Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 8- Đánh giá kết quả quan trắc, phần I: Quan trắc đập bê tông]

2.9       Chỉ dẫn quan trắc (tiếp theo Bài 7)

2.9.1    Chỉ dẫn chung

2.9.2    Công tác quan trắc cho đập vật liệu địa phương

2.9.3    Công tác quan trắc cho đập bê tông

Mục đích của quan trắc cho  đập bê tông cũng giống như đối với đập vật liệu địa phương. Điều quan trọng hàng đầu là cung cấp số liệu để đánh giá mức độ an toàn của một con đập. Điều quan trọng thứ hai có thông tin có thể thực hiện công tác bảo trì sửa chữa kết cấu đập, cải tạo các con đập cũ và thu thập kinh nghiệm cho thiết kế các đập mới.

Các thiết bị quan trắc được sử dụng trong đập bê tông hoặc được liệt kê trong Bảng 4-1.

Bảng4‑1: Thiết bị quan trắc dùng cho đập bê tông và đá xây

TT	Thiết bị	Mục đích
1	Toàn đạc điện tử, Mốc chuẩn và quan trắc, GPS	Đo dịch chuyển tương đối giữa đập và vai đập, giữa các khối trong đập và dịch chuyển tuyệt đối.
2	Giãn kế (thẳng đứng hay nghiêng) -      Đơn điểm -      Đa điểm	Đo dịch chuyển tương đối giữa đập và vai đập, nền đập và tại bất kỳ vùng nhậy cảm nào trong nền đập (vùng có khả năng nứt hay có ứng suất cắt lơn ..,)
3	Thiết bị đo khe hay nứt -      2D -      3D	Đo độ mở khe hay vết nứt
4	Thiết bị đo lưu lượng -       Tràn tam giác -       Thiết bị đo dòng	Đo lượng nước thấm, rò qua thân và nền đập
5	Các thiết bị đo áp lực	Đo áp lực đẩy nổi dưới đáy đập và áp lực nước trong thân đập.
6	Thiết bị đo nhiệt độ	Đo nhiệt độ trong bê tông, không khí, nước lòng hồ và dòng thấm
7	Thiết bị quả dọi -      Thuận -      Ngược	Đo dịch chuyển ngang của đập
8	Thiết bị đo ứng suất và biến dạng	Do ứng suất và biến dạng ở các vị trí nguy hiểm
9	Thiết bị đo nghiêng (inclinometer/tiltmeter)	Đo biến dạng đập
10	Thiết bị đo tác động của động đất -      Địa chấn -      Gia tốc kế	Đo dao động nền và đối xử động của đập dưới tác động của động đất

Trong trường hợp đập bê tông, các thông số quan trắc bao gồm nhiệt độ trong thân và nền của đập, ứng suất và biến dạng, sự hình thành và mở rộng các vết nứt, độ mở của các khe giữa các khối bê tông, áp lực nước lỗ rỗng, áp lực đẩy đáy đập. Hình 4-1 là mặt bằng của một đập trọng lực có minh họa các điểm quan trắc.

Hình 4‑1 Mặt bằng quan trắc một đập trọng lực 

Có hai phương pháp chính để thực hiện các phép đo:

-      Sử dụng phương pháp quan trắc bằng trắc đạc đo dịch chuyển trên bề mặt đập hay trong hành lang kiểm tra của đập. 

-      Sử dụng các thiết bị quan trắc lắp đặt trong bê tông thân và nền đập hay các hạng mục khác trong thân đập để quan trắc những thông số bên trong đập. 

Về vị trí của các thiết bị quan trắc, các nguyên tắc áp dụng là tương tự như đối với đập trong đập vật liệu địa phương. Các thiết bị quan trắc phải được bố trí ở những vị trí có giá trị ứng suất và biến dạng dự kiến ​​lớn nhất, những nơi mà đã có kết quả tính toán để có thể so sánh giữa các giá trị đo được và tính toán. Số lượng điểm đo phụ thuộc vào loại, kích thước và độ phức tạp của kết cấu được quan trắc. Đập càng cao và càng phức tạp thì càng cần bố trí nhiều thiết bị quan trắc hơn.

Trong trường hợp đập vòm nhạy cảm hơn đập trọng lực và đập trụ chống, cần phải thực hiện giám sát toàn diện hơn. Số lượng thiết bị phải được lựa chọn để đảm bảo cung cấp được một hình ảnh rõ ràng về sự phân bố ứng suất, biến dạng và nhiệt độ trong thân đập cũng như trong nền của nó. Tuy nhiên, số lượng thiết bị được lắp đặt ít quan trọng hơn việc lựa chọn thiết bị phù hợp, được lắp đặt tại các vị trí quan trọng thích hợp và cho phép giải thích kết quả quan trắc chính xác hơn. 

4.1-      Thiết bị dây dọi

Thiết bị quả dọi là một thiết bị phù hợp và không quá phức tạp để đo dịch chuyển ngang của đập  do tải trọng nước hay sự thay đổi nhiệt độ gây ra. Cả hai loại thuận và nghịch đều được sử dụng trong thực tế. Một thiết bị quả dọi thuận gồm một quả nặng treo bằng dây và thả xuống giếng thẳng đứng từ đỉnh đập. Khi đập có chiều cao lớn có thể sử dụng nhiều thiết bị lắp nối tiếp nhau. Đối với thiết bị quả dọi ngược, dây của thiết bị được cố định ở trong nền và quả dọi là một phao nổi trong một thùng dung dịch. Kết quả dịch chuyển đo được là giá trị dịch chuyển tương đối trong phạm vi chiều dài của dây dọi. Dịch chuyển ngang của đập là tổng hợp giá trị dịch chuyển của các thiết bị lắp nối tiếp nhau theo chiều cao đập. Cho đến nay, giá trị dịch chuyển trong thiết bi dây dọi được ghi đo tự động theo nguyên lý quang học (xem hình 4-2).

Trong hình 4-3 là biểu đồ kết quả dịch chuyển ngang của đập được đo bằng thiết bị này.

Hình 4‑2 Cảm biến ghi đo vị trí của dây dọi

Hình 4‑3 Biểu đồ dịch chuyển ngang của đập theo hướng thượng – hạ lưu 

Thiết bị dây dọi thường được sử dụng trong các đập trọng lực, cũng như trong các đập vòm. Trong trường hợp đập vòm cong hai chiều, việc lắp đặt thiết bị dây dọi là khó khăn, điều này thật đáng tiếc vì với loại đập này, độ võng của đỉnh liên quan đến nền là yếu tố chính để đánh giá hoạt động của đập. Khó khăn này có thể giải quyết bằng cách sử dụng các loại thiết bị như Tiltmeter hay Inclinometer. Tuy nhiên, gần đây hơn, giá trị dịch chuyển đã được đo trực tiếp trong các trục nghiêng bằng cách sử dụng chùm ánh sáng đơn sắc có điều khiển (được gọi là đường ống dẫn tia lazer).

4.2- Quan trắc dịch chuyển đập bằng phương pháp trắc đạc

Dịch chuyển bên ngoài đập là một thông số để đánh giá an toàn đập. Do chúng là những giá trị được đo dựa trên những mốc chuẩn được bố trí ở khu vực xa đập nên những giá trị này được coi là giá trị tuyệt đối. Bằng cách sử dụng thiết bị đo khoảng cách theo nguyên lý quang học hoặc điện tử hoặc laser, có thể xác định dịch chuyển ngang và đứng tương đối của các mốc mặt với các mốc chuẩn ở ngoài đập. Cách bố trí các điểm đo để theo dõi chuyển động thẳng đứng của đập được minh họa trên Hình 4-4.

Các phương pháp đo có thể xác định được dịch chuyển bên ngoài đập bao gồm bằng thiết bị dây dọi, bằng thước dây (tape extensometer), hay các phương pháp trắc đạc khác như đường ngắm chuẩn, phương pháp đo lưới tam giác, phương pháp đo lún. Dịch chuyển tương đối  và độ nghiêng của các khối liền kề cũng có thể quan trắc được bằng cách sử dụng thiết bị đo độ mở rộng khe, vết nứt loại cơ học hay quang học (hình 4.4).

Gần đây, một số đập ở Việt Nam đã lắp đặt thiết bị trắc đạc đa điểm bằng máy Laser Scan (của hãng Leika, Nikon, …) cho phép đo nhiều điểm và thiết lập chu kỳ đo tự động. Dữ liệu đo 3D cho phép kết nối với các phần mềm (Ansys, Plaxis, Shap2000,…) để phân tích độ bền theo phương pháp PTHH. Nội dung này sẽ BBT giới thiệu ở các bài viết sau.

Phép đo  đường ngắm chuẩn được thực hiện thông qua hai mốc cố định bên ngoài đập ở cao độ đỉnh đập. Một mốc có cao độ cao hơn để đặt máy kinh vĩ (toàn đạc điện tử), một trụ khác là mốc tạo đường ngắm cơ sở cho phép đo.  Hai điểm này được định vị sao cho đường ngắm giữa chúng đi qua các mốc đo trên đỉnh đập (vị trí lấy số liệu). Trong trường hợp đập vòm, do độ cong của đỉnh, nên cần nhiều vị trí bố trí máy đo hơn (Golzé 1977). Kết quả đo cần liên hệ với kết quả quan trắc của thiết bị quả dọi, vì thiết bị quả dọi cho dịch chuyển tương đối trong chiều dài dây dọi, trong khi các phương pháp trắc đạc cho giá trị tuyệt đối. 

Phương pháp đo lưới tam giác là phương pháp thông dụng để đo dịch chuyển ngang của các mốc trên bề mặt đập. Phương pháp này yêu cầu một hệ thống mạng lưới các mốc chuẩn và một đường cơ sở ở hạ lưu đập (Golzé 1977). Các vị trí cho thiết bị  phải được định vị để tạo ra sự bao phủ từ mỗi vị trí đến càng nhiều mục tiêu đo càng tốt. Số lượng mốc cho thiết bị phụ thuộc vào  địa hình của mặt đất xung quanh. Thiết bị trắc đạc sử dụng phải có độ chính xác thích hợp và được thực hiện bởi các kỹ thuật viên được đào tạo bài bản, có kinh nghiệm và tay nghề cao. Kết quả đo dịch chuyển ngang nên thể hiện theo hai hướng: hướng của dòng chảy và hướng theo tim đập. 

Độ lún của đập được đo thông qua các mốc chuẩn được bố trí cách xa đập nơi mà tải trong của đập không gây ra tác động đến mốc và các mốc được bố trí trên bề mặt. Thiết bị đo đòi hỏi có độ chính xác phù hợp.

Hình 4‑4: Mặt bằng quan trắc lún cho thân đập

4.3       Quan trắc bằng các thiết bị chôn trong thân đập

Có rất nhiều loại thiết bị quan trắc được chôn vào thân các đập bê tông ngay trong quá trình thi công. Các thiết bị quan trắc được phát triển và cải tiến liên tục, ví dụ như cho đến loại thiết bị hoạt động theo nguyên lý dây rung (VW) là phổ biến, tuy nhiên đến nay loại thiết bị làm việc theo nguyên lý vi cơ điển tử (micro electro-mecanical) có độ chính xác hơn đang dần được thay thế. Dưới đây các thiết bị quan trắc quan trọng chính và thường được sử dụng nhất, với tư cách là đại diện điển hình của các nhóm thiết bị.

4.3.1    Đo ứng suất và biến dạng

Trên thế giới các thiết bị quan trắc chôn trong bê tông chủ yếu là loại làm việc theo  dây rung.  Nguyên lý dựa trên quan hệ của tần số dao động tự nhiên f₀  của một dây kim loại  ở trạng thái căng với chiều dài (l), khối lượng (m) và lực căng (F) (hay ứng suất σ hoặc độ giãn dài ∆l của dây):

Trong đó:        ρ là tỷ trọng của vật liệu dây kim loại.

E là modul đàn hồi của dây kim loại.

Thành phần chủ yếu của thiết bị đo làm việc theo nguyên lý dây rung được mô tả trong hình 4-5, gồm một dây kim loại kết hợp với hệ điện từ để chuyển tín hiệu tần số của dây kim loại sang các thông số điện. 

Như vậy, thiết bị làm việc theo nguyên lý này là xem xét sự thay đổi chiều dài của một dây kim loại ở trạng thái căng chịu tác dụng bên ngoài. Tác dụng bên ngoài đây có thể là biến dạng của vật thể được đo khi thiết bị được gắn lên vật thể này hoặc là giá trị áp lực hay lực tác dụng trực tiếp lên thiết bị tùy theo loại thiết bị dùng cho trường hợp nào.

Hình 4‑5 Cơ chế hoạt động của cảm biến dây rung

Nguyên lý này cũng được sử dụng cho thiết bị đo nhiệt độ, do khi nhiệt độ thay đổi cũng làm dây căng thay đổi chiều dài và như vậy sẽ làm thay đổi tần số dao động. Theo Golzé (1977), thiết bị hoạt động theo nguyên lý này là an toàn và ổn định ngay cả khi được sử dụng lâu dài.  

Với mục đích nghiên cứu, để xác định trạng thái ứng suất ba chiều (3D) trong thân đập, người ta sử dụng một nhóm 12 thiết bị đo biến dạng, trong đó 11 thiết bị được kết nối với một giá đỡ và được kết hợp dưới dạng một cụm. Một thiết bị được bố trí lân cận nó được sử dụng để hiểu chỉnh kết quả đo. Tại thiết bị này người ta tạo môi trường lắp đặt riêng để loại bỏ hiệu ứng nhiệt gây ra. Thông thường chỉ cần chín thiết bị đo biến dạng là cung cấp thông tin đầy đủ ở mọi hướng, trong khi ba thiết bị đo biến dạng dùng để kiểm tra các kết quả thu được. Thông thường việc bố trí thiết bị quan trắc được quyết định dựa trên cơ sở kết quả dự tính lý thuyết, và người ta chọn hướng có giá trị lớn nhất để bố trí, như vậy nó mang tính thực tiễn hơn. Thực chất thông số cần thiết trong việc sử dụng loại thiết bị này là giá trị ứng suất tuy nhiên thiết bị chỉ cho giá trị biến dạng, như vậy giá trị ứng suất là sẽ được tính dựa theo định luật Hook là tích của biến dạng đo đươc (ɛ) và modul đàn hồi (E) của bê tông.  Hình 2-31 mô tả kiểu bố trí thiết bị đo này.

Thiết bị tấm đo ứng suất kiểu Carlson (Hình 2-29) được sử dụng để đo ứng suất nén. Áp lực bên ngoài, tác động lên các tấm, tạo ra một áp suất tương ứng trong chất lỏng bên trong thiết bị, gây ra sự lệch của màng ngăn về phía bên ngoài, do đó dẫn đến việc kích hoạt thiết bị để đo biến dạng theo nguyên lý dây rung (VW). 

Thiết bị tấm đo ứng suất kiểu Carlson thường được sử dụng cho các mục đích đặc biệt, chẳng hạn như đo ứng suất thẳng đứng ở đáy đập. Nó cũng được sử dụng với đập vòm để xác định ứng suất nén ngang trong các vị trí mỏng của đập ở gần đỉnh. Thiết bị tấm đo ứng suất kiểu Carlson không chỉ được sử dụng trong các đập bê tông mà còn trong các đập vật liệu địa phương (Sing và Sharma 1976).

Các thiết bị đo biến dạng lớn được sử dụng để đo độ mở của các mối nối. Tuy nhiên, với phạm vi đo rộng hơn, do giá trị dịch chuyển dự kiến lớn hơn, độ nhạy và độ chính xác của các thiết bị này không thỏa mãn. Có thể sử dụng loại giãn kế chôn vào lỗ khoan trong nền, ngay dưới đập, với nhiệm vụ đo các biến dạng trong nền đá.

Trong hành lang đập, các phép đo cũng được thực hiện theo một số trục tham chiếu liên quan đến các mặt phẳng ngang hoặc thẳng đứng nhất định. Chúng được bố trí ở một số điểm được chọn trong hành lang bằng hai loại dụng cụ: thiết bị đo độ cao và đo độ nghiêng. Hình 4- 6 mô tả thiết bị đo (Beam sensor) thiết bị được sử dụng để đo sự thay đổi của các góc xoay so với mặt phẳng nằm ngang, hoạt động của nó tương tự như một thiết bị đo nghiêng thẳng đứng, tuy nhiên thiết bị này đo nghiêng so với với phương ngang, được sử dụng để đo góc quay so với phương thẳng đứng (Hanna 1985).

Hình 4‑6: Thiết bị thanh đo nghiêng

4.3.2          Thiết bị đo độ nghiêng

Thiết bị đo độ nghiêng một điểm là dụng cụ tương đối chính xác (nó có thể đo được giá trị nghiêng khoảng 8/3600 độ) được sử dụng để đo những thay đổi nhỏ của độ nghiêng về phương ngang. Chúng được lắp đặt trên bề mặt thẳng đứng bê tông của đập hoặc bên trong các hành lang kiểm tra, bằng cách gắn cố định vào các lỗ khoan ở vị trí lắp đặt.

Mỗi thiết bị được kết nối với bộ phân ghi đo bằng cáp điện. Máy đo độ nghiêng hai trục (Biaxial) dùng để đo độ lệch góc thẳng đứng, song song và vuông góc với mặt phẳng ngang. Các nhà sản xuất máy đo độ nghiêng cũng cung cấp phần mềm chuyên dụng để đọc tự động, tức là ghi dữ liệu trong các khoảng thời gian do người dùng xác định. Dữ liệu đầu ra bao gồm các giá trị của góc lệch và góc nghiêng, được đo liên quan đến bề mặt xuyên tâm của máy đo độ nghiêng. Bởi vì tiết diện thẳng đứng qua mặt phẳng của máy đo độ nghiêng không đồng nhất, người ta đã phát triển một phương pháp đặc biệt để tính toán chính xác độ võng ngang dựa trên dữ liệu thu được từ các phép đo. Dữ liệu thu được được so sánh với các giá trị đã được tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, số liệu này được làm điều kiện biên hiệu chỉnh cho các sơ đồ tính toán, phương pháp này được gọi là tính toán ngược (back calculation). Mục đích cuối cùng của những người sử dụng đập là có được sự trùng khớp hoàn toàn giữa dữ liệu tính toán và dữ liệu đo lường, nghĩa là có được một mô hình với sự trình bày hoàn toàn trung thực và xác thực về hoạt động của đập.

Ký hiệu: 1- Đo cao độ mực nước hồ chứa; 2- Đo mực nước hạ lưu; 3- Đo áp lực nước đẩy nổi đáy đập; 4-Đo biến dạng và nhiệt độ trong bê tông; 5- Đo độ nghiêng đập bằng thiết bị quả dọi thuận; 7- Đo độ mở của khe nhiệt; 8- Đo lượng nước thấm qua thân đập; 9- Đo độ bám dính giữa lớp bê tông mặt thượng lưu và bê tông thân đập; 10- Đo áp lực nước đáy đập phần hạ lưu; 11- Đo nhiệt độ nước hồ để xem xét ảnh hưởng của gradient nhiệt đến nứt đập; 12- Đo nhiệt độ bê tông trong quan hệ với nhiệt độ nước hồ.

Hình 4‑7 Đập trọng lực bê tông– Quan trắc chung cho đập

Ký hiệu: 1- Đo áp lực nước trong nền đập; 2- Đo áp lực nước đáy đập; 3- Đo dịch chuyển trong nền bằng thiết bị giãn kế đa điểm; 4- Đo độ xoay của đập bằng thiết bị đo nghiêng theo phương ngang; 5- Đo lượng thấm qua thân đập.

Hình 4‑8 Đập trọng lực– Quan trắc phần nền đập

Ký hiệu: 1- Đo dòng thấm và hiệu quả màn chống thấm; 2- Đo vết nứt trong nền đá bằng giãn kế đa điểm; 3- Đo áp lực nước ở mặt nền đá; 4- Đo thấm qua thân đập bằng tràn thành mỏng; 5- Biến dạng trong vai đập bằng giãn kế đa điểm; 6- Đo biến dạng trong vai đập theo hướng ngược lại với 5; 7- Đo thấm vai đập; 8- Đo cao độ mực nước hồ.

Hình 4‑9 Đập vòm bê tông – Quan trắc phần móng 

Hình 4.10: Bố trí thiết bị thân đập bê tông trọng lực

Nguyễn Quốc Dũng biên soạn

Xem tiếp Bài 9: