Nghiên cứu ổn định đập vật liệu địa phương trong quá trình thi công áp dụng cho miền trung việt nam

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC KẼ RỖNG TỚI ỔN ĐỊNH ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG .... Xuất phát từ những nội dung kỹ thuật chính trong quá trình thi công đập vật

sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Trường Đại học Thủy lợi trong thời gian học tập tại đây

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo – PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Địa kỹ thuật công trình Trường Đại học Thủy Lợi đã tận tình hướng dẫn và cung cấp các tài liệu cần

thiết cho luận văn này

Hà nội, ngày tháng năm2014

Trần Xuân Hiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trích dẫn là trung thực Các kết quả nghiên cứu trong luận văn chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác./

Hà nội, ngày tháng năm2014

Trần Xuân Hiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

CHƯƠNG I 4

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM VÀ VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM VÀ VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG VIỆT NAM 4

1.2 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM7 1.2.1 Đặc điểm tự nhiên miền Trung Việt Nam 7

1.2.2 Tình hình lũ lụt ở miền Trung 8

1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐẮP ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM NÓI CHUNG VÀ Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM NÓI RIÊNG 9

1.3.1 Đặc điểm chung của đập vật liệu địa phương 9

1.3.2 Sự cố gây hư hỏng đập vật liệu địa phương 13

CHƯƠNG 2 15

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐẬP VẬT LIỆU 15

ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 15

2.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT TỔNG VÀ ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ 15

2.2 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM 1 CHIỀU VÀ 2 CHIỀU 16

2.2.1 Phương trình cơ bản của lý thuyết cố kết thấm 1 chiều 16

2.2.2 Phương trình cơ bản của lý thuyết cố kết thấm 2 chiều 16

2.2.3 Giải bài toán cố kết thấm và lựa chọn phương pháp dùng trong nghiên cứu 16

2.2.4 Lý thuyết về phương pháp tính ổn định mái dốc của đê đập đất 21

2.3 TRƯỜNG ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC KẼ RỖNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỐT ĐẤT 26

2.4 NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC KẼ RỖNG TỚI ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 27

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 28

CHƯƠNG 3 29

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC KẼ RỖNG 29

TỚI AN TOÀN ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG 29

QUÁ TRÌNH THI CÔNG 29

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 29

3.2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC KẼ RỖNG TỚI ỔN ĐỊNH ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 29

3.2.1 Hình dạng mặt cắt tính toán: 29

3.2.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đập vật liệu địa phương: 30

3.2.3 Tính toán tải trọng : 31

3.2.4 Tính toán áp lực nước kẽ rỗng và ổn định đập: 31

3.2.5 Tính toán ảnh hưởng áp lực nước kẽ rỗng đến ổn định mái đập: 55

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 59

CHƯƠNG 4 61

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO HỒ CHỨA NƯỚC KHE GIAO HUYỆN THẠCH HÀ- TỈNH HÀ TĨNH 61

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH 61

4.1.1 Quy mô công trình 61

4.1.2 Đặc điểm địa chất thủy văn và địa chất công trình 62

4.1.3 Khí tượng và thủy văn công trình 63

4.2 NGHIÊN CỨU TRƯỜNG ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH CỤC BỘ, ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ CHỨA NƯỚC KHE GIAO HUYỆN THẠCH HÀ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 65

4.2.1 Tính toán ứng suất biến dạng và ổn định đập đất hồ chứa nước Khe Giao trong quá trình thi công: 65

4.2.2 Tính toán ổn định mái đập đất của hồ chứa nước Khe Giao trong quá trình thi công: 71

4.2.3 Tính toán ổn định mái đập đất của hồ chứa nước Khe Giao trong quá trình vận hành tích nước : 76

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

I KẾT LUẬN 79

II NHỮNG TỒN TẠI VÀ HẠN CHẾ: 81

III KIẾN NGHỊ : 82

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thống kê một số đập đất, đập đá lớn ở Việt Nam 5

Bảng 2.1 : Các trường hợp tính toán 24

Bảng 3.1 : Thông số cơ bản các mặt cắt tính toán 30

Bảng 3.2 : Các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập và nền 30

Bảng 3.3 : Các trường hợp tính toán 33

Bảng 3.4 : Kết quả tính toán ổn định mái đập sau mỗi đợt thi công 58

Bảng 4.1 : Các chỉ tiêu thiết kế công trình 61

Bảng 4.2: Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất 63

Bảng 4.3: Kết quả tính toán hệ số ổn định trong quá trình thi công 74

Bảng 4.4: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số an toàn và thời gian lên đập 75

Bảng 4.5: Bảng so sánh hệ số ổn định khi tích nước 78

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc 5

Hình 2.1 Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i 23

Hình 2.2 Sơ đồ lực theo PP Fellenius 25

Hình 2.3 Sơ đồ lực tính toán theo PP Bishop đơn giản 26

Hình 3.1: Mặt cắt tính toán áp lực nước kẽ rỗng 30

Hình 3.2 : Mặt cắt trường hợp tính toán 1 34

Hình 3.3 : Mặt cắt trường hợp tính toán 2 35

Hình 3.4 : Mặt cắt trường hợp tính toán 3 36

Hình 3.5 : Biểu đồ đẳng áp lực kẽ rỗng trường hợp tính toán 1 38

Hình 3.6 : Biểu đồ đẳng áp lực kẽ rỗng trường hợp tính toán 2 39

Hình 3.7 : Biểu đồ đẳng áp lực kẽ rỗng trường hợp tính toán 3 40

Hình 3.8 : ALNKR khi đắp theo toàn bộ mặt cắt 1 lần 42

Hình 3.9 : ALNKR khi đắp theo nhiều lớp liên tục 42

Hình 3.10 : ALNKR trong trường hợp đắp nghỉ 1 giai đoạn 43

Hình 3.11 : ALNKR khi thời đoạn thi công ∆T = 480h 45

Hình 3.12 : ALNKR khi thời đoạn thi công ∆T = 960h 45

Hình 3.13 : Biểu đồ áp lực nước kẽ rỗng tại nút 425 46

Hình 3.14 : Biểu đồ áp lực nước kẽ rỗng 48

Hình 3.15 : Biểu đồ Tổng ứng suất 48

Hình 3.16 : Biểu đồ áp lực nước kẽ rỗng của các điểm dưới nền 49

Hình 3.17 : Biểu đồ biến dạng theo phương Y của các điểm dưới nền 50

Hình 3.18 : Lún tại các điểm tim đập khi ∆T = 480h 51

Hình 3.19 : Lún tại các điểm tim đập khi ∆T = 960h 51

Hình 3.20 : Thời gian lún khi đập H = 10 m 52

Hình 3.21 : Áp lực nước kẽ rỗng khi đập có chiều cao H =10 m 53

Hình 3.22 : Áp lực nước kẽ rỗng khi đập có chiều cao H =20 m 54

Hình 3.23 : Áp lực nước kẽ rỗng khi đập có chiều cao H =35 m 54

Hình 3.24 : Sơ đồ tính toán ổn định mái đập 55

Hình 3.25 : Kết quả tính toán ổn định mái đập sau khi thi công lớp 6 56

Hình 3.26 : Kết quả tính toán ổn định mái đập sau khi thi công lớp 7 56

Hình 3.27 : Kết quả tính toán ổn định mái đập sau khi thi công lớp 8 57

Hình 3.28 : Kết quả tính toán ổn định mái đập sau khi thi công lớp 9 57

Hình 3.29 : Kết quả tính toán ổn định mái đập sau khi thi công lớp 10 58

Hình 3.30 : Hệ số ổn định mỗi lớp sau mỗi đợt thi công 59

Hình 4.1 : Sơ đồ tính toán ứng suất biến dạng 66

Hình 4.2 : Ứng suất hiệu quả theo phương ngang 67

Hình 4.3 : Ứng suất hiệu quả thẳng đứng 67

Hình 4.4 : Độ lún của thân và nên đập thẳng đứng sau khi đắp lớp 11 67

Hình 4.5 : Độ lún thân và nên đập phương ngang sau khi đắp lớp 11 67

Hình 4.6 : Ứng suất hiệu quả theo phương ngang quá trình thi công 68

Hình 4.7 : Ứng suất hiệu quả theo phương đứng quá trình thi công 68

Hình 4.8 : Độ lún thân và nền theo phương ngang quá trình thi công 69

Hình 4.9 : Độ lún thân và nền theo phương đứng quá trình thi công 69

Hình 4.10 : Sơ đồ tính toán ổn định mái đập 71

Hình 4.11 : Kết quả tính toán ổn định mái tại cao trình + 48,00 72

Hình 4.12 : Kết quả tính toán ổn định mái tại cao trình + 52,00 72

Hình 4.13 : Kết quả tính toán ổn định mái tại cao trình + 56,00 72

Hình 4.14 : Kết quả tính toán ổn định mái tại cao trình + 58,00 73

Hình 4.15 : Kết quả tính toán ổn định mái tại cao trình + 60,00 73

Hình 4.16 : Kết quả tính toán ổn định mái tại cao trình + 62,00 73

Hình 4.17 : Kết quả tính toán ổn định mái tại cao trình + 64,00 74

Hình 4.18 : Sơ đồ tính toán ổn định mái đập 76

Hình 4.19 : Kết quả tính toán ổn định mái đập TH1 77

Hình 4.20 : Kết quả tính toán ổn định mái đập TH2 77

1

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam là một đất nước có tỷ lệ hồ chứa nước được xây dựng bằng đập đất chiếm một tỷ lệ khá cao Cho đến hiện nay, theo tài liệu thống kế của hôi đập cao thế giới ICOD, số lượng đập đất chiếm tới hớn 80% số lượng đập hiện có ở Việt Nam Trong những năm vừa qua cũng như trong những năm tới đây, Việt Nam xây dựng hàng loạt đập đất cao trên 20 m và cá biệt có những đập cao tới hơn 50 m như đập Tả Trạch….Khối lượng đất đá được dùng đến hàng triệu m3 Không những thế nghiên cứu tốc độ đắp đập, đặc biệt là các đập có chứa hàm lượng sét cao đang là một vấn đề thời sự ở nước

ta cũng như trên thế giới Quá trình chất tải ảnh hưởng đến tình hình chịu tải của đập trong thời gian thi công cũng như trong thời gian vận hành ban đầu Điều này đã được thể hiện ở những vấn đề còn tồn tại trong phạm vi nghiên cứu an toàn hồ chứa như: một số đập có biểu hiện thấm bất lợi thậm trí dẫn đến hư hỏng như đập Suối Trầu, Am Chúa và gần đây nhất là đập Dầu Tiếng… Nguyên nhân ở đây chủ yếu là do trong quá trình thi công chưa xét đến tốc độ đắp đập một cách kĩ lưỡng Một vấn đề lớn nữa ở đây đề cập đến mặt cắt lòng sông lúc chặn dòng dẫn đến tốc độ thi công cao , áp lực nước lỗ rỗng chưa kịp tiêu tán hết ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cốt đất , vấn

đề này có ảnh hưởng như thế nào đến sự an toàn của đập trong quá trình thi công cũng như trong quá trình vận hành

Tốc độ đắp đập đất cũng có ảnh hưởng rất nhiều đến chỉ tiêu kinh tế của

dự án Trong thực tế , lựa chọn được tốc độ thi công và phân đợt thi công là một vấn đề đặt ra cho các nhà hoạch định cũng như đối với bản thân những người xây dựng

Hiện nay trong các tiêu chuẩn thiết kế đập đất cũng như thi công đập đất cũng mới chỉ quy định phải tính toán tốc độ đắp đập nhưng chưa có những

Xuất phát từ những nội dung kỹ thuật chính trong quá trình thi công đập vật liệu địa phương, luận văn tập trung chủ yếu đi sâu nghiên cứu vào quá trình phân tán áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công của đập ảnh hưởng như thế nào đến an toàn ổn định đập vật liệu địa phương

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của yếu tố: tải trọng do điều kiện thi công, tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng đến an toàn ổn định đập vật liệu địa phương

- Đưa ra các kiến nghị về nâng cao an toàn đập vật liệu địa phương trong quá trình chất tải lên đập

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đập vật liệu địa phương

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Trong khuôn khổ thời gian có hạn, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu đắp đập đất cho hồ chứa nước Khe Giao huyện Thạch Hà tỉnh Hà Tĩnh trong quá trình thi công gia tải qua tính toán kiểm tra, đưa ra giải pháp đảm bảo ổn định an

3

toàn công trình

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp phân tích, đánh giá: Thu thập và tổng hợp các tài liệu đã

có trong khu vực miền Trung Việt Nam nghiên cứu: như điều kiện về địa hình, địa mạo, địa tầng, tính chất vật lý cơ học của các tầng đất đá dưới nền

và thân đập Tiếp cận với lý thuyết phần tử hữu hạn để phân tích và giải quyết bài toán về áp lực nước lỗ rỗng Ứng dụng phần mềm Geoslope2004 tính toán

- Tổng hợp đánh giá xây dựng các quan hệ để thay đổi các điều kiện biên, các giả thiết điều kiện làm việc của các công trình đập đất để tìm ra các quy luật và điều kiện sử dụng khi thiết kế và thi công

4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM VÀ VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM VÀ VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG VIỆT NAM

Theo thống kê của Bộ NN&PTNT năm 2002 cả nước ta đã có 1.967 hồ (dung tích mỗi hồ trên 2.105 m3) Trong đó có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích 19 tỷ m3 còn lại là 1957 hồ thủy nông với dung tích 5,842 tỷ m3 Nếu chỉ tính các hồ có dung tích từ 1 triệu m3 nước trở lên thì hiện nay có 587 hồ có nhiệm vụ tưới là chính

Các hồ chứa phân bố không đều trên phạm vi toàn quốc Trong số 63 tỉnh thành nước ta có 41 tỉnh thành có hồ chứa nước (xem hình 1.1) Các hồ này được đầu tư xây dựng không đều trong từng thời kỳ phát triển của đất nước

Tính từ năm 1960 trở về trước khu vực miền Bắc và miền Trung xây dựng khoảng 6% Từ năm 1960 đến năm 1975 xây dựng được khoảng 44%

Từ năm 1975 đến nay xây dựng khoảng 50%

5

Hình 1.1: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc

Ở nước ta đập vật liệu địa phương đóng vai trò chủ yếu, đập vật liệu địa phương tương đối đa dạng, đập đất được đắp bằng các loại đất khác nhau: Đất pha tàn tích sườn đồi, đất Bazan, đất ven biển miền Trung Phần lớn các đập ở miền Bắc và miền Trung được xây dựng theo hình thức đập đất đồng chất hoặc nhiều khối (xem thống kê ở bảng 1.1) :

Bảng 1.1: Thống kê một số đập đất, đập đá lớn ở Việt Nam

(m)

Năm hoàn thành

2 Đa Nhim Lâm Đồng Đất 38,00 1963

4 Thượng Tuy Hà Tĩnh Đất 25,00 1964

6

(m)

Năm hoàn thành

11 Tiên Lang Quảng Bình Đất 32,30 1978

12 Pa Khoang Lai Châu Đất 26,00 1978

18 Liệt Sơn Quảng Ngãi Đất 29,00 1981

19 Phú Ninh Quảng Nam Đất 40,00 1982

21 Xạ Hương Vĩnh Phúc Đất 42,00 1982

22 Sông Mực Thanh Hoá Đất 33,40 1983

23 Quất Động Quảng Ninh Đất 22,60 1983

24 Xạ Hương Vĩnh Phúc Đất 41,00 1984

25 Hoà Trung Đà Nẵng Đất 26,00 1984

26 Hội Sơn Bình Định Đất 29,00 1985

27 Dầu Tiếng Tây Ninh Đất 28,00 1985

28 Biển Hồ Gia Lai Đất 21,00 1985

29 Núi Một Bình Định Đất 30,00 1986

30 Vực Tròn Quảng Bình Đất 29,00 1986

31 Tuyền Lâm Lâm Đồng Đất 32,00 1987

32 Đá Bàn Khánh Hoà Đất 42,50 1988

7

(m)

Năm hoàn thành

34 Khe Tân Quảng Nam Đất 22,40 1989

35 Kinh Môn Quảng Trị Đất 21,00 1989

36 Khe Chè Quảng Ninh Đất 25,20 1990

37 Phú Xuân Phú Yên Đất 23,70 1996

38 Sông Rác Hà Tĩnh Đất 26,80 1996

39 Thuận Ninh Bình Định Đất 29,20 1996

40 Đồng Nghệ Đà Nẵng Đất 25,00 1996

41 Sông Quao Bình Thuận Đất 40,00 1997

42 Gò miếu Thái nguyên Đất 30,00 1999

43 Cà Giây Ninh thuận Đất 35,40 1999

44 Ayun Hạ Gia Lai Đất 36,00 1999

45 Sông Hinh Phú Yên Đất 50,00 2000

46 Easoupe Đăk Lắc Đất 27,00 2005

47 Sông Sắt Ninh thuận Đất 29,00 2007

48 Sông Sào Nghệ An Đất 30,00 Đang XD

49 Hà Động Quảng Ninh Đất 30,00 Đang XD

50 Tả Trạch T.T Huế Đất 56,00 Đang XD

51 Hoa Sơn Khánh Hòa Đất 29,00 Đang XD

52 Khe Giao Hà Tĩnh Đất 20,00 Đang XD

1.2 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM

1.2.1 Đặc điểm tự nhiên miền Trung Việt Nam

Miền Trung Việt Nam (Trung Bộ) có phía Bắc giáp khu vực đồng bằng Sông Hồng và Trung du miền núi vùng Bắc Bộ; phía Nam giáp các tỉnh Bình Phước, Đồng Nai và Bà Rịa-Vũng Tàu vùng Nam Bộ; phía Đông giáp Biển Đông; phía Tây giáp 2 nước Lào và Campuchia Dải đất miền

8

Trung được bao bọc bởi những dãy núi chạy dọc bờ phía Tây và sườn bờ biển phía Đông, vùng có chiều ngang theo hướng Đông - Tây hẹp nhất Việt Nam (khoảng 50 km) và nằm trên địa bàn tỉnh Quảng Bình

Địa hình miền Bắc Trung Bộ bao gồm các dãy núi phía Tây Nơi giáp Lào có độ cao trung bình và thấp Riêng miền núi phía Tây tỉnh Thanh Hoá có

độ cao từ 1000 - 1500m Khu vực miền núi Nghệ An - Hà Tĩnh là đầu nguồn của dãy Trường Sơn có địa hình rất hiểm trở, phần lớn các núi cao nằm rải rác

ở đây Các miền đồng bằng có tổng diện tích khoảng 6.200km2, trong đó đồng bằng Thanh Hoá do nguồn phù sa từ sông Mã và sông Chu bồi đắp, chiếm gần một nửa diện tích và là đồng bằng rộng nhất của Trung Bộ

Xét chung, địa hình Trung Bộ có độ cao thấp dần từ khu vực miền núi xuống đồi gò trung du, xuôi xuống các đồng bằng phía trong dải cồn cát ven biển rồi ra đến các đảo ven bờ

Với lượng mưa chiếm 68 - 75% lượng mưa trong năm, sẽ phát sinh lũ lụt lớn và gây thiệt hại sản xuất, tài sản, tính mạng cư dân, tác động tiêu cực đến

môi trường sinh thái Ngược lại, trong mùa ít mưa thì nước lại không đủ cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất của một số địa phương trong vùng

Mùa mưa lữ ở Bắc Trung Bộ thường xảy ra từ tháng 7 đến tháng 10, những trận lũ miền Trung vào các năm như là: 1952, 1964, 1980, 1983, 1990,

1996, 1998, 1999, 2001, 2003, Có lúc xảy ra lũ chồng lên lũ như các đợt lũ tháng 10, 11 năm 2010

9

Chế độ gió mùa gió mùa thổi theo hướng Đông Bắc mang theo hơi nước

từ biển vào nên toàn khu vực chịu ảnh hưởng của thời tiết lạnh kèm theo mưa Đây là điểm khác biệt với thời tiết khô hanh vào mùa Đông vùng Bắc Bộ Đến mùa Hè không còn hơi nước từ biển vào nhưng có thêm gió mùa Tây Nam (còn gọi là gió Lào) thổi ngược lên gây nên thời tiết khô nóng, vào thời điểm này nhiệt độ ngày có thể lên tới trên 40độC, trong khi đó độ ẩm không khí lại rất thấp

1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐẮP ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM

NÓ I CHUNG VÀ Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM NÓI RIÊNG

1.3.1 Đặc điểm chung của đập vật liệu địa phương

Đập đất là một công trình dâng nước phổ biến Nó thường có mặt ở các

hệ thống đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện với chức năng tạo ra hồ chứa để điều tiết chế độ dòng chảy tự nhiên của sông suối phục vụ các mục đích khác nhau như phát điện, chống lũ, cấp nước tưới, v.v…Miền trung tập trung nhiều đập với hình thức vật liệu địa phương như Sông Rác (Hà Tĩnh), sông Sào (Nghệ An), Khe Giao (Hà Tĩnh), Khe Tân ( Quảng Nam), Kinh Môn (Quảng Trị), Vực Tròn ( Quảng Bình )

Tính chất của các loại đất dùng để đắp đập ở vùng này đã được nhiều tác giả đi sâu nghiên cứu (1-6) và đã tổng hợp được nhiều đặc điểm địa chất công trình của các loại đất thường dùng để đắp đập ở khu vực này

Theo kết quả nghiên cứu của GSTS Nguyễn Văn Thơ (7,8), TS Lê Quang Thế (9) thì đất thường gặp ở đây có thể chia thành 6 nhóm chính bao gồm :

Nhóm 1: Các trầm tích sông cổ và trẻ (aQ) : phân bố ở các thung lũng sông lớn – nhỏ như sông Pôcô, Sông ba…

Nhóm 2; Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá Bazan trẻ (BQII-IV) Nhóm 3: Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá bazan cổ (BN2-Q1)

Đối với vật liệu nhóm 1 thành phần chính chủ yếu là bùn sét, bùn á sét

có chỉ tiêu cơ lý thấp hoặc cát rời có hệ số thấm lớn Vật liệu nhóm này không dùng để đắp thân đập

Nhóm thứ 2 đất lẫn đá phong hóa Do thời gian phong hóa chưa đủ nên lớp này thường là sét pha lẫn dăm, cục đá gốc độ cứng chắc không đều Hàm lượng hạt sét trong khoảng 19.4-39.5%

Nhóm thứ 3 chủ yếu là đất sét với hàm lượng sét chủ yếu dao động trong khoảng 30 – 48%, có hệ số thấm trong khoảng 10-4-10-5 cm/s

Nhóm thứ 4 có hàm lượng sét tương đối cao 43.5-50.7%, hệ số thấm trong khoảng 10-4-10-5 cm/s

Nhóm thứ 5 chủ yếu là đất sét với hàm lượng sét trong khoảng 30-54%,

Ngoài ra Miền Trung có các tính chất cơ lý đặc biệt: Tính lún ướt, tính trương nở, tính co ngót khi khô và tính tan rã Các tính chất này được thí

11

nghiệm và xác định mức độ ảnh hưởng tới đặc tính độ bền của đất

- Tính trương nở: Là sự tăng thể tích của đất trong quá trình ướt nước

Sự trương nở được tạo nên chủ yếu do hình thành nước liên kết yếu ở trong đất, làm giảm lực dính giữa các hạt đất, phân ly chúng và gây sự tăng thể tích Qua kết quả nghiên cứu cho thấy tính chất trương nở phụ thuộc nhiều yếu tố như độ ẩm ban đầu, dung trọng chế bị, thành phần hạt.Đất đầm nện có

độ ẩm thấp, thành phần hạt mịn nhiều và chỉ số đầm nện K cao thì hệ số trương nở sẽ lớn Khi tăng độ ẩm cho đất thì hệ số trương nở tăng lên, đồng thời đặc trưng cơ học thay đổi, lực dính và góc ma sát trong đều giảm, so sánh đất ở trạng thái độ ẩm đầm nện và độ ẩm bão hòa thì các chỉ tiêu cơ học này giảm 50%

- Tính tan rã: Tan rã là hiện tượng vật lý khi ngâm đất trong nước thì thành phần hạ sét của đất tan rã ra trong nước dưới dạng thể keo Tính tan rã của đất biểu thị khả năng giữ độ bền liên kết giữa các hạt và nhóm hạt của nó khi tiếp xúc với nước

Đặc tính này được xem là một trong những nhân tố chính gây ra sự cố đập ở khu vực Miền Trung Hiện nay có 5 phương pháp đánh giá và phân loại mức độ tan ra của đất Mức độ tan rã phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất, nguồn gốc tạo thành, môi trường nước, dung trọng đầm nện Nghiên cứu tính chất tan rã của đất để làm cơ sở cho việc bố trí, sử dụng vật liệu đất đắp đập đảm bảo an toàn cho công trình, đặc biệt là công trình khu vực Nam Trung

Bộ

- Tính lún ướt: Lún ướt là hiện tượng vật lý nước bổ sung vào cốt đất thì hiện tượng giẩm thể tích khối xảy ra Việc đánh giá trị số lún ướt của đất dựa trên cơ sở khái niệm hệ số lún ướt

Lún ướt là đặc tính cơ lý đặc biệt thứ ba của đất đắp đập vùng Miền Trung Đặc điểm lún ướt phụ thuộc vào dung trọng, độ ẩm chế bị và loại đất

bị ảnh hưởng cuả lún ướt

Hiện tượng lún ướt thường xảy ra sau lần bão hòa đầu tiên của đất hoặc sau khi đất được bổ sung nước Quá trình lún ướt thường xảy ra sau quá trình trương nở tạo nên một trạng thái nghịch, gây biến dạng lớn trong khối đắp trong thời gian ngắn.Đây là nhân tố khá quan trọng gây ảnh hưởng không nhỏ tới ổn định khối đắp.Trường hợp này đã bắt gặp tại đập Am Chúa, đập sông Quao

Lún ướt xảy ra lớn đối với đất hoàng thổ, lún ướt là tính chất đặc trưng của hoàng thổ và đất dạng hoàng thổ Cũng có tác giả cho rằng “ tính chất lún ướt chỉ có trong đất hoàng thổ và đất dạng hoàng thổ” mà loại đất này có nhiều ở miền Trung

- Tính co ngót khi độ ẩm giả : Khi độ ẩm khối đắt đắp giảm đi, đất có hiện tượng co ngót Điều này bắt gặp tại bề mặt khối đắp khi không được bảo vệ Đất có tính trương nở khi ướt thì cũng sẽ bị co ngót khi khô nước Sự giảm thể tích đất do kết quả tách nước khi hong khô là do sự giảm độ dày vở hyđrat của nước liên kết vật lý Thể tích của các hạt khoáng trong đất thì không đổi

Hiện tượng các biệt này xảy ra khi khối đất đã thi công xong, dưới điều kiện khô nóng, trên bề mặt khối đắp xuất hiện các khe nứt dăm.Nếu quá trình trên kéo dài thì khe nứt phát triển sâu Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng

là do độ ẩm của đất trước khi đầm nện là thấp, cần bổ sung thêm trong khi đầm Đất có nhiều thành phần hạt sét thì khả năng có ngót càng lớn Khả năng chịu kéo của đất không thắng nổi sức kéo của phần co ngót, khe nứt xuất hiện

13

Co ngót và trương nở là hai mặt của một vấn đề vì vậy, vấn đề co ngọt được nghiên cứu và thí nghiệm trên cùng một mẫu với thí nghiệm trương nở

1.3.2 Sự cố gây hư hỏng đập vật liệu địa phương

Đập đất là hạng mục quan trọng nhất đối với đầu mối công trình thủy lợi Sự cố về đập đất rất nghiêm trọng và không lường hết được hậu quả Những sự cố của đập đất thường do nhiều nguyên nhân Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả đề cập đến các nguyên nhân do mất ổn định đập đất trong quá trình thi công như sau:

- Trong quá trình đắp đập xử lý tiếp giáp nền và thân đập không tốt gây nên thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập gây mất ổn định

- Đắp đập không bóc hết lớp phong hóa hoặc không được dọn dẹp vệ sinh sạch sẽ để vứt bỏ các tạp chất trước khi đắp đập, đầm nền không kỹ

- Quá trình đắp đập chưa đạt đến dung trọng khô so với dung trọng khô thiết kế, nên đất sau khi đầm vẫn tơi xốp, rời bở

- Không có biện pháp thích hợp để xử lý độ ẩm, do đó độ ẩm đất đắp không đều, chỗ khô chỗ ẩm, làm cho đất sau khi đắp có chỗ chặt có chỗ vẫn rời rạc tơi xốp

- Đầm nện không đủ độ chặt yêu cầu do: Lớp dải dày quá quy định, số lần đầm ít, nên đất sau khi đắp có độ chặt không đồng đều, phân lớp, trên mặt thì chặt phía dưới vẫn còn tơi xốp không đạt độ chặt quy định, hình thành từng lớp đất yếu nằm ngang trong suốt cả bề mặt lớp đầm

- Khi trong nền đập có các loại đất mùn hoặc sét ngậm nước mà có thể phát sinh áp lực kẽ hổng do quá trình tăng tải trọng trong lúc xây dựng đập, làm giảm sức chống trượt của đất nền thì phải xây dựng hệ thống thoát nước trong nền đồng thời không nên thi công với tốc độ qúa nhanh

Nguyên nhân ở đây chủ yếu là do trong quá trình thi công chưa xét đến tốc độ đắp đập một cách kĩ lưỡng Một vấn đề lớn nữa ở đây đề cập đến mặt

15

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐẬP VẬT LIỆU

ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 2.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT TỔNG VÀ ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ

Nguyên lý về ứng suất hiệu quả được Terzaghi đề ra (1936) nhằm giải thích về hiệu quả tác dụng của ngoại lực đối với sức nén, sự cắt đất bảo hòa nước Trước đây một thời kỳ người ta cho rằng sự trượt đất, sự trượt nền làm

đổ công trình là do toàn bộ ứng suất tổng gây nên mà không nghĩ rằng sự phát triển áp lực nước lỗ rỗng trong đất sau khi mưa là nguyên nhân chính Về sau, nhiều thí nghiệm chứng tỏ rằng sự phát minh, phát triển áp lực nước lỗ rỗng trong đất đã làm giảm hiệu quả nén và do đó làm giảm cường độ chống cắt của đất

Nguyên lý về ứng suất hiệu quả Terzaghi có nội dụng được thể hiện bằng phương trình :

( a n)

u

u= − χ − (2-2)

Trị số σ ' được gọi là ứng suất hiệu quả

Từ (2-2) có σ = σ ' +u, tức là ứng suất tổng σ là tổng của ứng suất hiệu quả và áp lức nước lỗ rỗng nên σ có tên gọi là ứng suất tổng Chính ứng suất hiệu quả σ 'gây nên sự nén chặt Các đường nén lún phải được xử lý theo ứng suất hiệu quả, tức lập quan hệ e - σ ' Tuy nhiên trong điều kiện nén thoát nước thì u = 0 nên σ =σ' Các biểu đồ σ'~ t có được bằng cách lấy biểu đồ tải

Tức có ∆σ' = ∆σ

2.2 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM 1 CHIỀU VÀ 2 CHIỀU

2.2.1 Phương trình cơ bản của lý thuyết cố kết thấm 1 chiều

Phương trình cơ bản của lý thuyết cố kết thấm 1 chiều Tezaghi:

t

p z

2.2.2 Phương trình cơ bản của lý thuyết cố kết thấm 2 chiều

Phương trình cơ bản của lý thuyết cố kết thấm 2 chiều Tezaghi:

t

p z

p c y

p x

∂

∂

2 2 2 2 2 2 2

17

toán ứng suất biến dạng, sau đó dựa vào lý thuyết cố kết Tezaghi để nghiên cứu sự phân tán của áp lực nước lỗ rỗng cũng như sự thay đổi của ứng suất hiệu quả và biến dạng Phương pháp nghiên cứu này chỉ chính xác đối với bài toán 1 chiều còn đối với bài toán 2, 3 chiều chỉ cho kết quả gần đúng Khi nghiên cứu lý thuyết cố kết Biot giải cho bài toán 1 chiều nhận thấy kết quả thu được hoàn toàn đồng nhất với lý thuyết cố kết Tezaghi Nói cánh khác: bài toán cố kết Tezaghi 1 chiều là trường hợp riêng của bài toán cố kết Biot

Để có thể thấy rõ điều này, trước hết cần hiểu rõ nội dung lý thuyết cố kết Biot

Phương trình cố kết cơ bản Biot

Các giả thiết cơ bản của lý thuyêt cố kết Biot:

Ngoài tính thấm ra, tính chất của đất là đồng nhất đẳng hướng, Tính chất thấm của đất không thay đổi theo không gian và thời gian, không xét đến lực quán tính

∂

∂

∂ + +

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

∂ + +

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

∂ + +

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

0 )

)(

( ) (

0 )

)(

( ) (

0 )

)(

( ) (

2 2

3 2 2

2 2 2 3 2 2 1

2 2

3 2 2 2 2 2 3 2 2 1

2 2

3 2 2 2 2 2 3 2 2 1

z

p y z

v x z

u d

d x

w y

w d z

w d

y

p z y

w x

y

u d

d z

v x

v d y

v d

x

p z x

w y

x

v d

d z

u y

u d x u d

) 2 1 (

E

) 2 1 )(

1 (

) 1 (

µ µ

µ

− +

y

p k v

x

p k v

w

h z

w

h y

w

h x

γ γ

c Một số phân tích lý thuyết cố kết Biot

Như trên đã trình bày, bài toán cố kết theo lý thuyết Tezaghi chỉ có nghiệm đúng trong trường hợp 1 chiều và là nghiệm riêng của bài toán cố kết Biot Điều này sẽ được minh chứng ở những nghiên cứu dưới đây

Định luật Hooke đối với bài toán không gian ba chiều được thể hiện như phương trình sau:

) (

)]

( [ 1

2 2 2 2 2 2

z

w y

v x

u t z

p y

p x

p

∂ +

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂ γ

v = ε + ε + ε =1−2µ σ ′ + σ ′ + σ ′ = 31−2µ σ 3 =

Thay thế phương trình này vào phương trình liên tục (2-7) thu được

t t

p z

p c y

p x

p

v h

∂

2 2 3 2 2 2 2 3

v w

h h

m

k c

γ

= là hệ số cố kết ngang 3 chiều

3 3

v w

v v

m

k c

t

p z

p c y

p x

∂

∂

2 2 3 2 2 2 2

Đối với bài toán hai chiều Những vấn đề thường gặp trong bài toán bến dạng phẳng 2 chiều Giả thiết trục x vuông góc với mặt phẳng tính toán (u=0) Có = 0

2 P E

p z

p c y

p x

∂

2 2 2 2 2 2 2 2

σ

phương trình cố kết 2 chiều Biot (2-10) chỉ có áp lực lỗ rỗng p

là chưa biết và chuyển thành phương trình cố kết 2 chiều Tezaghi-Rendulic :

t

p z

p c y

p x

∂

∂

2 2 2 2

2 2 2

Đối với bài toán 1 chiều, phương trình cố kết Biot 1 chiều trở thành:

t t

p z

Khi đó, nếu tải trọng ngoài không đổi (q=const), phương trình cơ bản của cố kết Biot trở thành:

t

p z

lý thuyết Tezaghi để tính toán là đảm bảo yêu cầu

Khi nghiên cứu bài toán cố kết sử dụng phương pháp phân tích ứng suất hiệu quả thu được:

Đối với bài toán cố kết Tezaghi 1 chiều:

T M T M vo

o

o m

T M vo

o

t t e

e H

Mz T

M q

t t e

H

Mz T

M

q p

v v v

1 3

1 3

) 1 (

sin 2

) 1

( sin 2

2 2

T M T M v

s

o m

T M v

v v s

t t e

e H

Mz sos T M z H

H z

H E q

t t e

H

Mz sos T M z H

H T

T z H E q

W

v v

v

4 0

4 0

0

1

2 1

) (

1

2 )

(

2 2

2

(2-17)

Đối với bài toán cố kết Biot 1 chiều:

t z

w z

p k

z

p z

w E

w v s

Tuy nhiên, ở đây nhận thấy rằng việc giải phương trình cố kết 1 hướng Biot theo phương trình (2-18) phức tạp hơn rất nhiều so với phương trình cố kết 1 hướng Tezaghi (2-16),(2-17) Chính vì vậy nên trong bài toán cố kết 1 chiều , đối với phân tích ứng suất hiệu quả nên sử dụng lý thuyết cố kết Tezaghi để tính toán

2.2.4 Lý thuyết về phương pháp tính ổn định mái dốc của đê đập đất

Hiện nay trong tính toán, kiểm tra ổn định trượt sâu của mái dốc đê, đập đất, có 2 phương pháp tính: Phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp phân tích giới hạn có thể tóm tắt như sau:

2.2.4.1 Ph ương pháp phân tích giới hạn :

22

Dựa trên cơ sở phân tích ứng suất trong toàn miền của công trình (khối đất đắp và nền) Dùng các thuyết bền như: Morh - Coulomb, Hill-Tresca, Nises-Shleiker, , kiểm tra ổn định cục bộ tại mỗi điểm trong toàn miền Công trình sẽ mất ổn định tổng thể khi tập hợp các điểm cục bộ bị mất ổn định làm thành một mặt liên tục Các phương pháp đã được nghiên cứu gồm: phương pháp sức bền vật liệu, phương pháp lý thuyết đàn hồi, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thí nghiệm mô hình Các giả thiết giống như phương pháp cân bằng giới hạn nhưng sau đó giảm khả năng chịu lực của đất nền (giảm c hoặc ϕ của đất nền) đến một mức nào đó ứng suất biến dạng do ngoại lực gây ra làm cho hạt cốt đất ở trạng thái dẻo Nếu các hạt đất lân cận liên tục nhau đều ở trạng thái chảy dẻo thì khi đó khối đất sẽ bị trượt theo mặt trượt này Khi đó hệ số an toàn trượt sẽ là:

Fs = tgϕ thực/ tgϕhuy động = c thực/chuy động

2.2.4.2 Phương pháp cân bằng giới hạn :

Dựa trên cơ sở giả định trước mặt trượt (mặt trượt có thể là trụ tròn, hỗn hợp hoặc bất kỳ), coi khối trượt như một cố thể, tiến hành phân tích trạng thái cân bằng tới hạn của các phân tố đất trên mặt trượt đã giả định trước Sự ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần kháng trượt (lực ma sát, lực dính) huy động trên toàn mặt trượt với thành phần lực gây trượt (trọng lượng,

- Dạng mặt trượt được chọn tuỳ theo từng phương pháp cụ thể

- Dựa trên cơ sở các phương trình cân bằng tĩnh học đối với toàn khối đất và đối với từng thỏi được phân nhỏ để tìm hệ số an toàn (Fs) Mặt trượt

23

nguy hiểm nhất sẽ là mặt trượt giả định nào cho hệ số an toàn nhỏ nhất, sẽ tính được bằng cách thử dần

Phương pháp phân thỏi được dùng phổ biến để tính toán ổn định đập đất

và nền đất từ những năm 1930 Hiện nay đã có nhiều phần mềm tính toán ổn định mái dốc được lập theo phương pháp phân mảnh như chương trình của Viện kỹ thuật Châu á (AIT), chương trình Slope/W của Geoslope (Canada)

<0 nghÞch

>0 thuËn

n n-1

5 4

3

2

1

α i W

Tii N

X i-1 Ei-1

Hình 2.1 Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i

Xét một thỏi đất được tách ra từ cung trượt tâm O, bán kính R (hình 1.10), các lực tác dụng lên thỏi đất gồm: lực ngoài tác động lên đỉnh thỏi đất Qi; các lực thể tích bao gồm Wi (trọng lượng thỏi đất), Fdi (lực động đất tác dụng lên thỏi đất); các lực tương tác giữa các thỏi đất Ei-1, Ei (thành phần lực nằm ngang phía trái và phải của thỏi đất); Xi-1, Xi (thành phần lực thẳng đứng bên phía trái và phải của thỏi đất); các phản lực Ni, Ti của đất dưới mặt trượt giả định tác dụng vào đáy thỏi đất Ở một trường hợp tính toán cụ thể,

về lý thuyết các lực Wi, Fdi, Qi là xác định được và còn lại các đại lượng chưa xác định được ứng với mỗi thỏi đất theo phương pháp tính dồn từ thỏi đất ở đỉnh xuống thỏi đất ở chân gồm các lực: Ei, Xi, Ni, Ti (4 đại lượng) và tham số xác định điểm đặt của Ei, Ni (2 đại lượng)

24

Như vậy trong một bài toán phân tích tính ổn định của mái dốc theo phương pháp phân thỏi (ví dụ có n thỏi), số lượng các đại lượng chưa biết là (6n – 2) đại lượng Bảng 2.1 :

Tham số điểm đặt của Ei:

Tham số điểm đặt của Ni:

Hệ số an toàn chung Fs:

n-1 n-1

Việc xét đầy đủ lực tương tác giữa các thỏi là yêu cầu phát triển lý thuyết cơ học đất và nhiều phương pháp tính đã được đề xuất Trong số các phương pháp này Janbu đã dùng thủ thuật giả thiết đường đặt lực tương tác, các phương pháp khác như Spencer, Mogenstern – Price, GLE Canada, , giả thiết góc nghiêng lực tương tác

Điểm chung nhất của các phương pháp dùng trong địa kỹ thuật hiện nay là không xét sự tương thích về lực đẩy trượt và lực chống trượt của hai phần khối đất trượt do một lát cắt đứng phân chia trong hoàn cảnh cả hai phần đều ở trạng thái cân bằng trên cùng một mặt trượt

25

Hai phần khối đất hai bên lát cắt ứng xử như một hệ thống đẩy ở trạng

thái cân bằng giới hạn đã nêu trong định lý Gvozdev: Dạng phá hoại thực của

hệ thống ứng với trị số nhỏ nhất của tải trọng phụ phá hoại

Theo nguyên lý cực trị Coulomb: trường hợp đất đẩy tường, lực đẩy là

lớn nhất ứng với đất ở trạng thái cân bằng chủ động; trường hợp tường đẩy đất,

lực đẩy phải là trị số nhỏ nhất ứng với trạng thái cân bằng giới hạn bị động

Có thể coi nguyên lý cực trị của Coulomb (1776) trong lý thuyết áp lực

đất là dạng sơ khai của định lý Gvozdev (1949)

Các phương pháp tính hệ số an toàn ổn định mái dốc theo lý thuyết phân

thỏi:

a Phương pháp Fellenius

- Các giả thiết

+ Mặt trượt là mặt trụ tròn tâm 0, bán kính R

+ Bỏ qua các lực tương tác giữa các thỏi, tức có Ei = Xi = 0 (hình 2.1)

+ Điểm đặt của Ni tại trung điểm của đáy thỏi

- Hệ phương trình cơ bản

+ Cân bằng hình chiếu theo phương vuông góc với đáy thỏi

+ Điều kiện Mohr – Coulomb cho hai lực Ni và Ti

- Nhận xét: Hiện nay phương pháp Fellenius chỉ có giá trị về mặt lịch sử

vì không xét đến lực tương tác giữa hai thỏi

α i W

Tii N

Hình 2.2 Sơ đồ lực theo PP Fellenius

Tii N

pi h

Hình 2.3 Sơ đồ lực tính toán theo PP Bishop đơn giản

+ Cân bằng lực theo phương đứng

+ Điều kiện Mohr – Coulomb cho hai lực Ni và Ti

- Nhận xét: hiện nay, phương pháp Bishop đơn giản vẫn được sử dụng rộng rãi và cho kết quả khá tin cậy

2.3 TRƯỜNG ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC KẼ RỖNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỐT ĐẤT

Khi đầm nén đất , nếu độ ẩm càng lớn, thành phần hạt mịn càng cao thì khả năng thoát khí càng kém Khi lớp vỏ hình thành và không cho phép thoát không khí thoát ra, một áp lực mới hình thành trong không gian rỗng Như vậy trong quá trình thi công dưới tác dụng của đầm nén và chất tải ứng suất tổng cộng tại một điểm trong khối đất đắp bao gồm cả ứng suất do trọng lực

và ứng suất của thành phần áp lực kẽ rỗng sinh ra:

c tg

ϕ - góc ma sát ( độ ) c’ – lực dính đơn vị ( kPa)

27

Ứng suất tác dụng vào cốt đất có xu thế làm cho cốt đất biến dạng gọi là ứng suất hiệu quả, áp lực nước kẽ rỗng chịu có xu thế làm cho nước lỗ rộng thoát ra ngoài do vậy đất được nén chặt dần và sức chịu tải tăng dần Như vậy, khi tốc độ nâng cao đập nhanh biểu thị qua quá trình tăng thêm ứng suất tổng thể tích phân tố đất được nén chặt do nước lỗ rỗng kịp thoát ra ngoài nên

áp lực nước lỗ rỗng bị tiêu tán hết, ứng suất hiệu quả tăng dẫn đến sức chịu tải cốt đất tăng Ngược lại khi thi công vì tốc độ nâng cao đập nhanh, đất đắp ở

độ ẩm cao, áp lực kẽ rỗng hình thành gia tăng, ứng suất hiệu quả nhỏ làm giảm sức chịu tải của đất

2.4 NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC KẼ RỖNG TỚI ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG

Trong quá trình thi công đắp đập vật liệu địa phương, quá trình chất tải ảnh hưởng sức chịu tải của đất trong thời gian thi công, nhất đối với đập cao tốc độ thi công ảnh hưởng đến trực tiếp an toàn của đập Nhất là trong thời gian chặn dòng thi công mặt cắt lòng sông với tốc độ thi công cao, dưới tác dụng lực đầm nén và chất tải làm cho thể tích lỗ rỗng của đất bị co lại Một phần áp lực truyền vào nước chứa trong lổ rỗng làm phát sinh áp lực nước kẽ rỗng Vì đất có đặc điểm cấu trúc ba pha ( cốt đất, nước và không khí ) nên lỗ rỗng thường xuyên tồn tại một lượng nước nhất định Đặc biệt khi đất có độ

ẩm cao thì áp lực nước kẽ rỗng càng phát sinh và trị số càng lớn, làm giảm cường độ chống cắt của đất gây mất ổn định công trình Khi áp lực kẽ rỗng tăng, có thể hình thành biến hình thấm nơi tiếp xúc giữa tường chống thấm và thiết bị bảo vệ ( tầng lọc giữa lớp đất sét và lớp đá đổ và lớp đất thấm mạnh ) Đối với đập sử dụng đất dính, áp lực kẽ rỗng tiêu tán chậm dẫn tới gây lún theo thời gian Đối với đập đắp cao tiến độ thi công cao thì áp lực nước kẽ rỗng chưa kịp tiêu tán hết ảnh hưởng đến sức chịu tải của đất Vì áp lực phát

28

sinh trong nước chứa ở các lỗ rỗng của đất, khi đất chịu tác dụng của tải trọng ( các loại máy đầm và máy trên công trường …) Áp lực nước kẽ rỗng có tác dụng kìm hãm quá trình nén chặt đất Đối với đất bão hoà nước quá trình nén chặt chỉ có thể xảy ra khi nước thoát ra ngoài và phần tải trọng do nước tiếp nhận giảm dần, chuyển dần sang cốt đất Tương ứng, áp lực nước kẽ rỗng thoạt đầu tăng nhanh chóng từ 0 đến trị cực đại, sau đó giảm dần đến trị cực

tiểu, trị cực tiểu là trị cuối cùng Tốc độ biến đổi áp lực nước kẽ rỗng phụ thuộc vào độ bền của đất, điều kiện thoát nước, độ lớn của tải trọng tác dụng lên đất, đá Tóm lại, áp lực nước kẽ rỗng là một trong những yếu tố quan trọng tới điều kiện làm việc của đập vật liệu địa phương trong quá trình thi công

Nhận thấy rõ ràng tác động của áp lực nước lỗ rỗng trong sự thay đổi ứng suất hiệu quả của cốt đất ảnh hưởng tới ổn định cục bộ cũng như ổn định tổng thể của đập vật liệu địa phương

Những cư sở lý thuyết trong chương này làm cơ sở nghiên cứu của các chương tiếp theo

29

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC KẼ RỖNG TỚI AN TOÀN ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG

QUÁ TRÌNH THI CÔNG 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Độ ổn định của đập vật liệu địa phương phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt, các chỉ tiêu cơ lý đất đắp, nền và các lực mà nó phải chịu Các lực này bao gồm tác động của nước cả ở bên trong dưới tác dạng áp lực nước kẽ rỗng, lực của dòng thấm và ở bên ngoài dưới tác động thủy tĩnh và thủy động

Quá trình đắp đập bằng việc tăng tải trọng thì các lực bên trong và bên ngoài đều có ảnh hưởng đến ổn định đập đất, kết quả của gia tải tăng tốc độ thi công tạo ra sự phát triển áp lực nước kẽ rỗng trong đập đất Áp lực nước

kẽ rỗng sẽ tiêu tán theo thời gian và theo quá trình cố kết, tỷ lệ mức độ tiêu tán áp lực nước kẽ rỗng phụ thuộc vào việc gia tải và tính nén của vật liệu đắp đập gây ảnh hưởng trực tiếp ổn định của đập đất

Do thời gian có hạn, trong phạm vi luận văn, tác giả chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực nước kẽ rỗng tới an toàn đập vật liệu địa phương trong quá trình thi công nhằm giúp cho việc đắp đập có cách nhìn sát hơn, tổng quát hơn, hợp lý hơn khi thi công và quản lý khai thác sau này

3.2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC KẼ RỖNG TỚI ỔN ĐỊNH ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG

L2 (m)

Số lớp đắp

Hình 3.1: Mặt cắt tính toán áp lực nước kẽ rỗng 3.2.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đập vật liệu địa phương:

Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp và nền đập được thể hiện trong bảng 3.2 :

Bảng 3.2 : Các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập và nền

31

3.2.3 Tính toán tải trọng :

Trong phạm vi luận án, để tính áp lực nước kẽ rỗng ta phân tích chọn phương pháp tải trọng khi thi công Để tính toán sức tăng tải có thể dựa vào giả thiết của Gexevanop: tải trọng thẳng đứng σZ vằ nằng ngang σX tại độ sâu z bằng nhau :

3.2.4.1 Phương pháp & phần mềm để tính toán :

Dùng phương pháp phần tử hữu hạn; ứng dụng phần mềm Geoslope để tính toán giải các bài toán cơ bản : Tính áp lực nước kẽ rỗng, tính ứng suất, tính ổn định

Phần mềm GEO-SLOPE với 5 mô đun khác nhau:

- SIGMA/W: Phân tích ứng suất và biến dạng theo PTHH

- SEEP/W: Giải bài toán cố kết thấm theo PTHH

- SLOOP/W: Đánh giá ổn định tổng thể và cục bộ mái dốc theo ứng suất phân tố

- CTRAN/W: Phân tích ô nhiễm nước dưới đất

- QUAKE/W: Phân tích động đất theo PTHH

Phần mềm sử dụng rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam trong những năm gần đây Phạm vi luận văn sẽ ứng dụng phần mềm để giải quyết bài toán thấm ứng dụng trong tính toán xử lý nền công trình thủy lợi

Quá trình thấm được mô hình hoá bằng cách giải phương trình vi phân

32

cơ bản của dòng thấm theo phần tử hữu hạn, tính toán ứng suất và biến dạng, đánh giá ổn định của mái dốc theo ứng suất phân tố Quá trình này được thực hiện nhờ mô đun SEEP/W; SIGMA/W; SLOOP/W của phần mềm GEO-SLOPE có đăng ký bản quyền của Canada

3.2.4.2 Điều kiện biên :

Để tính toán áp lực nước kẽ rỗng theo phương pháp PTHH ta phải xác định điều kiện biên của bài toán Các điều kiện biên đó là:

- Thời gian bắt đầu xây dựng tại các điểm ở đáy nền và đáy đập có áp lực kẽ rỗng bằng 0

- Ở biên hai bên mái đập và mặt nền thượng, hạ lưu đập cho thoát nước

- Trường hợp 1: Tính toán với mặt cắt đập có chiều cao đập H1 = 10m;

hệ số mái thượng lưu và hạ lưu m =3; chiều sâu lớp nền H2

- Trường hợp 2: Tính toán với mặt cắt đập có chiều cao đập H1 = 20m;

hệ số mái thượng lưu và hạ lưu m =3; chiều sâu lớp nền H2

- Trường hợp 3: Tính toán với mặt cắt đập có chiều cao đập H1 = 35m;

hệ số mái thượng lưu và hạ lưu m =3; chiều sâu lớp nền H2

b Các tổ hợp tính toán:

- Tổ hợp I: Tiến hành thi công đắp đập toàn bộ mặt cắt một lần ứng với

thời đoạn thi công ∆T = 480h

- Tổ hợp II: Tiến hành thi công đắp đập theo từng lớp thi công với thời

đoạn thi công ∆T = 480h nhưng đắp liên tục không nghỉ