Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng tây nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI MAI THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: Mã số chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy 958 02 02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Tư Phản biện 1: GS.TS Lê Kim Truyền Phản biện 2: PGS.TS Lê Xuân Roanh Phản biện 3: PGS.TS Hoàng Việt Hùng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc 30’ ngày 16 tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Các tỉnh Tây Nguyên có mạng lưới sơng suối dày, nhiều ghềnh thác, nơi khởi nguồn hệ thống sơng gồm: hệ thống sông Pô Kô - Sê San Kon Tum đổ vào sông Mê Kông; hệ thống sông Ba - Ayun Gia Lai đổ vào sông Đà Rằng chảy biển Đông; hệ thống sông Sêrêpôk Đắk Lắk đổ vào sông Mê Kông hệ thống sông Đồng Nai Đắk Nông Lâm Đồng chảy biển Đông Khu vực Tây Nguyên, tỷ lệ lượng nước yêu cầu nhỏ nhiều so với lượng nước tiềm năng, tượng thiếu hụt nước phục vụ cho nông nghiệp ngành kinh tế khác diễn gay gắt Như có lượng nước dư thừa lớn chưa sử dụng phục vụ cho phát triển đời sống xã hội dân sinh kinh tế Khu vực Tây Nguyên có 1000 hồ thủy lợi lớn nhỏ, phần lớn sử dụng đập đất xây dựng phương pháp đầm nén, có đa số cơng trình xây dựng từ năm tám mươi, chín mươi với điều kiện thi cơng cơng nghệ xây dựng hạn chế, nên nhiều cơng trình xuống cấp, khơng đảm bảo an toàn cho khai thác, sử dụng sạt lở mái thượng hạ lưu, thấm qua thân đập Mặt khác, theo nhu cầu phát triển kinh tế xã hội Tây Nguyên, theo dự báo, yêu cầu dùng nước cho nông nghiệp tăng từ 1112%; nước cho công nghiệp tăng 1.71.8 lần, nước cho sinh hoạt tăng 1.92.0 lần so với Nhu cầu dùng nước ngày tăng cao, điều kiện xây dựng hồ chứa khó khăn Vì u cầu nâng cấp, sửa chữa cơng trình thủy lợi Tây Ngun lớn, đặc biệt hồ chứa loại vừa nhỏ xây dựng phương pháp đầm nén, thường nằm rải rác phân tán, khối lượng vật liệu sử dụng cho việc nâng cấp hồ đập không lớn Ngoài ra, vùng đất Tây Nguyên quy hoạch thành khu trồng ăn quả, công nghiệp nên việc lấy đất để sửa chữa, nâng cấp đập khó khăn Nên việc nghiên cứu sử dụng vật liệu chỗ vùng có cơng trình xây dựng để nâng cấp, sửa chữa cần thiết, mang lại giá trị kinh tế kỹ thuật cao Mặc dù có nhiều cơng trình nghiên cứu việc sử dụng đất Tây Nguyên để đắp đập, chưa có đề tài sâu nghiên cứu sử dụng hợp lý loại vật liệu bồi tích trẻ hồ đập, sông suối để tận dụng sử dụng cho việc nâng cấp, sửa chữa đập Với lý trên, việc nghiên cứu giải pháp cải tạo vật liệu chỗ để phục vụ nâng cấp, xây dựng đập sẽ giúp tiết kiệm kinh phí xây dựng Do vậy, lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên” Mục tiêu nghiên cứu - Xác định hàm lượng dăm sạn để tăng dung trọng khô đất; - Xác định hàm lượng ximăng hợp lý để giảm tính tan rã đất có chứa nhiều dăm sạn; - Xác định hàm lượng xi măng vôi hợp lý để giảm tính thấm đất có chứa nhiều dăm sạn Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Các đập đất thủy lợi vừa nhỏ Tây Nguyên; - Loại đất nghiên cứu: Đất bồi tích trẻ có khối lượng thể tích khơ hay dung trọng khơ nhỏ có tính thấm lớn, tan rã mạnh; - Dăm sạn có đường kính nhỏ 10mm - Các chất kết dính xi măng vôi 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Khu vực nghiên cứu: Các tỉnh thuộc Tây Nguyên; - Sử dụng xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB 30 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết; - Phương pháp thực nghiệm; - Phương pháp chuyên gia; - Phương pháp nghiên cứu ứng dụng Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án bổ sung làm sâu sắc thêm vấn đề khoa học đất Tây Nguyên để nghiên cứu nhằm xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập vùng Tây Nguyên - Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án sở khoa học để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên CHƯƠNG 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 Đập đất xây dựng loại đất có gần vùng xây dựng cơng trình, loại đập khơng cho phép nước tràn qua, có nhiệm vụ dâng nước giữ nước hồ chứa Từ xa xưa đập đất xây dựng để trữ nước phục vụ cho dân sinh, trồng trọt Ở Ai Cập đập đất xây dựng từ 4400 năm trước công nguyên, Trung Quốc 2280 năm trước công nguyên Khi đập xây dựng biện pháp thủ cơng, sử dụng đất dính với khối lượng vật liệu lớn thời gian thi công dài (1015 năm), chiều cao đập không 15m 1.1.1 Yêu cầu thiết kế Khi thiết kế đập đất phải đảm bảo yêu cầu: Đập đập phải ổn định thời gian thi công khai thác; Thấm qua thân đập không gây nước lớn từ hồ chứa, khơng gây xói ngầm; Khơng cho phép nước tràn qua; Có thiết bị bảo vệ đập khỏi bị tác hại sóng, gió, mưa, nắng ; Lựa chọn loại đập đất, cấu tạo phận, thời gian phương pháp thi công hợp lý, sử dụng quản lý thuận lợi, giá thành rẻ Yêu cầu vật liệu đắp đập 1.1.2 Lựa chọn vật liệu đắp đập thi công đập đất đầm nén, phải đảm bảo yêu cầu sau: - Đất đắp vào thân đập thường phải thoả mãn yêu cầu sau: Sức kháng cắt (C, ) cao; Hệ số thấm (k) nhỏ; Hàm lượng chất hữu cơ, tạp chất nhỏ 5%, hàm lượng muối tan < 0,3%; Chỉ số dẻo IP = WL- WP = (720)%; - Thành phần hạt Cc = d60/ d10 < (30100), thiết kế đường bao cấp phối cho phép; Đất khơng bị biến chất, phong hố gây biến dạng lớn sau đầm nện; Hàm lượng hạt sét không chiếm nhiều (5060)%, tốt nằm khoảng (1025)%; Khi đập có tường lõi chống thấm hệ số thấm tường phải nhỏ đất hai bên khoảng (2050) lần, theo Tiêu chuẩn xây dựng (TCXD) Việt Nam 4447-87 khối lượng thể tích khơ gọi dung trọng khô (c) phép sai lệch thấp 0.03T/m3 so với yêu cầu thiết kế số mẫu không đạt yêu cầu so với tổng số mẫu lấy thí nghiệm khơng lớn 5% 1.2 1.2.1 Đặc điểm hồ chứa nhu cầu dùng nước năm tới Tây Nguyên Đặc điểm hồ chứa đập đất Tây Nguyên Hiện toàn vùng Tây Ngun xây dựng 2352 cơng trình thủy lợi (CTTL), 1190 hồ chứa, 970 đập dâng, 130 trạm bơm, 62 cơng trình khác Với diện tích tưới thiết kế 289604 ha, diện tích tưới thực tế 215.765 Trong tổng diện tích cần tưới 772189 ha, so với diện tích trồng cần tưới, diện tích tưới CTTL đạt 27.94% Phần lớn hồ chứa Tây Ngun hồ chứa vừa nhỏ, có dung tích nhỏ triệu m3 nằm rải rác phạm vi rộng, sở hạ tầng giao thông chưa phát triển nên việc lại khó khăn Các hồ chứa xây dựng từ 30 đến 40 năm trước, nên bị xuống cấp nghiêm trọng, khơng đảm bảo nhiệm vụ tưới an tồn phòng chống lũ bão Đa số đập hồ chứa vừa nhỏ Tây Nguyên đập đất, đập thường xảy tượng hư hỏng thấm nền, thân, vai đập, hư hỏng phần mái, mặt đập… 1.2.2 Nhu cầu dùng nước tương lai Theo số liệu thống kê từ Viện Quy hoạch Thủy lợi, tổng nhu cầu dùng nước cho phát triển kinh tế, xã hội mơi trường tồn vùng Tây Nguyên vào khoảng 11 tỷ m3/năm 2015 sẽ tăng lên khoảng 12 tỷ m3/năm vào năm 2030 Với nhu cầu dùng nước khu vực Tây Nguyên, nhu cầu dùng nước chiếm 23% lượng nước đến hàng năm khu vực, lượng nước đến phân bố không đồng theo thời gian nên tình trạng thiếu nước vào mùa khơ xảy gay gắt, mùa mưa lại gây lũ lụt Vì vậy, Tây Nguyên thiếu khoảng 5.0 tỷ m3/năm khả sẽ thiếu 5.5 tỷ m3/năm vào năm 2030, nhu cầu dùng nước ngành tăng cao 1.3 1.3.1 Những nghiên cứu đập vật liệu chỗ Nghiên cứu đập vật liệu chỗ Thế giới Theo Nhichiporovich nghiên cứu đất sử dụng chung cho đắp đập toàn hành tinh chúng ta thơng thường có loại: Đất trầm tích - Aluvi; Đất sườn tàn tích, tàn tích; Đất hồng thổ; Để khắc phục tính tan rã đất, Shearard, J.L., Decker R.S., & Ryker, N.L., nghiên cứu sử dụng phương pháp trộn vơi bột có hiệu bổ sung lượng vôi vào đất; Nghiên cứu Nelson, J.D., & Miller, D.J (1992) cho thấy tính trương nở đất phụ thuộc vào thành phần chất keo có đất; Nghiên cứu chất lượng thi cơng đập đất đầm nén phụ thuộc vào yếu tố: i) Thành phần hạt đất đắp; ii) Độ ẩm đất; iii) Chiều dày dải đất đầm; iv) Loại đầm số lần đầm 1.3.2 Nghiên cứu đập vật liệu chỗ nước Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Thơ Phạm Văn Thìn nghiên cứu đất đỏ bazan sản phẩm phong hóa từ đá gốc bazan phân bổ rộng khắp khu vực Tây Nguyên Đông Nam Bộ Phạm Văn Thìn nghiên cứu đất đỏ bazan khu vực Tây Ngun có đặc tính khác nhau, loại bazan khơng chứa kết von laterit có dung trọng khô lớn khoảng 1.281.41 (g/cm3), loại đất bazan chứa kết von laterit đạt dung trọng khô lớn 1.551.94 (g/cm3), tăng 2137.8% so với loại đất bazan không chứa kết von laterit; Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh nghiên cứu đất đỏ bazan khu vực Tây Nguyên có hàm lượng sét bụi lớn, dung trọng khô nhỏ từ 1.01.2 T/m3, đầm nện tiêu chuẩn dung trọng khô lớn đạt không cao từ 1.31.4 T/m3, tăng công đầm đạt khoảng 1.6 T/m3 Các kết nghiên cứu rằng, tăng dung trọng khô đất, sức chống cắt đất tăng tính nén lún đạt giá trị trung bình, sử dụng đất đỏ bazan làm vật liệu đắp đập; Nguyễn Văn Thơ, Phạm Văn Thìn số tác giả khác nghiên cứu đầm nén đất đỏ bazan, đảm bảo độ ẩm thích hợp dung trọng khô đất tăng trạng thái bão hồ nước đất có sức chống cắt tương đối cao; Nguyễn Văn Thơ Phạm Văn Thìn; Nguyễn Văn Chiển; Nguyễn Cơng Mẫn nghiên cứu tính chất khống hóa, tính chất lý đất bazan có chứa kết von laterit việc sử dụng làm vật liệu đắp đập nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng hạt thơ đến tính chất lý đất kết luận hàm lượng hạt thơ đặc tính vật lý đất hình dạng cấu tạo hạt có ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất xây dựng đất; Nguyễn Văn Thơ nghiên cứu hàm lượng hạt thơ (N) thay đổi dung trọng khơ, cường độ chống cắt hệ số thấm thay đổi, hệ số thấm đất không thay đổi hàm lượng hạt thô N = (0  50)%, hàm lượng hạt thơ tăng 50% hệ số thấm bắt đầu tăng; Phạm Văn Thìn xây dựng số công thức xác định tiêu học hệ số thấm đất bazan có chứa kết von laterit dạng tròn đặc sít, khơng cần phải tiến hành thí nghiệm thiết bị cỡ lớn mà phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế; Phạm Văn Cơ Nguyễn Hữu Ký nghiên cứu sơ loại đất có nguồn gốc khác cho thấy hàm lượng hạt thô đất tăng cường độ chống cắt , C tăng, hệ số thấm k giảm; Lê Thanh Bình nghiên cứu thay đổi hàm lượng hạt thô N lên tính chất lý đất 1.4 1.4.1 Những nghiên cứu sử dụng xi măng vôi để gia cố đất Thế giới Việt Nam Nghiên cứu sử dụng xi măng vôi để gia cố đất Thế giới Mitchell Freitag nghiên cứu đất có tính dẻo thấp, đất cát hàm lượng XM sử dụng để gia cố đất từ 5÷14% so với trọng lượng đất; Lượng XM yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái đất cần gia cố; Hisaa Aboshi Nashahiko Kuwabara (Nhật Bản) nghiên cứu gia cố cho loại đất yếu khác nhau, kết nghiên cứu cho thấy mức độ cải thiện cường độ đất bùn sét không cao đất cát cuội sỏi; Shiells nghiên cứu phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ đất XM cao so với phương pháp trộn khô, cụ thể cần lượng XM từ 180÷400kg/m3 đất cần gia cố phương pháp trộn ướt; phương pháp trộn khơ cần lượng XM từ 90÷180kg/m3, có nghĩa phương pháp trộn khơ hàm lượng XM khoảng 50% so với phương pháp trộn ướt; Nghiên cứu Law Viện kỹ thuật châu Á, trộn 5% XM với đất sét yếu Băng Cốc (Thái Lan) làm tăng độ bền nén nở hông lên 10 lần, hệ số cố kết tăng 10÷40 lần; Meei-Hoan Ho Chee-Ming Chan nghiên cứu đất sét yếu lấy Trung tâm nghiên cứu đất yếu thuộc Đại học Tun Hussein Malaysia (UTHM) độ sâu từ 1.52.0m, cải tạo đất XM sẽ cải thiện đặc trưng học đất; Nguyễn Duy Quang nghiên cứu đất bùn nạo vét cửa sông vùng Ariake Nhật Bản để làm đất đắp chỗ Như vậy, kết nghiên cứu tác giả Thế giới cho thấy việc cải tạo đất vôi vôi kết hợp XM mang lại hiệu định đặc tính học đất sau cải tạo 1.4.2 Nghiên cứu sử dụng xi măng vôi để gia cố đất Việt Nam Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng XM vơi để cải tạo đất Phạm Văn Huỳnh; Lê Xuân Roanh; Nguyễn Quốc Dũng Tóm lại nghiên cứu sử dụng CKD vô việc cải tạo đất nước khẳng định tăng hàm lượng XM làm thay đổi tiêu lý đất, làm tăng cường độ cho đất đất thích hợp với việc gia cố XM đất cuội sỏi, cát hạt, cát sét nhẹ, bổ sung phụ gia vơi vào đất làm giảm tính tan rã Tuy nhiên nghiên cứu chủ yếu tập trung làm tăng cường độ cho đất, nghiên cứu giải pháp trộn XM vào đất để giảm tính thấm tan rã chưa nghiên cứu thường nghiên cứu với loại đất nguyên thổ có số lý tự nhiên ổn định 1.5 Những nội dung đặt cho nghiên cứu 1/ Nghiên cứu tính chất lý tính chất đặc biệt số loại vật liệu bồi tích trẻ Tây Nguyên sử dụng chúng để đắp đập; 2/ Đề xuất giải pháp nhằm cải tạo vật liệu bồi tích trẻ cho phù hợp với yêu cầu theo tiêu chuẩn hành để sử dụng cho việc nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên; 3/ Lựa chọn tỷ lệ pha trộn hợp lý nhằm cải thiện tính chất đặc biệt, tồn loại vật liệu bồi tích trẻ khơng đáp ứng tiêu chuẩn đặt ra; 4/ Áp dụng kết nghiên cứu để nâng cấp đập vật liệu chỗ Buôn Sa 1.6 Kết luận chương Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng VLTC để đắp đập khu vực Tây Nguyên, nghiên cứu hầu hết nghiên cứu sử dụng đất phong hóa từ đá gốc hình thành lâu đời nghiên cứu giải pháp thiết kế, thi công phù hợp với loại đất, loại đất thường sử dụng cho việc canh tác nơng nghiệp Còn nghiên cứu việc: i) Sử dụng CKD XM vôi để gia cố đất yếu để sử dụng cho việc xây dựng cơng trình giao thơng, nhiên nghiên cứu tập trung vào việc tăng cường độ cho đất, việc sử dụng CKD để giảm tính thấm tính tan rã đất đất bồi tích trẻ chưa đề cập nghiên cứu; ii) Sử dụng phương pháp thi công, cụ thể phương pháp đầm chặt để tăng dung trọng khô đất, hiệu giải pháp đầm chặt lại phụ thuộc nhiều vào thành phần hạt độ ẩm đất Vì nội dung đặt cho luận án cần nghiên cứu thành phần hạt, cụ thể lựa chọn giải pháp bổ sung thêm hàm lượng hạt thô để gia cố đất nhằm nâng cao dung trọng khơ đất Đó sở khoa học cho tác giả nghiên cứu ứng dụng chương sau CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA ĐẤT VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 3.1 Đặt vấn đề Kết nghiên cứu chương chương cho thấy đập đất khu vực Tây Nguyên thường đập đất vừa nhỏ, xây dựng cách lâu, nhiều cơng trình xuống cấp không đáp ứng nhu cầu dùng nước theo thiết kế Mặt khác CTTL Tây Nguyên lại phân bố rải rác khu vực, việc sử dụng vật liệu chỗ để nâng cấp đập đất nhu cầu cấp bách, khối lượng vật liệu sử dụng cho việc nâng cấp không lớn Nhưng nguồn vật liệu sử dụng để nâng cấp đập nhiều tác giả nghiên cứu quy hoạch sử dụng cho việc trồng nơng nghiệp cơng nghiệp Vì vậy, việc nghiên cứu nguồn vật liệu mới, cụ thể nguồn vật liệu bồi tích trẻ nhu cầu cấp thiết Tuy nhiên, nguồn vật liệu thường có số tiêu lý tính chất đặc biệt không đáp ứng nhu cầu nâng cấp, xây dựng đập đất 3.2 Lựa chọn mẫu đất nghiên cứu - Mẫu đất MA lấy bãi vật liệu A gần khu vực hồ chứa nước Tân Sơn (Gia Lai) đại diện cho nhóm đất loại I có đường kính hạt nhỏ chiếm đa số; - Mẫu đất MB MC lấy bãi vật liệu B C gần khu vực hồ chứa nước Eamlô Buôn Sa (Đắk Lăk) đại diện cho nhóm đất loại II có đường kính hạt lớn 2mm chiếm đa số 3.3 Tổng hợp nhận xét kết thí nghiệm Qua kết thí nghiệm mẫu đất MA, MB MC có số tiêu lý tính chất đặc biệt thỏa mãn yêu cầu xây dựng nâng cấp, sửa chữa đập 11 theo TCVN 8216-2009 TCVN 8297-2009 Nhưng số tiêu khơng đảm bảo sau: - Mẫu đất MA: Có dung trọng khô nhỏ độ ẩm tốt cao, theo TCVN 82972009; - Mẫu đất MB: Thời gian tan rã đất nhanh, sau 500s mẫu đất tan rã hồn tồn; - Mẫu đất MC: Đất có hệ số thấm lớn, không thỏa mãn yêu cầu đắp đập theo TCVN 8216-2009 Vì vậy, cần có giải pháp xử lý cải tạo để đáp ứng tiêu lý tính chất đặc biệt đất để đảm bảo yêu cầu sử dụng cho đắp đập Nghiên cứu giải pháp tăng khả chống thấm 3.4 1/ Xét trường hợp 1: Hàm lượng XM thay đổi 1%, 2%, 3%, 5%, 7% hàm lượng vôi cố định 2% Bảng Kết thí nghiệm thấm theo hàm lượng XM 2% vôi STT Hỗn hợp đất phụ gia MC-1-2 MC-2-2 MC-3-2 MC-5-2 MC-7-2 Hàm lượng XM (%) Hàm lượng vôi (%) 2 2 Hệ số thấm k (cm/s) 9.0710-05 6.3110-05 4.3110-05 2.7210-05 1.2410-05 10 k (10-5 cm/s) 0 X (%) Hình Ảnh hưởng hàm lượng XM 2% lượng vôi với hệ số thấm 12 Khi tăng hàm lượng XM, hệ số thấm k giảm rõ rệt, ngun nhân XM vơi có thành phần hạt hạt mịn nên dễ dàng chiếm chỗ lỗ rỗng đất, thêm vào việc trộn XM vơi sẽ tạo phản ứng thủy hóa với nước đất, làm cho hạt đất kết tinh lại dẫn đến tính thấm giảm Khi hàm lượng XM 3% kết hợp với hàm lượng vôi 2% hệ số thấm k = 4.3110-05 cm/s 2/ Xét trường hợp 2: Hàm lượng vôi thay đổi 1%, 2%, 3%, 5%, 7% hàm lượng XM cố định 2% Bảng Kết thí nghiệm thấm theo hàm lượng vôi 2% hàm lượng XM STT Hỗn hợp đất phụ gia MC-2-1 MC-2-2 MC-2-3 MC-2-5 MC-2-7 Hàm lượng XM (%) 2 2 Hàm lượng vôi (%) Hệ số thấm k (cm/s) 9.3810-05 6.3110-05 2.0510-05 0.81910-05 0.42710-05 k (10-5 cm/s) 10 0 V (%) Hình Ảnh hưởng hàm lượng vôi 2% lượng xi măng với hệ số thấm Kết thí nghiệm cho thấy hệ số thấm giảm tăng hàm lượng XM vôi, đồng thời phụ gia vơi có hiệu giảm thấm tốt so với XM Hệ số thấm giảm nhanh hàm lượng vôi tăng từ 13%, hàm lượng vơi lớn 3% hệ số thấm giảm, tốc độ giảm nhẹ Do vậy, để tăng hiệu giảm hệ số thấm xét điều kiện kinh tế, đề xuất sử dụng hàm lượng vôi 3% XM 2%, hệ số thấm k đất 2.0510-05cm/s, thỏa mãn TCVN 8216-2009 để sử dụng đắp đập nâng cấp đập 13 Sau lựa chọn hàm lượng XM vôi nhằm giảm tính thấm đất 2% XM 3% vơi, cần kiểm tra lại tính chất kháng cắt, biến dạng đất kiểm chứng nhằm đánh giá ảnh hưởng phụ gia XM vôi Kết thí nghiệm cho thấy, sử dụng hàm lượng CKD XM 2% vơi 3% tiêu kháng cắt biến dạng tăng, có lực dính đơn vị C giảm, khơng đáng kể Do vậy, tác già đề xuất chọn tỷ lệ CKD XM 2% vôi 3% cải tạo tính thấm đất Nghiên cứu giải pháp chống tan rã đất 3.5 3.5.1 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng XM để tăng thời gian tan rã đất Sau mẫu đất chế bị với hàm lượng XM khác 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 7% 9% Tiến hành thí nghiệm thời gian tan rã đất Bảng 3 Kết thí nghiệm xác định đặc trưng tan rã đất STT Tên mẫu thí nghiệm MB-0 MB-1 MB-2 MB-3 MB-4 MB-5 MB-7 MB-9 Hàm lượng XM % Thể tích đất bị tan rã % 100 100 100 100 100 100 100 100 Thời gian tan rã phút 8.3 12.6 22.7 35.5 46.4 64.3 75.6 116.2 120 t (phút) 100 80 60 40 20 0 10 X (%) Hình 3 Ảnh hưởng hàm lượng XM đến thời gian tan rã đất 14 Nhận thấy rằng, tăng hàm lượng XM, thời gian tan rã đất tăng lên đáng kể, trộn hàm lượng XM 1% thời gian tan rã tăng 1.5 lần, với hàm lượng XM 3% thời gian tan rã tăng 4.3 lần Khi hàm lượng XM 9% thời gian tan rã tăng 14 lần Thời gian tan rã đất tăng tăng hàm lượng XM tăng hàm lượng hạt mịn XM tỷ diện bề mặt tăng, nên bề mặt phản ứng hạt XM đất tăng Tuy nhiên, để đảm bảo điều kiện kinh tế, cần chú ý hàm lượng XM 5%, thời gian tan rã tăng 7.75 lần so với khơng sử dụng phương pháp trộn XM, hàm lượng XM 9% thời gian tan rã tăng 14 lần Vì vậy, để đảm bảo yêu cầu kinh tế tăng hiệu sử dụng nhằm giảm tính tan rã, sơ chọn hàm lượng XM sử dụng nghiên cứu tiếp 5% 3.5.2 Nghiên cứu tiêu học hỗn hợp đất trộn 5% hàm lượng XM Kết thí nghiệm cho thấy trộn 5% hàm lượng XM góc ma sát đất giảm, trộn thêm hàm lượng XM, làm tăng hạt tròn cạnh có XM, dẫn đến góc ma sát  giảm, lực dính đơn vị tăng, tính nén lún tăng tính thấm đất giảm đảm bảo theo TCVN 8216-2009 Sự tăng độ bền kháng cắt, giảm tính biến dạng đất, kết trình phản ứng trao đổi ion đất với XM, tạo kết giống phản ứng puzolan Các cation Ca2+, Mg2+ thay Na+ H+ lớp điện kép bề mặt hạt sét Vì vậy, để tăng thời gian tan rã đất, tác giả kiển nghị sử dụng hàm lượng XM 5% so với khối lượng riêng khô đất để trộn vào đất có tính tan rã mạnh 3.6 Nghiên cứu giải pháp để nâng cao dung trọng khô đất Vật liệu bồi tích trẻ (mẫu đất MA) lấy khu vực gần hồ đập Tân Sơn có dung trọng khô nhỏ Tác giả đề xuất sử dụng giải pháp thay đổi thành phần cỡ hạt đất, cụ thể tác giả lựa chọn giải pháp trộn thêm dăm sạn Lý hạt dăm sạn khơng có đặc tính ưa nước nên sẽ làm giảm độ ẩm tối ưu vật liệu Ngồi có mặt hạt thô sẽ làm cho hạt mịn dễ dàng chiếm chỗ lỗ rỗng hạt thô từ làm tăng hiệu đầm chặt 15 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên dung trọng khô lớn độ ẩm tốt đất 3.6.1 Khi pha trộn dăm sạn vào mẫu đất sẽ làm tăng dung khô suy giảm độ ẩm tối ưu Sự thay đổi tính tốn theo TCVN 4201:2012 40 35 30 Wop (%) c (g/cm3) 1.8 1.6 1.4 25 20 1.2 15 10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 mS (%) mS (%) Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên dung trọng khô lớn Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn đến độ ẩm tốt Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên khả kháng cắt đất 3.6.2 0.5 45 40 0.4 C (kG/cm2)  (®é) 35 30 25 20 0.3 0.2 0.1 15 0 10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 mS (%) 55 mS (%) Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên góc ma sát đất 3.6.3 Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên lực dính đơn vị Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên tính biến dạng tính thấm đất 400 700 350 600 k (10-6 cm/s) E1-2 (kG/cm2) 300 250 200 150 500 400 300 200 100 50 100 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ms (%) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ms (%) Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên môđun biến dạng Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên hệ số thấm 16 3.6.4 Phân tích lựa chọn tỷ lệ dăm sạn hợp lý Mẫu đất nghiên cứu MA, có số tính chất vật lý, học tính chất đặc biệt đảm bảo yêu cầu chất lượng đất đắp theo Tuy nhiên kết thí nghiệm đầm nén cho thấy đất có dung trọng khơ nhỏ với giá trị cmax = 1.42 T/m3 độ ẩm tốt cao Wop= 30.34% không thỏa mãn yêu cầu theo TCVN 8297-2009 dung trọng khô độ ẩm tốt Khi chưa sử dụng giải pháp thay đổi thành phần hạt nhằm tăng dung trọng khơ c đất đắp vật liệu có sức chịu tải tính biến dạng trung bình (mơ đun biến dạng E1-2 = 82.37 kG/cm2, tính kháng cắt trung bình với góc ma sát  = 18.4o, lực dính C = 0.278 kG/cm2, tính thấm tương đối nhỏ với hệ số thấm trung bình k = 1.63×10-6 cm/s, đảm bảo tiêu thiết kế Dựa vào kết nghiên cứu, đề xuất pha trộn dăm sạn nhằm tăng dung trọng khô giảm độ ẩm tốt Kết nghiên cứu tăng hàm lượng dăm sạn khả chống cắt tăng, giảm tính biến dạng, nhiên khả chống thấm giảm Đặc biệt hàm lượng dăm sạn vượt 25% hệ số thấm tăng nhanh vượt qua giá trị 5×10-5 cm/s Theo TCVN 8216-2009, yêu cầu thiết kế đập đất yêu cầu hệ số thấm k không lớn 110-4 cm/s để đảm bảo an toàn cần chọn hệ số thấm k < 5.2310-5 cm/s, tương ứng với hàm lượng dăm sạn ≤ 25% Do kiến nghị sử dụng hàm lượng dăm sạn từ 2025% pha trộn với vật liệu đất hạt mịn nhằm cải thiện tính chất vật liệu đất hạt mịn để đắp đập 3.7 Kết luận chương Tác giả nghiên cứu lựa chọn loại đất bồi tích trẻ điển hình đại diện khu vực Tây Nguyên, đất có chứa nhiều dăm sạn đất thành phần hạt mịn chiếm đa số hay đất có dung trọng khô nhỏ Cụ thể tác giả lựa chọn vị trí lấy mẫu ba bãi vật liệu khác bãi A, B C vị trí gần khu vực hồ đập Tân Sơn, tỉnh Gia Lai; hồ đập Eamlô, hồ đập Buôn Sa tỉnh Đắk Lăk để nghiên cứu Tác giả nghiên cứu 524 tổ mẫu thí nghiệm bao gồm đặc tính ban đầu loại đất, thành phần hạt, tiêu vật lý, học tính chất đặc biệt đất Từ đề xuất giải pháp phù hợp để cải thiện 17 số tính chất lý đất, nhằm sử dụng vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, sửa chữa đập đáp ứng Tiêu chuẩn TCVN 8216-2009 8297-2009, bao gồm: - Đối với đất chứa nhiều dăm sạn: i) Đối với loại đất có tính thấm lớn áp dụng biện pháp trộn 2% hàm lượng XM 3% vơi nhằm giảm tính thấm đất; ii) Đối với đất có tính tan rã mạnh, tác giả kiến nghị sử dụng hàm lượng XM từ 35% pha trộn với đất - Đối với đất có dung trọng khơ nhỏ: Tác kiến nghị trộn thêm hàm lượng dăm sạn từ 2025% để tăng dung trọng khơ đất, độ ẩm tốt giảm, tính biến dạng giảm, khả chống cắt tăng tính thấm tăng thỏa mãn yêu cầu đắp đập theo tiêu chuẩn hành CHƯƠNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ NÂNG CẤP, SỬA CHỮA MỘT SỐ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 4.1 4.1.1 Lựa chọn cơng trình nghiên cứu Lựa chọn giới thiệu cơng trình Cơng trình lựa chọn nghiên cứu đập đất Buôn Sa thuộc Buôn Reng, xã Ea’bông, Huyện Krông Ana Đập trạng đập đất đồng chất, có thơng số thể Bảng Bảng Các thông số đập đất hồ chứa Buôn Sa STT Các thơng số Kích thước Cao trình đỉnh đập 463.54 m Cao trình đỉnh tường chắn sóng 463.84 m Mực nước dâng bình thường 461.0 m Chiều rộng đỉnh đập 3.0 m Chiều cao đập 12.0 m Hệ số mái thượng, hạ lưu 18 3.0 Đánh giá trạng đập đề xuất giải pháp nâng cấp 4.1.2 Qua điều tra khảo sát nhận thấy đập đất có dấu hiệu xuống cấp rõ rệt; Mái thượng hạ lưu không gia cố, cối mọc um tùm; Mặt đập chưa gia cố qua nhiều năm sử dụng bị xói mòn, khơng đủ kích thước hình học thiết kế; Mái hạ lưu đập xuất nhiều lỗ rỗng, thiết bị tiêu nước; Vùng mái hạ lưu đập xuất nhiều vùng thấm mạnh đặc biệt vị trí lòng suối cũ Hiện đập bị thấm, nhu cầu nâng cấp, sửa chữa chống thấm để đảm bảo an toàn đập đất cần thiết Yêu cầu đặt ra, cần chống thấm cho thân đập (đoạn lòng suối cũ); mở rộng mặt cắt đập, đắp áp trúc thượng lưu đập, sử dụng VLTC xử lý để cải thiện số tính chất lý đất đắp làm lăng trụ thoát nước sau đập (tăng mức độ ổn định cho mái đập hạ lưu) 4.2 4.2.1 Kết nâng cấp đập sử dụng giải pháp đắp áp trúc mái thượng lưu Kết tính tốn thấm với trường hợp khác Tác giả đề xuất trường hợp tính tốn với hệ số mái đắp áp trúc TL m = 3.5 để nghiên cứu tính tốn thấm ổn định đập nâng cấp đập, với chiều dày khối đắp với chiều rộng đỉnh đập thay đổi B = 4.0; 4.5 5.0m 472 469 466 463 448 0.4 0.3 0.35 0.2 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 442 0.1 0.05 445 0.2 451 0.15 454 0.0 m³/sec 3.5582e-006 0.2 457 0.1 Cao ®é 460 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kết tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 472 469 466 0.6 463 Cao ®é 0.1 454 451 0.4 0.1 445 0.2 448 0.3 457 3.4136e-006 m³/sec 0.2 0.5 0.8 0.40.7 460 442 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kết tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m 19 472 469 466 0.35 463 0.05 451 448 0.3 0.1 442 0.1 0.2 0.0 445 0.1 3.2902e-006 m³/sec Cao ®é 457 454 0.25 0.2 0.4 460 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kt qu tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m 4.2.2 Kết tính tốn ổn định mái đập 1/ Tính cho trường hợp ổn định mái thượng lưu: 2.799 472 469 466 463 Cao ®é 460 457 454 451 448 445 442 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh 4 Kt qu tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 2.790 472 469 466 463 Cao ®é 460 457 454 451 448 445 442 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kết tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m 2.767 472 469 466 463 Cao ®é 460 457 454 451 448 445 442 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kt qu tớnh n định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m 20 2/ Tính cho trường hợp ổn định mái hạ lưu: 1.638 472 469 466 463 Cao ®é 460 457 454 451 448 445 442 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kết tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 1.643 472 469 466 463 Cao ®é 460 457 454 451 448 445 442 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kt qu tớnh n định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=4.5m 1.648 472 469 466 463 Cao ®é 460 457 454 451 448 445 442 439 436 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Khoảng cách Hỡnh Kt tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=5.0m 4.2.3 STT Nhận xét kết Bảng Kết tính tốn hệ số ổn định mái đập Chiều rộng đỉnh đập B thay đổi Jmax Kmin Kmin hạ lưu 1.638 1.30 [K] B = 4.0 0.405 TL 2.799 B = 4.5 0.351 2.790 1.643 1.30 m = 5.0 0.322 2.767 1.648 1.30 Qua kết tính tốn thấm ổn định mái thượng, hạ lưu, tác giả nhận thấy sử dụng hệ số mái đắp áp trúc TL m = 3.5 với chiều dày khối đắp B = 4.0; 4.5 21 5.0 m thỏa mãn khả chống thấm ổn định cơng trình Tuy nhiên để đảm bảo khả thi công giới nâng cao an toàn đập, tác giả kiến nghị lựa chọn chiều rộng đỉnh đập sau nâng cấp 4.5m 4.3 Kết luận chương Tác giả nghiên cứu trạng cơng trình đập đất Bn Sa, từ đề xuất giải pháp nâng cấp đập theo yêu cầu chống thấm kiến nghị sử dụng giải pháp đắp áp trúc thượng lưu để nâng cấp chống thấm đập Tác giả vận dụng kết nghiên cứu thực nghiệm chương nâng cấp khả chống thấm cho đập, tác giả đề nghị sử dụng mẫu đất xử lý MC trộn thêm 3% vôi 2%XM để đắp áp trúc mái thượng lưu đập Qua tính tốn theo chương trình SEEP/GEOSLOPES, tác giả nhận thấy với hệ số mái đắp m = 3.5 chiều rộng đỉnh đập B = 4.5 đập đảm bảo yêu cầu chống thấm, ổn định chống trượt mái thượng, hạ lưu đập đảm bảo yêu cầu thi công giới KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết đạt Luận án Trên sở kết nghiên cứu đạt được, Luận án đưa số kết luận sau: 1) Tổng hợp đặc điểm tính chất lý đất khu vực Tây Nguyên, từ lựa chọn loại đất đại biểu để nghiên cứu, đất có hàm lượng hạt mịn chiếm đa số đất có chứa nhiều dăm sạn; 2) Dựa vào việc phân tích sở khoa học số giải pháp kỹ thuật để cải tạo đất, tác giả lựa chọn giải pháp cải tạo đất với loại đất sau: Đối với đất có tính thấm lớn sử dụng giải pháp trộn XM kết hợp với vôi để tăng hiệu giảm thấm; Đối với đất có tính tan rã mạnh giải pháp sử dụng XM để trộn với đất; Đối với đất có dung trọng khơ nhỏ, cần sử dụng giải pháp thay đổi thành phần hạt, cụ thể trộn thêm hàm lượng hạt dăm sạn; 22 3) Đối với loại đất có tính thấm lớn áp dụng biện pháp trộn XM vơi với tỷ lệ thích hợp để giảm tính thấm, cụ thể Luận án tác giả đề xuất hàm lượng trộn vôi 3% XM 2% 4) Đối với đất có tính tan rã lớn áp dụng biện pháp trộn XM để giảm tính tan rã đất, cụ thể kiến nghị sử dụng hàm lượng XM 5% pha trộn với vật liệu đất đắp nhằm cải tạo đất có tính tan rã 5) Đối với đất có dụng trọng khơ nhỏ, kiến nghị giải pháp pha trộn hàm lượng dăm sạn nhằm tăng dung trọng khô đất Khi dung trọng khô tăng, độ ẩm tối ưu giảm, khả chống cắt chống biến dạng tăng, nhiên khả chống thấm giảm đáng kể tăng hàm lượng dăm sạn Tác giả kiến nghị sử dụng hàm lượng dăm sạn pha trộn từ 2025%, với tỷ lệ sẽ phát huy hiệu tối đa tính chất xây dựng đất sử dụng làm vật liệu đắp đập 6) Để nâng cấp đập đất bị thấm qua thân đập, dùng giải pháp đắp áp trúc mái TL sử dụng vật liệu chỗ có trộn XM vôi để nâng cấp đấp đất đề xuất hệ số mái khối đất đắp m =3.5 mở rộng chiều rộng đỉnh đập 1.5m II Những điểm Luận án 1) Đề xuất hàm lượng dăm sạn hợp lý từ 2025% trộn với đất bồi tích trẻ có dung trọng khơ nhỏ, làm tăng dung trọng khô giảm độ ẩm tối ưu đất, tăng khả chống cắt chống biến dạng, thỏa mãn tiêu chuẩn đất sử dụng để nâng cấp xây dựng đập 2) Đề xuất sử dụng 3% vôi 2% xi măng vào đất bồi tích trẻ có tỷ lệ dăm sạn cao ( 48%) để giảm tính thấm từ 10-4 cm/s xuống 10-5 cm/s thỏa mãn yêu cầu chống thấm cho đập III Những tồn kiến nghị Tồn 1) Do kinh phí thời gian hạn chế, tác giả lựa chọn địa điểm lấy mẫu đại diện cho đất bồi tích trẻ Tây Nguyên để nghiên cứu 23 2) Nghiên cứu tác giả thực phòng thí nghiệm chưa triển khai ngồi thực tế để đánh giá kết nghiên cứu 3) Một số kết nghiên cứu tác giả nghiên cứu cho hai Tiêu chuẩn cũ TCVN 8297-2009 TCVN 8216-2009, hai Tiêu chuẩn TCVN 8297-2018 TCVN 8216-2018 thay cho hai Tiêu chuẩn cũ tác giả chưa xét đến Kiến nghị 1) Trong phạm vi nghiên cứu luận án, tác giả dừng lại nghiên cứu đề xuất giải pháp cho số tính chất lý tính chất đặc biệt đất, cụ thể đất có dung trọng khơ nhỏ; đất có hệ số thấm k lớn đất có tính tan rã mạnh Vì vậy, kiến nghị bổ sung nghiên cứu thêm số tổ mẫu đất khác có số tiêu lý khác không phù hợp với tiêu chuẩn để đề xuất giải pháp cải tạo đất sử dụng cho việc nâng cấp đập 2) Đối với đất có tính trương nở tham khảo giải pháp xử lý vật liệu cơng trình nghiên cứu trước [29] [45] 3) Có thể nghiên cứu áp dụng thử để rút quy trình chế tạo, đánh giá kết nghiên cứu 4) Có thể nghiên cứu thêm loại xi măng PCB 30 khác so sánh kết nghiên cứu luận án 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ Mai Thị Hồng, Phạm Huy Dũng “Nghiên cứu gia cố vật liệu chỗ để nâng cấp đập đất Buôn Sa”, Tạp chí Thủy lợi số 63 (12/2018) Mai Thị Hồng, Nguyễn Trọng Tư “Ảnh hưởng hàm lượng dăm sạn lên tiêu lý đất đỏ bazan dùng đập đất Tây Nguyên” Tạp chí Địa kỹ thuật số năm 2018; Nguyen Trong Tu, Mai Thi Hong, Pham Huy Dung “Solutions to Improve Permeability and Disintegration of Earth Dam in Central Highlands, Vietnam” The 8th International Conference on Fluid Mechanics, September 25-28,2018, Sendal, Japan; Mai Thị Hồng, Phạm Huy Dũng, Nguyễn Trọng Tư “Nghiên cứu giải pháp nhằm gia cường vật liệu đắp đập chỗ có tính chất lý đặc biệt Tây Nguyên ” Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2017, Trường ĐH Thủy lợi; Nguyễn Trọng Tư, Nguyễn Thị Thanh Bình, Mai Thị Hồng “Chất lượng số cơng trình đập đất vừa nhỏ Tây Nguyên” Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2016, Trường ĐH Thủy lợi