đến kết luận

về việc ứng dụng công nghệ này trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện

- Tại nhà máy lọc dầu Dung Quất cũng đã triển khai ứng dụng công nghệ GPS khi lập lưới thi công đối với các hạng mục công trình quan trọng

như: đê chắn sóng, cầu cảng, bồn chứa dầu, tháp chưng cất, đường ống vận chuyển…

- Các công trình cầu, đường cao tốc, nhà cao tầng ở các thành phố lớn trong cả nước cũng đều được ứng dụng công nghệ GPS trong việc lập lưới thi công xây dựng các công trình như: trung tâm Hội nghị Quốc gia, sân vận động

Mỹ Đình, nhà máy xi măng Bút Sơn, xi măng Thái Nguyên, khu công nghệ Dung Quất, khu công nghiệp Yên Phong (Bắc Ninh), cầu Bãi Cháy - Quảng Ninh, Cầu Tân Hà - Tuyên Quang 33 tuyến đường Hồ Chí Minh đi qua phía đông Trường Sơn, đường cao tốc Ninh Bình - Thanh Hóa cũng được đo lưới thi công bằng công nghệ GPS Công nghệ GPS còn được ứng dụng trong việc chuyển trục công trình xây dựng các nhà cao tầng như Công ty thông tin di động phía Nam (VMS)…

- Viện công nghệ Vũ trụ thuộc Viện khoa học và công nghệ Việt Nam

đã triển khai đề tài “ Nghiên cứu đề xuất sử dụng công nghệ GPS độ chính xác cao trong việc xác định độ dịch chuyển của công trình xây dựng ven bờ” trong

đó đã triển khai thực nghiệm xác định chuyển dịch công trình nhà máy xi măng Cẩm Phả được xây dựng ven bờ vịnh Bái Tử Long với tốc độ dịch chuyển trong khoảng từ 5mm đến 11 mm/năm đối với một số mốc gắn trên công trình

31 Viện nghiên cứu Địa chính (nay là Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ - Bộ Tài nguyên và Môi trường) cũng đã ứng dụng công nghệ GPS trong việc xác định chuyển dịch vỏ quả đất trên khu vực đứt gãy Lai Châu - Điện Biên đạt kết quả tốt 11

Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình đập thủy điện thì hầu như chưa có thử nghiệm nào đạt kết quả như mong muốn đến thời điểm luận án được tiến hành

Hình 1.4: Thử nghiệm quan trắc chuyển dịch ngang đập thuỷ điện Tuyên Quang

1.5 MỘT SỐ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ VỀ CÔNG TÁC QUAN TRẮC BIẾN

2- Tại các công trình lớn ở Việt Nam, việc quan trắc biến dạng chủ yếu vẫn thực hiện theo chu kỳ với các thiết bị và công nghệ truyền thống Chưa có công trình nào được thực hiện theo phương pháp quan trắc tự động, việc quan trắc liên tục tại một số công trình vẫn do chuyên gia nước ngoài thực hiện

Việc ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện còn rất hạn chế, mới chỉ được quan tâm nghiên cứu về mặt lý thuyết

3- Thiết kế tối ưu công tác quan trắc và đo đạc ngoại nghiệp bước đầu

đã được nghiên cứu lý thuyết, tuy nhiên phần ứng dụng ở thực tế còn có một

số hạn chế ứng dụng Trong công tác xử lý số liệu đã áp dụng các phương pháp chặt chẽ và công nghệ tiên tiến đối với hệ thống lưới quan trắc Tuy vậy, việc phân tích kết quả quan trắc chưa được chú ý nhiều

4- Trong thực tế sản xuất đã ứng dụng công nghệ tin học để tự động hóa quá trình tính toán Các phần mềm đang được ứng dụng trong sản xuất mới chỉ giải quyết được các nhiệm vụ đơn lẻ trong quá trình xử lý số liệu Chưa có phần mềm chuyên về xử lý số liệu GPS quan trắc biến dạng công trình

1.5.2 Giới hạn nghiên cứu của luận án

Với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở Việt Nam, trong luận án đã đặt ra

và nghiên cứu các nội dung sau:

- Đặc điểm cấu trúc và yêu cầu quan trắc biến dạng các công trình thuỷ điện Phân tích, so sánh, đánh giá các phương pháp quan trắc đang được sử dụng ở Việt Nam

- Nghiên cứu, đánh giá khả năng và xác định đặc điểm ứng dụng GPS

để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện, đặc biệt là nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống chế một cấp khi quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện

- Nghiên cứu một số vấn đề vể xử lý số liệu GPS trong quan trắc chuyển dịch công trình thuỷ điện

- Thực nghiệm ứng dụng GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện ở thực tế sản xuất

Chương 2 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS

ĐỂ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

2.1 NGUYÊN LÝ VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ GPS

2.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống định vị vệ tinh

Hiện nay các hệ thống định vị về tinh có tiềm năng ứng dụng hiệu quả trong trắc địa là NAVSTAR - GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (Cộng đồng châu Âu), Bắc đẩu (Trung Quốc)… Các hệ thống định vị nêu trên có nguyên lý cấu trúc chung, bao gồm 3 thành phần (được gọi là đoạn) như sau: 1) Đoạn không gian (Space Segment): bao gồm một số vệ tinh trên quỹ đạo 2) Đoạn điều khiển (Control Segment): bao gồm một trạm điều khiển trung tâm và một số trạm theo dõi phân bố tại những vị trí khác nhau trên trái đất 3) Đoạn sử dụng (User Segment): bao gồm các thiết thu và xử lý tín hiệu định

vị vệ tinh  2, 3, 13

Trong bảng 2.1 nêu một số tham số thiết kế chủ yếu của các hệ thống định vị vệ tinh trên thế giới

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của các hệ thống định vị vệ tinh

Chu kỳ quay của vệ tinh 11h 58ph 00s 11h 15ph 44s

2.1.2 Nguyên lý định vị GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo (vị trí tâm pha của anten) Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định tọa độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản là định vị tuyệt đối và định vị tương đối

Định vị tuyệt đối dựa trên nguyên tắc giao hội nghịch không gian khi biết tọa độ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu Ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định tọa độ điểm đo trong không gian 3 chiều, khi số vệ tinh thu được tín hiệu lớn hơn 4 và số lần thu tín hiệu lớn hơn 1 lần thì vị trí điểm đo được giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất Với

số lượng vệ tinh thường xuyên lớn hơn 4 như hiện nay độ chính xác có thể đạt đến 3 m, nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác, độ chính xác vị trí điểm có thể đạt đến 1 m

Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ thống GPS trong trắc địa có độ chính xác cao là định vị tương đối Sự khác biệt của phương pháp định vị này là ở chỗ phải sử dụng tối thiểu 2 máy thu tín hiệu vệ tinh đồng thời và kết quả của phương pháp không phải là tọa độ điểm trong hệ tọa độ

GPS mà là véc tơ không gian (Baseline) nối 2 điểm đặt máy thu, cụ thể là các

thành phần số gia tọa độ X, Y, Z (hoặc B, L, H) của 2 điểm trong hệ tọa độ GPS (Hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý định vị tương đối

Định vị tương đối sử dụng trị đo pha sóng tải, để đạt được độ chính xác cao trong định vị tương đối nguời ta tạo ra sai phân Nguyên tắc của việc này

là dựa trên sự đồng ảnh hưởng của các nguồn sai số đến tọa độ của điểm cần xác định trong bài toán định vị tuyệt đối (như sai số đồng hồ vệ tinh, máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, ảnh hưởng của môi trường ) Cách làm trên có bản chất

là lấy hiệu trị đo trực tiếp để tạo thành trị đo mới (các sai phân) để loại trừ hoặc giảm bớt các sai số kể trên Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo tọa độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên Thời gian đo kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh, cung cấp trị đo dư và giảm được nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất, đo GPS tĩnh đạt độ chính xác cỡ cm

Trong tài liệu 51 đã khảo sát đánh giá ảnh hưởng của các nguồn

sai số trong đo GPS tương đối Thông qua thực nghiệm đã xác định và lập biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa độ chính xác đo đường đáy GPS và thờì gian của ca đo (Hình 2.2) Qua đó cho thấy rằng độ chính xác cạnh đáy GPS có thể đạt được cỡ từ 5 đến 1 mm nếu thời gian ca đo kéo dài trong hoảng từ 0,5 đến 1,5 giờ

Hình 2.2: Biểu đồ độ chính xác cạnh GPS theo thời gian ca đo

2.1.3 Các nguồn sai số trong đo GPS

2.1.3.1 Sai số do đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

Nguồn sai số này phát sinh do sai số của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng Đồng hồ của vệ tinh được điều chỉnh thường xuyên thông qua các trạm điều khiển Nguồn sai số này được loại trừ khi đo theo nguyên lý định vị tương đối

2.1.3.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh Người

sử dụng phải dựa vào lịch thông báo tọa độ vệ tinh Tuy nhiên lịch tọa độ vệ tinh có thể bị sai số, do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo

vệ tinh là:

1-Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt

2-Thu nhận lịch vệ tinh chính xác (precise ephemeris) từ dịch vụ địa động học GPS Quốc tế (The International GPS Service for Geodynamics- IGS) Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm theo dõi tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh, hệ thống này cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch vệ tinh thông báo (broadcast ephemeris) của hệ thống GPS chỉ có 5 trạm theo dõi

vệ tinh 37

2.1.3.3 Ảnh hưởng của tầng ion và tầng đối lưu

Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải đi xuyên qua môi trường không gian gồm các tầng khác nhau Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 ÷ 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng