Chương 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN 1. Đặc điểm, nội dung và yêu cầu quan trắc độ lún tuyến đập thủy điện 1. Đặc điểm cấu trúc công trình thủy điện Công trình thủy điện là dạng công trình đặc thù với tổ hợp nhiều hạng mục được xây dựng trên lưu vực sông do đó chịu nhiều áp lực của dòng nước cũng như các yếu tố môi trường khác như gió, nhiệt độ, độ ẩm…Trước những ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh như vậy thì công trình có thể bị chuyển dịch biến dạng rất lớn. Vì vậy để theo dõi, giám sát sự an toàn của công trình, cần thiết phải quan trắc chuyển dịch biến dạng thường xuyên.
Phụ thuộc vào vị trí của nhà máy so với tuyến đập, công trình thủy điện được chia làm hai loại: thủy điện sau đập (thủy điện Hòa Bình, Sơn La, Lai Châu) và thủy điện đường dẫn (Yaly, Huội Quảng, Sông Hinh). Tại các công trình thủy điện sau đập, nhà máy nằm ngay sát sau tuyến đập nên các hạng mục được bố trí gần nhau. Ngược lại với thủy điện đường dẫn, nước trong hồ chứa được đưa xuống nhà máy thông qua tuyến đường hầm hoặc kênh dẫn, vì vậy các hạng mục công trình của loại thủy điện này thường phân bố cách xa nhau. Cấu trúc công trình thủy điện gồm các hạng mục chính như sau: a.
Tuyến áp lực Hạng mục này gồm có đập dâng, đập tràn. Đập dâng phân loại theo vật liệu xây dựng có: đập đất (thủy điện Ba Hạ.), đập đất đá (thủy điện Hòa Bình, Yaly…), đập bê tông (thủy điện Sơn La, Lai Châu. Phân loại theo hình dạng đập có đập thẳng (đập Sơn La), đập vòm (đập Hòa Bình).1 thể hiện hình ảnh tuyến đập công trình thủy điện. Tuyến đập thủy điện được xây dựng sẽ tạo ra hồ chứa nước ở phía thượng lưu.
Nhiệm vụ chính của hồ chứa là tích nước và điều tiết lưu lượng nước đến 7 và lưu lượng xả khi có lũ. Khi đã có hồ chứa, người ta phải xây dựng tuyến tràn để xả lũ.1: Tuyến đập công trình Hình 1.2: Tháp điều áp, đường ống thủy điện áp lực và nhà máy thủy điện b. Tuyến năng lượng Tuyến năng lượng gồm cửa nhận nước, hầm (kênh) dẫn nước, tháp điều áp, đường ống áp lực… Tùy theo điều kiện địa hình, địa chất mà xây dựng hệ thống dẫn nước dạng kênh hay hầm dẫn nước đi theo tuyến ngắn nhất tới tháp điều áp, đổ vào đường ống áp lực, dẫn vào nhà máy theo thiết kế đã chọn. Nhà máy Tổ hợp máy móc thiết bị thủy lực, điện bao gồm: tuốc bin, ống dẫn, ống xả, cổ góp điện, bộ chia điện, bảng điều khiển… nhằm biến thủy năng thành điện năng.
Yêu cầu quan trắc độ lún tuyến đập thủy điện a. Yêu cầu bố trí điểm quan trắc - Đối tượng quan trắc: Quan trắc lún tuyến đập, đường ống áp lực, nhà máy, quan trắc trượt lở. - Các điểm quan trắc được bố trí theo mặt cắt ngang của tuyến đập, cụ thể đặt trên đỉnh đập và các cơ đập (đối với đập đất) hoặc các điểm này được bố trí trong hầm (đối với đập bê tông). Yêu cầu độ chính xác quan trắc 8 Hiện tại trong sản xuất yêu cầu độ chính xác quan trắc của các công trình thủy điện thường do bên tư vấn thiết kế đề xuất, tuy nhiên có thể dựa vào đặc điểm và thành phần vật liệu cấu thành nên tuyến đập để đưa ra yêu cầu độ chính xác quan trắc như sau [39]: Bảng 1.1: Yêu cầu độ chính xác quan trắc lún công trình thủy điện Loại đập Yêu cầu độ chính xác quan trắc (mm) - Đập đất, đá 3-5 - Đập bê tông 1-2 c.
Chu kỳ quan trắc Xác định chu kỳ quan trắc hợp lý sẽ góp phần quan trọng trong việc xác định kịp thời và chính xác giá trị chuyển dịch của công trình. Chu kỳ quan trắc thường được chia thành 2 giai đoạn: giai đoạn thi công và giai đoạn công trình đã đi vào vận hành sử dụng - Giai đoạn thi công tiến hành 3 chu kỳ: Trước lúc tích nước vào hồ chứa; trong quá trình tích nước; sau khi mức nước trong hồ chứa đạt độ cao thiết kế. - Giai đoạn vận hành sử dụng: thường 3 tháng thực hiện một chu kỳ quan trắc (thực hiện tại thủy điện Hòa Bình) hoặc thưa hơn từ 1-2 chu kỳ một năm vào mùa mưa và mùa khô. Các phương pháp đo độ cao trong quan trắc lún tuyến đập thủy điện a.
Nguyên lý quan trắc H P1 HP1 S X HP2 P2 O Y Hình 1.3: Chuyển dịch công trình 9 Nếu ở thời điểm t1 công trình có vị trí P1, ở thời điểm t2 công trình có vị ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ trí P2, khi đó vector 𝑃 1 𝑃2 thể hiện chuyển dịch công trình trong không gian như Hình 1. Theo phương thẳng đứng, đoạn 𝑆 = 𝐻𝑃1 − 𝐻𝑃2 thể hiện độ lún của công trình. Để xác định được giá trị lún tuyệt đối tại từng vị trí và các tham số lún chung của công trình, công tác quan trắc độ lún bằng phương pháp trắc địa được thực hiện theo các nguyên tắc sau: - Độ lún công trình được xác định thông qua các mốc lún gắn tại những vị trí chịu lực của đối tượng quan trắc. Số lượng mốc lún lắp đặt tại mỗi công trình phụ thuộc vào đặc điểm điều kiện nền móng, kết cấu, quy mô, kích thước của công trình đó.
- Phương pháp quan trắc độ lún thường dùng là đo cao chính xác trong mỗi chu kỳ để xác định độ cao của các mốc quan trắc tại thời điểm đo, độ lún được tính là hiệu độ cao tại thời điểm quan trắc so với độ cao ở chu kỳ được chọn làm cơ sở so sánh: 𝑗 𝑗−1 (1. Các phương pháp đo độ cao trong quan trắc lún - Phương pháp đo cao hình học Nguyên lý đo của phương pháp đo cao hình học là tạo tia ngắm nằm ngang của máy thủy chuẩn.4: Trạm đo cao hình học 10 Chênh cao giữa 2 điểm A, B được tính theo công thức: ℎ𝐴𝐵 = 𝑎 − 𝑏 (1.2) Nhận xét: Phương pháp đo cao hình học có ưu điểm là dễ dàng thực hiện, độ chính xác cao nên được sử dụng phổ biến trong quan trắc lún công trình tuy nhiên chiều dài tia ngắm ngắn, thường ≤ 25m. - Phương pháp đo cao lượng giác l Z V B i D A Hình 1.5: Đo cao lượng giác Chênh cao giữa 2 điểm A và B được xác định theo công thức: ℎ𝐴𝐵 = 𝐷𝑐𝑡𝑔𝑍 + 𝑖 − 𝑙 + 𝑓 (1.3) trong đó: D - khoảng cách ngang; Z - góc thiên đỉnh; i - chiều cao máy; l - chiều cao tiêu; f là số hiệu chỉnh do chiết quang đứng được tính theo công thức (1.4) 𝑓= 𝐷 2𝑅 Với R là bán kính trung bình của trái đất, k là hệ số chiết quang đứng. Nhận xét: Phương pháp đo cao lượng giác có thể đo được chênh cao lớn nhưng độ chính xác thấp, nếu bố trí các đồ hình đo cao từ giữa hoặc đo cao đối hướng thì độ chính xác đo có thể tương đương thủy chuẩn hạng IV.
Tổng quan về xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập thủy điện a. Xử lý số liệu hệ thống lưới độ cao quan trắc Do mạng lưới độ cao quan trắc lún gồm 2 cấp độc lập, mỗi cấp lưới có 11 vai trò và đặc điểm khác nhau nên yêu cầu xử lý số liệu cũng khác nhau. Chính vì vậy cần có biện pháp xử lý số liệu phù hợp với từng cấp lưới trong hệ thống lưới độ cao quan trắc lún công trình. Tuy nhiên, thuật toán được sử dụng đều dựa trên nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.
- Đối với lưới cơ sở: Thực hiện phân tích độ ổn định các mốc lưới theo phương pháp bình sai lưới tự do, tính độ cao các điểm. - Đối với bậc lưới quan trắc: Thực hiện bình sai lưới theo phương pháp bình sai gián tiếp, sau khi đã xử lý số liệu lưới cơ sở. Tính các thông số lún - Tính độ lún của các điểm quan trắc - Tính độ lún trung bình của toàn bộ công trình - Tính toán một số yếu tố khác như: vận tốc lún, độ lún lệch… c. Phân tích kết quả quan trắc Công tác theo dõi, giám sát công trình sẽ hiệu quả hơn nếu kết quả quan trắc được phân tích, đánh giá: - Phân tích hình học: Dựa vào các mô hình trong không gian đánh giá xu hướng lún tổng quan của toàn bộ công trình - Phân tích theo thời gian: Dựa vào các mô hình theo thời gian để phân tích và dự báo lún cho công trình.
- Phân tích thống kê: Đánh giá và xác định sự phụ thuộc của độ lún vào các tác nhân gây lún. Tổng quan những nghiên cứu về xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập thủy điện trên thế giới Công trình thủy điện là những dự án trọng điểm, cần được giám sát, đảm bảo sự an toàn trong suốt quá trình hoạt động, vận hành. Để công tác giám sát hiệu quả, cần phải thực hiện quan trắc chuyển dịch biến dạng thường xuyên. Đối với công trình thủy điện, hạng mục nhận được nhiều quan tâm trong nghiên 12 cứu của các nhà khoa học là tuyến đập.
Khi nghiên cứu về quan trắc đập thủy điện, các nhà khoa học nhận thấy, tuy chuyển dịch ngang thường phức tạp và tác động tới công trình lớn hơn độ lún, nhưng độ lún cũng là một thành phần chuyển dịch đang diễn ra và có ảnh hưởng tới sự an toàn của tuyến đập. Các tài liệu [27, 33] đã nghiên cứu và khẳng định quan trắc lún cần thiết được thực hiện từ lúc thi công cho tới khi công trình đã đi vào ổn định, đặc biệt trong giai đoạn khi hồ tích đầy nước. Chính vì vậy, quan trắc lún là một nhiệm vụ quan trọng của quan trắc biến dạng công trình. Các hướng nghiên cứu về công tác quan trắc lún tuyến đập thủy điện khá toàn diện gồm các vấn đề liên quan đến xây dựng hệ thống lưới quan trắc lún công trình thủy điện; ứng dụng các thiết bị, công nghệ hiện đại trong quan trắc lún; xử lý số liệu hệ thống lưới độ cao quan trắc; phân tích kết quả quan trắc lún.
Trong đó, hướng nghiên cứu về xử lý số liệu là một hướng nghiên cứu mở, dành được nhiều quan tâm hơn từ các nhà khoa học với số lượng nghiên cứu, bài báo tương đối phong phú. Tuy nhiên, sau khi tổng hợp các tài liệu liên quan, nghiên cứu sinh nhận thấy vấn đề cốt lõi được nghiên cứu về xử lý số liệu quan trắc lún tuyến đập thủy điện là các phương pháp xử lý số liệu, các giải pháp phân tích độ lún và dự báo lún.
