Nghiên cứu giải pháp nâng cao ổn định cho mái dốc chính diện nhà máy thủy điện a lưới

Trong luận văn này tác giả tập trung phân tích nguyên nhân và giải pháp để xử lý vấn đề mực nước ngầm dâng cao ảnh hưởng đến ổn định của mái dốc.. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối

PHẠM MI

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

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

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài liệu khác nhau từ sách, giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng tải trong và ngoài nước Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống, chân thực, mọi kết quả nghiên cứu đạt được trong luận văn không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức Những kết quả đó là tất cả những gì tôi

đã nghiên cứu, tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác

Đà Nẵng, ngày … tháng 5 năm 2018

PHẠM MINH QUỐC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu: 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3

4 Phương pháp nghiên cứu: 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 4

CHƯƠNG:TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 5

1.1 HIỆN TƯỢNG MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 5

1.1.1 Giới thiệu 5

1.1.2 Các dạng mất ổn định mái dốc 6

1.1.2.1 Sụt lở 6

1.1.2.2 Trượt 6

1.1.2.3 Trôi (trượt dòng) 7

1.1.2.4 Đá đổ, đá lăn 8

1.1.3 Nguyên nhân gây nên hiện tượng mất ổn định mái dốc 8

1.1.3.1 Nhóm nguyên nhân gây nên hiện tượng mất ổn định mái dốc 9

1.1.3.2 Nhóm các nguyên nhân tăng lực gây trượt 9

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNHI MÁI DỐC 11

1.2.1 Phương pháp cân bằng giới hạn 11

1.2.2 Phương pháp trạng thái giới hạn 14

1.2.2.1 Phương pháp PTHH trong phân tích ổn định mái dốc 14

1.2.2.2 Phương pháp suy giảm sức chống cắt (SRM) 15

1.2.3 Ổn định mái dốc có xét đến ảnh hưởng của sự thay đổi mực nước ngầm 15 1.2.3.1 Sức chống cắt của đất không bão hòa 16

1.2.3.2 Đường cong đặc trưng đất – nước 17

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG BÃO HÒA ĐẾN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 18

1.4 PHẦN MỀM PLAXIS PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 19

1.4.1 Giới thiệu phần mềm 19

1.4.2 Đặc trưng vật liệu trong Plaxis 19

1.4.2.1 Mô hình Mohr - Coulomb(MC) 19

1.4.2.2 Mô hình Jointed Rock (JR) 20

1.4.2.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính (Linear elastic) 21

1.4.3 Các bước mô hình hóa trong Plaxis 22

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG: LỊCH SỬ VÀ HIỆN TRẠNG MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CHÍNH DIỆN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A LƯỚI 24

2.1 GIỚI THIỆU DỰ ÁN THỦY ĐIỆN A LƯỚI 24

2.1.1 Vị trí của nhà máy: 24

2.1.2 Đặc điểm mái dốc 24

2.1.3 Kết quả khảo sát địa chất 25

2.1.4 Một số kết quả quan trắc mực nước ngầm 28

2.1.5 PHÂN TÍCH LỊCH SỬ MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CHÍNH DIỆN NHÀ MÁY BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS THEO CÁC GIAI ĐOẠN 31

2.1.5.1 Một số thông số đầu vào mô hình 31

2.1.5.2 Giai đoạn 1: Phân tích ổn định mái dốc theo thiết kế ban đầu (năm 2008) 32 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) 34

2.1.5.4 Giai đoạn 3: Phân tích ổn định mái dốc sau khi thiết kế giảm tải trọng gây trượt kết hợp neo gia cường và hạ thấp mực nước ngầm (năm 2014) 36

2.1.6 HIỆN TƯỢNG MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CHÍNH DIỆN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A LƯỚI 38

2.2 PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY MẤT ỔN ĐỊNH 40

2.2.1 Nguyên nhân gây mất ổn định 40

2.2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến dao động mực nước ngầm 40

2.2.1.2 Yếu tố lượng mưa 40

2.2.1.3 Yếu tố dòng chảy mặt 43

2.2.1.4 Yếu tố địa hình địa mạo và kiến tạo 43

2.2.1.5 Yếu tố lượng bốc hơi 43

2.2.1.6 Các yếu tố nhân sinh 44

2.2.1.7 Các yếu tố công trình 44

2.3 PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN NƯỚC NGẦM DÂNG CAO 45

2.3.1 Nguyên nhân nước ngầm được bổ sung từ các suối trên cao qua các đứt gãy 45 2.3.2 Nguyên nhân nước ngầm được bổ sung từ suối trên cao qua hầm dẫn nước 45 2.3.3 Phân tích khả năng rò rỉ nước từ trong đường hầm áp lực 46

2.3.4 Giải thích hiện tượng mực nước ngầm dâng cao 46

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 47

CHƯƠNG: GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CHÍNH DIỆN NHÀ

MÁY THỦY ĐIỆN A LƯỚI 48

3.1 THIẾT KẾ HẠ MỰC NƯỚC NGẦM 48

3.1.1 Nội dung thiết kế hạ mực nước ngầm 48

3.1.2 Các phương pháp hạ mực nước ngầm 49

3.1.2.1 Phương pháp tháo nước nằm ngang 49

3.1.2.2 Phương pháp tháo nước thẳng đứng 49

a) Giếng thường: 49

b) Giếng kim: 50

c) Giếng nhựa: 50

3.2 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KIỂM SOÁT MỰC NƯỚC NGẦM 50

3.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN HẠ MỰC NƯỚC NGẦM 51

3.3.1 Xác định lưu lượng cho dòng thấm gần giếng khoan đứng 51

3.3.1.1 Các đặc trưng dòng thấm gần giếng khoan đứng 51

3.3.1.2 Trình tự thiết kế hạ mực nước ngầm của một hệ thống giếng khoan 52 3.3.1.3 Tính toán hạ mực nước ngầm 53

3.3.2 Xác định lưu lượng ống thoát nước ngang 55

3.4.1 Các trường hợp tính toán 56

3.4.2 Thông số đầu vào mô hình 56

3.4.3 Các bước thiết lập mô hình 57

3.4.4 Một số hình ảnh trong thiết lập mô hình 58

3.4.5 Kết quả mô phỏng 61

3.4.5.1 Trường hợp 1: Kiểm tra ổn định mái dốc khi mực nước ngầm dâng cao 61 3.4.5.2 Trường hợp 2: Kiểm tra ổn định mái dốc sau khi bố trí giếng hạ thấm mực nước ngầm 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

1 KẾT LUẬN 67

2 KIẾN NGHỊ 67

3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 67

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH CHO MÁI DỐC CHÍNH

DIỆN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A LƯỚI

Tóm tắt Trượt lở đất là một trong những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới Thủy

điện Alưới ở Việt Nam cũng đang gặp phải vấn đề như vậy 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 và khoan thoát nước bổ sung Tuy nhiên vấn đề này vẫn chưa được xử lý triệt để Trong luận văn này tác giả tập trung phân tích nguyên nhân và giải pháp để xử lý vấn đề mực nước ngầm dâng cao ảnh hưởng đến ổn định của mái dốc Phần mềm Plaxis được tác giả sử dụng để tính toán xác định mực nước ngầm và ổn định 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

Từ khóa: ổn định, trượt mái, nhà máy thủy điện, nước ngầm, plaxis

STUDY ON SOLUTION STABILITY OF SLOPE LOCATED IN FRONT OF

ALUOI HYDROELECTRIC PLANT

Abstract: Landslides are one of the most common types of disasters in the world The slopes

of the A LUOI Hydropower Plant in Vietnam are also experiencing such problems In November 2013, after a long period of heavy rain, the slope located in front of the plant has high ground water level, which may cause unstable and threatening operation of the plant By

2014, slope inspection and treatment has been carried out, consisting mainly of load reduction, anchor drilling and drilling drainage well However, this problem has not yet ended In this thesis, the author focuses on finding the causes and solutions to the problem of rising groundwater level affecting the stability of the slope Plaxis software is used to determine groundwater level and calculating stability The result of the research is the scientific basis for functional units to propose plans to ensure stability for the plant

Keywords: stability, landslide, hydroelectric plant, water level, plaxis

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1: Sụt đất tại Km 859 + 419 đường HCM (17/12/2008) [8] 5

Hình 1 2: Mất ổn định Sụt lỡ [3] 6

Hình 1 3: Mất ổn định trượt tịnh tiến [8] 7

Hình 1 4: Mất ổn định trượt xoay [8] 7

Hình 1 5: Mất ổn định do trượt dòng [8] 8

Hình 1 6: Hiện tượng đá đỗ, đá lăn (Nguồn internet) 8

Hình 1 7: Sạt lỡ Nhà máy Thủy điện Bản Vẽ do mưa lớn kéo dài 10

Hình 1 8: Sạt lỡ tại mái dốc nhà máy Thủy điện Sử Pán 2 do mưa lớn nhiều ngày 10

Hình 1 9: Sạt lở mỏ đá Thủy điện Bản Vẽ do chấn động nổ mìn 10

Hình 1 10: Phương pháp xác định hệ số an toàn 12

Hình 1 11: So sánh hệ số an toàn trên mái dốc giả định 14

Hình 1 12: Thay đổi trạng thái ứng suất tại điểm A theo phương pháp SRM 15

Hình 1 13: Diễn biến thay đổi ứng suất khi thi công mái dốc 16

Hình 1 14: Diễn biến thay đổi ứng suất khi thi công mái đào 16

Hình 1 15: Sức chống cắt của đất không bão hòa 17

Hình 1 16: Đường cong đặc trưng đất - nước 18

Hình 1 17: Sự phát triển của các phiên bảng phần mềm PLAXIS 19

Hình 1 18: Mô phỏng vật liệu đá - Mô hình Jointed Rock 21

Hình 1 19: Mô phỏng vật liệu gia cố - Mô hình Linear elastic 21

Hình 2 1: Vị trí công trình thủy điện A Lưới 24

Hình 2 2: Nhà máy thủy điện A Lưới 25

Hình 2 3: Mặt bằng nhà máy khi chưa xảy ra hiện tượng mất ổn định 26

Hình 2 4: Mặt bằng bố trí hố khoan quan trắc mực nước ngầm 29

Hình 2 5: Ký hiệu vật liệu trên mô hình 31

Hình 2 6: Mặt cắt ngang tính toán cho giai đoạn 1 32

Hình 2 7: Mô hình tính toán cho giai đoạn 1 33

Hình 2 8: Đường bão hòa tính cho giai đoạn 1 33

Hình 2 9: Cung trượt nguy hiểm tính toán cho giai đoạn 1 33

Hình 2 10: Mặt cắt ngang tính toán cho giai đoạn 2 34

Hình 2 11: Mô hình tính toán cho giai đoạn 2 35

Hình 2 12: Đường bão hòa cho giai đoạn 2 35

Hình 2 13: Cung trượt tính toán nguy hiểm cho giai đoạn 2 35

Hình 2 14: Mặt cắt ngang tính toán cho giai đoạn 3 36

Hình 2 15: Mô hình tính toán cho giai đoạn 3 37

Hình 2 16: Đường bão hòa tính toán cho giai đoạn 3 37

Hình 2 17: Cung trượt nguy hiểm tính toán cho giai đoạn 3 37

Hình 2 18: Mặt bằng mô tả hiện trạng các vết nứt và điểm xuất lộ nước trên mái dốc nhà máy 38

Hình 2 19: Các vết nứt trên mái dốc nhà máy 39

Hình 2 20: Hướng vết nứt phát triển từ cơ 92m – 107m 39

Hình 2 21: Sơ họa về các yếu tố ảnh hưởng đến nước ngầm 40

Hình 2 22: Đoạn gương đào bị sạt 45

Hình 3 1: Sơ đồ lỗ khoan giếng kim hạ mực nước ngầm 50

Hình 3 2: Mặt bằng bố trí giếng khoan 51

Hình 3 3: Sơ họa phương án khoan - đào giếng kiểm soát mực nước ngầm 52

Hình 3 4: Sơ đồ tính lưu lượng thấm vào giếng khoan hoàn chỉnh cho trường hợp tầng chứa nước không áp 54

Hình 3 5: Sơ đồ tính lưu lượng thấm vào giếng khoan hoàn chỉnh cho trường hợp tầng chứa nước có áp 54

Hình 3 6: Ký hiệu đất, đá nền trên mô hình 58

Hình 3 7: Ký hiệu tấm bê tông trên mô hình 58

Hình 3 8: Ký hiệu neo, vữa phụt trên mô hình 59

Hình 3 9: Mô phỏng giếng khoan trên mô hình 60

Hình 3 10: Thiết lập điều kiện ban đầu cho mô hình 60

Hình 3 11: Chi lưới cho mô hình 61

Hình 3 12: Đường bão hòa tính toán cho trường hợp 1 (thể hiện dạng arrows) 62

Hình 3 13: Vùng bão hòa tính toán cho trường hợp 1 62

Hình 3 14: Vùng ảnh hưởng nước ngầm tính toán cho trường hợp 1 63

Hình 3 15: Chuyển vị theo lưới phần tử tính toán trường hợp 1 63

Hình 3 16: Cung trượt nguy hiểm tính toán trường hợp 1 63

Hình 3 17: Đường bão hòa tính toán cho trường hợp 2 (thể hiện dạng arrows) 64

Hình 3 18: Vùng bão hòa tính toán cho trường hợp 2 65

Hình 3 19: Chuyển vị theo lưới phần tử tính toán trường hợp 2 65

Hình 3 20: Cung trượt nguy hiểm tính toán trường hợp 2 65

MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 1: Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo LEM 13

Bảng 2 3: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đá [6] 26

Bảng 2 1: Tổng họp các chỉ tiêu cơ lý của lớp phủ (edQ+IA1) [6] 27

Bảng 2 2: Đặc trung thấm của đất phủ [6] 27

Bảng 2 4: Đặc trưng thấm đá gốc [6] 27

Bảng 2 5: Kết quả cơ lý đất đá qua công tác đo đạt vật lý [6] 28

Bảng 2 6: Tính chất cơ lý đất, đá nền mô phỏng trong Plaxis 32

Bảng 3 1: Bảng kết quả tính toán thu nước vào giếng 55

Bảng 3 2: Tính chất cơ lý đất, đá nền mô phỏng trong Plaxis 56

Bảng 3 3: Thông số neo 57

Bảng 3 4: Thông số vữa phụt 57

Bảng 3 5: Thông số tấm bê tông 57

Bảng 3 6: Bảng kết quả tính toán ổn định 66

DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 2 1: Biểu đồ quan hệ lượng mưa và mực nước ngầm hố khoan QT4 [6] 30

Biểu đồ 2 2: Biểu đồ quan hệ lượng mưa và hố khoan quan trắc QT3 [6] 31

Biểu đồ 2 3: Biểu đồ quan hệ lượng mưa và hiện tượng nước ngầm dâng cao [6] 42

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trượt lở đất là một trong những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới Những năm gần đây, các loại hình thiên tai này xảy ra với tần suất và cường độ ngày càng tăng, gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tải sản Theo thống kê, chỉ trong thời gian từ năm 2000 đến nay đã có hàng trăm vụ trượt lở đất lớn nhỏ xảy ra

ở nhiều quốc gia trên thế giới gây thiệt hại nghiêm trọng Điển hình như vụ trượt lở đất vào ngày 9 tháng 11 năm 2001 ở đồi Amboori, bang Kerala nằm ở miền Nam của Ấn

Độ gây hậu quả 40 người chết Hay vụ lở đất bất thường có quy mô lớn với khối lượng đất đá khoảng 200 triệu m3, chiều rộng khoảng 1.600m, và chiều cao khoảng 750 m đã xảy ra vào ngày 26 tháng 3 năm 2004, vào lúc 13:45 giờ địa phương, trên bức tường dốc của miệng núi lửa trên sườn phía tây bắc núi Bawakaraeng (có độ cao 2830m) ở đầu nguồn sông Jeneberang, phía Nam Sulawesi, Indonesia Các mảnh vỡ lở kéo dài khoảng 7 km từ đầu nguồn và chôn vùi các thung lũng, sông ngòi và nhà cửa, hậu quả

là 32 người chết Vào ngày 10 tháng 1 năm 2005, một vụ lở đất xảy ra ở La Conchita, bang California, Mỹ đã phá hủy hoàn toàn 36 ngôi nhà và giết chết 10 người Ngày 17 tháng 2 năm 2006, một vụ trượt lở nghiêm trọng khác đã xảy ra ở đảo Leyte, Philippin,

vụ trượt lở bắt nguồn từ một dốc đứng cao 450m, một khối rừng lớn trượt lở và quét xuống phía dưới khu thung lũng sông Himbungao, nơi tập trung dân cư đông đúc Vụ trượt lở gây thảm họa vô cùng nghiêm trọng, chôn vùi toàn bộ ngôi làng Guinsaugon, hậu quả hơn 1100 người chết Tháng 6 năm 2007, ở thành phố Chittagong, Bangladesh, một vụ sạt lở đất đá tương tự đã xảy ra, nguyên nhân do việc cắt xén bừa bãi các ngọn đồi làm gia tăng nguy cơ trượt lở, dẫn đến sự biến mất của hàng trăm ngọn đồi, gây ô nhiễm môi trường và đã giết chết ít nhất 120 người dân sống ở khu vực lân cận Năm 2010, một số nước như Pakistan, Bồ Đào Nha, Uganda, Trung Quốc

và Canada cũng xảy ra các vụ trượt lở đất gây thiệt hại về cả người và tài sản Chỉ tính riêng trong năm 2014, thế giới đã có 5 vụ trượt lở đất nghiêm trọng, đầu tiên là vụ trượt lở đất ngày 22 tháng 3 xảy ra ở Oso, Washington, nước Mỹ gây ra cái chết cho

43 người dân thường Ngày 2 tháng 5, một vụ trượt lở đất khác xảy ra ở Badakhshan, một tỉnh miền Đông Bắc Afghanistan, hậu quả là chôn vùi toàn bộ ngôi làng, khoảng

500 người đã thiệt mạng và 4000 người phải di chuyển đi nơi khác sinh sống Sau đó, vào ngày 30 tháng 7, một vụ trượt lở đất đá khác đã xảy ra ở quận Pune, bang Maharashtra, Ấn Độ gây hậu quả cuốn trôi hơn 50 ngôi nhà, 136 người đã thiệt mạng

và hơn 100 người bị mất tích Ngày 2 tháng 8, một vụ trượt lở đất tồi tệ ở Nepal đã gây hậu quả làm chết hơn 156 người Ngày 20 tháng 8, tại tỉnh Hiroshima, Nhật Bản, một

vụ trượt lở đất cũng đã tấn công một khu dân cư, làm cho các ngôi nhà bị chôn vùi

dưới lớp bùn đất và đá Ít nhất đã có 32 người bị thiệt mạng và nhiều người khác bị mất tích Trượt lở đất là một nguy cơ liên tục ở vùng miền núi, phía đông Nhật Bản, nơi có nhiều ngôi nhà được xây dựng trên hoặc gần các sườn dốc, và có lượng mưa lớn hàng năm Gần đây nhất là vụ trượt lở đất ngày 27 tháng 8 tại làng Yingping ở tỉnh Quý Châu, Trung Quốc Hậu quả là 77 ngôi nhà đã sập hoặc bị chôn vùi hoàn toàn, có

6 người đã thiệt mạng và hơn 20 người vẫn còn mất tích [2]

Việt Nam nằm ở khu vực Đông Nam Châu á, có địa hình tương đối đa dạng gồm: Núi, Cao nguyên, đồng bằng và bờ biển Diện tích tự nhiên 330.000km2, trong

đó diện tích đồi núi chiếm 65%, hướng dốc chính Tây Bắc - Đông Nam Nằm ở khu vực nhiệt đới gió mùa, mỗi năm chịu ảnh hưởng từ 6 đến 10 cơn bão và áp thấp nhiệt đới, theo đó là mưa lớn gây lũ lụt, lượng mưa trung bình năm tương đối lớn, gần 2.000mm/năm, trong đó khu vực lớn nhất là Trung Trung Bộ 2.700mm/năm, nhỏ nhất

là Nam Trung Bộ 1.300mm/năm Khu vực miền núi, có địa hình sườn dốc cao, hoạt động phát triển kinh tế - xã hội chưa được qui hoạch hợp lý, nên các hiện tượng trượt

lở đất, lũ bùn đá và lũ quét thường xảy ra

Theo số liệu thống kê, từ năm 2000 đến 2014, đã xảy ra 250 đợt lũ quét, sạt lở ảnh hưởng tới các vùng dân cư, làm chết và mất tích 646 người, bị thương gần 351 người; hơn 9.700 căn nhà bị đổ trôi; hơn 100.000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng; hơn 75.000 ha lúa và hoa màu bị ngập; hàng trăm ha đất canh tác bị vùi lấp; nhiều công trình giao thông, thuỷ lợi, dân sinh kinh tế bị hư hỏng nặng nề, tổng thiệt hại ước tính trên 3.300 tỷ đồng Các tỉnh thường xuyên xảy ra lũ quét, sạt lở đất nhất gồm: Lào Cai,

Hà Giang, Lai Châu, Sơn La, Cao Bằng, Bắc Cạn, Yên Bái, Nghệ An, Hà Tĩnh, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Bình Thuận [2]

Một số trận sạt lở đất điển hình trong những năm qua như sau:

- Sạt lở đất núi tại tỉnh Lào Cai năm 2004 đã làm 22 người chết và mất tích và

16 người bị thương, trong đó có hộ cả gia đình thiệt mạng

- Lũ, lũ quét, sạt lở đất sau bão số 4 và số 6, tại Lào Cai, Yên Bái năm 2008 làm 120 người chết và mất tích

- Sạt lở đất tại xã Pắc Nậm, Bắc Kạn năm 2009 làm 13 người chết và mất tích,

5 người bị thương

- Sạt lở đất năm 2014: Do ảnh hưởng của hoàn lưu bão số 2 và mưa lớn đã xảy

ra các trận lũ quét và sạt lở đất trên địa bàn các tỉnh miền núi (Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng, Sơn La…) làm chết và mất tích 24 người, trong đó có 2 gia đình ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì bị thiệt mạng tới 5 người trong nhà

Nhà máy thuỷ điện A Lưới nằm trên sông A Sáp, thuộc địa bàn huyện A Lưới, tỉnh Thừa thiên Huế, nơi tiếp giáp với nước bạn Lào Thuỷ điện A Lưới nằm trong hệ thống điện Quốc gia, cung cấp điện cho toàn quốc, góp phần làm tăng độ ổn định và tin cậy của hệ thống điện Quốc gia Hiện nay công trình đang trong giai đoạn vận hành với công suất 170MW, điện lượng bình quân năm 649 triệu kWh

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, nằm trong các thành tạo địa chất tuổi từ Ocdovic - Silua và các pha xâm nhập Paleozoi muộn 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 tượng 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 HIỆN TƯỢNG MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

1.1.1 Giới thiệu

Mất ổn định mái dốc của các công trình xây dựng khi đưa vào khai thác thường xuyên xảy ra và gây ra những thiệt hại về nặng nề về tài sản cũng như con người, đồng thời ảnh hưởng lớn đến sự vận hành bình thường của các công trình xây dựng

Mất ổn định mái dốc có thể do các nguyên nhân sau: tăng cao độ dốc của sườn dốc khi cắt xén, khi đào hoặc xói lở, khi thi công mái dốc; giảm độ bền của đất đá do biến dổi trạng thái vật lý khi ngấm 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 (xói ngầm, chảy trôi, biến thành trạng thái cát chảy ), biến đổi trạng thái ứng suất của đất đá ở trong đới hình thành sườn dốc và thi công mái dốc; các tác động bên ngoài như: chất tải lên sườn dốc, tác động địa chất và bị địa chấn

Mất ổn định mái dốc đào có chiều sâu đào lớn thường xảy ra rất phổ biến mặc dù trong quá trình thiết kế đã tính toán và phân tích rất chi tiết nhưng vẫn không tránh khỏi những rủi ro không mong muốn Có rất nhiều nguyên nhân (chủ quan và khách quan) gây nên hiện tượng mất ổn định mái dốc đào, tuy nhiên vấn đề mất ổn định dài hạn (mất ổn định trong quá trình khai thác) thường xảy ra chủ yếu vào mùa mưa lũ (hình 1.1) Sự thay đổi mực nước ngầm trong mái dốc đào dẫn đến trạng thái ứng suất ở sườn dốc bị thay đổi theo chiều hướng bất lợi, đồng thời làm giảm sức chống cắt của đất đá

Hình 1 1: Sụt đất tại Km 859 + 419 đường HCM (17/12/2008) [8]

Hình 1 2: Mất ổn định Sụt lỡ [3]

1.1.2.2 Trượt

Là hiện tượng cả khối đất đá trên sườn đồi hay mái dốc chuyển dịch như một cơ thể xuống phía dưới chân dốc theo một hoặc vài mặt trượt rõ rệt (hình 1.3), mặt trượt có thể liên tục, gãy khúc hoặc có dạng cung tròn Hiện tượng mất ổn định này thường xảy ra với tốc độ chậm, tuy nhiên ở giai đoạn cuối có thể đột ngột di chuyển nhanh

Ở dạng di chuyển này, khối đất đá cơ bản không bị xáo động trong khi trượt dọc theo một mặt xác định Về kết cấu, có hai dạng trượt sau:

- Trượt tịnh tiến: là sự di chuyển tuyến tính của khối đất đá dọc theo mặt phẳng phân lớp hoặc sự di chuyển của lớp đất nằm gần mặt đất dốc Sự di chuyển mất ổn định này thường khá nông và song song với mặt đất (hình 1.3)

Sụt lở

- Trượt xoay: thường gặp trong đất đính hay đá mềm yếu đồng nhất Sự di chuyển diễn ra dọc theo mặt cắt cong theo cách khối trượt tụt xuống ở gần đỉnh mái dốc và đẩy trồi gần chân dốc (hình 1.4)

Trượt dòng thường xảy ra trong đất yếu bão hòa nước khi áp lực nước lỗ rỗng tăng

đủ để làm mất toàn bộ độ bền chống cắt Mặt trượt thực hầu như không có hay chỉ biểu hiện từng lúc

Tùy theo dòng đất đá di chuyển có hoặc không có chứa lẫn nước khi trôi, thường phân biệt hai trường hợp: dòng đất đá khô và dòng ướt

Hình 1 5: Mất ổn định do trượt dòng [8]

1.1.2.4 Đá đổ, đá lăn

Là hiện tượng các tảng đá, khối đá từ trên cao của mái dốc bị lở và rơi tự do đồ thẳng xuống mặt đường gây cản trở giao thông và mất ổn định cho mái dốc

Hình 1 6: Hiện tượng đá đỗ, đá lăn (Nguồn internet)

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

Sự thay đổi các điều kiện như mưa, thoát nước, chất tải hay sự ổn định bề mặt thường thúc đẩy sự phá hoại mái dốc Các biến đổi đó có thể xảy ra ngay sau khi xây dựng hoặc phát triển chậm chạp trong nhiều năm, hoặc xảy ra đột ngột ở thời điểm bất kì

Phân tính các mái dốc đào cũng như mái dốc đắp, cần thiết phải xem xét cả điều kiện ổn định tức thời và lâu dài, đồng thời cũng cần thiết xem xét phá hoại có thể có theo mặt trượt mới tạo ra hay theo mặt trượt đã tồn tại trước, do hiện tượng trượt đã xảy ra trước đó để lại Hiện tượng trượt dọc theo mặt trượt đã tồn tại trước chỉ có ở nơi các chuyển vị lớn, có thể là vài mét, đã xảy ra Trượt theo mặt trượt mới tạo thành xảy ra khi bên trong khối đất đá chắc chắn đạt tới độ bền giới hạn (hay độ bền đỉnh) thì sẽ xuất hiện một mặt trượt mới Việc lựa chọn các thông số chỉ được tiến hành sau khi đã xem xét cẩn thận lịch sử ứng suất và trạng thái thoát nước đã dự đoán trước

Nguyên nhân gây nên hiện tượng mất ổn định mái dốc đào có thể chia làm 2 nhóm chính:

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

- Các nguyên nhân thuộc về 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 và quá trình biến đổi hóa lý: sự dao động nhiệt độ làm phá vỡ kết cấu đất đá; sự thủy hóa, sự hấp phụ nước của các khoáng vật sét khi tăng độ ẩm; nước ngầm hòa tan và mang đi các thành phần dễ hòa tan có trong đất đá (muối cacbonat, sunfat, );

- Các nguyên nhân về địa hình, địa mạo: độ dốc của mái dốc lớn, mái dốc trơ trụi

ít cây cỏ làm đất đá dễ bị xói mòn, dễ bị phong hóa dẫn đến sự mất ổn định mái dốc

1.1.3.2 Nhóm các nguyên nhân tăng lực gây trượt

- Các nguyên nhân làm tăng tải trọng trên mái dốc (đào): nước mặt và nước ngầm thấm đầy lỗ rỗng đất đá; đất đá trượt, sụt lở từ phía trên rồi tích lại trên sườn dốc (hình 1.6), (hình 1/7)

- Các nguyên nhân gây phá hoại chân mái dốc đào: dòng nước mặt mùa lũ chảy xói chân mái dốc; không gia cố, rãnh biên quá dốc dẫn đến xói chân mái dốc

- Các nguyên nhân gây chấn động đất đá: động đất, nổ mìn khai thác đá hoặc xây dựng đường, (hình 1.8)

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

Hình 1 7: Sạt lỡ Nhà máy Thủy điện Bản Vẽ do mƣa lớn kéo dài

Hình 1 8: Sạt lỡ tại mái dốc nhà máy Thủy điện Sử Pán 2 do mƣa lớn nhiều ngày

Hình 1 9: Sạt lở mỏ đá Thủy điện Bản Vẽ do chấn động nổ mìn

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 Lăng thể trượt được coi là một cá thể, điều kiện trượt chỉ xảy ra tại mặt đáy của lăng thể trượt Khi tính toán, lăng thể trượt có thể được chia thành các mảnh chia nhỏ với mặt giữa các mảnh là thẳng đứng và không xảy ra điều kiện trượt trên các mặt phẳng này (phương pháp phân mảnh)

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 Do đó những phương pháp này khá đơn giản và yêu cầu các tham số đầu vào khi tính toán thường là trọng lượng riêng, lực dính, góc ma sát trong của đất (những thông số cơ bản của đất có thể được xác định bằng những thí nghiệm kinh điển trong cơ học đất)

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

Sức chống cắt của đất được biểu diễn bởi quan hệ tuyến tính Morh-Coulomb (hình 1.9), trong đó ứng suất cắt ở trạng thái giới hạn phá hoại và ứng suất cắt gây trượt có thể xác định theo công thức:

f = Su = c + tan (điều kiện ứng suất tổng) (1.1)

f = S’u = c’ + ’tan’(điều kiện ứng hữu hiệu) (1.2)

 = f/F (1.3) Trong đó:

c’, ’ - lực dính và góc ma sát riêng trong giai đoạn ứng suất hữu hiệu

Su, Su’ - sức kháng cắt của đất (độ bền cắt) trong điều kiện ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu

F - hệ số an toàn (FOS, một số tài liệu sử dụng ký hiệu K), có thể được xác định bằng 3 cách: cân bằng giới hạn, cân bằng lực và cân bằng moment như hình 1.6

- Điều kiện cân bằng giới hạn: hệ số an toàn F được xác định dựa trên tỷ số sức chống trượt và ứng suất gây trượt (hình 1.6)

+ Trường hợp ổn định dài hạn (ứng suất hữu hiệu):

- Điều kiện cân bằng lực: hệ số an toàn được xác định dựa trên tỷ số giữa tổng lực giữ và tổng lực gây trượt của khối trượt (hình 1.6b)

F= Tổng lực giữTổng lực gây trượt=

SW.sin =

N.tan c.LW.sin (1.5) Trong đó: c - lực dính dơn vị;

L - chiều dài tổng cộng lăng thể trượt;

N - lực pháp tuyến tổng cộng;

W - trọng lượng lăng thể trượt;

- góc nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang của lăng thể trượt

- Điều kiện cân bằng môment: hệ số an toàn được xác định dựa trên tỷ số giữa tổng mô ment giữ và tổng mô ment gây trượt của khối trượt (hình 1.6c)

F = Tổng momen giữTổng momem gây trượt=

R∫ Su

L

0 dlW.x (1.6) Trong đó:

Su - sức chống cắt đơn vị (trên 1m chiều dài mảnh trượt);

Hệ số an toàn F có thể rất nhạy cảm với sự thay đổi của thông số này, nhưng lại tương đối không nhạy cảm với một số thông số khác Việc xác định hệ số an toàn tối thiểu F phải căn cứ trên các quan điểm về kinh tế, có xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng Trường hợp mẫu thí nghiệm không đủ đại diện hay quy trình thí nghiệm không chắc chắn

và đặc biệt khi dùng giá trị giả định cho các thông số chính, thì hệ số an toàn phải được tăng lên tương ứng Trong trường hợp này có thể tham khảo sử dụng các trị số tính toán như sau:

- Ổn định ở cuối giai đoạn thi công của mái dốc đào và đắp: F = l,30;

- Theo điều kiện thấm ổn định: F = 1,25;

Bảng 1 1: Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo LEM

Phương pháp

Hệ số an toàn (F)

Giả định lực tương tác giữa các mảnh trượt theo phương ngang (H) và đứng(V)

Cân bằng lực

Cân bằng

mô men

Fellenius - Yes Bỏ qua H, V

Bishop (1955) - Yes Bỏ qua V, chỉ xét H

Đơn giản hoá Janbu (1954) Yes - Bỏ qua V, chỉ xét H

Spencer (1967) Yes Yes Có xét cả H và V

Morgestcrn-Price (1960) Ycs Yes Có xét cả H và V

GLE Yes - Có xét cảH và V

Để so sánh kết quả tính toán hệ số an toàn theo các phương pháp khác nhau, Fredlund và Krahn (1977) đã tiến hành phân tích trên mái dốc giả định và rút ra kết luận như sau:

Phương pháp đơn giản hoá Bishop, Morgcnstern-Price và Spencers cho kết quả hệ

số an toàn khá giống nhau (độ sai khác <0,1%); Phương pháp Fellenius cho kết quả thiên

về an toàn, hệ số an toàn thấp hơn so với phương pháp đơn giản hoá Bishop

Phương pháp Janbu cho kết quả sai khác ± 15% so với các phương pháp Spencer vàMorgenstern-Price

Hình 1 11: So sánh hệ số an toàn trên mái dốc giả định

1.2.2 Phương pháp trạng thái giới hạn

1.2.2.1 Phương pháp PTHH trong phân tích ổn định mái dốc

Lý thuyết trạng thái giới hạn sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) 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)

Phân tích ổn định mái dốc bằng phương pháp phần tử hữu hạn có các ưu điểm sau:

- Mặt trượt không cần giả định trước Mặt phá hoại diễn ra khi sức kháng cắt của đất thấp hơn so với 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 (c, υ) của vật liệu mái dốc

được giả định giảm dần cho đến khi mái 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

1.2.2.2 Phương pháp suy giảm sức chống cắt (SRM)

Lý thuyết phân tích dựa trên sự giảm sức chống cắt của đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn lần đầu tiên được đề xuất bởi Zienkiewicz (1975) Điểm Gauss A của một phần tử trong mái dốc cần tính toán hệ số an toàn được thể hiện như hình 1.8 Trạng thái ứng suất tại thời điểm này được thể hiện trong một vòng tròn Mohr Để mô phỏng mặt trượt, sức chống cắt tại điểm A được chia cho một hệ số an toàn, F, cho đến khi vòng tròn Mohr biểu diễn trạng thái ứng suất của mặt trượt hư cấu (ảo) tiếp xúc với đường bao phá hoại Trạng thái ứng suất tại điểm A lúc này tương ứng với trạng thái phá hoại Mái dốc bị mất ổn định tổng thể (phá hoại) khi số lượng các điểm trong mái dốc đạt đến trạng thái phá hoại tăng Trị số F tương ứng với trạng thái giới hạn đạt được, được gọi là hệ số

an toàn tối thiểu của mái dốc

Hình 1 12: Thay đổi trạng thái ứng suất tại điểm A theo phương pháp SRM 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 sự thay đổi mực nước ngầm

Sự ổn định của mái dốc phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng Trong quá trình thi công khối đất, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng lên và sẽ giảm dần xuống

sau khi thi công, do đó 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, hay nói cách khác mái dốc đắp sẽ đảm bảo ổn định hơn sau khi thi công (hình 1.9)

Hình 1 13: Diễn biến thay đổi ứng suất khi thi công mái dốc

Ngược lại đối với mái dốc đào, việc thi công đào lúc đầu sẽ làm giảm áp lực nước

lỗ rỗng, nhưng khi có dòng thấm chúng sẽ tăng dần lên, ứng suất hữu hiệu và độ bền chống cắt thường quan hệ nghịch với áp lực nước lỗ rỗng Vì vậy, hệ số an toàn giới hạn nhỏ nhất giảm dần theo thời gian, điều này có thể giải thích hiện tượng mất ổn định đã xảy ra của nhiều mái dốc đào trong quá trình khai thác (hình 1.10)

Hình 1 14: Diễn biến thay đổi ứng suất khi thi công mái đào

1.2.3.1 Sức chống cắt của đất không bão hòa

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:

τ = c’ + (σa - ua).tgυ’ + (ua - uw).tgυb (1.7)Trong đó:

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

σa - ứng suất pháp tổng tác dụng lên mặt phá hoại;

Hình 1 15: Sức chống cắt của đất không bão hòa

1.2.3.2 Đường cong đặc trưng đất – nước

Đường cong đặc trưng đất nước (Soil Water Characteristic Curve, SWCC) 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 Nó khống chế các đặc tính của đất không bão hòa như hệ số thấm, cường độ kháng cắt và biến thiên thể tích của đất Đây là đường cong biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm và độ hút dính của đất (Hình 1.13), có thể xác định trực tiếp từ các thí nghiệm trong phòng, ngoài trời hoặc xác định gián tiếp từ các mô hình toán học thông qua thông số cơ bản của đất

Hình 1 16: Đường cong đặc trưng đất - nước

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

Bài toán thấm là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế và thi công mái dốc đào Bài toán thấm có thể được chi ra: bài toán thấm không áp và bài toán thấm có

áp Dòng thấm qua mái dốc dào 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]

Vấn đề ổn định mái dốc chịu ảnh hưởng rất lớn từ dòng thấm - vị trí đường bão hòa Tuy nhiên, việc xác định vị trí của đường bão hòa là không đơn giản và là vấn đề được nghiên cứu nhiều bởi rất nhiều các nhà khoa học [4]

Có một số phương pháp xác định vị trí đường bão hòa như phương pháp về lưới thấm, áp dụng lý thuyết Dupuit Tuy nhiên, những phương pháp này chỉ áp dụng cho những trường hợp với điều kiện biên đơn giản, trong khi các công trình thực tế thường có điều kiện biên phức tạp nên thường được giải bằng các phương pháp số như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp thể tích hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn

Thông thường việc xác định hệ số thấm của mái dốc đào thông qua việc lấy mẫu

và thí nghiệm trong phòng Tuy nhiên, do tính phức tạp của điều kiện địa chất về sự thiếu chính xác của tài liệu địa chất thu thập được nên việc xác định chính xác hệ số thấm là một việc khó khăn Điều này dẫn đến khó khăn cho việc thiết kế công trình

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

Sự phát triển của phần mềm Plaxis được từ năm 1987 tại Đại Học Công Nghệ Deelf - Hà Lan Phiên bản Plaxis V.l ban đầu lập nhằm mục đích phân tích các bài toán

ổn định đê biển và đê sông tại các vùng bờ biển thấp tại Hà Lan Làm cầu nối giữa các kỹ

sư địa kỹ thuật và các chuyên gia lý thuyết do GS.R.B.J Brinkgreve và P.A Vermeer khởi xướng [11]

Đến năm 1993 công ty PLAXIS BV được thành lập và từ năm 1998, các phần mềm Plaxis đều được xây dựng theo mô hình phần tử hữu hạn Hiện nay, bộ phần mềm này có thể xem như gồm đầy đủ nhất những bài toán Địa kỹ thuật thường gặp trong thực

tế, thân thiện người dùng và được nhiều nước trên thế giới ưa chuộng

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

Hình 1 17: Sự phát triển của các phiên bảng phần mềm PLAXIS

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

1.4.2 Đặc trưng vật liệu trong Plaxis

Trong nội dung luận văn, tác giả sử dụng phần mềm Plaxis phân tích ổn định mái dốc chính diện nhà máy thủy điện A Lưới Dựa vào vật liệu gia cố và địa chất theo mặt cắt chính diện nhà máy, luận văn trình bày 3 mô hình vật liệu gồm: mô hình Morh - Coulomb mô phỏng vật liệu đất, mô hình Jointed Rock mô phỏng vật liệu đá và mô hình Linear elastic mô phỏng vật liệu gia cố

1.4.2.1 Mô hình Mohr - Coulomb(MC)

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]

+ Các thông số của mô hình Mohr – Coulomb:

E: Modun đàn hồi của vật liệu (kN/m2);

- Mô hình đơn giản, rõ ràng;

- Tiếp cận sớm với ứng xử của đất;

- Phù hợp cho nhiều ứng dụng thực tế;

- Ít số và thông số rõ ràng

+ Nhược điểm

- Chưa xét ảnh hưởng của 2

- Chưa xét sự phụ thuộc trạng thái ứng suất của các đặc tính đàn hồi

1.4.2.2 Mô hình Jointed Rock (JR)

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

Các thông số của mô hình Jointes Rock:

- El : Moduli đàn hồi của vật liệu (đá liền khối) (kN/m2);

- vl : Hệ số Posion (đá liền khối);

- E2: Modun đàn hồi của vật liệu (mặt yếu) (kN/m2);

Hình 1 18: Mô phỏng vật liệu đá - Mô hình Jointed Rock

1.4.2.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính (Linear elastic)

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

Hình 1 19: Mô phỏng vật liệu gia cố - Mô hình Linear elastic

Các thông số đầu vào của mô hình này gồm mô đun đàn hồi E, hệ số Poison Hạn chế của mô hình này được bộc lộ khi mô phỏng các ứng xử của đất nên mô hình thường chỉ được sử dụng chủ yếu mô phỏng các khối kết cấu cứng trong đất

Eref: Mođun đàn hồi của vật liệu

: hệ số Poison

1.4.3 Các bước mô hình hóa trong Plaxis

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

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Mất ổn định mái dốc đào là vấn đề thường gặp trong xây dựng công trình giao thông, thủy điện được xây dựng tại các vùng núi cao, có mái dốc lớn Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm, trong khi lực chống phá hoại (lực kháng

Lập mô hình hình học cho mặt cắt tính toán

Gán các điều kiện biên

Gán các đặc trưng vật liệu

Tạo lưới phần tử

Xác định điều kiện ban đầu

Xác định các giai đoạn tính toán

Tính toán

Hiển thị kết quả:

- Xuất các kết quả mong muốn

- Vẽ các biểu đồ, đồ thị

Thiết lập mô hình bài toán:

- Tên bài toán:

- Lựa chọn dạng mô hình

- Lựa chon phần tử tam giác 6 hoặc 15 phút

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

và thời gian

trượt) cơ bản là 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

Hình 2 1: Vị trí công trình thủy điện A Lưới

Dự án này là một dự án đa mục tiêu với các mục đích chính như sau:

- Phát điện, bổ sung công suất 170 MW cho mạng lưới điện Quốc gia, với sản lượng

điện trung bình hàng năm là 686,5 triệu KWh

- Xây dựng hồ chứa A Lưới sẽ có tác dụng bổ sung dòng chảy cho dự án thủy điện

Hương Điền trên sông Cổ Bi

- Hồ chứa A Lưới còn có tác động tốt về cải tạo môi trường sinh thái xung quanh

hồ Tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển du lịch của địa phương

2.1.2 Đặc điểm mái dốc

Công trình thủy điện A Lưới bao gồm các hạng mục chính sau đây: Đập dâng - đập tràn, kênh dẫn vào - cửa lấy nước, đường hầm dẫn nước, nhà máy, kênh xả, trạm phân phối

Nhà máy thủy diện A Lưới gồm 2 tổ máy, công xuất lắp máy 170MW, tuốc bin

gáo, nằm ở bờ phải suối nhánh đổ vào bờ trái sông Bồ có cao trình tự nhiên từ 78-90m Nhà máy là nhà máy hở có cao trình đặt máy 67.0m, đáy hố móng nhà máy dự kiến ở cao trình - 60m (hình 2.2)

Hình 2 2: Nhà máy thủy điện A Lưới

Hình 2.3 giới thiệu vị trí mặt bằng nhà máy và địa hình khu vực phạm vi xây dựng nhà máy Trong đó phạm vi đường biên đảo là mặt bằng thi công hoàn thành thi công xây dựng nhà máy mái dốc đảo nghiên cứu của luận văn, nằm sau khu vực Nhà máy thuỷ điện A Lưới thuộc xã Hồng Hạ, huyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế Theo thiết kế ban đầu phạm vi mái chính diện nhả 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, Đơn vị Tư vấn đã tiến hành thiết kế xử lý bằng giải pháp đào giảm tải

2.1.3 Kết quả khảo sát địa chất

Mặt cắt địa chất công trình hố móng nhà máy thủy điện theo tài liệu khoan thăm

dò nằm trong phạm vi phân bố đá điorit của phức hệ Bến Giằng - Quế Sơn (PZ3bg-qsl) gồm các lớp đất đá [6]:

- Lớp phủ edQ+IA1 có chiều dầy từ 4-16m;

- Đới đá phong hóa mạnh IA2 có chiều dầy từ 2-3m;

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

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

Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý và đặc trưng thấm của các lớp đất đá được cho

ở Bảng 2.1, Bảng 2.2, Bảng 2.3 và Bảng 2.4 (số liệu do PBCC1 thí nghiệm và cung cấp)

Hình 2 3: Mặt bằng nhà máy khi chưa xảy ra hiện tượng mất ổn định

Bảng 2 1: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đá [6]

Loại đá

Tỷ trọng (g/cm 3 )

Dung trọng (g/cm 3 )

Cường độ kháng nén (KG/cm 2 )

Cường dộ kháng kéo (KG/cm 2 )

Môđun biến dạng x

10 3 KG/m 2

Modun đàn hồi x

10 3 KG/m 2

Hệ tầng A IB 2.74 2.59 2.61 293 245 26 21 180 200 Vương, IIA 2.76 1.72 2.73 635 584 57 51 360 410 Long Đại IIĐ 2.76 2.73 2.74 950 886 87 79 430 480

Đá xâm IB 2.75 2.62 2.64 368 316 33 27 480 500

Dung trọng (g/cm 3 )

Bão hòa

Ghi chú

1 edQ + IA1 Á sét, sét lẫn

Phát triển trên tất cả các thành tạo đá gốc trong vùng

PR3-e1n2 e-O1av,O3-S1lđ paD1dl,PZ3bg-qs

K, m/ngđ Lugeon K, m/ngđ Lugcon K, m/ngđ Lugcon

- Đới thấm nước trung bình: Đới IA2; IB (a, b); IIA (b) của tất cả các loại đá gốc;

- Đới thấm nước yếu: Lớp phủ (edQ+IA1); đới IIA (a); IIB (b) của tất cả các loại

đá gốc;

- Đới không thấm nước: Đới IIB (a) của tất cả các loại đá gốc

Kết quả xác định các chỉ tiêu cơ lý đất đá qua công tác đo Địa vật lý được cho ở bảng 2.5 (số liệu do PECC1 thí nghiệm và cung cấp)

Bảng 2 5: Kết quả cơ lý đất đá qua công tác đo đạt vật lý [6]

Đối Giá trị

Vận tốc truyền sóng (km/s)

Hệ số Poatxong,



Mô đun (10 3 MPa)

Hệ số kháng đàn hồi (kG/cm 3 ),

K 0

dọc (Vp)

ngang (Vs)

Biến dạng

Đàn hồi

năm 2014 (sau khi mái dốc xảy ra sự cố mất ổn định), hố khoan QT5+ QT8 được khoan

bổ sung và tiến hành quan trắc từ tháng 7 năm 2015, hố khoan QT9 được khoan bổ sung

và tiến hành quan trác từ tháng 3 năm 2016 [6]

Hình 2 4: Mặt bằng bố trí hố khoan quan trắc mực nước ngầm

Dựa vào biểu đồ quan hệ lượng mưa và sự thay đổi mực nước ngầm cho thấy, hố khoan QT3 và QT4 có thời gian quan trắc lâu dài và biên độ thay đổi mực nước ngầm lớn nhất 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

Xét biểu đồ dao động mực nước ngầm và lượng mưa cho thấy:

+ Năm 2014 tổng lượng mưa đạt 283 1mm/năm;

+ Từ tháng 3 năm 2014 dến tháng 8 năm 2014, mực nước ngầm trong hố khoan suy giảm mạnh, tương ứng với những tháng có tổng lượng mưa nhỏ < 210mm Giai đoạn này mực nước ngầm rút nhanh do công tác thi công thoát nước trên mái dốc có hiệu quả;

+ Giai đoạn từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2014 mực nước ngầm lại tăng nhanh do