Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 9- Quan trắc động đất]

Bài 9. Quan trắc động đất

Trong một trận động đất, một con đập bị kích thích với dao động do nền đất bị rung lắc. Hội đập lớn quốc tế ICOLD (2013) có đề xuất một phương pháp thiết kế dựa trên phân tích động lực học về hoạt động của đập trong một trận động đất. Một khó khăn đối với phương pháp thiết kế này là tất cả các thông số vật lý cần thiết cho phân tích không được biết chính xác và phải được ước tính. Hơn nữa, phần móng của công trình được ấn định một gia tốc giống với phần nền của nó, điều này là không thực tế. Việc có thêm các thông số động đất riêng biệt chi tiết hơn trong nền cũng như trong đập là hữu ích, đồng thời cần có thêm nghiên cứu về cách phân tích đập bằng phương pháp số có tính đến các đặc tính động lực học của vật liệu mà cấu trúc được xây dựng.

Ảnh hưởng của động đất đối với đập bê tông bao gồm: (a) dịch chuyển giữa đập và vai đập; (b) Thay đổi độ mở khe giữa các khối bê tông (blocks) và xuất hiện những vết nứt dẫn đến hiện tượng rò rỉ nước không có thể kiểm soát; (c) hư hỏng do dịch chuyển cục bộ một số khối hoặc một phần bị dịch chuyển tương đối với nhau; (d) hư hỏng của thiết bị cơ khí tại đập tràn. Tương tự, đối với đập vật liệu địa phương, động đất có thể dẫn đến: (a) hiện tượng hóa lỏng vật liệu của nền hoặc thân đập; (b) Hình thành mặt trượt trong mái đập hoặc trong nền đập; (c) Nứt trong phần đập trên cao độ nước hồ; (d) Xuất hiện rò rỉ qua các vết nứt hoặc tại mặt tiếp xúc giữa phần đắp và kết cấu cứng, hay vai đập. Từ những sự cố có thể xảy ra nêu trên, các thông số địa chấn cần được xác định  một cách chi tiết và  đầy đủ hơn phục vụ công tác thiết kế của tất cả các loại đập.

Trong tổ hợp của các tác động địa chấn, cần xét đến động đất kích thích do việc tích nước hồ. Việc tích nước hồ làm tăng tải trọng tác dụng lên khu vực lòng hồ cũng như làm thay đổi trạng thái bão hòa của nền dưới lòng hồ từ đó sẽ dẫn đến sự thay đổi cấu trúc nền, điều này là nguyên nhân gây động đất kích thích. Từ góc độ này, các thiết bị đo địa chấn được thiết lập ở các vị trí khác nhau của lưu vực của lòng sông, ở bất cứ dự án nào và công tác quan trắc được thực hiện đều đặn và được tiếp tục ngay cả sau khi đập được xây dựng.

Những lý do chính để quan trắc địa chấn của đập là:

a) Định nghĩa được chính xác về hoạt động địa chấn của khu vực đập, tức là vị trí chính xác của các tâm chấn động đất và độ sâu của chúng.

b) Xác định các thông số chính của trận động đất: vị trí tâm chấn, cường độ, đặc điểm, tần suất và một số chỉ dẫn về chấn tiêu.

c) Dự đoán khả năng xảy ra động đất trong tương lai.

d) Cung cấp số liệu về ứng xử động của thân đập nhằm mục đích đánh giá khách quan tình hình hoạt động của đập ngay sau khi động đất xảy ra.

e) Kiểm định các thông số thiết kế theo hiện trạng thực tế của thân đập khi có động đất.

Để cung cấp nhiều loại thông tin này, cần phải xây dựng một chương trình quan trắc địa chấn với mạng lưới đo và số lượng thiết bị tương ứng. Mạng lưới thiết bị đo bao phủ toàn bộ khu vực cần được xem xét một cách kỹ lưỡng. Mạng lưới này phải bắt đầu hoạt động ít nhất hai năm trước khi xây dựng đập và sẽ tiếp tục cho đến khi kết thúc giai đoạn tích nước của hồ chứa, tức là trong tối thiểu ba năm sau khi đưa đập vào có hiệu lực. Đặc biệt là ở những khu vực có hoạt động địa chấn cao thì mạng lưới này nên được hoạt động thường xuyên.

Các trạm địa chấn phân bố xung quanh hồ chứa phải ghi lại được hoạt động địa chấn trong khu vực của đập và hồ chứa. Một số lý do cơ bản giải thích cho loại quan trắc địa chấn này, là việc khảo sát chế độ địa chấn bình thường của khu vực cũng như mức độ địa chấn của vùng tâm chấn. Ngoài ra, kết quả quan trắc này cho phép xác nhận hoặc phủ nhận sự tồn tại của địa chấn kích thích gây ra do tích nước của hồ chứa. Kết quả quan trắc cũng cung cấp các thông số cho việc kiểm tra kết quả thiết kế dựa trên các thông số động đất đầu vào. Mạng lưới các thiết bị địa chấn được phân bổ xung quanh hồ chứa và được kết nối từ xa với trạm trung tâm.

Các thiết bị quan trắc dao động mạnh (SMA) được lắp đặt trên đập cho phép thu thập dữ liệu cơ bản về đối xử của đập trong quá trình xảy ra động đất, tức là đưa ra quyết định về việc có thể tiếp tục vận hành đập hoặc cần sửa chữa đập ngay sau khi trận động đất xảy ra.

Giai đoạn quan trắc địa chấn trong và sau khi xây dựng một con đập liên quan đến các khía cạnh kỹ thuật của kết cấu công trình. Nó bao gồm việc lắp đặt các thiết bị quan trắc (trong lòng đất và dưới chân đập) để ghi lại các chuyển động mạnh. Các thiết bị được định vị tại các điểm đặc trưng ở chân đập. Kết quả quan trắc được là một tham số vô giá để xác minh mô hình toán học của cấu trúc và ứng xử của đập dưới tác động của một trận động đất thực sự.

Thiết bị SMA bao gồm ba phần: các gia tốc kế đo dao động ba chiều (một theo phương thẳng đứng và hai phương nằm ngang vuông góc với nhau), một bộ số hóa và một bộ phận ghi đo được niêm phong trong một vỏ bọc chắc chắn. Số liệu địa chấn được lưu trữ trong bộ nhớ của bộ phân ghi đo và những số liệu này được tải xuống kịp thời trước khi bộ nhớ của thiết bị bị đầy. Số liệu quan trắc địa chấn được phân tích bằng phần mềm thích hợp.

Thiết bị đo địa chấn cần được vận hành liên tục và bảo dưỡng định kỳ vì các dao động cường độ cao hiếm khi xảy ra gần khu vực đập.

Thiết bị đo địa chấn đập được khuyến nghị tại các điểm khác nhau trong đập được thể hiện trong Hình 9-1. Số lượng tối thiểu bốn SMA nên được lắp đặt tại vai đập (A), đỉnh đập (C) và nền (F) của đập và tại vị trí tự do (D) cách đập ít nhất bằng 3 đến 4 lần chiều cao của đập.

Hình 9‑1 Vị trí khuyến nghị lắp đặt thiết bị quan trắc địa chấn

Cũng nên lắp đặt các SMA tại vai đập (A ’), thân đập (B) và giữa chân đập (MC) như được chỉ ra trong Hình 9-1. Trong hành lang đập (GG ’) cũng nên bố trí một thiết bị SMA như trong hình minh họa. Nên lắp đặt một máy đo địa chấn dao động yếu tại vị trí xa hơn (D) để theo dõi địa chấn trong khu vực.

Vị trí của một máy đo gia tốc cũng rất quan trọng. Thông số cần đo là phản ứng của đập chứ không phải phản ứng của vỏ máy đo gia tốc. Máy đo gia tốc bề mặt thường được bắt vít vào tấm bê tông và được bao che trong một vỏ bằng sợi thủy tinh nhẹ.

Ở Việt Nam, Viện Vật lý Địa cầu là tổ chức chuyên ngành khác có chuyên môn về cài đặt và giải thích dữ liệu và họ nên là đơn vị được liên hệ để lắp đặt và bảo trì các máy đo gia tốc và Máy đo địa chấn tại các đập.

Kết quả đo là thông tin về cường độ động đất ngay sau khi nó xảy ra. Độ chính xác của kết quả đo là quan trọng. Dựa trên kết quả quan trắc, một quyết định có thể được đưa ra liên quan đến việc khai thác thêm con đập. Ví dụ: nếu đập được thiết kế cho gia tốc ngang a = 0.15g làm thông số thiết kế và biên độ tối đa của gia tốc mặt đất ghi lại được nhỏ hơn giá trị này, thì có thể đưa ra quyết định với độ tin cậy tuyệt vời để khai thác bình thường mà không cần phải thực hiện những biện pháp sửa chữa hoặc gia cườngcường cụ thể. Tuy nhiên, khi gia tốc ghi nhận được lớn hơn 0.15g, cần thực hiện một nghiên cứu đặc biệt và xác định lại các giá trị ứng suất và biến dạng cụ thể trong đập được hình thành do tác động từ trận động đất được ghi lại có thỏa mãn điều kiện an toàn hay không.

Lý do lắp đặt các thiết bị quan trắc trong đập là để giám sát chúng trong quá trình xây dựng và vận hành. Một trong những ứng dụng cụ thể kết quả đo là cung cấp dữ liệu để quyết định xem công trình có tiếp tục hoạt động như dự kiến hay không. Việc xử lý khối lượng lớn dữ liệu thô có thể được xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng trên máy tính. Việc giải thích kết quả quan trắc động đất cần liên hệ với các kết quả quan trắc khác, chẳng hạn như vận hành hồ chứa, nhiệt độ không khí, lượng mưa, lưu lượng thoát nước và rò rỉ, và những đánh giá phân tích kết quả quan trắc theo định kỳ. Kết quả hiển thị phải ở dạng bảng và dạng đồ họa, đồng thời phải đơn giản và dễ hiểu và được phân tích đánh giá định kỳ bởi kỹ sư chuyên nghiệp có kinh nghiệm trong việc lĩnh vực thiết kế, xây dựng và vận hành các đập đắp và đập bê tông.

9.1       Thông số kỹ thuật của thiết bị đo

Các thông số kỹ thuật của thiết bị phụ thuộc vào mục đích quan sát và điều kiện môi trường. Các thiết bị được triển khai trong khu vực đập phải mạnh mẽ và có độ tin cậy cao vì các sự kiện cường độ cao hiếm khi xảy ra gần đập. Các thông số kỹ thuật của máy đo gia tốc dao động lớn cho tuyến đập được đề cập sau đây.

9.1.1    Gia tốc cực hạn (MCE)

Gia tốc ghi lớn nhất thường được gọi là toàn dải đo phải cao hơn gia tốc đỉnh tương ứng với nguy cơ địa chấn tại vị trí liên quan đến chu kỳ lặp lại. Đơn vị của gia tốc là g (gia tốc trọng trường). Chu kỳ khoảng thời gian lặp lại là 100 năm. Sự khuếch đại rung động xảy ra trong đập từ chân đến đỉnh và vị trí của máy đo gia tốc cũng cần được xem xét. Cần có một máy đo gia tốc dao động lớn (SMA) với phạm vi (người dùng có thể lựa chọn) từ 0.5 g đến 4.0 g.

9.1.2    Dải tần số đo

Tần số thấp nhất đo được phải nhỏ hơn 10% tần số tự nhiên cơ bản của đập và thấp hơn tần số kích thích của phổ động đất. Dải tần số đo nên từ 0 Hz. Tương tự, cận trên của tần số đo được phải cao hơn tần số của phương thức biến thiên cao nhất góp phần vào phản ứng của đập và lớn hơn tần số kích thích của phổ động đất. Máy đo gia tốc dao động mạnh với tần số đáp ứng phẳng (trong khoảng +3 dB) với gia tốc mặt đất trong phạm vi tần số DC (dòng điện một chiều) đến 200 Hz là phù hợp.

9.1.3    Độ phân giải

Độ phân giải gia tốc () được đưa ra bởi quan hệ  , trong đó D là độ phân giải bit dữ liệu của bộ số hóa (độ phân giải biên độ thường được biểu thị bằng một số bit; ví dụ: 8-bit hoặc 16-bit). Nên chọn bộ số hóa có độ phân giải từ 18 bit dữ liệu trở lên.

9.1.4    Độ ồn

Độ ồn tự động của cảm biến gia tốc (là độ nhiễu) và các thành phần điện tử của thiết bị ghi kết hợp phải nhỏ hơn độ phân giải ghi. Mức ồn đỉnh phải được xem xét hơn là giá trị bình phương trung bình căn (bình phương trung bình căn về độ ồn, nó được định nghĩa là quá trình dùng để xác định công suất phát trung bình (dạng sóng liên tục) trong một khoảng thời gian dài).

9.1.5    Chế độ ghi

Máy đo gia tốc có thể được vận hành ở chế độ thu thập dữ liệu liên tục vì không có giới hạn về kích thước bộ nhớ. Phương tiện lưu trữ được định cấu hình theo kiểu bộ đệm vòng (ring buffer), mà dữ liệu đo trước trước bị xóa dần khi bộ nhớ đầy. Người vận hành nên sao chép dữ liệu định kỳ để dữ liệu đã ghi không bị xóa và mất. Kích thước phương tiện lưu trữ ít nhất phải là 32 GB trở lên. Kích thước của dữ liệu đo gia tốc được ghi với 3 kênh và 200 mẫu mỗi giây sẽ là khoảng 2 GB (sau khi nén)

Máy đo gia tốc cũng có thể hoạt động ở ngưỡng động đất. Việc thiết lập ngưỡng động đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nó phải có ít nhất 10 lần độ phân giải của gia tốc  để tránh nhiều lần kích hoạt sai. Ngưỡng động đất của máy đo gia tốc trong cấu trúc có thể tăng lên do sự khuếch đại diễn ra trong đập.

Một số máy đo gia tốc cung cấp thiết bị chỉ bắt đầu ghi sau khi đạt được ngưỡng động đất đồng thời trong hai hoặc ba kênh trong một khoảng thời gian.

Khoảng thời gian của độ dài trước khi xảy ra động đất (trước khi gia tốc đạt trên mức kích hoạt) được đặt đủ cao dựa trên ngưỡng động đất và khoảng cách của đập từ nguồn động đất. Độ dài trước động đất được đặt cao để có ngưỡng động đất cao hơn và thực tế là sóng nén đến trước sóng biến dạng và sóng trước có thể không kích hoạt ghi.

Thời lượng của độ dài sau khi xảy ra động đất (sau khi gia tốc trở lại dưới mức kích hoạt) được đặt đủ cao dựa trên ngưỡng động đất và các khoảng thời gian tự nhiên chế độ rung của đập góp phần vào phản ứng động lực học.

9.1.6    Thời gian

Điều quan trọng là dữ liệu từ tất cả các máy đo gia tốc trong đập phải được gắn thẻ thời gian chính xác để có thể thực hiện tương quan dữ liệu đồng bộ. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) không có thể sử dụng cho các thiết bị lắp đặt bên trong đập vì không thể lắp đặt ăng-ten tiếp xúc với bầu trời. Một số máy đo gia tốc cung cấp GPS bằng cáp ăng-ten rất dài và bộ khuếch đại cho các máy đo. Ăng ten GPS phải được bao bọc trong vỏ bọc kín chống chịu thời tiết với khả năng chống sét. Một số máy đo gia tốc cung cấp bộ phận PTP (Precision Time Protocol) mà không cần ăng-ten GPS. Độ chính xác thời gian của PTP phải tốt hơn 0.001 ms. Các đầu vào thời gian được cung cấp thông qua một cáp ethernet chung kết nối mọi thiết bị.

9.1.7    Công suất

Hầu hết các máy đo gia tốc đều được cung cấp pin lắp bên trong máy để cung cấp năng lượng khi nguồn điện AC bị gián đoạn. Khí ăn mòn có khả năng là hư hỏng bộ phận điện tử và gây nổ pin. Nên sử dụng pin ngoài cho máy đo gia tốc. Pin được sạc bằng bộ sạc AC-DC hoặc mô-đun năng lượng mặt trời (năng lượng mặt trời có thể không khả dụng cho máy đo gia tốc trong cấu trúc. Dung lượng pin được chọn tùy theo yêu cầu và nó phụ thuộc vào tổng mức tiêu thụ điện năng của đơn vị gia tốc và thời gian sử dụng phục hồi công suất nguồn điện.

9.1.8    Mạng

Tất cả các máy đo gia tốc có thể được kết nối với mạng và dữ liệu có thể được truyền trực tuyến đến một vị trí trung tâm. Người vận hành phải giám sát PGA (giá trị gia tốc đỉnh), PGV (giá trị vận tốc tương ứng với gia tốc đỉnh) và PGD (giá trị dịch chuyển đỉnh tương ứng) của các cảm biến được kết nối với mạng trong thời gian thực. Tình trạng hoạt động của mỗi máy gia tốc sẽ được quan sát từ vị trí trung tâm, điều này sẽ giúp đơn giản hóa việc bảo trì các đơn vị khác nhau. Máy đo gia tốc cũng có thể làm việc ở chế độ độc lập trong trường hợp mạng bị lỗi.

Nguyễn Quốc Dũng biên soạn

[Xem tiếp bài 10: Quan trắc đập cũ]