Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 2- Các loại thiết bị quan trắc và ứng dụng]

Bài 2- Các loại thiết bị quan trắc và ứng dụng

1        Các loại thiết bị quan trắc và ứng dụng

Chương này đề cập đến về một số thiết bị quan trắc thông dụng để đo các thông số vật lý cần thiết phục vụ cho việc đánh giá tính an toàn và hiệu suất của đập. Bởi vì tất cả các thiết bị này được thiết kế để đo các đặc tính vật lý cụ thể, các dụng cụ được nhóm theo các thông số mà chúng theo dõi.

Các loại thiết bị quan trắc được thiết kế để quan trắc những thông số cơ bản, bao gồm:

a) Quan trắc chuyển vị:

·      Chuyển vị thẳng đứng.

·      Chuyển vị ngang.

·      Nghiêng.

·      Nứt.

b) Quan trắc biến dạng:

·      Biến dạng nhỏ (cho bê tông, cốt thép và kết cấu thép).

·      Biến dạng lớn.

c) Quan trắc lực.

d) Quan trắc ứng suất. 

e) Quan trắc áp lực.

f) Quan trắc dao động.

g) Quan trắc nhiệt độ.

Dựa trên các quan trắc cơ bản này mà người ta sử dụng để quan trắc cho các bài toán cụ thể cần xem xét. Ví dụ khi cần quan trắc ứng suất trong kết cấu thép có thể sử dụng thiết bị đo biến dạng kết hợp với giá trị module đàn hồi của vật liệu thép và loại thiết bị phải là thuộc loại đo biến dạng nhỏ. 

Các thông số vật lý cơ bản quan trọng nhất để đánh giá độ an toàn và hiệu suất của cả đập đắp và đập bê tông là như sau:

·      Áp lực nước;

·      Thấm và rò rỉ;

·      Dịch chuyển;

·      Mực nước hồ chứa và mực nước hạ lưu;

·      Điều kiện thời tiết.

Các dữ liệu vật lý quan trọng khác bao gồm:

·      Gia tốc động đất;

·      Ứng suất và biến dạng (trong thân đập hoặc nền móng, ứng suất trong cốt thép, ….); 

·      Nhiệt độ.

Định nghĩa, mục đích và mô tả, cũng như hướng dẫn cụ thể về cách đọc thiết bị và ghi dữ liệu của nó, được đưa ra cho mỗi loại thiết bị. Việc kiểm tra trực quan tại chỗ đối với thiết bị, sử dụng và giải thích dữ liệu cũng như đánh giá tổng thể về thiết bị cũng được mô tả.

Chương này bao gồm một loạt các thiết bị quan trắc. Một số thiết bị là đơn giản; những số khác là phức tạp và có đặc thù riêng. Mục đích nhằm để cung cấp một cái nhìn tổng quan về hoạt động và sử dụng của các thiết bị quan trắc phổ biến hơn và cung cấp thông tin cơ bản hữu ích về các thiết bị quan trắc ít phổ biến hơn và phức tạp hơn.

2.1       Thiết bị đo áp lực nước

Ở các công trình đập, nước là tác nhân gây hai tác động lên đập bao gồm:

·      Tải trọng gây tác động cơ học lên kết cấu đập, như lực ngang, lực đẩy đáy đập gây mất ổn định đập.

·      Tác động thấm của nước do có gradient thủy lực qua các lỗ rỗng trong đất và qua các khe nứt trong nền đá hay trong khối bê tông đập gây ra xâm thực trong kết cấu thân đạp hay xói nền đập. 

Để đo những tác động này người ta sử dụng các thiết bị đo áp lực nước, tên gọi quốc tế của thiết bị này là “piezometer”. 

Piezometer là thiết bị dùng để đo áp lực nước tại các vị trí cụ thể trong thân đập vật liệu địa phương, nền đập và vai đập. Kết quả đo áp lực nước cho một hình ảnh của giá trị áp lực nước ở những điểm khác nhau từ đó có thể xác định những vấn đề có thể phát sinh cho kết cấu đập. 

Để đo áp lực nước tại một điểm cụ thể trong một khối đất, đá hoặc bê tông có thể đo bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Cách đo trực tiếp được thực hiện thông qua việc xác đinh cao độ mực nước thực tế tại một điểm cụ thể so với cao độ vị trí cần đo; từ giá trị chênh lệch cao độ này có thể được chuyển đổi thành áp lực nước tương đương. Cách đo gián tiếp là từ giá trị áp lực nước có thể được chuyển đổi thành giá trị cao độ mực nước.

Có hai loại thiết bị đo áp lực nước cơ bản, gồm: 

·      Loại hở, là loại đơn giản làm việc theo nguyên lý thủy lực trong đó áp lực thu được trực tiếp bằng cách đo mực nước hoặc áp lực trong một ống lắp trong nền đất đá. 

·      Loại kín, là loại cho phép chôn tại vị trí quan trắc và có dây nối vào bộ phần ghi đo số liệu. Loại thiết bị này làm việc theo nguyên lý điện trở, dây rung (VW), vi cơ-điện tử (MEM) hay khí nén.

2.1.1         Thiết bị đo áp lực nước kiểu hở

Thiết bị đo áp thủy lực nước kiểu hở, bằng cách đo trực tiếp mực nước trong một ống thẳng đứng. Độ cao này là bề mặt bão hòa trong đất hoặc đá xung quanh.

1.1.1.1 Giếng quan trắc mực nước.

Tên tiếng Anh của loại thiết bị này là “observation well”, thông thường được sử dụng để đo cao độ mực nước dưới mặt đất đá. Trước đây thường được dùng để đo áp lực dưới tầng phủ sau chân đê, sau này một số tài liệu hướng dẫn đưa vào để đo đường bão hòa trong đập đất.

Cấu tạo của giếng quan trắc nước và thiết bị đo mực nước được thể hiện trong hình 2-1, trong đó giếng được cấu tạo bằng một ống PVC hoặc thép, thân của ống từ độ sâu khoảng 2 m kể từ mặt đất được khoan lỗ, cho phép nước được thấm vào ống qua lớp cát thô bọc xung quanh. Tuy nhiên, trong một số Hướng dẫn đã ban hành yêu cầu bọc đoạn ống đục lỗ bằng vải lọc (Geotextile) để ngăn cát lọt vào ống. Điều này dẫn đến hiện tượng lấp bịt lớp vải bọc (do Bentonite từ trên chảy xuống) dẫn đến số đọc sai (MN trong ống nhiều khi cao hơn MN trong hồ chứa). Vì vậy, khuyến cáo không nên sử dụng vải lọc để bọc ống đục lỗ kiểu này mà nên dùng thiết bị đo kiểu Casagrade như hình 2-2 dưới đây

2.1.1.2  Thiết bị đo áp lực nước kiểu hở (Standpipe Piezometers)

Loại đầu đo này mang tên của người đầu tiên làm ra nó, đó  là Casagrande, ông là một trong những nhà khoa học  người Mỹ hàng đầu trong lĩnh vực cơ học đất. 

Hình 2-2: Thiết bị đo MN kiểu Casagrande

Phần ống lọc là phần cho phép nước trong đất đá thấm vào (hình 2-2). Thiết bị làm việc theo nguyên lý bình thông nhau. Tùy theo giá trị áp lực nước tại độ sâu lắp đặt mà nước sẽ dâng lên trong phần ống dẫn, chiều cao cột nước dâng lên trong ống kể từ vị trí đầu đo là giá trị áp lực nước cần đo.  Như vậy, để xác định giá trị áp lực nước người ta đo cao độ mực nước trong ống từ đó chuyển sang đơn vị áp lực nếu như cần thiết.

Cần chú ý là khi lắp đặt xong cần phải xả nước vào hoặc ra khỏi ống để nó thích ứng dần với sự thay đổi áp suất lỗ rỗng. Do đó, có một độ trễ thời gian đáng chú ý trong việc ghi lại những thay đổi áp lực nước cho đến khi dẫn đến một giá trị ổn định.

2.1.2   Đầu đo áp lực nước kiểu kín

Như đã nêu trên loại đầu đo này được chôn sâu trực tiếp trong đất, áp lực nước tác dụng vào một cơ cấu trong đầu đo, tín hiệu áp lực được truyền dẫn lên mặt đất bằng các dây dẫn riêng biệt đến thiết bị đọc. Chúng hoạt động theo nguyên lý khí nén, điện trở, dây rung (VW) hay vi cơ điện tử (MEM).

2.1.2.1   Đầu đo thủy lực kiểu khí (Pneumatic)

Hình 2-3 mô tả thiết bị đo áp lực nước làm việc bằng khí nén (Pneumatic). Đầu đo có cấu tạo gồm hai buồng ngăn cách bằng một màng đàn hồi. Một là buồng tạo áp có hai ống dẫn khi đưa ra ngoài, một ống dùng để dẫn khí máy đo đưa vào và một ống khác nối với một đồng hồ đo áp lực khí và một van điều kiển, một buồng khác bên cạnh cho phép nước bên ngoài xâm nhập. Khi đo, van điều khiển được khóa người ta đưa khí vào buồng tạo áp bằng khí nén đến một giá trị nào đấy (có thể ước lượng dựa vào mực nước tự nhiên và độ sâu lắp đặt) lớn hơn giá trị áp lực nước ở vị trí đo, (giá trị áp lực khí nén được thể hiện ở đồng hồ đo áp lực khí) lúc này màng ngăn cách phình ra do áp lực lớn hơn, sau đó từ từ giảm áp. Khi giá trị áp lực thể hiện ở đồng hồ máy đo không thay đổi, lúc này áp lực khí trong buồng cân bằng với áp lực nước bên ngoài, giá trị này là giá trị áp lực nước cần đo.

Một loại thiết bị đo áp kín khác là thiết bị kiểu Bishop được thể hiện trong Hình 2-4. Thiết bị này thích hợp nhất để sử dụng cho đất có độ thấm thấp và đất không bão hòa và do đó có thể đo áp lực nước lỗ rỗng âm cũng như dương. Đầu đo được kết nối với bộ phận ghi đo cố định bằng hai ống nylon. Toàn bộ hệ thống (đầu đo và ống dẫn) chứa đầy nước được khử khí và các ion.X

Áp lực nước lỗ rỗng ở đầu được truyền qua đá thấm đến nước trong hệ thống khép kín. Giá trị áp lực nước này có thể được đo ở đầu từ xa của một trong hai ống, nó được hiệu chỉnh bằng kết quả của 2 ống. Khoảng cách từ vị trí đầu đo đến thiết bị đo là đáng kể (khoảng hơn 200 mét). Máy đo áp suất Bishop đã được chứng minh là chính xác và bền và được sử dụng rộng rãi và được kết hợp vào các công trình đập vật liệu địa phương để đo áp suất lỗ rỗng trong quá trình thi công (Penman và cộng sự 1999, trang 128-131, Novak và cộng sự 2007, trang 297).

2.1.2.2   Piezometers điện trở, dây rung.

Đầu đo áp lực nước làm việc theo nguyên lý điện hay dây rung cho phép đo được kết quả một cách nhanh chóng. Hoạt động của thiết bị dựa trên cơ sở biến dạng của màng thép dưới tác dụng của áp lực nước. Với nguyên lý điện trở (Hình 2-5), khi màng đo biến dạng làm thay đổi giá trị điện trở của nó và đo được thông qua giá trị hiệu điện thế. Mỗi một giá trị áp lực nước màng biến dang thay đổi dẫn theo sự thay đổ của điện trở gắn trên màng và sẽ tương ứng với một giá trị hiệu điện thế. Với nguyên ký dây rung (hình 2-6), biến dạng của màng được nối với một dây kim loại ở trạng thái căng (khi dây kim loại ở trạng thái căng luôn phát ra một tần số và giá trị tần số tương ứng với mỗi độ căng của dây), mỗi giá trị áp lực nước sẽ gây ra một độ căng cho dây được thể hiện bằng một giá trị tần số. Thông qua những liên hệ nêu trên mà người ta có thể xác định được giá trị áp lực nước.  

Biểu đồ hoặc bảng hiệu chuẩn sau đó được sử dụng để tính toán các giá trị áp suất lỗ rỗng dựa trên các số đọc tần số.

2.1.3 Tần suất quan trắc

Tần suất quan trắc cho loại thiết bị này ở công trình đập phụ thuộc vào một số yếu tố. Nó có thể do đơn vị tư vấn thiết kế quy định. Tần suất đo nên là thường xuyên hơn trong các trường hợp sau đây:

+      Khi mực nước hồ thay đổi đáng kể;

+      Khi mực nước hồ chứa vượt cao độ thiết kế,

+      Trong quá trình tích nước,

+      Khi thực hiện công tác chống thấm;

+      Khi phát hiện ra hiện tượng thấm hoặc dịch chuyển bất thường, và có hoạt động địa chấn.

Yêu cầu về tần suất quan trắc là cho trường hợp các phương pháp đo là thủ công. Khi các thiết bị đã được kết nối tự động, thì tần suất ghi đo là đủ dày để thỏa mãn các điều kiện trên.

Tài liệu tham khảo:

[1] Guidelines for Instrumentation of Large Dams, Central Water Commission Ministry of Water Resources, River Development & Ganga Rejuvenation Government of India. January 2018.

[2] TCVN 8215:2019- Công trình thủy lợi- Thiết bị quan trắc

[3] Chỉ dẫn về công tác quan trắc cho đập lớn, Sổ tay 11, Báo cáo nhiệm vụ 3, Dự án “Xây dựng phương pháp và hướng dẫn kỹ thuật đánh giá an toàn đập thuỷ điện và thí điểm đánh giá cho các đập được lựa chọn”, Nguyễn Quốc Dũng, Nguyễn Anh Dũng và nnk, năm 2022.

[4] Sổ tay quan trắc đập bê tông, Nguyễn Chiến và nnk, Nhà xuất bản Xây dựng, 2019.

Biên soạn bởi: Nguyễn Quốc Dũng

[Xem tiếp bài 3: Đo lưu lượng thấm và rò rỉ]