nghiên cứu các biện pháp xử lý nền đập đất hồ duồng tỉnh bắc giang

Do thường xây đập trên các dòng sông, suối nên đặc điểm của nền đập thường là các lớp phong hóa, cuội sỏi, hoặc đá nứt nẻ mạnh có độ mất nước lớn…Do đó khi xây dựng đập dâng thường xả ra

Giang" được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo Trường Đại

học Thuỷ Lợi, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình Có được thành quả này là nhờ sự truyền thụ kiến thức của các thầy giáo, cô giáo trực tiếp giảng dạy và công tác tại Trường Đại học Thủy lợi trong suốt thời gian tác giả học tập tại trường

Tác giả luận văn xin được cảm ơn sâu sắc đối với thầy giáo hướng dẫn

PGS.TS.Trịnh Minh Thụ đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình

thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo tham gia giảng dạy khóa cao học 19 trường Đại học Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho tôi những tri thức khoa học quý giá

Tác giả cũng xin cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Thủy lợi, khoa Sau đại học và Bộ môn Xây dựng Công trình thủy đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp

đã giúp đỡ, động viên, khích lệ để luận văn tốt nghiệp được hoàn thành tốt đẹp

Với thời gian và trình độ có hạn, luận văn không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp nhiệt tình của Quí thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2013

TÁC GIẢ

Lưu Xuân Chiến

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./

Lưu Xuân Chiến

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP Ở VIỆT

NAM .4

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP Ở VIỆT NAM 4

1.2 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Ở VIỆT NAM 7

1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CHUNG CỦA NỀN ĐẬP DÂNG NƯỚC Ở VIỆT NAM 8

1.3.1 Đất Aluvi 8

1.3.2 Đất sườn tàn tích và tàn tích trên nền đá Bazan 8

1.3.3 Đất trên nền đá trầm tích lục nguyên (bộ kết, cát kết…)….………… 9

1.3.4 Đất trên nền đá phun trào (đaxit, biolit, andnezit…)………….…… 10

1.3.5 Đất trên nền đá biến chất (Gơnai)……… ……… 10

1.3.6 Đất trên nên đá xâm nhập sâu (Granit, Granodiorit)………… …… 10

1.3.7 Đất bồi tích lòng suối (cuội, sỏi, lẫn đất sét…)……… 10

1.4 KHÁI QUÁT VỀ CÁC VẤN ĐỀ SỰ CỐ HÂY HƯ HỎNG ĐẬP 10

1.4.1 Khái quát về sự cố công trình thủy lợi 10

1.4.2 Sự cố đối với đập đất 12

1.5 TÌNH HÌNH SỰ CỐ ĐẬP DỄ MẤT ỔN ĐỊNH CỦA NỀN GÂY NÊN 15

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: 18

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGHIÊN CỨU THẤM 19

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM BẰNG LÝ THUYẾT CỔ ĐIỂN 19

2.2.1 Phương pháp cơ học chất lỏng 19

2.2.2 Phương pháp thủy lực 20

2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 20

2.2.4 Phương pháp số .21

2.3 GIẢI BÀI TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 21

PTHH 23

2.5.1 Cơ sở của phương pháp PTHH để giải bài toán 23

2.5.2 Các công thức tính ứng suất 23

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN CÁC CÔNG TRÌNH THUỶ CÔNG HIỆN NAY 27

2.6.1 Nghiên cứu thực nghiệm 27

2.6.2 Nghiên cứu lý thuyết 29

2.6.3 Các phương pháp dùng mặt trượt giả định 31

2.7 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 34

2.7.1 Cơ sở các phương pháp tính ổn định trượt mái 34

2.7.2 Một số phương pháp tính ổn định mái theo phương pháp mặt trượt 35

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 40

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN 41

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 41

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ THẤM TĂNG ỔN ĐỊNH …… 42

3.2.1 Nhóm các phương pháp gia cố nền bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng ……… 42

3.2.2 Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật 43

3.2.3 Nhóm các phương pháp gia cố nền bằng chất kết dính 43

3.2.4 Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu .46

3.2.5 Dùng biện pháp thi công để xử lý nền 46

3.3 CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NHẰM TĂNG KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA ĐẬP DÂNG 47

3.3.1 Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ 47

3.3.2 Giải pháp chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa 49

3.3.3 Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite 50

3.3.4 Giải pháp chống thấm bằng khoan phụt 52

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN TÍNH TOÁN THẤM VÀ LỰA CHỌN BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN CHO ĐẬP ĐẤT HỒ DUỒNG TỈNH BẮC

GIANG 56

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH 56

4.1.1 Vị trí địa lý .56

4.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo Vùng lòng hồ và đầu mối 56

4.1.3 Điều kiện địa chất 58

4.1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của dự án 64

4.1.5 Các thông số kỹ thuật chủ yếu và quy mô công trình 64

4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM GEO-SLOPE 65

4.2.1 Giới thiệu phần mềm Geo - Slope 65

4.2.2 Tồng quan về lý thuyết 67

4.2.3 Mô hình hóa bài toán 69

4.3 PHÂN TÍCH THẤM, ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA NỀN THIÊN NHIÊN .74

4.3.1 Mô hình hóa bài toán………….……… … 74

4.3.2 Kết quả tính toán 75

4.3.3 Nhận xét kết quả tính toán 77

4.4 PHÂN TÍCH THẤM, ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA NỀN SAU KHI XỬ LÝ 77

4.4.1 Trường hợp 2: Nền được xử lý bằng phương pháp khoan phụt vữa xi măng tạo màng chống thấm ở giữa chân khay 77

4.4.2 Trường hợp 3: Dùng tường nghiêng, sân phủ bằng đất sét 80

4.4.3 Trường hợp 4: Dùng tường nghiêng bằng đất sét kết hợp khoan phụt ở chân tường 81

4.4.4 Trường hợp 5: Dùng tường nghiêng bằng đất sét kết hợp đóng cừ bê tông ở chân tường .83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC

Bảng 1.1: Một số hồ đập lớn ở Việt Nam 5

Bảng 1.2: HIện trạng một số đập trên địa bàn tỉnh Bắc Giang 17 Bảng 4.1 : Các chỉ tiêu cơ lý đất đá nền dùng trong tính toán .60 Bảng 4.2: Các chỉ tiêu cơ lý VLXD đất dùng trong tính toán của mỏ VLA, VLB và VLC 63 Bảng 4.3: Điều chỉnh độ ẩm chế bị (Wcbị) và dung trọng khô (gcbị) các lớp đất lẫn

dăm sạn >5mm của các mỏ VLXD đất VLA, VLB và VLC .64

Bảng 4.4: Tổng hợp kết quả tính toán các trường hợp 85

Hình 2.2: Kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường 28

Hình 2.3: Trạng thái ứng suất - biến dạng 30

Hình 2.4: Sơ đồ tính toán tải trọng giới hạn của nền 32

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán theo phương pháp mặt trượt trụ tròn với nền không đồng chất 34

Hình 2 6: Sơ đồ tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp mặt trượt 36

Hình 2.7: Sơ đồ tính toán 37

Hình 2.8: Sơ đồ tính toán 37

Hình 2.9: Sơ đồ tính toán 38

Hình 3.1: Nối tiếp đập và nền 47

Hình 3.2: Sơ đồ thấm qua đập có tường nghiêng + sân phủ .48

Hình 3.3: Sơ đồ tính thấm qua đập có tường lõi + chân răng 49

Hình 3.4: Tường hào chống thấm bằng Bentonite .50

Hình 3.5: Kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa xi măng 52

Hình 3:6: Sơ đồ tường cọc xi măng đất 53

Hình 3.7: Mô tả quá trình thi công tạo tường chống thấm 54

Hình 4.1: Bản đồ dự án hồ chứa nước Hồ Duồng 56

Hình 4.2: Mặt cắt địa chất dọc tim đập 70

Hình 4.3: Mặt cắt ngang lựa chọn tính toán 71

Hình 4.4: Mô hình hoá mặt cắt tính toán 72

Hình 4.5: Sơ đồ lưới phần tử tính toán và mặt cắt tính lưu lượng trường hợp 1….75 Hình 4.6: Đường bão hòa trường hợp 1 75

Hình 4.7: Lưu lượng thấm tại mặt cắt tính toán trường hợp 1 76

Hình 4.8: Đường đẳng gradien trường hợp 1 76

Hình 4.9: Sơ đồ mặt cắt tính thấm trường hợp 2 78

Hình 4.10: Sơ đồ lưới phần tử tính toán và mặt cắt tính lưu lượng trường hợp 2 78

Hình 4.11: Đường bão hòa trường hợp 2… 79

Hình 4.14: Tổng hợp kết quả tính toán trường hợp 3 81

Hình 4.15: Tổng hợp kết quả tính toán trường hợp 4 82

Hình 4.16: Tổng hợp kết quả tính toán trường hợp 5 84

Hình 4.17: Kết quả tính toán ổn định cho trường hợp lựa chọn 89

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Đối với các công trình thủy lợi, đập chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của các hồ chứa hoặc các công trình dâng nước Ở nước ta, đập đất được xây dựng rất phổ biến do đặc điểm an toàn, kinh tế và đảm bảo vệ sinh môi trường xây dựng Đập đất có thể xây dựng trên nhiều loại nền, dễ thích ứng với

độ lún của nền, ít bị nứt nẻ gây phá hoại đập Ngoài ra còn tận dụng được vật liệu địa phương, giảm giá thành, thi công đơn giản…Do các đặc tính ưu việt đó nên đập đất ngày càng được phổ biến rộng rãi ở nước ta cũng như trên thế giới

Ở Việt Nam hiện nay đập đất đã xây dựng rất phổ biến do nó có nhiều ưu điểm như: Giá rẻ, không tốn các vật liệu đắt khác như sắt, thép, xi măng; Cấu tạo đơn giản chống chấn động tốt; Dễ quản lý, tôn cao ngoài ra trên thế giới có nhiều kinh nghiệm về thiết kế, thi công cũng như quản lý vận hành… Do vậy đập đất ngày càng được sử dụng rộng rãi không những ở nước ta mà còn rất nhiều nước trên thế giới Do thường xây đập trên các dòng sông, suối nên đặc điểm của nền đập thường là các lớp phong hóa, cuội sỏi, hoặc đá nứt nẻ mạnh có độ mất nước lớn…Do đó khi xây dựng đập dâng thường xả ra hiện tượng thấm mất nước lớn, lún nhiều và lún không đều gây mất ổn định công trình

Trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện công tác xử lý chống thấm cho nền công trình thường không thể thiếu được Việc chống thấm cho nền thường rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố tự nhiên, giải pháp kỹ thuật và công nghệ thi công Trong xu hướng phát triển kỹ thuật xây dựng nói chung và xử lý nền nói riêng có rất nhiều tiến bộ, nhiều giải pháp đã được ứng dụng mang lại hiệu quả cao Việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp thích hợp với đặc điểm địa chất của nền móng

và công nghệ thi công mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao

Tại Bắc Giang, nhiều công trình hồ đập phục vụ cho việc điều tiết nước tưới, tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt đã và đang được xây dựng Với mục đích nghiên cứu sâu hơn về các biện pháp xử lý nền đập đất, giúp cho quá trình tính toán thiết kế đập có giải pháp kỹ thuật thực sự an toàn, tạo cơ sở cho việc tối ưu hóa

về kết cấu và điều kiện kinh tế đối với các công trình hồ đập ở địa bàn tỉnh Bắc

Giang Việc thực hiện đề tài "Nghiên cứu các biện pháp xử lý nền đập đất hồ Duồng tỉnh Bắc Giang" là một yêu cầu thực sự cần thiết

Với công trình hồ chứa hồ Duồng tỉnh Bắc Giang có đặc điểm địa chất khá phức tạp và có những đặc trưng chung của địa chất khu vực xây dựng đập thuỷ lợi trên địa bàn tỉnh Bắc Giang Địa tầng tại tuyến tràn gồm các lớp phủ pha tàn tích (lớp 2b, lớp 2c, lớp 4a, và lớp 4c) tương đối dày và các đới đá phong hóa mạnh, phong hoá vừa tương đối dày Các lớp đất 2b, lớp 2c là lớp phủ bồi tích của lòng sông và thềm bậc 1, có hệ số thấm lớn, gây thấm nước qua nền đập, đối với nền đập cũng như đê quai thượng hạ lưu là yếu tố không thuận lợi đòi hỏi phải có biện pháp thiết kế phù hợp đảm bảo ổn định công trình Việc lựa chọn một giải pháp cho phù hợp với đặc điểm tự nhiên, kết cấu công trình này mang lại hiệu quả kinh tế và bảo đảm điều kiện kỹ thuật cho công trình

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về thấm và các biện pháp xử lý nền nhằm tăng khả năng chống thấm, ổn định của nền để tính toán thấm và ổn định nền theo các phương pháp khác nhau và đưa ra các biện pháp xử lý nền Có sử dụng phần mềm Geo-Slope So sánh các phương án xử lý về điều kiện kinh tế kỹ thuật

4 Kết quả dự kiến đạt được:

Nắm được cơ sở lý thuyết về tính thấm, ổn định của nền tổng quan các phương pháp xử lý chống thấm cho nền công trình và điều kiện ứng dụng đồng thời

so sánh các phương án xử lý về điều kiện kinh tế kỹ thuật

Ứng dụng kết quả tính toán và lựa chọn được phương án xử lý cho công trình đập hồ Duồng huyện Lục Ngạn- tỉnh Bắc Giang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP Ở VIỆT NAM 1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP Ở VIỆT NAM

Theo Phó cục trưởng Cục Giám định Nhà nước về Chất lượng công trình xây dựng, Bộ Xây Dựng – Phạm Tiến Văn, hiện nay trên cả nước có trên 7000 hồ chứa thuỷ điện, thuỷ lợi đã tích nước, trong đó 35 đập cao từ 50m trở lên (Đập thuỷ điện

32 cái, đập thuỷ lợi 03 cái); 605 Đập cao từ 15m đến 50m hoặc có dung tích hồ từ 3 triệu m3 trở lên (Đập thuỷ điện 54 cái; Đập thuỷ lợi 551 cái); Công trình cao dưới 15m và dung tích hồ chứa nhỏ hơn 3 triệu m3 khoảng trên 6000 cái phân bố ở 44/63 tỉnh thành Ngoài ra còn một số đập có chiều cao thấp, dung tích hồ nhỏ giao cho cấp xã, huyện quản lý

Đập có độ cao 50m trở lên: 35 đập (13 đập bê tông RCC, 07 đập CVC, 08 đập đât, 04 đập đá đổ bê tông bản mặt, 03 đập đá đổ chống thấm lõi sét) Các đập này không có tồn tại lớn về mặt kỹ thuật, không có các biểu hiện bất thường (lún, nứt lớn và nguy hiểm) Các giá trị quan trắc về lún, chuyển vị, biến dạng đều nằm trong giới hạn cho phép

Về thấm có 07/13 đập bê tông RCC có thấm qua khe nhiệt vào hành lang kiểm tra hoặc qua các mạch dừng thi công thấm trên 20l/s: Thuỷ điện Bản Vẽ, Thuỷ điện Sê San 4, Thuỷ điện Đồng Nai 4, Thuỷ điện Sông Tranh 2, Thuỷ điện Ka Nawk, Thuỷ điện Đồng Nai 3 Số đập còn lại có hiện tượng thấm nhẹ dưới 10l/s Các công trình này đã được tích cực xử lý chống thấm (Bơm keo Epoxy, Polyme, quét sơn chống thấm thượng lưu,….) và bước đầu cho thấy có hiệu quả

Đập có độ cao từ 15m đến 50m hoặc dung tích hồ chứa trên 3 triệu m3: Trong số 54 đập chính đập thuỷ điện có 4 đập có thấm nhẹ: Thuỷ điện Hương Sơn (Hà Tĩnh), Thuỷ điện Ea Krông Rou (Khánh Hoà), Thuỷ điện Đa Nhim (Lâm Đồng), Thuỷ điện Hà Nang (Quảng Ngãi) Riêng thuỷ điện Buôn Kuốp bên dưới nền đập có hiện tượng thấm nước qua nền đá Bazan lỗ rỗng với lưu lượng thấm ổn định, không ảnh hưởng đến an toàn đập Nhìn chung các công trình hiện đang vận hành bình thường, ổn định, các hạng mục qua kiểm tra bằng trực quan không phát

hiện các hiện tượng bất thường

Đối với các đập thuỷ lợi hầu hết các đập chính kết cấu bằng đất đắp (trừ hồ chứa Sông Lòng Sông – Bình Thuận và đập Tân Giang – Ninh Thuận có kết cấu BTTL) Các hiện tượng thường thấy ở các đập là: 44/551 đập có hiện tượng nứt, hiện tượng thấm xuất hiện ở 228/551 đập, biến dạng mái đập ở 101/551 đập Đối với tình trạng thấm thì cần được xử lý kịp thời nếu không sẽ nguy hiểm đối với đập đất

Đập có độ cao dưới 15m và dung tích hồ chứa dưới 3 triệu m3: Trên 80% đập được xây dựng từ trước những năm 1990, kết cấu chủ yếu bằng đất đắp từ vật liệu tại chỗ, thi công bằng phương pháp thủ công Một số đập đã bị xuống cấp nghiêm trọng tập trung ở một số địa phương như: Tuyên Quang 57/503 công trình, Thừa Thiên Huế 18/55 công trình, Quảng Trị 40/123 công trình, Quảng Ninh 6/9

công trình, Lạng Sơn 34/68 công trình, Phú thọ 107/613 công trình…

Danh mục một số hồ đập lớn ở Việt Nam theo tổng hợp của TS Trịnh Công Vấn được tổng hợp theo bảng 1-1:

Bảng 1.1: Một số hồ đập lớn ở Việt Nam

Tên công trình Năm xây dựng Chiều cao

Hmax

Qxả max

Dung tích toàn

bộ

Dung tích hữu ích

Hồ chứa nước An Mã 27.5 67.646 63.846

Hồ chứa nướcĐồng

Hồ chứa nước Thuận

Hồ chứa nước Tuyền

Hồ chứa nước Sông

1.2 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Ở VIỆT NAM

Việt Nam hoàn toàn nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa với các đặc điểm khí

hậu nóng ẩm, mưa nhiều và mưa theo mùa Lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng

nhiệt đới, đồng thời nằm ở rìa phía Đông Nam của phần châu Á lục địa, giáp với

biển Đông (một phần của Thái Bình Dương), nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của kiểu

khí hậu gió mùa mậu dịch, thường thổi ở các vùng vĩ độ thấp

Việt Nam nằm hoàn toàn trong vành đai nhiệt đới của nửa cầu bắc, thiên về

chí tuyến hơn là phía xích đạo Nhiệt độ trung bình năm từ 22ºC đến 27ºC Độ ẩm

không khí trên dưới 80% Số giờ nắng khoảng 1.500 - 2.000 giờ

Do ảnh hưởng gió mùa, hơn nữa sự phức tạp về địa hình nên khí hậu của

Việt Nam luôn luôn thay đổi trong năm, từ giữa năm này với năm khác và giữa nơi

này với nơi khác (từ Bắc xuống Nam và từ thấp lên cao)

Miền Bắc có lượng mưa trung bình 1.900 mm, 80% ÷ 85% lượng mưa tập

trung vào mùa mưa từ tháng 5 tới tháng 10 Thời gian tháng 7, tháng 8 thường có lũ

lớn Các tháng 6 và 9 mưa tuy có cường độ lớn nhưng phạm vi hẹp, lũ lên nhanh

nhưng đỉnh không cao

Mùa mưa ở miền Trung từ tháng 9 tới tháng 11 Lượng mưa bình quân năm theo không gian phân bố không đồng đều từ 1.268 đến 2.399 mm Miền Trung có tần suất mưa bão cao nhất chiếm 61,8% cơn bão vào Việt Nam Vùng Tây Nguyên

có lượng mưa bình quân năm 1.200 đến 1.280 mm tập trung vào mùa mưa từ tháng

Gồm có Aluvi cổ phân bố ở các thung lũng sông lớn, và Aluvi hiện đại bao gồm trầm tích sông, bãi bồi và các bậc thềm Thường gặp là các đất sét, á sét phân

bố trên các bậc thềm song với chiều dày ít khi vượt quá 5m Ở điều kiện tự nhiên đất có dung trọng khô γc = 1,4÷1,6 T/m3, độ ẩm W = 20÷25%, trạng thái dẻo đến cứng Khi bão hòa nước, đất có các thông số chống cắt φ = 160 ÷200, C = 0,1÷0,4 kg/cm2, hệ số thấm K = 10-1÷10-5 cm/s Loại đất này có hàm lượng sét 15÷35%, có thể sử dụng đắp đập đồng chất hoặc lõi đập

Trong thực tế đất Aluvi phát triển ở các bậc thềm sông suối miền núi hẹp, trữ lượng ít Phần lớn diện tích được canh tác nên chỉ khai thác được một ít trong lòng

hồ trước khi ngập nước

1.3.2 Đất sườn tàn tích và tàn tích trên nền đá Bazan

Phụ thuộc độ tuổi hình thành và nguồn gốc tạo thành mà tính chất cơ lý của

nó khác nhau Đất sườn tàn tích có hàm lượng laterit nhỏ, hàm lượng hạt sét nhiều thì khả năng chống thấm tốt, ngược lại hàm lượng dăm sạn nhiều thì dung trọng cao

1.3.2.1 Đất sườn tàn tích và tàn tích trên nền đá Bazan trẻ (βQII-IV)

Do đá được hình thành muộn, thời gian chưa đủ để phong hóa triệt để thành đất Chiều dày lớp phong hóa thường nhỏ hơn 5m, gồm đất á sét, á sét màu nâu đỏ,

có chứa nhiều đá tảng đủ các loại kích thước và dăm sạn Tính theo trọng lượng đất chiếm tỷ lệ rất ít so với đá, do đó rất khó khai thác chúng để đắp đập

1.3.2.2 Đất sườn tàn tích và tàn tích trên nền đá Bazan cổ (βN2-Q1)

Loại đất này phân bố rộng rãi ở Tây Nguyên và vùng Đông Nam Bộ ở điều kiện tự nhiên đất có khối lượng riêng hạt rắn lớn, dung trọng khô thấm hệ số rỗng lớn, các chỉ tiêu cơ học (φ, C, E) thuộc loại trung bình Tính chất cơ lý của chúng thay đổi theo vị trí địa lý và địa hình Chiều dày tầng phong hóa 20÷30 cm, chia thành 3 lớp kể từ trên mặt xuống như sau:

* Lớp 1 (edQ): Đất sét- á sét nâu đỏ, hàm lượng kết vón laterit không đáng

kể (khoảng 5%) Độ ẩm thay đổi nhiều theo mùa mưa và mùa khô Ở đáy lớp 1 thông thường trên mặt cắt địa chất đều có lớp vón kết mảng (dạng đá ong) dày 1÷3m, rất cứng chắc Nhiều công trình thực tế đã sử dụng loại đất này để đắp đập rất tốt

* Lớp 2 (eQ): Đất sét – á sét màu loang lổ Hàm lượng kết vón laterit và dăm Bazan thay đổi trong phạm vi rộng, có chỗ đạt đến 60÷70% loại hạt có d>2mm (tính theo trọng lượng) Tùy từng nơi, các vón kết laterit có dạng tròn đặc sít hoặc méo

mó sắc cạnh

* Lớp 3 (eQ): Đất sét và á sét màu tím gan gà, đốm trắng phớt các màu khác Lớp đất này có dung trọng khô thấp so với 2 lớp trên, vì vậy ít sử dụng nó để đắp vào những vị trí xung yếu của đập

1.3.3 Đất trên nền đá trầm tích lục nguyên (bộ kết, cát kết…)

Đặc điểm của loại đất này là nếu được phân bố trên những vùng đồi thoải thì lớp trên mặt (lớp 1-edQ) có nhiều hàm lượng vón kết laterit, thuộc loại đất vun khô, tính thấm nước lớn Nếu chúng được phân bố ở các sườn dốc thì hàm lượng vón kết

không đáng kể Ở đáy lớp 1 thường có lớp mỏng hoặc thấu kính vón kết dạng mảng (dạng đá ong) với tính thấm lớn Các chỉ tiêu tính chất cơ lý của loại đất trên nền đá trầm tích lục nguyên tương đối tốt, nhưng đất có tính trương nở thuộc loại trung bình đến mạnh

1.3.4 Đất trên nền đá phun trào (đaxit, biolit, andnezit…)

Chỉ tiêu cơ lý của loại đất này thuộc loại trung bình Do bề dày bé nên thực

tế chưa được sử dụng nhiều

1.3.5 Đất trên nền đá biến chất (Gơnai)

Tính chất cơ lý của loại đất này thay đổi trong phạm vi rộng Khi sử dụng chúng để đắp đập cần phân chi bãi vật liệu thành nhiều lớp để chọn lựa chỉ tiêu cơ

lý tương đối đồng nhất

1.3.6 Đất trên nên đá xâm nhập sâu (Granit, Granodiorit)

Trong lớp (edQ) của đất này thường có đá tảng lăn, thậm chí có cả tảng lăn

cỡ lớn Dung trọng khô thiên nhiên của đất thấp, tuy có cao hơn đất Bazan Nhiều công trình đã sử dụng đất này để đắp đập Riêng lớp 2 của loại đất này thường là á cát có chứa nhiều mica nên không thuận lợi cho việc đắp đập

1.3.7 Đất bồi tích lòng suối (cuội, sỏi, lẫn đất sét…)

Cấu trúc đất này thường gặp tại nơi có địa hình tích tụ (nơi các bãi bồi cát sỏi nhỏ, các bãi đá tảng lăn có bề dày và kích thước thay đổi theo mùa) Đặc trưng của địa tầng này từ trên xuống dưới như sau:

Bên trên là lớp phủ có nguồn gốc bồi tích (aQ) gồm: Cát hạt thô chứa nhiều cuội sỏi, bão hòa nước, kết cấu chặt Chiều dày của tầng phủ này từ 3÷4m Đây là lớp thấm rất mạnh Tiếp theo là các lớp á sét, á sét chứa dăm sạn đến hỗn hợp dăm sạn và các tảng lăn có kích thước tương đối lớn, nguồn gốc pha tàn tích (deQ), kết cấu chặt – đây là lớp thấm vừa, mạnh Tiếp đến là tảng lăn, tảng lăn á sét lẫn sạn sỏi, sỏi cát lẫn bụi sét…

1.4 KHÁI QUÁT VỀ CÁC VẤN ĐỀ SỰ CỐ HÂY HƯ HỎNG ĐẬP

1.4.1 Khái quát về sự cố công trình thủy lợi

Để tìm hiểu các vấn đề về sự cố hư hỏng đập chúng ta cần quan tâm tới đặc

điểm của các công trình thủy lợi Các công trình thủy lợi có những đặc điểm cơ bản sau:

- Cải tạo thiên nhiên, khai thác các mặt lợi và khắc phục các mặt có hại để phục vụ cho nhu cầu của con người

- Phải thường xuyên đối mặt trực tiếp với sự tàn phá của thiên nhiên, trong

đó có sự phá hoại thường xuyên và sự phá hoại bất thường

- Là kết quả tổng hợp và quan hệ mật thiết về lao động của rất nhiều người trong nhiều lĩnh vực, bao gồm từ công tác quy hoạch, nghiên cứu khoa học, khảo sát, thiết kế, chế tạo, thi công, đến quản lý khai thác,v.v…

- Chứa đựng rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật xây dựng khác nhau

- Vốn đầu tư thường là rất lớn

- Thời gian để ra đời một công trình thủy lợi phải mất nhiều năm, và hàng chục năm đối với công trình lớn Có tuổi thọ công trình là hàng chục đến hàng trăm năm tùy theo cấp công trình

Sự cố các công trình thủy lợi có quan hệ mật thiết với những đặc điểm đã nêu trên Vì vậy nếu để xảy ra kém chất lượng ở bất kỳ khâu nào, trong thời gian nào cũng có thể dẫn tới sự cố lớn hoặc nhỏ

Qua thực tế nhận thấy sự cố các công trình thủy lợi có những đặc điểm:

- Do một hoặc nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó có khảo sát (địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, thủy văn công trình), thiết kế (thủy công, cơ khí, điện), chế tạo lắp đặt, thi công và quản lý khai thác Tuy nhiên thực tế nguyên nhân phổ biến là: Khảo sát, thiết kế, thi công

- Sự cố lớn thường xảy ra đối với các công trình thủy công (đập đất, cống lấy nước, tràn xả lũ)

- Sự cố xảy ra không phải chỉ có ngay sau khi hoàn thành công trình mà thường là sau nhiều năm Tuy nhiên sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra khi gặp lũ cực lớn và trong quá trình thi công (vỡ đập Sông Mực – Thanh Hóa, sự cố 3 lần vỡ đập Suối Tru – Khánh Hòa, đập Cà Giây – Bình Thuận)

- Những sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra rất đột ngột, trong một thời

gian rất ngắn, không kịp ứng phó

- Hậu quả do sự cố gây ra thường là nghiêm trọng, việc xử lý rất tốn kém gây

ra tổn thất lớn về tính mạng, tài sản của nhân dân và tài sản quốc gia có ảnh hưởng xấu về kinh tế và tình hình xã hội

1.4.2 Sự cố đối với đập đất

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 Đối với đập đất những sự cố thường gặp và nguyên xảy ra sự cố được tổng kết như sau:

1.4.2.1 Lũ tràn qua đỉnh đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Tính toán thủy văn sai

- Cửa đập tràn bị kẹt

- Lũ vượt tần suất thiết kế, không có tràn dự phòng

- Đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế

1.4.2.2 Sạt mái thượng lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

-Tính sai cấp bão

- Biện pháp gia cố mái không đủ sức chịu đựng sóng do bão gây ra

- Thi công lớp gia cố kém chất lượng

- Đất mái thượng lưu đầm nện không chặt hoặc không xén mái

1.4.2.3 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Đánh giá sai tình hình địa chất nền, để sót lớp thấm nước mạnh không được

xử lý

- Biện pháp xử lý nền không đảm chất lượng

- Chất lượng xử lý nền kém: Khoan phụt không đạt yêu cầu, hót không sạch lớp bồi tích; thi công chân khay, sân phủ kém dẫn đến thủng lớp cách nước

- Xử lý tiếp giáp nền và thân đập không tốt do thiết kế không đề ra biện pháp

xử lý, hoặc do khi thi công không thực hiện tốt biện pháp xử lý

1.4.2.4 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở vai đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Thiết kế không đề ra các biện pháp xử lý hoặc biện pháp xử lý đề ra không tốt

- Không bóc hết lớp phong hóa ở vai đập

- Thi công biện pháp xử lý tiếp giáp không tốt

1.4.2.5 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở mang công trình

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Thiết kế đề ra biện pháp xử lý hoặc biện pháp không tốt

- Đất đắp ở mang công trình không đảm bảo chất lượng: Chất lượng đất đắp không được lựa chọn kỹ, không được dọn dẹp vệ sinh sạch sẽ để vứt bỏ các tạp chất trước khi đắp, đầm nền không kỹ

- Thực hiện biện pháp xử lý không đảm bảo chất lượng

- Hỏng khớp nối công trình

- Cống bị thủng

1.4.2.6 Thấm mạnh hoặc sủi nước trong phạm vi thân đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Bản thân đắp đập có chất lượng không tốt: Hàm lượng cát, bụi dăm sạn nhiều, hàm lượng sét ít, đất bị tan rã mạnh

- Kết quả khảo sát sai với thực tế, cung cấp sai các chỉ tiêu cơ lý, lực học do khảo sát sơ sài, khối lượng khảo sát thực hiện ít, không thí nghiệm đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý lực học cần thiết, từ đó đánh giá sai chất lượng đắp đập

- Chọn dung trọng khô thiết kế quá thấp, 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, 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

- Thiết kế và thi công không có biện pháp xử lý khối nối thi công do phân đoạn đập để đắp trong quá trình thi công

- Thiết bị tiêu nước bị tắc

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Nước hồ dâng cao đột ngột gây ra tải trọng trên mái thượng lưu tăng đột biến

- Nước hồ rút đột ngột gây ra giảm tải đột ngột trên mái thượng lưu

- Nền đập bị lún trên chiều dài dọc tim đập

- Đất đắp đập khối thượng lưu có tính lún ướt hoặc tan rã mạnh nhưng không khảo sát phát hiện ra hoặc có phát hiện ra nhưng thiết kế kết cấu đập không hợp lý

1.4.2.9 Nứt nẻ sâu mặt hoặc mái đập

Do đất đắp thuộc loại trương nở tự do mạnh

1.4.2.10 Trượt sâu mái thượng lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Bão lớn sóng to kéo dài, đầu tiên phá hỏng lớp gia cố, tiếp đó phá khối đất

ở phần thượng lưu thân đập

- Nước hồ rút đột ngột ngoài dự kiến thiết kế

- Sức bền của đất đắp đập không đảm bảo các yêu cầu của thiết kế

- Thiết kế chọn tổ hợp tải trọng không phù hợp với thực tế

- Thiết kế chọn sai sơ đồ tính toán ổn định

- Chất lượng thi công đất đắp đập không đảm bảo yêu cầu thiết kế

- Địa chất nền đập xấu không được xử lý

1.4.2.11 Trượt sâu mái hạ lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Địa chất nền xấu hơn dự kiến của thiết kế do khảo sát đánh giá không đúng với thực tế

- Sức bền của lớp đất đắp đập kém hơn so với dự kiến của thiết kế do đánh giá sai các chỉ tiêu về chất lượng đất đắp đập

- Thiết kế chọn sai tổ hợp tải trọng

- Thiết kế chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính toán

- Chất lượng thi công đất đắp đập không đảm bảo

- Thiết bị tiêu nước bị tắc làm dâng cao đường bão hòa

- Tiêu thoát nước mưa trên mái hạ lưu không tốt, khi mưa kéo dài toàn thân đập bị bão hòa nước ngoài dự kiến của thiết kế

1.5 TÌNH HÌNH SỰ CỐ ĐẬP DỄ MẤT ỔN ĐỊNH CỦA NỀN GÂY NÊN

Theo thống kê của GS.TS Phan Sỹ Kỳ về sự cố một số công trình thủy lợi ở Việt Nam thì sự cố các loại ở hồ chứa nước như sau:

1 Sạt mái thượng lưu: 25,84%;

Trong các loại sự cố ở trên thì các sự cố đập do mất ổn định của nền gây nên

là khá lớn Nền đập mất ổn định là nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố sau:

- Thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập, vai đập;

- Gây nứt dọc, nứt ngang đập;

- Gây trượt sâu mái thượng lưu, mái hạ lưu đập

Theo tài liệu "Sự cố một số công trình thuỷ lợi ở Việt Nam và các biện pháp phòng tránh - GS.TS Phan Sỹ Kỳ" cho thấy sự cố do nguyên nhân mất ổn định của

nền gây ảnh hưởng rất lớn tới an toàn đập đất Một số công trình cụ thể như sau:

kẽ nứt sẽ bị xói rửa kéo trôi nhất là đối với loại đất có tính tan ra mãnh liệt khi bão hòa nước như đập Suối Hành, thì quá trình xói rửa kéo trôi đất xảy ra rất nhanh và hình thành các hành lang ngầm dẫn nước chảy trong thân đập góp phần gây ra sự cố

+ Hồ Phú Ninh:

- Sự cố sủi nước mạnh ở đập chính do một mạch nước từ kẽ nứt trong nền

đá, mạch nước này liên thông với nước trong hồ Quá trình khảo sát đã không phát hiện được để xử lý nền

+ Hồ Vực Tròn:

- Sự cố thấm qua đập chính là ướt sũng mái hạ lưu với chiều dài 630m Để

an toàn cho đập phải tiến hành khoan phụt thân đập đất

Ngoài ra còn nhiều sự cố do thấm đối với công trình tràn xả lũ, cống lấy nước cũng gây ảnh hưởng đến đập, trong phạm vi của luận văn tác giả không trình

bày hết được Với đặc thù công trình thủy lợi luôn luôn tiếp xúc với nước, vì vậy

mà yếu tố dòng thấm phải được quan tâm xem xét, tính toán ổn định thấm được đặt lên hàng đầu

Ngoài ra còn nhiều sự cố do thấm đối với công trình tràn xả lũ, cống lấy nước cũng gây ảnh hưởng đến đập, trong phạm vi của luận văn tác giả không trình bày hết được Với đặc thù công trình thủy lợi luôn luôn tiếp xúc với nước, vì vậy

mà yếu tố dòng thấm phải được quan tâm xem xét, tính toán ổn định thấm được đặt lên hàng đầu

Tại Bắc Giang, Kết quả kiểm tra trực quan của Chi cục Thuỷ lợi - Sở Nông nghiệp & PTNT Bắc Giang tại một số đập có dung tích > 3triệum3hoặc chiều cao đập >15m trên địa bàn tỉnh năm 2013 có kết quả như thống kê tại bảng 1-2

Bảng 1.2: HIện trạng một số đập trên địa bàn tỉnh Bắc Giang

Hiện trạng đập

hiện vết nứt

thấm mái hạ lưu

Biến dạng mái đập

1 Hồ Đá Ong Huyện Yên Thế

2 Hồ Cấm Sơn Huyện Hữu Lũng tỉnh Lạng Sơn

3 Hồ Cây Đa Huyện Lục Nam

4 Hồ Suối Nứa Huyện Lục Nam

13 Hồ Cầu Rễ Huyện Yên Thế x x

14 Hồ Suối Cấy Huyện Yên Thế

15 Hồ Khuôn Thắm Huyện Sơn Động

16 Hồ Khe Hắng Huyện Sơn Động x x

18 Hồ Khe Đặng Huyện Sơn Động x x

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:

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: 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 đập có thiết bị chống tường nghiêng, tường tâm, chân khay…bằng đất sét Một số năm gần đây sử dụng một số công nghệ mới như tường lõi chống thấm bằng các tấm bê tông cốt thép liên kết khớp ở đập Tràng Vinh, thảm sét bentonite cho đập Núi Một, hào bentonite cho đập Eaksup Đăk Lắc…

Trong quá trình sử dụng, vận hành một số đập xẩy ra các hiện tượng mất ổn định

và sự cố gây hư hỏng đập Vì vậy cần phải nghiên cứu các biện pháp thiết kế và thi công phù hợp với từng công trình cụ thể để đạt được hiệu quả về chất lượng cũng như kinh tế cho công trình

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGHIÊN CỨU THẤM

Hiện tượng thấm của nước dưới đất trong môi trường lỗ rỗng được Darcy nghiên cứu từ năm 1856, trên cơ sở thực nghiệm Darcy đã xác định quy luật thấm của nước trong môi trường lỗ hổng, đó là định luật thấm đường thẳng

Lý thuyết suy rộng về sự vận động của nước dưới đất xuất hiện vào đầu năm

1898, sau khi N.E.Jucôvxky công bố tác phẩm “ Nghiên cứu lý thuyết vận động của nước ngầm” Ông đã đưa ra khái niệm lực cản, lực khối lượng khi thấm và lần đầu tiên ông đã đưa ra phương trình vi phân về sự vận động của nước dưới đất Chính Jucôvxky đã đặt cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển lý thuyết thấm

Năm 1904, Boussinesque đã lập ra hệ phương trình vi phân không ổn định và biện pháp tuyến tính hóa phương trình

Năm 1902, N.N.Pavlôpvxky đã đề nghị dùng phương pháp điện - thủy động lực tương tự để xác định các thông số của dòng thấm mà cho đến nay nó vẫn là một trong những phương pháp hiện đại nhất áp dụng cho bão hòa đất

Những vấn đề về lý thuyết vận động không ổn định đã được Boussinesque nghiên cứu đầu tiên (1904) Phương trình vi phân vận động không ổn định do ông thành lập cho đến ngày nay vẫn được coi như là phương trình vi phân cơ bản của vận động không ổn định của nước dưới đất

Ngày nay lý thuyết thấm vẫn không ngừng phát triển và được ứng dụng vào nhiều chuyên ngành khác nhau

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM BẰNG LÝ THUYẾT

thuyết, trên cơ sở đó người ta có thể đưa ra các giải quyết gần đúng Ứng dụng những lời giải của cơ học chất lỏng ta có thể lập được những biểu đồ tính toán để dùng trong thực tế

Nhược điểm: Phương pháp này chỉ sử dụng được trong trường hợp bài toán có

sơ đồ đơn giản Khi gặp những sơ đồ phức tạp (điều kiện ban đầu và điều kiện biên phức tạp) thì cách giải này gặp nhiều khó khăn về mặt toán học và trong nhiều trường hợp gần như bế tắc Do vậy trong thực tế thiết kế tính toán thấm, phương pháp này ứng dụng rất hạn chế

2.2.2 Phương pháp thủy lực

Phương pháp này nghiên cứu dòng thấm biến đổi chậm, thỏa mãn tiên đề Duy-puy, khi xem tất cả các đường dòng có đường cong nhỏ, song song với nhau, tức J=const

Khi miền thấm có thiết bị thoát nước, phải dựa theo giả thiết Côzeny và sơ

đồ hóa cao độ mặt cắt tính toán

Phương pháp thủy lực cho ta kết quả tính toán theo phương pháp thủy lực học

là cho những đặc trưng trung bình của dòng thấm

Ưu điểm: Phương pháp thủy lực cho lời giải các thông số dòng thấm dưới dạng biểu thức đơn giản, dễ tính toán Độ chính xác của phương pháp này đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và thiên về an toàn nên trong thực tế được dùng phổ biến nhất Hàng loạt bài toán thấm qua đập đất từ đơn giản đến phức tạp đã được giải quyết theo phương pháp thủy lực

Nhược điểm: Do phải dựa vào một số tiên đề, giả thiết nhất định nên phương pháp này có độ chính xác không cao

2.2.3 Phương pháp thực nghiệm

Trong nhiều trường hợp, khi điều kiện biên bài toán phức tạp, khó giải được bằng lý thuyết, nên dùng phương pháp thực nghiệm Nhất là khi phải mô tả trạng thái chuyển động của dòng thấm trong trường hợp chất lỏng chịu nén, môi trường đất bị biến dạng hoặc môi trường đất bão hòa - không bão hòa, thường phải tiến hành thực nghiệm thấm

- Thí nghiệm trên mô hình vật lý (máng thấm): Phương pháp này nghiên cứu

được trực tiếp bản chất các quá trình thấm, nhưng có nhược điểm là cồng kênh, khó chế tạo mô hình, khó khống chế tính không đồng nhất của mô hình

- Thí nghiệm thấm khe hẹp Hele-shaw: Phương pháp này dùng hợp lý nhất khi

nghiên cứu dòng chảy không áp, hoặc tác dụng tương hỗ giữa nước mặn và nước nhạt, nhưng có khó khăn về phương pháp và kỹ thuật

- Phương pháp tương tự điện thủy động: Mô hình này có thể ứng dụng rộng rãi

cho nhiều bài toán thấm khác nhau: mô hình không gian, mô hình phẳng đứng, mô hình phẳng ngang có xét đến sự bổ sung nước mặn, mô hình dòng phẳng ngang không áp

Ưu điểm: Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi vì khá tiện lợi, có thể

giải quyết được những sơ đồ thấm phức tạp

Nhược điểm: Giá thành thi nghiệm cao, kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào

điều kiện thí nghiệm cũng như chủ quan của người làm thí nghiệm

2.2.4 Phương pháp số

Khi nghiên cứu thấm thường dẫn đến các phương trình vi tích phân phi tuyến, phương pháp số giúp ta giải gần đúng các phương trình này Phương pháp số thường dùng để giải là phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn

Ưu điểm: Có thể giải được những sơ đồ tổng quát nhất và cho kết quả tương

đối

Nhược điểm: Khối lượng tính toán của phương pháp số thường rất lớn nên khó

thực hiện bằng phương pháp thủ công

2.3 GIẢI BÀI TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Phương pháp PTHH là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu, cho lời giải rất chính xác đối với các bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích các trạng thái ứng suất biến dạng trong các kết cấu công trình thuỷ lợi, xây dựng dân dụng giao thông… đến các bài toán của lý thuyết trường như: Lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện tử trường…

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số, nó cho phép giải các bài

toán thấm có:

- Miền tính toán có dạng bất kỳ, kể cả điểm góc

- Có điều kiện biên bất kỳ

- Miền thấm có thể đồng chất hoặc không đồng chất

Chia miền thấm ra thành các phần tử dạng tam giác, tứ giác, nối với nhau tại các điểm nút Tọa độ tại mỗi điểm bất kỳ bên trong phần tử x, y được xác định thông qua tọa độ các điểm nút:

Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành thông dụng và là một công cụ mạnh để giải các loại bài toán thấm khác nhau: có áp

và không áp, ổn định và không ổn định, phẳng và không gian

Nghiên cứu trên mô hình toán, tác giả sử dụng phần mềm SEEP/W trong bộ chương trình phần mềm địa kỹ thuật Geosudio của hãng phần mềm GEO-SLOPE, Canada để giải quyết bài toán thấm

2.4 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TÍNH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG

Trong những năm 1960 - 1970, việc giải các bài toán cơ học đất thường được phân chia làm hai nhóm: trạng thái giới hạn và biến dạng Nhóm thứ nhất bao gồm các bài toán xác định khả năng chịu tải của móng, ổn định của mái dốc, của khối đất đắp, áp lực bên của tường chắn Nhóm thứ hai là các bài toán tính lún của nền đất

dưới tác dụng của tải trọng có kể đến cố kết thấm, kiểm tra độ bền của các công trình bằng cách so sánh ứng suất với tính bền của đất đá

Hai nhóm bài toán này nghiên cứu sự làm việc của đất với các quan điểm khác nhau và thậm chí đòi hỏi các đặc trưng của đất khác nhau: đối với các bài toán thuộc nhóm giới hạn các đặc trưng là lực dính đơn vị C và góc ma sát trong ϕ, còn đối với bài toán thuộc nhóm biến dạng các đặc trưng là mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson ν

Khi giải các bài toán thuộc nhóm thứ nhất, biến dạng của đất không được xét đến và được giả thiết là vừa đủ để huy động toàn bộ sức kháng Ở nhóm bài toán thứ hai, ứng suất và biến dạng được giả thiết là khá nhỏ vùng trạng thái giới hạn còn chưa hình thành hoặc nhỏ đến mức có thể bỏ qua Tuy nhiên trong tất cả các bài toán có ý nghĩa thực tế của cơ học đất lại xảy ra biến dạng hỗn hợp của cả hai kiểu biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Khi độ lớn vùng dẻo nhỏ thì người ta bỏ qua chúng và coi là bài toán đàn hồi Khi biến dạng dẻo phát triển đáng kể thì cần phải

kể đến chúng và giải bài toán hỗn hợp

Với các môi trường không đồng nhất thì khó có khả năng giải được các bài toán hỗn hợp bằng phương pháp giải tích Hiện nay phương pháp phần tử hữu hạn

là phương pháp có hiệu quả nhất dùng để giải các bài toán phức tạp theo các điều kiện biên và tính chất môi trường của chúng

2.5 TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN THEO PHƯƠNG PHÁP PTHH

2.5.1 Cơ sở của phương pháp PTHH để giải bài toán

Bài toán phần tử hữu hạn được dựa trên hai nguyên lý cơ bản sau: Nguyên lý công khả dĩ và Nguyên lý cực tiểu thế năng

2.5.2 Các công thức tính ứng suất

2.5.2.1 Các giả thiết cơ bản, phiếm hàm thế năng

Bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi bao gồm hai trường hợp riêng của ứng suất biến dạng:

Trạng thái ứng suất phẳng và trạng thái biến dạng phẳng, nhưng cả hai

trường hợp, tất cả các trạng thái của ứng suất biến dạng chỉ phụ thuộc vào hai biến độc lập x, y còn các phương trình cơ bản của hai loại bài toán này chỉ khác nhau ở phương trình vật lý, cụ thể là chúng khác nhau ở các hệ số đàn hồi

Đối với bài toán ứng suất phẳng chính là bài toán đối với một tấm chịu tác dụng của tải trọng theo chiều dày của tấm Do tấm rất mỏng lại chịu lực theo phương song song với mặt của tấm và không biến đổi theo chiều dày nên có thể coi các ứng suất cũng thay đổi theo chiều dày, tức là:

;0

2 / 1 2

/ 1 2

y x

xy xy y y x

σ 2

1

(2-7) Với các véc tơ chuyển vị, ứng suất, biến dạng tương ứng là:

( ) ( )⎭⎬⎫

y x u f

τσ

γε

y x

1 0 0 0

0 0 0 1

αααααα

y x

y x

k k

j j

i i

k k

j j

i i

e e e

v u v u v u

y x

y x

y x

y x

y x

y x

A U

6 5 4 3 2 1

1000

1000

1000

0001

0001

0001

αααααα

ji ik kj

þi ki jk

e e e

y y y x x x

x x x

y y y S N

0002

ik ij

x x S

T e

T e

T e e

S

T e

Pdl N PdS N F

DBtdS B

K

(2-20)

Với t là chiều dày của phần tử

Thay biểu thức của D và B vào (2-20) xác định được ma độ trận cứng của phần tử tam giác phẳng có ba điểm nút

2.5.2.3 Phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn

Theo nguyên lý cực tiểu thế năng:

0

=Δ

Trong đó: K: là ma trận cứng của toàn kết cấu

F: Véc tơ tải của toàn kết cấu

Δ: Véc tơ chuyển vị nút của toàn kết cấu

2.5.2.4 Giải hệ phương trình cơ bản

Sau khi thiết lập được hệ phương trình cơ bản của bài toán ta xử lý điều kiện biên và giải hệ phương trình trên bằng phương pháp khử Gause Sau khi giải ta xác định được những chuyển vị nút và sử dụng các phương trình của lý thuyết đàn hồi (2-16) và (2-19) để tìm ra nội lực và biến dạng

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN CÁC CÔNG TRÌNH THUỶ CÔNG HIỆN NAY

Đối với nền các công trình thuỷ công, việc tính toán ổn định nền tức là cần tính toán xác định giá trị lớn nhất của cường độ tải trọng được truyền bởi đáy móng tới nền đất làm cho khối đất dưới nền bị phá hoại cắt hoặc lún quá lớn Hiện nay việc nghiên cứu nội dung này rất phong phú, đa dạng và được tiến hành theo cả 3 hướng:

2.6.1 Nghiên cứu thực nghiệm

Để nghiên cứu ổn định của đất nền, từ lâu nhiều nhà khoa học đã dùng mô hình thí nghiệm hiện trường được gọi là bàn nén chất tải và dùng phương pháp chụp ảnh, rải bột màu thành lớp để tiện quan sát mặt trượt trong đất nền khi bị phá hoại (nhà khoa học Nga V.I Kurdumov - 1889, nhà khoa học Mỹ A.R Jumikis - 1933 ) Người ta đã dùng các phương pháp chất tải:

- Tải trọng thẳng đứng tác dụng đúng tâm

- Tải trọng thẳng đứng tác dụng lệch tâm

- Tải trọng xiên (gồm tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang)

Các thí nghiệm thường tiến hành trên mô hình đối với bài toán phẳng hoặc không gian đối xứng trục Nền đất thí nghiệm thường là cát khô, điều này cho phép loại trừ được ảnh hưởng của độ ẩm, lực dính kết

Biểu đồ đường cong nén lún S ~ P có thể phân thành 3 giai đoạn biến dạng của nền khi tải trọng tăng dần:

b c

Nêm chặt đất

Vùng biến dạng dẻo

Đất nền bị ép trồi

Hỡnh 2.2: Kết quả thớ nghiệm bàn nộn hiện trường

a Giai đoạn biến dạng đường thẳng – Oa: Khi tải trọng chưa lớn (0 < P < Po),

quan hệ S ~ P gần như đường thẳng Giai đoạn này được gọi là giai đoạn nộn chặt

Tải trọng kết thỳc ở giai đoạn này ký hiệu là Po - gọi là tải trọng giới hạn tuyến tớnh

b Giai đoạn biến dạng trượt cục bộ - ab: tải trọng vượt quỏ Po và ở trong phạm

vi Po < P < Pgh thỡ quan hệ S ~ P là đường cong

c Giai đoạn phỏ hoại trượt nền – bc: tải trọng tiếp tục tăng và khi P ≥ Pgh Giai

đoạn này gọi là giai đoạn phỏ hoại nền Tải trọng Pgh gọi là tải trọng giới hạn - tải trọng phỏ hoại

Tuy nhiờn do điều kiện kinh tế thường khụng cho phộp tăng kớch thước bàn nộn như kớch thước múng thực nờn việc dựa vào kết quả thớ nghiệm bàn nộn kớch thước nhỏ ở hiện trường mà suy ra tải trọng giới hạn của múng thực là khụng chớnh

xác Hiện nay ở nước ta, thí nghiệm bàn nén đất ngay tại hiện trường chủ yếu để xác định trị số mô đun biến dạng của đất Các thí nghiệm bàn nén trong phòng thì hầu như không được chú ý vì điều kiện mô hình khó có thể thực hiện được Ngày nay, các phương pháp lý thuyết đã phát triển khá phong phú và đa dạng nhưng nhiều trường hợp từ thí nghiệm lại cho những kết quả tin cậy hơn và không thể thiếu được, đặc biệt là khi sự phá hoại cắt trong nền không thể hiện rõ rệt như đối với nền cát rời xốp hoặc móng đặt sâu khi đó, lún mới là yếu tố chính để xác định mức độ

ổn định của nền Vì vậy, hướng nghiên cứu tính toán ổn định của nền bằng thực nghiệm vẫn là phương pháp nghiên cứu có cơ sở khoa học cần duy trì và phát huy

2.6.2 Nghiên cứu lý thuyết

2.6.2.1 Dựa vào lời giải các bài toán đàn hồi hoặc đàn dẻo

Từ kết quả thí nghiệm chất tải trọng thẳng đứng lên bàn nén thấy rằng lúc đầu chỉ phát sinh một vùng đất nhỏ ngay dưới mép đáy móng bị đẩy trượt (đạt trạng thái cân bằng giới hạn -vùng biến dạng dẻo), quan hệ độ lún và tải trọng vẫn còn là tuyến tính, còn ứng suất tại những điểm khác (trong vùng cân bằng bền) ngoài vùng biến dạng dẻo vẫn có thể dùng lý thuyết biến dạng tuyến tính (lý thuyết đàn hồi) để xác định

2.6.2.2 Dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn (dẻo thuần tuý)

- Giả thiết cơ bản:

Lý thuyết cân bằng giới hạn (CBGH) dựa trên giả thiết chính cho rằng các thành phần ứng suất của mỗi điểm trong khối đất trượt đều thoả mãn trạng thái ứng suất giới hạn dựa theo tiêu chuẩn phá hoại đất của Cu lông (τ = σtgϕ + C) Việc một điểm bị phá hoại là do biến dạng cắt khá lớn, còn nền bị mất ổn định là do cùng biến dạng trượt (vùng dẻo) phát triển khá lớn và khi tính toán coi như mọi điểm trong nền đạt trạng thái ứng suất giới hạn

a - Cøng - dÎo lý t−ëng b - §µn håi - dÎo lý t−ëng c - §µn håi - dÎo t¨ng bÒn

Hình 2.3: Trạng thái ứng suất - biến dạng

Lý thuyết CBGH ở đây hoàn toàn không xét đến biến dạng thể tích của đất, nghĩa là trạng thái ứng suất - biến dạng theo mô hình cứng - dẻo lý tưởng (hình a) Mặc dù vậy, nó cũng đã mô phỏng gần đúng sự làm việc của nền khi mất ổn định Những năm gần đây, khi nghiên cứu lý thuyết CBGH, người ta đã chú ý nêu ra mô hình thống nhất cho tính chất của đất, trong đó các trạng thái ứng suất và trạng thái thể tích có mối quan hệ mật thiết Khi một điểm trong đất chuyển sang dẻo (bị phá hoại trượt hoặc cắt), các thành phần ứng suất của chúng thoả mãn điều kiện trạng thái ứng suất giới hạn tương ứng với thể tích giới hạn, nghĩa là đất chuyển từ tính chất đàn hồi thuần tuý sang tính chất đàn - dẻo (hình b,c)

- Điều kiện cân bằng giới hạn của một điểm

Khi một điểm A bất kỳ trong nền đạt trạng thái CBGH thì phải thoả mãn biểu thức Coulomb:

τ = σtgϕ + C hoặc τ = (σ+σc)tgϕ (2-23) Trong đó:

τ, σlà các thành phần ứng suất tiếp và ứng suất pháp trên mặt đang xét qua điểm A

C, ϕ là lực dính và góc ma sát trong của đất

σc = C/tgϕ là áp lực dính của đất

- Những phương trình cơ bản lý thuyết CBGH trong trường hợp bài toán phẳng

Một điểm trong khối đất có trạng thái ứng suất được đặc trưng bằng vòng Morh ứng suất Trong bài toán phẳng, biết σx; σz; τzx hoặc σ1; σ3 tại một điểm thì vòng Morh ứng suất được xác định hoàn toàn Khi một điểm đạt trạng thái CBGH,

theo thuyết phá hoại Morh - Coulomb, vòng Morh ứng suất với điểm ấy tiếp xúc với đường bao của đất

Do vậy, các thành phần ứng suất σx; σz; τzx tại một điểm thoả mãn hai phương trình cân bằng tĩnh viết theo 2 phương vuông góc x, z và phương trình trạng thái:

Z x z

zx

∂

∂+

∂

(2-24)

X z x

zz

∂

∂+

∂

∂σ τ

(2-25) (σ σ )2 4τ2 (σ σ 2 )sinϕ

n

x z zx x

Trong đó X, Z là lực thể tích đơn vị theo phương x và phương z

2.6.3 Các phương pháp dùng mặt trượt giả định

Khác với phương pháp CBGH, phương pháp mặt trượt công nhận mặt trượt có một hình dạng nhất định Đến nay các nhà khoa học đã dùng nhiều hình dạng khác nhau: gãy, cong, dạng logarit, cong tròn Cũng có không ít nhà khoa học đề nghị lấy mặt trượt theo dạng xác định được từ phương pháp CBGH

Mặt trượt phân cắt khối đất thành hai phần: phần đất dưới mặt trượt và khối đất trượt và chỉ những điểm thuộc mặt trượt ở trạng thái CBGH Đất thuộc khối trượt được coi như ở trạng thái cân bằng bền Ý tưởng này đã được Coulomb đề xuất từ thời xa xưa và cũng được nghiệm chứng bằng thực nghiệm

Do khuôn khổ của luận văn và từ thực tế sử dụng phổ biến nên trong phần này chỉ đề cập đến phương pháp mặt trượt theo lý thuyết CBGH và phương pháp mặt trượt trụ tròn

2.6.3.1 Phương pháp mặt trượt theo lý thuyết cân bằng giới hạn

Trước hết dùng phương pháp lý thuyết để xác định tải trọng giới hạn (pgh) gây phá hoại nền hoàn toàn sau đó chia pgh cho hệ số an toàn F >1 (thường lấy F = 2

÷ 3) sẽ nhận được giá trị sức chịu tải của nền