Nghiên cứu ứng dụng phương pháp từ trường cảm ứng để dò tìm vị trí dòng thấm, dòng rò rỉ qua thân đập thủy điện

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
7Số 62 - Tháng 03/2020
1. MỞ ĐẦU
Ngày nay, an toàn đập luôn là một vấn đề cấp thiết 
và được quan tâm hàng đầu. Việc khảo sát sự rò rỉ 
của nước hồ qua đập không chỉ gói gọn vào xác 
định các thông số đặc trưng cho lưu lượng thấm 
mà còn phải xác định được vị trí dòng rò, từ đó 
giúp cơ quan quản lý khắc phục sự cố mất an toàn 
đập kịp thời. 
Ứng dụng từ trường cảm ứng trong khảo sát 
dòng thấm qua đập là một phương pháp mới, tiết 
kiệm thời gian và chi phí. Phương pháp dựa trên 
nguyên tắc: nước thấm qua đập từ hồ chứa sẽ làm 
tăng độ đẫn điện của vật liệu đập. Khi một dòng 
điện xoay chiều được đặt vào hai bên đập, dòng 
điện sẽ đi qua các vùng thấm trong thân đập, bằng 
cách đo các thành phần của từ trường được tạo ra 
bởi dòng điện, vị trí cũng như độ rộng của dòng 
rò sẽ được xác định. Phương pháp này sử dụng 
dòng phát 380Hz - 433Hz nhằm tối ưu độ nhạy 
của cảm biến từ và hạn chế nhiễu từ các sóng hài 
của mạng điện dân dụng. Bên cạnh đó, việc đặt 
điện cực sao cho hệ thống (gồm nguồn phát, dây 
dẫn và dòng rò rỉ đập) tạo thành một mạch kín là 
một lưu ý quan trọng. Các số liệu từ trường thực 
nghiệm luôn được hiệu chỉnh nhằm loại bỏ sự 
đóng góp của dây dẫn, điện cực và từ trường Trái 
Đất, từ đó kết hợp với các số liệu thủy địa chất 
của đập, tiến hành minh giải để đưa ra kết luận 
chính xác về vị trí dòng rò rỉ đập.
Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết 
kế chế tạo bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng 
và mạch điện tử đi kèm nhằm nâng cao độ nhạy 
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG 
PHƯƠNG PHÁP TỪ TRƯỜNG CẢM ỨNG 
ĐỂ DÒ TÌM VỊ TRÍ DÒNG THẤM, DÒNG RÒ RỈ 
QUA THÂN ĐẬP THỦY ĐIỆN
 Trong thực tế, việc khảo sát sự rò rỉ của nước hồ qua đập bằng phương pháp đánh dấu chủ 
yếu chỉ xác định được các thông số đặc trưng cho lưu lượng thấm như vận tốc trung bình, số kênh 
thấm, mà không cho các thông tin về vị trí dòng rò rỉ ngầm trong thân đập cũng như trong nền đập. 
Việc xử lý khắc phục rò rỉ vì thế vẫn gặp nhiều khó khăn và thiếu hiệu quả do không xác định được vị 
trí dòng rò. 
 Từ năm 2016 đến năm 2018, Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong Công nghiệp 
(CANTI) đã nghiên cứu, tiếp cận phương pháp xác định vị trí dòng thấm và dòng rò bằng phương 
pháp từ trường cảm ứng. Nghiên cứu của CANTI đã đạt được những kết quả nhất định có thể ứng 
dụng vào việc xác định dòng rò dòng thấm của những đập thủy điện nhỏ bởi hệ thiết bị chỉ có thể xác 
định được dòng thấm và dòng rò ở độ sâu tối đa là 70m.
 Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng 
và mạch điện tử đi kèm nhằm nâng cao độ nhạy của hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua đó hệ thiết 
bị có thể phát hiện được những dòng thấm và dòng rò qua thân đập thủy điện ở độ sâu tối đa 150m.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
8 Số 62 - Tháng 03/2020
của hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua đó hệ 
thiết bị có thể phát hiện được những dòng thấm 
và dòng rò qua thân đập thủy điện ở độ sâu tối đa 
150m. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ được tiếp tục 
để hoàn thiện phương pháp, tăng độ nhạy khảo 
sát đến độ sâu trên 250m để triển khai trên thực 
địa, phục vụ nhu cầu khảo sát dòng rò, góp phần 
tích cực vào công tác xử lý, đảm bảo an toàn đập.
Hình 1. Minh họa phương pháp từ trường cảm 
ứng xác định dòng rò rỉ đập
2. NỘI DUNG
2.1. Cơ sở lý thuyết
Theo định luật Ampere, độ lớn vector cảm ứng từ 
tại điểm cách dây dẫn một khoảng R (m) được tạo 
ra bởi dây dẫn thẳng, dài vô hạn:
Với B là độ lớn vector cảm ứng từ (T), µ
0
 là hằng 
số từ môi ( ), I là cường độ 
dòng điện (A).
Khi một dòng điện xoay chiều được đặt vào hai 
bên đập, dòng điện sẽ đi qua các vùng thấm trong 
thân đập theo con đường ứng với trở kháng nhỏ 
nhất. Dòng điện ưu tiên được tạo ra bởi dòng rò 
rỉ đập có thể được xem như một dây dẫn. Dòng 
điện biến thiên này sẽ được ghi nhận gián tiếp 
thông qua từ trường biến thiên trên mặt đập bởi 
cảm biến từ. Bằng cách minh giải số liệu cường 
độ từ trường dọc và ngang thực nghiệm, một bản 
đồ cơ sở biểu diễn vị trí dòng rò sẽ được thiết lập.
Hình 2. Minh họa từ trường tạo ra bởi dây dẫn 
thẳng dài vô hạn (trái) và các thành phần của từ 
trường (phải)
2.2. Hệ thiết bị và cảm biến đo từ trường cảm 
ứng
Hình 3 : Thành phần và cấu trúc của hệ thiết bị 
đo từ trường cảm ứng
Hệ thiết bị bao gồm 2 điện cực bằng đồng có 
chiều dài 1m được cắm vào điểm đầu và điểm 
cuối của vùng cần khảo sát, điện cực được nối 
với máy phát xung bằng dây dẫn lõi đồng có bọc 
cách điện.
Máy phát xung có công suất 2000W có thể điều 
chỉnh được tần số phát từ vài Hz đến vài trăm Hz 
và tự động ổn định dòng điện phát thông qua điện 
cực.
Thiết bị đo từ trường cảm ứng có độ nhạy cao 
gồm 3 cảm biến đặt vuông góc theo các trục XYZ 
nhằm thu nhận từ trường, tín hiệu được khuếch 
đại và lọc nhiễu sau đó chuyển đổi từ tín hiệu 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
9Số 62 - Tháng 03/2020
tương tự sang tín hiệu số. Số liệu được hiển thị 
trên màn hình LCD và lưu lại trong thẻ nhớ SD.
Hình 4 : Hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng do 
CANTI chế tạo
Hình 5 : Máy phát dòng và điện cực do CANTI 
chế tạo
2.2.1. Chế tạo cảm biến đo từ trường cảm ứng
Bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng bao gồm 03 
cảm biến được đặt theo các trục X,Y, Z theo chiều 
không gian. Cảm biến sử dụng lõi Mumetal có 
độ từ thẩm cao có đường kính 4mm, chiều dài 
là 38mm, phía bên ngoài lõi từ được cuốn lên 02 
cuộn dây vật liệu đồng đường kính 0.1mm, có số 
vòng lần lượt là 6000 và 33 vòng. Sơ đồ của một 
cuộn dây được thể hiện trong hình 6: 
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý cuộn dây cảm biến
 Độ thẩm từ của lõi cảm biến được tính 
theo công thức: 
 (2) 
 - Trong đó μ là độ từ thẩm của lõi cảm 
biến
 - N là yếu tố khử từ được tính theo công 
thức: 
 (3)
 Khi µ tiến tới ∞ thì 
Hình 7: Mối tương quan giữa µ và µc
Như vậy, để cảm biến đạt được độ nhạy cao thì độ 
thẩm từ µc phải cao.Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ của 
chiều dài và đường kính dẫn đến tăng độ từ thẩm 
của lõi µ nhưng lại ảnh hưởng đến chức năng 
chuyển đổi của lõi từ.Việc tăng tỷ lệ của chiều 
dài và đường kính quá mức khiến lõi từ tăng nhạy 
với từ trường của Trái Đất làm nâng nền nhiễu 
của cảm biến.
Giá trị tối đa được chấp nhận để giữ cho sự suy 
giảm của độ nhạy tương đối δs của lõi từ trong 
các giới hạn nhất định.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
10 Số 62 - Tháng 03/2020
(4)
Trong đó: Bs là cảm ứng bão hòa của vật liệu lõi.
µc không đồng nhất dọc theo lõi và giá trị cực đại 
của nó, nằm ở trung tâm, đối với một thanh hình 
lăng trụ thường sử dụng được đưa ra bởi biểu 
thức:
 (5)
Độ thẩm từ trung bình của lõi tại các phần được 
tính theo phân bố cảm ứng từ dọc theo lõi là: 
 (6) 
Hình 8: Đường cong điện áp và nhiễu so với 
chiều dài tương đối
Điện áp tương đối thu được trong một cuộn dây 
hình trụ so với vị trí của nó trên lõi (đường cong 
màu xanh lá cây), tín hiệu nhiễu so với chiều dài 
tương đối l
n
 / l (đường cong màu xanh nước biển)
Độ tự cảm L của cuộn dây có lõi phụ thuộc vào 
độ thẩm từ của lõi µcc và điện trở của cuộn dây:
 (7)
Trong đó L
0
 là độ tự cảm của cuộn dây không có 
lõi, k
D
 là tỉ số giữa đường kính ngoài và đường 
kính trong của cuộn dây, k
mr
 là hệ số phụ thuộc 
vào điện trở của cuộn dây và lõi từ:
 (8) 
Điện trở của cuộn dây cảm biến được tính theo 
công thức:
 (9)
Trong đó ρ là điện trở suất của đồng, ln là chiều 
dài cuộn dây trung bình, n là số vòng dây.
Trọng lượng của cuộn dây được tính theo công 
thức:
 (10)
Trong đó γc và γCu là mật độ của vật liệu lõi và 
cuộn dây
Phương pháp tối ưu hóa tín hiệu đầu ra của cảm 
biến: kết hợp tối ưu các tham số đầu ra S của 
cảm biến và các tham số đầu vào tiền khuếch đại 
(PA) để có được tín hiệu nhiễu đầu ra của cảm 
biến thấp nhất có thể W
B
. Mức tín hiệu nhiễu tối 
thiểu có thể (theo công thức bán thực nghiệm từ 
Berkman-Korepanov):
 (11)
W
0
≈ 10-28T2 / Hz ; l - Chiều dài cảm biến; f -Tần 
số tín hiệu; A ≈ 30 m5 Hz2; B ≈ 10-4m5 Hz4. 
 Để đạt được sự kết hợp tối ưu qua đó ta 
tính toán được các thông số cần thiết của cảm 
biến: n, l, M, µc.
Hình 9: Sơ đồ tương đương của cảm biến và mạch
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
11Số 62 - Tháng 03/2020
Tổng mật độ nhiễu trong các giá trị của từ trường 
W
B
 đo được (sử dụng độ nhạy cuộn dây G = U
0
/ H) là: 
 (12)
Trong đó: 
Phổ tần số của nhiễu PA được đặc trưng bởi bộ 8 
tham số nhiễu mở rộng: mật độ điện áp nhiễu tối 
thiểu W
u0
; tần số góc và góc độ cao ở tần số thấp 
fu1, αu; tần số góc của độ cao bổ sung ở tần số 
cực thấp fu2; mật độ dòng nhiễu tối thiểu W
i0
; tần 
số góc và góc độ cao của nhiễu hiện tại ở tần số 
cao fi1, αi; tần số góc ở tần số thấp fi2. Sau đó, 
điện áp và mật độ nhiễu hiện tại phụ thuộc vào 
tần số có thể được tính bằng các phương trình:
(18) 
(19)
Hình 10: Sơ đồ nhiễu điện áp của bộ khuếch đại
Hình 11: Sơ đồ dòng nhiễu của bộ khuếch đại
Hình 12: Tín hiệu nhiễu của cảm biến khi thay 
đổi số vòng dây của cảm biến
Dựa vào đồ thị Hình 12 ta nhận thấy, với dải tần 
số thấp dưới 50Hz thì khi số vòng dây của cảm 
biến ít, tín hiệu nhiễu càng càng cao, với tần số 
cao trên 50Hz thì tín hiệu nhiễu cao ở cảm biến 
có số vòng dây nhiều. Thiết bị đo từ trường cảm 
ứng của đề tài này làm việc tại tần số trên dưới 
400Hz nên ta chọn cảm biến sao cho số vòng dây 
phù hợp và không quá cao.
Hình 13: Tín hiệu nhiễu của cảm biến khi thay 
đổi bộ tiền khuếch đại
Trong đồ thị hình 13, đường cong số 1 màu xanh 
thể hiện tín hiệu nhiễu của cảm biến khi cảm biến 
được kết nối với bộ tiền khuếch đại có trở kháng 
đầu vào cao ; đường cong số 2 màu đỏ thể hiện 
tín hiệu nhiễu của cảm biến khi cảm biến được 
kết nối với bộ tiền khuếch đại có trở kháng đầu 
vào thấp. Như vậy với tần số làm việc của thiết 
bị là 400Hz thì sử dụng bộ tiền khuếch đại có trở 
kháng đầu vào cao để giảm nhiễu.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
12 Số 62 - Tháng 03/2020
Hình 14: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo từ 
trường cảm ứng
Hình 15: Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại và bộ 
lọc tần số
Hình 16: Mạch điện tử và cuộn dây cảm biến
Hình 17: Hình dáng bên ngoài của cảm biến đo 
từ trường cảm ứng
Hình 18: Tín hiệu thu được của cảm biến theo 
dải tần
Hình 19: Tín hiệu nhiễu của cảm biến
Các thông số của cảm biến từ trường mà CANTI 
chế tạo: 
2.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TẠI HIỆN 
TRƯỜNG
Tiến hành thử nghiệm dò tìm dòng rò rỉ qua thân 
đập tại đập phụ số 2 Hồ thủy điện Hàm Thuận, 
sau thực nghiệm nhóm nghiên cứu đã tiến hành 
báo cáo với Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim 
- Hàm Thuận - Đa Mi.
2.3.1. Mô tả thực nghiệm tại hiện trường
Tại đập phụ số 2 Hồ thủy điện Hàm Thuận có 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
13Số 62 - Tháng 03/2020
xuất hiện điểm thấm rò phía hạ lưu với lưu lượng 
là 0.2l/phút, với diện tích mặt bằng toàn bộ thân 
đập vào khoảng 5-7km2 nên nhóm nghiên cứu 
tiến hành đo trước 1 đường theo chiều dọc thân 
đập với khoảng cách 2m một điểm đo để xác định 
vị trí cần khảo sát sau đó tiến hành khảo sát đo 
trong vùng đã xác định. 
Một đầu của điện cực được đặt tại hồ chứa phía 
thượng nguồn và đầu điện cực còn lại được cắm 
phía hạ nguồn nơi chân đập, hệ thống dây dẫn 
điện từ điện cực về máy phát sử dụng 1000m dây 
dẫn lõi đồng có tiết diện 2,5mm được bọc cách 
điện chịu được điện áp 1000V. 
Máy phát phát ra nguồn điện có tần số phát 
380Hz, dòng điện phát 0.2A và hiệu điện thế phát 
là 500V.
Trên mặt đập khu vực cần khảo sát, tiến hành 
chia ô lưới theo khoảng cách 2m x 2m, tại các 
điểm giao là điểm đo.
Hình 20: Tiến hành thí nghiệm tại đập phụ số 2 
hồ Hàm Thuận
2.3.2. Kết quả thực nghiệm tại hiện trường và 
thảo luận
Dựa vào thành phần Bx và By để xác định hướng 
của dòng thấm và rò rỉ qua thân đập, thành phần 
Bz nhằm xác định độ sâu của dòng rò thấm. 
Hình 21: Bản đồ từ trường thành phần Bx (Cuộn 
dây song song với thân đập)
Hình 22: Bản đồ từ trường thành phần By (cuộn 
dây vuông góc với thân đập)
Hình 23: Bản đồ từ trường thành phần Bz (cuộn 
dây thẳng đứng so với đập)
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
14 Số 62 - Tháng 03/2020
Bản đồ từ trường thành phần Bx trong hình 21 
xác định được một dòng rò thấm từ hồ chứa về 
thân đập, điểm rò thấm chính cách điện cực 10m 
về phía máy phát, màu sắc độ thấm theo thang đo 
màu của bản đồ từ màu đen thể hiện độ thấm ít 
đến màu trắng thể hiện độ thấm cao.
Do dòng thấm vuông góc với thân đập nên trong 
bản đồ từ trường thành phần By ở hình 22, từ 
trường dòng thấm thu nhận dược rất thấp.
Hình 23 thể hiện bản đồ từ trường thành phần Bz, 
dựa vào thành phần Bz ta xác định được độ sâu 
của dòng thấm. 
Tuy nhiên hiện do thân đập có độ dốc chứ không 
phải là mặt phẳng như trong các thí nghiệm trên 
mô hình tại phòng thí nghiệm, vì thế cần phải có 
thêm thời gian để sử dụng các phương pháp tính 
toán và chiếu ngược mới xác định được độ sâu 
của dòng thấm.
Trong bản đồ từ trường của 2 thành phần By và 
Bz có thể hiện được 2 đường từ trường cao phía 
đường đi trên thân đập, đây là 2 dãy lan can sắt 
của con đường. 
Theo nhận định của nhóm nghiên cứu, do dãy lan 
can làm bằng sắt cho nên nó thu nhận và tập trung 
các đường sức từ trường do dòng thấm phía dưới 
thân đập phát ra sau đó phát ngược lại.
3. KẾT LUẬN
Qua những nghiên cứu thiết kế chế tạo CANTI 
đã chế tạo ra bộ cảm biến có kích thước nhỏ gọn, 
có độ nhạy cao qua đó chế tạo hệ thiết bị đo từ 
trường cảm ứng có thể phát hiện được vị trí dòng 
thấm và dòng rò ở độ sâu trên 150m. 
Các nghiên cứu tiếp theo sẽ được tiếp tục nghiên 
cứu để nâng cao độ nhạy của thiết bị, hoàn thiện 
phương pháp và chế tạo thiết bị có khả năng đáp 
ứng tốt hơn nhằm ứng dụng phương pháp này 
phục vụ cho công tác quản lý, cảnh báo và khắc 
phục kịp thời sự cố mất an toàn đập.
Bùi Trọng Duy, Nguyễn Hữu Quang, 
Đặng Quốc Triệu, Vuong Duc Phung, 
Vira Pronenko
Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân 
trong công nghiệp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Willowstick Technologies LLC (2007), 
AquaTrack Technology Explained, White Paper, 
USA
[2] Willowstick Technologies LLC (2011), Wil-
lowstick Geophysical Investigation of Recycle 
Tailings Pond Dam Pogo Mine, Alaska, USA
[3] Willowstick Technologies LLC (2012), Wil-
lowstick Geophysical Investigation of Highgate 
Pond #2, USA
[4] Filter Design in Thirty Seconds, Application 
Report SLOA093 – December 2001
[5] The Bubba Oscillator: An Op Amp Sine Wave 
Generator By Hunter Scott