Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ GPS Trong Quan Trắc Biến Dạng Công Trình Thủy Điện Tại Việt Nam

Công trình thủy điện làm việc trong môi trường nước, chịu nhiều tác động lực. Công trình được xây dựng để sử dụng tài nguyên thuỷ năng và nguồn dự trữ nước vào việc cung cấp điện năng cho đất nước và góp phần điều hoà nguồn nước cho một vùng rộng lớn. Do vậy, các công trình thủy điện thường thuộc loại công trình trọng điểm của quốc gia. Việc xây dựng các bậc thang thuỷ điện đầu mối trên sông và sự hình thành các hồ chứa nước lớn đã phá vỡ dòng chảy, dẫn tới hàng loạt các biến đổi lớn đối với môi trường tự nhiên. Công trình ngoài chức năng phát điện còn có thể kết hợp với việc điều tiết nước và xả lũ cho vùng thượng lưu và hạ lưu.

Việc theo dõi và quan trắc độ biến dạng của công trình thủy điện là rất cần thiết và phải được thực hiện một cách hệ thống, thường xuyên. Các kết quả quan trắc được sử dụng để đánh giá độ ổn định công trình, phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó đưa ra biện pháp xử lý kịp thời. Điều này đảm bảo an toàn cho đập thủy điện và vùng hạ lưu, tránh những thảm họa đáng tiếc. Thực tế cho thấy, nhiều vụ vỡ đập trên thế giới có nguyên nhân từ việc không quan trắc hoặc quan trắc không hiệu quả.

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.

Độ chính xác là yếu tố then chốt trong quan trắc biến dạng. Sai số nhỏ có thể dẫn đến đánh giá sai lệch về tình trạng ổn định công trình, gây nguy hiểm. Tiêu chuẩn quan trắc yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt là đối với các công trình thủy điện lớn. Vì vậy, cần lựa chọn phương pháp đo đạc và xử lý số liệu phù hợp để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

Độ chính xác GPS bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường như thời tiết, địa hình, nhiễu sóng điện từ. Điều kiện thời tiết xấu như mưa, sương mù làm giảm tín hiệu GPS. Địa hình phức tạp che khuất tầm nhìn vệ tinh. Nhiễu sóng điện từ gây sai số trong đo đạc. Cần có biện pháp khắc phục để đảm bảo độ chính xác khi sử dụng GPS trong quan trắc biến dạng.

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 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.

Một trong các yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác kết quả quan trắc là sử dụng phần mềm xử lý dữ liệu GPS chuyên dụng. Phân tích độ ổn định hệ thống 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. Các phần mềm này cung cấp các công cụ để hiệu chỉnh sai số, lọc nhiễu và tính toán tọa độ chính xác của các điểm đo. Ngoài ra, cần sử dụng phần mềm phân tích biến dạng để đánh giá mức độ biến dạng của công trình theo thời gian. Phần mềm hỗ trợ xây dựng các mô hình biến dạng, dự báo xu hướng và đưa ra cảnh báo sớm.

Việc lựa chọn thiết bị GPS phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của công tác quan trắc. Cần lựa chọn các thiết bị GPS có độ chính xác cao, khả năng thu tín hiệu tốt và hoạt động ổn định trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Nên ưu tiên các thiết bị hỗ trợ nhiều hệ thống vệ tinh (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) để tăng độ tin cậy và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu sóng.

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. So với lưới nhiều cấp, lưới một cấp có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, giảm thiểu sai số truyền dẫn. Lưới một cấp cũng tiết kiệm chi phí đo đạc và xử lý số liệu. Tuy nhiên, cần đảm bảo mật độ điểm đo đủ lớn để đạt được độ chính xác yêu cầu.

Việc thiết kế đồ hình lưới GPS cần xem xét đến hình dạng và kích thước của đập thủy điện, điều kiện địa hình và yêu cầu độ chính xác. Các điểm đo nên được bố trí đều trên thân đập và xung quanh khu vực đập thủy điện. Khoảng cách giữa các điểm đo cần được tính toán để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả quan trắc. Đồng thời, cũng cần chú ý đến việc lựa chọn vị trí đặt thiết bị GPS để tránh bị che khuất tầm nhìn vệ tinh.

Sau khi thiết kế đồ hình lưới, cần tính toán độ chính xác và độ tin cậy của lưới. Việc tính toán giúp đánh giá khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của lưới và đưa ra các điều chỉnh cần thiết. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và độ tin cậy của lưới bao gồm số lượng vệ tinh, thời gian đo, chất lượng thiết bị GPS, phương pháp xử lý số liệu và vị trí đặt điểm đo.

Mặt bằng tổng thể nhà máy thủy điện Tuyên Quang. Mặt bằng tuyến đập thủy điện Tuyên Quang. Sơ đồ lưới GPS cơ sở thủy điện Tuyên Quang. Sơ đồ lưới quan trắc thực nghiệm thủy điện Tuyên Quang. Việc lựa chọn đập Tuyên Quang để thực nghiệm là do điều kiện địa hình và yêu cầu kỹ thuật phù hợp với phương pháp quan trắc bằng GPS.

Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 1). Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 2). So sánh tọa độ các điểm mốc cơ sở (FIX tọa độ điểm QT- 06). Định vị lại mạng lưới với điều kiện C=B. Kiểm tra độ ổn định của lưới (sau khi phát hiện điểm QT-03 không ổn định) ... . Kết quả phân tích cho thấy lưới GPS cơ sở có độ ổn định cao, đáp ứng yêu cầu quan trắc.

Kết quả tính chuyển dịch các điểm quan trắc theo công nghệ truyền thống ( phương pháp đo toàn đạc điện tử). So sánh kết quả tính chuyển dịch theo công nghệ GPS và công nghệ đo đạc mặt đất.... So sánh kết quả quan trắc bằng GPS và phương pháp truyền thống cho thấy sự tương đồng lớn, chứng minh tính tin cậy của GPS.

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. 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.

Cần có quy trình chuẩn về ứng dụng GPS trong quan trắc biến dạng công trình. Tiếp tục nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của GPS. Nghiên cứu ứng dụng GPS kết hợp với các công nghệ khác (ví dụ: radar giao thoa) để quan trắc toàn diện hơn.

Trong tương lai, công nghệ quan trắc sẽ ngày càng phát triển, với sự ra đời của các thiết bị và phương pháp mới. Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo và học máy sẽ giúp tự động hóa quá trình quan trắc và phân tích dữ liệu. Các hệ thống quan trắc thông minh sẽ giúp phát hiện sớm các nguy cơ tiềm ẩn và bảo đảm an toàn cho công trình thủy điện.