Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM DOÃN MẬU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS

TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG

TRÌNH THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ -ĐỊA CHẤT

PHẠM DOÃN MẬU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS

TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ : 62.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1- PGS.TS TRẦN KHÁNH

2- PGS.TS NGUYỄN QUANG PHÚC

HÀ NỘI – 2014

i

LỜI CAM ĐOAN

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

và kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trong bất

cứ công trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM DOÃN MẬU

ii

MỤC LỤC

Tên mục Trang

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC ……………………………………………………………..…………………………………….

i

ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……………………………..……………............ v

DANH MỤC CÁC BẢNG …………………………….…………………….……………….. vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ………………………..…………..………………………… viii

MỞ ĐẦU …………………………………………………..…………………….…………………………… 1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG

TRÌNH THỦY ĐIỆN …………………………………………………………………… 7

1.1 Đặc điểm cấu trúc các công trình thuỷ điện ở Việt Nam …………

1.2 Mục đích, nhiệm vụ và yêu cầu độ chính xác quan trắc biến

dạng công trình thủy điện………………………………………………………………………………….

7

12

1.3 Các phương pháp thành lập lưới quan trắc biến dạng công trình 16

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng

công nghệ GPS để quan trắc biến dạng công trình ……………………………….. 19

1.5 Một số nhận xét đánh giá về công tác quan trắc biến dạng

công trình ………………………………………………………………………………………….……………………. 25

Chương 2. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS

ĐỂ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH ……………… 27

2.1 Nguyên lý và kỹ thuật định vị GPS ………………………………………………… 27

2.2 Đặc điểm thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang công

trình bằng công nghệ GPS …………………………………………………………………

2.3 Đánh giá các phương pháp thành lập lưới quan trắc chuyển

dịch ngang công trình - Phương án lưới 2 cấp…………………………………….

2.4 Đề xuất thành lập lưới một cấp quan trắc chuyển dịch ngang

công trình thủy điện ………………………………………………………………………...

33

36

43

iii

2.5 Giải pháp nâng cao hiệu quả công nghệ GPS trong quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện ………………………………………………………. 46

2.6 Thực nghiệm thành lập luới GPS quan trắc chuyển dịch ngang

công trình ………………………………………………………………………….

2.7 Nhận xét về khả năng ứng dụng công nghệ GPS để thành lập

lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện ………………………..

53

57

Chương 3.TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI GPS QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ………………………… 59

3.1 Ước tính độ chính xác lưới GPS ……………………………………………..………..

3.2 Tính toán bình sai lưới GPS ………………….……………..……………………………

59

61

3.3 Phân tích độ ổn định hệ thống mốc cơ sở của lưới GPS quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thủy điện …………………………………….. 65

3.4 Xử lý số liệu mạng lưới kết hợp GPS - Mặt đất trong quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thủy điện ………………………………………….…………….. 72

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

GPS QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG ĐẬP THUỶ ĐIỆN

TUYÊN QUANG …………………………..……………..………….………………………………………… 80

4.1 Giới thiệu về công trình thực nghiệm……………………. 80

4.2 Thiết kế hệ thống lưới quan trắc …………………………..……………………………. 82

4.3 Thực nghiệm phân tích độ ổn định lưới GPS cơ sở quan trắc

đập thủy điện Tuyên Quang …………………………….…..………..…………………………………… 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………….…………………………….. 94

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ…….. 96

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

PHẦN PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 1: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=1+1ppm) ……………………………………………………………………. 105

iv

PHỤ LỤC 2: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=3+2ppm) ………………………………………………………………………. 107

PHỤ LỤC 3: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) …………………………………………………... 109

PHỤ LỤC 4: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa

Bình ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) …………………………………………………... 112

PHỤ LỤC 5: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=1+1ppm) ……………………………………………………...

115

PHỤ LỤC 6: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=2+2ppm) ……………………………………………………... 118

PHỤ LỤC 7: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……………………………………... 121

PHỤ LỤC 8: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện

Tuyên Quang ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……………………………………… 124

PHỤ LỤC 9: Kết quả tinh toán lưới quan trắc thủy điện Tuyên

Quang ( Chu kỳ 1) ……………………………………………………................................ 127

PHỤ LỤC 10: Kết quả tính toán lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang

(Chu kỳ 2) ……………………………………………………................................................. 137

PHỤ LỤC 11: Kết quả tính toán lưới quan trắc thủy điện Tuyên

Quang (Chu kỳ 2) ……………………………………………………................................. 141

PHỤ LỤC 12: Chương trình phân tích độ ổn định luới GPS …………… 150

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Thứ tự Chữ viết tắt Ý nghĩa

1 GPS Global Positioning System

2 SSTP Sai số trung phương

3 BDCT Biến dạng công trình

4 CDNCT Chuyển dịch ngang công trình

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Tên bảng Trang

1.1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công

trình………………………………………………………………………………… 14

1.2 Giới thiệu một số máy loại máy thu GPS…………………………... 18

2.1 Thông số kỹ thuật cúa các hệ thống định vị vệ tinh………………… 27

2.2 Ước tính độ chính xác lưới quan trắc thủy điện Hòa Bình 39

2.3 Ước tính độ chính xác lưới quan trắc thủy điện Tuyên

Quang…………………………………………………………………………….. 41

2.4 Ước tính độ chính xác bậc lưới cơ sở thủy điện Tuyên

Quang…………………………………………………………………………….

42

2.5 Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Hòa Bình 44

2.6 Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Tuyên

Quang……………………………………………………………………………. 44

2.7 Kết quả bình sai lưới thực nghiệm - Chu kỳ 1……………………. 55

2.8 Kết quả bình sai lưới thực nghiệm - Chu kỳ 2……………………. 56

2.9 Kết quả tính chuyển dịch…………………………………………………. 56

3.1 Ma trận trọng số đảo vector tọa độ lưới GPS……………………. 77

3.2 Bảng trị đo cạnh trong lưới kết hợp………………………………… 78

3.3 Ma trận Q của lưới kết hợp GPS - mặt đất…………………………… 78

3.4

Kết quả tính ma trận nghịch đảo Q của lưới kết hợp GPS - mặt

đất…………………………………………………………………………………. 79

3.5 Kết quả tính tọa độ và sai số vị trí điểm lưới kết hợp GPS -

mặt đất……………………………………………………………………………. 79

vii

Bảng Tên bảng Trang

4.1 Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 1) ………………… 86

4.2 Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 2) ………………… 87

4.3 So sánh tọa độ các điểm mốc cơ sở (FIX tọa độ điểm QT￾06)………………………………………………………………………………….. 88

4.4 Định vị lại mạng lưới với điều kiện C=B………………………….. 89

4.5 Kiểm tra độ ổn định của lưới (sau khi phát hiện điểm QT-03

không ổn định) ……………………………………………………………… 89

4.7 Kết quả tính chuyển dịch các điểm quan trắc theo công

nghệ truyền thống ( phương pháp đo toàn đạc điện tử) ……… 91

4.8 So sánh kết quả tính chuyển dịch theo công nghệ GPS và

công nghệ đo đạc mặt đất………………………………………………… 92

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình vẽ Tên hình vẽ Trang

1.1 Hồ thủy điện……………………………………………………………. 8

1.2 Đập dâng và đập tràn. ……………………………………………….. 10

1.3 Đường ống áp lực và nhà máy thủy điện…………………… 11

1.4 Thử nghiệm quan trắc chuyển dịch ngang đập thủy

điện Tuyên Quang…………………………………………………….. 25

2.1 Sơ đồ nguyên lý định vị tương đối…………………………… 28

2.2 Biểu đồ độ chính xác cạnh GPS theo thời gian ca đo 29

2.3 Đồ hình liên kết các điểm đo GPS…………………………… 36

2.4 Sơ đồ lưới quan trắc công trình thủy điện Hòa Bình 38

2.5 Sơ đồ bậc lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( Lưới

2 cấp)……………………………………………………………………….. 40

2.6

2.7

2.8

Sơ đồ bậc lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang (Lưới 2

cấp)…………………………………………………………………………

Sơ đồ lưới một cấp thủy điện Tuyên Quang……………

Sơ đồ mạng lưới quan trắc thực nghiệm…………………….

42

43

54

3.1 Đo cạnh GPS………………………………………………………….. 60

3.2 Sơ đồ tính toán phân tích độ ổn định mốc cơ sở………… 71

3.3 Sơ đồ bình sai lưới quan trắc kết hợp GPS - Mặt đất 76

4.1 Mặt bằng tổng thể nhà máy thủy điện Tuyên Quang 80

4.2 Mặt bằng tuyến đập thủy điện Tuyên Quang……………… 81

4.3 Sơ đồ lưới GPS cơ sở thủy điện Tuyên Quang…………… 83

4.4 Sơ đồ lưới quan trắc thực nghiệm thủy điện Tuyên

Quang………………………………………………………………………. 84

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Thuỷ điện là nguồn tài nguyên năng lượng lớn mà nước ta tập trung

khai thác góp phần thúc đẩy quá trình xây dựng nền kinh tế đất nước ngày

một phát triển. Hiện nay, từ Bắc vào Nam nước ta có hơn 500 công trình thuỷ

điện lớn nhỏ đã được xây dựng. Nổi bật là những công trình thuỷ điện như:

Hoà Bình, Sơn La, Yaly, Sông Hinh, Trị An, thuỷ điện Tuyên Quang… Sự

hoạt động của nhà máy 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 to lớn, 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, sự biến dạng các công trinh thủy điện cũng đã gây nhiều tốn kém

trong công tác xử lý như đập thủy điện Sông Tranh 2 (Quảng Nam) hiện nay,

gây tâm lý hoang mang lo ngại trong việc quản lý, sử dụng các công trình

thủy điện…

Trên thế giới, công tác quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình

thủy điện đã được đặc biệt quan tâm sau hàng loạt các thảm họa do vỡ đập

gây ra. Năm 1963 đập Vaiont cao 262m của Italia bị vỡ làm chết 1889 người,

năm 1959 đập Manpasse cao 66m của Pháp bị vỡ làm chết 421 người, năm

1976 đập Titon cao 93m của Mỹ bị vỡ làm chết 144 người [48, 59]. Hai đập

Bản Kiều và Thạch Mạn Than của Trung Quốc bị nước lụt làm vỡ năm 1975

đã là hàng trăm người bị chết và hàng ngàn người khác mất nhà cửa, tài sản,

thiệt hại ước tính lên tới trên 10 tỷ nhân dân tệ [10].

2

Nước Nga lần đầu tiên theo dõi biến dạng đập đất đá Sirakov cao 48m

trong thời gian từ năm 1948 đến năm 1971 và phát hiện đập lún 74cm và dịch

chuyển ngang 96cm [61].

Đập Soiser cao 156m của Thụy Sỹ sau 20 năm xây dựng được quan

trắc từ năm 1976 đến năm 1980 phát hiện đập lún xuống 10cm và dịch

chuyển hướng ngang về phía hạ lưu 9cm [51]. Đập vòm Zeuzier cũng của

Thụy Sĩ sau hơn 20 năm vận hành bình thường mới xuất hiện dị thường nếu

không kiên trì quan trắc sẽ không phát hiện được và phát sinh tai họa [10].

Cho nên, trong quá trình xây dựng và vận hành, việc theo dõi và quan

trắc độ biến dạng của công trình thuỷ điện là rất cần thiết và phải được thực

hiện một cách hệ thống, thường xuyên.

Trong những năm gần đây công nghệ định vị vệ tinh GPS đã được ứng

dụng rộng rãi trong sản xuất trắc địa - địa hình. Đây là công nghệ đo đạc tiên

tiến, rất thuận lợi trong công tác xây dựng các mạng lưới khống chế trắc địa.

Công nghệ GPS có nhiều tiềm năng để thành lập lưới khống chế chuyên dùng

trong khảo sát, thi công và vận hành các công trình kỹ thuật. Có thể khẳng

định rằng, việc ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới trắc địa là sự bổ

sung rất quan trọng đối với các phương pháp xây dựng lưới mặt đất truyền

thống. Với các công trình thủy điện, công tác quan trắc xác định mức độ biến

dạng của công trình vẫn được tiến hành, nhưng chủ yếu dựa trên các công

nghệ đo đạc truyền thống là sử dụng các máy móc trắc địa quang học, quang -

điện tử mà chưa sử dụng công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch, đặc

biệt là đối với quan trắc các đập thủy điện.

Ở nước ngoài đã có nhiều công trình nghiên cứu được công bố về ứng

dụng định vị vệ tinh để thành lập các mạng lưới trắc địa chính xác cao, trong

đó có lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình, như ở Nga, Ba Lan,

Trung Quốc, Mỹ... Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh

3

trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở nước ta vẫn chưa được đề

cập thỏa đáng trong các nghiên cứu khoa học cũng như trong ứng dụng thực

tế. Chính vì vậy, luận án: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong quan

trắc biến dạng công trình thuỷ điện ở Việt Nam" được đặt ra nhằm khảo sát

các luận cứ khoa học và thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ đo đạc vệ tinh

trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả của

công tác quan trắc biến dạng công trình.

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

- Nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện trong điều kiện Việt Nam.

- Đối tượng nghiên cứu là các công trình thuỷ điện ở Việt Nam, trong

đó đi sâu nghiên cứu công tác quan trắc tuyến đập thủy điện.

- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: Phân tích lý thuyết, khảo

sát thực nghiệm ứng dụng GPS để quan trắc chuyển dịch ngang các công trình

thuỷ điện thông qua ví dụ cụ thể tại đập thủy điện Tuyên Quang.

3. Nội dung nghiên cứu của luận án

1- Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và yêu cầu quan trắc biến dạng các

công trình thuỷ điện. Phân tích, so sánh, đánh giá các phương pháp quan trắc

đang được sử dụng ở Việt Nam.

2- Nghiên cứu, đánh giá khả năng và đặc điểm ứng dụng GPS để quan

trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện, trong đó chú ý đến việc thành

lập lưới khống chế một cấp trong quan trắc chuyển dịch ngang đập thủy điện.

3- Nghiên cứu một số vấn đề về xử lý số liệu GPS trong quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện.

4- Thực nghiệm ứng dụng GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình

ở thực tế sản xuất Việt Nam.

4

4. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các

thông tin trên mạng Internet và các thư viện.

- Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết quan trắc biến dạng

công trình, các thuật toán xử lý số liệu đo đạc, làm cơ sở lý luận, thiết kế dữ

liệu, mô hình tính toán, viết thuật toán và chương trình.

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm trên thực địa

để khẳng định tính đúng đắn của các vấn đề nghiên cứu lý thuyết.

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác và

các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp.

- Phương pháp ứng dụng toán học và tin học: Xây dựng các thuật toán

và lập chương trình tính toán trên máy tính.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hoàn thiện ứng dụng công

nghệ GPS cho mục đích quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện.

Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để

quan trắc chuyển dịch ngang đối với các công trình ở thực tế sản xuất nhằm

giảm thời gian công tác và nâng cao hiệu quả kinh tế mà vẫn đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật.

6. Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm thứ nhất: Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, hoàn toàn có

thể sử dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang các công trình

thuỷ điện với yêu cầu độ chính xác cỡ ± 3 mm.

Luận điểm thứ hai: Để ứng dụng công nghệ GPS cần phải xây dựng hệ

thống thuật toán và quy trình hợp lý xử lý số liệu lưới hỗn hợp GPS-mặt đất

trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện.

5

7. Các điểm mới của luận án

1- Đề xuất phương pháp thiết kế đồ hình lưới GPS cho mục đích quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thủy điện ở Việt Nam theo hình thức lưới

khống chế một cấp. Kiểm chứng, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ GPS

để quan trắc chuyển dịch một số đập thủy điện ở nước ta.

2- Đề xuất hệ thuật toán và quy trình hợp lý để xử lý số liệu lưới quan

trắc chuyển dịch ngang công trình với các nội dung: Phân tích độ ổn định hệ

thống điểm mốc cơ sở, tính toán bình sai lưới mặt bằng quan trắc thành lập

theo phương pháp kết hợp các trị đo GPS với trị đo mặt đất.

8. Cấu trúc và nội dung luận án

Cấu trúc luận án gồm ba phần:

1. Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục

tiêu, ý nghiã và tình hình nghiên cứu trong, ngoài nước về những vấn đề liên

quan đến nội dung của luận án. Từ đó hình thành phương pháp, nội dung

nghiên cứu của luận án, đồng thời đưa ra các luận điểm bảo vệ và điểm mới

của luận án.

2. Phần nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong 4 chương

Chương 1- Tổng quan về quan trắc biến dạng công trình thủy điện.

Chương 2- Khảo sát khả năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc

chuyển dịch ngang công trình thủy điện.

Chương 3- Tính toán, xử lý số liệu lưới GPS quan trắc chuyển dịch ngang

công trình thủy điện.

Chương 4- Thực nghiệm thiết kế và xử lý số liệu lưới GPS quan trắc

chuyển dịch ngang đập thủy điện Tuyên Quang.

3. Phần Kết luận và Kiến nghị: Tổng hợp lại những kết quả đã nghiên

cứu trong luận án, đưa ra những nhận xét, đánh giá và các kiến nghị để nâng