Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu khả năng áp dụng phương pháp Rađa đất để phát hiện hang rỗng trong thân đê, đập ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việt Nam có khoảng 10.000km đê sông và có hàng nghìn đập thủy điện thủy lợi lớn và nhỏ. Phần lớn những công trình thuỷ lợi đều được xây dựng cách đây khá lâu. Do hạn chế về điều kiện kỹ thuật và kinh tế như công tác thăm dò địa chất, thiết kế và thi công công trình v.v... nên đều có những bất cập và khiếm khuyết nhất định. Đề tài đã nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Rađa đất để phát hiện và xác định vị trí của hang rỗng nằm trong thân đê, đập. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu khả năng áp dụng phương pháp Rađa đất để phát hiện hang rỗng trong thân đê, đập ở Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Vương Duy Thọ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT ĐỂ PHÁT HIỆN HANG RỖNG TRONG THÂN ĐÊ, ĐẬP Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Vương Duy Thọ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT ĐỂ PHÁT HIỆN HANG RỖNG TRONG THÂN ĐÊ, ĐẬP Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Vật Lý Địa Cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. VŨ ĐỨC MINH Hà Nội – Năm 2015
MỤC LỤC Các ký hiệu & từ viết tắt……………………………………………………………..i Danh mục hình vẽ.......................................................................................................ii Danh mục bảng biểu................................................................................................. vi MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: ...........................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................1 4. Nội dung nghiên cứu của đề tài ...........................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................2 7. Cấu trúc của luận văn...........................................................................................2 Chương 1 - TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT .................3 1.1 VÀI NÉT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT TRONG KHẢO SÁT HANG RỖNG ................................................3 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ............................................................3 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................4 1.2. PHƯƠNG PHÁP RA ĐA ĐẤT ........................................................................6 1.2.1. Sơ lược về phương pháp Rađa đất. ............................................................6 1.2.2. Một số tính chất cơ bản của trường điện từ trong môi trường địa chất......8 1.2.3. Phương pháp xác định một số tham số điện từ ........................................16 Chương 2 - NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH HANG RỖNG LÝ THUYẾT ........21 2.1.CƠ SỞ LỰA CHỌN MÔ HÌNH .....................................................................21 2.1.1 Cơ sở Vật lý địa chất .................................................................................21 2.1.2 Cơ sở lựa chọn ăng ten. .............................................................................22 2.2. CÁCH THỨC TÍNH MÔ HÌNH ...................................................................23 2.2.1. Module mô hình hóa cho mô phỏng 2D (Module modelling for the 2D- simulation) ..........................................................................................................23
2.2.2 Mô hình sai phân hữu hạn (Finite Difference (FD)) .................................27 2.2.3. Cơ sở lý thuyết trường sóng ra đa trên hang rỗng ....................................28 2.3. XỬ LÝ, TÍNH TOÁN ...................................................................................31 2.4. KẾT QUẢ THỰC HIỆN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT ......................................34 2.4.1. Mô hình hang rỗng có độ sâu khác nhau ..................................................34 2.4.2. Mô hình hang rỗng nằm ở độ sâu 1m có bán kính thay đổi .....................39 2.4.3. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng ...........................................................47 2.4.3.1. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng có cùng vị trí nhưng độ sâu khác nhau ............................................................................................................................47 2.4.3.2. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng khác vị trí và độ sâu khác nhau .....49 2.4.3.3. Mô hình có 2 đối tượng hang rỗng khác vị trí và cùng độ sâu..............51 Chương 3 - KẾT QUẢ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP RADA ĐẤT ĐỂ PHÁT HIỆN HANG RỖNG ...........................................................................................................53 3.1. Máy móc thiết bị ................................................................................................53 3.2. Phương pháp kỹ thuật đo Rađa đất ....................................................................53 3.3. Phương pháp xử lý tài liệu .................................................................................56 3.4.Kết quả xác định hang rỗng ................................................................................58 3.4.1 Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đê tả Đáy - Hoài Đức - Hà Nội .....59 3.4.2 Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đê Tả Cấm, Thủy Nguyên, Hải Phòng ...............................................................................................................................61 3.4.3. Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đê tả Đào, Nam Trực, Nam Định.63 3.4.4. Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đập Đá Đen, Khánh Hòa ..............64 3.4.5. Kết quả xác định hang rỗng tổ mối trên đập Khe Tân-Quảng Nam ............66 KẾT LUẬN ...............................................................................................................68 Tài liệu tham khảo .....................................................................................................70
Các ký hiệu và chữ viết tắt  - độ dẫn điện [đơn vị Siemens/m]  - hằng số điện môi f - tần số của ăng ten [MHz] v - vận tốc truyền sóng điện từ [m/ns] c - vận tốc ánh sáng [c = 3 . 108 m/s]  - điện trở suất của môi trường [ohm/m]  - độ thẩm từ R - hệ số phản xạ  - bước sóng [m]  - độ suy giảm của sóng điện từ [dB/m2] E - cường độ điện trường [Volt/m] D - véc tơ cảm ứng điện Jc - mật độ dòng dẫn [amperes/m2] Jd - dòng dịch  = 2f - tần số góc [rad/s]  - phần trăm lỗ rỗng hay độ rỗng của môi trường đất đá [%] S - độ bão hoà nước hay tỷ lệ độ ngậm nước
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Mối liên hệ giữa dòng điện dẫn, dòng dịch và dòng toàn phần ................ 11 Hình 1.2. Mối liên hệ giữa độ điện thẩm tương đối và vận tốc truyền sóng vào lượng nước của môi trường ................................................................................................. 13 Hình 1.3. Phương pháp hình học............................................................................... 17 Hình 1.4. Vận tốc truyền sóng .................................................................................. 18 Hình 1.5. Phương pháp điểm sâu chung ................................................................... 19 Hình 2.1: Giản đồ sóng rađa trên các đối tượng ...................................................... 28 Hình 2.2. Giản đồ sóng rađa trên đối tượng dạng điểm ........................................... 30 Hình 2.3. Giản đồ sóng rađa trên mặt phân lớp ....................................................... 31 Hình 2.4. Hình ảnh dịch chuyển Migration ............................................................. 32 Hình 2.5. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 0,3m ................................................................................................. 34 Hình 2.6. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 0,3m sau khi đã xử lý Migration ..................................................... 34 Hình 2.7. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 0,6m ..................................................................................................... 35 Hình 2.8. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 0,6m sau khi đã xử lý Migration ......................................................... 35 Hình 2.9. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 0,9m .................................................................................................. 36 Hình 2.10. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 0,9m sau khi đã xử lý Migration ..................................................... 36 Hình 2.11. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 1,2m .................................................................................................. 37 Hình 2.12. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 1,2m sau khi đã xử lý Migration ..................................................... 37
Hình 2.13. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 1,5m .................................................................................................. 38 Hình 2.14. Mô hình có 1 đối tượng hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và có độ sâu 1,5m sau khi đã xử lý Migration ..................................................... 38 Hình 2.15. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0.05m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m ......................................................................................................................... 39 Hình 2.16. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,1m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m ............................................................................................................................. 40 Hình 2.17. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,1m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m sau khi xử lý Migration ...................................................................................... 40 Hình 2.18. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,15m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m .......................................................................................................................... 41 Hình 2.19. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,15m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m sau khi xử lý Migration ................................................................................... 41 Hình 2.20. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,2m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m ............................................................................................................................. 42 Hình 2.21. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,2m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m sau khi xử lý Migration ....................................................................................... 42 Hình 2.22. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,25m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m ......................................................................................................................... 43 Hình 2.23. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,25m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m sau khi xử lý Migration ................................................................................... 43 Hình 2.24. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m ............................................................................................................................. 44 Hình 2.25. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,3m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m sau khi xử lý Migration ...................................................................................... 44
Hình 2.26: Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,4m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m ............................................................................................................................. 45 Hình 2.27. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,4m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m sau khi xử lý Migration ...................................................................................... 45 Hình 2.28. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,5m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m ............................................................................................................................. 46 Hình 2.29. Mô hình 1 hang rỗng có bán kính 0,5m nằm ở vị trí mét thứ 3 chiều sâu là 1m sau khi xử lý Migration ....................................................................................... 46 Hình 2.30. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và chiều sâu là 0,3m, 1,2m ...................................................................................................... 47 Hình 2.31. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và chiều sâu là 0,3m, 1,2m sau khi đã xử lý Migration ........................................................... 47 Hình 2.32. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và chiều sâu là 0,3m, 0,9m ..................................................................................................... 48 Hình 2.33. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và chiều sâu là 0,3m, 0,9m sau khi đã xử lý Migration ........................................................... 48 Hình 2.34. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9; chiều sâu là 0,3m, 0,9m ........................................................................................... 49 Hình 2.35. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9; chiều sâu là 0,3m, 0,9m sau khi đã xử lý Migration ................................................ 49 Hình 2.36. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6; chiều sâu là 0,9m, 1,2m ............................................................................................ 50 Hình 2.37. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6; chiều sâu là 0,9m, 1,2m sau khi đã xử lý Migration ................................................. 50 Hình 2.38. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6; chiều sâu là 0,9m ....................................................................................................... 51 Hình 2.39. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,6; chiều sâu là 0,9m sau khi đã xử lý Migration ........................................................... 51 Hình 2.40. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9; chiều sâu là 0,9m ...................................................................................................... 52
Hình 2.41. Mô hình có 2 hang rỗng có bán kính 0.3m nằm ở vị trí mét thứ 3 và 3,9; chiều sâu là 0,9m sau khi đã xử lý Migration ........................................................... 52 Hình 3.1. Hệ thiết bị SIR- 10B................................................................................. 53 Hình 3.2. Khuyếch đại tín hiệu chuẩn ...................................................................... 55 Hình 3.3. Cài đặt thông số các bộ lọc ...................................................................... 56 Hình 3.4. Tuyến đo khảo sát tổ mối ......................................................................... 58 Hình 3.5.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát......................................................................... 59 Hình 3.6. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Hoài Đức-Hà Nội .............. 59 Hình 3.7. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Hoài Đức - Hà Nộ ................ 60 Hình 3.8.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát......................................................................... 61 Hình 3.9. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Thủy Nguyên-Hải Phỏng... 61 Hình 3.10. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Thủy Nguyên-Hải Phòng ... 62 Hình 3.11.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát....................................................................... 63 Hình 3.12. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Nam Trực-Nam Định ...... 63 Hình 3.13. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đê Nam Trực-Nam Định ......... 64 Hình 3.14.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát....................................................................... 64 Hình 3.15. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Đá Đen-Khánh Hòa ......................................................................................................................... ..65 Hình 3.16. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Đá Đen-Khánh Hòa ......... 65 Hình 3.17.Sơ đồ vị trí tuyến khảo sát....................................................................... 66 Hình 3.18. Hình ảnh khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Khe Tân-Quảng Nam .... 66 Hình 3.19. Kết quả khảo sát hang rỗng tổ mối trên đập Khe Tân-Quảng Nam....... 67
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Hằng số điện môi của một số vật chất trong tự nhiên ................................8
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam có khoảng 10.000km đê sông và có hàng nghìn đập thủy điện thủy lợi lớn và nhỏ. Phần lớn những công trình thuỷ lợi đều được xây dựng cách đây khá lâu. Do hạn chế về điều kiện kỹ thuật và kinh tế như công tác thăm dò địa chất, thiết kế và thi công công trình v.v...nên đều có những bất cập và khiếm khuyết nhất định. Thêm vào đó, do công trình sau một thời gian dài vận hành, vật liệu đã chịu sự xâm thực của tự nhiên, của nguồn nước, tác động môi trường, biến động địa chất và tác hại của nhiều loài sinh vật, đặc biệt là mối, cho nên đã xuất hiện nhiều dạng ẩn họa trong công trình. Trong đó, hang rỗng là một dạng ẩn họa phổ biến nhất trong thân đê và đập, những hang rỗng này đe dọa nghiêm trọng sự an toàn của công trình. Mỗi mùa lũ tới, tai họa đều rình rập ở khắp nơi, sự cố công trình có thể xảy ra ở bất cứ nơi nào và lúc nào. Việc phát hiện được những hang rỗng đó một cách nhanh chóng và hiệu quả, kịp thời tiến hành gia cố, trừ hiểm hoạ cho công trình, đảm bảo cho công trình vận hành an toàn đã trở thành một nhiệm vụ bức xúc và quan trọng của ngành quản lý các công trình thuỷ lợi. Do đó, việc phát hiện và xử lý hang rỗng cho các công trình này là một nhiệm vụ thường xuyên, lâu dài. Các phương pháp Địa vật lý như: phương pháp thăm dò điện, từ, phóng xạ hay địa chấn... khi dò tìm hang rỗng có kích thước nhỏ lại nằm nông gần mặt đất còn có những hạn chế nhất định. Vì vậy việc ứng dụng công nghệ mới của phương pháp Rađa đất để xác định hang rỗng trong thân đê, đập là rất cần thiết để từ đó đề xuất những giải pháp xử lý phù hợp và hiệu quả. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Rađa đất để phát hiện và xác định vị trí của hang rỗng nằm trong thân đê, đập. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hang rỗng trên hệ thống đê, đập. Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu trên mô hình hang rỗng lý thuyết và thử nghiệm trên thực tế 1
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài Để đạt được mục tiêu trên, luận văn thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: + Nghiên cứu mô hình lý thuyết của hang rỗng bằng phương pháp Rađa đất. + Thử nghiệm thực tế. 5. Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa: - Bằng cách xây dựng mô hình lý thuyết của hang rỗng đặc trưng và đại diện cho vùng nghiên cứu để đánh giá khả năng áp dụng của phương pháp Rađa đất. + Áp dụng các kết quả lý thuyết đã thu được để thử nghiệm vào thực tế. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các kết quả nghiên cứu mô hình lý thuyết của hang rỗng bằng phương pháp Rađa đất đã đánh giá được ảnh hưởng của kích thước đối tượng đến độ sâu nghiên cứu và đánh giá được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các hang rỗng. Đồng thời cũng đưa ra khả năng áp dụng của phương pháp này trong thăm dò các hang rỗng trong đê, đập. Các kết quả áp dụng trên một số đối tượng thực tế đã chứng minh sự hiệu quả của phương pháp. Với khả năng tăng độ phân giải của phương pháp đã thu được bức tranh mặt cắt kết quả Rađa đất phản ánh trung thực, rõ nét các hang rỗng trong thân đê, đập hơn. Khi áp dụng phương pháp Rađa đất sẽ có hiệu quả hơn trong việc giải quyết nhiệm vụ thăm dò các hang rỗng do các sinh vật tạo ra trong thân đê, đập trước hết là tổ mối có kích thước nhỏ mà các phương pháp địa vật lý khác còn bị hạn chế do chúng không tạo ra sự khác biệt nhiều với môi trường xung quanh. 7. Cấu trúc của luận văn Cấu trúc của luận văn gồm các phần sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan chung về phương pháp Rađa đất Chương 2: Nghiên cứu trên mô hình hang rỗng lý thuyết Chương 3: Kết quả áp dụng phương pháp Rađa đất để phát hiện hang rỗng Kết luận Tài liệu tham khảo 2
Chương 1 - TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT 1.1 VÀI NÉT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP RAĐA ĐẤT TRONG KHẢO SÁT HANG RỖNG 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Trong chiến tranh, nhiều hầm ngầm sử dụng tác chiến đã bị chôn vùi; vì vậy để khôi phục các mạng giao thông hào, các đường hầm quan trọng, tác giả Daniels.D.J đã nghiên cứu phát triển phương pháp Rađa để dò tìm chúng [15]. Phương pháp đã được tiến hành tại thành phố Falklands - Vương quốc Anh và cho kết quả tốt. Từ những năm 1984, Annan. A.P và các cộng sự đã nghiên cứu phát triển phương pháp Rađa ứng dụng các loại hình ăng ten tần số cao: 500, 200 MHz để dò tìm và lập sơ đồ các đường ống dẫn qua các hoang mạc thuộc Công ty khí đốt Anh Quốc (British Gas)[13]. Những đường ống có kích cỡ nhỏ khoảng 25 mm, ở độ sâu 1,5 m được phát hiện với tỷ lệ rất cao (90%). Kết quả cho thấy trong điều kiện môi trường đồng nhất (hoang mạc) khả năng phát hiện các dị vật là cao nhất. Ở Phần Lan có rất nhiều vỉa than bùn có tác dụng xấu đến các công trình kiến trúc và giao thông. Tác giả Hanninen. P đã ứng dụng Rađa đất với các loại hình ăng ten có tần số từ 80 đến 500MHz để đánh giá phạm vi phân bố và độ dầy của vỉa than bùn trong công tác khảo sát địa chất công trình [16]. Ở Trung Quốc phương pháp đồng vị phóng xạ và phương pháp địa chấn đã được nghiên cứu để thăm dò vùng thấm và dò rỉ cho đập hồ Phong Thọ Bình. Nhưng kết quả không đạt yêu cầu. Sau đó nhờ phương pháp Rađa địa thám người ta đã phát hiện được một dải cactơ đang phát triển ở chân dốc bên phải thân đập, dẫn đến việc thấm nước đục với lưu lượng 0,07 - 0.15m3/s. Từ đó người ta đã phát triển phương pháp này để phát hiện các loại ẩn hoạ cho hàng chục công trình khác, chẳng hạn phát hiện vết nứt tường sét chống thấm của đập chính hồ Nam Thuỷ vào năm1999; phát hiện các hang rỗng, hố sụt lún, vết nứt của đập hồ Hợp Thuỷ, Xuân Dương, Quảng Đông; phát hiện vết nứt tràn xả lũ của đập hồ Phóng Ngưu Động và phát hiện vùng sụt lún, dập vỡ của sân tiêu năng đập hồ Mai Lục vào năm 1997 và 1998. 3
Tại Ba Lan, (2000) đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp Rađa đất để phát hiện các khối bất đồng nhất trên đê sông Odra. Qua phân tích xử lý số liệu, tác giả đã xác định được các vùng thấm qua thân đê vào mùa lũ [23]. Gần đây Trung Quốc đã ứng dụng kỹ thuật Rađa đất kết hợp với ăng ten đo ẩn họa dưới nước và phương pháp lấy mẫu tập trung cục bộ, tiến hành thực nghiệm đo ẩn họa của hơn 10 công trình thuỷ lợi ngầm. Nhờ đó đã phát hiện hàng loạt những ẩn họa với nhiều hình dạng khác nhau: các loại ẩn họa cửa chắn phía thượng nguồn của cống ngầm và của hố tiêu năng (như nứt ở dưới đáy, xói mòn, lún sụt v.v...); kết cấu chống thấm của đáy hồ bị vỡ, tường nghiêng chống thấm của đập đất nứt và tầng đệm bị hỏng v.v... với độ chính xác khá cao. 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở nước ta, năm 1971 Nguyễn Văn Quang nghiên cứu phương pháp siêu âm để phát hiện hang rỗng tổ mối, nhưng không thành công. Năm 1973, GS.TSKH Lâm Quang Thiệp dùng phương pháp điện để phát hiện hang rỗng tổ mối trong đê. Tác giả cho biết đã tìm được 6 tổ mối, nhưng độ chính xác và hiệu quả thăm dò rất hạn chế. Năm 1982, Vũ Văn Tuyển là người đầu tiên nghiên cứu về mối hại đập đất ở nước ta. Tác giả đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp đồng vị phóng xạ để phát hiện nhiều tổ mối ở đập. Những năm 80 của thế kỷ trước, Viện Thiết kế thuỷ lợi (nay là Công ty tư vấn xây dựng thuỷ lợi I) mới bắt đầu ứng dụng các phương pháp địa vật lý để nghiên cứu một số đoạn đê có vết nứt thuộc địa phận Nhất Trai, Gia Lương, Hà Bắc và đê hữu Hồng thuộc địa phận Vân Cốc, Phương Độ, Phúc Thọ, Hà Nội. Do công nghệ lạc hậu và công tác nghiên cứu chưa đồng bộ nên kết quả còn nhiều hạn chế. Từ năm 1990 trở lại đây, Viện Khoa học địa chất đã nghiên cứu phương pháp điện trở để thăm dò ẩn hoạ tại đê Từ Liêm, Hà Nội, nhưng kết quả nghiên cứu vẫn chưa đủ cơ sở để áp dụng vào sản xuất. Năm 1996, Viện vật lý địa cầu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự trợ giúp của các chuyên gia Đức đã ứng dụng công nghệ Rađa đất để khảo sát địa chất công trình. 4
Năm 1998, PGS.TS Nguyễn Văn Giảng và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ Rađa đất, xây dựng một số mặt cắt cấu trúc hiện trạng cho 5 km đê sông Hồng bằng thiết bị Pulse EKKO 100A. Các tác giả đã xác định được một số đoạn đê xung yếu có nhiều dị thường và kiến nghị giải pháp xử lý . Năm 1999 khi tham gia dự án điều tra cơ bản cống dưới đê và các đoạn đê xung yếu thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, Nguyễn Văn Giảng và cộng sự đã ứng dụng công nghệ Rađa để đánh giá hiện trạng 19 cống dưới đê thuộc hệ thống đê tỉnh Hà Nam. Các tác giả đã đo đạc và đánh giá hiện trạng đất hai bên mang cống của 19 cống dưới đê tỉnh Hà Nam[3]. Việc thăm dò, xác định hang rỗng tổ mối và các ẩn hoạ khác trong thân đê, đập đã được Trung tâm Nghiên cứu Phòng trừ mối- Viện Khoa học Thủy lợi nghiên cứu từ năm 1984 bằng các phương pháp: phóng xạ, điện trường và địa chấn nông…,nhưng do hạn chế về độ phân giải và tốc độ triển khai trên thực địa chậm, nên các phương pháp này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Năm 1999, tiếp cận công nghệ Rađa đất, Trung tâm Nghiên cứu Phòng trừ mối đã nhận thấy đây là một công nghệ mới rất có triển vọng trong việc xác định tổ mối và các ẩn hoạ trong thân đê, đập. Được sự quan tâm của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Trung tâm đã được trang bị một hệ thiết bị Rađa SIR-10B cùng với phần mềm xử lý số liệu Radan for Windows và một số môđun chuyên dụng khác. Trung tâm đã tiến hành thử nghiệm phương pháp Rađa đất để xác định tổ mối trên đê, đập và bước đầu thu được kết quả tốt (Ngô Trí Côi, 2001) [1]. Đây là những cơ sở ban đầu rất quan trọng để nghiên cứu phát triển, mở rộng ứng dụng công nghệ Rađa đất. Năm 2002, PGS.TS Nguyễn Trọng Nga và nnk đã ứng dụng phương pháp Rađa đất để xác định các hang rỗng (karst) trong miền đá vôi và cho kết quả khá tốt, đặc biệt xác định được các hang có đường kính lớn hơn 2m [4]. 5
Năm 2004, ThS Phạm Văn Động và nnk đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp Rađa đất để xác định hang rỗng tổ mối trên hệ thống đập đất tỉnh Hòa Bình và cũng cho kết quả tốt [11]. Năm 2006, TS Vũ Thị Thanh Hương, ThS Đỗ Anh Chung và nnk đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp Rađa đất để xác định một số ẩn hoạ trên hệ thống đê tỉnh Nam Định; đề tài cũng đã xác định và chỉ ra được khá nhiều tổ mối nằm chìm trong thân đê [12]. Năm 2013, PGS.TS Vũ Đức Minh, ThS. Đỗ Anh Chung nghiên cứu mô phỏng các hang rỗng trong thân đê, đập bằng các phương pháp Địa vật lý để đưa ra khả năng ứng dụng của phương pháp điện đa cực và Rađa đất đối với việc tìm kiếm, xác định các hang rỗng; Đồng thời tìm ra phương thức tiến hành ngoài thực địa sao cho phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả của các phương pháp nói trên [17]. Năm 2013, PGS.TS Vũ Đức Minh, ThS Đỗ Anh Chung đã đưa ra một số kết quả nghiên cứu áp dụng xác định nhanh ẩn họa nông trong thân đê, đập nhằm đánh giá khả năng và hiệu quả của phương pháp Rađa đất và điện đa cực trong việc xác định đối tượng này [18]. Tóm lại, phương pháp Rađa đất đã được ứng dụng ở Việt nam trong thăm dò tổ mối và một số hang rỗng trong hệ thống đê điều. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể nào đánh giá mức độ ảnh hưởng của kích thước hang rỗng đến chiều sâu nghiên cứu và mức độ ảnh hưởng của các hang rỗng để đánh giá chính xác hơn khả năng của phương pháp Rađa đất trong công tác thăm dò hang rỗng trong thân đê, đập. 1.2. PHƯƠNG PHÁP RA ĐA ĐẤT 1.2.1. Sơ lược về phương pháp Rađa đất. Phương pháp Rađa đất là phương pháp địa vật lý nông dựa trên nguyên lý thu phát sóng điện từ ở tần số siêu cao tần( từ 15  6000 MHz). Khi đó sóng điện từ được truyền theo xung từ các ăng ten phát và thu sóng phản xạ được tạo ra từ các mặt ranh giới giữa các đối tượng và môi trường xung quanh. Các đối tượng đó được tạo thành do cấu trúc địa chất như: ranh giới đá móng, các lớp vật liệu trầm tích có tính chất 6
vật lí khác nhau chứa vật liệu sét, những hang hốc, các khe nứt nẻ, các khối xâm thực cũng như các vật thể bị chôn vùi nhân tạo hoặc các khối bê tông, các lỗ rỗng liên quan đến vị trí hàm ếch, tổ mối. Đó chính là các đối tượng nghiên cứu bằng phương pháp Rađa đất. Độ sâu thẩm thấu của phương pháp phụ thuộc vào tần số của ăng ten phát thu và tính chất vật lí của môi trường địa chất trong đó giá trị hằng số điện môi tương đối( ) và độ dẫn điện (σ) là chủ yếu. Tần số càng cao, độ dẫn điện và hằng số điện môi càng lớn thì chiều sâu khảo sát càng nhỏ. Các đại lượng vật lí đặc trưng của sóng điện từ được dùng trong phương pháp Rađa đất như: vận tốc truyền sóng (v), bước sóng (λ), hệ số suy giảm (α), hằng số điện môi tương đối hay độ điện thẩm tương đối (r), độ từ thẩm (μ), độ dẫn điện (σ)… Sở dĩ phương pháp Rađa đất có thể phát hiện được các đối tượng nêu trên là do trong các môi trường địa chất nói chung, đặc biệt trong địa chất công trình chúng luôn luôn tồn tại các ẩn hoạ như hang karst, khối bất đồng nhất, đới tơi xốp và các hang rỗng, đây là những vùng có tính chất vật lí khác biệt so với môi trường địa chất xung quanh. Tại những ranh giới giữa các ẩn hoạ và môi trường xung quanh sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ sóng điện từ, với hệ số phản xạ được tính theo công thức sau: R= (1) Trong đó: - là hằng số điện môi tương đối của môi trường thứ nhất. - là hằng số điện môi tương đối của môi trường thứ hai. Như vậy ranh giới các môi trường vật chất càng khác nhau về hằng số điện môi thì áp dụng phương pháp Rađa đất càng có hiệu quả. Bảng 1.1 là bảng tổng hợp hằng số điện môi của một số vật chất thường gặp trong tự nhiên. 7
Bảng 1.1. Hằng số điện môi của một số vật chất trong tự nhiên Giá trị hằng số Stt Tên vật chất Ghi chú điện môi r 1 Không khí 1 2 Đất khô 5 3 Đất ướt 25 4 Nước ngọt 81 5 Đất bồi 5-30 6 Đất sét 5-40 7 Đá phiến sét 5-15 8 Đá granit 4-6 9 Đá vôi 4-8 10 Cát khô 3-5 11 Cát ướt 20-30 12 Nước biển 80 1.2.2. Một số tính chất cơ bản của trường điện từ trong môi trường địa chất 1.2.2.1. Mật độ dòng điện trong môi trường đơn chất. * Dòng điện dẫn Dòng điện là sự dịch chuyển có hướng của các điện tích dưới tác dụng của trường điện. Trong kim loại, các điện tích khi chuyển động là các electron gọi là dẫn điện điện tử. Trong các dung dịch điện tích dịch chuyển là các ion nên gọi là dẫn điện ion. Môi trường địa chất là môi trường có chứa nước nên là môi trường dẫn điện ion. Với dòng dẫn, các điện tích tự do chuyển động khi có một điện trường đặt vào và nó sẽ dịch chuyển với vận tốc không đổi khi điện trường đặt vào là không đổi. Khi có điện trường đặt vào, các điện tích lập tức dịch chuyển, khi điện trường bị ngắt đột ngột, các điện tích này cũng lập tức dừng chuyển động. 8
Trong khi các điện tích chuyển động, chúng sẽ va chạm với các hạt vật chất xung quanh nó do đó sẽ bị tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt. Các điện tích dịch chuyển va chạm với các hạt không dịch chuyển và truyền năng lượng cơ học. Kết quả là dòng dẫn được sinh ra cùng với quá trình tiêu hao năng lượng của một trường điện từ. Xét môi trường dẫn được đặc trưng bởi độ dẫn điện  có dòng điện chạy qua với mật độ dòng Jc. Tại mọi điểm của môi trường thì dòng điện luôn tuân theo định luật Ohm. Định luật Ohm xác định mối quan hệ giữa mật độ dòng điện và cường độ điện trường E đặt vào và được biểu diễn bởi biểu thức sau: Jc = σ.E hay σ = Jc/E (2) Trong môi trường đơn chất, mối liên quan này gần như là tuyến tính và tỷ lệ không đổi này được gọi là độ dẫn điện σ. Độ dẫn điện σ xác định khả năng của môi trường cho điện tích chạy qua dưới tác dụng của điện trường. Độ dẫn phụ thuộc rất nhiều vào mật độ điện tích và tính chất tương tác cơ học lẫn nhau của điện tích với các hạt xung quanh nó. Đơn vị của độ dẫn điện là Simen/m hoặc mili Simen/m. Điện trở suất () là đại lượng nghịch đảo của độ dẫn điện σ,  = 1/. Đơn vị đo điện trở suất là Ohm. * Dòng điện dịch Dòng điện dịch là dòng tạo bởi sự xê dịch hay sự dao động của các điện tích liên kết dưới tác dụng của điện trường biến thiên. Sự xê dịch này cũng gần như tức thời. Khi dao động các điện tích đã được tích điện chuyển từ một thế cân bằng này sang một thế cân bằng khác và có sự thay đổi năng lượng dự trữ trong môi trường. Khi điện trường này bị gỡ bỏ, các điện tích liên kết này sẽ dịch chuyển về vị trí cân bằng ban đầu và năng lượng được giải phóng. Khi có một điện trường E đặt vào, sự dao động của các điện tích sẽ tác động vào việc sắp xếp các véc tơ cảm ứng điện D ở bên trong môi trường vật chất: D = ε.E 9
Sự phân bố các điện tích này dựa trên cơ sở mật độ véc tơ cảm ứng điện D. Trong môi trường đơn chất, mật độ véc tơ cảm ứng điện này tỷ lệ thuận với điện trường đặt vào, tỷ lệ không đổi này được gọi là độ điện thẩm của môi trường. Khi sự sắp xếp của các véc tơ cảm ứng điện được tạo ra trong môi trường kết hợp với sự xê dịch của các điện tích sẽ có một dòng điện gọi là dòng điện dịch. Như vậy, về cơ bản, dòng điện dịch là sự biến thiên của véc tơ cảm ứng điện D trong một khoảng thời gian; khi đó mật độ dòng dịch có dạng: Jd = cD/ct = ε . cE/ct (3) Để thuận tiện trong tính toán, ta định nghĩa độ điện thẩm tương đối (relative permittivity) hay hằng số điện môi tương đối(dielectric constant) là tỷ số giữa độ điện thẩm của môi trường với độ điện thẩm chân không hay hằng số điện môi của môi trường và hằng số điện môi của chân không và được ký hiệu là r; r là đại lượng không thứ nguyên. r = ε/ εo hay  = r . εo (4) Trong đó: εo - độ điện thẩm của không khí εr - là độ điện thẩm tương đối hay hằng số điện môi tương đối có giá trị từ 1  81. * Dòng toàn phần Trong bất kỳ môi trường tự nhiên nào, dòng mà ta thu được khi cung cấp một điện trường vào môi trường đó đều có dòng điện dẫn và dòng dịch. Tuỳ thuộc vào sự (tỷ lệ) thay đổi của điện trường mà có thể dòng dịch hoặc dòng dẫn sẽ chiếm ưu thế hơn: J = Jd + Jc (5) Hay J = σ . E + ε . cE/ct Trong đó: - J:dòng toàn phần Giả sử điện trường kích thích có dạng hàm sin biến đổi theo thời gian, khi đó: E = Eo. (6) 10