Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng bảo đảm thi công công trình thuỷ điện

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung đề tài nhằm nghiên cứu lựa chọn hệ quy chiếu phù hợp với đặc điểm cấu trúc và yêu cầu bố trí các công trình thuỷ điện ở Việt Nam. Nghiên cứu thiết kế lưới mặt bằng thi công thủy điện với các nội dung: Khảo sát đồ hình lưới phù hợp với các hạng mục công trình thủy điện, tối ưu hóa bản thiết kế lưới. Nghiên cứu quy trình và phương pháp xử lý số liệu lưới khống chế thi công mặt bằng thành lập bằng công nghệ đo đạc mặt đất, công nghệ GNSS và lưới kết hợp GPS- mặt đất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng bảo đảm thi công công trình thuỷ điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN HÀ NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG BẢO ĐẢM THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ: 9520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Trắc địa công trình, Khoa Trắc địa- Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Khánh Trường Đại học Mỏ - Địa chất Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Quang Tác Phản biện 2: GS. TS Võ Chí Mỹ Phản biện 3: PGS. TS Hoàng Xuân Thành Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường Họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Vào hồi …..giờ … ngày … tháng… năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc Gia Việt Nam Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lưới khống chế thi công công trình thủy điện được thành lập trong giai đoạn xây dựng công trình và là cơ sở trắc địa cho công tác bố trí tổng thể, bố trí chi tiết và đo vẽ hoàn công công trình. Việc nghiên cứu một số giải pháp nâng cao hiệu quả và hoàn thiện quy trình thành lập lưới khống chế thi công công trình thủy điện có ý nghĩa thiết thực. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm góp phần phát triển và hoàn thiện phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng đảm bảo thi công các công trình thủy điện. Đối tượng nghiên cứu là thiết kế và xử lý số liệu các dạng lưới khống chế mặt bằng thi công công trình thủy điện ở Việt Nam. 3. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu lựa chọn hệ quy chiếu phù hợp với đặc điểm cấu trúc và yêu cầu bố trí các công trình thuỷ điện. Thiết kế lưới mặt bằng thi công thủy điện, phương pháp xử lý số liệu lưới thành lập bằng công nghệ đo đạc mặt đất, công nghệ GNSS và lưới kết hợp GPS- mặt đất. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê, Phương pháp phân tích, Phương pháp thực nghiệm, Phương pháp so sánh, Phương pháp toán học và ứng dụng tin học. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án góp phần hoàn thiện quy trình thành lập lưới khống chế mặt bằng thi công các công trình thủy điện, các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong giảng dạy, nghiên cứu khoa học và thực tế sản xuất. 6. Các luận điểm bảo vệ 1- Cần lựa chọn hệ tọa độ và độ cao mặt chiếu phù hợp với lưới thi công thủy điện. 2- Cần áp dụng các giải pháp nâng cao hiệu quả thiết kế lưới thi công thủy điện, áp dụng các đồ hình và công nghệ đo đạc phù hợp, sử dụng thuật toán thích hợp trong tính toán thiết kế lưới. 3- Cần xây dựng hệ thống thuật toán và quy trình xử lý số liệu hợp lý đối với các dạng lưới thi công thủy điện. 7. Các điểm mới của luận án 1- Đề xuất phương án mới xác lập hệ tọa độ và độ cao mặt chiếu đối với lưới mặt bằng thi công thủy điện thành lập trong hệ quy chiếu VN-2000. 2. Đề xuất áp dụng một số đồ hình và công nghệ thành lập, tính toán thiết lưới.
2 3. Đề xuất thuật toán và quy trình xử lý số liệu lưới thi công thành lập bằng phương pháp định vị vệ tinh (GNSS). 8. Cấu trúc và nội dung luận án Cấu trúc luận án gồm ba phần: Phần mở đầu, 4 chương nội dung và phần kết luận. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG THUỶ ĐIỆN 1.1. Đặc điểm cấu trúc công trình thủy điện 1.1.1. Phân loại công trình thuỷ điện Phụ thuộc vào vị trí tương quan giữa nhà máy phát điện và tuyến đập chính, các công trình thủy điện được chia thành 2 loại là thủy điện đường dẫn và thủy điện sau đập. Đối với thủy điện đường dẫn, nước trong hồ chứa được đưa xuống nhà máy thông qua tuyến đường hầm dẫn nước. 1.1.2. Các hạng mục chủ yếu của công trình thuỷ điện 1.1.2.1. Tuyến áp lực Đập dâng gồm nhiều loại được thiết kế có kết cấu khác nhau tuỳ theo từng điều kiện cụ thể của công trình, bao gồm: Đập đất, đập đất đá, đập bê tông. Đập tràn thường có kết cấu bê tông với một số cửa tràn. 1.1.2.2. Tuyến năng lượng Tuyến năng lượng bao gồm các hạng mục: cửa nhận nước, hầm dẫn nước, tháp điều áp và đường ống áp lực đưa nước xuống các tổ máy phát điện. 1.1.2.3. Nhà máy phát điện Có hai loại nhà máy thuỷ điện là nhà máy thuỷ điện kiểu sau đập, nhà máy thuỷ điện kiểu đường dẫn. 1.1.3. Nhận xét về đặc điểm cấu trúc của công trình thuỷ điện Tổ hợp đầu mối thủy điện là những công trình có quy mô lớn bao gồm nhiều hạng mục có đặc điểm kết cấu phức tạp, đa dạng. Các hạng mục công trình thủy điện được phân bố ở nhièu độ cao khác nhau. 1.1.4. Phân cấp công trình thuỷ điện Ở nước ta các công trình thủy điện được phân cấp dựa vào công suất của nhà máy phát điện, cụ thể là được phân theo 5 cấp (I, II, III, IV, V). 1.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với lưới khống chế mặt bằng thi công thuỷ điện 1.2.1. Phương pháp thành lập lưới Lưới mặt bằng thi công công trình thủy điện có thể được thành lập bằng
3 công nghệ đo đạc mặt đất (sử dụng máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử,) và công nghệ đo đạc vệ tinh (sử dụng các máy thu tín hiệu vệ tinh). 1.2.1.1. Phương pháp mặt đất: Lưới tam giác (đo góc, đo cạnh, đo góc-cạnh), lưới đa giác. 1.2.1.2. Phương pháp GPS 1.2.2. Yêu cầu độ chính xác bố trí các hạng mục công trình thuỷ điện Tổng công ty điện lực Việt Nam đề ra quy định yêu cầu độ chính xác bố trí các hạng mục của công trình thủy điện, sai số trung phương bố trí các hạng mục công trình dao động từ khoảng 2mm đến 10mm. 1.3. Thiết bị trắc địa để thực hiện đo đạc trong thi công thuỷ điện 1.3.1. Thiết bị đo lưới mặt đất 1.3.2. Máy định vị vệ tinh 1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn xây dựng lưới khống chế thi công thủy điện 1.4.1. Tình hình nghiên cứu lý thuyết 1.4.1.1. Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài 1- Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị hiện đại trong xây dựng lưới trắc địa mặt bằng và độ cao phục vụ thi công công trình thủy điện. 2- Nghiên cứu phương pháp thiết kế lưới, lựa chọn hệ quy chiếu đối với lưới, biện pháp tối ưu hóa bản thiết kế lưới. 3- Nghiên cứu phương pháp và quy trình tính toán xử lý số liệu lưới thi công thủy điện. 1.4.1.2. Hướng nghiên cứu thành lập lưới thi công thủy điện ở Việt Nam 1- Lựa chọn hệ quy chiếu đối với mạng lưới thi công công trình. Quy trình thành lập các cấp lưới mặt bằng thi công. 2- Phương pháp thiết kế lưới thi công thủy điện, các giải pháp tối ưu hóa thiết kế lưới, sử dụng tối đa hiệu quả thiết bị đo đạc hiện đại trong thi công lưới. 3- Xử lý số liệu lưới khống chế thi công, bao gồm: Phương pháp và quy trình xử lý số liệu lưới mặt đất, lưới GPS, lưới kết hợp GPS- mặt đất. 1.4.2. Thực tiễn xây dựng lưới thi công thủy điện 1.4.2.1. Trên thế giới: Tại tất cả các dự án thủy điện đều phải thành lập lưới khống chế phục vụ thi công các hạng mục công trình. 1.4.2.2. Thực tiễn xây dựng lưới thi công thủy điện ở Việt Nam 1. Lưới mặt bằng thi công thủy điện Sơn La: Lưới khống chế mặt bằng thi công
4 thủy điện Sơn La được thành lập theo phương pháp đo đạc mặt đất dưới dạng lưới tam giác đo góc- cạnh. 2. Lưới mặt bằng thi công thủy điện A Lưới: Mạng lưới được đo bằng công nghệ GPS. 3. Lưới mặt bằng thi công thủy điện Sông Ba hạ:Lưới khống chế thi công tại công trình Sông Ba Hạ bao gồm 2 khối cách xa nhau, đã tạo thành một mạng lưới kết hợp GPS- mặt đất. 1.5. Đánh giá chung về công tác xây dựng lưới khống chế mặt bằng thi công thuỷ điện và hướng nghiên cứu trong luận án 1.5.1. Các thành tựu đã đạt được Nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết đã được công bố tại các tạp chí và hội nghị khoa học chuyên ngành. Các thiết bị đo đạc hiện đại độ chính xác cao đã được ứng dụng kịp thời, hiệu quả tại các công trình thực tế. Trong công tác nội nghiệp đã ứng dụng các biện pháp xử lý số liệu chặt chẽ, tự động hóa quá trình tính toán bằng phần mềm chuyên ngành. 1.5.2. Các vấn đề còn tồn tại 1- Việc sử dụng kết hợp các thiết bị đo đạc hiện đại trong thực tế xây dựng thủy điện chưa được quan tâm đúng mức. 2- Cần nghiên cứu giải pháp chuyển đổi số liệu từ các hệ trên về hệ tọa độ thi công công trình một cách hợp lý. 3- Thiết kế tối ưu lưới khống chế thi công công trình bước đầu đã được nghiên cứu về lý thuyết, tuy nhiên triển khai ứng dụng ở thực tế còn có hạn chế. 4- Chưa có quy trình thống nhất để xử lý số liệu lưới thi công thủy điện thành lập bằng các phương pháp khác nhau. 1.5.3. Các hướng nghiên cứu chính trong luận án - Xác lập hệ quy chiếu hợp lý đối với mạng lưới thi công. - Khảo sát một số đồ hình phù hợp với đặc điểm cấu trúc và điều kiện địa hình của các hạng mục công trình thủy điện, tính toán thiết kế lưới. - Xử lý số liệu lưới thi công thủy điện thành lập bằng các phương pháp khác nhau. Chương 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ THIẾT KẾ LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG THI CÔNG THUỶ ĐIỆN 2.1. Yêu cầu chung đối với lưới khống chế mặt bằng thi công thuỷ điện 2.1.1. Mục đích, nhiệm vụ của lưới mặt bằng thi công thuỷ điện Lưới khống chế thi công thủy điện là cơ sở để bố trí tim tuyến, kiểm tra
5 độ chính xác quá trình thi công, xây lắp và hoàn công các hạng mục công trình. Lưới khống chế thi công thủy điện được chia thành 3 cấp hạng: I, II, III. Căn cứ tổng mặt bằng công trình và điều kiện địa hình mà có thể xây dựng 1 hoặc 2 bậc lưới thi công. Hệ quy chiếu của lưới thi công thủy điện phải được lựa chọn phù hợp để đảm bảo lưới có độ biến dạng nhỏ nhất so với thực địa. 2.1.2. Yêu cầu độ chính xác đối với mạng lưới 2.1.2.1. Yêu cầu độ chính xác bố trí các hạng mục công trình thủy điện Khi thiết kế lưới khống chế mặt bằng thi công thủy điện phải ước tính độ chính xác bằng phương pháp chặt chẽ, từ đó có thể điều chỉnh đồ hình, lựa chọn máy móc thiết bị và quy trình đo để đảm bảo độ chính xác yêu cầu. 2.1.2.2. Yêu cầu độ chính xác đối với lưới khống chế thi công thủy điện Mối quan hệ giữa sai số vị trí điểm lưới khống chế và sai số bố trí trục công mP trình bằng công thức: mg  (2.3) 1 K 2 2.1.3. Phân bố vị trí điểm và kết cấu mốc của lưới thi công thuỷ điện 2.1.3.1. Phân bố điểm lưới thi công tuyến đập Các điểm mốc lưới khống chế thi công ở khu vực tuyến đập được bố trí tại 2 bên vai đập, ngoài ra còn bổ sung thêm một số điểm về phía hạ lưu và thượng lưu đập. 2.1.3.2. Lưới khống chế thi công tuyến năng lượng Điểm mốc lưới khống chế thi công được chọn gần khu vực cửa nhận nước, tháp điều áp, một số mốc phân bố tại các cửa hầm phụ phục vụ thi công đào hầm. 2.1.3.3. Lưới khống chế thi công khu vực nhà máy Các điểm mốc lưới thi công ở khu vực nhà máy được bố trí dọc đường ống áp lực và xung quanh gian máy. 2.1.4. Kết cấu mốc Mốc được thiết kế dưới dạng cột, cho phép định tâm bắt buộc thiết bị đo. 2.2. Xác lập hệ quy chiếu đối với mạng lưới mặt bằng thi công thủy điện 2.2.1. Cải chính trị đo lên mặt phẳng toạ độ 2.2.1.1. Cải chính hướng đo Đối với các mạng lưới trắc địa cạnh ngắn như lưới trắc địa công trình, số cải chính này có giá trị nhỏ và thường được bỏ qua. 2.2.1.2. Cải chính chiều dài cạnh đo Số cải chính do chiếu cạnh ngang (S =AB’) xuống mặt chiếu elipxoid:
6 Hm  H0 S H   S (2.5) Rm Số cải chính vào chiều dài cạnh đo chiếu lên mặt phẳng tọa độ: 𝑌2 𝑆𝑚𝑝 = 𝑆 (𝑘 − 1 + 2𝑅𝑚2 ) (2.6) 𝑚 2.2.2. Lựa chọn kinh tuyến trục và độ cao mặt chiếu đối với lưới thi công khi sử dụng phép chiếu Gauss và UTM 2.2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của việc lựa chọn độ cao mặt chiếu và kinh tuyến trục múi chiếu đến số cải chính chiều dài cạnh Trong các tài liệu kinh điển về trắc địa công trình thường đưa ra khuyến cáo về việc chọn hệ tọa độ và mặt chiếu như sau: - Chọn độ cao mặt chiếu trùng với độ cao trung bình của khu vực xây dựng. - Kinh tuyến trục của múi chiếu được lựa chọn: Đối với phép chiếu Gauss cần chọn kinh tuyến trục đi qua kinh tuyến trung bình khu xây dựng. Trong phép chiếu UTM, chọn kinh tuyến trục cách kinh tuyế trung bình khu xây dựng 90Km (múi chiếu 3) và 180Km (múi chiếu 6). Bảng 2.2. Sự phụ thuộc giữa số cải chính chiều dài cạnh và hoành độ cạnh đo Cải chính S mp Ảnh hưởng của số cải chính chiều dài cạnh S Phép chiếu Ym-20Km Ym-10Km Ym-5Km Ym+5Km Ym+10Km Ym+20Km Gauss 1 1 1 1 1 1 203000 812000 3246000 3246000 812000 203000 Ym= 0 Km UTM (3°) 1 1 1 1 1 1    25200 47300 91100 89200 43100 20400 Ym=90Km UTM ( 6°) 1 1 1 1 1 1    11800 22800 44200 46000 22300 10800 Ym=180Km Qua bảng số liệu đưa ra trong bảng 2.2 có thể rút ra một số nhận xét sau: 1- Số cải chính chiều dài cạnh lên mặt phẳng trong phép chiếu Gauss có giá trị nhỏ và biến thiên chậm khi hoành độ trung bình cạnh đo tăng. 2- Số cải chính chiều dài cạnh lên mặt phẳng trong phép chiếu UTM có giá trị lớn và biến thiên tăng nhanh khi hoành độ trung bình cạnh đo tăng cách xa kinh tuyến trục đã lựa chọn. Để giảm thiểu giá trị của số cải chính Smp khi chiếu cạnh lên mặt phẳng toạ độ đối với phép chiếu UTM, trong luận án đề xuất một phương án mới chọn
7 hệ tọa độ và mặt chiếu cho lưới trắc khống chế thi công mặt bằng. 2.2.2.2. Đề xuất phương án chọn hệ tọa độ và độ cao mặt chiếu Khi sử dụng phép chiếu UTM có thể chọn kinh tuyến trục của múi chiếu đi qua kinh tuyến trung bình của khu vực xây dựng, hệ tọa độ được lựa chọn như trên được gọi là hệ tọa độ kinh tuyến trung bình. Để kiểm chứng các nội dung đã nêu ở mục 2.2.2.2, trong luận án đã thực nghiệm tính số cải chính cạnh đo đối với một mô hình lưới đa giác. Kết quả cho thấy số cải chính chiều cạnh trong trường hợp áp dụng hệ toạ độ kinh tuyến trung bình có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp lựa chọn kinh điển. 2.3. Phân tích các phương pháp thành lập lưới khống chế mặt bằng 2.3.1. Phương pháp đo đạc mặt đất Lưới mặt đất được thành lập chủ yếu bằng các phương pháp: tam giác (đo góc, đo cạnh, đo góc- cạnh), lưới đa giác. Lưới mặt đất áp dụng phù hợp với địa hình có tầm thông hướng tốt. Tuy nhiên đối với khu vực có địa hình phức tạp thì phương pháp đo mặt đất sẽ gặp trở ngại đáng kể. 2.3.2. Phương pháp định vị vệ tinh (GPS) Ưu điểm của phương pháp là có thể thu tín hiệu ở mọi nơi, mọi lúc, không phụ thuộc vào thời tiết và cũng không đòi hỏi sự thông hướng giữa các điểm mặt đất. Nhược điểm của phương pháp định vị GPS là phải đạt được sự thoáng đãng tại vị trí các điểm mốc. 2.3.3. Lưới kết hợp GPS - Mặt đất Việc xây dựng lưới theo phương pháp kết hợp lưới mặt đất và lưới GPS cho phép phát huy được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của các công nghệ trên, giúp giảm đáng kể thời gian thi công và chi phí. 2.4. Khảo sát một số dạng đồ hình đặc trưng của lưới thi công thuỷ điện 2.4.1. Khảo sát lưới tứ giác không cạnh biên Khi các điểm của lưới mặt bằng thi công được bố trí dọc sông có thể áp dụng đồ hình lưới dưới dạng chuỗi tứ giác không cạnh biên (hình 2.9). A C E 1 3 5 a1 b2 α1 b1 a2 α0 2 4 6 B D F Hình 2.9. Sơ đồ lưới tứ giác không đo cạnh biên
8 Trong mỗi tứ giác không cạnh biên cần đo 4 góc và 4 cạnh, do đó sẽ có 3 trị đo thừa và dẫn đến 3 điều kiện hình học liên hệ giữa các trị đo, cho phép kiểm tra và đánh giá độ tin cậy các trị đo. Để so sánh độ chính xác của tứ giác không cạnh biên với tứ giác có cạnh biên, có thể áp dụng công thức gần đúng: 𝑁0 𝑚 = 𝑚0 √ (2.12) 𝑁 trong đó: m và m0 là sai số trung phương của lưới không cạnh biên và lưới có cạnh biên, N và N0 là số đại lượng đo trong các tứ giác đã nêu. Lưới tứ giác không cạnh biên lớn hơn sai số của lưới tứ giác có cạnh biên khoảng 1,3 lần 2.4.2. Khảo sát đường chuyền thi công hầm thuỷ điện 2.4.2.1. Độ chính xác đường chuyền đo góc ngang Đường hầm dẫn nước công trình thủy điện thường có dạng thẳng, do đó tuyến đa giác trong hầm có dạng là đường chuyền treo duỗi thằng. Nếu chiều dài các cạnh của đường chuyền xấp xỉ bằng nhau thì sai số trung phương hướng ngang điểm cuối của đường chuyền trong hầm được tính theo công thức: 𝑚𝛽 𝑛(𝑛+1)(2𝑛+1) 𝑚𝑞 = S. √ (2.13) ρ′′ 6 trong đó: n là số cạnh trong đường chuyền, S là chiều dài cạnh trung bình và m β là sai số trung phương đo góc đường chuyền. 2.4.2.2. Độ chính xác đường chuyền đo phương vị cạnh Dùng kinh vĩ con quay đo phương vị các cạnh đường chuyền trong hầm để hạn chế tích lũy sai số chuyền phương vị. Khi các cạnh trong hầm có chiều dài gần bằng nhau (S1= S2 =… Sn = S) sẽ có: 𝑚𝛼 𝑚𝑋𝑛 = √𝑛. 𝑆. ( ) (2.14) 𝜌 Để so sánh độ chính xác của đa giác trong hầm thành lập theo đồ hình đường chuyền đo góc ngang và đường chuyền đo phương vị, trong luận án đã tính thực nghiệm đối với đường chuyền trong hầm dẫn nước tại công trình thủy điện Thượng Kon Tum. Đường chuyền 1 đi từ tháp điều áp đến điểm đào thông, giả định chiều dài cạnh trung bình là 110m, số lượng cạnh của đường chuyền đến điểm đào thông sẽ vào khoảng 120. Đường chuyền 2 đi từ cửa nhận nước có số cạnh đến điểm đào thông là 45. Giả định đường chuyền đo góc ngang là đường chuyền cấp 1 có sai số đo góc mβ = 5”, đường chuyền đo phương vị bằng máy GYRO X II có sai số đo phương vị mα = 15”, kết quả tính đưa ra trong bảng 2.4:
9 Bảng 2.4. Kết quả tính sai số hướng ngang điểm đào thông Loại đường chuyền Sai số hướng ngang điểm đào thông N° đường chuyền ĐC đo góc ngang ĐC đo phương vị Đường chuyền 1 (120 cạnh) 2,036m 0,088m Đường chuyền 2 (45 cạnh) 0.472m 0.054m Kết quả tính trong bảng 2.4 cho thấy, đa giác trong hầm thành lập theo dạng đường chuyền đo phương vị bằng cách sử dụng kinh vĩ con quay có sai số hướng ngang nhỏ hơn đáng kể so với sai số hướng ngang của đường chuyền đo góc ngang thông thường. 2.4.2.3 Độ chính xác đường chuyền có đo bổ sung phương vị cạnh Đẻ tăng cường độ chính xác của đường chuyền đo góc ngang, có thể dùng kinh vĩ con quay đo bổ sung phương vị một số cạnh đường chuyền trong hầm, giả sử đường chuyền có N cạnh, chiều dài trung bình các cạnh là S, đo góc với sai số mβ, đo phương vị với sai số mα. Khi đo thêm n góc phương vị con quay và phân bố đều trên đường chuyền thì sẽ tạo ra n-1 đường chuyền hợp phần phù hợp phương vị, số cạnh trong đường chuyền hợp phần bằng k (hình 2.13). α1 α2 α3 αi+1 A1 β1 β2 βk A2 k.S n.S Hình 2.13. Đường chuyền trong hầm có đo thêm phương vị cạnh Sai số trung phương hướng ngang của điểm cuối đường chuyền được ước tính theo công thức gần đúng sau: mβ k(k−1)(2k−1) k2 (k−1+2p) 𝑚𝑞 = S√(n − 1) ( + k2𝑝 − ) (2.16) 𝜌 6 4 mα 2 trong đó: k- Số lượng cạnh trong mỗi đường chuyền phù hợp, p = ( ) . mβ Trong luận án đã triển khai ước tính thử nghiệm đối với đường chuyền tại tuyến hầm dẫn nước thủy điện Thượng KonTum để làm rõ mối quan hệ giữa sai số hướng ngang điểm cuối đường chuyền và số lượng sai số phương vị đo. Tính
10 toán được thực hiện với giả định số lượng góc phương vị đo trong đường chuyền lần lượt là i = (3, 5, 7, 9, 11, 13, 25 và 41). Kết quả tính đưa ra trong bảng 2.5, trên cơ sở đó lập biểu đồ mối quan hệ giữa sai số hướng ngang điểm cuối đường chuyền với số lượng và sai số đo phương vị cạnh. Bảng 2.5. Quan hệ giữa sai số điểm cuối và số lượng, sai số phương vị đo Sai Sai số hướng ngang điểm cuối đường chuyền (mm) số i = 3 i = 5 i = 7 i = 9 i =11 i= 13 i=16 i= 25 i=31 i=41 mα k=60 k=30 k=20 k=15 k=12 k=10 k=8 k = 5 k=4 k= 3 3” 503 250 166 124 98 82 65 40 32 25 5” 519 266 181 139 114 97 80 55 46 38 15” 688 416 318 266 232 209 184 142 126 108 Phân tích bảng kết quả ước tính độ chính xác và biểu đồ sai số nêu trên có thể rút ra nhận xét: Việc đo bổ sung thêm phương vị bằng kinh vĩ con quay giúp nâng cao đáng kể độ chính xác hướng ngang của điểm cuối đường chuyền. 2.5. Ước tính độ chính xác lưới mặt bằng thi công thủy điện 2.5.1. Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác lưới khống chế thi công Các chỉ tiêu đặc trưng cho độ chính xác lưới là: sai số vị trí điểm, các tham số của elip sai số, sai số theo hướng. Tuỳ thuộc vào đặc điểm kết cấu và yêu cầu đối với từng hạng mục công trình cụ thể để lựa chọn áp dụng chỉ tiêu phù hợp. 2.5.2. Ứớc tính độ chính xác lưới khống chế mặt bằng Đối với lưới thi công thủy điện sử dụng ma trận giả nghịch đảo R~, được tính theo công thức: R ~  ( R  CP0C T ) 1  TP01T T (2.20) Với các phần tử Bi (ứng với điểm thứ i) được xác định theo công thức: 1 0 𝑌𝑖 𝑋𝑖 𝐵𝑖 = [ ] (2.23) 0 1 − 𝑋𝑖 𝑌𝑖 Tính các chỉ tiêu sai số của lưới: Trường hợp tổng quát, ước tính lưới được dựa trên công thức sai số trung phương của hàm số sau bình sai: 1 mF   . (2.24) PF 2.5.3. Nghiên cứu ứng dụng thuật toán truy hồi để ước tính độ chính xác lưới trắc địa Công thức truy hồi tính ma trận nghịch đảo được xây dựng trên cơ sở định lý: Nếu Rnxn, Pmxm là các ma trận không suy biến, A là ma trận kích thước nxm,
11 khi đó sẽ có: ( R  APAT ) 1  R 1  R 1 A( AT R 1 A  P 1 ) 1 AT R 1 (2.27) Kí hiệu ai và pi là vector hệ số phương trình số hiệu chỉnh và trọng số trị đo thứ i, nếu ma trận Qi-1 đã xác định thì ma trận Qi được tính theo công thức: Qi 1aiT ai Qi 1 Qi  Qi 1  (2.28) 1  ai Qi 1aiT pi Khi rút bớt 1 trị đo bất kỳ trong n trị đo, cần sử dụng công thức: Qi aiT ai Qi (2.31) Qi 1  Qi  1   ai Qi aiT pi 2.6. Tối ưu hoá bản thiết kế lưới Trường hợp khi lưới được thiết kế tối ưu theo độ chính xác, bài toán được đặt ra là: Cần xác định phương án lưới có độ chính xác cao nhất với chi phí (thời gian, nhân vật lực, giá thành) cho trước. 2.6.1. Mô hình bài toán thiết kế tối lưới theo độ chính xác 1. Hàm mục tiêu Kí hiệu Z là chỉ tiêu độ chính xác lưới, xi (i=1,n) các đại lượng đo trong lưới. Khi đó hàm mục tiêu được thể hiện qua công thức: Z  f1 (x1 , x 2 ,..., x n )  Min (2.32) 2. Hệ điều kiện ràng buộc Ngoài khống chế về chi phí thi công lưới, còn cần đưa thêm một số điều kiện ràng buộc khác để bảo đảm độ tin cậy của mạng lưới. T  a1 x1  a2 x2  ....  an xn (2.33) Trong luận án đã thực hiện bài toán thiết kế tối ưu độ chính xác lưới với 2 điều kiện ràng buộc như sau: 1- Chi phí thành lập lưới 𝑇 = ∑𝑚𝑖=1 𝑥𝑖 (mn) (2.34) 2- Số hướng đo đến 1 điểm  V. 2.6.2. Giải pháp xử lý và sơ đồ tính toán Với mỗi tổ hợp đại lượng đo (phương án thứ i) sẽ thực hiện bài toán ước tính độ chính xác lưới để trên cơ sở đó xác định sai số điểm yếu theo công thức: mi  Max(m1 , m2 ,....mk ) (2.35) Số lượng phương án cần phải ước tính độ chính xác để lựa chọn phương án có chi phí thấp nhất là:
12 𝐧! 𝐭 = 𝐤!(𝐧−𝐤) (2.36) Ứng dụng thuật toán truy hồi thông qua công cụ lập trình tính trên máy tính cho phép giải bài toán thiết kế tối ưu một cách nhanh chóng, chính xác. 2.7. Kết luận chương 2 Trong chương này đã đề xuất chọn “hệ tọa độ kinh tuyến trung bình” đối với lưới thi công thủy điện. Đề xuất áp dụng lưới tứ giác không cạnh biên để thành lập mạng lưới dọc sông, đo thêm phương vị đối với đường chuyền trong hầm. Áp dụng thuật toán truy hồi trong tính toán thiết kế lưới. Chương 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI MẶT BẰNG THI CÔNG THỦY ĐIỆN 3.1. Yêu cầu đối với công tác xử lý số liệu lưới khống chế thi công thuỷ điện Lưới thi công phải được xây dựng và xử lý số liệu theo các nguyên tắc: - Là mạng lưới độc lập, cục bộ (để tránh ảnh hưởng sai số số liệu gốc). - Tất cả các bậc lưới thi công cần phải được tính tọa độ trong một hệ thống thống nhất, đã được lựa chọn trong giai đoạn khảo sát công trình. 3.2. Khảo sát ứng dụng phương pháp bình sai tự do để xử lý số liệu lưới khống chế thi công thủy điện 3.2.1. Cơ sở lý thuyết bình sai lưới mặt bằng tự do 3.2.1.1. Khái niệm về lưới trắc địa tự do Lưới mặt bằng tự do là lưới thiếu toàn bộ hoặc thiếu một số trong nhóm yếu tố gốc tối thiểu gồm: (một cặp tọa độ (X, Y), một góc phương vị, một cạnh). Số lượng các yếu tố gốc còn thiếu trong lưới được gọi là số khuyết (d), số khuyết d có thể nhận giá trị từ 1 đến 4 Lưới có đủ số liệu gốc cũng được gọi là lưới tự do (d=0). 3.2.1.2. Bình sai lưới mặt bằng tự do Bình sai lưới tự do được xây dựng trên cơ sở phương pháp bình sai gián tiếp với ẩn số được chọn là số hiệu chỉnh tọa độ của tất cả các điểm. Trình tự tính toán được thực hiện theo quy trình sau: 1- Chọn ẩn số là số hiệu chỉnh tọa độ của tất cả các điểm trong lưới, kí hiệu véc tơ ẩn số là X với véc tơ tọa độ gần đúng kí hiệu là X0. 2- Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh: AX  L  V (3.1) 3- Hệ phương trình chuẩn: RX  b  0 (3.2) 4- Hệ điều kiện ràng buộc đối với véc tơ ẩn số: C T X  0 (3.3)
13  R C  X  b  0 5- Hệ phương trình chuẩn mở rộng:          (3.4) C T 0   K  0 0 Nghiệm của hệ phương trình (3.4): X   R ~ b (3.6) R ~  ( R  CP0C T ) 1  TP01T T (3.7) với: T  B(C T B) 1 (3.8) trong đó B là ma trận chuyển đổi tọa độ Helmert 6- Đánh giá độ chính xác lưới - Sai số trung phương đơn vị trọng số: V T PV  (3.10) nk d - Sai số trung phương của hàm số (F): 1 mF   1 trong đó  f T R~ f (3.12) PF PF 3.2. 2. Tính chất nghiệm của bài toán bình sai lưới trắc địa tự do 1- Tính chất của véc tơ tọa độ bình sai - Các véc tơ tọa độ bình sai ứng với các lựa chọn ma trận C cũng như các véc tơ tọa độ gần đúng khác nhau đều có sự đồng dạng hình học. 2- Véc tơ tọa độ bình sai phụ thuộc vào tọa độ gần đúng của các điểm có C  0 và không phụ thuộc vào tọa độ gần đúng của các điểm có C  0 . 3.3. Bình sai lưới thi công thành lập bằng phương pháp đo đạc mặt đất 3.3.1. Lựa chọn phương pháp bình sai lưới thi công thuỷ điện Phương án bình sai lưới tự do đáp ứng được các yêu cầu đối với công tác xử lý số liệu lưới thi công, tránh được ảnh hưởng của sai số số liệu gốc. 3.3.2. Định vị lưới khống chế mặt bằng Khi tính chuyển tọa độ phẳng theo điểm song trùng thường áp dụng nguyên tắc: "Tổng bình phương độ lệch tọa độ của các điểm song trùng là nhỏ nhất". Nguyên tắc định vị trên được thể hiện qua biểu thức:   V xT V x  v x2  v 2y  Min (3.18) Dựa trên bổ đề Gauss sẽ xác định được đẳng thức: BT V X  0 (3.19) Véc tơ Vx trong công thức (3.19) cũng chính là véc tơ X trong điều kiện định vị của bài toán bình sai lưới mặt bằng tự do, từ đó viết lại công thức (3.19):
14 B T X  0 (3.20) Nhận xét: Nếu coi một số điểm lưới (i) là điểm song trùng và lấy tọa độ gần đúng của các điểm đó là số liệu để định vị mạng lưới thì chọn: 1 0 yi xi  Ci    (3.21) 0 1  xi yi  Đối với điểm (i) không đóng vai trò định vị trong mạng lưới: 0 0 0 0  Ci    (3.22) 0 0 0 0 3.3.3. Thuật toán và quy trình bình sai 1- Xác lập hệ tọa độ thi công công trình bằng cách tính chuyển tọa độ các điểm của lưới gốc của lưới khảo sát. 2- Chọn ẩn số là số hiệu chỉnh tọa độ của tất cả các điểm trong lưới ( X ) với véc tơ tọa độ gần đúng X0. 3- Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh và hệ phương trình chuẩn. 4- Xác lập hệ điều kiện định vị lưới: C T X  0 trong đó: Ci  Bi - Đối với các điểm định vị, Ci  0 - Đối với các điểm còn lại. 5- Giải hệ phương trình chuẩn mở rộng để xác định véc tơ ẩn số, véc tơ tọa độ bình sai và đánh giá độ chính xác lưới. 3.4. Bình sai lưới thi công thành lập bằng phương pháp GPS 3.4.1. Bình sai lưới bằng phần mềm TBC Bình sai lưới GPS bằng phần mềm TBC được thực hiện thông qua 2 bước chính là xử lý cạnh và bình sai lưới. 3.4.2. Xây dựng quy trình bình sai lưới GPS thi công thủy điện Bình sai lưới thi công GPS ở chế độ FIX tọa độ 1 điểm (coi lưới GPS là lưới tự do bậc 0), sau đó định vị lại mạng lưới về vị trí gần đúng nhất so với số liệu tọa độ các điểm đã xác định trong giai đoạn khảo sát công trình. Nếu coi phân khúc mặt bằng của lưới GPS thi công là lưới tự do và có hệ phương trình chuẩn là: RX  b  0 .Khi đó hệ điều kiện định vị của lưới GPS tự do C T X  0 sẽ được xác định theo quy tắc: 1 0 Ci    - Đối với điểm định vị (3.23) 0 1
15 Thông qua việc áp dụng công thức chuyển đổi tọa độ: X ( 2)  X (1)  B(C2 B) 1 C2 X (1) T T (3.24) Tính chuyển tọa độ của các điểm trong lưới (gồm n điểm cơ sở) từ chế độ FIX 1 điểm gốc về lưới tự do với C  B : xi( 2)  xi(1)  x n y i  yi  (2) (1) y  (3.25) n Trong luận án đề xuất một quy trình xử lý số liệu lưới GPS theo phương pháp lặp nhích dần như sau: Bước 1: Trong giai đoạn đang khảo sát, thực hiện bình sai lưới GPS thi công như mạng lưới tự do với 1 điểm FIX tọa độ. Bước 2: Tính chuyển tọa độ bình sai của các điểm trong mạng lưới về hệ tọa độ mới với điều kiện định vị C = B. 3.5. Tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ công trình 3.5.1. Tính chuyển tọa độ giữa các múi chiếu Quá trình tính chuyển tọa độ giữa các múi chiếu được thực hiện theo 2 bước: Trong bước 1 tính chuyển tọa độ phẳng (x, y) từ múi chiếu thứ nhất sang tọa độ trắc địa (B, L). Bước thứ 2 là tính chuyển tọa độ trắc địa (B, L) sang tọa độ phẳng ở múi chiếu thứ hai. 3.5.1.1. Tính chuyển tọa độ trong hệ HN-72 3.5.1.2. Tính chuyển tọa độ trong hệ Vn-2000 3.5.2. Quy trình xác lập hệ tọa độ đối với lưới thi công công trình thủy điện Khi sử dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế thi công trong trắc địa công trình cần phải tính chuyển tọa độ các điểm đo về hệ tọa độ công trình.Tính chuyển được thực hiện qua các buớc: - Tính chuyển tọa độ phẳng (x, y) sang múi chiếu phù hợp sao cho độ biến dạng chiều dài là nhỏ nhất so với thực địa, kết quả thu được tọa độ (x’, y’). - Tính chuyển tọa độ (x’, y’) theo phương pháp Helmert về tọa độ công trình dựa trên cơ sở các điểm song trùng. 3.6. Kết luận chương 3 1. Cần áp dụng phương pháp bình sai tự do để xử lý số liệu lưới khống chế thi công thủy điện. Phương pháp bình sai trên cho phép tránh ảnh hưởng của sai số số liệu gốc.
16 2. Cần bình sai lưới GPS thi công ở chế độ FIX tọa độ một điểm khởi tính, sau đó định vị lại mạng lưới gần đúng nhất so với hệ thống điểm khởi tính. Đối với lưới GPS cần thực hiện tính chuyển tọa độ về hệ tọa độ thi công công trình. Chương 4: THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI MẶT BẰNG THI CÔNG THUỶ ĐIỆN 4.1. Mục đích và nội dung thực nghiệm Thực nghiệm được thực hiện nhằm minh chứng và làm rõ hơn các nội dung lý thuyết đã trình bày trong luận án, nội dung thực nghiệm bao gồm: Thực nghiệm xác lập hệ quy chiếu lưới mặt bằng thi công thủy điện.Thực nghiệm thiết kế lưới khống chế mặt bằng thi công nhà máy thủy điện Sơn La, Tính toán thiết kế lưới thi công thủy điện Sông Ba Hạ, thành lập theo phương pháp kết hợp GPS- Mặt đất. Tối ưu hóa bản thiết kế và bình sai lưới khống chế mặt bằng thi công nhà máy thủy điện Sơn La thành lập bằng phương pháp đo đạc mặt đất. Xử lý số liệu lưới thi công thuỷ điện A Lưới thành lập bằng phương pháp GPS. 4.2. Thực nghiệm xác lập hệ tọa độ công trình 4.2.1. Giới thiệu công trình thực nghiệm Lưới khống chế thi công thủy điện Thượng Kon Tum được thành lập bằng công nghệ GPS trong hệ quy chiếu VN-2000, múi chiếu 3°, kinh tuyến 107° 30’ 00’’. Tọa độ và độ cao sau bình sai các điểm của lưới được đưa ra trong bảng 4.1: Bảng 4.1. Thống kê tọa độ và độ cao các mốc lưới GPS Số Tọa độ Độ cao GPS Tên mốc TT X(m) Y(m) (m) 1 TC-01 1630242.4840 578998.9040 1230 2 TC-02 1629937.4520 579554.6530 1214 ---- ------ ------------- ------------- ----- 8 TC-08 1624808.1070 578193.0830 1205 9 TC-09 1625515.7990 578268.6040 1163 4.2.2. Xác lập hệ tọa độ công trình theo phương án 1: Chọn kinh tuyến trục cách kinh tuyến trung bình khu vực xây dựng 90Km Theo phương án này, tính chuyển tọa độ GPS về múi chiếu với kinh tuyến trục cách kinh tuyến trung bình khu vực xây dựng ±90km và dâng lên mặt chiếu đã chọn (Lo=107°28’30”, H0 =700m).
17 Bảng 4.3. Kết quả tính chuyển tọa độ ( phương án 1) Số Múi thứ nhất Múi thứ hai Tên điểm TT X(m) Y(m) X(m) Y(m) 1 TC-01 1630242.4840 578998.9040 1630430.3248 581699.7778 2 TC-02 1629937.4520 579554.6530 1630125.3194 582255.6247 ---- ------ ------------- ------------- ------------- ------------- 5 TC-05 1636681.6750 597194.5470 1636872.2854 599896.8095 9 TC-09 1625515.7990 578268.6040 1625703.0149 580969.9180 4.2.3. Xác lập hệ tọa độ công trình theo phương án 2: Hệ tọa độ kinh tuyến trung bình Quá trình xác lập hệ tọa độ được thực hiện qua các bước tính:Tính chuyển tọa độ về múi chiếu với kinh tuyến trục đi qua kinh tuyến trung bình khu vực xây dựng (Lo=108° 19’ 00”), tiếp theo tính chuyển tọa độ về mặt phẳng trung bình có độ cao H0=700m. Bảng 4.4. Kết quả tọa độ tính chuyển về kinh tuyến trung bình Múi thứ nhất Múi thứ hai Số Tên Lo=107° 30’, H0=0m Lo=108° 19’,  TT điểm X(m) Y(m) X(m) Y(m) 1 TC-01 1630242.4840 578998.9040 1630278.2786 491066.9830 2 TC-02 1629937.4520 579554.6530 1629971.2261 491621.6350 ---- ------ ------------- ------------- ------------- ------------- 5 TC-05 1636681.6750 597194.5470 1636651.3319 509285.9767 9 TC-09 1625515.7990 578268.6040 1625554.1537 490319.5508 Bảng 4.5. Kết quả tọa độ tính chuyển lên mặt phẳng trung bình Mặt chiếu 1 Mặt chiếu 2 Số Tên Lo=108° 19’, H0=0m Lo=108° 19’, H0=700m TT điểm X Y X Y 1 TC-01 1630278.2786 491066.9830 1630457.2014 491066.0026 2 TC-02 1629971.2261 491621.6350 1630150.1152 491620.7155 ---- ------ ------------- ------------- ------------- ------------- 5 TC-05 1636651.3319 509285.9767 1636830.9541 509286.9958 9 TC-09 1625554.1537 490319.5508 1625732.5580 490318.4884
18 4.2.4. So sánh chiều dài cạnh giữa 2 phương án lựa chọn hệ tọa độ Trong bảng 4.6 đưa ra chiều dài cạnh của 2 phương án 1, 2. Bảng 4.6. So sánh chiều dài cạnh giữa 2 phương án chọn hệ tọa độ Số Tên cạnh Chiều dài cạnh, m Chênh Cải chính mặt TT lệch phẳng, mm Điểm Điểm Trong hệ Trong hệ (mm) Hệ Hệ kinh đầu cuối kinh tuyến VN-2000 VN-2000 tuyến tr. trung bình bình 1 TC-01 TC-02 634.0413 634.0300 -11.3 -10.9 1.2 2 TC-01 TC-03 937.4328 937.4159 -16.9 -16.5 1.8 ---- ------ ----- ------ ------ ------ ------ ------ 14 TC-02 TC-08 5307.6913 5307.5924 -98.9 -95.9 10.8 15 TC-01 TC-08 5494.5346 5494.4288 -105.8 -102.3 11.8 Nhận xét: số cải chính chiều cạnh trong trường hợp áp dụng “hệ toạ độ kinh tuyến trung bình” có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp lựa chọn kinh điển. 4.3. Thực nghiệm thiết kế lưới thi công thủy điện thành lập bằng phương pháp đo đạc mặt đất 4.3.1. Giới thiệu về công trình thực nghiệm Trong mạng lưới có 8 điểm mới lập và 3 điểm định vị thành lập trong giai đoạn khảo sát công trình. Đã xem xét 2 phương án thành lập lưới là phương án có đo cạnh biên (hình 4.3-a) và phương án không đo cạnh biên (hình 4.3-b). 4.3.2. Thực nghiệm thiết kế lưới 4.3.2.1. Thiết kế đồ hình lưới Sông SôngĐà Đà Sông Đà (a) (b) Hình 4.3. Sơ đồ lưới khống chế thi công thủy điện Sơn La