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
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

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


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
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

…………………………………… 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)
……………………………………………………


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

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)

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ Trang
1.1 Hồ thủy điện
…………………………………………………………….
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

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

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


cao hiệu quả ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình
thủy điện.
9. Lời cảm ơn
Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Trần Khánh, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc đã tận tình giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện các nội dung luận án.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Trắc địa, đặc biệt là
các thầy, cô thuộc Bộ môn Trắc địa công trình trường Đại học Mỏ - Địa chất,
các cán bộ giảng viên truờng Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, các
bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ và có những ý kiến đóng góp quý báu, giúp tác
giả hoàn thiện nội dung của luận án.

7


Cấu trúc của công trình thuỷ điện cơ bản có các hạng mục chính là hồ
chứa nước, các công trình chính và các công trình phụ trợ.
1.1.2.1 Hồ chứa nước
Hồ chứa nước được hình thành do việc ngăn sông đắp đập, lượng nước
này nhằm để phục vụ cho nhà máy thuỷ điện. Các thông số của hồ chứa bao
gồm: diện tích lưu vực, dung tích hồ, mức nước dâng bình thường, mức nước
chết, mức nước gia cường. Hồ chứa nước gây ngập, ảnh hưởng đến môi
trường trong khu vực, vì vậy các cơ quan thiết kế phải đưa ra nhiều phương
án mức nước dâng khác nhau để so sánh, lựa chọn với nhau nhằm giảm thiểu
ảnh hưởng tiêu cực của hồ chứa nước tới môi trường và đảm bảo an toàn cho
vùng hạ lưu. Khi thiết kế hồ phải giải quyết những nhiệm vụ cơ bản sau:
- Xác định biên giới ngập nước của hồ chứa ứng với độ cao mực nước
thiết kế. Xác định biên giới lòng hồ và thể tích hồ chứa, tính toán tổn thất
ngập lụt.

- Đề xuất bản thiết kế phòng ngập cho các thành phố, các điểm dân cư,
xí nghiệp công nghiệp, những vùng đất canh tác có giá trị cũng như bản thiết
kế các công tác gia cố bờ hồ. Hình 1.1: Hồ thủy điện

9

b) Đập tràn
Đập tràn gồm có đập tràn tự do và đập tràn có điều khiển đóng mở
bằng cáp hay thuỷ lực. Thường thì người ta xây dựng các đập bê tông dạng
vòm uốn cong làm việc như một hệ thống vòm cuốn đàn hồi tựa trên các bờ
cứng. Ngoài ra có thể là dạng đập bê tông dạng thẳng và một số dạng đập
khác…
c) Nhà máy
Về kiểu nhà máy thuỷ điện, thông thường có hai loại nhà máy thuỷ điện
đó là nhà máy thuỷ điện kiểu sau đập, nhà máy thuỷ điện kiểu đường dẫn (có
áp và không áp).
d) Các công trình tuyến năng lượng (Kênh dẫn, đường hầm dẫn nước)
Mục đích của các công trình này là dẫn nước từ hồ chứa đến nhà máy,
thông thường thì kết cấu của hệ thống công trình tuyến năng lượng được thi
công bằng bê tông, riêng tuyến áp lực kết cấu là thép và được bao bọc bằng bê
tông.

Hình 1.2: Đập dâng và đập tràn thủy điện

11

mức độ chuyển dịch biến dạng, nghiên cứu tìm nguyên nhân gây ra chuyển
dịch biến dạng, từ đó có biện pháp xử lý, đề phòng các tai biến có thể xảy ra
trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình, cụ thể là:
- Xác định giá trị chuyển dịch tại thời điểm quan trắc để đánh giá mức độ
ổn định của công trình.
- Sử dụng các kết quả quan trắc để đối chứng với các tính toán trong giai
đoạn thiết kế công trình.
- Xác định các loại biến dạng có khả năng ảnh hưởng đến quá trình vận
hành công trình để đề ra chế độ sử dụng và khai thác công trình hợp lý.
Để quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình cần triển khai các nhiệm
vụ cụ thể sau:
- Xác định nhiệm vụ kỹ thuật, khái quát về công trình, điều kiện tự nhiên
và chế độ vận hành công trình.
- Lập sơ đồ phân bố các mốc khống chế và mốc quan trắc.
- Thiết kế sơ đồ quan trắc.
- Xác định yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc ở những giai đoạn
khác nhau.
- Phương pháp và phương tiện dùng trong quan trắc.
- Đo đạc ngoại nghiệp.
- Xử lý số liệu quan trắc, tính toán các thông số chuyển dịch biến dạng
công trình.

13

1.2.2 Yêu cầu độ chính xác quan trắc
Yêu cầu độ chính xác của công tác quan trắc chuyển dịch là độ chính
xác cần thiết xác định sự chuyển dịch công trình của các chu kỳ quan trắc.
Chỉ tiêu độ chính xác này được xác định dựa vào các chỉ tiêu cơ lý của nền
móng công trình, đặc điểm kết cấu công trình.
Có hai cách xác định yêu cầu độ chính xác của công tác quan trắc

Nếu công trình có giá trị chuyển dịch dự báo nhỏ thì m
q
tính theo công
thức (1.2) sẽ rất nhỏ, trong một số trường hợp rất khó đạt được độ chính xác
như vậy. Đặc biệt là đối với công tác quan trắc chuyển dịch ngang các công
trình thủy điện.
14

1.2.2.2 Dựa vào loại nền móng và đặc điểm kết cấu đối với từng loại công
trình
Yêu cầu này có thể được nêu ra trong thiết kế kỹ thuật hoặc theo tiêu
chuẩn, quy chuẩn của các cơ quan Nhà nước. Yêu cầu độ chính xác quan trắc
của các công trình dân dụng, công nghiệp thông thường được đưa ra trong
bảng (1.1) 44.
Bảng 1.1: Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công trình
Số
TT
Đối tượng quan trắc
Sai số trung phương
xác định chuyển dịch
1 Công trình bê tông trên nền đá gốc

1 mm
2 Công trình bê tông xây dựng trên nền cát,
sét và các loại đất chịu nén khác

3 mm
3 Các loại đập đá chịu áp lực cao

5 mm

Tham khảo công tác quan trắc một số công trình thủy điện lớn [16, 39, 40…]
như Hoà Bình, Yaly, Tuyên Quang, Sông Ba Hạ, Sê San 4… thì thời gian
quan trắc giữa các chu kỳ được thực hiện như sau:
- Giai đoạn thi công: Trung bình 6 tháng quan trắc một lần. Chu kỳ 0
được quan trắc vào thời điểm chuẩn bị tiến hành tích nước hồ chứa (Tuyến
đập đang ở trạng thái tải trọng tự thân nó, chưa chịu áp lực nước của hồ
chứa). Chu kỳ 1 được tiến hành khi mực nước hồ chứa đạt mực nước dâng
bình thường theo thiết kế. Ngoài ra theo yêu cầu của cơ quan thiết kế, công
tác quan trắc còn phải được thực hiện tại những thời điểm nhất định như khi
mực nước hồ chứa đón lũ đầu tiên sau giai đoạn tích nước.
- Giai đoạn quản lý vận hành: Trung bình từ 6 tháng đến một năm thực
hiện quan trắc một lần. Thời điểm quan trắc còn thực hiện khi xẩy ra điều
kiện bất thường như công trình vừa chịu những trận lũ lớn, lũ lịch sử thì cần
phải tiến hành quan trắc để đánh giá ngay trạng thái công trình.

- Giai đoạn công trình đi vào ổn định: Trung bình cứ 2 năm tiến hành
quan trắc một lần, trừ những trường hợp đặc biệt như đã nêu ở trên. Nếu như
sự chuyển dịch ngang của các điểm quan trắc có tốc độ nhỏ hơn 2mm/năm thì