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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2021..

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - 2021

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học

1 GS TS Nguyễn Thế Hùng

2 PGS TS Châu Trường Linh

Đà Nẵng - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thanh Quang Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Tác giả

Nguyễn Thanh Quang

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên Tác giả xin trân trọng và tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thế Hùng và Phó giáo sư, Tiến sĩ Châu Trường Linh, những người Thầy tâm huyết đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi và định hướng cho Tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, Khoa Xây dựng Thủy Lợi-Thủy Điện, Khoa Xây dựng Cầu Đường, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, thuộc Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho Tác giả tiến hành nghiên cứu

Cuối cùng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên Tác giả vượt qua mọi khó khăn để thực hiện luận án

Tác giả

Nguyễn Thanh Quang

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan i

Lời cám ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng biểu vii

Danh mục các hình vẽ và đồ thị ix

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt xv

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Bố cục của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về đặc điểm địa chất công trình ở khu vực miền Trung 5

1.2 Tổng hợp các loại đất thường được sử dụng đắp đập ở khu vực miền Trung 9 1.2.1 Aluvi cổ 9

1.2.2 Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền đá trầm tích lục nguyên sét bội kết và cát bội kết 10

1.2.3 Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền bazan cổ 11

1.2.4 Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền đá xâm nhập sâu 12

1.3 Tổng quan ảnh hưởng dòng thấm đến ổn định đập đất 13

1.3.1 Tình hình ổn định đập đất 13

1.3.2 Các sự cố do ảnh hưởng dòng thấm qua đập 15

1.4 Tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng dòng thấm đến sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập 20

1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới 20

1.4.2 Nghiên cứu ở Việt Nam 24

1.5 Những vấn đề nghiên cứu của luận án 30

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 31

2.1 Đặt vấn đề 31

2.2 Giới thiệu chung 32

2.2.1 Thí nghiệm nén ba trục 32

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 36

2.3 Thiết lập các điều kiện thí nghiệm 42

2.3.1 Xác định đường kính mẫu chế bị 42

2.3.2 Xác định khối lượng đất ở mẫu chế bị 43

2.3.3 Xác định áp lực buồng 44

2.3.4 Xác định áp lực dòng thấm 45

2.3.5 Lựa chọn hình thức thí nghiệm 46

2.4 Quy trình thí nghiệm và định hướng các kết quả thí nghiệm 46

2.4.1 Quy trình thí nghiệm 46

2.4.2 Định hướng các kết quả thí nghiệm 48

2.5 Mô phỏng thuật toán xây dựng đồ thị sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp do ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian 49

2.6 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẤT ĐẮP DO ẢNH HƯỞNG DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN 52

3.1 Vật liệu thí nghiệm 52

3.1.1 Chọn loại đất để nghiên cứu 52

3.1.2 Công tác lấy mẫu đất thí nghiệm 53

3.1.3 Các kết quả thí nghiệm vật liệu 54

3.2 Quy hoạch thực nghiệm 57

3.3 Một số điều kiện thí nghiệm trên thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp do ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian 61

3.3.1 Quá trình chế bị mẫu thí nghiệm 61

3.3.2 Quá trình bão hòa mẫu 61

3.3.3 Quá trình thay đổi dòng thấm theo thời gian 65

3.4 Kết quả thí nghiệm 69

3.4.1 Dung trọng đất đắp thay đổi theo thời gian 69

3.4.2 Cường độ sức chống cắt đất đắp thay đổi theo thời gian 72

3.4.3 Hệ số thấm đất đắp thay đổi theo thời gian 75

3.5 Đối sánh kết quả thí nghiệm 76

3.5.1 Công trình hồ chứa nước Liên Trì – Bình Sơn – Quảng Ngãi 76

3.5.2 Công trình hồ chứa nước Hố Hiểu – Sơn Tịnh – Quảng Ngãi 79

3.5.3 Công trình hồ chứa nước Đập Làng – Nghĩa Hành – Quảng Ngãi 81

3.6 Kết luận chương 3 84

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐẬP CHÍNH HỒ CHỨA NƯỚC TẢ TRẠCH THEO THỜI GIAN KHAI THÁC 85

4.1 Đặt vấn đề 85

4.2 Lựa chọn phương pháp tính ổn định đập đất theo thời gian khai thác 85

4.2.1 Lý thuyết tính toán ổn định đập đất 85

4.2.2 Phần mềm địa kỹ thuật tính toán ổn định đập đất 87

4.2.3 Lựa chọn công cụ tính toán ổn định đập đất theo thời gian khai thác 88

4.3 Đánh giá ổn định đập đất hồ chứa Tả Trạch theo thời gian khai thác 89

4.3.1 Giới thiệu 89

4.3.2 Những căn cứ để tính toán ổn định đập theo thời gian khai thác 90

4.3.3 Kết quả tính toán 93

4.4 Kết luận chương 4 96

KẾT LUẬN 97

1 Kết quả đạt được của luận án 97

2 Những đóng góp mới của luận án 98

3 Tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp theo 98

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHẦN PHỤ LỤC 108

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]

[11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

[20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29]

[30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]

[40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49]

[50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59]

[60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69]

[70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất đầm lầy aluvi cổ 9 Bảng 1.2 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất trên nền đá trầm tích lục nguyên 10 Bảng 1.3 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất trên nền bazan cổ 12 Bảng 1.4 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất trên nền đá thâm nhập sâu 13 Bảng 1.5 Độ ẩm tối ưu và dung trọng khô tối ưu của một số loại đất 24 Bảng 1.6 Sự thay đổi sức chống cắt của các mẫu đất chế bị 25 Bảng 1.7 Mức độ giảm góc ma sát trong và giảm lực dính của đất từ trạng thái khô đến trạng thái bão hòa 25

Bảng 1.8 Kết quả thí nghiệm thấm của đất nguyên dạng từ lõi đập Thuận

Bảng 1.9 So sánh hệ số thấm của đất loại sét có tính trương nở trong thân đập 26

Bảng 2.1 Các cỡ đường kính mẫu thường được sử dụng trong thí nghiệm nén ba trục 42

Bảng 2.2 Kích thước hạt lớn nhất với từng cỡ mẫu trong thí nghiệm nén ba trục 43 Bảng 2.3 Xác định khối lượng đất (m) đưa đưa vào khuôn 44 Bảng 2.4 Bảng tra hệ số K0 phụ thuộc vào loại đất 45

Bảng 3.2 Khối lượng đất đưa vào khuôn chế bị mẫu 61 Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm dung trọng đất đắp (γt) thay đổi theo thời

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm lực dính đất đắp (Ct) thay đổi theo thời gian

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm góc ma sát trong đất đắp (φt) thay đổi theo

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm hệ số thấm Kt thay đổi theo thời gian (đơn

Bảng 3.7 Bảng chỉ tiêu cơ lý vật liệu dùng để đắp đập Liên Trì [3] 77 Bảng 3.8 Bảng chỉ tiêu cơ lý vật liệu đắp đập Hồ Hiểu [4] 79 Bảng 3.9 Bảng chỉ tiêu cơ lý vật liệu đất đắp Đập Làng [5] 82

Bảng 4.1 Bảng chỉ tiêu cơ lý lớp đất nền ở mặt cắt tính toán 91 Bảng 4.2 Bảng chỉ tiêu cơ lý khối vật liệu xây dựng đập ở mặt cắt ngang tính toán 91 Bảng 4.3 Các thời kỳ tính toán ổn định đập theo thời gian 92 Bảng 4.4 Kết quả tính toán ổn định đập Tả Trạch thời kỳ khai thác hồ chứa (thời điểm t = 100 năm) 95

Hình 1.3 Cột địa tầng vùng sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá phún trào 6

Hình 1.4 Cột địa tầng vùng sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá

Hình 1.5 Cột địa tầng vùng sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá xâm nhập 8

Hình 1.6 Cột địa tầng vùng sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá lục nguyên 8

Hình 1.7 Các dạng đổ vỡ tiềm năng đối với các công trình thủy lợi bằng đất đắp [56] 14

Hình 1.10 Đổ vỡ công trình do hiện tượng xói trong [56] 18

Hình 1.11 Mô hình nghiên cứu xói ngầm của Lin Ke và Akihiro

Hình 1.14 Mô hình nghiên cứu xói do tràn đỉnh của P.K Bhattarai và

Hình 1.15 Hình ảnh của các mẫu đất được chế bị vào ống mẫu trước khi được ngâm vào bể chứa ngập nước [28] 27

Hình 1.16 Độ tăng dung trọng tự nhiên (γ) do sự tăng độ ẩm (W) của

Hình 1.17 Độ giảm góc ma sát trong (φ) do sự tăng độ ẩm (W) của đất trong quá trình ngấm nước [10] 29

Hình 1.18 Độ giảm lực dính (C) do sự tăng độ ẩm (W) của đất trong quá trình ngấm nước [10] 29

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình thí nghiệm TCT tiêu chuẩn 33

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm xói trong của Kenney và Lau

Hình 2.3 Mô hình thí nghiệm của Rochim và cộng sự (2017) [75] 34

Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm của Chang and Zhang (2011) [40] 35

Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm của Nguyen và cộng sự (2019) [70] 35

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình thí nghiệm TCT xét ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian 36

Hình 2.7 Thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp do tác động dòng thấm theo thời gian 36

Hình 2.8 Cấu tạo buồng nén ba trục có dòng thấm qua mẫu đất thí nghiệm 37

Hình 2.11 Bình tích áp và hệ thống điều khiển tự động 38

Hình 2.12 Đế trên và đế dưới có đường kính 35mm 39

Hình 2.15 Thiết bị TCT hãng Geocomp – Mỹ tại Phòng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng 40

Hình 2.16 Đế buồng ba trục được chế tạo thuận tiện lắp đặt mẫu thử 41

Hình 2.20 Các áp lực tại vị trí điểm nghiên cứu 44

Hình 2.21 Sơ đồ thí nghiệm trên thiết bị mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp do tác động dòng thấm theo thời gian 47

Hình 2.22 Các bước xây dựng biểu đồ quan hệ tính chất cơ lý đất đắp theo thời gian 49

Hình 2.23 Lưu đồ biểu diễn đồ thị sự thay đổi tính chất cơ lý theo thời

Hình 2.24 Đồ thị xác định hàm hồi quy tính chất cơ lý thay đổi theo thời gian 51

Hình 3.1 Vị trí lấy mẫu (vùng 5 mở rộng của mỏ VĐ2) – Công trình

hồ chứa nước Tả Trạch tỉnh Thừa Thiên Huế 54

Hình 3.2 Cân khối lượng đất và chế bị mẫu 55

Hình 3.4 Thí nghiệm nén ba trục trên thiết bị TCT 56

Hình 3.5 Mẫu đất thí nghiệm sau khi được chế bị 61

Hình 3.6 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa mẫu 1 62

Hình 3.7 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa mẫu 2 63

Hình 3.8 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa mẫu 3 64

Hình 3.9 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa mẫu 64

Hình 3.10 Mặt cắt ngang đập chính hồ chứa nước Tả Trạch, tỉnh Thừa Thiên Huế 65

Hình 3.11 Áp lực ngang và áp lực đứng tại điểm nghiên cứu trên mặt cắt ngang đập chính hồ chứa nước Tả Trạch, tỉnh Thừa

Thiên Huế

65

Hình 3.12 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa và tác động dòng thấm cho mẫu 1 (theo điều kiện thực tế) 66

Hình 3.13 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa và tác động dòng thấm cho mẫu 2 (theo điều kiện thực tế) 67

Hình 3.14 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa và tác động dòng thấm cho mẫu 3 (theo điều kiện thực tế) 67

Hình 3.15 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa và tác

động dòng thấm mẫu 1 (theo điều kiện tăng áp lực thấm) 68 Hình 3.16 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa và tác động dòng thấm mẫu 2 (theo điều kiện tăng áp lực thấm) 68

Hình 3.17 Trình tự và thời gian thao tác quá trình làm bão hòa và tác

động dòng thấm mẫu 3 (theo điều kiện tăng áp lực thấm) 69

Hình 3.18 Biểu đồ biểu diễn kết quả sự thay đổi dung trọng theo thời

Hình 3.19 Biểu đồ biểu diễn khối lượng đất xói tích lũy (Σmerosion) theo

Hình 3.20 Biểu đồ biểu diễn kết quả sự thay đổi lực dính theo thời gian 72

Hình 3.21 Biểu đồ biểu diễn kết quả sự thay đổi góc ma sát trong theo thời gian 73

Hình 3.22 Biểu đồ tương quan sự thay đổi giữa dung trọng và sức chống cắt đất đắp theo thời gian 74

Hình 3.23 Biểu diễn các giai đoạn ảnh hưởng dòng thấm lên mẫu thử 75

Hình 3.24 Hiện trạng đỉnh đập và mái thượng lưu hồ chứa nước Liên

Hình 3.25 Biểu đồ đánh giá sự thay đổi tính chất cơ lý theo thời gian của vật liệu đắp đập Liên Trì 78

Hình 3.26 Hiện trạng đỉnh đập và mái thượng lưu hồ chứa nước Hồ Hiểu 79

Hình 3.27 Biểu đồ đánh giá sự thay đổi tính chất cơ lý theo thời gian của vật liệu đắp đập Hồ Hiểu 80

Hình 3.29 Biểu đồ đánh giá sự thay đổi tính chất cơ lý theo thời gian của vật liệu đất đắp Đập Làng 83

Hình 4.1 Toàn cảnh đập Tả Trạch, tỉnh Thừa Thiên Huế [8] 90

Hình 4.2 Mặt cắt ngang đại diện đập nhiều khối Tả Trạch - tỉnh Thừa

Hình 4.3 Kết quả tính thấm mặt cắt ngang đập Tả Trạch - Trường

Hình 4.4 Kết quả tính ổn định mặt cắt ngang đập Tả Trạch - Trường hợp 1 94

Hình 4.5 Kết quả tính thấm mặt cắt ngang đập Tả Trạch - Trường

Hình 4.6 Kết quả tính ổn định mặt cắt ngang đập Tả Trạch - Trường hợp 2 95

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a cm2/kG Hệ số nén lún của đất

aQ Không thứ nguyên Đất trầm tích, bồi tích sông (alluvi)

CD Không thứ nguyên Thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước

CU Không thứ nguyên Thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước

e Không thứ nguyên Hệ số rỗng của đất

e0 Không thứ nguyên Hệ số rỗng ban đầu của đất

emin Không thứ nguyên Hệ số rỗng bé nhất của mẫu đất

emax Không thứ nguyên Hệ số rỗng lớn nhất của mẫu đất

E0 kG/cm2 Mô đun tổng biến dạng của đất

edQ Không thứ nguyên Đất sườn tàn tích (eluvi – deluvi)

eQ Không thứ nguyên Đất tàn tích (eluvi)

FEM Không thứ nguyên Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite

LEM Không thứ nguyên Phương pháp cân bằng giới hạn (Limit

Equilibrium Method) QCVN Không thứ nguyên Quy chuẩn Việt Nam

t Năm, tháng, giờ Thời gian

TCT Không thứ nguyên Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial compresion test) TCVN Không thứ nguyên Tiêu chuẩn Việt Nam

Wop % Độ ẩm thích hợp khi đầm vật liệu đất

z m Độ sâu của điểm nghiên cứu tính từ mặt chuẩn

γ g/cm3, T/m3 Dung trọng tự nhiên của đất, dung trọng ẩm

γc g/cm3, T/m3 Dung trọng khô

γcmax g/cm3, T/m3 Dung trọng khô lớn nhất theo kết quả thí nghiệm

đầm nén Proctor

γctk g/cm3, T/m3 Dung trọng khô thiết kế

γw g/cm3, T/m3 Dung trọng của nước

∆ Không thứ nguyên Tỷ trọng hạt đất

τ kG/cm2 Sức chống cắt của đất

ηφ % Mức độ thay đổi góc ma sát trong của đất

ηKt % Mức độ thay đổi hệ số thấm của đất

σz kN/m2 Áp lực buồng tính toán

σt kN/m2 Áp lực dòng thấm tính toán

TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC ĐƠN VỊ DÙNG TRONG

LUẬN ÁN VỚI CÁC ĐƠN VỊ HỆ SI

MỞ ĐẦU

1 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

2 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

3 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

Phạm vi nghiên cứu:

- Loại đất đắp đập thường được sử dụng ở khu vực miền Trung Việt Nam

- Chỉ nghiên cứu sự thay đổi một số tính chất cơ lý đất đắp gồm: lực dính (C), góc ma sát trong (φ), hệ số thấm (Kt) và dung trọng (γ)

4 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 (), 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

5 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

Chương 2 – Thiết lập thiết bị mô phỏng: Giới thiệu thiết bị được chế tạo để xác định sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập chịu ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian Thiết bị này được phát triển từ mô hình thí nghiệm cắt ba trục Với quy trình vận hành của thiết bị này, ảnh hưởng của dòng thấm trong đập đất đến tính chất

cơ lý đất đắp sẽ được đánh giá

Chương 3 – Nghiên cứu thực nghiệm: Trình bày kết quả thí nghiệm bằng đồ thị kết quả sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập theo thời gian và so sánh với các kết quả nghiên cứu khác

Chương 4 – Mô phỏng số: Áp dụng mô hình số để giải bài toán thấm, ổn định cho đập đất theo thời gian khai thác theo sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập theo thời gian

Chương 1 TỔNG QUAN

Khi chọn địa điểm để đắp đập làm hồ chứa cần phải nghiên cứu, khảo sát các yếu tố địa hình, địa chất công trình và địa chất thủy văn tại khu vực đó Nếu nguồn vật liệu đắp đập là đất thì cần phải xem xét đến từng loại đất khác nhau và những đặc điểm cơ lý liên quan đến quá trình thi công và vận hành hồ chứa Tất cả những vấn đề nêu trên nhằm mục đích đảm bảo sự ổn định lâu dài cho công trình hồ chứa nước

1.1 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

Đất vùng này thường tập trung ở các thung lũng sông lớn, sông nhỏ trong toàn khu vực miền Trung (sông Pô Cô, sông Pa, sông Hương,…) Các trầm tích sông hiện đại phân bố ở lòng sông và bãi bồi, nói chung chúng chưa được cố kết tự nhiên tốt Các lớp đất được tìm thấy ở đây là bùn sét, bùn sét pha, cát ở trạng thái xốp rời Cột địa tầng tổng quát và một số chỉ tiêu cơ học, vật lý thể hiện như ở Hình 1.1

Hình 1.1 Cột địa tầng vùng trầm tích sông cổ và trẻ - aQ

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

Đất vùng này thường tập trung ở Long Khánh, Khánh Hòa,… chiều dày lớp

sườn tàn tích và tàn tích rất mỏng (khoảng 1÷5m) và thường lẫn tảng phong hóa sót bên trong Do phong hóa muộn chưa đủ thời gian để đá biến triệt để thành đất nên lớp phủ này thường là sét pha lẫn dăm đá gốc, độ cứng chắc không đều Bên dưới lớp phủ này là lớp bazan độ rỗng và chiều dày lớp phân bố không theo quy luật Cột địa tầng tổng quát và một số chỉ tiêu cơ học, vật lý thể hiện như ở Hình 1.2

Hình 1.2 Cột địa tầng vùng 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 (Đaxit, Andezit, Riolit-J3-KI)

Đất vùng này phân bố rải rác, phổ biến nhưng gián đoạn khắp nơi trên khu vực nghiên cứu, chiều dày lớp phong hóa này không dày (khoảng từ 1÷5m) nên thường không sử dụng và ít được nghiên cứu Cột địa tầng tổng quát và một số chỉ tiêu cơ học, vật lý thể hiện như ở Hình 1.3

Hình 1.3 Cột địa tầng vùng 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-βN2-QI

Đất vùng này thường tập trung ở các tỉnh Tây Nguyên và vùng giáp ranh các tỉnh Đắk Lắk, Gia Lai… Chiều dày lớp sườn tích, tàn tích khá lớn (10÷30m) tùy thuộc

vị trí địa lý, địa hình Phần đá gốc thường là bazan đặc xít có xen lẫn ít bazan lỗ rỗng Loại tàn tích, sườn tàn tích trên đá bazan cổ được sử dụng làm vật liệu đắp đập ở nhiều công trình thực tế Cột địa tầng tổng quát và một số chỉ tiêu cơ học, vật lý thể hiện như ở Hình 1.4

Hình 1.4 Cột địa tầng vùng 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

Đất vùng này phân bố rộng rãi và khá liên tục trong khu vực nghiên cứu Chiều dày lớp phong hóa dày nên được nghiên cứu kỹ Cột địa tầng tổng quát và một số chỉ tiêu cơ học, vật lý thể hiện như ở Hình 1.5

Hình 1.5 Cột địa tầng vùng 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-J1-2

Đất vùng này phân bố rộng rãi và khá liên tục trong khu vực nghiên cứu Đặc điểm của tầng phong hóa này là nếu được phân bố trên vùng đồi thoải thì lớp trên mặt

- edQ có lẫn nhiều dăm laterite, nếu được phân bố trên vùng sườn dốc thì hàm lượng laterite không đáng kể Cột địa tầng tổng quát và một số chỉ tiêu cơ học, vật lý thể hiện như ở Hình 1.6

Hình 1.6 Cột địa tầng vùng sườn tàn tích-edQ và tàn tích-eQ trên đá lục nguyên

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

Miền Trung có đặc điểm địa hình là sườn Đông dốc đứng, sườn Tây thoải dần sang phía Lào và Campuchia; đặc điểm khí hậu và lượng mưa thay đổi nhiều trong năm: mùa mưa thì lượng mưa rất lớn, ngược lại vào mùa khô lượng mưa khá nhỏ Vì vậy, đắp đập tạo ra các hồ chứa được biết đến như là phương pháp hiệu quả nhất để quản lý, khai thác tổng hợp và sử dụng hiệu quả nguồn nước, phương pháp này đã có những đóng góp lớn và tích cực cho sự phát triển của xã hội

Có thể chia toàn bộ đất phân bố trên khu vực nghiên cứu làm hai loại theo nguồn gốc khác nhau: đất aluvi và đất sườn tàn tích, tàn tích trên các nền đá có thành phần thạch học khác nhau Theo kết quả nghiên cứu đã được công bố [14], [15], khu vực miền Trung có bốn loại đất thường được sử dụng cho việc đắp đập, gồm có:

Thành phần cỡ hạt, mm

(%)

>2 2-0,05 0,05- 0,005

<0,005

20,0 35,0 45,0

5,0 35,0 30,0 30,0

φ

C

3,3 0,06

21 0,3 Bão hòa φ

C

3,3 0,05

19 0,2

Bảng 1.2 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất trên nền đá trầm tích lục nguyên

Lớp đất trên nền đá trầm tích

lục nguyên

Lớp 1 sét màu nâu

đỏ chứa 15 - 50% vón kết laterite

Lớp 2 sét loang lổ chứa 20 - 50% vón kết laterite

Lớp 3 sét màu nâu vàng, chứa ít dăm sạn

Thành phần cỡ

hạt, mm (%)

>2

2 – 0,05 0,05- 0,005

<0,005

35,0 27,0 13,0 25,0

20,0 21,0 21,0 28,0

3,0 30,0 30,0 37,0

Dung trọng tự nhiên, γ(g/cm3) 1,98 1,73 1,89

25 0,45

23 0,50

21 0,50 Bão

hòa

φ

C

23 0,35

21 0,40

19 0,40

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

Phần lớn các đập đất ở khu vực Tây Nguyên và một số tỉnh Đông Nam Bộ được đắp bằng loại đất sườn tàn tích, tàn tích trên đá gốc bazan Ở điều kiện tự nhiên, đất có khối lượng riêng rất lớn, dung trọng khô thấp, hệ số rỗng lớn Các chỉ tiêu cơ học (φ, C, e) thuộc loại trung bình Tính chất cơ lý của chúng thay đổi theo vị trí địa

lý và địa hình Chiều dày tầng phong hóa 20-30m, chia làm ba lớp từ trên mặt xuống như sau:

- Lớp 1 (edQ): Đất sét – á sét màu nâu đỏ, hàm lượng kết vón laterite không đáng kể (khoảng 5%) Độ ẩm thay đổi nhiều theo mùa mưa và mùa khô Ở đáy lớp 1, thông thường, trên mặt cắt địa chất đều có lớp kết vón mảng (dạng đá ong, dày 1÷3m), rất cứng chắc Thực tế, đã sử dụng loại đất này để đắp đập rất tốt cho nhiều công trình

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

- Lớp 3 (eQ): Đất sét – á sét có màu tím gan gà, đốm trắng, phớt, các màu khác Lớp đất này có dung trọng khô thấp so với hai lớp trên, vì vậy nên tránh sử dụng nó để đắp vào những vị trí xung yếu của đập (Bảng 1.3)

Bảng 1.3 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất trên nền bazan cổ

Lớp đất trên nền bazan cổ

Lớp 1 sét màu nâu đỏ

Lớp 2 sét màu loang lổ chứa vón kết

Lớp 3 sét màu nâu vàng, phớt tím gan gà

Thành phần cỡ hạt,

mm (%)

>2

2 – 0,05 0,05- 0,005

<0,005

5,0 23,0 30,0 42,0

20,0 25,0 25,0 30,0

3,0 33,0 33,0 31,0

φ

C

20 0,30

22 0,40

21 0,40 Bão

hòa C φ

18 0,25

19 0,30

19 0,30

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

Ở khu vực nghiên cứu thường gặp đất á sét nặng, đôi chỗ là sét có lẫn ít dăm sạn màu nâu vàng, nâu nhạt, loang lổ nâu đỏ Trạng thái nửa cứng – dẻo cứng, kết cấu chặt vừa Loại đất này có thể dùng để đắp đập đồng chất hoặc đắp khối thượng lưu đập nếu là đập nhiều khối Loại đất này không đắp lõi chống thấm được Trị trung bình đặc trưng cơ lý của loại đất này có cấu trúc tự nhiên được trình bày ở Bảng 1.4

Bảng 1.4 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất trên nền đá thâm nhập sâu

Lớp đất trên nền đá thâm nhập sâu sét, sét pha màu Lớp 1

xám vàng, nâu đỏ

Lớp 2 sét pha màu loang

<0,005

1,0 39,0 21,0 39,0

3,0 34,0 35,0 28,0

27 0,42

25 0,41 Bão hòa φ

C

24 0,31

22 0,30

vỡ đập là vỡ đập dạng lỗ (35%), vỡ đập do tràn đỉnh (25%), xói ngầm (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] Trong báo cáo của tác giả Garg (2013) [51] đã thống kê rằng vấn đề mất ổn định đập do điều kiện thủy lực chiếm 40%, do hiện tượng thấm chiếm 35% và do kết cấu đập chiếm 25% Theo khảo sát điều tra của tác giả Arora (2001) [30] cũng cho thấy rằng khoảng 35% và 30% các

sự cố về đập do điều kiện thủy lực và hiện tượng thấm, còn 20% là do các nguyên nhân khác Trong đó, nguyên nhân dẫn đến hư hỏng đập do hiện tượng thấm là do thiếu sự giám sát và thiếu thiết bị đo đạc để phát hiện sớm trước khi sự cố xảy ra [41] Dựa trên những nguyên nhân dẫn đến hư hỏng đập, có thể đưa ra ba nguyên nhân tiềm năng gây mất ổn định đập đất như sau [56]:

- Trượt: bao gồm mọi loại đổ vỡ công trình do mất ổn định và đặc biệt là mất

ổn định do trượt quy mô lớn mái hạ lưu hoặc mái thượng lưu trong điều kiện tải trọng tĩnh, hoặc mất ổn định do trượt quy mô lớn vì ứng suất địa chấn, hoặc vì hóa lỏng (Hình 1.7a);

- Xói ngoài: gồm xói do tràn đỉnh và xói chân mái thượng lưu (Hình 1.7b);

- Xói trong: có thể bắt nguồn từ xói dạng ống, xói lùi, xói tiếp xúc hoặc xói ngầm (Hình 1.7c)

Ở Việt Nam, tính đến năm 2018, cả nước đã đầu tư xây dựng được 6648 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tích khoảng 13,5 tỷ m3 nước, phân bố tại 45 tỉnh/thành trên cả nước, trong đó có 702 hồ chứa lớn và 5946 hồ chứa nhỏ 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 [8] Trong đó, tỷ lệ hư hỏng đập do hiện tượng thấm chiếm khoảng 44,9% (1), hư hỏng kết cấu bảo vệ mái chiếm 35,4% (2), các hư hỏng khác chiếm khoảng 19,7% (3), chi tiết như sau:

(1) Do thấm gây ra như thấm mạnh, sủi nước ở nền đập Đồng Mô - Hà Tây, Suối Giai - Sông Bé, Vân Trục - Vĩnh Phúc,…; Thấm mạnh, sủi nước ở vai đập Khe Chè - Quảng Ninh, Ba Khoang - Lai Châu, Sông Mây - Đồng Nai,…; Thấm mạnh ở nơi tiếp giáp với tràn hoặc cống như đập Vĩnh Trinh - Đà Nẵng, Dầu Tiếng - Tây Ninh,…;

(2) Hư hỏng thiết bị bảo vệ mái thượng lưu Khoảng 85% các đập đã xây dựng được bảo vệ mái bằng đá lát hoặc đá xây còn lại là tấm bê tông lắp ghép hoặc bê tông

đổ tại chỗ;

(3) Các hư hỏng khác như sạt mái, lún không đều, nứt, tổ mối,…

Theo báo cáo đánh giá hiện trạng của Tổng Cục thuỷ lợi: Thời gian qua, Chính

phủ đã phê duyệt Chương trình bảo đảm an toàn hồ chứa nước và nâng cao hiệu quả khai thác các hồ chứa (tại Văn bản số 1749/CP-NN ngày 30/10/2003 và số 1734/TTg-KTN ngày 21/9/2009) Đến nay, cả nước đã sửa chữa được 663 hồ; còn khoảng 1150 hồ đang bị hư hỏng nặng cần được sửa chữa, nâng cấp trong giai đoạn

đến nguy cơ vỡ đập Do vậy, tính thấm là một trong những nhiệm vụ quan trọng khi thiết

kế đập đất Dòng thấm có thể gây sự cố về đập có thể được phân loại như sau:

1.3.2.1 Hiện tượng rò rỉ

Một trong những nguyên nhân chính gây vỡ đập dạng lỗ là do hiện tượng rò

rỉ, xảy ra do sự di chuyển liên tục, tự do các hạt đất qua các khe kẽ các hạt lớn tạo thành ống dòng Sự di chuyển này có thể xảy ra ở thân đập hoặc nền đập [47] Ở Việt Nam, hiện tượng vỡ đập dạng lỗ là một trong hai dạng vỡ đập được lựa chọn khi tính toán bài toán vỡ đập Đây là trường hợp do thấm và xói ngầm qua thân đập Trong trường hợp vỡ đập dạng lỗ cần nhập vào giá trị của hệ số lưu lượng chảy qua lỗ [18] Hiện tượng này đã xảy ra ở đập Suối Hành, Khánh Hòa vào năm 1986 và đập Am Chúa, Khánh Hòa năm 1992 [8]

Hiện tượng rò rỉ xảy ra ở đập đất được chia thành hai dạng:

- Rò rỉ qua thân đập: Hiện tượng này xảy ra khi dòng thấm rò rỉ qua thân đập

do khả năng chống thấm đất đắp đập kém, hình thành các kênh đào nhỏ vận chuyển vật liệu xuống hạ lưu [29] Các kênh đào (lỗ rỗng) ngày càng mở rộng ra khi ngày càng có nhiều vật liệu được vận chuyển xuống hạ lưu hơn, điều này có thể dẫn đến việc vật liệu bị cuốn trôi khỏi thân đập và sau đó là đập bị sụt lún (Hình 1.8) Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là do những sai sót trong quá trình thi công, độ chặt không đủ, các vết nứt xuất hiện trên bề mặt đất đắp do nền đập bị sụt lún, các vết nứt xảy ra do hiện tượng co ngót và động vật đào hang trong thân đập

Hình 1.8 Rò rỉ qua thân đập [29]

- Rò rỉ qua nền đập: Đôi khi các hốc hoặc khe nứt hoặc tầng sỏi hoặc cát thô có tính thấm cao xuất hiện trong nền đập, nước có thể bắt đầu thấm với tốc độ rất nhanh

thông qua chúng (Hình 1.9) Dòng chảy tập trung này có thể làm xói mòn đất Hiện tượng rò rỉ qua nền đập kéo dài có thể làm toàn bộ thân đập lún dẫn đến vỡ đập [29]

mà từ đó vật liệu có thể thoát ra ngoài; (4) Các loại đất dễ bị rò rỉ phải xuất hiện nơi đường dòng gần điểm xả của dòng thấm; (5) Vật liệu bị rò rỉ hoặc vùng đất nằm ngay phía trên vật liệu phải có khả năng hình thành và giữ cho đường hầm luôn mở [38], [46], [47], [49], [50]

1.3.2.2 Hiện tượng xói trong

Một sự cố gây ra do hiện tượng xói trong (internal erosion) có thể xuất hiện tương tự như sự cố rò rỉ Xói trong và xói lùi được sử dụng để mô tả các cơ chế vỡ đập liên quan đến dòng thấm không được kiểm soát thay vì chỉ một thuật ngữ là rò

rỉ Những thuật ngữ này mô tả các cơ chế khác biệt rõ rệt mà dòng thấm có thể gây

ra vỡ đập Hiện tượng xói trong, có thể bắt nguồn từ xói dạng ống, xói lùi, xói tiếp xúc hoặc xói ngầm (Hình 1.10) [56]

(a) (b) (c) (d)

Hình 1.10 Đổ vỡ công trình do hiện tượng xói trong [56]

a Xói đường ống b Xói lùi

c Xói tiếp xúc d Xói ngầm Bốn quá trình bắt đầu hiện tượng xói trong là:

- Xói dạng ống (Conduit erosion): các hạt đất bị lôi cuốn khỏi bề mặt ống dưới tác dụng của dòng thấm (Hình 1.10a);

- Xói lùi (Regressive erosion): các hạt đất bị cuốn đi bên dưới bề mặt kết dính hoặc ở cửa ra dòng thấm Sau đó tiến trình xói hướng lên trên (Hình 1.10b);

- Xói tiếp xúc (Contact erosion): các hạt đất mịn bị cuốn đẩy theo mặt tiếp xúc giữa một lớp vật liệu hạt thô và một lớp vật liệu hạt mịn, dưới tác dụng của dòng thấm dọc theo lớp vật liệu hạt thô (Hình 1.10c);

- Xói ngầm (Suffusion): các hạt đất mịn bị dòng thấm đưa đi qua các lỗ rỗng trong môi trường đất (Hình 1.10d)

Hiện tượng xói trong mô tả cách thường thấy nhất mà dòng thấm có thể làm hỏng đập đất và hiện tượng này xuất hiện khi có dòng thấm:

- Dọc theo vết nứt hoặc các khuyết tật khác trong đất hoặc nền đá gốc ở mặt cắt ngang đập;

- Dọc theo ranh giới giữa đất và nền đá gốc;

- Dọc theo ranh giới giữa đất và bê tông hoặc vật liệu kim loại [46], [47], [49] Xói trong là hiện tượng phổ biến nhất ở những vùng chịu ảnh hưởng dòng thấm [46], [49] Các vùng cụ thể như sau:

- Vị trí mặt trượt: Khi độ chặt của đất đắp lớn và độ ẩm tăng lên tạo ra sự phân tầng của khối đất đắp;

- Khối đất đắp đập: Quá trình xây dựng không kiểm soát được vật liệu đất đắp, tạo ra sự không đồng nhất giữa các lớp đất;

- Vị trí các vết nứt: các vết nứt có thể được hình thành và mở rộng do độ lún khác nhau giữa nền đập hoặc do sự co ngót không đều của đất đắp Nước có thể tạo thành kênh dẫn nước thông qua các vết nứt này;

- Hiện tượng rò rỉ theo phương ngang: Điều này dẫn đến việc dần hình thành một cống tiêu nước từ thượng lưu về hạ lưu đập, qua đó xuất hiện hiện tượng tập trung dòng nước, tăng áp lực nước lỗ rỗng và mang theo các hạt đất với hàm lượng ngày càng tăng cao [41], [46], [73]

1.3.2.3 Hiện tượng tan rã

Dòng thấm còn có thể gây ra các vấn đề khác trong nền đập hoặc thân đập, vị trí mà thành phần khoáng vật trong đất đắp có thể bị hòa tan bằng nước ngầm hoặc dòng thấm Các thành phần khoáng vật dễ bị hòa tan bao gồm các khoáng chất như thạch cao, anhydrite, halite và đá vôi Quá trình hòa tan sẽ thúc đẩy hiện tượng xói trong và rò rỉ đập đất Đập được cấu tạo từ vật liệu dễ bị hòa tan như đá vôi phải luôn được bảo trì hết sức thận trọng Ngoài ra, thạch cao, halite và một số khoáng chất tương tự quá dễ hòa tan đến mức chúng ta phải sử dụng tới những biện pháp đặc biệt trong lúc thi công công trình Sự cố vỡ đập Quail Creek là một trong những sự cố do hiện tượng tan rã gây ra Người ta đã xác định rằng các khu vực khô cằn có thể chứa một lượng muối hòa tan đáng kể có thể được hòa tan bằng dòng thấm Sự hòa tan muối này có thể dẫn đến việc mất cường độ vật liệu đắp đập [46], [48]

1.3.2.4 Vị trí đường bão hòa trong thân đập

Một nguyên nhân khác gây sự cố vỡ đập là do không kiểm soát được đường bão hòa và dòng thấm qua thân đập Trong trường hợp này, hiện tượng xảy ra khi mực nước hồ chứa rút nhanh sẽ xuất hiện dòng thấm vào hồ do mực nước rút và gây mất ổn định mái thượng lưu Việc đánh giá ổn định mái dốc có liên quan đến việc xác định dạng thấm và áp lực kẽ rỗng trong thân đập cũng như xác định các chỉ tiêu chống cắt của đất tương ứng Trên thế giới đã có nhiều tác giả đi sâu vào nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định mái dốc khi mực nước trên mái rút nhanh [34], [42], [53], [58], [61], [69] Ở Việt Nam, cũng đã có công trình nghiên cứu khoa học

về “Nghiên cứu ổn định mái đê đập khi mực nước trên mái rút nhanh” của tác giả Nguyễn Cảnh Thái và cộng sự (2007) [11] Thêm vào đó, tiêu chuẩn TCVN 8216:2009 – Thiết kế đập đất đầm nén cũng đã đề cập đến ba trường hợp phải tính toán ổn định khi mực nước trên mái rút nhanh

Vấn đề xác định được vị trí đường bão hòa trong thân đập đất làm cơ sở nhận định, phân tích tình hình thấm, cũng như đánh giá sự ổn định, an toàn của đập là một việc làm hết sức cần thiết Có một số phương pháp xác định vị trí đường bão hòa như phương pháp vẽ 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 phương pháp số như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp thể tích hữu hạn hay phương pháp phần tử hữu hạn [39], [60], [64]

1.4 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 xói ngầm của tác giả Lin Ke và Akihiro Takahashi (2014) [62]

Các đặc điểm của hiện tượng xói ngầm và tác động cơ học của nó đối với đất bão hòa với các thành phần hạt mịn ban đầu ở các trạng thái ứng suất khác nhau được trình bày trong nghiên cứu này Một loạt các thí nghiệm dòng thấm được thực hiện bằng chế

độ kiểm soát tốc độ dòng chảy không đổi với phép đo chênh lệch áp suất nước lỗ rỗng cảm ứng giữa đế trên và đế dưới của mẫu thử theo áp suất đẳng hướng Áp lực ngược được duy trì không đổi trong mẫu thử nhằm đảm bảo điều kiện đất bão hòa hoàn toàn Khối đất của mẫu thử bị xói mòn liên tục được ghi lại bởi một hệ thống giám sát Hiện tượng xói ngầm gây ra biến dạng trục và biến dạng xuyên tâm cho mẫu thử có đường kính 70mm và chiều cao 150mm được ghi lại trong các thí nghiệm Cơ chế xói ngầm được thể hiện bằng sự thay đổi độ dốc thủy lực, áp lực thấm, tỷ lệ sụt giảm hạt mịn tích lũy và biến dạng thể tích trong quá trình xói ngầm Các sự cố cơ học của hiện tượng xói ngầm được đánh giá bằng cách tiến hành các thí nghiệm cắt cố kết thoát nước trên các mẫu thử bị xói mòn Các mẫu thử không bị xói ngầm cũng được thử nghiệm cho mục đích so sánh Sơ đồ thí nghiệm được thể hiện ở Hình 1.11

Hình 1.11 Mô hình nghiên cứu xói ngầm của Lin Ke và Akihiro Takahashi (2014) [62]