BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM DOÃN MẬU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ -ĐỊA CHẤT PHẠM DOÃN MẬU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ : 62.52.05.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1- PGS.TS TRẦN KHÁNH 2- PGS.TS NGUYỄN QUANG PHÚC HÀ NỘI – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN ÁN PHẠM DOÃN MẬU ii MỤC LỤC Tên mục Trang LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC …………………………………………………………… ……………………………………. i ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT …………………………… …………… v DANH MỤC CÁC BẢNG …………………………….…………………….……………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………… ………… ………………………… viii MỞ ĐẦU ………………………………………………… …………………….…………………………… 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN …………………………………………………………………… 7 1.1 Đặc điểm cấu trúc các công trình thuỷ điện ở Việt Nam ………… 1.2 Mục đích, nhiệm vụ và yêu cầu độ chính xác quan trắc biến dạng công trình thủy điện …………………………………………………………………………………. 7 12 1.3 Các phương pháp thành lập lưới quan trắc biến dạng công trình 16 1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc biến dạng công trình ……………………………… 19 1.5 Một số nhận xét đánh giá về công tác quan trắc biến dạng công trình ………………………………………………………………………………………….……………………. 25 Chương 2. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH ……………… 27 2.1 Nguyên lý và kỹ thuật định vị GPS ………………………………………………… 27 2.2 Đặc điểm thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình bằng công nghệ GPS ………………………………………………………………… 2.3 Đánh giá các phương pháp thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình - Phương án lưới 2 cấp… …………………………………. 2.4 Đề xuất thành lập lưới một cấp quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện ……………………………………………………………………… . 33 36 43 iii 2.5 Giải pháp nâng cao hiệu quả công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện ………………………………………………………. 46 2.6 Thực nghiệm thành lập luới GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình …………………………………………………………………………. 2.7 Nhận xét về khả năng ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện ……………………… 53 57 Chương 3.TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI GPS QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ………………………… 59 3.1 Ước tính độ chính xác lưới GPS …………………………………………… ……… 3.2 Tính toán bình sai lưới GPS ………………….…………… …………………………… 59 61 3.3 Phân tích độ ổn định hệ thống mốc cơ sở của lưới GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện …………………………………… 65 3.4 Xử lý số liệu mạng lưới kết hợp GPS - Mặt đất trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện ………………………………………….…………… 72 Chương 4. THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI GPS QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG ĐẬP THUỶ ĐIỆN TUYÊN QUANG ………………………… …………… ………….………………………………………… 80 4.1 Giới thiệu về công trình thực nghiệm ……………………. 80 4.2 Thiết kế hệ thống lưới quan trắc ………………………… ……………………………. 82 4.3 Thực nghiệm phân tích độ ổn định lưới GPS cơ sở quan trắc đập thủy điện Tuyên Quang …………………………….… ……… …………………………………… 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………….…………………………… 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ …… 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………………… 98 PHẦN PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa Bình ( ms=1+1ppm) ……………………………………………………………………. 105 iv PHỤ LỤC 2: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa Bình ( ms=3+2ppm) ………………………………………………………………………. 107 PHỤ LỤC 3: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa Bình ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ………………………………………………… 109 PHỤ LỤC 4: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Hòa Bình ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ………………………………………………… 112 PHỤ LỤC 5: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( ms=1+1ppm) …………………………………………………… 115 PHỤ LỤC 6: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( ms=2+2ppm) …………………………………………………… 118 PHỤ LỤC 7: Kết quả tính toán thiết kế lư ới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) …………………………………… 121 PHỤ LỤC 8: Kết quả tính toán thiết kế lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( ms=5+1ppm, ma=1+5/D) ……………………………………… 124 PHỤ LỤC 9: Kết quả tinh toán lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( Chu kỳ 1) …………………………………………………… 127 PHỤ LỤC 10: Kết quả tính toán lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang (Chu kỳ 2) …………………………………………………… 137 PHỤ LỤC 11: Kết quả tính toán lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang (Chu kỳ 2) …………………………………………………… 141 PHỤ LỤC 12: Chương trình phân tích độ ổn định luới GPS …………… 150 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Chữ viết tắt Ý nghĩa 1 GPS Global Positioning System 2 SSTP Sai số trung phương 3 BDCT Biến dạng công trình 4 CDNCT Chuyển dịch ngang công trình vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công trình ………………………………………………………………………………… 14 1.2 Giới thiệu một số máy loại máy thu GPS ………………………… 18 2.1 Thông số kỹ thuật cúa các hệ thống định vị vệ tinh ………………… 27 2.2 Ước tính độ chính xác lưới quan trắc thủy điện Hòa Bình 39 2.3 Ước tính độ chính xác lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang …………………………………………………………………………… 41 2.4 Ước tính độ chính xác bậc lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang ……………………………………………………………………………. 42 2.5 Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Hòa Bình 44 2.6 Ước tính độ chính xác lưới GPS một cấp thủy điện Tuyên Quang ……………………………………………………………………………. 44 2.7 Kết quả bình sai lưới thực nghiệm - Chu kỳ 1 ……………………. 55 2.8 Kết quả bình sai lưới thực nghiệm - Chu kỳ 2 ……………………. 56 2.9 Kết quả tính chuyển dịch …………………………………………………. 56 3.1 Ma trận trọng số đảo vector tọa độ lưới GPS ……………………. 77 3.2 Bảng trị đo cạnh trong lưới kết hợp ………………………………… 78 3.3 Ma trận Q của lưới kết hợp GPS - mặt đất …………………………… 78 3.4 Kết quả tính ma trận nghịch đảo Q của lưới kết hợp GPS - mặt đất …………………………………………………………………………………. 79 3.5 Kết quả tính tọa độ và sai số vị trí điểm lưới kết hợp GPS - mặt đất ……………………………………………………………………………. 79 vii Bảng Tên bảng Trang 4.1 Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 1) ………………… 86 4.2 Kết quả tọa độ phẳng lưới quan trắc (chu kỳ 2) ………………… 87 4.3 So sánh tọa độ các điểm mốc cơ sở (FIX tọa độ điểm QT- 06) ………………………………………………………………………………… 88 4.4 Định vị lại mạng lưới với điều kiện C=B ………………………… 89 4.5 Kiểm tra độ ổn định của lưới (sau khi phát hiện điểm QT-03 không ổn định) ……………………………………………………………… 89 4.7 Kết quả tính chuyển dịch các điểm quan trắc theo công nghệ truyền thống ( phương pháp đo toàn đạc điện tử) ……… 91 4.8 So sánh kết quả tính chuyển dịch theo công nghệ GPS và công nghệ đo đạc mặt đất ………………………………………………… 92 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Hồ thủy điện ……………………………………………………………. 8 1.2 Đập dâng và đập tràn. ……………………………………………… 10 1.3 Đường ống áp lực và nhà máy thủy điện …………………… 11 1.4 Thử nghiệm quan trắc chuyển dịch ngang đập thủy điện Tuyên Quang …………………………………………………… 25 2.1 Sơ đồ nguyên lý định vị tương đối …………………………… 28 2.2 Biểu đồ độ chính xác cạnh GPS theo thời gian ca đo 29 2.3 Đồ hình liên kết các điểm đo GPS …………………………… 36 2.4 Sơ đồ lưới quan trắc công trình thủy điện Hòa Bình 38 2.5 Sơ đồ bậc lưới quan trắc thủy điện Tuyên Quang ( Lưới 2 cấp) ……………………………………………………………………… 40 2.6 2.7 2.8 Sơ đồ bậc lưới cơ sở thủy điện Tuyên Quang (Lưới 2 cấp) ………………………………………………………………………… Sơ đồ lưới một cấp thủy điện Tuyên Quang …………… Sơ đồ mạng lưới quan trắc thực nghiệm ……………………. 42 43 54 3.1 Đo cạnh GPS ………………………………………………………… 60 3.2 Sơ đồ tính toán phân tích độ ổn định mốc cơ sở ………… 71 3.3 Sơ đồ bình sai lưới quan trắc kết hợp GPS - Mặt đất 76 4.1 Mặt bằng tổng thể nhà máy thủy điện Tuyên Quang 80 4.2 Mặt bằng tuyến đập thủy điện Tuyên Quang ……………… 81 4.3 Sơ đồ lưới GPS cơ sở thủy điện Tuyên Quang …………… 83 4.4 Sơ đồ lưới quan trắc thực nghiệm thủy điện Tuyên Quang ………………………………………………………………………. 84 [...]... lưới trắc địa chính xác cao, trong đó có lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình, như ở Nga, Ba Lan, Trung Quốc, Mỹ Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh 3 trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở nước ta vẫn chưa được đề cập thỏa đáng trong các nghiên cứu khoa học cũng như trong ứng dụng thực tế Chính vì vậy, luận án: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến. .. đơn lẻ trong quá trình xử lý số liệu Chưa có phần mềm chuyên về xử lý số liệu GPS quan trắc biến dạng công trình 1.5.2 Giới hạn nghiên cứu của luận án Với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện ở Việt Nam, trong luận án đã đặt ra và nghiên cứu các nội dung sau: - Đặc điểm cấu trúc và yêu cầu quan trắc biến dạng các công trình thuỷ điện Phân... biến dạng công trình thuỷ điện ở Việt Nam" được đặt ra nhằm khảo sát các luận cứ khoa học và thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ đo đạc vệ tinh trong quan trắc biến dạng công trình thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả của công tác quan trắc biến dạng công trình 2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang công. .. pháp quan trắc đang được sử dụng ở Việt Nam - Nghiên cứu, đánh giá khả năng và xác định đặc điểm ứng dụng GPS để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện, đặc biệt là nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống chế một cấp khi quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện - Nghiên cứu một số vấn đề vể xử lý số liệu GPS trong quan trắc chuyển dịch công trình thuỷ điện. .. nghiên cứu 22 ứng dụng công nghệ hiện đại trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy lợi – thủy điện cũng đã đề cập đến việc ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang các công trình này 36; Viện Công nghệ Xây dựng (Bộ Xây dựng), Viện Nghiên cứu Địa chính (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Viện Công nghệ vũ trụ (Viện Khoa học công nghệ Việt Nam) … cũng có nhiều công trình nghiên cứu. .. công trình thuỷ điện trong điều kiện Việt Nam - Đối tượng nghiên cứu là các công trình thuỷ điện ở Việt Nam, trong đó đi sâu nghiên cứu công tác quan trắc tuyến đập thủy điện - Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: Phân tích lý thuyết, khảo sát thực nghiệm ứng dụng GPS để quan trắc chuyển dịch ngang các công trình thuỷ điện thông qua ví dụ cụ thể tại đập thủy điện Tuyên Quang 3 Nội dung nghiên cứu. .. dung nghiên cứu chính được trình bày trong 4 chương Chương 1- Tổng quan về quan trắc biến dạng công trình thủy điện Chương 2- Khảo sát khả năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện Chương 3- Tính toán, xử lý số liệu lưới GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện Chương 4- Thực nghiệm thiết kế và xử lý số liệu lưới GPS quan trắc chuyển dịch ngang đập thủy. .. ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình công nghiệp và giao thông…11, 31, 38, 41 1.4.2 Tình hình thực hiện quan trắc biến dạng một số công trình điển hình bằng công nghệ GPS 1.4.2.1 Trên thế giới Hiện nay, trên thế giới hầu hết các công trình thủy điện lớn của mỗi quốc gia đều đã được quan trắc biến dạng với các thiết bị đo đạc hiện đại nhất, trong đó nhiều công trình đã ứng dụng. .. Hợi về ứng dụng công nghệ GPS và máy toàn đạc điện tử để quan trắc và đánh giá chuyển dịch ngang của các công trình 12, PGS.TSKH Hà Minh Hòa trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để xác định dịch chuyển vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy Lai Châu- Điện Biên 29, PGS.TS Trần Viết Tuấn với đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình ở Việt Nam 35, PGS.TS Hoàng Xuân Thành trong. .. công trình sau: - Đối với các công trình thủy lợi - thủy điện: Hầu hết các công trình thủy lợi thủy điện trong cả nước đã tiến hành công tác quan trắc biến dạng (quan trắc chuyển dịch ngang được thực hiện bằng các máy toàn đạc điện tử chính xác, quan trắc độ lún bằng các máy thủy chuẩn quang học, điện tử và bằng đĩa từ) Ví dụ: nhà máy thủy điện Đa Nhim, thủy điện Thác Bà, thủy điện Hòa Bình, thủy điện . năng ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ điện trong điều kiện Việt Nam. - Đối tượng nghiên cứu là các công trình thuỷ điện ở Việt Nam, trong đó đi sâu nghiên. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNHTHỦY ĐIỆN 1.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CÁC CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN Ở VIỆT NAM 1.1.1 Giới thiệu chung: Công trình thuỷ điện là loại công trình làm việc trong. công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng công trình thuỷ điện ở Việt Nam& quot; được đặt ra nhằm khảo sát các luận cứ khoa học và thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ đo đạc vệ tinh trong quan