Nghiên cứu máy đo sâu hồi âm đa tia và khả năng ứng dụng trong công tác khảo sát công trình ở Việt Nam

Nội dung text: Nghiên cứu máy đo sâu hồi âm đa tia và khả năng ứng dụng trong công tác khảo sát công trình ở Việt Nam

1. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA NGHIÊN CỨU MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM ĐA TIA VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TÁC KHẢO SÁT CÔNG TRÌNH Ở VIỆT NAM ThS. PHẠM VĂN QUANG Công ty cổ phần tư vấn & phát triển hạ tầng Hà Việt ThS. DIÊM CÔNG TRANG Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bài báo giới thiệu sơ lược về nguyên tắc vực xung quanh dự án. Với công nghệ đo sâu truyền hoạt động của máy đo hồi âm đa tia, khả năng ứng thống như đo sào, thước dây, đo sâu hồi âm đơn tia, dụng kỹ thuật trong công tác khảo sát một số dạng chúng ta khó có thể đáp ứng được yêu cầu về kỹ công trình ở Việt Nam như: Khảo sát bến tàu, bến thuật, tiến độ cũng như độ chính xác mà các nhà thầu cảng; khảo sát luồng tàu trên sông và trên biển; khảo thi công trong nước và quốc tế đưa ra. Việc nghiên sát đường ống dẫn dầu, dẫn khí; quy hoạch biển bảo cứu ứng dụng máy đo sâu hồi âm đa tia trong công vệ tài nguyên; Các nghiên cứu về lý thuyết và số tác khảo sát một số dạng công trình biển ở Việt Nam liệu đo đạc thực nghiệm cho thấy việc ứng dụng máy mang tính cấp thiết nhằm giới thiệu công nghệ, đo sâu hồi âm đa tia trong công tác khảo sát địa hình nguyên tắc hoạt động và kết quả thu được khi áp đảm bảo được hạn sai cho phép và mang lại hiệu quả dụng thiết bị này vào sản xuất. kinh tế cao. 2. Khái niệm, nguyên lý cấu tạo và hoạt động của 1. Đặt vấn đề máy đo sâu hồi âm Ở nước ta trong những năm trước đây không có Máy đo sâu hồi âm đa tia (Multibeam Echo nhiều công trình trên biển yêu cầu đo đạc khảo sát địa Sounder-MBES) được phát minh khoảng những năm hình đáy biển với độ chính xác cao, với sự nghiệp 1970 trên cơ sở của máy đo sâu hồi âm đơn tia. Hệ công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, thực hiện thống này cho phép xác định chi tiết bề mặt đáy biển chiến lược phát triển biển Việt Nam đến năm 2020 từ nhiều tia đơn, kết quả một lần đo xác định được chúng ta đang đầu tư rất nhiều công trình, dự án khai hàng trăm điểm độ sâu trên một mặt phẳng vuông góc thác các nguồn lợi từ biển như: phát triển các khu với đường đi của tàu hoặc cả một dải độ sâu có độ kinh tế ven biển (khu kinh tế Nghi Sơn, Vũng Áng, rộng nhất định (mặt cắt), tổng số các mặt cắt dọc của Hòn La, ), cảng trung chuyển hàng hóa quốc tế (cảng Đình Vũ, cảng Vũng Rô, cảng Vân Phong), khai các kênh tín hiệu có thể tạo ra nhiều lần trên một giây. thác dầu, khí đốt, qui hoạch phát triển du lịch biển, Độ rộng dải quét thường gấp từ 2 đến 7 lần độ sâu, bảo vệ tài nguyên, Để đáp ứng nhu cầu phát triển góc mở của chùm tia có thể đạt đến trên 150 độ (tùy đó cần phải khảo sát địa hình đáy biển vùng ven bờ từng loại máy và hãng sản suất) và góc kẹp của các để phục vụ thiết kế nạo vét luồng tàu, bãi đậu, khu tia đơn kề nhau có thể nhỏ hơn 1 độ. (c) Hình 1. Máy đo sâu hồi âm đa tia Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 47
2. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Với hình 1 máy đo sâu hồi âm đa tia có góc mở chùm tia phát là 120 độ, 25 chùm tia sóng phát ra và thu về, góc kẹp của mỗi chùm tia sóng là 2,4 đến 5 độ. Hình 2. Mô tả số liệu tính toán vị trí điểm và độ sâu của nước Bộ phát nhiều chùm tia cứ cách một khoảng thời C - tốc độ âm thanh trong nước; gian nhất định lại phát xuống đáy nước một lần với ti - khoảng thời gian từ lúc phát sóng đến lúc thu một tần số nhất định, tín hiệu phát xuống đáy nước của chùm tia sóng thứ i; phản hồi trở lại được thu bằng hệ thống thu tín hiệu đặt ở thân tàu, giá trị vị trí và độ sâu của chúng được Xi - khoảng cách từ điểm đo sâu đến đường dây tính theo công thức (1): dọi đi qua máy đo; 1  Hi - độ sâu từ máy đo đến đáy nước của chùm tia X i C. ti .sin  i 2 sóng i;  1 Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng sản xuất máy H i C. ti .sos i 2  đo sâu hồi âm đa tia như: hãng ODOM của Mỹ; Trong đó: I - góc kẹp của chùm tia sóng i với Simrad của Đức; Kongsberg của Na Uy; hãng Reson đường vuông góc; của Đan Mạch. Bảng 1. Một số loại máy đo sâu hồi âm Frequency Min/max Model Max swath width Available configuration (kHz) depths (m) Single head: 4,3 x D/580m/130 degrees EM2040C 200-400 0,5 - 500 1 x 1 single and dual head Dual head: 10 x D/690m/200 degrees 0,4 x 0,7; 0,7 x 0,7 Single RX: Single and dual RX conf. for 5,5 x D/800m/140 degrees EM2040 200-400 0,5 - 600 increased swath and with single and Dual RX: dual swath capabillty for increased 10 x D/900m/200 degrees seafloor coverage 1 x 2; 2 x 2* EM710RD 70-100 3 - 600 5,5 x D/1100m/140 degrees * Short CW transmit pulses 0,5 x 1; 1 x 1; 1 x 2 and 2 x 2* EM710S 70-100 3 - 1400 5,5 x D/1800m/140 degrees * CW transmit pulses 0,5 x 1; 1 x 1; 1 x 2 and 2 x 2* EM710 70-100 3 - 2000 5,5 x D/2300m/140 degrees * CW and FM transmit pulses 0,5x1; 1x1; 1x2 ; 2x2 ; 2x4; 4x4* EM302 30 10 - 8000 6 x D/10-11km/143 degrees * Other customer specific conf. available on request 0,5x1; 1x1; 1x2 ; 2x2 and 2x4* EM122 12 50 - 11000 6 x D/35-40km/143 degrees * Other customer specific conf. A on R Với một bộ máy đo sâu đa tia, cụ thể với máy MB1 do hãng ODOM sản xuất có nguyên lý cấu tạo và hoạt động như hình 3. 48 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
3. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình 3. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy đo sâu hồi âm đa tia 3. Giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ chính xác 3.1 Xử lý các nguồn sai số do tác động của môi trường Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo sâu như: lắc ngang - Roll, lắc dọc - Pitch, lệch hướng chạy tàu - Heading và sự dao động của tàu theo phương thẳng đứng - Heave. Hình 4. Trạng thái của tàu chịu tác động của môi trường Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 49
4. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Nhờ có bộ cảm biến các giá trị độ sâu tính được đã loại bỏ các nguồn sai số do tác động của môi trường đo gây nên như sóng, gió, thủy chiều. 3.2 Giải pháp định vị Với các máy thu DGPS có khả năng tích hợp 2 dữ liệu GPS và GLONASS để giải bài toán định vị đã cho độ chính xác rất cao < 10 cm với độ ổn định tới 95 %. Giải pháp này còn ưu việt hơn cả là không phụ thuộc vào vị trí khảo trên biển, thiết bị gọn nhẹ và kết nối với các thiết bị đo sâu đơn giản. Hình 5. Thu và xử lý tín hiệu định vị Hình 6. Hệ thống đo triều tự động Với các máy đo sâu đơn tia không có thiết bị đo Ninh với tổng số vốn đầu tư trên 155 triệu USD do triều tự động nên mỗi khi đo tại khu vực nào đó cần tổ Công ty TNHH HALA Việt Nam làm tổng thầu thi công chức đo thủy chiều bằng phương pháp đọc số trực xây dựng. Quy mô công suất thiết kế, khai thác của 3 tiếp qua mức nước trên thước đo và ghi lại thời gian bến: Tổng chiều dài 594 m; chiều sâu trước bến -13 đọc số. Với máy đo sâu đa tia công việc này được thực hiện tự động qua bộ đo triều ký, số liệu thu được m hải đồ; độ sâu luồng tuyến khai thác -10 m hải đồ; trút vào bộ xử lý thông qua cổng COM. bề rộng tuyến luồng 130 m; khả năng thông qua của 4. Ứng dụng thực nghiệm máy đo sâu hồi âm trong cảng có công suất thiết kế tối đa đạt 1.000.000 TEUs. công tác khảo sát công trình biển ở Việt Nam Khi đi vào hoạt động cảng có thể tiếp nhận tàu Dự án đầu tư xây dựng các bến cảng số 2, 3 và 4 container sức chở 3.000 ÷4.000 TEUs và tàu hàng rời cảng Quốc tế Cái Lân – Tp. Hạ Long - tỉnh Quảng trọng tải đến 50.000 DWT. Hình 7. Toàn cảnh xây dựng cảng Container Cái Lân – Tp. Hạ Long - Quảng Ninh Dự án có khối lượng nạo vét rất lớn, tư vấn giám đo sâu hồi âm đa tia đã được nhà thầu lựa chọn để đo sát và nhà thầu yêu cầu phải cung cấp dữ liệu đo đạc đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển khu vực dự án. bản đồ với chu kỳ 2 ÷ 3 ngày/lần để tính toán khối Sản phẩm bản đồ khu vực bến số 3 được đo lượng và biện pháp thi công. Với tính năng ưu việt vượt trội về thời gian, mật độ điểm, độ chính xác máy bằng máy đo sâu hồi âm đa tia 50 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
5. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bình đồ cảng Container Cái Lân – TP. Hạ Long – Quảng Ninh Tỷ lệ: 1/500 80 1 7 2 4 90 1 7 2 4 00 2 7 2 4 10 2 7 2 4 20 2 7 2 4 -11.50 -11.50 2320580 2320580 -11.50 2320570 2320570 -11.50 -11.50 Matcat 02 2320560 Mat cat 01 2320560 -11.50 -11.50 2320550 2320550 2320540 2320540 -11.50 80 1 7 2 4 90 1 7 2 4 00 2 7 2 4 10 2 7 2 4 20 2 7 2 4 - Hệ tọa độ VN 2000 - Mật độ điểm 1x1m - Hệ cao độ Hòn Dấu - Đường đồng mức 0,5m Hình 8. Bản đồ đáy biển được biên tập từ dữ liệu máy đo sâu hồi âm đa tia Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 51
6. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Km:0+00 Km:0+46 Mat cat 01 MSS:-21.00 CaoCao ®éđộ t ựtù nhiên nhiªn -1.39 -1.56 -2.42 -3.40 -4.30 -5.01 -5.89 -6.99 -7.59 -8.28 -9.01 -9.68 -10.17 -10.28 -10.29 -10.16 -10.19 -10.13 -10.07 -10.30 -10.74 -10.78 -10.83 -10.59 Cự lyCù lẻ ly lÎ 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 CùCự ly c céngộng d ồdånn 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00 42.00 44.00 46.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Tên Tªncọc cäc 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Hình 9. Mặt cắt đáy biển được nội suy từ mô hình độ cao trên bản đồ 5. Kết luận này phù hợp với khu đo có độ sâu trong khoảng 0 ÷ Với kết quả thu được có thể đi đến các kết luận: 500 m như máy EM2040C. - Việc ứng dụng máy đo sâu hồi âm đa tia trong TÀI LIỆU THAM KHẢO công tác khảo sát địa hình để thành lập bản đồ địa 1. ĐẶNG NAM CHINH, Nghiên cứu hoàn thiện các chỉ tiêu hình đáy biển cho độ chính xác cao đáp ứng được kỹ thuật và quy trình công nghệ đo đạc biển ở Việt tiến độ theo yêu cầu, mang lại hiệu quả kinh tế cao; Nam, Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp bộ (Bộ Giáo dục và Đào tạo). Mã số: B-2007-02-35, 8/2010. - So với các phương pháp đo đạc truyền thống máy đo sâu hồi âm đa tia có những tính năng ưu việt sau: 2. HOÀNG TRẦN PHƯƠNG, Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật của máy đo sâu hồi âm đa tia ATLAS + Các thiết bị hiện đại, đồng bộ và độ ổn định cao HYDROSWEEP MD-2 và khả năng ứng dụng trong giúp cho quá trình đo đạc được thực hiện tự động hóa công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển, Luận văn thạc hoàn toàn; sĩ kỹ thuật, Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội, 2008. + Giải pháp kỹ thuật đã loại trừ các nguồn sai số do 3. TRẦN VIẾT TUẤN, PHẠM DOÃN MẬU, Giáo trình trắc môi trường đo đạc trên biển gây nên như gió, sóng địa biển, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2011. biển và thủy chiều. Phương pháp định vị với thiết bị thu 4. ALEX OSBORNE, LAM KAI WING. GcGPS for offshore tiên tiến cho phép đo đạc ở bất cứ nơi đâu mà độ tide measurement, Geomatics World. chính xác vẫn rất cao cỡ < 10 cm và ổn định đến 95%; 5. U.S Army Corps Engineers, Engineering and Design + Khả năng quét được 100% đáy biển cung cấp Hydrographic surveying, Department of the Army, mô hình số địa hình chính xác và trung thực hơn Washington DC, 2004. nhiều so với phương pháp truyền thống. 6. A Division of C&C Technologies, C-Nav GPS System - Với độ chính xác đạt được máy đo sâu hồi âm Operations Manual, Washington DC, 2003. đa tia còn được ứng dụng trong công tác khảo sát 7. Trimble R7 GNSS, USA. lòng hồ thủy điện, đập nước phục vụ tưới tiêu để xác định khối lượng bùn lắng trong mùa mưa lũ. 8. Neptune training course, Kongsberg 2010. - Khi khảo sát đáy sông, khu quy hoạch cảng biển 9. Sis & EM 710 training course, Kongsberg 2010. ở Việt Nam nên dùng các máy có tần số cao, các máy Ngày nhận bài sửa: 18/8/2014. 52 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014