Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý số liệu quan trắc độ lún tuyến đập công trình thủy điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ KIM THANH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC ĐỘ LÚN TUYẾN ĐẬP CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ KIM THANH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC ĐỘ LÚN TUYẾN ĐẬP CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ MÃ SỐ: 9520503 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS TRẦN KHÁNH PGS TS LÊ ĐỨC TÌNH HÀ NỘI - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Thị Kim Thanh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơng trình thủy điện dự án trọng điểm Quốc gia tuyến đập hạng mục có tính chất đặc thù, xây dựng để tạo hồ chứa nước phục vụ sản xuất điện cung ứng cho cộng đồng phát triển kinh tế xã hội Vì vậy, tình trạng ổn định tuyến đập đặt lên hàng đầu nhằm đảm bảo an tồn cho cơng trình cư dân vùng hạ lưu Với lý đó, cơng tác quan trắc chuyển dịch biến dạng nói chung quan trắc độ lún nói riêng ln trọng thực định kỳ tuyến đập thủy điện Kết quan trắc sở để nhà quản lý giám sát đánh giá tình trạng tuyến đập, từ có giải pháp vận hành cơng trình cách hợp lý Nhận biết vai trị quan trọng công tác quan trắc độ lún nhiệm vụ giám sát tình trạng tuyến đập thủy điện, nhà trắc địa xây dựng phương án quan trắc từ khâu thiết kế lưới, tổ chức đo đạc xử lý số liệu Tuy nhiên, thực tế sản xuất dù trọng đến khâu xử lý số liệu nhằm nâng cao độ xác quan trắc kết thu đơn giản giá trị độ lún tuyến đập theo chu kỳ Dữ liệu thu chưa đủ để cải thiện hiệu suất công tác giám sát chưa nắm bắt chất chuyển dịch Để nâng cao hiệu xử lý số liệu đáp ứng u cầu nêu phân tích kết quan trắc giải pháp tối ưu Phân tích kết đo lún cần thực đồng thời hai nhiệm vụ, đánh giá tổng thể xu hướng lún tuyến đập không gian, theo thời gian xác định ảnh hưởng yếu tố ngoại cảnh tới độ lún cơng trình Thực tốt nhiệm vụ phân tích tạo sở liệu để cảnh báo sớm, giúp giảm thiểu cố tuyến đập gây thiệt hại cho người tài sản Xuất phát từ đòi hỏi cấp thiết vậy, nghiên cứu sinh thực đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập cơng trình thủy điện” Đề tài có ý nghĩa khoa học, kết nghiên cứu phù hợp để áp dụng thực tiễn sản xuất nhằm cải thiện nhiệm vụ xử lý số liệu quan trắc, từ góp phần hỗ trợ cơng tác giám sát, vận hành cơng trình thủy điện hiệu - Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận án xác lập sở khoa học giải pháp xử lý số liệu quan trắc để nâng cao độ xác, độ tin cậy đại lượng biến dạng lún phục vụ hiệu công tác cảnh báo sớm nhằm ngăn ngừa giảm thiểu cố tuyến đập thuỷ điện Việt Nam - Đối tượng nghiên cứu quan trắc độ lún tuyến đập cơng trình thủy điện Việt Nam - Phạm vi nghiên cứu luận án bao gồm: Nghiên cứu xử lý số liệu hệ thống lưới quan trắc lún phân tích kết quan trắc tuyến đập cơng trình thủy điện Việt Nam - Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng quy trình xử lý số liệu lưới sở quan trắc lún tuyến đập cơng trình thủy điện - Xác định mức độ ảnh hưởng độ cao mực nước hồ chứa tới độ lún tuyến đập cơng trình thủy điện - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp lọc Kalman dự báo độ lún cơng trình thủy điện - Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu cập nhật thông tin mạng internet thư viện - Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết thành lập lưới khống chế thi cơng thủy điện, khảo sát số đồ hình phù hợp với cấu trúc cơng trình thủy điện, thành lập thuật toán xử lý số liệu đo đạc ngoại nghiệp Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm với cơng trình thực tế để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính đắn, khả thi đến kết luận - Phương pháp so sánh: Đối chiếu với kết nghiên cứu khác nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa giải pháp phù hợp - Phương pháp toán học: Tập hợp quy luật, định lý toán học để chứng minh công thức phục vụ cho việc tính tốn lập chương trình máy tính - Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng thuật toán xử lý số liệu với định hướng lập chương trình tính tốn máy tính Ý Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án nghĩa khoa học: Đề xuất giải pháp hồn thiện quy trình xử lý số liệu lưới sở, xác định phương pháp đánh giá ảnh hưởng tác nhân tới độ lún cơng trình dự báo độ lún tương lai, góp phần xây dựng lý thuyết xử lý số liệu hệ thống lưới quan trắc lún cơng trình thủy điện cách tồn diện, hỗ trợ cơng tác giảng dạy nghiên cứu khoa học lĩnh vực trắc địa cơng trình Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu ứng dụng để xử lý số liệu phân tích độ lún cơng trình thủy điện thực tế sản xuất, giúp nhà quản lý đơn vị liên quan thực công tác giám sát an toàn tuyến đập hiệu - Các luận điểm bảo vệ Luận điểm thứ nhất: Quy trình xử lý số liệu dựa tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định hệ thống mốc giải pháp hiệu quả, góp phần xử lý linh hoạt vấn đề định vị mạng lưới quan trắc lún tuyến đập thuỷ điện - Luận điểm thứ hai: Đánh giá ảnh hưởng độ cao mực nước hồ chứa tới độ lún tuyến đập thủy điện dự báo lún phép lọc Kalman hỗ trợ hiệu công tác giám sát an toàn đập cảnh báo sớm cố xảy Các điểm luận án Đề xuất tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định mốc quy trình xử lý số liệu lưới sở quan trắc lún tuyến đập công trình thủy điện Xây dựng quy trình tính giá trị ảnh hưởng độ cao mực nước hồ chứa tới độ lún tuyến đập cơng trình thủy điện Xây dựng quy trình dự báo độ lún tuyến đập thủy điện phép lọc Kalman Cấu trúc nội dung luận án Cấu trúc luận án gồm ba phần: Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan luận án, tính cấp thiết, mục đích, ý nghĩa, phương pháp, nội dung nghiên cứu luận án, đồng thời đưa luận điểm bảo vệ điểm luận án Phần nội dung: nghiên cứu trình bày chương: Chương 1: Tổng quan xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập thủy điện Chương 2: Giải pháp xử lý số liệu hệ thống lưới độ cao quan trắc lún tuyến đập thủy điện Chương 3: Phân tích độ lún tuyến đập cơng trình thủy điện Chương 4: Thực nghiệm xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập thủy điện Phần kết luận: Tổng hợp lại vấn đề nghiên cứu luận án, đưa nhận xét, đánh giá giải pháp nâng cao hiệu công tác xử lý số liệu quan trắc độ lún cơng trình thủy điện Lời cảm ơn Trước hết, nghiên cứu sinh xin chân thành cám ơn người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Khánh PGS TS Lê Đức Tình tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho nhiều dẫn khoa học có giá trị giúp nghiên cứu sinh hồn thành nội dung luận án Nghiên cứu sinh xin cảm ơn thầy, cô Khoa Trắc địa – Bản đồ Quản lý đất đai Trường Đại học Mỏ -Địa chất, đồng nghiệp ngành Trắc địa đặc biệt Thầy, Cô Bộ mơn Trắc địa cơng trình giúp đỡ có ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả hoàn thiện nội dung luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn! Chương TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN 1.1 Đặc điểm, nội dung yêu cầu quan trắc độ lún tuyến đập thủy điện 1.1.1 Đặc điểm cấu trúc cơng trình thủy điện Cơng trình thủy điện dạng cơng trình đặc thù với tổ hợp nhiều hạng mục xây dựng lưu vực sông chịu nhiều áp lực dịng nước yếu tố mơi trường khác gió, nhiệt độ, độ ẩm…Trước ảnh hưởng yếu tố ngoại cảnh cơng trình bị chuyển dịch biến dạng lớn Vì để theo dõi, giám sát an tồn cơng trình, cần thiết phải quan trắc chuyển dịch biến dạng thường xuyên Phụ thuộc vào vị trí nhà máy so với tuyến đập, cơng trình thủy điện chia làm hai loại: thủy điện sau đập (thủy điện Hịa Bình, Sơn La, Lai Châu) thủy điện đường dẫn (Yaly, Huội Quảng, Sơng Hinh) Tại cơng trình thủy điện sau đập, nhà máy nằm sát sau tuyến đập nên hạng mục bố trí gần Ngược lại với thủy điện đường dẫn, nước hồ chứa đưa xuống nhà máy thông qua tuyến đường hầm kênh dẫn, hạng mục cơng trình loại thủy điện thường phân bố cách xa Cấu trúc cơng trình thủy điện gồm hạng mục sau: a Tuyến áp lực Hạng mục gồm có đập dâng, đập tràn Đập dâng phân loại theo vật liệu xây dựng có: đập đất (thủy điện Ba Hạ ), đập đất đá (thủy điện Hịa Bình, Yaly…), đập bê tông (thủy điện Sơn La, Lai Châu ) Phân loại theo hình dạng đập có đập thẳng (đập Sơn La), đập vịm (đập Hịa Bình) Hình 1.1 thể hình ảnh tuyến đập cơng trình thủy điện Tuyến đập thủy điện xây dựng tạo hồ chứa nước phía thượng lưu Nhiệm vụ hồ chứa tích nước điều tiết lưu lượng nước đến lưu lượng xả có lũ Khi có hồ chứa, người ta phải xây dựng tuyến tràn để xả lũ Hình 1.1: Tuyến đập cơng trình thủy điện b Tuyến lượng Tuyến lượng gồm cửa nhận nước, hầm (kênh) dẫn nước, tháp điều áp, đường ống áp lực… Tùy theo điều kiện địa hình, địa chất mà xây dựng hệ thống dẫn nước dạng kênh hay hầm dẫn nước theo tuyến ngắn tới tháp điều áp, đổ vào đường ống áp lực, dẫn vào nhà máy theo thiết kế chọn c Nhà máy Tổ hợp máy móc thiết bị thủy lực, điện bao gồm: tuốc bin, ống dẫn, ống xả, cổ góp điện, chia điện, bảng điều khiển… nhằm biến thủy thành điện 1.1.2 Yêu cầu quan trắc độ lún tuyến đập thủy điện a Yêu cầu bố trí điểm quan trắc Đối tượng quan trắc: Quan trắc lún tuyến đập, đường ống áp lực, nhà máy, quan trắc trượt lở - Các điểm quan trắc bố trí theo mặt cắt ngang tuyến đập, cụ thể đặt đỉnh đập đập (đối với đập đất) điểm bố trí hầm (đối với đập bê tơng) b u cầu độ xác quan trắc 113 Phụ lục XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN THEO ĐỘ CAO MỰC NƯỚC (SM8; 2000-2002) Số liệu quan trắc lún độ cao mực nước hồ Chu kỳ Ngày tháng năm 79 80 81 82 83 84 10 85 86 10 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 114 Tiến trình tính lặp xác định hàm lún theo độ cao mực nước hồ Lần Mơ hình lún theo thờ lặp Sơ -0.012326xT -0.013348xT -0.013372xT 10 -0.013372xT 11 -0.013373xT 12 -0.013373xT 13 14 - Sai số mơ hình lún theo thời gian: mS = 1.46 mm - Sai số hệ số u1: mu1 = 0.02 -0.013373xT 115 Tính độ lún theo mực nước theo thời gian Chu kỳ 10 11 12 13 14 116 Phụ lục XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN THEO ĐỘ CAO MỰC NƯỚC (SM8; 2013-2014) Số liệu quan trắc lún độ cao mực nước hồ Chu kỳ Ngày tháng năm 159 160 161 162 163 164 165 12 166 14 167 168 169 170 31 171 15 172 26 173 10 174 175 176 177 178 179 180 181 117 Tiến trình tính lặp xác định hàm lún theo độ cao mực nước hồ Lần Mơ hình lún theo thờ lặp Sơ - Sai số mơ hình lún theo thời gian: mS = 0.45 mm - Sai số hệ số u1: mu1 = 0.01 Tính độ lún theo mực nước theo thời gian Chu kỳ 118 10 11 12 13 14 119 Phụ lục ỨNG DỤNG LỌC KALMAN DỰ BÁO LÚN ĐIỂM PVM8 (2000 – 2003) Giá trị ban đầu lọc (tính đến chu kỳ 1) 1.1 Ma trận Q_lọc (nhân hệ số với 104) Chu kỳ 10 11 Q_dự báo 12 120 [ 0.052 0.091 [0.0700.141 [ 0.091 0.042 0.042 0.384] [0.0270.055 0.141 0.395] 13 -0.0459 -0.0192 -0.0449 -0.0175 14 -0.0492 -0.0175 -0.0487 -0.0164 0.024 0.299] 0.055 0.221] Dự báo lún chu kỳ Chu kỳ 15 16 17 18 Thời gian quan trắc Ng th năm 11- 2- 15- 5- 01- 8- 6- 11- 121 Phụ lục ỨNG DỤNG LỌC KALMAN DỰ BÁO LÚN ĐIỂM PVM8 (2013 – 2015) Giá trị ban đầu lọc (tính đến chu kỳ 1) 1.1 Ma trận Q_lọc Chu kỳ 10 11 12 122 [ 0.021 0.095 [0.0210.071 [ 0.095 0.035 0.571] [0.0080.026 0.071 0.327] 13 -0.0197 -0.0174 -0.0184 -0.0113 14 -0.0198 -0.0113 -0.0185 -0.0070 Dự báo lún chu kỳ Chu kỳ 15 16 17 18 19 20 21 22 0.008 0.035 Thời gian quan trắc 0.026 0.299] 0.174] ... Giải pháp xử lý số liệu hệ thống lưới độ cao quan trắc lún tuyến đập thủy điện Chương 3: Phân tích độ lún tuyến đập cơng trình thủy điện Chương 4: Thực nghiệm xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập. .. tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập thủy điện nước, số thành tựu đạt sau: a- Nhiệm vụ xử lý số liệu công tác quan trắc lún tuyến đập thủy điện quan tâm nghiên cứu. .. phương pháp xử lý số liệu, giải pháp phân tích độ lún dự báo lún Xử lý số liệu lưới nhiệm vụ quan trọng giúp nâng cao hiệu quan trắc lún cơng trình Thuật tốn sử dụng xử lý số liệu quan trắc lún