Quan trắc chuyển vị của đập Geheyan (Trung Quốc) bằng phương pháp Radar giao thoa mặt đất SAR

23-02-2022

1. Đập Geheyan và kế hoạch quan trắc.

Một kế hoạch quan trắc đã được lập ra để kiểm tra tính khả dụng của hệ thống GBSAR/ GBInSAR - (Hệ thống Radar giao thoa mặt đất) để quan trắc chuyển vị đập. Công việc này được thực hiện trên Đập Geheyan, (Hình 1) được xây dựng trên sông Thanh (Qingjang) gần huyện Trường Dương, tỉnh Hồ Bắc và tổng dung tích hồ chứa là 3,4 tỷ mét khối. Hồ chứa này được xây dựng vào năm 1994 với công suất lắp máy là 1,212 triệu KW. Đập này là đập vòm trọng lực hypebol cao 151 mét, dài 653,5 mét và cao 206 mét. Nền đập là đá vôi hình thành từ kỷ Cambri, đá trên vai đập gồm đá vôi và đá phiến xen kẽ.

Hình 1: Đập Geheyan

Hình 2: Hệ thống thiết bị IBIS-L - IDS GeoRadar và góc quan trắc radar được thiết lập

Công trình này liên tục được quan trắc trong thời gian từ ngày 12 đến ngày 31 tháng 7 năm 2013. Thiết bị hoạt động trong bằng tần số vô tuyến Ku-band với bước sóng trung tâm khoảng 1,7cm và có thể đạt được độ phân giải góc phương vị tối đa khoảng 4,5 mard. Khoảng 267 hình ảnh Radar tổng hợp đã được thu trong công tác thử nghiệm này và khoảng thời gian thu mẫu lặp lại là khoảng 5 phút. Hình 2 mô tả thiết bị IBIS-L và vị trí tương đối giữa đập và IBIS. Khoảng quét tối đa là 4 km và khoảng quan sát tối đa cho thử nghiệm này là khoảng 1,3 km. Mặt đất nơi đặt thiết bị radar có cấu trúc địa chất ổn định. Không có vật cản giữa thiết bị và đập, vì vậy vùng quét radar bao phủ toàn bộ thân đập và khu vực xung quanh.

2. Phương pháp đo và kết quả.

Trước khi xử lý dữ liệu thu, dữ liệu từ hệ thống IBIS-L thu thập được qua bước tiền phân tích. Hình 3 mô tả công suất phản xạ cho vùng quét, hệ thống quan trắc có thể thu nhận chính xác thông tin phản xạ radar từ vùng quét bao phủ toàn bộ đập. Nền đá, bờ sông và nhà máy điện cũng có thể được phân biệt rõ ràng từ bản đồ năng lượng phản chiếu. Thể hiện trên Hình 4, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) trên bề mặt thân đập đều trên 15 db, hệ số tương quan (correlation) trên 0,7 (Hình 5) và độ ổn định pha (phase stability) trên 3,0 (Hình 6). Có thể nhận định rằng, hệ thống IBIS đã thành công thu thập thông tin phản xạ radar của bề mặt cấu trúc công trình, cho thấy thiết bị này có độ tin cậy cao.

Hình 3:Bản đồ công suất phản chiếu.

Hình 4: Tỉ lệ tín hiệu/ nhiễu

Hình 5: Biểu đồ hệ số tương quan (coherent coefficient map).

Hình 6: Bản đồ độ ổn định pha.

Ba điểm nằm ở hai bên của lớp bedrock được chọn làm điểm khống chế mặt đất (ground control point) trong thử nghiệm này, vị trí không bị dịch chuyển trong suốt quá trình thử nghiệm. 13 điểm đặc trưng khác được lựa chọn làm đại diện để thực hiện giám sát đập. Những điểm này (được đánh dấu trong Hình 7) đã được phân bố tại các khu vực phía trên, giữa và dưới đập. Khi các điểm khống chế mặt đất ổn định, sự chuyển vị quan trắc được chủ yếu là do nhiễu loạn khí quyển. Sai số này có thể được loại bỏ bằng cách loại bỏ các biến đổi chuyển vị này theo cách tiếp cận PS, và sau đó chuyển vị bề mặt đập có thể được tính toán chính xác. Ở bước này, một nhóm gồm 13 bộ tán xạ được chọn làm điểm đặc trưng trên bề mặt công trình đã được lựa chọn để phân tích sự biến thiên chuyển vị.

Từ thời điểm bắt đầu quét đến 17:38, một vài điểm có biến thiên trong phạm vi 4 mm ngoại trừ một số điểm ổn định được thể hiện trong Hình 8.
Lúc 18h05, toàn bộ thân công trình chuyển vị tuyến tính khoảng 4mm về phía điểm radar, sau đó đập trở lại trạng thái ban đầu.
Cho đến 19:58, đập chuyển vị khoảng 3mm về phía radar.
Lúc 10 giờ 21 phút 31 thân đập chuyển vị ra phía xa radar khoảng 1 mm, sau đó đập ổn định.
Đến 10h53, đập bị ngoại lực tác động gây chuyển vị 5,3 mm về phía radar.
Sau 11 giờ 20 đập trở lại hiện trạng ban đầu, dịch chuyển của đập nhỏ hơn 1 mm so với hiện trạng ban đầu.

Theo phân tích dữ liệu chuyển vị ở trên, kết luận được đưa ra là đập có cấu trúc ổn định.

Hình 7: Bản đồ màu về sự dịch chuyển của với đập.

Phép trắc dọc cũng được thực hiện để xác minh kết quả của GBSAR. Một điểm được chọn từ nền đập làm điểm ổn định theo nguyên tắc cơ bản của trắc dọc. Do đó, các kết quả đo được xử lý và kết quả trắc dọc không thể được so sánh trực tiếp, vì kết quả mà IBIS thu được là sự dịch chuyển dọc theo đường ngắm (không theo phương thẳng đứng).

Trước tiên, dịch chuyển dọc theo đường ngắm (cả radar) cần được chiếu lại theo phương thẳng đứng (bằng pp lượng giác), và sau đó sự khác biệt có thể được tính qua các điểm ở thân đập và đáy (Hình 19). Sai số giữa hai phương pháp quan sát nằm giới hạn trong khoảng ± 2 mm, có khả năng do sự tồn tại của sai số do nhiễu loạn khí quyển. Kết quả xác minh cho thấy rằng phương pháp quan trắc này là đáng tin cậy để giám sát biến dạng đập bằng cách sử dụng radar trên mặt đất - GBSAR. Kết quả từ phương pháp hiệu chỉnh khí quyển này đã được so sánh với kết quả từ phương pháp truyền thống, kỹ thuật GBInSAR có thể được áp dụng trong quan trắc chuyển vị cho các công trình thủy lợi lớn như đập.

Hình 8: Biểu đồ chuyển vị theo thời gian của các điểm đặc trưng.

Hình 9: Kết quả của dữ liệu IBIS-L so với dữ liệu trắc dọc.

3. Kết luận

Công nghệ GBInSAR là một công cụ hữu ích để quan trắc chuyển vị nhờ kỹ thuật đo giao thoa radar, vốn đã được áp dụng trong giám sát chuyển vị cho các công trình lớn như đập, cầu và mái dốc.

So với phương pháp truyền thống, GBInSAR là một loại công nghệ giám sát tiềm năng với độ chính xác cao, khả năng thu ảnh 2D, giám sát trong thời gian thực và mọi điều kiện thời tiết.

Do ảnh hưởng của khí quyển đến pha sóng, bài nghiên cứu này đề xuất một phương pháp để ước tính pha sóng hưởng bởi khí quyển cần được loại bỏ bằng phân tích tán xạ vĩnh viễn. Kỹ thuật này đã được chứng minh là có hiệu quả đối với đập Geheyan được theo dõi liên tục trong 24 giờ trong nghiên cứu này và có thể thu được bản đồ dịch chuyển của đập.

So với kết quả trắc dọc, độ chính xác của công nghệ GBInSAR hoàn toàn có khả năng ứng dụng trong quan trắc chuyển vị cho các công trình lớn như đập thủy điện.

ILTech tổng hợp và biên soạn