Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 7- Đánh giá kết quả quan trắc, phần I: Quan trắc đập VLĐP]

2.9  Đánh giá kết quả quan trắc

Tất cả kết quả quan trắc phải được thu thập, xử lý và đánh giá kịp thời để thấy được trạng thái hoàn chỉnh của đập. Các số liệu cũ, không chính xác hoặc được đánh giá không phù hợp có thể là tồi tệ hơn là không có dữ liệu nào, bởi vì những loại số liệu này có thể gây hiểu nhầm và có thể dẫn đến kết luận sai về ứng xử và độ an toàn của đập.

Phương pháp điển hình trong việc đánh giá kết quả quan trắc  liên quan đến việc lập biểu đồ của kết quả đo phải thể hiện tính liên tục so với thời gian (ví dụ: mực nước hồ chứa và áp lực nước theo thời gian). Các biểu đồ biểu thị cũng có thể được sử dụng để xác lập quan hệ một loạt thông số quan trắc khác nhau nhằm hiển thị các xu hướng hoặc các khu vực có vấn đề (ví dụ: dữ liệu thấm, áp lực nước và dịch chuyển có thể liên quan trên cùng biểu đồ đánh giá mực nước hồ chứa ở trục Y và thời gian ở trục X).

Các kỹ sư thiết kế nên quy định phạm vi hoặc giá trị giới hạn cho từng thông số quan trắc để chỉ ra mức độ có thể chấp nhận được (tức là giới hạn an toàn) cho đập. Thanh tra an toàn đập nên biết các giá trị này và trong một số trường hợp, có thể yêu cầu bổ sung chúng nếu chưa có. Các chủ sở hữu đập cần hiểu rằng, khi các giá trị quan trắc vượt quá giá trị quy định phải kích hoạt các cuộc điều tra và có hành động cụ thể để tìm ra nguyên nhân và biện pháp khắc phục nhằm tránh những sự cố công trình có thể xảy ra.

Chi tiết về “Thu thập và quản lý kết quả quan trắc”, “Tổ chức và phân tích kết quả quan trắc” được trình bày lần lượt trong Chương 8 và Chương 9.

Cần lưu ý giá trị giới hạn cho từng thông số quan trắc thông thường có được từ giá trị quan trắc chu kỳ “0” (tức là khi tích nước lần đầu). Tuy nhiên, trong một số trường hợp (hoặc một số quốc gia) không có số liệu quan trắc chu kỳ “0” thì cách tiếp cận phân tích theo xu hướng của giá trị đo và đặc điểm của giá trị quan trắc là một cách làm chấp nhận được (BBT sẽ trình bày vấn đề này theo quy định của Nhật Bản ở các bản tin sau).

3          Công tác quan trắc cho đập vật liệu địa phương

Đập vật liệu địa phương (VLĐP) bao gồm đập đất hoặc đập đá đổ có lõi đất chống thấm, đập CFRD. Mục đích chính của các thiết bị được lắp đặt trong các đập VLĐP là để nghiên cứu xem đập có hoạt động theo dự tính của thiết kế hay không.

Đập đất khác với đập bê tông do tính biến dạng tương đối lớn hơn và tính thấm của các đất đắp cao hơn (trừ lõi bằngđất sét dẻo). Do đó, biến dạng và chuyển vị trong đập đất thường là có giá trị lớn và do đó có thể sử dụng các thiết bị quan trắc tương đối đơn giản để đo được biến dạng và chuyển vị của đập. Sự phân bố ứng suất trong các đập đất phức tạp hơn và việc thiết kế thường dựa trên sự đơn giản hóa bằng cách tính toán cho các mặt cắt đặc trưng bất lợi nhất. Như vậy các kết quả đo ứng suất đòi hỏi cần có những phương pháp đánh giá cụ thể để giải thích. Thấm có ý nghĩa lớn vì nó có thể gây xói ngầm bên trong thân đập, cũng như tăng áp lực nước lỗ rỗng dẫn đến mất ổn định của thân đập.

Ở các đập đá đổ cũng có một số thông số quan trọng cần được quan trắc. Trong trường hợp này cần lựa chọn các loại thiết bị phù hợp. Tuy nhiên, đối với loại thiết bị lắp đặt trong lớp vật liệu cấp phối hạt lớn thì cần bọc ngoài thiết bị bằng vật liệu phù hợp để thiết bị không bị các mảnh đá lớn làm hỏng trong quá trình thi công cũng như trong giai đoạn khai thác.

Không có quy tắc chung nào có thể được đưa ra cho công tác quan trắc cho đập vật liệu địa phương, do điều kiện tự nhiên của mỗi đập là khác nhau. Các thông số quan trắc cần thiết để đánh giá ứng xử của đập được tóm tắt như sau:

+      Áp lực nước lỗ rỗng;

+      Thấm/tiêu thoát nước;

+      Dịch chuyển bên trong;

+      Dịch chuyển bề mặt;

+      Mực nước thượng/hạ lưu;

+      Chiều cao sóng hồ chứa và lượng bốc hơi;

+      Địa chấn;

+      Ứng suất và biến dạng;

+      Lượng mưa khu vực đập.

Việc lập chương trình quan trắc và lựa chọn thiết bị phục vụ cho công tác quan trắc được dựa theo các bước sau:  

Bước 1. Xác định mục đích chính và các mục tiêu cụ thể của thiết bị đo sẽ sử dụng.

Bước 2. Xác định các phép đo thích hợp cho đập đang xem xét.

Bước 3. Quyết định vị trí và số lượng điểm quan trắc cho thông số cần đo.

Bước 4. Đưa ra quyết định về khoảng thời gian hoạt động của thiết bị, tức là theo dõi dài hạn hay ngắn hạn.

Bước 5. Xác định loại cảm biến hợp lý nhất dựa trên quan hệ giữa độ chính xác cần thiết của thiết bị và kết quả đo.

Bước 6. Dựa trên các bước  từ 1 đến 5 để xây dựng một kế hoạch cụ thể phù hợp với công trình.  

Bước 3 là bước quan trọng nhất. Thiết bị đo phải thể hiện được đặc điểm ứng xử quan trọng đã biết của con đập. Để so sánh, cũng nên bố trí thiết bị ở những vị trí mà kết quả đo là rõ ràng như ý muốn. Trong trường hợp đập mới xây dựng, cần quan trắc tối thiểu cho hai mặt cắt, trong đó có mặt cắt bất lợi nhất. Cách tốt nhất, đầu tiên lập một chương trình quan trắc lý tưởng nhất, và sau đó từ từ loại bỏ các loại thiết bị ít cần thiết hơn cho đến khi được một chương trình vừa đủ, cân đối về kỹ thuật và kinh tế. 

Mức độ thiết bị đo đạc được lắp đặt ở các đập vật liệu địa phương luôn toàn diện hơn và phức tạp hơn so với ở các đập bê tông có kích thước tương đương. Thiết bị quan trắc của các đập vật liệu địa phương, từ việc lựa chọn thiết bị, lắp đặt đến việc xử lý đánh giá kết quả, được trình bày trong tài liệu của Penman et al. (1999) hoặc TCVN 8215.

Thành công ở giai đoạn lắp đặt và đưa thiết bị quan trắc vào làm việc đòi hỏi sự chú ý đến từng chi tiết. Các vấn đề cần được xem xét và giải quyết trước bao gồm các thủ tục xác định nguồn gốc thiết bị (CO), chứng chỉ chất lượng (CQ) của các thiết bị, năng lực của nhà thầu lắp đặt thiết bị quan trắc và nhân viên quan trắc phải được đào tạo đặc biệt. Ở giai đoạn này cũng phải xem xét chi tiết các bước nghiệm thu và bàn giao công việc, do nhà thầu lắp đặt thiết bị thường chỉ thực hiện trách nhiệm trong giai đoạn ban đầu (đo xong chu kỳ “0”). Nên xem xét toàn bộ chương trình quan trắc một cách tổng thể đầy đủ các công đoạn: thiết bị, lắp đặt, đo kiểm tra, vận hành, giám sát, quản lý và giải thích kết quả đo.

Sơ đồ bố trí thiết bị cho phần chính của đập đắp đất mới được thể hiện trong Hình 3-1. Các chương trình thiết bị quan trắc toàn diện thuộc loại đập này được trình bày các báo cáo của Evans và Wilson (1992), Charles et al. (1992), và Charles et al. (1996). Đối với các đập mới, cần có một mức độ thiết bị quan trắc hợp lý để đưa ra tiêu chuẩn cảnh báo đầy đủ về các tình trạng nghiêm trọng có thể dẫn đến sự cố.

Hình 3‑1 Mô tả quan trắc của một mặt cắt của đập VLĐP

Đập đất thường bị hư hỏng hoặc có sự cố do sự hình thành của các đường thấm tập trung, ngay sau khi tích nước. Điều này có thể xảy ra do công tác thi công, do sai sót trong thiết kế hoặc do việc đánh giá không chính xác về điều kiện cụ thể ở đập. Các đường thấm tập trung cũng có thể xảy ra do sự biến dạng quá mức giữa các khối đắp và các kết cấu bê tông trong đập.

Những sai sót trong thiết kế hoặc thi công mà hưởng đến tính toàn vẹn và an toàn của đập sẽ trở nên rõ ràng ở giai đoạn tích nước lần đầu, do đó cần có một chế độ quan trắc thích hợp. Lần tích nước lần đầu tiên nên được tiến hành với tốc độdâng nước hồ có kiểm soát. Trong thời gian này, ứng xử của đập và nền đập cần được giám sát chặt chẽ trong quá trình tích nước đến MNDBT và trong một vài năm tiếp theo.

Việc mua sắm và lắp đặt thiết bị cho nhiệm vụ quan trắc đòi hỏi một sự cẩn thận từ việc lập kế hoạch đến khâu thực hiện. Với các đập lớn, số lượng thiết bị quan trắc là lớn vì vậy cần thiết có kế hoạch tham khảo ý kiến của các nhà sản xuất và đơn vị chuyên nghiệp trong lĩnh vực quan trắc trước khi đưa ra quyết định cuối cùng. Việc ký kết hợp đồng với một nhà thầu chịu trách nhiệm thực hiện toàn bộ công tác quan trắc bao gồm việc mua sắm, lắp đặt, và đảm bảo thiết bị quan trắc hoạt động bình thường cho đến khi đưa công trình vào sử dụng là một phương án hợp lý. Trong Hợp đồng cũng nên bổ sung việc đào tạo nhân viên kỹ thuật cho chủ đập, những người sau đó sẽ chịu trách nhiệm công tác quan trắc tại công trình và cũng nên kéo dài thêm một thời gian trách nhiệm của nhà thầu trong  thời gian vận hành để con người và hệ thống được hoạt động trơn tru, đảm bảo độ tin cậy của hệ thống quan trắc hoạt động trong tương lai. ICOLD khuyến cáo các Hợp đồng với nhà thầu lắp đặt thiết bị quan trắc nên yêu cầu thời gian bảo hành tối thiểu 5 năm sau lần tích nước đầu tiên (hoặc sau khi lắp đặt xong và quan trắc lần đầu).

3.1       Công tác quan trắc cho đập cũ

Công tác quan trắc cho các đập vật liệu địa phương cũ hiện có, đặc biệt là những đập có tiềm ẩn sự cố là một thách thức khi các đập này đã có tuổi đời khá lâu, và các hạn chế về thiếu thiết bị hay loại thiết bị được lắp đặt trước đây đã lạc hậu so với hiện nay do sự phát triển của công nghệ. Cùng với thời gian và sự biến đổi của tổng thể cả công trình, trong khi đó các giá trị giới hạn để so sánh là các giá trị được xây dựng từ thời điểm hoàn thành đập đã thay đổi. Điều này làm cho việc đánh giá kết quả quan trắc là khó hơn so với trường hợp một con đập đã được quan trắc thường xuyên kể từ khi bắt đầu xây dựng. Việc lắp đặt bổ sung tối thiểu thiết bị quan trắc cho các đập cũ được khuyến nghị tập trung vào việc quan trắc thấm, độ lún và biến dạng thân và đỉnh đập. Trong một số trường hợp, sẽ là tốt hơn nếu bổ sung được các quan trắc áp lực nước và biến dạng cục bộ, ví dụ: nơi có cống lấy nước hay các hạng mục tương tự chạy ngang qua thân đập.

3.2       Quan trắc thấm và áp lực nước

Trong trường hợp đập đắp, hiện tượng thấm có thể tăng qua phần thân của đập đắp, cũng như qua màn chống thấm. Trong một số trường hợp có thể cho phép hiện tượng này nếu như có biện pháp thích hợp để kiểm soát nó (lưu lượng và gradient dòng thấm nằm trong giới hạn, dòng thấm không mang theo hạt đất trên đường đi, điểm ra của dòng thấm ở mái hạ lưu nằm dưới mức cho phép,…). Khi hiện tượng thấm không được kiểm soát có thể gây nguy hiểm đập. Các sơ đồ bố trí thiết bị đo áp lực nước trong các loại đập đắp khác nhau được thể hiện trong Hình 3-2 và Hình 3-3 để theo dõi sự thấm vòng qua vai và trong thân đập. Ít nhất, cần phải lắp đặt thiết bị để giám sát lưu lượng dòng thấm chảy về hệ thống thoát nước tập trung và có các mốc quan trắc lún cách nhau 20 hoặc 25 mét dọc theo đỉnh đập.

Hình 3‑2 Mặt bằng các điểm quan trắc áp lực nước qua thân của đập vật liệu địa phương

Hình 3‑3 Mặt bằng các điểm quan trắc áp lực nước đo thấm vòng dưới đập vật liệu địa phương.

Hệ thống đo nhiệt độ bằng sợi quang có thể được áp dụng tại các đập hiện có cũng như tại các đập mới (Goltz et al. 2011) để quan trắc hiện tượng thấm. Ứng dụng phổ biến nhất cho các đập cũ là bổ sung đường cáp quang ở chân đập bên dưới lớp bảo vệ mái đã được cải tạo lại hay trong các lỗ khoan thẳng đứng. Trong trường hợp các đập đắp mới, cáp quang có thể được lắp đặt trong quá trình thi công tại các vị trí mà việc giám sát sẽ cho thông tin hữu ích nhất. Những nơi như vậy là: phía sau mặt lõi chống thấm, hoặc bên trong lõi chống thấm làm bằng vật liệu tự nhiên (lõi sét) hoặc nhân tạo (bê tông, bitum,..).

3.3       Quan trắc ứng suất trong thân đập

Việc đo ứng suất trong thân đập VLĐP có ý nghĩa không lớn ngoại trừ tại các vùng tiếp xúc giữa vật liệu đắp và kết cấu cứng (tường chắn bê tông, tường vây, hành lang và đường ống). 

Hơn nữa, tấm đo ứng suất phải đáp ứng các yêu cầu như: không quá nhạy cảm với tác động của sự thay đổi nhiệt độ, không thấm nước, chắc chắn và bền, và lắp đặt đơn giản. Hình minh họa bố trí thiết bị đo để theo dõi ứng suất trong đập đắp được thể hiện trong Hình-3-4.

Hình 3‑4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo áp lực đất trong đập VLĐP: 1) Lõi đập; 2) vỏ đập; 3) thân đập

Hình 3‑5 Mặt bằng các mốc quan trắc dịch chuyển

Một số sơ đồ đặc trưng bố trí thiết bị quan trắc cho đập vật liệu địa phương được trình bày trong các hình vẽ 3.5 đến 3.17.

Hình 3‑6 Vị trí thiết bị đo áp lực nước (piezometer) cho đập

Hình 3‑7 Vị trí mốc đo lún cho đập

Ký hiệu:

1. Đo áp lực nước trong khối thượng lưu đập.  2. Đo áp lực nước ở đáy đập thượng lưu.  3. Đo áp lực nước ở đáy đập hạ lưu.  4. Mốc quan trắc lún ở đỉnh đập.

5. Đo áp lực nước để đánh giá hiệu quả ống khói thoát nước và ảnh hưởngcủa mưa. 6. Tràn đo lưu lượng  7. Đo cao độ nước hồ.  8. Đo mực nước hạ lưu

Hình 3‑8 Đập đồng nhất – Một sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc

Hình 3‑9 Đập có lõi chống thấm – Sơ đồ thiết bị quan trắc

Ký hiệu:

1. Quan trắc dòng thấm và tính đồng nhất của từng khu vực, hiệu quả tính thấm của lõi chống thấm bằng các đầu đo áp lực nước.  2. Quan trắc hiệu ứng vòm có thể gây nứt ngang lõi chống thấm và đứt gãy thủy lực bằng tấm đo áp lực đất.

3. Quan trắc thấm ở mặt tiếp xúc đập và nền bằng đầu đo áp lực nước. 4. Quan trắc thấm của nền, hiệu quả màn chống thấm bằng đầu đo áp lực nước.  5. Quan trắc dịch cịch chuyển và vết nứt bên trong thân đập, đặc biệt vùng vai đập bằng thiết bị giãn kế.

6. Quan trắc dịch chuyển bề mặt đập bằng các mốc mặt 7. Đo lưu lượng thấm bằng tràn lưu lượng.. 8. Đo cao độ mực nước hồ 9. Đo cao độ mực nước hạ lưu.

Hình 3‑10 Chi tiết bố trí quan trắc cho đập CFRD

Ký hiệu:

1. Đo độ mở khe đáy và khe đứng tấm BT mái thượng lưu

2. Đo dịch chuyển của tấm BT chống thấm mặt thượng lưu.

3. Đo biến dạng và ứng suất tấm BT bằng giãn kế. 

4. Đo biến dạng tấm BT chống thấm bằng ống đo nghiêng. 

5. Đo lún mặt

6. Đo dòng thấm để đánh giá hiện tượng xói ngầm dưới tấm BT.

7. Đo hiệu quả màn chống thấm đáy đập

Hình 3‑11 Đập có lõi giữa và hầm dọc đáy để lắp đặt đầu đo áp lực nước (piezometer)

Hình 3‑12 Đập đất đồng chất – Quan trắc nền móng

Ký hiệu:

1. Số lượng và vị trí của các vị trí áp suất kẽ rỗng phụ thuộc vào độ tương phản độ thấm (chênh lệch thấm) giữa các lớp (1, 2, 3, 4), số lượng lớp đất, độ dày và chiều cao của đập. 

2. Đo lưu lượng nước thấm.

Hình 3‑13: Đập CFRD có hành lang ở dầm chân – Dùng để bố trí thiết bị đo áp lực nước (piezometer)

Hình 3‑14: Đập CFRD có tường chống thấm – Bố trí thiết bị đo áp lực nước (piezometer)

Hình 3‑15 Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc trong đập lõi giữa có mặt cắt phức tạp

Hình 3‑16 Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc cho đập VLĐP chiều cao lớn

Hết phần I

Nguyễn Quốc Dũng biên soạn

Xem tiếp Bài 8 [phần II: Quan trắc cho đập bê tông]