Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 10- Quan trắc đập cũ]

 

Bài 10. Quan trắc đập cũ

Trách nhiệm của một kỹ sư xây dựng đập không chỉ là lập kế hoạch, thiết kế và xây dựng một con đập theo các tiêu chuẩn có thể chấp nhận được mà còn đảm bảo hoạt động của nó với một chương trình quan trắc phục vụ đảm bảo an toàn đập nghiêm ngặt. Tất cả những yêu cầu trên được nhấn mạnh sự cần thiết phải có một số công cụ đáng tin cậy, thường được gọi là thiết bị quan trắc, bố trí bên trong hoặc trên bề mặt của đập, có thể cung cấp cho những thông tin về các điều kiện và ứng xử của kết cấu đập. Việc theo dõi định kỳ và thường xuyên các thiết bị quan trắc và phân tích dữ liệu thu được thông qua các thiết bị quan trắc với phương pháp chẩn đoán sẽ giúp hiểu được tình trạng sức khỏe của đập.

Trong những năm gần đây, toàn thế giới đã nỗ lực cập nhật hệ thống quan trắc bằng cách gắn một số thiết bị cụ thể lên các vị trí khác nhau trong và ngoài đập và vai đập. Không giống như một con đập đã đang được xây dựng trong giai đoạn từ 2000 đến nay, các đập được xây dựng trước đó chỉ được lắp đặt một số thiết bị hạn chế. Ví dụ như ở đập của nhà máy Thủy điện Hòa bình, các thiết bị quan trắc được lắp đặt ở thời gian xây dựng là những loại đơn giản, bao gồm các mốc đo dịch chuyển bề mặt, mốc đo lún bè mặt và sâu, loại thiết bị đo áp lực nước kiểu ống hở (Casagrande) ở các vị trí trong lõi sét xem xét đường bão hòa. Điều này có thể khiến cho các đập cũ vẫn chưa được kiểm soát đầy đủ. Vấn đề nghiêm trọng hơn đối với các đập cũ, trong đó vật liệu đã trải qua những thay đổi và bị ảnh hưởng. Một số đập cũ đã được phát hiện có sự cố và các biện pháp phục hồi đã được thực hiện, hiệu quả của các biện pháp này cần được xác định bằng hệ thống quan trắc thích hợp. Do đó, bổ sung thiết bị quan trắc cho các đập cũ trở nên cần thiết, để cải thiện hệ thống quan trắc hiện có, hoặc để nghiên cứu hoạt động lâu dài của các đập đặc biệt trong chương trình đánh giá đập toàn diện.

Quan trắc là một trong những hoạt động quan trọng nhất để đánh giá và kiểm soát an toàn đập. Mặc dù các nguyên tắc cơ bản đối với đập cũ vẫn giống như giám sát đập mới, việc cải thiện công tác quan trắc đập cũ là một vấn đề khác hơn so với đập mới vì các vấn đề cụ thể liên quan đến thông tin về đối xử  trước đây của đập là không đầy đủ và tính khả thi của việc bổ sung thiết bị quan trắc mới.

An toàn của đập khi vận hành có hai khía cạnh cụ thể: 

·      Sự biến đổi không thể tránh khỏi của các đặc tính của vật liệu do lão hóa và các tình huống mới bao gồm chu kỳ nhiệt và áp lực thủy tĩnh, các sự kiện bất thường như động đất, lũ lụt, v.v ...; 

·      Sự lạc hậu sót về chức năng của của thiết bị quan trắc cũ liên quan đến tình trạng kỹ thuật và công nghệ luôn lạc hậu theo thời gian.

Lý do can thiệp có thể có tính chất khác biệt một cách tự nhiên, như tầm quan trọng và mức độ khẩn cấp khác nhau, và đặc biệt, phải xem xét những vấn đề  sau:

·      Không có hoặc không có hệ thống quan trắc để thu thập thông tin liên quan đến an toàn của đập;

·      Các hiện tượng bất thường quan sát được (dịch chuyển, vết nứt, thấm, rò rỉ bất thường, v.v.)

·      Sự cần thiết về đánh giá đối xử của đập cho các mục đích nghiên cứu;

Tính đầy đủ của hệ thống quan trắc chỉ có thể được đánh giá một cách khách quan sau khi có được đầy đủ hiểu biết về hiện trạng thực tế của nền đập và hồ chứa. Các điểm cần được kiểm tra để phục vụ mục đích nêu trên bao gồm:

·      Tài liệu dự án;

·      Kiểm tra bằng trực quan;

·      Hệ thống quan trắc hiện có;

·      Hồ sơ thiết bị quan trắc;

·      Hiện trường và phòng thí nghiệm (nếu cần);

·      Các mô hình toán học hoặc vật lý để phân tích đối xử của đập (nếu cần);

·      Sự tuân thủ các quy định hiện hành và thực hành hiện đại.

Ba yếu tố sau đây cần được xem xét để lập kế hoạch cho hệ thống quan trắc bổ sung:

·      Lý do phải bổ sung;

·      Tiến độ thực hiện;

·      Phương pháp tiếp cận thiết bị quan trăc;

Các thiết bị quan trắc ít được sử dụng cho việc đánh giá an toàn đập có thể tiếp tục sử dụng nếu có đủ nhân lực và kinh phí thực hiện. 

10.1     Hệ thống quan trắc mới hoặc cập nhật

Các hướng dẫn được trong việc lựa chọn loại và vị trí của các thiết bị quan trắc cho đập mới đã trình bày trước đó có thể được áp dụng cho các đập cũ. Sự kết hợp của các đánh giá về kỹ thuật, kinh tế và đơn vị thực hiện sẽ xác định giải pháp thích hợp nhất cho từng trường hợp, đó là sự thỏa hiệp tốt nhất giữa giải pháp tối ưu này (hoặc những giải pháp khác) là tương thích với công trình xem xét và tất nhiên với những khả năng về kinh tế.

10.2     Kiến nghị về Hệ thống quan trắc mới

Kiến nghị về hệ thống quan trắc mới được dựa trên cơ sở hiểu biết đầy đủ về tình hình thực tế của đập thông qua các các cuộc kiểm tra nêu trên (toàn bộ hoặc một phần tùy thuộc vào nhu cầu thực tế của trường hợp được đề cập), có nghĩa là như thế mới đủ điều kiện để có thể thiết kế hệ thống quan trắc mới hoặc nâng cấp hệ thống hiện có được giải quyết hợp lý.

10.2.1        Sự cần thiết phải thực hiện

Các lý do thường để dẫn đến việc cải tiến hệ thống quan trắc bao gồm:

·      Hệ thống quan trắc hiện có là không phù hợp, không đủ hoặc thiếu để cung cấp những thông tin đánh giá an toàn đập. 

·      Sự cần thiết cho mục đích nghiên cứu;

·      Loại bỏ các thiết bị không cần thiết và thực hiện việc tự động hóa hệ thống quan trắc.

10.2.2        Các thông số quan trắc

(1)  Đập bê tông trọng lực

Các thông số có thể được theo dõi để chỉ ra các tình huống nguy cấp hoặc bất thường có thể xảy ra đối với đập bê tông bao gồm:

·      Mức độ trữ nước của hồ;

·      Nhiệt độ không khí và nước;

·      Độ sâu của hồ chứa;

·      Các chuyển vị ngang của đập;

·      Các chuyển vị thẳng đứng của đập;

·      Ổn định chịu lật của đập;

·      Sự phát triển của vết nứt trên thân đập;

·      Chuyển vị ngang của nền đập;

·      Độ lún;

·      Chuyển dịch tương đối giữa thân bê tông đập và nền đá;

·      Thấm qua đập và nền;

·      Áp lực đẩy nổi;

·      Độ đục và thành phần hóa học của nước thấm, rò rỉ.

(2)  Đập đắp

Các đại lượng có thể được giám sát đối với các đập đắp bao gồm:

·      Mức độ trữ nước của hồ;

·      Độ sâu của hồ chứa;

·      Áp lực lỗ rỗng trong thân đập và trong nền;

·      Thấm qua đập và nền;

·      Mực nước ngầm;

·      Độ đục của nước rò rỉ;

·      Độ lún của đập;

·      Các chuyển vị ngang của đập;

·      Chuyển dịch hoặc nứt của kết cấu bê tông (đập tràn, v.v.) trong đập.

(3)  Cho các mục đích khác

Các thông số có thể được theo dõi cho mục đích nghiên cứu hoặc để nâng cao kiến thức là như sau.

(3.1) Đập bê tông trọng lực

·      Chế độ mưa;

·      Áp suất không khí;

·      Độ ẩm;

·      Độ mở khe;

·      Ứng suất và biến dạng trong thân đập;

·      Biến dạng nền đá;

·      Nhiệt độ bê tông.

(3.2) Đối với đập vật liệu địa phương

·      Nhiệt độ không khí;

·      Chế độ mưa;

·      Áp suất không khí;

·      Độ ẩm;

·      Nhiệt độ nước;

·      Các loại biến dạng;

·      Áp lực tổng;

10.2.3        Các thiết bị quan trắc cho yêu cầu tối thiểu

Các yếu tố có tầm quan trọng lớn nhất đối với sự an toàn của đập vật liệu địa phương bao gồm cả phần đập tràn và các công trình đầu ra của chúng là lượng và nguồn nước gây thấm, độ lún lệch và dịch chuyển của đập, mực nước, áp lực lỗ rỗng và chất lượng nước.

Đối với các loại đập bê tông, các yếu tố này như sau:

Đập bê tông trọng lực: Đối với đập bê tông trọng lực hoặc đập trụ (buttress) khi thiết kế được xem là một khối cứng để chịu tác động và ổn định chống trượt, lật và tính an toàn của nó khi thiết kế được tính toán thông qua các mặt cắt điển hình. Tuy nhiên khi thi công cần xét yếu tố nhiệt sinh ra do quá trình thủy hóa của bê tông, đo đó theo chiều dài, đập được chia thành các khối riêng biệt, giữa các khối là các khe có bố trí các goăng chống thấm. Chính vì vậy các khe giữa các khối bê tông là yếu hơn nhiều so với phần bê tông toàn khối. Bất kỳ dấu hiệu nào về sự mất tính toàn khối của kết cấu trong đập hoặc nền sẽ được tự thể hiện tại các mối nối. Các thiết bị quan trắc phải được lắp đặt trong tất cả các đập trọng lực hoặc đập trụ để theo dõi chuyển động tương đối giữa các khối của đập nơi thể hiện dấu hiệu của dịch chuyển đã xảy ra trước đó hoặc nơi các chuyển động có thể được dự đoán phát triển. Các phép đo dịch chuyển tương đối giữa các khối này phải được gắn với các phép đo khác cho phép xác định chuyển vị của đập so với một điểm cố định được định vị từ xa. Các thông số quan trọng khác cần được giám sát trong phần lớn các đập trọng lực hoặc đập trụ (buttress) là áp lực đẩy nổi ở đáy đập, dòng thấm (có thể chỉ ra các khe hở trong nền móng hoặc vết nứt trên bê tông) và chất lượng của nước thấm, hồ chứa và nước đuôi. Trong trường hợp có dấu hiệu chuyển động dọc theo bất kỳ vết nứt nào trên đập hoặc nền, cần lắp đặt thêm các thiết bị giám sát để đo dịch chuyển hoặc xoay dọc theo mặt phẳng.

Đập vòm bê tông: Đối xử của đập vòm luôn được xem xét dưới góc độ toàn khối và là một kết cấu không gian. Trong loại đập này, các thông số quan trắc quan trong nhất là dịch chuyển. Tất cả các đập vòm bê tông phải có các quy định để đo dịch chuyển trong mặt phẳng nằm ngang, dịch chuyển tương đối giữa các điểm trong đập và dịch chuyển của đập so với một điểm cố định bên ngoài, chuyển dịch của móng và chuyển dịch tương đối của một mối nối chính bất kỳ trong đập hoặc trong nền của nó. Ngoài ra, cũng cần theo dõi số lượng và vị trí của tất cả các dòng thấm từ móng và các vị trí thoát nước đã hình thành, cũng như chất lượng nước của nước thấm, hồ chứa và nước đuôi.

Các hạng mục tràn và cửa xả: Tất nhiên hạng mục đập tràn và cửa xả cũng là một phần của thân đập và đều chịu bị dịch chuyển. Dịch chuyển khác nhau giữa các phần phần khác nhau của cùng một kết cấu là một dấu hiệu cần xem xét. Do đó, các cần bố trí các thiết bị quan trắc dịch chuyển ngang và đứng nên được lắp đặt tại các vị trí quan trọng trong hạng mục này. Lưu lượng dòng chảy của đập tràn và cống thoát nước hoặc ở các điểm liền kề của đập, hay dữ liệu về chất lượng nước cũng phải được quan trắc. Các đập cũ cần được kiểm tra theo quan điểm an toàn lâu dài của đập và trang bị thêm các thiết bị quan trắc tùy theo nhu cầu tương đối của chúng trên tại một số vị trí cụ thể.

10.2.4        Những hạn chế

Lập một chương trình quan trắc cho một đập chuẩn bị xây là dễ dàng và  rất ít hạn chế. Tuy nhiên đối với các đập cũ thì không phải là như vậy. Trong thực tế ở một số đập cũ cũng đã có thiết bị quan trắc, tuy nhiên cũng chỉ có một số lượng hạn chế hoặc không có. Đấy cũng không hẳn là lý do để phải bổ sung thêm thiết bị quan trắc. Phải có đủ lý do để lắp đặt thêm thiết bị quan trắc. Cần biết rằng một số loại thiết bị quan trắc dùng đo trong thân đập nhất định phải được lắp đặt bằng các lỗ khoan sâu vào thân đập, tác động này có thể gây rủi ro cho kết cấu công trình. Do đó, việc đánh giá đúng đắn về khả năng cần bổ sung một thiết bị quan trắc nào đấy là rất cần thiết. Việc lắp đặt thiết bị quan trắc bổ sung ở một đập bê tông cũ nói chung là khó khăn và tốn kém hơn nhiều so với việc lắp đặt các thiết bị tương tự trong một đập vật liệu địa phương cũ. Vì vậy, nên ưu tiên sử dụng các thiết bị lắp trên bề mặt trong phương án bổ sung thiết bị quan trắc cho các đập bê tông cũ. Nhiều loại như thiết bị đo ứng suất và biến dạng, con dọi ngược, máy đo áp lực nước ống đôi, giãn kế, v.v., không thể được lắp đặt trong một đập cũ. Ngay cả đã lắp đặt, chúng cũng không có thể thỏa mãn cho mục đích thực sự. Hơn nữa, một số vị trí dễ bị tổn thương cũng không có thể tiếp cận được đối với thiết bị đo đạc mới. Rõ ràng, một chương trình quan trắc bổ sung của bất kỳ đập cũ nào nhưng phải tuân theo các giới hạn đã nêu trên và phải được dựa trên các thông số sau:

·      Tuổi của công trình;

·      Tình trạng của kết cấu công trình;

·      Chức năng của kết cấu dự kiến bổ sung thiết bị quan trắc;

·      Tầm quan trọng thông số quan trắc bổ sung;

·      Tầm quan trọng của vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc bổ sung;

·      Tầm quan trọng của chức năng thiết bị quan trắc;

·      Nguy cơ tiềm ẩn rủi ro khi thi công bố trí thiết bị quan trắc bổ sung, v.v.

10.2.5        Các yếu tố ảnh hưởng

Chiều dài, chiều cao và độ lớn của hồ chứa của một con đập là rất quan trọng đến số lượng thiết bị quan trắc bổ sung. Các đập trung bình và cao cần được ưu tiên và có thiết bị đo đạc dày đặc hơn. Các đập dài hơn cần các thiết bị ở nhiều vị trí hơn.

Tuổi của đập và tình trạng sức khỏe của nó là một trong những cân nhắc chính trong việc quyết định mức độ thiết bị đo đạc. Nếu tình trạng của một con đập được báo cáo là  tốt, thì không cần nhiều thiết bị quan trắc. Nhưng một con đập yếu hơn đang tiềm ẩn sự cố thì  cần được quan trắc chi tiết hơn và do đó cần nhiều thiết bị quan trắc hơn để theo dõi nó.

Tầm quan trọng của khu vực hạ lưu như mật độ dân cư, diện tích canh tác và số lượng công trình công nghiệp kinh tế cần được chú ý đặc biệt. Tương tự, tầm quan trọng về chức năng như mục đích của hồ chứa, loại kết cấu đập, v.v., phải được xem xét trong khi lập kế hoạch cho việc bổ sung thiết bị quan trắc.

Tài chính, mặc dù là một yếu tố quan trọng, không nên chiếm ưu thế hơn các yếu tố khác liên quan trực tiếp đến an toàn của đập.

10.2.6        Hệ thống quan trắc không phù hợp

Trong khi lập chương trình quan trắc cho một con đập cũ, phải lưu ý xem có bất kỳ thông số cơ bản nào là quan trọng để giám sát an toàn và hiểu được hoạt động của đập hay không mà vì lý do nào đó đã không được quan trắc, hoặc không được quan trắc ở đúng vị trí cần thiết.

Một ví dụ quan trọng về vấn đề này được tìm thấy ở các đập cũ, đó là việc nơi thường không đo được ứng xử của nền đập (chuyển vị, biến dạng, áp lực). Do đó, khi xây dựng chương trình hệ thống quan trắc bổ sung mới cần đề cập đến việc nay. Các thiết bị có thể lắp đặt bổ sung bao gồm các thiết bị như dây dọi ngược, thiết bị giãn kế đa điểm, thiết bị đo độ nghiêng, áp lực nước đáy đập, .  v.v. Điều này là do tầm quan trọng của về ứng xử của phần nền đập đối với một con đập có thể chưa được hiểu rõ trong quá khứ. 

Tải trọng do ứng suất nhiệt cũng có thể là một thông số khác mà trước đây đôi khi bị bỏ qua. Đối với các đập bê tông, sự thay đổi nhiệt độ trong khối bê tông có tầm quan trọng trong giai đoạn đầu, với các đập cũ, cùng với thời gian nhiệt độ của bê tống đã tiến gần đến cân bằng với nhiệt độ môi trường, thì vấn đề này không là quan trọng. Tuy nhiên đối với loại đập mỏng như đập vòm thì đây cũng là thông số cần được theo dõi. 

Ở các đập cũ, các tác động địa chấn cũng thường bị bỏ qua không quan trắc. Do đó, trong quá trình kiểm tra lại đập, việc mở rộng mạng lưới quan trắc để thu nhận các thông số địa chấn cần được xem xét cẩn thận (chủ yếu là nếu phân loại địa chấn của khu đập đã được thay đổi kể từ khi đập lần đầu tiên được hình thành).

Sự cải tiến vượt bậc của công nghệ hiện đại, cả trong hệ thống thiết bị quan trắc, truyền dẫn tín hiệu và trong việc xử lý và phân tích kết quả quan trắc đã cho phép kiểm tra hiệu quả và kịp thời các hoạt động của đập trong cơn địa chấn bằng cách lắp đặt một mạng lưới giám sát địa chấn.

Sử dụng các mô hình thực nghiệm tại chỗ (ví dụ: sử dụng máy kích thích cơ học), các thông số cơ bản về đặc tính động thực tế của đập (tần số dao động riêng/tự nhiên, hình dạng phổ, giá trị giảm chấn) có thể được đo; Các mô hình số có thể được hiệu chỉnh và sử dụng để đánh giá ngưỡng địa chấn giới hạn để đánh giá an toàn đập dưới tác động của động đất. 

Ngoài các ví dụ này ra, tại thời điểm này, tốt nhất là kiểm tra xem tất cả các đại lượng nêu trên đã được tính đến trong hệ thống quan trắc đã được đề cập hay chưa và xác định xem các khía cạnh của hệ thống quan trắc hiện tại có hay không phù hợp với các điều kiện cụ thể của địa điểm hay không.

10.2.7        Hệ thống quan trắc dự phòng

Như đã đề cập, việc cập nhật chương trình quan trắc cũng bao gồm việc phải loại bỏ một số thiết bị mà các thông số của chúng không cần tiếp tục sử dụng. Tuy nhiên, việc loại bỏ chúng không phải lúc nào cũng là một quyết định dễ dàng, tốt nhất là tiếp tục sử dụng, ngay cả khi tại thời điểm xem xét nâng cấp, chúng vẫn  dường như là vô dụng, nhưng chúng có thể trở nên hữu ích trong tương lai. Do đó, nỗ lực thu thập tất cả các thông số đã có được có thể  được coi là một khoản đầu tư trong tương lai.

Tuy nhiên, điều này không bao gồm những thông số đo được bằng những thiết bị không đáng tin cậy. Nên bỏ các thiết bị đo này để không gây nhầm lẫn hoặc lãng phí công sức.

Thay vào đó, đối với những thông số đo có giá trị theo quan điểm định lượng, nhưng vô ích (hoặc không được sử dụng) để giám sát ứng xử của đập (ví dụ: trong nhiều trường hợp, tất cả các phép đo biến dạng là quan trọng trong quá trình thi công đập và cho lần đầu tích nước nhưng không phải/không được xem xét trong quá trình hoạt động bình thường của đập). Mỗi trường hợp phải được xem xét riêng lẻ để quyết định xem liệu việc tiếp tục thu thập các dữ liệu đó có hữu ích hay không. Tuy nhiên, nếu thấy chúng không nên bị bỏ qua, thì tốt hơn là nên xử lý chúng trước rồi sau đó lưu trữ.

10.2.8        Thời điểm thực hiên công việc nâng cấp hệ thống quan trắc

Thời điểm để thực hiện công việc nâng cấp hệ thống quan trắc cần xem xét dựa trên hai yếu tố là  thời điểm cần thiết để thực hiện các xem xét và lịch trình dự kiến lặp lại công việc này. Tuy nhiên, cần thiết phải nhấn mạnh rằng khoảng thời gian trung bình được khuyến nghị cho các giai đoạn can thiệp khác nhau phải được dựa trên toàn bộ kết quả quan trắc, nếu có dấu hiệu không ổn định hoặc bất thường của một tình huống nghiêm trọng thì cần can thiệp khẩn cấp.

10.2.9        Thẩm định lại lần đầu

Một số yếu tố cần được xem xét kỹ để quyết định đâu là thời điểm hợp lý khi hệ thống giám sát trong đập phải được xem xét/đánh giá hoặc cần thiết phải được nâng cấp và setup lại chu kỳ 0. Chúng phụ thuộc vào loại đập và điều kiện vận hành, vị trí địa lý và sự xuống cấp của các thiết bị quan trắc, v.v. Các yếu tố quan trọng khác cần được tính đến bao gồm mối quan tâm ngày càng tăng đối với an toàn công cộng vì sự phát triển kinh tế-xã hội ngày càng tăng ở hạ lưu đập, các tác động bất lợi của các yếu tố môi trường đối với vật liệu làm đập dẫn đến sự hư hỏng và suy giảm cường độ của vật liệu đập, và những tiến bộ liên tục trong các thiết bị đo và kỹ thuật quan trắc cho phép việc quan trắc  được thực hiện toàn diện thường xuyên và đáng tin cậy hơn. Rõ ràng, sau một khoảng thời gian (số năm) quy định được dự kiến,các hệ thống quan trắc hiện có và các điều kiện dự án cần được kiểm tra lại kỹ lưỡng để đánh giá xem có nên bổ sung bất kỳ thay đổi nào hay không. Khi có phát sinh một số vấn đề nghiêm trọng, sẽ buộc phải thực hiện các biện pháp khắc phục thích hợp sớm hơn để đảm bảo an toàn đập.

Đây có thể được coi là khoảng thời gian giới hạn không được vượt quá. Tuy nhiên, điều quan trọng là chỉ ra cơ hội để xem xét thường xuyên hơn tính đầy đủ của hệ thống quan trắc; Cần phải tính đến thực tế rằng một khoảng thời gian ngắn hơn (chẳng hạn như 5-10 năm) thường là đủ để phân tích và hiểu một cách hiệu quả về hoạt động của đập và nhu cầu cải tiến hệ thống giám sát vận hành. Khi đập già đi, việc kiểm tra thường xuyên hơn cho các hạng mục riêng biệt sẽ là điều cần thiết.

 10.2.10      Các lần nâng cấp tiếp theo

Câu hỏi về tần suất kiểm tra/đánh giá lại toàn bộ hệ thống quan trắc cho đập sau lần kiểm tra đầu tiên của đập và can thiệp lần đầu (nếu cần) vào hệ thống quan trắc nên được quyết định xem xét dựa trên các yếu tố sau:

·      Đập tiếp tục già đi và do đó, sẽ cần các cuộc kiểm tra hiện trường thường xuyên hơn và cần thiết phải nâng cấp hệ thống quan trắc.

·      Thời gian vận hành an toàn bình thường của đập là yếu tố để xem xét. Số năm vận hành an toàn càng lớn, đập càng chứng tỏ một cách thuyết phục rằng nó có thể đáp ứng đúng và đủ các biến đổi/tác động của môi trường.

·      Các tần suất sau được kiến nghị để kiểm tra lại hệ thống quan trắc:

-      Cứ sau 5 đến 10 năm, thực hiện các cuộc kiểm định toàn diện, hoặc khi xuất hiện các giới hạn thích hợp để phân tích tình trạng hiện có của đập và tình trạng xuống cấp (lão hóa).

-      Cứ sau 10 đến 15 năm, nâng cấp hệ thống giám sát nếu không có khiếm khuyết đáng kể nào được phát hiện từ cuộc kiểm tra nêu trên. Ghi chú: Nhật Bản quy định các thiết bị điện tử lắp đặt trong đập hoạt động chính xác trong vòng 20 năm.

10.3     Phương pháp tiếp cận với thiết bị đo

Không có giải pháp duy nhất cho việc mở rộng hoặc nâng cấp hệ thống quan trắc, nhưng giải pháp tối ưu chỉ có thể được xác định cho từng trường hợp cụ thể. Do đó, người quản lý dự án sẽ có nhiệm vụ xem xét tất cả các phương án thay thế khả thi về mặt kỹ thuật, đánh giá độ tin cậy, tuổi thọ hữu ích của thiết bị quan trắc, chi phí, thời gian cần thiết để hoàn thành công tác nâng cấp, công tác bảo trì, mô đun hóa và khả năng tự động hóa, v.v.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khó khăn của việc lắp đặt một số thiết bị trong một con đập cũ có thể cao hơn nhiều so với trường hợp một con đập đang được xây dựng. Chi phí của sự can thiệp nói chung là rất đáng kể và, trong một số trường hợp, có thể không thể thực hiện được việc lắp đặt một số thiết bị mới vì lý do kỹ thuật. Điều này thường liên quan đến khả năng khó tiếp cận đến các vị trí dự kiến bổ sung thiết bị quan trắc. Nó phụ thuộc vào loại đập và sự tồn tại (hoặc không có) các hành lang trong thân đập, v.v.

Có vẻ như, trong nhiều trường hợp, việc cân nhắc khả năng tiếp cận sẽ quyết định giải pháp được lựa chọn. Các thiết bị kiểu chôn trong thân đập để giám sát bên trong, mặc dù thường được sử dụng trong các đập mới, có thể không phù hợp với các đập cũ. Trong thực tế một số thiết bị quan trắc loại này chỉ liên quan trong kiểm soát sự cố trong quá trình xây dựng hoặc trong giai đoạn tích nước. Việc bổ sung lắp đặt mới, ví dụ, trong một khối bê tông cũ, quá trình thao tác lắp đặt có thể gây ra sự thay đổi nghiêm trọng đặc tính của kết cấu và tất nhiên các thông tin đo được sẽ là sai lệch. Trong một số trường hợp, các phương pháp đo (loại khác, trực tiếp hoặc gián tiếp) được phát triển để kiểm tra không phá hủy kết cấu phải là được coi như một giải pháp thay thế cho các kỹ thuật thông thường. Các phương pháp đo được sử dụng phải được so sánh không chỉ trên cơ sở độ chính xác mà còn phải tính đến các khó khăn khác (lắp đặt, setup chu kỳ 0,điều kiện môi trường khắc nghiệt, v.v.) có thể đây là những yếu tố quyết định. 

Cần phải nhấn mạnh rằng, khi một thiết bị quan trắc được thay thế, cần phải quan tâm đến mối sự tương thích giữa các phép đo thu được trước và sau khi thay thế.

Sau đây là một số cân nhắc về các vấn đề cụ thể trong thiết bị đo đạc của các đập hiện có.

10.3.1        Dịch chuyển của đập

Dịch chuyển ngang của đập bê tông có thể được quan trắc tốt nhất bằng việc sử dụng các thiết bị dây dọi thuận  và nghịch. Tuy nhiên, để lắp được loại thiết bị này yêu cầu phải tạo một giếng thẳng đứng có đường kính khoảng 300 mm trong thân đập, công việc thi công giếng này có thể rất tốn kém. Trong một số đập, cũng có thể tận dụng giếng thoát nước có sẵn hoặc thậm chí trục thang máy để phục vụ cho việc sử dụng thiết bị này; và chuyển đường ống thoát nước ra bên ngoài đập, gắn vào mặt đập. Các lựa chọn thay thế có thể có bao gồm các thiết bị trắc đạc quang học (tự động, đa điểm) có thể phù hợp tốt với đập vòm, hoặc sử dụng thiết bị quét tia lazer đến các điểm gương, và trong một số trường hợp, các phép đo độ nghiêng và hoặc hệ thống cân bằng thủy tĩnh (hình 10-1) đo lún tương đối trong hành lang đập  thường dễ thực hiện và có thể được tích hợp với một mặt cắt dọc để cung cấp phép đo dịch chuyển thẳng đứng.

Các dịch chuyển thẳng đứng thường không quá khó để theo dõi dọc theo đỉnh đập, mặc dù các chỉ số về độ lún trong lõi của đập là không có thể.  Nhưng dù sao đi nữa, độ lún bên trong của một con đập vật liệu địa phương sau khi xây dựng về cơ bản diễn ra trong những năm đầu tiên vận hành và sau đó, các phương pháp quan trắc bên ngoài có thể là đủ.

 

Hình 10‑1 Hệ thống đo lún lực tương đối của Geokon 

Chuyển động tương đối giữa các khối trong đập bê tông có thể được đo bằng đồng hồ đo khớp bề mặt trong hang lang kiểm tra hoặc bằng thiết bị đo cơ học, hay các thiết bị đo biến dạng lớn ở các bề mặt, nhưng nếu điều này được coi là không đủ đại diện cho các điều kiện bên trong, thì có thể nghĩ đến việc lắp đặt thiết bị giãn kế trong lỗ khoan.

Giám sát các chuyển động của các vết nứt, ví dụ, nứt ở chân thượng lưu của đập vòm, có thể được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị đồng hồ đo chuyển vị hoặc các dụng cụ tương tự.

10.2.2        Dịch chuyển nền đập

Một lần nữa, có thể nhận thấy rằng thiết bị dây dọi ngược là lựa chọn tốt nhất, cùng với thiết bị đo dịch chuyển ngang trong hố khoan và thiết bị giãn kế đa điểm. Việc bố trí các thiết bị loại này là khả thi, và  nhược điểm duy nhất của nó là chi phí thường cao.

10.2.3        Thiết bị đo áp lực nước (Piezometers)

Thiết bị đo áp lực nước kiểu hở và loại đo kín theo nguyên lý điện trở  hay dây rung gây ít khó khăn hơn so với các loại khác cho việc lắp đặt chúng trong một đập cũ, và chúng cũng nên được sử dụng rộng rãi hơn. Loại đo kiểu hở có bổ sung một đầu đo tự động bên trong và các loại đầu đo áp lực nước kiểu kín cho phép kết tối tự động dễ dàng so với loại hoạt động theo khí nén tốn nhiều công sức và tốn kém về nhân công đo.

10.2.4        Nhiệt độ

Để theo dõi nhiệt độ của kết cấu, một số lựa chọn thay thế là:

·      Lắp đặt cảm biến nhiệt trong thân đập.

·      Lắp đặt các cảm biến nhiệt trên bề mặt bên ngoài.

10.2.5        Quan trắc ứng suất

Các phép đo ứng suất và biến dạng được thực hiện cho các vị trí khác nhau bên trong đập mới sẽ không khả thi đối với đập cũ vì thực tế là không thể đưa chúng vào thân đập cũ. Chỉ có thể sử dụng các phần mềm phân tích ứng suất chuyên dụng sử dụng các dữ liệu lịch sử để dự đoán.

10.2.6        Quan trắc địa chấn

Trong một số trường hợp, việc quan trắc một con đập cũ sẽ được yêu cầu bổ sung thêm một số loại thiết bị quan trắc địa chấn. Điều này nói chung sẽ không gây ra vấn đề gì nghiêm trọng, do loại dụng cụ này có yêu cầu độc lập và việc lắp đặt chúng dễ dàng.

10.2.7  Trình tự quan trắc

Bất kỳ thiết bị quan trắc tiên tiến nào đều không thể thay thế việc kiểm tra cẩn thận bằng mắt của các kỹ sư chuyên nghiệp, đặc biệt đối với hiện trạng phức tạp, đa dạng và các khuyết tật tiềm ẩn của đập. Trong thời gian trước lũ, vào thời điểm mực nước cao nhất và sau lũ, phải thực hiện kiểm tra bằng mắt để phát hiện bề mặt rò rỉ, bề mặt bị ướt, hư hỏng bề mặt, v.v., và lập biên bản.

Theo thực tiễn, yếu tố nhạy cảm nhất đối với an toàn của đập là lượng rò rỉ, tiếp theo là sự tăng áp lực đẩy nổi và mực nước ngầm, sau đó là biến dạng nền đập, và sau đó là sự tăng của ứng suất và biến dạng, v.v. Thứ tự này rất quan trọng trong thực hành thực tế cho đập cũ vì những lý do sau:

1) Độ lớn lượng nước rò rỉ và áp lực đẩy nổi giám sát được là con số rất trực quan và thực tế.

2) Kết quả quan trắc biến dạng đỉnh đập và ứng suất và biến dạng trong thân đập, khó phản ánh trạng thái thực tế của đập bê tông. Nguyên nhân là do biến dạng đỉnh đập còn do áp lực nước và nhiệt độ tương đối lớn hơn nên có thể che giấu biến dạng nhỏ của nền đập. Các thiết bị quan trắc trong hành lang kiểm tra đập có thể đo được biến dạng nền đập.

Tuy nhiên, biến dạng nền đập nhỏ hơn nên khó đáp ứng yêu cầu về độ chính xác. Đối với các thiết bị đo ứng suất và biến dạng được lắp bên trong đập, chúng được phân tích theo ứng xử của vật liệu đàn hồi, vì vậy nếu vết nứt xảy ra ở điểm gần thiết bị đo ứng suất và biến dạng, giá trị ứng suất và biến dạng đọc được sẽ nhỏ hơn, điều này dẫn đến sự nhầm tưởng rằng ứng suất và biến dạng là hợp lý.

3) Các thiết bị quan trắc lắp trong đập cũ thông thường là bị lạc hậu hoặc bị hư hỏng (số liệu thống kê cho thấy tỷ lệ hư hỏng của các thiết bị lắp trong đập là 50% ~ 70%), một số đập thiếu thiết bị, hơn nữa, ngay cả khi một số thiết bị quan trắc mới được bổ sung, thật khó để phối hợp xác định ứng xử trước đây của đập. 

Loại thiết bị theo dõi lượng rò rỉ và áp lực đẩy nổi cho đập cũ là hầu như không tồn tại, điều này liên quan đến lý thuyết tính toán.

4) Hơn nữa, đối với một số vụ hư hỏng đập nghiêm trọng thậm chí là vỡ đập, các dấu hiệu báo động đã không nhận được từ thiết bị quan trắc vì một số lý do. Một trong số những lý do này là sự cố thường không bắt đầu hoặc xảy ra tại vị trí có thiết bị quan trắc hoặc từ yếu tố liên quan trước đó. 

Do đó, trước tiên nên tiến hành kiểm tra bằng mắt bởi các kỹ sư có kinh nghiệm để đưa ra phán đoán vĩ mô, sau đó thực hiện theo trình tự đã đề cập ở trên kết hợp với việc tham khảo dữ liệu được theo dõi bởi thiết bị quan trắc để phân tích thêm. Người chịu trách nhiệm công tác đánh giá an toàn đập bắt buộc phải kết hợp việc kiểm tra trực quan với dữ liệu đo được bằng thiết bị quan trắc và liên hệ với các hiện tượng chi tiết khác nhau với nhau để có thể có một kết quả tốt.

Nguyễn Quốc Dũng biên soạn

[xem tiếp Bài 11:: Quan trắc KTTV]