NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÙNG THẤM TRÊN ĐÊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN ĐA CỰC Đỗ Anh Chung Viện Sinh thái và Bảo vệ công trình I. MỞ ĐẦU Hiện nay, Việt Nam có hơn 5.000km đê sông. Các công trình này được xây dựng từ hàng trăm năm trước. Vật liệu được xử dụng là đất tự nhiên gần đê nên có sự không đồng đều trong đê, nền đê trước khi đắp không được khảo sát và xử lý những ẩn họa có thể gây cho đê. Trong quá trình quản lý vân hành, khai thác đã xuất hiện nhiều ẩn họa có nguy cơ gây mất an toàn cho công trình. Các ẩn họa thường gặp là mạch sủi, rò rỉ qua nền đê, thấm qua thân đê vào mùa mưa lũ. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các phương pháp Địa vật lý để đánh giá, xác định các ẩn họa nói trên nhằm cảnh báo và phục vụ cho công tác xử lý chúng hiệu quả là hết sức quan trọng. Để nghiên cứu xác định ẩn họa cho đê, năm 2006 các nhà khoa học Đức đã nghiên cứu, lựa chọn và cho rằng có 3 phương pháp chính ứng dụng hiệu quả là Phương pháp thăm dò điện, phương pháp địa chấn và rađa đất. Các nhà khoa học Pháp thì sử dụng phương pháp điện trường tự nhiên và điện đa cực để nghiên cứu vùng thấm trên hệ thống đê thuộc vùng phía nam khá hiệu quả. Ở Việt nam, từ năm 2003, Viện sinh thái và Bảo vệ công trình đã tiến hành những nghiên cứu về ẩn họa, đặc biệt về vùng thấm ở thân, nền đê bằng phương pháp điện đa cực và đã đạt được một số kết quả ban đầu. Dưới đây, chúng tôi giới thiệu phương pháp và một số kết quả khảo sát xác định thấm, rò rỉ trong thân và nền đê, đập bằng phương pháp thăm dò điện với thiết bị SuperSting R1/IP và phần mềm xử lý EarthImage 2D do Viện Sinh thái và Bảo vệ công trình thực hiện. II. THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG 1. Thiết bị sử dụng Hệ thiết bị điện đa cực SuperString R1/IP có thể điều khiển đo tự động được với tối đa 112 cực và đo được với 2 chế độ là điện trở hoặc phân cực kích thích (IP). Trong quá trình đo thiết bị SuperSting làm việc một cách tự động theo chương trình được tạo lập sẵn theo các hệ điện cực. Hình 1 Hình ảnh thiết bị điện đa cực SuperSting 2. Phương pháp điện đa cực. Với phương pháp điện trở trong điện đa cực sẽ cho ta bức tranh tổng thể về điện trở suất của các lớp đất đá và các đối tượng nằm trong lòng đất Dựa vào tham số điện trở suất, người ta tạo ra một trường điện trong lòng đất qua 2 điện cực phát A, B với cường độ dòng điện I biết trước và thu hiệu điện thế ∆U tại hai cực thu M, N. Để xác định các giá trị điện trở suất, người ta sử dụng nguyên tắc phát dòng điện một chiều vào vùng có đối tượng cần nghiên cứu, thu hiệu điện thế ∆U từ đó tính ra điện trở suất biểu kiến theo biểu thức : I U K k ∆ = ρ (1.1) Trong đó: ρ k : là điện trở suất biểu kiến (Ωm). ∆U: là hiệu điện thế đo ở 2 cực thu (mV). I : là cường độ dòng điện (mA). K : là hệ số thiết bị của điện cực. a. Hệ điện cực khảo sát. Trong phương pháp thăm dò điện hệ điện cực đo có ý nghĩa rất quan trọng. Mỗi hệ cực đo sẽ tương ứng nhất định với mỗi đối tượng khảo cứu đồng thời có chiều sâu nghiên cứu hiệu dụng so với khoảng mở của hệ cực cũng khác nhau và việc thu thập, phân tích số liệu cũng có quy trình khác nhau. Đối với phương pháp đo sâu điện phân cực đa cực thì hệ cực đo và quy trình thu thập số liệu phải được thiết kế phù hợp với cách xây dựng bài toán mô hình thực nghiệm thực tế. Đối với vùng thấm, với kết quả thử nghiệm trên mô hình được xây dựng bằng phần mềm EarthImager 2D chúng tôi lựa chọn hệ cực để khảo sát là Wenner hoặc hệ cực Wenner – Schlumberger với khoảng cách các cực trong tuyến cách đều nhau (a) và tùy thuộc vào độ sâu cần khảo sát. Với hệ cực khảo sát này cho chúng ta kết quả tốt nhất đối với các đối tượng khảo sát là các lớp nằm ngang hoặc là đối tượng hình khối. Hệ số thiết bị: K = πan, với n = 1, 2, 3, , N A là một khoảng cách cố định nào đó, có đơn vị là m Chiều sâu nghiên cứu hiệu dụng z = (0,35÷0,4) x a x n A B M N na a na Tại mỗi vị trí tiến hành Đo lần đầu tiên (b) với n = (AM = MN = NB= a) Đo lần thứ hai (c) với n = 2 (MN = a; AM = BN = 2a). Đo lần thứ ba với n = 3 (MN = a; AM = BN = 3a), Đo lần thứ n với n = N (MN = a; AM = BN = Na). Sau đó ta chỉ việc tịnh tiến điểm đo thứ nhất đi một khoảng bằng a để đo điểm thứ hai, quá trình đo như trên được lặp lại cho đến khi kết thúc tuyến đo. Nếu giá trị thế thu được trên MN nhỏ khi mở rộng AB, ta có thể mở rộng MN = 2a. b. Thiết kế tuyến khảo sát. Tùy vào đặc điểm điển hình của đối tượng khảo cứu mà bố trí tuyến đo cho phù hợp - Khảo sát sơ bộ: Các vùng thấm luôn luôn là đối tượng phát triển liên tục từ mái phía sông sang phía đồng. Vậy nên, để xác định các vùng thấm trong thân đê thì hệ thống tuyến đo tối thiểu bố trí 02 tuyến đo dọc theo 2 rìa mái đê phía đồng và phía sông và 1 tuyến khảo sát trên mái đê. Vấn đề cần lưu ý là các điện cực không lệch khỏi tuyến đã định 10 o . - Khảo sát chi tiết thì bố trí thêm một số tuyến đo dọc và đo ngang đê cắt qua khu vực bị thấm được xác định qua khảo sát sơ bộ, nhằm xác định chính xác chiều sâu, chiều rộng và quy mô vùng thấm. Lưu ý: trường hợp tuyến đo được bố trí vuông góc với thân đê thì phải ghi lại cao độ địa hình của điểm đo, nhằm hiệu chỉnh sự ảnh hưởng của địa hình đến kết quả khảo sát. c. Các bước tiến hành khảo sát. + Bố trí các điện cực khảo sát. Khi cắm các điện cực tiếp đất, gặp phải các khu vực trên mặt đã được cứng hóa (bê tông hoặc nhựa đường) thì phải đóng cực qua lớp cứng hóa đó. Trong trường hợp không thể đóng điện cực qua lớp cứng hóa bên trên thì có thể dịch các điện cực tiếp đất sang vị trí bên cạnh có điều kiện thuận lợi hơn, nhưng các điện cực phải theo phương vuông góc với đường dây của thiết bị và khoảng cách xê dịch phải nhỏ hơn 10% kích thước thiết bị. + Lựa chọn hệ cực, thông số đo. Thông số cài đặt cho thiết bị SuperSting R1/IP (hoặc tương đương) phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố địa chất, kích thước đối tượng. Ví dụ: với vùng thấm được coi là đối tượng có kích thước lớn, có điện trở suất thấp; với vết nứt coi là các đối tượng nhỏ kéo dài, có sự khác biệt về điện trở rất lớn so với môi trường xung quanh. Các bước tiến hành: - Lựa chọn hệ cực khảo sát: tuỳ theo đối tượng cần khảo sát ta lựa chọn hệ cực phù hợp với nó. - Khoảng cách giữa các điện cực: tùy thuộc kích thước và chiều sâu đối tượng khảo cứu, nhưng khoảng cách 2 cực liên tiếp không lớn hơn 50% kích thước đối tượng. - Cài đặt số lần lặp: Tùy theo điện trở tiếp đất của môi trường để cài đặt số lần lặp, với môi trường ở trên đê là nơi có điện trở tương đối thấp, nên số lần lặp không cần lớn chỉ cần chọn 2 là hợp lý. - Cài đặt lỗi tối đa của phép đo: khi đo lặp thì độ sai lệch của giá trị trung bình điện trở suất không được vượt quá 3%. + Kiểm tra điều kiện tiếp đất của hệ cực. Kiểm tra điều kiện tiếp đất của các điện cực: giá trị điện trở tiếp đất của các đôi điện cực liên tiếp không được cao gấp 2 lần giá trị điện cực của đôi điện cực liền kề và giá trị điện trở tiếp đất của đôi điện cực lớn nhất không lớn hơn 3 lần giá trị điện trở tiếp đất của đôi điện cực có giá trị thấp nhất. + Thu thập số liệu thực địa. - Kết quả đo đạc ngoài việc ghi vào ổ đĩa, cần phải được ghi tóm tắt trên sổ thực địa. Sổ thực địa nên ghi sơ họa khu vực điểm đo và các thông tin quan trọng liên quan đến đối tượng khảo cứu. - Xử lý tài liệu thực địa phải làm hàng ngày nhằm có phương án bổ xung, điều chỉnh khảo sát để giải quyết tốt nhiệm vụ đề ra. 3. Xử lý số liệu Phần mềm sử dụng xử lý số liệu ở đây là EarthImage. Dựa theo kết quả ảnh điện 2D trên các tuyến khảo sát xác định các dị thường điện trở theo các tuyến khảo sát dọc và ngang đê. Liên kết các dị thường điện trở xuất của các tuyến dọc và ngang đê để đưa ra hình ảnh 3 chiều của dị thường điện trở xuất 4. Phân tích số liệu Kết hợp số liệu đo điện trở với số liệu quan trắc của cơ quan quản lý đê và hiện trang vùng thấm tại thời điểm khảo sát, chúng tôi đưa ra kết luận về vùng thấm. III. MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG KHẢO SÁT ẨN HỌA TRÊN ĐÊ 1. Xác định vùng thấm qua nền đê hữu sông Chu đoạn K38,9-K39,0. Vào những năm 70 thế kỷ trước khi nước sông lên cao, đê hữu sông Chu, ở tỉnh Thanh Hóa đoạn từ K38,9-K39,0 đã bị sụt. Đến nay, tuy đã được khoan phụt xử lý thấm ở thân đoạn đê này nhưng gần đây hiện tượng thấm vẫn không giảm và đã xẩy ra hiện tượng sụt mái phía sông với đường kính lên đến 7m. Tại đoạn này, chúng tôi tiến hành thử nghiệm khảo sát bằng 5 tuyến từ mái phía sông ra phía đồng bằng thiết bị điện đa cực SuperSting sử dụng với hệ cực là wenner (hình 3). Hình 3: Sơ đồ bố trí tuyến khảo sát Hình 2: Hố sụt gây ra trên mái do thấm qua nền đê hữu sông Chu T2.2 T1.4 T2.3 T2.4 T2.5 T2.1 Hố sụt Mặt đê K38+637 K38+875 K38+754 K38+875 Sông Chu Kênh tưới Kết quả khảo sát được xử lý trên phần mềm EarthImager 2D, thể hiện ở hình 4 theo thứ tự từ tuyến đo phía sông đến phía đồng. Hình 3 cho thấy trên cả 5 tuyến đo đều xuất hiện 1 dị thường điện trở suất cao ở khu vực giữa tuyến khảo sát, cụ thể: + Trên tuyến thứ nhất: dị thường nằm từ mét thứ 34 - 84 và 100 - 153m; nằm ở độ sâu từ 2,5 - 13m so với mái đê. + Trên tuyến thứ 2: có 2 dị thường tại mét thứ 24 - 132, có độ sâu từ 4 -18m và từ mét 124 -148, ở độ sâu 3 - 10m; + Trên tuyến thứ 3 (rìa mặt đê phía sông): dị thường nằm từ mét thứ 13 – 152m, ở độ sâu từ 3,5 – 17m; + Trên tuyến thứ 4 (rìa mặt đê phía đồng: dị thường nằm từ mét thứ 41 – 149, ở độ sâu từ 4,5 - 11,5m; Hình 3: Kết quả khảo sát đoạn K38,875 - K39,04 + Trên tuyến thứ 5: dị thường nằm từ mét thứ 57 – 152m, ở độ sâu từ 2,5 - 11m. Phân tích kết quả khảo sát trên và tham khảo tài liệu địa chất đã có của khu vực này, chúng tôi nhận định nền của đoạn đê là 1 thấu kính cát có chiều rộng hơn 100m và chiều dày lên đến 14m. Thấu kính cát này là nguyên nhân gây ra thấm thường xuyên qua đê và gây sụt ở mặt đê. Thấu kính cát gây thấm được minh họa ở ở mặt cắt dọc hình 5 và bình đồ vùng thấm ở hình 6 Hình 5: Sơ đồ thấu kính cát gây thấm qua nền đê. Sơ đồ vị trí vùng thấm tại tuyến khảo sát phía đồng Hình 6. Bình đồ vị trí tuyến đo và khu vực thấm 2. Khảo sát vùng thấm qua thân đê đoạn K182+630-K182+730 đê Hữu Hồng Đoạn kè Mặt Lăng từ K182+600 ÷ K183+600 đê Hữu Hồng thuộc địa phận thị trấn Trực Ninh - huyện Trực Ninh. Qua công tác điều tra, khảo sát sơ bộ thì trên đoạn kè này một số vị trí xẩy ra hiện tượng thấm cục bộ. Tại khu vực thấm chúng tôi tiến hành đo 3 tuyến dọc theo đê, trông đó 2 tuyến khảo sát trên mặt đê và 1 tuyến khảo sát mái đê bằng hệ cực Wenner để xác định khu vực thấm thân đê. T2.2 T1.4 T2.3 T2.4 T2.5 T2.1 Hố sụt Mặt đê K38+637 K38+875 K38+754 K38+875 Sông Chu Kênh tưới Hình 8. Kết quả khảo sát tại mái đê phía đồng kè Mặt lăng Hình 9. Kết quả khảo sát tại mặt đê rìa phía đồng kè Mặt lăng Hình 7 Hình ảnh khảo sát ẩn hoạ tại kè Mặt Lăng Hình 10. Kết quả khảo sát tại mặt đê rìa phía sông kè Mặt lăng Kết quả khảo sát trên vùng thấm tại K182+830 - K182+732, cho thấy trên tuyến khảo sát tại mái đê phía đồng (hình 8) có dị thường điện trở thấp từ mét thứ 30 của tuyến đo đến mét thứ 50 và từ m thứ 62 đến 66 của tuyến đo. Trên tuyến khảo sát tại mặt đê (hình 9, 10) có dị thường điện trở thấp tại m 36 đến mét thứ 40 và từ m thứ 62 đến 66 của tuyến đo Từ kết quả khảo sát điện trở kết hợp với hiện trường đê tại thời điểm đo Kết hợp với tình hình thấm tại thời điểm đo cho thấy tại đây có 2 vùng thấm độc lập không lớn, có chiều rộng tại rìa mái phía sông khoảng 4m và mở rộng dần về phía đồng (hình 11) M¸i phÝa s«ng M¸i phÝa ®ång T1 T2 T3 T6 T5 T4 K182+630 K182+732 Khu vùc thÊm T1, T2, T3 : VÞ trÝ c¸c tuyÕn kh¶o s¸t Ghi chó Hình 11 Bình đồ vị trí tuyến đo và khu vực thấm [...]... sát vùng thấm tại K 38+900 - K39+50 ở nền đê Hữu sông Chu và tại K182+630 - K182+730 ở đê Hữu Hồng cho thấy sử dụng phương pháp điện đa cực đã xác định quy mô của dị thường điện trở suất tại 2 khu vực khảo sát Kết hợp phân tích, so sánh hình ảnh các dị thường điện trở suất nói trên với số liệu quan trắc hàng năm về 2 vùng thấm có thể rút ra nhận xét đây là các dị thường điện trở suất gây ra bởi 2 vùng. .. suất gây ra bởi 2 vùng thấm này Các kết quả nói trên cần được tiếp tục khảo sát chi tiết hơn trên các tuyến đo ngang qua dị thường để thiết lập hình ảnh 3 chiều của dị thường điện trở suất Sau khi có kết quả 3D đề nghị được khoan lấy mẫu để kiểm tra mức độ chính xác của kết quả đo điện trở suất, làm cơ sở cho việc mở rộng áp dụng phương pháp này trong việc xác định vùng thấm trong đê . NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÙNG THẤM TRÊN ĐÊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN ĐA CỰC Đỗ Anh Chung Viện Sinh thái và Bảo vệ công trình I. MỞ ĐẦU Hiện nay, Việt Nam có hơn 5.000km đê sông theo các hệ điện cực. Hình 1 Hình ảnh thiết bị điện đa cực SuperSting 2. Phương pháp điện đa cực. Với phương pháp điện trở trong điện đa cực sẽ cho ta bức tranh tổng thể về điện trở suất. trọng. Để nghiên cứu xác định ẩn họa cho đê, năm 2006 các nhà khoa học Đức đã nghiên cứu, lựa chọn và cho rằng có 3 phương pháp chính ứng dụng hiệu quả là Phương pháp thăm dò điện, phương pháp địa