Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT" pps

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 1 ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT STABILITY OF EARTH DAM IN CASE OF EARTHQUAKE Nguyễn Thế Hùng – Nguyễn Văn Hướng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Tính toán ổn định đập đất là một trong những phần quan trọng nhất khi thiết kế đập đất. Đối với những công trình đập quan trọng, khi bị sự cố sẽ gây ra thiệt hại lớn về người và của cho xã hội, người ta cần phải tính toán đầy đủ các lực tác dụng lên nó. Động đất là một trong những tác nhân gây nên sự mất ổn định cho đập đất. Bài báo này phân tích, so sánh lựa chọ n loại lực động đất tác dụng lên đập đất, để đưa ra kiến nghị về quan điểm tính toán lực động đất; cho thấy việc lựa chọn loại lực động tác dụng lên đập đất hợp lý hơn là lực tĩnh; vì nó phù hợp với sự ứng xử của đập đất khi có động đất xảy ra. Áp dụng tính toán ổn định cho một công trình cụ thể để minh chứng cho các nhận xét lý thuyết. ABSTRACT Stability calculation is the most important factor in the design of an earth dam. In the construction of any major dam, its failure can cause losses to human life and social property. Therefore, it is necessary for us to calculate all its body forces. Earthquake is one of the factors which causes instability to the dam. This article analyses, compares and selects the influences of earthquake forces acting on such a dam. As a suggestion on the calculation of an earth dam’s design, we prove that a dynamic force is a more rational than a static one because it is appropriate for any earth dam’s conditions when earthquake occurs. A case study on a real earth dam’s stability is an indication of theoretical studies. 1. Đặt vấn đề Động đất là một trong những thảm họa khốc liệt của tự nhiên. Nhiều thảm họa do động đất gây ra trên thế giới đã là lời cảnh tỉnh cho chúng ta về sự mỏng manh của cuộc sống và sự non kém của khoa học – nhất là khoa học xây dựng. Có thể kể ra làm ví dụ một số thiệt hại do động đất gây ra như: Trận động đất ở Messina ở Italia năm 1909 đã làm chết 160.000 người, trận động đất San Fernando ở California năm 1971 phá hủy nhiều cầu trên đường cao tốc và phá hỏng đập đất Lower San Fernando, trận động đất ở Côbê – Nhật Bản 17/01/1995 làm chết 5.502 người, trận động đất ở Ấn Độ 26/01/2001 làm chết 20.023 người, trận động đất ỏ Đông Bắc Iran 26/12/2004 làm chết 31.884 người, trận động đất ở Bắc Sumtra, Inđônêxia, Thái Lan, Sri Lanka, Ấn Độ, Bănglađét 26/12/2004 làm chết 280.000 người, trận động đất ở Pakixtan, Ấn Độ 08/10/2005 làm chết hơn 54.000 người, trận động đất kinh hoàng ở Tứ Xuyên – Trung Quốc 12/05/2008 làm chết gần 10.000 người, gần đây nhất trận động đất ở Abruzzo Italia ngày 05/4/2009 làm chết hơn 280 người,… Ở Việt Nam động đất chưa gây thiệt hại to lớn. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây thường xuyên xảy ra động đất gây sợ hải cho dân chúng như: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 2 trận động đất xảy ra ở Tuần Giáo – Lai Châu 24/6/1983, trận động đất ngày 5 và 6/8/2005 ngoài khơi biển Vũng Tàu gây ảnh hưởng ở Thành phố Hồ Chí Minh, Nha Trang, Vũng Tàu, Đồng Nai. Trận động đất ở Vân Nam – Trung Quốc gây ảnh hưởng đến Lào Cai 16/8/2005 và gần đây nhất là trận động đất tại Lai Châu đầu tháng 3/2008. Đứng về mặt sự kiện thông thường thì thiệt hại do động đất gây ra ít hơn so với một số thảm họa khác của thiên nhiên; nhưng đứng về mặt thảm họa lịch sử thì nó được xếp hàng đầu. Nói chung, động đất gây ra hậu quả vô cùng to lớn; nhưng nếu động đất gây vỡ đập của hồ chứa nước thì hậu quả lại càng nghiêm trọng hơn. Để minh chứng điều này ví dụ như động đất gây vỡ đập Sơn La thì chiếc xe tăng 4 tấn ở Sơn Tây có thể bị thổi bay như một chiếc lá, và trầm trọng nhất sau 30 phút toàn bộ đồng bằng Bắc Bộ sẽ chìm sâu dưới 4÷60m, cướp đi sinh mạng 15 triệu người. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, nên để đảm bảo nguồn nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt, phát điện và các ngành kinh tế khác thì nhu cầu xây dựng hồ chứa nước là rất lớn. Để tạo nên hồ chứa nước phải xây dựng đập giữ nước như: đập đất, đập đá đổ, đập bê tông trọng lực, đập bê tông cốt thép,…trong đó đập đất chiếm một tỷ lệ khá lớn. Ở nước ta, các nghiên cứu kháng chấn rất hiếm hoi, các kết quả nghiên cứu gần như vẫn nằm trong các báo cáo hoặc sách vở chứ chưa được ứng dụng trong thực tiễn nên gây rất nhiều khó khăn cho các kỹ sư thiết kế. Đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi – thủy điện vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến công trình chưa được quan tâm đúng mức. 2. Ảnh hưởng của động đất đến đập đất Khi động đất xảy ra sẽ xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm nhất định và lan truyền nhanh chóng dưới dạng sóng địa chấn. Dưới ảnh hưởng của sóng địa chấn có thể làm hư hại công trình do hình thành các ứng xử động đất như: lực quán tính, lửa, sự thay đổi tính chất của khối đất đá, hóa mềm, hóa lỏng, chuyển vị, trượt đất hay các chuyển vị bề mặt khác, sự hình thành sóng nước… Đập đất là loại đập được xây dựng bằng các loại đất trên nền đất hay đá. Do đó, khi xảy ra động đất có thể bị hư hỏng dưới các dạng sau: + Nhất thời làm tăng các lực đứng và lực ngang gây sụt lở, trượt mái; + Do sự rung lắc gây lún thân và nền đập; + Đối với cát bão hòa có thể gây ra hiện tượng hóa dẻo hay hóa lỏng tạm thời, từ đó làm giảm hay mất khả năng chống cắt của đất, do đó có thể gây trượt mái; + Chuyển động cắt gây ra đứt gãy trên mặt đập và ăn sâu vào trong thân đập; + Hình thành sóng nước trong hồ, tác động vào mái đập gây mất ổn định. Như vậy khi có động đất xảy ra, nó sẽ ảnh hưởng xấu đến sự làm việc bình thường của đập, có thể gây vỡ đập. Tuy nhiên, nếu người khảo sát thiết kế quan tâm nghiên cứu về vấn đề dự báo và thiết kế kháng chấn phù hợp thì đập đất có thể làm việc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 3 an toàn khi có động đất xảy ra. 3. Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán đập đất khi chịu ảnh hưởng động đất 3.1. Các phương pháp phân tích động đất Một trong những nhiệm vụ chủ yếu của kỹ thuật chống động đất là xây dựng các phương pháp xác định các ứng xử động lực của công trình khi chịu động đất. Để xác định ứng xử của công trình chịu tác dụng của động đất, người ta sử dụng phương pháp tính toán tĩnh lực và phương pháp tính toán động lực. 3.1.1. Phương pháp tính toán tĩnh Theo phương pháp này, toàn bộ hay bộ phận công trình được xem như một vật tuyệt đối cứng đặt trên nền với gia tốc động đất x” 0 (t), lực động đất tác dụng lên công trình có trị số: F = Q g x” 0 (t) = K s .Q Q: trọng lượng toàn bộ hay bộ phận công trình; K s = hệ số động đất; g: gia tốc trọng trường. Ưu điểm của phương pháp này là tính toán đơn giản, có thể áp dụng cho công trình có hình dạng bất kỳ. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là không chú ý đến biến dạng của công trình và đặc biệt là nó không phản ảnh được trạng thái chịu lực thực của công trình khi động đất xảy ra. Chính vì vậy, vào những năm 40 của thế kỷ XX, phương pháp tính toán tĩnh đã nhanh chóng nhường chỗ cho phương pháp tính toán động lực. 3.1.2. Phương pháp tính toán động Nội dung cơ bản của phương pháp động lực trong bài toán kháng chấn là xem công trình như một hệ cơ học có số bậc tự do hữu hạn hoặc vô hạn, bị di chuyển theo nền đất x 0 (t), các tính chất cơ lý của công trình được biểu diễn qua độ cứng K và hệ số cản C của từng bộ phận riêng rẽ. Sau đó mô hình hóa kết cấu công trình chịu tác dụng động đất bằng hệ phương trình vi phân toán học, và kết quả sẽ tìm được ứng xử của công trình. Trong phương pháp tính toán động gồm các phương pháp: phương pháp giải tích, phương pháp phổ ứng xử, phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian, phươ ng pháp tải trọng ngang thay thế, phương pháp động lực, phương pháp ngẫu nhiên. 3.2. Phân tích lựa chọn phương pháp tính lực động đất tác dụng lên đập đất 3.2.1. Thực tế phân tích động đất trong thiết kế đập đất ở Việt Nam Ở nước ta hiện nay, để kể đến động đất trong tính toán thiết kế ta dùng phương pháp tĩnh lực. Theo phương pháp này chỉ cần dùng đặc trưng động đất là gia tốc giao động ngang của nền. Để tính theo phương pháp này, chủ yếu dùng phần mềm SLOPE/W, nó chỉ xét ảnh hưởng của lực quán tính ngang theo phương pháp cân bằng giới hạn có thể. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 4 3.2.2. Phân tích động đất theo phương pháp động lực Phương trình cơ bản về ứng xử của động đất, được thiết lập theo phương pháp phần tử hữu hạn: [M]{x”} + [D]{x’} + [K]{x} = {F} [M]: ma trận tổng khối lượng; [D]: ma trận cản do dẻo và nhớt; [K]: ma trận độ cứng; {F}: vec tơ lực nút; {x”}, {x’}, {x}:lần lược là vec tơ gia tốc, vec tơ vận tốc và vec tơ chuyển vị nút. Phương trình cơ bản này được tích phân trực tiếp theo thời gian theo thuật toán Wilson. Để tính toán theo phương pháp động lực, trong bài báo nầy dùng phần mềm QUAKE/W; nó cho phép phân tích động lực chủ yếu cho các công trình đất và môi trường địa kỹ thuật, với giả thiết là mô hình đàn hồi tuyến tính và tuyến tính tương đương theo phương pháp phần tử hữu hạn. Các bước tiến hành tính ổn định đập đất bằng phần mềm QUAKE/W: Bước 1: Dùng phần mềm QUAKE/W để phân tích động lực; Bước 2: Ghép đôi phần mềm QUAKE/W với phần mềm SLOPE/W. 3.2.3. Kết quả tính toán ổn định Đập được chọn để tính toán là đập đất của hồ chứa nước Hoa Sơn tỉnh Khánh Hòa. Theo bản đồ phân vùng động đất của Viện Vật lý Địa cầu, đập Hoa Sơn được tính với động đất cấp 7 theo thang 12 cấp động đất. a) Kết quả theo phương pháp tĩnh Với động đất cấp 7 tương ứng với hệ số động đất là K=0.025, tiến hành tính toán ổn định theo phần mềm SLOPE/W kết quả hệ số ổn định mái hạ lưu là k=1.353. b) Kết quả theo phương pháp động lực Với động đất cấp 7 tương ứng với gia tốc dao động ngang lớn nhất của nền a max =60cm/s 2 . tiến hành phân tích động đất bằng phần mềm QUAKE/W sau đó ghép đôi với SLOPE/W để tính ổn định, ta được hệ số ổn định cho mái hạ lưu theo các bước thời gian t=0.02s trong suốt quá trình động đất như ở bảng sau: Hình 2. Kết quả theo phương pháp động Hình 1. Kết quả theo phương pháp tĩnh TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 5 Bước thời gian thứ Hệ số ổn định Bước thời gian thứ Hệ số ổn định Bước thời gian thứ Hệ số ổn định Bước thời gian thứ Hệ số ổn định 10 1.536 140 1.503 260 1.354 390 1.560 20 1.537 150 1.541 270 1.428 400 1.541 30 1.530 160 1.595 280 1.586 410 1.533 50 1.540 170 1.370 290 1.572 420 1.544 60 1.529 180 1.485 300 1.562 430 1.303 70 1.566 190 1.582 310 1.537 440 1.533 80 1.573 200 1.604 320 1.535 450 1.580 90 1.521 210 1.548 340 1.524 460 1.515 100 1.572 220 1.452 350 1.580 470 1.467 110 1.566 230 1.527 360 1.553 480 1.519 120 1.541 240 1.585 370 1.542 490 1.508 130 1.572 250 1.551 380 1.515 500 1.529 3.2.4. Phân tích kết quả Từ kết quả tính toán theo phương pháp tĩnh lực và phương pháp động lực, ta vẽ chúng trên cùng một biểu đồ (hình 3), có các nhận xét sau:  Theo phương pháp tĩnh lực hệ số ổn định k=1.353 không đổi trong suốt quá trình động đất, bởi vì chỉ xét ứng xử của động đất là lực quán tính theo hệ số động đất không đổi.  Theo phương pháp động lực hệ số ổn định thay đổi theo thời gian, đặc biệt hệ số Hình 3. Biểu đồ thể hiện hệ số ổn định theo phương pháp tĩnh lực và động lực Kết quả tính theo phương pháp động lực Kết quả tính theo phương pháp tĩnh lực TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 6 ổn định nhỏ nhất tìm được là k=1.303 nhỏ hơn hệ số ổn định theo phương pháp tĩnh. Bởi vì: o Ứng xử của lực quán tính thay đổi tương ứng với gia tốc dao động của nền; mà gia tốc này thay đổi trong suốt quá trình động đất; o Khi có động đất sẽ sinh ra hiện tượng hóa mềm, hóa lỏng do đó bất lợi cho ổn định. 4. Kết luận Phân tích động đất theo phương pháp tĩnh lực cho thấy không phù hợp với ứng xử thực tế của đập đất, đặc biệt nguy hiểm là theo phương pháp này cho kết quả không an toàn cho ổn định trượt mái đập đất. Phân tích động đất theo phương pháp động lực đánh giá đầy đủ hơn các thông số ứng xử động đất. Do đó, phân tích động đất theo phương pháp này phù hợp với thực tế hơn, đảm bảo công trình làm việc an toàn khi có động đất xảy ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Hướng (2006), Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất ở Việt Nam, Luận văn thạc sỹ, Đại học Đà Nẵng. [2] Vũ Quốc Khánh (2005), Thảm họa động đất và sóng thần, Nxb Thông tấn, Hà Nội. [3] Phạm Gia Lộc (1985), Cơ sở của động đất và tính toán công trình chịu tải trọng động đất, Nxb Xây dựng, Hà Nội. [4] Xí Nghiệp Tư vấn Thiết kế Thủy lợi 3 (2005), Hồ sơ thiết kế kỹ thuật Hồ chứa nước Hoa Sơn tỉnh Khánh Hòa, Nha Trang. [5] Bathe (1982), Finite Element Procedures in Engineerng Analysis, Prentice-Hall. [6] Kramer (1996), Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall. . đề nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến công trình chưa được quan tâm đúng mức. 2. Ảnh hưởng của động đất đến đập đất Khi động đất xảy ra sẽ xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm nhất định. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 1 ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT STABILITY OF EARTH DAM IN CASE OF EARTHQUAKE. của kỹ thuật chống động đất là xây dựng các phương pháp xác định các ứng xử động lực của công trình khi chịu động đất. Để xác định ứng xử của công trình chịu tác dụng của động đất, người ta sử