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



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

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

vi

…………………………….…………………….………………..

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

………………………..…………..…………………………

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

viii
1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG
TRÌNH THỦY ĐIỆN

……………………………………………………………………

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

7
7



2.3 Đánh giá các phương pháp thành lập lưới quan trắc chuyển
dịch ngang công trình - Phương án lưới 2 cấp…………………………………….

36

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

43

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


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 ………………………………………………………………………….

53

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 ………………………..

57



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) …………………………………………………………………….


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




Chuyển dịch ngang công trình


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

1.1

Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công

Trang

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…………………

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

44

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…………………….



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 QT06)…………………………………………………………………………………..

88

4.4

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

89

4.5

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


42

2.7

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

43

2.8

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

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


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].



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.



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



việc du lịch, bảo tồn sinh thái, điều hòa khí hậu cho một khu vực lãnh thổ. Do
vậy, các công trình thuỷ điện thường thuộc loại công trình trọng điểm của
quốc gia. Có số vốn đầu tư lớn, thời gian chuẩn bị và thi công kéo dài nhiều
năm với rất nhiều hạng mục kết cấu phức tạp, đa dạng cần phải có sự tham gia
của nhiều ngành khoa học kỹ thuật với trình độ cao.
Công trình thuỷ điện có ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế xã hội và
môi trường của cả vùng và cả nước. Thật vậy, 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. Do
tính đặc thù của công trình thuỷ điện thường được xây dựng ở các sông suối
miền núi nên việc nghiên cứu các báo cáo kinh tế, kỹ thuật cần phải được tiến
hành công khai và theo đúng các trình tự để tránh các sai sót. Công trình thuỷ
điện ngoài chức năng phát điện còn có thể kết hợp với việc điều tiết nước và


8

xả lũ cho vùng thượng lưu và hạ lưu.
1.1.2 Các hạng mục chủ yếu của công trình thủy điện
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:

- Đập bê tông: bao gồm bê tông đầm lăn, bê tông bản mặt và bê tông
trọng lực. Đập bê tông trọng lực là loại đập mà sự ổn định chủ yếu dựa vào
trọng lượng bản thân của nó. Ưu điểm của đập bê tông trọng lực là có tính bền
vững lớn, có thể sử dụng kết hợp với đập tràn và nhà máy thuỷ điện. Nhược
điểm của đập bê tông trọng lực là chỉ sử dụng được khi có đủ chất liệu chế tạo
bê tông, đòi hỏi nhiều nguyên vật liệu, yêu cầu về nền móng cao. Hiện nay
trong xây dựng đập bê tông trọng lực người ta đã sử dụng loại bê tông RCC
vừa có hiệu quả kinh tế cao, vừa đẩy nhanh tiến độ thi công.


10

Hình 1.2: Đập dâng và đập tràn thủy điện
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.



- 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
chuyển dịch công trình là xác định theo yêu cầu độ chính xác của công tác
quan trắc từng hạng mục công trình trong thiết kế kỹ thuật công trình và xác
định theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành của các Bộ, Ngành.
Đối với các tuyến đập bê tông trọng lực của các công trình thủy điện thì
độ chính xác quan trắc được nêu ra trong thiết kế kỹ thuật công trình.
1.2.2.1 Dựa vào giá trị chuyển dịch dự báo