Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày một số kết quả mới thu được khi áp dụng phương pháp Radar đất để xác định khoang rỗng bên dưới bê tông lát mái thượng lưu vai phải đập Thủy điện Sê San 4.
KHẢO SÁT KHOANG RỖNG BÊN DƯỚI BÊ TÔNG LÁT MÁI THƯỢNG LƯU VAI PHẢI ĐẬP THỦY ĐIỆN SÊ SAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP RADAR XUYÊN ĐẤT PHẠM LÊ HOÀNG LINH*, DƯƠNG VĂN SÁU*, VŨ HOÀNG HIỆP*, LÊ VĂN ĐỨC*, HOÀNG VIỆT HÙNG** Investigating the void beneath reinforcement concrete of Se San hydraulic dam upstream slope by Ground Penetrating Radar Abstract: Ground Penetrating Radar is a non-destructive exploration method which is widely used in reinforced concrete survey such as: defining voids beneath concrete, mapping rebars mesh in reinforced concrete, or determining the thickness of concrete slabs With the advantage of fast survey speed, high resolution, this method has proven its superiority The paper presents some new results from applying Ground Penetrating Radar to investigate voids beneath reinforcement concrete of Se San hydraulic dam upstream slope These results have effectively served the management and assessment of dam safety by management agencies Keywords: Ground Penetrating Radar, void, reinforcement concrete, dam safety, Se San hydraulic dam MỞ ĐẦU* Phương pháp Radar xun đất phương pháp thăm dò khơng phá hủy ứng dụng rộng rãi công tác khảo sát bê tông cốt thép như: xác định khoang rỗng bên bê tơng, đồ hóa lưới thép bê tông cốt thép, hay xác định bề dày bê tông Với ưu tốc độ khảo sát nhanh, độ phân giải cao, phương pháp chứng minh tính ưu việt Trong báo này, chúng tơi trình bày số kết thu áp dụng phương pháp Radar đất để xác định khoang rỗng bên bê tông lát mái thượng lưu vai phải đập Thủy điện Sê San Kết phục vụ hiệu công tác quản lý đánh giá an toàn đập quan quản lý * ** Phòng Nghiên cứu Ứng dụng Địa vật lý - Viện Sinh thái Bảo vệ cơng trình Bộ mơn Địa Kỹ thuật - Đại học Thủy lợi ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 GIỚI THIỆU CHUNG Thủy điện Sê San cơng trình thủy điện xây dựng sơng Sê San thuộc địa bàn xã Ia O, huyện Ia Grai, tỉnh Gia Lai xã Mô Rai, huyện Sa Thầy, tỉnh Kon Tum (Hình 1) Đây đập đất đồng chất, dài 760m, đỉnh đập rộng 10m Mái thượng lưu đập gia cố bê tông cốt thép đổ chỗ dày 22cm, kích thước 4m x 4m Sau q trình tích nước đưa vào sử dụng, lớp bê tông gia cố mái thượng lưu vai phải đập bị xuống cấp phần: bề mặt bê tơng xuất dấu hiệu tróc rỗ, phong hóa; số vị trí bề mặt bê tơng uốn lượn không phẳng Các biểu bề mặt nguyên nhân khoang rỗng bên lớp bê tơng gây Khi đó, lớp bê tơng gia cố tiếp xúc với lớp đệm bên nó, khiến cho áp lực tự thân hay áp lực nước lớn, bê tông dễ bị 51 nứt nẻ, biến dạng gây an toàn mái đập Vì vậy, khảo sát phát sớm khoang rỗng bên lớp bê tơng để có biện pháp gia cố, xử lý vơ cần thiết cơng trình đập Thủy Điện Sê San Hình Vị trí vai phải đập Thủy điện Sê San Hiện nay, việc sử dụng phương pháp thăm dò khơng phá hủy dựa nguyên lý lan truyền sóng đàn hồi sóng điện từ phổ biến cho mục đích khảo sát cơng trình xây dựng Các phương pháp kể đến như: phương pháp siêu âm (Ultrasonic), phương pháp tiếng vang tiếp xúc (Impact echo) phương pháp Radar xuyên đất (Ground Penetrating Radar) áp dụng rộng rãi Phương pháp siêu âm phương pháp tiếng vang tiếp xúc có ưu việc xác định lỗ rỗng nhỏ, nứt nẻ bên cấu kiện bê tông [10] Nhưng với tốc độ khảo sát nhanh độ phân giải cao, phương pháp Radar xuyên đất đạt nhiều thành tựu phủ nhận, đặc biệt việc phát khoang rỗng bên bê tông [2, 5, 8, 10] Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp Radar xuyên đất để xác định vị trí khoang rỗng bên bê tơng lát mái thượng lưu vai phải đập Thủy điện Sê San CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp Radar xuyên đất phương pháp địa vật lý thăm dò khơng phá hủy, có tốc 52 độ nhanh, độ phân giải cao, đo ghi biểu diễn kết liên tục theo thời gian thực Phương pháp sử dụng sóng điện từ có tần số từ 10MHz đến 2,6GHz để điều tra đặc điểm bên bề mặt [3, 7] Sóng điện từ lan truyền mơi trường đất với vận tốc biểu diễn theo công thức: V = c/ εr1/2 (1) Trong đó: ε r số điện môi đất; c = 0,3 m/ns vận tốc truyền sóng điện từ khơng khí; v (m/ns) vận tốc truyền sóng điện từ đất [4, 6, 9] Khi gặp ranh giới mà vận tốc truyền sóng điện từ thay đổi qua ranh giới hay nói cách khác ranh giới mơi trường có giá trị số điện mơi khác nhau, sóng điện từ bị phản xạ phần, với hệ số phản xạ tính theo cơng thức: (2) đó: - số điện mơi tương đối môi trường thứ - số điện môi tương đối môi trường thứ hai [4] Giá trị số điện môi số vật liệu trình bày Bảng [6] Hình Hệ thiết bị Radar xuyên đất bao gồm khối điều khiển ăng ten 400MHz Hệ thiết bị Radar xuyên đất bao gồm khối điều khiển (GPR controller) kết ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 nối với ăng ten phát ăng ten thu thơng qua cáp truyền tín hiệu, bên cạnh có số phụ kiện kèm GPS, bánh xe khảo sát… (Hình 2) Xung sóng điện từ qua ăng ten phát lan truyền vào môi trường Khi sóng điện từ mơi trường, phần lượng phản hồi gặp ranh giới thay đổi số điện môi, phần khác tiếp tục xuyên sâu Phần lượng phản hồi từ môi trường mang theo thông tin đối tượng quan tâm ăng ten thu ghi lại Các tín hiệu phản hồi sau khối điều khiển tập hợp lại dạng mặt cắt Radar (Radar image) (Hình 3) Điều giúp người sử dụng theo dõi chất lượng tín hiệu thu thập thời gian thực Xử lý, phân tích tín hiệu sóng điện từ phản hồi cung cấp cho thông tin đặc điểm đối tượng quan tâm bên bề mặt Bảng Giá trị số điện môi số vật liệu STT 10 11 12 13 Tên vật chất Khơng khí Đất khơ Đất ướt Nước Đất bồi Đất sét Đá phiến sét Đá granit Đá vôi Cát khô Cát ướt Nước biển Kim loại dẫn điện Giá trị số điện môi r 25 81 5-30 5-40 5-15 4-6 4-8 3-5 20-30 80 ∞ Hình Nguyên lý hình thành mặt cắt Radar Các đại lượng vật lý đặc trưng sóng điện từ dùng phương pháp Radar đất như: vận tốc truyền sóng (v), bước sóng (λ), hệ số suy giảm (α), số điện môi tương đối hay độ điện thẩm tương đối (r), độ từ thẩm (μ), độ dẫn điện (σ)… Độ sâu khảo sát phương pháp phụ thuộc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 vào tần số ăng ten phát thu tính chất vật lý mơi trường địa chất giá trị số điện môi tương đối ) độ dẫn điện (σ) chủ yếu Tần số cao, độ dẫn điện số điện môi lớn chiều sâu khảo sát nhỏ [1, 2] Độ phân giải dọc phương pháp Radar 53 xuyên đất khoảng cách phản xạ phân biệt đường ghi tín hiệu [6] Nói cách khác khoảng cách cần thiết để phân biệt hai đối tượng nằm sát (khoảng cách ký hiệu X) Theo nguyên lý Niyquist, X môi trường lý tưởng nhận giá trị 0,25λ, môi trường thực tế X > 0,5 λ, với λ bước sóng tín hiệu điện từ mơi trường xác định qua công thức: λ = V/f (V vận tốc truyền sóng điện từ mơi trường, f tần số ăng ten) Như vậy, môi trường định, tần số ăng ten cao độ phân dải tốt ngược lại Bê tơng vật liệu hấp thụ lượng sóng điện từ có giá trị số điện mơi thấp (ε=7÷12), nên mơi trường lý tưởng cho thăm dò phương pháp Rada xuyên đất Tuy nhiên, bê tông cốt thép lại trường hợp khác biệt Lưới thép bên bê tơng cốt thép tác nhân cản trở sóng điện từ truyền qua lớp bê tơng để thăm dò đối tượng bên Thép có số điện mơi vơ lớn (ε ~ ∞) nên gần hấp thụ phản xạ lại toàn lượng sóng điện từ truyền đến Để thăm dò đối tượng bên lưới thép, xung sóng điện từ phải có bước sóng nhỏ khoảng cách mắt thép [4] Bước sóng xung sóng điện từ môi trường xác định qua công thức: λ= v/f (3) Trong đó: λ (m) bước sóng xung sóng điện từ mơi trường; v (m/ns) vận tốc sóng điện từ truyền mơi trường; f (GHz) tần số xung sóng điện từ Vận tốc truyền sóng điện từ bê tơng giá trị xác định, nên để sóng điện từ xuyên qua lưới thép cần lựa chọn tần số phát ăng ten thích hợp cho bước sóng xung sóng điện từ (λ) nhỏ khoảng cách mắt thép Nếu bước sóng xung sóng điện từ lớn khoảng cách mắt thép lượng sóng bị lưới thép chặn lại phản xạ 54 nhiều lần đó, khơng thu thông tin môi trường bên lưới thép Mặt khác, bước sóng xung sóng điện từ nhỏ khoảng cách mắt thép xung sóng xun qua lưới thép để đem thơng tin đối tượng bên dưới, đối tượng bên lưới thép quan tâm khoang rỗng Khoang rỗng bên lớp bê tông gây tương phản lớn giá trị số điện môi so với môi trường bê tông bên với giá trị số điện mơi khơng khí khoang rỗng (εkk = 1) giá trị số điện môi bê tông thay đổi từ đến 12 (ε = ÷ 12) phụ thuộc vào độ trưởng thành hàm lượng xi măng bê tơng Chính tương phản mà Radar xun đất dễ dàng phát khoang rỗng Trên mặt cắt Radar xuyên đất, khoang rỗng biểu thị “điểm sáng” tạo nên xung sóng phản xạ có biên độ lớn [3] KHẢO SÁT KHOANG RỖNG BÊN DƯỚI BÊ TÔNG LÁT MÁI THƯỢNG LƯU VAI PHẢI ĐẬP THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4.1 Công tác khảo sát thực địa 4.1.1 Thiết bị sử dụng Để thực nghiên cứu này, sử dụng hệ thiết bị Radar xuyên đất SIR 30, hãng GSSI, Mỹ Hệ thiết bị bao gồm khối điều khiển SIR 30 ăng ten phát thu có tần số 900MHz Việc lựa chọn tần số ăngten phụ thuộc vào tính chất mơi trường đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu khoang rỗng nằm bê tơng cốt thép dày 0,22m, có 02 lớp thép với khoảng lưới thép 0,2m Để thu tín hiệu Radar phản hồi từ đối tượng, bước sóng tín hiệu Radar phải nhỏ khoảng lưới thép, hay λ < 0,2m Vận tốc truyền sóng điện từ bê tông nằm khoảng 0,080,11 m/ns tương ứng với giá trị số điện môi ε = 12 ÷ (theo cơng thức 1) Mặt khác để đáp ứng yêu cầu độ sâu nghiên cứu, lượng sóng điện từ phải đến đối tượng quay trở lại mà không bị hấp thụ hết môi ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 trường Vì vậy, chúng tơi lựa chọn ăngten tần số 900MHz cho khảo sát 4.1.2 Biện pháp khảo sát bố trí tuyến đo Trong phương pháp Radar xuyên đất có nhiều biện pháp khảo sát như: mặt cắt sóng phản xạ, đo truyền xuyên qua (phương pháp chiếu sóng), đo điểm sâu chung Để thực khảo sát này, chúng tơi sử dụng biện pháp mặt cắt sóng phản xạ, phương pháp thường dùng khảo sát với việc kéo ăngten theo tuyến kết cho mặt cắt mô mặt cắt địa chất phía theo phương thẳng đứng Trong q trình đo ăngten ln ln phát ln thu, trình dừng lại ta kết thúc tuyến đo Hệ thống tuyến đo bố trí theo tuyến đo dọc song song với mặt đập (có cao độ) cho bê tông lát mái bố trí tối thiểu 02 tuyến đo khoảng cách tuyến đo 2m Mỗi tuyến đo chia thành đoạn nhỏ có độ dài 50m Vị trí đầu cuối đoạn đánh số thứ tự có tọa độ xác Trong trường hợp phát có dị thường tuyến đo bố trí số tuyến đo bổ sung theo mạng lưới ô vuông, với khoảng cách tuyến đo 0,5m/tuyến đo 4.2 Xử lý số liệu Số liệu đo đạc xử lý phần mềm RADAN7 với phép xử lý quan trọng như: hiệu chỉnh điểm 0, lọc tần số, khuếch đại tín hiệu 4.2.1 Hiệu chỉnh điểm (Timezero correction) Do trễ thời gian truyền sóng từ ăng ten đến mặt đất nên ranh giới khơng khí-mặt đất khơng nằm mốc Điều khiến cho minh giải độ sâu đối tượng bị sai lệch đáng kể Để đưa phản xạ mặt đất trở với mốc 0, ta phải áp dụng thuật toán nhằm hiệu chỉnh điểm Thông thường mốc hiệu chỉnh đỉnh cực đại xung phản xạ 4.2.2 Lọc tần số (Bandpass filter) Tín hiệu sóng điện từ thu tồn nhiễu đến từ nhiều nguồn khác Các nguồn gây ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 nhiễu đến từ thiết bị phát sóng điện từ khác tín hiệu điện từ phản hồi từ vật thể đối tượng quan tâm Để tăng tỷ lệ tín hiệu nhiễu, ta sử dụng lọc tần số theo phương thẳng đứng Bộ lọc đặc trưng hàm lọc miền tần số, giúp loại bỏ thành phần tần số không liên quan đến đối tượng 4.2.3 Khuếch đại tín hiệu (Gain) Tín hiệu Radar bị suy giảm nhanh lan truyền vào lòng đất Cường độ tín hiệu từ độ sâu lớn có giá trị bé nhiều so với cường độ tín hiệu độ sâu nhỏ Do vậy, phản xạ sâu trở nên khó nhận biết Bằng cách áp dụng hàm khuếch đại tín hiệu theo thời gian để bù đắp phần lượng mát sóng điện từ lan truyền mơi trường, tín hiệu từ đối tượng xác định dễ dàng 4.3 Kết khảo sát Trong phạm vi khảo sát từ cao độ +210,00 (cao trình mực nước chết) đến cao độ +221,40 (cao trình đỉnh mặt đập) thuộc vai phải đập Thủy điện Sê San 4, phát số khu vực bê tơng có tồn khoang rỗng bên Khu vực Hình Hình ảnh nội soi lỗ khoan thể khoang rỗng nhỏ lớp bê tông độ sâu 11,5cm khu vực Dị thường nằm khoảng 13-18m thuộc tuyến 38-39, 53-52, 68-69, có cao độ +219,94m; +219,31m; +218,67m Dị 55 thường nằm toàn phạm vi bê tông Kết phân tích dị thường cho thấy, khu vực xuất dị thường có độ dày bê tơng nhỏ so với thiết kế (10-12cm), thiếu cốt thép bên bên bê tông lát mái tồn khoang rỗng nhỏ, diện tích khu vực khoang rỗng khoảng 6m2 Phân bố khu vực dị thường thể hình Khu vực dị thường kiểm tra 02 lỗ khoan chụp ảnh nội soi lỗ khoan Kết nội soi hai lỗ khoan cho thấy: độ dày lớp bê tông 11,5cm bên lớp bê tông tồn khoang rỗng nhỏ (0,02-0,03m) Kết tương đồng với kết minh giải tài liệu Radar đất khu vực Hình Kết khảo sát thể dị thường khoảng 13-18m tuyến 68-69, cao trình +218,67m, tọa độ đầu tuyến (445287,94; 1545717,62), tọa độ cuối tuyến (445277,41; 1545668,74) Hình Kết khảo sát thể dị thường khoảng 14-17m tuyến 53-52, cao trình +219,31m, tọa độ đầu tuyến (445286,08; 1545718,01), tọa độ cuối tuyến (445275,55; 1545669,14) Hình Kết khảo sát thể dị thường khoảng 15-18m tuyến 38-39, cao trình +219,94m, tọa độ đầu tuyến (445284,22; 1545718,41), tọa độ cuối tuyến (445273,69; 1545669,53) 56 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Khu vực 2: Dị thường nằm khoảng 29,5-32m tuyến 280-281, cao trình +211,02m, tọa độ đầu tuyến (445250,85; 1545418,76), tọa độ cuối tuyến (445240,28; 1545369,89) Kết minh giải tài liệu Radar xuyên đất cho thấy dị thường liên quan đến khoang rỗng bên lớp bê tông Chúng tiến hành khảo sát chi tiết để xác hóa vị trí khoang rỗng Phân tích kết khảo sát chi tiết cho thấy khu vực khoang rỗng có diện tích nhỏ (~2m2) chiều cao khoang rỗng ~0,04m Phân bố khu vực dị thường thể hình 10 Hình Kết khảo sát thể dị thường khoảng 29,5-32m tuyến 280-281, cao trình +211,02m, tọa độ đầu tuyến (445250,85; 1545418,76), tọa độ cuối tuyến (445240,28; 1545369,89) Hình 10 Phạm vi khu vực dị thường số Hình Phạm vi khu vực dị thường số KẾT LUẬN Từ kết khảo sát xác định khoang rỗng bên bê tông lát mái thượng lưu vai phải đập Thủy điện Sê San phương pháp Radar xuyên đất, có số nhận xét sau: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Phương pháp Radar xuyên đất phương pháp thăm dò khơng phá hủy hiệu việc xác định khoang rỗng bên lớp bê tông cốt thép Hệ thiết bị Radar xuyên đất với ăng ten tần 57 số 900MHz đáp ứng yêu cầu độ phân giải chiều sâu nghiên cứu khảo sát bê tơng cốt thép có độ dày từ 0,2-0,4m, 02 lớp thép, khoảng cách mắt thép 0,15-0,2m Hệ thiết bị cho phép phát vị trí bê tông bị thiếu hụt cốt thép khoang rỗng nhỏ (0,02-0,04m) bên lớp bê tông Kết nghiên cứu phục vụ hiệu công tác quản lý đánh giá an toàn đập quan quản lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Anh Chung, Nguyễn Văn Lợi, Phạm Lê Hoàng Linh, Dương Văn Sáu, Vũ Hoàng Hiệp, Trần Thế Việt (2019) Đánh giá trạng đê tổ hợp phương pháp địa vật lý: Điện đa cực Radar đất Tạp chí Địa kỹ thuật (Geotechnical Journal) Số 12019, 43-50 [2] Đỗ Anh Chung, Nguyễn Văn Lợi, Vũ Đức Minh (2013).Áp dụng phương pháp Radar đất để xác định “thoát không” bê tông mặt đập Cửa Đạt Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 29, 8-15 [3] A.P.Annan (2003) Ground penetrating radar Principles, Procedures and Applications Sensors & Software Inc [4] Andrea Bebedetto, Lara Pajewshi (2015) Civil engineering application of Ground penetrating radar Springer [5] Brett Kravitz, Michael Mooney, Jurij Karlovsek, Ian Danielson, Ahmandreza Hedayat (2019) Void detection in two-component annulus grout behind a pre-cast segmental tunnel liner using Ground Penentrating Radar Tunnneling and Underground Space Technology 83, 381-392 [6] Daniels, D.J (2004) Ground Penetrating Radar 2nd Edition IET The Institution of Electrical Engineers, London [7] Erica Carrick Utsi (2017) Ground penetrating radar Theory and Applications Butterworth-Heinemann, Elsevier [8] Giannopoulos, A., Macintyre, P., Rodgers, S., Forde, M.C (2002) GPR detection of voids in post-tensioned concrete bridge beams SPIE Proceedings of the Ninth International Conference on Ground Penetrating Radar , pp 376–381 [9] Lawrence B.Conyers (2012) Interpreting Ground-penetrating Radar for Archaeology Left Coast Press, Inc [10] Nigel J.Cassidy, Rod Eddies, Sam Dods (2011).Void detection beneath reainforced concrete sections: The practical application of ground penetrating radar and ultrasonic techniques Journal of Applied Geophysics 74, 263-276 Người phản biện: PGS.TSKH TRẦN MẠNH LIỂU 58 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 ... này, sử dụng phương pháp Radar xuyên đất để xác định vị trí khoang rỗng bên bê tơng lát mái thượng lưu vai phải đập Thủy điện Sê San CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp Radar xuyên đất phương pháp địa vật... cắt Radar xuyên đất, khoang rỗng biểu thị “điểm sáng” tạo nên xung sóng phản xạ có biên độ lớn [3] KHẢO SÁT KHOANG RỖNG BÊN DƯỚI BÊ TÔNG LÁT MÁI THƯỢNG LƯU VAI PHẢI ĐẬP THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4. 1 Công... rỗng bên bê tông lát mái thượng lưu vai phải đập Thủy điện Sê San phương pháp Radar xuyên đất, có số nhận xét sau: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Phương pháp Radar xuyên đất phương pháp thăm dò khơng