Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng bảo đảm thi công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN HÀ

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG

LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG BẢO ĐẢM THI CÔNG

CÁC CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN HÀ

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG

LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG BẢO ĐẢM THI CÔNG

CÁC CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 9520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TRẦN KHÁNH

HÀ NỘI - 2018

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong

bất cứ một công trình nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Hà

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................i

MỤC LỤC............................................................................................................................ii

DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................................................viii

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI

CÔNG THUỶ ĐIỆN............................................................................................................6

1.1. Đặc điểm cấu trúc công trình thủy điện .................................................................... 6

1.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với lưới khống chế mặt bằng thi công thuỷ điện .............. 11

1.3. Thiết bị trắc địa để thực hiện đo đạc trong thi công thuỷ điện............................. 14

1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn xây dựng lưới khống

chế thi công thủy điện....................................................................................................... 15

1.5. Đánh giá chung về công tác xây dựng lưới khống chế mặt bằng thi công thuỷ

điện và hướng nghiên cứu trong luận án ...................................................................... 222

Chương 2. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ THIẾT KẾ LƯỚI

KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG THI CÔNG THUỶ ĐIỆN ................................................24

2.1. Yêu cầu chung đối với lưới khống chế mặt bằng thi công thuỷ điện.................. 24

2.2. Xác lập hệ quy chiếu đối với mạng lưới mặt bằng thi công thủy điện ............... 30

2.3. Phân tích các phương pháp thành lập lưới khống chế mặt bằng ......................... 35

2.4. Khảo sát một số dạng đồ hình đặc trưng của lưới thi công thuỷ điện................. 39

2.5. Ước tính độ chính xác lưới mặt bằng thi công thủy điện ..................................... 46

2.6. Tối ưu hoá bản thiết kế lưới ..................................................................................... 49

2.7. Kết luận chương 2...................................................................................................... 53

Chương 3. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI MẶT

BẰNG THI CÔNG THỦY ĐIỆN ....................................................................................54

3.1. Yêu cầu chung đối với công tác xử lý số liệu lưới khống chế thi công thuỷ

điện...................................................................................................................................... 54

iii

3.2. Khảo sát ứng dụng phương pháp bình sai tự do để xử lý số liệu lưới khống chế

thi công thủy điện .............................................................................................................. 55

3.3. Bình sai lưới thi công thành lập bằng phương pháp đo đạc mặt đất ................... 60

3.4. Bình sai lưới thi công thành lập bằng phương pháp GPS..................................... 64

3.5. Tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ công trình .................................................. 67

3.6. Kết luận chương 3...................................................................................................... 70

Chương 4. THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI MẶT BẰNG

THI CÔNG THUỶ ĐIỆN .................................................................................................71

4.1. Nội dung thực nghiệm............................................................................................... 71

4.2. Thực nghiệm xác lập hệ tọa độ công trình ............................................................. 72

4.3. Thực nghiệm thiết kế lưới thi công thủy điện thành lập bằng phương pháp đo đạc

mặt đất................................................................................................................................. 77

4.4. Thực nghiệm tính toán thiết kế lưới thi công thủy điện thành lập bằng phương

pháp kết hợp GPS- mặt đất............................................................................................... 81

4.5. Thực nghiệm tối ưu hóa bản thiết kế lưới............................................................... 83

4.6. Thực nghiệm bình sai lưới mặt đất.......................................................................... 86

4.7. Thực nghiệm xử lý số liệu lưới thi công thủy điện thành lập bằng phương pháp

GPS ..................................................................................................................................... 89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................................95

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN

QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN..............................................................................97

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................98

PHỤ LỤC .........................................................................................................................102

Phụ lục 1. Kết quả tính toán thiết kế lưới mặt bằng công trình thủy điện Sơn La (Phương

án có đo cạnh biên)...........................................................................................................103

Phụ lục 2. Kết quả tính toán thiết kế lưới mặt bằng công trình thủy điện Sơn La (Phương

án không đo cạnh biên)....................................................................................................108

Phụ lục 3. Ước tính độ chính xác lưới kết hợp GPS- mặt đất .......................................112

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Tên bảng Nội dung Trang

1 Bảng 1.1 Phân cấp công trình thuỷ điện 11

2 Bảng 1.2

Quy định độ chính xác bố trí công trình thủy

điện

13

3 Bảng 1.3 Thiết bị đo đạc điện tử mặt đất 14

4 Bảng 1.4 Thiết bị đo đạc vệ tinh 15

5 Bảng 2.1

Yêu cầu độ chính xác đối với lưới thi công thủy

điện

25

6 Bảng 2.2

Sự phụ thuộc giữa số cải chính chiều dài cạnh

và hoành độ trung bình cạnh đo

32

7 Bảng 2.3 Kết quả tính số cải chính chiều dài cạnh 35

8 Bảng 2.4

Kết quả tính sai số hướng ngang điểm đào

thông

43

9 Bảng 2.5

Quan hệ giữa sai số điểm cuối và số lượng, sai

số phương vị đo 45

10 Bảng 4.1

Thống kê tọa độ và độ cao các mốc tam giác

thuỷ công

73

11 Bảng 4.2 Các tham số lưới( phương án 1) 73

12 Bảng 4.3 Kết quả tính chuyển tọa độ (pa 1) 74

13 Bảng 4.4

Kết quả tọa độ tính chuyển về kinh tuyến trung

bình

75

14 Bảng 4.5

Kết quả tọa độ tính chuyển lên mặt phẳng trung

bình

75

15 Bảng 4.6

So sánh chiều dài cạnh giữa 2 phương án chọn

hệ tọa độ

76

v

16 Bảng 4.7

So sánh chiều dài cạnh với kết quả đo trực tiếp

bảng máy TĐĐT

77

17 Bảng 4.8 Thông số lưới 79

18 Bảng 4.9 Kết quả ước tính sai số vị trí điểm 80

19 Bảng 4.10 Tham số đặc trưng độ chính xác lưới 80

20 Bảng 4.11 Thông số lưới thi công thủy điện Sông Ba Hạ 82

21 Bảng 4.12 Kết quả ước tính sai số vị trí điểm 82

22 Bảng 4.13

Kết quả thực nghiệm thiết kế tối ưu theo độ

chính xác

84

23 Bảng 4.14 Thông số của mạng lưới 86

24 Bảng 4.15 Tọa độ các điểm khởi tính chuẩn 86

25 Bảng 4.16 Kết quả đo góc hi) 87

26 Bảng 4.17 Kết quả đo cạnh 87

27 Bảng 4.18 Kết quả tọa độ bình sai 88

28 Bảng 4.19 Tham số đặc trưng của lưới 88

29 Bảng 4.20

Kết quả bình sai trong hệ tọa độ phẳng ở chế

độ FIX 1 điểm gốc tế) 90

30 Bảng 4.21 Tính toán độ lệch tọa độ điểm khởi tính ểt) 90

31 Bảng 4.22 Tọa độ bình sai điều chỉnh 91

32 Bảng 4.23

Tính chuyển tọa độ qua múi chiếu và dâng lên

độ cao trung bình

92

33 Bảng 4.24 Tọa độ các điểm song trùng 93

34 Bảng 4.25

Kết quả tọa độ tính chuyển về hệ tọa độ công

trình

93

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

STT Tên hình vẽ Nội dung Trang

1 Hình 1.1 Mặt bằng công trình thuỷ điện sau đập 7

2 Hình 1.2

Sơ đồ mặt bằng phân bố công trình thủy điện

dạng đường dẫn

7

3 Hình 1.3 Tuyến đập và hồ chứa công trình thuỷ điện 9

4 Hình 1.4 Đường hầm dẫn nước 9

5 Hình 1.5 Đường ống áp lực 9

6 Hình 1.6 Nhà máy thủy điện 10

7 Hình 1.7

Thiết bị đo đạc điện tử ứng dụng trong thi công

lưới (a,b,c)

16

8 Hình 1.8

Hình ảnh mốc lưới thi công tại một số công trình

thủy điện (a,b)

18

9 Hình 1.9

Lưới khống chế thi công tại công trình thủy điện

(a,b)

18

10 Hình 1.10

Lưới khống chế thi đường hầm tại dự án

Trerpukhop 19

11 Hình 1.11 Lưới khống chế thi công thủy điện Sơn La 20

12 Hình 1.12 Lưới khống chế thi công thủy điện A Lưới 21

13 Hình 1.13 Sơ đồ lưới thi công-Thủy điện Sông Ba Hạ 22

14 Hình 2.1 Sơ đồ lưới thi công tuyến đập 28

15 Hình 2.2 Sơ đồ lưới thi công tuyến năng lượng 28

16 Hình 2.3 Sơ đồ lưới thi công khu vực nhà máy 29

17 Hình 2.4 Bản vẽ thiết kế mốc tam giác thủy công 29

18 Hình 2.5 Chiếu cạnh đo lên mặt phẳng tọa độ 30

vii

19 Hình 2.6 Sơ đồ lưới đa giác thực nghiệm 34

20 Hình 2.7 Sơ đồ lưới GPS 37

21 Hình 2.8 Sơ đồ một mạng lưới kết hợp GPS- Mặt đất 38

22 Hình 2.9 Sơ đồ lưới tứ giác không đo cạnh biên 39

23 Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống lưới thi công hầm 40

24 Hình 2.11 Sơ đồ lưới đường chuyền trong hầm 41

25 Hình 2.12 Sơ đồ đường chuyền đo phương vị 42

26 Hình 2.13

Sơ đồ đường chuyền dẫn nước thủy điện Thượng

Kon Tum

43

27 Hình 2.14

Đường chuyền trong hầm có đo thêm phương vị

cạnh

44

28 Hình 2.15

Biểu đồ quan hệ giữa sai số điểm cuối và số

lượng phương vị đo

45

29 Hình 2.16 Sơ đồ tính toán thiết kế tối ưu độ chính xác 52

30 Hình 3.1 Mối quan hệ giữa 2 hệ tọa độ phẳng 61

31 Hình 3.2 Định vị lưới mặt bằng tự do 62

32 Hình 3.3

Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập lưới bằng

công nghệ GPS

65

33 Hình 4.1

Lưới khống chế thi công thủy điện Thượng Kon

Tum

72

34 Hình 4.2 Toàn cảnh nhà máy thủy điện Sơn La 78

35 Hình 4.3

Sơ đồ lưới thi công thủy điện Sơn La (2 phương

án a, b)

78

36 Hình 4.4 Sơ đồ lưới thi công-Thủy điện Sông Ba Hạ 81

37 Hình 4.5 Sơ đồ lưới thi công thủy điện Sơn La 83

38 Hình 4.6 Sơ đồ lưới thi công thủy điện A lưới 89

viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết tắt Ý nghĩa

1 TĐĐT Toàn đạc điện tử

2 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

3 GPS Global Positioning System (hệ thống định vị toàn cầu)

4 GNSS

Global Navigation Satellite System (hệ thống vệ tinh

dẫn đường toàn cầu)

5 TBC Trimble Business Center (phần mềm của Trimble)

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Thuỷ điện là nguồn tài nguyên năng lượng lớn, ở nước ta nguồn năng

lượng này đã và đang được tập trung khai thác trên quy mô rộng khắp. Hiện

nay, ở Việt Nam có hơn 500 công trình thuỷ điện lớn nhỏ đã và đang được xây

dựng. Điển hình là những công trình thuỷ điện như: Hoà Bình, Sơn La, Yaly,

Sông Hinh, Trị An, thuỷ điện Tuyên Quang…Hoạt động của các nhà thủy điện

đã góp phần quan trọng trong việc phát triển hệ thống năng lượng cũng như

duy trì độ ổn định và tin cậy của hệ thống điện quốc gia. Ngoài ra, các công

trình thủy điện còn có tác dụng cải tạo môi trường, phục vụ du lịch… Tuy

nhiên, nếu các công trình thủy điện không được xây dựng theo một quy trình

nghiêm ngặt, việc khảo sát về địa hình, địa chất thủy văn không được chính

xác, chất lượng xây dựng công trình kém … có thể dẫn đến hậu quả tiêu cực,

gây thiệt hại về người và của cải cho một vùng rộng lớn. Ở Việt Nam, tuy chưa

có những thảm họa liên quan tới thủy điện nhưng các hiện tượng lún, sụt biến

dạng các công trình thủy điện cũng đã gây nhiều tốn kém trong công tác xử lý

như đập thủy điện Sông Tranh 2 hiện nay, gây tâm lý hoang mang lo ngại trong

việc quản lý, sử dụng các công trình thủy điện…

Lưới khống chế thi công công trình thủy điện được thành lập trong giai

đoạn xây dựng công trình và là cơ sở trắc địa cho công tác bố trí tổng thể, bố

trí chi tiết và đo vẽ hoàn công công trình. Yêu cầu độ chính xác và đồ hình lưới

được tính toán, lựa chọn trên cơ sở đáp ứng các chỉ tiêu của công tác bố trí công

trình và đo vẽ hoàn công. Thông thường, lưới thi công công trình là hệ thống

lưới nhiều bậc, yêu cầu độ chính xác đối với mỗi bậc lưới tăng dần và phải

được thành lập trong cùng hệ tọa độ, độ cao thống nhất đã được lựa chọn đối

với từng công trình.

2

Lưới khống chế thi công thủy điện có vai trò quan trong trong quá trình

thi công xây dựng công trình, mạng lưới này cần được xây dựng tuân theo một

quy trình kỹ thuật nghiêm ngặt. Tất cả các bậc lưới thi công cần phải được tính

tọa độ (độ cao) trong một hệ thống thống nhất, được lựa chọn trong giai đoạn

khảo sát công trình. Hiện nay, ở Việt nam các mạng lưới thi công thủy điện đều

được đo nối với hệ thống tọa độ Quốc gia (HN-72 hoặc VN-2000). Về mặt hình

học, lưới khống chế thi công thủy điện cần được xây dựng sao cho kích thước

của lưới ít bị biến dạng nhất so với thực địa, đồng thời lưới được định vị trong

cùng hệ tọa độ đã được sử dụng để thiết kế công trình.

Việc nghiên cứu một số giải pháp nâng cao hiệu quả và hoàn thiện quy

trình thành lập lưới khống chế thi công công trình thủy điện có ý nghĩa trong

giai đoạn hiện nay, nhất là khi nhiều dự án thủy điện ở nước ta đang được triển

khai xây dựng một cách rộng rãi.

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm góp phần phát triển và hoàn

thiện phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng đảm bảo thi công các

công trình thủy điện.

- Đối tượng nghiên cứu là phương pháp thiết kế và xử lý số liệu các dạng

lưới khống chế mặt bằng thi công thủy điện ở Việt Nam.

- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: Nghiên cứu các phương

pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng nhằm nâng cao chất lượng và đảm bảo

hiệu quả thi công các công trình thủy điện.

3. Nội dung nghiên cứu

1- Nghiên cứu lựa chọn hệ quy chiếu phù hợp với đặc điểm cấu trúc và

yêu cầu bố trí các công trình thuỷ điện ở Việt Nam.

2- Nghiên cứu thiết kế lưới mặt bằng thi công thủy điện với các nội dung: