Nghiên cứu lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý trong điều kiện độ ẩm cao cho vùng Bắc Trung bộ - Việt Nam

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý trong điều kiện độ ẩm cao cho vùng Bắc Trung bộ - Việt Nam

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN VĂN HIỂN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ĐỘ CHẶT ĐẮP ĐẬP HỢP LÝ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO CHO VÙNG BẮC TRUNG BỘ VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62 58 40 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016
2. Công trình đựợc hoàn thành tại Truờng Ðại học Thủy Lợi Nguời huớng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Văn Hùng Nguời huớng dẫn khoa học 2: GS.TS Lê Kim Truyền Phản biện 1: PGS.TS Vũ Hữu Hải Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Phương Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Bỉnh Thìn Luận án sẽ đuợc bảo vệ truớc Hội đồng đánh giá luận án cấp Truờng họp tại: ROOM 5 - K.1 - Truờng Ðại học Thủy Lợi địa chỉ số 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội - Việt Nam. Vào hồi 14h ngày 16 tháng 12 năm 2016 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Ðại học Thủy lợi
3. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đập đất là công trình quan trọng chắn ngang sông suối để dâng nước tạo thành hồ chứa. Đập đất vẫn được sử dụng rộng rãi ở nước ta bởi vì đập đất có ưu điểm là tận dụng được nguồn vật liệu địa phương nên chi phí xây dựng thấp, kỹ thuật thi công đơn giản, công tác xử lý nền móng yêu cầu không phức tạp Quá trình xây dựng đập đất luôn chịu tác động của dòng chảy. Sau khi ngăn sông chúng ta phải xử lý hàng loạt vấn đề như bơm nước hố móng, xử lý nền phải thi công đắp đập nhanh để vượt lũ trong điều kiện thời gian thi công có hạn thường là một mùa khô. Những năm gần đây, khi xây dựng các đập đất thuộc khu vực Bắc miền Trung, chúng ta gặp phải vấn đề nan giải là đất dính đắp đập trong điều kiện mưa nhiều kéo dài và khí hậu ẩm ướt. Những công trình đầu mối ở các tỉnh miền Trung từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế như: Truồi, Tả Trạch, Ngàn Trươi, Thủy Yên- Thủy Cam, Đá Hàn, Bản Mồng nằm trong khu vực độ ẩm không khí luôn luôn cao, thời gian mưa kéo dài về mùa mưa. Nhiều tháng độ ẩm không khí lớn hơn 80%. Do đó, việc bảo đảm chất lượng công trình theo đồ án thiết kế, như thi công đầm nén đất dính đạt độ chặt K≥0,97 tương ứng độ ẩm của đất W=Wopt 3% là rất khó khăn. Điều này khiến cho thời gian thi công kéo dài, không đáp ứng được tiến độ cũng như mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội; làm cho hiệu quả vốn đầu tư giảm, thời gian thu hồi vốn kéo dài. Việt Nam đã có nhiều bài học kinh nghiệm và thành tựu về khoa học công nghệ xây dựng đập đất đá nhưng cũng phải trải qua nhiều bài học đắt giá. Hiện tại và những năm tới đây, theo qui hoạch và định hướng phát triển kinh tế đến 2030 và tầm nhìn 2050, khu vực Bắc miền Trung sẽ phải xây dựng nhiều đập đất đá trong điều kiện độ ẩm cao. Để đáp ứng được mục tiêu hoàn thành xây dựng công trình, đảm bảo chất lượng, thi công đúng tiến độ, giá thành hợp 1
4. lý và giảm thiểu hậu quả, thiệt hại kinh tế và tác động xấu đến an sinh xã hội, chúng ta cần phải có giải pháp chủ động trong quá trình thiết kế, thi công đập đất bằng phương pháp đầm nén phù hợp trong điều kiện độ ẩm cao. Điều đó thôi thúc tác giả nghiên cứu đề xuất giải pháp kịp thời nhằm đáp ứng được yêu cầu của lý luận và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án nghiên cứu đất và các chỉ tiêu của đất đắp đập khu vực Bắc Trung bộ và và đề xuất giải pháp về thiết kế, thi công xây dựng đập đất đầm nén hợp lý và an toàn để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng của đất nước. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu đất và các chỉ tiêu của đất đắp đập, giải pháp về thiết kế, thi công xây dựng đập đất đầm nén khu vực Bắc Trung bộ (từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế). Cụ thể luận án tập trung vào nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm cho đất đắp đập của Bắc Trung bộ; Sau đó ứng dụng kết quả nghiên cứu vào lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý để xây dựng đập đất. 4. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên đây, tác giả sẽ tập trung vào nghiên cứu các nội dung chính như sau: a) Nghiên cứu về vật liệu đắp đập và điều kiện tự nhiên của khu vực Bắc Trung bộ (từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế), đánh giá đặc trưng đất xây dựng của khu vực khi sử dựng đắp đập; b) Đề xuất giải pháp giảm ẩm thích hợp đối với đất đắp đập của khu vực; c) Nghiên cứu thực nghiệm để lựa chọn độ chặt hợp lý khi đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao của khu vực; d) Xây dựng qui trình xác định tốc độ đắp đập phù hợp với độ chặt và độ ẩm lựa chọn; 2
5. e) Áp dụng kết quả nghiên cứu mới vào đánh giá an toàn trong thi công của đập Đá Hàn và đập Tả Trạch. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan; - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng đập đất theo phương pháp đầm nén đã được công bố trong và ngoài nước; - Phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết có sử dụng một số phần mềm hỗ trợ; - Phương pháp quan sát và phân tích tổng kết kinh nghiệm thực tế; - Phương pháp chuyên gia, hội thảo. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm giàu thêm tư liệu cho nghiên cứu và thực tiễn xây dựng đập đất đầm nén. Về lý thuyết: Luận án tổng hợp được những nội dung cơ bản khi đánh giá và lựa chọn vật liệu cũng như phương án xây dựng đập đất đầm nén, trên cơ sở tổng hợp, kế thừa và phát triển những nghiên cứu về đập đất khi ứng dụng ở các vùng miền có điều kiện khác nhau hoặc tương tự. Diễn biến theo các chỉ tiêu cơ lý gồm độ chặt và độ ẩm của đất đắp đập vùng Bắc Trung bộ. Về thực tiễn: Luận án xây dựng được dữ liệu cơ bản, các giải pháp cũng như ứng dụng cụ thể cho công trình thực tế trong phạm vi nghiên cứu từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế. Đề xuất quy trình để lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý đắp đập cho khu vực và giải pháp giảm ẩm hiệu quả. 7. Những đóng góp mới của luận án (1) Đất đắp đập ở khu vực tồn tại chủ yếu là đất trầm tích và đất tàn tích trên đá gốc trầm tích. Đã đánh giá một cách khoa học về tính chất cơ lý của đất dính 3
6. (trầm tích) ở Bắc Trung bộ không trương nở hoặc trương nở yếu, không tan rã hoặc tan rã yếu; (2) Đã lựa chọn độ chặt đắp đập đối với: Khối chống thấm là đất trầm tích, chọn K≥0,94 với độ ẩm W=Wopt + (4÷6)%; Khối chịu lực, thường là đất tàn tích và hỗn hợp đào móng các hạng mục khác, chọn K≥0,97; (3) Đã đề xuất được giải pháp giảm ẩm khi đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao, sử dụng đệm cát có chiều dày 50cm cho bãi trữ đất dính phù hợp với thực tiễn khu vực Bắc Trung bộ, Việt Nam; (4) Đã xây dựng được qui trình xác định tốc độ đắp đập khi đắp với đất có độ ẩm cao nhằm đem lại hiệu quả cao, đẩy nhanh tiến độ thi công các đập đất trong vùng nghiên cứu. 8. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương chính: Chương 1. Tổng quan về xây dựng đập đất đầm nén Chương 2. Cơ sở khoa học và thực tiễn xây dựng đập đất đầm nén Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng đập đất đầm nén trong điều kiện độ ẩm cao Chương 4. Lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý cho vùng bắc trung bộ trong điều kiện độ ẩm cao CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN 1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đất đá 1.1.1 Sự phát triển xây dựng đập đất đá trên thế giới Đập đất có lịch sử phát triển lâu đời ở Ai Cập, Trung Quốc, Ấn Độ và một số nước khác nhờ các ưu điểm vượt trội như sử dụng vật liệu tại chỗ. Đến nay, ngày càng được ứng dụng nhiều hơn. Theo thống kê của ICOLD, đập vật liêu 4
7. địa phương đã tăng từ 75% năm 1977 lên 82,9% năm 1998 trên tổng các loại đập được xây dựng. 1.1.2 Sự phát triển xây dựng đập đất đá ở Việt Nam Ở Việt Nam, trước năm 1964 việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, có ít hồ chứa được xây dựng trong giai đoạn này. Sau năm 1964, đặc biệt từ khi đất nước thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa phát triển mạnh. Theo thống kê của TCTL quản lý đến 2015: Số đập cao 30m trở lên là 63 đập; Số đập cao từ 15m đến dưới 30m là 492 đập; Trong đó có 44 đập đất và 19 đập đất đá hỗn hợp. 1.2 Những nghiên cứu về đập đất ở Việt nam Sau năm 1975, nhờ nghiên cứu các nhà khoa học đã xử lý thành công đất có tính chất cơ lý đặc biệt. Nên xây dựng một loạt hồ chứa khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên. Tuy nhiên, khi triển khai xây dựng đập đất tại khu vực Bắc Trung bộ như Hồ Tả Trạch, Ngàn Trươi, Truồi đã gặp vấn đền nan giải độ ẩm của đất đắp và không khí rất cao. Không sử dụng các giải pháp thông thường để hạ độ ẩm đất đáp ứng yêu cầu đắp đập, dẫn đến chậm tiến độ thi công gây lãng phí rất lớn cho xã hội. Vì vậy, nghiên cứu giải pháp lựa chọn độ ẩm độ chặt hợp lý cho khu vực này là vấn đề thời sự ơ khu vực này. 1.3 Kết luận chương 1 Thông qua các nghiên cứu tổng quan trên đây, tác giả thấy rằng cần phải nghiên cứu xây dựng các đập đất đầm nén trong điều kiện độ ẩm cao cho khu vực Bắc Trung bộ. Việc thi công đập đất trong điều kiện độ ẩm cao sẽ có nhiều thay đổi về tốc độ đắp đập cũng như các chỉ tiêu cơ lý của đất đăp đập. Để lượng hóa các thay đổi trên cần được tiến hành nghiên cứu cụ thể: - Nghiên cứu về vật liệu đắp đập và điều kiện tự nhiên của khu vực Bắc Trung bộ, từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế, đánh giá đặc trưng đất xây dựng của khu vực khi sử dựng đắp đập; - Đề xuất giải pháp giảm ẩm thích hợp đối với đất đắp đập của khu vực; - Lựa chọn độ chặt hợp lý khi đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao; 5
8. - Xác định tốc độ đắp đập phù hợp với độ chặt và độ ẩm lựa chọn; - Áp dụng kết quả nghiên cứu mới vào đánh giá an toàn trong thi công của đập Đá Hàn và đập Tả Trạch. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN 2.1 Đặt vấn đề Từ kết quả nghiên cứu ở phần tổng quan, luận án thấy rằng cơ sở khoa học và thực tiễn của khu vực Bắc Trung bộ đang còn tồn tại vấn đề “xây dựng đập trong điều kiện độ ẩm tự nhiên cao” cần nghiên cứu tiếp. Trong chương này, tác giả nghiên cứu cơ sở khoa học đất xây dựng đập trong điều kiện độ ẩm tự nhiên cao và trong môi trường không khí thực tiễn khu vực Bắc Trung bộ. 2.2 Đất xây dựng 2.2.1 Nguồn gốc hình thành Đất là các lớp vật liệu rời, hình thành do đá phong hóa và phân vụn ra, không cố kết và phân bố từ mặt đất đến đá cứng. 2.2.2 Cường độ chống cắt của đất - Lý thuyết Mor-Coulomb Theo, Terzaghi, 1936 [41] cường độ chống cắt của đất bão hòa xác định qua tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Coulomb và ứng suất hiệu quả như sau: Phương trình đường bao phá hoại (thường gọi là biểu thức Coulomb): ′ ′ ′ ′ 휏 = + 휎푛푡 휑 (2.11) Trong đó: φ’ – góc ma sát hoặc sức kháng cắt; c’ – lực dính đơn vị. Từ quan hệ của vòng Mohr và đường bao phá hoại ta có góc của mặt phá hoại: 1 훼 = (900 + 휑′) (2.12) 2 6
9. 2.2.3 Tính hút ẩm của đất Đất có tính hút ẩm và chiều cao hút ẩm (mao dẫn) phụ thuộc vào thành phần khoáng và hình dạng lỗ hổng, nó giảm dần từ mica, thạch anh, fenspat. Đối với hạt d 30% 400 ÷1200 Các giá trị chiều cao mao dẫn hc trong Bảng 2.13 cho thấy, đối với đất thô, đặc biệt là cát sỏi, hc rất nhỏ và không quá 30cm. Đối với cát nói chung hc<50cm. [39] 2.2.4 Tính cố kết Đất tồn tại tự nhiên dưới dạng 3 pha (rắn, lỏng, khí). Do vậy, khi tác dụng tải trọng lên đất làm khí và nước thoát ra đất chặt lại gọi là quá trình cố kết. Thể tích giảm dần dần cho tới khi áp lực nước lỗ rỗng ở bên trong đạt cân bằng, việc giảm tải trọng có thể gây ra trương nở làm cho đất duy trì bão hoà. Để quá trình cố kết được bắt đầu thì phải gia tải và có thể phải mất nhiều năm mới đạt được độ lún cuối cùng. 7
10. 2.3 Tính đầm chặt và lựa chọn độ ẩm đắp đất dính 2.3.1 Lý thuyết về tính đầm chặt Như chúng ta đã biết: Vật liệu đất gồm ba thể, đó là thể rắn của hạt đất, thể lỏng của nước và thể khí của không khí. Thông thường thể rắn và thể nước không thể nén lại được, cho nên thực chất đầm chặt đất làm cho các hạt đất có nước bao bọc xung quanh ép đầy vào các khe hở của các hạt đất, từ đó đẩy không khí ra khỏi khối đất, làm cho hệ số độ rỗng của đất giảm nhỏ, độ chặt (mật độ) của đất tăng. Rõ ràng quá trình đầm chặt đất là một quá trình sắp xếp lại ba thể của đất dưới tác động của ngoại lực. Khi đất được đập chặt các tính chất cơ lý của nó tốt hơn rất nhiều so với trạng thái rời. Mục đích nghiên cứu với công năng đầm chặt nhỏ nhất có thể thu được hiệu quả đầm chặt lớn nhất đã thúc đẩy sự phát triển lý luận và kỹ thuật thi công về đầm chặt đất. 2.3.2 Lựa chọn độ chặt và độ ẩm đất dính • Hệ số đầm nén yêu cầu nhằm tránh lún sụt khi tích nước: - Khi đất khô W≤Wopt : γk≥0,95γk.max - Khi đất quá ẩm W>Wopt: γk≥0,90γk.max • Chọn γk theo yêu cầu chống thấm: Khi đất quá ẩm W>Wopt • Lựa chọn theo yêu cầu chống các chỉ tiêu cơ lý đặc biệt: K≥0,95 và W≤Wopt 3% • Theo qui chuẩn: Đối với công trình cấp II trở lên K≥0,97, công trình cấp III trở xuống chọn K≥0,95, và Wđắp = Wotp 3% 2.4 Kết luận chương Nội dung chương 2 đã tập trung phân tích bản chất vật lý, thành phần khoáng vật, chỉ tiêu cơ lý cơ bản của sét và đất dính. Những nghiên cứu về cơ sở khoa học và bản chất vật lý, hóa học liên quan mật thiết đến ứng dụng của đất dính trong xây dựng công trình đất. Những nghiên cứu có tính chất kinh điển của các nhà khoa học đi trước trên thế giới và Việt Nam cho thấy rõ yếu tố tự nhiên, địa 8
11. lý, khí hậu và lịch sử hình thành của đất phải nghiên cứu cụ thể do tính đặc thù của chúng. Hệ thống tiêu chuẩn giữa Nga, Việt Nam và các nước phương tây tuy có đôi chỗ khác nhau về phân loại đất nhưng về bản chất là thống nhất. Trong luận án tác giả không muốn thay đổi mà để nguyên bản có chú thích. Vấn đề này dần dần sẽ được khắc phục trong hệ thống TCVN. Điểm rõ ràng nhất chỉ ra khi nghiên cứu ứng dụng là sự phụ thuộc của sức kháng cắt vào độ chặt của đất và loại đất. Khi thiết kế và thi công cũng như ứng dụng công nghệ cần xem xét vận dụng vào điều kiện cụ thể khu vực và điều kiện tự nhiên, vật liệu. Nội dung chương 2 cũng đã cập nhật đầy đủ thành tựu nghiên cứu cho đất Nam Trung bộ, Tây Nguyên và Đông Nam bộ của các nhà khoa học Việt Nam để vận dụng kế thừa trong nghiên cứu ứng dụng. Các nghiên cứu từ trước đến nay cho thấy, đất có tính đầm chặt, chỉ tiêu cơ lý phục vụ xây dựng tốt lên theo độ chặt; đất dính có tính hút ẩm và mao dẫn cao; tính thoát nước và cố kết theo thời gian khi gia tải. Khi lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đất đắp đập: Đối với đất có các chỉ tiêu cơ lý đặc biệt (trương nở, co ngót, tan rã lún ướt mạnh) cần tuân thủ qui định hiện hành; Đối với đất không phải đặc biệt, nên lựa chọn tối ưu hóa các chỉ tiêu nội tại của loại đất sử dụng và có tính khả thi. Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam hiện nay đang tiếp cận theo hướng sử dụng độ chặt đầm nén trong thiết kế và thi công, nên đã phù hợp trong ứng xử với vật liệu đất đắp đập. Tuy nhiên, khi đồng nhất một độ chặt như nhau cho mọi loại đất khi đắp, sẽ dẫn đến lãng phí lớn và khó khăn trong quá trình thi công. Đối với đất khu vực nghiên cứu không phải đất có tính chất cơ lý đặc biệt, nên cần phải tiếp cận lựa chọn tối ưu hóa các chỉ tiêu nội tại của loại đất sử dụng và có tính khả thi. 9
12. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO 3.1 Đặt vấn đề Trong chương này, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục đích xác định các tương quan giữa độ ẩm (W) với hệ số đầm chặt (K): W ~ K và tương quan giữa các chỉ tiêu cơ lý: góc ma sát (φ), lực dính (c ) và hệ số thấm k với hệ số đầm chặt: (φ, c, k) ~ K. Từ đó, tìm ra giá trị độ chặt khả thi mà các chỉ tiêu của đất đắp ứng với độ ẩm tự nhiên thỏa mãn yêu cầu thiết kế. Đồng thời, tác giả cũng nghiên cứu các giải pháp giảm ẩm cho đất để đắp đập. 3.2 Nội dung thí nghiệm Tác giả tập trung phân tích thực nghiệm trong phòng và hiện trường cho hai loại đất đại diện cho khu vực: trầm tích Aluvi thềm sông, cát kết và tàn tích trên đá trầm tích sét kết. Thí nghiệm trong phòng để xác định đổ ẩm của đất tại bãi vật liệu ở các thời điểm đặc trưng trong năm, 17 chỉ tiêu cơ lý, các chỉ tiêu về trương nở, tan rã và lún ướt. Thí nghiệm hiện trường để xác định thành phần hạt, hệ số thấm, lực dính c và góc ma sát φ sau khi khối đất đã được đắp vào đập đạt các yêu cầu của thiết kế. Kết quả thí nghiệm hiện trường sẽ được so sánh và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm trong phòng. Bảng 3.3 Bảng thống kê khối lượng thí nghiệm trong phòng STT C. trình Công tác Đơn vị Khối lượng 1 Tả Trạch TN 17 chỉ tiêu Tổ mẫu 427 TN tương quan K, k, φ, c, W Tổ mẫu 68 2 Ngàn Trươi TN 17 chỉ tiêu Tổ mẫu 4 TN tương quan K, k, φ, c, W Tổ mẫu 11 3 Thủy Yên TN 17 chỉ tiêu Tổ mẫu 11 TN tương quan K, k, φ, c, W Tổ mẫu 110 Các thí nghiệm được thực hiện từ 8/2010 đến 02/2016 cho loại đất trầm tích và tàn tích ở các công trình Tả Trạch, Thủy Yên và Ngàn Trươi. Khối lượng thí nghiệm được tổng hợp ở Bảng 3.3. 10
13. 3.3 Kết quả thí nghiệm trong phòng 3.3.1 Đất trầm tích Kết quả thí nghiệm ở Bảng 3.4 cho thấy đất trầm tích khu vực nghiên cứu là đất có chỉ tiêu trương nở yếu hoặc không trương nở và tan rã yếu hoặc không tan rã. Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý về trương nở và tan rã của đất trầm tích Mỏ đất ở công trình Tả Trạch TT Chỉ tiêu VĐ1 VĐ2 1 Trữ lượng khai thác (m3) 1 583 016 3 552 660 2 Độ trương nở tương đối N (%) 1,8 7,6 3 Áp lực trương nở P (kG/cm2) 0,08 0,15 4 Tính tan rã yếu-Không tan rã yếu-Không tan rã Thông qua nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, tác giả xây dựng được tương quan giữa [độ chặt đầm nén (K) và độ ẩm tương ứng (W)] với [các chỉ tiêu góc ma sát (φ), lực dính (c), hệ số thấm (k) và dung trọng khô] như Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11. Hình 3.9 Tương quan hệ số thấm với độ chặt đầm nén (k~K) của đất trầm tích 11
14. Hình 3.10 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất trầm tích Hình 3.11 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất trầm tích Biểu đồ Hình 3.9 cho thấy, khi độ chặt tăng thì hệ số thấm giảm. Nhưng khi K≥0,94 thì hệ số thấm k 3.10-5(cm/s) và hầu như không giảm tiếp khi tăng độ chặt K. 12
15. Biểu đồ Hình 3.10 cho thấy φ đồng biến với K và khi K≥0,93 thì φ tăng nhẹ và tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất, phù hợp qui luật chung. Nếu tăng độ chặt K, hiệu quả tăng của φ không nhiều. Biểu đồ Hình 3.11 cho thấy c đồng biến với độ chặt K và khi K≥0,98 thì giá trị c tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất, phù hợp qui luật chung. Khi độ chặt K=1 thì c tăng thêm 3,4% so với giá trị của c ứng với K=0,98, tăng không đáng kể. 3.3.2 Đất tàn tích Thông qua nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, tác giả cũng xây dựng được tương quan giữa [độ chặt đầm nén (K) và độ ẩm tương ứng (W)] với [các chỉ tiêu góc ma sát (φ), lực dính (c), hệ số thấm (k) và dung trọng khô] như Hình 3.12, Hình 3.13, Hình 3.14. Hình 3.12 Tương quan hệ số thấm với độ chặt đầm nén (k~K) của đất tàn tích Trên Hình 3.12, khi độ chặt K tăng từ 0,90 đến 0,96 thì hệ số thấm k giảm mạnh từ 10-4 (cm/s) đến 5.10-5 (cm/s). Sau đó, khi K tăng thì k hầu như không giảm nữa. 13
16. Biểu đồ Hình 3.13 cho thấy φ đồng biến với K và khi K≥0,96 thì φ tăng nhẹ và tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất. Biểu đồ Hình 3.14 cho thấy c đồng biến với độ chặt K và khi K≥0,98 thì giá trị c tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất. Hình 3.13 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất tàn tích Hình 3.14 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất tàn tích 14
17. 3.4 Kết quả thí nghiệm hiện trường Kết quả đã thí nghiệm hiện trường được thể hiện ở Bảng 3.13. Bảng 3.13 Tả Trạch-Bảng giá trị trung bình các chỉ tiêu thí nghiệm đất trầm tích 3 3 o 2 TT Năm W (%) γw (T/m ) γk (T/m ) k (cm/s) φ ( ) c (kG/cm ) K 1 2010 17,42 2,02 1,72 6,91E-06 21,12 0,22 ≥0,97 2 2011 20,00 2,02 1,68 4,89E-06 22,73 0,24 ≥0,95 3 2012 16,98 1,99 1,70 2,87E-06 21,51 0,22 ≥0,95 4 2013 19,53 1,98 1,66 4,50E-06 19,22 0,22 ≥0,95 So sánh với kết quả thí nghiệm trong phòng, tác giả thấy rằng: Đối với hệ số thấm k thu được từ thí nghiệm hiện trường khi đắp với độ chặt K=0,97 và K=0,95, không có sự khác biệt ở khối đắp chống thấm bằng đất trầm tích. Kết quả này phù hợp với phân tích kết quả thí nghiệm trong phòng; Đối với góc ma sát φ, lực dính c của các mẫu lấy từ hố khoan thân đập lớn hơn của các mẫu lấy từ mỏ, nhưng sự khác biệt này không nhiều. 3.5 Giải pháp giảm ẩm cho đất trầm tích đắp khối chống thấm Hình 3.21 Cấu tạo hệ thống thoát nước và cắt nước mao dẫn Đệm cát dày 50cm; 2. Cuội sỏi tăng khả năng thoát nước; 3. Đất trữ để đắp Thông qua nghiên cứu các giải pháp giảm ẩm truyền thống và nghiên cứu thực tiễn công trường, tác giả đề xuất giải pháp giảm ẩm bằng bãi trữ có đệm cát dày 50cm (phương án 2) như Hình 3.21 và độ ẩm đất khi đắp đập W=Wopt+ (4÷6)% cho đất trầm tích dùng đắp khối chống thấm. Giải pháp này giúp giảm được độ 15
18. ẩm của đất trầm tích đến Wopt+(4÷6)% và giảm chi phí giảm ẩm đến gàn 50% so với phương án truyền thống (phương án 1). 3.6 Kết luận chương 3 Hệ số thấm k giảm khi độ chặt K tăng. Khi độ chặt K = (0,93÷0,94) tương ứng -5 với độ ẩm W =Wopt + 5,6%, thì k = 2.10 (cm/s), tiệm cận với giá trị nhỏ nhất. Khi áp dụng độ chặt K=0,95, thì hệ số thấm hiện trường tương ứng là k=3,63.10-6 (cm/s); Góc ma sát φ và lực dính c đồng biến với độ chặt K và các giá trị này tiến đến gần giá trị lớn nhất khi K=0,93 (đối vơi φ), K=0,98 (đối với c). Kết quả thu được các giá trị của góc ma sát φ, lực dính c của các mẫu lấy từ hố khoan thân đập lớn hơn của các mẫu lấy từ mỏ, nhưng sự khác biệt này không nhiều. Đối với khối chống thấm bằng đất trầm tích thì chọn độ chặt K≥0,94 tương ứng với độ ẩm W =Wopt + 5,6% là tối ưu về mặt chống thấm. Đối với đất tàn tích đắp khối chịu lực, chọn hệ số đầm nén cho loại đất này K=0,97, sẽ đáp ứng tốt nhất cho ổn định đập. Giải pháp giảm ẩm bằng bãi trữ có đệm cát dày 50cm và độ ẩm đất khi đắp đập W=Wopt + (4÷6)% tương ứng với độ chặt K=0,95. CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN ĐỘ CHẶT ĐẮP ĐẬP HỢP LÝ CHO VÙNG BẮC TRUNG BỘ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO Kết quả nghiên cứu ở chương 3 cho thấy rằng có thể đắp đập với độ chặt K≥0,95 thì có thể đảm bảo tiêu chí chống thấm của đập và các chỉ tiêu cơ lý φ, c. Khi đó, đất đắp đập sẽ có độ ẩm cao gần với độ ẩm tự nhiên hơn nhưng dễ sinh ra hiện tượng áp lực nước lỗ rỗng và thoát nước cố kết của đất dính, giảm khả năng ổn định khi thi công của khối đắp. Vì vậy, cần phải xem xét tốc độ đắp sao cho phù hợp, không gây mất ổn định. Trong chương này, tác giả sẽ nghiên cứu xác định tốc độ đắp đập ứng với các độ chặt khác nhau cho 2 loại đập điển hình: đập đất đồng chất và đập đất nhiều 16
19. khối. Đồng thời, sử dụng kết quả để kiểm chứng cho đập Đá Hàn và đập Tả Trạch có mặt cắt điển hình như Hình 4.12 và Hình 4.17. Phương pháp phân tích ổn định khối đắp phù hợp là phương pháp tăng giảm chỉ số lực dính c và góc ma sát trong φ dựa trên phần mềm thương mại Plaxis V8.5. 4.1 Nghiên cứu tốc độ thi công đập đất đầm nén Sử dụng kết quả chỉ tiêu cơ lý của đất đã được thí nghiệm ở Chương 3. Tác giả xác định tốc độ đắp đập ứng với hệ số đầm chặt K=0,90; 0,95, 0,97 và 0,98. Tốc độ đắp đập được tính toán theo các kịch bản ở Bảng 4.3 và Bảng 4.9. 4.1.1 Đập đất đồng chất Bảng 4.3 Đập đồng chất - Các phương án nghiên cứu về tốc độ đắp đập Tốc độ nâng đập Tốc độ Thời gian Thời gian Phương án Chiều cao trung bình đắp (ngày giãn cách nâng đập (m) m/tháng đêm) (ngày đêm) 1 1,5 10 5 3,0 2 3,0 10 5 6,0 3 4,5 10 5 9,0 Hình 4.12 Mặt cắt ngang đập đồng chất Đá Hàn 1. Khối đá phản áp (đê quai thượng lưu); 2. Khối đất đắp đập; 3. Lớp đất nền 4a; 4. Lớp đất nền 4b; 5. Lớp đất nền 1c Kết quả tính toán cho đập đồng chất thấy rằng: Đập đồng chất, nếu chọn tốc độ 3m/tháng (tương ứng 3 ngày mới được 1 lớp đầm) thì thỏa mãn mọi điều kiện K≥0,90 nhưng tốc độ này quá chậm; 17
20. Đập đồng chất, nếu chọn tốc độ 6m/tháng (tương ứng 1,5 ngày đắp được 1 lớp), tốc độ này phù hợp với hầu hết các công trường hiện nay và phải chọn K≥0,95. 4.1.2 Đập đất nhiều khối Bảng 4.9 Đập nhiều khối - Các phương án nghiên cứu về tốc độ đắp đập Tốc độ nâng đập Tốc độ Thời gian Thời gian Phương án Chiều cao trung bình đắp (ngày giãn cách nâng đập (m) m/tháng đêm) (ngày đêm) 1 3,0 10 5 6,0 2 4,5 10 5 9,0 3 6,0 10 5 12,0 Kết quả tính toán cho đập nhiều khối cũng thấy rằng: Sử dụng đập nhiều khối tăng nhanh được tốc độ đắp đập, so với đập đồng chất thi tốc độ nâng đập tăng 2 lần; Với K=0,95, tốc độ nâng đập 9m/tháng thích hợp nhất trong tổ chức thi công (mỗi ngày đắp 1 lớp), cũng như đắp đập vượt lũ. Không nên chọn tốc độ nâng đập nhanh hơn; Trong tính toán đã chọn đồng nhất hệ số đầm chặt cho các khối. Nhưng nếu chọn độ chặt K≥0,97 cho các khối thượng và hạ lưu, thì kết quả sẽ an toàn hơn cho đập trong suốt quá trình thi công. Hình 4.17 Mặt cắt ngang đập nhiều khối Tả Trạch 1. Khối đá phản áp; 2. Khối đất đắp đập PH 5&6; 3. Khối đất đắp đập 3b&5; 4. Khối đất đắp đập 2b; 5. Khối đất đắp đập 3b; 6. Khối cát thô; 7. Lớp đất nền 1A; 8. Lớp đất nền 6; 9. Lớp đất nền 5C; 10. Lớp đất nền 5B; 11. Lớp đất nền 7; 12. Lớp đất nền 8 18
21. 4.1.3 Các bước tính toán giải bài toán xác định tốc độ đắp đập Thông qua nghiên cứu tốc độ thi công đập đất đầm nén, tác giả đề xuất các bước tính toán giải bài toán xác định tốc độ đắp đập như sau: Bước 1: Khởi động Plaxis version 8.5; Bước 2: Mô hình hóa các chỉ tiêu cơ lý của từng khối đất đắp đập và nền; Bước 3: Chia lưới các phần tử của đất đắp và nền; Bước 4: Mô tả mực nước ngầm; Bước 5: Mô tả các điều kiện biên ban đầu; Bước 6: Mô tả thời gian đắp các khối đất, thời gian giãn cách giữa các lần đắp; Bước 7: Tính toán hệ số ổn định mái dốc của mái đập, lún và ứng suất cố kết theo thời gian; Bước 8: Xem kết quả. Chú ý: Nếu mái dốc đắp đập không ổn định thì quay lại bước 6 để điều chỉnh chiều cao các khối đắp hoặc điều chỉnh thời gian đắp từng khối hoặc thời gian giãn cách giữa các khối đắp. 4.1.4 Các bước tính toán giải bài toán xác định tốc độ đắp đập Thông qua nghiên cứu tốc độ thi công đập đất đầm nén, tác giả cũng đề xuất các qui trình xác định tốc độ đắp đập thông qua 4 bước như sau: Bước 1: Dự định tốc độ đắp đập; Bước 2: Tính toán kiểm tra ổn định cố kết của nền; Bước 3: Tính toán kiểm tra ổn định mái của khối đất đắp đập dự kiến; Bước 4: So sánh với điều kiện thực tế thi công để quyết định tốc độ đắp đập. Chú ý: Khi thực hiện các bước trên, ứng với các độ chặt K khác nhau thì c, φ và k thay đổi theo. Việc tính toán ổn định nền và mái dốc của đập trong quá trình thi công nên sử dụng phần mềm Plaxis V8.5 hoặc các phương pháp khác tương 19
22. đương với mục tiêu xác định được ổn định lún cố kết của nền và ổn định của mái dốc theo thời gian. 4.2 Kiểm chứng cho đập đồng chất Đá Hàn và cho đập nhiều khối Tả Trạch 4.2.1 Đập Đá Hàn Theo tiến độ thực tế của phương án thi công được duyệt thì mặt cắt lòng sông chính của đập Đá Hàn được thi công như sau: - Đợt 1: Đắp đập chính từ cao trình 12,28m (vị trí thấp nhất) đến cao trình 30,00m từ ngày 10/4/2012 đến ngày 10/5/2012 (30 ngày); - Đợt 2: Đắp tiếp đập chính từ cao trình 30,00m đến cao trình thiết kế 44,20m từ ngày 01/6/2012 đến ngày 15/8/2012 (75 ngày). Như vậy, trong quá trình đắp đã có thời gian giãn cách (nghỉ đắp) từ ngày 11/5/2012 đến ngày 30/5/2012, tổng cộng là 20 ngày. Bảng 4.15 Đập đồng chất - Tốc độ lên đập Đá Hàn ứng với độ đầm chặt K Thời Thời gian Hệ số ổn định mái Khối Chiều cao TT gian đắp giãn cách đắp đắp (m) (ngày) (ngày) K=0,97 K=0,95 K=0,90 1 Khối 1 30 20 1,413 1,415 1,434 18 2 Khối 2 75 0 1,122 1,121 1,087 14 Kết quả tính toán như Bảng 4.15 cho thấy: Thực tế thi công đắp đập đất Đá Hàn với K=0,97 là rất an toàn, nhưng để đáp ứng K=0,97, đã chậm tiến độ 1 năm do phải chờ đất khô hơn cùng với các giải pháp tốn kém khác về thời gian và tiền của. Giá như chúng ta xem xét K=0,95, thi công với đất ẩm hơn yêu cầu ban đầu 2-3% thì có thể kịp tiến độ và giảm chi phí. 4.2.2 Đập Tả Trạch Theo tiến độ thi công thực tế của đập Tả Trạch đã được duyệt thì mặt cắt lòng sông chính (vị trí đập có chiều cao lớn nhất) được thi công như sau: 20
23. - Đợt 1: Đắp đập chính từ cao trình -5,00m (vị trí thấp nhất) đến cao trình 26,90m từ ngày 15/01/2011 đến ngày 30/4/2011 (105 ngày); - Đợt 2: Đắp tiếp đập chính từ cao trình 26,90m đến cao trình thiết kế 36,10m từ ngày 01/5/2011 đến ngày 31/8/2011 (120 ngày); - Đợt 3: Đắp tiếp đập chính từ cao trình 36,10m đến cao trình thiết kế 55,00m từ ngày 01/01/2012 đến ngày 31/8/2012 (240 ngày). Như vậy, trong quá trình đắp đã có thời gian giãn cách (nghỉ đắp) từ ngày 01/9/2011 đến ngày 30/12/2012, tổng cộng là 120 ngày. Bảng 4.19 Đập nhiều khối - Tốc độ lên đập thực tế của Tả Trạch T.gian T.gian Hệ số ổn định mái C. cao TT Khối đắp đắp g. cách đã đắp K=0,98 K=0,97 K=0,95 K=0,90 (ngày) (ngày) (m) 1 Khối 1 105 0 1,884 1,872 1,790 1,864 2 Khối 2 120 120 1,682 1,675 1,619 1,641 3 Khối 3 240 0 1,551 1,542 1,536 1,469 Kết quả tính toán như Bảng 4.19 cho thấy: Thực tế thi công đắp đập Tả Trạch với K=0,97 rất an toàn, nhưng để đáp ứng K=0,97 thì không khả thi, do không giảm được ẩm của đất đắp khối chống thấm. Vì thế, tiến độ chậm 2 năm, do tìm kiếm các giải pháp giảm ẩm. Cuối cùng đã phải điều chỉnh độ chặt khối chống thấm về K=0,95. Sau khi điều chỉnh, thì đã thi công hoàn thành công trình an toàn và đưa vào vận hành được 3 năm. Giá như chúng ta xem xét K=0,95, đắp đất có độ ẩm W= Wopt + (4÷6)%, thì có thể kịp tiến độ và giảm chi phí. 4.3 Kết luận chương 4 Việc tính toán ổn định nền và mái dốc của đập trong quá trình thi công nên sử dụng phần mềm Plaxis V8.5 hoặc các phương pháp khác tương đương với mục tiêu xác định được ổn định lún cố kết của nền và ổn định của mái dốc theo thời gian. 21
24. - Đối với đập đồng chất có chiều cao (15÷30)m thì chọn độ chặt K≥0,95 là phù hợp cho thi công ở khu vực này; - Đối với đập nhiều khối với các khối 2 bên lõi là đất có tính thấm lớn, nếu K=0,90 thì tốc độ đắp tương đương như đập đồng chất đắp với K=0,95. Ở khu vực này, đập nhiều khối thi công thuận lợi hơn nhiều so với đập đồng chất về mặt đáp ứng yêu cầu tiến độ khẩn trương; - Nên áp dụng độ chặt đầm nén khác nhau cho các khối đắp trên cùng mặt cắt. Đối với các khối chịu lực, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị φ, c lớn nhất, khi đó K≥0,97; Đối với khối chống thấm, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị hệ số thấm nhỏ nhất, khi đó K≥0,94. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết quả đạt được của luận án 1) Trong phần nghiên cứu tổng quan: Luận án đã nghiên cứu các nội dung đặt ra cho vùng Bắc Trung bộ, từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế về lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý khi xây dựng đập đất và các giải pháp thích hợp. 2) Kết quả nghiên cứu lý thuyết: + Khí hậu Bắc Trung bộ nóng ẩm, độ ẩm tương đối của không khí cao, độ ẩm gần bão hòa thường kéo dài nhiều tháng trong năm. Việc giảm ẩm để thi công đập là rất khó khăn; + Đất dính ở khu vực này không có các tính chất đặc biệt (trương nở, tan rã, lún ướt) như đất ở Nam Trung bộ, Đông Nam bộ và Tây Nguyên. 3) Kết quả nghiên cứu thực nghiệm: + Thông qua thí nghiệm trong phòng và hiện trường tại các công trình thuộc Bắc Trung bộ, tác giả đã xây dựng được tương quan (K, W, γ) ~ (c, φ, k). Từ đó, phân tích và tìm ra được các chỉ số tốt nhất của c, φ, k theo (K, W, γ), làm cơ sở cho việc lựa chọn độ chặt K cùng với độ ẩm W hợp lý để đắp đập. 22
25. + Đề xuất được giải pháp làm giảm độ ẩm cho đất trầm tích hiệu quả và khả thi. 4) Kết quả nghiên cứu thực tiễn, ứng dụng: + Đối với đập đồng chất có chiều cao (15÷30)m thì chọn độ chặt đắp đập K≥0,95 là phù hợp cho thi công ở khu vực này; + Đối với đập nhiều khối với các khối 2 bên lõi là đất có tính thấm lớn, nếu K=0,90 thì tốc độ đắp tương đương như đập đồng chất đắp với K=0,95; Ở khu vực này, đập nhiều khối thi công thuận lợi hơn nhiều so với đập đồng chất; + Đối với đập nhiều khối nếu chọn độ chặt đắp các khối khác nhau thì nên chọn như sau: Đối với các khối chịu lực, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị φ, c lớn nhất, khi đó K≥0,97; Đối với khối chống thấm, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị hệ số thấm nhỏ nhất, khi đó K≥0,94. 2. Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu tiếp 1) Về phân tích thành phần khoáng vật của đất tại khu vực, tác giả phân tích kế thừa nhưng chưa làm thí nghiệm để khẳng định thêm; 2) Về thiết kế thủy công và thiết kế thi công sẽ ứng dụng kết quả đóng góp của luận án để giải quyết bài toán tối ưu trong thiết kế mặt cắt đập. 3. Kiến nghị 1) Ưu tiên sử dụng đập nhiều khối khi xây dựng đập đất trong khu vực. 2) Lựa chọn độ chặt đắp đập đối với: Khối chống thấm là đất trầm tích, chọn K≥0,94 với độ ẩm W=Wopt + (4÷6)%; Khối chịu lực, thường là đất tàn tích và hỗn hợp đào móng các hạng mục khác, chọn K≥0,97. 3) Giải pháp giảm ẩm, sử dụng đệm cát có chiều dày 50cm cho bãi trữ đất dính. 23
26. NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1) Trần Văn Hiển, Lê Văn Hùng. “Tính hút ẩm của đất dính và giải pháp giảm ẩm khi thi công đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao”. Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường số 54, 9/2016; 2) Trần Văn Hiển, Lê Văn Hùng, Trần Văn Toản. “Tốc độ thi công hợp lý khi đắp đập đất đồng chất với độ ẩm cao ở khu vực Bắc Trung bộ - Việt Nam”. Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường số 54, 9/2016; 3) Trần Văn Hiển, Lê Văn Hùng. “Tương quan độ chặt với hệ số thấm, với lực dính và đề xuất lựa chọn hệ số đầm nén hợp lý”. Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường số 50, 9/2015; 4) Nguyễn Hữu Huế, Trần Văn Hiển, Nguyễn Viết Thắng. “Lựa chọn độ ẩm khi thiết kế và thi công đập đất tại vùng có độ ẩm cao”. Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên Trường ĐH Thủy lợi năm 2014; 5) Trần Văn Hiển, Lê Văn Hùng. “Tương quan độ chặt với hệ số thấm, với lực dính và đề xuất lựa chọn hệ số đầm nén hợp lý”. Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên Trường ĐH Thủy lợi năm 2014; 6) Trần Văn Hiển, Nguyễn Hữu Huế. “Nghiên cứu hình thức phân chia khối đất đắp và trình tự thi công đập bằng phương pháp đầm nén trong điều kiện độ ẩm cao”, Đề tài cấp cơ sở Trường Đại học Thủy lợi năm 2012; 7) Tư vấn giám sát trưởng 08 công trình thực tiễn liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu: Hồ Tả Trạch – Thừa Thiên Huế; Hồ chứa nước Cửa Đạt – Thanh Hóa; Hồ chứa nước Ngàn Trươi – Hà Tĩnh; Hồ Thủy Yên – Thừa Thiên Huế; Hồ chứa nước Iamor – Gia Lai; Hồ Khe Ngang – Thừa Thiên Huế; Thủy điện Ke Bố - Nghệ An; Thủy Điện Dambri – Lâm Đồng; 8) Chủ trì thiết kế 05 công trình thực tiễn liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu: Hồ chứa nước Dương Đông – Kiên Giang; Hồ Easuop thượng – Đăk lăk; Hồ chứa nước Bản Mồng – Nghệ An; Hồ chứa nước Krông pách Thượng – Đăk Lăk; Hệ thống thủy lợi Bắc Nghệ An - Nghệ An. 24