Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 5- Quan trắc Mực nước và Động đất]

Bài 5- Quan trắc Mực nước và Động đất

2.4       Quan trắc mực nước hồ chứa thượng lưu và hạ lưu

Cao trình mực nước thượng hạ lưu hồ chứa là số liệu đầu vào để xem xét hiện tượng thấm và rò rỉ qua thân và nền đập, đồng thời nó cũng cung cấp số liệu tải trọng tác động lên thân đập. Vì vậy thông số này cần được quan trắc liên tục. 

Dữ liệu này được sử dụng để giải thích hầu hết các kết quả quan trắc khác, bao gồm cả việc xác định sự phân bố áp lực nước bên dưới đập. Áp lực đẩy nổi và tốc độ dòng thấm phụ thuộc trực tiếp vào sự khác biệt giữa độ cao của hồ chứa và MN hạ lưu.

Có nhiều phương pháp đo mực nước thượng hạ lưu hồ chứa. Mực nước có thể được đo bằng các dụng cụ đo độ cao đơn giản, chẳng hạn như các cột thủy chí hay được sơn trên các cấu trúc cố định trên thân kết cấu đập, hoặc chúng có thể được đo bằng các thiết bị cảm biến mực nước phức tạp hơn. (Tham khảo chương về Thiết bị Khí tượng Thủy văn.)

2.4.1   Cột thuỷ chí

Thiết bị đo mực nước đơn giản nhất là các cột thủy chí. Theo TCVN 8304:2009, cột thủy chí là thiết bị đo thủ công, là một thước thép thước thép dài 2 m (chia nhỏ đến cm) có vạch sơn được gắn trực tiếp trên cột bê tông (có móng cột chôn sâu vào đất đắp hoặc đất đá nền ổn định tối thiểu 0.5m). 

Ở các đập vật liệu địa phương khi đo mực nước hồ nó có thể bố trí theo thành một hàng ở mặt thượng lưu đập, số lượng cột phụ thuộc vào khoảng dâng của mực nước dự kiến. Ở khu vực hạ lưu cũng bố trí tương tự. Hình 2-23 Mô tả một cột thủy chí.

Hình 2‑23 Cột đo mực nước (cột thuỷ chí)

Ở các đập bê tông thước thép thường gắn vào tường (trụ) bê tông hoặc vạch sơn trực tiếp vào kết cấu bê tông công trình tại vị trí ít bị ảnh hưởng của sóng, gió như cửa vào, cửa ra, tường cánh của các công trình đầu mối: cống lấy nước, tràn xả lũ. 

Cho đến nay người ta hay dùng hệ thống ghi đo tự động, cho phép lấy số liệu từ xa. Hình 2-24 mô tả thiết bị quan trắc mực nước hồ tự động, trong đó đầu đo siêu âm dùng để đo mực nước.

Hình 2‑24 Thiết bị ghi đo mực nước tự động

Điều kiện thời tiết

Điều kiện thời tiết bao gồm nhiệt độ của không khí và nước trong hồ chứa, lượng mưa, độ ẩm, độ bốc hơi và tốc độ gió (WMO 2014), những yếu tố này ảnh hưởng đến bất kỳ hoạt động nào của đập, vì vậy chúng cần được ghi lại thường xuyên và liên tục. Chúng được sử dụng trong việc phân tích  đánh giá các dữ liệu địa kỹ thuật và kết cấu công trình trong quá trình kiểm tra. Chi tiết về thiết bị khí tượng thủy văn được trình bày chi tiết  trong Chương 7. Các thông số quan trọng này được tóm tắt trong mô tả dưới đây.

2.4.2  Lượng mưa

Lượng mưa là nước được giải phóng từ các đám mây dưới dạng mưa, hoặc mưa đá. Hầu hết lượng nước rơi xuống dưới dạng mưa.

2.4.2.1 Đo lượng mưa

Phương pháp đo lượng mưa phổ biến nhất là sử dụng một loạt các đồng hồ đo. Ba loại thiết bị đo được sử dụng phổ biến là loại tiêu chuẩn, loại lưu trữ và loại ghi. Loại tiêu chuẩn là một thùng chứa hình trụ đường kính 203 mm, loại này được đọc định kỳ, thường là 24 giờ một lần vào cùng một thời điểm mỗi ngày. Phần đọc lượng mưa thể hiện trong một ống phóng đại lượng mưa lên gấp 10 lần, vì nước mưa vào một hình trụ bên trong có diện tích mặt cắt bằng 1/10 kích thước của miệng thùng trên cùng. Loại thùng lưu trữ có cùng kích thước đón mưa  như thùng đo tiêu chuẩn nhưng có thể tích lưu trữ lớn hơn, thường là 1525 đến 2540 mm lượng mưa. Loại thiết bị này có thể được đọc định kỳ, ví dụ, mỗi tuần một lần, mỗi tháng một lần hoặc theo mùa. Một lượng nhỏ dầu thường được thêm vào các thùng đo để ngăn chặn sự bay hơi trong trường hợp thời gian đọc là kéo dài.

Hình 2‑24 Thiết bị đo lượng mưa

Việc sử dụng thiết bị có ghi đo lượng mưa, cho phép đo liên tục, tuy nhiên  giá thành cao hơn. Hình 2-24 là thiết bị đo lượng mưa TR-525-W2 của Texas Electronics, Inc. với phễu đón mưa đường kính 200mm tiêu chuẩn WMO là máy đo mưa kiểu xô nghiêng từ xa để đo lượng mưa. Thông qua một lỗ mở ở đáy phểu, nước mưa được thu thập và sau đó được chuyển sang một thiết bị cơ khí, được gọi là xô tới hạn. Khi xô tới hạn đầy nước mưa được xả ra ngoài làm trống thùng để cho phép đo bổ sung.

2.4.2.2Quan trắc lượng bốc hơi

Bốc hơi là một hiện tượng làm mất nước của hồ chứa, vì vậy việc xác định thông số này là cần thiết, đặc biệt cho những khu vực trung bộ của Việt nam. 

Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia qcvn 46:2012/BTNMT, lượng bốc hơi được thực hiện bảng 3 phương pháp:

+      Quan trắc bốc hơi bằng ống Piche

+      Quan trắc bốc hơi bằng thùng bốc hơi GGI-3000

+      Quan trắc bốc hơi bằng chậu bốc hơi CLASS-A (hình 2-26)

Chậu bốc hơi loại A tiêu chuẩn là một hình trụ kim loại có đường kính 122 cm và sâu 25 cm. Độ sâu mực nước được duy trì ở mức 18 đến 20 cm và được đo hàng ngày bằng máy đo đặt trong giếng tĩnh.

Hình 2‑26 Chậu đo bốc hơi Class-A

Bởi vì các phép đo chảo thường không phản ánh sự bay hơi từ các khối nước lớn, chẳng hạn như các hồ chứa, một hệ số được áp dụng cho giá trị đo. Hệ số này thường dao động từ 0.5 đến 0.8. Hệ số chảo trung bình hàng năm từ 0.70 đến 0.75 thường được sử dụng cho các hồ chứa khi chúng chưa được rút ra bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, những hệ số  này thay đổi theo mùa tùy thuộc vào nhiệt độ không khí xung quanh và nhiệt độ nước hồ chứa.

Quan trắc bốc hơi bằng ống Piche, như là một thí nghiệm. Ống bốc hơi Piche là một ống thủy tinh dài từ 17 đến 30cm, đường kính 1 cm, có khắc độ, một đầu kín, một đầu hở được đậy bằng một mặt giấy xốp tròn mầu trắng có nẹp kim loại giữ. Khi sử dụng, rót nước vào ống, bịt đầu hở bằng giấy xốp rồi treo ngược ống trong lều khí tượng. Nước ngấm qua giấy thấm rồi bốc hơi. Diện tích bốc hơi là 13cm2, kể cả hai mặt giấy xốp. Mỗi độ khắc lớn trên ống ứng với 1mm nước bốc hơi, mỗi độ khắc nhỏ là 0,1mm.

2.5       Tác động của động đất ở khu vực đập

Các dao động của nền đất do động đất gây ra được truyền đến một con đập và tạo thêm bất lợi cho đập. Tác động này được dự tính dựa trên cơ sở các phương pháp phân tích động hoc. Độ chính xác thường dựa trên cơ sở các thông số đầu vào như gia tốc nền hay phổ động đất. Để có thể phát triển hơn nữa và hoàn thiện các phương pháp phân tích động lực học của đập, cần phải thu thập và phân tích dữ liệu về phản ứng của các đập đối với chấn động. Các thông số động đất sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của động đất đến đập gồm gia tốc, chuyển vị và vận tốc tương đối của phản lực tại các vị trí khác nhau trong đập và mặt đất xung quanh cần được đo và ghi lại.

Vì động đất có thể có ảnh hưởng đáng kể đến tính toàn vẹn kết cấu và an toàn của một con đập, nên phải ghi lại bất kỳ bằng chứng nào về hoạt động địa chấn cục bộ, đồng thời tiến hành kiểm tra an toàn đập và bố trí thiết bị quan trắc để tìm hiểu xem có bất kỳ thiệt hại nào xảy ra hay không.

Thiết bị đo địa chấn cho một con đập bao gồm máy đo gia tốc dao động mạnh, máy đo địa chấn băng thông rộng và hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu liên quan để phát hiện sự vượt quá các giá trị cho phép cho phép cũng như xác định ứng xử của kết cấu đập.

2.5.1   Thiết bị gia tốc kế

Thiết bị này thường bao gồm ba gia tốc kế vuông góc với nhau, một hệ thống ghi và cơ chế kích hoạt. Các thiết bị này thường được thiết lập để được kích hoạt ở gia tốc tạo ra bởi các trận động đất nhỏ gần đó hoặc các trận động đất lớn hơn và xa hơn. Chúng đắt tiền, đặc biệt khi xét đến việc cần nhiều thiết bị để ghi lại phản ứng động tại một số vị trí trên thân đập, nền đập. Các thiết bị phải được bảo dưỡng đúng cách để chúng hoạt động nếu động đất xảy ra. Các thiết bị này được mô tả bởi USACE (1987c) và Bartholomew và Haverland (1987), Batholomew et al (1987).

Mặc dù trong phân tích động lực học của đập đã có những tiến bộ đáng kể, tuy nhiên  vẫn không thể dự đoán một cách đáng tin cậy ứng xử của đập khi nền đất rung chuyển mạnh vì khó lập mô hình ứng xử không đàn hồi của kết cấu và không đủ thông tin về sự biến đổi không gian của chuyển động trên mặt đất và các yếu tố khác . Tuy nhiên, mức độ nghiêm trọng và ảnh hưởng của chúng đối với kết cấu đập, có thể được đo và theo dõi bằng các thiết bị đo địa chấn thích hợp.

Các đặc điểm cơ bản của đập có thể được xác định bằng cách sử dụng dữ liệu địa chấn thu được như độ giảm chấn trong kết cấu, sự khuếch đại chuyển động của mặt đất dọc theo đường từ móng hoặc các mố đến đỉnh, sự truyền sóng trong kết cấu đập, chuyển động khác biệt giữa các mố, tần số tự nhiên, hình dạng phổ, v.v. Thông tin thu thập được có thể được sử dụng để đánh giá phản ứng kết cấu đập và xác định mức cảnh báo trong trường hợp ở trạng thái giới hạn.

2.5.2   Máy đo địa chấn

Máy đo địa chấn là một thiết bị phản ứng với tiếng ồn và rung chuyển trên mặt đất như do động đất, núi lửa phun trào và các vụ nổ gây ra. Chúng thường được kết hợp với thiết bị đo thời gian và thiết bị ghi âm để tạo thành một máy đo địa chấn. Đầu ra của một thiết bị như vậy - trước đây được ghi trên giấy hoặc phim, nay được ghi lại và xử lý kỹ thuật số - là một hình ảnh địa chấn. Dữ liệu như vậy được sử dụng để xác định vị trí và đặc điểm của các trận động đất cũng như nghiên cứu cấu trúc bên trong của Trái đất. Có thể hiểu một máy đo địa chấn đơn giản nhạy cảm với chuyển động lên xuống của trái đất bằng cách hình dung một quả nặng treo trên một lò xo. Lò xo và quả nặng được treo trên một khung chuyển động dọc theo bề mặt trái đất. Bởi vì quả nặng có xu hướng không chuyển động vì quán tính của nó, bằng cách đo sự khác biệt về vị trí giữa khung và quả nặng, có thể xác định chuyển động của mặt đất.

Các máy đo hiện đại sử dụng thiết bị điện tử để theo dõi các chuyển động nhỏ do hoạt động địa chấn tạo ra. Trong một số hệ thống, khối lượng được giữ gần như bất động so với khung bởi một kết nối với bộ khuếch đại điện tử. Chuyển động của khối lượng so với khung bằng lực từ trường hoặc lực tĩnh điện để giữ khối lượng gần như bất động. Điện áp cần thiết để tạo ra lực này là đầu ra của máy đo địa chấn, được ghi lại bằng kỹ thuật số. Trong các hệ thống khác, quả nặng có thể chuyển động, và chuyển động của nó tạo ra một điện áp trong một cuộn dây gắn với khối lượng chuyển động qua từ trường của một nam châm gắn với khung.

Máy đo địa chấn đo chuyển động theo hướng ngang (bắc-nam hoặc đông tây) và cả hướng thẳng đứng (Hình 2-27). Tuy nhiên, đôi khi chỉ đo được chuyển động theo hướng thẳng đứng vì nó ít ồn hơn và cho số đọc tốt hơn về một số sóng địa chấn.

Hình 2‑27 Máy đo địa chấn theo phương đứng và ngang

Trụ lắp đặt của máy đo địa chấn là rất quan trọng. Vị trí lắp đặt tốt nhất có thể là trong các lỗ khoan sâu, nơi tránh các hiệu ứng nhiệt, tiếng ồn mặt đất và nghiêng do thời tiết và thủy triều. Một số thiết bị thường được lắp trong vỏ bọc cách nhiệt trên các trụ nhỏ bằng bê tông không cốt thép. Bê tông cốt thép sẽ làm biến dạng trụ đỡ khi nhiệt độ thay đổi. Vị trí lắp đặt luôn được khảo sát về độ ồn của nền ở giai đoạn lắp đặt tạm thời trước khi đổ khối trụ đỡ và đặt ống cáp kết nối.

Mô tả chi tiết về quan trắc địa chấn của đập được trình bày trong chương 5.

Nguyễn Quốc Dũng biên soạn

[Xem tiếp Bài 6: Đo ứng suất và biến dạng]