Category Archives: News

NGHIÊN CỨU, KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG KHỐI BÊ TÔNG XÂY DỰNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU SÓNG ĐỊA CHẤN

 NGUYỄN VĂN QUÝ, DƯƠNG VĂN HUYÊN

Tóm tắt: Phương pháp chiếu sóng địa chấn đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới  để kiểm tra chất lượng, quan trắc các khối bê tông xây dựng ở  thân đập chứa nước, cầu cống và các công trình xây dựng dân dụng khác. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc áp dụng phương pháp trong giải quyết các bài toán thực tế dạng này còn rất hạn chế do thiếu thông tin và hiểu biết đầy đủ về khả năng của phương pháp. Trong bài báo này các tác giả xin giới thiệu sơ lược về cơ sở lý thuyết, tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp chiếu sóng địa chấn trong nghiên cứu kiểm tra chất lượng khối bê tông xây dựng và một số kết quả nghiên cứu thử nghiệm trên  thân đập bê tông ở Việt Nam.

  1. Đặt vấn đề

Gần đây các công trình xây dựng đặc biệt là các đập thủy điện, thủy lợi đã xảy ra một số vấn đề liên quan đến chất lượng khối đổ bê tông. Hiện tượng rò rỉ nước với lưu lượng lớn qua thân đập, đổ sập các hạng mục công trình khi đang thi công, … đặt ra một vấn đề là cần tìm kiếm một phương pháp không phá hủy để kiểm tra chất lượng khối đổ bê tông ở các công trình xây dựng nói chung và đập thủy điện, thủy lợi nói riêng, góp phần vào việc dự báo sự ổn định và an toàn của các công trình xây dựng.

Ở Việt Nam hiện tại, công việc kiểm tra bê tông bằng các phương pháp không phá hủy (NDT) chỉ được thực hiện bằng phương pháp đo siêu âm, hạn chế của phương pháp này chỉ nghiên cứu được những cấu trúc bê tông kích thước nhỏ một vài mét. Trong khi đó, phương pháp chiếu sóng địa chấn sử dụng để kiểm tra chất lượng khối bê tông xây dựng chưa được nghiên cứu và triển khai ở bất kỳ công trình nào.

Trên thế giới, phương pháp chiếu sóng địa chấn đã được sử dụng rộng rãi để kiểm tra, quan trắc sự làm việc các khối bê tông của thân đập, cầu cống và các công trình xây dựng dân dụng khác. Nó được dùng để phát hiện các vị trí bê tông kém chất lượng, các vị trí tồn tại nhiều lỗ rỗng, tìm kiếm xác định mức độ phát triển của các khe nứt trên thân đập hay công trình xây dựng, đồng thời quan trắc sự thay đổi khối bê tông khi chưa có tải trọng và khi có tải trọng, sự thay đổi của khối bê tông theo thời gian, quan trắc sự thay đổi của khối bê tông thân đập trước và sau khi có sự cố hay có tác động của ngoại lực góp phần phát hiện, đánh giá các tác nhân gây mất an toàn của đập và các công trình xây dựng. Ngoài ra, khi liên kết với tài liệu thí nghiệm ở trong phòng, ngoài trời trên các khối bê tông đầm lăn hay bê tông trọng lực, người ta có thể xác định được các tham số cơ lý như mô đun đàn hồi động, cường độ kháng nén, hệ số Poisson,… của khối bê tông ở trạng thái không bị phá hủy.

  1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng

Phương pháp chiếu sóng địa chấn được nghiên cứu ứng dụng nhiều trên thế giới trong kiểm tra các cấu trúc bê tông, dưới đây là một số công trình và tác phẩm tiêu biểu:

Chiếu sóng địa chấn lần đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu, kiểm tra chất lượng khối bê tông thân đập và khối đá nền móng ở đập Theodore Roosevelt, bang Arizona, Hoa Kỳ năm 1988 sau khi nó bị hư hại nặng sau trận lụt năm 1980 và phải tiến hành sửa chữa [4]. Chiếu sóng địa chấn tại công trình này được tiến hành trong 07 hố khoan ở thân đập tạo thành 06 mặt cắt bao gần kín mặt cắt dọc thân đập. Từ kết quả các lát cắt tốc độ truyền sóng dọc và sóng ngang thu được kết hợp với kết quả thí nghiệm mẫu nõn khoan, đã kết luận chất lượng bê tông và đá móng vẫn đảm bảo cho đập hoạt động an toàn.

Năm 1992, Ấn Độ công bố tiêu chuẩn IS 13311 về các phương pháp thí nghiệm bê tông không phá hủy, đây là một cơ sở quan trọng dùng để đánh giá chất lượng bê tông bằng phương pháp chiếu sóng [3].

Năm 1998, Cơ quan an toàn đập Hoa Kỳ  thực hiện đề tài DSO98-02: “Chiếu sóng địa chấn các cấu trúc bê tông – Giai đoạn I: Thử nghiệm thiết bị”. Đề tài này được thực hiện nhằm tìm kiếm các thiết bị thu phát tối ưu cho phương pháp chiếu sóng địa chấn khi thực hiện trên các cấu trúc bê tông lớn như thân đập [5].

Năm 2001, Edward D. Billington và nnk [2], công bố kết quả quan trắc chiếu sóng siêu âm thực hiện năm 1974, 1986 và 1998 tại đập Lake Logan, bang North Carolina, Hoa Kỳ. Chiếu sóng được thực hiện tại 28 mặt cắt vuông góc thân đập. Kết quả chiếu sóng năm 1998 chỉ ra rằng chưa có sự suy giảm chất lượng bê tông so với năm 1986, tuy nhiên do độ phân giải cao hơn nên kết quả năm 1998 chỉ ra thêm một số dị thường nhỏ có tốc độ truyền sóng thấp. Các dị thường này liên quan đến một số khe nhiệt, khe nứt và một số đới yếu kém chất lượng trong bê tông, và được xử lý bằng chất chống keo thấm bởi thợ lặn sau đó.

Năm 2002, Cơ quan an toàn đập Hoa Kỳ  thực hiện đề tài DSO02-03: “Chiếu sóng địa chấn các cấu trúc bê tông – Giai đoạn II: Phát triển phần cứng và phần mềm + Giai đoạn III: Thí nghiệm chiếu sóng địa chấn ở đập Seminoe” [6]. Đề tài này được thực hiện nhằm xây dựng và phát triển thiết bị, phần mềm và thử nghiệm ở thực địa trên cấu trúc bê tông thân đập Seminoe, bang Wyoming. Từ kết quả thu được, các tác giả thực hiện đề tài kiến nghị: Phương pháp chiếu sóng địa chấn có thể sử dụng để kiểm tra chất lượng khối bê tông thân đập và các cấu trúc bê tông xây dựng được làm từ các loại vật liệu khác nhau [trang 42, 6]. Cũng theo các tác giả của đề tài này công ty IMEIS, Italy trong vòng 10 năm đã kiểm tra hơn 100 đập lớn ở Châu Âu bằng phương pháp chiếu sóng địa chấn.

Vassilios K. Karastathis và nnk (2002) đã tiến hành đánh giá tính chất của bê tông bão hòa cao bằng chiếu sóng âm một chiều ở đập Marathon – Hy Lạp. Kết quả thu được cho thấy phương pháp chiếu sóng âm một chiều khi kết hợp với phương pháp ảnh điện đã đánh giá được khá tốt tình trạng thân đập.

Mingjie Zhao (2004) công bố kết quả nghiên cứu chiếu sóng siêu âm ở nhà máy thủy điện Gong Zui, Trung Quốc tại hội nghị lần thứ 29 về “Thế giới cấu trúc bê tông của chúng ta” tổ chức tại Singapo ngày 25-26, tháng 8 năm 2004.

Hiệp hội đập lớn thế giới (ICOLD) đã xuất bản Bulletin Rough 145 với tiêu đề: Các tính chất vật lý của bê tông ở đập (The physical properties of hardened conventional concrete in dams) trong đó có kiến nghị sử dụng phương pháp chiếu sóng địa chấn để kiểm tra chất lượng bê tông thân đập.

  1. Sơ lược về cơ sở lý thuyết

Vào đầu những năm 1970, học giả người Anh G. Honsfield đã phát minh ra công nghệ chụp cắt lớp (CT) và nó đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong y học. Công nghệ này dựa vào việc phát và thu sóng siêu âm hay năng lượng bức xạ gama, xử lý chúng để đưa ra hình ảnh của những phần “không nhìn thấy” trong cơ thể con người [7]. Công nghệ CT đã nhanh chóng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong nghiên cứu địa kỹ thuật, địa chất công trình, quan trắc đánh giá trữ lượng mỏ trong khai thác dầu khí, quan trắc an toàn trong khai thác mỏ than và khoáng sản, nghiên cứu địa chất thủy văn, môi trường và đặc biệt là kiểm tra chất lượng các khối bê tông xây dựng,… với tên gọi là chiếu sóng địa chấn, chiếu sóng siêu âm hay chiếu sóng nói chung.

So do nguyen ly chieu song

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý phương pháp chiếu sóng địa chấn

Chụp cắt lớp là một kỹ thuật giải ngược xác định sự phân bố trong không gian một thông số vật lý nhất định như sự suy giảm của tia gama bên trong một đối tượng quan tâm bằng việc đo phản ứng của đối tượng với  nguồn năng lượng khảo sát từ nhiều hướng. Ban đầu người ta sử dụng tia gama làm nguồn năng lượng để chụp ảnh cắt lớp trong y học, sau đó người ta phát triển chụp cắt lớp bằng sóng siêu âm. Ứng dụng thành công chụp cắt lớp siêu âm là nền tảng khởi đầu cho sự phát triển phương pháp chiếu sóng địa chấn. Trong chiếu sóng địa chấn, nguồn năng lượng để khảo sát là sóng đàn hồi và các đối tượng khảo sát là các bất đồng nhất nằm bên dưới bề mặt, giữa các hố khoan hay giữa các mặt thoáng. Bằng sử dụng sóng địa chấn với các bước sóng khác nhau, các bất đồng nhất với các kích thước khác nhau được khảo sát và giải đoán để xây dựng lại hình ảnh [9].

So do minh hoa duong di cua tia song tren mo hinh

Hình 3.2 Sơ đồ minh họa đường đi của tia sóng trên mô hình

Phương pháp chiếu sóng địa chấn cho kết quả là các hình ảnh lát cắt 2D hay khối 3D của các vật thể 3 chiều bằng việc chiếu một số loại tia sóng khác nhau, quan sát sự thay đổi của các tia này khi đi qua vật thể (sự suy giảm năng lượng và thời gian sóng tới) và xử lý chúng [9]. Hình 3.1 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp chiếu sóng địa chấn. Phát dao động sóng địa chấn được thực hiện trong một hố khoan, hầm ngang hay mặt thoáng (đập hay cầu cống), thu sóng địa chấn được thực hiện ở hố khoan, hầm ngang hay mặt thoáng còn lại.

Việc xử lý để đưa ra hình ảnh lát cắt tốc độ truyền sóng của vật thể được thực hiện thông qua mô hình và các thuật toán. Bằng việc đưa ra các mô hình tiên đoán ban đầu từ các  thông tin suy giảm năng lượng, thời gian sóng tới và giải lặp trên mô hình đó người ta có thể xác định được lát cắt tốc độ truyền sóng của môi trường [9]. Từ lát cắt tốc độ truyền sóng này có thể đánh giá được đặc điểm về hình dạng và tính chất của các đối tượng cần nghiên cứu nằm bên trong vật thể.

Để đánh giá chất lượng khối bê tông xây dựng có thể dựa vào quan hệ giữa chất lượng khối bê tông và tốc độ truyền sóng được nghiên cứu Leslie và Cheeseman [2] hoặc tiêu chuẩn Ấn Độ IS13311 [3] trình bày ở bảng.

STT Mô tả chung bê tông Tốc độ truyền sóng dọc, Vp(km/s)
1 Rất tốt >  4,5
2 Tốt 3,5 – 4,5
3 Trung bình 3,0 – 3,5
4 Nghi ngờ chất lượng < 3,0
  1. Kết quả thử nghiệm

Đập thủy điện Sông Bung được đặt trên sông Bung thuộc địa phận huyện Đông Giang, tỉnh Quảng Nam. Công trình nằm cách thành phố Đà Nẵng khoảng 60 km về phía Tây, có công suất lắp máy là 57 MW, chiều dài thân đập là 287 m, cao trình đỉnh đập 68 m, cao trình đáy đập 26,5 m. Đập dâng ở hai bên bờ phải và bờ trái có chiều rộng thiết kế là 8 m. Khối lượng bê tông thiết kế gần 30.000 m3

So do bo tri diem phat, thu song va mo hinh chieu song dia chan theo tia

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí điểm phát, thu sóng và mô hình chiếu sóng địa chấn theo tia

Tại đập thủy điện Sông Bung, đã tiến hành thử nghiệm phương pháp chiếu sóng địa chấn theo mô hình 2D tại một số mặt cắt vuông góc với đập dâng bờ trái.  Hình 4.1 là sơ đồ bố trí điểm phát (S), điểm thu (R) và mô hình chiếu sóng theo tia tại mặt cắt MC44 cách đầu đập dâng bờ trái 44 m. Để tiến hành thu sóng địa chấn đã sử dụng trạm địa chấn StrataVisor NZ24 và các thiết bị đồng bộ. Khoảng cách giữa các máy thu và giữa các điểm phát sóng là 1 m. Phát sóng được tiến hành ở phía hạ lưu đập, thu sóng được tiến hành ở phía thượng lưu đập. Tại thời điểm thử nghiệm, đập đang trong giai đoạn hoàn thành chuẩn bị bước vào giai đoạn tích nước phát điện.

Lat cat toc do truyen song doc

Hình 4.2. Lát cắt tốc độ truyền sóng dọc thu được ở MC44, đập dâng bờ trái nhà máy thủy điện Sông Bung

Hình 4.2 là lát cắt tốc độ truyền sóng thu được ở MC44 sau xử lý. Kết quả thu được cho thấy tốc độ truyền sóng dọc dao động từ 2,9 – 4,9 km/s. Theo tiêu chuẩn IS 13311 nhìn chung bê tông ở mặt cắt này có chất lượng tốt, tuy nhiên khối bê tông phía hạ lưu từ cao trình 54 – 57 m có tốc độ truyền sóng V £ 3,5km/s có chất lượng cần xem xét.

Kết luận và kiến nghị

Kết quả thử nghiệm bước đầu cho thấy phương pháp chiếu sóng địa chấn có khả năng nghiên cứu, kiểm tra chất lượng các khối bê tông lớn ở Việt Nam, cho kết quả nhanh với giá thành phải chăng. Đặc biệt hơn cả nó là một phương pháp thí nghiệm không phá hủy, do vậy khi tiến hành thí nghiệm không làm ảnh hưởng đến an toàn và chất lượng của cấu trúc bê tông. Tuy nhiên để áp dụng rộng rãi trong sản xuất cần nghiên cứu hoàn thiện hơn qui trình thi công, xử lý và minh giải  tài liệu và sự ủng hộ nhiệt tình của các cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và an toàn xây dựng.

Tài liệu tham khảo

[1] Bulletin rough 145: The physical properties of hardened conventional concrete in dams, International Commission On Large Dams (ICOLD).
[2] Edward D. Billington, Dennis A. Sack and Lary D. Olson (2001), Sonic pulse velocity testing to assess condition of a concrete dam, Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems 2001.
[3] Indian Standard IS code 13311 (Part I) (1992),  Nondestructive Testing of concrete- Methods of  Test, Bureau of Indian standards, Manak Bhavan, 9 Bahadur Shah Zafar Maro, NEW DELHI.
[4] Jerry Wright, Hunter C. Harrell (1988), Cross-Hole Seismic Tomography for Engineering Evaluationate Theodore Roosevelt Dam, Arizona, 1988 SEG Annual Meeting, 30 October – 3 November, Anaheim, California, US.
[5] Liisa Block (1998), Report N0, DSO-98-02: Seismic Tomography of concrete structure – Phase I: Equipment test, Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Dam Safety Office, Denver, Colorado, US.
[6] Liisa Block (2002), Report N0, DSO-02-03: Seismic Tomography of concrete structure – Phase II: Hardware and software development, Phase III: Field test at Seminoe Dam, Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Dam Safety Office, Denver, Colorado, US.
[7] Mingjie Zhao, Xibin Xu, Xujun Wang (2004), The concrete wave-velocity tomography and it’s application in hydro-structure testing, 29th Conference on Our World in concrete & structure: 25 – 26 August, 2004, Singapore.
[8] Suryono, Kusminarto, Gede Bayu Suparta and Aris Sugiharto (2011),Ultrasonic computed tomography system for concrete inspection,International Journal of Civil and Environmental Engineering, vol.11, No.5, pp.17-22.
[9] Tien-when Lo and Philip Inderwiesen (1994), Fundamental of seismic tomography, Society of Exploration Geophysicists, United States of America.
[10] Vassilios K. Karastathis, Petros N. Karmis, George Drakatos, George Stavrakakis (2002), Assessment of the dynamic properties of highly saturated concrete using one-sided acoustic tomography – Application in the Marathon Dam, Construction and Building Materials, vol.16, No.5, pp.261-269.