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

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 CÔNG TRÌNH
Ở VIỆT NAM



Chuyên ngành : Trắc địa ứng dụng
Mã số : 62.52.85.01





TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2012


2


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




Phản biện 1 : PGS.TS Vũ Văn Thặng
Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
Phản biện 2 : TS Dương Chí Công
Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ
Phản Biện 3 : TS Vũ Văn Đồng
Cục Bản đồ - Bộ Tổng tham mưu

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường,
họp tại: Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hội …. giờ … 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


3



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
NCKH cấp cơ sở, mã số T11-24.
7 - Nguyễn Quang Phúc, Hoàng Thị Minh Hương, Lê Đức Tình, Phạm Doãn
Mậu (10/2011) , “Kết quả thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS trong quan
trắc chuyển dịch ngang công trình”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa
chất (36), tr. 85-90.

1
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.




2
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.




3
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
1.1.1.1. Trên thế giới
Các hướng nghiên cứu để đảm bảo hiệu quả của công tác quan trắc biến
dạng công trình bao gồm:
1- Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị hiện đại trong quan trắc biến dạng
công trình.
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.

4
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
1.2.1. Nhận xét chung
Qua việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu tổng quan của công tác quan trắc
biến dạng ở thế giới và trong nước có thể rút ra một số nhận xét như sau:
1- Ở nước ta, do hạn chế về năng lực sản xuất thiết bị đo đạc chính xác
cao, nên chủ yếu sử dụng các thiết bị công nghệ hiện đại nhập khẩu, chưa có
điều kiện chế tạo các thiết bị đo chuyên dùng cho công tác quan trắc biến
dạng công trình.
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.




5
- 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
1 k
m
m

q
q
CS
+
=
(2.1)
- Đối với lưới quan trắc:
2
1
.
k
mk
m
q
q
QT
+
=
(2.2)
Trong các công thức 2.1 và 2.2: m
q
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.

6
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 x
1
, x
2
,
…, x
n
sao cho hàm mục tiêu:
) ,,,(
21 n
xxxfZ =
(2.3)
đạt cực đại (hoặc cực tiểu), đồng thời thoả mãn các điều kiện (hệ ràng buộc):
ljxh
mixg
j
i
, ,2,1,0)(
, ,2,1,0)(
==
=≥
(2.4)
2.1.3. Ước tính độ chính xác lưới
Ước tính độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình được thực hiện

theo công thức:
F
F
P
m
1
μ
=
(2.5)
Trong đó: μ là sai số trung phương đơn vị trọng số, 1/P
F
là trọng số đảo
của hàm số.
Qff
P
T
F
=
1
hoặc
fRf
P
T
F
~
1
=
(2.6)
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. =Δ+ TPAqPAA
TT
(2.7)




7
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
2.2.2.1. Chỉ tiêu độ chính xác độ lún
Sai số độ lún tuyệt đối và sai số độ lún lệch giữa 2 điểm đo:
iiS
Qm
i
.

μ
=
(2.8)
QQQm
ijjjiiS
2. −+=
Δ
μ
(2.9)
2.2.2.1. Chỉ tiêu độ chính xác chuyển dịch ngang
1. Sai số chuyển dịch tuyệt đối
yyxxq
QQm += .
μ
(2.10)
2. Elip sai số
- Bán trục lớn E, bám trục nhỏ F và hướng bán trục lớn:
4
4)(
2
22
xyyyxxyyxx
q
QQQQQ
E
+−
+
+
=
μ

4
4)(
2
22
xyyyxxyyxx
q
QQQQQ
F
+−
−
+
=
μ
(2.11)
yyxx
xy
QQ
Q
Arctg
−
=
2
2
1
α

3. Sai số chuyển dịch theo huớng (ϕ):
ϕϕμ
ϕ

22
sin.cos. FEm +=
(2.12)
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
iii
i
ii
T
ii
ii
aQa
p
QaaQ
QQ
1
11
1
1
−
−−
−
+
−=

(2.13)

8
Trong đó: a
i
, p
i
là vector hệ số phương trình số hiệu chỉnh và trọng số của
trị đo thứ i, Q
i-1
, Q
i
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,(xfZ
n211
→=

2. Hệ điều kiện ràng buộc
1-
keThiet
mm ≤
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,(xfZ
n212
→=
2. Hệ điều kiện ràng buộc
1-
keThiet
mm ≤
2- Số hướng đo đến 1 điểm ≥ V




9
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 đ
ị
nh
p
hươn
g
án tính
Chấp nhận
phương án i
Chọn phương án
có độ chính xác cao nhất

Xác định tổng số phương án
(
S
)
, i =1
p
a
keThie
t
i
mm ≤

Đún
Sai
pa
Si ≥

g

H
ình 2.1
.
Sơ đồ tính toán thiết kế tối ưu đ
ộ
chính xác
Đún
g

Sai
Chọn tập trị đo phương án i
Ước tính độ chính xác lưới
Nhập dữ liệu của mạng lưới
Xác đ
ị
nh
p
hươn
g
án tính
i = i+1
Tính toán chi phí
thành lập lưới
Chọn phương án
có chi phí thấp nhất

Xác định tổng số phương án
(
S
)

, i =1
p
a
keThie
t
i
mm ≤

Đún
Sai
pa
Si ≥
Đún
g
g

Sai




10
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:
121212
. TqAv
Δ
−=
(2.14)




11

Trọng số của hiệu trị đo:
21
21
PP
PP
P
+
=
(2.15)
Theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất sẽ xác định được vector chuyển
dịch của các điểm quan trắc:
12
1
12
.)( TPAPAAq
TT
Δ=
−
(2.16)
Khi bình sai lưới theo hiệu trị đo, nếu số liệu tọa độ (hoặc độ cao) gốc
trong chu kỳ 2 có thay đổi so với số liệu gốc ở chu kỳ 1 thì cần phải hiệu
chỉnh sự thay đổi đó trong hiệu trị đo. Nếu giữa trị đo t và vector số liệu gốc
X có mối liên hệ: Nếu dx
)., ,,(
21 n
xxxft =
i
là giá trị biến động của số liệu gốc x
i
(i= 1,n), khi đó giá trị biến động của trị đo được tính theo công thức:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
++
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
⎟
⎟

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
=
n
n
dx
x
t
dx
x
t
dx
x
t
dt
2
2
1
1
(2.17)
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:




12
0.
12
=qC
T
(2.18)
Đối với lưới cơ sở mặt bằng, ma trận C được xác lập dưới điều kiện:
“Tổng bình phương độ lệch tọa độ của các điểm ổn định trong lưới là nhỏ
nhất”. Từ đó suy ra (B là ma trận Helmert):
-Chọn - Nếu i là điểm ổn định
ii
BC =
(
2.19
)
-Chọn: - Nếu i là điểm không ổn định

0=
i
C
Đối với lưới độ cao cơ sở:
-Chọn - Nếu i là điểm ổn định
1=
i
C
(
2.20
)
-Chọn: - Nếu i là điểm không ổn định
0=
i
C
2.6.2. Quy trình phân tích độ ổn định mốc cơ sở theo hiệu trị đo
Quy trình xử lý số liệu lưới quan trắc biến dạng công trình nêu trên được
thể hiện một cách trực quan thông qua sơ đồ (Hình 2.3):










Hình 2.3: Sơ đồ phân tích độ ổn định lưới cơ sở
Điều kiện định vị

C
0
T
.q = 0
Lập hệ PTC
R.q + b = 0

q
i
≤ t.m
q

C
i
= 0
Giải hệ PTC,
tính chuyển dịch
Kết thúc
Điểm i
không ổn định
Đúng
2.6.3. Ví dụ phân tích độ ổn định mốc cơ sở theo hiệu trị đo
Trong luận án đã thực hiện phân tích độ ổn định lưới cơ sở tại công trình
quan trắc chuyển dịch ngang tuyến đập thuỷ điện Yaly. Kết quả tính toán
thực nghiệm đã minh chứng cho tính đúng đắn của nội dung khảo sát
lý thuyết.
2.6.4. Nhận xét về phương pháp bình sai hiệu trị đo
1- Kết quả bình sai hiệu trị đo không chịu ảnh hưởng của sai số hệ thống

13
và sai số số liệu gốc cố định, vì vậy kết quả tính toán tham số chuyển dịch
công trình cũng không bị ảnh hưởng cuả các nguồn sai số trên. Ngoài ra, việc
đánh giá độ chính xác chuyển dịch trong phương pháp bình sai hiệu trị đo có
độ tin cậy cao hơn so với bình sai tách biệt theo từng chu kỳ đo.
2- Vector số hạng tự do khi bình sai hiệu trị đo được tính đơn giản hơn so
với bình sai tách biệt. Kết quả bình sai cho phép tính trực tiếp được ngay giá
trị dịch chuyển của các điểm quan trắc.
3- Phương pháp bình sai hiệu trị đo có nhược điểm là yêu cầu đồ hình lưới
trong các chu kỳ quan trắc phải giữ giống nhau, điều này dẫn đến một số ràng
buộc trong tổ chức quan trắc ngoại nghiệp.

Chương 3. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHUYỂN DỊCH
BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
3.1. Mô hình chuyển dịch công trình
Có
ba nhóm yếu tố ảnh hưởng đến
tính ổn định của công trình là:
1- Các yếu tố thuộc nhóm nguyên nhân chủ đạo gây nên chuyển dịch và
biến dạng công trình (x
1
, x
2
, x
n
).
2- Sự thay đổi của các điều kiện ngoại cảnh do tác động của con người (u
1

,
u
2
, u
m
).
3- Tác động nhiễu (z
1
, z
2
, z
m
).
Tham số đầu ra là các giá trị định lượng (Y), đặc trưng cho mức độ chuyển
dịch và biến dạng công trình. Các nhiệm vụ được đặt ra trong khi phân tích,
đánh giá chuyển dịch, biến dạng công trình bao gồm:
- Xác định xu hướng chuyển dịch của công trình trong không gian, theo
thời gian.
- Xác định và đánh giá mức độ phụ thuộc độ chuyển dịch công trình vào
một số yếu tố ngoại cảnh.
Mô hình chuyển dịch công trình được thể hiện thông qua hàm số:
])()()([
321
wzFuFxFq
+
++=
ϕ
(3.1)
Trong đó: F
1

(x)- thành phần ảnh hưởng của một nhóm yếu tố chủ đạo gây




14
3.2. Thành lập mô hình chuyển dịch theo thời gian
3.2.1. Cơ sở lý thuyết
Mô hình chuyển dịch công trình theo thời gian được thể hiện thông qua
hàm số ở dạng tổng quát:
)(tfq =
(3.2)
Giả sử hàm số 3.2 được triển khai tuyến tính với vector tham số Z gồm k
phần tử:
T
k
zzzZ ), ,,,(
21
=
(3.3)
Bài toán đặt ra là: Dựa vào chuỗi kết quả đo chuyển dịch trong n chu kỳ để
xác định vector tham số của hàm 3.2. Kí hiệu dãy thời gian và giá trị chuyển
dịch thu được trong các chu kỳ quan trắc bằng các vector
T
n
tttT ), ,,(
21
=
;
T

n
qqqq ), ,,(
21
=
. Khi số chu kỳ quan trắc lớn hơn số luợng tham số, bài
toán được giải như sau:
-Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh:
LdZAV += .
(3.4)
0
qqL −=
Trong đó: vector số hạng tự do .
-Theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất ([v
2
] = Min) xác định được
vector ẩn số và từ đó tính vector tham số của mô hình:
dZZZ
L.AA)(
0
T-1
+=
−=
T
AdZ
(3.5)
-Sai số mô hình:
kn
v
m
MH

−
=
][
2
(3.6)
Mô hình chuyển dịch theo thời gian cho phép thực hiện tính toán, dự báo
chuyển dịch công trình trong thời gian tương lai. Dạng của hàm số mô hình
được chọn dựa trên cơ sở phân tích trực quan đồ thị chuyển dịch.
3.2.2. Một số mô hình chuyển dịch công trình theo thời gian




15
1- Hàm số mũ (sử dụng để mô tả độ lún công trình dân dụng)
)1(
t
TP
eSS
α
−
−=
(3.7)
2- Hàm đa thức
n
nt
tatataaq
2
210
++++=

(3.8)
Trong đó: q
t
là Giá trị dịch công trình ở thời điểm t; (a
0
, a
1
, a
2
, a
n
) là vector
hệ số của đa thức.
3- Hàm tuần hoàn
tawtawtaaq
t
3
210
)cos(.)sin(. +++=

(3.9)
Thực tế quan trắc chuyển dịch tại các công trình thuỷ lợi - thủy điện ở Việt
Nam cho thấy, giá trị chuyển dịch ngang của các tuyến đập trong giai đoạn
vận hành phụ thuộc vào mực nước trong hồ chứa, yếu tố này biến đổi theo
mùa và có tính tuần hoàn. Vì vậy, việc sử dụng hàm tuần hoàn để xây dựng
mô hình chuyển dịch đối với các công trình loại trên là phù hợp.
3.3. Thời gian trễ chuyển dịch
Thông thường, phản ứng của công trình thường xảy ra muộn hơn so với
thời điểm tác động của tác nhân gây ra chuyển dịch. Sự không đồng bộ về
thời gian như nêu ở trên được gọi là thời gian trễ chuyển dịch. Việc xác định

thời gian trễ chuyển dịch không những cho phép đánh giá chính xác mối
tương quan giữa chuyển dịch và tác nhân gây ra chuyển dịch đó mà còn giúp
cho việc hoạch định thời điểm quan trắc một cách hợp lý .
3.3.1. Xác định thời gian trễ chuyển dịch công trình theo hệ số
tương quan
Trong tài liệu [49], đã đề xuất phương pháp xác định thời gian trễ chuyển dịch
bằng cách so sánh hệ số tương quan, nội dung của phương pháp dựa trên cơ sở lý
luận sau:
Giả sử trong quá trình quan trắc thu được 2 chuỗi giá trị định lượng tại các chu
kỳ đo: chuỗi giá trị của tác nhân gây ra chuyển dịch
{
}, ,,
21 n
xxxX
=
và
chuỗi giá trị chuyển dịch
. Quan hệ tương quan giữa chuyển
dịch và tác nhân gây chuyển dịch được xác lập thông qua hệ số tương quan r
(xq)

{
}, ,,
21 n
qqqq =




16

)().(
),(
),(
qMXM
qXM
r
qX
=
(3.10)
Trong đó: M(X), M(q) là sai số trung phương của các đại lượng X, q; M(X,q)
là mô ment tương quan bậc 2, được xác định theo công thức:
)()(
1
1
),(
1
qqXX
n
qXM
i
n
i
i
−−
−
=
∑
=
(3.11)
Bước đầu, tính hệ số tương quan giữa X và q theo số liệu quan trắc. Tiếp theo,

thực hiện dịch chuyển tịnh tiến biểu đồ chuyển dịch so với biểu đồ của tác nhân
gây chuyển dịch và tính hệ số tương quan mới giữa X và q. Mỗi lần dịch
chuyển tịnh tiến như vậy sẽ tính được một giá trị hệ số tương quan. Thời gian
trễ chuyển dịch của công trình chính là khoảng thời gian tịnh tiến đồ thị
Δt,
khi mà hệ số tương quan đạt giá trị lớn nhất.
3.3.2. Xác định thời gian trễ chuyển dịch theo cực trị hàm hồi quy
Dựa trên chuỗi kết quả quan trắc trong các chu kỳ để xây dựng hàm hồi quy
để mô tả chuyển dịch công trình cũng như tác nhân gây chuyển dịch. Trong luận
án đề xuất phương pháp xác định thời gian trễ của chuyển dịch công trình bằng
cách phân tích và so sánh thời điểm xảy ra cực trị của hàm hồi quy chuyển dịch
và hàm hồi quy tác nhân chuyển dịch. Nếu hàm hồi quy thể hiện chuyển dịch là
)(tfq =
, hàm số thể hiện tác nhân gây chuyển dịch (ví dụ như sự biến động
mực nước trong hồ chứa H) là
)(tH
ϕ
=
. Thời điểm mà 2 hàm số trên đạt giá trị
cực đại hoặc cực tiểu được xác định thông qua việc giải 2 phương trình vi
phân:
0)(' =tf
và . Kí hiệu các nghiệm tương ứng của 2 phương trình
trên là t
1
và t
2
. Khi đó thời gian trễ của chuyển dịch được tính theo công thức
(hình 3.1):
0)(' =t

ϕ
Δ
t = t
1
– t
2
(3.12)
Quy trình tính toán xác định thời gian trễ chuyển dịch theo phương pháp phân
tích cực trị hàm được thể hiện thông qua ví dụ:
Giả sử theo kết quả quan trắc trong n chu kỳ, chuyển dịch (q) và độ cao mực




17

T (Thời gian)
Biểu đồ mực nước
O
H
Biểu đồ chuyển dịch
Δt
Δ
t
o
o
o
o

q


Hình 3.1: Thời gian trễ chuyển dich công trình

tatwCosatwSinaaq
t 312110
)(.)(.
+
++=
(3.13)
tbtwCosbtwSinbbH
t 322210
)(.)(.
+
++=
(3.14)
Từ đó tính được thời gian trễ chuyển dịch:
2
22
1
11
21
22
ω

π
α
ϕ
ω
π
α
ϕ
kk
ttt
+
−
−
+−
=−=Δ
(3.15)
3.3. Ứng dụng phương pháp phân tích tương quan để đánh giá chuyển
dịch công trình
3.4.1. Phân tích tương quan tuyến tính đơn
3.3.1.1. Cơ sở lý thuyết
Giả sử có (X
i
, Y
i
{ }
ni ,1=
là một mẫu ngẫu nhiên hai chiều thu được khi
quan sát véctơ ngẫu nhiên (X, Y) thì hệ số tương quan mẫu r
XY
của X và Y
được xác định như sau:

2
2
2
2
)()( YYXX
YXXY
r
XY
−−
−
==
(3.16)




18
Trong đó:
n
YX
XY
i
ii
∑
=
n
X
X
i
i

∑
=
2
2
;
n
Y
Y
i
i
∑
=
2
2
n
Y
Y
i
i
∑
=
;
n
X
X
i
i
∑
=
;

- Khi n đủ lớn (n≥ 50) tính độ lệch chuẩn của hệ số tương quan:
n
r
r
2
1 −
≈
σ
(3.17)
Mối quan hệ tương quan giữa 2 đại lượng X, Y được xác lập nếu thỏa mãn
điều kiện:
r
r
σ
3≥
(3.18)
- Khi n < 50 sử dụng tiêu chuẩn Fisher:
r
r
Z
−
+
=
1
1
ln
2
1
(3.19)
Phương sai của đại lượng Z được tính theo công thức:

3
1
−
≈
n
Z
σ
(3.20)
Trong trường hợp này mối quan hệ tương quan giữa X và Y cũng được
thiết lập với điều kiện:
Z
Z
σ
3≥
(3.21)
3.3.1.2. Xây dựng hàm hồi quy
Khi quan hệ tương quan giữa đại lượng X và chuyển dịch Y đã được xác
lập, sử dụng hàm hồi quy tuyến tính đơn để mô tả mối quan hệ đó. Hàm hồi
quy có dạng:
bXaY += .
(3.22)
Các tham số a, b của hàm hồi quy được xác định trên cơ sở n cặp trị đo
(Y, X) là: theo nguyên lý số
bình phương nhỏ nhất:
n
{}{
),(), ,,(),,(),(
2211 nnii
XYXYXYXY =
}

i
ii
bXaY
1
2
min).(
∑
=
=−−
(3.23)
Khi đó sẽ dẫn đến hệ phương trình tuyến tính:
[
]
[] [ ]
[] []
0
0
2
=−+
=−+
YbnaX
XYbXaX
(3.24)




19
Giải hệ phương trình tuyến tính trên sẽ xác định được các tham số a, b của
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 x
1
, x
2
, , x
p
được đo độc lập
nhau trong n chu kỳ. Các đặc tính cơ bản của đại lượng ngẫu nhiên x
i
là kỳ
vọng toán học M
[xi]
, phương sai và moment tương quan K
i
x
D
ij
, trong đó j là số
hiệu cột, còn i là số hiệu dòng của ma trận tương quan:
{}
pi
pj
ij
KK
,1
,1
=
=

=
(3.25)
Ước lượng đối với kỳ vọng toán học, phương sai và moment tương quan
được xác định theo các công thức:
[]
∑
=
=
n
i
kik
x
n
xM
1
1
, (k = 1, 2, P) (3.26)
[]
2
1
)(
1
1
∑
=
−
−
=
n
i

kkix
xMx
n
D
k
(3.27)
[] []
))((
1
1
iii
n
i
kkiki
xMxxMx
n
K −−
−
=
∑
=
1
(3.28)
Đánh giá thống kê các hệ số tương quan thực hiện theo tiêu chuẩn Fisher
(ví dụ phân tích 4 đại lượng ngẫu nhiên):
q
i
F
mR
mnR

F ≥
−−
−
=
Φ
)1)(1(
)(
2
2
234,1
(3.29)
với m là số lượng thông số.
Nếu điều kiện (3.29) là đúng thì giá trị hệ số tương quan R
i
được xác lập.
3.3.2.2. Thành lập hàm hồi quy tuyến tính bội
Giả sử cần tìm một hàm f nào đó có giá trị xấp xỉ Y tốt nhất, tức có tổng
độ lệch bình phương nhỏ nhất, thể hiện qua biểu thức:
MinXfYEXXXfYE
p
=−=−
22
32
))(()), ,,((
(3.30)
Khi p > 2 hàm hồi quy tuyến tính bội có dạng:

ppp
XaXaXaaXXXfY
+

+
+
+
== ), ,,(
3322032
(3.31)
Ký hiệu:




20
; ;
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=

pnn
p
p
xx
xx
xx
A
1


1
1
1
212
111
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣

⎡
=
n
Y
Y
Y
L


2
1
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
p
a

a
a
Z


1
0
Trên cơ sở biểu thức (3.30) và điều kiện (3.31) lập được hệ phương trình
chuẩn và xác định được vector tham số của hàm hồi quy:
0. =− LAZAA
TT
(3.32)
LAAAZ
TT
.)(
1−
=
(3.33)
3.5. Thực nghiệm phân tích biến dạng công trình
3.5.1. Thành lập mô hình chuyển dịch theo thời gian
Trong luận án đã tiến hành thực nghiệm với số liệu chuyển dịch ngang của 1
điểm quan trắc trên tuyến đập thuỷ điện Hòa Bình được đo trong 69 chu kỳ, số
liệu quan trắc gồm có: thời gian đo, độ cao mực nước trong hồ chứa, giá trị
chuyển dịch ngang theo hướng áp lực. Sử dụng số liệu của 59 chu kỳ để lập mô
hình, số liệu 10 chu kỳ sau được dùng để làm kết quả đánh giá mức độ phù hợp
của phân tích lý thuyết và thực tế.
Phân tích sơ bộ đồ thị chuyển dịch và đồ thị biến động mực nước trong hồ
chứa theo thời gian cho thấy, cả hai biểu đồ trên đều có tính tuần hoàn. Chọn
sử dụng hàm 3.13 là hàm hồi quy cho cả 2 đại lượng trên (q và H). Kết quả
tính toán cho các thông số như sau:

1- Phương trình thể hiện mô hình chuyển dịch theo thời gian:
ttCostSinq
t
×
−
×
+
×
−−= 31.0).52.0(59.3).52.0(89.081.0

(Sai số mô hình: m= 3.0 mm, biên độ chuyển dịch: T
1
= 7.4 mm, chu kỳ
chuyển dịch: P
1
= 12.20 Tháng).
2- Phương trình thể hiện mô hình biến động độ cao mực nước hồ:
ttCostSinH
t
×
+
×
+
×
−= 06.0).52.0(94.8).52.0(92.907.104

(biên độ dao động mực nước: T
2
= 26.7 m, chu kỳ dao động mực nước:
P

2
= 12.15 Tháng).




21
3- So sánh số liệu quan trắc chuyển dịch thực tế (10 chu kỳ đo trong năm
2010) so với số liệu tính trên mô hình.
Tính sai số mô hình theo công thức:
mm
n
m
MH
7.2
2
=
Δ
=
∑

Giá trị sai số mô hình nằm trong giới hạn của sai số đo chuyển dịch, điều
đó chứng tỏ mô hình phản ánh đúng quá trình chuyển dịch của điểm mốc
quan trắc.
4. Xác định thời gian trễ chuyển dịch
Xác định thời gian trễ chuyển dịch được thực hiện theo phương pháp so
sánh thời điểm mà hàm số thể hiện độ cao mực nước hồ và hàm số chuyển
dịch đạt cực trị. Kết quả tính toán cho thấy, thời gian trễ của chuyển dịch so
với tác động của áp lực nước trong hồ chứa nằm trong khoảng từ 1.2 đến 1.5
tháng. Như vậy có thể đánh giá rằng, thời gian trễ chuyển dịch xảy ra chậm hơn so

với tác động của áp lực nước trung bình là 1.35 tháng (khoảng 40 ngày).
3.5.2. Thực nghiệm phân tích tương quan tuyến tính đơn giữa mực nước
thượng lưu hồ và chuyển dịch ngang của tuyến đập
Trên cở sở số liệu quan trắc chuyển dịch ngang của điểm quan trắc VM2
trên tuyến đỉnh đập nhà máy thuỷ điện Hòa Bình thu được trong 52 chu kỳ,
trong luận án thực hiện phân tích tương quan đánh giá mức độ phụ thuộc của
chuyển dịch so với độ cao mực nước trong hồ chứa theo 2 phương án:
- Trong phương án 1 thực hiện phân tích trực tiếp theo cặp giá trị độ cao
mực nước và chuyển dịch ở cùng thời điểm đo.
- Trong phương án 2, giá trị độ cao mực nước hồ tại các chu kỳ quan trắc
đuợc lấy ở thời điểm chậm hơn so với thời gian đo một khoảng bằng với thời
gian trễ của chuyển dịch (1.35 tháng). Tổng hợp kết quả phân tích được nêu ở
bảng 3.1.




22
Bảng 3.1. Tổng hợp kết quả phân tích
Phương án 1 Phương án 2
Hệ số tương quan 0.33 0.47
Phương sai 0.11 0.11
a = 0.1793 a = 0.2929
Hệ số của phương trình hồi quy
b = -30.86 b = -43.06
Phương trình hồi quy
86.30)(1793.0 −×= mHq
mm
06.43)(2929.0
−

×
=
mHq
mm

Qua kết quả phân tích tương quan ở bảng 3.1 cho thấy: giữa giá trị chuyển
dịch và mực nước hồ chứa có mối quan hệ tương quan yếu, trong đó hệ số
tương quan tính đươc ở phương án 2 (có trính đến thời gian trễ của chuyển
dịch) lớn hơn hệ số tính được ở phương án 1. Kết quả trên cho phép kết luận
rằng, cần phải tính đến thời gian trễ của chuyển dịch trong các phân tích biến
dạng công trình.

Chương 4. THIẾT KẾ THÀNH LẬP PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU
QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

4.1. Phân tích thiết kế phần mềm
4.1.1. Thiết kế tổng quan
Trên cơ sở thuật toán xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang công trình
nêu ở các chương 2 và 3, trong phần này sẽ trình bày thiết kế thành lập phần
mềm xử lý số liệu quan trắc với các tính năng chủ yếu sau:
1- Các chức năng thao tác với tệp dữ liệu: tạo và mở/đóng các tập tin, soạn
thảo; biên tập, chỉnh sửa, sao chép các tệp dữ liệu.
2- Chức năng thiết kế lưới quan trắc biến dạng
3- Bình sai lưới trắc địa mặt bằng theo các phương án bình sai theo chu kỳ
và bình sai hiệu trị đo.
4- Tính toán tham số chuyển dịch công trình.
5- Lập mô hình chuyển dịch công trình theo thời gian.