Giáo trình Xử lý ảnh hưởng của môi trường 3D nhằm nâng cao hiệu quả giải thích tài liệu đo sâu điện 2D trên các công trình đê đập ở Việt Nam

Nội dung text: Giáo trình Xử lý ảnh hưởng của môi trường 3D nhằm nâng cao hiệu quả giải thích tài liệu đo sâu điện 2D trên các công trình đê đập ở Việt Nam

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 54, 04/2016, (Chuyªn ®Ò §Þa vËt lý), tr.39-44 XỬ LÝ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG 3D NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ GIẢI THÍCH TÀI LIỆU ĐO SÂU ĐIỆN 2D TRÊN CÁC CÔNG TRÌNH ĐÊ ĐẬP Ở VIỆT NAM PHẠM NGỌC KIÊN, Trường Đại học Mỏ - Địa chất NGUYỄN NHƯ TRUNG, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tóm tắt: Số liệu đo sâu điện 2D trên các công trình đê đập ở Việt Nam bị méo do ảnh hưởng từ không khí bên ngoài mái đập và nước tích trong đập. Dựa trên các mô hình lý thuyết 3D và 2D, nhóm tác giả đã đánh giá sai số do hai hiệu ứng của môi trường 3D trên gây ra lên số liệu đo sâu điện 2D ở các công trình này. Các kết quả trên mô hình cho thấy hệ thiết bị ba cực là tối ưu để áp dụng đo ghi trên các công trình đê đập. Quy trình xử lý nhằm loại bỏ ảnh hưởng của môi trường 3D lên kết quả đo sâu điện 2D đã được áp dụng với mô hình lý thuyết và tài liệu thực tế, trên cơ sở thông tin tiên nghiệm về điện trở suất của đá gốc, điện trở suất của thân đập, điện trở suất của nước chứa trong đập và các tham số hình học của đập qua sơ đồ hoàn công, cho thấy hiệu quả khi hiện tượng méo tín hiệu được cải thiện đáng kể. Bài báo đã đưa ra được một quy trình từ khâu đánh giá ảnh hưởng của môi trường 3D lên kết quả đo sâu 2D, đến khâu hiệu chỉnh để giảm bớt ảnh hưởng này. 1. Mở đầu giải thuận 3D để đưa vào giải ngược 2D, từ đó Cấu trúc địa chất của các công trình đê, đập đưa ra phân tích định lượng về sự sai lệch của thường có dạng ba chiều (3D) sẽ làm méo các phân bố tính chất điện do ảnh hưởng của địa mặt cắt điện trở suất biểu kiến khi chúng ta tiến hình và mực nước chứa trong công trình , [4, hành đo sâu điện 2D trên các công trình này. 10]. Tuy nhiên các nghiên cứu trên đều chưa đề Vấn đề hiệu chỉnh nhằm loại bỏ các ảnh hưởng cập đến việc loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố 3D không mong muốn lên số liệu đo sâu điện 3D để giúp cho quá trình minh giải chính xác 2D trên các tuyến đo trên đập là hết sức cần hơn. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu thiết để nâng cao độ tin cậy và tính chính xác đánh giá ảnh hưởng của môi trường đê, đập của kết quả phân tích. Ở Việt Nam gần như (môi trường 3D) lên kết quả đo sâu điện 2D, chưa có nghiên cứu nào về việc xử lý, hiệu trên cơ sở đó đưa ra quy trình xử lý, hiệu chỉnh chỉnh ảnh hưởng của các đối tượng 3D lên số số liệu thực địa để loại bỏ ảnh hưởng của các liệu đo sâu điện 2D. Tuy nhiên, trên thế giới đã yếu tố 3D lên mặt cắt 2D nhằm đạt được kết có một số công trình nghiên cứu về vấn đề này quả phân tích ngược 2D tốt hơn. Ngoài ra như: Salmon và Johansson (2003) [5] đã đề cập nghiên cứu này còn đề xuất lựa chọn hệ thiết bị đến hiệu ứng 3D gây khó khăn cho việc phân đo phù hợp khi tiến hành khảo sát đê đập. tích định lượng đối với thân đập; Cho và Yeom 2. Ảnh hưởng của môi trường 3D lên kết quả (2007) [2] đã áp dụng đo vẽ điện trở suất theo đo sâu điện 2D tuyến cắt ngang qua trục của đập để vạch ra dị Để nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu trúc thường của đường dịch chuyển của dòng chất 3D lên mặt cắt đo sâu điện 2D chúng tôi sử lưu rò rỉ qua đập, Sjodahl và nnk (2006) [8] dụng mô hình mô phỏng một đập nước như trên cũng thực hiện các quan trắc điện trở suất có hình 1. Mô hình này sẽ được tính toán theo hai xem xét đến ảnh hưởng của địa hình và các tính trường hợp: (1) trường hợp hồ chứa không tích chất của vật liệu xây dựng đập; Công trình nước và (2) trường hợp hồ chứa có tích nước. nghiên cứu sâu nhất theo hướng này là của Các tham số điện trở suất của mô hình được lựa Seokhoon Oh (2012) [6] đã tiến hành mô hình chọn theo các cách sau: (i) Dựa vào kinh hóa thân đập theo cấu trúc 3D và lấy kết quả nghiệm và các tài liệu địa vật lý có trước của 39
2. vùng nghiên cứu, hoặc tài liệu ở các vùng có mặt đập, các phần không khí hai bên thân đập đặc điểm vật lý địa chất tương tự; (ii) Thực được xấp xỉ bằng lớp có điện trở suất là vô cùng hành đo trên một số tuyến thí nghiệm để thu (lớn hơn nhiều lần điện trở suất của các đối được các tham số của các loại đất đá khác nhau tượng khác). cấu tạo nên đập; (iii) Tiến hành khoan thăm dò Độ lệch giữa kết quả tính thuận 2D và 3D và lấy mẫu về đo tham số, hoặc đo karota lỗ chính là ảnh hưởng của môi trường 3D lên số khoan để xác định tham số Các tham số khác liệu đo sâu điện 2D. Giá trị này được tính theo như chiều dài đập, chiều cao đập, độ dốc của công thức: thân đập, mực nước chứa trong đập được tham khảo từ sơ đồ hoàn công của công trình. dolech 32DD.100(%) , (1) Để tính toán giá trị điện trở suất biểu kiến 2D cho các loại hệ điện cực khác nhau cho mô hình trong đó: 3D (hình 1a) và 2D (hình 1b), chúng tôi đã sử dụng các chương trình tính thuận RES3DMOD 3D là điện trở suất biểu kiến của mô hình và RES2DMOD của Loke (1997). Trong trường ba chiều; hợp 3D, để sử dụng được phần mềm là điện trở suất biểu kiến của mô hình RES3DMOD tính được cho mô hình đập nước 2D (hình 1a), chúng tôi lấy mặt phẳng tính toán là hai chiều có cùng tham số điện trở suất. Hình 1. Mô hình thân đập tích đầy nước (a), mặt cắt hai chiều qua thân đập (b) 2.1. Trường hợp mô hình hồ chứa không tích của mặt cắt điện trở suất biểu kiến của mô hình nước 2D so với mặt cắt điện trở suất biểu kiến trong Các tham số hình học của mô hình được sử trường hợp tính cho mô hình 3D với các hệ thiết dụng như trên hình 1 với giá trị điện trở suất bị Wenner, Schlumbeger, hệ hai cực (P-P), hệ của thân đập là 300 Ωm, điện trở suất của đá ba cực (P-D), hệ lưỡng cực trục (D-D) và hệ gốc phần vai đập và móng là 1000 Ωm, điện trở lưỡng cực xích đạo (ED-ED). Trong bảng 1 cho suất của không khí ngoài mái đập được chọn là thấy, hệ điện cực ED-ED bị ảnh hưởng lớn nhất 400.000 Ωm. Khoảng cách đều giữa các điện của địa hình mái đập lên mặt cắt điện trở suất cực a= 5m. Bảng 1 là kết quả tính toán độ méo 2D. Các hệ điện cực ít bị ảnh hưởng hơn trong 40
3. trường hợp này lần lượt là hệ điện cực P-P, P- lệch giữa mặt cắt điện trở suất biểu kiến 2D D, Wenner và Schlumberger. Hệ điện cực ít bị (hình 1b) và mặt cắt này trong trường hợp mô ảnh hưởng nhất bởi địa hình của mái đập trong hình 3D. Theo kết quả tính toán cho ta thấy trường hợp này là hệ điện cực P-P (xem bảng 1) rằng lát cắt điện trở suất biểu kiến của các hệ 2.2. Trường hợp mô hình hồ chứa tích nước điện cực D-D, hệ P-P và hệ Wenner bị méo Trong mô hình hồ chứa tích nước chúng tôi nhiều hơn so với các hệ cực còn lại. Mặt cắt thêm vào khối nước ở phần thượng lưu của đập điện trở suất biểu kiến của hệ điện cực với độ cao mặt nước -2m so với mặt đập (xem Schlumberger và hệ điện cực P-D bị ảnh hưởng hình 1a). Điện trở suất của khối nước cho bằng ít nhất của địa hình mái đập và khối nước trong 30 Ωm. Bảng 2 là kết quả tính toán xác định độ hồ chứa. Bảng 1. Giá trị độ lệch trung bình của mặt cắt điện trở suất biểu kiến của mô hình 2D và mô hình đập 3D không tích nước đối với các loại hệ điện cực khác nhau Độ Khoảng Độ lệch Độ lệch Khoảng Độ lệch Hệ cực Hệ cực lệch mở (n) (%) (Ωm) mở (n) (Ωm) (%) 2 41.03 135.45 2 37.57 123.6 Wenner 4 62.68 255.34 Ba cực 4 64.42 236.24 6 61.55 318.61 P-D 6 74.38 311.54 8 50.41 327.72 8 77.1 366.72 2 35.88 115.68 Lưỡng 2 22.44 70.22 Schlumberger 4 59.75 220.68 cực trục 4 55.34 171.16 6 65.58 286.23 D-D 6 78.47 250.99 8 63.55 328.38 8 93.08 319.06 2 39.18 184.51 Lưỡng 2 5.42 23.39 Hai cực 4 39.47 237.06 cực xích 4 -42.58 -165.38 P - P 6 33.97 239.65 đạo 6 -68.93 -318.51 8 27.93 220.87 ED-ED 8 -81.97 -442.64 Bảng 2. Giá trị độ lệch trung bình của mặt cắt điện trở suất biểu kiến của mô hình 2D và mô hình đập tích nước đối với các loại hệ điện cực khác nhau Độ Khoảng Độ lệch Độ lệch Khoảng Độ lệch Hệ cực Hệ cực lệch mở (n) (%) (Ωm) mở (n) (Ωm) (%) 2 2.26 7.93 2 12.9 41.83 4 -23.24 -99.27 Ba cực 4 -3.19 -13.7 Wenner 6 -36.85 -195.39 P-D 6 -21.68 -95.07 8 -41.78 -272.81 8 -33.2 -164.46 2 12.79 41.49 Lưỡng cực 2 17.52 53.44 Schlumberger 4 -3.83 -14 trục 4 6 16.59 6 -22.73 -99.28 D-D 6 -11.1 -44.09 8 -34.25 -176.99 8 -25.15 -99.85 2 -19.71 -92.44 2 -13.46 -41.23 Lưỡng cực Hai cực 4 -33.22 -191.42 xích đạo 4 -34.8 -134.6 P-P 6 -38.07 -249.6 ED-ED 6 -35.71 -162.26 8 -39.47 -282.8 8 -37.87 -200.9 41
4. 2.3. Lựa chọn hệ điện cực đo cho mô hình đập khoảng mở n = 8 của hệ điện cực 3 cực. Kết quả Các kết quả tính mô hình nêu trên cho thấy hiệu chỉnh cho thấy nếu ta chọn đúng các tham hệ điện cực ED chịu ảnh hưởng lớn nhất của số điện trở suất của các lớp thì giá trị độ lệch môi trường 3D lên kết quả đo sâu điện 2D, do của số liệu sau khi xử lý đạt được là 2,11%. vậy hệ điện cực này không nên sử dụng trong Điều này cho thấy chúng ta có thể loại bỏ được đo đạc trên đê đập. Hệ điện cực Wenner cũng hầu hết các ảnh hưởng của môi trường 3D lên không nên ứng dụng để đo ghi trên các đối kết quả đo sâu 2D khi chúng ta biết được điện tượng đê đập vì nó có sai số lớn khi đo trong trở suất của các lớp (điều này chúng ta có thể đo điều kiện đập tích nước, hơn nữa, trên thực tế được trên thực tế và trong phòng thí nghiệm). chiều dài tuyến đo thường ngắn (chỉ từ 100 đến Khi chúng ta chọn tham số điện trở suất của mô khoảng 200m) thì hệ thiết bị này cho rất ít hình có sai lệch so với giá trị điện trở suất thực thông tin ở chiều sâu lớn. Trong điều kiện đập tế của đối tượng lên tới ± 25% thì kết quả thu khô, hệ điện cực P-P cho thấy ưu điểm ảnh được sau khi xử lý vẫn đạt sai số trung bình là hưởng của môi trường 3D lên kết quả đo 2D 11,2% với đập khô và 11,6% với đập chứa nước gặp phải ở các khoảng mở (ứng với các chiều tức là vẫn tốt hơn nhiều so với số liệu ban đầu sâu) khác nhau nhỏ hơn so với các hệ điện cực chưa xử lý. Ngoài ra, ta cũng nhận thấy trong khác. Tuy nhiên, hệ hai cực lại gặp phải ảnh trường hợp đập khô, hiệu quả xử lý rất tốt, giá hưởng lớn nhất của môi trường 3D khi đo trong trị độ lệch trung bình giảm từ 80,81% xuống điều kiện đập tích nước. Một nhược điểm của mức 11,2% khi ta chọn sai điện trở suất của hệ điện cực P-P là tính phân dị của nó so với hệ thân đập và đá gốc tới 25%. điện cực D-D và P-D là thấp hơn. Trong cả hai trường hợp đập tích nước hay không tích nước thì hệ điện cực P-D đều cho độ méo nhỏ và ổn định. Hơn nữa chiều sâu khảo sát của hệ điện cực P-D lớn hơn hệ điện cực D-D với cùng một chiều dài tuyến đo, ta nên áp dụng hệ P-D trong đo sâu điện tại đê đập. 3. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của môi trường 3D lên kết quả đo sâu 2D Quy trình áp dụng để xử lý ảnh hưởng của môi trường 3D lên kết quả đo sâu 2D được thể hiện trên hình 3. Dựa vào các tài liệu địa chất công trình (sơ đồ hoàn công) và tài liệu địa vật lý có trước, ta tiến hành xây dựng các mô hình đập 2D và 3D sao cho phù hợp nhất với thực tế. Tiếp đó, tiến hành giải bài toán thuận trên các mô hình này và tính ra sai lệch giữa mô hình 3D và 2D theo từng khoảng mở: Δρhc = 3D - 2D. Từ tài liệu đo trên tuyến đo dọc theo trục của tim đập ngoài thực địa ta trừ đi giá trị hiệu chỉnh tại từng vị trí điểm đo ghi và khoảng mở nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các đối tượng 3D ra khỏi mặt cắt điện trở suất 2D này. Số liệu Hình 3. Quy trình xử lý số liệu đo sâu điện 2D thực địa sau hiệu chỉnh này được sử dụng làm trên mặt đập số liệu để phân tích ngược 2D (hình 3). Hình 4 là kết quả hiệu chỉnh số liệu điện trở suất 2D 4. Kết quả nghiên cứu trên số liệu thực tế cho cả hai trường hợp đập không tích nước và Hình 5 là lát cắt địa chất của tuyến đo dọc đập tích nước trên mô hình lý thuyết (hình 1) tại theo tim đập Khuân Cát, Lạng Sơn. Toàn bộ 42
5. thân đập là vật liệu đất đồi, sét có điện trở suất điện trở suất giải ngược cho tập số liệu chưa thấp, cỡ dưới 100 Ωm, nền đá gốc bên dưới đá hiệu chỉnh cho giá trị sai khác rất nhiều so với rắn chắc có điện trở suất cao hơn, khoảng trên cấu trúc thực của đập. Trên lát cắt giải ngược 300 Ωm. Tại thời điểm đo thì đập này đang tích của tài liệu đo (hình 6a), ta dễ bị nhầm tưởng là nước. Hình 6 là kết quả giải ngược với hai tập mặt cắt này đã đến được mặt đá gốc ở độ sâu số liệu: (a) số liệu đo gốc chưa qua xử lý, (b) số khoảng 12m (chỗ sâu nhất). Với lát cắt giải liệu sau khi đã qua xử lý loại bỏ ảnh hưởng của ngược của tài liệu sau hiệu chỉnh (hình 6b) môi trường 3D. Chúng ta để ý thấy rằng ở vị trí chúng vẫn chưa đạt đến ranh giới đá gốc này (ở 28m từ đầu đập, ranh giới giữa phần đá gốc với độ sâu 16 m), điều này hoàn toàn phù hợp với phần đất và sét pha bên trên ở độ sâu 17m (theo liệu địa chất tại giếng khoan KH2 (ranh giới đá tài liệu lỗ khoan HK2). Nhìn chung các giá trị gốc tại đây cỡ 17m). a. Trường hợp đập không tích nước b. Trường hợp đập tích đầy nước Hình 4. Kết quả xử lý tại khoảng mở n = 8 của Hệ điện cực 3 cực Hình 5. Lát cắt địa chất của tuyến khảo sát dọc theo tim đập Hình 6. So sánh kết quả giải ngược của tài liệu đo (a) và tài liệu sau hiệu chỉnh (b) của tuyến đo dọc theo tim đập 43
6. 5. Kết luận [3]. Min D, Kim H., 2006. Feasibility of the Môi trường 3D, cụ thể là nước và không surface-wave method for theassessment of khí bên ngoài mái đập và địa hình đê đập, có physical properties of a dam using ảnh hưởng lớn đến kết quả đo sâu điện 2D trên numericalanalysis. J Appl Geophys 59(3):236– tuyến đo dọc theo tim đập. Các kết quả nghiên 243. cứu mô hình cho thấy độ lệch do ảnh hưởng này [4]. Panthulu TV, Krishnaiah C, Shirke JM., lên đến trên 80% với trường hợp đập khô và 2001. Detection of seepagepaths in earth dams trên 30% với trường hợp đập tích nước. Dựa using self-potential and electrical trên các kết quả tính toán lý thuyết, khi quan resistivitymethods. Eng Geol 59:281–295. trắc đê đập trong thời gian dài (cả mùa mưa lẫn [5]. Salmon GM, Johansson S., 2003. Research mùa khô) thì nên áp dụng hệ thiết bị 3 cực do on Geophysical methodsof detecting seepage tính ổn định tương đối của nó với sự thay đổi and piping in embankment dams with điều kiện tích nước và khô nước của đê đập so casestudies of geophysicalmeasurements at two với các hệ điện cực còn lại. Trên mô hình lý Swedish tailingdams. ICOLD, Montreal. thuyết, khi lựa chọn chính xác các tham số mô [6]. Seokhoon Oh., 2012. Electrical resistivity hình đưa vào xử lý thì giá trị độ lệch của số liệu response due to variation in embankmentshape sau khi xử lý tốt hơn nhiều so với số liệu chưa and reservoir levels. Environment Earth được xử lý. Khi ta chọn sai các tham số điện trở Sciences,vol 65: 571–579. suất của thân đập và đá gốc lên tới ± 25% thì [7]. Sjodahl P, Dahlin T, Zhou B., 2005. Using kết quả thu được sau khi xử lý vẫn tốt hơn, tức resistivity measurement fordam safety là độ lệch nhỏ hơn, so với số liệu ban đầu chưa evaluation at Enemossen tailings dam in xử lý. Kết quả thu được với tuyến đo thực tế đã southernSweden. Environ Geol 49:267–273. chứng minh được hiệu quả của quy trình xử lý [8]. Sjodahl P, Dahlin T, Zhou B., 2006. 2.5D mà nhóm tác giả đã đề xuất. resistivity modeling ofembankment dams to assess influences from geometry andmaterial TÀI LIỆU THAM KHẢO properties. Geophysics71:G107–G114. [9]. Sjodahl P, Dahlin T, Zhou B, Loke MH., [1]. Nguyễn Như Trung, Nguyễn Trọng Nga, 2008. Resistivity monitoringfor leakage and 2002. Bài giảng phương pháp thăm dò điện internal erosion detection at Hallby dòng một chiều trong môi trường bất đồng nhất embankmentdam. J ApplGeophys65:155–164. ngang. [10]. Song SH, Song Y, Kwon BD., 2005. [2]. Cho IK, Yeom JY., 2007. Cross line Application of hydrogeologicaland geophysical resistivity tomography for thedelineation of methods to delineate leakage pathways in anomalous seepage pathways in an anearth fill dam. Special issue published jointly embankmentdam. Geophysics 72(2):G31–G38. by ASEG 36, SEGJ58. KSEG 8:92–96. ASTRACT Correction of 3D effects on 2D electrical sounding data to improve interpretation results fordam assessments in Vietnam Pham Ngoc Kien, Hanoi University of Mining and Geology Nguyen Nhu Trung, Viet Nam Academy of Science and Technology 2D electrical sounding method apply for dam assessments are distorded by geometry of the dams, free air out of the dam’s roof and water in reservoir. Based on 2D and 3D modeling of geoelectrical models, the distortion is assessed for different electrical arrays. These results may assisst to choose a proper electrical array for investigating the dams. We have carried out a new data processing workflow that reduces significantly the influences of 3D media on 2D soundings data for both synthetic and real data constrained on prior information of resistivity parameters. 44