Nghiên cứu phát triển hệ thống đo giám sát đê

Đánh giá về hiệu quả: a Hiệu quả về khoa học và công nghệ: Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công nghệ so với khu vực và thế giới… - Lựa chọn

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

NHIỆM VỤ HỢP TÁC KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THEO NGHỊ ĐỊNH THƯ VIỆT NAM – CHLB ĐỨC

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐO GIÁM SÁT ĐÊ

1.2 Tình hình nghiên cứu quan trắc đê thế giới 10

1.3 Tình hình nghiên cứu và yêu cầu đảm bảo an toàn đê ở nước ta 10

1.4 Tổng quan về nguyên nhân, cơ chế xuất hiện tai biến trong công

trình đê đập và phương pháp quan trắc cảnh báo

12

2.1 Cơ sở khoa học xây dựng hệ thống đo giám sát đê thử nghiệm 24

2.1.1 Các yếu tố liên quan đến an toàn đê và phương pháp ứng dụng 24

2.1.2 Cơ sở khoa học để ứng dụng các phương pháp-công nghệ, thiết bị 25

2.2 Các Công nghệ-thiết bị ứng dụng

2.2.1 Công nghệ-thiết bị địa điện đa cực phân cực kích thích

2.2.3 Hệ thống cảm biến thuỷ lực (Frequence Domain Reflectometry) 37

Chương 3: Lựa chọn, thiết kế, lắp đặt hệ thống quan trắc 41

4.1 Kết quả khảo sát địa vật lý xác định cấu trúc đoạn đê thử nghiệm 52

4.2 Biến động của mực nước sông Hồng và mực nước phía đồng 58

4.3 Các kết quả quan trắc bằng công nghệ địa điện đa cực (IP) 60

4.3.1 Khối lượng số liệu quan trắc và kết qủa phân tích 60

4.4 Các kết quả quan trắc bằng công nghệ cảm biến thủy lực 75

4.4.1 Kết quả quan trắc của hệ thống cảm biến nhiệt-áp lực (T8) 76

4.4.2 Kết quả quan trắc của hệ thống cảm biến thủy lực (FDR) 77

4.5 Đánh giá hiện trạng đê trên cơ sở tài liệu quan trắc 79

4.5.2 Kết quả tính mô hình biến dạng đê bằng phần mềm SESAR 81

Chương 5 Hoàn thiện một số thiết bị quan trắc 87

5.1 Các điều kiện ảnh hưởng đến hệ thống thiết bị quan trắc 87

5.2 Một số khó khăn thực tế trong quá trình vận hành, quan trắc 88

5.3 Hoàn thịên thiết bị đo phù hợp điều kiện Việt Nam 92

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Các yếu tố gây tai biến và thông số môi trường 14

2 Bảng 2.2.1 Các biểu thức tính hệ số K của các hệ đo điện đa

cực

4 Bảng 2.2.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của cảm biến thủy lực

Tensiometer T8

35

5 Bảng 2.2.4 Cao độ đặt các cảm biến 2 hệ quan trắc thủy lực 36

6 Bảng 2.2.5 Chỉ tiêu kỹ thuật của bộ bị ghi số tự động và

lưu trữ tín hiệu trong hệ FDR 8 và FDR 6

38

7 Bảng 2.2.6 Tham số kỹ thuật của thiết bị đo độ mực nước trong

hố khoan

39

8 Bảng 4.1: Tham số các lớp đất trên tuyến ngang đê 52

9 Bảng 4.2 : Kết quả theo dõi mực nước lũ hai năm 2008-2009 59

10 Bảng 4.3 Biến động ranh giới đường đẳng trị 17 Ωm trong 2

12 Bảng 4.5 Các tham số mực nước, nhiệt, áp lực 80

13 Bảng 4.6 Các tham số ĐTS, Delta, Độ thấm, Hàm lượng nước 80

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Chương 1 Phương pháp luận của hướng nghiên cứu

2 Hình 1.2 Cống tràn chống lụt và Trung tâm phân tích-cảnh báo

lũ của Đức 2008

11

5 Hình 1.5 Hệ thống quan trắc tai biến đập và sạt lở ở Thụy Điển 13

6 Hình 1.6 Mô tả một số dạng tai biến chính trong đê, đập 15

7 Hình 1.7 Ví dụ dự báo phạm vi phát sinh biến dạng thấm

tại một số vị trí đê sông ở Thái Bình

18

8 Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cầu Winsơn 20

9 Hình 1.9 Hệ thống đo biến dạng và nhiệt để quan trắc

tai biến địa chất

12 Hình 1.12 Thí nghiệm quan trắc hiệu ứng nhiệt độ do nước thấm 22

Chương 2 Các phương pháp công nghệ

và thiết bị ứng dụng

3 Hình 2.2.3 Đường cong suy giảm thế phân cực kích thích của đất

đa chứa khoáng vật kim loại hoặc lớp sét

33

4 Hình 2.2.4: Sơ đồ xác định độ dẫn thủy lực bằng phương pháp

phân cực kích thích tần số

35

7 Hình 2.2.7 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích điện tần số FDR 38

8 Hình 2.2 8 Nguyên lý làm việc cấu tạo của cam biến thuỷ lực

FDR dạng thanh

39

Chương 3 Các Công nghệ-thiết bị ứng dụng

3 Hình 3.3 Đoạn đê chọn thử nghiệm: Đê Tả Hồng, đoạn

km 169+000 đến +250m,Ngô Xá¸, Vũ Thư, Thái Bình

43

4 Hình 3.4a Đoạn đê được lát kè đá và mỏ hàn phía sông 44

8 Hình 3.7 Gia cố tăng tiếp địa tại các vị trí đo trên tuyến dọc đê

bằng sét pentonit

46

11 Hình 3.10 Sơ đồ bố trí thiết bị trên tuyến ngang đê 48

Chương 4 Các kết quả quan trắc biến động đê

2 Hình 4.2 Kết quả đo chiếu xạ mật độ trên tuyến cắt ngang đê 52

4 Hình 4.4 Ảnh 3D phân bố điện trở suất của đoạn đê đo 5/7/2008 55

5 Hình 4.5a Phân bố ĐTS trên mặt (x,y), z=0,0m và z=-1,96 m;

7 Hình 4.6a Ảnh 3D phân bố ĐTS của đoạn đê, đo 21/2/2009 56

8 Hình 4.6b Ảnh 3D phân bố ĐTS của đoạn đê, đo 21/2/2009 56

9 Hình 4.7 Phân bố ĐTS trong mặt (x,y)ở độ sâu: 0,0; -3,0;

12 Hình 4.10 Các mặt cắt điện trở suất quan trắc năm 2009

( gồm h4.10a đến h410d)

Sau 61 (tr.A-D)

13 Hình 4.11 So sánh biến động điện trở suất đất

các tháng năm 2009 ( gồm h.4.11a đến h.4.11c)

Sau 61 tr.(E-G)

14 Hình 4.12a Mặt cát điện trở suất và tham số ϕ tháng 7 và

16 Hình 4.13 Biến đổi ĐTS trong các tháng 3, 6, 7 và 8 năm 2008 62

17 Hình 4.14 Biến đổi ĐTS các tháng 3, 5, 7 và 8 năm 2009 63

18 Hình 4.15 Biến đổi điện trở suất đất đê trong ngày 29, 30/07/08 64

20 Hình 4.17a Vị trí của các mặt cắt dò sâu trên tuyền

23 Hình 4.18b Biến động ranh giới thấm trong mặt cắt ngang đê

theo thời gian

28 Hình 4.22b Biến động áp lực nước đất vùng thân đê phụ thuộc

biến động mực nước lũ trên sông, mùa lũ năm 2007

77

29 Hình 4.23a Biến động thấm theo độ sâu và thời gian

vùng thân đê phía sông

Sau tr.78 tr (I)

30 Hình 4.23b Biến động thấm theo độ sâu và thời gian

vùng thân đê phía sông (chuẩn theo mẫu)

Sau tr.78 tr (I)

31 Hình 4.23c Biến động thấm theo độ sâu và thời gian

vùng thân đê phía đồng

Sau tr.78 tr.(II)

32 Hình 4.23d Biến động thấm theo độ sâu và thời gian vùng thân

đê phía đồng (chuẩn theo mẫu)

Sau tr.78 tr.(II)

33 Hình 4.23e So sánh biến động thấm theo độ sâu và thời gian

trên hai vùng thân đê phía đồng và phía đồng

Sau tr.78 tr.(III)

34 Hình 4.24a Biến động thấm tính ra phần trăm theo độ sâu

và thời gian vùng thân đê phía sông

Sau 78,

tr (III)

35 Hình 4.24b Biến động thấm tính ra phần trăm theo độ sâu

và thời gian vùng thân đê phía sông (chuẩn)

Sau 78

tr (IV)

36 Hình 4.24c Biến động thấm tính ra phần trăm theo độ sâu và thời

gian vùng thân đê phía đồng

Sau 78 (IV)

37 Hình 4.24d Biến động thấm tính ra phần trăm theo độ

sâu và thời gian vùng thân đê phía đồng (chuẩn)

1 Hình 5.1 Các khối của hệ thiêt bị địa điện đa cực trong hệ quan

3 Hình 5.3 Hệ điện cực thiết kế (a, b) và hệ đo (d) lắp đặt lần I Sau

một thời gian ngắn, tiếp xúc điện cực- cáp đã bị han rỉ (c)

89

4 Hình 5.4 Hệ điện cực (a) và cáp dẫn (b) thiết kế lần II; 90

10 Hình 5.9b Cáp dẫn và đầu tiếp xúc thiết kế mới của hệ cảm

biến thuỷ lực

94

11 Hình 5.10 Thu nhận số liệu theo sơ đồ mới hệ cảm biến thuỷ lực 94

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu, viết

tăt

Tên đại lượng/ tham số vật lý Đơn vị

mA –Mili ămpe

µA – micro A

4 A, B, N, M Ký hiệu điện cực phát và điện

mV – mili volt

kích thích theo thời gian

21 Áp lực nước trong đất hPa

BÁO CÁO THỐNG KÊ

KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ HTQT VỀ KHCN

THEO NGHỊ ĐỊNH THƯ VIỆT NAM-CHLB ĐỨC

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên Nhiệm vụ: Nghiên cứu phát triển hệ thống đo giám sát đê

Mã số: 42/823/2007/HĐ-NĐT; VNM 05/001

Thuộc:

Nhiệm vụ HTQT về khoa học và công nghệ theo Nghị định thư

Việt Nam – CHLB Đức

2 Chủ nhiệm:

Họ và tên: TRẦN CÁNH

Ngày, tháng, năm sinh: 01/07/1944 Nam/Nữ: Nam

Học hàm, học vị: Phó giáo sư, Tiến sỹ

Chức danh khoa học: NCVCC ; Chức vụ

Điện thoại: Phòng ĐVL: 04 37751792, Nhà riêng: 0438372495 Mobile: 01233425556 Fax: E-mail: trancanhvdc@yahoo.com

Tên tổ chức đang công tác: Viện Địa chất, Viện KH và CN VN Địa chỉ tổ chức: Ngõ 84, phố Chùa Láng, Đống Đa, Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: F309, B5, Đồng Xa, Mai Dịch, Cầu Giấy, Hà Nội 3 Tổ chức chủ trì: Tên tổ chức chủ trì: Viện Địa chất, Viện KH và CN VN Điện thoại: (04)37754798 ; Fax: 043 7754797 E-mail:

Website:

Địa chỉ: Ngõ 84, phố Chùa Láng, Đống Đa, Hà Nội Họ và tên thủ trưởng tổ chức: TS Trần Tuấn Anh Số tài khoản: 301.01.035.1

Ngân hàng: Kho bạc Ba Đình Hà Nội Tên cơ quan chủ quản đề tài: Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

+ Kinh phí từ các nguồn khác: Đối tác Đức

Kinh phí của BMBF tài trợ :

2 Chuyên gia sang lắp đặt thiết bị và kiểm tra

vận hành

20.000

3 Trả lương cho các cán bộ KH phía Đức 55.000

4 Trao đổi, tham quan khoa học của cán bộ

5 Chi cho chuyên gia Đức sang Việt nam sủa

chữa thiết bị hệ đo giám sát

20.000

6 Chi bổ sung thiết bị, phụ tùng thay thế ở

Việt Nam không có

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện nhiệm vụ:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn,

phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn

bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban

1 ngày 11/10/2005 Biên bản ghi nhớ Hợp tác song

phương về khoa học và phát triển công nghệ trong lĩnh vực nước và môi trường, ký giữa Đại diện Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam

2 ngày 05/ 08/2005 Thông báo chính thức của phía

6 số: 42/823/2007/

HĐ-NĐT, ngày

08/11/2007

Hợp đồng thực hiện nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học công nghệ theo Nghị định thư Việt Đức,

Số 254/ ĐC-CV,

ngày 10/12/2008

Về việc gia hạn HĐKHCN và chuyển hạng mục

Đến Cục PCLB&QLĐĐ

9 Tờ trình,

07/03/06

V/v lắp đặt hệ thống thiết bị vào than đê

Đến Bộ NN&PTNT

V/v xin phép khoan lắp đặt thiết bị

KH theo dõi biến động đê

Bộ NNPTNT, Cục

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

Phía Việt Nam

1 Viện Địa

chất, VAST

Viện Địa chất, VAST

Thủ tục, cán

bộ hỗ trợ

Hỗ trợ lắp đặt thiết bị, quan trắc

- Tính biến dạng,

- Sửa chữa, cải tiến thiết

bị

- chuyên

đề,

- Đảm bảo vận hành thiết bị

Clausthal

Chủ trì Đảm bào

CN, Kết quả phân tích, BC

Hệ cảm biến thủy lực Đảm bào KHCN

cảm biến thủy lực

- Chế tạo thiết bị theo yêu cầu NV,

- Phần mềm

đo, phân tích tài liệu

Đảm bảo thiết bị, cải tiến theo yêu cầu ĐT

- Lý do thay đổi (nếu có): Không thay đổi

5 Cá nhân tham gia thực hiện:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

Phía Việt Nam

1 PGS.TS Trần

Cánh

PGS.TS Trần Cánh

Chủ nhiệm

2 TS Đoàn Văn

Tuyến

TS Đoàn Văn Tuyến

Quan trắc, Phân tích, nc chuyên đề

Quan trắc, Phân tích, nc chuyên đề

Quan trắc, Phân tích, nc chuyên đề

Quan trắc, Phân tích,

Bc chuyên

đề

6 Nguyễn Phú

Nhuận

Nguyễn Phú Nhuận

Tư vấn, cử cán bộ hỗ trợ

CN cảm biến thủy lực

Chuyên đề

3 KS Lipmann KS Lipmann Thiết bị theo

yêu cầu KHCN

Đảm bảo máy đo ổn định

4 Ths Thomas

Hennig

Ths Thomas Hennig

NC phần mềm địa hình

Phần mềm TOPOCOR

5 Ths Marcus

Moeller

Ths Marcus Moeller

Phân tích số liệu, cải tiến phần mềm

K quả phân tích, phần mềm

- Lý do thay đổi ( nếu có): Không thay đổi

(KP xin chuyển từ KP hội thảo QT). cv:3055/KHTNXH,

ngày 31/12/2008

Thiết bị hỏng;

do ĐK nhiệt đới Tổng cộng đoàn vào: = 89 triệu đồng

đê, tại Thái Bình, 20 tr.đ

thiết bị quan trắc đê và một số kết qủa ban đầu tại Cục PCLB & QLĐĐ tai Hà Nội

9/2009: Hội thảo tại Trung Tâm nghiên cứu Mối, Viện KHKT Thủy lợi

Dr.R Lewis

và Tr Cánh; Hội trường Cục

PCLB&QLD

D

A.Weller và

Tr Cánh

2 2008: Hội thảo Việt Đức về

quan trác đê; 40 tr.đ Đã xin chuyển sang đón đoàn vào sử chữa thiết

bi, hệ quan trắc

cv:3055/KHTN

XH, ngày 31/12/2008

4/2008: Hội thảo tại ở

Đức: -Hệ thống đê miền Bắc VN-và đảm bảo an toàn (Ng.Ph Nhuận);

- Hệ quan trắc đê Sông Hồng tại Thái Bình và kết quả ban đầu(Tr

Cánh)

Dịp đi trao đổi, tham quan khoa học tại Đức

- Lý do thay đổi (nếu có): Không tổ chức hội thảo KH Việt-Đức vì hệ thiết bị quan trắc vận hành không ổn định, phải sửa chữa

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát

trong nước và nước ngoài)

Người,

cơ quan thực hiện

1 Lựa chọn đoạn đê nghiên cứu

thử nghiệm

2007-2008 3/2008 Tr Canh,

Đ.V Tuyến, A.Weller, R.Lewis

2 Thực hiện các đo đạc địa vật

lý

6/2007 6/2007 Đ.V.Tuyến,

Tr Cánh, Tr.V Bắc

3 Tính toán tối ưu hóa hệ điện

5 Thiết kế và lắp đặt hệ thống

quan trắc:

6/2007 6/2007 A.Weller,

R.Lewis, Tr Cánh

6 Thu nhận số liệu (quan trắc

7 Báo cáo tổng kết và công bố

các kết quả

10/2009 12/2009 Tr Canh,

A.Weller, R.Lewis,

- Lý do thay đổi (nếu có): không

III SẢN PHẨM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Thực tế đạt được

1 Bộ thiết bị đo địa điện

- Lý do thay đổi (nếu có): không

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

10 bản

5 Quan trắc chu kỳ, thu

nhận tài liệu, phân tích

và đánh giá biến động

môi trường nền đê đoạn

thử nghiệm năm 2007

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

10 bản

6 Quan trắc chu kỳ, thu

nhận số liệu, phân tích

đánh giá biến động môi

trường nền đê đoạn thử

nghiệm 2008-2009

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

10 bản

7 Nghiên cứu biến động

trường nhiệt và trường

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

10 bản

8 Phân tích tổng hợp tài

liệu, đánh giá biến động

thân và nền đê theo các

số liệu đo giám sátcác

tham số địa vật lý-địa kỹ

thuật năm 2008-2009

trên đọan đê thử nghiệm

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

10 bản

9 Nghiên cứu đánh giá đặc

điểm cấu trúc địa chất và

tham số vật lý của đoạn

đê Tả Hồng, tại Ngô Xá,

Vũ Thư, Thái Bình theo

tài liệu đo địa chấn sóng

dọc và ngang

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Đạt tiêu chuẩn Đức, Việt Nam

Số lượng, nơi công bố

2* Sơ đồ cải tiến thiết bị đo

địa điện đa cực

V, ngày 25 &

26/8/2007, TP Hồ Chí Minh và Vũng Tầu

Công bố 2: Trần Cánh,

Andreas Weller and

Ronald Lewis, 2009:

Some initial results

received from the dike

monitoring system at red

river dike section in

Province Thai Bình

Journal of Geology, Series

Công bố 4: A.Weller, R

Lewis, Tr Canh, 2010:

Đo giám sát đê tai Sông

Hồng bằng các công nghệ

Đia vật lý và Địa kỹ thuật

Dike monitoring at Red

River by Geophysical and

Geotechnical tools

Maiy 2010, Hanoi

*) Kết quả sẽ được ứng dụng trong xây dựng hệ thống quan trắc biến động

đê sau này

**) Các công cụ này được NCS phía Đức thực hiện và chuyển giao để phía

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

Tiến sỹ: Địa vật lý-địa

kỹ thuật, tại Viện ĐVL,

Nghiên cứu mối liên hệ của các tham số địa

kỹ thuật và vật lý thạch học của vật liệu đê ở Việt Nam và Đức

Người hướng dẫn khoa học là GS.TSKH

Đề tài: Sử dụng các tài liệu địa vật lý để xác đinh ranh giới của nước ngọt và nước mặn trên vùng ven biển tỉnh Nam Định

Người hướng dẫn khoa học là GS.TSKH

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế: Các sản phẩm KHCN dạng I, bảng a) đang được vận hành quan trắc tại Ngô Xá, Nguyên Xá, Vũ Thư, Thái Bình

2 Đánh giá về hiệu quả:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công nghệ so với khu vực và thế giới…)

- Lựa chọn thiết bị, xây dựng hệ quan trắc biến động đê thử nghiệm đầu tiên

ở 01 vị trí yếu trọng điểm của đê sông Hồng

- Hệ quan trắc gồm 4 phương pháp công nghệ mới: địa điện đa cực phân cực kích thích; Cảm biến nhiệt-áp lực nước trong đất (Tensiometer); Cảm biến thủy lực (Frequence domain reflectometry); Quan trắc mực nước thủy văn bằng cảm biến Hydrad3 Các thiết bị do đối tác Đức cung cấp

- Cơ sở dữ liệu về biến động lũ sông Hồng, biến động thấm theo thời gian và không gian dưới tác động của thủy động lực dòng sông và môi trường, nơi quan trắc các năm 2007-2009 Tài liệu phục vụ đánh giá an toàn đê sau này

- Bước đầu hoàn thiện các thiết bị trong hệ thống quan trắc phù hợp với điều kiện nhiệt đới Việt Nam; hệ có khả năng tự động hóa thu nhận số liệu cao

- Một số phần mềm phân tích tài liệu địa vật lý đạt được nhờ triển khai đề tài hợp tác nghiên cứu này (về phần mềm phân tích tài liệu địa vậ lý ở ta hiện nay chủ yếu là mua của các công ty bán thiết bị để sử dụng)

- Hệ thống quan trắc đạt tiêu chuẩn châu Âu, có thể triển khai, nhân rộng trên các vị trí đê xung yếu trên hệ thống đê sông miền Bắc nước ta

- Góp phần đào tạo cán bô KHCN: 01 cư nhân ĐVL, 2 TS ĐVL tại Đức b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

- Chưa có vì đề tài còn đang ở giai đoạn thử nghiệm

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:

Số

Thời gian thực hiện

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

các sản phẩm KH và chuyển giao CN III Nghiệm thu cấp cơ sở 28/01/2010 Kết luận của HĐ KH cơ

sở là đạt, vói 7/7 phiếu

IV Nghiệm thu cấp Nhà nước 14/ 5/ 2010 Kết luận của HĐ KH cấp

NN: Đạt, 8/9 phiếu

Hà Nội, ngày tháng 6 năm 2010

Chủ nhiệm nhiệm vụ

(Họ tên, chữ ký) (Họ tên, chữ ký và đóng dấu) Thủ trưởng tổ chức chủ trì

MỞ ĐẦU

Năm 2007-2009, các nhà khoa học địa vật lý Việt Nam và CHLB Đức đã

thực hiện Nhiệm vụ hợp tác khoa học theo Nghi định thư Việt-Đức :“ Nghiên

cứu phát triển hệ thống đo giám sát đê” Có thể nói các nội dung thực hiện

của Nhiệm vụ là mới cả về mục tiêu, công nghệ thiết bị và đối tượng nghiên cứu

ở nước ta Các kết quả nghiên cứu sẽ được trình bầy trong báo cáo tổng hợp này

1 Xuất xứ của Nhiệm vụ

Nhiệm vụ kế thừa những hết quả nghiên cứu của 2 hai đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ theo hướng phòng chống và giảm nhẹ thiên tai đã được nghiệm thu với kết quả tốt Đó là:

-“Phát triển công nghệ địa điện đa cực tìm ẩn họa tổ mối trên các đê chống lụt ở Việt Nam”, 2001-2004 Cơ quan Volkswagen-Stiftung (Đức) đã tài trợ Viện Địa chất, Viện KH & CN VN hợp tác với Viện Địa vật lý, ĐHKT Claussthal Đức thực hiện

-“Hoàn thiện tổ hợp công nghệ địa vật lý nhằm nâng cao hiệu quả phát hiện các ẩn họa trong thân và nền đê phục vụ phòng chống lũ lụt ở một số tỉnh miền Bắc”, 2004-2005; Viện KH & CN VN tài trợ; hợp tác với Viện Địa vật lý, ĐHKT Claussthal Đức

Tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu gây ra các sự cố thiên tai trên thế giới ngày một tăng, các cán bộ NCKH của 2 Viện đã đề xuất Nhiệm vụ nghiên cứu quan trắc các biến động đê đệ trình Bộ Khoa học Công nghệ Việt Nam (MOST), Bộ Đào tạo và Nghiên cứu khoa học CHLB Đức (BMBF) Nhiệm vụ

đã được phê duyệt với các căn cứ sau:

1.1 Biên bản ghi nhớ Hợp tác song phương về khoa học và phát triển công nghệ trong lĩnh vực nước và môi trường, ký ngày 11/10/2005 giữa Đại diện

Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam (PGS.TS Trần Quốc Thắng, thứ trưởng)

và đại diện Bộ liên bang về Giáo dục và Nghiên cứu Cộng hoà liên bang Đức (ông Seinhard Junker, Tổng vụ trưởng Tổng vụ Y tế, Sinh học, Bền vững)

Phụ lục kèm Biên bản này có Nhiệm vụ (Projekt) số 11, mã số: VNM 05/001, thời gian thực hiện từ 01/09/2005 Các đối tác: Đại học kỹ thuật Clausthal-Viện Địa vật lý (GS.TSKH.A.Weller), VAST-Viện Địa chất (PGS.TS Trần Cánh) Web http//www.bmbf.de

1.2 Thông báo chính thức của phía Đức, ngày 05/ 08/2005 ;

1.3 Thỏa thuận giữa Viện trưởng Viện Địa chất-VAST, TS Trần Trọng Huệ và Viện trưởng viện Địa vật lý, ĐHKT Clausthal, CHLB Đức, GS.TSKH Andreas Weller, ký ngày 18/ 11/ 2005;

1.4 Quyết định về việc phê duyệt các Nhiệm vụ hợp tác quốc tề về khoa học và công nghệ theo nghị định thư bắt đầu từ năm 2007, số 823 /QĐ-BKHCN, ngày 22/ 05/ 2007

1.5 Hợp đồng thực hiện Nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học công nghệ theo Nghị định thư Việt-Đức, số: 42/823/2007/HĐ-NĐT, ngày 08/11/2007, của bên giao (A) là Bộ Khoa học Công nghệ Việt Nam và Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam giao cho (bên B): Viện Địa chất là cơ quan chủ trì và cho PGS.TS Trần Cánh chủ trì nhiệm vụ Thời hạn thực hiện hợp đồng từ 01/06/2007 đến 31/05/2009

Trong quá trình triển khai Nhiệm vụ, đã gặp một số khó khăn khách quan

do điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, nhiệt độ cao, mùa hè mưa lớn, đất đê nhiễm mặn, dẫn đến các thiết bị được lắp đặt trong thân đê vận hành không ổn định và han rỉ, hỏng hóc Các cán bộ khoa học 2 bên Việt Nam và Đức đã từng bước sửa chữa khắc phục và hoàn thiện Trong lần báo cáo định kỳ và kiểm tra tiến độ ngày 13/11/2008, Chủ nhiệm Nhiệm vụ đã báo cáo với Ban kiểm tra của

Bộ KH CN, Viện Địa chất, Viện KH&CN VN và Vụ Quản lý KHXH-TN, Bộ

KH & CN Lãnh đạo Viện Địa chất và Viện KH&CN VN đã có công văn đề nghị và Bộ KH & CN đã cho phép kéo dài thời gian thực hiện đến 31/12/2009, theo công văn số: 3305/KHTNXH, ngày 31/12/2008

2 Mục tiêu, đối tượng

2.1 Mục tiêu của Nhiệm vụ:

- Nghiên cứu phát triển hệ thống đo giám sát biến động môi trường địa chất tại một số vị trí đê xung yếu trọng điểm, phục vụ đánh giá độ an toàn của đê

và cảnh báo tai biến vỡ đê trong mùa lũ

- Góp phần đào tạo cán bộ KHCN theo hướng nghiên cứu mới

- Đánh giá hiệu quả của hệ đo giám sát thử nghiệm và kiến nghị xây dựng mạng lưới quan trắc cảnh báo quốc gia trên hệ thống đê sông ở miền Bắc VN 2.2 Đối tượng, tính cấp thiết:

Thiết kế, lắp đặt thử nghiệm hệ thống quan trắc biến động của các tham số địa vật lý-địa kỹ thuật theo không gian và thời gian trong cấu trúc thân và nền đê tại đoạn đê xung yếu trọng điểm dưới tác động của thủy-địa động lực Số liệu quan trắc được sẽ phục vụ cho việc đánh giá an toàn đê và cảnh báo các diễn biến nguy hiểm đối với đê, đặc biệt là trong thời gian lũ lụt Đối tượng thử nghiệm là đoạn đê xung yếu cấp tỉnh, đê Tả Sông Hồng, km 169+000 đến 169+250m tại Ngô Xá, Nguyên Xá, Vũ Thư, Thái Bình

Nhiệm vụ thuộc hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam và cả đối tác Đức (hiện Đức có tới 3000km đê sông) Hiện nay, ở Việt nam, chưa có hệ thống quan trắc biến động các tham số địa vật lý-địa kỹ thuật nền và thân đê tại những vị trí

(đoạn) đê xung yếu để phục vụ quản lý, đánh giá độ an toàn, cảnh báo sự cố đê

và ứng xử nhanh trước và trong mùa mưa lũ

Theo số liệu gần nhất, trên HTĐĐ miền bắc Việt Nam có tới trên 80 vị trí

đê trọng điểm (trong đó có 4 trọng điểm quốc gia), tương ứng khoảng 200 km

đê, thường xuyên phải duy tu bảo dưỡng và canh gác trong thời gian lũ, mưa bão hàng năm

Kết quả triển khai Nhiệm vụ góp phần hiện đại hóa công tác duy tu bảo dưỡng HTĐĐ của nước ta, chủ động trong phòng chống lũ lụt Khi hoàn thiện công nghệ và thiết bị sẽ được nhân rộng trên các trọng điểm khác

3 Nội dung nghiên cứu được hai Viện nhất trí gồm 7 gói công việc sau:

3.1 Lựa chọn đoạn đê nghiên cứu thử nghiệm:

3.2 Thực hiện các đo đạc địa vật lý:

3.3 Tính toán tối ưu hóa hệ điện cực dùng để quan trắc và mô hình hóa

3.4 Nghiên cứu vật lý thạch học:

3.5 Thiết kế và lắp đặt hệ thống quan trắc:

3.6 Thu nhận số liệu (quan trắc chu kỳ tháng, tuần, ngày), phân tích và minh giải các kết quả quan trắc:

3.7 Báo cáo tổng kết và công bố các kết quả

Các công việc trên được nêu trong thuyết minh đề cương nghiên cứu và được hiện thực hóa bằng 9 nghiên cứu chuyên đề (được ghi trong Hợp đồng KHCN, ngày /11/2007)

4 Nội dung khoa học của báo cáo

Báo cáo tổng kết có các phần: mở đầu, 5 chương, kết luận và kiến nghị

Mở đầu nêu ra các căn cứ của nhiệm vụ HTQT về KHCN, mục tiêu, nhiệm nhiệm vu cùng các đối tác và cán bộ tham gia

Chương 1 – Phương pháp luận của hướng nghiên cứu Các tác giả nêu

khái quát đặc điểm của hệ thống đê điều của miền Bắc Việt Nam và đưa ra khái

niệm đê-môi trường theo quan điểm phân tích hệ thống Có ba yếu tố ảnh hưởng

đến đời sống của đê đó là: yếu tố nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh Công trình

đê nằm trong hệ thống cân bằng động, dưới tác động của các yếu tố thuộc thạch quyển, thuỷ quyển và khí quyển Một trong những tác động dẫn đến các sự cố hư hỏng đê và vỡ đê là quá trình thấm (biến dạng thấm) trong thân và nền đê.Trên

cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới, các nhà địa vật lý hai nước đã đề xuất Nhiệm vụ nghiên cứu và triển khai các hạng mục công việc

Chương 2 - Các phương pháp công nghệ và thiết bị ứng dụng, bao gồm các công nghệ và thiết bị sau:

- Công nghệ địa điện đa cực điện trở và phân cực kích thích (induced

polarization-IP);

- Hệ thống cảm biến nhiệt-áp lực nước đất đê (Tensiometer)

-Hệ thống cảm biến thủy lực (Frequence Domain Refletometry FDR) dùng xác định hàm lượng nước (water conten) trong đất đê và

- Quan trắc biến động mực nước

Chương 3 - Lựa chọn, thiết kế và lắp đặt hệ thống quan trắc Trên cơ sở khảo sát thực địa, thu thập thông tin về các đoạn đê yếu trọng điểm, các cán bộ tham gia đề tài đã lựa chọn vị trí nghiên cứu thử nghiệm tại đê tả Hồng Hà, thuộc huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình Việc thiết kế hệ thống quan trắc địa điện đa cực phân cực kích thích, các hệ quan trắc thuỷ lực và đo theo dõi biến động mực nước sông và mực nước ngầm phía đồng được sự thống nhất với các chuyên gia Đức Căn cứ để triển khai lắp đặt thiết bị là các kết quả đo địa vật lý và địa chất khoan trên đọan đê thử nghiệm Mỗi lần lắp đặt thiết bị đều có các đồng nghiệp Đức tham gia trực tiếp

Chương 4: Các kết quả quan trắc Nội dung trình bầy các kết quả quan trắc nhận được từ 4 hệ thống thiết bị có đặc trưng công nghệ kỹ thuật khác nhau: địa điện IP, 2 hệ cảm biến thuỷ lực và dao động mực nước sông, nước đồng Nội dung tập trung vào đánh giá mức độ biến động thấm qua công trình đê dưới tác động của động lực dòng chảy sông và các ảnh hưởng liên quan Biến động về điện trở suất đất, của tham số phân cực kích thích φ (Phi), biến động của tham số nhiệt và thuỷ lực có liên quan đến biến động thấm theo thời gian và không gian

Từ các kết quả thu được đã phân tích quy luật biến động thấm theo ngày, theo các tháng và theo mùa

Chương 5: Hoàn thiện một số thiết bị quan trắc

Các phương pháp công nghệ và thiết bị lần đầu triển khai ở Việt Nam Điều kiện khí hậu nóng ẩm cao, mưa nhiều và vật liệu đê chua mặn đã ảnh hưởng mạnh dẫn đến thiết bị hỏng hóc và vận hành không liên tục Các chuyên gia Việt Nam và Đức đã cải tiến, hoàn thiện thiết bị địa điện đa cực và bố trí lại

vị trí các cảm biến của hệ thống cảm biến thuỷ lực dạng thanh cho phù hợp điều kiện nhiệt đới ở Việt Nam.

Phần kết luận và kiến nghị tóm tắt các kết quả chính, nhận định khả năng của hệ quan trắc và kiến nghị triển khai các nghiên cứu tiếp theo

5 Các cơ quan và cán bộ tham gia

5.1 Cơ quan

1 Viện Địa chất, Viện

KH&CN VN

84 phố Chùa Láng, Đống Đa, Hà Nội

Chủ trì phía VN

3 Chi cục PCLB & QLĐĐ

tỉnh Thái Bình

Số 1, phố Lê Lợi, thành phố Thái Bình

Tính mô hình biến dạng,

Cải tiến thiết bị Phía Đức

1 Viện Địa vật lí, ĐHKT

Clausthal

Str 1, D-38678 Đức

3 -Công ty chế tạo máy địa

vật lí Lippman

-Công ty phần mềm Rauen

Chế tạo thiết bị,

phần mềm điều khiển đo tự động

5.2 Cán bộ tham gia chủ chốt

Phía Việt Nam

6 Ghi nhớ

Tập thể các cán bộ thực hiện Nhiệm vụ trân trọng gửi lời cảm ơn đến cơ quan tài trợ kinh phí là Bộ Khoa học Công nghệ Việt Nam (MOST) và Bộ Đào tạo và Nghiên cứu khoa học Đức (BMBF)

Lời cảm ơn gửi đến cơ quan quản lý, chỉ đạo là Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Trường Đại học Kỹ thuật Claussthal (Đức)

Chúng tôi chân thành cám ơn lãnh đạo và các phòng nghiệp vụ của 2 Cơ quan chủ trì đã chỉ đạo, tư vấn và giúp đỡ trong quá trình thực hiện Nhiệm vụ là Viện Địa chất-VAST và Viện Địa Vật lý, ĐHKT Claussthal

Các cơ quan quản lý đê điều Trung ương (Cục Quản lý đê điều và Phòng chống lụt bão- Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) và cơ quan quản lý tỉnh Thái Bình đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện Nhiệm vụ, tập thể tác giả chân thành cảm ơn

Chủ nhiệm Nhiệm vụ

PGS.TS Trần Cánh

CHƯƠNG 1 PHƯƠNG PHÁP LUẬN CỦA HƯỚNG NGHIấN CỨU

Hệ thống đờ điều (HTĐĐ) miền Bắc nước ta cú trờn 5000 km đờ sụng,

1000 km đờ biển và trờn 2890 cống tưới tiờu qua đờ Do điều kiện địa chất, địa mạo phức tạp, đa dạng và điều kiện khớ hậu nhiệt đới núng ẩm, mưa nhiều ảnh hưởng mạnh mẽ, nờn trờn HTĐĐ thường tiềm ẩn nhiều loại ẩn hoạ cú thể gõy sự

cố mất ổn định cho đờ Bởi vậy cụng tỏc duy tu bảo dưỡng đờ điều là cụng tỏc sự nghiệp của cỏc cơ quan quản lý đờ điều địa phương, trung ương và cú vai trũ rất quan trọng trong chiến lược phũng chống lụt, bóo ở nước ta Những năm gần đõy, cỏc phương phỏp cụng nghệ địa vật lý hiện đại đó được ứng dụng với khối lượng ngày càng tăng trong việc phỏt hiện cỏc ẩn họa và xử lý cỏc ẩn hoạ trong thõn và nền đờ đạt hiệu quả cao [2, 5, 6, 12, 17, 22]

Vấn đề theo dừi cỏc biến động địa chất, thuỷ văn trong thõn và nền đờ trờn một số đoạn đờ xung yếu trọng điểm bằng một số cụng nghệ địa kỹ thuật chớnh xỏc cao đó được triển khai từ những năm 1995-1996 Cỏc số liệu quan trắc dịch chuyển nền đờ bằng thiết bị Inclinometer và quan trắc thay đổi ỏp lực nước dưới nền đờ bằng thiết bị Piezometer đó cung cấp thụng tin về hiện trạng nền đờ tại

vựng xung quanh vị trớ đặt thiết bị đo [9] Tuy nhiờn vấn đề thiết lập một hệ

thống quan trắc-cảnh bỏo (dike monitoring system- DMS) bao gồm tổ hợp cỏc

thiết bị địa vật lý-địa kỹ thuật để theo dừi sự biến động liờn tục cỏc tham số địa

kỹ thuật, địa vật lý, đặc biệt là biến động quỏ trỡnh thấm của thõn, nền đờ và mụi trường ven đờ, phục vụ cảnh bỏo tai biến đờ trong mựa lũ lụt ở nước ta, chỉ mới tiếp cận vài năm gần đõy [4]

1.1 Đờ cú đời sống động

Theo quan điểm phõn tớch hệ thống, chỳng tụi quan niệm rằng, một tuyến

đờ sau khi được xõy dựng để đỏp ứng nhu cầu phũng chống lũ lụt nằm trong một

hệ thống động gọi là “hệ thống đờ-mụi trường” Hệ thống này bao gồm hai

thành phần liờn kết chặt chẽ với nhau:

1) Phần chớnh là cụng trỡnh đờ hay con đờ với kiến trỳc cú mặt đờ, thõn đờ, nền đờ, cú cơ đờ, chõn đờ phớa sụng và phớa đồng;

2) Phần thứ hai là mụi trường mà cụng trỡnh đờ nằm trong đú, bao gồm mụi trường ven đờ ở hai phớa đê - phía sông và phía đồng, mụi trường phớa trờn mặt đờ và phớa dưới nền đờ Hiển nhiờn mụi trường này bao gồm cả địa chất,

thuỷ văn, khớ hậu và nhõn sinh Chỳng tụi giới thiệu một kiểu mụ hỡnh “hệ thống

đờ-mụi trường” trờn hỡnh 1.1 Bờn cạnh cỏc yếu tố của hệ thống trờn hỡnh 1.1,

cũn cú một số yếu tố khỏc nữa như: lớp phủ chống thấm hai bờn đờ, cụng trỡnh xõy dựng kốm với đờ (cỏc cống qua đờ, trạm bơm, cõy xanh), cụng trỡnh xõy dựng ở ven đờ, cụng trỡnh giếng giảm ỏp trờn cỏc đoạn đờ yếu,v.v

Với góc độ phân tích của khoa học địa chất công trình, tác giả công trình

[7] cũng đã đưa ra một sơ đồ “hệ thống địa-kỹ thuật đê sông” và phân tích cơ

chế hoạt động của hệ thống này Tác giả cũng nêu ra mối tương tác giữa công trình đê và các yếu tố môi trường xung quanh và sơ đồ nguyên tắc điều khiển hệ thống địa kỹ thuật đê sông Chúng tôi nhất trí quan niệm rằng, khâu trước tiên của điều khiển hệ thống là phải có hệ thống (mạng lưới) quan trắc (monitoring) các tham số địa vật lý-địa kỹ thuật và các yếu tố liên quan tương tác với công trình đê theo thời gian và không gian Nhất là các đoạn đê xung yếu trọng điểm, nơi thường biểu hiện các sự cố bất lợi đối với đê vào thời gian có lũ, nơi là các vị trí/đoạn đê trọng điểm tỉnh hay trọng điểm quốc gia

Việc triển khai Nhiệm vụ nghiên cứu phát triển hệ quan trắc đê là bước đầu góp phần hiện đại hóa công tác quản lý HTĐĐ ở nước ta

_ 1,80 _ 3,40

_ 10,0

1 2

3 4

Hình 1.1 Mô hình Hệ thống Đê-Môi trường

, , , - Các lớp đất đê khác nhau; MTS – môi trường ven đê phía sông; MTĐ- môi trường ven đê phía đồng; TĐ- thân đê ; NĐ-nền đê;

MTĐC, TV- môi trường địa chất, thuỷ văn;

HK1, HK2-hố khoan địa chất; 2.6-Độ sâu; -mực nước

“Đời sống” của con đê có được lâu dài hay ngắn là tuỳ thuộc vào chế độ cân bằng động của cả hệ thống đê-môi trường Như vậy, đê nằm trong một hệ thống động và công trình đê chịu ảnh hưởng tác động của ba nhóm yếu tố:

1) Các yếu tố nội sinh có nguồn gốc từ đặc điểm địa hình, địa chất, kiến tạo và địa động lực của vùng vỏ trái đất, nơi đê chạy qua;

2) Các yếu tố ngoại sinh bao gồm tác động của khí hậu, mưa, gió, sóng, dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm,

3) Các yếu tố nhân sinh bao gồm những hoạt động kinh tế-xã hội của con người trên đê và vùng ven đê

Trong ba nhóm yếu tố này, thì con người có thể chủ động điều chỉnh tác động của yếu tố nhân sinh theo hướng có lợi cho phát triển kinh tế-xã hội mà vẫn đảm bảo an toàn cho đê Hai nhóm yếu tố còn lại tác động liên tục, lâu dài lên hệ

thống đê-môi trường theo cả không gian và thời gian Bởi vậy một tuyến đê nằm

trong hệ thống đê-môi trường luôn có đời sống động

Với quan điểm hệ thống đê-môi trường, dễ dàng nhận thấy rằng, HTĐĐ ở miền Bắc nước ta luôn luôn biến động và tiềm ẩn các yếu tố bất lợi có thể gây nguy hiểm vỡ đê trong mùa lũ lụt Kinh nghiệm theo dõi biến động của hệ thống

đê bằng các phương pháp truyền thống trong nhiều năm có lũ lớn, các nhà nghiên cứu và quản lý đê điều trong và ngoài nước đã ghi nhận rằng, các sự cố bất lợi xảy ra đối với đê thường có nguồn từ hai loại ẩn họa chính

Loại thứ nhất nằm trong thân đê là các lỗ hổng do các quần thể mối tạo nên, khe nứt do co ngót đất, các thấu kính cát, bùn,

Loại ẩn họa thứ hai nằm trong nền đê như các lớp đất nền đê yếu (cát dễ hoá lỏng, bùn chứa vật liệu hữu cơ, ) Những đoạn đê chịu ảnh hưởng thường xuyên và trực tiếp của dòng chảy sông lại chịu tác động của quá trình xói mỏn ngầm thân và nền đê Nhiều công trình đê, do lịch sử phát triển đồng bằng, phải đắp qua lòng sông cổ, vùng đầm lầy Hệ thống đê điều đã được kiến trúc trên các vùng với điều kiện địa chất, địa mạo phức tạp như ở miền Bắc nước ta, có những tuyến đê nằm trên đới đứt gẫy kiến tạo còn hoạt động

Các công nghệ địa vật lý nông, bao gồm địa điện, địa chấn khúc xạ, ra đa xuyên đất đã được ứng dụng để phát hiện và xử lý các ẩn hoạ trong thân và nền

đê có hiệu quả, phục vụ đắc lực cho công tác duy tu bảo dưỡng đê phục vụ phòng chống lũ lụt hàng năm [3,5,8] Tuy nhiên, như đã nói ở trên, các tuyến đê nằm trong hệ thống cân bằng động, dưới tác động của các yếu tố thuộc thạch quyển, thuỷ quyển và khí quyển Những biểu hiện rõ rệt của hai loại tác động chính gây bất lợi đối với đời sống của đê là:

1) Tác động âm ỷ lâu dài của các dòng nước thấm chảy ngang công trình

đê – gọi là quá trình biến dạng thấm, xuất hiện do sự không cân bằng về áp suất thuỷ lực ở môi trường hai bên đê (có hướng từ phía sông vào phía đồng khi mực nước phía sông cao hơn phía đồng và theo hướng ngược lại khi mực nước phía đồng cao hơn mực nước sông);

2) Sự chuyển dịch của các lớp vật liệu đê dưới tác động địa động lực của

hệ thống đê-môi trường

Dòng nước thấm tác động lâu dài làm xói mòn từ trong công trình đê và sự dịch chuyển các lớp vật liệu nền đê sẽ dần dần tạo ra vùng nguy hiểm nằm ẩn trong thân và nền đê mà rất khó phát hiện khi quan sát bằng mắt từ phía trên mặt

đê Áp lực tác động của nước lũ cao với thời gian dài vượt quá giới hạn chiụ tải thì sẽ xảy ra vỡ đê

Cũng cần lưu ý rằng qua thực tế nghiên cứu hệ thống đê của tỉnh Thái Bình, Bùi Văn Trường [13] đã dẫn ra một số biểu hiện gây mất ổn định đê như: biến dạng thấm ở nền đê; trượt, lở mái đê kè, bãi sông, lún nứt nẻ và thấm qua thân đê Theo chúng tôi, biến dạng thấm lậu và biến động dịch chuyển của các

vật liệu trong thân và nền đê là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến các sự cố nguy hiểm đối với đê trong thời gian đê vận hành chống lũ, khi mà công trình đê chịu tác động mạnh của động lực dòng chảy sông cao nhất trong năm

1.2 Tình hình nghiên cứu quan trắc đê (dike monitoring) thế giới

Hiện nay, công tác quản lí và đảm bảo an toàn cho hệ thống đê phòng chống lũ lụt ở một số nước trên thế giới như Hà Lan, Thụy Điển, Anh, Đức, Trung Quốc v.v đã đạt được một số tiến bộ sau:

1 Ứng dụng tổ hợp các phương pháp địa chất, địa kỹ thuật và địa vật lí hiện đại trong nghiên cứu khảo sát đê, đập, bao gồm hai khối công việc: duy tu bảo dưỡng đê điều và xây dựng các công trình đê, đập mới Trong đó, các phương pháp địa vật lí nông (Near Surface Geophysics) là các phương pháp gián tiếp với các thiết bị máy móc gọn nhẹ, độ chính xác cao và ít tác động đến các công trình đê, đập được chú trọng ứng dụng [19, 20, 23-25]

2.Ứng dụng các công nghệ địa vật lí hiện đại trong đánh giá chất lượng đê đập, phát hiện và xử lí các ẩn họa trong thân và nền đê trên những đoạn đê xung yếu trước, trong và sau mùa lũ [41]

3 Phát triển các công nghệ mới và thiết bị đo có độ chính xác cao năng lượng cung cấp ít Thiết kế, xây dựng các hệ thống quan trắc-cảnh báo (DMS) trên các đoạn đê yếu, lập cơ sở dữ liệu trên GIS phục vụ quản lí hệ thống đê, đập theo mạng và cảnh báo sớm tai biến đê [20, 24, 42]

Ý tưởng xây dựng DMS đã được các nhà khoa học ở các nước phát triển hiện thực từ mươi năm gần đây để theo dõi các biến động đê và sớm phát hiện các biến động bất lợi tiềm ẩn nguy cơ vỡ đê, đập khi mựclũ cao tại các đoạn đê yếu trọng điểm, đầu tiên là trên các đập thuỷ điện và đập chứa nước phục vụ công nghiệp, nông nghiệp và dân sình, tiếp theo là trên các đê sông ngăn lũ lụt

Sau biến cố mưa lụt lịch sử ở CHLB Đức năm 2002, chính phủ Đức đã khẩn trương chi kinh phí nâng cấp 18 đoạn đê yếu trọng điểm trong tổng số 3000

km đê của cả nước và xây dựng trung tâm quản lý-cảnh báo tai biến đê Tại 18 vị trí được đặt các thiết bị tự động ghi các tham số: mực nước, tốc độ dòng chảy sông, độ thẩm lậu đất đê, dịch chuyển các lớp đất đê, tham số địa kỹ thuật nền đê

và truyền về trung tâm phân tích và cảnh báo, xem hình 1.2

1.3 Tình hình nghiên cứu và yêu cầu đảm bảo an toàn đê điều ở nước ta

Ở Việt Nam, việc đảm bảo an toàn đê phòng chống lũ lụt thuộc chiến lược quốc gia phòng chống lũ lụt Các phương pháp công nghệ hiện đại ngày càng được ứng dụng [2, 4-6, 8]

Công tác quản lý đê điều và phòng chống lũ, bão đã được tổ chức rất chặt chẽ từ Trung ương đến địa phương Ở miền Bắc 18 tỉnh có đê, tổng số 4000 km

đê sông, gần 1000 km đê biển Mỗi tỉnh có Chi cục Phòng chống lụt bão và

Quản lý đê điều Mỗi tỉnh có từ 4 đến 8 hạt/đội quản lí đê Phương châm 4 tại

chỗ: vật tư, nhân lực, chỉ đạo và hậu cần tại chỗ luôn luôn vận hành hiệu quả mỗi khi lũ, bão lớn đến [1a, 1b,1c]

Hiện nay trên HTĐĐ miền Bắc có trên 80 vị trí đê xung yếu trọng điểm, thường xuyên phải duy tu bảo dưỡng - hình 1.3, trong đó có 4 vị trí trọng điểm cấp quốc gia Bởi vậy, Nhiệm vụ HTQT về KHCN theo hướng nghiên cứu phát triển các hệ thống-cảnh báo đê (dike monitoring – warning system) biến động nguy hiểm đối với đê sông, đê biển trên các đoạn đê xung yếu trọng điểm quốc gia và trọng điểm tỉnh là cần thiết Hệ thống này góp phần chủ động và phản ứng nhanh với các sự cố đê nguy hiểm trong thời gian lũ cao

Hình 1.2 Cống tràn chống lụt (a) và Trung tâm phân tích-cảnh báo lũ

của Đức 2008 Nguồn của tác giả

Hình 1.3 Các vị trí đê trọng điểm ở miền Bắc

VN [Báo cáo đánh giá chất lượng đê điều năm 2003, LT Cục QLĐĐ&PCLM, Bộ NN&PT NT].

1.4 Tổng quan về nguyên nhân, cơ chế xuất hiện tai biến trong công trình

đê đập và phương pháp quan trắc cảnh báo

1.4.1 Khái quát về tai biến trong đê, đập

Hệ thống đê, đập là các công trình được xây dựng nhằm điều tiết nguồn nước tự nhiên, ngăn chặn các tác hại gây lũ lụt để bảo vệ đời sống và phục vụ sản xuất Sự ổn định của các công trình này chịu tác động của hàng loạt các yếu

tố tự nhiên: địa chất, thủy văn, khí tượng,… và các hoạt động dân sinh Cấu trúc của công trình đê, đập và sự hoạt động của nó gắn liền và có sự tương tác qua lại liên tục với các quá trình vận động của môi trường xung quanh (hình 1.4)

Sự tồn tại của công trình đê đập gây ra những biến động của môi trường

và hậu quả của các tác động môi trường với đê đập dẫn đến sự phá hủy biến dạng cấu trúc của công trình, điển hình là [7, 10, 14]:

- Quá trình cố kết nền đê, đập do tác động tải trọng công trình gây lún không đều nền làm phát sinh các khe nứt trong thân công trình;

- Sự thay đổi áp lực thủy động và thủy tĩnh môi trường xung quanh công trình ảnh hưởng đến sự ổn định công trình;

- Tác động của sinh quyển, khí quyển làm thay đổi độ ẩm, nhiệt độ trong than công trình gây phát sinh các khe nứt co ngót trong thân và mái công trình;

- Tác động của thủy quyển (nước sông hồ) gây quá trình thấm qua thân, tràn nước qua mặt, thay đổi ứng suất trong thân công trình gây trượt lở, sụt mái công trình;

- Tác động khác của thủy quyển là quá trình thấm qua nền công trình làm gia tăng áp lực thủy tĩnh và thủy động ở hạ lưu khi có sự chênh lệch cột nước giữa hai bên công trình (khi nước lũ) làm xuất hiện các hiện tượng đùn sủi, thẩm lậu, cát chảy, xói ngầm, bục đất,… là những tai biến rất nguy hiểm cho công trình đê đập Quá trình này còn gây biến động làm mất cân bằng trong môi trường địa chất và phát sinh các tai biến lâu dài phức tạp khác;

- Tác động từ các hoạt động kỹ thuật – dân sinh như hoạt động giao thông, xây dựng, kể cả hoạt động của các loài sinh vật (mối, kiến, chồn, ) làm gia tăng quá trình cố kết, gây biến dạng cục bộ trên thân, mái công trình;

- Các tác động nội sinh như vận động kiến tạo, động đất gây biến dạng lún, dịch chuyển, nứt công trình

Các tai biến lũ lụt xảy ra thường xuyên ở nhiều nước và gây ra thiệt hại nặng nề về kinh tế xã hội

Ở Trung Quốc, thống kê giai đoạn 1998 – 2004 cho thấy, thiên tai lũ lụt hàng năm cướp đi sinh mạng 700 đến 1.000 người, thiệt hại vật chất trung bình

20 đến 50 tỷ nhân dân tệ (hơn 1 tỷ Đôla Mỹ) Bảo đảm an toàn hệ thống đê, đập

đã giúp giảm nhẹ thiệt hại rất nhiều [32]

Hà Lan có một hệ thống đê lâu đời có chiều dài 3.200 km, có vai trò đặc biệt quan trọng để bảo đảm cuộc sống và sản xuất Trận lũ năm 1953 đã gây thiệt hại làm 1.836 người chết Việc củng cố và bảo đảm an toàn đê ở nước này luôn được đầu tư rất lớn vào bậc nhất thế giới, nhưng hàng trăm km đê vẫn tiềm ẩn nguy cơ tai biến cao và gần đây xảy ra sự cố vỡ đê vào các năm 1988, 1993,

1995, 2003, nhờ có hệ thống cảnh báo hiệu quả và giải pháp ứng phó kịp thời đã cứu thóat hàng trăm nghìn người [16]

Hình 1.4 Hình ảnh đoạn đê vỡ ở Hà Lan năm 2003[16]

Hình 1.5 Hệ thống quan trắc tai biến đập và sạt lở ở Thụy Điển [42]

Chú giải: Quan trắc thấm; Quan trắc chuyển động (sạt lở); lắp đặt ngầm

Ở Thụy Điển, hệ thống thiết bị quan trắc cảnh báo tai biến dưới các đập nước và thung lũng sông đã và đang được lắp đặt ngày càng tăng và hiện đại hơn (xem hình 1.5)

Mới đây, ở Indonesia vào ngày 27 tháng 3 năm 2009 sự cố vỡ đập chứa 2 triệu mét khối nước ở ngoại ô Jakarta đã làm chết và mất tích hơn 60 người và

phá hủy hàng trăm ngôi nhà [VietnamNet 27/3/2009]

Ở Việt Nam, từ thời kỳ phong kiến và thuộc Pháp trước năm 1945, vấn đề bảo vệ an toàn đê điều đã được coi là nhiệm vụ quan trọng quốc gia Theo tư liệu lịch sử, ở đồng bằng Sông Hồng trong giai đoạn từ 1900 đến 1945 trung bình khoảng 3 năm lại xảy ra sự cố vỡ đê gây hậu quả nghiêm trọng Trận lũ lụt lịch

sử năm 1945 đã vỡ đê tại 19 nơi phá hủy 312.000 ha đất canh tác, ảnh hưởng đến đời sống của 4 triệu người Trận lũ năm 1971 làm vỡ 3 đoạn đê gây ngập lụt 250.00 ha đất canh tác và ảnh hưởng đời sống 2,7 triệu người Năm 1986 một đoạn đê ở khu vực Vân Cốc – Hà Tây cũng bị vỡ Về mùa lũ trên hệ thống đê sông vẫn quan sát được các hiện tượng mạch đùn sủi ở hạ lưu ở rất nhiều nơi chứng tỏ sự tiềm ẩn tai biến còn rất cao, diễn biến xuất hiện các hiện tượng gây tai biến cũng phức tạp Việc phát hiện theo dõi chúng bằng các phương pháp thủ công truyền thống nhiều khi kém hiệu quả vì về mùa lũ các vùng tiềm ẩn tai biến thường lầy lội khó khăn cho việc quan sát [1c, 11]

1.4.2 Về nguyên nhân, cơ chế quá trình gây tai biến trong đê, đập:

Trong nhiệm vụ nghiên cứu nhằm bảo vệ an toàn đê, đập thì cơ sở dữ liệu

về trạng thái, sự biến động không gian và thời gian của các tham số đặc trưng trạng thái của công trình trong điều kiện tự nhiên, đặc biệt khi có lũ là vấn đề quan trọng Mức độ an toàn của công trình được xác định bằng việc so sánh trạng thái thực tế với trạng thái cho phép từ tiêu chuẩn ngành của mỗi công trình Đối với hệ thống đê sông là một hệ thống biến động phức tạp do sự không đồng nhất của nền địa chất, nên mỗi yếu tố đặc trưng trạng thái công trình còn phụ thuộc vào một loạt tham số trạng thái môi trường địa chất Trong các công trình nghiên cứu [7, 15] đã thống kê mối quan hệ giữa các yếu tố và quá trình tác động chủ yếu gây tai biến đê với các thông số trạng thái môi trường và công trình được trình bày trong bảng dưới đây:

Bảng 1.1 Các yếu tố gây tai biến và thông số môi trường

Các yếu tố và quá trình

tác động gây tai biến

Các thông số trạng thái môi trường

Và công trình

1 Biến đổi độ ẩm gây co

ngót

Độ ẩm đất đắp; Dung trọng của đất đắp; Lực dính kết và ma sát

biến dạng; Mực nước ngầm; Độ lỳn mặt đờ; Độ

do tải trọng

4 Thay đổi mực nước sụng

gõy trượt lở, sạt bờ sụng

Biờn độ giao động nước sụng; độ dốc của bờ sụng; chiều dày và tớnh chất của cỏc lớp tớnh trượt; Áp lực thủy tĩnh và thủy động

5 Diễn biến lũ Biờn độ dao động nước sụng, thời gian lũ; cao độ

mặt đờ; dũng chảy, khoảng cỏch dũng chảy đến đờ

6 Nước lũ và cỏc vận động

khỏc

Động đất, bóo, súng,…

7 Nước sụng thấm qua đờ

gõy sũng nước mỏi đờ và

sạt trượt mỏi đờ

Lưu lượng nước thấm qua thõn đờ; mật độ khe nứt

ở mỏi đờ; độ dốc mỏi đờ; Áp lực thủy tĩnh, thủy động; Dung trọng, độ bền của đất mỏi đờ; Hệ số ổn định mỏi dốc

8 Nước sụng thấm qua

thõn đờ và đựn sủi ở chõn

đờ hạ lưu (phớa đồng)

Áp lực tầng thụng nước ở chõn đờ và hạ lưu; Áp lực thủy động, thủy tĩnh ở hạ lưu đờ; Chiều dày, thành phần hạt và hệ số thấm của tầng phủ cỏch nước ở hạ lưu đờ; Độ bền của tầng sột phủ cỏch nước bị đựn sủi ở trạng thỏi bóo hũa nước

9 Nước sụng thấm qua nền

đờ và quỏ trỡnh xúi ngầm,

cỏt chảy, bục đất dưới nền

và hạ lưu đờ

Độ dốc thủy lực của dũng thấm; Hệ số bất đồng nhất và thành phần hạt của tầng thụng nước; khoảng cỏch từ chõn đờ tới vựng thúat; lực thủy động của dũng thấm

Nước tràn mặt đê, đập Nước tràn mặt đê, đập do sóng Dòng thấm qua thân, nền đê, đập

Hỡnh 1.6 Mụ tả một số dạng tai biến chớnh trong đờ, đập

Trong số cỏc yếu tố gõy tai biến cụng trỡnh kể trờn thỡ cỏc tỏc động gõy ra cỏc hiện tượng phỏ hủy trờn thõn và mỏi cụng trỡnh dễ dàng phỏt hiện, theo dừi được bằng cỏc khảo sỏt và quan sỏt thủ cụng Ngược lại, cỏc tỏc động thấm gõy