Nghiên cứu lựa chọn hệ tọa độ trong công tác quan trắc biến dạng công trình thủy lợi, thủy điện - ThS. Hoàng Xuân Thành

Nghiªn cøu lùa chän hÖ to¹ ®é trong c«ng t¸c quan tr¾c<br /> BiÕn d¹ng c«ng tr×nh thñy lîi- thñy ®iÖn<br /> <br /> Th.s. Hoµng xu©n thµnh<br /> Bé m«n Tr¾c ®Þa- §¹i häc Thñy lîi<br /> <br /> BiÕn d¹ng c«ng tr×nh- mét hiÖn t­îng do nhiÒu yÕu tè g©y nªn vµ lµ mét qu¸ tr×nh ®éng<br /> lùc häc phøc t¹p mang tÝnh chÊt x¸c suÊt. §é biÕn d¹ng c«ng tr×nh phô thuéc vµo sù thay ®æi<br /> tÝnh chÊt v÷ng ch¾c cña nÒn mãng theo thêi gian, sù thay ®æi mùc n­íc ngÇm, ®é biÕn d¹ng cña<br /> vËt liÖu x©y dùng vµ kÕt cÊu, c¸c t¸c ®éng bªn ngoµi lªn nÒn mãng nh­ t¸c ®éng cña n­íc, t¸c<br /> ®éng cña c¸c ho¹t ®éng khai th¸c má, c¸c chÊn ®éng trong lßng ®Êt, sù thay ®æi tû träng trªn<br /> nÒn mãng do x©y dùng thªm c¸c c«ng tr×nh trong khu vùc hoÆc thay thÕ c¸c thiÕt bÞ cã t¶i träng<br /> lín h¬n, c¸c sai sãt trong c«ng t¸c kh¶o s¸t ®Þa chÊt vµ thiÕt kÕ nÒn mãng dÉn ®Õn søc chôi t¶i<br /> cña nÒn mãng ®­îc x¸c ®Þnh cao h¬n thùc tÕ.…v.v.<br /> Theo thêi gian, biÕn d¹ng c«ng tr×nh cã thÓ biÓu diÔn d­íi c¸c d¹ng nh­: nÒn mãng bÞ<br /> lón, c«ng tr×nh chuyÓn dÞch theo mÆt b»ng, c«ng tr×nh bÞ nghiªng, vÆn, xo¾n, nøt…vµ trÇm<br /> träng h¬n cã thÓ g©y ra h­ háng hoÆc dÉn ®Õn ®æ vì c«ng tr×nh. §Ó ph©n tÝch quy luËt lµm viÖc<br /> cña c«ng tr×nh vµ x¸c ®Þnh thêi gian, khèi l­îng cho c«ng t¸c s÷a ch÷a, b¶o d­ìng c«ng tr×nh<br /> cÇn cã c¸c sè liÖu ®o ®¹c, quan tr¾c thùc tÕ, tiÕn hµnh theo dâi c¸c lo¹i biÕn d¹ng cña c«ng tr×nh<br /> theo tõng chu kú trong thêi gian dµi: kÓ tõ khi ®Æt nÒn mãng c«ng tr×nh, trong qu¸ tr×nh x©y<br /> dùng vµ kÐo dµi suèt c¶ thêi gian ®­a c«ng tr×nh vµo vËn hµnh vµ sö dông cho tíi khi c«ng tr×nh<br /> cã ®é biÕn d¹ng trong giíi h¹n cho phÐp. C«ng t¸c ph©n tÝch c¸c kÕt qu¶ quan tr¾c nh»m môc<br /> ®Ých t×m ra nh÷ng sai sè vµ mèi t­¬ng quan gi÷a kÕt qu¶ ®o vµ sù t¸c ®éng bªn ngoµi. Còng tõ<br /> kÕt qu¶ ph©n tÝch nµy lËp ®­îc c¸c hµm t­¬ng quan gi÷a ®é dÞch chuyÓn vµ biÕn d¹ng c«ng<br /> tr×nh víi c¸c t¸c ®éng bªn ngoµi. Môc ®Ých cña c«ng viÖc ®¸nh gi¸ lµ ®­a ra nguyªn nh©n dÞ<br /> th­êng trong tr¹ng th¸i c«ng tr×nh vµ cô thÓ vïng xung yÕu cña c«ng tr×nh nÕu cã. MÆt kh¸c c¸c<br /> sè liÖu quan tr¾c cho biÕt th«ng tin vÒ quy luËt lµm viÖc cña c«ng tr×nh trong c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c<br /> nhau, vµ tõ kiÕn thøc vÒ c¸c quy luËt nµy lµm c¬ së cho viÖc thiÕt kÕ c«ng tr×nh vµ hoµn thiÖn<br /> kiÕn thøc nµy lµ nhiÖm vô chÝnh cña c«ng t¸c quan tr¾c biÕn d¹ng.<br /> Trong c«ng t¸c quan tr¾c biÕn d¹ng c«ng tr×nh thñy lîi- thñy ®iÖn mét vÊn ®Ò quan träng<br /> lµ chän hÖ to¹ ®é ®Ó biÓu diÔn c¸c ®¹i l­îng biÕn d¹ng cña c«ng tr×nh. HÖ to¹ ®é ®­îc chän nh­<br /> thÕ nµo ®Ó ®¹t hai môc ®Ých: thø nhÊt lµ c¸c thµnh phÇn ®o ph¶n ¸nh chÝnh x¸c nhÊt ®Æc tÝnh<br /> lµm viÖc kÕt cÊu cña c«ng tr×nh vµ thø hai lµ x¸c ®Þnh ®­îc ®é dÞch chuyÓn cña tÊt c¶ c¸c ®iÓm<br /> kiÓm tra trªn c«ng tr×nh, cña nÒn mãng vµ phÇn ch¾n sãng trong mét hÖ to¹ ®é.<br /> HiÖn nay vÊn ®Ò chän hÖ trôc to¹ ®é trong quan tr¾c vµ quy tr×nh ®¸nh gi¸ ®é biÕn d¹ng<br /> c¸c c«ng tr×nh ®Ëp, hå chøa vÉn ch­a ®­îc ®­a vµo quy ph¹m. NÕu xem xÐt trong hÖ to¹ ®é<br /> vu«ng gãc t¹i hai ®iÓm kiÓm tra cã cïng mét ®é dÞch chuyÓn nh­ nhau (h×nh 1) biÓu thÞ trong<br /> mÆt c¾t kh¸c nhau cña ®Ëp bìi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau, sÏ kh«ng ph¶n ¸nh toµn bé tr¹ng th¸i biÕn<br /> d¹ng cña ®Ëp. Ngoµi viÖc nµy sÏ rÊt khã kh¨n trong viÖc x¸c ®Þnh c¸c thµnh phÇn biÕn d¹ng<br /> ®­îc g©y ra bìi c¸c t¸c ®éng kh¸c nhau. ViÖc chän hÖ to¹ ®é phô thuéc vµo h×nh d¹ng c«ng<br /> tr×nh, ®Æc tÝnh ph¶n lùc cña ®Ëp chèng l¹i c¸c t¸c ®éng bªn ngoµi vµ nhiÖm vô cña viÖc ph©n<br /> tÝch sè liÖu quan tr¾c. ThÝ dô nhiÖm vô chÝnh cña quan tr¾c ®Ëp bª t«ng träng lùc lµ kiÓm tra ®é<br /> dÞch chuyÓn theo nÒn mãng vµ phÇn tiÕp gi¸p vµ ®é nghiªng theo h­íng cña t¶i träng c«ng<br /> tr×nh. Do vËy ®èi víi c¸c c«ng tr×nh ®Ëp träng lùc d¹ng th¼ng th× hîp lý nhÊt lµ chän hÖ to¹ ®é<br /> vu«ng gãc ph¼ng cã trôc chÝnh trïng víi h­íng t¸c ®éng cña t¶i träng (h×nh 2).<br /> Khi nghiªn cøu biÕn d¹ng c«ng tr×nh cã d¹ng h×nh vßm hoÆc h×nh trô th× nªn sö dông hÖ<br /> to¹ ®é cùc mµ t©m cña hÖ trïng víi t©m cña ®é cong cña ®Ëp (h×nh 1). Chóng ta xÐt ®é dÞch<br /> chuyÓn cña mét ®iÓm kiÓm tra trªn hai hÖ to¹ ®é vu«ng gãc ph¼ng vµ to¹ ®é cùc víi gi¶ thiÕt ®é<br /> <br /> <br /> 1<br /> dÞch chuyÓn lµ do ¸p lùc n­íc trong hå chøa vµ do ®é dÞch chuyÓn cña ch©n vßm theo h­íng<br /> vu«ng gãc víi tiÕp tuyÕn vßm (h×nh 1). Trªn h×nh vÏ ta thÊy thµnh phÇn vÐc t¬ dÞch chuyÓn K<br /> trong hÖ to¹ ®é cùc biÓu thÞ mét c¸ch chÝnh x¸c vµ ®Çy ®ñ ®Æc tÝnh lµm viÖc cña ®Ëp, trong lóc<br /> ®ã vÐc t¬ K trong hÖ to¹ ®é vu«ng gãc ph¼ng kh«ng chØ ra ®­îc kh¸i niÖm râ rµng vÒ sù biÕn<br /> d¹ng cña c«ng tr×nh.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> T Y<br /> X<br /> X<br /> R<br /> X K<br /> Hå chøa<br /> Y1<br /> <br /> T1 R1<br /> <br /> X1 K1 <br /> Y<br /> 1 S«ng Ch¶y<br /> O<br /> Y<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 1 H×nh 2<br /> <br /> NÕu biÕt tr­íc ph­¬ng tr×nh bÒ mÆt hoÆc ®­êng cong tiªu biÓu cña c«ng tr×nh vµ c¸c<br /> tham sè th× tèt nhÊt ta chuyÓn tõ hÖ to¹ ®é vu«ng gãc ®ang ¸p dông vÒ mét sè lo¹i hÖ to¹ ®é<br /> cong, mµ trong ®ã ph­¬ng tr×nh bÒ mÆt cña c«ng tr×nh cã thÓ biÔu diÔn b»ng hµm sè tuyÕn tÝnh<br /> cña to¹ ®é vµ c¸c tham sè.<br /> ViÖc chän hÖ trôc to¹ ®é trong quan tr¾c c¸c ®Ëp thñy lîi- thñy ®iÖn cã thÓ tiÕn hµnh theo<br /> nguyªn t¾c chung sau: Víi yªu cÇu ph¶n ¸nh ®­îc ®é biÕn d¹ng c«ng tr×nh ®­îc râ nhÊt vµ<br /> trong hÖ to¹ ®é ®ã c«ng tr×nh cã thÓ ®¼ng vÞ biÓu diÔn xÊp xØ mÆt ph¼ng hoÆc ®­êng th¼ng. Trªn<br /> c¬ së to¸n häc chóng ta cã thÓ chøng minh ®­îc r»ng: phï hîp h¬n c¶ víi nguyªn t¾c nµy lµ hÖ<br /> to¹ ®é cong trùc giao cã ®é cong ®­îc x¸c ®Þnh bëi h×nh d¹ng cña c«ng tr×nh (h×nh 3). §èi víi<br /> d¹ng vu«ng v¾n nã trë thµnh hÖ to¹ ®é vu«ng gãc, ®èi víi d¹ng h×nh vßng- hÖ to¹ ®é vßng, hÖ<br /> to¹ ®é h×nh trô hoÆc hÖ to¹ ®é cùc.<br /> Khi quan tr¾c biÕn d¹ng c¸c ®Ëp vßm th× c¸c trôc cña hÖ to¹ ®é cong trùc giao nµy trïng víi<br /> h­íng vu«ng gãc vµ h­íng dÞch chuyÓn cña vßm, nh­ vËy ®Æc tÝnh lµm viÖc cña c«ng tr×nh<br /> ®­îc ph¶n ¸nh mét c¸ch chÝnh x¸c h¬n.<br /> H×nh d¹ng cña ®Ëp vßm rÊt phøc t¹p vµ ®a d¹ng, th«ng th­êng nã kh«ng biÓu hiÖn<br /> b»ng ph­¬ng tr×nh ®¬n gi¶n hoÆc nhiÒu khi ch­a biÕt. Trong tr­êng hîp nµy kh«ng thÓ x¸c ®Þnh<br /> theo ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm dùa vµo kÕt qu¶ ®o ®¹c, v× ë ®©y kh«ng cã sù liªn hÖ trùc tiÕp<br /> gi÷a kÕt qu¶ ®o trong b¶n th©n c«ng tr×nh. Nh­ng ngay ®èi víi tr­êng hîp nµy, xuÊt ph¸t tõ to¹<br /> ®é c¸c ®iÓm kiÓm tra ®Õn ®é dÞch chuyÓn cña chóng vµ ®­a sè hiÖu chØnh do biÕn d¹ng cña<br /> khèi bª t«ng (hoÆc bá qua nÕu qu¸ bÐ) th× chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc hÖ to¹ ®é cong trùc<br /> giao b»ng kÕt qu¶ cña chu kú ®o thø nhÊt. Trong tr­êng hîp nµy nÕu trôc chÝnh cña hÖ to¹ ®é<br /> <br /> <br /> 2<br /> cã h­íng vu«ng gãc víi bÒ mÆt c«ng tr×nh t¹i mäi ®iÓm, gi¸ trÞ biÕn d¹ng cã thÓ tÝnh gÇn ®óng<br /> trªn mÆt ph¼ng vµ cã thÓ biÔu diÔn theo h×nh 4. Nh­ vËy to¹ ®é ®iÓm K trong chu kú thø i sÏ<br /> ®­îc x¸c ®Þnh lµ tæng ®é dÞch chuyÓn gi÷a c¸c chu kú, hoÆc lµ ®é dÞch chuyÓn gi÷a chu kú thø<br /> nhÊt vµ chu kú thø i.<br /> <br /> <br /> T2<br /> <br /> <br /> <br /> R2<br /> <br /> <br /> X<br /> R1 R3<br /> <br /> <br /> T1 T3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Z T1 T2 T3<br /> 1 2 3<br /> O R1 R2 R3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> O' O O''<br /> Y<br /> <br /> H×nh 3 H×nh 4<br /> <br /> <br /> TÊt c¶ c¸c hÖ to¹ ®é dïng trong quan tr¾c biÕn d¹ng c«ng tr×nh, trªn nguyªn lý c¬ b¶n ®­îc<br /> ®Þnh vÞ theo h­íng cña ®­êng d©y däi, do vËy h×nh chiÕu cña ®é dÞch chuyÓn ®­îc x¸c ®Þnh<br /> trong mÆt th¼ng ®øng theo h­íng d©y däi hay vu«ng gãc víi nã. Trªn (h×nh 5) ta thÊy h×nh<br /> chiÕu X vµ h kh«ng thÓ hiÖn mét c¸ch ®Çy ®ñ ®é dÞch chuyÓn cña c¸c ®iÓm kiÓm tra trªn ®Ëp<br /> vµ nh­ vËy kh«ng cho phÐp gi¶i thÝch tÊt c¶ quy luËt t¸c ®éng lÉn nhau cña c«ng tr×nh vµ nÒn<br /> mãng c«ng tr×nh còng nh­ ®Þnh luËt ph©n bè ®é biÕn d¹ng theo h­íng mÆt c¾t ®øng.<br /> §Ó tÝnh ®é dÞch chuyÓn A vµ C cÇn biÕt gãc nghiªng cña c«ng tr×nh trong thêi gian thùc<br /> hiÖn quan tr¾c chu kú ®Çu vµ sù thay ®æi cña nã trong thêi gian thùc hiÖn c¸c chu kú quan tr¾c<br /> tiÕp theo. Gãc nghiªng nµy ®­îc x¸c ®Þnh b»ng gi¸ trÞ theo thiÕt kÕ hoÆc b»ng ph­¬ng ph¸p ®o<br /> trùc tiÕp trong qu¸ tr×nh x©y dùng c«ng tr×nh.<br /> §é dÞch chuyÓn A vµ C ®­îc tÝnh theo c«ng thøc:<br /> K  x 2  h 2 ;<br /> A  K . sin    ;<br /> C  K . cos   ;<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> Trong ®ã:<br /> <br /> <br /> K- VÐc t¬ dÞch chuyÓn trong mÆt ph¼ng th¼ng ®øng.<br /> X, h - DÞch chuyÓn trong hÖ to¹ ®é th¼ng ®øng.<br /> A, C - DÞch chuyÓn trong hÖ to¹ ®é nghiªng. A<br />  - Gãc nghiªng c«ng tr×nh t¹i chu kú i.<br /> +  - Gãc nghiªng c«ng tr×nh t¹i chu kú i+1.<br /> X<br /> <br /> <br /> <br /> h<br /> K<br /> <br /> <br /> C<br /> <br /> <br /> H×nh 5. H×nh chiÕu<br /> ®é dÞch chuyÓn trªn mÆt th¼ng ®øng<br /> <br /> §Ó thuËn tiÖn, viÖc ®o ®é dÞch chuyÓn mÆt b»ng th­êng ®­îc x¸c ®Þnh trong hÖ to¹ ®é<br /> vu«ng gãc, trong tr­êng hîp nµy cÇn chuyÓn sang hÖ to¹ ®é cong trùc giao cña ®Ëp. §Ó lËp hÖ<br /> to¹ ®é cong trùc giao nµy ph¶i dùa vµo b¶n thiÕt kÕ ®Ëp hoÆc b¶n vÏ hoµn c«ng ®Ó x¸c ®Þnh<br /> h­íng cña mÆt c¾t xuyªn t©m t¹i c¸c ®iÓm kiÓm tra trªn c«ng tr×nh t­¬ng ®èi víi mÆt c¾t trïng<br /> víi trôc ®èi xøng cña c«ng tr×nh.<br /> §é dÞch chuyÓn R, T (h×nh 4) ®­îc tÝnh theo c«ng thøc:<br /> R= K’.cos(-);<br /> T= K’.sin(-);<br /> Trong ®ã:<br /> <br /> K’= A2+Y2<br /> = ch  k<br /> = arctg(Y/A);<br /> ë ®©y: K’- VÐc t¬ dÞch chuyÓn ®iÓm kiÓm tra trong mÆt ph¼ng n»m ngang.<br /> ch - Gãc lÖch gi÷a h­íng xuyªn t©m cña mÆt c¾t chÝnh vµ h­íng cña mÆt c¾t<br /> xuyªn t©m ®i qua c¸c ®iÓm kiÓm tra.<br />  - Gãc gi÷a h­íng dÞch chuyÓn vµ trôc hÖ to¹ ®é vu«ng gãc.<br /> A, X - §é dÞch chuyÓn trong hÖ to¹ ®é vu«ng gãc.<br /> R, T - §é dÞch chuyÓn trong hÖ to¹ ®é cùc.<br /> Trong tr­êng hîp tæng qu¸t quy tr×nh tÝnh to¸n khi x¸c ®Þnh ®é dÞch chuyÓn c¸c ®iÓm kiÓm<br /> tra trªn ®Ëp trong hÖ to¹ ®é cong trùc giao cã thÓ theo c¸c b­íc sau:<br /> <br /> 1. X¸c ®Þnh ®é dÞch chuyÓn X, Y, h trong hÖ to¹ ®é vu«ng gãc.<br /> 2. X¸c ®Þnh gãc , ,  (gãc ¬lle) quay cña hÖ to¹ ®é t¹i c¸c ®iÓm kiÓm tra.<br /> 3. TÝnh to¸n ®é dÞch chuyÓn c¸c ®iÓm kiÓm tra t­¬ng ®èi víi vÞ trÝ ë chu kú ®Çu trong hÖ<br /> to¹ ®é cong trùc giao.<br /> <br /> <br /> 4<br /> C<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tµi liÖu tham kh¶o:<br /> - C¸c ph­¬ng ph¸p ®o biÕn d¹ng c«ng tr×nh (tiÕng Nga). A. K Zaiseb… NXB “Nhedra”.<br /> Matxc¬va, 1991.<br /> - Quy tr×nh ®o biÕn d¹ng c«ng tr×nh (tiÕng Nga). M. E Pickunop… NXB “Nhedra”.<br /> Matxc¬va, 1980.<br /> - Tr¾c ®Þa c«ng tr×nh (tiÕng Nga). G.F Gl«t«p. NXB “Nhedra”. Matxc¬va, 1972.<br /> - C«ng t¸c tr¾c ®Þa trong nghiªn cøu biÕn d¹ng c«ng tr×nh (tiÕng Nga). §.S Mikhelep…<br /> NXB “Nhedra”. Matxc¬va, 1977.<br /> - Mierelo J. van (1978): A Testing Procedure for Analism Geodetic Deformation<br /> Measurements. New York.<br /> <br /> Summary<br /> Geodetic Deformation Measurement is very necessary for various projects, especially<br /> for hydraulics and hydro-electricity ones, both from the beginning of construction and through<br /> the process of managing and using them. One important question of this mission is choosing<br /> which coordinate system to represent deformed quantities of projects, with the highest fidelity.<br /> The article delved into investigation and analyses depending on mathematical theory and the<br /> shape of hydraulics and hydro-electricity projects to put forward various systems of<br /> coordinates, which can be applied to different shaped projects. Simultaneously, the author also<br /> advanced the process of calculation and transfer among systems of coordinates.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 5<br />