Nâng cao ổn định cho mái dốc chính diện nhà máy thủy điện a lưới

- Đối tượng: là đường mực nước ngầm trong mái dốc của nhà máy, các giải pháp nâng cao ổn định cho công trình.. Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết mục tiêu trên, luận văn đưa ra phươn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHẠM MINH QUỐC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH CHO MÁI DỐC CHÍNH DIỆN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A LƯỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số:

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Huy Công

Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Hướng

Phản biện 2: PGS TS Hồ Sỹ Tâm

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 6 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Trong các hạng mục công trình thủy điện A Lưới, phần mái dốc chính diện nhà máy được thi công và hoàn thành từ giữa năm

2012 Mái dốc nhà máy từ cao trình 67m (sàn lắp máy) đến cao trình 244m Tháng 11 năm 2013, sau đợt mưa bão kéo dài, mái dốc nhà máy

có hiện tượng nước ngầm dâng cao và gây mất ổn định mái dốc nhà máy Năm 2014, công tác kiểm tra và xử lý mái dốc đã được thực hiện gồm các biện pháp chủ yếu là đào giảm tải, kết hợp khoan neo Tuy nhiên vấn đề này vẫn chưa được xử lý triệt để Theo số liệu quan trắc nước ngầm trong khu vực mái dốc nhà máy từ cuối năm 2016 đến tháng 4 năm 2017 cho thấy, mực nước ngầm tiếp tục tăng cao và không có chiều hướng giảm, đe dọa đến khả năng ổn định mái dốc nhà máy Việc tìm ra nguyên nhân và các giải pháp để xử lý vấn đề mực nước ngầm dâng cao là hết sức cần thiết nhằm đảm bảo hoạt động của nhà máy được an toàn Xuất phát từ lý do trên tác giả đã đề xuất đề tài

luận văn là: « Nghiên cứu giải pháp nâng cao ổn định cho mái dốc chính diện nhà máy thủy điện A Lưới »

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu:

- Đánh giá hiện trạng ổn định mái dốc chính diện nhà máy thủy điện A Lưới

- Nghiên cứu ảnh hưởng về thấm và ổn định của mái dốc nhằm đưa ra giải pháp xử lý vấn đề nước ngầm dâng cao ảnh hưởng đến ổn định mái dốc nhà máy

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng: là đường mực nước ngầm trong mái dốc của nhà máy, các giải pháp nâng cao ổn định cho công trình

- Phạm vi nghiên cứu: là mái dốc chính diện nhà máy

4 Phương pháp nghiên cứu:

Để giải quyết mục tiêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp phân tích tài liệu: Điều tra, thu thập số liệu, tài liệu địa hình địa chất thủy văn, lịch sử và hiện trạng mất ổn định mái dốc nhà máy

- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan

- Phương pháp mô hình hóa: Sử dụng mô hình số Plaxis của

Hà lan để phân tích thấm, kiểm tra ổn định trượt và ổn định mái dốc khi mực nước ngầm dâng cao vào mùa mưa Tổng hợp phân tích số liệu, đưa ra các giải pháp

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Đề tài này có ý thực tiễn nhằm đưa ra các giải pháp cho vấn

đề cấp bách hiện nay là mực nước ngầm tăng cao có nguy cơ gây mất

ổn định mái dốc nhà máy Kết quả của đề tài là cơ sở có tính khoa học để các đơn vị chức năng đề xuất phương án nhằm đảm bảo ổn định cho nhà máy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

1.1.1 Giới thiệu

Mất ổn định mái dốc có thể do các nguyên nhân sau: tăng cao độ dốc của sườn dốc khi cắt xén hoặc xói lở; giảm độ bền của đất đá do biến dổi trạng thái vật lý khi ngầm nước, trương nở, giảm độ chặt, phong hóa, phá hủy kết cấu tự nhiên; các hiện tượng từ biến trong đất

đá, tác động của các áp lực thủy tĩnh và thủy động lên đất đá gây nên biến dạng thấm; các tác động bên ngoài như: chất tải lên sườn dốc, tác động địa chất và bị địa chấn

Trôi là hiện tượng đất đá bị xáo động và di chuyển một phần hay toàn bộ thành dòng trên sườn dốc xuống phía dưới

Là hiện tượng các tảng đá, khối đá từ trên cao của mái dốc bị

lở và rơi tự do đồ thẳng xuống gây mất ổn định cho mái dốc

1.1.3 Nguyên nhân gây nên hiện tượng mất ổn định mái dốc

Có 02 nhóm nguyên nhân chính gây mất ổn định mái dốc

1.1.3.1 Nhóm nguyên nhân gây nên hiện tượng mất ổn định mái

dốc

- Bản chất đất, đá: Đất đá thuộc loại mềm yếu, dễ phong hóa, dễ hóa mềm khi gặp nước; các lớp đất đá có cấu tạo xen kẽ các lớp yếu;

- Các yếu tố thúc đẩy quá trình phong hóa, biến đổi hóa lý

- Các nguyên nhân về địa hình, địa mạo

- Các nguyên nhân làm tăng tải trọng trên mái dốc (đào)

- Các nguyên nhân gây phá hoại chân mái dốc đào

- Các nguyên nhân gây chấn động đất đá

Kết luận chung: Mất ổn định mái dốc đào thường xảy ra do

tổng hợp nhiều nguyên nhân, do đó khi phân tích ổn định mái dốc cần phân tích các hiện tượng, sự kiện xảy ra lúc mái dốc mất ổn định và trong suốt quá trình trước đổ; cần điều tra môi trường xung quanh chứ không phải chỉ chú ý đến điều kiện riêng tại chỗ mái đất mất ổn định

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNHI MÁI

DỐC

1.2.1 Phương pháp cân bằng giới hạn

Phương pháp cân bằng giới hạn thường giả định các mặt trượt

là mặt phẳng hoặc mặt trượt trụ tròn

Đặc điểm chung của các phương pháp cân bằng giới hạn là chỉ xét sự làm việc của kết cấu trong trạng thái giới hạn mà không quan tâm đến quan hệ ứng suất - biến dạng theo quá trình tác dụng của tải trọng

Phương pháp cân bằng giới hạn sử dụng lý thuyết vòng tròn Morh-Coulomb để xác định ứng suất cắt gây trượt dọc theo bề mặt trượt, ứng suất cắt tại vị trí mặt trượt phá hoại được định nghĩa là sức kháng cắt (hay độ bền kháng cắt) của đất

1.2.2 Phương pháp trạng thái giới hạn

Lý thuyết trạng thái giới hạn sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn dựa trên sự thay đổi ứng suất, biến dạng của các điểm chia trong mái dốc Đây có thể xem là phương pháp phân tích chính

xác, thoả mãn các điều kiện cân bằng lực, điều kiện tương thích, phương trình cấu thành và điều kiện biên tại mỗi điểm của mái dốc Nó

mô phỏng cơ chế phá hoại mái dốc thực tế và xác định đồng thời cả hai yếu tố là hệ số an toàn nhỏ nhất và cơ chế phá hoại, đồng thời có thể

mô phỏng quá trình phá hoại mà không phải giả định trước mặt trượt phá hoại như phương pháp cân bằng giới hạn (Griffith et al 1999; Matsui, 1990)

Ưu điểm:

- Mặt trượt không cần giả định trước Mặt phá hoại diễn ra khi sức kháng cắt của đất thấp hơn ứng suất cắt do trọng lượng bản thân của đất;

- Không yêu cầu các dữ liệu hoặc tiến hành phân mảnh phân tích dựa trên các phương trình cân bằng lực hoặc mô men;

- Có thể xác định được ứng suất và biến dạng tại mọi điểm trong mái dốc thông qua phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng hai cách tiếp cận để phân tích ổn định mái dốc: phương pháp trực tiếp bằng cách sử dụng phương pháp suy giảm sức chống cắt Strength Reduction Method - SRM và phương pháp gián tiếp phân tích các hệ số an toàn bằng sự kết hợp với các phương pháp cân bằng giới hạn (Pasternack, sc và Gao, s, 1988) Trong phương pháp suy giảm sức chống cắt, độ bền kháng cắt

dốc mất ổn định được giả định đã đạt được Tỷ lệ giảm sức kháng cắt lớn nhất tại điểm đó được xem là hệ số an toàn tối thiểu

Nhận xét: Theo lý thuyết trạng thái giới hạn, mặt trượt nguy

hiểm là tập hợp các điểm có biến dạng cắt lớn, tại đó tỷ số giữa sức kháng cắt vá ứng suất cắt là nhỏ nhất Việc sử dụng phương pháp phần

tử hữu hạn để tìm kiếm những điểm này là hoàn toàn có thể thực hiện được Tuy nhiên, phương pháp phần tử hữu hạn có hạn chế là nếu số liệu đầu vào không phản ánh trung thực ứng xử của đất thì két quả biến

dạng tính toán được là hoàn toàn vô nghĩa Để giải quyết vấn đề này,

luận văn sử dụng phần mềm Plaxis phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp PTHH

1.2.3 Ổn định mái dốc có xét đến ảnh hưởng của mực nước ngầm

Hệ số an toàn giới hạn nhỏ nhất đạt được trong khi thi công và tăng dần theo thời gian sau khi thi công khối đất đắp

Đối với mái dốc đào, hệ số an toàn giới hạn nhỏ nhất giảm dần theo thời gian

Trong phạm vi mực nước ngầm thay đổi, một vùng quá độ (hay còn gọi là vùng không bão hoà nước) được hình thành Sức chống cắt của đất theo cơ học đất không bão hòa có thể xác định theo công thức:

Trong đó:

τ - ứng suất cắt trên mặt phá hoại lúc xảy ra phá hoạic’ - lực dính hiệu quả, là khoảng chặn độ bền chống cắt khi ứng suất pháp hiệu quả bằng 0;

Đường cong đặc trưng đất nước là thông số trung tâm của cơ học đất cho đất không bão hoà, có thể dùng để xác định các thông số chính của đất không bão hòa, trong đó có sức kháng cắt của đất Đây là đường cong biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm và độ hút dính của đất

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG BÃO HÒA ĐẾN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

Bài toán thấm có thể được chi ra: bài toán thấm không áp và bài toán thấm có áp Dòng thấm qua mái dốc đào thuộc bài toán thấm không áp Trong bài toán thấm không áp, việc xác định vị trí đường

bão hòa là lời giải quan trọng nhất Đường bão hòa là biện phân cách hai vùng đất bão hòa và đất không bão hòa nước [4]

Có một số phương pháp xác định vị trí đường bão hòa Trong nội dung luận văn, tác giả sử dụng phương pháp PTHH xác định chính xác

vị trí đường bão hòa và kết quả cho thấy hoàn toàn phù hợp với thực

tế

1.4 PHẦN MỀM PLAXIS PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 1.4.1 Giới thiệu phần mềm

Từ 2000 - 2007, bộ phần mềm Plaxis gồm 5 mô đun sau:

Trong đó, mô đun Plaxis V.8 - 2D được ứng dụng để phân tích biến dạng và ổn định các bài toán địa kỹ thuật theo PTHH - 2D, trường hợp đất bão hòa và không bão hòa

Hình 1 1: Sự phát triển của các phiên bảng phần mềm PLAXIS.

1.4.2 Đặc trƣng vật liệu trong Plaxis

Đối với các lớp đất đá thông thường sử dụng mô hình Morh - Coulomb là mô hình đàn dẻo lý tưởng Trước khi bị chảy dẻo (phá hoại), ứng xử của vật liệu sẽ là đàn hồi tuyến tính (E = constant) Sau khi ứng suất đạt tới mức phá hoại, ứng xử của vật liệu là dẻo lý tưởng (chảy như nước) Đường ứng suất biến dạng vì vậy gồm 2 đoạn: đoạn đàn hồi tuyến tính đi từ gốc tọa độ với độ dốc là E và đoạn chảy dẻo là một đường nằm ngang xuất phát từ chỗ bắt đầu chảy dẻo [11]

Đây là mô hình đàn - dẻo không đẳng hướng đặt biệt dùng để mô phỏng ứng xử của các lớp đá bao gồm sự xếp tầng địa chất và nứt gảy trực tiếp đặt biệt trên đá Tính dẻo có thể xuất hiện lớn nhất của 3 lực cắt trực tiếp (Shear planes) Mỗi mặt phẳng thể hiện qua thông số riêng của nó là E và c Đá nguyên vẹn không một vết nứt được xét đến như

có ứng xử đầy đủ nhất tính đàn hồi với độ cứng E và c Sự giảm đàn

hồi của đá có thể được xác định thông qua sự xếp tầng địa chất

Mô hình đàn hồi tuyến tính là một mô hình tuân theo định luật Hook về đàn hồi tuyến tính đẳng hướng [11]

1.4.3 Các bước mô hình hóa trong Plaxis

Một bài toán tính bằng phần mềm Plaxis thường gồm các khối chính sau:

Thiết lập mô hình bài toán:

- Lựa chọn dạng mô hình;

- Lựa chọn phần tử tam giác 6 hoặc 15 nút;

- Chọn đơn vị đo cơ bản cho chiều dài, lực và thời gian

2 Lập mô hình hình học cho mặt cắt tính toán;

3 Gán các điều kiện biên;

4 Gán các đặc trưng vật liệu;

5 Tạo lưới phần tử;

6 Xác định điều kiện ban đầu;

7 Xác định các giai đoạn tính toán;

do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và

đá tạo nên Có bốn dạng mất ổn định cơ bản của mái dốc đào: sụt lở, trượt, trôi và hiện tượng đá đồ, đá lăn Để hạn chế hiện tượng mất ổn định xảy ra trong mắt dốc đào, cần lưu ý khảo sát, phân tích làm rõ các điều kiện và nguyên nhân gây nên hiện tượng mất ổn định, đồng thời

cần phải áp dụng đồng bộ nhiều giải pháp kỹ thuật, trong đó có lưu ý dảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế, xã hội và môi trường,

Chương 1 trình bày tóm tắt các lý thuyết phân tích ổn định mái đốc dựa trên hai phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) và phần tử hữu hạn (FEM) Phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm không cần dự kiến mặt trượt giả định, đồng thời kết quả phân tích cho phép xác định được trạng thái ứng suất, biến dạng tại các điểm trong mái dốc Một trong nhiều phần mềm tính toán ổn định mái dốc được xây dựng bằng phương pháp phần tử hữu hạn là bộ phần mềm Plaxis Đây là phần mềm được tác giả sử dụng trong luận văn

CHƯƠNG 2 LỊCH SỬ VÀ HIỆN TRẠNG MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CHÍNH

DIỆN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A LƯỚI

2.1 GIỚI THIỆU DỰ ÁN THỦY ĐIỆN A LƯỚI

Theo thiết kế ban đầu phạm vi mái chính diện nhà máy tính từ cao độ 78,3m đến cao độ 147,5m

Trong quá trình vận hành, tại thời điểm tháng 1 năm 2014 mực nước ngầm tại mái nhà máy tăng cao gây mất ổn định với hiện tượng xuất hiện những hiện tượng trượt trồi có khả năng tạo nên cung trượt lớn có khả năng trượt lỡ vùi lấp vào nhà máy đang vận hành

2.1.3 Kết quả khảo sát địa chất

Địa chất hố móng nhà máy thủy điện gồm các lớp đất đá [6]:

- Đới đá phong hóa IB có chiều dầy từ 4-10m;

- Đới đá nứt nẻ IIA có cao trình bề mặt từ 60-72m

2.1.4 Một số kết quả quan trắc mực nước ngầm

Để phục vụ cho công tác đánh giá ổn định mái dốc đào trong quá trình khai thác, tại vị trí khu vực nhà máy hiện bố trí hệ thống quan trắc gồm 9 hố khoan phân bố đều trên các cơ [6]

Dựa vào biểu đồ quan hệ lượng mưa và sự thay đổi mực nước ngầm, phân tích sự thay đổi mực nước ngầm của hố khoan QT3 và QT4 với lượng mưa quan trắc tại Trạm Tà Lương để giải thích hiện

tượng mực nước ngầm dâng cao từ mùa mưa năm 2016 đến nay chưa

có chiều hướng suy giảm

Biểu đồ dao động mực nước ngầm và lượng mưa:

Biểu đồ 2 1: Biểu đồ quan hệ lượng mưa và mực nước ngầm hố khoan QT4 [6]

Biểu đồ 2 2: Biểu đồ quan hệ lượng mưa và hố khoan quan trắc QT3 [6]

2.1.5 PHÂN TÍCH LỊCH SỬ MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC NHÀ MÁY BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS THEO CÁC GIAI ĐOẠN

2.1.5.2 Giai đoạn 1: Phân tích ổn định mái dốc theo thiết kế ban đầu (năm 2008)

Mặt cắt ngang mái dốc đào Nhà máy thuỷ điện A Lưới theo thiết

nhất tại thời điểm 2008 theo hồ sơ TKKT do đơn vị Tư vấn cung cấp

và cao nhất được lấy theo số liệu quan trắc tại hố khoan QT1 và QT2

Biểu đồ quan hệ lượng mưa và mực nước ngầm hố khoan QT4

104

0 18

210

101 254 562

316 645

143 431

209 127

354344 365 542

89

33 21 0 104 266

122 187175

656 779 1234

316 645

143 431

209 127

354 344 365 542

89

33 210104 266

122

187 175

656 779 1234

240

71 0

Hình 2 1: Mặt cắt ngang tính toán cho giai đoạn 1

Hình 2 2: Mô hình tính toán cho giai đoạn 1

Hình 2 3: Đường bão hòa tính cho giai đoạn 1

Hình 2 4: Cung trƣợt nguy hiểm tính toán cho giai đoạn 1

Nhận xét: Trong trường hợp mực nước ngầm thấp, kết quả phân tích

ổn định cho K = 1,22>[K]=1,15 => mái dốc đào thiết kế đảm bảo ổn định Tuy nhiên trường hợp mực nước ngầm cao, mái dốc đào thiết kế

có khả năng mất ổn định, hiện tượng mất ổn định đã xảy ra vào tháng

01 năm 2013

Hiện tượng này có thể được giải thích như sau: khi mực nước ngầm thấp trị số độ bền chống cắt của đất cao (c, υ lớn) nên mái dốc đảm bảo ổn định Khi mực nước ngầm dâng cao, khối đất bị bão hoà nước dẫn đến tăng trọng lượng gây trượt, đồng thời độ bền chống cắt của đất giảm đi (c, υ giảm), là nguyên nhân gây nên sự mất ổn định của máy dốc

2.1.5.3 Giai đoạn 2: Phân tích ổn định mái dốc sau khi xử lý giật cơ,

hạ mái dốc, giảm tải trọng gây trượt (năm 2013)

Để khắc phục hiện tượng mất ổn định xảy ra vào tháng 01 năm

2013, mối dốc đào được thiết kế xử lý giật cơ, hạ mái dốc đổ giảm tải trọng gây trượt, cụ thể: giữ nguyên mái đào hiện trạng từ cơ 107m trở xuống, mở rộng chiều rộng các cơ 107 rộng 7m; cơ 122, cơ 134 rộng 15m; cơ 149, cơ 164 rộng 8m, độ dốc mái đào 1:1,75

K = 1,22

Hình 2 5: Mặt cắt ngang tính toán cho giai đoạn 2

Phạm vi mực nước ngầm thay đổi ở vị trí thấp nhất và vị trí cao nhất được lấy theo kết quả quan trắc tại các lỗ khoan trong thời điểm năm 2014

Hình 2 6: Mô hình tính toán cho giai đoạn 2

Hình 2 7: Đường bão hòa cho giai đoạn 2

Hình 2 8: Cung trƣợt tính toán nguy hiểm cho giai đoạn 2

Nhận xét: Kết quả phân tích ổn định K = 1,27>[K]=1,15 => mái dốc

đào thiết kế đảm bảo ổn định Tuy nhiên trường hợp mực nước ngầm cao, mái dốc đào thiết kế có khả năng mất ổn định ở từ cơ 134m xuống

cơ 107m

giảm tải trọng gây trượt kết hợp neo gia cường và hạ thấp mực nước ngầm (năm 2014)

Năm 2014, Chủ đầu tư đã thi công khoan, cắm neo thép F32 bước 3x3m, có khung BTCT cho mái dào nhà máy từ cơ 107m Khoan các hố khoan tiêu nước và lắp đặt bổ sung hệ thống thoát nước bằng các ống HDPE đường kính 105mm tại các cơ từ cơ 92m đến cơ 149m

để hạ thấp mực nước ngầm trong mái đào

Hình 2 9: Mặt cắt ngang tính toán cho giai đoạn 3

K = 1,27