BẢN CHẤT HIỆN TƯỢNG NỨT CỤC BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHỐNG NỨT TRONG THÂN ĐẬP ĐẤT

Nứt cục bộ trong thân đập đất là hiện tượng tự nhiên, nảy sinh khi độ ẩm trong đất thay đổi.Có nhiều dạng vết nứt với bản chất và điều kiện hình thành khác nhau, bao gồm: nứt mặt, nứt đáy, tách lớp. Trong bài này,các tác giả tóm tắt kết quả nghiên cứu về bản chất của hiện tượng và phương pháp tính toán, phòng chống thiên tai

1 BẢN CHẤT HIỆN TƯỢNG NỨT CỤC BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHỐNG NỨT TRONG THÂN ĐẬP ĐẤT. NATURE OF LOCAL CRACKING SITUATION AND ANALYSIS METHOD FOR STABILITY OF AGAINST CRACKING IN THE EARTH DAM PGS.TS. TRẦN THỊ THANH Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam NCS. NGUYỄN HÙNG SƠN Ban QLĐTXDTL 9 TÓM TẮT: Nứt cục bộ trong thân đập đất là hiện tượng tự nhiên, nảy sinh khi độ ẩm trong đất thay đổi.Có nhiều dạng vết nứt với bản chất và điều kiện hình thành khác nhau, bao gồm: nứt mặt, nứt đáy, tách lớp. Trong bài này,các tác giả tóm tắt kết quả nghiên cứu về bản chất của hiện tượng và phương pháp tính toán, phòng chống thiên tai. ABSTRACT: Local cracking in the earth dam body is a phenomenon nature which is created when humidity changed. There are many types of cracking, bottom cracking, layer separated. In this paper, the author briefs the study results for nature of phenomenon, accident and analysis method, forecast method in order to avoid the natural calamity. “Đất đắp đập Miền Trung” là vấn đề nóng bỏng từ nhiều thập niên qua và đang được Nhà nước, các cấp, các ngành quan tâm sâu sắc. Từ kết quả khảo sát hiện trường sự cố cho thấy ngòai những sự cố thông thường gắn liền với các vết nứt ở đập đất như: sạt lở, đứt gãy, trượt sâu, lún nền…còn tồn tại một dạng vết nứt hẹp, ngắn, cục bộ trong từng lớp đất đắp. Đó là hiện tượng nứt cục bộ trong thân đập đất. Đã có nhiều chuyên gia bàn luận về vấn đề này và đã có một số phương án xử lý sự cố thành công. Song, thực chất của hiện tượng đó là gì? Xảy ra trong điều kiện nào? Có thể tính toán phòng tránh được không? Hiện tại vẫn chưa có câu trả lời mang tính hệ thống. Trong phạm vi bài báo này, các tác giả chỉ tóm tắt kết quả nhgiên cứu theo các chuyên mục sau đây: 2 1. HIỆN TƯỢNG NỨT CỤC BỘ TRONG THÂN ĐẬP ĐẤT 1.1. ĐẬP SƠNG QUAO: Đập sông Quao được xây dựng tại huyện Hàm Thuận Bắc, tỉnh Bình Thuận từ năm 1990 đến năm 1995 Kết quả kiểm tra, nghiệm thu công trình đã chứng tỏ: Công trình xây dựng đạt yêu cầu thiết kế, không có sai sót về thi công. Tuy nhiên, khi khoan phụt chống thấm nền đập và tiến hành thí nghiệm thấm hiện trường, hiện tượng bất thường đã xảy ra như sau: Trong một số lỗ khoan, ở độ sâu cách đỉnh đập từ 8m đến 10m, lượng nước thí nghiệm đột ngột tăng nhanh. Đặc biệt có lỗ khoan sâu 10m, đổ nước liên tục trong 30 phút, với lưu lượng 6 lít / phút vẫn không đầy. Trong khi đó, các lỗ khoan kiểm chứng, cách đó 1,0 m vẫn không có hiện tượng bất thường này xảy ra. 1.2. ĐẬP SUỐI TRẦU : Đập Suối Trầu được xây dựng tại huyện Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa từ năm 1977 đến năm 1979, đập bị sự cố hai lần - Mơ tả sự cố lần thứ nhất: Vào lúc 12h30 ngày 11/11/1977, khi hồ tích nước đến cao trình 21m (MNBT: 22,5m), xuất hiện một lỗ rò trên mái hạ lưu ở cao trình 16,8m (cách đỉnh đập 8,80m). Đến lúc 18 giờ đã hình thành 2 ống dòng đường kính gần 2m thơng từ thượng lưu ra hạ lưu. - Mơ tả sự cố lần thứ 2: Sau sự cố lần 1, đập được đắp lại và lúc 04 giờ ngày 04/11/1978, sau cơn mưa do bão gây nên, mực nước hồ tăng nhanh từ cao trình 22,5m đến 24,40m, làm cho khối đất khơ trên cao trình 22,5m bị ngấm nước, bị lún sụt, tạo thành lỗ rò ở hạ lưu tại cao trình 22,0m. (Vị trí ống dòng rò rỉ cách tim cống 21m nên có thể loại trừ khả năng đất đắp mang cống xấu). Đến 12giờ 30, xuất hiện một lỗ rò khác ở phía hạ lưu, cách đỉnh đập từ 7,60m đến 8,80m. 1.3. ĐẬP CÀ GIÂY : Đập Cà Giây được xây dựng tại huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận từ năm 1996 đến năm 2000. 3 Khi nước hồ dâng đến cao trình 73m, tại chân mái hạ lưu (cao trình 59,5m) xuất hiện 3 lỗ rò, tâm lỗ cách mặt đất từ 1 đến 2m, lưu lượng rò rỉ khoảng 5-7 lít/phút. Tháng 4/1999, đã tiến hành khảo sát thực trạng hiện trường sự cố, đã phát hiện ra 11 hang hốc rỗng trong khối đất còn lại sau sự cố, có kích thước nhỏ (từ 0,2m đến 3m), hòan tòan rời rạc, cục bộ, không liên thông với nhau và nằm rải rác từ cao trình 64 đến cao trình 68m (cách đỉnh khối dắp từ 9m đến 13m). 2. NGUYÊN NHÂN VÀ BẢN CHẤT HIỆN TƯỢNG NỨT CỤC BỘ TRONG THÂN ĐẬP ĐẤT Một cách tổng quát, có thể mô tả hình ảnh đầy đủ về hiện tượng nứt cục bộ trong thân đập đất qua các trường hợp sau đây: * Trường hợp vết nứt thẳng đứng : + Xuất hiện trên bề mặt lớp đất + Xuất hiện dưới đáy lớp đất * Trường hợp vết nứt không thẳng đứng : nằm ngang, nghiêng, hoặc cong theo mặt tiếp giáp của các lớp đất không đồng nhất. 2.1. Nguyên nhân gây nứt dạng thẳng đứng trên mặt lớp đất: Khi thi công đắp đất không liên tục, lớp đất đang đắp bị trương nở, co ngót bề mặt, sinh ra các vết nứt sâu, thẳng đứng, khi đắp lớp tiếp theo, đã không đào xới hết chiều sâu vết nứt, dẫn đến việc bỏ sót các vết nứt ngay trong lòng đập đất. 2.2. Nguyên nhân gây nứt dạng thẳng đứng dưới đáy lớp đất: Khi bị ngấm nước không đều theo chiều ngang, lớp đất biến thành những tiểu khối có độ bão hòa và độ lún ướt khác nhau, chênh lệch lún giữa hai khối tiếp xúc, sẽ sinh ra lún lệch, gây nứt theo mặt tiếp giáp thẳng đứng. 2.3. Nguyên nhân gây nứt dạng nằm ngang, nằm nghiêng: Khi bị ngấm nước không đều theo chiều cao, các lớp đất có độ bảo hòa khác nhau, sẽ có độ lún ướt khác nhau. Chênh lệch lún giữa 2 lớp đất tiếp giáp dẫn đến lún lệch, tách rời 2 lớp đất trong giới hạn hẹp, tạo thành vết nứt cục bộ tại mặt tiếp giáp. Như vậy, khi bắt đầu bị ngấm nước, khối đất hình thành các tiểu khối, có độ bão hòa và độ lún ướt khác nhau. Chênh lệch lún giữa các khối liền kề, sẽ tạo thành lún lệch gây nứt tại các mặt tiếp giáp của chúng. Mức độ lún lệch của lớp đất, phụ thuộc nhiều yếu tố như: độ chặt, độ ẩm đầm nén, độ bão hòa nước, áp lực nén và nguồn gốc loại đất 4 Điều đó chứng tỏ rằng : Bản chất của hiện tượng nứt cục bộ trong thân đập đất là vấn đề lún lệch của lớp đất bị ngấm nước không đều gây ra. Đây là một trạng thái tự nhiên thể hiện đặc tính lún ướt của đất. Trong đó, độ lún ướt tuyệt đối tại các điểm trong khối đất, không giống nhau, tạo thành lún lệch trên mặt tiếp giáp, gây nứt cục bộ trong công trình đất . 3. TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH VÙNG LÚN LỆCH GÂY NỨT CỤC BỘ TRONG THÂN ĐẬP ĐẤT 3.1. TÍNH TOÁN VÙNG NỨT CỤC BỘ THEO“ SƠ ĐỒ NỨT MẶT ”: a/ Mục tiêu: - Xác định chiều sâu vết nứt mặt (H) của khối đất bị trương nở, co ngót, để xử lý cày xới, đầm nén lại trước khi đắp lớp đất tiếp theo. - Xác định chiều dày lớp phủ trên mặt khối đắp (q = 1 γ .H 1 ) khi phải gián đoạn thi công, để tránh nứt mặt. D C B A q M H M-N σ K σ N N Z o σ K , σ ha σ hp σ n , b/ Lời giải: Tại mặt cắt MN, nội lực của khối đất được thể hiện bằng ứng suất dọc trục, theo lý thuyết Rankine (1857) và phương pháp giải của Bell (1915) Bài toán đã được giải như sau : Khi khối đất bị nở hông, chịu kéo ( K σ ), thì trạng thái cân bằng giới hạn, xảy ra tại giá trị min σ , gọi là trạng thái chủ động . Khi khối đất bị ép co hông (chịu nén) ( N σ ) thì trạng thái cân bằng giới hạn, xảy ra tại giá trị max σ , gọi là trạng thái bị động. Kết qủa thu được : K a . ).( 11 Hz γγ + - a KC2 = 0 (1) 5 Phương trình (1) có hai ẩn số là z (độ sâu chịu kéo) và H 1 (chiều cao lớp phủ). Vì vậy, phải lựa chọn trước một thông số z hoặc H 1 và giải phương trình, xác định thông số thứ 2. 3.2. TÍNH TOÁN VÙNG NỨT CỤC BỘ THEO “ SƠ ĐỒ NỨT ĐÁY ” a/ Mục tiêu: - Xác định áp lực nén gây nứt P, từ đó xác định độ sâu bị nứt H trong khối đất P = γ H - Xác định chiều dài (L = 2r) và độ võng f max của dầm trên nền đàn hồi [4] để xác định vùng có chênh lệch lún ướt gây nứt. - Xác định quy trình tính toán phù hợp, với dộ lún ướt tương đối (Su ) được xác định theo công thức (2) sau đây : pd pcpd u h hh S − = (2) Trong đó: • S u : độ lún ướt tương đối • h pd : chiều cao ban đầu của mẫu đất chịu áp lực P, trước khi bị ướt • h pc : chiều cao ổn định cuối cùng của mẫu đất chịu áp lực P sau khi bị làm ướt. Theo SNHIP II.A.10.62, đất được coi là có tính lún ướt khi 01,0≥ u S b/ Phương pháp giải bài toán bằng hình học giải tích: Xét trường hợp bất lợi nhất về mặt địa- cơ kỹ thuật, lớp đất bị nứt cục bộ (OABB’C’O’) thể hiện trên hình 1, khi đó các điểm O và B được coi là trạng thái thi công (đất khô) và điểm A được coi là trạng thái bão hòa , từ đó xác định chênh lệch lún giữa các điểm (O,A,B) theo các điều kiện như sau: 6 B B' O O' A A' C C' M N ∆ S α α α R r r Hình 1: Xác định vùng lún lệch gây nứt đáy lớp đất OO’B’B + Tại điểm C (dưới đáy lớp đất) lún đến C’ chênh lệch lún lớn nhất là ∆ S = CC’ = S umax .H , trong đó: H là chiều dày lớp đất, Sumax là độ lún ướt tương đối lớn nhất + Tại điểm O và điểm B, lớp đất bị xoay 1 góc ϕα = , tương ứng với trường hợp bắt đầu bị nứt, hạt đất bắt đầu chuyển dịch. + Với các thông số S ∆ , ϕ , P nén xác định từ thực nghiệm, chúng ta sẽ xác định được các yếu tố còn lại của bài toán bằng giải pháp hình học giải tích, C/ Phương pháp đồ giải: Theo biểu đồ quan hệ giữa độ lún ướt tương đối (Su ) với các yếu tố về áp lực nén (P), độ chặt đầm nén (K), độ ẩm khi thi công (Wtc) và độ ẩm bảo hoà (Wbh), xác định bằng thí nghiệm, thể hiện ở hình 2. Từ biểu đồ trên, có thể xác định được các đại lượng Sumax và (Pođ 1, Pođ 2) - là khu vực khối đất bị lún lệch do lún ướt không đều gây ra và từ đó sẽ xác định được khỏang cao trình tương ứng ( H1,H2 ) có nguy cơ bị nứt cục bộ, với Pođ 1 = γ H1 và Pođ 2 = γ H2. 7 0 P P Sumax Su P oñ1 P oñ2 S umax Suod Hình 2 - Xác định khu vực có chênh lệch lún ướt (Pođ 1, Pođ 2) từ biểu đồ thí nghiệm lún ướt Su=f ( P) 4. PHÒNG TRÁNH CHÊNH LỆCH LÚN ƯỚT GÂY NỨT CỤC BỘ Ở ĐẬP SÔNG RAY BẰNG GIẢI PHÁP “ĐỘ CHẶT ĐẤT ĐẮP THÍCH HỢP THEO CHIỀU CAO ĐẮP ”. 4.1/ Giới thiệu công trình: Hồ chứa nước Sông Ray được xây dựng tại huyện Châu Đức,tỉnh Bà Rịa–Vũng Tàu và huyện Cẩm Mỹ, tỉnh Đồng Nai. Đập đất dạng không đồng chất, gồm 4 khối như hình 3 (khối trái, khối phải, khối chống thấm và khối thu nước bằng cát,áp theo mái hạ lưu khối chống thấm). caùt ñoáng ñaù ñaát lôùp 3a m = 0 , 5 ñaát lôùp 2 m = 4,5 m = 4,0 m = 3,5 75 66 58 66 58 73 65 Hình 3 - Mặt cắt đại diện đập đất Sông Ray. Các chỉ tiêu thiết kế của đập: Chiều dài 1930m, Chiều cao lớn nhất 34m, hệ số đầm nén K=0,95÷ 0.97. Vật liệu đất đắp là loại đất đỏ Bazan lẫn vón kết laterite . 8 Khả năng đầm chặt đất theo hàm lượng hạt thô N (d>2mm) N , % 0 10 20 30 40 50 c γ , T/m 3 1.65 1.70 1.75 1.80 1.86 1.92 0,97x c γ , T/m 3 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.86 Hình 4: - Đường (1) ứng với c γ = c max γ - Đường (2) ứng với c γ = 0,97. c max γ 4.2- Xác định độ lún ướt tương đối của đất đắp đập: Kết quả thí nghiệm lún ướt đối với các mẫu đất đã đầm nén hiện trường. Ký hiệu mẫu Dun g trọn g khô c γ Độ chặt K Độ lún ướt tương đối (S u ) theo áp lực nén P, kG/cm 2 0.25 0.5 1 2 4 8 W 3-1 1.63 0.93 0,00662 0,01461 0,01552 0,01236 0,01029 0,00923 W 3-2 1.67 0.95 0,00411 0,00532 0,00892 0,01083 0,00914 0,00862 W 2-2 1.71 0.97 0,00355 0,00478 0,00727 0,00983 0,00876 0,00827 W 1-2 1.72 0.98 0,00296 0,00418 0,00606 0,00924 0,00756 0,00773 W 2-1 1.73 0.99 0,00239 0,00360 0,00546 0,00741 0,00633 0,00581 W 1-1 1.75 1.00 0,00179 0,00300 0,00485 0,00681 0,00571 0,00518 9 Hình 5- Biểu đồ quan hệ giữa độ lún ướt tương đối (Su)và áp lực nén(P) 4.3/ Kết quả lựa chọn hệ số đầm nén (K= c γ / maxc γ ) theo chiều cao đập đất (H) để phòng tránh chênh lệch lún ướt ở đập Sông Ray : K = 0,95, áp dụng cho chiều cao H = (0 ÷ 5 )m. K = 0,97, áp dụng cho chiều cao H = (5 ÷ 10)m. K ≥ 0,97, áp dụng cho chiều cao H ≥ 10 m. 5. NHẬN XÉT KẾT LUẬN: Trước đây, khi đất bị lún ướt ở mức độ nhỏ S u ≤ 0,01 sẽ bị coi là không có lún ướt và bỏ qua không xét. Song trong thực tế, sự cố công trình vẫn xảy ra ở khu vực này.Vì vậy cần phải xét sự cố công trình ở góc độ lún lệch do chênh lệch lún ướt gây ra. Khu vực lún lệch gây nứt, tương ứng với khoảng cao trình (H 1 ,H 2 ) với H 1 = P ođ 1 / 1 γ , H 2 = P ođ 2 / 2 γ có thể xác định từ kết quả thí nghiệm lún ướt và lún lệch Su = f (K , P , H , Loại đất) Tổng hợp kết quả nghiên cứu các thông số đặc trưng K (hệ số đầm nén) và H (chiều sâu tính từ đỉnh đập) theo điều kiện chống nứt cục bộ và theo một 10 số lọai đất đặc trưng trong khu vực miền Nam Việt Nam,có thể tóm tắt sơ lược như sau: • Đất Bazan lẫn vón kết la terite 5% ÷ 10% : K ≥ 0.95 Tương ứng với H1 ≤ 6.0 m K = 0.95÷ 0.97 Tương ứng với H1 ≤ 6.0÷ 10.5 m K > 0.97 Tương ứng với H1 ≤ 10.5 m • Đất có nguồn gốc bột, cát kết : K ≥ 0.95 Tương ứng với H1 ≤ 8.0 m K = 0.95÷ 0.97 Tương ứng với H1 ≤ 8.0÷ 12.0 m K >0.97 Tương ứng với H1 ≤ 12.0 m • Đất có nguồn gốc granite : K ≥ 0.95 Tương ứng với H1 ≤ 9.0 m K = 0.95÷ 0.97 Tương ứng với H1 ≤ 9.0÷ 12.5 m K > 0.97 Tương ứng với H1 ≤ 12.5 m TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh – Sử dụng đất tại chỗ để đắp đập ở Tây Nguyên, Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ. NXB Nông nghiệp, TP. Hồ Chí Minh, 2001. 2 Phan Sỹ Kỳ - Sự cố một số công trình thủy lợi ở Việt Nam và các biện pháp phòng tránh. NXB Nông nghiệp, Hà Nội, 2000. 3 4 Trần Thị Thanh, Nguyễn Hùng Sơn – Một số kết quả xác định lún lệch của lớp đất có độ ẩm, độ chặt không đều. Tuyển tập kết quả khoa học và công nghệ - Viện khoa học thủy lợi Miền Nam. NXB Nông nghiệp 2005 Trần Thị Thanh, Nguyễn Hùng Sơn – Một số dạng sơ đồ tính toán ổn định chống nứt trong thân đập đất và khả năng định vị, phòng tránh sự cố với giải pháp độ chặt hợp lý theo chiều cao đập. Tuyển tập kết quả khoa học và công nghệ - Viện khoa học thủy lợi Miền Nam. NXB Nông nghiệp 2005. Người phản biện: GS.TS. Phạm Văn Cơ . (5 ÷ 10) m. K ≥ 0,97, áp dụng cho chiều cao H ≥ 10 m. 5. NHẬN XÉT KẾT LUẬN: Trước đây, khi đất bị lún ướt ở mức độ nhỏ S u ≤ 0,01 sẽ bị coi là không có lún ướt và bỏ qua không xét. Song trong. sau: Trong một số lỗ khoan, ở độ sâu cách đỉnh đập từ 8m đến 10m, lượng nước thí nghiệm đột ngột tăng nhanh. Đặc biệt có lỗ khoan sâu 10m, đổ nước liên tục trong 30 phút, với lưu lượng 6 lít /. kG/cm 2 0.25 0.5 1 2 4 8 W 3-1 1.63 0.93 0,00662 0,01461 0,01552 0,01236 0, 0102 9 0,00923 W 3-2 1.67 0.95 0,00411 0,00532 0,00892 0, 0108 3 0,00914 0,00862 W 2-2 1.71 0.97 0,00355 0,00478 0,00727 0,00983