Nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ lý của đất đắp đập do ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian TT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH QUANG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐẮP ĐẬP DO ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT XÂ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THANH QUANG

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐẮP ĐẬP DO ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

MÃ SỐ : 958.02.02

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - 2021

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng

Người hướng dẫn khoa học:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ

kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày … tháng … năm 20…

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Đập đất thường là hạng mục chính của công trình hồ chứa nước, là loại hình công trình thủy lợi được xây dựng nhiều tại các tỉnh miền Trung Việt Nam, nhằm cung cấp nước tưới phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, phát điện và nhiều ngành kinh tế khác Vấn đề mất ổn định đập có thể xảy ra do những nguyên nhân khác nhau như: điều kiện địa hình địa chất và vật liệu xây dựng, điều kiện thủy lực như: thấm qua thân đập khi hồ chứa tích nước ở mực nước cao, khi nước hồ rút nhanh, Việc đảm bảo an toàn cho đập đất trong mọi trường hợp khai thác hồ chứa là điều kiện bắt buộc Việt Nam có hàng ngàn hồ chứa nước; đặc biệt các hồ chứa xây dựng trước năm 2000, thiết kế - thi công theo tiêu chuẩn cũ (TCVN 5060:1990), nhiều hạng mục công trình đã xây dựng chưa được đầu tư đồng bộ, thiếu tài liệu tính toán, kinh nghiệm thiết kế, thi công đập còn hạn chế, sau thời gian khai thác vận hành đến nay nhiều

hồ bị xuống cấp, tiềm ẩn các nguy cơ mất an toàn Theo báo cáo

“Hiện trạng an toàn đập, hồ chứa nước” của Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn, tính đến năm 2018 có 1200/6648 đập, hồ chứa nước bị hư hỏng, xuống cấp và thiếu khả năng xả lũ cần sớm được sửa chữa nâng cấp [8]

Trong TCVN 8216:2009 – Thiết kế đập đất đầm nén thì: đập đất phải đáp ứng yêu cầu ổn định trong mọi điều kiện làm việc, trong thời gian thi công cho đến khi khai thác sử dụng Đập đất phải được đảm bảo điều kiện ổn định thấm trong nền đập, thân đập, hai vai đập vùng bờ tiếp giáp và mang của các công trình đặt trong thân đập để không gây ra thấm vượt quá vận tốc cho phép, gây xói ngầm, bóc cuốn trôi vật liệu uy hiếp tính bền vững và tuổi thọ công trình [24]

Từ đó cho thấy, trong quá trình thiết kế đập đất, việc kiểm tra điều kiện ổn định mái dốc cho đập là hết sức cần thiết Tuy nhiên, từ trước đến nay trong tính toán ổn định của đập đều dựa trên các thông số vật liệu đầu vào là tất định; các thông số đầu vào như tính chất cơ lý của đất (γ, C, φ, ) đều lấy một giá trị trung bình chung cho mọi vị trí trên mặt phá hoại của mái dốc và chưa xét đến yếu tố thay đổi khi có ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian

Trong thực tế thì các tính chất cơ lý của đất thay đổi rất phức tạp Cụ thể là, trong giai đoạn thi công, đất trong thân đập sau khi đầm nén xong thường đạt được các chỉ tiêu vật lý và cơ học theo thiết

kế, khối đất đắp đạt độ bão hòa G = (0,75 ÷ 0,85) và có sức chống cắt khá cao Khi hồ tích nước, giai đoạn vận hành hồ chứa, khối đất đắp dần dần ngấm nước và độ bão hòa khối đất được nâng cao Một số tính chất đặc biệt của đất đắp khi tiếp xúc với nước theo thời gian như: tính trương nở, tính tan rã, tính lún ướt, tính co ngót, tính xói rửa sẽ làm giảm sức chống cắt của đất đắp đập Điều này sẽ làm tính

ổn định của đập giảm Vì vậy, khi thiết kế cần phải kiểm tra thêm trường hợp ổn định công trình theo điều kiện xét đến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian

Do vậy, đề tài luận án được lựa chọn là “Nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ lý của đất đắp đập do ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian”, luận án khảo sát sự thay đổi một số tính chất cơ lý của đất dùng để đắp đập dưới ảnh hưởng của dòng thấm xảy ra sau thời gian dài nhằm góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả đầu tư xây dựng cho các công trình hồ chứa nước ở miền Trung Việt Nam trong quá trình khai thác

Mục tiêu nghiên cứu

Với tiêu đề của Luận án là “Nghiên cứu sự thay đổi tính chất

cơ lý của đất đắp đập do ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian”, mục tiêu nghiên cứu của đề tài chỉ tập trung các vấn đề sau:

- Xây dựng được thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý của đất đắp do ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian cho một số loại đất thường dùng để đắp đập ở miền Trung Việt Nam

- Thực nghiệm xác định các thông số, các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập trước và sau khi đưa vào khai thác; Từ đó, thiết lập được phương trình hồi quy biểu diễn sự thay đổi các tính chất cơ lý của đất theo thời gian khi chịu tác dụng của dòng thấm, nhằm phục vụ công tác thiết kế đập đất và cảnh báo an toàn đập cho các công trình hồ chứa nước ở miền Trung Việt Nam trong quá trình khai thác

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu sự thay đổi một số tính chất cơ lý đất đắp đập do ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian gây ra khi hồ chứa khai thác của một số đập ở khu vực miền Trung Việt Nam

Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của Luận án gồm:

- Nghiên cứu lý thuyết: Tổng quan những vấn đề về đặc điểm địa chất công trình, các loại đất đắp đập, tình hình ổn định đập đất khu vực miền Trung Việt Nam và những nghiên cứu trong và ngoài nước

về ảnh hưởng của dòng thấm đến ổn định đập đất theo thời gian;

- Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý của đất đắp do tác động dòng thấm theo thời gian; Thí nghiệm nghiên cứu sự thay đổi tính chất đất như: lực dính (C), góc ma sát trong (φ), hệ số thấm (Kt), dung trọng (γ) của các loại đất sét thường gặp trong đập đất khu vực miền Trung có xét đến ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian;

- Nghiên cứu bằng mô hình số: tính toán xác định hệ số ổn định của đập đất khi có xét đến ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian

Phương pháp nghiên cứu

Luận án chọn các phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết: Tổng quan các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài; trên cơ sở đó lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án;

- Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thực hiện các thí nghiệm

để xác định các thay đổi tính chất cơ lý của đất dưới ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian ở trong phòng thí nghiệm Nghiên cứu, tổng hợp các kết quả khảo sát thực nghiệm ngoài hiện trường tại các công trình thực tế trong khu vực nghiên cứu để đối sánh;

- Ứng dụng phương pháp số cho bài toán tính thấm qua đập đất, phân tích ổn định đập đất theo thời gian khai thác hồ chứa nước

Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận án gồm 4 chương được trình bày theo bố cục cụ thể như sau:

Chương 1 – Tổng quan

Chương 2 – Thiết lập thiết bị mô phỏng

Chương 3 – Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 – Mô phỏng số

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Tổng quan về đặc điểm địa chất công trình ở khu vực miền Trung

Theo kết quả nghiên cứu đã được công bố [14], [15], [16] có thể chia khu vực miền Trung thành sáu vùng địa chất căn cứ theo tính chất cơ lý, chiều dày lớp phủ phong hóa trên đá gốc, đặc điểm địa tầng thạch học như sau:

- Vùng I – Các trầm tích sông cổ và trẻ - aQ

- Vùng II – Sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá bazan trẻ

- Vùng III – Sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá phún trào

- Vùng IV – Sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá bazan cổ

- Vùng V – Sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá xâm nhập

- Vùng VI – Sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá lục nguyên sét bội kết, cát bội kết

Tổng hợp các loại đất thường được sử dụng đắp đập ở khu vực miền Trung

Theo kết quả nghiên cứu đã được công bố [14], [15], khu vực miền Trung có bốn loại đất thuận lợi cho việc đắp đập, gồm có:

1.2.1 Aluvi cổ

1.2.2 Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền đá trầm tích lục nguyên sét bội kết và cát bội kết

1.2.3 Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền bazan cổ

1.2.4 Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền đá xâm nhập sâu

Tổng quan ảnh hưởng dòng thấm đến ổn định đập đất

1.3.1 Tình hình ổn định đập đất

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã xảy ra nhiều sự cố

vỡ đập gây ra những thảm họa nghiêm trọng và ở Việt Nam sự cố vỡ đập cũng không phải là ít Những nguyên nhân phổ biến nhất gây sự

cố vỡ đập là vỡ đập dạng lỗ (35%), vỡ đập do tràn đỉnh (25%), xói mòn (14%), biến dạng quá mức (11%), trượt mái (10%), cống hư hỏng (2%), sai sót trong quá trình thi công (2%), và mất ổn định khi xảy ra động đất (2%) [63]

1.3.2 Các sự cố do ảnh hưởng dòng thấm qua đập

Sự chuyển động của chất lỏng trong môi trường đất, đá nứt nẻ hoặc trong môi trường xốp nói chung, gọi là dòng thấm Áp lực thấm, lưu lượng thấm, gradient thấm, là các yếu tố động lực chủ yếu của dòng thấm Dòng thấm có thể gây sự cố về đập có thể được phân loại như sau: 1.3.2.1 Hiện tượng rò rỉ

1.3.2.2 Hiện tượng xói trong

1.3.2.3 Hiện tượng tan rã

1.3.2.4 Vị trí đường bão hòa trong thân đập

Tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng dòng thấm đến sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập

1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới chủ yếu sử dụng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu về ảnh hưởng dòng thấm đến các sự cố vỡ đập Đối với việc nghiên cứu về các ảnh hưởng dòng thấm, phương pháp

mô hình vật lý được áp dụng bằng việc nghiên cứu từng hiện tượng do ảnh hưởng dòng thấm trên các mô hình thu nhỏ của đập Từ việc quan sát, đo đạc, thu thập, phân tích số liệu để đưa ra các đánh giá về ảnh hưởng của dòng thấm đến ổn định đập đất Một số nghiên cứu tiêu biểu có sử dụng mô hình vật lý về ảnh hưởng của dòng thấm như:

1 Mô hình nghiên cứu hiện tượng xói ngầm của tác giả Lin Ke và Akihiro Takahashi (2014) [62]

2 Mô hình nghiên cứu xói dạng lỗ của tác giả R Awal, H Nakagawa,

M Fujita, K Kawaike, Y Baba, và H Zhang (2011) [74]

3 Mô hình nghiên cứu hiện tượng xói do tràn đỉnh của tác giả P.K Bhattarai và các cộng sự (2014) [71]

1.4.2 Nghiên cứu ở Việt Nam

1 Tác giả Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh (2005) - Nghiên cứu sử dụng đất có tính chất đặc biệt trong xây dựng các hồ chứa ở Miền Trung và Tây Nguyên [16]

2 Tác giả Nguyễn Kế Tường (2009) - Nghiên cứu khảo sát sự thay đổi hệ số thấm nước của đất loại sét có tính trương nở sau nhiều năm khai thác trong đập đất [12]

3 Tác giả Trương Quang Thành (2011) - Nghiên cứu sự thay đổi sự thay đổi tính chất cơ lý của đất đắp sau khi hồ tích nước theo thời gian có ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của đập đất miền Trung Việt Nam [28]

4 Tác giả Ngô Tấn Dược (2013) - Nghiên cứu sự thay đổi tính chất

cơ lý của các loại đất tàn – sườn tích ở Tây Nguyên khi mưa lũ kéo dài có ảnh hưởng đến sự ổn định của sườn dốc cạnh đường ô tô [10]

Những vấn đề nghiên cứu của luận án

Từ tổng quan các nghiên cứu trên có thể thấy rằng theo thời gian khai thác hồ chứa, vật liệu đất đắp sẽ có sự thay đổi tính chất cơ

lý do ảnh hưởng của dòng thấm Sự thay đổi tính chất cơ lý này kéo theo sự thay đổi sức chống cắt của khối đất đắp và ảnh hưởng đến độ

- Xây dựng thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất đất đắp đập

có xét đến tác động dòng thấm theo thời gian;

- Xây dựng đồ thị sự thay đổi một số tính chất đất đắp đập xét đến tác động dòng thấm theo thời gian gồm: dung trọng (γ), lực dính (C), góc ma sát trong (), hệ số thấm nước (Kt) làm cơ sở dữ liệu cho tính toán ổn định đập đất;

- Áp dụng phần mềm tính toán nhằm xác định hệ số ổn định của công trình khi xét đến tác động của dòng thấm theo thời gian

CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP THIẾT BỊ MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẤT ĐẮP ĐẬP DO TÁC ĐỘNG

DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN Đặt vấn đề

Trong giai đoạn thi công đến suốt quá trình vận hành hồ chứa, đất đắp trong thân đập chắn nước của hồ chứa nước có thể phân thành ba giai đoạn làm việc như sau:

- Giai đoạn 1 – giai đoạn vừa thi công xong: theo một số kết quả thống kê thì khối đất đắp trong giai đoạn này sẽ đạt được được

độ chặt – độ ẩm ban đầu theo thiết kế γc = (0,95÷1,0)γcmax; độ ẩm W =

Wop±∆W; độ bão hòa nước ở giai đoạn này sẽ đạt G = 0,75÷0,85 [16], [27]

- Giai đoạn 2 – giai đoạn đầu khi hồ tích nước: Tốc độ ngấm nước trong thân đập phụ thuộc chủ yếu vào hệ số thấm của đất đắp và tốc độ dâng nước của hồ chứa Trong thân đập sẽ chia làm hai vùng: vùng phía trên đường bão hòa sẽ ở trạng thái chưa bão hòa, vùng phía dưới đường bão hòa sẽ ở trạng thái hoàn toàn bão hòa nước Quá trình bão hòa nước kéo theo sự thay đổi sức chống cắt của đất đắp thân đập, sức chống cắt của đất có xu hướng giảm [27]

- Giai đoạn 3 – giai đoạn khai thác lâu dài, khi mực nước trong

hồ chứa ổn định, dòng thấm ổn định Trong giai đoạn này đất trong thân đập sẽ được cố kết Mức độ cố kết phụ thuộc vào trạng thái độ

ẩm, độ chặt ban đầu khi thi công; vào áp lực cột đất đắp ở bên trên so với thời điểm đang xét và sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp khi ngấm nước, Điều này dẫn đến sự thay đổi sức chống cắt trong thân đập trong quá trình khai thác hồ chứa Sự thay đổi sức chống cắt này nhất định ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của đập đất

Từ đó, có thể đưa ra một số yếu tố làm thay đổi sức chống cắt hay thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập như sau:

- Khối đất đắp bên dưới được nén cố kết thêm do áp lực cột đất bên trên;

- Theo thời gian các liên kết cấu trúc của đất được phục hồi;

- Ảnh hưởng của dòng thấm qua đập đất

Để phân tích ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố làm thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập, Tác giả đã thiết lập thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp do tác động của dòng thấm theo thời gian và thực hiện các thí nghiệm trên thiết bị này

Giới thiệu chung

2.2.1 Thí nghiệm nén ba trục

2.2.1.1 Giới thiệu

Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial compression test - TCT) là phương pháp kiểm tra cường độ chống cắt của đất được sử dụng phổ biến trong cơ học đất

2.2.1.2 Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm TCT tiêu chuẩn

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình thí nghiệm TCT tiêu chuẩn

2.2.1.3 Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm TCT có xét đến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian

Trong trường hợp xét đến ảnh hưởng dòng thấm qua đập theo

thời gian thì kết quả các mô hình này đều không mô tả chính xác đặc trưng quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu đắp đập Do đó, cần có một mô hình mô tả được sự thay đổi đặc trưng quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu đắp đập và có xét đến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian khai thác hồ chứa

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình thí nghiệm TCT xét ảnh hưởng dòng thấm

theo thời gian

2.2.2 Thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập do tác động dòng thấm theo thời gian

Thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp do tác động dòng thấm theo thời gian được cải tiến dựa trên cấu tạo thiết bị nén ba trục (Hình 2.7) Thiết bị gồm hệ thống kiểm soát dòng thấm liên tục tự động đi vào mẫu; hệ thống buồng ba trục cấu tạo tương tự buồng thiết bị nén ba trục và hệ thống kiểm soát dòng thấm đi ra

Hình 2.7 Thiết bị

mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp do tác động dòng thấm theo thời gian Mỗi buồng gồm một mẫu chế bị có đường kính 35mm và chiều cao 70mm Hệ thống kiểm soát dòng thấm liên tục tự động vào mẫu bao gồm một máy bơm với áp lực bơm tối đa từ 15~35atm và hệ thống tích áp tự động để đưa vào mẫu thông qua hệ thống điều khiển

tự động Áp lực được điều chỉnh trong phạm vi 0~30atm tùy theo tính toán điều kiện thí nghiệm

Để xác định lại các thông số sức kháng cắt sau thời gian ảnh hưởng dòng thấm lên mẫu thử, mẫu thử được lắp đặt vào thiết bị nén

ba trục thuộc hãng Geocomp (Hình 2.15)

Tổng thể thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp

do tác động dòng thấm theo thời gian được thể hiện ở hình 2.18

Hình 2.15 Thiết bị TCT hãng Geocomp – Mỹ tại Phòng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Trong nội dung luận án, sau quá trình mẫu chế bị lắp đặt trên thiết

bị vận hành theo thời gian do ảnh hưởng dòng thấm gần giống với sơ đồ

CD, quá trình cắt trên thiết bị nén ba trục nhằm xác định sức kháng cắt

sẽ theo sơ đồ CU

Quy trình thí nghiệm và định hướng các kết quả thí nghiệm

2.4.1 Quy trình thí nghiệm