Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM DỖN MẬU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ GPS
TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG
TRÌNH THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ -ĐỊA CHẤT

PHẠM DỖN MẬU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ GPS
TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH
THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ : 62.52.05.03

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


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
và kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa từng được cơng bố trong bất
cứ cơng trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM DOÃN MẬU


ii

MỤC LỤC
Tên mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN

i

MỤC LỤC ……………………………………………………………..…………………………………….

ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……………………………..……………............

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

vi

…………………………….…………………….………………..

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

………………………..…………..…………………………

MỞ ĐẦU …………………………………………………..…………………….……………………………

viii
1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG
TRÌNH THỦY ĐIỆN

……………………………………………………………………

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

7
7

1.2 Mục đích, nhiệm vụ và u cầu độ chính xác quan trắc biến
dạng cơng trình thủy điện………………………………………………………………………………….
1.3 Các phương pháp thành lập lưới quan trắc biến dạng cơng trình

12
16

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng
công nghệ GPS để quan trắc biến dạng cơng 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 CƠNG NGHỆ GPS
ĐỂ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CƠNG 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 cơng
trình bằng công nghệ GPS …………………………………………………………………

33

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

36

2.4 Đề xuất thành lập lưới một cấp quan trắc chuyển dịch ngang

43

cơng trình thủy điện ………………………………………………………………………...


iii

2.5 Giải pháp nâng cao hiệu quả công nghệ GPS trong quan trắc
chuyển dịch ngang cơng trình thuỷ điện ……………………………………………………….

46

2.6 Thực nghiệm thành lập luới GPS quan trắc chuyển dịch ngang
cơng trình ………………………………………………………………………….

53

2.7 Nhận xét về khả năng ứng dụng công nghệ GPS để thành lập
lưới quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình thủy điện ………………………..

57

Chương 3.TÍNH TỐN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI GPS QUAN TRẮC
CHUYỂN DỊCH NGANG CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN …………………………

59

3.1 Ước tính độ chính xác lưới GPS ……………………………………………..………..

59

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

61

3.3 Phân tích độ ổn định hệ thống mốc cơ sở của lưới GPS quan trắc
chuyển dịch ngang cơng trình thủy điện ……………………………………..

65

3.4 Xử lý số liệu mạng lưới kết hợp GPS - Mặt đất trong quan trắc
chuyển dịch ngang cơng 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
TUN QUANG

…………………………..……………..………….…………………………………………

80

4.1 Giới thiệu về cơng 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ……..

96

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………………………………..

98

PHẦN PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1: Kết quả tính tốn thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hịa
Bình ( ms=1+1ppm) …………………………………………………………………….

105


iv

PHỤ LỤC 2: Kết quả tính tốn thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hịa
Bình ( ms=3+2ppm) ……………………………………………………………………….

107

PHỤ LỤC 3: Kết quả tính tốn thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hịa
Bình ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) …………………………………………………...

109

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

112

PHỤ LỤC 5: Kết quả tính tốn thiết kế lưới quan trắc thủy điện

115

Tuyên Quang ( ms=1+1ppm) ……………………………………………………...
PHỤ LỤC 6: Kết quả tính tốn thiết kế lưới quan trắc thủy điện
Tuyên Quang ( ms=2+2ppm) ……………………………………………………...

118

PHỤ LỤC 7: Kết quả tính tốn thiết kế lưới quan trắc thủy điện
Tuyên Quang ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……………………………………...

121

PHỤ LỤC 8: Kết quả tính tốn thiết kế lưới quan trắc thủy điện
Tun 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 tốn lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang
(Chu kỳ 2) …………………………………………………….................................................

137

PHỤ LỤC 11: Kết quả tính tốn lưới quan trắc thủy điện Tun
Quang (Chu kỳ 2) …………………………………………………….................................

141

PHỤ LỤC 12: Chương trình phân tích độ ổn định luới GPS ……………

150

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Thứ tự

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

1

GPS

Global Positioning System

2

SSTP

Sai số trung phương

3

BDCT

Biến dạng cơng trình

4

CDNCT

Chuyển dịch ngang cơng trình


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

1.1

Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang cơng

Trang

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 Hịa Bình

39

2.3

Ước tính độ chính xác lưới quan trắc thủy điện Tuyên

2.4

Quang……………………………………………………………………………..

41

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

42

Quang…………………………………………………………………………….
2.5

Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Hịa Bình

2.6

Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Tuyên

44

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

Kết quả tính ma trận nghịch đảo Q của lưới kết hợp GPS - mặt
3.4
3.5

đất………………………………………………………………………………….

79

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

79


vii

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 QT06)…………………………………………………………………………………..

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) ………………………………………………………………

4.7

Kết quả tính chuyển dịch các điểm quan trắc theo cơng
nghệ truyền thống ( phương pháp đo toàn đạc điện tử) ………

4.8

89

91

So sánh kết quả tính chuyển dịch theo cơng nghệ GPS và
công nghệ đo đạc mặt đất…………………………………………………

92


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

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 cơng trình thủy điện Hịa Bình

38

2.5

Sơ đồ bậc lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( Lưới
2 cấp)………………………………………………………………………..

2.6

40

Sơ đồ bậc lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang (Lưới 2
cấp)…………………………………………………………………………

42

2.7

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

43

2.8

Sơ đồ mạng lưới quan trắc thực nghiệm…………………….

54

3.1

Đo cạnh GPS…………………………………………………………..

60

3.2

Sơ đồ tính tốn phân tích độ ổn định mốc cơ sở…………

71

3.3

Sơ đồ bình sai lưới quan trắc kết hợp GPS - Mặt đất

76

4.1

Mặt bằng tổng thể nhà máy thủy điện Tuyên Quang

80

4.2

Mặt bằng tuyến đập thủy điện Tuyên Quang………………

81

4.3

Sơ đồ lưới GPS cơ sở thủy điện Tuyên Quang……………

83

4.4

Sơ đồ lưới quan trắc thực nghiệm thủy điện Tuyên
Quang……………………………………………………………………….

84


1

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 q trình xây dựng nền kinh tế đất nước ngày
một phát triển. Hiện nay, từ Bắc vào Nam nước ta có hơn 500 cơng trình thuỷ
điện lớn nhỏ đã được xây dựng. Nổi bật là những cơng trình thuỷ điện như:
Hồ 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.
Ngồi ra các cơng trình thủy điện cịn có tác dụng cải tạo môi trường, phục vụ
du lịch.. Tuy nhiên, nếu các cơng trình thủy điện khơng được xây dựng theo
một quy trình nghiêm ngặt, việc khảo sát về địa hình, địa chất thủy văn khơng
được chính xác, chất lượng xây dựng cơng 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 cơng trình
thủy điện…
Trên thế giới, cơng tác quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng 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].

2

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
khơng kiên trì quan trắc sẽ khơng 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 cơng 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 cơng nghệ đo đạc tiên
tiến, rất thuận lợi trong công tác xây dựng các mạng lưới khống chế trắc địa.
Cơng nghệ GPS có nhiều tiềm năng để thành lập lưới khống chế chuyên dùng
trong khảo sát, thi cơng và vận hành các cơng trình kỹ thuật. Có thể khẳng
định rằng, việc ứng dụng cơng 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 cơng trình thủy điện, công tác quan trắc xác định mức độ biến
dạng của cơng 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 ngồi đã có nhiều cơng 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 cơng trình, như ở Nga, Ba Lan,
Trung Quốc, Mỹ... Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh

3

trong quan trắc biến dạng cơng 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 cơng nghệ GPS trong quan
trắc biến dạng cơng 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 cơng trình thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả của
cơng tác quan trắc biến dạng cơng 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 cơng trình thuỷ điện trong điều kiện Việt Nam.
- Đối tượng nghiên cứu là các cơng 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 cơng trình
thuỷ điện thơng 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
cơng 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 cơng trình thuỷ điện.
4- Thực nghiệm ứng dụng GPS quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình
ở thực tế sản xuất Việt Nam.

4

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
cơng trình, các thuật toán xử lý số liệu đo đạc, làm cơ sở lý luận, thiết kế dữ
liệu, mơ hình tính tốn, viết thuật tốn 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 tốn
và lập chương trình tính tốn trên máy tính.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hồn thiện ứng dụng cơng
nghệ GPS cho mục đích quan trắc chuyển dịch ngang cơng 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 cơng 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, hồn tồn có
thể sử dụng cơng nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang các cơng 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 tốn và quy trình hợp lý xử lý số liệu lưới hỗn hợp GPS-mặt đất
trong quan trắc biến dạng cơng trình thủy điện.

5

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 cơng 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 tốn và quy trình hợp lý để xử lý số liệu lưới quan
trắc chuyển dịch ngang cơng trình với các nội dung: Phân tích độ ổn định hệ
thống điểm mốc cơ sở, tính tốn 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, ngồi 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 cơng trình thủy điện.
Chương 2- Khảo sát khả năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc
chuyển dịch ngang cơng trình thủy điện.
Chương 3- Tính toán, xử lý số liệu lưới GPS quan trắc chuyển dịch ngang
cơng 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

6

cao hiệu quả ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng cơng 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 cơng 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.


7

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG
CƠNG TRÌNHTHỦY ĐIỆN
1.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CÁC CƠNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN Ở VIỆT
NAM
1.1.1 Giới thiệu chung:
Cơng trình thuỷ điện là loại cơng trình làm việc trong mơi 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. Ngồi ra nó cịn 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 hồ nguồn nước cho một vùng rộng lớn, ngồi ra cịn phục vụ cho

việc du lịch, bảo tồn sinh thái, điều hịa khí hậu cho một khu vực lãnh thổ. Do
vậy, các cơng trình thuỷ điện thường thuộc loại cơng 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.
Cơng 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 sơng và sự hình thành các hồ chứa nước lớn đã phá vỡ
dòng chảy, dẫn tới hàng loạt các biến đổi lớn đối với mơi trường tự nhiên. Do
tính đặc thù của cơng 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 cơng khai và theo đúng các trình tự để tránh các sai sót. Cơng trình thuỷ
điện ngồi chức năng phát điện cịn có thể kết hợp với việc điều tiết nước và


8

xả lũ cho vùng thượng lưu và hạ lưu.
1.1.2 Các hạng mục chủ yếu của cơng trình thủy điện
Cấu trúc của cơng trình thuỷ điện cơ bản có các hạng mục chính là hồ
chứa nước, các cơng trình chính và các cơng trình phụ trợ.
1.1.2.1 Hồ chứa nước
Hồ chứa nước được hình thành do việc ngăn sơng đắp đập, lượng nước
này nhằm để phục vụ cho nhà máy thuỷ điện. Các thơng 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 mơi
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 mơi trường và đảm bảo an tồn 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 lịng hồ và thể tích hồ chứa, tính tốn tổn thất
ngập lụt.
- Đề xuất bản thiết kế phòng ngập cho các thành phố, các điểm dân cư,
xí nghiệp cơng nghiệp, những vùng đất canh tác có giá trị cũng như bản thiết
kế các cơng tác gia cố bờ hồ.

Hình 1.1: Hồ thủy điện


9

1.1.2.2 Cơng trình chính
Đây là hạng mục quan trọng nhất của nhà máy thuỷ điện, địi hỏi tính
kinh tế, kỹ thuật cao nhất. Cơng trình chính gồm tổ hợp các hạng mục quan
trọng là:
a) Đập dâng tạo hồ
Đập dâng gồm nhiều loại được thiết kế có kết cấu khác nhau tuỳ theo
từng điều kiện cụ thể của cơng trình, bao gồm:
- Đập đất: Vật liệu đắp đập là đất (sét, á sét, cát, á cát, cuội sỏi). Đập
đất có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng thi cơng cơ giới hoá cao và rẻ
tiền, được ứng dụng rộng rãi nhất. Khi xây dựng loại đập này cần chú ý các
điều kiện làm việc của đập đất. Phía thượng lưu của đập là hồ chứa nên có
sóng tác động, sẽ làm hư hỏng mái dốc thượng lưu. Nước thấm qua thân đập
làm mất ổn định thân đập và xói ngầm hạ lưu, từ đó phải lựa chọn mặt cắt đập
một cách hợp lý. Nếu hạ lưu có nước cịn xuất hiện áp lực đẩy nổi góp phần
làm mất ổn định của đập.
- Đập đất đá: là một loại đập được cấu tạo bằng đất đá mà không cần
chất kết dính, là một trong những loại cơng 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 tơng 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 tơng, địi hỏi nhiều ngun vật liệu, u cầu về nền móng cao. Hiện nay
trong xây dựng đập bê tơng 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.


10

Hình 1.2: Đập dâng và đập tràn thủy điện
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 tơng dạng
vòm uốn cong làm việc như một hệ thống vòm cuốn đàn hồi tựa trên các bờ
cứng. Ngồi 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, thơng 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 khơng áp).
d) Các cơng trình tuyến năng lượng (Kênh dẫn, đường hầm dẫn nước)
Mục đích của các cơng trình này là dẫn nước từ hồ chứa đến nhà máy,
thơng thường thì kết cấu của hệ thống cơng trình tuyến năng lượng được thi
cơng bằng bê tông, riêng tuyến áp lực kết cấu là thép và được bao bọc bằng bê
tông.

11

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 dịng chảy, khối lượng dịng chảy. Các cơng trình
này khó thiết kế, khó thi cơng 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 ngồi.
1.1.2.3 Cơng trình phụ trợ
Hạng mục này gồm có hai nhóm cơng trình chủ yếu sau:
- Các cơng trình phục vụ cho thi cơng 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 thơng, thơng tin liên lạc.
- Các cơng trình phục vụ cho làm việc và sinh hoạt của cán bộ công
nhân viên như: nhà quản lý vận hành, văn phịng, nhà ở và nhà văn hố…


12

1.2 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC QUAN
TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN
1.2.1 Mục đích, nhiệm vụ và đối tượng quan trắc
Quan trắc chuyển dịch và biến dạng cơng 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 phịng các tai biến có thể xảy ra
trong q trình xây dựng và sử dụng cơng trình, cụ thể là:
- Xác định giá trị chuyển dịch tại thời điểm quan trắc để đánh giá mức độ
ổn định của cơng trình.
- Sử dụng các kết quả quan trắc để đối chứng với các tính tốn trong giai
đoạn thiết kế cơng trình.

- Xác định các loại biến dạng có khả năng ảnh hưởng đến q trình vận
hành cơng trình để đề ra chế độ sử dụng và khai thác cơng trình hợp lý.
Để quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng trình cần triển khai các nhiệm
vụ cụ thể sau:
- Xác định nhiệm vụ kỹ thuật, khái quát về công trình, điều kiện tự nhiên
và chế độ vận hành cơng trình.
- 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 tốn các thơng số chuyển dịch biến dạng
cơng trình.


13

1.2.2 Yêu cầu độ chính xác quan trắc
Yêu cầu độ chính xác của cơng tác quan trắc chuyển dịch là độ chính
xác cần thiết xác định sự chuyển dịch cơng 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 cơng trình, đặc điểm kết cấu cơng trình.
Có hai cách xác định u cầu độ chính xác của cơng tác quan trắc
chuyển dịch cơng trình là xác định theo u cầu độ chính xác của cơng tác
quan trắc từng hạng mục cơng trình trong thiết kế kỹ thuật cơng trình và xác
định theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành của các Bộ, Ngành.
Đối với các tuyến đập bê tơng trọng lực của các cơng trình thủy điện thì
độ chính xác quan trắc được nêu ra trong thiết kế kỹ thuật cơng trình.
1.2.2.1 Dựa vào giá trị chuyển dịch dự báo

Yêu cầu độ chính xác được xác định theo cơng thức 25, 63:
mq 

q
2t

(1.1)

Trong đó:
mq: u 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 cơng thức tính độ chính xác của quan trắc chuyển dịch là:

mq  0.17q

(1.2)

Nếu công trình có giá trị chuyển dịch dự báo nhỏ thì mq tính theo cơng
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 cơng
trình thủy điện.


14

1.2.2.2 Dựa vào loại nền móng và đặc điểm kết cấu đối với từng loại cơng
trình
u 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 cơng 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 cơng trình
Số
TT

Đối tượng quan trắc

Sai số trung phương
xác định chuyển dịch

1

Cơng trình bê tơng trên nền đá gốc

1 mm

2

Cơng trình bê tơng xây dựng trên nền cát,

3 mm

sét và các loại đất chịu nén khác
3

Các loại đập đá chịu áp lực cao

5 mm

4

Cơng trình xây dựng trên nền đất đắp

10 mm

5

Các loại cơng trình bằng đất

15 mm

1.2.3 Chu kỳ quan trắc
Quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng 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 cơng 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 cơng 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


15

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 khơng cần thiết.
Có thể phân chia q trình quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng trình
làm ba giai đoạn là: Giai đoạn thi cơng, giai đoạn đầu của q trình vận hành,
sử dụng, giai đoạn cơng 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
cơng tác quan trắc biến dạng các cơng 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 cơng trình thủy điện lớn [16, 39, 40…]
như Hồ Bình, Yaly, Tun Quang, Sơng Ba Hạ, Sê San 4… thì thời gian
quan trắc giữa các chu kỳ được thực hiện như sau:
- Giai đoạn thi cơng: 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, cơng
tác quan trắc cịn 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 cơng trình vừa chịu những trận lũ lớn, lũ lịch sử thì cần
phải tiến hành quan trắc để đánh giá ngay trạng thái cơng trình.
- Giai đoạn cơng 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