Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng tây nguyên

LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Mai Thị Hồng i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực luận án, với nỗ lực thân với giúp đỡ tận tình nhà khoa học, thầy giáo, gia đình đồng nghiệp, luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên” hoàn thành Tác giả xin đặc biệt cảm ơn sâu sắc hướng dẫn, giúp đỡ tận tình PGS.TS Nguyễn Trọng Tư, GS.TS Lê Kim Truyền, nhà khoa học, thầy cô giáo ngồi trường hướng dẫn, góp ý cho tác giả q trình học tập hồn thành luận án Tác giả xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Đại học Sau đại học, Khoa Cơng trình, Bộ mơn Cơng nghệ Quản lý xây dựng, Trường Đại học Thuỷ Lợi; Phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi trường Đại học Hồng Đức giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tác giả thời gian thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp bạn bè ln bên cạnh khích lệ, nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập thực luận án ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận án TỔNG QUAN VỀ ĐẬP SỬ DỤNG VẬT LIỆU TẠI CHỖ VÀ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 1.1 Đập đất yêu cầu thiết kế, thi công 1.1.1 Tổng quan đập đất 1.1.2 Tổng quan yêu cầu kỹ thuật thiết kế thi công đập đất đầm nén ……………………………………………………………………………… 1.2 Phân tích nguyên nhân gây cố đập vật liệu chỗ 13 1.2.1 Nguyên nhân giai đoạn lập dự án đầu tư 14 1.2.2 Nguyên nhân khảo sát, đánh giá tài liệu 14 1.2.3 Nguyên nhân thiết kế 16 1.2.4 Nguyên nhân thi công 17 1.2.5 Nguyên nhân quản lý khai thác vận hành 17 1.2.6 Một số ví dụ cố đập đất Việt Nam vật liệu đắp .17 1.3 Đặc điểm hồ chứa nhu cầu dùng nước năm tới Tây Nguyên …………… .19 1.3.1 Đặc điểm hồ chứa đập đất Tây Nguyên 19 1.3.2 Nhu cầu dùng nước tương lai 20 1.4 Những nghiên cứu đập vật liệu chỗ .21 1.4.1 Nghiên cứu đập vật liệu chỗ Thế giới 21 1.4.2 Nghiên cứu nước 23 iii 1.5 Những nghiên cứu sử dụng xi măng vôi để gia cố đất Thế giới Việt Nam 27 1.5.1 Nghiên cứu sử dụng xi măng vôi để gia cố đất Thế giới 27 1.5.2 Nghiên cứu sử dụng xi măng vôi để gia cố đất Việt Nam 29 1.6 Những nội dung đặt cho nghiên cứu 30 1.7 Kết luận chương 31 CƠ SỞ KHOA HỌC CẢI THIỆN VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN .32 2.1 Vật liệu đắp đập khu vực Tây Nguyên 32 2.1.1 Đất Aluvi 32 2.1.2 Sườn tàn tích tàn tích loại đá khác 32 2.2 Bố trí vật liệu đất đắp thân đập 34 2.2.1 Nguyên tắc bố trí .34 2.2.2 Bố trí vật liệu thân đập 35 2.3 Một số giải pháp kỹ thuật để cải tạo đất đắp đập .36 2.3.1 Giải pháp thay đổi thành phần cỡ hạt 36 2.3.2 Giải pháp cải tạo đất chất kết dính 38 2.3.3 Giải pháp cải tạo đất phương pháp trộn Bitum 39 2.4 Cơ sở khoa học lựa chọn chất kết dính để cải tạo đất có tính thấm lớn tính tan rã mạnh 40 2.4.1 Tính thấm đất 40 2.4.2 Tính tan rã đất .40 2.4.3 Thành phần khoáng vật đất 41 2.4.4 Quá trình hóa lý xảy trộn ximăng vào đất 45 2.4.5 Q trình hóa lý xảy trộn vôi 47 2.4.6 Cơ sở khoa học lựa chọn chất kết dính vơ để cải tạo đất có tính thấm tính tan rã .48 2.5 Cơ sở khoa học lựa chọn hạt thô để tăng dung trọng khô đất 49 2.6 Kết luận chương 50 NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 51 3.1 Đặt vấn đề 51 iv 3.2 Lựa chọn mẫu đất phương pháp nghiên cứu mẫu đất khu vực Tây Nguyên .51 3.2.1 Lựa chọn mẫu đất nghiên cứu 51 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu 52 3.2.3 Thời gian khối lượng mẫu thí nghiệm 60 3.3 Kết thí nghiệm tiêu lý tính chất đặc biệt mẫu vật liệu sử dụng để nâng cấp đập 61 3.3.1 Thành phần hạt đất .61 3.3.2 Kết thí nghiệm tiêu vật lý đất 62 3.3.3 Kết thí nghiệm tiêu học đất .63 3.3.4 Kết thí nghiệm tính chất đặc biệt 64 3.3.5 Tổng hợp nhận xét kết thí nghiệm 65 3.4 Nghiên cứu giải pháp tăng khả chống thấm 65 3.4.1 Chất kết dính vơ để cải tạo đất 66 3.4.2 Quy trình chế bị mẫu trộn XM vơi 66 3.4.3 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng chất kết dính để giảm tính thấm đất …………… 67 3.4.4 3.5 Nghiên cứu tiêu lý đất sau trộn 2% XM 3% vôi 69 Nghiên cứu giải pháp chống tan rã đất 70 3.5.1 Quy trình chế bị mẫu thí nghiệm trộn chất kết dính xi măng .71 3.5.2 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng ximăng để tăng thời gian tan rã đất71 3.5.3 Nghiên cứu tiêu học hỗn hợp đất trộn 5% hàm lượng xi măng… .74 3.6 Nghiên cứu giải pháp để nâng cao dung trọng khô đất 74 3.6.1 Quy trình chế bị mẫu trộn dăm sạn .75 3.6.2 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên dung trọng khô lớn độ ẩm tốt đất .76 3.6.3 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên khả kháng cắt đất .78 3.6.4 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên tính biến dạng tính thấm đất 81 3.6.5 3.7 Phân tích lựa chọn tỷ lệ dăm sạn hợp lý 83 Kết luận chương 83 v ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ NÂNG CẤP, SỬA CHỮA MỘT SỐ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 85 4.1 Lựa chọn cơng trình nghiên cứu 85 4.1.1 Lựa chọn giới thiệu cơng trình 85 4.1.2 Đánh giá trạng đập đề xuất giải pháp nâng cấp 86 4.2 Nghiên cứu đánh giá khả sử dụng khối đất đắp để nâng cấp đập 90 4.2.1 Giới thiệu phần mềm tính tốn 90 4.2.2 Tính tốn thấm qua thân đập đắp áp trúc mái thượng lưu 92 4.2.3 Tính tốn ổn định mái đập 96 4.3 Công nghệ xử lý đất gia cố thi công đắp áp trúc mái thượng lưu đập 101 4.3.1 Chuẩn bị máy móc, thiết bị nhân lực 101 4.3.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu thi công 101 4.3.3 Quy trình trộn đất theo tỷ lệ hỗn hợp gia cố sử dụng phương pháp dây chuyền 101 4.3.4 4.4 Công nghệ thi công đắp áp trúc mái thương lưu đập 102 Kết luận chương 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .105 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 108 Bài báo khoa học 108 Hội nghị khoa học 108 Đề tài khoa học 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Đập đất Tả Trạch - Thừa Thiên Huế Hình Quan hệ dung trọng khô độ ẩm đất 12 Hình Mái thượng lưu đập đất hồ Am Chúa, Khánh Hòa sau cố 19 Hình Tương quan lực đầm nén, dung trọng khô độ ẩm đất .22 Hình Bố trí vật liệu đất đắp thân đập 36 Hình 2 Đường cong thành phần hạt .37 Hình Phân tố đơn vị khống vật sét a) Khối bốn mặt; b) Khối tám mặt 42 Hình Phân tử nước bị phân cực điện trường .42 Hình Cấu trúc lớp lưới 43 Hình Cấu tạo lớp khuếch tán đôi quanh hạt sét 48 Hình Các đặc trưng thành phần hạt 54 Hình Các mẫu đất sau chế bị 56 Hình 3 Máy cắt phẳng xác định lực dính C góc ma sát  56 Hình Thí nghiệm tính nén lún đất 57 Hình Thí nghiệm xác định đặc trưng trương nở đất 59 Hình Thí nghiệm xác định tính tan rã đất 60 Hình Đường cong cấp phối mẫu đất nghiên cứu 61 Hình Ảnh hưởng hàm lượng XM 2% lượng vôi với hệ số thấm .68 Hình Ảnh hưởng hàm lượng vơi 2% lượng xi măng với hệ số thấm 69 Hình 10 Ảnh hưởng hàm lượng XM đến thời gian tan rã đất 72 Hình 11 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên dung khơ lớn 77 Hình 12 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn đến độ ẩm tốt 78 Hình 13 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên góc ma sát đất .79 Hình 14 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên lực dính đơn vị 79 Hình 15 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên môđun biến dạng .81 Hình 16 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên hệ số thấm 82 Hình Sơ đồ lớp đất đập đất Buôn Sa .85 Hình Mái hạ lưu đập có nhiều vết nứt lỗ rỗng (Ảnh chụp ngày 13/8/2015) .86 vii Hình Kết tính thấm với đập trạng 87 Hình 4 Kết tính ổn định mái TL đập trạng .87 Hình Kết tính ổn định mái hạ lưu đập trạng 87 Hình Sơ đồ đắp áp trúc mái TL để nâng cấp chống thấm cho đập 88 Hình Sơ đồ mặt cắt tính tốn 95 Hình Kết tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 95 Hình Kết tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m 95 Hình 10 Kết tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m 96 Hình 11 Kết tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 98 Hình 12 Kết tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m 99 Hình 13 Kết tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m 99 Hình 14 Kết tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 99 Hình 15 Kết tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=4.5m 100 Hình 16 Kết tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=5.0m 100 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Số lượng đập vật liệu chỗ nước giới (H≥15m) Bảng Số lượng phân loại hồ chứa thủy lợi theo dung tích, khơng kể hồ thủy điện Bảng Giá trị độ ẩm tốt dung trọng khô lớn 12 Bảng Tỷ lệ hư hỏng đập đất vừa nhỏ Tây Nguyên .20 Bảng Đặc tính tan rã đất có nguồn gốc khác .26 Bảng Tỷ lệ xi măng với loại đất khác 27 Bảng Phân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn Nga (Snhip) CHИП 2-05-08-1985 .59 Bảng Bảng thống kê thí nghiệm phịng .60 Bảng 3 Thành phần hạt đất thí nghiệm 61 Bảng Thí nghiệm tiêu vật lý đất .63 Bảng Các tiêu học đất thí nghiệm .63 Bảng Kết thí nghiệm tính co ngót, trương nở độ tan rã 64 Bảng Các tiêu chất lượng XM Vicem Hoàng Thạch PCB30 66 Bảng Kết thí nghiệm thấm theo hàm lượng XM 2% vôi 67 Bảng Kết thí nghiệm thấm theo hàm lượng vơi 2% hàm lượng XM 68 Bảng 10 Thí nghiệm xác định tiêu lý đất 70 Bảng 11 Kết thí nghiệm xác định thời gian tan rã đất 72 Bảng 12 Thí nghiệm kiểm chứng tiêu học đất trộn 5% XM .74 Bảng 13 Quan hệ tỉ lệ dăm sạn, độ ẩm tốt dung trọng khô lớn 76 Bảng 14 Quan hệ hàm lượng dăm sạn, góc ma sát lực dính đơn vị 78 Bảng 15 Quan hệ tỷ lệ dăm sạn, môđun biến dạng hệ số thấm 81 Bảng Các thông số đập đất hồ chứa Buôn Sa 85 Bảng Các thơng số của vật liệu tính tốn 86 Bảng Yêu cầu nâng cấp đập đất Buôn Sa 89 Bảng 4 Quy định trị số gradient cho phép thân đập .89 Bảng Hệ số thấm vật liệu đắp đập đất dùng mô hình tính thấm .94 ix Bảng Kết tính thấm tính với chiều rộng khối đắp khác 96 Bảng Các tiêu lý vật liệu đắp đập đất 97 Bảng Kết tính tốn hệ số ổn định mái đập 100 Bảng Sơ đồ thi công dây chuyền khu vực trộn đất .102 x