Ứng dụng phương pháp đo sâu điện trở (VES) và điện từ (EM) trong nghiên cứu cấu trúc địa chất nông phục vụ công tác kiểm tra nền móng đường ống dẫn khí
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
TẠP CHÍ DẦU KHÍ
Số 8 - 2019, trang 44 - 49
ISSN-0866-854X
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ (VES) VÀ ĐIỆN TỪ (EM)
TRONG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT NÔNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC
KIỂM TRA NỀN MÓNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN KHÍ
Doãn Ngọc San, Nguyễn Thị Hải Hà
Đại học Dầu khí Việt Nam
Email: sandn@pvu.edu.vn
Tóm tắt
Các cấu trúc địa chất nông trước đây thường được khảo sát bằng phương pháp khoan với chi phí cao và rất khó tiến hành. Hiện nay,
các phương pháp khảo sát địa vật ly mới (như địa chấn, điện một chiều, điện tư (Electromagnetic, EM), tư…) ngày càng được áp dụng
rộng rãi trong công tác khảo sát địa chất công trình do có chi phí hợp ly và độ chính xác cao.
Kết quả đo đạc khảo sát địa vật ly phục vụ công tác kiểm tra nền móng và tính ổn định của đường ống dân khí cho thấy hệ phương
pháp đo sâu điện trở dòng một chiều (VES) - điện tư (EM) giải quyết tốt các nghiên cưu cấu trúc địa chất nông và theo doi các đường ống
dân khí.
Từ khóa: Nền móng, điện tư, đo sâu điện trở, độ dân, điện trở suất, đường ống dân khí.
1. Giới thiệu
- Điều kiện địa chất địa mạo;
- Điều kiện cấu trúc địa chất;
- Điều kiện các tác dụng địa chất;
- Điều kiện địa chất thủy văn.
Khái niệm “nền móng công trình” được xác định như
sau (Hình 1):
Nền công trình là chiều dày lớp đất, đá nằm dưới đáy
móng, có tác dụng tiếp thu tải trọng công trình bên trên
do móng truyền xuống hay có thể hiểu nền là nửa không
gian phía dưới đáy móng.
Trong khảo sát nền móng công trình, phương pháp
truyền thống là khoan lấy mẫu. Phương pháp khảo sát
bằng giếng khoan đòi hỏi phải tiến hành nhiều giếng
Móng công trình là một bộ phận kết cấu ngay dưới
của công trình, móng liên kết với kết cấu chịu lực bên trên
như cột, tường… Móng có nhiệm vụ tiếp thu tải trọng từ
công trình và truyền tải trọng đó phân tán xuống nền.
Để đảm bảo việc đưa ra giải pháp nền móng hợp lý
nhất, cần phải có các tài liệu về khảo sát địa chất, thủy văn
công trình... Khả năng ổn định và làm việc bình thường
của công trình phụ thuộc vào: độ bền kết cấu của công
trình, tính chất của đất đá, các hiện tượng địa chất dưới
nền móng công trình. Để biết về mối quan hệ giữa đất
đá, nước dưới đất và các hiện tượng địa chất với xây dựng
công trình, cần nghiên cứu khảo sát nền móng hay nói
cách khác là khảo sát các điều kiện về địa chất như:
Ngày nhận bài: 05/7/2019. Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 19 - 30/7/2019.
Ngày bài báo được duyệt đăng: 12/8/2019.
Hình 1. Nền móng công trình
DẦU KHÍ - SỐ 8/2019
44
PETROVIETNAM
khoan với giá thành không rẻ và thời gian
thi công sẽ kéo dài. Ngay cả khi có mạng lưới
khoan dày đặc (50 x 50m) thì việc đánh giá địa
chất ở những khoảng giữa các giếng khoan
cũng mang nhiều tính rủi ro. Trong khi đó, các
phương pháp địa vật lý như địa chấn, điện một
chiều, điện từ (Electromagnetic, EM), từ… có chi
phí hợp lý hơn với độ chính xác chấp nhận được.
Vì vậy, các phương pháp địa vật lý ngày càng
được áp dụng rộng rãi trong công tác khảo sát
địa chất công trình. Thông qua đo đạc khảo sát
lòng đất bằng điện trở suất, độ dẫn dọc, sóng
địa chấn… tài liệu tổ hợp các phương pháp địa
vật lý sẽ xây dựng được lát cắt địa chất - địa vật
lý phản ánh mức độ đồng nhất của môi trường
địa chất trong lòng nền móng công trình qua đó
đánh giá chất lượng nền móng với tối đa hiệu
quả và tối thiểu về thời gian. Tuy nhiên, nhược
điểm của các phương pháp địa vật lý là kết quả
đo có thể chịu ảnh hưởng kết hợp của nhiều yếu
tố, ví dụ điện trở của đất đá phụ thuộc vào: độ
rỗng, độ ẩm, tỷ trọng, nhiệt độ… nên rất khó
phân biệt yếu tố nào có ảnh hưởng quyết định
đến kết quả đo. Vì thế, phương pháp địa vật lý
trong khảo sát thường chỉ áp dụng khi đã biết
được mối liên hệ giữa yếu tố ảnh hưởng chủ yếu
với kết quả đo.
đới phá hủy, đứt gãy ẩn dưới lớp phủ là nguyên nhân gây ra hiện
tượng sụt đất [3].
Hiện nay, ở Việt Nam chưa có đơn vị nào thực hiện công tác kiểm
tra nền móng công trình của ống dẫn khí và theo dõi đường ống
dẫn khí sau khi thi công. Vì vậy, Khoa Dầu khí, Đại học Dầu khí Việt
Nam (PVU) đã tiến hành nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng
tổ hợp phương pháp đo sâu điện trở (VES) - điện từ (EM) bằng máy
EM31-MK2 vào công tác: Khảo sát nền móng công trình ống dẫn khí;
theo dõi đường ống dẫn khí.
2. Phương pháp nghiên cứu
Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía
Nam, có diện tích tự nhiên là 2.047,66km2. Phía Bắc tiếp giáp tỉnh
Đồng Nai, phía Tây giáp Tp. Hồ Chí Minh, phía Đông giáp Bình Thuận
và phía Nam giáp Biển Đông với chiều dài bờ biển là 305km. Khu vực
khảo sát có diện tích 500m2 nằm ở phường Long Hương, Tp. Bà Rịa
(Hình 2). Khu vực nghiên cứu được khảo sát điều tra địa chất [4] ở các
Trên thế giới, các hãng sản xuất máy địa vật lý
lớn như Scintrex, Geonics (Canada), Geometrics
(Mỹ)… đã rất chú trọng máy địa vật lý phục vụ
công tác khảo sát địa chất nền móng công trình.
Các hãng phần mềm như MAE (địa chấn phân
giải cao), RES2DIN (phân tích đường cong đo
sâu điện trở), EM31-MK2 (phân tích số liệu điện
từ đo ở nhiều độ cao) cũng phát triển… Vì vậy,
việc sử dụng các phương pháp địa vật lý trong
khảo sát địa chất công trình trở nên phổ biến
trên thế giới [2].
Hình 2. Vị trí khu vực khảo sát
Một số viện nghiên cứu và trường đại học
tại Việt Nam có trung tâm chuyên nghiên cứu
hay tiến hành đo đạc khảo sát địa chất công
trình bằng tổ hợp các phương pháp điện - địa
chấn - từ. Trong đó có công trình nghiên cứu
ứng dụng tổ hợp phương pháp địa vật lý để
đánh giá hiện trạng và xác định các diện tích
có nguy cơ sụt đất để đề xuất biện pháp phòng
tránh ở Cam Lộ, Quảng Trị. Kết quả công tác địa
vật lý đã phát hiện các hang động karst và các
Hình 3. Sơ đồ tuyến đo địa vật lý
DẦU KHÍ - SỐ 8/2019
45
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
tỷ lệ khác nhau, tuy nhiên chưa được khảo
sát bằng các phương pháp địa vật lý.
Để nghiên cứu cấu trúc địa chất nông
phục vụ công tác kiểm tra nền móng công
trình của đường ống khí trong diện tích
nghiên cứu thuộc phường Long Hương, Tp.
Bà Rịa, PVU đã tiến hành khảo sát bằng 4
phương pháp địa vật lý gồm: điện trở dòng
một chiều, điện từ, từ trường và địa chấn
phân giải cao.
2.1. Khảo sát đo sâu điện trở dòng một
chiều (VES)
Hình 4. Số liệu đo EM ở độ cao h = 0,5m và 1,5m (chế độ đo điểm)
Sử dụng máy thăm dò điện một chiều
ABEM TERRAMETER SAS 1000 (Thụy Điển)
cho công tác đo sâu điện. Đây là loại máy
thăm dò điện thuộc thế hệ mới dùng các
board mạch được tích hợp bởi các vi mạch
điện tử [5].
Đề tài đã tiến hành đo 5 điểm đo sâu
điện trở dòng một chiều hệ thiết bị Wenner
với AB/2max = 40m. Số liệu đo sâu cho kết
quả tốt để phục vụ xây dựng lát cắt địa -
điện bằng phương pháp điện tử.
2.2. Khảo sát đo đạc EM
(a)
Máy EM31-MK2 [6] có khoảng cách
giữa 2 cuộn dây phát và thu là 3,7m, có khả
năng thăm dò hiệu quả ở chế độ ngang 6m
và 3m ở chế độ đo dọc. Máy EM31 có 2 chế
độ đo: đo theo trạm (điểm) và đo liên tục
(auto) cung cấp đồng thời 2 tham số là độ
dẫn dọc Sk (Conductivity) và độ lệch pha
(Inphase). Khảo sát đo đạc bằng máy EM31-
MK2 được tiến hành nhằm:
Đánh giá địa chất nền móng công trình
trên 4 tuyến dọc theo đường ống (hướng
Tây Bắc - Đông Nam) ở 5 mức độ cao đặt
máy (0,2m, 0,50m, 0,70m, 1,2m và 1,5m).
(b)
Hình 5. Bản đồ đẳng trị độ dẫn dọc (a) độ cao h = 0,5m và (b) độ cao h = 1,5m
Theo dõi tính ổn định đường ống trên
12 tuyến vuông góc với đường ống (hướng
Đông Bắc - Tây Nam).
Các bản đồ đẳng trị độ dẫn dọc Sk đo
ở các độ cao khác nhau (0,2, 0,5, 0,7, 1,2 và
1,5m) thể hiện khá rõ sự thay đổi độ dẫn (độ
ẩm hay thành phần các lớp phân lớp ngang
Hình 6. Mặt cắt điện trở
DẦU KHÍ - SỐ 8/2019
46
PETROVIETNAM
do cấu trúc địa chất) từ trên mặt xuống sâu
trong lòng đất (Hình 5). Khi đo ở độ cao h =
0,5m thì phát hiện dị thường cục bộ (dạng
lổn nhổn) phản ánh các loại đất đá do quá
trình vận chuyển xây dựng công trình và
nhất là quá trình tưới tiêu nuôi trồng hoa
màu. Khi đưa máy lên độ cao 1,5m thì đã loại
bỏ được các nhiễu loại này.
3. Các kết quả phân tích/mô hình/kết quả
đo sâu điện trở (VES) và điện từ (EM) trong
nghiên cứu cấu trúc địa chất nông
Hình 7. Giao diện phần mềm EM 1.0
3.1. Phân tích xử lý số liệu VES
Số liệu được xử lý bằng phần mềm
RES2DIN. Kết quả xử lý cho thấy, điện trở
biểu kiến Rk trên toàn tuyến tương đối thấp
(1 - 30Ωm). Lớp phủ bề mặt (bề dày dưới
1m) có Rk cao (trên 20Ωm) ở phần cuối tuyến
trong khi phần đầu tuyến có Rk thấp hơn
(14Ωm). Kết quả này phù hợp với thực tế là
đất ruộng ở cuối tuyến đang được phơi khô
còn ở đầu tuyến có trồng hoa màu và được
tưới nước thường xuyên. Lớp thứ 2 dày trung
bình 6 - 7m. Lớp đất đá này có Rk dao động
trong khoảng 1 - 14Ωm. Lớp thứ 3 nằm dưới
cùng có điện trở suất tăng lên so với lớp trên
(20 - 30Ωm). Lớp đáy có xu thế gần như nằm
ngang.
Lớp 1 (< 0,8m)
Độ dẫn (Sm)
Lớp 2 (3 - 4m)
Hình 8. Mô hình 3D độ dẫn dọc (mS/m) xây dựng theo kết quả từ phần mềm EM 1.0
Hình 9. Lát cắt địa điện
3.2. Phân tích xử lý số liệu EM
3.2.1. Xây dựng mô hình địa chất theo độ dẫn
dọc
Để xử lý số liệu EM giải quyết bài toán
đánh giá địa chất nền móng công trình, PVU
đã xây dựng phần mềm EM version 1.0, viết
bằng ngôn ngữ Delphi (biến thể của Pascal)
và có thể chạy độc lập trong hệ điều hành
Windows các version. EM 1.0 không đòi hỏi
máy có cấu hình cao (cấu hình tối thiểu là
RAM trên 2GB, dung lượng đĩa cứng trên
100MB). EM được xây dựng dựa trên thuật
toán trình bày trong bản hướng dẫn đi kèm
máy EM31 [6].
Hình 10. Số liệu đo tự động Inphase (ppt)
(a)
(b)
Quá trình xử lý số liệu EM trong phần
mềm EM 1.0 được thực hiện theo các bước
sau:
Hình 11. Kết quả tách trường Inphase ra thành phần khu vực - dị thường ống (a) và đồ thị Inphase tuyến
cắt ngang đường ống dẫn khí (b)
DẦU KHÍ - SỐ 8/2019
47
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
- Nhập số liệu thô, lọc nhiễu ngẫu nhiên bằng các
thuật toán như: trung bình cửa sổ trượt (Moving Average),
Entropy và hồi quy bậc cao (curve fitting).
- 0,2m tùy theo tốc độ di chuyển của máy.
Khác với số liệu đo độ dẫn, số liệu đo độ lệch pha
(Inphase, tỷ số giữa trường điện từ cảm ứng thứ cấp và
trường điện từ sơ cấp theo thang đo một phần nghìn,
ppt) không thể hiện cấu trúc địa tầng khu vực nghiên cứu
nhưng rất nhạy cảm đối với vật thể kim loại trong lòng
đất. Kết quả đo máy ở độ cao 1,5m thể hiện vị trí đường
ống dầu khí (Hình 10), song rất mờ nhạt.
- Hiệu chỉnh số liệu đo theo độ cao của thiết bị đo,
hiệu chỉnh giá trị đo biểu kiến về giá trị thực.
- Dựa vào giá trị đo sâu điện trở (VES) để xác định
chiều dày lớp thứ nhất và S lớp thứ 2. Tiếp tục xác định
hàm S(h) theo phương pháp RMS.
Vị trí ống dẫn khí đã được làm rõ lên sau quá trình xử
lý gồm các bước:
₂
₂
₂
⋯
S h₁ + S h + +S h
₁
₂ ₂
n
n
S(h) =
⋯
h₁ + h₂+ +hn
- Tách trường Inphase ra 2 thành phần: a) trường khu
vực phản ánh môi trường địa chất chung và b) dị thường
địa phương liên quan đến các vật thể có kích thước nhỏ
(Hình 11a).
- Ứng dụng các thuật toán thống kê để loại bỏ sai số
thô giá trị độ dẫn S và độ sâu h.
- Xuất kết quả ra file tương thích với SURFER để thể
hiện bằng bản đồ.
- Làm nổi tín hiệu của ống dẫn khí bằng đạo hàm
theo phương vuông góc với đường ống (Hình 11b).
Cùng với phần mềm SURFER, quá trình xử lý bằng
EM 1.0 sẽ nhanh và tiện lợi hơn so với phương pháp thủ
công [6]. EM 1.0 đảm bảo xây dựng mô hình 3D độ dẫn
dọc nhiều lớp mà không phải sử dụng các pallete truyền
thống (xử lý bằng tay sẽ mất 2 - 3 phút/điểm còn bằng EM
1.0 thì 300 điểm chỉ mất dưới 1 phút).
Kết quả xử lý số liệu EM cho thấy mô hình Sk(h) chỉ mới
là định tính cần phải tiếp tục phát triển để có thuật toán
chính xác hơn. Tương tự, độ chính xác vị trí của đường ống
trong hệ 2D (x, y) có thể chấp nhận được, tuy nhiên chưa
có thuật toán xác định độ sâu của đường ống ở không
gian 3D (x, y, z).
Trên cơ sở tổng hợp tài liệu địa chất tờ Gia Ray - Bà Rịa
[4], cùng với các mẫu khoan ở giếng lân cận (Khu công
nghiệp Phú Mỹ) và kết quả xử lý minh giải tài liệu địa vật lý
có thể chia nền móng đường ống thành 3 lớp đất đá như
sau (Hình 9):
4. Kết luận
Kết quả tổng hợp và phân tích các tài liệu khảo sát địa
vật lý trong đề tài nghiên cứu (mã số GV1804) được tài trợ
bởi Trường Đại học Dầu khí Việt Nam) [7] cho phép nhóm
tác giả rút ra một số kết luận về hiệu quả của hệ phương
pháp như sau:
Lớp phủ bở rời bề mặt có bề dày khoảng 1m với điện
trở suất thay đổi theo loại đất trồng trọt trên mặt (Rk = 14
- 25Ωm) hay độ dẫn dọc Sk = 40 - 50mS/m.
- Tổ hợp phương pháp điện trở và điện từ giải quyết
tốt nhiệm vụ đánh giá nền móng công trình đến độ sâu
20m;
Lớp thứ 2 gồm trầm tích sông biển, cát bột, sét bột hệ
tầng Củ Chi, tuổi Pleistocene. Lớp này có điện trở thấp (1
- 5Ωm) hay độ dẫn cao (gần 200mS/m) và bề dày khoảng
3 - 5m. Điện trở rất thấp có khả năng liên quan đến lớp sét
có độ ẩm cao.
- Đã phát hiện chính xác vị trí ống dẫn khí, tuy nhiên
việc xác định độ sâu của ống còn chưa được giải quyết.
Điện trở suất của lớp thứ 3 cao hơn lớp thứ 2 (> 20Ωm)
và độ dẫn dọc thì giảm xuống còn 80 - 100mS/m.
Về cấu trúc địa chất, theo kết quả xử lý minh giải số
liệu địa vật lý có thể kết luận nền móng địa chất khu vực
khảo sát ổn định đến độ sâu 20m; không có dấu hiệu hoạt
động kiến tạo.
Qua đó có thể kết luận môi trường địa - điện nền
móng công trình tương đối ổn định và không có dấu hiệu
của các hoạt động kiến tạo.
Tài liệu tham khảo
3.2.2. Phát hiện và theo dõi đường ống dẫn khí
pngeo.com. 2015.
Để theo dõi tính ổn định đường ống trên đề tài đã đo
thành phần Inphase của EM (chế độ đo tự động) trên 12
tuyến vuông góc với đường ống (hướng Đông Bắc - Tây
Nam). Ở chế độ này, khoảng cách giữa các điểm đo là 0,1
2. M.H.Loke.
Electrical imaging surveys for
environmental and engineering studies. 1999.
DẦU KHÍ - SỐ 8/2019
48
PETROVIETNAM
3. Nguyễn Duy Tiêu và nnk. Tổ hợp phương pháp địa
vật lý nghiên cứu và dự báo tai biến sụt đất ở Cam Lộ, Quảng
Trị. Tạp chí Địa chất. 2010.
7. Doãn Ngọc San và nnk. Nghiên cứu ứng dụng
phương pháp đo sâu điện trở (VES) và điện từ (EM) nghiên
cứu cấu trúc địa chất nông phục vụ kiểm tra nền móng
đường ống dẫn khí khu vực Long Hương, Tp. Bà Rịa. Mã số
GV1804. Đại học Dầu khí Việt Nam. 2019.
4. Nguyễn Đức Thắng. Bản đồ địa chất và khoáng sản
Việt Nam tỉ lệ 1:200.000, tờ Gia Ray - Bà Rịa. 1998.
5. ABEM. Instruction manual. 2010.
6. Mississauga. EM31-MK2 (with Archer) operating
manual, Ontario Canada L5T 1C6. 2010.
APPLICATION OF VERTICAL ELECTRICAL SOUNDING (VES) AND
ELECTROMAGNETIC (EM) METHODS TO STUDY SHALLOW
GEOLOGICAL STRUCTURES FOR INSPECTION OF GAS PIPELINE
FOUNDATION
Doan Ngoc San, Nguyen Thi Hai Ha
Petrovietnam University
Email: sandn@pvu.edu.vn
Summary
Previously, the expensive and difficult drilling method was often used to survey the foundation of shallow geological structures.
Nowadays, new geophysical methods (such as seismic, vertical electrical sounding (VES), electromagnetic (EM), etc.) are widely applied
in engineering geological survey work because of their reasonable cost and high accuracy.
Survey results of foundation and pipeline stability inspection showed that the system of direct current VES and EM methods could
handle well the studies of shallow geological structure and the monitoring of gas pipelines.
Key words: Foundation, electromagnetic, vertical electrical sounding, conductivity, resistivity, gas pipelin.
DẦU KHÍ - SỐ 8/2019
49
6 trang
16/04/2022
5340
Bạn đang xem tài liệu "Ứng dụng phương pháp đo sâu điện trở (VES) và điện từ (EM) trong nghiên cứu cấu trúc địa chất nông phục vụ công tác kiểm tra nền móng đường ống dẫn khí", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ung_dung_phuong_phap_do_sau_dien_tro_ves_va_dien_tu_em_trong.pdf
