4.1 Đặt vấn đề
Trên cơ sở lý thuyết đã trình bày trong chương 2, chương này tập trung xác định sức chịu tải của khối đá nền các đập thủy điện Lai Châu, Hủa Na, Sơn La và Sông Bung 4 theo chuẩn Hoek - Brown và phần mềm Rocklab.
Để đạt được mục đích nêu trên, luận văn sử dụng kết quả khảo sát địa chất công trình các khối đá đã nêu ở chương 3 để xác định các thông số đầu vào của phần mềm RockLab như thông số phân loại chất lượng khối đá RMR (Rock Mass Rating), chỉ số độ bền địa chất GSI (Geological Strength Index), cường độ kháng nén một trục mẫu đá σci… trong tính toán sức chịu tải của khối đá theo Chuẩn cường độ Hoek - Brown.
Các đập thủy điện Lai Châu, Hủa Na, Sơn La và Sông Bung 4 đều được đặt trên nền là đá nứt nẻđới IIA, do đó việc tính sức chịu tải dựa trên các thông số cụ thể của đới đá này.
Với các thông số đầu vào cụ thể của nền đập, phần mềm Rocklab cho phép xác định được σ3max dựa trên công thức đã được trình bày trong chương 2, từ đó đưa ra được σ1 tương ứng cũng là sức chịu tải cực hạn của nền đá cần xác định. Trong trường hợp với một số loại đá, giá trị cường độ kháng nén một trục toàn khối σcm nhỏ hơn giá trị σ3max, khi đó sẽ lấy giá trị cường độ kháng nén một trục toàn khối σcmđể tính toán sức chịu tải cho nền đá.
Khi tải trọng công trình vượt quá giá trị cường độ kháng nén một trục σc của khối đá thì σ1,σ3 sẽ xuất hiện ở biên công trình. Tại đó, sự phá hủy bắt đầu xuất hiện nhưng khối đá vẫn ổn định. Còn khi σ1, σ3 vượt quá giá trị cường độ kháng nén một trục toàn khối σcm thì khối đá bị phá hủy hoàn toàn.
Nhằm làm rõ khả năng ứng dụng của Chuẩn cường độ Hoek - Brown, cùng với việc xác định sức chịu tải theo chuẩn này, trong luận văn đưa ra các kết quả xác định sức chịu tải của nền đá các công trình nêu trên theo phương pháp tương quan kinh nghiệm của Peck, Hanson và Thorbunrn và theo phương pháp áp dụng TCVN 4253.86 để so sánh.
Sức chịu tải cực hạn xác định được từ Chuẩn Hoek - Brown, theo cẩm nang thiết kế của Mỹ EM 1110-1-2908 sẽ xác định được sức chịu tải cho phép của nền đá bằng sức chịu tải cực hạn chia cho hệ số an toàn Fs=3.
4.2 Xác định sức chịu tải của khối đá nền đập Lai Châu 4.2.1 Sức chịu tải theo Chuẩn Hoek - Brown
Các thông sốđầu vào dùng cho phần mềm RockLab và kết quả tính sức chịu tải của nền đập thủy điện Lai châu được trình bày trong bảng 4.2.1
Bảng 4.2.1: Tính toán sức chịu tải khối đá theo Hoek - Brown
Khối đá granit nền đập Lai Châu
Thông sốđầu vào Độ bền nén mẫu đá trạng thái bão hòa σci Mpa 78
Chỉ số độ bền địa chất GSI 50
Hằng sốHoek - Brown mi 30
Yếu tố phá hủy D 0.3
Thông số khối đá
Ứng suất ngang σ3max Mpa 19.5
Lực dính C Mpa 4.885
Góc ma sát ϕ độ 37
Độ bền kéo σt Mpa -0.044
Độ bền nén toàn khối σcm Mpa 19.72
Sức chịu tải cực hạn Rch Mpa 94.27
Sức chịu tải cho phép Rcf Mpa 31.42
Tính toán cho đới đá IIA nền đập Lai châu
Các thông sốđầu vào : σci = 78MPa; mi = 30; GSI = 50; D = 0.3 Kết quả tính toán : φ = 37.2o; C = 4.92; MPa; σcm = 19.72MPa ;
Khi σ3max = 19.5MPa; σ1 = 94.27MPa
Hình 4.1: Biểu đồứng suất nền đá đới IIA đập Lai châu
4.2.2 Sức chịu tải theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 4253.86)
Từ các thông số xác định TCVN 4253.86, cường độ kháng nén một trục toàn khối của khối đá nền đập (σ*) sẽ được tính theo công thức Mohr - Coulumb dưới đây:
2C.cosϕ
σ*= --- (4.1) 1-sinϕ
Bảng 4.2.2 Sức chịu tải của nền đập Lai châu theo TCVN
Lực dính C Mpa 0.44
Góc ma sát ϕ độ 41
Độ bền nén toàn khối σ* Mpa 1.98*
Từ giá trị σ* theo biểu đồ phần mềm Rocklab xác định được sức chịu tải cho phép của nền đá là 10.82MPa.
4.2.3 Sức chịu tải theo RQD (Phương pháp Peck, Hanson và Thorburn) Bảng 4.2.3: Sức chịu tải khối đá nền đập Lai Châu theo RQD
Giá trị RQD của nền đá đới IIA 60
Sức chịu tải cho phép Mpa 9.2
Tổng hợp kết quả xác định sức chịu tải cho phép theo các phương pháp khác nhau được trình bày trong bảng 4.2.4 dưới đây:
Bảng 4.2.4: Tổng hợp kết tính toán sức chịu tải nền đá đập Lai Châu theo các phương pháp khác nhau
Theo tiêu chuẩn Hoek - Brown Mpa 27.96
Theo tiêu chuẩn TCVN 4253.86 Mpa 10.82
Theo phương pháp tương quan kinh nghiệm
Peck, Hanson và Thorburn Mpa 9.2
4.3 Xác định sức chịu tải của khối đá nền đập Hủa Na 4.3.1 Sức chịu tải theo Chuẩn Hoek - Brown
Các thông sốđầu vào dùng cho phần mềm RockLab và kết quả tính sức chịu tải của nền đập thủy điện Hủa Na được trình bày trong bảng 4.3.1:
Bảng 4.3.1: Tính toán sức chịu tải khối đá theo Hoek - Brown
Khối đá granit nền đập Hủa Na
Thông sốđầu vào Độ bền nén mẫu đá trạng thái bão hòa σci Mpa 69
Chỉ số độ bền địa chất GSI 50
Hằng sốHoek - Brown mi 30
Yếu tố phá hủy D 0.3
Thông số khối đá
Ứng suất ngang σ3max Mpa 17.25
Lực dính C Mpa 4.32
Góc ma sát ϕ độ 37.3
Độ bền kéo σt Mpa -0.039
Độ bền nén toàn khối σcm Mpa 17.45
Sức chịu tải cực hạn Rch Mpa 83.3
Sức chịu tải cho phép Rcf Mpa 27.7
Tính toán cho đới đá IIA nền đập Hủa Na
Các thông sốđầu vào : σci = 69MPa; mi = 30; GSI = 50; D = 0.3 Kết quả tính toán : φ = 37.3o; C = 4.32; MPa; σcm = 17.45MPa ;
Khi σ3max = 17.25MPa; σ1 = 83.3MPa
Hình 4.2: Biểu đồứng suất nền đá đới IIA đập Hủa Na
4.3.2 Sức chịu tải theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 4253.86)
Cường độ kháng nén một trục toàn khối của khối đá nền đập (σ*) được tính theo công thức Mohr - Coulumb (4.1).
Bảng 4.3.2 Sức chịu tải của nền đập Hủa Na theo TCVN
Lực dính C Mpa 0.5
Góc ma sát ϕ độ 40
Độ bền nén toàn khối σ* Mpa 2.15*
Từ giá trị σ* theo biểu đồ phần mềm Rocklab xác định được sức chịu tải cho phép của nền đá là 8.47 MPa.
4.3.3 Sức chịu tải theo RQD (Phương pháp Peck, Hanson và Thorburn) Bảng 4.3.3 Sức chịu tải của nền đập Hủa Na theo RQD
Giá trị RQD của nền đá đới IIA 52
Sức chịu tải cho phép Mpa 7.04
Tổng hợp kết quả xác định sức chịu tải cho phép theo các phương pháp khác nhau được trình bày trong bảng 4.3.4 dưới đây:
Bảng 4.3.4: Tổng hợp kết tính toán sức chịu tải nền đá đập Hủa Na theo các phương pháp khác nhau
Theo tiêu chuẩn Hoek - Brown Mpa 27.7
Theo tiêu chuẩn TCVN 4253.86 Mpa 8.47
Theo phương pháp tương quan kinh nghiệm
Peck, Hanson và Thorburn Mpa 7.04
4.4 Xác định sức chịu tải của khối đá nền đập Sơn La 4.4.1 Sức chịu tải theo Chuẩn Hoek - Brown
Các thông sốđầu vào dùng cho phần mềm RockLab và kết quả tính sức chịu tải của nền đập thủy điện Sơn La được trình bày trong bảng 4.4.1:
Bảng 4.4.1: Tính toán sức chịu tải khối đá theo Hoek - Brown
Khối đá bazan pocphiarit nền đập Sơn La
Thông sốđầu vào Độ bền nén mẫu đá trạng thái bão hòa σci Mpa 75
Chỉ số độ bền địa chất GSI 55
Hằng sốHoek - Brown mi 25
Yếu tố phá hủy D 0.3
Thông số khối đá
Ứng suất ngang σ3max Mpa 18.7
Lực dính C Mpa 4.79
Góc ma sát ϕ độ 37
Độ bền kéo σt Mpa -0.077
Độ bền nén toàn khối σcm Mpa 19.46
Sức chịu tải cực hạn Rch Mpa 91.73
Sức chịu tải cho phép Rcf Mpa 30.57
Tính toán cho đới đá IIA nền đập Sơn La
Các thông sốđầu vào : σci = 75MPa; mi = 25; GSI = 55; D = 0.3 Kết quả tính toán : φ = 37.5o; C = 4.79; MPa; σcm = 19.46MPa ;
Khi σ3max = 18.75MPa; σ1 = 91.73MPa
Hình 4.4: Biểu đồứng suất nền đá đới IIA đập Sơn La
4.4.2 Sức chịu tải theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 4253.86)
Cường độ kháng nén một trục toàn khối của khối đá nền đập (σ*) được tính theo công thức Mohr - Coulumb (4.1).
Bảng 4.4.2 Sức chịu tải của nền đập Sơn La theo TCVN
Lực dính C Mpa 0.8
Góc ma sát ϕ độ 45
Độ bền nén toàn khối σ* Mpa 2.01*
Từ giá trị σ* theo biểu đồ phần mềm Rocklab xác định được sức chịu tải cho phép của nền đá là 8.9 MPa.
4.4.3 Sức chịu tải theo RQD (Phương pháp Peck, Hanson và Thorburn) Bảng 4.4.3 Sức chịu tải của nền đập Sơn La theo RQD
Giá trị RQD của nền đá đới IIA 55
Sức chịu tải cho phép Mpa 7.7
Tổng hợp kết quả xác định sức chịu tải cho phép theo các phương pháp khác nhau được trình bày trong bảng 4.4.4 dưới đây:
Bảng 4.4.4: Tổng hợp kết tính toán sức chịu tải nền đá đập Sơn La theo các phương pháp khác nhau
Theo tiêu chuẩn Hoek - Brown Mpa 30.57
Theo tiêu chuẩn TCVN 4253.86 Mpa 8.9
Theo phương pháp tương quan kinh nghiệm
Peck, Hanson và Thorburn Mpa 7.7
4.5 Xác định sức chịu tải của các khối đá nền đập Sông Bung 4 4.5.1 Sức chịu tải theo Chuẩn Hoek - Brown
Các thông sốđầu vào dùng cho phần mềm RockLab và kết quả tính sức chịu tải của nền đập thủy điện Sơn La được trình bày trong bảng 4.5.1:
Bảng 4.5.1: Tính toán sức chịu tải khối đá theo Hoek - Brown
Khối đá cát bột kết nền đập Sông Bung 4
Thông sốđầu vào Độ bền nén mẫu đá trạng thái bão hòa σci Mpa 60
Chỉ số độ bền địa chất GSI 50
Hằng sốHoek - Brown mi 14
Yếu tố phá hủy D 0.3
Thông số khối đá
Ứng suất ngang σ3max Mpa 15
Lực dính C Mpa 2.96
Góc ma sát ϕ độ 30
Độ bền kéo σt Mpa -0.073
Độ bền nén toàn khối σcm Mpa 10.41
Sức chịu tải cực hạn Rch Mpa 43.11
Sức chịu tải cho phép Rcf Mpa 14.37
Tính toán cho đới đá IIA nền đập Sông Bung 4
Các thông sốđầu vào : σci = 60MPa; mi = 14; GSI = 50; D = 0.3 Kết quả tính toán : φ = 30.73o; C = 2.96; MPa; σcm = 10.42MPa ;
Khi σ3max = 10.42MPa; σ1 = 43.04MPa
Hình 4.4: Biểu đồ ứng suất nền đá đới IIA đập Sông Bung 4
4.5.2 Sức chịu tải theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 4253.86)
Cường độ kháng nén một trục toàn khối của khối đá nền đập (σ*) được tính theo công thức Mohr - Coulumb (4.1).
Bảng 4.5.2 Sức chịu tải của nền đập Sông Bung 4 theo TCVN
Lực dính C Mpa 0.44
Góc ma sát ϕ độ 41
Độ bền nén toàn khối σ* Mpa 1.98*
Từ giá trị σ* theo biểu đồ phần mềm Rocklab xác định được sức chịu tải cho phép của nền đá là 5.43 MPa.
4.5.3 Sức chịu tải theo RQD (Phương pháp Peck, Hanson và Thorburn)
Bảng 4.5.3 Sức chịu tải của nền đập Sông Bung 4 theo RQD
Giá trị RQD của nền đá đới IIA 50
Sức chịu tải cho phép Mpa 6.6
Tổng hợp kết quả xác định sức chịu tải cho phép theo các phương pháp khác nhau được trình bày trong bảng 4.4.4 dưới đây:
Bảng 4.5.4: Tổng hợp kết tính toán sức chịu tải nền đá đập Sông Bung 4 theo các phương pháp khác nhau
Theo tiêu chuẩn Hoek - Brown Mpa 14.37
Theo tiêu chuẩn TCVN 4253.86 Mpa 5.43
Theo phương pháp tương quan kinh nghiệm
Peck, Hanson và Thorburn Mpa 6.6
Bảng 4.5.5: Tổng hợp kết quả tính toán sức chịu tải
Công trình Sức chịu tải cho phép (MPa)
Nền đá của đập thủy điện Lai
Châu
Theo RQD (PP Peck, Hanson và Thorburn 9.2
Theo TCVN 4253.86 10.82
Theo Chuẩn Hoek - Brown 27.96
Nền đá của đập thủy điện Hủa
Na
Theo RQD (PP Peck, Hanson và Thorburn 7.04
Theo TCVN 4253.86 8.47
Theo Chuẩn Hoek - Brown 27.7
Nền đá của đập thủy điện Sơn
La
Theo RQD (PP Peck, Hanson và Thorburn 7.7
Theo TCVN 4253.86 8.9
Theo Chuẩn Hoek - Brown 30.57
Nền đá của đập thủy điện Sông
Bung 4
Theo RQD (PP Peck, Hanson và Thorburn 6.6
Theo TCVN 4253.86 5.43
Theo Chuẩn Hoek - Brown 14.37
4.6 Nhận xét và so sánh
Bằng các phương pháp khác nhau đã xác định được sức chịu tải cho phép của nền đá các đập đã nêu ở trên (Bảng 4.4.5). Các kết quả nhận được có giá trị không hoàn toàn tương tự nhau.
Theo phương pháp tương quan kinh nghiệm của Peck, Hanson và Thorburn đưa ra các giá trị sức chịu tải ban đầu phụ thuộc vào chỉ số chất lượng khối đá RQD. Các giá trị sức chịu tải nền đá các nền đập nhận được thấp rõ rệt. Trong thực tế, chỉ số RQD phản ánh mức độ nứt nẻ của khối đá nền, giá trị của nó phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như tình trạng thiết bị khoan, kỹ năng và kinh nghiệm của người công nhân trực tiếp thực hiện công tác khoan. Hơn nữa, khối lượng khoan có thể không đủ đại diện để đánh giá chất lượng toàn khối đá. Do đó, phương pháp này chỉ nên áp dụng đểđánh giá bước đầu về sức chịu tải của nền đá.
Phương tính tiêu chuẩn TCVN 4253.86 cho kết quả sức chịu tải thấp hơn so với phương pháp xác định theo tiêu chuẩn Hoek - Brown từ 3-5 lần.
Giá trị góc ma sát trong của khối đá theo cả hai phương pháp là tương tự nhau nhưng giá trị lực dính kết theo TCVN thấp hơn so với giá trị tính theo Hoek - Brown dẫn đến cho giá trịứng suất toàn khối của khối đá có sự khác biệt lớn.
4.7 Kiến nghị
Mỗi tiêu chuẩn, phương pháp được áp dụng bên cạnh những mặt tích cực mang lại đều còn tồn tại các hạn chế riêng. Điều này thể hiện rất rõ từ các giá trị sức chịu tải nhận được qua quá trình tính toán.
* Về giá trị tính toán
Các tiêu chuẩn và qui phạm được xây dựng trên kinh nghiệm, theo số liệu tổng kết từ nhiều công trình. Để đảm bảo sự ổn định cho công trình, trong các qui phạm, tiêu chuẩn các giá trị được nêu ra thường thiên thấp, điều đó hoàn toàn có thể hiểu được.
Phương pháp tính dựa theo Chuẩn cường độ Hoek - Brown cho kết quả sức chịu tải cho phép của nền đá lớn hơn. Chuẩn Hoek - Brown đã xét đến độ bền khối nứt qua thông số cường độ kháng nén của mẫu đá và tính chất đặc trưng của cấu trúc khối đá qua các thông số như chỉ số phân loại chất lượng đá RMR, chỉ số cường độđịa chất GSI, hằng số vật liệu mi, đặc trưng cấu trúc ν, điều kiện bề mặt khe nứt a và yếu tố xáo trộn D của khối đá. Vì vậy, các giá trị tính toán thu được cơ bản là đáng tin cậy và sức chịu tải của khối đá được xây dựng phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của khối đá khi tiến hành xây dựng công trình.
Cùng với ứng dụng phần mềm RockLab và các thông sốđầu vào đáng tin cậy, Chuẩn cường độ Hoek - Brown đưa ra giá trị sức chịu tải của nền đá phục vụ tính toán thiết kế một cách nhanh chóng, thuận tiện và hiệu quả. Từ những kết quả thực tế nhận được mở ra khả năng sử dụng Chuẩn Hoek - Brown trong nghiên cứu sức chịu tải khối đá, đánh giá tích cực hơn về độ bền của khối đá mang lại hiệu quả kinh tế lớn cho công tác thiết kế, thi công công trình.
Tuy nhiên, việc xác định các thông số đầu vào của Chuẩn cường độ Hoek - Brown phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm, năng lực và trách nhiệm của kỹ sư địa chất công trình công tác ngoài hiện trường. Để đảm bảo sự ổn định lâu dài cho công trình, trong thực tế giá trị sức chịu tải của nền đá có thể lấy thấp hơn với một hệ số phù hợp tùy thuộc qui mô, tính chất và các yêu cầu về thiết kế cụ thể của công trình. Hiện nay, ở nước ta hầu hết các công trình thủy điện đều được tính toán sức chịu tải nền đá của đập theo Chuẩn cường độ Hoek - Brown cũng như các phương pháp như đã đề cập để so sánh và cân nhắc phương án thiết kế tối ưu.
* Về công tác khảo sát địa chất công trình
Để tiêu chuẩn Hoek - Brown có thể ứng dụng trong thực tế rộng rãi và hiệu quả hơn cần phải thiết lập được các số liệu thông số đầu vào đáng tin
cậy. Như đã biết, môi trường đá không hoàn toàn là môi trường rời rạc khi trong nó tồn tại sự liên kết ổn định, bền vững nhất định nhưng môi trường đá cũng không phải là môi trường liên tục khi khối đá còn có mặt các hệ thống khe nứt, phân đới, phân phiến. Xét riêng khối đá, tự trong bản thân khối đá luôn tồn tại nước, ứng suất nội tại và tác động của quá trình phong hóa. Vì vậy, việc xác định các thông sốđầu vào cần chính xác.
Đạt được điều này, cần cải tiến và nâng cao hơn nữa trong công tác khảo sát địa chất công trình ở một số vấn đề dưới đây:
+ Công tác nghiên cứu tính chất, đặc điểm, các yếu tố đặc trưng địa chất của khối đá. Cần có các nghiên cứu đầy đủ và chi tiết vật liệu tạo đá (thành phần khoáng vật, nguồn gốc hình thành, độ rỗng, khối lượng riêng…), đặc tính nứt nẻ, phá hủy của từng loại đá riêng biệt, khả năng chịu ảnh hưởng của các quá trình phong hóa và nước…
+ Một trong những vấn đề không thể thiếu là các nghiên cứu về ứng suất tự nhiên của khối đá, trạng thái tồn tại của khối đá.
+ Vấn đề phân loại chất lượng khối đá là một trong những đặc trưng phản ánh trung thực tình trạng của khối đá, khả năng đáp ứng yêu cầu của khối đá cho mục đích xây dựng. Tuy nhiên vấn đề phân loại chất lượng đá phụ thuộc rất nhiều vào tình trạng thiết bị khoan, quá trình tiến hành khoan và năng lực thực hiện công tác khoan. Trong thực tế khảo sát vấn đề này đã phản ánh khá rõ khi chất lượng khoan không được đảm bảo.
+ Do phụ thuộc vào điều kiện thi công, qui mô và tính chất từng công trình, các công trình thăm dò có thể được thực hiện có thể không. Trong trường hợp có bố trí các công trình khảo sát ngầm, cần thực hiện khảo sát chi tiết, cụ thể các đặc trưng cấu trúc, tính nứt nẻ, đặc điểm lấp nhét, tính hệ thống và đặc trưng bề mặt của các hệ thống khe nứt. Một trong những chỉ số cần được xác định chính xác là chỉ số RMR với tất cả các yếu tố cấu thành nó.
Hơn nữa, phương trình thực nghiệm của Chuẩn Hoek -Brown được xác lập trên cơ sở kết quả nghiên cứu khối đá của các nước phương Tây, khi ứng dụng vào điều kiện Việt Nam có khí hậu nhiệt đới ẩm, diễn biến các quá trình phong hóa phức tạp, ảnh hưởng trên diện rộng cũng như ở những độ sâu khác nhau làm biến đổi tính chất, cấu trúc, tính nứt nẻ, bề mặt khe nứt phản ánh ở các tham số s và a của phương trình. Do đó, để đảm bảo công trình làm việc ổn định và lâu dài cần thận trọng khi lựa chọn các thông số đầu vào và có những nghiên cứu chi tiết, cụ thể cho các loại đá nền phổ biến ở Việt Nam, tổng kết nhiều hơn nữa những kết quả tính toán, kinh nghiệm trong việc xác định sức chịu tải của khối đá.