Công tác quan trắc và xử lý số liệu chuyển dịch ngang tuyến đập thủy điện Tuyên Quang

MỤC LỤC

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU
Để đẩy mạnh quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá nhằm phát triển kinh
tế trong thời kỳ đổi mới của đất nước, Đảng và Chính phủ đã quan tâm tới việc xây
dựng các công trình trên mọi lĩnh vực kinh tế. Trong các công trình xây dựng đó,
công trình xây dựng tạo nguồn điện được coi là công trình trọng điểm. Thuỷ điện là
công trình thuỷ điện lớn, đa mục tiêu. Dự án có công suất đạt 342 MW, gồm 3 tổ
máy, sản lượng điện hằng năm 1,295 tỷ kW giờ, gấp 13 lần lượng điện năng đang
cung cấp cho tỉnh Tuyên Quang.

2


Thủy điện Tuyên Quang là công trình đầu tư có lợi ích tổng hợp. Hồ chứa
thủy điện nằm trong địa phận ba tỉnh Tuyên Quang, Hà Giang, Bắc Kạn với dung
tích phòng lũ 1 tỷ m3, trong trường hợp đặc biệt có thể dành 1,5 tỷ m3, góp phần
phòng, chống lũ cho đồng bằng sông Hồng, thủ đô Hà Nội và nhất là cắt lũ gần như
hoàn toàn cho thị xã Tuyên Quang.
Hồ chứa còn tạo nguồn cấp nước trong mùa khô cho đồng bằng sông Hồng và
các tỉnh lân cận, góp phần phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng ở khu vực
phía Bắc.
Trong quá trình xây dựng và vận hành, việc theo dõi và quan trắc chuyển dịch
biến dạng của công trình thuỷ điện (nhất là đối với các hạng mục chịu áp lực lớn

hường xuyên như tuyến đập thuỷ điện) là rất cần thiết.
Công tác quan trắc biến dạng tuyến đập thuỷ điện là một phần công việc
quan trọng trong toàn bộ công tác trắc địa tổng hợp, được thực hiện một cách hệ
thống, thường xuyên trong suốt quá trình thi công và vận hành công trình.
Vận dụng những kiến thức đã học, xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn của
sản xuất em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp:“ Công tác quan trắc và xử lý số liệu
chuyển dịch ngang tuyến đập thủy điện Tuyên Quang”.

Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Những vấn đề chung về chuyển dịch biến dạng công trình.
Chương 2: Công tác trắc địa trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình.
Chương 3: Công tác quan trắc và xử lý số liệu chuyển dịch ngang tuyến đập
thuỷ điện Tuyên Quang.

3


Do trình độ còn hạn chế và kinh nghiệm thực tế còn ít nên không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy,
cô giáo cùng các bạn đồng nghiệp để cuốn đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy, cô giáo trong khoa Trắc địa
cùng các bạn đồng nghiệp, đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy Đinh Xuân Vinh
trong suốt quá trình làm đồ án.
Hà nội, tháng 9/2015
Sinh viên thực hiện
Lê Văn Hải

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
VỀ CHUYỂN DỊCH VÀ BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

1.1.1. Khái niệm về quan trắc biến dạng

4


Theo một định nghĩa được chấp nhận rộng rãi [1], trắc địa là một khoa học
nhằm xác định vị trí của các điểm trong không gian, hình dáng và trường trọng lực
của trái đất với những biến đổi theo thời gian của chúng. Vì thế, hệ quả tất yếu là
trắc địa như một chủ thể thường trực nhằm nghiên cứu, phát hiện, phân tích và giải
thích các biến dạng không gian cũng như các biến đổi trường hấp dẫn. Biến dạng là
một khái niệm gần gũi với sự hoạt động của các khối vật chất trên trái đất được ghi
dấu bởi những thay đổi đơn giản như các vector thành phần, các vị trí hoặc trường
hấp dẫn.
Biến dạng là hiện tượng tồn tại phổ biến trong tự nhiên, là sự thay đổi về vị trí,
hình dạng và kích thước của vật thể trong không gian theo thời gian dưới tác động
của các loại phụ tải. Biến dạng của vật thể trong chừng mực nhất định thì chưa gây
tác hại gì, khi vượt quá giá trị cho phép thì có thể gây tai họa. Trong tự nhiên, biến
dạng xảy ra rất phổ biến và đã gây không ít tai họa cho các công trình kiến trúc, cho
thiên nhiên và con người.
Quan trắc biến dạng là sử dụng máy móc thiết bị và phương pháp trắc địa tiến
hành theo dõi, đo đạc quá trình biến dạng của vật thể. Nhiệm vụ của quan trắc biến
dạng là xác định trạng thái không gian và đặc trưng thời gian của sự thay đổi về
hình dạng, kích thước và vị trí của vật thể bị biến dạng dưới tác dụng của tải trọng
và ngoại lực. Quan trắc biến dạng là biện pháp cần thiết để con người có được nhận
thức khoa học, kiểm nghiệm được lý thuyết và giả thuyết thông qua hiện tượng biến
dạng.
Phạm vi vật thể biến dạng có thể rất lớn đến rất nhỏ. Dựa vào phạm vi nghiên
cứu thể biến dạngcó thể chia đối tượng nghiên cứu quan trắc biến dạng thành 3 loại:
Nghiên cứu biến dạng toàn cầu, như quan trắc vận động mảng địa cầu, dịch
động của địa cực, biến đổi của vận tốc tự xoay của trái đất, địa triều;

Nghiên cứu biến dạng khu vực, như quan trắc biến dạng vùng trái đất, lún mặt
đất khu vực;

5


Nghiên cứu biến dạng cục bộ và công trình, như quan trắc biến dạng ba chiều
công trình xây dựng, sự trượt lở của bờ dốc, dịch động và lún sụt mặt đất do khai
thác ngầm.
Trong trắc địa công trình, vật thể biến dạng thường là đập ngăn sông, cầu, đê
phòng hộ, công trình cao tầng, đường hầm, đường tàu điện ngầm, bờ dốc, lún mặt
đất.
1.1.2. Nội dung của quan trắc biến dạng
Nội dung của quan trắc biến dạng, cần dựa vào tính chất và tình trạng nền
móng của thể biến dạng để xác định, cần có trọng điểm rõ ràng và nghiên cứu toàn
diện để có thể phản ánh chính xác tình trạng biến đổi của thể biến dạng. Từ đó đạt
được mục đích giám sát an toàn thể biến dạng, tìm hiểu quy luật biến dạng của nó.
(1) Đối với công trình công nghiệp và dân dụng, chủ yếu quan trắc lún của nền
móng và quan trắc biến dạng của bản thân công trình. Đối với nền móng, chủ yếu
quan trắc lún đều và không đều. Đối với bản thân công trình, chủ yếu quan trắc độ
nghiêng và khe nứt. Đối với các công trình cao tầng và công trình dạng tháp, cần
phải quan trắc thêm biến dạng ở trạng thái động (như biên độ dao động, tần suất dao
động và độ vặn xoắn) bằng các loại thiết bị, công nghệ tiên tiến. Trong thực nghiệm
khoa học và quân sự, nội dung quan trắc chủ yếu là chuyển dịch mặt bằng và
chuyển dịch thẳng đứng, biên độ dao động, tần suất và độ vặn xoắn của công trình.
(2) Đối với công trình thủy công: Hạng mục quan trắc chủ yếu của đập đất là
chuyển dịch mặt bằng, kiểm tra các vết nứt trên thân đập. Đối với đập beton, lấy
đập beton trọng lực làm ví dụ, do tác động của áp lực nước, biến đổi nhiệt độ bên
ngoài, trọng lượng bản thân đập, các hạng mục quan trắc chủ yếu là chuyển dịch
thẳng đứng (từ đó có thể tìm được chuyển động của nền móng và của thân đập),

chuyển dịch ngang (từ đó có thể tìm được cong vênh của thân đập) và quan trắc độ
co giãn của vết nứt, các nội dung này thường gọi là quan trắc biến dạng bên ngoài.
Ngoài ra để nghiên cứu tình trạng kết cấu beton bên trong thân đập, còn phải quan
trắc ứng lực của beton, ứng lực của cốt thép, nhiệt độ, đây là nội dung quan trắc bên
trong. Quan trắc bên trong có thể không phải do nhân viên trắc địa tiến hành, nhưng

6


khi xử lý số liệu quan trắc biến dạng, giải thích vật lý nguyên nhân biến dạng thì
cần phải kết hợp các tài liệu quan trắc bên ngoài và bên trong để tiến hành phân
tích.
(3) Đối với lún mặt đất: Khi thành phố được xây dựng trên hạ lưu sông, thuộc
tầng đất bồi, do nhu cầu nước dùng cho sinh hoạt và công nghiệp rất lớn nên phải
khai thác nước ngầm, ảnh hưởng đến kết cấu của địa tầng bên dưới làm cho mặt đất
bị lún. Đối với khu mỏ khai thác ngầm, khi lượng khai thác lớn cũng làm cho mặt
đất bị lún. Việc lún sụt mặt đất sẽ gây hư hại công trình, ảnh hưởng đến sinh hoạt
của con người. Do đo, tiến hành quan trắc lún định kỳ để nắm vững quy luật trồi
lún, từ đó có biện pháp phòng tránh thích hợp.
1.1.3. Phân loại phương pháp phân tích biến dạng
Khi các ngoại lực thực tế (như tải trọng) gây ra một biến dạngbất kỳ nào (như
sự thay đổi về vị trí hoặc hình dạng của đối tượng), sẽ tạo ra hoạt động của lực bên
trong đối tượng (ứng suất nội bộ). Nếu các ứng suất nội bộ đạt tới một giá trị nhất
định, đối tượng sẽ bị biến dạng. Do vậy, ta có hai cách tiếp cận đặc trưng trong
phân tích biến dạng:
(1) Biến dạng về hình học, nếu chúng ta quan tâm tới trạng thái hình học của
đối tượng và sự thay đổi về vị trí và hình dạng của nó.
(2) Biến dạng vật lý, nếu chúng ta quan tâm tới trạng thái vật lý của đối tượng,
trạng thái ứng suất nội bộ và mối liên quan với tải trọng gây biến dạng.
Trường hợp đầu tiên, thông tin về lực tác động và ứng suất cũng như thuộc

tính vật lý của đối tượng chưa được quan tâm hoặc chưa rõ. Kết quả là chúng ta chỉ
phân tích về mặt hình học đối tượng khảo sát, thông thường chỉ liên quan tới những
dịch chuyển của điểm rời rạc nhận được với ma trận phương sai - hiệp phương sai
của chúng. Việc phân tích hình học là điều rất quan trọng và là nghĩa vụ phải đáp
ứng các điều kiện hình học của đối tượng, như là sự thẳng đứng hay sự liên kết của
một vài kết cấu. Vì vậy, kết quả của quan trắc biến dạng là trực tiếp hiệu chỉnh
trạng thái hình học của đối tượng.

7


Trong phân tích hình học chuyên sâu, khi xét đến trạng thái tổng quan của đối
tượng, trường chuyển dịch trên đối tượng được tính xấp xỉ thông qua phương pháp
ước lượng bình phương nhỏ nhất hàm dịch chuyển đã lựa chọn (mô hình biến
dạng).
Trường hợp phân tích vật lý của biến dạng, tải trọng gây ra biến dạng có thể
được xây dựng thành một mô hình, bằng cách sử dụng phương pháp thống kê,
thông qua các trị đo biến dạng và trị đo các đại lượng vật lý gây ra biến dạng (ví dụ
tải trọng); hoặc bằng mô hình xác định trước, là sự tổng hợp các thông tin về tải
trọng, thuộc tính vật lý, các định luật vật lý chi phối mối quan hệ giữa sức căng và
ứng suất.
1.1.4. Mục đích và ý nghĩa của quan trắc biến dạng
Sự phát triển của nền kinh tế quốc dân và sự tiến bộ của nhân loại đã đẩy
nhanh tiến trình xây dựng công trình. Từ đó, quy mô, kích thước và độ phức tạp
của công trình xây dựng ngày càng gia tăng. Do vậy, việc quan trắc biến dạng, phân
tích và dự báo biến dạng càng trở nên quan trọng. Từ khi khởi công xây dựng công
trình, trong suốt thời gian thi công cho đến khi vận hành, sử dụng công trình, do ảnh
hưởng của nhiều yếu tố chủ quan lẫn khách quan, đều có thể nảy sinh biến dạng
công trình. Nếu biến dạng này vượt quá một giới hạn quy định, sẽ ảnh hưởng đến an
toàn vận hành công trình, thậm chí gây nguy hiểm đối với con người và xã hội. Mặc

dù trong quá trình thiết kế xây dựng công trình, kỹ sư thiết kế luôn sử dụng hệ số an
toàn cho công trình, chất lượng thi công xây dựng đã cố gắng tuân thủ các quy định
về an toàn theo thiết kế được phê duyệt, nhưng vẫn còn rất nhiều sự cố phát sinh
cho công trình, đặc biệt trong thời gian gần đây ở các tỉnh phía Nam nước ta (sập
cầu dẫn, lún sụt hầm giao thông đường bộ, sập nhịp cầu trên sông....) . Có thể thấy,
đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng là vấn đề hết sức quan trọng và hiện
đang là vấn đề nhạy cảm của xã hội. Vì thế, mục đích hàng đầu của quan trắc biến
dạng là nắm vững tình trạng thực tế của vật thể biến dạng, cung cấp thông tin cần
thiết để phán đoán độ an toàn của nó.

8


Hiện nay, quan trắc và đề phòng tai họa ngày càng được toàn xã hội quan tâm,
các cấp chính quyền và ngành chủ quản ngày càng trọng thị, nhiều tổ chức học
thuật quốc tế như Hiệp hội trắc địa thế giới (IAG), Liên hiệp hội các nhà trắc địa thế
giới (FIG), Hiệp hội cơ học đất đá thế giới (ISRM), Ủy ban đập thế giới (ICOLD),
Hiệp hội trắc địa mỏ thế giới (ISM), thường định kỳ họp hội nghị chuyên ngành
nhằm giao lưu học thuật và nghiên cứu đối sách. Phân tích và dự báo một cách khoa
học, chuẩn xác, kịp thời tình trạng biến dạng của công trình xây dựng là cực kỳ
quan trọng đối với thi công và vận hành quản lý công trình, công việc này thuộc
phạm trù quan trắc biến dạng. Vì phân tích và dự báo biến dạng liên quan đến nhiều
ngành khoa học như trắc địa, địa chất công trình, thủy văn, kết cấu xây dựng, vật lý
địa cầu, công nghệ thông tin... nên nó là một lĩnh vực nghiên cứu vượt ngành, phát
triển theo hướng khoa học liên ngành và đã trở thành lĩnh vực hợp tác nghiên cứu
của những nhà trắc địa với các chuyên gia các ngành khoa học khác.
Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu quan trắc biến dạng chủ yếu bao gồm
ba nội dung: Thu thập thông tin biến dạng, xử lý số liệu, phân tích và dự báo biến
dạng. Kết quả nghiên cứu là cực kỳ quan trọng đối với phòng tránh tai họa và
nghiên cứu cơ lý biến dạng. Đối với công trình xây dựng, quan trắc biến dạng là tai

mắt để phán đoán an toàn công trình đồng thời là biện pháp quan trọng để kiểm
nghiệm thiết kế và thi công công trình.
Tóm lại, ý nghĩa của quan trắc biến dạng có hai mặt: trước hết là ý nghĩa thực
dụng, chủ yếu là để nắm vững độ ổn định của công trình xây dựng, tìm hiểu kết cấu
địa chất, cung cấp thông tin cần thiết để chẩn đoán độ an toàn công trình, kịp thời
phát hiện vấn đề và có biện pháp xử lý; thứ hai là ý nghĩa khoa học, bao gồm giải
thích đúng đắn hơn về cơ chế biến dạng, kiểm chứng lý thuyết liên quan đến thiết
kế công trình và giả thiết về sự vận động của địa tầng nhằm đưa lại cho thiết kế và
xây dựng mô hình dự báo biến dạng hữu hiệu.

1.2. NGUYÊN TẮC CHUNG THỰC HIỆN QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH VÀ
BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

9


Quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình được thực hiện dựa trên 4 nguyên
tắc:
(1) Chuyển dịch biến dạng diễn ra theo thời gian. Vì vậy để xác định chuyển
dịch biến dạng công trình cần đo đạc ở nhiều thời điểm, so sánh để tìm ra chuyển
dịch. Mỗi thời điểm đo đạc được gọi là một chu kỳ, lần đo đạc đầu tiên gọi là chu
kỳ “0”.
(2) Chuyển dịch biến dạng công trình được so sánh tương đối so với một
“đối tượng” khác được xem là ổn định. Đối tượng được xem là ổn định trong quan
trắc có thể là công trình liền kề ổn định hoặc các mốc khống chế có độ ổn định rất
cao.
( 3) Chuyển dịch biến dạng công trình thường có giá trị nhỏ và diễn ra chậm
chạp theo thời gian. Vì vậy, để có thể phát hiện được chuyển dịch biến dạng, cần
phải sử dụng các phương pháp và phương tiện thiết bị có độ chính xác cao để tiến
hành quan trắc.

(4) Trong mỗi chu kỳ quan trắc, việc tính toán bình sai lưới phải được thực
hiện trong cùng một hệ thống toạ độ hoặc độ cao đã chọn ngay từ chu kỳ đầu tiên.
Chỉ bình sai lưới quan trắc trong hệ thống các điểm cơ sở đã ổn định sau khi đã tiến
hành phân tích đánh giá độ ổn định các điểm lưới khống chế cơ sở. Vì vậy, cần
phải có biện pháp và kỹ thuật xử lý riêng phù hợp với đặc điểm và bản chất của
lưới quan trắc biến dạng.

1.3. ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ CHU KỲ
QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
Quan trắc biến dạng là quan trắc sự chuyển dịch về mặt không gian với sự
biến đổi của số liệu thu được về mặt thời gian của thể biến dạng. Sự chuyển dịch về
mặt không gian biểu hiện thông qua một số điểm có tính chất đặc trưng gắn trên bề
mặt thể biến dạng (còn gọi là điểm mục tiêu hoặc điểm kiểm tra biến dạng). Sự biến
đổi về mặt thời gian của đối tượng thể hiện thông qua số liệu quan trắc được theo

10


chu kỳ hoặc liên tục các điểm đặc trưng đó. Các điểm mục tiêu liên kết với nhau
thông qua các đại lượng hình học: khoảng cách, góc, chênh cao (còn gọi là yếu tố
liên kết). Vận động tương đối của đối tượng được xác nhận thông qua việc đo đạc
theo chu kỳ hoặc liên tục các yếu tố liên kết giữa các điểm mục tiêu (còn gọi là định
vị tương đối). Đó là cơ sở để tính toán sự biến dạng của bản thân đối tượng. Vận
động tuyệt đối là thông qua việc đo khống chế theo chu kỳ hoặc liên tục các yếu tố
liên kết với các điểm tham khảo nằm bên ngoài đối tượng và các điểm mục tiêu
nằm trên đối tượng (còn gọi là định vị tuyệt đối). Tọa độ của các điểm tham khảo có
thể giả thiết là bất biến, tọa độ của các điểm mục tiêu có thể giả thiết là khả biến.
Dựa vào sự biến đổi tọa độ theo thời gian của các điểm mục tiêu, có thể xác nhận sự
biến dạng của đối tượng. Mục đích của quan trắc biến dạng là xác định sự vận động
tương đối giữa các điểm mục tiêu và vận động tuyệt đối của các điểm mục tiêu so

với điểm tham khảo.
Các điểm tham khảo và các điểm mục tiêu (gọi chung là các điểm quan trắc)
được định nghĩa trong một hệ tọa độ thống nhất. Từ đó người ta gọi các điểm tham
khảo, các điểm mục tiêu và các yếu tố liên kết giữa chúng là môhình hình học của
đối tượng biến dạng.
Trong phương án quan trắc biến dạng, ta phải xác định các tham số sau:

σy
1/ Xác định độ chính xác đo đạc (

) mà trạng thái biến dạng yêu cầu. Đối với

σξ ,ση
lưới quan trắc thì xác định độ chính xác cho phép (
ξ ,η

độ

hoặc của hiệu tọa độ

∆ξ , ∆η

) hoặc (

σ ∆ξ , σ ∆η

của điểm mục tiêu.

2/ Xác định số lượng chu kỳ quan trắc hay là thời gian quan trắc.
3/ Xác định khoảng thời gian giữa hai chu kỳ.

4/ Thời gian quan trắc cho phép của một chu kỳ (

11

δt

).

) của tọa


x
x

x

Nguyªn nh©n biÕn d¹ng
x

E

Tp

∆x
x

O

x

O

∆t

t
tO

y

tO

Thêi gian
y

BiÕn d¹ng

yE

Nguyªn nh©n biÕn d¹ng

E

∆x
x

x

Nguyªn nh©n biÕn d¹ng

t

tO+∆ t

t

Thêi gian

Thêi gian
y

BiÕn d¹ng

BiÕn d¹ng

yE
∆y=Hoo∆x
67%

95% 100%

Tv

yO

yO
T
tO

∆t

t

tO+T

y

tO

tO+3T Thêi gian

(a)

t
tO+∆ t

t

Thêi gian

(b)

Thêi gian
(c)

Hình 1.1. Mô hình biến dạng theo nguyên nhân
Căn cứ vào độ lớn của giá trị ước tính các nhân tử ảnh hưởng biến dạng (áp
lực, tải trọng...), dựa vào đặc tính thời gian và sự hiểu biết kinh nghiệm, phán đoán
về tác động của chúng tới đối tượng biến dạng, có thể xây dựng được mô hình biến
dạng sơ bộ. Trên cơ sở đó xác định độ chính xác đo đạc, số chu kỳ quan trắc, thời
gian cho phép trong một chu kỳ và khoảng thời gian giữa hai chu kỳ.
Biến dạng điển hình bao gồm: biến đổi đột xuất (đột biến), biến đổi tuyến tính
và biến đổi theo chu kỳ, (hình 1.1). Trong hình, xo và xE là giá trị nhân tử biến dạng

tại thời điểm đầu và thời điểm cuối; y0 và yE là lượng biến dạng tại thời điểm đầu và
thời điểm cuối;

H∞

, T là hằng số truyền dẫn và hằng số thời gian; Tplà chu kỳ biến

đổi, Tvlà thời gian kéo dài. Hai loại biến dạng đầu gọi là biến dạng phi chu kỳ, loại
sau gọi là biến dạng chu kỳ.

1.3.1. Biến dạng phi chu kỳ

12


(a) Mô hình đột biến. Hình 1.1a tương ứng với mô hình biến dạng động, có
hàm số:
y (t ) = H


 t − t0
1 − exp −
∞ 
T






(1.1)

Tốc độ biến dạng lớn nhất tại điểm là
H
 dy 
  = ∞ ∆x
T
 dt  to

(1.2)

Trạng thái biến dạng cuối cùng:
y E = y o + H ∞ ( x E − x o ) = y o + H ∞ ∆x

(1.3)

(b) Mô hình biến dạng dần: hình 1.1b tương ứng với mô hình biến dạng động
có hàm số
y (t ) = yo + H ∞

ở đây:

∆x 

 t − to
( t − to ) − T 1 − exp −
∆t 
T



 
 
 

,

(1.4a)

t o ≤ t ≤ t o + ∆t

hoặc :
y (t ) = y 0 + H ∞

với

t > to + ∆t

∆x 
∆t  
 t − t 0  
 
1 − exp  ∆t + T . exp −
∆t 
T 
 T  

,

(1.4b)

.

Biến dạng tại thời điểm

to

kéo dài, tốc độ biến dạng tại thời điểm

to + ∆t

đạt

cực đại, ta có:
Δx 
 dy 
 Δt 
=H
1 − exp − 
 

∞
Δt 
 dt  t + ∆t
 T 

13

(1.5)

σy
Đối với biến dạng phi chu kỳ, độ chính xác cần thiết của đo đạc

để xác

định trạng thái biến dạng có liên quan đến lượng biến dạng lớn nhất theo dự tính. Ví

σy
dụ mức độ dự tính chuẩn xác giả thiết là 10% thì độ chính xác đo đạc

phải

thỏamãn phương trình:

(

1
1
σ ≤
∆y =
y −y
y 50
A
50 E

σy ≤

Hay
Trong đó:

∆y

1
δy
5

)
.

.

(1.6a)

(1.6b)

là lượng biến dạng lớn nhất dự tính;

δy
là lượng biến dạng nhỏ nhất giữa hai chu kỳ quan trắc trong khoảng xác
suất nhất định (như P = 95%), hay còn gọi là độ phân giải quan trắc biến dạng,

∆y = 10.δ y
Xét trường hợp biến dạng phi chu kỳ mô hình ngẫu nhiên và đột biến.
Tại thời điểm tA bắt đầu gia tăng tải trọng, tiến hành quan trắc tại thời điểm t0
nhận được giá trị biến dạng yA . Chu kỳ quan trắc cuối phải được tiến hành tại thời
điểm biến dạng có xu thế bình ổn tE , yêu cầu chung là
T là hằng số thời gian liên quan đến đối tượng, có thể dựa vào kinh nghiệm
hoặc số liệu thực nghiệm để xác định.

14


BiÕn d¹ng

y
yE

yA

T hêi gian quan tr¾c
1 chu kú
δt
BiÕn d¹ng lín nhÊt
δy Bi Õn d¹ng nhá nhÊt
∆y
T hêi gian
gi÷a 2 chu
kú quan
tr¾c = ∆t
tA

tO

ti

t i+1

tE

t

Thêi gian

Hình 1.2. Phân tích biến dạng phi chu kỳ
Trong khoảng thời gian t0 đến tE phải quan trắc nhiều chu kỳ, giả thiết
∆t = t i+1 − t i

y

thì liên quan đến tốc độ biến dạng

và độ phân giải quan trắc

δy
biến dạng

tại thời điểm quan trắc. Ta có:
δy
y

∆t ≥

(1.8)
Nói cách khác, biến dạng thực tế phải không nhỏ hơn độ phân giải quan trắc
biến dạng. Từ (1.6b) và (1.7) ta thiết kế được khoảng thời gian giữa hai chu kỳ quan
trắc

∆t = 5

σy
y
.

(1.9)
y

Ở các chu kỳ đầu, tốc độ biến dạng

khá lớn và không chính xác nên tương
y

đối nhỏ. Các chu kỳ sau tốc độ biến dạng càng chính xác và càng nhỏ nên khoảng
∆t
thời gian
ngày càng lớn. Giả thiết tốc độ biến dạng lớn nhất trong chu kỳ quan
trắc là

y ma x

thì thời gian quan trắc trong một chu kỳ phải là:

15


δt ≤

σy
y ma x
,

δt ≤

do vậy

(1.10)

∆t
5

.

(1.11)

Tức là: Nếu thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc là 30 ngày, thì thời gian quan
trắc trong một chu kỳ phải ít hơn 6 ngày.
1.3.2. Biến dạng có chu kỳ
Mô hình biến dạng có chu kỳ được minh họa trong hình (1.1c). Nguyên nhân
ảnh hưởng biến dạng biến đổi theo chu kỳ, sự tương ứng giữa nguyên nhân biến
dạng x(t) với biến dạng y(t) theo thời gian được biểu thị:
trong đó: và là biên độ và pha đầu của nguyên nhân gây biến dạng;
và là biên độ và pha đầu của biến dạng.
Thành phần truyền dẫn được định nghĩa:
H=

yˆ
=
xˆ

H∞


t
1 +  2π
 T
p







2

.

(1.14)

Do vậy thời gian kéo dài của biến dạng là:

Từ (1.14) và (1.15) thấy rằng và

H∞

H∞

không liên quan đến nhau, nhưng và

đều liên quan đến . Hệ quả là:
khi

khi

Tp ≥ t

Tp ≤ t

thì

Tv → 0
Tv →

thì

16

và

H → H∞

;

Tp
4

và

H →0

.

Vậy: Thời gian quan trắc đối tượng phải lớn hơn chu kỳ biến dạng của nó và
thời gian kéo dài biến dạng sẽ bằng 1/4 chu kỳ biến dạng.
Trong trường hợp tác động của áp lực biến đổi theo chu kỳ, biến dạng sẽ biến
đổi gần với hàm số sin, giả thiết này là đủ đối với việc thành lập phương án quan
∆y

trắc. Lúc đó, độ chính xác đo đạc vẫn thỏa mãn biểu thức (2.35a), trong đó

gọi là

biên độ dao động (hình 1.3)

∆y = yma x − y min

.

(1.16)

Khoảng thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc được thiết kế đều bằng nhau, liên
quan đến thời gian của chu kỳ Tp ta có:
∆t =

Tp

,
m 2 ≤ m ≤ 20

.

(1.17)

Khi lấy giá trị m cần xét đến lượng biến dạng ước tính được trong khoảng thời

gian

∆t

δy
không nhỏ hơn độ phân giải quan trắc biến dạng

, tức thỏa mãn biểu

thức (1.8). Khi lấy m = 2, chứng tỏ chỉ quan tâm đến 2 cực trị và đã biết chính xác
thời gian phát sinh hai cực trị đó, như quan trắc đập lúc mực nước cao nhất và lúc
mực nước thấp nhất. Khi m = 20, từ biểu thức trên và như (2.40) dễ dàng có được
thời gian quan trắc một chu kỳ phải thỏa mãn
δt ≤

Tp
100

.

(1.18)
y

Đối với biến dạng chu kỳ, chú

trong biểu thức (1.9) được dẫn ra từ

ng ta giả thiết tốc độ biến dạng trung bình

∆y

Tp
và

17


BiÕn d¹ng
Chu kú
Tp

y max
∆y

Biªn ®é
dao ®éng

∆t

y min
ti ti+1

t
ti+n

Thêi gian

Hình 1.3. Phân tích biến dạng có chu kỳ.
1.3.3. Nguyên nhân động lực tổng hợp gây biến dạng
Khi vận động của đối tượng xuất hiện gần như không cùng một dạng, thì việc
tính tốc độ vận động, thậm chí gia tốc vận động là rất có ý nghĩa.
Có trường hợp nguyên nhân ảnh hưởng biến dạng không đo được, hoặc nếu đo
được cũng khó lập mô hình hàm số tương quan. Ví dụ như dốc trượt, nguyên nhân
gây biến dạng bên ngoài là tác dụng gián tiếp, thời gian dài, làm cho tham số ổn
định phát sinh biến đổi, do vậy rất khó dùng mô hình biến dạng động thông thường
để xây dựng hàm số tương quan. Lúc đó có thể dùng mô hình vận động để miêu tả
biến dạng, có thể xem biến dạng là hàm số của thời gian

(t − to ) 2
y (t ) = y (to ) + y (to )(t − to ) + y (to )
2

.

Hình 1.4. Biến dạng vận động và gia tốc

18

(1.19)


y

Trong hình 1.4, gia tốc biến dạng

y ≥

cần được quan tâm. Nếu

dạng đang vận động, công trình mất ổn định. Nếu

y ≤

0 tức là biến

0 tức là biến dạng đang giảm

dần, công trình đi vào ổn định theo thời gian.
1.3.4. Xác định số chu kỳ quan trắc và thời gian quan trắc trong chu kỳ
Số chu kỳ quan trắc phụ thuộc vào độ lớn, tốc độ và mục đích quan trắc biến
dạng, quy mô công trình, số lượng và vị trí điểm quan trắc, thời gian cần thiết để
quan trắc một chu kỳ.Trong thời kỳ đầu khi công trìnhxây dựng xong, tốc độ biến
dạng tương đối nhanh, chu kỳ quan trắc nên mau hơn, theo thời gian khi công trình
đi vào xu thế ổn định, có thể tần suất quan trắc giảm dần. Cần quan trắc lâu dài để
phát hiện biến dạng dị thường.
ChuyÓn dÞch ngang
(mm)

20
15
α

10
5

t

Th¸ng 6

t1

Mïa h¹

Th¸ng 12

t2

Th¸ng 6

Mïa ®«ng

t3

Thêi gian

Mïa h¹

Hình 1.5. Chuyển dịch ngang của đập và lựa chọn thời điểm quan trắc.
Tiến hành quan trắc kịp thời chu kỳ thứ nhất có ý nghĩa rất quan trọng. Vì
chậm trễ quan trắc chu kỳ đầu có thể mất đi tình trạng ban đầu của thể biến dạng.
Ví dụ quan trắc chuyển dịch ngang đập ngăn nước phải được tiến hành chu kỳ đầu
trước khi đập chịu áp lực nước.Đối với đập beton cần ước tính ảnh hưởng của biến
đổi nhiệt độ đến chuyển dịch ngang.Trong thời gian hồ tích nước, biến dạng đập
tương đối nhanh, do đó khoảng thời gian giữa các chu kỳ không nên quá dài. Khi
gặp trường hợp đặc biệt: bão lụt, địa chấn... cần tiến hành quan trắc thêm. Các giai
19

đoạn đặc trưng của hồ như khi hồ bắt đầu tích nước, hồ xả hết nước, mực nước hồ
xuống thấp... cũng cần quan trắc. Trong hình 1.5 thời điểm cần thiết quan trắc biểu
diễn bởi .
Hình 1.6 biểu diễn giai đoạn gia tốc biến dạng lớn và giai đoạn biến dạng có
xu hướng ổn định. Đương nhiên thời điểm từ

t0 ⇒ t A

biến dạng có xu hướng phát

triển mạnh, số chu kỳ quan trắc phải dày hơn thời điểm trước và sau đó để đảm bảo
xác nhận được sự phát triển của biến dạng.
Đối với biến dạng có tính chu kỳ, trong một chu kỳ biến dạng phải quan trắc ít
nhất 2 lần. Nếu lựa chọn thời điểm quan trắc không thỏa đáng sẽ dẫn tới kết luận sai
lầm về biến dạng côngtrình.
Thời gian quan trắc của một chu kỳ phải được hoàn thành trong khoảng thời
gian cho phép

δt

, nếu kéo dài quá sẽ làm sai lệch giá trị biến dạng của đối tượng,

như trên đã phântích: nếu thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc là 30 ngày, thì thời
gian quan trắc trong một chu kỳ phải ít hơn 6 ngày. Nói cách khác, thời gian quan
trắc một chu kỳ phải đảm bảo lượng biến dạng xác nhận được tương đương độ
chính xác đo đạc áp dụng.

20

x

Nguyªn nh©n biÕn d¹ng

T¶i träng gia t¨ng

xE
xA
xA

80% (x E - x o)

xO
t
tO
y BiÕn d¹ng
yE
yA

yA

60% (y E

tA

tE

Thêi gian

- yo)

yO
t
tO

tA

tE

Thêi gian

Hình 1.6. Chuyển dịch lún của nhà cao tầng và lựa chọn thời điểm quan trắc.
1.3.5. Phương án quan trắc biến dạng công trình
Phương án quan trắc biến dạng cần được thành lập trên cơ sở đã khảo sát, tìm
hiểu cặn kẽ điều kiện địa chất khu vực công trình, phương án thi công xây dựng,
môi trường thi công, đồng thời cần bàn bạc với đơn vị xây dựng công trình, đơn vị
thi công, đơn vị quản lý và các ban ngành liên quan. Vì việc lập phương án quan
trắc biến dạng sẽ ảnh hưởng đến chi phí quan trắc, độ chính xác và độ tin cậy của
thành quả, do đó cần phải xem xét toàn diện, kĩ càng.
Nói chung, nội dung chủ yếu của phương án quan trắc biến dạng gồm:
- Xác định nội dung quan trắc;
- Xác định phương pháp, máy quan trắc và độ chính xác quan trắc;
- Xác định đối tượng và bố trí điểm đo;
- Xác định chu kỳ (tần suất) và thời gian quan trắc.
(1) Nội dung quan trắc biến dạng

21

Xác định nội dung quan trắc biến dạng chủ yếu dựa vào tính chất và yêu cầu
của công trình, trên cơ sở thu thập và đọc duyệt báo cáo khảo sát địa chất công
trình, kế hoạch tổ chức thi công, môi trường thi công. Như quan trắc biến dạng vật
kiến trúc có thể bao gồm quan trắc lún, quan trắc chuyển dịch ngang, quan trắc độ
nghiêng, quan trắc vết nứt và quan trắc độ cong vênh. Đối với vách dốc có nguy cơ
trượt lở, quan trắc biến dạng chủ yếu bao gồm quan trắc chuyến dịch 2 chiều
(hướng X, Y) hoặc 3 chiều (hướng X, Y, Z) của vách dốc, bờ đá và biến dạng
ngầm, quan trắc biến đổi của độ nghiêng; quan trắc các tham số vật lý liên quan biến đổi ứng lực; quan trắc các yếu tố môi trường – địa chấn, lượng mưa, nhiệt độ,
nước mặt, nước ngầm.
(2) Xác định phương pháp, máy quan trắc và độ chính xác quan trắc
Chọn phương pháp và máy quan trắc biến dạng chủ yếu tùy thuộc điều kiện
địa chất công trình và điều kiện môi trường xung quanh công trình, nội dung quan
trắc khác nhau có thể chọn phương pháp và máy quan trắc khác nhau. Ví dụ, đối với
quan trắc biến dạng bên ngoài có tính cục bộ thì đo thủy chuẩn độ chính xác cao, đo
góc, đo cạnh, đo góc-cạnh độ chính xác cao, hệ thống quan trắc toàn đạc điện tử tự
động là phương pháp tốt để quan trắc biến dạng bên ngoài các công trình kiến trúc.
Còn máy đo nghiêng lỗ khoan, máy chuyển vị nhiều điểm thì rất thích hợp cho quan
trắc biến dạng bên trong cấu trúc.
Về độ chính xác quan trắc biến dạng, so với các công tác trắc địa khác, quan
trắc biến dạng yêu cầu độ chính xác cao, độ chính xác điển hình là 1mm. Xác định
hợp lý độ chính xác đo là vô cùng quan trọng, yêu cầu độ chính xác quá cao làm
cho công tác trắc địa phức tạp, làm tăng kinh phí và thời gian; cònxác định độ chính
xác quá thấp lại làm tăng khó khăn cho phân tích biến dạng, làm cho sai số ước
lượng tham số biến dạng lớn, thậm chí có kết luận không chính xác. Xác định độ
chính xác quan trắc biến dạng tùy thuộc vào độ lớn và tốc độ biến dạng, độ chính
xác thực tế mà máy móc và phương pháp đo có thể đạt được và mục đích của quan
trắc. Nói chung, nếu quan trắc biến dạng là để khống chế trị biến dạng không vượt
quá một giá trị cho phép nhằm bảo đảm an toàn của công trình,thì sai số quan trắc

22

phải nhỏ hơn 1/10 ~ 1/20 lần giá trị biến dạng cho phép (độ lún cho phép nhà cao
tầng tại Việt Nam là 80 mm); nếu để nghiên cứu quá trình biến dạng thì sai số quan
trắc phải nhỏ hơn nhiều so với giá trị nêu trên, thậm chí phải sử dụng máy móc và
phương pháp đo đạc có thể đạt độ chính xác cao nhất hiện thời.
Các loại công trình kiến trúc khác nhau, sự khác biệt về yêu cầu độ chính xác
quan trắc biến dạng tương đối lớn. Đối với cùng loại công trìnhxây dựng, kết cấu,
hình dạng của chúng khác nhau, yêu cầu độ chính xác cũng khác nhau. Ngay cùng
một công trình, yêu cầu độ chính xác của bộ phận ở vị trí khác nhau cũng khác
nhau. Công trình công nghiệp và dân dụng phổ thông, nội dung chủ yếu của quan
trắc biến dạng là đo lún nền móng và đo nghiêng bản thân công trình. Nói chung,
đối với công trình lớn có dây chuyền sản xuất liên tục (kiến trúc kết cấu thép, beton
cốt thép), thường yêu cầu công tác trắc địa có thể phản ánh được độ lún 2mm, do
đó, độ chính xác của độ cao điểm quan trắc phải trong khoảng 1mm. Thiết bị công
trình đặc biệt (ví dụ máy gia tốc hạt nhân, anten vô tuyến viễn vọng), yêu cầu độ
chính xác quan trắc biến dạng cao đến 0,1mm. Đập ngăn sông là một loại công
trìnhxây dựng điển hình, yêu cầu độ chính xác quan trắc biến dạng được khái quát
trong bảng 1.1. Độ chính xác quan trắc biến dạng trượt thường trong khoảng 10 ~
50mm.
Bảng 1.1. Độ chính xác điển hình quan trắc biến dạng đập.
Lún (mm)
1
2
10
5
(3) Xác định đối tượng và bố trí điểm quan trắc
Dùng máy móc trắc địa tiến hành quan trắc biến dạng, thường phải gắn các
mốc kiểm tra ở các bộ phận đặc trưng của đối tượng (có thể gọi là điểm kiểm tra
biến dạng hoặc điểm mục tiêu), chôn các mốc gốc (có thể gọi là điểm tham khảo

hoặc điểm cơ sở) ở bên ngoài phạm vi ảnh hưởng của biến dạng, định kỳ quan trắc

23


lượng biến dạng của điểm kiểm tra so với điểm gốc. Do đó, xác định đối tượng và
bố trí điểm kiểm tra phải phản ánh được xu thế và sự phát triển của biến dạng theo
thời gian.
Theo tư tưởng kỹ thuật tổng thể của quan trắc biến dạng, nội dung quan trắc,
điều kiện và môi trường khu đo, thì phương pháp quan trắc phải đơn giản dễ tiến
hành, bố trí vị trí điểm phải an toàn, tin cậy, hợp lý, nổi bật trọng điểm, thỏa măn
thiết kế và yêu cầu độ chính xác, tiện việc quan trắc lâu dài.
(4) Xác định chu kỳ và thời gian quan trắc biến dạng
Tần suất quan trắc biến dạng phụ thuộc vào độ lớn, tốc độ biến dạng và mục
đích quan trắc. Tần suất quan trắc biến dạng phải phản ánh được quy luật biến dạng
của đối tượng. Khi biến dạng tương đối lớn, cần tăng tần suất quan trắc; khi biến
dạng giảm hoặc công trình đi vào thế ổn định, có thể giảm thiểu tần suất quan trắc.
Thông thường, trong thời kỳ đầu công trình mới xây dựng xong, tốc độ biến
dạng tương đối nhanh, do đó tần suất quan trắc cũng cần phải lớn hơn. Qua một thời
gian sau đó, công trình đi vào thế ổn định, có thể giảm thiểu số lần quan trắc, nhưng
cần kiên trì quan trắc định kỳ. Như đập vòm Zeuzier của Thụy sĩ sau hơn 20 năm
vận hành bình thường mới xuất hiện dị thường, nếu không kiên trì quan trắc định
kỳ, thì không phát hiện được, sẽ phát sinh tai họa. Sau đây lấy đập làm ví dụ điển
hình, khái quát tần suất quan trắc biến dạng như bảng 1.2.
Bảng 1.2. Chu kỳ quan trắc biến dạng đập.
Loại biến dạng
Lún
Đập beton
Dịch vị ngang tương
đối

Dịch vị ngang tuyệt
đối
Đập đất đá
Lún, chuyển dịch
ngang

Trước khi
Hồ đang
hồ
tích
tích nước
nước
1 tháng
1 tháng

Sau khi hồ
tích nước
2 ~ 3 năm
3~6 tháng

Vận
hành
bình
thường
6 tháng

nửa tháng
0,5~1
tháng

1 tuần
1 quý

nửa tháng
1 quý

1 tháng
6~12 tháng

1 quý

1 tháng

1 quý

nửa năm

24


CHƯƠNG 2: CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA
TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH
2.1. NGUYÊN LÝ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG

Chuyển dịch của một điểm trong hệ tọa độ phẳng được coi là sự thay đổi vị trí
của điểm đó trong mặt phẳng nằm ngang

Hình 2.1- Chuyển dịch ngang công trình
* Chuyển dịch theo hướng trục tọa độ
-Chuyển dịch theo hướng trục X và trục Y:

QX = X( j ) - X( i )

(2.1)

QY = Y( j ) - Y ( i )

(2.2)

- Giá trị vector chuyển dịch tổng hợp:
Q =

(2.3)

25