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. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn.
1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT LÊ ĐỨC TÌNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH Ở VIỆT NAM Chun ngành : Trắc địa ứng dụng Mã số : 62.52.85.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 Công trình hồn thành tại: Bộ mơn Trắc địa cơng 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 Phản biện : PGS.TS Vũ Văn Thặng Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Phản biện : TS Dương Chí Cơng Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Phản Biện : TS Vũ Văn Đồng Cục Bản đồ - Bộ Tổng tham mưu Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại: Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hội … … ngày … tháng … năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia, Hà Nội, - Thư viện trường Địa học Mỏ - Địa chất DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC - Trần Khánh, Lê Đức Tình (4/2007), “Tính tốn tham số lún cơng trình theo phương pháp mặt phẳng tổng quát”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ Địa chất, (18), tr 77 - 80 - Lê Đức Tình (2009), Nghiên cứu khả ứng dụng thực tế thiết bị đo đạc đại quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình kỹ thuật, Báo cáo tổng kết đề tài hỗ trợ NCS, Mã số N2009-33 - Lê Đức Tình (2010), Ứng dụng phương pháp thống kê để phân tích biến dạng cơng trình thủy điện điều kiện Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề tài hỗ trợ NCS, Mã số N2010-31 - Lê Đức Tình, Trần Khánh (4/2010), “Ứng dụng phương pháp phân tích tương quan để đánh giá chuyển dịch cơng trình”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, (30), tr 85 - 89 - Lê Đức Tình, Trần Thuỳ Linh (4/2011), “Khảo sát phương pháp bình sai lưới quan trắc biến dạng cơng trình theo hiệu trị đo”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, (34), Tr 64-67 - Lê Đức Tình (2011), Nghiên cứu thành lập chương trình xử lý số liệu quan trắc phân tích biến dạng cơng trình kỹ thuật, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp sở, mã số T11-24 - Nguyễn Quang Phúc, Hồng Thị Minh Hương, Lê Đức Tình, Phạm Doãn Mậu (10/2011) , “Kết thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (36), tr 85-90 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Các cơng trình kỹ thuật thuộc dạng có nguy gây thảm họa cao, nhiệm vụ theo dõi biến dạng cơng trình mang tính cập nhật thường xuyên với độ tin cậy cao Đây cơng việc địi hỏi phải có giải pháp từ khâu xây dựng lý thuyết áp dụng công nghệ thiết bị để phân tích đưa kết có độ xác cao phục vụ cho cơng tác đánh giá độ ổn định cơng trình Việc ứng dụng công nghệ mới, tiến khoa học kỹ thuật phương pháp xử lý số liệu hợp lý góp phần nâng cao hiệu công tác quan trắc Thực tế cho thấy, quan trắc biến dạng cơng trình, vấn đề phân tích giải thích biến dạng cơng trình chưa quan tâm mức Việc nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình vấn đề có ý nghĩa giai đoạn nay, cơng trình kỹ thuật lớn nước ta bước vào giai đoạn nghiệm thu tổng thể vận hành cơng trình Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu luận án xác lập số giải pháp để nâng cao hiệu công tác quan trắc biến dạng cơng trình - Đối tượng nghiên cứu cơng trình kỹ thuật Việt Nam - Phạm vi nghiên cứu luận án bao gồm: cơng tác thiết kế, xử lý, phân tích, đánh giá dự báo chuyển dịch biến dạng cơng trình kỹ thuật Nội dung nghiên cứu 1- Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn truy hồi để tính tốn tối ưu hóa thiết kế lưới quan trắc biến dạng cơng trình Ứng dụng phương pháp bình sai hiệu trị đo xử lý số liệu quan trắc 2- Xây dựng mơ hình chuyển dịch cơng trình theo yếu tố khác để phân tích, đánh giá, dự báo mức độ chuyển dịch biến dạng cơng trình 3- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thống kê phân tích biến dạng cơng trình theo tác nhân gây chuyển dịch biến dạng 4- Lập phần mềm xử lý số liệu phân tích chuyển dịch biến dạng cơng trình Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển hoàn thiện lý thuyết xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình, phân tích, đánh giá mơ hình hóa q trình chuyển dịch cơng trình Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu ứng dụng để thành lập hệ thống lưới quan trắc công trình thực tế sản xuất Ứng dụng lý thuyết xây dựng mơ hình đề xuất luận án để mơ tả biến dạng cơng trình, phục vụ cơng tác phân tích, đánh giá dự báo biến dạng cơng trình kỹ thuật 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 việc thiết kế tối ưu xử lý hệ thống lưới quan trắc biến dạng cơng trình Luận điểm thứ hai: Áp dụng phương pháp thống kê để phân tích giải thích kết quan trắc biến dạng cơng trình Luận án xác lập quy trình phân tích tương quan chuyển dịch tác nhân gây chuyển dịch có tính đến thời gian trễ chuyển dịch cho phép đánh giá chuẩn xác q trình chuyển dịch cơng trình Luận điểm thứ ba: Kết nghiên cứu cụ thể hoá việc xây dựng phần mềm xử lý số liệu quan trắc phân tích biến dạng cơng trình kỹ thuật, cho phép nâng cao hiệu độ tin cậy công tác xử lý số liệu quan trắc biến dạng cơng trình Các điểm luận án 1- Xác định thuật toán, xây dựng chương trình khảo sát độ xác lưới quan trắc biến dạng cơng trình theo phương pháp truy hồi phục vụ mục đích thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng cơng trình 2- Xử lý số liệu phân tích độ ổn định lưới sở mặt theo hiệu trị đo 3- Xác định thời gian trễ chuyển dịch đánh giá chuyển dịch công trình theo phương pháp phân tích tương quan 4- Thành lập phần mềm xử lý số liệu quan trắc phân tích, đánh giá biến dạng cơng trình kỹ thuật Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận án trình bày chương với 120 trang thuyết minh, hình vẽ, bảng biểu Chương TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH 1.1 Tổng quan tình hình quan trắc biến dạng cơng trình 1.1.1 Tình hình nghiên cứu lý thuyết 1.1.1.1 Trên giới Các hướng nghiên cứu để đảm bảo hiệu công tác quan trắc biến dạng cơng trình bao gồm: 1- Nghiên cứu ứng dụng thiết bị đại quan trắc biến dạng cơng trình 2- Nghiên cứu phương pháp quy trình quan trắc 3- Phân tích, đánh giá kết quan trắc biến dạng cơng trình 1.1.1.2 Ở Việt Nam Ở nước ta cuối năm 1980 việc quan trắc biến dạng quan tâm triển khai rộng rãi cơng trình nước Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu khoa học cấp, số luận án, luận văn đề cập đến vấn đề này: 1- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ quan trắc chuyển dịch cơng trình 2- Nghiên cứu phương pháp thiết kế xử lý số liệu quan trắc 1.1.2 Tình hình thực quan trắc số cơng trình điển hình 1.1.2.1 Trên giới Hiện nay, giới hầu hết cơng trình kỹ thuật quốc gia quan trắc biến dạng với thiết bị đo đạc đại 1.1.2.2 Ở Việt Nam Hiện nay, nước ta công tác biến dạng cơng trình kỹ thuật trú trọng triển khai hầu hết tất cơng trình kỹ thuật: nhà máy thủy điện Đa Nhim, Thác Bà, Hịa Bình, Sơn La, Tuyên Quang; nhà máy: lọc dầu Dung Quất, nhiệt điện Phả Lại, Nghi Sơn; cơng trình cầu, đường cao tốc, nhà cao tầng thành phố lớn nước tiến hành công tác quan trắc biến dạng 1.2 Một số nhận xét đánh giá công tác quan trắc biến dạng 1.2.1 Nhận xét chung Qua việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu tổng quan công tác quan trắc biến dạng giới nước rút số nhận xét sau: 1- Ở nước ta, hạn chế lực sản xuất thiết bị đo đạc xác cao, nên chủ yếu sử dụng thiết bị cơng nghệ đại nhập khẩu, chưa có điều kiện chế tạo thiết bị đo chuyên dùng cho cơng tác quan trắc biến dạng cơng trình 2- Tại cơng trình việc quan trắc biến dạng chủ yếu thực theo chu kỳ với thiết bị công nghệ truyền thống 3- Thiết kế tối ưu lưới quan trắc đo đạc ngoại nghiệp bước đầu nghiên cứu lý thuyết, nhiên phần ứng dụng thực tế cịn có số hạn chế Trong cơng tác xử lý số liệu, việc phân tích kết quan trắc chưa ý mức 4- Trong thực tế sản xuất ứng dụng công nghệ tin học để tự động hóa q trình tính toán Các phần mềm ứng dụng sản xuất giải nhiệm vụ đơn lẻ q trình xử lý số liệu Chưa có phần mềm xử lý tổng thể vấn đề đặt công tác quan trắc biến dạng công trình 1.2.2 Giới hạn nghiên cứu luận án Trong luận án đặt nghiên cứu nội dung sau: - Ứng dụng thuật tốn bình sai truy hồi hiệu trị đo để tính tốn thiết kế tối ưu hệ thống lưới quan trắc biến dạng công trình - Xây dựng thuật tốn quy trình xử lý mạng lưới quan trắc biến dạng cơng trình theo phương pháp hiệu trị đo - Lập mơ hình chuyển dịch cơng trình để trợ giúp cho q trình phân tích biến dạng cơng trình - Xây dựng phần mềm tính tốn chun dùng cho mục đích thiết kế, xử lý số liệu mạng lưới quan trắc biến dạng, biểu diễn đồ họa trình chuyển dịch phân tích đánh giá kết quan trắc biến dạng cơng trình Chương THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH 2.1 Quy trình thành lập lưới quan trắc biến dạng cơng trình 2.1.1 Nguyên tắc xây dựng lưới quan trắc biến dạng cơng trình Hệ thống lưới quan trắc biến dạng cơng trình bao gồm bậc lưới, bậc lưới sở bậc hai lưới quan trắc Yêu cầu độ xác chuyển dịch cấp lưới quan trắc biến dạng xác định theo công thức: - Đối với lưới sở: mqCS = mq 1+ k2 (2.1) - Đối với lưới quan trắc: mqQT = k mq 1+ k2 (2.2) Trong công thức 2.1 2.2: mq sai số xác định chuyển dịch, k hệ số giảm độ xác cấp lưới 2.1.2 Yêu cầu công tác thiết kế lưới Các yêu cầu chủ yếu công tác thiết kế hệ thống lưới quan trắc biến dạng cơng trình đặt sau: 1- Tiêu chuẩn độ xác quan trắc sai số vị trí điểm sai số theo hướng lưới quan trắc chuyển dịch ngang, sai số độ cao sai số hiệu độ cao lưới quan trắc độ lún 2- Các phương án thiết kế tối ưu: tối ưu độ xác vị trí điểm quan trắc tối ưu chi phí thi cơng lưới Dạng tổng qt tốn tối ưu đặt sau: Tìm số x1, x2, …, xn cho hàm mục tiêu: Z = f (x1 , x2 , , xn ) (2.3) đạt cực đại (hoặc cực tiểu), đồng thời thoả mãn điều kiện (hệ ràng buộc): g i ( x) ≥ 0, i = 1, 2, , m h j ( x) = 0, j = 1, 2, , l (2.4) 2.1.3 Ước tính độ xác lưới Ước tính độ xác lưới quan trắc biến dạng cơng trình thực theo cơng thức: mF = μ PF (2.5) Trong đó: μ sai số trung phương đơn vị trọng số, 1/PF trọng số đảo hàm số 1 = f T Qf = f T R~ f PF PF (2.6) Trong tính toán thiết kế lưới, việc xác định trọng số đảo hàm yếu tố cần đánh giá độ xác mạng lưới chiếm thời gian khối lượng tính tốn đáng kể Để giải vấn đề này, luận án khảo sát ứng dụng thuật tốn bình sai truy hồi để tính tốn thiết kế lưới theo hiệu trị đo chu kỳ quan trắc 2.2 Ước tính độ xác lưới quan trắc biến dạng cơng trình theo hiệu trị đo chu kỳ quan trắc 2.2.1 Cơ sở thuật toán Lưới quan trắc biến dạng cơng trình thuộc dạng lưới đo lặp, sơ đồ mạng lưới thiết kế giống chu kỳ quan trắc Khi đó, ký hiệu ΔT vector hiệu trị đo vector chuyển dịch q xác định từ hệ phương trình chuẩn: AT PA.q + AT PΔT = (2.7) Ma trận hệ số hệ phương trình (2.7) có cấu trúc giống với ma trận hệ số hệ phương trình chuẩn chọn ẩn số tọa độ (hoặc độ cao) điểm mạng lưới Vì vậy, thực ước tính độ xác lưới quan trắc biến dạng cơng trình theo quy trình mạng lưới trắc địa thông thường với ẩn số vector chuyển dịch (hoặc độ lún) cơng trình 2.2.2 Các tiêu độ xác lưới quan trắc biến dạng cơng trình 2.2.2.1 Chỉ tiêu độ xác độ lún Sai số độ lún tuyệt đối sai số độ lún lệch điểm đo: mS i = μ Qii (2.8) m ΔS = μ Qii + Q jj − 2Qij (2.9) 2.2.2.1 Chỉ tiêu độ xác chuyển dịch ngang Sai số chuyển dịch tuyệt đối mq = μ Q xx + Q yy (2.10) Elip sai số - Bán trục lớn E, bám trục nhỏ F hướng bán trục lớn: (Q xx − Q yy ) + 4Q xy Q xx +Q yy Eq = μ + Q xx + Q yy Fq = μ − 2Q xy α = Arctg Q xx − Q yy ( Q xx − Q yy ) + Q xy (2.11) Sai số chuyển dịch theo huớng (ϕ): m ϕ = μ E cos ϕ + F sin ϕ (2.12) 2.3 Ứng dụng thuật toán truy hồi tính tốn tối ưu hố thiết kế lưới 2.3.1 Cơ sở lí thuyết thuật tốn truy hồi 2.3.1.1 Cơ sở lí thuyết Cơng thức truy hồi tính ma trận nghịch đảo có dạng: Q aT a Q Qi = Qi −1 − i −1 i i i −1 + Qi −1aiT pi (2.13) 10 2.4 Thực nghiệm thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng Trong luận án triển khai thực nghiệm thiết kế tối ưu mạng lưới quan trắc chuyển dich ngang cơng trình: 1- Tối ưu hố thiết kế lưới sở quan trắc chuyển dịch ngang nhà máy thuỷ điện theo độ xác 2- Tối ưu hoá thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang nhà máy thuỷ điện theo chi phí thi cơng lưới Để trợ giúp q trình tính tốn, luận án thiết kế xây dựng thuật toán phần mềm xử lý số liệu “Construction Deformation Analysis- CDA” Kết xác định số phương án tối ưu theo hàm mục tiêu đặt Kết thực nghiệm chứng tỏ tính đắn phân tích lý thuyết, sở cho phép rút số đánh giá công tác thiết kế lưới: 1- Lưới quan trắc biến dạng cơng trình có u cầu cao độ xác thời gian thi cơng Vì vậy, thiết kế lưới cần phải xác định áp dụng biện pháp tối ưu nhằm xác định phương án lưới phù hợp 2- Ứng dụng thuật tốn bình sai truy hồi (theo hiệu trị đo) cho phép thực ước tính nhanh chóng với nhiều phương án thành lập lưới biện pháp hiệu thiết kế tối ưu lưới 2.5 Bình sai lưới quan trắc biến dạng cơng trình theo hiệu trị đo chu kỳ quan trắc 2.5.1 Cơ sở lý thuyết Lưới quan trắc biến dạng công trình dạng lưới đo lặp, sơ đồ lưới thường giữ nguyên chu kỳ quan trắc Vì vậy, áp dụng phương pháp bình sai hiệu trị đo chu kỳ để xử lý số liệu lưới Nếu chọn vector tọa độ (hoặc độ cao) gần giống chu kỳ quan trắc vector số hiệu chỉnh hiệu trị đo tính theo cơng thức: v12 = A.q12 − ΔT12 (2.14) 11 Trọng số hiệu trị đo: P= P1 P2 P1 + P2 (2.15) Theo nguyên lý số bình phương nhỏ xác định vector chuyển dịch điểm quan trắc: q12 = ( AT PA) −1 AT P.ΔT12 (2.16) Khi bình sai lưới theo hiệu trị đo, số liệu tọa độ (hoặc độ cao) gốc chu kỳ có thay đổi so với số liệu gốc chu kỳ cần phải hiệu chỉnh thay đổi hiệu trị đo Nếu trị đo t vector số liệu gốc X có mối liên hệ: t = f ( x1 , x2 , , xn ) Nếu dxi giá trị biến động số liệu gốc xi (i= 1,n), giá trị biến động trị đo tính theo cơng thức: ⎡⎛ ∂t ⎞ ⎤ ⎛ ∂t ⎞ ⎛ ∂t ⎞ ⎟⎟.dxn ⎥ ⎟⎟.dx1 + ⎜⎜ ⎟⎟.dx2 + + ⎜⎜ dt = ⎢⎜⎜ ⎝ ∂x2 ⎠ ⎝ ∂xn ⎠ ⎣⎝ ∂x1 ⎠ ⎦ (2.17) 2.5.2 Thực nghiệm bình sai lưới quan trắc theo hiệu trị đo Trong luận án thực bình sai lưới quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình thuỷ điện Yaly theo phương án: xử lý kết hợp xử lý tách biệt chu kỳ quan trắc So sánh kết phương án bình sai cho thấy: kết tính chuyển dịch phương án nhau, tiêu sai số chuyển dịch phương án bình sai hiệu trị đo có giá trị nhỏ so với phương án bình sai tách biệt, điều xảy ảnh hưởng sai số hệ thống sai số số liệu gốc tồn chu kỳ đo 2.6 Phân tích độ ổn định điểm lưới sở theo phương pháp bình sai tự với hiệu trị đo 2.6.1 Lựa chọn điều kiện định vị lưới sở Khi bình sai bậc lưới sở theo hiệu trị đo xác định hệ phương trình chuẩn mơ tả công thức (2.7) Lưới sở lưới trắc địa tự nên cần phải đưa vào định vị mạng lưới, dạng: 12 C T q12 = (2.18) Đối với lưới sở mặt bằng, ma trận C xác lập điều kiện: “Tổng bình phương độ lệch tọa độ điểm ổn định lưới nhỏ nhất” Từ suy (B ma trận Helmert): -Chọn Ci = Bi - Nếu i điểm ổn định (2.19) -Chọn: Ci = - Nếu i điểm không ổn định Đối với lưới độ cao sở: -Chọn Ci = - Nếu i điểm ổn định (2.20) -Chọn: Ci = - Nếu i điểm khơng ổn định 2.6.2 Quy trình phân tích độ ổn định mốc sở theo hiệu trị đo Quy trình xử lý số liệu lưới quan trắc biến dạng cơng trình nêu thể cách trực quan thơng qua sơ đồ (Hình 2.3): Lập hệ PTC R.q + b = Giải hệ PTC, tính chuyển dịch Điều kiện định vị C0T.q = Ci = Điểm i không ổn định qi ≤ t.mq Đúng Kết thúc Hình 2.3: Sơ đồ phân tích độ ổn định lưới sở 2.6.3 Ví dụ phân tích độ ổn định mốc sở theo hiệu trị đo Trong luận án thực phân tích độ ổn định lưới sở cơng trình quan trắc chuyển dịch ngang tuyến đập thuỷ điện Yaly Kết tính tốn thực nghiệm minh chứng cho tính đắn nội dung khảo sát lý thuyết 2.6.4 Nhận xét phương pháp bình sai hiệu trị đo 1- Kết bình sai hiệu trị đo khơng chịu ảnh hưởng sai số hệ thống 13 sai số số liệu gốc cố định, kết tính tốn tham số chuyển dịch cơng trình khơng bị ảnh hưởng cuả nguồn sai số Ngoài ra, việc đánh giá độ xác chuyển dịch phương pháp bình sai hiệu trị đo có độ tin cậy cao so với bình sai tách biệt theo chu kỳ đo 2- Vector số hạng tự bình sai hiệu trị đo tính đơn giản so với bình sai tách biệt Kết bình sai cho phép tính trực tiếp giá trị dịch chuyển điểm quan trắc 3- Phương pháp bình sai hiệu trị đo có nhược điểm yêu cầu đồ hình lưới chu kỳ quan trắc phải giữ giống nhau, điều dẫn đến số ràng buộc tổ chức quan trắc ngoại nghiệp Chương PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH 3.1 Mơ hình chuyển dịch cơng trình Có ba nhóm yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định cơng trình là: 1- Các yếu tố thuộc nhóm ngun nhân chủ đạo gây nên chuyển dịch biến dạng cơng trình (x1, x2, xn) 2- Sự thay đổi điều kiện ngoại cảnh tác động người (u1, u2, um) 3- Tác động nhiễu (z1, z2, zm) Tham số đầu giá trị định lượng (Y), đặc trưng cho mức độ chuyển dịch biến dạng cơng trình Các nhiệm vụ đặt phân tích, đánh giá chuyển dịch, biến dạng cơng trình bao gồm: - Xác định xu hướng chuyển dịch cơng trình khơng gian, theo thời gian - Xác định đánh giá mức độ phụ thuộc độ chuyển dịch cơng trình vào số yếu tố ngoại cảnh Mơ hình chuyển dịch cơng trình thể thơng qua hàm số: q = ϕ[ F1 ( x) + F2 (u ) + F3 ( z ) + w] (3.1) Trong đó: F1(x)- thành phần ảnh hưởng nhóm yếu tố chủ đạo gây 14 3.2 Thành lập mơ hình chuyển dịch theo thời gian 3.2.1 Cơ sở lý thuyết Mơ hình chuyển dịch cơng trình theo thời gian thể thơng qua hàm số dạng tổng quát: q = f (t ) (3.2) Giả sử hàm số 3.2 triển khai tuyến tính với vector tham số Z gồm k phần tử: Z = ( z1 , z , , , z k ) T (3.3) Bài toán đặt là: Dựa vào chuỗi kết đo chuyển dịch n chu kỳ để xác định vector tham số hàm 3.2 Kí hiệu dãy thời gian giá trị chuyển T dịch thu chu kỳ quan trắc vector T = (t1 , t , , t n ) ; q = (q1 , q2 , , qn )T Khi số chu kỳ quan trắc lớn số luợng tham số, tốn giải sau: -Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh: V = A.dZ + L (3.4) Trong đó: vector số hạng tự L = q − q -Theo nguyên lý số bình phương nhỏ ([v2] = Min) xác định vector ẩn số từ tính vector tham số mơ hình: dZ = −( AT A) -1.A T L Z = Z + dZ (3.5) -Sai số mơ hình: mMH [v ] = n−k (3.6) Mơ hình chuyển dịch theo thời gian cho phép thực tính tốn, dự báo chuyển dịch cơng trình thời gian tương lai Dạng hàm số mơ hình chọn dựa sở phân tích trực quan đồ thị chuyển dịch 3.2.2 Một số mơ hình chuyển dịch cơng trình theo thời gian 15 1- Hàm số mũ (sử dụng để mô tả độ lún cơng trình dân dụng) S = S TP (1 − e −αt ) (3.7) 2- Hàm đa thức q t = a + a1 t + a t + + a n t n (3.8) Trong đó: qt Giá trị dịch cơng trình thời điểm t; (a0, a1, a2, an) vector hệ số đa thức 3- Hàm tuần hoàn qt = a0 + a1 sin( wt ) + a2 cos(wt ) + a3 t (3.9) Thực tế quan trắc chuyển dịch cơng trình thuỷ lợi - thủy điện Việt Nam cho thấy, giá trị chuyển dịch ngang tuyến đập giai đoạn vận hành phụ thuộc vào mực nước hồ chứa, yếu tố biến đổi theo mùa có tính tuần hồn Vì vậy, việc sử dụng hàm tuần hồn để xây dựng mơ hình chuyển dịch cơng trình loại phù hợp 3.3 Thời gian trễ chuyển dịch Thơng thường, phản ứng cơng trình thường xảy muộn so với thời điểm tác động tác nhân gây chuyển dịch Sự không đồng thời gian nêu gọi thời gian trễ chuyển dịch Việc xác định thời gian trễ chuyển dịch cho phép đánh giá xác mối tương quan chuyển dịch tác nhân gây chuyển dịch mà cịn giúp cho việc hoạch định thời điểm quan trắc cách hợp lý 3.3.1 Xác định thời gian trễ chuyển dịch cơng trình theo hệ số tương quan Trong tài liệu [49], đề xuất phương pháp xác định thời gian trễ chuyển dịch cách so sánh hệ số tương quan, nội dung phương pháp dựa sở lý luận sau: Giả sử trình quan trắc thu chuỗi giá trị định lượng chu kỳ đo: chuỗi giá trị tác nhân gây chuyển dịch X = {x1 , x2 , , xn } chuỗi giá trị chuyển dịch q = {q1 , q2 , , qn } Quan hệ tương quan chuyển dịch tác nhân gây chuyển dịch xác lập thông qua hệ số tương quan r(xq) 16 r( X ,q ) = M ( X , q) M ( X ).M (q) (3.10) Trong đó: M(X), M(q) sai số trung phương đại lượng X, q; M(X,q) mô ment tương quan bậc 2, xác định theo công thức: M ( X , q) = n ∑ ( X i − X ) ( qi − q ) n − i =1 (3.11) Bước đầu, tính hệ số tương quan X q theo số liệu quan trắc Tiếp theo, thực dịch chuyển tịnh tiến biểu đồ chuyển dịch so với biểu đồ tác nhân gây chuyển dịch tính hệ số tương quan X q Mỗi lần dịch chuyển tịnh tiến tính giá trị hệ số tương quan Thời gian trễ chuyển dịch cơng trình khoảng thời gian tịnh tiến đồ thị Δt, mà hệ số tương quan đạt giá trị lớn 3.3.2 Xác định thời gian trễ chuyển dịch theo cực trị hàm hồi quy Dựa chuỗi kết quan trắc chu kỳ để xây dựng hàm hồi quy để mơ tả chuyển dịch cơng trình tác nhân gây chuyển dịch Trong luận án đề xuất phương pháp xác định thời gian trễ chuyển dịch công trình cách phân tích so sánh thời điểm xảy cực trị hàm hồi quy chuyển dịch hàm hồi quy tác nhân chuyển dịch Nếu hàm hồi quy thể chuyển dịch q = f (t ) , hàm số thể tác nhân gây chuyển dịch (ví dụ biến động mực nước hồ chứa H) H = ϕ (t ) Thời điểm mà hàm số đạt giá trị cực đại cực tiểu xác định thông qua việc giải phương trình vi phân: f ' (t ) = ϕ ' (t ) = Kí hiệu nghiệm tương ứng phương trình t1 t2 Khi thời gian trễ chuyển dịch tính theo cơng thức (hình 3.1): Δt = t1 – t2 (3.12) Quy trình tính tốn xác định thời gian trễ chuyển dịch theo phương pháp phân tích cực trị hàm thể thơng qua ví dụ: Giả sử theo kết quan trắc n chu kỳ, chuyển dịch (q) độ cao mực 17 Biểu đồ mực nước H o o T (Thời gian) O o Δt o Δt Biểu đồ chuyển dịch q Hình 3.1: Thời gian trễ chuyển dich cơng trình qt = a0 + a1 Sin( w1t ) + a2 Cos(w1t ) + a3t (3.13) H t = b0 + b1 Sin( w2 t ) + b2 Cos( w2t ) + b3t (3.14) Từ tính thời gian trễ chuyển dịch: Δt = t1 − t = ϕ1 − α1 + 2kπ ϕ − α + 2kπ − ω1 ω2 (3.15) 3.3 Ứng dụng phương pháp phân tích tương quan để đánh giá chuyển dịch cơng trình 3.4.1 Phân tích tương quan tuyến tính đơn 3.3.1.1 Cơ sở lý thuyết Giả sử có { (Xi, Yi } i = 1, n mẫu ngẫu nhiên hai chiều thu quan sát véctơ ngẫu nhiên (X, Y) hệ số tương quan mẫu rXY X Y xác định sau: XY − X Y r XY == X − (X ) Y − (Y ) (3.16) 18 Trong đó: X = ∑ i X n i ;Y ∑ = Yi i n ; XY ∑ = i X iYi n X ∑ = i X i2 n ; Y ∑ = i Y i2 n - Khi n đủ lớn (n≥ 50) tính độ lệch chuẩn hệ số tương quan: σr ≈ 1− r2 n (3.17) Mối quan hệ tương quan đại lượng X, Y xác lập thỏa mãn điều kiện: r ≥ 3σ r (3.18) - Khi n < 50 sử dụng tiêu chuẩn Fisher: Z= 1+ r ln 1− r (3.19) Phương sai đại lượng Z tính theo cơng thức: σZ ≈ n−3 (3.20) Trong trường hợp mối quan hệ tương quan X Y thiết lập với điều kiện: Z ≥ 3σ Z (3.21) 3.3.1.2 Xây dựng hàm hồi quy Khi quan hệ tương quan đại lượng X chuyển dịch Y xác lập, sử dụng hàm hồi quy tuyến tính đơn để mơ tả mối quan hệ Hàm hồi quy có dạng: Y = a X + b (3.22) Các tham số a, b hàm hồi quy xác định sở n cặp trị đo (Y, X) là: {(Yi , X i )} = {(Y1 , X ), (Y2 , X ), , (Yn , X n )} theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất: n ∑ (Yi − a X i − b) = (3.23) i =1 Khi dẫn đến hệ phương trình tuyến tính: [X ].a + [X ].b − [XY ] = [X ].a + n.b − [Y ] = (3.24) 19 Giải hệ phương trình tuyến tính xác định tham số a, b hàm hồi quy 3.3.2 Phân tích tương quan tuyến tính bội 3.3.2.1 Cơ sở lý thuyết Giả thiết có p đại lượng quan trắc ngẫu nhiên x1, x2, , xp đo độc lập n chu kỳ Các đặc tính đại lượng ngẫu nhiên xi kỳ vọng toán học M[xi], phương sai D moment tương quan Kij, j số hiệu cột, i số hiệu dòng ma trận tương quan: xi K = {K ij }j =1, p i =1, p (3.25) Ước lượng kỳ vọng toán học, phương sai moment tương quan xác định theo công thức: M [xk ] = n ∑ xki , (k = 1, 2, P) n i =1 n ∑ ( xki − M [xk ]) i = n −1 D xk = K ki = n ∑ ( xki − M [xk ])( xii − M [xi ]) n − i =1 (3.26) (3.27) (3.28) Đánh giá thống kê hệ số tương quan thực theo tiêu chuẩn Fisher (ví dụ phân tích đại lượng ngẫu nhiên): FΦ = R12, 234 ( n − m) (1 − Ri2 )( m − 1) ≥ Fq (3.29) với m số lượng thông số Nếu điều kiện (3.29) giá trị hệ số tương quan Ri xác lập 3.3.2.2 Thành lập hàm hồi quy tuyến tính bội Giả sử cần tìm hàm f có giá trị xấp xỉ Y tốt nhất, tức có tổng độ lệch bình phương nhỏ nhất, thể qua biểu thức: E (Y − f ( X , X , , X p )) = E (Y − f ( X )) = Min Khi p > hàm hồi quy tuyến tính bội có dạng: Y = f ( X , X , , X p ) = a + a X + a3 X + + a p X p Ký hiệu: (3.30) (3.31) 20 ⎡ x11 ⎢1 x 12 ⎢ A = ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ x1n ⎣ x p1 ⎤ x p ⎥⎥ ⎥ ⎥; ⎥ x pn ⎥⎦ ⎡ Y1 ⎤ ⎢Y ⎥ ⎢ 2⎥ L = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥; ⎢ ⎥ ⎢Yn ⎥ ⎣ ⎦ ⎡ a0 ⎤ ⎢a ⎥ ⎢ 1⎥ Z = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢a p ⎥ ⎣ ⎦ Trên sở biểu thức (3.30) điều kiện (3.31) lập hệ phương trình chuẩn xác định vector tham số hàm hồi quy: AT A.Z − AT L = Z = ( AT A) −1 AT L (3.32) (3.33) 3.5 Thực nghiệm phân tích biến dạng cơng trình 3.5.1 Thành lập mơ hình chuyển dịch theo thời gian Trong luận án tiến hành thực nghiệm với số liệu chuyển dịch ngang điểm quan trắc tuyến đập thuỷ điện Hòa Bình đo 69 chu kỳ, số liệu quan trắc gồm có: thời gian đo, độ cao mực nước hồ chứa, giá trị chuyển dịch ngang theo hướng áp lực Sử dụng số liệu 59 chu kỳ để lập mơ hình, số liệu 10 chu kỳ sau dùng để làm kết đánh giá mức độ phù hợp phân tích lý thuyết thực tế Phân tích sơ đồ thị chuyển dịch đồ thị biến động mực nước hồ chứa theo thời gian cho thấy, hai biểu đồ có tính tuần hồn Chọn sử dụng hàm 3.13 hàm hồi quy cho đại lượng (q H) Kết tính tốn cho thơng số sau: 1- Phương trình thể mơ hình chuyển dịch theo thời gian: qt = −0.81 − 0.89 × Sin(0.52.t ) + 3.59 × Cos (0.52.t ) − 0.31× t (Sai số mơ hình: m= 3.0 mm, biên độ chuyển dịch: T1= 7.4 mm, chu kỳ chuyển dịch: P1 = 12.20 Tháng) 2- Phương trình thể mơ hình biến động độ cao mực nước hồ: H t = 104.07 − 9.92 × Sin(0.52.t ) + 8.94 × Cos(0.52.t ) + 0.06 × t (biên độ dao động mực nước: T2 = 26.7 m, chu kỳ dao động mực nước: P2 = 12.15 Tháng) 21 3- So sánh số liệu quan trắc chuyển dịch thực tế (10 chu kỳ đo năm 2010) so với số liệu tính mơ hình Tính sai số mơ hình theo cơng thức: ∑Δ mMH = n = 2.7mm Giá trị sai số mơ hình nằm giới hạn sai số đo chuyển dịch, điều chứng tỏ mơ hình phản ánh trình chuyển dịch điểm mốc quan trắc Xác định thời gian trễ chuyển dịch Xác định thời gian trễ chuyển dịch thực theo phương pháp so sánh thời điểm mà hàm số thể độ cao mực nước hồ hàm số chuyển dịch đạt cực trị Kết tính tốn cho thấy, thời gian trễ chuyển dịch so với tác động áp lực nước hồ chứa nằm khoảng từ 1.2 đến 1.5 tháng Như đánh giá rằng, thời gian trễ chuyển dịch xảy chậm so với tác động áp lực nước trung bình 1.35 tháng (khoảng 40 ngày) 3.5.2 Thực nghiệm phân tích tương quan tuyến tính đơn mực nước thượng lưu hồ chuyển dịch ngang tuyến đập Trên cở sở số liệu quan trắc chuyển dịch ngang điểm quan trắc VM2 tuyến đỉnh đập nhà máy thuỷ điện Hịa Bình thu 52 chu kỳ, luận án thực phân tích tương quan đánh giá mức độ phụ thuộc chuyển dịch so với độ cao mực nước hồ chứa theo phương án: - Trong phương án thực phân tích trực cặp giá trị độ cao mực nước chuyển dịch thời điểm đo - Trong phương án 2, giá trị độ cao mực nước hồ chu kỳ quan trắc đuợc lấy thời điểm chậm so với thời gian đo khoảng với thời gian trễ chuyển dịch (1.35 tháng) Tổng hợp kết phân tích nêu bảng 3.1 22 Bảng 3.1 Tổng hợp kết phân tích Phương án Phương án Hệ số tương quan 0.33 0.47 Phương sai 0.11 0.11 Hệ số phương trình hồi quy a = 0.1793 a = 0.2929 b = -30.86 b = -43.06 Phương trình hồi quy qmm = 0.1793 × H (m) − 30.86 qmm = 0.2929 × H ( m) − 43.06 Qua kết phân tích tương quan bảng 3.1 cho thấy: giá trị chuyển dịch mực nước hồ chứa có mối quan hệ tương quan yếu, hệ số tương quan tính đươc phương án (có trính đến thời gian trễ chuyển dịch) lớn hệ số tính phương án Kết cho phép kết luận rằng, cần phải tính đến thời gian trễ chuyển dịch phân tích biến dạng cơng trình Chương THIẾT KẾ THÀNH LẬP PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH 4.1 Phân tích thiết kế phần mềm 4.1.1 Thiết kế tổng quan Trên sở thuật toán xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình nêu chương 3, phần trình bày thiết kế thành lập phần mềm xử lý số liệu quan trắc với tính chủ yếu sau: 1- Các chức thao tác với tệp liệu: tạo mở/đóng tập tin, soạn thảo; biên tập, chỉnh sửa, chép tệp liệu 2- Chức thiết kế lưới quan trắc biến dạng 3- Bình sai lưới trắc địa mặt theo phương án bình sai theo chu kỳ bình sai hiệu trị đo 4- Tính tốn tham số chuyển dịch cơng trình 5- Lập mơ hình chuyển dịch cơng trình theo thời gian 23 6- Phân tích tương quan 4.1.2 Các chức phần mềm - Modul “Thiết kế lưới” cho phép tính tốn thiết kế tối ưu lưới quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình - Modul “Bình sai” có chức xử lý lưới trắc địa mặt phục vụ cho mục đích quan trắc biến dạng cơng trình: Modul cho phép phân tích độ ổn định lưới sở, bình sai lưới quan trắc theo phương án tách biệt chu kỳ theo hiệu trị đo - Modul “Chuyển dịch” có chức tính tốn tham số vẽ sơ đồ chuyển dịch ngang cơng trình: Modul cho phép tính toán tham số vẽ sơ đồ chuyển dịch ngang - Modul “Mơ hình chuyển dịch” cho phép xây dựng mơ hình chuyển dịch theo thời gian, tính thời gian trễ chuyển dịch - Modul “Phân tích tương quan” cho phép phân tích biến dạng theo mơ hình tương quan tuyến tính đơn tuyến tính bội Phần mềm Conctruction Deformation Analys- CDA sử dụng để thực xử lý số liệu quan trắc biến dạng công trình thơng qua ví dụ thực nghiệm với số liệu thực tế sản xuất Phần mềm cho phép giải cách đồng nhiệm vụ đặt toán xử lý số liệu phân tích biến dạng cơng trình, bao gồm: tính tốn thiết kế, xử lý số liệu lưới quan trắc biến dạng cơng trình, lập mơ hình chuyển dịch theo thời gian, tính tốn thời gian trễ chuyển dịch đánh giá, phân tích chuyển dịch theo tác nhân gây chuyển dịch Kết tính tốn thực nghiệm ứng dụng ban đầu số cơng trình thực tế sản xuất chứng tỏ tính đắn nội dung phân tích lý thuyết, tính hiệu việc ứng dụng công nghệ tin học việc xử lý số liệu phân tích biến dạng cơng trình KẾT LUẬN Từ nghiên cứu, khảo sát luận án, tác giả rút số kết luận biện pháp nâng cao hiệu cơng tác quan trắc biến dạng 24 cơng trình sau: Trong luận án phân tích, xây dựng thuật tốn, xác định quy trình phù hợp để tính tốn thiết kế tối ưu bình sai hiệu trị đo hệ thống lưới quan trắc biến dạng cơng trình, góp phần nâng cao hiệu cơng tác xử lý số liệu mạng lưới chuyên dùng Đã xây dựng thuật toán thành lập hai loại mơ hình chuyển dịch gồm mơ hình chuyển dịch theo thời gian, mơ hình thống kê (thơng qua việc ứng dụng phương pháp phân tích tương quan) phục vụ cho mục đích phân tích, đánh giá dự báo mức độ biến dạng cơng trình Đề xuất xác định phương pháp tính tốn thời gian trễ chuyển dịch cơng trình dựa phân tích cực trị hàm hồi quy Việc xác định thời gian trễ chuyển dịch cho phép đánh giá hợp lý mối quan hệ chuyển dịch tác nhân gây nên chuyển dịch Trong luận án xây dựng phần mềm xử lý số liệu, cho phép giải nhiệm vụ trình xử lý số liệu phân tích đánh giá chuyển dịch ngang cơng trình Việc khơng cho phép triển khai áp dụng thuật toán chặt chẽ, bảo đảm độ tin cậy kết xử lý số liệu, mà cịn có tác dụng nâng cao đáng kể hiệu tồn cơng tác quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng trình KIẾN NGHỊ Cần có phối hợp khảo sát, đánh giá nhà chuyên môn lĩnh vực trắc địa, thiết kế kỹ thuật quản lý cơng trình nhằm xác định quy trình đo đạc, xử lý số liệu hợp lý cho dạng cơng trình Để phân tích đánh giá độ an tồn cơng trình cách tồn diện đồng thời với việc thu thập số liệu trắc địa cịn cần xác đinh yếu tố có liên quan, ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng cơng trình ... cho thấy, quan trắc biến dạng cơng trình, vấn đề phân tích giải thích biến dạng cơng trình chưa quan tâm mức Việc nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng trình vấn... nước tiến hành công tác quan trắc biến dạng 1.2 Một số nhận xét đánh giá công tác quan trắc biến dạng 1.2.1 Nhận xét chung Qua việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu tổng quan công tác quan trắc biến. .. công nghệ tin học việc xử lý số liệu phân tích biến dạng cơng trình KẾT LUẬN Từ nghiên cứu, khảo sát luận án, tác giả rút số kết luận biện pháp nâng cao hiệu công tác quan trắc biến dạng 24 công