Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả công tác quan trắc chuyển dịch ngang tuyến đập thuỷ điện

Đối với công tác quan trắc biến dạng thường lấy quan trắc chuyển dịch là: Q Nếu chuyển dịch công trình có giá trị dự báo là nhỏ thì đại lượng tính theo công thức 1.2 cũng sẽ rất nhỏ, tro

NGUYỄN HÀ

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG

TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa

Mã số: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TRẦN KHÁNH

Hà Nội - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Hà

MỤC LỤC

Trang

TRANG BÌA PHỤ

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 8

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN 11

1.1 Đặc điểm kết cấu công trình thuỷ điện 11

1.1.1 Các hạng mục chính của công trình thủy điện 11

1.1.2 Đặc điểm kết cấu tuyến đập thủy điện 12

1.2 Những vấn đề chung về quan trắc biến dạng công trình 13

1.2.1 Khái niệm về chuyển dịch biến dạng công trình 13

1.2.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình thủy điện 14

1.2.3 Mục đích và nhiệm vụ quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình 15

1.2.4 Yêu cầu độ chính xác quan trắc 15

1.2.5 Chu kỳ quan trắc 17

1.3 Nguyên tắc thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình 18

1.3.1 Nguyên lý quan trắc chuyển dịch ngang 18

1.3.2 Thiết kế hệ thống lưới mặt bằng quan trắc chuyển dịch ngang công trình 19

1.4 Tổng quan về các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình 21

1.4.1 Phương pháp tọa độ 21

1.4.2 Phương pháp hướng chuẩn 24

Chương 2-KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG CHUẨN QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH 26

2.1 Các khái niệm chung về hướng chuẩn……….26

2.1.1 Hướng chuẩn và độ lệch hướng 26

2.1.2 Phương pháp thành lập hướng chuẩn 27

2.1.3 Các phương pháp đo độ lệch hướng 2 8 2.1.4 Sơ đồ đo hướng chuẩn 30

2.2 Giải pháp nâng cao hiệu quả phương pháp hướng chuẩn 34

2.2.1 Đề xuất nâng cao độ chính xác trong sơ đồ giao chéo 34

2.2.2 Đề xuất đo chính xác chiều dài cạnh trong hướng chuẩn 35

2.3 Khảo sát độ ảnh hưởng của sai số số liệu gốc đến kết quả đo hướng chuẩn 40

2.3.1 Ảnh hưởng của chuyển dịch điểm gốc đến độ lệch hướng điểm quan trắc 40

2.3.2 Ảnh hưởng của sai số số liệu gốc đến độ chính xác xác định độ lệch hướng 41

Chương 3- TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU HƯỚNG CHUẨN 42

3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp bình sai gián tiếp 42

3.1.1 Chọn ẩn số………42

3.1.2 Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh cho các trị đo………42

3.1.3 Lập hệ phương trình chuẩn……… 43

3.1.4 Giải hệ phương trình chuẩn……… 43

3.1.5 Đánh giá độ chính xác……… 43

3.2 Bình sai lưới quan trắc hướng chuẩn……… 44

3.2.1 Sơ đồ hướng chuẩn tổng quát……….………… 44

3.2.2 Tính toán bình sai lưới hướng chuẩn………45

3.3 Tính toán các tham số chuyển dịch công trình……….47

3.3.1 Các tham số chuyển dịch cục bộ 47

3.3.2 Tính chuyển dịch theo phương pháp đường thẳng xác suất 49

Chương 4- THỰC NGHIỆM 52

4.1 Nhiệm vụ kĩ thuật quan trắc chuyển dịch ngang tuyến đập thuỷ điện Đăk Mi4 52

4.1.1 Giới thiệu chung về công trình 52

4.1.2 Nhiệm vụ kĩ thuật của công tác quan trắc 54

4.2 Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang tuyến đập thuỷ điện Đăk Mi4 55

4.2.1 Xác định yêu cầu độ chính xác các bậc lưới 55

4.2.2 Thiết kế các mốc 55

4.2.3 Thiết kế lưới cơ sở 56

4.2.4 Thiết kế lưới quan trắc 58

4.3 Bình sai lưới quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp hướng chuẩn 61

4.4 Tính toán tham số chuyển dịch ngang tuyến đập thuỷ điện 64

4.4.1 Tính tham số chuyển dịch cục bộ 64

4.4.2 Tham số chuyển dịch tổng thể 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

2 Bảng 1.2 Yêu cầu độ chính xác các cấp lưới 20

8 Bảng 4.1 Chỉ tiêu kỹ thuật lưới (lưới cơ sở) 57

9 Bảng 4.2 Ước tính sai số vị trí điểm (lưới cơ sở) 57

15 Bảng 4.8 Tham số chuyển dịch cục bộ 63

16 Bảng 4.9 Tham số chuyển dịch tổng thể 65

18 Hình 2.11 Sơ đồ giao chéo cải tiến 34

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội, các công trình

dựng với số lượng tăng nhanh và qui mô, tính chất ngày càng lớn và phức tạp

Trong quá trình thi công xây dựng và đi vào vận hành công trình thì nhiệm vụ của việc quan trắc, xử lý số liệu chuyển dịch biến dạng nói chung

và chuyển dịch ngang nói riêng là công việc cấp thiết, liên tục Đòi hỏi ngày càng nâng cao trong quá trình đo đạc và xử lý, nhưng vẫn phải đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác cần thiết

Một trong những giải pháp cho việc quan trắc chuyển dịch ngang các công trình dạng thẳng (đập thuỷ lợi-thuỷ điện, công trình cầu ) là sử dụng phương pháp hướng chuẩn Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng kết hợp các sơ

đồ đo hướng để cho “linh động” hơn trong quá trình thao tác ở thực địa

Tuy nhiên, phương pháp hướng chuẩn có nhược điểm là chỉ có thể xác định được thành phần chuyển dịch theo hướng vuông góc với trục OX (hướng vuông góc với áp lực) Để giải quyết vấn đề này, tác giả luận văn có đề xuất

bổ sung trị đo cạnh trong quan trắc bằng phương pháp hướng chuẩn Điều này hoàn toàn có thể thực hiện được, vì hiện nay với sự phát triển của công nghệ

đo dài bằng các máy toàn đạc điện tử có độ chính xác cao

3 Nhiệm vụ của đề tài

- Thu thập, nghiên cứu các bài toán xử lý số liệu lưới Trắc địa

- Xây dựng nội dung bài toán bình sai lưới quan trắc hướng chuẩn

- Khảo sát trị đo cạnh trong trong các sơ đồ đo hướng chuẩn

- Tính toán khảo nghiệm và ứng dụng trong thực tiễn sản xuất

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đo đạc, xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện Đăk Mi 4

5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp hướng chuẩn và một số biện pháp nâng cao

độ chính xác của phương pháp hướng chuẩn

Nghiên cứu về lưới khống chế cơ sở trong hướng chuẩn trên phương diện thành lập và bình sai lưới

Nghiên cứu xử lý số liệu hướng chuẩn, tính toán bình sai số liệu đo hướng chuẩn

Nghiên cứu ảnh hưởng của chuyển dịch điểm gốc đến độ lệch hướng điểm quan trắc, và ảnh hưởng của sai số số liệu gốc đến độ chính xác xác định độ lệch hướng

Tính toán các tham số chuyển dịch công trình

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: tổng hợp, xử lý các số liệu liên quan

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các tiện ích, phân tích có lôgíc các tư liệu, số liệu làm cơ sở để giải quyết các vấn đề đặt ra

- Phương pháp so sánh: tổng hợp kết quả, so sánh đánh giá và đưa ra các kết luận về các vấn đề đặt ra

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Phát triển, góp phần nâng cao và hoàn thiện trong công tác đo đạc và

xử lý số liệu quan trắc chuyển ngang công trình

8 Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm phần Mở đầu, 4 chương và phần kết luận được trình bày trong 69 trang với 16 bảng và 34 hình và phần phụ lục

Luận văn đã được hoàn thành dưới sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Trần Khánh (Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội) Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này Trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn, tác giả cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, đóng góp quý báu của các thầy cô trong Khoa Trắc địa - Bản đồ, Trường Đại học Mỏ- Địa chất

Hà Nội

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN

1.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

1.1.1 Các hạng mục chính của công trình thủy điện

dựng ngày càng nhiều nhằm đấp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao của đất nước Các công trình thuỷ điện được cấu thành từ tổ hợp nhiều hạng mục phức tạp, đa dạng Cấu trúc của công trình thuỷ điện cơ bản có những hạng mục chính là: hồ chứa nước, cụm đầu mối các công trình chính, các công trình phụ trợ

Hồ chứa nước được hình thành do việc ngăn sông đắp đập, lượng nước trong hồ chứa phục vụ cho nhà máy thuỷ điện Các thông số hồ chứa bao gồm: diện tích lưu vực, dung tích hồ, mức nước dâng bình thường, mức nước chết, mức nước gia cường

Cụm công trình đầu mối là hạng mục quan trọng nhất của nhà máy thuỷ điện, bao gồm:

nhiều loại được thiết kế có kết cấu khác nhau tuỳ theo từng điều kiện cụ thể của công trình, các kết cấu của đập thông dụng hiện nay như: đập đất đá đổ, đập bê tông bản mặt, đập bê tông đầm lăn, đập bê tông thường Về hình dạng

có loại đập thảng và đập vòm Đập tràn gồm có tràn tự do và tràn có điều khiển đóng mở bằng cáp hay thuỷ lực

nhà máy thuỷ điện, kênh xả sau nhà máy Trong cụm công trình này các hạng mục: đường hầm, đường ống áp lực và nhà máy

Cụm công trình phụ trợ gồm có hai nhóm công trình chủ yếu là các công trình phụ trợ phục vụ cho thi công và vận hành như: hệ thống điện, hệ

thống nước, nhà xưởng, kho vật tư thiết bị, bãi để nguyên vật liệu cùng các công trình khác như giao thông, thông tin liên lạc và các công trình phục vụ cho công tác và sinh hoạt của cán bộ công nhân như: nhà quản lý vận hành, văn phòng, nhà ở, bệnh viện, nhà văn hoá

1.1.2 Đặc điểm kết cấu tuyến đập thủy điện

Tuyến đập công trình thủy điện là một trong những hạng mục quan trọng nhất của công trình Độ ổn định của tuyến đập trong quá trình thi công cũng như quản lý vận hành công trình là một trong những tiêu chí kỹ thuật quan trọng được nêu ra trong thiết kế kỹ thuật công trình thủy điện

Về hình dạng, đập thủy điện được chia ra làm 2 loại là đập thẳng và đập vòm Về vật liệu, có 2 loại đập là đập đất đá đổ và đập bê tông Ở Nước ta, các đập đất đá đổ điển hình là đập dâng của các nhà máy thủy điện Hòa bình, Yaly, Sông Hinh…, đa số các đập đất đá đổ đều được thiết kế xây dựng theo dạng đập vòm Trong thời gian gần đây, tuyến đập của các công trình thủy điện thường được thiết kế và thi công dưới dạng đập bê tông trọng lực Ví dụ như các tuyến đập thủy điện Sơn La, Pleikrông, Sê San 3, Sê San 4…ở Nước

ta Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của đập bê tông trọng lực là:

- Có kết cấu bằng bê tông: Bê tông trọng lực, bê tông đầm lăn, bê tông bản mặt

nhiệm vụ chắn nước để tạo ra hồ chứa trong các công trình thủy điện Đập tràn bao gồm các khoang tràn với các cửa van có thể đóng mở được có nhiệm

vụ điều tiết mực nước của hồ chứa

dẫn nước vào các tuốc bin của nhà máy thủy điện Đối với dạng nhà máy sau đập thì cửa nhận nước gắn liền với tuyến đập Đối với dạng nhà máy có tuyến hầm dẫn thì cửa nhận nước nằm ở cuối tuyến đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy

Trên hình 1.1 và hình 1.2 giới thiệu toàn cảnh của một số loại đập thủy điện điển hình đã và đang được xây dựng ở Việt nam

Hình 1.1: Đập đất đá đổ dạng vòm tại thủy điện Hòa Bình

Hình 1.2: Đập bê tông trọng lực dạng thẳng tại thủy điện PleiKrong

1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

1.2.1 Khái niệm về chuyển dịch biến dạng công trình

Do tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo nên các công trình xây dựng đều có thể bị chuyển dịch, biến dạng ở cả giai đoạn thi công cũng như trong thời gian vận hành sử dụng

Chuyển dịch công trình là sự thay đổi vị trí của công trình trong không gian và diễn ra theo thời gian Bao gồm chuyển dịch thẳng đứng và chuyển dịch ngang

Chuyển dịch thẳng đứng là sự thay đổi vị trí công trình theo phương

của dây dọi (thay đổi độ cao), theo chiều lên gọi là Trồi (ký hiệu là +S), theo chiều xuống gọi là Lún (ký hiệu là -S)

Chuyển dịch ngang là sự thay đổi vị trí công trình trong mặt phẳng nằm

ngang, có thể diễn ra theo hướng bất kỳ hoặc theo một hướng xác định (theo hướng áp lực lớn nhất), ký hiệu là Q

Biến dạng công trình là sự thay đổi mối tương quan hình học của công

trình ở quy mô tổng thể hoặc ở các kết cấu thành phần Biến dạng xẩy ra do chuyển dịch không đều giữa các bộ phận công trình Các biểu hiện của biến dạng thường thấy là các hiện tượng như cong, vênh, vặn xoắn, rạn nứt công trình

1.2.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình thủy điện

Có nhiều nguyên nhân gây ra chuyển dịch và biến dạng công trình thủy điện, nhưng quy nạp lại có hai nhóm nguyên nhân chính như sau:

1 Nhóm nguyên nhân thứ 1: là nhóm có liên quan đến các điều kiện tự nhiên,

cụ thể là:

- Do tính chất cơ lý của các lớp đất đá dưới nền móng công trình

- Do ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm, gió, hướng chiếu sáng

- Sự thay đổi chế độ nước mặt và nước ngầm

- Sự vận động nội sinh trong lòng đất

2 Nhóm nguyên nhân thứ 2: bao gồm các nguyên nhân có liên quan đến quá

trình xây dựng và vận hành công trình, gồm có:

- Do sự gia tăng tải trọng của công trình

- Do xây dựng công trình (xây ngầm hoặc xây chen)

- Do khai thác nước ngầm

- Do những sai sót trong quá trình khảo sát địa chất

1.2.3 Mục đích và nhiệm vụ quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình

1 Mục đích

- Để xác định mức độ chuyển dịch và biến dạng công trình

- Tìm nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình

- Tìm biện pháp phòng và chống hậu quả của chuyển dịch biến dạng công trình gây nên

2 Nhiệm vụ:

- Thiết kế phương án quan trắc

- Tổ chức đo đạc ngoại nghiệp

- Xử lý số liệu đo, tính các thông số chuyển dịch biến dạng công trình

- Phân tích kết quả quan trắc và dự báo chuyển dịch, biến dạng của công trình trong tương lai gần

1.2.4 Yêu cầu độ chính xác quan trắc

Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch chính là độ chính xác cần thiết xác định chuyển dịch công trình, chỉ tiêu định lượng của đại lượng này phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ lý đất đá dưới nền móng, đặc điểm kết cấu

- Theo tiến độ dự báo, yêu cầu độ chính xác quan trắc được xác định

Q - Giá trị chuyển dịch dự báo giữa 2 chu kỳ quan trắc

xác xuất được chấp nhận Đối với công tác quan trắc biến dạng thường lấy

quan trắc chuyển dịch là:

Q

Nếu chuyển dịch công trình có giá trị dự báo là nhỏ thì đại lượng

tính theo công thức (1.2) cũng sẽ rất nhỏ, trong một số trường hợp sẽ rất

khó đạt tiêu chuẩn độ chính xác như vậy

Q

m

- Trong thực tế, yêu cầu độ chính xác quan trắc thường được xác định

dựa vào điều kiện nền móng, đặc điểm kết cấu đối với từng loại công trình cụ thể

(các tiêu chuẩn này do cơ quan quản lý ngành ban hành) Yêu cầu độ chính xác

đối với công trình dân dụng- công nghiệp được đưa ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Yêu cầu độ chính xác đo lún và chuyển dịch ngang công trình

và chuyển dịch ngang

4 Công trình xây dựng từ vật liệu đất 15 mm

Đối với các công trình đặc biệt, công trình quan trọng đòi hỏi độ chính

xác cao thì dựa vào đặc điểm, quy trình thi công và thời gian sử dụng công

trình mà tiến hành lập phương án quan trắc chuyển dịch ngang cho từng công

trình

1.2.5 Chu kỳ quan trắc

Chu kỳ quan trắc là khoảng thời gian giữa các lần quan trắc Việc xác

định khoảng thời gian hợp lý là rất quan trọng, nếu thời gian ngắn sẽ gây nên

lãng phí, nếu quá thưa sẽ bỏ qua những chuyển dịch lớn

Thời gian thực hiện các chu kỳ quan trắc chuyển dịch được tiến hành

dựa vào các yếu tố: Loại công trình, loại nền móng công trình, đặc điểm áp

lực ngang, mức độ chuyển dịch ngang, lịch thi công công trình

Việc quan trắc được thực hiện theo các chu kỳ và quy định như sau :

Chu kỳ đầu tiên được thực hiện khi các mốc chuẩn đã ổn định và công trình

chưa chịu áp lực ngang

- Chu kỳ 2 được thực hiện ngay sau khi có áp lực ngang tác động tới

công trình

Các chu kỳ tiếp theo được thực hiện tùy thuộc vào mức tăng, giảm áp lực

ngang tới công trình, nếu mức tăng giảm này vượt quá 25% áp lực tính toán

- Thời kỳ vận hành công trình, việc quan trắc được tiến hành 1-2

lần/năm

- Khi tốc độ chuyển dịch của công trình không vượt quá 2mm/năm thì

có thể ngừng việc quan trắc

- Trong điều kiện vận hành công trình hoặc mức độ chuyển dịch công

trình có thay đổi đột ngột thì phải quan trắc bổ sung

1.3 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ LƯỚI QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

1.3.1 Nguyên lý quan trắc chuyển dịch ngang

Về định lượng, chuyển dịch của đối tượng bất kỳ trong mặt phẳng ngang giữa 2 thời điểm quan trắc i và j được xác định thông qua các đại lượng sau (hình 1.3):

- Chuyển dịch theo trục Y

) ( ) j i

- Vector chuyển dịch toàn phần

2 2

Như vậy, chuyển dịch ngang công trình có thể được xác định bằng cách

đo và so sánh tọa độ của các điểm mốc quan trắc gắn tại những vị trí đặc trưng trên công trình ở các chu kỳ quan trắc khác nhau Để đo tọa độ các điểm quan trắc với độ chính xác cần thiết, thường xây dựng mạng lưới trắc địa mặt bằng chuyên dụng trong mỗi chu kỳ đo

1.3.2 Thiết kế lưới mặt bằng quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Như đã nêu trong mục 1.3.1: chuyển dịch ngang công trình được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ các điểm quan trắc gắn trên công trình ở 2 chu

kỳ quan trắc khác nhau Như vậy để thực hiện quan trắc chuyển dịch cần phải xây dựng một mạng lưới khống chế với 2 loại điểm mốc:

phạm vi ảnh hưởng chuyển dịch của công trình, các mốc này có tác dụng là

cơ sở tọa độ gốc cho toàn bộ công tác quan trắc và được gọi là mốc khống chế

cơ sở Yêu cầu đối với điểm mốc khống chế là phải có vị trí ổn định trong

suốt quá trình quan trắc

với đối tượng quan trắc và được gọi là mốc chuyển dịch (mốc quan trắc)

- Trong tất cả các chu kỳ quan trắc, cần phải định vị lưới trong cùng một hệ thống tọa độ đã chọn từ chu kỳ đầu tiên Nguyên tắc này đảm bảo cho bậc lưới quan trắc không chịu ảnh hưởng do những chuyển dịch nếu có của các điểm bậc lưới cơ sở

- Việc bình sai lưới quan trắc phải được thực hiện sao cho các kết quả bình sai không chịu ảnh hưởng của sai số số liệu gốc

Còn yêu cầu độ chính xác các bậc lưới thì như sau Đối với lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình, độ chính xác của mỗi bậc lưới cần phải được xác lập xuất phát từ yêu cầu độ chính xác cần thiết của việc quan trắc cho trong bảng 1.1 Theo đó, chỉ tiêu độ chính xác của mỗi bậc lưới được xác định như sau [3]:

) ( )

j i Y

j i X

Y Y Q

X X Q

Coi độ chính xác đo trong các chu kỳ là như nhau, sẽ xác định được:

=

= +

=

2 2

2 2

2 2

2 2

2

2

) )

) )

Y Y

Y Q

X X

X Q

m m

m m

m m

m m

j i Y

j i

X

(1.7)

2 2

2 2

2

m = X + Y = + =

Từ đó xác định được mối quan hệ giữa sai số vị trí điểm và sai số

chuyển dịch đối với điểm quan trắc:

2

Q P

m

2 Xác định sai số các bậc lưới

Trong hệ thống lưới có n bậc với hệ số giảm độ chính xác giữa các bậc

định theo công thức

P m

) 1 ( 2 2

=

n

i P i

k k

k m

Ví dụ: Đối với hệ thống lưới 2 cấp (n=2) và chọn hệ số giảm độ chính xác

k=2, với số liệu đưa ra trong bảng 1.1, tính được sai số tổng hợp và sai số các

cấp lưới như trong bảng 1.2:

Bảng 1.2: Yêu cầu độ chính xác các cấp lưới

1.4 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH

NGANG CÔNG TRÌNH

Hiện nay trong thực tế sản xuất có nhiều phương quan trắc chuyển dịch

công trình như phương pháp đo đạc trên mặt đất, phương pháp chụp ảnh, ứng

dụng công nghệ GPS (Global Positioning System) Trong luận văn tác giả xin

giới thiệu các phương pháp đo đạc trên mặt đất

Chuyển dịch ngang công trình được xác định trên cơ sở so sánh toạ độ mốc quan trắc ở các thời điểm (chu kỳ) đo khác nhau Tuỳ thuộc đặc điểm kết cấu công trình, có thể thành lập lưới quan trắc bằng các phương pháp đo tọa

độ (tam giác, đa giác, giao hội) hoặc đo hướng

1.4.1 Phương pháp tọa độ

Trong phương pháp tọa độ, chuyển dịch ngang của đối tượng quan trắc được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ của đối tượng đó ở các thời điểm khác nhau theo các công thức từ 1.3 đến 1.5

1 Phương pháp tam giác

Phương pháp tam giác (với các đồ hình đo góc, đo cạnh hoặc đo góc cạnh) thường được ứng dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của các công trình xây dựng ở các vùng đồi núi như các đập thủy lợi- thủy điện, công trình cầu, đường…Các mốc quan trắc được bố trí ở những vị trí đặc trưng của công trình, có kết cấu thuận tiện cho việc đặt máy, gương hoặc bảng ngắm Để đo các yếu tố (góc, cạnh) Trong lưới có thể sử dụng máy kinh vĩ hoặc máy toàn đạc điện tử chính xác cao Lưới quan trắc được tính toán bình sai theo phương pháp chặt chẽ để đảm bảo độ tin cậy của kết quả

-Lưới quan trắc được xây dựng theo hình thức tam giác thường là mạng lưới dày đặc với đồ hình rất chặt chẽ, cho phép xác định tọa độ các điểm trong lưới với độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng trị đo trong lưới tam giác

thường là lớn nên đo đạc trong mạng lưới cũng tốn nhiều thời gian, công sức

và các chi phí khác Trên hình 1.4 nêu ví dụ về một mạng lưới quan trắc chuyển dịch công trình

Hình 1.4: Lưới tam giác trong quan trắc chuyển dịch ngang

A, B,…E là các điểm khống chế, đặt ngoài công trình

1, 2, 3 là các điểm quan trắc gắn trên công trình

Lưới quan trắc thành lập theo hình thức tam giác thường là mạng lưới dày đặc với đồ hình rất chặt chẽ, cho phép xác định toạ độ các điểm trong lưới với độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng trị đo trong lưới tam giác thường lớn nên việc đo đạc trong mạng lưới cũng tốn nhiều thời gian, công sức và các chi phí khác

2 Phương pháp đa giác

Phương pháp đa giác được sử dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của những công trình có dạng hình cung như các tuyến đường, hầm giao thông, tuyến đập dạng vòm Trên mỗi tuyến quan trắc được xây dựng 1 đường chuyền qua các mốc gắn tại công trình, ở hai đầu được dựa trên hai điểm khống chế cơ sở và đo nối ít nhất 2 phương vị gốc Đo góc, cạnh trong tuyến

đa giác bằng máy toàn đạc điện tử chính xác

Tuyến đa giác để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thường có dạng gần với đường chuyền duỗi thẳng Sai số vị trí các điểm của tuyến phụ thuộc vào sai số đo góc m và sai số đo cạnh m , điểm yếu nhất (sau bình sai) sẽ là điểm nằm ở giữa tuyến

2 1

ß 2

QT3 5

ß 6

S 6

ß 7

S 5 4

QT2 QT1

QT4

Hình 1.5: Sơ đồ lưới quan trắc trong phương pháp đa giác

3 Phương pháp giao hội

Các dạng lưới giao hội (giao hội góc, giao hội cạnh và giao hội góc- cạnh) có thể được áp dụng để quan trắc chuyển dịch ngang công trình một cách hiệu quả Lưới giao hội dễ phù hợp với nhiều dạng địa hình, nhiều loại công trình và triển khai thi công thuận tiện bằng các loại máy toàn đạc điện

tử Khi thiết kế phương án cần cân nhắc, lựa chọn đồ hình giao hội phù hợp,

để vừa bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật quan trắc, vừa đạt hiệu quả kinh tế của công việc Trong lưới giao hội, máy đo được đặt tại các điểm khống chế cơ

sở, tiêu ngắm (hoặc gương) đặt tại các mốc quan trắc Từ các điểm lưới khống chế tiến hành đo các yếu tố cần thiết (góc hoặc cạnh) đến tất cả các điểm quan trắc trên tuyến (Hình 1.6)

Nhiều kết quả khảo sát lý thuyết và thực nghiệm cho thấy tương quan

độ chính xác giữa các đồ hình lưới giao hội góc, giao hội cạnh và giao hội góc- cạnh như sau:

- Khi chiều dài cạnh ngắn thì độ chính xác của giao hội góc và giao hội cạnh là tương đương

- Khi chiều dài cạnh tăng lên độ chính xác của lưới giao hội góc giảm rất nhanh so với lưới giao hội cạnh, đồng thời độ chính xác của giao hội góc- cạnh cũng không tăng nhiều so với giao hội cạnh

Từ những phân tích trên có thể nhận thấy: với các mạng lưới cỡ vừa và lớn (chiều dài trong lưới giao hội dao động trong khoảng 300 ÷ 1500m ) thì

áp dụng giao hội cạnh là có lợi nhất

1.4.2 Phương pháp hướng chuẩn

xuất phương pháp hướng chuẩn để quan trắc chuyển dịch công trình dạng thẳng như đập chắn nước hồ chứa, đập thuỷ điện, cầu…với nguyên tắc chủ yếu như sau:

hướng thẳng góc với hướng chuẩn có thể xác định trên cơ sở so sánh độ lệch

M9 M5

hướng (khoảng cách từ điểm đó tới hướng chuẩn) của điểm i tại các thời điểm

hướng chuẩn (trục OX) và nhận trục vuông góc với hướng chuẩn làm trục tung (trục OY), các giá trị độ lệch hướng trong các chu kỳ được xác định bằng phương pháp đo góc nhỏ hoặc bảng ngắm

Y

Hình 1.7: Xác định chuyển dịch ngang theo hướng chuẩn

Phương pháp hướng chuẩn có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện và cho

độ chính xác cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp quan trắc này là chỉ cho phép xác định chuyển dịch theo một hướng (hướng vuông góc với hướng chuẩn)

Chương 2

KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG CHUẨN

QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

2.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HƯỚNG CHUẨN

2.1.1 Hướng chuẩn và độ lệch hướng

1 Khái niệm về hướng chuẩn

Hướng chuẩn qua hai điểm là mặt phẳng thẳng đứng đi qua hai điểm

đó Trên hình 2.1 thể hiện mặt phẳng thẳng đứng P là hướng chuẩn qua hai điểm A, B

Hình 2.1: Khái niệm về hướng chuẩn

2 Độ lệch hướng

Độ lệch hướng của điểm (i) so với hướng chuẩn là khoảng cách từ điểm

i đến hướng chuẩn (mặt phẳng thẳng đứng) Cũng trên hình 2.1: điểm 1 có độ

bên phải mặt phẳng P mang dấu (+), lệch về bên trái mang dấu (-)

Công tác trắc địa thực hiện với mục đích xác định độ lệch hướng của các điểm quan trắc so với mặt phẳng đứng qua 2 điểm cơ sở được gọi là đo hướng chuẩn

2.1.2 Phương pháp thành lập hướng chuẩn

Phụ thuộc vào phương tiện thành lập, hướng chuẩn được chia thành 3 loại: hướng chuẩn cơ học được xác định bằng cách căng dây qua hai điểm cố định, hướng chuẩn quang học tạo bởi tia ngắm từ điểm đặt máy đến điểm đặt tiêu, hướng chuẩn laser tạo bởi trục của chùm tia sáng laser từ điểm đặt máy đến điểm đặt tiêu

Trong ba loại hướng chuẩn trên thì hướng chuẩn quang học là loại được

sử dụng rộng rãi nhất trong trắc địa do tính đơn giản, khả năng tạo lập các hướng chuẩn có chiều dài lớn

- Quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp hướng chuẩn

Trong phương pháp hướng chuẩn thường lấy trục hoành trùng với hướng chuẩn và trục tung vuông góc với nó Chuyển dịch ngang một điểm của công trình là sự thay đổi tung độ của điểm đó trong các chu kỳ quan trắc khác nhau

δ1và ở chu kỳ 2 có vị trí i2 với độ lệch hướng δ2 (hình 2.2):

Hình 2.2: Đo chuyển dịch ngang theo phương pháp hướng chuẩn

Khi đó chuyển dịch của điểm i theo hướng vuông góc với hướng chuẩn gốc AB được tính theo công thức:

Phương pháp hướng chuẩn có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện và cho

độ chính xác cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp quan trắc này là chỉ

cho phép xác định chuyển dịch theo một hướng (vuông góc với hướng chuẩn)

2.1.3 Các phương pháp đo độ lệch hướng

Trong phương pháp hướng chuẩn quang học có hai cách đo độ lệch hướng là phương pháp góc nhỏ và phương pháp bảng ngắm di động

1 Phương pháp góc nhỏ

Để đo độ lệch của điểm i so với hướng chuẩn AB, tại điểm A đặt máy

Hình 2.3: Phương pháp góc nhỏ đo độ lệch hướng

Độ lệch hướng của điểm i tính theo công thức:

) ( Sin β

2 Phương pháp bảng ngắm di động

Bảng ngắm di động (hình 2.4) là thiết bị ngắm chuyên dùng, gồm có bảng ngắm (1) được đặt và có khả năng trượt trên thước khắc vạch (2), vạch khắc mm bắt đầu từ “0” ở giữa, được đánh số tăng (giảm) dần về bên phải (trái) của thước Thước khắc vạch được đặt cố định lên đế (3)

Khi đo, đặt mỏy tại A, bảng ngắm cố định tại B, thành lập hướng chuẩn A-B Đặt bảng ngắm di động tại điểm quan trắc (N) sao cho thước khắc vạch thẳng gúc với hướng A-B Dựng vớt vi động điều chỉnh bảng ngắm cho đến

số đọc trờn thước khắc vạch tại điểm quan trắc và số đọc ban đầu của thước (hỡnh 2.4)

N

A

B δ

1 2

3

Hỡnh 2.4: Bảng ngắm đi động Hỡnh 2.5: Đo độ lệch hướng bằng bảng ngắm đi động

Số đọc ban đầu là số đọc khi trục đối xứng của bảng ngắm di động đi qua tõm mốc Muốn cú số đọc ban đầu cần đọc số 2 lần (một lần khi bảng

ban đầu) và lấy trung bỡnh

0

Cần phải đo ngắm ở hai vị trớ bàn độ đứng của mỏy kinh vĩ để khử sai

của cỏc lần đọc số Sai số trung phương của độ lệch hướng y được tớnh theo cụng thức:

2.1.4 Sơ đồ đo hướng chuẩn

Nhiều công trình hiện đại với kích thước lớn (như các tuyến đập thuỷ lợi- thuỷ điện, cầu vượt ) có điều kiện đo ngắm phức tạp và lại đòi hỏi độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang cao Do đó, phải xác định các sơ đồ và biện pháp đo hướng chuẩn thích hợp để vừa bảo đảm yêu cầu độ chính xác quan trắc, vừa ứng dụng linh hoạt, phù hợp với điều kiện thực địa tại từng công trình

1 Sơ đồ toàn hướng

2,…,n) được xác định trực tiếp so với hướng chuẩn gốc AB theo 2 chiều thuận nghịch, cụ thể là: Đo theo chiều thuận: đặt máy tại A, định hướng về B

và lần lượt đo độ lệch hướng của các điểm quan trắc 1, 2, …, n (đo ở hai vị trí bàn độ đứng bên trái và bên phải để hạn chế ảnh hưởng một số nguồn sai số của máy), kết quả xác được các giá trị lệch hướng: δ'1, δ'2, , δ'n, đo theo chiều nghịch: đặt máy tại B, định hướng về A, đo độ lệch hướng của các điểm quan trắc n, (n – 1) , 1, kết quả xác được các giá trị lệch hướng: δ"n, δ"n-1, , δ"1

(hình 2.6) Trong sơ đồ toàn hướng, độ lệch hướng điểm quan trắc nằm ở giữa tuyến có độ chính xác thấp nhất

2 Sơ đồ phân đoạn

Trong sơ đồ phân đoạn, chia hướng chuẩn ban đầu A-B thành những

đoạn nhỏ hơn để tạo thành một số hướng chuẩn phụ, các điểm chia gọi là

điểm nút (trên hình 3.15: hướng A-B được chia thành 2 đoạn với k là điểm

nút)

Ο 1

Hình 2.7: Sơ đồ phân đoạn

Độ lệch hướng các điểm nút được xác định trực tiếp so với hướng chuẩn A-B Độ lệch hướng các điểm quan trắc khác nằm trong đoạn nào thì được đo so với các hướng chuẩn phụ tương ứng (ký hiệu các độ lệch hướng

đo này là Δ), sau đó tính chuyển về độ lệch hướng so với hướng chuẩn gốc

AB (hình 2.7)

Ví dụ như trên hình vẽ 3.15, trình tự đo được triển khai như sau: Đo độ

tiếp theo độ lệch hướng các điểm 1, 2 so với hướng chuẩn A-k, xác định được

3 Sơ đồ nhích dần

Trong sơ đồ nhích dần, quá trình đo được thực hiện như sau: Đặt máy

và cứ thực hiện tiếp tục như thế cho đến điểm đo cuối cùng: đặt máy tại điểm

n-1, định hướng về B, đo độ lệch hướng điểm n, kết quả đo là Δn Đo theo

1

Hình 2.9: Sơ đồ giao chéo

Trong sơ đồ giao chéo, quá trình đo được thực hiện như sau: Đặt máy ở

hướng (n-1)-B

Đối với tất cả các so đồ đo, dựa vào các mối liên kết hình học để tính chuyển trị đo về giá trị độ lệch hướng so với hướng chuẩn gốc ban đầu

5 So sánh độ chính xác của các sơ đồ hướng chuẩn

Để so sánh sai số trung phương xác định độ lệch hướng của các điểm trong 4 sơ đồ hướng chuẩn, trong luận văn đã thực hiện ước tính cho một hướng chuẩn gồm hai điểm gốc và 7 điểm quan trắc được bố trí cách đều

nhau, chiều dài của hướng chuẩn là S =800m (hình 2.10), độ lệch hướng được đo theo phương pháp góc nhỏ với m = 1” Kết quả phân tích, tính toán được đưa ra trong bảng 2.1

B

A− β

Sơ đồ nhích dần

Sơ đồ giao chéo

sơ đồ phân đoạn có độ chính xác tương đương nhau Trong cả 4 phương pháp

đo trên thì điểm yếu nhất là điểm nằm ở giữa tuyến, 2 điểm ở 2 đầu tuyến có

độ chính xác cao nhất

2.2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG CHUẨN

2.2.1 Đề xuất nâng cao độ chính xác trong sơ đồ giao chéo

Kết quả khảo sát độ chính xác các sơ đồ hướng chuẩn cho thấy sơ đồ giao chéo tuy có độ chính xác thấp nhưng có ưu điểm nổi bật là không cần thông hướng tầm nhìn giữa điểm đầu và cuối hướng chuẩn, do đó sơ đồ này

có tính linh hoạt cao và được áp dụng nhiều tại các đập có hình dạng khác nhau

Để nâng cao độ chính xác của sơ đồ giao chéo, trong luận văn đề xuất thay đổi các sơ đồ bằng cách kéo dài dần đường đáy đo (hình 2.11)

Hình 2.11: Sơ đồ giao chéo cải tiến

53

(i, i+1, i+2) ; (i= 0, 1,…n-2)

Các sơ đồ đề xuất khảo sát sẽ lần lượt được mô tả theo các phương án như sau

Phương án 1 (i, i+1, i+3)

Phương án 2 (i, i+1, i+4)

Phương án 3 (i, i+1, i+5)

………

Để so sánh độ chính xác giữa các phương án đề xuất trong sơ đồ giao chéo, chúng tôi tính thử nghiệm cho tuyến đo theo ví dụ ở hình 2.10 Kết quả ước tính sai số độ lệch hướng được đua ra trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Độ chính xác các phương án đo trong sơ đồ giao chéo

Các phương án kéo dài cạnh đáy đo Tên

điểm

Sơ đồ giao chéo

ở phương án 1, xuống 2,29mm ở phương án 2 và giảm xuống còn 1,80mm ở phương án 3 Điều này mở ra cho sơ đồ giao chéo một triển vọng ứng dụng để quan trắc những đập có dạng hình cung với độ chính xác cao tương đương với

độ chính xác theo sơ đồ phân đoạn

2.2.2 Đề xuất đo chính xác chiều dài cạnh trong hướng chuẩn

Phương pháp hướng chuẩn kinh điển có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện và cho độ chính xác cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là chỉ cho phép xác định chuyển dịch theo một hướng (là hướng vuông góc với hướng chuẩn)

Nếu chỉ đo độ lệch hướng và đo gần đúng khoảng cách từ các điểm quan trắc đến các điểm khống chế ở hai đầu hướng thì không xác định được chuyển dịch của điểm quan trắc theo hướng song song với hướng chuẩn Tuy

nhiên với việc xuất hiện các loại máy đo dài có độ chính xác cao trong sản xuất, tác giả nhận thấy rằng có thể xác định chuyển dịch theo hướng còn lại nếu chúng ta bổ sung trị đo khoảng cách từ điểm khống chế đến điểm quan trắc

1 Đo cạnh trong sơ đồ toàn hướng

Giả sử với đồ hình trên hình 2.12, ngoài việc đo độ lệch hướng chuẩn y của điểm P so với hướng chuẩn AB, thực hiện đo bổ sung thêm các cạnh

với sai số trung phương tương ứng là m , m

Hình 2.12: Đo cạnh trong hướng chuẩn

"

1 1 '

β

β

Cos S X X

Cos S X X

B P

A P

hai chiều tính theo các công thức:

S P m m

m m

theo nguyên tắc trung bình cộng trọng số và thể hiện qua công thức sau:

P X

2 2

2 1

2

1

S S

S S X

m m

m m m

Ví dụ: Đồ hình 9 mốc quan trắc nằm trên một hướng chuẩn, khoảng

cách giữa các mốc là 100m (hình 2.13) Đặt máy toàn đạc điện tử GTS-6001 (

có độ chính xác đo cạnh là m = 3+2ppm) tại hai mốc khống chế cơ sở A và

B, thực hiện đo cạnh tới các mốc quan trắc (S =1000m) Sai số vị trí các điểm quan trắc được đưa ra trong bảng 2.3

S

AB

DC

B

9 8

7

6 54

3

2 1

Như vậy, việc bổ sung các trị đo cạnh như trên cho phép xác định thêm thành phần chuyển dịch theo hướng song song với hướng chuẩn, điều này khắc phục được một trong những nhược điểm chính của phương pháp hướng chuẩn và mở rộng đáng kể khả năng ứng dụng của sơ đồ này

Trong sơ đồ toàn hướng thì điểm quan trắc nằm ở giữa tuyến có độ chính xác thấp nhất

2 Đo cạnh trong sơ đồ phân đoạn

Trong sơ đồ đo phân đoạn (hình 2.14), đo cạnh Ak và Bk (k là điểm nút phân đoạn) Trong hướng chuẩn phụ Ak từ A đến k đo cạnh đến tất cả các

độ chính xác như nhau (điều này phù hợp với điều kiện dùng máy toàn đạc điện tử khi đo cạnh ngắn)

k

Y

Hình 2.14: Đo cạnh trong sơ đồ phân đoạn

Sai số trung phương hoành độ điểm k và các điểm khác trong tuyến Ak hoặc Bk được ước tính độ chính xác từ phương pháp bình sai gián tiếp lưới khống chế hướng chuẩn với các trị đo góc lệch có sai số m = 2” và các

vẫn là điểm có độ chính xác thấp nhất

3 Đo cạnh trong sơ đồ nhích dần và sơ đồ giao chéo

Trong cả sơ đồ nhích dần và sơ đồ giao chéo việc đo cạnh được thực hiện theo trình tự giống nhau bằng cách đo lần lượt tất cả các cạnh giữa các điểm khống chế và kiểm tra theo chiều từ A đến B hoặc ngược lại (hình 2.15)

Bj S

i

j

1

X

Hình 2.15: Đo cạnh trong sơ đồ nhích dần và giao chéo

Sai số hoành độ điểm i bất kỳ được xác định từ hai tuyến đo Ai và Bi:

- Theo tuyến Ai:

Xi 1

2 2

−

Sn

2 1 +

=

=

i n m m

i m m

S

s Xi

1

)1.(