Chương 1 - TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT 1.1 VÀI NÉT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT TRONG KHẢO SÁT HANG RỖNG 1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Trong chiến tranh, nhiều hầm ngầm sử dụng tác chiến đã bị chôn vùi; vì vậy để khôi phục các mạng giao thông hào, các đường hầm quan trọng, tác giả Daniels.J đã nghiên cứu phát triển phương pháp Rađa để dò tìm chúng [15]. Phương pháp đã được tiến hành tại thành phố Falklands - Vương quốc Anh và cho kết quả tốt. Từ những năm 1984, Annan.P và các cộng sự đã nghiên cứu phát triển phương pháp Rađa ứng dụng các loại hình ăng ten tần số cao: 500, 200 MHz để dò tìm và lập sơ đồ các đường ống dẫn qua các hoang mạc thuộc Công ty khí đốt Anh Quốc (British Gas)[13]. Những đường ống có kích cỡ nhỏ khoảng 25 mm, ở độ sâu 1,5 m được phát hiện với tỷ lệ rất cao (90%).
Kết quả cho thấy trong điều kiện môi trường đồng nhất (hoang mạc) khả năng phát hiện các dị vật là cao nhất. Ở Phần Lan có rất nhiều vỉa than bùn có tác dụng xấu đến các công trình kiến trúc và giao thông. P đã ứng dụng Rađa đất với các loại hình ăng ten có tần số từ 80 đến 500MHz để đánh giá phạm vi phân bố và độ dầy của vỉa than bùn trong công tác khảo sát địa chất công trình [16]. Ở Trung Quốc phương pháp đồng vị phóng xạ và phương pháp địa chấn đã được nghiên cứu để thăm dò vùng thấm và dò rỉ cho đập hồ Phong Thọ Bình.
Nhưng kết quả không đạt yêu cầu. Sau đó nhờ phương pháp Rađa địa thám người ta đã phát hiện được một dải cactơ đang phát triển ở chân dốc bên phải thân đập, dẫn đến việc thấm nước đục với lưu lượng 0,07 - 0. Từ đó người ta đã phát triển phương pháp này để phát hiện các loại ẩn hoạ cho hàng chục công trình khác, chẳng hạn phát hiện vết nứt tường sét chống thấm của đập chính hồ Nam Thuỷ vào năm1999; phát hiện các hang rỗng, hố sụt lún, vết nứt của đập hồ Hợp Thuỷ, Xuân Dương, Quảng Đông; phát hiện vết nứt tràn xả lũ của đập hồ Phóng Ngưu Động và phát hiện vùng sụt lún, dập vỡ của sân tiêu năng đập hồ Mai Lục vào năm 1997 và 1998. 3 Tại Ba Lan, (2000) đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp Rađa đất để phát hiện các khối bất đồng nhất trên đê sông Odra.
Qua phân tích xử lý số liệu, tác giả đã xác định được các vùng thấm qua thân đê vào mùa lũ [23]. Gần đây Trung Quốc đã ứng dụng kỹ thuật Rađa đất kết hợp với ăng ten đo ẩn họa dưới nước và phương pháp lấy mẫu tập trung cục bộ, tiến hành thực nghiệm đo ẩn họa của hơn 10 công trình thuỷ lợi ngầm. Nhờ đó đã phát hiện hàng loạt những ẩn họa với nhiều hình dạng khác nhau: các loại ẩn họa cửa chắn phía thượng nguồn của cống ngầm và của hố tiêu năng (như nứt ở dưới đáy, xói mòn, lún sụt v.); kết cấu chống thấm của đáy hồ bị vỡ, tường nghiêng chống thấm của đập đất nứt và tầng đệm bị hỏng v. với độ chính xác khá cao.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở nước ta, năm 1971 Nguyễn Văn Quang nghiên cứu phương pháp siêu âm để phát hiện hang rỗng tổ mối, nhưng không thành công.TSKH Lâm Quang Thiệp dùng phương pháp điện để phát hiện hang rỗng tổ mối trong đê.
Tác giả cho biết đã tìm được 6 tổ mối, nhưng độ chính xác và hiệu quả thăm dò rất hạn chế. Năm 1982, Vũ Văn Tuyển là người đầu tiên nghiên cứu về mối hại đập đất ở nước ta. Tác giả đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp đồng vị phóng xạ để phát hiện nhiều tổ mối ở đập. Những năm 80 của thế kỷ trước, Viện Thiết kế thuỷ lợi (nay là Công ty tư vấn xây dựng thuỷ lợi I) mới bắt đầu ứng dụng các phương pháp địa vật lý để nghiên cứu một số đoạn đê có vết nứt thuộc địa phận Nhất Trai, Gia Lương, Hà Bắc và đê hữu Hồng thuộc địa phận Vân Cốc, Phương Độ, Phúc Thọ, Hà Nội.
Do công nghệ lạc hậu và công tác nghiên cứu chưa đồng bộ nên kết quả còn nhiều hạn chế. Từ năm 1990 trở lại đây, Viện Khoa học địa chất đã nghiên cứu phương pháp điện trở để thăm dò ẩn hoạ tại đê Từ Liêm, Hà Nội, nhưng kết quả nghiên cứu vẫn chưa đủ cơ sở để áp dụng vào sản xuất. Năm 1996, Viện vật lý địa cầu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự trợ giúp của các chuyên gia Đức đã ứng dụng công nghệ Rađa đất để khảo sát địa chất công trình.TS Nguyễn Văn Giảng và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ Rađa đất, xây dựng một số mặt cắt cấu trúc hiện trạng cho 5 km đê sông Hồng bằng thiết bị Pulse EKKO 100A. Các tác giả đã xác định được một số đoạn đê xung yếu có nhiều dị thường và kiến nghị giải pháp xử lý.
Năm 1999 khi tham gia dự án điều tra cơ bản cống dưới đê và các đoạn đê xung yếu thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, Nguyễn Văn Giảng và cộng sự đã ứng dụng công nghệ Rađa để đánh giá hiện trạng 19 cống dưới đê thuộc hệ thống đê tỉnh Hà Nam. Các tác giả đã đo đạc và đánh giá hiện trạng đất hai bên mang cống của 19 cống dưới đê tỉnh Hà Nam[3]. Việc thăm dò, xác định hang rỗng tổ mối và các ẩn hoạ khác trong thân đê, đập đã được Trung tâm Nghiên cứu Phòng trừ mối- Viện Khoa học Thủy lợi nghiên cứu từ năm 1984 bằng các phương pháp: phóng xạ, điện trường và địa chấn nông…,nhưng do hạn chế về độ phân giải và tốc độ triển khai trên thực địa chậm, nên các phương pháp này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Năm 1999, tiếp cận công nghệ Rađa đất, Trung tâm Nghiên cứu Phòng trừ mối đã nhận thấy đây là một công nghệ mới rất có triển vọng trong việc xác định tổ mối và các ẩn hoạ trong thân đê, đập.
Được sự quan tâm của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Trung tâm đã được trang bị một hệ thiết bị Rađa SIR-10B cùng với phần mềm xử lý số liệu Radan for Windows và một số môđun chuyên dụng khác. Trung tâm đã tiến hành thử nghiệm phương pháp Rađa đất để xác định tổ mối trên đê, đập và bước đầu thu được kết quả tốt (Ngô Trí Côi, 2001) [1]. Đây là những cơ sở ban đầu rất quan trọng để nghiên cứu phát triển, mở rộng ứng dụng công nghệ Rađa đất.TS Nguyễn Trọng Nga và nnk đã ứng dụng phương pháp Rađa đất để xác định các hang rỗng (karst) trong miền đá vôi và cho kết quả khá tốt, đặc biệt xác định được các hang có đường kính lớn hơn 2m [4]. 5 Năm 2004, ThS Phạm Văn Động và nnk đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp Rađa đất để xác định hang rỗng tổ mối trên hệ thống đập đất tỉnh Hòa Bình và cũng cho kết quả tốt [11].
Năm 2006, TS Vũ Thị Thanh Hương, ThS Đỗ Anh Chung và nnk đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp Rađa đất để xác định một số ẩn hoạ trên hệ thống đê tỉnh Nam Định; đề tài cũng đã xác định và chỉ ra được khá nhiều tổ mối nằm chìm trong thân đê [12].TS Vũ Đức Minh, ThS. Đỗ Anh Chung nghiên cứu mô phỏng các hang rỗng trong thân đê, đập bằng các phương pháp Địa vật lý để đưa ra khả năng ứng dụng của phương pháp điện đa cực và Rađa đất đối với việc tìm kiếm, xác định các hang rỗng; Đồng thời tìm ra phương thức tiến hành ngoài thực địa sao cho phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả của các phương pháp nói trên [17].TS Vũ Đức Minh, ThS Đỗ Anh Chung đã đưa ra một số kết quả nghiên cứu áp dụng xác định nhanh ẩn họa nông trong thân đê, đập nhằm đánh giá khả năng và hiệu quả của phương pháp Rađa đất và điện đa cực trong việc xác định đối tượng này [18]. Tóm lại, phương pháp Rađa đất đã được ứng dụng ở Việt nam trong thăm dò tổ mối và một số hang rỗng trong hệ thống đê điều. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể nào đánh giá mức độ ảnh hưởng của kích thước hang rỗng đến chiều sâu nghiên cứu và mức độ ảnh hưởng của các hang rỗng để đánh giá chính xác hơn khả năng của phương pháp Rađa đất trong công tác thăm dò hang rỗng trong thân đê, đập.
PHƯƠNG PHÁP RA ĐA ĐẤT 1. Sơ lược về phương pháp Rađa đất. Phương pháp Rađa đất là phương pháp địa vật lý nông dựa trên nguyên lý thu phát sóng điện từ ở tần số siêu cao tần( từ 15 6000 MHz). Khi đó sóng điện từ được truyền theo xung từ các ăng ten phát và thu sóng phản xạ được tạo ra từ các mặt ranh giới giữa các đối tượng và môi trường xung quanh.
Các đối tượng đó được tạo thành do cấu trúc địa chất như: ranh giới đá móng, các lớp vật liệu trầm tích có tính chất 6 vật lí khác nhau chứa vật liệu sét, những hang hốc, các khe nứt nẻ, các khối xâm thực cũng như các vật thể bị chôn vùi nhân tạo hoặc các khối bê tông, các lỗ rỗng liên quan đến vị trí hàm ếch, tổ mối. Đó chính là các đối tượng nghiên cứu bằng phương pháp Rađa đất. Độ sâu thẩm thấu của phương pháp phụ thuộc vào tần số của ăng ten phát thu và tính chất vật lí của môi trường địa chất trong đó giá trị hằng số điện môi tương đối( ) và độ dẫn điện (σ) là chủ yếu. Tần số càng cao, độ dẫn điện và hằng số điện môi càng lớn thì chiều sâu khảo sát càng nhỏ.
Các đại lượng vật lí đặc trưng của sóng điện từ được dùng trong phương pháp Rađa đất như: vận tốc truyền sóng (v), bước sóng (λ), hệ số suy giảm (α), hằng số điện môi tương đối hay độ điện thẩm tương đối (r), độ từ thẩm (μ), độ dẫn điện (σ)… Sở dĩ phương pháp Rađa đất có thể phát hiện được các đối tượng nêu trên là do trong các môi trường địa chất nói chung, đặc biệt trong địa chất công trình chúng luôn luôn tồn tại các ẩn hoạ như hang karst, khối bất đồng nhất, đới tơi xốp và các hang rỗng, đây là những vùng có tính chất vật lí khác biệt so với môi trường địa chất xung quanh.