nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả công tác quan trắc biến dạng công trình ở việt nam

Các luận điểm bảo vệ Luận điểm thứ nhất: Ứng dụng thuật toán truy hồi vào xử lý số liệu theo hiệu trị đo cho phép nâng cao hiệu quả của việc thiết kế tối ưu và xử lý hệ thống lưới quan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

Công trình hoàn thành tại: Bộ môn Trắc địa công trình, Khoa Trắc địa,

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS Trần Khánh, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia, Hà Nội,

- Thư viện trường Địa học Mỏ - Địa chất

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

1 - Trần Khánh, Lê Đức Tình (4/2007), “Tính toán các tham số lún công trình

theo phương pháp mặt phẳng tổng quát”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, (18), tr 77 - 80

2 - Lê Đức Tình (2009), Nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế của các thiết

bị đo đạc hiện đại trong quan trắc chuyển dịch ngang các công trình kỹ thuật, Báo cáo tổng kết đề tài hỗ trợ NCS, Mã số N2009-33

3 - Lê Đức Tình (2010), Ứng dụng phương pháp thống kê để phân tích biến dạng công trình thủy điện trong điều kiện Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề

tài hỗ trợ NCS, Mã số N2010-31

4 - Lê Đức Tình, Trần Khánh (4/2010), “Ứng dụng phương pháp phân tích

tương quan để đánh giá chuyển dịch công trình”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, (30), tr 85 - 89

5 - Lê Đức Tình, Trần Thuỳ Linh (4/2011), “Khảo sát phương pháp bình sai

lưới quan trắc biến dạng công trình theo hiệu trị đo”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, (34), Tr 64-67

6 - Lê Đức Tình (2011), Nghiên cứu thành lập chương trình xử lý số liệu quan trắc và phân tích biến dạng các công trình kỹ thuật, Báo cáo tổng kết đề tài

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các công trình kỹ thuật thuộc dạng có nguy cơ gây thảm họa cao, nhiệm

vụ theo dõi biến dạng tại các công trình mang tính cập nhật thường xuyên với

độ tin cậy cao Đây là một công việc đòi hỏi phải có các giải pháp từ khâu xây dựng lý thuyết cũng như áp dụng các công nghệ mới về thiết bị để phân tích và đưa ra các kết quả có độ chính xác cao phục vụ cho công tác đánh giá

độ ổn định của công trình Việc ứng dụng các công nghệ mới, những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và những phương pháp xử lý số liệu hợp lý sẽ góp phần nâng cao hiệu quả của công tác quan trắc Thực tế cho thấy, trong quan trắc biến dạng công trình, những vấn đề về phân tích và giải thích biến dạng công trình chưa được quan tâm đúng mức

Việc nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả quan trắc chuyển dịch biến

dạng công trình là một vấn đề có ý nghĩa trong giai đoạn hiện nay, nhất là khi

các công trình kỹ thuật lớn của nước ta bước vào giai đoạn nghiệm thu tổng thể và vận hành công trình

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu của luận án là xác lập một số giải pháp để nâng cao

hiệu quả công tác quan trắc biến dạng công trình

- Đối tượng nghiên cứu chính là các công trình kỹ thuật ở Việt Nam

- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: công tác thiết kế, xử lý, phân tích, đánh giá và dự báo chuyển dịch biến dạng của các công trình kỹ thuật

3 Nội dung nghiên cứu

1- Nghiên cứu ứng dụng thuật toán truy hồi để tính toán tối ưu hóa thiết kế lưới quan trắc biến dạng công trình Ứng dụng phương pháp bình sai hiệu trị

đo trong xử lý số liệu quan trắc

2- Xây dựng mô hình chuyển dịch công trình theo các yếu tố khác nhau để phân tích, đánh giá, dự báo mức độ chuyển dịch biến dạng công trình

3- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thống kê trong phân tích biến dạng công trình theo các tác nhân gây ra chuyển dịch biến dạng

4- Lập phần mềm xử lý số liệu và phân tích chuyển dịch biến dạng công trình

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hoàn thiện lý thuyết xử lý số liệu

quan trắc chuyển dịch ngang công trình, phân tích, đánh giá và mô hình hóa quá trình chuyển dịch của công trình

Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để thành

lập hệ thống lưới quan trắc đối với các công trình ở thực tế sản xuất Ứng dụng

lý thuyết xây dựng mô hình đề xuất trong luận án để mô tả biến dạng công trình, phục vụ công tác phân tích, đánh giá và dự báo biến dạng các công trình

kỹ thuật

5 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm thứ nhất: Ứng dụng thuật toán truy hồi vào xử lý số liệu theo

hiệu trị đo cho phép nâng cao hiệu quả của việc thiết kế tối ưu và xử lý hệ thống lưới quan trắc biến dạng công trình

Luận điểm thứ hai: Áp dụng phương pháp thống kê để phân tích và giải

thích kết quả quan trắc biến dạng công trình Luận án đã xác lập quy trình phân tích tương quan giữa chuyển dịch và tác nhân gây ra chuyển dịch có tính đến thời gian trễ chuyển dịch cho phép đánh giá chuẩn xác quá trình chuyển dịch công trình

Luận điểm thứ ba: Kết quả nghiên cứu được cụ thể hoá bằng việc xây

dựng phần mềm xử lý số liệu quan trắc và phân tích biến dạng các công trình

kỹ thuật, cho phép nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của công tác xử lý số liệu quan trắc biến dạng công trình

6 Các điểm mới của luận án

1- Xác định thuật toán, xây dựng chương trình khảo sát độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình theo phương pháp truy hồi phục vụ mục đích thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng công trình

2- Xử lý số liệu và phân tích độ ổn định lưới cơ sở mặt bằng theo hiệu trị đo

3- Xác định thời gian trễ của chuyển dịch và đánh giá chuyển dịch công trình theo phương pháp phân tích tương quan

4- Thành lập phần mềm xử lý số liệu quan trắc và phân tích, đánh giá biến dạng các công trình kỹ thuật

7 Cấu trúc và nội dung luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận án được trình bày trong 4 chương với hơn 120 trang thuyết minh, hình vẽ, bảng biểu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH 1.1 Tổng quan về tình hình quan trắc biến dạng công trình

1.1.1 Tình hình nghiên cứu lý thuyết

2- Nghiên cứu phương pháp và quy trình quan trắc

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

1.1.1.2 Ở Việt Nam

Ở nước ta cuối những năm 1980 việc quan trắc biến dạng được quan tâm

và triển khai rộng rãi tại các công trình trong cả nước Đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học các cấp, một số luận án, luận văn đề cập đến vấn đề này:

1- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ quan trắc chuyển dịch công trình

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

1.1.2 Tình hình thực hiện quan trắc một số công trình điển hình

1.1.2.1 Trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới hầu hết các công trình kỹ thuật của mỗi quốc gia đều đã được quan trắc biến dạng với các thiết bị đo đạc hiện đại nhất

1.1.2.2 Ở Việt Nam

Hiện nay, ở nước ta công tác biến dạng các công trình kỹ thuật cũng đã được trú trọng và được triển khai ở hầu hết tất cả các công trình kỹ thuật: các nhà máy thủy điện Đa Nhim, Thác Bà, Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang; các nhà máy: lọc dầu Dung Quất, nhiệt điện Phả Lại, Nghi Sơn; các công trình cầu, đường cao tốc, nhà cao tầng ở các thành phố lớn trong cả nước cũng đã tiến hành công tác quan trắc biến dạng

1.2 Một số nhận xét đánh giá về công tác quan trắc biến dạng

2- Tại các công trình việc quan trắc biến dạng chủ yếu vẫn thực hiện theo chu kỳ với các thiết bị và công nghệ truyền thống

3- Thiết kế tối ưu lưới 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 Trong công tác xử lý số liệu, việc phân tích kết quả quan trắc chưa được chú ý đúng mức

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 xử lý tổng thể các vấn đề đặt ra đối với công tác quan trắc biến dạng công trình

1.2.2 Giới hạn nghiên cứu của luận án

Trong luận án đã đặt ra và nghiên cứu các nội dung sau:

- Ứng dụng thuật toán bình sai truy hồi và hiệu trị đo để tính toán thiết kế tối ưu hệ thống lưới quan trắc biến dạng công trình

- Xây dựng thuật toán và quy trình xử lý mạng lưới quan trắc biến dạng công trình theo phương pháp hiệu trị đo

- Lập mô hình chuyển dịch công trình để trợ giúp cho quá trình phân tích biến dạng công trình

- Xây dựng bộ phần mềm tính toán chuyên dùng cho mục đích thiết kế, xử

lý số liệu mạng lưới quan trắc biến dạng, biểu diễn đồ họa quá trình chuyển dịch và phân tích đánh giá kết quả quan trắc biến dạng công trình

Chương 2 THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI QUAN TRẮC

BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH 2.1 Quy trình thành lập lưới quan trắc biến dạng công trình

2.1.1 Nguyên tắc xây dựng lưới quan trắc biến dạng công trình

Hệ thống lưới quan trắc biến dạng công trình bao gồm 2 bậc lưới, bậc một

là lưới cơ sở và bậc hai là lưới quan trắc Yêu cầu độ chính xác chuyển dịch đối với các cấp lưới trong quan trắc biến dạng được xác định theo các công thức:

- Đối với lưới cơ sở:

+

= (2.2)

Trong các công thức 2.1 và 2.2: mq là sai số xác định chuyển dịch, k là hệ

số giảm độ chính xác giữa 2 cấp lưới

2.1.2 Yêu cầu đối với công tác thiết kế lưới

Các yêu cầu chủ yếu đối với công tác thiết kế hệ thống lưới quan trắc biến dạng công trình được đặt ra như sau:

1- Tiêu chuẩn độ chính xác quan trắc là sai số vị trí điểm hoặc sai số theo hướng đối với lưới quan trắc chuyển dịch ngang, sai số độ cao hoặc sai số hiệu độ cao đối với lưới quan trắc độ lún

2- Các phương án thiết kế tối ưu: tối ưu độ chính xác vị trí các điểm quan trắc hoặc là tối ưu chi phí thi công lưới

Dạng tổng quát của bài toán tối ưu được đặt ra như sau: Tìm các số x1, x2,

…, xn sao cho hàm mục tiêu:

) ,,,(x1 x2 x n

f

đạt cực đại (hoặc cực tiểu), đồng thời thoả mãn các điều kiện (hệ ràng buộc):

l j

x

h

m i

)

(

, , 2 , 1 ,

~

Trong tính toán thiết kế lưới, việc xác định trọng số đảo của hàm các yếu

tố cần đánh giá độ chính xác của mạng lưới chiếm thời gian và khối lượng tính toán đáng kể nhất Để giải quyết vấn đề này, trong luận án đã khảo sát ứng dụng thuật toán bình sai truy hồi để tính toán thiết kế lưới theo hiệu trị

đo giữa 2 chu kỳ quan trắc

2.2 Ước tính độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình theo hiệu trị đo giữa 2 chu kỳ quan trắc

2.2.1 Cơ sở thuật toán

Lưới quan trắc biến dạng công trình thuộc dạng lưới đo lặp, sơ đồ mạng lưới được thiết kế giống nhau trong các chu kỳ quan trắc Khi đó, nếu ký hiệu

ΔT là vector hiệu trị đo thì vector chuyển dịch q được xác định từ hệ phương trình chuẩn:

0 q + A PΔT =

PA

Ma trận hệ số của hệ phương trình (2.7) có cấu trúc giống với ma trận hệ

số của hệ phương trình chuẩn khi chọn ẩn số là tọa độ (hoặc độ cao) các điểm trong mạng lưới Vì vậy, có thể thực hiện ước tính độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình theo quy trình như đối với các mạng lưới trắc địa thông thường với ẩn số là vector chuyển dịch (hoặc độ lún) công trình

2.2.2 Các chỉ tiêu độ chính xác trong lưới quan trắc biến dạng công trình

Q

mΔS = μ. ii + jj − 2 ij (2.9)

2.2.2.1 Chỉ tiêu độ chính xác chuyển dịch ngang

1 Sai số chuyển dịch tuyệt đối

yy xx

2

2 2

xy yy

xx yy

xx q

Q Q

Q Q

2

2 2

xy yy

xx yy

xx q

Q Q

Q Q

xy

Q Q

Q Arctg

μ

ϕ E cos 2 F sin 2

2.3 Ứng dụng thuật toán truy hồi trong tính toán tối ưu hoá bản thiết kế lưới

2.3.1 Cơ sở lí thuyết của thuật toán truy hồi

2.3.1.1 Cơ sở lí thuyết

Công thức truy hồi tính ma trận nghịch đảo có dạng:

T i i i i

i i

T i i i

i

a Q a p

Q a a Q Q

Q

1

1 1

Trong đó: ai, pi là vector hệ số phương trình số hiệu chỉnh và trọng số của trị đo thứ i, Qi-1, Qi là ma trận ngịch đảo của mạng lưới tính đến các trị đo thứ i-1 và i

Phương pháp xử lý số liệu với việc tính ma trận nghịch đảo theo công thức truy hồi có ưu điểm là: trong bài toán khảo sát độ chính xác của các mạng lưới trắc địa, nhiều trường hợp phải thay đổi số đại lượng đo, khi đó công thức truy hồi cho phép không cần phải lập lại hệ phương trình chuẩn và tính

ma trận nghịch đảo từ đầu, nên rất thuận tiện cho việc tính toán thiết kế lưới

2.3.2 Ứng dụng thuật toán truy hồi trong thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng công trình

2.3.2.1 Thiết kế tối ưu độ chính xác lưới

Đặt vấn đề: Cần xác định phương án lưới có độ chính xác cao nhất với chi phí cho trước Bài toán thiết kế tối ưu độ chính xác lưới được đặt ra như sau:

1 Hàm mục tiêu

Min )

x , , x

, (x f

2 Hệ điều kiện ràng buộc

1- m≤mThiet ke

2- Chi phí thành lập lưới ≤ W

3- Số hướng đo đến 1 điểm ≥ V

Sơ đồ tính toán được đưa ra trong hình 2.1

2.3.2.2 Thiết kế tối ưu chi phí thi công lưới

Trong trường hợp này, hàm mục tiêu là thời gian thi công lưới, điều kiện ràng buộc là sai số tại vị trí yếu nhất của lưới không được vượt quá sai số giới hạn cho trong bản thiết kế kỹ thuật Bài toán thiết kế tối ưu chi phí thi

công lưới được đặt ra như sau:

1 Hàm mục tiêu

Min )

x , , x

Sơ đồ tính toán được đưa ra trong hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán thiết kế tối ưu chi phí thành lập lưới

Chọn tập trị đo phương án i

Ước tính độ chính xác lưới i = i+1

Nhập dữ liệu của mạng lưới

Xác định phương án tính

Chấp nhận phương án i có độ chính xác cao nhất Chọn phương án

Xác định tổng số phương án

(S ), i =1 pa

ke Thiet

2.4 Thực nghiệm thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng

Trong luận án đã triển khai thực nghiệm thiết kế tối ưu 2 mạng lưới quan trắc chuyển dich ngang công trình:

1- Tối ưu hoá bản thiết kế lưới cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang tại một nhà máy thuỷ điện theo độ chính xác

2- Tối ưu hoá bản thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang tại nhà máy thuỷ điện theo chi phí thi công lưới

Để trợ giúp quá trình tính toán, trong luận án đã thiết kế xây dựng thuật

toán và phần mềm xử lý số liệu “Construction Deformation Analysis- CDA”

Kết quả đã xác định được một số phương án tối ưu theo hàm mục tiêu đã đặt

ra

Kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết, trên cơ sở đó cho phép rút ra một số đánh giá về công tác thiết kế lưới:

1- Lưới quan trắc biến dạng công trình có yêu cầu cao về độ chính xác và thời gian thi công Vì vậy, trong thiết kế lưới cần phải xác định áp dụng các biện pháp tối ưu nhằm xác định phương án lưới phù hợp

2- Ứng dụng thuật toán bình sai truy hồi (theo hiệu trị đo) cho phép thực hiện ước tính nhanh chóng với nhiều phương án thành lập lưới và là biện pháp rất hiệu quả trong thiết kế tối ưu lưới

2.5 Bình sai lưới quan trắc biến dạng công trình theo hiệu trị đo giữa 2 chu kỳ quan trắc

2.5.1 Cơ sở lý thuyết

Lưới quan trắc biến dạng công trình là dạng lưới đo lặp, sơ đồ lưới thường được giữ nguyên trong các chu kỳ quan trắc Vì vậy, có thể áp dụng phương pháp bình sai hiệu trị đo trong 2 chu kỳ để xử lý số liệu lưới Nếu chọn vector tọa độ (hoặc độ cao) gần đúng giống nhau trong cả 2 chu kỳ quan trắc thì vector số hiệu chỉnh của hiệu trị đo được tính theo công thức:

1212

Trọng số của hiệu trị đo:

2 1

2 1

P P

P P

X có mối liên hệ: t= f(x1,x2, ,x n). Nếu dxi là giá trị biến động của số liệu gốc xi

(i= 1,n), khi đó giá trị biến động của trị đo được tính theo công thức:

t dx

x

t dx

2.5.2 Thực nghiệm bình sai lưới quan trắc theo hiệu trị đo

Trong luận án đã thực hiện bình sai lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện Yaly theo các phương án: xử lý kết hợp và xử lý tách biệt 2 chu kỳ quan trắc So sánh kết quả 2 phương án bình sai cho thấy: kết quả tính chuyển dịch trong 2 phương án là như nhau, các chỉ tiêu sai số chuyển dịch trong phương án bình sai hiệu trị đo có giá trị nhỏ hơn so với phương án bình sai tách biệt, điều này xảy ra là do ảnh hưởng của sai số hệ thống hoặc sai số

số liệu gốc còn tồn tại trong các chu kỳ đo

2.6 Phân tích độ ổn định các điểm lưới cơ sở theo phương pháp bình sai

tự do với hiệu trị đo

2.6.1 Lựa chọn điều kiện định vị lưới cơ sở

Khi bình sai bậc lưới cơ sở theo hiệu trị đo cũng xác định được hệ phương trình chuẩn như mô tả ở công thức (2.7) Lưới cơ sở là lưới trắc địa tự do nên cần phải đưa vào định vị mạng lưới, dạng: