Nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu hệ thống tự động quan trắc biến dạng công trình

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

NGUYỄN ĐỨC HẠNH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
SỐ LIỆU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUAN TRẮC
BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH

Ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ
Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Trần Khánh

Hà Nội - 2013


-1-

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi.
Các số liệu được đưa ra trong luận văn là trung thực. Kết quả nghiên cứu nêu
trong luận văn chưa từng được công bố trên một tài liệu nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Đức Hạnh

-2-

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..1
MỤC LỤC…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..….2
MỞ ĐẦU…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…...8
Chương 1. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC BIẾN
DẠNG CƠNG TRÌNH …..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..……11
1.1. Những vấn đề chung về quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình...11
1.1.1. Hiện tượng chuyển dịch và biến dạng cơng trình……...……………11
1.1.2. Nguyên nhân gây nên chuyển dịch và biến dạng công trình…..……11
1.1.2. Yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng trình…..….12
1.2. Quan trắc biến dạng cơng trình bằng phương pháp trắc địa …..…..….14
1.2.1. Quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình …..…..…..…..…..……….16
1.2.2. Quan trắc độ lún cơng trình …..…..…..…..…..…..…..…..…..…….17
1.3. Quan trắc biến dạng cơng trình bằng phương pháp cảm ứng…..…..…18
1.3.1. Đo độ lún cơng trình bằng thiết bị cảm ứng từ.…………..…..……..18
1.3.2. Đo độ nghiêng và chuyển dịch ngang bằng thiết bị Inclinometer…..20
1.4. Hệ thống tự động quan trắc biến dạng cơng trình…..…..…..…..……..21
1.4.1. Mảng thu thập số liệu …..…..…..…..…..…..…..…..…..…..……....22
1.4.2. Mảng xử lý số liệu…..…..…..…..…..……...........…..…..…..….…..23
1.4.3. Mảng phân tích thơng tin và cảnh báo…..…..…..…..…..…..…..…..24
Chương 2. THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUAN TRẮC
BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..….26
2.1. Đặc điểm cấu trúc lưới quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình……..26


-3-

2.1.1. Cấu trúc hệ thống lưới mặt bằng trong quan trắc chuyển dịch ngang
cơng trình…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..…..………26
2.1.2. Lựa chọn vị trí và kết cấu mốc…..…..…..…..…..…..…..…..…..….27
2.1.3. Yêu cầu độ chính xác đối với các cấp lưới…..…..…..…..…..…..….27
2.2. Thiết kế lắp đặt hệ thống quan trắc tự động…..…..…..…..…..…..…..29
2.2.1. Thiết kế trạm tự động quan trắc…..…..…..…..…..…..…..…..……..29
2.2.2. Thiết kế sơ đồ lưới quan trắc…..…..…..…..…..…..…..…..…..……31
2.3. Tiêu chuẩn độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình…...34
2.3.1. Tiêu chuẩn sai số quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình…………34
2.3.2. Ước tính độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình……35
2.4. Khảo sát độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình bằng hệ
thống tự động…..…..…..…..……………………………………………...36
Chương 3. XỬ LÝ SỐ LIỆU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUAN TRẮC BIẾN
DẠNG CƠNG TRÌNH…………………………………………………….39
3.1. Xử lý số liệu lưới quan trắc…………………………………………...39
3.2. Phân tích độ ổn định hệ thống điểm mốc cơ sở……………………….44
3.2.1. Tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định mốc cơ sở………………………....44
3.2.2. Quy trình phân tích độ ổn định mốc của lưới cơ sở………………...45
3.3. Tính tốn tham số chuyển dịch cơng trình……………………………46
3.3.1. Các tham số chuyển dịch cục bộ……………………………………46
3.3.2. Lập sơ đồ chuyển dịch………………………………………………48
Chương 4. THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH
NGANG TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN SÊ SAN…………………………...50
4.1. Giới thiệu công trình thực nghiệm…………………………………….50
4.1.1. Vị trí địa lý khu đo…………………………………………………..50


-4-

4.1.2. Đặc điểm tự nhiên khu đo…………………………………………..50

4.1.3. Giới thiệu chung về cơng trình thủy điện SêSan 3………………….51
4.1.4. u cầu kỹ thuật quan trắc………………………………………….52
4.2. Thiết kế lắp đặt hệ thống quan trắc tự động…………………………..54
4.2.1. Thiết kế phân bố mốc cơ sở………………………………………...54
4.2.2. Thiết kế sơ đồ mạng lưới quan trắc…………………………………55
4.2.3. Ước tính độ chính xác lưới………………………………………….56
4.3. Thực nghiệm tính tốn bình sai mạng lưới quan trắc…………………60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………..66
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………68
PHỤ LỤC………………………………………………………………….69
Phụ lục 1. Thành quả tính tốn thiết kế lưới mặt bằng – Lưới quan trắc đập
thủy điện– Phương án 1……………………………………………………70
Phụ lục 2. Thành quả tính tốn thiết kế lưới mặt bằng – Lưới quan trắc đập
thủy điện– Phương án 2……………………………………………………73
Phụ lục 3. Thành quả tính tốn thiết kế lưới mặt bằng – Lưới quan trắc đập
thủy điện– Phương án 3……………………………………………………77
Phụ lục 4. Thành quả tính tốn thiết kế lưới mặt bằng – Lưới quan trắc thủy
điện SESAN 3 – P.A 1 (Lưới khống chế cơ sở) …………………………..80
Phụ lục 5. Thành quả tính tốn thiết kế lưới mặt bằng – Lưới quan trắc thủy
điện SESAN 3 – P.A 1 (Lưới quan trắc) ………………………………….83
Phụ lục 6. Thành quả tính tốn thiết kế lưới mặt bằng – Lưới quan trắc thủy
điện SESAN 3– P.A 2……………………………………………………..90
Phụ lục 7. Thành quả tính tốn bình sai lưới mặt bằng – Lưới quan trắc thủy
điện SESAN 3…………………………………………………………......98


-5-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số

TT

Tên bảng

Nội dung
Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch

Trang

13

1

Bảng 1.1

2

Bảng 2.1

3

Bảng 3.1

Giá trị tọa độ và chuyển dịch điểm mốc M4

48

4

Bảng 4.1

Chỉ tiêu kỹ thuật lưới

56

5

Bảng 4.2

Số liệu khởi tính

57

6

Bảng 4.3

Sai số vị trí điểm thiết kế

57

7

Bảng 4.4

Chỉ tiêu kỹ thuật lưới

57

8

Bảng 4.5

Số liệu khởi tính

57

9

Bảng 4.6

Sai số vị trí điểm thiết kế

57

10

Bảng 4.7

Chỉ tiêu kỹ thuật lưới

59

11

Bảng 4.8

Số liệu khởi tính

59

12

Bảng 4.9

Sai số vị trí điểm thiết kế

59

13

Bảng 4.10 Trị đo góc

61

14

Bảng 4.11 Trị đo cạnh

62

15

Bảng 4.12 Đánh giá độ lệch tọa độ điểm cơ sở

63

16

Bảng 4.13 Tọa độ và sai số vị trí điểm sau bình sai

64

cơng trình
So sánh sai số vị trí các mốc quan trắc giữa 3
phương án

38


-6-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số

Tên

TT

hình vẽ

1

Hình 1.1

Chuyển dịch cơng trình

16

2

Hình 1.2

Sơ đồ cấu tạo thiết bị quan trắc đĩa từ

19

3

Hình 1.3

Thiết bị Inclinometer

20

4

Hình 1.4

Máy tồn đạc Trimble S8

22

5

Hình 1.5

Các cảm biến địa kỹ thuật

23

6

Hình 1.6

Phần mềm xử lý quan trắc T4D

24

7

Hình 2.1

Sơ đồ quan trắc bằng phương pháp giao hội

26

8

Hình 2.2

Kết cấu mốc cơ sở

27

9

Hình 2.3

Trạm tự động quan trắc

30

10

Hình 2.4

Máy tính trạm và thiết bị truyền dẫn

31

11

Hình 2.5

Phương pháp tọa độ cực

32

12

Hình 2.6

Đồ hình giao hội

33

13

Hình 2.7

14

Hình 3.1

Sơ đồ đo góc

40

15

Hình 3.2

Sơ đồ đo cạnh

41

16

Hình 3.3

Sơ đồ hướng đo

42

17

Hình 3.4

Sơ đồ tính tốn

46

18

Hình 3.5

Tham số chuyển dịch ngang cơng trình

47

19

Hình 3.6

Sơ đồ chuyển dịch điểm quan trắc

49

20

Hình 4.1

Tồn cảnh cơng trình thuỷ điện Sêsan3

51

Nội dung

Lưới quan trắc chuyển dịch ngang tuyến đập

thủy điện

Trang

37


-7-

21

Hình 4.2

22

Hình 4.3

Sơ đồ phân bố mốc quan trắc trên cơng trình
Sêsan 3
Đồ hình lưới quan trắc

52
55


-8-

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Sự cố thấm nước đập thủy điện Sông Tranh 2 hay sự cố vỡ đập Ia Krêl 2

mới đây một lần nữa nhắc nhở chúng ta về tầm quan trọng trong công tác thi
công xây dựng và đưa vào vận hành các cơng trình quy mơ lớn nói chung và
các cơng trình thủy điện nói riêng. Việc theo dõi và đánh giá mức độ ổn định
của các cơng trình dạng này là một trong những công tác quan trọng và được
thực hiện ngay từ giai đoạn đặt nền móng cơng trình cho đến khi cơng trình
được đánh giá là ổn định. Hiện nay hệ thống tự động để quan trắc biến dạng
cơng trình đã được triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên ở Việt
Nam, hệ thống này còn khá mới và chưa được áp dụng phổ biến tại các cơng
trình có quy mơ lớn. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu
hệ thống tự động quan trắc biến dạng cơng trình” sẽ góp phần nâng cao độ
chính xác và hiệu quả của cơng nghệ quan trắc tự động, giúp thúc đẩy việc
triển khai công nghệ này vào thực tế sản xuất. Trên cơ sở số liệu quan trắc có
thể đưa ra các dự báo biến dạng phục vụ cho việc khai thác cơng trình một
cách hợp lý và bảo đảm an tồn nhất.
2.

Mục đích của đề tài
Nghiên cứu khả năng hoạt động, độ chính xác và điều kiện lắp đặt hệ

thống tự động quan trắc biến dạng cơng trình kỹ thuật trong điều kiện Việt
Nam.
Nghiên cứu xây dựng thuật tốn và quy trình xử lý số liệu đo đạc, phân
tích biến dạng đối với hệ thống quan trắc tự động.
3.

Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống tự động quan trắc biến dạng

cơng trình. Đặc biệt là khảo sát độ chính xác và xây dựng thuật toán xử lý số
liệu quan trắc tự động cơng trình kỹ thuật nói chung và các cơng trình thủy


-9-

điện nói riêng.
4.

Nội dung của đề tài
Khảo sát nguyên lý hoạt động. Khảo sát đánh giá độ chính xác và phạm

vi ứng dụng của hệ thống tự động để quan trắc biến dạng cơng trình trong
khơng gian 3 chiều.
Nghiên cứu xây dựng thuật tốn và quy trình xử lý, phân tích số liệu đối
với hệ thống quan trắc tự động.
Thực nghiệm xử lý số liệu đối với hệ thống quan trắc tự động.
5.

Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu, tổng hợp để tìm hiểu lý thuyết mơ

hình lắp đặt hệ thống tự động quan trắc biến dạng công trình.
Khảo sát và xây dựng phương pháp xử lý số liệu của hệ thống tự động
quan trắc biến dạng công trình.
Thực nghiệm đối với cơng trình thủy điện thực tế để minh chứng cho nội
dung khảo sát lý thuyết.
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Góp phần phát triển và hồn thiện lý thuyết xử lý số liệu quan trắc

chuyển dịch ngang cơng trình. Phân tích, đánh giá độ chính xác của hệ thống
tự động quan trắc đối với các công trình thủy điện. Từ đó có thể có những ứng
dụng hiệu quả trong việc mô tả, dự báo biến dạng và cảnh báo nguy hiểm đối
với các cơng trình kỹ thuật ở thực tế sản xuất.
7.

Cơ sở tài liệu, số liệu sử dụng trong luận văn
Các tài liệu về hệ thống tự động quan trắc trong và ngoài nước.
Các tài liệu về quan trắc biến dạng cơng trình.
Các đồ án, luận văn tốt nghiệp trong nước.
Các đề tài nghiên cứu khoa học.


-10-

8.

Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn được trình bày trong 4 chương

gồm 68 trang, 22 hình vẽ và 16 bảng biểu.

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Khánh,
bộ mơn Trắc địa cơng trình, khoa Trắc địa, trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà
Nội.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học,

cảm ơn các thầy, cô trong khoa Trắc địa và đặc biệt là các thầy, các cô trong
bộ môn Trắc địa cơng trình cũng như các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp
đỡ, đóng góp nhiều ý kiến q báu để tác giả hoàn thành bài luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!


-11-

Chương 1
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP
QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH BIẾN
DẠNG CƠNG TRÌNH
1.1.1. Hiện tượng chuyển dịch và biến dạng cơng trình
a. Hiện tượng chuyển dịch
Là sự thay đổi vị trí của cơng trình trong khơng gian theo thời gian so
với vị trí ban đầu của nó. Có thể chia chuyển dịch cơng trình thành hai loại:
- Chuyển dịch ngang: là sự thay đổi vị trí của cơng trình trong mặt phẳng
nằm ngang. Chuyển dịch ngang có thể theo một hướng bất kỳ hoặc theo một
hướng xác định (hướng áp lực lớn nhất).
- Chuyển dịch thẳng đứng: là sự thay đổi vị trí của cơng trình theo
phương dây dọi. Chuyển dịch theo hướng xuống dưới gọi là lún. Chuyển dịch
theo hướng lên trên gọi là trồi.
b. Hiện tượng biến dạng
Là sự thay đổi hình dạng và kích thước của cơng trình trong khơng gian
và theo thời gian. Biến dạng là hậu quả tất yếu của sự chuyển dịch không đều
của cơng trình, các biểu hiện biến dạng thường gặp là sự: cong, vênh, vặn
xoắn, các vết rạn nứt …
1.1.2. Nguyên nhân gây nên chuyển dịch và biến dạng cơng trình
Có nhiều nguyên nhân gây ra chuyển dịch và biến dạng cơng trình,

nhưng nhìn chung có hai nhóm ngun nhân chính. Cụ thể:
a. Nhóm nguyên nhân liên quan đến các điều kiện tự nhiên
Nhóm ngun nhân này gây ra do: Tính chất cơ lý của các lớp đất đá


-12-

dưới nền móng của cơng trình, ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng (như nhiệt
độ, độ ẩm, hướng chiếu sáng...), sự thay đổi chế độ nước mặt, nước ngầm
ngoài ra sự vận động nội sinh trong lòng trái đất cũng gây nên chuyển dịch và
biến dạng của cơng trình (tuy nhiên mức độ chuyển dịch do nguyên nhân này
gây ra thường rất bé).
b. Nhóm nguyên nhân có liên quan đến q trình xây dựng và vận hành
cơng trình
Trong q trình xây dựng và vận hành cơng trình do sự gia tăng tải trọng
của cơng trình, do những sai sót trong q trình khảo sát địa chất cơng trình,
do việc khai thác nước ngầm gây nên hiện tượng sụt lún dưới lịng đất hoặc có
thể là việc xây dựng các cơng trình ngầm, các cơng trình xây chen… đã gây
nên chuyển dịch và biến dạng cơng trình.
1.1.3. u cầu kỹ thuật quan trắc biến dạng cơng trình
Việc xác định u cầu độ chính xác quan trắc một cách hợp lý là một
trong những yêu cầu và nhiệm vụ quan trọng ngay từ khi lập đề cương thiết
kế quan trắc. Điều đó mang ý nghĩa sâu sắc về mặt kinh tế và kỹ thuật. Mục
tiêu đặt ra là làm sao vừa phải đảm bảo phát hiện và xác định được lượng
chuyển dịch, vừa phải tiết kiệm tối đa trong vấn đề kinh tế. Mâu thuẫn ở đây
là, độ chính xác cần thiết quan trắc được đề ra ngay từ khi lập đề cương quan
trắc một số chu kỳ, từ đó mới có thể đề ra được độ chính xác quan trắc hợp lý.
Vì vậy cần đưa ra yêu cầu về độ chính xác quan trắc theo hai giai đoạn:
- Giai đoạn đầu của q trình thi cơng xây dựng.
Ở giai đoạn này, yêu cầu độ chính xác thường được xác định dựa vào

tính cơ lý của nền móng và đặc điểm kết cấu của các loại cơng trình. Do vậy,
độ chính xác quan trắc chuyển dịch cơng trình được quy định như trong bảng
1.1


-13-

Bảng 1.1: Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch cơng trình
TT

Loại cơng trình, nền móng

1

Cơng trình bê tơng xây trên nền đá gốc

2

Độ chính xác

Cơng trình xây dựng trên nền đất cát, sét và các
nền chịu nén khác

quan trắc
± 1 mm
± 3 mm

3

Các loại đập đất đá chịu áp lực cao

± 5 mm

4

Cơng trình xây trên nền đất đắp, nền trượt

± 10 mm

5

Các loại cơng trình bằng đất đắp

± 15 mm

- Giai đoạn khai thác sử dụng và vận hành cơng trình.
Trong giai đoạn này ta có thể biết được quy luật chuyển dịch của cơng
trình dựa vào kết quả quan trắc của một số chu kỳ. Dựa trên giá trị chuyển
dịch dự báo có thể xác định được độ chính xác cần thiết quan trắc theo cơng
thức:
mφ =

φ
2ε

(1.1)

Trong đó:
mφ : Độ chính xác cần thiết quan trắc ở thời điểm t i .

φ : Giá trị chuyển dịch dự báo giữa hai thời điểm quan trắc.
ε : Hệ số đặc trưng cho độ tin cậy các kết quả quan trắc (thường chọn
ε =3).


-14-

Quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng trình thực chất là dạng công tác
đo lặp, được thực hiện nhiều lần cùng với đối tượng, mỗi lần đo gọi là một
chu kỳ quan trắc. Thời gian thực hiện các chu kỳ đo được xác định trong giai
đoạn thiết kế kỹ thuật quan trắc. Chu kỳ quan trắc phải được tính tốn sao cho
kết quả quan trắc phản ánh đúng thực chất quá trình chuyển dịch của mỗi đối
tượng quan trắc. Chu kỳ quan trắc được thiết kế vừa phải đảm bảo phát hiện
được lượng chuyển dịch, vừa phải đảm bảo tiết kiệm, tránh lãng phí thời gian
và cơng sức. Trong thực tế, thường phân chia các chu kỳ quan trắc chuyển
dịch theo 3 giai đoạn: giai đoạn thi công, giai đoạn vận hành cơng trình và
giai đoạn cơng trình đi vào ổn định.
- Chu kỳ 0: được thực hiện khi công trình đã xây dựng xong, các mốc
đã ổn định và chưa có áp lực ngang tác động đến cơng trình.
- Chu kỳ 1: được thực hiện ngay sau khi có áp lực ngang tác động lên
cơng trình.
- Các chu kỳ tiếp theo: được thực hiện tùy theo mức tăng giảm áp lực
ngang lên cơng trình.
- Đối với các cơng trình có biến dạng tuần hồn cần tiến hành quan trắc
theo mùa.
Thời kỳ cơng trình đi vào ổn định: thời gian quan trắc có thể từ 6 tháng
đến 1 năm hoặc dài hơn. Tuy nhiên, nếu phát hiện có những dấu hiệu chuyển
dịch và biến dạng bất thường cần tiến hành các chu kỳ quan trắc bổ sung.
1.2. QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TRẮC ĐỊA

Cơng tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng cơng trình được thực hiện
dựa trên các nguyên tắc sau:


-15-

- Khác với cơng tác đo đạc thơng thường, ngồi việc xác định 3 tham
số khơng gian của điểm thì quan trắc còn phải xác định thêm tham số thời
gian (t). Điều đó có nghĩa là để xác định chuyển dịch biến dạng cơng trình cần
tiến hành đo đạc ở nhiều thời điểm, so sánh giữa các thời điểm để tìm ra giá
trị chuyển dịch. Mỗi thời điểm đo đạc được gọi là một chu kỳ, lần đo đạc đầu
tiên gọi là chu kỳ 0.
- Để xác định lượng chuyển dịch biến dạng cơng trình cần so sánh kết
quả quan trắc qua các chu kỳ với một đối tượng ổn định. Thông thường các
đối tượng ổn định này là các mốc khống chế có độ chính xác cao. Vì vậy mà
trong quan trắc chuyển dịch và biến dạng cơng trình thường thành lập hệ
thống lưới khống chế gồm hai bậc lưới độc lập (lưới khống chế cơ sở và lưới
quan trắc).
- Giá trị chuyển dịch biến dạng thường rất nhỏ, do vậy cần sử dụng các
phương pháp và phương tiện máy móc có độ chính xác cao để tiến hành quan
trắc.
- Việc tính tốn bình sai lưới trong mỗi chu kỳ quan trắc phải được
thực hiện trong cùng một hệ thống tọa độ hoặc độ cao đã được chọn ngay từ
chu kỳ đầu tiên theo quy trình chung: phân tích độ ổn định lưới khống chế cơ
sở, bình sai lưới quan trắc, tính tốn các thơng số chuyển dịch biến dạng cơng
trình. Như vậy, cần phải có kỹ thuật xử lý riêng, phù hợp với bản chất của
một lưới quan trắc biến dạng.
Ngồi các ngun tắc chung đã nói ở trên, cịn có những ngun tắc
riêng, đặc trưng cho mỗi loại chuyển dịch biến dạng cơng trình cụ thể.

-16-

1.2.1. Quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình
X
Pj

x( j)

qx

q

x (i )

qy

Pi

0

y (i )

y ( j)

Y

Hình 1.1: Chuyển dịch cơng trình
Về định lượng, chuyển dịch của một đối tượng bất kỳ trong mặt phẳng
nằm ngang giữa hai thời điểm quan trắc (i) và (j) trong hình 1.3 được xác định

thơng qua các đại lượng sau:
- Chuyển dịch theo trục OX:
q x = x ( j ) − x (i )

(1.2)

- Chuyển dịch theo trục OY:
q x = y ( j ) − y (i )

(1.3)

- Chuyển dịch toàn phần:
q x = q x2 + q y2

(1.4)

Trong đó: x (i ) , x ( j ) , y (i ) , y ( j ) là tọa độ của đối tượng được xác định
trong các chu kỳ thứ (i) và (j).
Như vậy, chuyển dịch ngang cơng trình có thể được xác định bằng cách
xác định và so sánh tọa độ của các điểm mốc quan trắc gắn tại những vị trí
đặc trưng trên cơng trình ở các chu kỳ quan trắc khác nhau. Để xác định tọa
độ các điểm quan trắc thường thành lập một hệ thống lưới trắc địa mặt bằng,
được gọi là lưới quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình.


-17-

1.2.2. Quan trắc độ lún cơng trình
Do điều kiện địa chất dưới nền móng cơng trình thường khơng đồng
nhất, cơng trình có kết cấu phức tạp, tải trọng khơng đều nên độ lún ở các vị

trí khác nhau cũng có thể không giống nhau. Để xác định được giá trị lún
tuyệt đối tại từng vị trí và các tham số lún chung của cơng trình, cơng tác
quan trắc độ lún bằng phương pháp trắc địa được thực hiện trên cơ sở các
ngun tắc sau:
- Độ lún cơng trình được xác định thông qua các mốc lún gắn tại những vị trí
chịu lực của đối tượng quan trắc. Số lượng mốc lún lắp đặt tại mỗi cơng trình
phụ thuộc vào đặc điểm điều kiện nền móng, kết cấu, quy mơ, kích thước của
cơng trình đó. Độ lún của các mốc quan trắc đặc trưng cho độ lún cơng trình ở
vị trí mà mốc được gắn.
- Phương pháp quan trắc độ lún thơng dụng là đo cao chính xác trong mỗi chu
kỳ để xác định độ cao của các mốc quan trắc tại thời điểm đo, độ lún được
tính là hiệu độ cao tại thời điểm quan trắc so với độ cao ở chu kỳ được chọn
làm mức so sánh:
S = H ( j ) − H (i )

(1.5)

Trong đó H(j), H(i) là độ cao đo được ở chu kỳ thứ (j) và thứ (i). Như
vậy, nếu S < 0 thì cơng trình bị lún xuống, cịn nếu S > 0 thì cơng trình bị trồi.
Độ cao của mốc lún ở các chu kỳ khác nhau phải được xác định trong
cùng một hệ độ cao duy nhất, có thể là hệ độ cao Quốc gia hoặc hệ độ cao cục
bộ giả định, nhưng yêu cầu bắt buộc là các mốc khống chế độ cao (được chọn
làm cơ sở so sánh) phải có độ ổn định trong suốt thời kỳ theo dõi độ lún cơng
trình.
Thơng thường, để đo lún cơng trình thì người ta hay sử dụng phương
pháp đo cao hình học tia ngắm ngắn với các máy thủy chuẩn độ chính xác
cao.


-18-

1.3. QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP
CẢM ỨNG
Hiện nay cơng tác quan trắc biến dạng cơng trình vẫn được thực hiện
chủ yếu bằng phương pháp và thiết bị trắc địa truyền thống, tuy nhiên vẫn có
một số công nghệ khác như phương pháp đo lún bằng thiết bị cảm ứng điện
từ, phương pháp sử dụng thiết bị Inclinometer để đo độ nghiêng và chuyển
dịch ngang cơng trình đã được áp dụng cho những cơng trình đặc biệt như đập
thuỷ điện, sân bay, đường giao thông...
1.3.1. Đo độ lún cơng trình bằng thiết bị cảm ứng từ
Phương pháp đo độ lún bằng đĩa từ được dựa trên nguyên tắc cảm ứng
điện từ, trong đó độ cao điểm quan trắc được xác định như sau:
Tại điểm quan trắc Pi (i = 1, 2, ..., n) đặt đĩa từ sao cho mặt phẳng của
đĩa ở vị trí nằm ngang, trong mặt phẳng đĩa từ xuất hiện một từ trường, khi
đưa khung dây dẫn điện kín (được đặt trong đầu dị của thiết bị) vào mặt
phẳng đĩa từ thì trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng, dòng điện này
lập tức kích thích hoạt động của các thiết bị ngoại vi (đèn báo, tín hiệu
chng), dựa vào các tín hiệu đó người quan trắc xác định được thời điểm
khung dây nằm trong mặt phẳng của đĩa từ. Cuộn thước treo đầu dò với vạch
khắc cho phép xác định được chênh lệch độ cao của điểm quan trắc Pi so với
vạch chuẩn đọc số tại điểm A hoặc so với một điểm bất kỳ nào khác (O) đã
được đặt trong cùng ống dẫn hướng (hình 1.2)


-19-

A

L0

Lp

Dây đo
Pn

Đầu dò

Pi

Đất đắp

P1

Nam châm đĩa

Nam châm nhện

Nam châm chuẩn
O

Đá gèc

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo thiết bị quan trắc đĩa từ

Nếu số đọc trên thước khi đo các điểm O và P tương ứng là L0, LP, thì
độ cao điểm P được tính theo một trong các cơng thức sau:
- Dựa vào độ cao điểm A (HA):
H P = H A − LP

(1.6)

- Dựa vào độ cao điểm O (H0):
H P = H 0 + L0 − L P

(1.7)

Giá trị độ lún của điểm quan trắc được xác định bằng cách so sánh độ


-20-

cao điểm đo ở 2 chu kỳ khác nhau như đối với cách tính trong phương pháp
trắc địa thơng thường.
Các thiết bị đo đĩa từ được lắp đặt trong hố khoan hoặc khối đất đá để
theo dõi chuyển dịch đứng có liên quan tới việc thi cơng các cơng trình xây
dựng. Kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng để quan trắc lún tại các hố đào,
nền móng cơng trình, đập và các bờ đập...
Phương pháp đĩa từ này sẽ đơn giản và gọn hơn so với cách bố trí mốc
như trong phương pháp trắc địa truyền thống.
1.3.2. Đo độ nghiêng và chuyển dịch ngang bằng thiết bị Inclinometer
Thực tế thì phương pháp trắc địa thường được áp dụng rất thuận tiện để
xác định chuyển dịch bề mặt của các hạng mục hoặc nền móng cơng trình.
Tuy nhiên, để khảo sát chuyển dịch của các lớp đất đá nằm sâu thì phương
pháp trắc địa lại tỏ ra kém hiệu quả và khó áp dụng. Trong trường hợp này
người ta thường sử dụng một loại thiết bị chuyên dùng là Inclinometer.

Hình 1.3: Thiết bị Inclinometer
Thiết bị Inclinometer được sử dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của
đất tại các khu vực trượt lở và cơng trình đê, đập, đường giao thơng... Thiết bị
này cũng có thể được dùng để theo dõi biến dạng ngang của tường chắn và

cọc. Các Inclinometer ngang được sử dụng để quan trắc lún nền móng và đê, đập.
Cấu tạo của Inclinometer gồm 4 bộ phận chính là:


-21-

- Ống hướng dẫn (Inclinometer Casing)
- Đầu dò (Inclinometer Probe)
- Cáp tín hiệu (Signal Cable)
- Thiết bị đọc số (Read-out Unit)
Để quan trắc chuyển dịch ngang của các lớp đất đá bằng Inclinometer
trước hết cần phải khoan tạo lỗ để đặt đầu dưới của ống dẫn hướng vào lòng
đất đá không bị dịch chuyển (lớp đá gốc hoặc lớp đất đá ổn định) và trám vữa
xi măng chắc chắn, đầu trên có nút đậy và nắp bảo vệ để đảm bảo các tạp chất
không rơi vào trong ống làm sai lệch kết quả đo. Khi đo cần thả đầu dây đo
vào ống dẫn sao cho các bánh xe lọt vào 2 rãnh theo hướng của 1 trục tới tận
đáy rồi rút lên một cách từ từ đọc số đọc trên màn hình của thiết bị đọc số tại
các vị trí định sẵn (cách nhau 1 hoặc 2 m) cho tới khi kéo đầu đo lên đến
miệng ống, sẽ thu được chuỗi số đọc x0, x1, x2, ..., xi, xn. Tiếp theo thả đầu đo
vào ống theo hướng trục thứ hai của nó và cũng thực hiện việc lấy số đọc như
đối với hướng đầu tiên, nhận được chuỗi số đọc y0, y1, ..., yi, yn. Chênh lệch
dxi, dyi giữa các chu kỳ đo chính là giá trị dịch chuyển của các lớp đất đá theo
các trục.
Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng sản xuất Inclinometer như Soil
Instrument (Anh), Slope Indicater, Geokon (Mỹ), .v.v. Các thiết bị này đã
được lắp đặt và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam.
1.4. HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH
Ngày nay, với sự tiến bộ về công nghệ chế tạo, sự phát triển của ngành
viễn thơng, máy tính và các phần mềm xử lý, u cầu cần có thơng tin tức
thời, chính xác về chuyển dịch cơng trình trong cơng tác quan trắc đã được

giải quyết bằng công nghệ: Quan trắc biến dạng tự động bằng máy toàn đạc
điện tử kết hợp với các cảm biến địa kỹ thuật các công trình.
Đây là cơng nghệ tiến tiến đã được áp dụng tại nhiều cơng trình lớn
trên thế giới. Tuy nhiên ở nước ta vẫn là một công nghệ tương đối mới, chưa


-22-

được áp dụng. Trong khuôn khổ bài luận văn này người viết sẽ giới thiệu
chung về thiết bị, cấu trúc phần mềm và quy trình lắp đặt hệ thống tại một
cơng trình đập thủy điện hiện nay. Hệ thống tự động quan trắc gồm 3 mảng
chính.
1.4.1. Mảng thu thập số liệu
Số liệu thực địa được thu thập bởi máy toàn đạc điện tử độ chính xác
cao về đo góc và đo cạnh. Máy tồn đạc có chế độ đo tự động dị tìm gương
và bắt tâm gương chính xác. Số lượng máy tồn đạc tùy theo quy mơ thực tế
của từng đập có thể gồm 1 hay nhiều máy. Hệ thống hiện tại có thể quản lý
đến 10 máy tồn đạc trong một cơng trình vào cùng một thời điểm. Máy tồn
đạc đặt tại các mốc quan trắc có vị trí quan sát tốt nhất đến nhiều điểm quan
trắc, có độ ổn định cao, được xây dựng kiên cố, định tâm bắt buộc. Các gương
đặt tại mốc cơ sở cũng có định tâm bắt buộc và sử dụng đế máy cân bằng bọt
thủy. Máy toàn đạc đo liên tục đến các điểm cơ sở và điểm quan trắc. Số liệu
đo được truyền trực tuyến về máy tính trung tâm bằng cáp nối hoặc Modem
truyền không dây. Cảm biến nhiệt độ đặt tại trạm máy và đo số liệu liên tục,
thông tin này được truyền về máy tính trung tâm cùng đường truyền với số
liệu đo toàn đạc.

Phần mềm điều khiển
Trimble Access

Trimble S8

Hình 1.4: Máy tồn đạc Trimble S8

Gương quan trắc


-23-

Ngoài ra các số liệu thực địa thu thập bằng các cảm biến địa kỹ thuật
được truyền qua cáp (cảm biến ứng suất dây rung, cảm biến độ nghiêng) hoặc
truyền qua sóng vơ tuyến (cảm biến thời tiết, trạm khí tượng tự động).

Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến độ nghiêng ngang và đứng
Hình 1.5: Các cảm biến địa kỹ thuật

1.4.2. Mảng xử lý số liệu
Số liệu đo được truyền về trung tâm xử lý. Máy tính tại trung tâm xử lý
có thể là máy trạm – WorkStation đối với các công trình nhỏ gồm một vài
máy tồn đạc hoặc làm máy chủ Server cho những cơng trình lớn với nhiều
máy tồn đạc hơn. Phần mềm xử lý Trimble for Deformation – T4D cài trên
máy trạm, máy chủ với cơ sở dữ liệu SQL 2008. Số liệu đo đưa về trung tâm
qua đường cáp hoặc vô tuyến được truyền qua các modem giải mã trước khi
đưa vào máy tính xử lý.


-24-

Hình 1.6: Phần mềm xử lý quan trắc T4D
Phần mềm T4D quản lý tất các các thông tin bao gồm:
- Thơng tin máy đo: Tồn đạc, GPS, cảm biến địa kỹ thuật…
- Thông tin điểm cơ sở, điểm quan trắc.
- Thông tin về ngưỡng hạn sai…
Số liệu đo từ máy toàn đạc sẽ được xử lý bởi Modul Processing Engine,
kết hợp với số liệu từ các cảm biến địa kỹ thuật sẽ chuyển qua Modul
Deformation Monitor để phân tích thơng tin.
1.4.3. Mảng phân tích thơng tin và cảnh báo
Trên cơ sở các yêu cầu về độ chính xác cho từng đập thủy điện, các hạn
sai dịch chuyển đã được ước tính trước và nhập vào Modul Deformation