6. Đóng góp của luận văn
2.2.6. Các bước mô phỏng hóa
2.2.6.1Số liệu đầu vào
Để bắt đầu sử dụng phần mềm SLIDE, ta cần chuẩn bị một bộ số liệu đầu vào đầy đủ. Phần mềm SLIDE cần bộ số liệu như trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Bộ số liệu đầu vào SLIDE
Khối đá Khe nứt TT Lớp đất đá Dung trọng (T/m3) C (kN/cm3) (độ) C’ (kN/cm3) ’ (độ) Phương vị Góc dốc
2.2.6.2Mô hình tính toán và điều kiện bài toán
a)Khai báo số liệu đầu vào
Để chuẩn bị cho việc sử dụng phần mềm, ta cần định các thông số đầu vào và các yêu cầu cơ bản của phần mềm như đơn vị tính (Stress Units, Time Units), dạng mặt trượt ( Failure Direction) là từ phải sang trái hay từ trái sang phải,
Hình 2.6: Điều kiện ban đầu
Ta tiến hành chọn các phương pháp tính toán, SLIDE hỗ trợ nhiều phương pháp tính toán khác nhau:
Phương pháp Ordinary: Xem cả lực pháp tuyến và lực cắt của mảnh trượt bằng 0.
Phương pháp Bishop: Đơn giản hoá chỉ quan tâm đến lực pháp tuyến mà không để ý đến lực tiếp tuyến giữa các dải, và chỉ cần thoả mãn phương trình cân bằng momen.
Phương pháp Janbu: Đơn giản hoá cũng chỉ dùng lực pháp tuyến mà không sử dụng lực tiếp tuyến giữa các dải, nhưng chỉ dựa trên điều kiện cân bằng lực.
Phương pháp Spencer: Xét cả điều kiện cân bằng lực và cân bằng momen, nó hạn chế coi lực trượt là hằng số.
Phương pháp Morgenstern-Price và Gle: Dùng cả lực pháp tuyến và tiếp tuyến giữa các dải và phải thoả mãn cả phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mômen.
Đồng thời, người dùng có thể chọn số mặt trượt cần thiết (Number of SLIDEs). Dung sai tính toán (Tolerance) giá trị mặc định là 0,005. Khi để giá trị nhỏ hơn thì thời gian tính toán sẽ tăng, ảnh hưởng tới việc hội tụ. Ngược lại khi tăng giá trị này việc tính toán sẽ nhanh hơn nhưng độ chính xác sẽ kém đi.
Số lần lặp tối đa (Maximum of iteration )mặc định là 50 nhưng để hội tụ thì chỉ cần 3.4 lần. Khi một mặt trượt yêu cầu số lần lặp nhiều hơn, khoảng 20 lần, cần phải kiểm tra lại mô hình tính đầu vào, sai sót về tính chất của vật liệu, hệ số an toàn nhỏ nhất…
b)Khai báo vật liệu
SLIDE hỗ trợ nhiều loại vật liệu với các đặc tính khác nhau. Mỗi loại vật liệu được thể hiện bởi một mầu khác nhau. Do SLIDE chủ yếu tính toán ổn định nên các giá trị cần quan tâm đó là khối lượng riêng của vật liệu (Unit Weight) và lực chống cắt (Strength). Giá trị lực chống cắt được tính toán tự động thông qua 2 thông số là lực dính C (Cohension) và góc ma sát trong (Phi)
SLIDE hỗ trợ nhiều phương pháp tính toán lực chống cắt. Ta có thể chọn các phương pháp này trong phần Strength Type như Mohr –Coulomb, vật liệu không thoát nước (Undrained), vật liệu dị hướng (Anisotropic)… Các số liệu này người dùng có thể nhập trực tiếp hoặc lấy kết quả dạng liên kết từ các phần mềm như Rock Data hoặc Rock Lab
Hình 2.8: Khai báo vật liệu cho lớp EDQ + IA1
c)Khai báo tải trọng
Khi khai báo tải trọng ta có thể chọn một trong hai loại tải trọng là tải trọng phân bố đều (Constant) hoặc tải trọng phân bố hình thang (Triangular) ở mục Type với giá trị tải trọng (Magnide). Hướng phân bố của tải trọng có thể dọc theo đường biên của mô hình hoặc theo phương bất kì với 1 góc nghiêng xác định (Hình 1.19)
Tải trọng động đất được khai báo theo giá trị gia tốc nền theo phương bất lợi nhất
Hình 2.10: Tải trọng động đất
d) Khai báo dạng mặt trượt
Dạng mặt trượt được chọn có thể là dạng cung tròn (Cirular) hoặc dạng gãy khúc (non – circular). Phần mềm cho phép ta tự chọn số lượng mặt trượt cần tính, giá trị mặc định là 5000 mặt trượt. Tại đây ta khai báo phương thức tìm mặt trượt nguy hiểm tại phần Search Method như Block – Search (tìm kiếm trong 1 khu vực cho trước) Auto refine, Path Search…
e)Định khu vực tìm kiếm mặt trượt
Hình 2.12: Định vị khu vực nguy hiểm cần tính
Trong menu Surfaces/ Block search ta có thể định vị trí tìm kiếm mặt trượt nguy hiểm như chọn 1 vùng (Windows) hoặc 1 biên ngăn cách (Polyline).
f)Vật liệu gia cố
SLIDE hỗ trợ nhiều loại vật gia cố và hỗ trợ tính toán nhiều loại gia cố trong 1 bài toán. Số lượng mặc đinh là 20 loại vật liệu gia cố (Hình 2.13).
Hình 2.13: Khai báo phương pháp gia cố
SLIDE hỗ trợ nhiều loại phương pháp gia cố như neo, vải đia kỹ thuật, cọc… trong phần Support Type. Ta có thể bố trí đơn lẻ hoặc thành các nhóm vật liệu, và theo nhiều hướng khác nhau (Hình 2.14)
2.2.6.3Kết quả tính toán
Sau khi đã mô hình hóa và khai báo đầy đủ số liệu ta tiến hành tính toán bằng modul COMPUTE và thể hiện kết quả tính toán qua modul INTERPRET
SLIDE có thể trình bầy các kết quả tính toán như:
Hệ số an toàn nhỏ nhất FS = 1.037 (Hình 2.15) Biểu đồ lực cắt (Hình 2.16) Biểu đồ lực dính (hình 2.17) Hình 2.15: Kết quả tính toán hệ số ổn định 0 100 200 300 400 500 600 0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 60 70 80 90 100 110 She ar Strength kPa Distance m ordinary/f ellenius method Ra dius (1 62.389 ) Ce nter ( 427.260, 275.636) FS = 1.037 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 60 70 80 90 100 110 Cohesive Streng th kPa Distance m ordinary/f ellenius method Ra dius (1 62.389 ) Ce nter ( 427.260, 275.636) FS = 1.037
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TRƯỢT MÁI DỐC TỰ NHIÊN 3.1.Giới thiệu công trình
3.1.1.Vị trí công trình
Nhà máy thủy điện Sơn La là nhà máy thủy điện nằm tại xã Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La, Việt Nam. Công trình được thiết kế chính bởi liên danh Công ty Tư vấn Xây dựng Điện 1 (PECC1) và Công ty Cổ phần “Center of engineering UESR- Hydroproject, Teploetrectroproject, Firm ORGRES” đại diện và Viện Thiết kế Thủy công Matxcova (HPI) thực hiện
Công trình được khởi công xây dựng ngày 02 tháng 12 năm 2005. Sau 7 năm xây dựng, Thủy điện Sơn La được khánh thành vào ngày 23 tháng 12 năm 2012, sớm hơn kế hoạch 3 năm. Tập đoàn Điện lực Việt Nam làm chủ đầu tư với số vốn 42.476,9 tỉ đồng (bao gồm vốn đầu tư ban đầu là 36.786,97 tỉ đồng và lãi vay trong thời gian xây dựng là 5.708 tỉ đồng). Vốn thực tế 60.196 tỷ đồng, tăng khoảng 60% so với ban đầu. Nhà thầu chính là Tổng công ty cổ phần Sông Đà.
Công trình được thi công tại vùng đồi núi, địa hình phức tạp, xen kẽ nhiều dạng địa chất khác nhau. Khi thi công công trình, xuất hiện nhiều loại mái đào khác nhau: mái đào taluy đường, mái đào hố móng, các công trình ngầm… Chính vì vậy, công tác tính toán ổn định mái đào là rất quan trọng. Với điều kiện địa chất chủ yếu là đá, sự ổn định mái đá quyết định lớn tới độ an toàn của công trình khi thi công cũng như vận hành.
3.1.2.Đặc điểm địa chất – thủy văn:
Khu vực xem xét, tính toán là khu vực vai trái đập, địa hình dốc.
Theo báo cáo khảo sát địa kỹ thuật “ Công trình thủy điện Sơn La – Thiết kế kỹ thuật giai đoạn 2 – tập 2: Điều kiện tự nhiên – Quyển 1: Điều kiện địa chất công trình” do Công ty Tư vấn Xây dựng Điện 1 (PECC1) phát hành năm 2006.
3.1.2.1Địa chất
Số liệu địa chất của khu vực khảo sát được cho như bảng 3.1
Bảng 3.1: Trụ địa chất Đặc tính Dung trọng tự nhiên Dung trọng bão hòa Độ bền kháng cắt tự nhiên Hệ số Poisson Kí hiệu w bh Ctn tn Đơn vị g/cm 3 g/cm3 MPa Độ IA1 1.77 1.94 0.045 21 0.42 IA2 2.40 2,50 0.1 33 0.35 IB 2.82 3,21 0.3 37 0.25 IIA 2.96 3,32 0.8 45 0.22 IIB 2.98 3,39 1 47.7 0.2
a)Lớp edQ+IA1:
Thành phần của đới chủ yếu cát hạt thô lẫn sạn, sét pha mầu vàng nhạt, trạng thái nửa cứng, chứa 10-20% dăm cục đá gốc, sạn thạch anh. Tốc độ truyền sóng dọc thay đổi từ 500-700m/s. Chiều dày lớp từ 8-12 m
Bảng 3.2: Số liệu địa chất lớp edQ + IA1
Đặc tính của đất Kí hiệu Đơn vị Giá trị
Dung trọng tự nhiên w g/cm3 1.77
Dung trọng bão hòa bh g/cm3 1.94
Hệ số rỗng eo 0.816 Ctn MPa 0.045 Độ bền kháng cắt tự nhiên tn Độ 21 Cbh MPa 0.35 Độ bền kháng cắt bão hòa bh Độ 18 Hệ số Poisson 0.42
b)Lớp IA2 (Đới phong hóa mạnh)
Nằm ngay dưới đới (edQ+IA1), đới này chủ yếu là đá gốc bị phong hoá, nứt nẻ mạnh tới trạng thái dăm, cục, tảng, đá mềm bở.. Chiều dày đới IA2 thay đổi từ 5 m-12 m. Thành phần đới chủ yếu là cát sạn kết màu xám tro – xám sáng phong hoá mạnh, nhiều chồ thành cát sạn hạt thô chứa dăm sạn đá gốc. Giá trị SPT của đới thay đổi từ 70-100 búa.
Bảng 3.3: Số liệu địa chất lớp IA2
Đặc tính của đất Kí hiệu Đơn vị Giá trị
Dung trọng tự nhiên w g/cm3 2.40
Dung trọng bão hòa bh g/cm3 2.50
Ctn MPa 0.10
Độ bền kháng cắt
tự nhiên tn Độ 33
c)Lớp IB (Đới phong hóa)
Nằm ngay dưới đới IA2. Chiều dày trung bình khoảng 15-20 m.Thành phần đới gồm đá gốc nứt nẻ mạnh mầu vàng nhạt, nâu nhạt, xám trắng, đôi chỗ xám sáng dọc theo. Cường độ kháng nén trung bình mẫu đá trạng thái bão hoà 640kG/cm2, cường độ kháng kéo mẫu đá bão hoà 67kG/cm2. Cần lưu ý là đây là cường độ kháng nén của các mẫu đá có chất lượng khá tốt còn phần lớn đới đá IB yếu hơn, trong quá trình khoan bị vỡ thành dạng dăm cục không lấy được mẫu để thí nghiệm. Vì vậy trong thực tế, cường độ của đới IB có thể yếu hơn. Hệ số thấm của đới lớn, nhiều đoạn bị mất nước hoàn toàn, thậm chí nhiều đoạn không thể đặt được nút. Dựa trên thực tế, đới IB được xếp vào loại thấm vừa (q = 0.1.1.0l/p/m).
Bảng 3.4: Số liệu địa chất lớp IB
Đặc tính của đất Kí hiệu Đơn vị Giá trị
Dung trọng tự nhiên w g/cm3 2.82
Dung trọng bão hòa bh g/cm3 3.21
Ctn MPa 0.3
Độ bền kháng cắt
tự nhiên tn Độ 37
Hệ số Poisson 0.25
d)Lớp IIA (Đới nứt nẻ, giảm tải)
Bề dày đới trung bình 40 m. Kết quả thí nghiệm trong phòng, cường độ kháng nén mẫu đá bão hoà 800kG/cm2, cường độ kháng kéo mẫu đá bão hoà 74kG/cm2 .Lượng mất nước đơn vị của đới nhỏ, trung bình 0.01 l/p/m, thuộc loại thấm yếu.
Bảng 3.5: Số liệu địa chất lớp IIA
Đặc tính của đất Kí hiệu Đơn vị Giá trị
Dung trọng tự nhiên w g/cm3 2.96
Dung trọng bão hòa bh g/cm3 3.32
Ctn MPa 0.8
Độ bền kháng cắt
tự nhiên tn Độ 45
e)Lớp IIB (Đới đá tươi)
Đới nằm sâu trung bình 60-65 m. Đới IIB là đới đá nằm sâu, có độ nứt nẻ rất ít hoặc không nứt nẻ, cường độ cao.
Bảng 3.6: Số liệu địa chất lớp IIB
Đặc tính của đất Kí hiệu Đơn vị Giá trị
Dung trọng tự nhiên w g/cm3 2.98
Dung trọng bão hòa bh g/cm3 3.39
Ctn MPa 1 Độ bền kháng cắt tự nhiên tn Độ 47.7 Hệ số Poisson 0.2 3.1.2.2Hệ thống khe nứt a)Lớp IB
Hệ thống khe nứt có phương vị chủ yếu 170o-200o , góc dốc 20o-30o .
Chỉ tiêu cơ lý C=0.50KG/cm2, góc ma sát tg kn = 0.55 (kn = 28.8o)
b)Lớp IIA
Lớp có 2 hệ khe nứt chủ yếu:
Hệ thống khe nứt 1 có phương vị chủ yếu 175o-185o góc dốc 50o-60o.
Hệ thống khe nứt 2 có phương vị chủ yếu 70o-80o góc dốc 75o-85o
Chỉ tiêu cơ lý C=0.70KG/cm2, góc ma sát tg kn = 0.6 (kn =31o).
3.1.2.3Mực nước ngầm
Mực nước ngầm được xác định thông qua quan trắc nước ngầm trong các hố khoan. Vị trí các hố khoan xem hình 3.2, chiều cao mực nước ngầm xem bảng 3.7
Bảng 3.7: Số liệu mực nước ngầm
Hố khoan HK1 HK2 HK3 HK4
Nước ngầm bình thường 265 230 190 160
3.1.2.4Lực động đất
Gia tốc nền đỉnh của công trình Sơn La đã được phê duyệt là PGA: 0,24g với động đất MCE và 0,15g với động đất OBE. Hệ số động đất tính toán được giả thiết có độ lớn là 2/3PGA, tác dụng theo phương ngang.
3.1.3.Sơ đồ mái dốc:
Hình 3.3: Sơ đồ mặt cắt địa chất sau khi thi công mái đào
3.2.Phương pháp tính toán 3.2.1.Yêu cầu tính toán 3.2.1.Yêu cầu tính toán
Trong giới hạn luận văn, ta nghiên cứu về khả năng ổn định của mái dốc đá. Khả năng ổn định mái dốc được thể hiện qua hệ số ổn định FS. Mục tiêu của tất cả các bài toán đặt ra là tìm ra hệ số ổn định cho công trình.
Hệ số ổn định thường được xác định bằng tỷ số các lực giữ ổn định và các lực gây mất ổn định. Độ lớn của hệ số này thể hiện trạng thái của công trình.
FS > 1 là công trình ổn định, FS =1 là đạt trạng thái cân bằng giới hạn và FS < 1 là mất ổn định. Hệ số ổn định được quy định trong các tiêu chuẩn tính toán đã được ban hành.
3.2.2.Cơ chế mất ổn định
Luận văn chủ yếu tập trung vào đối tượng nghiên cứu là mái dốc đá. Đá tự nhiên là một vật liệu có độ bền rất lớn, sức chống cắt là rất tốt. Chỉ khi đá dưới các điều kiện khác nhau gây ra các vết nứt, phá hủy trạng thái nguyên trạng của khối đá thì hiện tượng mất ổn định xảy ra.
Tại công trình đang nghiên cứu, quan sát thấy các mất ổn định cục bộ dọc theo các khe nứt. Do vậy, cơ chế mất ổn định được giả thiết là mất ổn đinh do hệ thống khe nứt, bài toán xét tới là bài toán phẳng. Mặt trượt gẫy khúc, phần lớn đáy mặt trượt có góc cắm xấp xỉ góc cắm của khe nứt.
3.2.3.Tiêu chuẩn đánh giá
Vị trí nghiên cứu thuộc công trình thủy điện Sơn La. Đây là công trình cấp đặc biệt, thiết kế tuân theo tiêu chuẩn TCXDVN 335-2004 “Công trình thủy điện Sơn La – Tiêu chuẩn thiết kế kĩ thuật”. Hệ số an toàn xem trong bảng 3.8 [1, Tr 21]
Bảng 3.8: Hệ số an toàn theo TCXDVN 335-2004 Bình thường Nước ngầm cao Nước ngầm + động đất Nước ngầm cao + động đất FS0 1.3 1.3 1.11 1.11 3.2.4.Phương pháp tính toán
3.2.4.1 Phương pháp cân bằng giới hạn:
a)Điều kiện sử dụng
Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn ta cần sử dụng các điều kiện sau đây:
Mặt trượt nằm trên mặt mái dốc (góc nghiêng mái dốc αmd > góc nghiêng mặt trượt αmt)
Mặt phẳng trượt có đường phương song song hay gần song song với mặt mái;
Góc nghiêng mặt trượt αmt > góc ma sát trong của bờ dốc đá;
Mặt bên khối trượt phải ở trong khối đá để xác định được các biên hông (sức chống ma sát mặt bên không đáng kể)
b)Các trường hợp của phương pháp
Giả thiết một mái dốc đá có chiều cao H, mái dốc nghiêng góc αmd so với phương ngang. Mái dốc trượt theo mặt trượt có góc nghiêng αmt, khối trượt được giới hạn bởi mặt trượt và một khe nứt thẳng đứng, từ trên xuống như hình 3.4 hoặc hình 3.5
Khe nứt hình thành trên mặt đỉnh mái
Hình 3.4: Sơ đồ tính mái dốc có khe nứt trên đỉnh mái
Hệ số an toàn theo cần bằng lực dọc theo mặt trượt có dạng
(W cos sin ) W sin cos mt mt mt mt cA u V tg FS V (3-1) Trong đó: FS: Hệ số an toàn
W: Trọng lượng khối trượt
2 2 1 W 1 ( ) cot cot 2 mt md z H g g H (3-2)
A: Chiều dài mặt trượt được tính theo công thức (3.2)
c : lực dính của khối đá
: Góc ma sát trong của khối đá