Nghiên cứu các vấn đề địa chất công trình tuyến đường hầm dẫn nước công trình thủy điện xeekaman 3 và lựa chọn các giải pháp xử lý thích hợp

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THANH NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC – CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN XÊKAMAN 3 – CỘNG HÒA DÂN CHỦ NHÂN DÂN LÀO VÀ LỰA CHỌN CÁC GIẢI PHÁP XỬ L

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THANH

NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC – CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN XÊKAMAN 3 – CỘNG HÒA DÂN CHỦ NHÂN DÂN LÀO VÀ LỰA CHỌN CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ THÍCH HỢP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

Danh mục các hình vẽ

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT CÔNG

TRÌNH ĐƯỜNG HẦM 5

1.1.Tổng quan về công trình ngầm (đường hầm thủy công) 5

1.1.1 Khái niệm chung 5

1.1.2 Một số công trình ngầm tiêu biểu ở Việt Nam 7

1.1.3 Đường hầm thủy điện Xêkaman 3 8

1.2 Phương pháp luận nghiên cứu địa chất công trình đường hầm 10 1.2.1 Nghiên cứu cấu trúc địa chất của đá 11

1.2.2 Nghiên cứu Địa chất công trình 12

1.2.3.Về phương pháp tính toán ổn định đường hầm 15

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG HẦM 31

2.1 Đặc điểm tự nhiên khu vực công trình thủy điện Xêkaman3 31

2.1.1 Đặc điểm địa lý 31

2.1.2 Đặc điểm địa hình - địa mạo 33

2.1.3 Địa tầng và magma xâm nhập 34

2.1.4 Kiến tạo 39

2.2 Đặc điểm địa chất công trình tuyến đường hầm 44

2.2.1 Điều kiện Địa chất công trình Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH PHÁT SINH TRÊN TUYẾN HẦM 60

3.1 Các sự cố có thể xảy ra khi thi công các công trình ngầm trong vùng đất đá yếu 60 3.2 Các lý thuyết về dự báo tai biến địa chất trong thi công các công trình

3.4 Mô phỏng các hiện tượng tai biến có thể xảy trong đường hầm dẫn

nước thủy điện Xekaman-3 ra bằng phần mềm Phase 2 82

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP XỬ LÝ TAI BIẾN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH CHO ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ĐIỆN XEKAMAN 3 87

4.1 Các biện pháp gia cố đất đá có điều kiện địa chất yếu 87

4.1.1 Phương pháp tạo ô vòm tiến trước 87

4.1.2 Phương pháp khoan phụt Error! Bookmark not defined 4.1.3 Phương pháp đóng băng nhân tạo.Error! Bookmark not defined 4.1.4 Phương pháp thoát nước hạ mực nước ngầmError! Bookmark not defined 4.2 Các loại kết cấu chống giữ ổn định cho công trình ngầm 100

4.3 Các phương pháp lựa chọn KCC thích hợp cho các công trình ngầm 101

4.3.1 Lựa chọn KCC thích hợp theo RQD 101

4.3.2 Lựa chọn KCC thích hợp theo Bienwski 104

4.3.2 Lựa chọn KCC thích hợp theo Cummings 105

4.4 Đề xuất biện pháp gia cố và loại kết cấu chống tạm phù hợp với các điều kiện địa chất của đường hầm dẫn nước thủy điện Xekaman 3 106

4.5 Mô phỏng và kiểm tra sự ổn định sau khi sử dụng kết cấu chống tạm thời thích hợp của đường hầm dẫn nước thủy điện Xekaman 3 bằng phần mềm Phase2 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

Trang Bảng 2.1 Bảng phân loại đứt gãy và khe nứt kiến tạo theo TCVN - 4253

- 86 41

Bảng 2.2 Giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của khối đá để thi công tuynen 58

Bảng 2.3 Giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của đất đá tại vùng tháp điều áp, đường ống áp lực hở và nhà máy 51

Bảng 2.4 Bảng giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của đất đá tại tuyến năng lượng và nhà máy 58

Bảng 3.1: Phân loại khối đá theo Deere (bổ sung kết quả của Hobbs và Ondera) 63

Bảng 3.2: Các tham số phân loại khối đá theo Bieniawski 65

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của vị trí khe nứt (đường phương, góc dốc) khi thi công hầm 66

Bảng 3.4: Chỉ số Jn chú ý đến số lượng các hệ khe nứt trong khối đá 67 Bảng 3.5: Chỉ số Jr xét tới độ ảnh hưởng của độ nhám của các bề mặt khe nứt 68

Bảng 3.6: Chỉ số Ja xét tới mức độ phong hóa bề mặt của các khe nứt 68 Bảng 3.7: Chỉ số Jw xét tới ảnh hưởng của nước ngầm 69

Bảng 3.8: Chỉ số SRF tính đến sự suy giảm ứng suất 70

Bảng 3.9: Phân loại chất lượng khối đá theo chỉ số chất lượng Q 71

Bảng 3.10: Bảng tra chỉ số ESR theo dạng công trình 72

Bảng 3.11: Mối quan hệ giữa hai hệ số Q và RMR 72

Bảng 3.12: Giá trị Q và RMR với tính chất khối đá 73

Bảng 3.13 Phân loại khối đá theo chỉ số độ bền GSIError! Bookmark

not defined

Bảng 3.15 Bảng tổng hợp chỉ số chất lượng khối đá theo từng đoạn 77 Bảng 4.1 Phạm vi áp dụng của các giải pháp đặc biệt tùy theo yêu cầu bảo

vệ riêng 99 Bảng 4.2: Kiến nghị gia cố hầm theo chỉ số chất lượng Q (N.Barton)103 Bảng 4.4: Đánh giá ổn định của tuyến hầm và kiến nghị gia cố 107 Bảng 4.5 Đánh giá ổn định của tuyến hầm theo thiết kế và theo đề xuất của tác giả 110

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Bố trí kết hợp đường hầm dẫn dòng thi công và tháo nước lâu

dài 6

Hình 1.2 Mặt cắt ngang đường hầm dẫn nước, thủy điện Xêkaman 3 khi thi công đào 9

Hình 1.3 Mặt cắt ngang đường hầm dẫn nước, thủy điện Xêkaman 3 khi đưa vào sử dụng 9

Hình 1.4 Các phương pháp số thông dụng hiện nay 15

Hình 1.5 Phương pháp lý thuyết và mô hình về khối đá 16

Hình 1.6 Sơ đồ lắp ráp thiết bị biến dạng và tạo áp lực nén 23

Phương pháp xác định cường độ kháng cắt 278

Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm cắt trụ đá 28

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ giữa biến dạng cắt và lực cắt theo mặt tiếp xúc đá-đá 29

Hình 1.9 Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng cắt và ứng suất pháp 30

Hình 2.1: Vị trí công trình thủy điện Xêkaman 3 - Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào 31

Hình 2.2: Sơ đồ vị trí công trình 44

Hình 2.3: Mặt cắt ĐCCT giai đoạn thiết kế thi công 53

Hình 2.4: Mặt cắt ĐCCT sau khi khảo sát bổ sung lần 1 44

Hình 2.5: Đồ thị khe nứt tại Gương 8 57

Hình 2.6: Đồ thị khe nứt tại Gương 9 58

Hình 3.1 Hiện tượng tróc lở đất đá trong hầm 60

Hình 3.4 Hiện tượng sụt lún trên mặt đất do CTN 61

Hình 3.5 Hiện tượng phá hủy biên công trình do đất đá mềm yếu 61

Hình 3.6 Hiện tượng phá hủy nền do đào phần vòm hầm 61

Hình 3.7 Hiện tượng mất ổn định hầm do nén ép của đất đá chân nền 62 Hình 3.8 Mô tả phần mềm Rocklap 82

Hình 3.9 Chia nút và đào mô hình trong Phase 2 83

Hình 3.10 Độ biến dạng và ứng suất xuất hiện xung quanh CTN 83

Hình 3.11 Trường ứng suất xung quanh CTN 84

Hình 3.12 Mô tả phần mềm Rocklap 84

Hình 3.13 Chia nút và đào mô hình trong Phase 2 84

Hình 3.14 Độ biến dạng và ứng suất xuất hiện trên biên CTN 85

Hình 3.15 Trường ứng suất xung quanh CTN 86

Hình 4.1 Thi công ô (vòm) bảo vệ bằng ống thép 86

Hình 4.2 Mô hình công trình sử dụng phương pháp ô ống bảo vệ 86

Hình 4.3 Thi công ô (vòm) bảo vệ bằng ống thép 86

Hình 4.4 Một vài loại ván thép, tấm chèn 90

Hình 4.5-a Gia công lưới thép 90

Hình 4.5-b Công tác thi công trải lưới thép 1011

Hình 4.6 Mô hình khoan phụt 1021

Hình 4.7 : Khoan phụt áp lực thấp 1042

Hình 4.8: Khoan phụt áp lực cao 93

Hình 4.9 Phương pháp đón đỡ của Bỉ 94

Hình 4.10 Sơ đồ thi công khoan phụt tạo vòm bảo vệ 94

Hình 4.11 Sơ đồ khoan phụt 94

Hình 4.12 Khoan phụt phủ đơn, phủ kép 95

Hình 4.15 Lựa chọn KCC thích hợp cho đường hầm -Merrit 101 Hình 4.16 Lựa chọn KCC cho đường hầm theo Barton (theo chỉ số chất lượng Q) 102 Hình 4.17 : Quan hệ giữa chiều rộng không chống, thời gian ổn định cho công trình ngầm và chỉ tiêu chất lượng khối đá RMR (Bieaniawski 1973)104 Hình 4.18: Sơ đồ lựa chọn loại hình chống giữ hợp lý cho công trình ngầm theo Cummings 1982 106 Hình 4.19: Sơ đồ chia nút và bố trí KCC tạm 108 Hình 4.20 Biến dạng xung quanh CTN và các ứng suất trên biên 109 Hình 4.21: Các hệ số an toàn tại các điểm xung quanh đường hầm và độ biên dạng lớn nhất của biên hầm khi có KCC tạm gia cố 109

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là Công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì công trình nào

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Nguyễn Thị Phương Thanh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất và đá là những đối tượng nghiên cứu cơ bản của địa chất công trình (ĐCCT) Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế,

xã hội đã có nhiều công trình lớn được xây dựng trên nền đá hoặc trong lòng khối đá Các công trình này chủ yếu là các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông Tính kinh tế, khả thi của việc xây dựng công trình lên trên hoặc vào trong lòng khối đá phụ thuộc đáng kể vào vào các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, địa cơ học, hay nói cách khác là điều kiện địa chất công trình của khối đá, ngoài ra là các yếu tố kỹ thuật, công nghệ Nếu như việc đánh giá các chỉ tiêu, các thông số ĐCCT của khối đất đá trong giai đoạn quy hoạch, thiết kế đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn quy hoạch, thiết kế phương án tuyến, lựa chọn kết cấu chống, cũng như tiến độ xây dựng của dự án, thì tiến hành khảo sát ĐCCT trong quá trình thi công sẽ làm rõ các điều kiện

cụ thể, nhằm hạn chế tai biến địa chất, điều chỉnh các giải pháp kỹ thuật Nghiên cứu khảo sát trong quá trình thi công có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì tính bất thường, biến động của các điều kiện địa chất công trình mà không thể đánh giá thỏa đáng được trong giai đoạn điều tra, khảo sát ban đầu Những tài liệu “cập nhật” địa chất này cũng rất quý, nếu sau này có các sự cố xảy ra đối với công trình Khi đó, dựa vào điều kiện địa chất công trình cụ thể tại vị trí xảy ra sự cố, các nhà kỹ thuật có thể nhanh chóng có được giải pháp xử lý thích hợp

Dự án thuỷ điện Xêkaman 3 nằm trong địa phận huyện Đăk Chưng, tỉnh Sêkong vùng nam Lào, giáp huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam của Việt Nam và cách biên giới Việt - Lào (cửa khẩu Đăk Ok) khoảng 23 km

Nhiệm vụ của đề tài này là nghiên cứu, tổng hợp, đánh giá, phân tích các vấn đề địa chất công trình khi thi công tuyến đường hầm dự án thuỷ điện

Xêkaman 3, Lào trong khối đá trầm tích Các kết quả, các kinh nghiệm nhận được sẽ cho thấy tầm quan trọng của công tác khảo sát địa chất công trình trong quá trình thi công, phép vận dụng khi khảo sát các công trình có điều kiện địa chất tương tự, nhằm hạn chế tai biến, rủi ro

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Nghiên cứu, tổng hợp và phân tích các vấn đề địa chất công trình tuyến đường hầm dẫn nước (tuyến năng lượng) - Công trình thủy điện Xêkaman 3 - Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào

Phạm vi nghiên cứu: tuyến hầm dẫn nước - Công trình thủy điện Xêkaman

3 - nằm trong địa phận huyện Đăk Chưng - tỉnh Sêkong vùng nam Lào

3 Mục tiêu của đề tài

Phân tích tổng hợp hệ thống các yếu tố địa kĩ thuật hay địa chất công trình, bao gồm các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, địa mạo, các đặc điểm địa cơ học, liên quan đến mức ổn định công trình ngầm

Đánh giá sự ổn định của tuyến đường hầm và dự báo các vấn đề địa chất công trình phát sinh trong và sau khi xây dựng

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Làm sáng tỏ các phương pháp phân loại chất lượng và xác định các đặc trưng cơ học của khối đá

- Đánh giá chất lượng và xác định các đặc trưng cơ học của khối đá tuyến hầm dẫn nước công trình thủy điện Xêkaman 3

- Đánh giá ổn định và đề xuất các giải pháp gia cố tuyến hầm dẫn nước công trình thủy điện Xêkaman 3

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về hầm thủy công và các phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của khối đá

- Phân tích đặc điểm cấu trúc địa chất tuyến hầm dẫn nước - công trình

thủy điện Xêkaman 3

- Phân tích đặc điểm ĐCCT tuyến hầm dẫn nước - công trình thủy điện Xêkaman 3

- Phân tích, đánh giá ổn định và đề xuất giải pháp gia cố tuyến hầm dẫn nước công trình thủy điện Xêkaman 3

6 Phương pháp nghiên cứu

Đề thực hiện đề tài nghiên cứu trên, học viên sử dụng một số phương pháp sau:

- Phương pháp thu thập và hệ thống hóa tài liệu: phân tích các tài liệu

ĐC, ĐCTV, ĐCCT, ĐVL để đánh giá sơ bộ điều kiện địa chất, địa mạo tại khu vực nghiên cứu

- Phương pháp địa chất, địa vật lý, địa kỹ thuật tổng hợp

- Phương pháp thực nghiệm: tiến hành khoan, đo địa vật lý, các thí

nghiệm địa chất thủy văn, địa chất công trình trong phòng và ngoài trời, đặc điểm thạch học, kiến trúc, cấu tạo, tính chất cơ lý của đá và tính chất hóa lý của nước dưới đất khu vực nghiên cứu

- Phương pháp tính toát lý thuyết với việc sử dụng các phần mềm chuyên dụng

- Phương pháp phân tích hệ thống: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự hình

thành, phát triển địa chất khu vực từ đó dự báo các vấn đề địa chất công trình

có thể xảy ra khi thi công công trình

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Góp phần làm sáng tỏ nguyên nhân, cơ chế hình thành tai biến địa chất công trình trên tuyến đường hầm dẫn nước - công trình thủy điện Xêkaman 3

- Là cơ sở phục vụ cho thiết kế, thi công công trình hầm dẫn nước thủy điện Xêkaman 3 nói riêng và là cơ sở thiết kế, thi công cho các công trình ngầm có điều kiện địa chất tương tự

8 Cơ sở tài liệu của luận văn

Cơ sở tài liệu để hoàn thành luận văn bao gồm:

- Các tài liệu khảo sát địa chất, điều kiện địa chất công trình phục vụ xây dựng công trình thuỷ điện Xêkaman 3

- Các kết tài liệu đo vẽ địa chất, khe nứt hố móng tuyến đường hầm dẫn nước, kết quả thí nghiệm mẫu đất đá …

9 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần Mở đầu, 4 Chương, phần Kết luận được trình bày trong 107 trang khổ A4, 22 bảng, 36 hình vẽ

Luận văn được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất Công trình - Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Nguyễn Huy Phương Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và luôn luôn ghi nhớ công lao

to lớn của người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình lựa chọn đề tài, xây dựng đề cương cho đến khi hoàn thành luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi của các thầy giáo trong Bộ môn Địa chất công trình, các Nhà Khoa học, các đồng nghiệp tại nơi công tác!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT CÔNG

TRÌNH ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG

1.1 Tổng quan về công trình ngầm (đường hầm thủy công)

1.1.1 Khái niệm chung

Công trình ngầm là các công trình được xây dựng trong lòng đất - dưới

bề mặt địa hình là lục địa hoặc dưới lòng sông, dưới đáy biển Hiện nay, việc

sử dụng công trình hầm rất phổ biến trên thế giới trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế Tuỳ theo mục đích sử dụng, phạm vi và phương pháp xây dựng ta có những loại hầm khác nhau: tuyến hầm tàu điện ngầm, hầm dẫn nước thủy điện, hầm đường sắt, hầm đường bộ… Đề tài của học viên có đối tượng chính là công trình ngầm - tuyến hầm dẫn nước (hầm thủy công) của thủy điện Xêkaman 3, do vậy tác giả sẽ tập chung giới thiệu tổng quan chính

về hầm thủy công

Đường hầm thuỷ công là loại công trình dẫn nước, thoát nước được xây dựng ngầm dưới đất, thường được thi công xuyên qua các núi đá Đường hầm thuỷ công có những đặc điểm chung của các loại công trình ngầm là chịu tác dụng của áp lực đất đá, nước ngầm từ phía ngoài Ngoài ra đường hầm thuỷ công cũng có đặc điểm riêng là thường xuyên chịu tác động của nước (các loại tác động cơ học, hoá - lý, sinh học) từ phía bên trong [15]

Đường hầm thuỷ công được sử dụng trong các trường hợp sau:

- Khi địa hình tại khu công trình đầu mối chật hẹp, bờ dốc, núi đá, không

có vị trí thích hợp để bố trí công trình dẫn, tháo nước hở;

- Khi phải dẫn nước, tháo nước cho trạm thuỷ điện ngầm;

- Khi tuyến dẫn nước qua vùng rừng núi, địa hình phức tạp;

- Khi tuyến kênh dẫn nước qua sườn núi dễ bị sạt lở, đá lăn

Nói chung, việc xây dựng đường hầm thuỷ công cần được luận chứng

trên cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật với các phương án công trình dẫn, tháo nước kiểu hở

Phân loại: Có thể phân loại đường hầm thuỷ công theo một số tiêu chí sau đây:

1 Theo nhiệm vụ:

a Đường hầm lấy nước và dẫn nước:

Đường hầm lấy nước được xây dựng để lấy nước từ hồ chứa, sông ngòi cho mục đích tưới, phát điện, cấp nước dân dụng, công nghiệp

Đường hầm dẫn nước được xây dựng trên tuyến dẫn nước tại những nơi có điạ hình phức tạp để rút ngắn tuyến hoặc giảm khối lượng, giá thành công trình

b Đường hầm tháo, thoát nước: có nhiệm vụ tháo lũ từ hồ chứa, dẫn dòng

thi công, tháo nước cho trạm thuỷ điện ngầm Trong thực tế thường kết hợp đường hầm dẫn dòng thi công với tháo lũ lâu dài (hình 1.1) Khi đó phần cửa vào đường hầm thường được đặt ở các cao trình khác nhau theo từng giai đoạn:

- Khi dẫn dòng thi công, cửa vào đường hầm đặt thấp để giảm cao trình

đê quai và khắc phục những khó khăn trong công tác lấp dòng

- Khi tháo nước lâu dài, cửa vào đường hầm được nâng lên cao hơn để phù hợp với điều kiện khai thác công trình, để giảm nhẹ lực đóng mở cửa van

Hình 1.1: Bố trí kết hợp đường hầm dẫn dòng thi công và tháo nước lâu dài [15] a- Đoạn vào của giai đoạn dẫn dòng thi công;

b- Đoạn vào của giai đoạn tháo nước lâu dài

2 Theo điều kiện thuỷ lực:

a Đường hầm có áp: là loại đường hầm có nước choán đầy mặt cắt khi

nó làm việc Áp lực nước từ bên trong đường hầm thường là lớn, vì cột nước

ở các hồ chưa có khi cao tới hàng trăm mét Ngoài ra, ở chế độ làm việc không ổn định vỏ đường hầm còn chịu tác động mạnh của áp lực nước va khi đóng mở các cửa van (thường xảy ra ở các đường hầm dẫn nước nối thẳng với

tổ máy của trạm thuỷ điện)

Đường hầm có áp thường được sử dụng trong các trường hợp:

- Khi mực nước thượng lưu thay đổi nhiều

- Khi yêu cầu dòng chảy phải có áp (đường hầm dẫn nước nối thẳng với

tổ máy thuỷ điện)

- Khi so sánh kinh tế - kỹ thuật cho thấy đường hầm có áp là lợi hơn

b Đường hầm không áp: là loại đường hầm mà khi làm việc, nước

choán không đầy mặt cắt (có một khoảng lưu không nhất định) So với đường hầm có áp thì ở loại này, áp lực nước tác dụng từ bên trong đường hầm nhỏ hơn nhiều; chế độ làm việc (chịu lực) của vỏ đường hầm cũng ít phức tạp hơn Tuy nhiên, trong tính toán thuỷ lực đường hầm không áp, cần chú ý đảm bảo chế độ chảy không áp ổn định, tránh các trường hợp chuyển đổi chế độ chảy sang bán áp, có áp

Đường hầm không áp được sử dụng khi:

- Mực nước thượng lưu và lưu lượng qua đường hầm ít thay đổi;

- Yêu cầu dòng chảy phải là không áp (khi đường hầm có kết hợp giao thông thuỷ);

- Khi so sánh kinh tế - kỹ thuật cho thấy đường hầm không áp là có lợi hơn

1.1.2 Một số công trình ngầm thủy công ở Việt Nam

Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây đã xây dựng một số đường hầm thủy công có quy mô từ nhỏ đến vừa như: đường hầm dẫn nước tưới thuộc

trạm bơm Nghi Xuân (Hà Tĩnh) dài L=160 m; chiều rộng B=1,8m và chiều cao H=2,2m (BXH = 1,8 X 2,2 m); đường hầm Truông Khấp (Nghệ An) có chiều dài L = 550 m; đường kính D = 2,9 m Một số ví dụ về các công trình thủy công được xây dựng trước đây như đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Hòa Bình có đường kính D = 8 m; đường hầm cho nhà máy thủy điện Yaly có đường kính D = 7m; đường hầm dẫn dòng của công trình Cửa Đạt (Thanh Hóa) có chiều dài L = 908 m; đường kính D = 9m; đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Nậm Chiến (Sơn La) có tổng chiều dài L = 14.129 m; đường kính D = 3,8 m; đường hầm dẫn dòng thi công của công trình đầu mối Nậm Chiến có chiều dài L = 224m; đường kính D = 9m v.v

1.1.3 Giới thiệu đường hầm thủy điện Xêkaman 3

Dự án thuỷ điện Xêkaman 3 nằm trong địa phận huyện Đăk Chưng, tỉnh Sêkong vùng nam Lào, giáp huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam của Việt Nam và cách biên giới Việt - Lào (cửa khẩu Đăk Ok) khoảng 23 km Đây là công trình có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho Cộng hòa dân chủ Lào, từ đó thúc đẩy được sự phát triển về kinh tế, chính trị cho khu vực tỉnh Sêkong- Lào nói riêng và của Cộng hòa dân chủ Lào nói chung Đây cũng là công trình biểu tượng cho tình hữu nghị giữa hai nước Việt - Lào

Đường hầm dẫn nước của thủy điện Xêkaman 3 là một bộ phận hết sức quan trọng trong việc xây dựng nhà máy thủy điện Xêkaman 3 Sau khi lựa chọn giữa nhiều phương án thiết kế, đường hầm được thi công theo phương

án hầm ngầm kết hợp một đoạn ống áp lực phương án hở Sau khi hoàn thành, đường hầm dẫn nước sẽ đưa nước từ đập chứa vào các tuabin tổ máy, sử dụng thế năng được tạo ra bởi sự chênh cao để phát điện Với chiều dài hơn 6km, đường hầm dẫn nước của thủy điện Xêkaman 3 đi qua rất nhiều vùng đất đá

có điều kiện địa chất phức tạp Điều này đã đặt ra vấn đề phải nghiên cứu rất

kỹ lưỡng các điều kiện địa chất mà đường hầm đi qua để từ đó có các biện pháp thiết kế, thi công hợp lý nhằm đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình

Hình 1.2 Mặt cắt ngang đường hầm dẫn nước, thủy điện Xêkaman 3 khi

thi công đào

Hình 1.3 Mặt cắt ngang đường hầm dẫn nước, thủy điện Xêkaman 3 khi

đưa vào sử dụng

1.2 Phương pháp luận nghiên cứu địa chất công trình đường hầm

Nghiên cứu địa chất công trình phục vụ xây dựng các công trình ngầm nói chung và công trình thủy công nói riêng thường được triển khai theo 2 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Giai đoạn quy hoạch, thiết kế, cũng còn gọi là giai đoạn dự

án tiển khả thi và khả thi;

- Giai đoạn 2: Giai đoạn thi công công trình

Trong thực tế, các tài liệu điều tra, khảo sát trong giai đoạn tiền khả thi, khả thi mang tính cục bộ, hay phân tán theo các điểm khả sát, thăm dò, không thể phản ánh được thỏa đáng sự biến động theo không gian và thời gian trong khối đá Khảo sát mang tính cập nhật trong quá trình thi công sẽ có được các hình ảnh xác đáng hơn về điều kiện địa chất cụ thể dọc tuyến hầm, nhờ đó có thể có nhận định về mức độ ổn định của khối đá, đưa ra các giải pháp kỹ thuật hợp lý hơn, góp phần tránh được các tai biến địa chất công trình

Phân tích, đánh giá các biểu hiện của khối đá để có nhận định về mức độ ổn định của chúng hiện tại sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó cần

kế đến là:

1 Các phương pháp phân loại khối đá, trong đó thông dụng hiện nay trên thế giới là phương pháp phân loại theo chất lượng lõi khoan RQD (Rock Quality Designatio) theo DEERE (1962), phương pháp cho điểm khối đá RMR (Rock Mas Rating) theo BIENIAWSKI (1973) và chất lượng đường hầm Q (tunnal Quality) theo BARTON, LIEN, LUNDE (1974);

2 Phương pháp lý thuyết, bao gồm các phương pháp giải tích và phương pháp số, trong đó phương pháp số ngày càng chiếm ưu thế, do giải được các bài toán có các điều kiện hình học, điều kiện biên và mô hình khối

đá phức tạp, chú ý nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau

Nói chung các phương pháp này đòi hỏi phải có được các thông tin đầy đủ

về khối đá và đó cũng là nhứng khó khăn ở nước ta hiện nay, do thiếu các phương tiện nghiên cứu hiện đại

Một số công tác nghiên cứu liên quan được giới thiệu khai quát dưới đây

1.2.1 Nghiên cứu điều kiện ĐCCT

Khảo sát ĐCCT có ý nghĩa quyết định đối với việc chọn tuyến và vị trí đặt công trình ngầm và kết cấu của nó, xác định phương pháp và tiến độ thi công, giá thành công trình Thành phần và khối lượng khảo sát ĐCCT đối với công trình thủy lợi ngầm được xác định theo tiêu chuẩn ngành tương ứng Khi nghiên cứu cấu trúc địa chất của vùng và điều kiện xây dựng công trình ngầm, cần phải là rõ các yếu tố sau:

- Thành phần thạch học (khoáng vật và hóa học), các đặc điểm trầm tích (cấu trúc và nguồn gốc), đặc điểm cấu tạo (thế nằm và phân bố của các phần),

sự phổ biến, độ lớn và thế nằm của các khối đá núi khác nhau, tính bảo tồn và mức độ phong hóa của chúng

- Sự tồn tại, đặc trưng và xu thế của các cấu trúc uốn nếp và kiến tạo khác nhau, vùng bị cà nát, các hang karst (cactơ), đặc trưng và xu thế của các

hệ thống khe nứt chính, áp lực đá lên khung chống và lớp lót đường hầm, khả năng trương nở của đá núi

- Các điều kiện ĐCTV: sự tồn tại của các đới chứa nước, thấu kính nước dưới đất, sự phân bố và tính ổn định của chúng, tính thấm nước của đá núi (hệ

số thấm), phân bố của áp lực nước ngầm theo tuyến đường hầm, tính chất hóa học và tính xâm thực của nước, khả năng và hệ quả của mối liên hệ của nước ngầm và nước mặt trong thời gian xây dựng và khai thác công trình ngầm

- Tính chứa khí của khối đá , liên quan đến khả năng thoát khí hay phụt khí cùng với đất đá trong quá trình thi công

- Các điều kiện nhiệt độ, địa nhiệt

- Tính chất cơ lý của đá trong khối có xét đến tính nứt nẻ, độ ẩm, phong

hóa (độ bền, tính biến dạng, các thông số chống cắt v.v )

- Trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đá ở vùng có công trình (có xét đến ảnh hưởng của hoạt động động đất của vùng xây dựng và hoạt động kiến tạo mới nhất)

Biết được các yếu tố này sẽ cho phép chính xác hóa tuyến của đường hầm, đánh giá đúng đắn tính chất và khả năng chịu tải của khối đá, xác định được tải trọng lên công trình và từ đó sẽ tìm ra giải pháp kết cấu và thi công tối ưu trong quá trình thiết kế và xây dựng

Trước khi bắt đầu thiết kế đường hầm, kỹ sư thiết kế chính phải đưa ra nhiệm vụ khảo sát trong đó xác định thành phần và khối lượng công tác khảo sát theo từng giai đoạn thiết kế, cấp công trình, điều kiện công tác, phạm vi và mức độ nghiên cứu địa chất của khu vực xây dựng

1.2.2 Nghiên cứu đặc điểm địa kỹ thuật môi trường đất đá

a Sự phân vỉa và tính nứt nẻ của đá

Để xác định đặc trưng và mức độ của đá núi phải chỉ ra được các kiểu khe nứt nguyên sinh (theo nguyên nhân hình thành), mức độ dày đặc, độ rộng, độ dài của khe nứt, độ nhám bề mặt, thành phần và tính chất của chất lấp nhét

Trong quá trình đo vẽ địa chất công trình cần phải chỉ ra được thông tin

về các yếu tố thế nằm của khối đá và hệ thống cơ bản của khe nứt; điều này là cần thiết cho tính toán thiết kế

Việc đào và gia cố đường hầm sẽ được giảm nhẹ khi trục của đường hầm vuông góc với đường phương của vỉa Khi trục của đường hầm song song với đường phương nhưng mặt vỉa thẳng đứng, việc đào hầm cũng không phải là đặc biệt phức tạp chừng nào độ bền về trượt giữa các vỉa chưa bị phá vỡ Nếu trục đường hầm song song với đường phương và mặt vỉa nằm ngang thì sẽ phát sinh khó khăn khi các vỉa mỏng, nhịp đào lớn và có vòm cong

Bất lợi nhất đối với ổn định của khối đá là khi hệ thống khe nứt có phương song song với tuyến đào và các khe nứt có góc đổ (góc cắm) 400 ÷

700, nghĩa là tạo thành một góc nhọn với mặt vòm và trong khe nứt có chất lấp nhét loại sét, có mặt trượt

Việc lượng hóa tính nứt nẻ của khối đá được thực hiện theo đại lượng

mô đun nứt nẻ M (số lượng khe nứt trên 1mét của chiều dài tuyến được quan sát của khối đá theo hướng vuông góc với mặt phẳng khe nứt, loại trừ các khe nứt nhỏ nằm trong các khoáng vật mà độ bền của nó không thấp hơn độ bền của đá gốc), và theo hệ số rỗng do khe nứt Kkn (thể tích rỗng do khe nứt trong một đơn vị thể tích của khối, %) Mức độ nứt nẻ của khối đá được phân nhóm theo các đại lượng này như trên bảng 1.1

Bảng 1.1: Đánh giá mức độ nứt nẻ của khối đá

TT Mức độ nứt nẻ của

khối đá

Khoảng cách trung bình giữa các khe nứt (m)

Mô đun nứt nẻ M

Hê số rỗng do khe nứt Kkn,%

đường phương của các lớp đá, thì cần lưu ý rằng ở nếp lõm, áp lực khối đá sẽ lớn hơn ở nếp lồi Đối với các đường hầm đặt giao cắt với đường phương của các lớp đá, thì khi đào qua các nếp lồi, phần vào và ra sẽ chịu áp lực lớn hơn phần giữa; còn khi chạy qua các nếp lõm thì có quy luật ngược lại

Áp lực đá thường thay đổi theo thời gian Ở thời kỳ đầu, sau khi đào hầm

nó có thể tăng lên rất nhanh (đặc biệt là trong các lớp không phải là đá); sau

đó mức độ tăng chậm dần lại và đi đến ổn định Quá trình này diễn ra trong vài tuần cho đến một số tháng và trong nhiệm vụ khảo sát địa chất cần phải xác định thời gian này cũng như đặc trưng tăng của áp lực đá núi và trị số của

nó trên toàn tuyến đường hầm

Cần đặc biệt chú ý dự báo sự trương nở của đá liên quan với tăng diện tích bề măt, áp lực trương nở của đá do thể tích của chúng tăng lên Trường hợp khoang đào nằm ở độ sâu lớn, khi trị số H lớn (- khối lượng thể tích của đá; H - chiều sâu từ mặt đất đến khoang đào), sự trương nở thường hình thành do chảy dẻo của đá Ở các độ sâu nhỏ, sự trương nở chủ yếu là ở dạng

nở thể tích của đá Sự trương nở sẽ làm tăng đột ngột áp lực đá mà trị số của

nó khi có khung chống cứng sẽ đạt đến 2 ÷ 4 MPa, đòi hỏi phải có khung chống và lớp vỏ hầm

Sự trương nở có thể xuất hiên trong đá có hàm lượng sét lớn (sét, phiến sét, mácnơ yếu, alơvrôlít, acgilit, tuf, milơnít v.v ) có giới hạn bền khi nén đến 20 ÷ 30 MPa Sự trương nở gia tăng cùng với độ ngậm nước của đá, sự tăng chiều sâu khoang đào, cường độ của lớp đá bị trương nở Các biên pháp chống trương nở như lắp dựng neo (hay cũng gọi là anke), phun bê tông và các biên pháp gia cố khác không phải lúc nào cũng có hiệu quả và tiến trình xây dựng đường hầm thường sẽ bị kéo dài

Đối với các đường hầm không áp cấp I, có áp cấp I và II, áp lực đá núi lên khung chống hay lớp lót cần được xác định bằng nghiên cứu hiện trường

ở các bộ phận có các điều kiên địa chất công trình đặc trưng Phương pháp xác định áp lực đá núi ở hiện trường có thể là gián tiếp hoặc trực tiếp Phương pháp trực tiếp cho phép xác định được ngay áp lực này

Để tính toán áp lực đá lên kết cấu chống trong các đá tương đối yếu, hiện nay ở nước ta thường sử dụng hệ số kiên cố của đá fK, theo phân loại của giáo

sư Prôtôđiacanốp (trị số của nó bằng 10% giới hạn bền của mẫu đá khi nén một trục, tính theo MPa) Theo cách này có thể chia đá thành 3 nhóm: cứng (fK > 8), cứng trung bình (fK = 4÷ 8) và yếu (fK < 4)

1.2.3 Về phương pháp tính toán ổn định đường hầm

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp tính toán ổn định công trình ngầm Tùy theo từng điều kiện địa chất nhất định mà áp dụng phương pháp tối ưu nhất cả về kĩ thuật lẫn kinh tế Trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay đang sử dụng phương pháp số mà tiêu biểu là các phần mềm như trên hình 1.4

Các phương pháp số

Mô hình môi trường liên tục

Mô hình

vi phân

Mô hình tích phân

FDM

Phương pháp phần tử biên

BEM

Mô hình môi trường không liên tục

Mô hình khối, hạt

Phương pháp phần tử rời rạc

DEM

Phân tích biến dạng không liên tục

DDA Hình 1.4 Các phương pháp số thông dụng hiện nay [6]

Khó khăn cơ bản hiện nay là từ các tài liệu nghiên cứu địa chất công địa kỹ thuật, làm thế nào để có thể xây dựng các mô hình phục vụ cho tính toán, với các xu hướng phát triển, nghiên cứu như trên hình 1.5

trình-Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp giải tích kết hợp với phương pháp số để tính toán cơ học của khối đá Phương pháp được trình bày

lý thuyết như sau:

1.2.3.1 Khái niệm về khối đá

Khối đá là một bộ phận không gian nào đó của đá thuộc vỏ Trái đất Nó bao gồm các đơn thể cấu trúc, nhóm khoáng vật, các mặt phân lớp, phân phiến, các hệ khe nứt, vật chất lấp nhét, nước ngầm… Chúng hình thành nên cấu trúc khối đá và luôn chịu ảnh hưởng bởi các quá trình địa chất

Trên quan điểm cơ học, khối đá là một môi trường vật lý - cơ học hết sức phức tạp, khối đá có những đặc điểm cấu trúc đặc trưng riêng biệt Chính tổ

Loại khối đá

Cấu trúc địa chất

Địa tầng Mặt phân cách Đới phá hủy/Karst Nước/khí

Mô hình địa chất

Tham số cơ bản Các yếu tố ảnh hưởng

Biến động của các tham

số đầu vào

Loại biểu hiện

của khối đá

Biến động của các tham

số đầu vào

Mô hình địa cơ học

Các tham số cơ bản Các yếu tố ảnh hưởng

Loại tiêu chuẩn về biểu hiện

Hình 1.5 Phương pháp lý thuyết và mô hình về khối đá [6]

hợp các đặc điểm cấu trúc này sẽ xác định trạng thái cơ học của khối đá Trong thực tế, khối đá được hiểu là một không gian địa chất có kích thước

đủ lớn dùng làm nền móng công trình xây dựng hay làm không gian chứa đựng công trình xây dựng Do có kích thước lớn nên mức độ không đồng nhất về cấu trúc của khối đá thường rất cao so với mẫu đá Vì thế, các đặc trưng cơ học của khối đá luôn thấp hơn mẫu đá và phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc khối đá

1.2.3.2 Các đặc trưng cơ học chủ yếu của đá

Biến dạng là sự thay đổi hình dạng, kích thước nhưng không làm thay đổi khối lượng của vật thể dưới tác dụng của ngoại lực Biến dạng của đá phụ thuộc vào biến dạng của các khối nứt (cục đá, mẫu đá), vật chất lấp nhét, mức

độ hay độ mở của khe nứt, sự chuyển dịch của các khối nứt so với khối đá

Đặc trưng cho biến dạng đàn hồi của đá gồm có modul đàn hồi E (modul young) và hệ số biến dạng ngang  (hệ số poisson) Đặc tính của biến dạng đàn hồi là hồi phục và không phụ thuộc vào thời gian Mô hình cơ học biểu thị biến dạng đàn hồi là chiếc lò xo với modul đàn hồi E Để xác định modul đàn hồi người ta sử dụng thí nghiệm đàn hồi dựa trên nén mẫu theo từng cấp tải trọng

Đặc điểm của biến dạng dẻo lý tưởng là khi ứng suất chưa đạt đến giá trị giới hạn (giới hạn chảy) thì vật thể chưa bị biến dạng hình dạng, còn khi ứng suất đạt giá trị giới hạn thì vật thể biến dạng hình dạng và biến dạng này phát triển không ngừng theo thời gian Mô hình cơ học của biến dạng dẻo là

vật thể ma sát, ứng suất tác dụng tương ứng ở trạng thái cân bằng giữa lực tác dụng và trọng lượng, trọng lượng với lực ma sát đặc trưng cho giới hạn dẻo của vật liệu

Biến dạng chảy được đặc trưng bởi mối liên hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng, được mô hình hoá bởi phương trình chảy Newton Mô hình cơ học

mô tả quá trình chảy bao gồm xilanh chứa chất lỏng có hệ số nhớt và pitton gồm nhiều khe hở nhỏ và xilanh chuyển động một cách chậm chạp

Đá là loại vật liệu không đồng nhất (thành phần khoáng vật, độ lỗ rỗng, mức độ nứt nẻ…) nên có sức kháng khác nhau chống lại ngoại lực tác dụng trong các quá trình kéo và nén Do đó modul biến dạng phụ thuộc vào hướng của ngoại lực tác dụng Các đặc tính biến dạng của đá còn phụ thuộc vào loại hình và trạng thái ứng suất Giá trị modul biến dạng sẽ tăng lên trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái nén đơn trục sang trạng thái nén thể tích Hiện tượng này liên quan đến sự thay đổi khối lượng thể tích của đá…

Tóm lại, biến dạng của khối đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố (biến dạng của các khối nứt, vật chất lấp nhét, độ mở khe nứt và sự dịch chuyển) do đó phương pháp xác định các đặc trưng biến dạng khác nhau đưa ra kết quả không giống nhau Yếu tố quyết định đến đặc trưng biến dạng của khối đá là sự có mặt của các hệ thống khe nứt, độ mở của khe nứt và vật chất lấp nhét trong chúng

Đặc trưng độ bền

Tính chất của đá chống lại sự phá huỷ ứng với điều kiện thành tạo nên biến dạng dư lớn dưới tác dụng của tải trọng ngoài nghĩa là tiếp nhận tải trọng trong giới hạn và điều kiện nhất định mà không bị phá hoại gọi là độ bền của đá Độ bền cơ học của đá được đặc trưng bởi các chỉ tiêu cường độ kháng nén, kháng cắt, kháng kéo, kháng uốn…

Đối với đá, cường độ uốn rất khó xác định, cường độ kháng kéo thường rất nhỏ nên độ bền của khối đá chủ được đặc trưng bởi cường độ kháng cắt và cường độ kháng nén:

- Cường độ kháng cắt:

Cường độ kháng cắt của khối đá là đại lượng thể hiện giá trị ứng suất cắt tới hạn mà tại đó đá bị cắt (ký hiệu là s, tính bằng kG/cm2 hay MPA) Cường độ kháng cắt của đá nguyên trạng thường được xác định bằng thực nghiệm và có ý nghĩa rất lớn trong thực tế Các số liệu về cường độ kháng cắt có thể đặc trưng cho khả năng chịu tải và độ ổn định của đá

Với khối đá, cường độ kháng cắt có tính dị hướng rất lớn so với cường độ kháng nén Thường theo các hướng song song với mặt phân lớp hay các mặt khe nứt thì cường độ kháng cắt có giá trị thấp nhất Nếu trên mặt phân lớp chứa các chất có tính bôi trơn như sét, xerixit, mica… và nhất là nước thì độ bền cắt lại càng giảm mạnh Các số liệu về độ bền cắt của khối đá thường không ổn định

- Cường độ kháng nén :

Cường độ kháng nén của đá là đại lượng đặc trưng cho khả năng chống lại lực nén của đá, được xác định bằng ứng suất phát sinh khi khối đá bị phá huỷ dưới tác dụng của lực nén theo một trục

Cường độ kháng nén của khối đá thường rất thấp hơn nhiều so với mẫu

đá và phụ thuộc nhiều vào hướng tác dụng của lực Cường độ kháng nén của khối đá thay đổi trong phạm vi rộng, với các đá cứng, giòn, độ bền nén của khối đá thường biến đổi trong khoảng 5-30MPA

Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ kháng nén của khối đá bao gồm các yếu tố bên trong và các yếu tố bên ngoài

Có nhiều yếu tố bên trong bao gồm các yếu tố phản ánh bản chất của đá như thành phần khoáng vật, cấu trúc của đá Tuỳ thuộc vào tính chất của thành phần khoáng vật và cấu trúc mà yếu tố nào ảnh hưởng nhiều hay ít đến giá trị cường độ kháng nén của khối đá Theo qui luật chung, đá chứa nhiều hàm lượng khoáng vật bền vững (thạch anh, silic) thì có cường độ kháng nén lớn và ngược lại các đá chứa nhiều khoáng vật kém bền vững (các khoáng vật

sét) thì cường độ kháng nén thường nhỏ

Yếu tố cấu trúc ảnh hưởng rất lớn đến giá trị cường độ kháng nén của khối đá, trong yếu tố cấu trúc hạt, độ lỗ rỗng n và đặc điểm của mối liên kết kiến trúc là những yếu tố quan trọng, nhưng quan trọng nhất vẫn là độ lỗ rỗng, khi độ lỗ rỗng tăng thì cường độ kháng nén giảm

Ngoài ra, kích thước của hạt cũng ảnh hưởng đến giá trị cường độ kháng nén khi kích thước hạt càng lớn, diện tích tiếp xúc càng nhỏ thì cường độ kháng nén càng giảm và ngược lại

Các yếu tố bên ngoài rất đa dạng và phức tạp bao gồm yếu tố kích thước mẫu thí nghiệm, phương pháp gia tải, tốc độ gia tải…

Theo V.Đ.Lomtaze ‘‘kích thước hoặc thể tích của khối đá càng lớn thì xác suất phát hiện tính không đồng nhất của nó càng lớn và ngược lại kích thước hoặc thể tích của khối đá càng nhỏ thì xác suất này càng nhỏ’’ và ‘‘khi mẫu đá càng bé bao nhiêu thì khuyết tật nó có thể có càng ít bấy nhiêu, do đó

độ bền của đá theo số liệu kích thước nhỏ thường lớn hơn so với mẫu đá có kích thước lớn’’

Tốc độ tăng tải cũng ảnh hưởng rất lớn đến cường độ kháng nén vì qua thực nghiệm thấy rằng khi đặt tải với tốc độ lớn thì cường độ kháng nén có giá trị nhỏ vì tốc độ tăng tải lớn sẽ gây ra lực động do đó rễ gây ra phá huỷ khối đá cho nên cần tăng tải từ từ

Trong đại đa số trường hợp cường độ kháng nén của khối đá theo hướng vuông góc với các mặt phân lớp, mặt cấu trúc thì cao hơn so với theo mặt lớp, mặt cấu trúc

1.2.3.3 Các phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của khối đá

Để xác định chính xác các đặc trưng cơ học của khối đá, cần phải sử

dụng các phương pháp thí nghiệm hiện trường trên những khối đá có kích thước tương đối lớn và đặc trưng cho khối đá

Phương pháp xác định modul đàn hồi, modul biến dạng

+ Thí nghiệm bàn nén:

Bản chất của phương pháp này là tác dụng lực lên khối đá qua bàn nén, sau đó đo biến dạng khối đá Thí nghiệm này được tiến hành trong các hố đào hay trong hầm lò Tải trọng có thể tác dụng theo phương thẳng đứng hay nằm ngang bằng các kích thuỷ lực từ 50T đến 300T, qua các tấm bản nén tròn, vuông hay hình chữ nhật Dựa vào bài giải của V.J.Boussinesq về sự chuyển

vị bề mặt của không gian đàn hồi vô hạn dưới tác dụng của lực đặt vuông góc, đúng tâm để xây dựng nguyên lý thí nghiệm

Trên cơ sở lập các biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng xác định được modul đàn hồi và modul biến dạng tương ứng với các chu kỳ gia tải và giảm tải Như vậy dựa vào đường quan hệ S=f(p), có thể xác định giá trị modul riêng tại bất kỳ cấp tải trọng nào phù hợp với tải trọng công trình Hiện nay các thiết bị thí nghiệm đều đã được cải tiến với việc gắn các thiết bị quan trắc có độ chính xác cao để đo biến dạng Biến dạng đo được có thể ở tâm bàn nén hoặc đo biến dạng sâu (extensometer) để nghiên cứu modul biến dạng thật của khối đá trong và ngoài vùng ảnh hưởng của nổ mìn

Tuy nhiên các công thức trên chỉ đúng với trường hợp tải trọng phân bố đều trên toàn bộ diện tích đáy bệ, nghĩa là phải tiến hành gia công khối bê tông có kích thước 100x100x100 cm trực tiếp trên mặt đá đã được gia công bằng phẳng

Do phương pháp thí nghiệm bàn nén có nhiều hạn chế như việc gia công khối bê tông lớn phải đạt được cường độ yêu cầu mất rất nhiều thời gian, công tác lắp đặt thiết bị, dụng cụ đo biến dạng còn có nhiều hạn chế mặt khác

giá thành cho mỗi lần thí nghiệm cũng tương đối cao nên phương pháp này ít được tiến hành khi thí nghiệm hiện trường

+ Thí nghiệm nén tĩnh có đo biến dạng bằng giãn kế

Phương pháp này thường được thí nghiệm trong các hầm thí nghiệm Bản chất của phương pháp là dùng lực nén thông qua kích thủy lực làm biến dạng đá

và sử dạng các giãn kế lắp đặt trong khối đá để đo biến dạng của khối

Tiến hành khoan hai bên vách hầm hai lỗ khoan đối xứng nhau và lắp thiết bị đo giãn kế tại hai hố khoan này ở các độ sâu khác nhau như Hình 1.6

Khi nén tăng và giảm tải với các cấp áp lực nhất định, các thiết bị đo giãn kế sẽ xác định được biến dạng của khối đá và từ đó xác định được modul biến dạng của khối đá theo công thức 1.1

)1(

Z R Z W

QZ Z Z

R W

Q E

Z z

Z - Độ sâu đặt đầu đo biến dạng, mm

WZ - Biến dạng tại độ sâu Z, mm

Với biến dạng ở xung quanh biên bệ được tính theo công thức :

e W

QR E



 )1(

ở từng điểm riêng chỉ phản ánh được tính biến dạng tại các điểm đó không đại diện cho khối đá Nên giá trị biến dạng được tính trung bình cho tất cả các điểm đo để hạn chế nhược điểm này

Khi đo biến dạng trong khối đá dùng chung một đồng hồ để đọc giá trị trung bình của các điểm đo Thực tế đo biến dạng trong khối đá cho thấy có 3 hạn chế sau:

Thứ nhất: Ở cấp áp lực nhỏ không lắp đặt các điểm đo gần sát trên mặt bởi vì biến dạng tại các điểm này tương tự biến dạng trên mặt đá Khi thí nghiệm ở cấp áp lực nhỏ cho kết quả modul biến dạng không đúng vì chưa khép kín tất cả các vi khe nứt, khe nứt trong đá

Thứ hai: Khó có thể đánh giá hết những ảnh hưởng đến tính nguyên vẹn do lắp đặt thiết bị đo biến dạng bên trong khối đá Do vậy cần phải sử dụng những thiết bị có tính chính xác cao để giảm tối thiểu biến dạng của đá khi lắp đặt thiết bị đo biến dạng bên trong khối đá

Thứ ba: Đối với đá có modul lớn thì thiết bị có thể sẽ không đo được

chính xác biến dạng trong khối đá

Bỏ qua ảnh hưởng của thời gian chất tải đến kết quả tính toán Khi tính toán bỏ qua áp lực trong lịch sử của đá đã phải chịu Hệ số Poisson được xác định trong phòng thí nghiệm hoặc tra bảng theo loại đá

+ Thí nghiệm nén ngang thành hố khoan:

Phương pháp thí nghiệm nén ngang thành hố khoan hay còn gọi là phương pháp Pressionmetre Pressionmetre là một ống hình trụ đàn hồi, có thể nở ra dưới tác dụng của áp lực bên trong ống Phương pháp này xác định được chỉ tiêu modul biến dạng của khối đá theo phương ngang Thí nghiệm được tiến hành đơn giản trong hố khoan có thể xác định được modul biến dạng của khối đá nền ở các độ sâu khác nhau trong cùng một hố khoan tương ứng với các đới đá hoặc các loại đá khác nhau Về nguyên lý khi thả xuống hố khoan, dưới tác dụng của áp lực thuỷ lực, qua thành ống pressionmetre sẽ tạo nên áp lực phân bố đều trên thành hố khoan Tăng áp lực của thuỷ lực, thân ống pressionmetre bị biến dạng - biến dạng này coi như biến dạng của đá trên thành hố khoan và được ghi lại trên chỉ số của dụng cụ đo

Modul biến dạng xác định theo công thức

V

P E

P- gia số áp lực trong pressionmetre

V- gia số của thể tích ứng với gia số áp lực P

- trị số không đổi đối với bộ thiết bị thí nghiệm, được xác định khi hiệu chỉnh máy

- hệ số Poisson

Thực chất của phương pháp xác định modul biến dạng bằng thiết bị nén ngang thành hỗ khoan là nghiên cứu những biến đổi biến dạng của đất đá ở

vách hố khoan khi tác dụng nên thành hố khoan những cấp tải trọng tăng dần Vách hỗ khoan sau khi khoan không giữ được kết cấu thiên nhiên và trạng thái vật lý của đất đá Thực tế xác nhận đất đá là ổn định hay không ổn định trong kết cấu hỗ khoan tại hiện trường là khó khăn mà việc này lại hết sức quan trọng Vì trong trường hợp đất đá ổn định chiếm ưu thế trong mặt cắt địa chất, ta khoan không cần dùng ống chống, sau khi khoan xong tiến hành thắ nghiệm Ngược lại đất đá không ổn định chiếm ưu thế thì ta phải tiến hành thắ nghiệm trong quá trình khoan Cấu tạo của Pressiometre chýa tạo ra độ chắnh xác và tin cậy khi đo chuyển vị của đá trên thành hố khoan vì các dụng cụ đo không thể ép sát vào thành hố khoan một cách thực sự, nhất là trong đá có nhiều khe nứt, mặt khác khi tạo ra áp lực thường làm máy đo bị nóng lên, sai lệch vị trắ ban đầu

Đường kắnh hố khoan cũng là vấn đề đáng quan tâm Đường kắnh hố khoan thường không lớn nên không thể tạo ra được áp lực lớn trên một thể tắch lớn của khối đá

Nén ngang trong hố khoan có nhược điểm là trong các đá nứt nẻ vách của hố khoan không thẳng và nhẵn, áp lực nén lên thành hố khoan không đều làm cho kết quả đo không chắnh xác Tuy nhiên phương pháp này có ưu điểm

là có thể nén ở nhiều độ sâu khác nhau, các đới phong hoá khác nhau và đặc biệt là có khả năng nén ở trong môi trường nước

+ Thắ nghiệm động (đo tốc độ truyền sóng trong khối đá)

Phương pháp này đo tốc độ truyền sóng âm - tỷ số giữa khoảng cách truyền sóng âm và thời gian truyền sóng của khối đá Sóng âm truyền qua các loại đá khác nhau với vận tốc khác nhau và bị phản xạ, bị khúc xạ bởi đá nền

do sự tương phản về trở kháng âm Sử dụng phương pháp này cho phép xác định được chiều dày đới giảm tải do nổ mìn đào hầm ngang Xác định được các thông số vật lý đặc trưng của đất đá như: Vận tốc truyền sóng dọc Vp, vận

tốc truyền sóng ngang Vs, hệ số Poisson , modul đàn hồi động Ed Thiết lập

được mối quan hệ giữa vận tốc truyền sóng dọc và sóng ngang, giữa vận tốc

truyền sóng dọc và modul đàn hồi động, modul biến dạng động

Các thiết bị bao gồm: Nguồn phát sóng âm, máy truyền và thu nhận các

tần số cao Quan hệ giữa tín hiệu điện tử và gia tốc sóng truyền trong đá được

hiển thị trên máy hiển sóng, ghi trên giấy Tốc độ cao từ 6.000-8.000m/s liên

quan tới đá đủ độ bão hoà và ít nứt nẻ Đá lỗ rỗng không bão hoà, và vụn hoặc

phong hoá sâu có tốc độ thấp (<3.000m/s) Đá nứt nẻ có tốc độ truyền sóng từ

3.000 ÷ 6.000m/s Để xác định đặc trưng cơ học của khối đá cần phải đo sóng

dọc Vp và sóng ngang Vs

Đo địa chấn trong hầm ngang được tiến hành với hệ thống thiết bị đồng bộ

StrataView - R24, do hãng Geometric Hoa kỳ sản xuất StrataView - R24 là trạm

địa chấn kỹ thuật số 24 kênh, có đầy đủ những tính năng tiên tiến

Từ những băng ghi địa chấn, tiến hành liên kết hai loại sóng sóng dọc P

và sóng ngang S, dựng các biểu đồ thời khoảng tương ứng với từng loại sóng

trên, dựng đường thời gian to (Intercept time) tương ứng với đới giảm tải,

dựng đường biểu đồ thời khoảng hiệu của sóng dọc từ đó xác định vận tốc

truyền sóng dọc trong đới đá giảm tải do nổ mìn và trong đới đá nguyên vẹn

Chiều dày đới này theo công thức:

si

t V h

cos2

0 1

 (1.4) Trong đó :

t0 - thời gian t0 tương ứng với đới giảm tải

V1, V2 - vận tốc truyền sóng dọc trong đới giảm tải, đới đá nguyên vẹn

i - góc tới hạn tương ứng với ranh giới giữa đới giảm tải và đới đá

nguyên vẹn

V

V

acr i

truyền sóng ngang Vs Từ tốc độ truyền sóng dọc Vp , và sóng ngang Vs thu được, có thể xác định các đặc trưng biến dạng như hệ số Poisson () và modul đàn hồi động theo các công thức:

)(

2

2

2 2

2 2

s p

s p

V V

V V

)21).(

1(

 - mật độ khối đá Được lấy phụ thuộc vào loại đá và đới đá

Trên cơ sở xác định được các thông số đặc trưng biến dạng ở một số đơn vị dựa vào các bài toán xác định tương quan Viện thuỷ công Moskva- Liên bang Nga đưa ra công thức xác định modul biến dạng động Eod và modul đàn hồi Ee và hệ số kháng đơn vị Ko như sau:

hành thớ nghiệm cắt trực tiếp khối đỏ dựa trờn thớ nghiệm đẩy trụ đỏ Nguyờn tắc của phương phỏp này tương tự như thớ nghiệm cắt mẫu trong phũng thớ nghiệm nhưng tiến hành với mẫu đỏ cú kớch thước lớn Cỏc trụ đỏ được tạo cú kớch thước 700 x 700mm, cao 350mm và được thớ nghiệm theo mụ hỡnh hỡnh 1.7

Đầu do dịch chuyển pháp tuyến

Đầu do dịch chuyển cắt

Đầu do dịch chuyển cắt

Trụ đá

Lớp lót PolystylenHỡnh 1.7 Sơ đồ thớ nghiệm cắt trụ đỏ Trụ đỏ sau khi được nộn đến cố kết hoàn toàn dưới ỏp lực lớn nhất lờn trụ, tiến hành thớ nghiệm đẩy trượt Lực đẩy trượt được tạo bởi 2 kớch cú hướng đẩy hợp với phương nằm ngang một gúc 15o Mỗi trụ đỏ được đẩy trượt 2 giai đoạn

Giai đoạn 1 xỏc định sức khỏng cắt lớn nhất (cắt đứt khối mẫu), với mỗi cấp ỏp lực nộn xỏc định được 1 độ bền cắt, độ bền cắt được xỏc định bằng cỏch tăng ỏp lực cắt đến khi trụ đỏ bị đẩy trượt hoàn toàn Trụ đỏ được xem là đẩy trượt hoàn toàn khi ở cấp ỏp lực nộn nào đú cú lực đẩy giữ nguyờn biến dạng tăng liờn tục Với mỗi xeri giỏ trị  và  xỏc định được c và 

Giai đoạn 2 xỏc định sức khỏng trượt dư (cắt ma sỏt) Sau khi trụ đỏ bị đẩy trượt hoàn toàn, tiến hành giảm lực đẩy trượt và lực nộn về “0”, thực hiện tiếp cỏc bước như giai đoạn 1 Sau khi cắt độ bền cắt chớnh là độ bền ma

sát  ít khi có c, theo lý thuyết Mohr-Columb không có c (c nếu có thì đây không phải là lực dính mà c là lực móc kéo do các đá trên mặt gây ra) Kết quả đẩy trượt trụ đá được biểu diễn trên đồ thị quan hệ giữa biến dạng cắt và lực cắt theo mặt tiếp xúc đá-đá (cắt lần đầu) và khi cắt ma sát (sau khi mặt tiếp xúc đã bị cắt) trên hình 1.8

Sau khi ph¸ huû

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ giữa biến dạng cắt và lực cắt theo mặt tiếp xúc đá-đá Sau khi thí nghiệm đẩy trượt kết thúc tiến hành lật bệ, mô tả đáy bệ, chụp ảnh, đo vẽ địa hình mặt trượt Kết quả công tác này được biểu thị bằng

sơ đồ địa hình đáy bệ sau khi thí nghiệm, trên cơ sở đó lập mặt cắt để đánh giá mức độ lồi lõm của mặt trượt

Lập đồ thị nén cố kết trụ đá, quan hệ giữa biến dạng và áp lực nén lần một Lập đồ thị đẩy trượt trụ đá, quan hệ giữa biến dạng và áp lực cắt khi phá hủy và sau khi phá hủy có dạng như trên

Sau khi có kết quả đẩy trượt của 3 trụ cho một xeri, tiến hành lập đồ thị quan hệ giữa lực kháng trượt  và áp lực thẳng đứng  Trên cơ sở đồ thị này xác định các thông số kháng cắt là góc nội ma sát  và lực dính kết C Theo định luật Columb thì mối quan hệ này thường là một đường cong Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng cắt và ứng suất pháp có dạng như hình 1.9