Nghiên cứu khả năng áp dụng phương pháp rada đất để phát hiện hang rỗng trong thân đê, đập ở việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




Vương Duy Thọ



NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP
RAĐA ĐẤT ĐỂ PHÁT HIỆN HANG RỖNG TRONG
THÂN ĐÊ, ĐẬP Ở VIỆT NAM





LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC




Hà Nội – Năm 2015



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



Vương Duy Thọ


NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP
RAĐA ĐẤT ĐỂ PHÁT HIỆN HANG RỖNG TRONG
THÂN ĐÊ, ĐẬP Ở VIỆT NAM



Chuyên ngành: Vật Lý Địa Cầu
Mã số: 60440111


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. VŨ ĐỨC MINH



Hà N
ộ
i – Năm 2015


MỤC LỤC

Các ký hiệu & từ viết tắt…………………………………………………………… i
Danh mục hình vẽ ii
Danh mục bảng biểu vi
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài 2
5. Phương pháp nghiên cứu 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
7. Cấu trúc của luận vă
n 2
Chương 1 - TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT 3
1.1 VÀI NÉT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP
RAĐA ĐẤT TRONG KHẢO SÁT HANG RỖNG 3
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 3
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4
1.2. PHƯƠNG PHÁP RA ĐA ĐẤT 6
1.2.1. Sơ lược về phương pháp Rađa đất. 6
1.2.2. Một số tính chất cơ bản của trường điện từ trong môi trường địa chất 8
1.2.3. Phương pháp xác định mộ
t số tham số điện từ 16
Chương 2 - NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH HANG RỖNG LÝ THUYẾT 21
2.1.CƠ SỞ LỰA CHỌN MÔ HÌNH 21
2.1.1 Cơ sở Vật lý địa chất 21
2.1.2 Cơ sở lựa chọn ăng ten. 22
2.2. CÁCH THỨC TÍNH MÔ HÌNH 23
2.2.1. Module mô hình hóa cho mô phỏng 2D (Module modelling for the 2D-
simulation) 23

2.2.2 Mô hình sai phân hữu hạn (Finite Difference (FD)) 27
2.2.3. Cơ sở lý thuyết trường sóng ra đa trên hang rỗng 28
2.3. XỬ LÝ, TÍNH TOÁN 31
2.4. KẾT QUẢ THỰC HIỆN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT 34
2.4.1. Mô hình hang rỗng có độ sâu khác nhau 34
2.4.2. Mô hình hang rỗng nằm ở độ sâu 1m có bán kính thay đổi 39
2.4.3. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng 47
2.4.3.1. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng có cùng vị trí nhưng độ sâu khác nhau
47
2.4.3.2. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng khác vị trí và độ sâu khác nhau 49
2.4.3.3. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng khác vị trí và cùng độ sâu 51
Chương 3 - KẾT QUẢ ÁP DỤNG PH
ƯƠNG PHÁP RADA ĐẤT ĐỂ PHÁT HIỆN
HANG RỖNG 53
3.1. Máy móc thiết bị 53
3.2. Phương pháp kỹ thuật đo Rađa đất 53
3.3. Phương pháp xử lý tài liệu 56
3.4.Kết quả xác định hang rỗng 58
3.4.1 Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đê tả Đáy - Hoài Đức - Hà Nội 59
3.4.2 Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đê Tả Cấm, Thủy Nguyên, Hải Phòng
61
3.4.3. Kết quả xác định hang rỗ
ng tổ mối trên đê tả Đào, Nam Trực, Nam Định . 63
3.4.4. Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đập Đá Đen, Khánh Hòa 64
3.4.5. Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đập Khe Tân-Quảng Nam 66
KẾT LUẬN 68
Tài liệu tham khảo 70

Các ký hiệu và chữ viết tắt

 - độ dẫn điện [đơn vị Siemens/m]
 - hằng số điện môi
f - tần số của ăng ten [MHz]
v - vận tốc truyền sóng điện từ [m/ns]
c - vận tốc ánh sáng [c = 3 . 10
8
m/s]
 - điện trở suất của môi trường [ohm/m]
 - độ thẩm từ
R - hệ số phản xạ
 - bước sóng [m]
 - độ suy giảm của sóng điện từ [dB/m
2
]
E - cường độ điện trường [Volt/m]
D - véc tơ cảm ứng điện
J
c
- mật độ dòng dẫn [amperes/m
2
]
J
d
- dòng dịch

 = 2f - tần số góc [rad/s]
 - phần trăm lỗ rỗng hay độ rỗng của môi trường đất đá [%]
S - độ bão hoà nước hay tỷ lệ độ ngậm nước







DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Mối liên hệ giữa dòng điện dẫn, dòng dịch và dòng toàn phần 11
Hình 1.2. Mối liên hệ giữa độ điện thẩm tương đối và vận tốc truyền sóng vào lượng
nước của môi trường 13
Hình 1.3. Phương pháp hình học 17
Hình 1.4. Vận tốc truyền sóng 18
Hình 1.5. Phương pháp điểm sâu chung 19
Hình 2.1: Giản đồ sóng rađa trên các đối tượng 28
Hình 2.2. Giản đồ sóng rađa trên đối tượng dạng đ
iểm 30
Hình 2.3. Giản đồ sóng rađa trên mặt phân lớp 31
Hình 2.4. Hình ảnh dịch chuyển Migration 32
Hình 2.5. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 0,3m 34
Hình 2.6. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 0,3m sau khi đã xử lý Migration 34
Hình 2.7. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3
và có độ sâu 0,6m 35
Hình 2.8. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3

và có độ sâu 0,6m sau khi đã xử lý Migration 35
Hình 2.9. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 0,9m 36
Hình 2.10. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 0,9m sau khi đã xử lý Migration 36
Hình 2.11. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 1,2m 37
Hình 2.12. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 1,2m sau khi đã xử lý Migration 37


Hình 2.13. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 1,5m 38
Hình 2.14. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ
3 và có độ sâu 1,5m sau khi đã xử lý Migration 38
Hình 2.15. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0.05m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu
là 1m 39
Hình 2.16. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,1m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m 40
Hình 2.17. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,1m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m sau khi xử lý Migration 40
Hình 2.18. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,15m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu
là 1m 41
Hình 2.19. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,15m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu
là 1m sau khi xử lý Migration 41
Hình 2.20. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,2m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m 42
Hình 2.21. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,2m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m sau khi xử lý Migration 42
Hình 2.22. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,25m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu

là 1m 43
Hình 2.23. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,25m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu
là 1m sau khi xử lý Migration 43
Hình 2.24. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m 44
Hình 2.25. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị
trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m sau khi xử lý Migration 44


Hình 2.26: Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,4m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m 45
Hình 2.27. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,4m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m sau khi xử lý Migration 45
Hình 2.28. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,5m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m 46
Hình 2.29. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,5m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là
1m sau khi xử lý Migration 46
Hình 2.30. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và chiều
sâu là 0,3m, 1,2m 47
Hình 2.31. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và chiều
sâu là 0,3m, 1,2m sau khi đã xử lý Migration 47
Hình 2.32. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở v
ị trí mét thứ 3 và chiều
sâu là 0,3m, 0,9m 48
Hình 2.33. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và chiều
sâu là 0,3m, 0,9m sau khi đã xử lý Migration 48
Hình 2.34. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9;
chiều sâu là 0,3m, 0,9m 49
Hình 2.35. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9;

chiều sâu là 0,3m, 0,9m sau khi đã xử lý Migration 49
Hình 2.36. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6;
chiều sâu là 0,9m, 1,2m 50
Hình 2.37. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6;
chiều sâu là 0,9m, 1,2m sau khi đã xử lý Migration 50
Hình 2.38. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6;
chi
ều sâu là 0,9m 51
Hình 2.39. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6;
chiều sâu là 0,9m sau khi đã xử lý Migration 51
Hình 2.40. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9;
chiều sâu là 0,9m 52


Hình 2.41. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9;
chiều sâu là 0,9m sau khi đã xử lý Migration 52
Hình 3.1. Hệ thiết bị SIR- 10B 53
Hình 3.2. Khuyếch đại tín hiệu chuẩn 55
Hình 3.3. Cài đặt thông số các bộ lọc 56
Hình 3.4. Tuyến đo khảo sát tổ mối 58
Hình 3.5.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát 59
Hình 3.6. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Hoài Đức-Hà Nội 59
Hình 3.7. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Hoài Đức - Hà Nộ 60
Hình 3.8.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát 61
Hình 3.9. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Thủy Nguyên-Hải Phỏng 61
Hình 3.10. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Thủy Nguyên-Hải Phòng 62
Hình 3.11.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát 63
Hình 3.12. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Nam Trực-Nam Định 63
Hình 3.13. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Nam Trực-Nam Định 64
Hình 3.14.Sơ đồ v

ị trí tuyến khảo sát 64
Hình 3.15. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Đá Đen-Khánh
Hòa
65
Hình 3.16. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Đá Đen-Khánh Hòa 65
Hình 3.17.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát 66
Hình 3.18. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Khe Tân-Quảng Nam 66
Hình 3.19. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Khe Tân-Quảng Nam 67




DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Hằng số điện môi của một số vật chất trong tự nhiên 8
1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có khoảng 10.000km đê sông và có hàng nghìn đập thủy điện thủy lợi
lớn và nhỏ. Phần lớn những công trình thuỷ lợi đều được xây dựng cách đây khá lâu.
Do hạn chế về điều kiện kỹ thuật và kinh tế như công tác thăm dò địa chất, thiết kế
và thi công công trình v.v nên đều có những bất cập và khiếm khuyết nhất định.
Thêm vào đ
ó, do công trình sau một thời gian dài vận hành, vật liệu đã chịu sự xâm
thực của tự nhiên, của nguồn nước, tác động môi trường, biến động địa chất và tác
hại của nhiều loài sinh vật, đặc biệt là mối, cho nên đã xuất hiện nhiều dạng ẩn họa
trong công trình. Trong đó, hang rỗng là một dạng ẩn họa phổ biến nhất trong thân
đê và đập, những hang rỗng này đe dọa nghiêm trọng sự an toàn của công trình. Mỗi
mùa lũ tới, tai họa đều rình rập ở khắp nơi, sự cố công trình có thể xảy ra ở bất cứ nơi

nào và lúc nào. Việc phát hiện được những hang rỗng đó một cách nhanh chóng và
hiệu quả, kịp thời tiến hành gia cố, trừ hiểm hoạ cho công trình, đảm bảo cho công
trình vận hành an toàn đã trở thành một nhiệm vụ bức xúc và quan trọng của ngành
quả
n lý các công trình thuỷ lợi. Do đó, việc phát hiện và xử lý hang rỗng cho các
công trình này là một nhiệm vụ thường xuyên, lâu dài. Các phương pháp Địa vật lý
như: phương pháp thăm dò điện, từ, phóng xạ hay địa chấn khi dò tìm hang rỗng có
kích thước nhỏ lại nằm nông gần mặt đất còn có những hạn chế nhất định. Vì vậy
việc ứng dụng công nghệ mới của phương pháp Rađa đất để xác định hang r
ỗng trong
thân đê, đập là rất cần thiết để từ đó đề xuất những giải pháp xử lý phù hợp và hiệu
quả.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Rađa đất để phát
hiện và xác định vị trí của hang rỗng nằm trong thân đê, đập.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của
đề tài là hang rỗng trên hệ thống đê, đập.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu trên mô hình hang rỗng lý thuyết và thử nghiệm
trên thực tế
2

4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Để đạt được mục tiêu trên, luận văn thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
+ Nghiên cứu mô hình lý thuyết của hang rỗng bằng phương pháp Rađa đất.
+ Thử nghiệm thực tế.
5. Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa:
- Bằng cách xây dựng mô hình lý thuyết của hang rỗng đặc trưng và đại diện
cho vùng nghiên cứu để đánh giá khả năng áp dụng của phương pháp Ra

đa đất.
+ Áp dụng các kết quả lý thuyết đã thu được để thử nghiệm vào thực tế.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Các kết quả nghiên cứu mô hình lý thuyết của hang rỗng bằng phương pháp
Rađa đất đã đánh giá được ảnh hưởng của kích thước đối tượng đến độ sâu nghiên
cứu và đánh giá được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các hang r
ỗng. Đồng thời cũng đưa
ra khả năng áp dụng của phương pháp này trong thăm dò các hang rỗng trong đê, đập.
Các kết quả áp dụng trên một số đối tượng thực tế đã chứng minh sự hiệu quả
của phương pháp. Với khả năng tăng độ phân giải của phương pháp đã thu được bức
tranh mặt cắt kết quả Rađa đất phản ánh trung thự
c, rõ nét các hang rỗng trong thân
đê, đập hơn.
Khi áp dụng phương pháp Rađa đất sẽ có hiệu quả hơn trong việc giải quyết
nhiệm vụ thăm dò các hang rỗng do các sinh vật tạo ra trong thân đê, đập trước hết là
tổ mối có kích thước nhỏ mà các phương pháp địa vật lý khác còn bị hạn chế do chúng
không tạo ra sự khác biệt nhiều với môi trường xung quanh.
7. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của lu
ận văn gồm các phần sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan chung về phương pháp Rađa đất
Chương 2: Nghiên cứu trên mô hình hang rỗng lý thuyết
Chương 3: Kết quả áp dụng phương pháp Rađa đất để phát hiện hang rỗng
Kết luận
Tài liệu tham khảo
3

Chương 1 - TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT
1.1 VÀI NÉT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP

RAĐA ĐẤT TRONG KHẢO SÁT HANG RỖNG
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Trong chiến tranh, nhiều hầm ngầm sử dụng tác chiến đã bị chôn vùi; vì vậy để
khôi phục các mạng giao thông hào, các đường hầm quan trọng, tác giả Daniels.D.J
đã nghiên cứu phát triển phương pháp Rađa để dò tìm chúng [15]. Phương pháp đã
được tiến hành tại thành phố Falklands - Vương quốc Anh và cho kết quả tốt.
Từ
những năm 1984, Annan. A.P và các cộng sự đã nghiên cứu phát triển
phương pháp Rađa ứng dụng các loại hình ăng ten tần số cao: 500, 200 MHz để dò
tìm và lập sơ đồ các đường ống dẫn qua các hoang mạc thuộc Công ty khí đốt Anh
Quốc (British Gas)[13]. Những đường ống có kích cỡ nhỏ khoảng 25 mm, ở độ sâu
1,5 m được phát hiện với tỷ lệ rất cao (90%). Kết quả cho thấy trong điều kiện môi
trường đồ
ng nhất (hoang mạc) khả năng phát hiện các dị vật là cao nhất.
Ở Phần Lan có rất nhiều vỉa than bùn có tác dụng xấu đến các công trình kiến
trúc và giao thông. Tác giả Hanninen. P đã ứng dụng Rađa đất với các loại hình ăng
ten có tần số từ 80 đến 500MHz để đánh giá phạm vi phân bố và độ dầy của vỉa than
bùn trong công tác khảo sát địa chất công trình [16].
Ở Trung Quốc phương pháp đồng vị phóng xạ và phương pháp
địa chấn đã
được nghiên cứu để thăm dò vùng thấm và dò rỉ cho đập hồ Phong Thọ Bình. Nhưng
kết quả không đạt yêu cầu. Sau đó nhờ phương pháp Rađa địa thám người ta đã phát
hiện được một dải cactơ đang phát triển ở chân dốc bên phải thân đập, dẫn đến việc
thấm nước đục với lưu lượng 0,07 - 0.15m
3
/s. Từ đó người ta đã phát triển phương
pháp này để phát hiện các loại ẩn hoạ cho hàng chục công trình khác, chẳng hạn phát
hiện vết nứt tường sét chống thấm của đập chính hồ Nam Thuỷ vào năm1999; phát
hiện các hang rỗng, hố sụt lún, vết nứt của đập hồ Hợp Thuỷ, Xuân Dương, Quảng
Đông; phát hiện vết nứt tràn xả lũ của đập hồ Phóng Ngưu Động và phát hiện vùng

sụt lún, dập vỡ của sân tiêu năng đập hồ Mai Lục vào năm 1997 và 1998.
4

Tại Ba Lan, (2000) đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp Rađa đất để phát hiện
các khối bất đồng nhất trên đê sông Odra. Qua phân tích xử lý số liệu, tác giả đã xác
định được các vùng thấm qua thân đê vào mùa lũ [23].
Gần đây Trung Quốc đã ứng dụng kỹ thuật Rađa đất kết hợp với ăng ten đo ẩn
họa dưới nước và phương pháp lấy mẫu tập trung cụ
c bộ, tiến hành thực nghiệm đo
ẩn họa của hơn 10 công trình thuỷ lợi ngầm. Nhờ đó đã phát hiện hàng loạt những ẩn
họa với nhiều hình dạng khác nhau: các loại ẩn họa cửa chắn phía thượng nguồn của
cống ngầm và của hố tiêu năng (như nứt ở dưới đáy, xói mòn, lún sụt v.v ); kết cấu
chống thấm của đáy hồ bị vỡ, tường nghiêng chống thấm của đập đất nứt và tầng đệm
bị hỏng v.v với độ chính xác khá cao.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, năm 1971 Nguyễn Văn Quang nghiên cứu phương pháp siêu âm để
phát hiện hang rỗng tổ mối, nhưng không thành công. Năm 1973, GS.TSKH Lâm
Quang Thiệp dùng phương pháp điện để phát hiện hang rỗng tổ mối trong đê. Tác giả
cho biết đã tìm được 6 tổ mối, như
ng độ chính xác và hiệu quả thăm dò rất hạn chế.
Năm 1982, Vũ Văn Tuyển là người đầu tiên nghiên cứu về mối hại đập đất ở nước
ta. Tác giả đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp đồng vị phóng xạ để phát hiện nhiều
tổ mối ở đập. Những năm 80 của thế kỷ trước, Viện Thiết kế thuỷ lợi (nay là Công ty
t
ư vấn xây dựng thuỷ lợi I) mới bắt đầu ứng dụng các phương pháp địa vật lý để
nghiên cứu một số đoạn đê có vết nứt thuộc địa phận Nhất Trai, Gia Lương, Hà Bắc
và đê hữu Hồng thuộc địa phận Vân Cốc, Phương Độ, Phúc Thọ, Hà Nội. Do công
nghệ lạc hậu và công tác nghiên cứu chưa đồng bộ nên kết quả còn nhiều h
ạn chế. Từ
năm 1990 trở lại đây, Viện Khoa học địa chất đã nghiên cứu phương pháp điện trở

để thăm dò ẩn hoạ tại đê Từ Liêm, Hà Nội, nhưng kết quả nghiên cứu vẫn chưa đủ cơ
sở để áp dụng vào sản xuất. Năm 1996, Viện vật lý địa cầu thuộc Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam, dưới sự trợ giúp của các chuyên gia Đức đã ứng dụng công
nghệ Rađa đất để khảo sát địa chất công trình.
5

Năm 1998, PGS.TS Nguyễn Văn Giảng và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng
công nghệ Rađa đất, xây dựng một số mặt cắt cấu trúc hiện trạng cho 5 km đê sông
Hồng bằng thiết bị Pulse EKKO 100A. Các tác giả đã xác định được một số đoạn đê
xung yếu có nhiều dị thường và kiến nghị giải pháp xử lý . Năm 1999 khi tham gia
dự án điều tra cơ b
ản cống dưới đê và các đoạn đê xung yếu thuộc hệ thống sông
Hồng và sông Thái Bình, Nguyễn Văn Giảng và cộng sự đã ứng dụng công nghệ
Rađa để đánh giá hiện trạng 19 cống dưới đê thuộc hệ thống đê tỉnh Hà Nam. Các tác
giả đã đo đạc và đánh giá hiện trạng đất hai bên mang cống của 19 cống dưới đê tỉnh
Hà Nam[3].
Vi
ệc thăm dò, xác định hang rỗng tổ mối và các ẩn hoạ khác trong thân đê, đập
đã được Trung tâm Nghiên cứu Phòng trừ mối- Viện Khoa học Thủy lợi nghiên cứu
từ năm 1984 bằng các phương pháp: phóng xạ, điện trường và địa chấn nông…,nhưng
do hạn chế về độ phân giải và tốc độ triển khai trên thực địa chậm, nên các phương
pháp này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi.
Năm 1999, tiếp cận công nghệ Rađa đất, Trung tâm Nghiên cứu Phòng trừ mối
đã nhận thấy đây là một công nghệ mới rất có triển vọng trong việc xác định tổ mối
và các ẩn hoạ trong thân đê, đập. Được sự quan tâm của Bộ Nông nghiệp và Phát
triển Nông thôn, Trung tâm đã được trang bị một hệ thiết bị Rađa SIR-10B cùng với
phần mềm xử lý số liệu Radan for Windows và một số
môđun chuyên dụng khác.
Trung tâm đã tiến hành thử nghiệm phương pháp Rađa đất để xác định tổ mối trên
đê, đập và bước đầu thu được kết quả tốt (Ngô Trí Côi, 2001) [1]. Đây là những cơ

sở ban đầu rất quan trọng để nghiên cứu phát triển, mở rộng ứng dụng công nghệ
Rađa đất.
Năm 2002, PGS.TS Nguyễn Trọng Nga và nnk đã ứng dụng phương pháp
Rađa đất
để xác định các hang rỗng (karst) trong miền đá vôi và cho kết quả khá tốt,
đặc biệt xác định được các hang có đường kính lớn hơn 2m [4].

6

Năm 2004, ThS Phạm Văn Động và nnk đã nghiên cứu và ứng dụng phương
pháp Rađa đất để xác định hang rỗng tổ mối trên hệ thống đập đất tỉnh Hòa Bình và
cũng cho kết quả tốt [11].
Năm 2006, TS Vũ Thị Thanh Hương, ThS Đỗ Anh Chung và nnk đã nghiên cứu
và ứng dụng phương pháp Rađa đất để xác định một số ẩn hoạ trên hệ thống đê tỉnh
Nam Đị
nh; đề tài cũng đã xác định và chỉ ra được khá nhiều tổ mối nằm chìm trong
thân đê [12].
Năm 2013, PGS.TS Vũ Đức Minh, ThS. Đỗ Anh Chung nghiên cứu mô phỏng
các hang rỗng trong thân đê, đập bằng các phương pháp Địa vật lý để đưa ra khả năng
ứng dụng của phương pháp điện đa cực và Rađa đất đối với việc tìm kiếm, xác định
các hang rỗng; Đồng thời tìm ra phương thức ti
ến hành ngoài thực địa sao cho phù
hợp nhằm nâng cao hiệu quả của các phương pháp nói trên [17].
Năm 2013, PGS.TS Vũ Đức Minh, ThS Đỗ Anh Chung đã đưa ra một số kết
quả nghiên cứu áp dụng xác định nhanh ẩn họa nông trong thân đê, đập nhằm đánh
giá khả năng và hiệu quả của phương pháp Rađa đất và điện đa cực trong việc xác
định đối tượng này [18].
Tóm lại, phương pháp Rađa đất
đã được ứng dụng ở Việt nam trong thăm dò tổ
mối và một số hang rỗng trong hệ thống đê điều. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ

thể nào đánh giá mức độ ảnh hưởng của kích thước hang rỗng đến chiều sâu nghiên
cứu và mức độ ảnh hưởng của các hang rỗng để đánh giá chính xác hơn khả năng của
phương pháp Rađa đất trong công tác thăm dò hang rỗng trong thân đê, đập.
1.2. PHƯƠNG PHÁP RA ĐA ĐẤT
1.2.1. Sơ lược về phương pháp Rađa đất.
Phương pháp Rađa đất là phương pháp địa vật lý nông dựa trên nguyên lý thu
phát sóng điện từ ở tần số siêu cao tần( từ 15  6000 MHz). Khi đó sóng điện từ được
truyền theo xung từ các ăng ten phát và thu sóng phản xạ được tạo ra từ các mặt ranh
giới giữa các đối tượng và môi trường xung quanh. Các đối t
ượng đó được tạo thành
do cấu trúc địa chất như: ranh giới đá móng, các lớp vật liệu trầm tích có tính chất
7

vật lí khác nhau chứa vật liệu sét, những hang hốc, các khe nứt nẻ, các khối xâm thực
cũng như các vật thể bị chôn vùi nhân tạo hoặc các khối bê tông, các lỗ rỗng liên quan
đến vị trí hàm ếch, tổ mối. Đó chính là các đối tượng nghiên cứu bằng phương pháp
Rađa đất.
Độ sâu thẩm thấu của phương pháp phụ thuộc vào tần số của ăng ten phát thu
và tính chất vật lí của môi trường đị
a chất trong đó giá trị hằng số điện môi tương
đối(

) và độ dẫn điện (σ) là chủ yếu. Tần số càng cao, độ dẫn điện và hằng số điện
môi càng lớn thì chiều sâu khảo sát càng nhỏ.
Các đại lượng vật lí đặc trưng của sóng điện từ được dùng trong phương pháp
Rađa đất như: vận tốc truyền sóng (v), bước sóng (λ), hệ số suy giảm (α), hằng số
điện môi tươ
ng đối hay độ điện thẩm tương đối

(

r
), độ từ thẩm (μ), độ dẫn điện (σ)…
Sở dĩ phương pháp Rađa đất có thể phát hiện được các đối tượng nêu trên là do
trong các môi trường địa chất nói chung, đặc biệt trong địa chất công trình chúng luôn
luôn tồn tại các ẩn hoạ như hang karst, khối bất đồng nhất, đới tơi xốp và các hang
rỗng, đây là những vùng có tính chất vật lí khác biệt so với môi trường địa chất xung
quanh. Tại những ranh giới giữa các ẩn hoạ và môi trường xung quanh sẽ xảy ra hiện
tượng phản xạ sóng điện từ, với hệ số phản xạ được tính theo công thức sau:
R =
Trong đó: 

- là hằng số điện môi tương đối của môi trường thứ nhất.


- là hằng số điện môi tương đối của môi trường thứ hai.
Như vậy ranh giới các môi trường vật chất càng khác nhau về hằng số điện môi
thì áp dụng phương pháp Rađa đất càng có hiệu quả. Bảng 1.1 là bảng tổng hợp hằng
số điện môi của một số vật chất thường gặp trong tự nhiên.




(1)
8

Bảng 1.1. Hằng số điện môi của một số vật chất trong tự nhiên
Stt Tên vật chất
Giá trị hằng số
điện môi 
r

Ghi chú
1 Không khí 1
2 Đất khô 5
3 Đất ướt 25
4 Nước ngọt 81
5 Đất bồi 5-30
6 Đất sét 5-40
7 Đá phiến sét 5-15
8 Đá granit 4-6
9 Đá vôi 4-8
10 Cát khô 3-5
11 Cát ướt 20-30
12 Nước biển 80
1.2.2. Một số tính chất cơ bản của trường điện từ trong môi trường địa chất
1.2.2.1. Mật độ dòng điện trong môi trường đơn chất.
* Dòng điện dẫn
Dòng điện là sự dịch chuyển có hướng của các điện tích dưới tác dụng của
trường điện. Trong kim loại, các điện tích khi chuyển động là các electron gọi là dẫn
điện đi
ện tử.
Trong các dung dịch điện tích dịch chuyển là các ion nên gọi là dẫn điện ion.
Môi trường địa chất là môi trường có chứa nước nên là môi trường dẫn điện ion.
Với dòng dẫn, các điện tích tự do chuyển động khi có một điện trường đặt vào
và nó sẽ dịch chuyển với vận tốc không đổi khi điện trường đặt vào là không đổi. Khi
có điện trường
đặt vào, các điện tích lập tức dịch chuyển, khi điện trường bị ngắt đột
ngột, các điện tích này cũng lập tức dừng chuyển động.
9

Trong khi các điện tích chuyển động, chúng sẽ va chạm với các hạt vật chất
xung quanh nó do đó sẽ bị tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt. Các điện tích dịch
chuyển va chạm với các hạt không dịch chuyển và truyền năng lượng cơ học. Kết quả
là dòng dẫn được sinh ra cùng với quá trình tiêu hao năng lượng của một trường điện
từ.
Xét môi trường dẫn đượ
c đặc trưng bởi độ dẫn điện  có dòng điện chạy qua
với mật độ dòng J
c
. Tại mọi điểm của môi trường thì dòng điện luôn tuân theo định
luật Ohm. Định luật Ohm xác định mối quan hệ giữa mật độ dòng điện và cường độ
điện trường E đặt vào và được biểu diễn bởi biểu thức sau:
J
c
= σ.E hay σ = J
c
/E
Trong môi trường đơn chất, mối liên quan này gần như là tuyến tính và tỷ lệ
không đổi này được gọi là độ dẫn điện σ. Độ dẫn điện σ xác định khả năng của môi
trường cho điện tích chạy qua dưới tác dụng của điện trường. Độ dẫn phụ thuộc rất
nhiều vào mật độ điện tích và tính chất tương tác c
ơ học lẫn nhau của điện tích với
các hạt xung quanh nó. Đơn vị của độ dẫn điện là Simen/m hoặc mili Simen/m.
Điện trở suất () là đại lượng nghịch đảo của độ dẫn điện σ,  = 1/. Đơn vị đo
điện trở suất là Ohm.
* Dòng điện dịch
Dòng điện dịch là dòng tạo bởi sự xê d
ịch hay sự dao động của các điện tích
liên kết dưới tác dụng của điện trường biến thiên. Sự xê dịch này cũng gần như tức
thời.

Khi dao động các điện tích đã được tích điện chuyển từ một thế cân bằng này
sang một thế cân bằng khác và có sự thay đổi năng lượng dự trữ trong môi trường.
Khi điện trường này bị gỡ b
ỏ, các điện tích liên kết này sẽ dịch chuyển về vị trí cân
bằng ban đầu và năng lượng được giải phóng.
Khi có một điện trường E đặt vào, sự dao động của các điện tích sẽ tác động vào
việc sắp xếp các véc tơ cảm ứng điện D ở bên trong môi trường vật chất:
D = ε.E
(2)
10

Sự phân bố các điện tích này dựa trên cơ sở mật độ véc tơ cảm ứng điện D.
Trong môi trường đơn chất, mật độ véc tơ cảm ứng điện này tỷ lệ thuận với điện
trường đặt vào, tỷ lệ không đổi này được gọi là độ điện thẩm của môi trường.
Khi sự sắp xếp của các véc tơ cả
m ứng điện được tạo ra trong môi trường kết
hợp với sự xê dịch của các điện tích sẽ có một dòng điện gọi là dòng điện dịch.
Như vậy, về cơ bản, dòng điện dịch là sự biến thiên của véc tơ cảm ứng điện D
trong một khoảng thời gian; khi đó mật độ dòng dịch có dạng:
J
d
= cD/ct = ε . cE/ct
Để thuận tiện trong tính toán, ta định nghĩa độ điện thẩm tương đối (relative
permittivity) hay hằng số điện môi tương đối(dielectric constant) là tỷ số giữa độ điện
thẩm của môi trường với độ điện thẩm chân không hay hằng số điện môi của môi
trường và hằng số điện môi của chân không và được ký hiệu là 
r
; 
r
là đại lượng

không thứ nguyên.

r
= ε/ ε
o
hay  = 
r
. ε
o

Trong đó: ε
o
-

độ điện thẩm của không khí
ε
r
- là độ điện thẩm tương đối hay hằng số điện môi tương đối có giá trị từ
1  81.
* Dòng toàn phần
Trong bất kỳ môi trường tự nhiên nào, dòng mà ta thu được khi cung cấp một
điện trường vào môi trường đó đều có dòng điện dẫn và dòng dịch. Tuỳ thuộc vào sự
(tỷ lệ) thay đổi của điện trường mà có thể dòng dịch hoặc dòng dẫn sẽ chi
ếm ưu thế
hơn:
J = J
d
+ J
c

Hay J = σ . E + ε . cE/ct
Trong đó: - J:dòng toàn phần
Giả sử điện trường kích thích có dạng hàm sin biến đổi theo thời gian, khi đó:
E = E
o
.
(
3
)
(4)
(5)
(6)
11

Suy ra: cE/ct = j E
o

Do đó: J = σ . E + ε j
.E = (σ + ε j )E
Như vậy, ta thấy rằng dòng điện dịch sẽ tỷ lệ với tần số góc của điện trường đưa
vào. Ngoài ra, dòng điện dịch còn bị lệch pha với dòng điện dẫn một góc
.
Hình 1.1. mô tả mối liên hệ giữa dòng điện dịch, dòng điện dẫn và dòng toàn
phần theo tần số.

Trong môi trường đơn chất, có độ dẫn σ và hằng số điện môi ε không đổi
thì sẽ có một tần số f
t
. Tại tần số này dòng dẫn và dòng dịch là bằng nhau. Ở phía trên
tần số f

t
này thì dòng dịch trội hơn, còn dưới tần số f
t
này thì dòng dẫn trội hơn. Xác
định tần số f
t
:
Tại tần số f
t
ta có: | J
c
| = | J
d
| => = σ /
f
t
= σ / ( )
Hình 1.1. Mối liên hệ giữa dòng điện dẫn, dòng dịch và dòng toàn
phần
J
J
d

J
c

t
(7)
(8)
(9)

12

Phương pháp Rađa đất làm việc với sóng điện trường có tần số lớn hơn tần số
f
t
. Vì vậy, dòng điện dịch đóng một vai trò quan trọng trong việc lan truyền của sóng
Rađa.
1.2.2.2. Dòng điện trong môi trường địa chất
Trong môi trường địa chất, sự có mặt của các phân tử nước là một trong những
yếu tố quan trọng quyết định đến các đặc tính điện của môi trường. Bản chất tự nhiên
của phân tử nước H
2
O là một moment lưỡng cực. Do đó nó làm cho môi trường này
có độ điện thẩm khá cao, đồng thời sự phân ly của các ion trong nước sẽ làm tăng độ
dẫn điện ion, đây là yếu tố quyết định tính chất điện của môi trường tầng phủ và đá
gốc. Về cơ bản, độ dẫn điện tỷ lệ với tổng số lượng phân tử chấ
t rắn bị hoà tan và do
đó khi lượng các ion bị hoà tan tăng lên thì độ dẫn của môi trường cũng sẽ tăng lên.
Môi trường địa chất được xem như là hỗn hợp của 3 thành phần, đó là: đất đá,
nước và không khí. Tuỳ thuộc vào mức độ ngậm nước và không khí ở trong các lớp
lỗ hổng của môi trường địa chất mà ảnh hưởng nhiều hay ít tới tính dẫn điện của môi
trường.
Bằng thực nghiệm ta có thể xác định được mối tương quan giữa độ điện thẩm
tương đối ε
r
với lượng nước của môi trường địa chất.
Hình 1.2 - là một kết quả thu được từ thực nghiệm của nhóm tác giả, mô tả mối
liên hệ giữa độ điện thẩm và vận tốc truyền sóng vào lượng nước của môi trường.
Từ hình vẽ trên ta thấy khi lượng nước tăng kéo theo độ điện thẩm tương đối ε
r

tăng nhưng vận tốc sóng lại giảm.
13


Độ dẫn điện của một môi trường địa chất rất khó xác định chính xác. Nó phụ
thuộc nhiều vào độ dẫn của nước chứa trong lỗ rỗng của đất. Ngoài ra nó còn phụ
thuộc vào đặc điểm thành phần, kiến trúc, cấu tạo của đất đá trong môi trường.
Định luật Archie mô tả về mối quan hệ này như sau:
σ = a. Φ
m
. S
n
. σ
w
. σ
c

Trong đó:
- : Độ rỗng của môi trường đất đá(%)
- S: Độ bão hoà nước
- m: hằng số thực nghiệm có giá trị từ 1.3 đến 2.5
- a: hằng số thực nghiệm có giá trị từ 0.4 đến 2.0
- n: hằng số có giá trị bằng 2
- σ
w
: độ dẫn nước trong các lỗ hổng
- σ
c
: độ dẫn bề mặt của các hạt vật liệu bề mặt địa chất

Hình 1.2. Mối liên hệ giữa độ điện thẩm tương đối và vận tốc
truyền sóng vào lượng nước của môi trường

ε
r

(10)
14

Độ dẫn điện có ảnh hưởng đến sự hấp thụ sóng Rađa của môi trường địa chất.
Khi độ dẫn càng lớn thì sóng rađa bị hấp thụ càng mạnh, do đó mà chiều sâu nghiên
cứu của phương pháp càng giảm.
1.2.2.3. Các tham số điện từ ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu Rađa
Các tham số điện từ phụ thuộc vào điều kiệ
n địa chất. Xác định tham số điện từ
để chuẩn hoá các kết quả đo được làm tăng độ chính xác trong quá trình xử lý số liệu.
Các tham số cần phải xác định là hằng số điện môi ε, độ dẫn điện σ(S/m), vận tốc
truyền sóng v(m/ns) và độ suy giảm α (dB/m).
* Hằng số điện môi
Hằng số điện môi là một đại l
ượng vô hướng, nó cho biết khả năng tích điện
của môi trường đất đá khi có một trường sóng điện từ lan truyền qua.
Hằng số điện môi phụ thuộc chủ yếu vào lượng nước chứa trong môi trường địa
chất và nó nhận giá trị từ 1 đến 81.
Môi trường đất đá gồm các thành phần: đất đá, nước và không khí chứa trong
lỗ hổng. Do đó công thức tính
ε trong các môi trường đất đá và trầm tích không bão
hoà; theo Hara, T. and Sakayama, T., 1985):

Trong đó:
- : Độ rỗng của môi trường đất đá(%)
- S: Độ bão hoà nước
- ε: hằng số điện môi của lớp đất đá
- ε
a
: hằng số điện môi của không khí
- ε
w
: hằng số điện môi của nước
- ε
s
: hằng số điện môi của thành phần hạt
* Độ dẫn điện σ [S/m]
Độ dẫn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn điện của môi trường vật
chất, nó tỷ lệ nghịch với điện trở suất ρ và phụ thuộc chủ yếu vào lượng nước và hàm
swa
SS

)1( )1( 
(11)
15

lượng hạt sét có trong môi trường. Với đa số các loại đất đá, độ dẫn điện thường nhận
giá trị từ 4 đến
S/m.
Khi độ dẫn σ > 0.01 S/m thì sóng Rađa gần như bị hấp thụ hoàn toàn.
Với đất đá gồm khoáng vật đá, nước và không khí chứa trong lỗ hổng thì công
thức tính độ dẫn điện cho các môi trường địa chất không bão hoà, theo Hara, T. and
Sakayama, T., 1985:

Trong đó:
- : Độ rỗng của môi trường đất đá(%)
- S: Độ bão hoà nước
- σ: độ dẫn điện của các l
ớp trầm tích
- σ
a
: độ dẫn điện của không khí
- σ
w
: độ dẫn điện của nước
- σ
s
: độ dẫn của các thành phần hạt
Phân chia một số môi trường dẫn điện
Các môi trường như: Không khí, đá granite, đá vôi khô, bê tông, nhựa đường
(asphalt) có độ dẫn thấp (σ <
S/m); đây là những môi trường rất tốt cho sóng
điện từ lan truyền.
Độ dẫn trung bình (
): các môi trường như là nước
nhạt, đá nước nhạt, tuyết, cát, sét khô, đất bazan, đá nước biển. Sóng Rađa suy giảm
mạnh.
Độ dẫn cao (σ > 10
-2
S/m): Làm suy yếu tín hiệu sóng Rađa. Các môi trường
như sét ướt, đá phiến sét, nước biển.

1.2.2.4. Vận tốc truyền sóng điện từ v[m/ns]
swa
SS

)1( )1( 
(12)