Ứng dụng thuật toán bình sai lưới tự do của mittermayer đánh giá độ ổn định mốc không chế cơ sở trong lưới quan trắc chuyển dịch công trình thủy điện tuyên quang

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN BÌNH SAI LƯỚI TỰ DO CỦA
MITTERMAYER ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH MỐC KHÔNG CHẾ CƠ SỞ
TRONG LƯỚI QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CÔNG TRÌNH THỦY
ĐIỆN TUYÊN QUANG

NGUYỄN VĂN KHỎE
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐINH XUÂN VINH

HÀ NỘI, NĂM 2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Đinh Xuân Vinh
Cán bộ chấm phản biện 1: TS . Nguyễn Việt Hà
Cán bộ chấm phản biện 2: TS . Nguyễn Xuân Bắc
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày …… tháng …… năm 2017


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là
hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ
và pháp luận Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.
Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2017
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Khỏe


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành theo chương trình đào tạo Cao học Khoa Trắc địa
bản đồ, chuyên ngành Kỹ thuật trắc địa bản đồ, khóa 1 tại Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội.
Để thực hiện luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em xin được bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Đinh Xuân Vinh, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ,
đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo cùng toàn thể các
thầy, cô khoa Trắc địa - Bản đồ, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
đã tạo một môi trường tốt cho chúng em hoàn thành luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và các đồng nghiệp, những
người đã luôn bên tôi, khuyến khích, động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực
hiện luận văn một cách tốt nhất.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... ix
MỞ ĐẦU

........................................................................................................... 1

1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài ............................................................ 1
2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................. 2
3. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA MỐC KHỐNG
CHẾ CƠ SỞ

........................................................................................................... 5

1.1 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU VỀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA
MỐC KHỐNG CHẾ CƠ SỞ....................................................................................... 5
1.2 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN .................................................... 11
1.2.1 Xác định các vấn đề cần nghiên cứu ................................................................ 14
1.2.2 Nội dung nghiên cứu về quan trắc biến dạng ................................................. 15
1.2.3 Quan trắc và phân tích biến dạng tại Việt Nam ............................................. 16
1.2.4 Phương pháp bình sai lưới tự do trong đánh giá điểm cơ sở ổn định tại Việt
Nam hiện nay ............................................................................................................ 17
1.2.5 Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 22
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI LƯỚI TỰ DO VÀ PHÂN TÍCH
ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐIỂM GỐC .................................................................................... 24
2.1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA .......................... 24
2.1.1 Lý thuyết thống kê và phương pháp bình phương nhỏ nhất .......................... 24
2.1.2 Bình sai lưới tự do trong quan trắc biến dạng ................................................ 29
2.1.3 Nguyên lý bình sai lưới tự do khuyết hạng .................................................... 30
2.2 PHƯƠNG PHÁP MITTERMAYER GIẢI BÀI TOÁN BÌNH SAI TRẮC ĐỊA .... 34

2.2.1 Dùng ma trận nghịch đảo tổng quát để giải hệ phương trình tuyến tính ....... 34
2.2.2 Nghiệm bình phương nhỏ nhất của hệ phương trình khuyết hạng ................. 36


iv
2.2.3 Nghiệm chuẩn nhỏ nhất của phương trình chuẩn khuyết hạng ...................... 37
2.2.4 Ước tính độ chính xác .................................................................................... 41
2.3 PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐIỂM GỐC XÉT BIẾN DẠNG .......................... 41
2.3.1 Thực hiện bình sai lưới tự do khuyết hạng .................................................... 41
2.3.2 Xác định điểm cơ sở không ổn định bằng cực tiểu hóa chuẩn bậc nhất vector
dịch chuyển của chúng .............................................................................................. 46
2.3.3 Ước lượng và kiểm định thống kê điểm cơ sở không ổn định và điểm kiểm
tra biến dạng .............................................................................................................. 49
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM TẠI CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN
TUYÊN QUANG ..................................................................................................... 52
3.1 KHÁI QUÁT KHU ĐO VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU.................................................. 52
3.1.1 Khái quát khu đo ............................................................................................ 52
3.1.2 Cơ sở dữ liệu .................................................................................................. 59
3.2 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN MITTERMAYER VÀ BIẾN ĐỔI TRỌNG SỐ ..... 61
3.2.1 Ứng dụng thuật toán Mittemayer bình sai lưới độ cao tự do ......................... 61
3.2.2 Ứng dụng thuật toán Mittermayer bình sai lưới cơ sở đo cạnh thủy điện
Tuyên Quang ............................................................................................................. 66
3.2.3 Tính toán biến dạng bằng thuật toán biến đổi trọng số .................................. 80
3.3 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ.......................................................... 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 90


v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Kết quả đo chu kỳ 1 ..................................................................................60

Bảng 3.2. Kết quả đo chu kỳ 2 ..................................................................................61
Bảng 3.3. Kết quả đo chu kỳ 3 ..................................................................................61
Bảng 3.4. Bảng số liệu đo (Chiều dài các tuyếnđo là như nhau) ..............................62
Bảng 3.5. Kết quả bình sai ........................................................................................65
Bảng 3.6. Số liệu đo chu kỳ 1 ...................................................................................67
Bảng 3.7. Tọa độ các điểm ........................................................................................67
Bảng 3.8. Hệ sốA và L của phương trình..................................................................68
Bảng 0.1. Ma trận N ..................................................................................................68
Bảng 3.10. Tính ma trận N.N .................................................................................... 69
Bảng 3.11. Ma trận M ............................................................................................... 69
Bảng 3.12. Tính nghịch đảo [NN]- ............................................................................ 69
Bảng 3.13. Tìm nghịch đảo chuẩn nhỏ nhất của 𝐍𝐦 − ............................................ 70
Bảng 3.14. Ma trận𝐍𝐦 −∙ 𝐀𝐓 .................................................................................. 70
Bảng 3.15. Nghiệm phương trinh.............................................................................. 71
Bảng 3.16. Ma trận hiệp trọng số đảo Qxx................................................................. 71
Bảng 3.17. Tọa độ cuối cùng tính được .................................................................... 71
Bảng 3.18. Số liệu đo chu kỳ 2 ................................................................................. 72
Bảng 3.19. Tọa độ gần đúng của cácđiểm ................................................................ 72
Bảng 3.20. Hệ sốA và L của phương trình................................................................ 73
Bảng 3.21. Ma trận hệ phương trình chuẩn N ........................................................... 73
Bảng 3.22. Ma trận NN ............................................................................................. 74
Bảng 3.23. Ma trận M ............................................................................................... 74
Bảng 3.24. Ma trận(NN)- .......................................................................................... 74
Bảng 3.25. ma trận𝐍𝐦 − .......................................................................................... 75
Bảng 3.26. Nghiệm của phương trình𝐗 = 𝐍𝐦 − 𝐀𝐓𝐥 ............................................. 75
Bảng 0.2. Ma trận hiệp trọng sốđảo Q xx ............................................................... 75
Bảng 3.28. Tọa độ cuối cùng tính được .................................................................... 76


vi

Bảng 3.29. Số liệu đo chu kỳ 3 ................................................................................. 76
Bảng 3.30. Tọa độ gần đúng của các điểm ............................................................... 77
Bảng 3.31. Hệ số A và L của phương trình............................................................... 77
Bảng 3.32. Ma trận hệ phương trình chuẩn N ........................................................... 77
Bảng 3.33. ma trận NN ............................................................................................. 78
Bảng 3.34. Ma trận M ............................................................................................... 78
Bảng 3.35. Ma trận (NN)- ......................................................................................... 78
Bảng 3.36. Ma trận 𝐍𝐦 −......................................................................................... 79
Bảng 3.37. Nghiệm của phương trình 𝐗 = 𝐍𝐦 − 𝐀𝐓𝐥............................................. 79
Bảng 3.38. ma trận hiệp trọng số đảo 𝐐𝐱𝐱 ............................................................... 79
Bảng 3.39. Tọa độ cuối cùng tính được .................................................................... 80
Bảng 3.40. Tổng hợp kết quả bình sai ba chu kỳ ...................................................... 80
Bảng 3.41. Kết quả lần tính lặp thứ nhất................................................................... 82
Bảng 3.42. Kết quả tính toán vòng lặp lần thứ 2 ...................................................... 84
Bảng 3.43. Giá trị chuyển dịch xuất phát từ Qxx ....................................................... 86
Bảng 3.44. Kết quả tìm Pd ......................................................................................... 86


vii
DANH MỤC BẢNG
Hình 2.1. Biểu diễn các ước lượng trong lý thuyết thống kê ....................................25
Hình 2.2. Lưới khống chế độ cao ..............................................................................33
Hình 2.3. Điểm cơ sở B dịch chuyển khiến cho các điểm kiểm tra biến dạng bị dịch
chuyển .......................................................................................................................41
Hình 2.4. Quy trình đánh giá độ ổn định điểm khống chế trắc địa ...........................51
Hình 3.1. Thủyđiện Tuyên Quang 2007 ...................................................................56
Hình 3.2. Toàn cảnh nhìn từ hạ lưu cuối năm 2007 ..................................................57
Hình 3.3. Bản mặt bê tông thượng lưu đấp đá nện ...................................................57
Hình 3.4. Mốc khống chế cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang đập thuỷ điện Tuyên
Quang ........................................................................................................................59

Hình 3.5. Sơ đồ lưới trắc địa cơ sở thủy điện Tuyên Quang ....................................60
Hình 3.6. Mốc quan trắc chuyển dịch đập thủy điện Tuyên Quang .........................60
Hình 3.7. Sơ đồ lưới đo cao tự do .............................................................................61
Hình 3.8. Đồ hình lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang ..............................................66


viii
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Biểu diễn các ước lượng trong lý thuyết thống kê .....................................25
Hình 2.2 Lưới khống chế độ cao ...............................................................................33
Hình 2.3 Điểm cơ sở B dịch chuyển khiến cho các điểm kiểm tra biến dạng bị dịch
chuyển .......................................................................................................................41
Hình 2.4 Quy trình đánh giá độ ổn định điểm khống chế trắc địa ............................51
Hình 3.1 Thủyđiện Tuyên Quang 2007 ....................................................................56
Hình 3.2 Toàn cảnh nhìn từ hạ lưu cuối năm 2007 ...................................................57
Hình 3.3 Bản mặt bê tông thượng lưu đấp đá nện ....................................................57
Hình 3.4 Mốc khống chế cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang đập thuỷ điện Tuyên
Quang ........................................................................................................................59
Hình 3.5Sơ đồ lưới trắc địa cơ sở thủy điện Tuyên Quang ......................................60
Hình 3.6 Mốc quan trắc chuyển dịch đập thủy điện Tuyên Quang ..........................60
Hình 3.7 Sơ đồ lưới đo cao tự do ..............................................................................61
Hình 3.8 Đồ hình lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang ...............................................66


ix
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Khỏe.
Lớp: CH1TĐ

Khóa: 1.

Cán bộ hướng dẫn: TS. Đinh xuân Vinh .
Tên đề tài:Ứng dụng thuật toán bình sai lưới tự do của Mittermayer đánh
giá độ ổn định mốc không chế cơ sở trong lưới quan trắc chuyển dịch công trình
thủy điện Tuyên Quang.
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Xuất phát từ đặc điểm của Việt Nam, một số mốc khống chế trắc địa
được xây dựng trên nền địa hình có điều kiện địa chất không ổn định.Sau khi
xây dựng xong không được thường xuyên bảo dưỡng, dẫn tới bị chuyển dịch
và biến dạng so với điều kiện ban đầu.Tọa độ và độ cao có thể bị thay đổi một
lượng nhỏ, chưa kể tới những tác động có tính đột biến, làm mốc bị dịch
chuyển hoặc thay đổi kết cấu.
Các mốc khống chế trắc địa cơ sở dùng trong quan trắc biến dạng đập
thủy điện được xây dựng vững chắc, nhưng mặc dù vậy vẫn bị chuyển dịch
theo thời gian. Dẫn tới kết quả quan trắc các điểm kiểm tra biến dạng trên
thân đập thủy điện không phản ánh chính xác quá trình biến dạng. Việc đánh
giá mức độ ổn định của mốc khống chế cơ sở để làm tiêu chí xác định mức độ
biến dạng của công trình thủy điện là việc làm thiết thực trong quá trình xây
dựng, vận hành và thiết kế công trình.
Nếu cho rằng một mốc cơ sở nào đó là ổn định, thì mặc nhiên toàn bộ
quá trình chuyển dịch, biến dạng của đối tượng quan trắc sẽ phụ thuộc vào sự
an toàn của mốc đó. Vì vậy các nhà khoa học trắc địa đã nghiên cứu và phát
triển các thuật toán bình sai lưới trắc địa tự do và thuật toán xác định điểm ổn
định trong lưới tự do đã bình sai đó sau nhiều chu kỳ quan trắc.


x

Đánh giá đúng quá trình biến dạng không chỉ đòi hỏi kỹ thuật quan trắc

tốt, mà còn yêu cầu phương pháp tính toán khoa học, trình tự tính toán chặt
chẽ.Đó cũng là niềm tin của các kiến trúc sư, các kỹ sư thiết kế và xây dựng
công trình.Điều này hoàn toàn phụ thuộc vào các kỹ sư trắc địa công trình trong
giai đoạn quan trắc biến dạng.Giai đoạn quan trắc này đánh giá tính ổn định của
kết cấu, tính vững bền và hiệu quả của giải pháp kiến trúc, cung cấp góc nhìn
khách quan và khoa học cho công tác thiết kế công trình trong tương lai.
Tại Việt Nam, các nhà khoa học trắc địa đã nghiên cứu và đề xuất giải
pháp đánh giá độ ổn định điểm khống chế cơ sở từ khoảng năm 1980. Đóng
góp cho công tác này có Phan Văn Hiến, Hoàng Ngọc Hà,Trương Quang
Hiếu, Trần Khánh, Nguyễn Quang Phúc, Nguyễn Quang Thắng, Phạm Doãn
Mậu. Trong đó, phải kể đến nhà khoa học Trần Khánh vì đã đề xuất giải pháp
đánh giá độ ổn định của điểm khống chế trắc địa cơ sở khi quan trắc biến
dạng. Tuy giải pháp đó chưa hoàn thiện và nghiên cứu tiếp theo để kiện toàn
phương pháp.
Liên quan tới phương pháp bình sai lưới tự do, có nhiều nhà khoa học đã
đề xuất các thuật toán để giải. Các nhà khoa học có đóng góp lớn như: Meissl,
Mittermayer, Pelzer, Wolf, Helmert.
Đề tài này tập trung phân tích độ ổn định các mốc khống chế cơ sở trong
quan trắc biến dạng. Phương pháp phân tích có nhiều điểm khác với trước
đây, tập trung vào quá trình so sánh sự chuyển dịch của điểm khống chế cơ sở
sau bình sai lưới tự do, góp phần phát triển lý thuyết xử lý số liệuquan trắc
chuyển dịch biến dạng công trình thủy điện.Đề tài cũng thực hiện nguyên lý
bình sai lưới trắc địa tự do của Mittermayer.
2. Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do và
phương pháp đánh giá độ ổn định của điểm khống chế cơ sở trắc địa trong
quan trắc biến dạng.


xi

- Nghiên cứu phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do của Mittermayer.
Đây là một phương pháp mới chưa được giảng dạy trong các chương trình đại
học của trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà nội.
- Xây dựng thuật toán đánh giá độ ổn định của điểm khống chế cơ sở qua các
chu kỳ quan trắc chuyển dịch đập thủy điện theo nguyên lý lưới trắc địa tự do.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp kế thừa
+ Thu thập các tài liệu đã có, các tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có
liên quan đã được công bố, cập nhật các thông tin mới trên mạng, kế thừa các
thành quả có liên quan đến nội dung của luận văn.
+ Phân tích nguồn dữ liệu thu thập được từ đó lựa chọn phương pháp
nghiên cứu phù hợp.
- Phương pháp đánh giá và khai thác công nghệ
+ Nhằm đánh giá, so sánh phương pháp nghiên cứu với các phương pháp
thông thường khác.
+ Nhằm nâng cao độ chính xác của thuật toán, xây dựng phương pháp
khảo sát độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình theo phương pháp
bình sai lưới trắc địa tự do phục vụ mục đích phân tích và xác định dịch
chuyển biến dạng công trình theo nguyên lý lưới trắc địa tự do.
- Phương pháp tích hợp:
Xử lý số liệu và phân tích độ ổn định của lưới cơ sở theo trị đo. Phân tích
và đánh giá chuyển dịch biến dạng công trình theo nguyên lý lưới cơ sở tương
đối, từ đó xác định chuyển dịch biến dạng công trinh đập thủy điện theo
nguyên lý lưới trắc địa tự do.
- Phương pháp chuyên gia
Xin ý kiến góp ý của giáo viên hướng dẫn, các nhà khoa học, các đồng
nghiệp về các nội dung trong luận văn

xii

4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về công tác quan trắc biến dạng công trình thủy điện.
- Lập phương án thiết kế, xây dựng mô hình quan trắc chuyển dịch biến
dạng công trình theochu kỳ mức nước dâng trong hồ chứa để phân tích, đánh
giá, dự báo mức độ chuyển dịch của biến dạng công trình thủy điện.
- Xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình bằng phương
pháp bình sai lưới tự do kinh điển và phương pháp bình sai lưới tự do của
Mittermayer.
- Xây dựng thuật toán đánh giá độ ổn định điểm khống chế cơ sở theo các
chu kỳ quan trắc. So sánh kết quả giữa hai phương pháp đánh giá. Rút ra ưu
nhược điểm của từng phương pháp.
5 . Kết luận .
Quá trình quan trắc biến dạng đã có một số nhận định về biến dạng của
các mốc trắc địa này. Nhằm đánh giá độ ổn định mốc cơ sở trắc địa một lần
nữa. Chúng tôi đã tiến hành xử lý lưới quan trắc theo phương pháp của
Mittermayer và thuật toán biến đổi trọng số, nhằm định vị (quan sát) các điểm
lưới từ trung tâm của nó. Sau đó sử dụng phép chuyển ma trận và biến đổi
trọng số lặp, tìm được giá trị chuyển dịch đã cực tiểu hóa.
Các thuật toán sử dụng trong Luận văn đã được công bố trên nhiều sách
tham khảo và các công trình khoa học đã được công nhận của thế giới. Do
vậy, kết quả là tường minh.
Tính theo phương pháp mới, giá trị chuyển dịch lớn nhất là 2,2 mm. Giá
trị 2,2 mm tương đương sai số đo lưới mặt bằng với các máy móc thiết bị hiện
có ở Việt Nam. Do vậy, có thể kết luận: Lưới trắc địa cơ sở thủy điện Tuyên
Quang được xây dựng trên nền đá gốc với chất lượng ổn định trong chu kỳ
quan trắc 2013 – 2014.

xiii

6. Kiến nghị
Cần tiếp tục nghiên cứu phương pháp Mittermayer và thuật toán biến đổi
trọng số với nhiều loại lưới trắc địa, tại nhiều khu vực hoặc công trình khác
nhau, nhằm tổng hợp được phương pháp phổ quát đưa vào ứng dụng trong thực
tế sản xuất.


xiv
SUMMARY OF DISSERTATION
Full name : Nguyen Van Khoe.
Class

: CH1TD

Course: 1.

Instructor : TS. Dinh Xuan Vinh.
Topic: Application of Mittermayer free grid adjustment algorithm to evaluate
the stability of baseline unmodified in the monitoring network of Tuyen Quang
hydropower plant.
1. Scientific basis and practicality of the topic
Starting from the characteristics of Vietnam, some geodetic control landmark
was built on the topography with unstable geological conditions. After the
construction was not regularly maintained, leading to the shift and The coordinates
and altitude can be changed in small increments, not to mention the sudden changes,
shifts or changes in texture.
The geodetic control bases used in hydroelectric dam deformation monitoring
are firmly built, but are still shifted over time. This leads to the results of

observation of the deformation checkpoints on the hydroelectric dam body that do
not accurately reflect the deformation process. The assessment of the stability of the
facility control threshold as a criterion for determining the degree of deformation of
hydropower plants is a practical matter in the process of construction, operation and
design of the facility.
Assuming a certain landmark is stable, then the whole process of shifting, the
deformation of the observation object will depend on the safety of the landmark.
Therefore, geodetic scientists have researched and developed algorithms for free
geodetic alignment and the algorithm for defining the stability points in the adjusted
free grid after several cycles of observation.
Proper evaluation of the deformation process requires not only good
monitoring techniques, but also requires scientific calculation methods, strict
computational procedures. That is also the belief of architects, engineers Design and
construction of buildings. This is entirely dependent on geodetic engineers working


xv
in the deformation monitoring stage. This monitoring phase evaluates the structural
stability, durability and efficiency of architectural solutions, providing an objective
and scientific perspective for future design work.
In Vietnam, geodetic scientists have been studying and proposing solutions to
assess the stability of grassroots control points since around 1980. Contributing to
this work were Phan Van Hien, Hoang Ngoc Ha, Truong Quang Hieu, Tran Khanh,
Nguyen Quang Phuc, Nguyen Quang Thang, Pham Doan Mau. In particular, it must
mention the scientist Tran Khanh for proposing solutions to assess the stability of
the geodetic point control base when the deformation monitoring. Although the
solution is not complete and further research to strengthen the method.
In relation to the free grid differential method, many scientists have proposed
algorithms to solve the problem. Contributing scientists include: Meissl,
Mittermayer, Pelzer, Wolf, Helmert.

This topic focuses on the stability analysis of baseline constraints in
deformation monitoring. The analytical approach is different from the previous,
focusing on the comparison process of the control point of the base after the free
grid differential, contributing to the development of the theory of data manipulation.
hydroelectric projects. The project also implements Mittermayer's principle of
geodetic tracking.
2. Objectives of the project
- An overview of methods of geodetic screening and the method of assessing
the stability of geodesy base control points in deformation monitoring.
- Research on Mittermayer's geodetic screening method. This is a new method
not taught in university programs of Hanoi University of Natural Resources and
Environment.
- Develop an algorithm for assessing the stability of the grassroots control
points through the monitoring cycles of hydropower dams according to the
principles of the free-geodesy grid.


xvi
3. Research methodology
- Integrated method of inheritance
+ Gathering existing documents, professional documents, relevant scientific
topics have been published, updated the new information on the network, inherit the
achievements related to the content of the thesis. .
+ Analyze the source of data collected and then select appropriate research
methods.
- Method of evaluation and exploitation of technology
+ To evaluate, compare research methods with other conventional methods.
+ In order to improve the accuracy of the algorithm, the method of measuring
the deformation of the deformation monitoring grid using the method of free
geodetic alignment method is used to analyze and determine the deformation shift.

Works according to the principles of free geodetic grid.
- Integration method:
Data processing and stability analysis of the base grid according to measured
values. Analyze and evaluate deformation shifting according to the principle of
relative net, from which to determine the transformation of hydropower dams
according to the principles of free geodesy.
- Professional solution
Ask for feedback from instructors, scientists, colleagues on the content of the
thesis
4. Research content
- An overview of monitoring the deformation of hydropower projects.
- Designing and constructing a monitoring model for shifting the deformation
of works according to the period of water level rise in reservoirs to analyze,
evaluate and forecast the level of shifting of hydroelectric power plant deformation.
- Deformation monitoring data conversion by Mittermayer free grid method
and Mittermayer free grid adjustment method.


xvii
- Develop an algorithm for assessing the stability of the control point
according to the monitoring cycles. Compare the results between the two evaluation
methods. Draw out advantages and disadvantages of each method.
5. Conclude .
Deformation monitoring has some observations on the deformation of these
landmark. To assess the stability of landmark landmark again. We have
implemented Mittermayer's monitoring grid and scalar weighting algorithms to
locate grid points from its center. Then use the matrix transformation and the
iteration weights to find the minimized shift value.
The algorithms used in the thesis have been published in numerous reference
books and scientific works of the world. Thus, the result is explicit.

Calculated according to the new method, the maximum transfer value is 2.2
mm. A value of 2.2 mm is equal to the net measurement error with the existing
machines in Vietnam. Therefore, it can be concluded that the geodesic net of Tuyen
Quang hydropower plant is built on the original rock foundation with stable quality
in the observation period 2013 - 2014.
6. Recommendations
Mittermayer methods and weighted-weighted algorithms should be further
investigated in a variety of geodesic matrices, in a variety of areas or structures, to
incorporate universal methods of application into actual production.


1

MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Xuất phát từ đặc điểm của Việt Nam, một số mốc khống chế trắc địa được xây
dựng trên nền địa hình có điều kiện địa chất không ổn định.Sau khi xây dựng xong
không được thường xuyên bảo dưỡng, dẫn tới bị chuyển dịch và biến dạng so với
điều kiện ban đầu.Tọa độ và độ cao có thể bị thay đổi một lượng nhỏ, chưa kể tới
những tác động có tính đột biến, làm mốc bị dịch chuyển hoặc thay đổi kết cấu.
Các mốc khống chế trắc địa cơ sở dùng trong quan trắc biến dạng đập thủy
điện được xây dựng vững chắc, nhưng mặc dù vậy vẫn bị chuyển dịch theo thời
gian. Dẫn tới kết quả quan trắc các điểm kiểm tra biến dạng trên thân đập thủy điện
không phản ánh chính xác quá trình biến dạng. Việc đánh giá mức độ ổn định của
mốc khống chế cơ sở để làm tiêu chí xác định mức độ biến dạng của công trình thủy
điện là việc làm thiết thực trong quá trình xây dựng, vận hành và thiết kế công trình.
Nếu cho rằng một mốc cơ sở nào đó là ổn định, thì mặc nhiên toàn bộ quá
trình chuyển dịch, biến dạng của đối tượng quan trắc sẽ phụ thuộc vào sự an toàn
của mốc đó. Vì vậy các nhà khoa học trắc địa đã nghiên cứu và phát triển các thuật
toán bình sai lưới trắc địa tự do và thuật toán xác định điểm ổn định trong lưới tự do

đã bình sai đó sau nhiều chu kỳ quan trắc.
Đánh giá đúng quá trình biến dạng không chỉ đòi hỏi kỹ thuật quan trắc tốt,
mà còn yêu cầu phương pháp tính toán khoa học, trình tự tính toán chặt chẽ.Đó
cũng là niềm tin của các kiến trúc sư, các kỹ sư thiết kế và xây dựng công
trình.Điều này hoàn toàn phụ thuộc vào các kỹ sư trắc địa công trình trong giai đoạn
quan trắc biến dạng.Giai đoạn quan trắc này đánh giá tính ổn định của kết cấu, tính
vững bền và hiệu quả của giải pháp kiến trúc, cung cấp góc nhìn khách quan và
khoa học cho công tác thiết kế công trình trong tương lai.
Trên thế giới đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu đề tài này, có thể kể
đến các nhà khoa học như: Adam Chrzanowsk, Y.Q.Chen, J.M.Secord, A. Szostak,
Walter M. Welsch, Otto Heunecke, Huang Sheng Xiang, Yin Hui, Jiang Zheng. Các
nhà khoa học đã đề xuất nhiều giải pháp, nhiều kỹ thuật và các thuật toán cơ sở


2

nhằm giải quyết bài toán bình sai lưới trắc địa tự do và đánh giá độ ổn định các mốc
cơ sở khi quan trắc biến dạng.
Tại Việt Nam, các nhà khoa học trắc địa đã nghiên cứu và đề xuất giải pháp
đánh giá độ ổn định điểm khống chế cơ sở từ khoảng năm 1980. Đóng góp cho
công tác này có Phan Văn Hiến, Hoàng Ngọc Hà ,Trương Quang Hiếu, Trần Khánh,
Nguyễn Quang Phúc, Nguyễn Quang Thắng, Phạm Doãn Mậu. Trong đó, phải kể
đến nhà khoa học Trần Khánh vì đã đề xuất giải pháp đánh giá độ ổn định của điểm
khống chế trắc địa cơ sở khi quan trắc biến dạng. Tuy giải pháp đó chưa hoàn thiện
và nghiên cứu tiếp theo để kiện toàn phương pháp.
Liên quan tới phương pháp bình sai lưới tự do, có nhiều nhà khoa học đã đề
xuất các thuật toán để giải. Các nhà khoa học có đóng góp lớn như: Meissl,
Mittermayer, Pelzer, Wolf, Helmert.
Đề tài nàytập trung phân tích độ ổn định các mốc khống chế cơ sở trong quan
trắc biến dạng. Phương pháp phân tích có nhiều điểm khác với trước đây, tập trung

vào quá trình so sánh sự chuyển dịch của điểm khống chế cơ sở sau bình sai lưới tự
do, góp phần phát triển lý thuyết xử lý số liệuquan trắc chuyển dịch biến dạng công
trình thủy điện.Đề tài cũng thực hiện nguyên lý bình sai lưới trắc địa tự do của
Mittermayer.
2. Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do và
phương pháp đánh giá độ ổn định của điểm khống chế cơ sở trắc địa trong quan trắc
biến dạng.
- Nghiên cứuphương pháp bình sai lưới trắc địa tự do của Mittermayer. Đây là
một phương pháp mới chưa được giảng dạy trong các chương trình đại học của
trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà nội.
- Xây dựng thuật toán đánh giá độ ổn định của điểm khống chế cơ sở qua các
chu kỳ quan trắc chuyển dịch đập thủy điện theo nguyên lý lưới trắc địa tự do.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp kế thừa


3

+ Thu thập các tài liệu đã có, các tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có liên
quan đã được công bố, cập nhật các thông tin mới trên mạng, kế thừa các thành quả
có liên quan đến nội dung của luận văn.
+ Phân tích nguồn dữ liệu thu thập được từ đó lựa chọn phương pháp nghiên
cứu phù hợp.
- Phương pháp đánh giá và khai thác công nghệ
+ Nhằm đánh giá, so sánh phương pháp nghiên cứu với các phương pháp
thông thường khác.
+ Nhằm nâng cao độ chính xác của thuật toán, xây dựng phương pháp khảo
sát độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình theo phương pháp bình sai lưới
trắc địa tự do phục vụ mục đích phân tích và xác định dịch chuyển biến dạng công

trình theo nguyên lý lưới trắc địa tự do.
- Phương pháp tích hợp:
Xử lý số liệu và phân tích độ ổn định của lưới cơ sở theo trị đo. Phân tích và
đánh giá chuyển dịch biến dạng công trình theonguyên lý lưới cơ sở tương đối, từ
đó xác định chuyển dịch biến dạng công trinh đập thủy điện theo nguyên lý lưới trắc
địa tự do.
- Phương pháp chuyên gia
Xin ý kiến góp ý của giáo viên hướng dẫn, các nhà khoa học, các đồng
nghiệp về các nội dung trong luận văn
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về công tác quan trắc biến dạng công trình thủy điện.
- Lập phương án thiết kế, xây dựng mô hình quan trắc chuyển dịch biến dạng
công trình theochu kỳ mức nước dâng trong hồ chứa để phân tích, đánh giá, dự báo
mức độ chuyển dịch của biến dạng công trình thủy điện.
- Xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình bằng phương pháp
bình sai lưới tự do kinh điển và phương pháp bình sai lưới tự do của Mittermayer.


4

- Xây dựng thuật toán đánh giá độ ổn định điểm khống chế cơ sở theo các chu
kỳ quan trắc. So sánh kết quả giữa hai phương pháp đánh giá. Rút ra ưu nhược điểm
của từng phương pháp.
Nội dung nghiên cứu gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan đánh giá độ ổn định của mốc khống chế cơ sở
Chương 2. Phương pháp Bình sai lưới tự do và phân tích độ ổn định
điểm gốc
Chương 3. Ứng dụng thực nghiệm tại công trình thủy điện Tuyên Quang

5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA
MỐC KHỐNG CHẾ CƠ SỞ
1.1 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU VỀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH
CỦA MỐC KHỐNG CHẾ CƠ SỞ
Trận động đất ở California gây thiệt hại ước tính vượt quá 2 tỷ USD vào năm
2000 (Uỷ ban về Đo đạc và Ủy ban về Địa chấn học của Hoa Kỳ, 1981). Cũng trong
khi đó, một thiệt hại tương tự gây ra do sự sụt lún mặt đất tại các khu vực khai thác
than ở Mỹ [1]. Hơn 3.000 người đã thiệt mạng trong vụ tai nạn tại đập Vaiont ở Ý
vào năm 1963 [1]. Ngày 26/3/2014, tập đoàn bảo hiểm Swiss Re của Thụy Điển
công bố kết quả khảo sát cho thấy các thảm họa do thiên nhiên và con người gây ra
khiến thế giới thiệt hại 140 tỷ USD trong năm 2013. Theo nghiên cứu trên, tổng
thiệt hại vì thảm họa trong năm 2013 đã giảm 196 tỷ USD so với năm 2012, thời
gian bão Sandy tàn phá nước Mỹ ( Đập
Malpasset cao 67m của Pháp vị vỡ năm 1959, đập Vajont cao 262m của Ý năm
1963 do bờ hồ trượt lở lớn gây ra sóng tràn qua đập, đập đất Tenton cao 93m của
Mỹ năm 1976 bị nước lớn xói lở, hai đập lớn Bản Kiều và Thạch Mạn Than của
Trung Quốc năm 1975 bị nước lụt làm vỡ [2].
Theo một số nghiên cứu mới đây (Trần Trọng Huệ và nnk, 2006; Nguyễn
Trọng Yêm và nnk, 2006; Đào Văn Thịnh và nnk, 2003; Trần Tân Văn và nnk,
2002) [2]. thì có đến 70% huyện thị ở miền núi có tai biến địa chất mà chủ yếu là
trượt lở đất đá và lũ quét. Do đặc điểm đất dốc, núi cao, cùng hoạt động khai thác
lãnh thổ không hợp lý, những năm gần đây miền núi phía Bắc xuất hiện rầm rộ các
loại hình tai biến địa chất, như trượt lở đất đá, lũ quét - lũ bùn đá, sạt lở bờ sông...
Trong số 135 huyện, thị của 14 tỉnh phía Bắc, tai biến đã xảy ra ở 98 huyện. Tai
biến này diễn ra ngày càng phổ biến với quy mô ngày một lớn, làm mất đi hàng
nghìn ha đất canh tác, phá hủy nhiều nhà cửa, làng mạc dọc theo một số con sông
lớn. Theo bản đồ dự báo nguy cơ trượt lở và lũ quét, lũ bùn đá miền núi phía Bắc do
Bộ Khoa học và Công nghệ cùng với các Bộ, Ban ngành liên quan thành lập, nguy

cơ về trượt lở, lũ quét, lũ bùn đá tại khu vực miền núi phía Bắc bao gồm 5 cấp độ
khác nhau, từ rất yếu đến rất mạnh.


6

Các kỹ sư trắc địa và các nhà khoa học đã đóng một vai trò quan trọng trong
lĩnh vực đo đạc, khảo sát, quan trắc biến dạng các công trình xây dựng. Trong
những năm 1940 và 1950, cơ sở lý luận về sự kiểm soát của các cấu kiện (ví dụ đập
ngăn nước) được các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng công tác trắc địa là công cụ
duy nhất để nghiên cứu (Giussani, 1981). Thậm chí ngày nay, các phương pháp trắc
địa vẫn còn sử dụng rộng rãi để có được tình trạng biến dạng của toàn công trình
xây dựng, mặc dù nhiều thiết bị chuyên dụng đã được phát triển để thu thập các
thông tin cụ thể. Một vài năm trước, một báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Mỹ
có viết: "Hầu như, tất cả mọi thứ chúng ta biết về bản chất của sự gia tăng tích tụ
dẫn đến động đất ở miền Tây Hoa Kỳ, đến từ các nghiên cứu trắc địa đã bắt đầu vào
cuối năm những năm 1800" (Whitten, A. (1982). Monitoring Crustal Movement,
Lecture Notes used in China). Đó là một kết luận được thực hiện bởi một tổ chức
không thuộc lĩnh vực đo đạc và khảo sát, từ đó đề cao vai trò của những người làm
việc trong lĩnh vực đo đạc quan trắc biến dạng.
Các nghiên cứu về biến dạng, chuyển dịch của các điểm khống chế trắc địa,
vùng lãnh thổ hay chuyển dịch địa động đã đạt nhiều tiến bộ khi thế giới bước sang
thế kỷ 21 [11].
Đặc biệt, hiện tượng biến đổi khí hậu dẫn tới trượt lở đất đá, nước biển dâng
cao khiến nhiều vùng đất bị ngập lụt và chuyển dịch, đòi hỏi hình thành và phát
triển một hệ thống lý thuyết về phân tích biến dạng, tiến tới dự báo thảm hoạ thiên
nhiên của Việt Nam là cấp bách.
Nghiên cứu biến dạng theo quan điểm về thời gian có thể được phân loại thành
ba nhóm (Welsch, 1981) [3].
1/ Mô hình tĩnh nhằm kiểm tra sự tồn tại hay không tồn tại của biến dạng

trong khu vực địa phương;
2/ Mô hình động học không chỉ kiểm tra đặc điểm không gian của biến dạng
mà thuộc tính thời gian cũng là mối quan tâm lớn;
3/ Mô hình động lực học nhằm chuyển đổi dữ liệu quan sát có dạng chuỗi thời
gian, thành một giải tần số là nghiên cứu cơ bản.