Phương pháp tính toán bình sai lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ lợi , thuỷ điện - Trần Khánh

Nội dung text: Phương pháp tính toán bình sai lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ lợi , thuỷ điện - Trần Khánh

1. Phương pháp Tính toán bình sai lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thuỷ lợi- thuỷ điện TS. Trần Khánh Đại học Mỏ-Địa chất Th.S. Hoàng Xuân Thành Đại học Thuỷ lợi Các công trình Thuỷ lợi- thuỷ điện thường xây dựng trên nền ngập nước, ngoài tải trọng của bản thân, công trình còn bị tác động của các tải trọng động do máy móc, thiết bị hoạt động trong công trình. Lưới đo chuyển dịch ngang công trình Thuỷ lợi- thuỷ điện thường được xây dựng thành hai bậc: bậc 1 là lưới khống chế cơ sở và bậc 2 là lưới quan trắc. Các điểm mốc khống chế cơ sở được bố trí ở ngoài phạm vi biến dạng công trình và phải có độ ổn định trong suốt quá trình quan trắc. Kiểm tra, đánh giá độ ổn định của hệ thống điểm mốc khống chế trong quan trắc biến dạng công trình là việc cần thiết, có tác dụng bảo đảm độ tin cậy của toàn bộ kết quả quan trắc. Trong các tài liệu 1, 2 đã xác định quy trình xử lý lưới khống chế theo phương pháp bình sai tự do, trong bài báo này sẽ đưa ra thuật toán cụ thể để tính toán bình sai khống chế trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình. Lưới khống chế trong quan trắc chuyển dịch là mạng lưới độc lập, được đo lặp trong các chu kỳ quan trắc. Do đó, xét về bản chất mạng lưới nêu trên là lưới trắc địa tự do và vì vậy, áp dụng phương pháp bình sai tự do để xử lý lưới trong trường trường hợp này là hợp lý nhất. Vấn đề cần thiết là cần xác định được tiêu chuẩn phù hợp để định vị mạng lưới ở các chu kỳ đo khác nhau. Trong tài liệu 2 đã đề xuất phương pháp định vị lưới khống chế cơ sở giữa 2 chu kỳ quan trắc theo nguyên tắc: " Tổng bình phương độ lệch tọa độ giữa các điểm khống chế ổn định là nhỏ nhất ”. Nguyên tắc trên được cụ thể hoá bằng thuật toán định vị như sau: 1. Lưới được định vị theo các điểm khống chế ổn định. Điều kiện này được thể hiện bằng cách lựa chọn ma trận định vị C : Ci = Bi - Với i là điểm gốc ổn định Ci = 0 - Với các điểm khác (1) Trong đó Bi là trận định vị của điểm mốc i, được xác định từ phép chuyển đổi tọa độ Helmert 4: 1 0 Y X Bi = i i (2) 0 1 -Xi Yi 2. Tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định của điểm khống chế Điểm khống chế được coi là ổn định nếu chênh lệch tọa độ của điểm ở chu kỳ đang xét so với chu kỳ đầu không vượt quá sai số giới hạn xác định độ chênh lệch đó, cụ thể là: |Qi| t. MQi (4) 1
2. Trong đó: - Qi là giá trị chênh lệch tọa độ của điểm i trong 2 chu kỳ quan trắc ( chu kỳ 1 và n), được xác định theo công thức: 2 2 Qi =  (Xn-X1) +(Yn-Y1) - M Qi là sai số độ lệch Qi, được xác định từ kết quả bình sai lưới. - t là hệ số xác định tiêu chuẩn sai số giới hạn ( thông thường chọn t = 23). Các công thức (1) và (3) có quan hệ ràng buộc, tương hỗ lẫn nhau: việc định vị được lưới theo biểu thức (1) chỉ có thể thực hiện sau khi đã xác định được các điểm ổn định (kiểm tra theo (2)), ngược lại, chỉ sau khi định vị xong lưới chúng ta mới có thể đánh giá được tính chất ổn định của hệ thống điểm mốc. Do không thể triển khai tính toán đồng thời theo cả 2 công thức (1) và (3) mà chỉ có thể thực hiện tính riêng rẽ theo từng công thức, nên giải pháp hợp lý trong trường hợp này là thực hiện tính toán nhích dần. Trong tài liệu 1,2 đã đề xuất áp quy trình tính toán nhích dần như sau: Bước 1: Trong chu kỳ đầu thực hiện xử lý mạng khống chế theo phương pháp bình sai lưới tự do (với hệ tọa đồ gần đứng tuỳ chọn). Bước 2: Trong chu kỳ đang xét (chu kỳ n), giả định tất cả các điểm khống chế trong lưới là ổn định, thực hiện tính toán bình sai và định vị lưới với điều kiện Ci = Bi (với vectơ tọa độ gần đúng được chọn bằng tọa độ bình sai của chu kỳ 1).Tính độ chuyển dịch Q của tất cả các điểm trong lưới và áp dụng tiêu chuẩn (3) để xác định các điểm ổn định. Bước 3: Có thể xảy ra một trong hai khả năng sau: - Nếu phát hiện một số điểm khống chế không ổn định ( theo tiêu chuẩn 3) thì sẽ loại một điểm có độ chuyển dịch lớn nhất ra khỏi tập hợp điểm khống chế và quay lại thực hiện việc kiểm tra từ bước 2. - Nếu các điểm khống chế còn lại đều ổn định thì việc kiểm tra được dừng lại và thực hiện định vị lưới theo các điểm khống chế ổn định. Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, có thể tách lưới quan trắc chuyển dịch ngang thành hai bậc và thực hiện xử lý riêng biệt đối với từng bậc lưới theo trình tự: bậc lưới khống chế được xử lý theo phương pháp bình sai tự do, còn bậc lưới quan trắc được bình sai như lưới phụ thuộc. Việc xử lý tách biệt như vậy sẽ làm cho lưới quan trắc bị tác động của sai số số liệu gốc, nhất là nếu để ý rằng trong thực tế yêu cầu độ chính xác đối với công tác quan trắc biến dạng công trình thường là rất cao nên lưới khống chế cơ sở và lưới quan trắc được thiết kế với độ chính xác gần tương đương nhau. Vì vậy phương án phù hợp hơn để xử lý lưới quan trắc biến dạng là bình sai kết hợp hai bậc lưới ( lưới khống chế và lưới quan trắc) như một mạng lưới tự do duy nhất. Bình sai kết hợp không những tránh được ảnh hưởng của sai số số liệu gốc mà còn có tác dụng nâng cao độ chính xác của toàn bộ hệ thống lưới. Cuối cùng chúng tôi cũng nêu lại tóm tắt quy trình bình sai lưới tự do với định hướng để ứng dụng tính toán, xử lý lưới quan trắc chuyển dịch công trình như sau: 1. Coi tọa độ tất cả các điểm trong lưới là ẩn số, thành lập hệ phương trình số hiệu chỉnh đối với tập hợp trị đo trong lưới A.x + L =V (4) 2. Lập hệ phương trình chuẩn R.x + b =0 (5) 2
3. ( R=AT.P.A ; b=AT.P.L ) 3. Xác lập điều kiện định vị lưới CT.x = 0 (6) Với ma trận định vị được tính theo quy tắc: Ci = Bi - Nếu i là điểm khống chế ổn định 0 - Nếu i là điểm không ổn định (7) 4. Tính ma trận giả nghịch đảo ~ T T R = (R+C P0C) - T P0T (8) 5. Tính vectơ nghiệm và tọa độ bình sai ~ x = -R .b; X = X0 + x (9) 6.Đánh giá độ chính xác lưới -Sai số trung phương đơn vị trọng số  = VTPV n-k+d (10) -Sai số các đại lượng bình sai 1 mF =  PF (11) Để minh họa cho phương pháp phân tích độ ổn định của hệ thống mốc khống chế trong quan trắc chuyển dịch công trình Thuỷ lợi- thuỷ điện, chúng tôi đưa ra ví dụ xử lý lưới khống chế của một công trình ở thực tế sản xuất (lưới khống chế thuỷ điện Thác Bà 3): Lưới khống chế là lưới tam giác đo góc với đồ hình trên hình vẽ 1. Lưới gồm 6 điểm, trong đó điểm P là điểm trung gian, ở chu kỳ 1 lưới đã được bình sai KC1 P dưới dạng lưới tự do, số liệu tọa độ bình sai  o chu kỳ1 đưa ra trong bảng 1, số liệu đo chu kỳ 5 đưa ra trong bảng 2 Bảng 1: Tọa độ bình sai chu kỳ 1 KC5 TT Điểm X(m) Y(m) 1 P 500.0041 2359.9927  2 KC5 224.6513 2620.5892 KC2  3 KC4 211.7495 2428.9334 4 KC3 134.8335 2174.6450  5 KC2 305.2339 2072.0697 6 KC1 500.0032 2000.0001 KC4 3
4. Bảng 2: Trị đo góc chu kỳ 5 TT Tên góc Giá trị góc TT Tên góc Giá trị góc 1 KC5 P 29 58’ 19.9” 12 KC2 KC4 61 52’ 12.0” KC4 P 2 KC4 P 40 21 41.1 13 KC2 KC3 57 57 26.5 KC3 P 3 KC3 P 29 00 43.8 14 P KC3 46 15 34.8 KC2 KC4 4 KC2 P 34 04 36.1 15 KC4 KC3 05 26 31.6 KC1 KC5 5 KC3 KC5 07 32 11.0 16 KC1 KC2 76 13 43.6 KC4 P 6 KC4 KC5 12 12 31.7 17 P KC2 42 26 05.4 KC2 KC5 7 KC2 KC5 15 34 09.9 18 KC5 KC2 06 19 21.0 KC1 KC4 8 KC1 KC5 22 39 01.2 19 KC4 KC2 44 16 26.2 P KC3 9 P KC4 99 35 57.6 20 P KC1 23 55 36.5 KC5 KC5 10 KC5 KC4 167 01 19.3 21 KC5 KC1 45 46 03.3 KC3 KC2 11 KC3 KC4 31 30 31.1 KC2 Tiêu chuấn số độ lệch vị trí điểm giới hạn được chọn là 0 =t.MQ= 3.0 mm. Kết quả tính toán được đưa ra trong bảng 3 với 2 bước lặp. Lần lặp thứ nhất chọn C=B với tất cả các điểm khống chế (từ KC1 đến KC5), CP = 0 (do P chỉ là điểm trung gian). Kết quả định vị lần 1 xác định được điểm KC2 có độ lệch tọa độ lớn nhất và vượt quá giới hạn (3.0mm). Thực hiện tính lặp lần 2 với điều chỉnh CKC2 = 0, xác định được độ lệch của hệ thống điểm, qua đó có thể thấy rõ: điểm mốc KC2 không ổn định (Q=6.7mm), các điểm còn lại trong lưới ổn định (Q < 3.0mm). Bảng 3: Kết quả tính toán phân tích độ ổn định lưới khống chế Số Tên độ lệch so với chu kỳ 1 (mm) T T điểm Lặp lần 1 Lặp lần 2 C QX QY Q C QX QY Q 1 P 0 0.7 -0.6 1.0 0 0.1 0.7 0.7 2 KC5 B -0.8 -1.5 1.7 B -0.8 -1.5 1.7 3 KC4 B 0.8 0.5 1.0 B 1.1 1.2 1.6 4 KC3 B -1.9 -0.7 2.0 B -1.0 0.7 1.3 5 KC2 B 1.0 4.5 4.6 0 1.4 6.5 6.7 6 KC1 B 0.9 -2.9 3.1 B 0.7 -0.4 0.9 4
5. Kết luận: 1.Việc tính toán bình sai lưới khống chế cơ sở trong quan trắc biến dạng công trình có thể được thực hiện một cách hiệu quả nhờ ứng dụng phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do. 2.Trong quá trình tính toán cần đề ra điều kiện định vị phù hợp với từng dạng lưới. Tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định mốc khống chế được xác lập trên cơ sở phân tích độ chính xác lưới và đặc điểm kết cấu công trình. Tài liệu tham khảo 1.Trần Khánh. Bình sai lưới tự do và ứng dụng trong xử lý số liệu trắc địa công trình. Tuyển tập các công trình khoa học-ĐH Mỏ Địa chất, tập XXI,1996 2.Trần Khánh. Nghiên cứu ứng dụng bình sai tự do trong trắc địa công trình. Luận án phó tiến sỹ khoa học kỹ thuật, Hà nội –1996 3. Hoàng Xuân Thành,Trần Khánh. Phân tích độ ổn định lưới khống chế cơ sở công trình thuỷ điện Thác Bà giai đoạn 1982-1993. Tuyển tập các công trình khoa học-ĐH Mỏ Địa chất, tập 32, 2001. 4.Markuze Iu.I. Thuật toán và chương trình bình sai lưới trắc địa. NXB Nhedra, Moskva-1989. Summary The Adjustment method for the fundamental- geonetwork in monitoring horizontal movement hydraulic and hydro- electric power The report introduces adjustment method for the fundamental- geonetwork in monitoring horizontal movement hydraulic and hydro- electric power and determined procedure, formulars, that applying in this method. Apart from it, the report gives analyse the stabilities of fundamental- horizontal geonetwork in hydro- electric power Thac Ba by the adjustments method of theory free- geonetwork. The results have given the concrete stabilities for every points of the fundamental- geonetwork. 5