Tại sao thiết kế quy hoạch lại cần tọa độ quốc gia?

Hệ toạ độ (HTĐ) làmột công cụ đồ họa rất quen thuộc đối với các cán bộ làm công tác thiết kế vàthi công xây dựng công trình. Từ trước đến nay trong xây dựng chúng ta thườngsử dụng hai HTĐ chính đó là HTĐ độc lập và HTĐ quốc gia. Do còn thiếu thông tinvà chưa thực sự nắm vững những đặc điểm của HTĐ quốc gia nên việc sử dụng nótrong quá trình thiết kế và thi công xây dựng công trình đã gây ra rất nhiềutrục trặc ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ và chất lượng của công trình. Trongbài này chúng tôi nhấn mạnh đến một tính chất rất quan trọng của HTTD quốc giavà giả pháp để ngăn ngừa những trục trặc trong quá trình thi công xây dựng côngtrình do HTĐ này có khả năng gây ra.

Muốn xác lập HTĐđộc lập trước hết cần chọn một mặt phẳng nằm ngang tại khu vực xây dựng côngtrình trên đó dựng 2 đường thẳng vuông góc với nhau gọi là 2 trục của hệ tọa độmột trục được ký hiệu là X (trục nằm ngang) còn trục kia là Y. Với HTĐ như trênmột điểm bất kỳ trên mặt phẳng sẽ được xác định bởi một cặp số thực x và y gọilà tọa độ phẳng của điểm đó. Như vậy HTĐ độc lập là một HTĐ phẳng hoàn toàntrong đó không có khái niệm độ cao vì vậy độ cao của các điểm trên mặt bằng sẽđược xác định như một yêu tố riêng.

HTĐ độc lập rất đơngiản, chính xác và tiện dụng. Tuy nhiên do mặt đất là mặt cong nên HTĐ này chỉcó thể áp dụng được cho các công trình có quy mô không quá 5km2 bởivì chỉ trong khuôn khổ này thì có thể coi mặt đất là mặt phẳng.

Trước năm 2000 HTĐquốc gia Việt Namlà hệ HN-72. Đây là HTĐ được xác lập trên Elipxoid Kraxovski 1940, phép chiếuGauss - Kriugher và hệ độ cao Hòn Dấu. Sau năm 2000 chúng ta sử dụng HTĐ quốcgia mới có tên là VN-2000. Đây là HTĐ được xác lập trdên Elipxoid WGS-84, phépchiếu UTM (Universal Transverse Mercator) và hệ độ cao Hòn Dấu. Như vậy đối vớimỗi một HTĐ quốc gia chúng ta thấy có 3 yếu tố cơ bản đó là Elipxoid trái đất,phép chiếu và hệ độ cao. Trong cả 2 HTĐ quốc gia HN-72 và VN-2000 độ cao đượclấy theo hệ độ cao Hòn Dấu, vì vậy trong khuôn khổ bài này chúng tôi không đềcấp tới. Ở đây chúng tôi chỉ nói về pháp chiếu được sử dụng.

Tuy trong hai HTĐ HN-72và VN-2000 sử dụng hai phép chiếu có tên khác nhau là phép chiếu Gauss-Kriughervà UTM nhưng về bản chất hai phép chiếu này là hoàn toàn giống nhau (chúng chỉkhác nhau một chút ít về chi tiết chúng ta sẽ xét sau). Thực chất đây là phépchiếu hình trụ ngang đồng góc. bản chất của nó như sau: Giả sử chúng ta có mộttờ giấy đủ lớn để cuộn lại thành một hình trụ có đường kính bằng đường kính củatrái đất rồi lồng nó vào trái đất theo phương nằm ngang. như vậy trái đất chỉtiếp xúc với tờ giấy the một đường tròn duy nhất đi qua hai cực của nó (đườngkính tuyến, trong trường hợp này, gọi là kinh tuyến trục). Nếu thực hienẹ phépchiếu từ tâm quả đất và sau đó trải tờ giấy đã cuộn ra thì chúng  ta sẽ được hai đường thẳng vuông góc với nhauđó chính là các trục toạ độ của HTĐ quốc gia trong đó trục ngang được ký hiệulà trục Y còn trục đứng là trục Y. Để tránh các giá trị âm của tọa độ y ngườita tịnh tiến trục X sang phía Tây 500km. Toàn bộ cách làm trên đây chính làcách xác lập HTĐ quốc gia HN-72 mà chúng ta đã sử dụng từ năm 2000 trở vềtrước. Với cách chiếu như trên thì một đoạn thẳng AB nào đó trên mặt đất sẽđược thể hiện trên bản vẽ trong hệ tọa độ HN-72 bằng đoạn thẳng A’B’ của đốitượng trên bản vẽ lớn hơn kích thước thực của nó trên mặt đất.

Như vậy, chúng tathấy HTĐ quốc gia không phải là HTĐ phẳng như HTĐ độc lập mà nó là một HTĐvuông góc không gian. HTĐ này có một tính chất đặc biệt đó là không có sự tươngthích hoàn toàn giữa kích thước của các đối tượng trên mặt đất và trên bản vẽ.Nếu ký hiệu kích thước của các đối tượng trên mặt đất là DG và kíchthước trên bản vẽ của nó trong HTĐ quốc gia là D thì ta sẽ có quan hệ:

Trong đó: k gọi làhệ số chiều dài (scale factor)

Hệ số chiều dài kđược tính theo công thức sau:

Trong đó:

k0 - Hệsố chiều dài tại kinh tuyến trục;

ytb -Giá trị tọa độ y trung bình cuả mặt bằng xây dựng;

R - Bán kính củaquả đất.

Giá trị k0được chọn riêng cho từng HTĐ. Trong HTĐ HN -72 k0=1, vì vậy côngthức (1) có dạng:

Công thức (3) chothấy nếu sử dụng HTĐ HN - 72 thì chỉ có duy nhất tại kinh tuyến trục (ytb= 0) là kích thước trên bản vẽ bằng kích thước trên mặt đất còn ở các khu vựckhác kích thước của các đối tượng trên bản vẽ bao giờ cũng lớn hơn kích thướcthực của chúng trên mặt đất. Ở rìa của múi chiếu 6o biến dạng có thểđạt tới giá trị 1.3m/1km, điều này gây ra rất nhiều bất tiện trong quá trình thicông xây dựng công trình.

Tuy về mặt lýthuyất chỉ có các đối tượng nằm trên kinh tuyến trục là không bị biến dạngnhưng trong thực tế có thể giới hạn vùng không biến dạng bằng một giải có bềrộng khoảng 40km (20km sang phải và 20km sang trái kinh tuyến trục)). Trongvùng này biến dạng chiều dài của các đối tượng < 4mm/1km và có thể coi là khôngđáng kể.

Trong HTĐ VN -2000người ta chọn k0 = 0,9996. Với cách chọn này quan hệ giữa kích thướccủa các đối tượng trên mặt đất và trên bản vẽ sẽ được thể hiện bằng công thứcsau đây:

Công thức (4) chochúng ta thấy khi sử dụng HTĐ VN-2000 sẽ có 2 khu vực mà ở đó hệ số chiều dàim=1(nghĩa là ở đó có sự tương thích hoàn toàn giữa kích thước củac các đốitượng trên mặt đất và trên bản vẽ hay gọi là khu vực không biến dạng) hai khuvực đó có giá trị tọa độ ytb= file:///C:/DOCUME~1/user/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif. Đôi khi trong một số trường hợp, để hạn chế giá trị biếndạng của lưới chiếu, người ta còn sử dụng múi chiếu 3o. Trong HTĐVN-2000 múi 3o người ta chọn k0= 0.9999 và quan hệ giữakích thước của các đối tượng trên mặt đất và trên bản vẽ được thể hiện bằngcông thức sau:

Với múi chiếu 3otrong HTĐ VN -2000 khu vực không biến dạng có toạ độ:

ytb =file:///C:/DOCUME~1/user/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif   

Sự không tươngthích giữa kích thước của các đối tượng trên bản vẽ và kích thước thực củachúng trên mặt đất được gọi là biến dạng của lưới chiếu. Giá trị biến dạng lớnhay nhỏ tùy thuộc vào lưới chiếu được sử dụng trong HTĐ và vị trí của khu vựcxây dựng so với kinh tuyến trục. Ví dụ nếu sử dụng HTĐ HN -72 thì tại kinhtuyến trục các đối tượng không bị biến dạng, càng xa kinh tuyến trục thì biếndạng càng lớn. Nếu sử dụng HTĐ VN -2000 thì tại kinh tuyến trục biến dạng củacác đối tượng là lớn nhất và kích thước trên bản vẽ sẽ nhỏ hơn kích thước thựccủa chúng trên mặt đất. Trong bảng 1 dưới đây chúng tôi đưa ra một vài số liệuvề biến dạng do lưới chiếu trong HTĐ HN -72 của một số công trình tiêu biểu.

Từ những điều đãnêu ở trên chúng ta thấy khi sử dụng HTĐ quốc gia để thiết kế và thi công xâydựng công trình cần phải đặc biệt lưu ý xem khu vực xây dựng có nằm trong vùngcó hệ số chiều dài m = 1 hay không, tức là kiểm tra điều kiện:

nếu sử dụng HTĐ HN -72và điều kiện:

nếu sử dụng HTĐ VN-2000

Nếu các điều kiện(5) hoặc (6) không được thỏa mãn thì phải thực hiện chuyển tạo độ (tức là nhậnkinh tuyến hợp lý làm kinh tuyến trục).

Tính chuyển tọa độlà một việc khá phức tạp vì phải sử dụng các công thức lượng giác trên mặt cầu.Để thuận tiện cho việc tính chuyển tọa độ trong phần mềm TĐCT Ver 1.0 chúng tôicó xây dựng một modul để thực hiện công việc này.

Số liệu trong bảngtrên là tọa độ của các điểm khống chế trên một khu vực xây dựng tại địa bàn HàNội trong HTTD HN-72, với kinh tuyến 105oE được nhận làm kinh tuyếntrục. Ở đây chúng ta thấy điều kiện (5) không được thỏa mãn vì vậy nếu dùng cáctọa độ này để thiết kế công trình (ví dụ một cây cầu bắc giữa hai mố M1 và M2)thì chiều dài thiết kế của cây cầu này sẽ lớn hơn chiều dài thực tế giữa 2 mốdẫn đến tình trạng nếu đúc sẵn các dầm cầu đúng theo bản vẽ thiết kế và xây sẵn2 mố M1 và M2 trên mặt đất thì sẽ không lắp được cầu nếu không cưa bớt một phầnchiều dài của nó. Những sai sót kiểu như thế này đã xảy ra với nhiều công trìnhlớn trong cả nước như Nhà máy lọc dầu Dung Quất (Quảng Ngãi), cầu dây văng BãiCháy (Quảng Ninh), cầu Tân Đệ (Thái Bình), cầu Yên Lệnh (Hưng Yên)...

Trong ví dụ trên đểchiều dài thiết kế của cây cầu đúng bằng chiều dài giữa 2 mố của nó trên mặtđất thì nó phải được thiết kế trong HTĐ quốc gia HN-72 với kinh tuyến trục làkinh tuyến đi qua khu vực xây dựng (trong ví dụ này kinh tuyến 105o45’E- kinh tuyến đi qua khu vực Hà Nội) tức là thực hiện quá trình tính chuyển tọađộ. Kết quả tính chuyển tọa độ bằng phần mềm TĐCT Ver 1.0.

Cần lưu ý rằngtrong các thông tư hướng dẫn sử dụng HTĐ quốc gia gửi các địa phương, Tổng cụcĐịa chính (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) đã có hướng dẫn rất cụ thể về kinhtuyến trục hợp lý cho từng tỉnh, từng thành phố trong cả nước. Tuy nhiên, dokhông thực sự am hiểu sâu sắc về HTĐ này nên các cán bộ kỹ thuật đã không thựchiện đúng các quy định dẫn đến những sai sót đáng tiếc trong quá trình thiết kếvà những trục trặc không đáng có trong quá trình thi công xây dựng công trình.

HTĐ quốc gia là mộthệ rất phức tạp vì vậy chỉ nên sử dụng nó trong những trường hợp cần thiết. Đốivới các công trình xây dựng có quy mô không lớn quá 5km2 tốt nhấtnên sử dụng HTĐ độc lập. Trong trường hợp bắt buộc phải sử dụng HTĐ quốc giathì cần phải đặc biệt lưu ý sao cho kinh tuyến trục của HTĐ này đi qua khu vựcxây dựng công trình bằng cách kiểm tra các điều kiện (5) hoặc (6). Trong thựctế đã có rất nhiều công trình được thiết kế trong HTĐ quốc gia mà các điều kiện(5) hoặc (6) không được đảm bảo gây rất nhiều trục trặc trong quá trình thicông. Trong trường hợp cần tính chuyển tọa độ, các đơn vị có thể liên hệ vớiPhòng TĐCT của Viện KHCN Xây dựng để nhận được sự trợ giúp cần thiết.