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

164 trang thiennha21 16/04/2022 4820

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý trong điều kiện độ ẩm cao cho vùng Bắc Trung Bộ - Việt Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_lua_chon_do_chat_dap_dap_hop_ly_trong_die.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý trong điều kiện độ ẩm cao cho vùng Bắc Trung Bộ - Việt Nam

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016
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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Lê Văn Hùng 2. GS. TS. Lê Kim Truyền HÀ NỘI, NĂM 2016
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Văn Hiển i
LỜI CÁM ƠN Sau thời gian thực hiện, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các nhà khoa học, thầy cô giáo, gia đình và các đồng nghiệp, luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý trong điều kiện độ ẩm cao cho vùng Bắc Trung bộ Việt Nam” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, Trường Đại học Thuỷ Lợi; Công ty CP tư vấn xây dựng Thủy lợi 2; Phòng thí nghiệm Las XD151 – HEC2; Ban QLĐTXD Thủy Lợi 4,5; Tổng công ty CP tư vấn xây dựng Thủy Lợi Việt Nam; Tổng công ty XD Thủy Lợi 4; Công ty CP tư vấn và XD Quảng Trị đã giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả trong thời gian thực hiện luận án. Tác giả xin đặc biệt cám ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS.TS.Lê Văn Hùng, GS.TS.Lê Kim Truyền, các nhà khoa học, thầy cô giáo trong và ngoài trường đã hướng dẫn, góp ý, tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cám ơn gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè luôn bên cạnh khích lệ, nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận án. Mặc dù đã rất cố gắng, song luận án không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả kính mong các nhà khoa học, thầy cô giáo chỉ bảo, các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài. Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2016 Tác giả luận án Trần Văn Hiển ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của luận án 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Nội dung nghiên cứu 3 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4 7. Cấu trúc luận án 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN 5 1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập đất đá 5 1.1.1 Khái quát về lịch sử phát triển xây dựng đập đất đá 5 1.1.2 Sự phát triển xây dựng đập đất đá trên thế giới 6 1.1.3 Sự phát triển xây dựng đập đất đá ở Việt Nam 8 1.2 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản thi công đập đất 9 1.2.1 Yêu cầu đối với đất đắp đập 9 1.2.2 Yếu tố quyết định đến hiệu quả đầm chặt đất 11 1.3 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu - Bắc Trung bộ [12] 15 1.3.1 Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình 15 1.3.2 Đặc điểm khí tượng thủy văn 16 1.3.3 Đặc điểm địa hình địa mạo 20 1.3.4 Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên đến quá trình xây dựng đập 20 1.4 Quy hoạch phát triển thủy lợi và yêu cầu xây dựng đập đất đầm nén trong khu vực nghiên cứu 21 1.5 Những nghiên cứu về đập đất ở Việt Nam 22 1.5.1 Khái quát 22 1.5.2 Lựa chọn và điều chỉnh độ ẩm trong thi công 24 1.5.3 Thi công đắp đập đất trong điều kiện độ ẩm cao 25 1.6 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN 28 2.1 Đất xây dựng 28 2.1.1 Nguồn gốc hình thành 28 2.1.2 Phân loại đất 28 2.1.3 Các đặc trưng cơ lý của đất 32 2.1.4 Đất dính và một số tính chất đặc trưng 32 2.1.5 Tính hút ẩm của đất 42 iii
2.1.6 Lý thuyết phá hoại Mohr-Coulomb 44 2.1.7 Thấm của nước trong đất 45 2.1.8 Áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hiệu quả 47 2.1.9 Các nghiên cứu về lún của đất 50 2.2 Quan hệ dung trọng khô lớn nhất với độ ẩm 59 2.2.1 Lý luận về đầm chặt đất 59 2.2.2 Kinh nghiệm chọn dung trọng và độ ẩm thi công đất hạt mịn của Borkievich 62 2.2.3 Kiến nghị chọn độ ẩm thi công của Phạm Văn Cơ, 1994 và một số tác giả 62 2.2.4 Lựa chọn độ ẩm và độ chặt đất đắp đập đầm nén theo tiêu chuẩn hiện hành 63 2.2.5 Ảnh hưởng của độ chặt đến ứng suất biến dạng 64 2.3 Kết luận chương 64 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO 66 3.1 Đặt vấn đề 66 3.2 Phân bố vật liệu đất đắp đập của khu vực 66 3.2.1 Đặc điểm địa tầng 66 3.2.2 Trầm tích Aluvi và trầm tích sông, biển 67 3.2.3 Sườn tàn tích và tàn tích trên đá biến chất (đá phiến sét và cát kết) 68 3.3 Nội dung thí nghiệm 70 3.3.1 Thí nghiệm trong phòng 70 3.3.2 Phương pháp thí nghiệm hiện trường sau khi đắp 76 3.4 Thời gian, khối lượng thí nghiệm 77 3.4.1 Thời gian thí nghiệm 77 3.4.2 Khối lượng thí nghiệm 78 3.5 Kết quả thí nghiệm trong phòng 78 3.5.1 Đất trầm tích 78 3.5.2 Đất tàn tích 80 3.6 Kết quả thí nghiệm hiện trường 87 3.7 Tổng hợp phân tích kết quả thí nghiệm về độ chặt đầm nén K và độ ẩm W 88 3.7.1 Đối với đất trầm tích đắp khối chống thấm 88 3.7.2 Đối với đất tàn tích đắp khối chịu lực 88 3.8 Giải pháp giảm ẩm cho đất trầm tích đắp khối chống thấm 88 3.8.1 Các giải pháp thường áp dụng 89 3.8.2 Phương án 1 91 3.8.3 Phương án 2 92 3.9 Kết luận chương 3 94 3.9.1 Vật liệu sử dụng đắp đập của khu vực 95 3.9.2 Đối với đất trầm tích đắp khối chống thấm 95 3.9.3 Đối với đất tàn tích đắp khối chịu lực 95 3.9.4 Giải pháp giảm ẩm và lựa chọn độ ẩm hợp lý 95 CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN ĐỘ CHẶT ĐẮP ĐẬP HỢP LÝ CHO VÙNG BẮC TRUNG BỘ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO 96 4.1 Đặt vấn đề 96 4.2 Lựa chọn phương pháp tính ổn định đập đất đầm nén trong thi công 96 iv
4.2.1 Giới thiệu phương pháp tính 96 4.2.2 Các phương trình cơ bản 97 4.2.3 Giới thiệu phần mềm Plaxis 99 4.2.4 Lựa chọn công cụ tính toán ổn định 101 4.2.5 Điều kiện ổn định của mái đập [51] 101 4.3 Nghiên cứu tốc độ thi công đập đất đầm nén 101 4.3.1 Các dạng mặt cắt điển hình của đập đất đầm nén 102 4.3.2 Tốc độ đắp đập đất đồng chất 102 4.3.3 Tốc độ đắp đập nhiều khối 108 4.3.4 Các bước giải bài toán tốc độ đắp đập 113 4.3.5 Qui trình tính toán lựa chọn tốc độ đắp đập 115 4.4 Ứng dụng kiểm chứng cho đập đồng chất Đá Hàn và cho đập nhiều khốiTả Trạch 116 4.4.1 Đập Đá Hàn 116 4.4.2 Đập Tả Trạch 121 4.5 Kết luận chương 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129 NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 131 1. Bài báo khoa học 131 2. Hội nghị khoa học 131 3. Đề tài khoa học 131 4. Công trình thực tiễn 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133 PHỤ LỤC 138 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đồ thị quan hệ dung trọng – độ ẩm 12 Hình 1.2 Tương quan: Lực đầm nén – Dung trọng khô lớn nhất – Độ ẩm tối ưu [9] 12 Hình 1.3 Lu rung Dynapac CA 4000 D, vấu mềm 14 Hình 1.4 Tác dụng lực đầm theo chiều dày của lớp đất đắp 15 Hình 1.5 Bản đồ khu vực nghiên cứu [12] 16 Hình 1.6 Hình ảnh mặt đập Tả Trạch trước và sau lũ 25 Hình 2.1 Đường cong thành phần hạt (đường cấp phối hạt) 31 Hình 2.2 Đường cong thành phần hạt [37] 31 Hình 2.3 Phân tố đơn vị của khoáng vật sét. a) Khối bốn mặt; b) Khối tám mặt. [10] 35 Hình 2.4 Cấu trúc lưới-lớp của khoáng vật sét [10] 36 Hình 2.5 Cấu trúc và kích thước các khoáng vật sét chủ yếu [10] 36 Hình 2.6 Chỉ số hút ẩm và độ ẩm của đất 42 Hình 2.7 Lí thuyết phá hoại Mohr – Coulomb 45 Hình 2.8 Sơ đồ thấm phẳng Duypuy 46 Hình 2.9 Theo dõi lún một số đập [44], [45], 51 Hình 2.10 Các hệ số chuyển vị dưới móng mềm [47] 53 Hình 2.11 Sơ đồ tính lún đất lớp mỏng 53 Hình 2.12 Cố kết một hướng 55 Hình 2.13 Hộp nén và máy nén một trục không nở hông [48] 56 Hình 2.14 Đường cong hệ số rỗng - ứng suất hiệu quả 57 Hình 2.15 Đường cong nở và nén 57 Hình 2.16 Đường cong ứng suất – biến dạng của thí nghiệm cắt đất [10] 64 Hình 2.17 Hiệu quả của tăng dung trọng khô đến ứng suất – biến dạng của đất [53]. . 64 Hình 3.1 Kết quả thí nghiệm proctor đất trầm tích 68 Hình 3.2 Kết quả thí nghiệm proctor đất tàn tích 69 Hình 3.3 Mặt cắt điển hình của đập Tả Trạch 71 Hình 3.4 Lấy mẫu kiểm tra chỉ tiêu cơ lý tại mặt đập 72 Hình 3.5 Xác định độ ẩm tương ứng với độ chặt khi gia công mẫu 73 Hình 3.6 Thí nghiệm xác định hệ số thấm trong phòng 75 Hình 3.7 Thí nghiệm xác định hệ số thấm tại hiện trường 75 Hình 3.8 Thí nghiệm xác định lực dính c và góc ma sát trong ( ) 76 Hình 3.9 Tương quan hệ số thấm với độ chặt đầm nén (k~K) của đất trầm tích 81 Hình 3.10 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất trầm tích 82 Hình 3.11 Hàm quan hệ giữa góc ma sát với độ chặt (φ~K) của đất trầm tích 82 Hình 3.12 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất trầm tích 83 Hình 3.13 Tương quan hệ số thấm với độ chặt đầm nén (k~K) của đất tàn tích 85 Hình 3.14 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất tàn tích 86 Hình 3.15 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất tàn tích 86 Hình 3.16 Tương quan độ chặt đầm nén với độ ẩm (K~W) khi đắp đất trầm tích 87 Hình 3.17 Phơi đất để giảm độ ẩm tại bãi vật liệu 89 Hình 3.18 Hệ thống rãnh thoát nước giảm ẩm bãi vật liệu 90 vi
Hình 3.19 Phơi đất để giảm độ ẩm tại mặt đập 90 Hình 3.20 Xác định độ ẩm W tương ứng với các cấp độ chặt đầm nén K 91 Hình 3.21 Cấu tạo hệ thống thoát nước và cắt nước mao dẫn 93 Hình 4.1 Sơ đồ tính toán theo phương pháp PTHH của phần mềm Plaxis 100 Hình 4.2 Cấu tạo mặt cắt ngang các loại đập đất thông dụng 102 Hình 4.3 Đắp lên đều toàn mặt cắt 103 Hình 4.4 Đắp lên đều theo mặt cắt chống lũ 103 Hình 4.5 Mặt cắt ngang đập đồng chất điển hình 105 Hình 4.6 Đập đồng chất - Biểu đồ diễn biến áp lực nước lỗ rỗng nền đập phụ thuộc tốc độ đắp đập 107 Hình 4.7 Đập đồng chất - Chuyển vị đứng của đỉnh đập phụ thuộc vào tốc độ đắp đập 107 Hình 4.8 Mặt cắt ngang đập nhiều khối điển hình 108 Hình 4.9 Đập nhiều khối - Biểu đồ diễn biến áp lực nước lỗ rỗng nền đập phụ thuộc tốc độ đắp đập. 112 Hình 4.10 Đập nhiều khối - Chuyển vị đứng của đỉnh đập phụ thuộc vào tốc độ đắp đập. 112 Hình 4.11 Mặt cắt điển hình đập chính Đá Hàn – Hà Tĩnh 119 Hình 4.12 Mặt cắt ngang đập đồng chất Đá Hàn 119 Hình 4.13 Đập đồng chất Đá Hàn – Chia lưới phần tử tính toán 120 Hình 4.14 Đập đồng chất Đá Hàn – Áp lực nước lỗ rỗng trong đập và nền khi đắp đập xong đợt 1 ứng với K=0,97 120 Hình 4.15 Đập đồng chất Đá Hàn – Ứng suất hiệu quả trong đập và nền khi đắp đập xong đợt 1 ứng với K=0,97 120 Hình 4.16 Đập đồng chất Đá Hàn – Mô hình cung trượt của đập và nền khi đắp đập xong đợt 1 ứng với K=0,97 120 Hình 4.17 Mặt cắt ngang đập nhiều khối Tả Trạch 121 Hình 4.18 Toàn cảnh đập Tả Trạch 121 Hình 4.19 Đập nhiều khối Tả Trạch – Phân chia lưới phần tử tính toán 125 Hình 4.20 Đập nhiều khối Tả Trạch – Áp lực nước lỗ rỗng trong đập và nền khi đắp đập xong đợt 1 ứng với K=0,95 125 Hình 4.21 Đập nhiều khối Tả Trạch – Ứng suất hiệu quả trong đập và nền khi đắp đập xong đợt 1 ứng với K=0,95 125 Hình 4.22 Phân chia khối đắp đập 126 Hình 4.23 Thứ tự đắp đập (khối lõi lên trước) 127 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Số lượng đập lớn các loại [3],1988 7 Bảng 1.2 Số lượng đập vật liệu địa phương ở các nước trên thế giới (H≥15m) 7 Bảng 1.3 Số lượng và phân loại hồ chứa thủy lợi, không kể hồ thủy điện 8 Bảng 1.4 Đập lớn bằng vật liêu địa phương thuộc quản lý của TCTL (2012) 10 Bảng 1.5 Một số đập cao bằng vật liệu địa phương điển hình ở Việt Nam 11 Bảng 1.6 Thiết bị thí nghiệm dung trọng – độ ẩm theo [7], [8] 11 Bảng 2.1 Các nhóm đất xây dựng chính [10]; [37] 29 Bảng 2.2 Phân loại hạt đất theo kích thước [38] 29 Bảng 2.3 Các nhóm đất xây dựng chính [37] 30 Bảng 2.4 Phân loại cỡ hạt theo tiêu chuẩn một số nước [39] 30 Bảng 2.5 Các đặc trưng tính chất vật lý của đất [36] 33 Bảng 2.6 Một số khoáng vật sét dạng lưới – lớp [39] 36 Bảng 2.7 Các khoáng vật sét [39] 37 Bảng 2.8 Lượng nước hấp phụ gần đúng [10] 38 Bảng 2.9 Thành phần hóa học đất sét trầm tích Pleixtoxen, Holoxen ở Việt Nam [39] 40 Bảng 2.10 Phân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn Anh USBR 41 Bảng 2.11 Phân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn Nga (Snhip): CHИП 2-05-08-1985 41 Bảng 2.12 Chiều cao hút ẩm (mao dẫn) hc (mm) và đường kính mao quản r (mm) theo cỡ hạt và loại khoáng vật [39] 43 Bảng 2.13 Chiều cao hút ẩm (mao dẫn) hc của các loại đất [40] 44 Bảng 2.14 Gradient thủy lực cho phép [Jk]cp ở khối đắp thân đập [5] 47 Bảng 2.15 Gradient trung bình tới hạn [Jk]th ở các bộ phận chống thấm [5] 47 Bảng 2.16 Trị số gradient thấm cho phép của đất nền (TCVN 9902-2013) 47 Bảng 2.17 Giá trị tính toán của hệ số áp lực nước lỗ rỗng B [10] 49 Bảng 2.18 Giá trị của hệ số áp lực nước lỗ rỗng Af [10] 49 Bảng 2.19 Các giá trị điển hình của hệ số Poisson [10], [46] 52 Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ lý đất trầm tích ở khu vực Bắc Trung bộ 67 Bảng 3.2 Chỉ tiêu đất tàn tích các công trình xây dựng ở khu vực Bắc Trung bộ 69 Bảng 3.3 Bảng thống kê khối lượng thí nghiệm trong phòng 78 Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý về trương nở và tan rã của đất trầm tích 79 Bảng 3.5 Tả Trạch – Tương quan (K và W)~(φ, c, k) của đất trầm tích lớp 2b đợt 1 79 Bảng 3.6 Tả Trạch - Tương quan (K và W)~(φ, c, k) của đất trầm tích lớp 2b đợt 2 79 Bảng 3.7 Thủy Yên - Tương quan (K và W)~(φ, c, k) của đất trầm tích lớp 4 80 Bảng 3.8 Ngàn Trươi - Tương quan (K và W)~(φ, c, k) của đất trầm tích lớp 2a 81 Bảng 3.9 Tả Trạch - Tương quan (K và W)~(φ, c, k) của đất tàn tích 3b đợt 1 83 Bảng 3.10 Tả Trạch - Tương quan (K và W)~(φ, c, k) của đất tàn tích 3b đợt 2 84 Bảng 3.11 Thủy Yên - Tương quan (K và W) ~ (φ, c, k) của đất tàn tích lớp 3 và lớp 3c đợt 1 84 Bảng 3.12 Thủy Yên - Tương quan (K và W)~(φ, c, k) của đất tàn tích lớp 3 và lớp 3c đợt 2 85 viii
Bảng 3.13 Tả Trạch-Bảng giá trị trung bình các chỉ tiêu thí nghiệm đất trầm tích 87 Bảng 3.14 Độ ẩm tự nhiên của lớp 2b theo các năm 92 Bảng 3.15 Đập Tả Trạch - So sánh chi phí giảm ẩm để đắp đập với độ chặt K=0,95 cho khối chống thấm theo các phương án. 94 Bảng 4.1 Đập đồng chất - Các chỉ tiêu cơ lý đối với đất đắp đập sử dụng trong tính toán 104 Bảng 4.2 Đập đồng chất - Chỉ tiêu cơ lý của nền và đập Đá Hàn trong tính toán Plaxis 104 Bảng 4.3 Đập đồng chất - Các phương án nghiên cứu về tốc độ đắp đập 104 Bảng 4.4 Đập đồng chất - Kịch bản về tốc độ lên đập với chiều cao mỗi khối đắp 1,5m 105 Bảng 4.5 Đập đồng chất - Kịch bản về tốc độ lên đập với chiều cao mỗi khối đắp 3,0m 106 Bảng 4.6 Đập đồng chất - Kịch bản về tốc độ lên đập với chiều cao mỗi khối đắp 4,5m 107 Bảng 4.7 Đập nhiều khối - Chỉ tiêu cơ lý của nền và đập Tả Trạch phục vụ tính toán Plaxis 108 Bảng 4.8 Đập nhiều khối - Các chỉ tiêu cơ lý đối với đất đắp đập trong tính toán 109 Bảng 4.9 Đập nhiều khối - Các phương án nghiên cứu về tốc độ đắp đập 109 Bảng 4.10 Đập nhiều khối - Kịch bản về tốc độ lên đập với chiều cao mỗi khối đắp 3m 110 Bảng 4.11 Đập nhiều khối – Kịch bản về tốc độ lên đập với chiều cao mỗi khối đắp 4,5m 111 Bảng 4.12 Đập nhiều khối - Kịch bản về tốc độ lên đập với chiều cao mỗi khối đắp 6m 111 Bảng 4.13 Thông số thiết kế đập chính Đá Hàn 117 Bảng 4.14 Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập Đá Hàn 118 Bảng 4.15 Đập đồng chất - Tốc độ lên đập Đá Hàn ứng với độ đầm chặt K 118 Bảng 4.16 Tiến độ thi công thiết kế 122 Bảng 4.17 Khối lượng đất đắp thực tế không kể khối lượng đá xây, cát cuội sỏi và đống đá tiêu nước 122 Bảng 4.18 Kết quả thí nghiệm trộn đất với EC – Stein 124 Bảng 4.19 Đập nhiều khối - Tốc độ lên đập thực tế của Tả Trạch 126 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ CFRD Đập đá đổ đầm nén bản mặt bê tông ĐHTL Trường Đại học Thủy lợi ICOLD Hội đập lớn thế giới LATS Luận án tiến sĩ QCVN Qui chuẩn quốc gia Việt Nam TCTL Tổng cục thủy lợi TCVN Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam VNCOLD Hội đập lớn Việt Nam VN Việt Nam Bắc Trung Bộ, Việt Bao gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Trị, Nam Quảng Bình và Thừa Thiên Huế  Độ chặt K K = (Với: -dung trọng đất đắp; max-dung trọng lớn nhất)  Là độ chặt sử dụng trong thiết kế, thi công và kiểm tra đất đắp Độ chặt hợp lý đập đảm bảo kỹ thuật, khả thi khi thi công, đẩy nhanh tiến độ thi công và kinh tế Là độ ẩm tự nhiên cao hơn nhiều so với độ ẩm tối ưu, khi đắp Độ ẩm cao đập phải có giải pháp kỹ thuật Thi công trong điều Là xây dựng công trình trong điều kiện độ ẩm tự nhiên của đất kiện độ ẩm cao và độ ẩm tương đối của không khí ≥80% Mô hình đàn-dẻo Là mô hình có sự thay đổi góc ma sát trong và lực dính x
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Đập đất là một trong những công trình quan trọng trong hệ thống công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện. Nó được sử dụng rộng rãi ở nước ta bởi vì có những ưu điểm sau: Sử dụng được nguồn vật liệu địa phương nên chi phí xây dựng thấp, kỹ thuật thi công đơn giản, sử dụng các thiết bị phổ biến sẵn có trong nước, công tác xử lý nền móng yêu cầu không phức tạp Đập đất là công trình quan trọng chắn ngang sông suối, 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 (thời gian thicông trong mùa khô). Việt Nam đã có nhiều bài học kinh nghiệm và thành tựu về khoa học công nghệ xây dựng đập đất đá ở cả ba miền Bắc, Trung, Nam và Tây Nguyên. Trước năm 1975, nhiều đập đất đá đã được xây ở miền Bắc, chủ yếu ở vùng núi và trung du từ Thanh Hóa trở ra. Sau năm 1975, pham vi nghiên cứu được mở rông về phía Nam. Những nghiên cứu về vật liệu đất đá đắp đập cũng như công tác khảo sát, thiết kế và thi công nhiều công trình lớn như: Thác Bà, Hòa Bình được áp dụng thành công. Sau năm 1975, việc xây dựng đập đất đá gặp phải bài học lớn về xây dựng đập với đất dính có các đặc trưng cơ lý đặc biệt như lún ướt, trương nở co ngót và tan rã mạnh khác hẳn đất dính từ Thanh Hóa trở ra phía Bắc. Vấn đề này cũng đã được giải quyết tốt sau nhiều bài học đắt giá. Các kỹ sư và nhà khoa học có nhiều công bố về vấn đề này. Đối với khu vực Bắc miền Trung, những năm gần đây chúng ta gặp phải vấn đề nan giải khác. Đó 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 iềnm 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 1
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% theo thiết kế rất khó khăn, thời gian thi công kéo dài, không đáp ứng được tiến độ cũng như mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội, hiệu quả vốn đầu tư giảm, thời gian thu hồi vốn kéo dài. Để đáp ứng được mục tiêu hoàn thành xây dựng công trình, đảm bảo chất lượng, thi công đúng tiến độ, giá thành hợp lý, chúng ta phải chủ động đề xuất các giải pháp xây dựng đập đất bằng phương pháp đầm nén trong điều kiện độ ẩm cao. Nếu không có giải pháp chủ động trong quá trình thiết kế, thi công, công trình không đảm bảo về chất lượng và tiến độ sẽ gây hậu quả khó lường, nhiều đập bị vỡ khi đang thi công gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và tác động xấu đến an sinh xã hội. 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. Bên cạnh đó còn chịu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, những diễn biến bất thường và thiên tai. Để chủ động bảo đảm mục tiêu xây dựng công trình đúng tiến độ trong điều kiện hiện nay, cần nghiên cứu giải pháp xây dựng đập đất bằng phương pháp đầm nén phù hợp trong điều kiện độ ẩm cao. Đây chính là khó khăn lớn nhất đặt ra, cần phải 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 loại đất và các chỉ tiêu của đất đắp đập khu vực Bắc Trung bộ và giải pháp về thiết kế, thi công xây dựng đập đất đầm nén hợp lý và an toàn, đáp ứng được yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng của đất nước. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là 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. 3.2. Phạm vi nghiên cứu 2
3.2.1. Giới hạn phạm vi nghiên cứu về chuyên môn - Nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm cho đất đắp đập của Bắc Trung bộ; - Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý để xây dựng đập đất. 3.2.2. Phạm vi nghiên cứu về địa lý Các địa phương thuộc Bắc Trung bộ từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế. 4. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 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) 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; 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. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận Để đạt được mục đích nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới, từ đó lựa chọn cách tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam. 5.2. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan; 3
- 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 độ chặt và độ ẩm của các chỉ tiêu cơ lý 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 lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý đắp đập cho khu vực và giải pháp giảm ẩm hiệu quả. 7. 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 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN 1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập đất đá 1.1.1 Khái quát về lịch sử phát triển xây dựng đập đất đá Đập đất là loại đập sử dụng các loại đất tại chỗ như: sét, á sét, á cát, đất lẫn cuội sỏi. Nhu cầu sử dụng tổng hợp nguồn nước trên các lưu vực sông không ngừng tăng lên, các đập ngăn nước tạo hồ chứa hoặc dâng cột nước được xây dựng ngày càng nhiều. Do có nhiều ưu điểm và lợi thế nên đập đất được ứng dụng nhiều so với các loại đập khác như đập bê tông, đá xây, đặc biệt là đập vừa và nhỏ chiếm 70%÷80% là đập đất. Tuy tỉ lệ số lượng đập đất so với đập bê tông có khác nhau ở mỗi nước, nhưng nói chung đập đất và đập vật liệu địa phương luôn chiếm tỉ lệ cao và có xu hướng phát triển. Đập đất có lịch sử phát triển lâu đời. Ở Ai Cập, Trung Quốc, Ấn Độ và một số nước khác người ta đã xây dựng đập đất từ 2500 – 4700 năm trước công nguyên. Ví dụ: đập đất đá hỗn hợp Sadd - el - Kafara ở Ai Cập được xây năm 2778-2563 trước công nguyên có chiều dài 108m cao 12m; Đập Marduka ở Iraq xây dựng năm 2500 trước công nguyên trên sông Tygrys có chiều cao 12m; Ở Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản từ thế kỷ III đến II trước công nguyên đã xây dựng nhiều đập vật liệu địa phương bằng đất đá. Ở Trung Quốc có đập cao 30m, dài 300m được xây dựng năm 240 trước công nguyên. Ở Nhật Bản đập dài 260m, cao 17m được xây dựng năm 162 trước công nguyên [1]. Đập đất là những công trình thủy lợi cổ điển nhất. Ở những nước có nền văn hóa cổ đại phát triển (Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc, Peru) từ trước công nguyên vài nghìn năm đã xây dựng những đập đất bằng phương pháp thủ công, xây dựng đập bằng đất dính với khối lượng rất lớn trong thời gian dài (10-15 năm). Đá trong những đập này được dùng rất ít. Chiều cao đập không quá 10-15m. Một đập đất được xây dựng ở Ceylou (Xrilanca) vào năm 504 trước công nguyên dài 17 km cao 21.5 m có khối lượng đất đắp 13 triệu m3 [2]. Đập bằng đá có thiết bị chống thấm không phải là đất được xây dựng muộn hơn, giữa thế kỷ XIX, trong điều kiện địa chất và thiên nhiên phức tạp. 5
Ngày nay, với phát triển mạnh của khoa học công nghệ với thành quả của các ngành địa kĩ thuật, lý thuyết thấm, ứng suất và biến dạng công trình và thiết bị thi công, đập vật liệu địa phương nói chung và đập đất nói riêng được xây dựng nhiều với qui mô lớn và chất lượng ngày càng cao. 1.1.2 Sự phát triển xây dựng đập đất đá trên thế giới Mặc dù lịch sử phát triển đập đất đá có từ lâu nhưng trước năm 1900 chưa có đập vật liệu địa phương nào cao trên 50m và đến năm 1930 chưa có đập nào cao trên 100m. Vào nửa sau của thế kỷ XIX ở nhiều nước (Anh, Pháp, Mỹ) đã bắt đầu một chương trình xây dựng các công trình thủy lợi lớn. Do đó đã xuất hiện các yêu cầu cần thiết phải tính toán và nghiên cứu những phương pháp xây dựng phù hợp. Cuối thế kỷ XIX đã có những phương pháp tính khác nhau về ổn định và thấm cho đập. Phương pháp đắp đập đất bằng cơ giới thủy lực (phương pháp bồi lắng) được ứng dụng đầu tiên ở Mỹ. Trong những năm 1920-1930, việc xây dựng đập rất phát triển. Nhờ ứng dụng cơ giới hóa cao, nhiều đập cao và khối lượng lớn, sử dụng đa dạng vật liệu đất đá cát sỏi. Đập đá đổ có tường nghiêng chống thấm bằng các loại vật liệu như bê tông, nhựa đường, gỗ bắt đầu được xây dựng phổ biến. Ngày nay, có rất nhiều đập cao là đập đất, đất đá hỗn hợp như: Đập Anderson Ranch (Mỹ) xây năm 1950 cao 139m, Đập Orovin (Mỹ) cao 221m; Đập Xerơ Pongxong (Pháp) xây năm 1961 cao 122m; Đập Bariri (Brazin) xây năm 1967 cao 112m [1] Hội đập lớn thế giới (ICOLD) một tổ chức phi chính phủ nhưng là cơ quan đại diện cho hơn 80 nước xây dựng đập. Tổ chức này xúc tiến trao đổi ý kiến và kinh nghiệm giữa các khu vực trong thiết kế, xây dựng và vận hành, bao gồm cả điều kiệnmôi trường. Hội đập lớn của nhiều nước đã công bố trên các website của mình danh mục đập và hồ chứa. Trước năm 1950, trong tổng số các loại đập đất đá và đập bê tông có chiều cao trên 15m đã được xây dựng trên thế giới thì đập đất đá chiếm tỷ lệ khoảng 62%, vào những năm 1951 đến 1977 tỷ lệ là 75% và vào những năm 1978 đến 1982 do phát triển mạnh 6
của các thiết bị cơ giới cỡ lớn mà tỷ lệ này là 83.5%. Những năm gần đây, do xuất hiện loại đập trọng lực bằng bê tông đầm lăn thì tỷ lệ trên có giảm nhưng các đập lớn bằng vật liệu đất đá vẫn phát triển rất mạnh, đập lớn bằng vật liệu địa phương chiếm 82,9% [3]. Bảng 1.1 Số lượng đập lớn các loại [3],1988 Nhóm Loại Loại (ký hiệu theo ICOLD) % Đất đắp TE Đập vật liệu địa phương 82,9 Đá đắp ER Tổng số đập lớn 36.235 Bảng 1.2 Số lượng đập vật liệu địa phương ở các nước trên thế giới (H≥15m) TT Tên nước Số lượng TT Tên nước Số lượng 1 Trung Quốc 22000 17 Na Uy 335 2 Mỹ 6575 18 CHLB Đức 311 3 Ấn Độ 4291 19 Al-ba-ni 306 4 Nhật 2675 20 Ru-ma-ni 246 5 Tây Ban Nha 1196 21 Zim-ba-buê 213 6 Canada 793 22 Thái Lan 204 7 Hàn Quốc 765 23 Thụy Điển 190 8 Thổ Nhĩ Kỳ 625 24 Bulgari 180 9 Brazin 594 25 Thụy Sĩ 156 10 Pháp 569 26 Áo 149 11 Nam Phi 539 27 Cộng hòa Séc 118 12 Mexico 537 28 Algerie 107 13 Italia 524 29 Bồ Đào Nha 103 14 Vương Quốc Anh 517 30 Indonesia 96 15 Oxtraylia 486 31 Nga 91 16 Việt Nam 460 Ghi chú: Đến 2015, Việt Nam có 63 đập cao 30m trở lên; 492 đập cao từ 15m đến dưới 30m (Bảng 1.3; Bảng 1.4; Bảng 1.5). Đập lớn được định nghĩa bởi ICOLD là đập có chiều cao trên 15m, hoặc trong trường hợp đập cao từ 10m đến 15m, phân loại theo tiêu chuẩn khác, dung tích hồ vượt 106 m3 hoặc lưu lượng xả lũ lớn hơn 2.000m3/s. “Danh sách đập trên thế giới” (ICOLD,1988a) thống kê 36.235 đập đã hoàn thành và trong thời gian thi công (đã loại trừ các loại đập phục vụ mục đích công nghiệp không 7
còn giá trị sử dụng). Trong số này có hơn 19.000 đập tại Trung Quốc và 5.459 đập tại Mỹ. Số liệu này vượt xa so với con số 5.196 đập trên toàn thế giới vào năm 1950. Hội đập lớn Nhật Bản (JCOLD) thống kê các đập cao 15-30m (chủ yếu là đập đất) xây dựng từ năm 400 đến 2009 có khoảng 2.300 đập; đập cao trên 30m từ năm 700 đến 2009 có khoảng 1.120 đập (chủ yếu là đập đất hoặc đập đất đá hỗn hợp). Điều này dễ hiểu vì đây là loại đập chịu động đất tốt mà Nhật Bản là quốc gia động đất diễn ra thường xuyên. Số liệu thống kê gần chính xác về đập lớn trong “Danh sách đập trên thế giới”, năm 1998 chỉ tính đến các đập có chiều cao trên 30m với tổng số đập được thống kê là 25.410 [4] và số lượng đập ở một số nước rút gọn hơn, đáng kể là Trung Quốc. 1.1.3 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. Từ năm 1976 đến nay số hồ chứa xây dựng mới chiếm 67%. Không những tốc độ phát triển nhanh, mà cả về quy mô công trình cũng lớn lên không ngừng. Hiện nay, đã có nhiều hồ lớn, đập cao ở những nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp. Bảng 1.3 Số lượng và phân loại hồ chứa thủy lợi, không kể hồ thủy điện Dung tích hồ (triệu m3) >100 10-100 5-10 3-5 1-3 0,2-1 30m chưa có con số chính xác. Theo thống kê 8
chưa đầy đủ của tác giả về hồ đập do TCTL quản lý đến 2015: Số đập cao 30m trở lên là 63; Số đập cao từ 15m đến dưới 30m là 492. Đập lớn có chiều cao trên 50m, chủ yếu là đập thủy điện do Bộ công thương và các chủ đập khác quản lý. Trong số đó, đập bê tông, bê tông đầm lăn, đá đổ và đá đổ bản mặt bê tông chiếm đa số. Đập đá đổ được ứng dụng rộng rãi cho những đập có chiều cao lớn như Thác Bà, Hoà Bình, Hàm Thuận - Đa Mi v.v Các đập này chủ yếu chống thấm bằng hình thức lõi đất sét. Đập đá đổ lõi giữa hoặc tường nghiêng đất sét có nhiều ưu điểm như chịu động đất tốt, ổn định nhưng do mái quá soải nên tốn vật liệu, đường tháo nước thi công phải làm dài và tốn kém. Ngoài ra, loại đập này còn có hạn chế khi thi công lõi đập đất sét trong mùa mưa. 1.2 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản thi công đập đất Yêu cầu kỹ thuật thiết kế và thi công đập đất được trình bày chi tiết trong [5] và [6]. Nội dung sau đây sẽ điểm lại một số vấn đề cốt lõi về yêu cầu kỹ thuật thi công đất đầm nén. 1.2.1 Yêu cầu đối với đất đắp đập Đất đắp vào thân đập thường phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Sức kháng cắt cao (c, ) - Hệ số thấm nhỏ (k) - Hàm lượng chất hữu cơ, tạp chất nhỏ hơn 5%, hàm lượng muối tan < 0,3%. - Chỉ số dẻo PI = WL- WP =(720)% - Thành phần hạt Cn = d60/ d10 < (30-100), khi thiết kế đã chỉ ra đường bao cấp phối cho phép. - Không bị biến chất, phong hoá hoặc gây biến dạng lớn sau khi đầm nện. - Hàm lượng hạt sét không chiếm nhiều hơn (50-60)%, tốt nhất nằm trong khoảng (10-25)%. - Khi đập có tường lõi chống thấm thì hệ số thấm của tường phải nhỏ hơn của đất hai bên khoảng (20-50) lần. - Lưu ý khi lựa chọn đất có các tính chất cơ lý đặc biệt như: trương nở, co ngót, lún ướt, tan rã. 9
- Các yếu tố quyết định đến hiệu quả đầm chặt: dung trọng khô , độ ẩm W, áp lực đầm nén (loại đầm), loại đất (cấp phối, hàm lượng các hạt, chiều dày lớp rải). Bảng 1.4 Đập lớn bằng vật liêu địa phương thuộc quản lý của TCTL (2012) TT Tên hồ Tỉnh Loại đập H (m) Năm hoàn thành 1 Khuôn Thần Bắc Giang Đất 26,00 1963 Đơn Dương 2 Lâm Đồng Đất 38,00 1963 (Đa Nhim) 3 Suối Hai Hà Nội Đất 24,00 1963 4 Thượng Tuy Hà Tĩnh Đất 25,00 1964 5 Cẩm Ly Quảng Bình Đất 30,00 1965 6 Tà Keo Lạng Sơn Đất 35,00 1972 7 Cấm Sơn Bắc Giang Đất 42,50 1974 8 Vực Trống Hà Tĩnh Đất 22,80 1974 9 Đồng Mô Hà Nội Đất 21,00 1974 10 Tiên Lang Quảng Bình Đất 32,30 1978 11 Núi Cốc Thái Nguyên Đất 26,00 1978 12 Pa Khoang Điện Biên Đất 26,00 1978 13 Kẻ Gỗ Hà Tĩnh Đất 37,50 1979 14 Yên Mỹ Thanh Hóa Đất 25,00 1980 15 Yên Lập Quảng Ninh Đất 40,00 1980 16 Vĩnh Trinh Quảng Nam Đất 23,00 1980 17 Liệt Sơn Quảng Ngãi Đất 29,00 1981 18 Phú Ninh Quảng Nam Đất 39,40 1982 19 Sông Mực Thanh Hóa Đất 33,40 1983 20 Quất Đông Quảng Ninh Đất 22,60 1983 21 Xạ Hương Vĩnh Phúc Đất 41,00 1984 22 Hòa Trung Đà Nẵng Đất 26,00 1984 23 Hội Sơn Bình Định Đất 29,00 1985 24 Dầu Tiếng Tây Ninh Đất 28,00 1985 25 Biển Hồ Gia Lai Đất 21,00 1985 26 Núi Một Bình Định Đất 30,00 1986 27 Vực Tròn Quảng Bình Đất 29,00 1986 28 Tuyền Lâm Lâm Đồng Đất 32,00 1987 29 Đá Bàn Khánh Hòa Đất 42,50 1988 30 Khe Tân Quảng Nam Đất 22,40 1989 31 Kinh Môn Quảng Trị Đất 21,00 1989 32 Khe Chè Quảng Ninh Đất 25,20 1990 33 Phú Xuân Phú Yên Đất 23,70 1996 34 Gò Miếu Thái Nguyên Đất 30,00 1999 35 Cà Giây Bình Thuận Đất 30,00 1999 36 Sông Hinh Phú Yên Đất 50,00 2000 37 Sông Sắt Ninh Thuận Đất 29,00 2005 38 Sông Sào Nghệ An Đất 30,00 2006 39 Easoup Đắc Lắc Đất 29,00 2005 40 Hà Động Quảng Ninh Đất 30,00 2007 41 IaM’La Gia Lai Đất 37,00 2009 42 Tân Sơn Gia Lai Đất 29,20 2009 43 Tả Trạch Thừa Thiên Huế Đất 60,00 2012 44 Suối Mỡ Bắc Giang Đất 27,80 2012 10
Bảng 1.5 Một số đập cao bằng vật liệu địa phương điển hình ở Việt Nam TT Tên đập Trên sông Loại đập Chiều cao (m) Năm 1 Tru ồi Đất đá hỗn hợp 49 1996-2002 2 Vĩnh Sơn Đập đất 37 1992-1994 3 Sông Hinh Đất đá hỗn hợp 42 1995 4 Sông Ba Hạ Đất đá hỗn hợp 60 2004-2009 5 Đá Bàn Đất đá hỗn hợp 42 1976-1985 6 Đạ i Ninh Đất đá hỗn hợp 50 2003-2008 7 Yaly Đá đổ lõi giữa 69 1993-2002 8 Easoup Đập đất 26 2001-2007 9 Tr ị An Đập đất 40 1984-1991 10 Thác Mơ Đất đá hỗn hợp 46 1991-1995 11 Dầ u Tiếng Đập đất 27 1981-1985 1.2.2 Yếu tố quyết định đến hiệu quả đầm chặt đất 1.2.2.1 Quan hệ dung trọng khô tối đa với độ ẩm Dung trọng khô tối đa có thể đạt được ứng với độ ẩm tốt nhất được xác định thông qua thí nghiệm đầm chặt. Để đánh giá khả năng đầm chặt, có thể dùng một trong ba thí nghiêm tiêu chuẩn trong phòng, qui định chi tiết trong các tiêu chuẩn [7], [8]. Bảng 1.6 Thiết bị thí nghiệm dung trọng – độ ẩm theo [7], [8] Tên thí nghiệm Proctor AASHTO cải tiến Búa rung Qui định của BS Phương pháp 2,5kg Phương pháp Phương pháp búa Đất: 4,5kg rung - Khối lượng 5kg - Kích thước hạt 20mm 5kg 25kg max 20mm 37,5mm Khuôn: 1000 cm3 - Thể tích 105mm 1000 cm3 2305 cm3 - Đường kính trong 115,5mm 105mm 152mm - Chiều cao 115,5mm 127mm Đầm 2,5kg - Khối lượng 50mm 4,5kg Búa rung - Đường kính mặt 300mm 50mm 145mm - Chiều cao rơi 3 450mm Số lớp đầm 27 5 3 Số lần đầm cho mỗi lớp 27 Rung trong 60sec 11
0 Hình 1.1 Đồ thị quan hệ dung trọng – độ ẩm Trên Hình 1.1 cho thấy γk lớn nhất tương ứng với độ ẩm tối ưu Wopt. Khi thi công, người ta cố gắng có được đất có độ ẩm tốt nhất. Tuy nhiên, thực tế thường phải có giải pháp tăng hoặc giảm ẩm cho đất tự nhiên. Hình 1.2 Tương quan: Lực đầm nén – Dung trọng khô lớn nhất – Độ ẩm tối ưu [9] 12
Trên Hình 1.2 cho thấy khi công năng đầm càng lớn, giá trị dung trọng khô lớn nhất tăng tương ứng với độ ẩm tốt nhất giảm dần. Biểu đồ kết quả thí nghiệm trên của Wightman cho ta xu thế dung trọng khô tăng - độ ẩm tốt nhất giảm. Kết quả này phù hợp qui luật. Mặt khác, trên biểu đồ của Wightman cho thấy khi đầm nén với độ ẩm cao hơn độ ẩm tốt nhất, lượng bọt khí giảm, thể hiện trên các đường lỗ rỗng chứa khí tiến gần đến 0%. Điều này giải thích thêm chắc chắn cho luận cứ: giảm độ bền chống cắt để đầm chặt có hiệu quả ở lõi sét chống thấm của đập [10] (Whitlow, 1996, mục 3.7). 1.2.2.2 Yếu tố quyết định độ chặt đầm nén a) Ảnh hưởng của lượng ngậm nước (độ ẩm W%) Nếu đất quá khô thì hiệu quả đầm rất kém, nếu đất quá ướt thì nước thừa chứa trong kẽ rỗng làm giảm lực đầm có ích nên đầm cũng không hiệu quả. Như vậy chỉ có lượng ngậm nước nhất định làm cho đầm hiệu quả được coi là độ ẩm tốt nhất. Độ ẩm tốt nhất thay đổi phụ thuộc vào loại đất và công năng của đầm. Công năng càng lớn thì độ ẩm tốt nhất càng nhỏ. Trước khi thi công cần thí nghiệm để xác định được chiều dày rải đất tương ứng có khối lượng đầm nén ít nhất mà đạt được độ đầm chặt (K) yêu cầu, từ đó xác định lượng ngậm nước thích hợp. b) Ảnh hưởng của loại đất Đất dính, lực keo kết lớn, lực ma sát nhỏ nên khi đầm nén dễ bị co ép hoặc dãn nở nhưng tính thoát nước kém nên khó đầm chặt. Đất không dính, lực keo kết nhỏ, ma sát lớn, dễ thoát nước nên dễ đầm chặt. Đất bao gồm nhiều loại hạt tổ thành. Nếu nhiều hạt đều và nhỏ thì độ rỗng lớn. Nếu cấp phối hạt tốt thì độ rỗng nhỏ, đầm dễ đạt dung trọng lớn. c) Thiết bị đầm Máy đầm đất theo từng lớp được chia ra làm 3 nhóm: 13
- Đầm lèn do lực tĩnh: Đầm lăn phẳng; Đầm bánh hơi; Đầm chân dê, đầm vấu; Đầm bánh cao su đặc. - Đầm lèn do lực rung: Đầm lăn phẳng rung; Đầm lăn có vấu rung; Đầm bàn rung. - Đầm lèn do lực động: Đầm rơi kiểu trống lăn; Đầm rơi kiểu treo; Đầm rơi do nổ (đầm cóc). Đầm nén đất khi đắp đập, sử dụng phổ biến nhất là các loại đầm lăn phằng hoặc đầm vấu kết hợp rung (lu rung). Lu rung cấu tạo như đầm lăn phẳng và đầm vấu cộng thêm bộ phận chấn động. Lu rung có chiều sâu ảnh hưởng lớn, thích hợp với đất á cát, á sét, các loại vật liệu có tính chất hạt như dăm, sỏi, bê tông asphalt So với đầm bàn rung thì chúng có năng suất và tính cơ động cao. Các hãng xản xuất nổi tiếng và được sử dụng nhiều ở Việt Nam là Bomag (Đức), Dynapac (Thuỷ Điển), Sakai (Nhật). Ví dụ: loại BW 217D (Bomag): tải trọng tĩnh 18T, lực rung 30,5T. Các loại này thường sử dụng cơ cấu tự di chuyển bánh lốp kéo theo lu rung. Hình 1.3 Lu rung Dynapac CA 4000 D, vấu mềm Trong thi công đập đất đầm nén, việc lựa chọn loại đầm chủ yếu là các loại lu không rung và lu rung; lu phẳng (đầm lăn phẳng) hay có vấu (đầm chân cừu). Đầm đất dính, 14
lu rung không phát huy tốt tác dụng như đối với đầm đất không dính Chiều dày rải đất cho một lớp đầm đất dính thường không lớn như đầm đất không dính. Thông thường, chiều dày một lớp đầm đối với đất dính là (25-30)cm tùy theo loại đầm và tải trọng đầm, tốt nhất là không quá 25cm [11] và Hình 1.4. Khi đắp đập đất đầm nén, việc thí nghiệm đầm nén hiện trường là rất cần thiết. Đối với công trình quan trọng, thí nghiệm đầm nén hiện trường là qui định bắt buộc. Nội dung chí tiết thí nghiệm đầm nén hiện trường, có thể tham khảo [6]. Sau khi có kết quả thí nghiệm hiện trường, qui trình đắp đập được hoàn thiện và đáp ứng đầy đủ các yếu tố hiệu quả đầm chặt, trong đó có việc chọn thiết bị đầm. Đây cũng là căn cứ trong giám sát chất lượng thi công. 0 15 Độ dày (c30m) ®édÇy (cm) 45 1,4 1,5 1,6 1,7 3 Dungdung trọng träng khôkh« (T/m 3)) Hình 1.4 Tác dụng lực đầm theo chiều dày của lớp đất đắp 1.3 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu - Bắc Trung bộ [12] 1.3.1 Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình Khu vực miền Trung gồm 14 tỉnh thành thuộc miền Trung từ Thanh Hóa đến Bình Thuận, tổng diện tích 9.571.710 ha, là một dải đất hẹp ven biển kéo dài gần 10 vĩ độ, từ 20o40'N xuống tới 10o33'N, nơi hẹp nhất chỉ có 50 km. Dọc phía Đông là 1.500 km bờ biển Tây của Biển Đông thuộc Tây Thái Bình Dương (nơi có ổ phát sinh bão lớn nhất hành tinh). Dọc phía Tây có dải Trường Sơn trùng điệp với những đỉnh vượt 1000-1500m, chạy theo hướng tây bắc đông nam đến đèo Hải Vân chuyển dần theo hướng Đông Bắc - Tây Nam kéo dài cho tới miền Đông Nam Bộ, do nhiều nhánh núi chạy ngang ra biển Đông đã chia cắt miền này thành các tiểu vùng, có thể phân ra hai vùng chính: - Vùng Bắc Trung Bộ từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế (khu vực nghiên cứu 20o40'N xuống tới Hải Vân 15o15'N): phía Bắc vùng này chủ yếu là núi thấp và một số núi trung bình, giáp biển có những đồng bằng tương đối rộng ở châu thổ sông Mã, 15
sông Chu và sông Cả. Từ hữu ngạn sông Cả trở vào phía Nam, đây là nơi hẹp nhất nước ta: một bên (dọc phía Tây) là dãy Trường Sơn Bắc với một số đỉnh cao trên 1000m, một bên (dọc phía Đông) là biển Đông, địa hình chia cắt phức tạp. Giới hạn vùng này là dãy Bạch Mã chạy ra sát biển, có đỉnh cao tới 1444m, ngăn cách khí hậu miền Bắc với miền Nam. - Vùng Nam Trung Bộ từ Đà Nẵng trở vào Bình Thuận: là một dải đất uốn hình vòng cung theo đường bờ biển, lồi ra biển Đông, bao gồm vùng núi bên sườn dốc đứng Đông Trường Sơn và dải đồng bằng phù sa dọc ven biển, hai bên những con sông ngắn chảy quanh co với chế độ thủy văn không điều hòa, có một số đồng bằng khá rộng như: Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Tuy Hòa, Phú Yên Nhiều nhánh núi chạy ra sát biển đã chia cắt vùng này rất phức tạp. 1.3.2 Đặc điểm khí tượng thủy văn Hình 1.5 Bản đồ khu vực nghiên cứu [12] 16
1.3.2.1 Đặc điểm khí hậu Khí hậu miền Trung bị phân hóa rất đa dạng. Sự phân hóa này theo chiều kinh tuyến, thể hiện rõ rệt nhất ở chế độ mưa - nhiệt, đó là: sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ mùa đông và mưa mùa hạ, mỗi khi qua những dãy núi tiến ra biển ngăn chia các tiểu vùng, dọc duyên hải từ Bắc xuống Nam của miền Trung. Theo điều kiện địa hình - sinh thái - thổ nhưỡng có thể chia các tỉnh thành ven biển miền Trung thành 6 tiểu vùng như sau: 1) Thanh Hóa, 2) Nghệ An - Hà Tĩnh, 3) Quảng Bình - Bình Trị Thiên, 4) Quảng Nam Đà Nẵng - Quảng Ngãi, 5) Phú Yên - Khánh Hòa, 6) Ninh Thuận - Bình Thuận. Ngoài ra cũng có thể phân biệt ba dải khí hậu theo chiều dọc: dải đồng bằng duyên hải, dải đồi chuyển tiếp và dải núi cao phía Tây (dãy Trường Sơn). Dải đồng bằng có khí hậu ôn hòa hơn nhờ tác động của gió đất - biển, nhưng thường xuyên bị bão đe dọa và gió tây khô nóng phát triển mạnh. Dải đồi chuyển tiếp tuy bớt bị tác động của bão hơn, nhưng có khí hậu khắc nghiệt hơn. Dải núi cao phía Tây có nền nhiệt độ thấp hơn và mưa nhiều hơn, thường xuyên hứng chịu thiên tai lũ quét, sạt lở đất Theo kết quả đánh giá khí hậu, về cơ bản cho thấy tỉnh thành ven biển miền Trung có hai kiểu khí hậu chính Bắc và Nam Trung Bộ (với ranh giới là dãy Bạch Mã ở khoảng vĩ tuyến 16oN) như sau: Phần phía bắc Trung Bộ chạy dài từ Thanh Hóa đến đèo Hải Vân, mang kiểu khí hậu chuyển tiếp từ khí hậu miền Bắc sang kiểu khí hậu miền Đông Trường Sơn. Đặc điểm khí hậu nổi bật ở vùng này là sự sai lệch so với qui luật vùng nhiệt đới gió mùa: đó là mùa mưa ẩm dịch lệch về các tháng mùa đông. Thời kỳ gió mùa hạ hoạt động lại là giai đoạn gió Tây khô nóng hoạt động, một loại hình thời tiết đặc biệt nguy hiểm. Đây là thời kỳ nóng nhất trong năm, nhiệt độ cao nhất vượt trên 41oC. Đặc biệt vùng Nghệ An - Hà Tĩnh trung bình hàng năm có tới 20 - 30 ngày khô nóng. Lượng mưa đầu mùa hè (từ tháng 5 - 7) rất thấp, chẳng những không theo qui luật chung, mà thậm chí lại tạo ra tình trạng khô hạn cục bộ rất đặc trưng. Cho tới giữa mùa hè, khi vùng hoạt động của bão và dải hội tụ nhiệt đới dịch chuyển từ phía đồng bằng Bắc Bộ xuống, thì lúc đó mới bắt đầu mùa mưa ở vùng này và kéo dài tới các tháng đầu mùa đông. Lượng mưa thường tăng dần từ tháng 8, tăng vọt trong tháng 9, đạt cực đại vào tháng 9 - 10 (lượng mưa gấp 3 - 4 lần các tháng khác), kéo theo nó là mùa lũ lụt nghiêm trọng. 17
Bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động chủ yếu vào tháng 9, tháng 10, muộn hơn 1-2 tháng so với Bắc Bộ. Cường độ mưa bão có thể đạt tới trên 300 - 400mm/ngày, thậm chí có nơi đạt kỷ lục gần 800mm/ngày (Đô Lương, 27/9/1978). Tốc độ gió bão có thể vượt trên 40m/s; tại Kỳ Anh đã đo được gió mạnh tới 54m/s (cấp 16) ngày 30/8/1990. Về mùa đông, đầu mùa lại là thời kỳ ẩm ướt nhất trong năm (trái hẳn với Bắc bộ), độ ẩm rất cao (luôn trên 85%), mưa nhiều (tháng ít nhất trung bình cũng được 30 - 40 mm). Song, vào giữa mùa lại tương tự với Bắc Bộ, thường phải chịu ảnh hưởng của các đợt không khí lạnh mạnh ở phía Bắc xâm nhập xuống, nhiệt độ có khi rất thấp. Tuy nhiên, vẫn ít lạnh hơn so với Bắc Bộ (nhiệt độ mùa đông cao hơn đồng bằng Bắc Bộ khoảng trên 1oC). Phần phía Nam, từ đèo Hải Vân đến Mũi Dinh, mang đặc trưng của kiểu khí hậu Đông Trường Sơn như sau: mùa mưa ở đây lệch hẳn so với các vùng khác ở nước ta, nó được bắt đầu từ giữa mùa hạ (tháng 8) và kéo dài đến giữa mùa đông (tháng 12), có khi tới tháng 1 năm sau. Sự sai lệch này được coi như một đặc trưng dị thường, trái với qui luật khí hậu gió mùa. Nguyên do trong nửa đầu mùa hạ, gió Tây Nam bị hiệu ứng "phơn" khi qua dãy Trường Sơn đã đem lại cho sườn đông và vùng duyên hải một kiểu thời tiết khô nóng đặc trưng cùng với chế độ mưa ẩm thấp nhất trong năm. Mùa mưa chỉ bắt đầu khi bước vào mùa hoạt động của các nhiễu động khí quyển trên khu vực Biển Đông - Tây Thái Bình Dương (như: bão và áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ, sóng đới gió Đông ). Do vậy ở vùng này mùa mưa ngắn, chỉ khoảng 4 - 5 tháng. Cũng vì sự sai lệch mùa mưa, nên đầu mùa đông ở đây là thời kỳ mưa nhiều, có độ ẩm cao nhất trong năm (trong khi các miền khác là mùa khô). Trong mùa đông, không khí lạnh xuống đến đây đã bị biến tính nhiều và thường bị chặn lại trên dãy Bạch Mã, rồi suy yếu. Cho nên khi qua các tiểu vùng từ đèo Hải Vân xuống phía Nam, nhiệt độ biến đổi rất mạnh, càng xuống phía Nam nền nhiệt độ càng tăng cao, đến cực Nam Trung Bộ thì không còn có mùa rét nữa, nhiệt độ mùa đông ở đây cao hơn phía Bắc đèo Hải Vân tới 4 - 5oC. Các thông số cụ thể của khu vực Bắc Trung bộ được ghi rõ trong [13]. 18
1.3.2.2 Đặc điểm thủy văn Hệ thống sông miền Trung gồm có 15 sông chính với diện tích lưu vực lớn hơn 1000 km2 phân bố trên 14 tỉnh thành, hầu hết bắt nguồn từ trên dãy Trường Sơn đổ ra Biển Đông, thuộc loại sông vừa và nhỏ. Một số sông ở Quảng Trị và Thừa Thiên Huế bắt nguồn từ nước ta, chảy qua Lào rồi đổ vào sông Mê Kông, cuối cùng đổ vào sông Tiền, sông Hậu ở đồng bằng sông Cửu Long, rồi đổ ra biển Đông. Riêng sông Mã bắt nguồn từ vùng núi Tây Bắc, đoạn trung lưu chảy qua Lào, rồi chảy qua Thanh Hóa ra biển. Đặc điểm nổi bật ở các sông miền Trung là không dài (trong khoảng 10-100km), đoạn thượng nguồn có độ dốc lớn và thung lũng hẹp, đoạn hạ lưu mở rộng uốn khúc quanh co và độ dốc thấp, cửa sông bị chi phối bởi chế độ thủy triều phức tạp, cơ chế sóng biển và tác động mạnh mẽ của dòng ven làm cho diễn biến bùn cát luôn biến đổi. Bởi vậy một đặc trưng quan trọng trên các sông là: lũ thượng nguồn thuộc loại lũ quét, xuất hiện đột ngột, diễn ra nhanh trong thời gian ngắn và ác liệt, trong khi thoát lũ ở hạ du và cửa sông kém, dẫn đến mỗi khi có lũ sông thì vùng đồng bằng ven biển lại có nguy cơ bị ngập lụt, vùng cửa sông luôn trong tình trạng xói bồi phức tạp. Do địa hình phân hóa, lũ trên các sông thường xảy ra cục bộ, số đợt lũ lớn trên diện rộng từ 2 - 3 lưu vực sông trở lên không nhiều. Có thể chia ra 4 nhóm sông có chế độ lũ tương đối đồng bộ: nhóm 1- gồm các sông Bắc Trung bộ, nhóm 2- gồm các sông từ sông Gianh đến sông Thạch Hãn, nhóm 3- sông Trà Khúc và sông Cái (Nha Trang), nhóm 4 - các sông còn lại từ sông Hương đến sông Cái (Phan Rang). Mùa lũ ở tỉnh thành ven biển miền Trung thường từ tháng 7 đến tháng 12, kết thúc muộn dần từ Bắc vào Nam. Lũ sớm (tiểu mãn) thường từ tháng 5, đặc biệt vùng Bình Thuận - Khánh Hoà lũ có thể xuất hiện từ tháng 4. Lũ muộn có thể xuất hiện vào tháng 11, thậm chí vào tháng 1 năm sau. Mùa lũ thường kéo dài từ 3 - 4 tháng. Mùa lũ kém ổn định, nhất là trên sông Cả, sông Ba. Lượng nước trong mùa lũ chiếm từ 50 - 80% lượng nước cả năm. Thời kỳ nước lớn nhất trong năm kéo dài 3 tháng liên tục, xuất hiện lần lượt từ Bắc xuống Nam dọc theo tỉnh thành ven biển miền Trung: sông Mã vào tháng 7-9, sông Chu và sông Cả tháng 8-10, từ sông La đến sông Thạch Hãn vào tháng 9-11, khu vực sông Hương đến sông Cái Nha Trang từ tháng 10-12. Riêng các sông từ Quảng Ngãi đến Bình Định lũ có thể xảy ra nhiều đợt. 19
1.3.3 Đặc điểm địa hình địa mạo Khu vực các tỉnh env biển miền Trung chia ra 9 dạng địa hình chủ yếu dưới đây: [14] + Núi cao - trung bình khối tảng - bóc mòn; + Núi cao - trung bình uốn nếp - khối tảng - bóc mòn; + Núi thấp xen đồi uốn nếp khối tảng - bóc mòn; + Khối núi dạng cao nguyên karst; + Cao nguyên núi lửa bóc mòn xen núi sót; + Thung lũng - xâm thực - tích tụ giữa núi; + Thung lũng kiến tạo - xâm thực - tích tụ giữa núi; + Đồng bằng thấp xâm thực - tích tụ ven biển xen đồi núi sót; + Đồng bằng tích tụ dạng cồn cát ven biển. Tóm lại: Các tỉnh từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế, Bắc Trung Bộ, khí hậu chia làm hai mùa rõ rệt. Mùa khô bắt đầu từ tháng 02 đến tháng 7. Mùa mưa từ tháng 8 đến tháng 01 năm sau, lượng mưa lớn, số ngày mưa nhiều và xuất hiện chu kỳ không ổn định, gần đây có những yếu tố bất thường về khí hậu. Về mùa mưa, độ ẩm tự nhiên cao, thường xuyên trên 85%. Từ điều kiện này dẫn đến đất ở mỏ khai thác có đô ẩm cao, gây ra những khó khăn nhất định cho thi công đắp đập đất đầm nén. Yếu tố thiên tai thường xuyên xảy ra, gây tác động không nhỏ đến xây dựng công trình đầy mối thủy lợi thủy điện. 1.3.4 Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên đến quá trình xây dựng đập Đất xây dựng, chủ yếu là đất dính, chịu ảnh hưởng mạnh của độ ẩm. Yếu tố này rất nhạy cảm với tác động của nhiệt độ, độ ẩm không khí, mưa bão . Số ngày không mưa có thể thi công đất đầm nén, đối với bắc miền Trung vào mùa khô khoảng (20 ÷ 22) ngày và mùa mưa (15 ÷ 18) ngày, chưa kể đến hậu quả đất quá ẩm ướt sau mưa. Nhiều công trình phải xử lý độ ẩm (như đập Thác Bà những năm 1960, có những khi phải sấy đất nhưng không hiệu quả và không khả thi. Vấn đề này đã được Phạm Văn 20
Cơ phân tích trong hội thảo năm 1994 của Bộ Thủy Lợi, [15], hoặc điều chỉnh tiến độ và trình tự đắp khối đất dính ở đập Hòa Bình những năm 1980 [16]. Đập Tả Trạch, vì không giảm được độ ẩm để đắp khối chống thấm với độ chặt K= 0,97, đập đã chậm tiến độ 2 năm, sau đó mới điều chỉnh độ chặt đầm nén đối với khối chống thấm xuống K= 0,95. Đập Đá Hàn, là đập đồng chất cao 31m với khối lượng nhỏ (trên 300.000m3), yêu cầu đắp với K= 0,97. Để đáp ứng yêu cầu đó, phải giảm ẩm và đã chậm tiến độ 1 năm. Tiến độ đắp đập chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan đến điều kiện tự nhiên. Phương án phân chia các giai đoạn và phân chia đợt đắp đập được xác định trong tiến độ khống chế. Khi xây dựng tiến độ khống chế phải căn cứ vào nhiều ràng buộc như: Thời hạn xây dựng, đặc điểm bố trí công trình đầu mối, tiền vốn, thiết bị, vật tư, nhân lực và điều kiện tự nhiên. Về điều kiện tự nhiên, chủ yếu và mang tính quyết định tiến độ đắp đập là điều kiện thủy văn dòng chảy, điều kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ và thời gian mưa, nắng, gió ), điều kiện vật liệu đất đắp đập, điều kiện địa hình. Nhưng đối với quá trình đắp đập đất đầm nén ở khu vực nghiên cứu, những năm qua gặp phải nan giải chính là đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao. 1.4 Quy hoạch phát triển thủy lợi và yêu cầu xây dựng đập đất đầm nén trong khu vực nghiên cứu Quyết định [17] “Phê duyệt qui hoạch thủy lợi khu vực miền Trung giai đoạn 2012- 2020 và định hướng 2050 trong điều kiến biến đổi khí hậu và nước biển dâng” đã ghi rõ một số vấn đề chính liên quan đến xây dựng đập ở miền Trung: + Phạm vi: 12 tỉnh từ Thanh Hóa đến Khánh Hòa với diện tích 84726km2 và 18 triệu dân. + Phòng lũ, cung cấp nước liên quan đến hệ thống sông ngòi trên địa bàn: Sông Mã, Sông Cả, Sông Hương, Sông Ba, Trà Bồng - Trà Khúc, Kôn-Hà Thanh; + Phòng tránh và thích ứng với thiện tai: Các khu vực Sông Gianh, Nhật Lệ-Bến Hải- Thạch Hãn, Ô Lâu, Thu Bồn, Sông Cái Nha Trang. 21
+ Tổng thể: Sửa chữa, nâng cấp, xây dựng và hoàn thiện các công trình lớn để phòng tránh lũ, bão; Xây dựng các hồ chứa phục vụ đa mục tiêu, xây dựng mới 97 công trình hồ chứa và thủy lợi. + Nhu cầu về vốn: - 2012-2015: 24.900 tỉ đồng, trong đó 120 tỉ đồng cho chương trình KHCN; - 2016-2020: 27.410 tỉ đồng; - 2021-2050: 88.460 tỉ đồng. + Trình tự thực hiện: Đầu tư các công trình đang dở dang, công trình lớn; Sửa chữa, nâng cấp; .; Xây dựng thêm các công trình lớn trên dòng chính. Như vây, thời gian tới đây, mặc dù các đập và hồ chứa lớn nhỏ xây dựng mới ở Bắc Trung bộ không nhiều, nhưng vẫn cần được nghiên cứu và xây dựng tiếp. Mặt khác, ở khu vực này chúng ta có hàng trăm đập đất cần được duy tu, sửa chữa, nâng cấp thường xuyên. 1.5 Những nghiên cứu về đập đất ở Việt Nam 1.5.1 Khái quát Đập đất được xây dựng phổ biến ở miền Bắc trước 1975. Sau 1975, nhu cầu xây dựng đập và hồ chứa phát triển mạnh trên cả nước. Từ nhu cầu xây dựng các công trình thực tế, nên khoa học thủy lợi ở Việt nam phát triển mạnh và đạt được nhiều thành tựu. Nhiều công trình khoa học được công bố. Những đóng góp về thiết kế đập đất đã đạt được nhiều kết quả quan trọng của nhiều nhà khoa học và chuyên gia, trong số đó, có thể kể đến: Thiết kế đập đất [18]; Giáo trình “Thủy công” [19]; “Sự cố một số công trình thủy lợi ở Việt Nam và các biện pháp phòng tránh” [20]; “Nghiên cứu dòng thấm không ổn định và tác dụng của nó đến công trình đê có nền cát thông với sông” [21]; “Nghiên cứu ổn định của mái đê đập đất khi mực nước trên mái rút nhanh” [22]; “Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp kĩ thuật nhằm đảm bảo an toàn các công trình xây dựng trong điều kiện thiên tai bất thường miền Trung” [23]; “Nghiên cứu đánh giá điều kiện làm việc của đập kết cấu hỗn hợp khu vực Trung và Nam Trung bộ” [24]. 22
Kết quả nghiên cứu của Hoàng Minh Dũng về đập đất nhiều khối cho Nam Trung bộ và Tây Nguyên, [25], đã đề xuất các thông số thiết kế mặt cắt đập nhiều khối cho đất trương nở. Thực chất là sử dụng đất trương nở vào những khối đắp thích hợp. Trên thực tế, các dạng mặt cắt nhiều khối cũng đã được áp dụng nhiều cho các vùng khác nhau về vật liệu và điều kiện tự nhiên. Thời gian qua, các dạng mặt cắt đập đất nhiều khối đã được áp dụng phổ biến trong thiết kế cho khu vực Bắc Trung bộ, như Tả Trạch, Ngàn Trươi, Thủy Yên, do tính ưu việt về tận dụng đất đắp đập. Tuy nhiên, nếu ta chọn đồng nhất hệ số đầm nén cho các khối đắp như ở các đập Tả Trạch, Ngàn Trươi, thì gặp khó khăn về giảm ẩm để đạt được độ chặt cao. Nhiều tác giả bàn về đất đắp đập miền Trung như: Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Thơ, Phạm Văn Cơ, Trần Thị Thanh, Hoàng Khắc Bá, Phạm Văn Thìn, Giả Kim Hùng, Ngô Minh Huấn, Phạm Vũ Dậu, Nguyễn Văn Cửu. Tại hội thảo tập trung chủ yếu về đặc trưng của đất miền Trung và Tây Nguyên, các giải pháp về thiết kế và thi công khi sử dụng đất đắp đập, [15]. Các nghiên cứu về đất trương nở và co ngót, [26]. Tiếp theo vào những năm 1995 – 2005, hàng loạt các công bố khoa học cũng như luận án tiến sĩ, trong đó là các tác giả: “Nguyên nhân gây hư hỏng và những đề nghị khi thiết kế, thi công lớp gia cố bảo vệ mái thượng lưu đập đất” [27]; “Xây dựng đập đất Miền Trung với đất có tính chất cơ lý đặc biệt” [28]; “Nghiên cứu chọn độ chặt độ ẩm hợp lý của đất đắp và công nghệ đầm nén thích hợp để nâng cao ổn định đập đất trong điều kiện miền Nam” [29]; “Sử dụng đất tại chỗ để đắp đập ở Tây Nguyên, Nam Trung bộ và Đông Nam bộ” [30]; “Những kinh nghiệm rút ra từ sự cố ở một số đập đất được đầm nén trong điều kiện nhiệt đới ẩm Nam Trung bộ” [31]; “Nghiên cứu sử dụng hợp lý các loại đất hạt thô vùng Nam Trung bộ, Tây Nguyên và Đông Nam bộ làm vật liệu đắp đập” [32]; “Ảnh hưởng của độ ẩm, độ chặt ban đầu đến độ bền đất đắp ở Nam Trung bộ” [33] Các kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả trên đều tập trung chủ yếu giải quyết các vấn đề của đất có đặc trưng trương nở và co ngót, tan rã và lún ướt mạnh. Các kết quả nghiên cứu tổng kết thiết kế và thi công cũng như hồ sơ lưu trữ đối với các công trình đã hoàn thành của Việt Nam vẫn chưa thật đầy đủ. Một số tài liệu tổng kết 23
đáng chú ý và đã được biên tập có thể kể đến “Thi công đập thủy điện Hòa Bình” [16]; “Xây dựng đập đá đổ đầm nén bản mặt bê tông Tuyên Quang” [34] ; “Thiết kế và thi công đập Cửa Đạt” [35]. Các tài liệu này, ngoài các nội dung không thuộc trọng tâm nghiên cứu của luận án, đáng chú ý nhất để tham khảo là các vấn đề lựa chọn vật liệu, chất lượng vật liệu và phân chia khối đắp hợp lý cho đập đất đá. 1.5.2 Lựa chọn và điều chỉnh độ ẩm trong thi công Có hai xu hướng chính trong ứng dụng: - Thuận theo tự nhiên để đắp đập đầm nén hoặc không đầm nén, miễn sao đắp được đập có kết cấu phù hợp về kỹ thuật và kinh tế. Ngày nay, do phát triển của khoa học công nghệ, xu hướng này ít được ứng dụng; - Điều chỉnh độ ẩm về độ ẩm theo qui định của qui chuẩn để đầm nén đạt độ chặt thiết kế. Đối với điều chỉnh độ ẩm của đất khi đắp có hai trường hợp là tăng và giảm ẩm. Giải pháp tăng độ ẩm, hoàn toàn chủ động trong thi công. Giải pháp giảm ẩm thường rất khó khăn, phụ thuộc nhiều vào yếu tố tự nhiên, khí hậu, khó chủ động trong thi công. Giải pháp thay đổi độ ẩm được nhiều chuyên gia Việt Nam nghiên cứu, chủ yếu là làm tăng hoặc giảm độ ẩm của đất trước khi đắp về độ ẩm cho phép. Các nghiên về giữ ẩm và tăng độ ẩm của đất đã có nhiều tác giả nghiên cứu và đề xuất qui trình thi công như trong các công bố: [29], [28], [31] [30] và các tác giả khác. Kết quả nghiên cứu của [29] về tốc độ giảm ẩm của lớp đất rải trên mặt đập ở một số đập Tây Nguyên và Nam Trung bộ vào mùa khô. Thí nghiệm phơi đất vào ngày nắng, mỗi lớp đất dày 35cm không đầm, cho kết quả: Độ ẩm giảm (0,87÷1,66)%/h, trung bình là 1,26%/h. Đối với vùng khô nóng, cần phải giữ ẩm và tăng độ ẩm bằng cách rải, tưới, ủi vun để ủ ẩm cho đất có độ ẩm đều trước khi đắp, kết hợp với tưới phun bổ sung trên mặt đập. Xử lý ẩm còn có tác dụng trộn đất đều, khắc phục tính không đồng nhất theo chiều sâu của đất ở bãi vật liệu. Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cũng chỉ ra rằng, đối với đất dính, nên đắp với độ ẩm khi đắp lớn hơn độ ẩm tối ưu, chất lượng đất dính đủ nước chất lượng cao hơn đắp đất có độ ẩm thấp hơn độ ẩm tối ưu, 24
nhất là khắc phục tính trương nở và co ngót của đất dính, [31] [30]. Ngoài ra, một số chuyên gia đã đề xuất các qui trình phơi đất cũng như qui trình tưới ẩm và phương pháp thi công [29], [28]. Về giảm ẩm do đất quá ẩm ướt, rất ít có các công bố cụ thể, chủ yếu là thử nghiệm. Tại công trình Thác Bà đã giảm ẩm thí điểm, nhưng do giảm ẩm quá mức, sau khi đắp đất nở ra do hút ẩm tự nhiên. Cuối cùng đã phải đắp đất với độ ẩm cao, nghĩa là đắp với độ chặt thấp (xem phân tích ở 2.2.3). Những năm gần đây, công trình Tả Trạch (2008-2015), sau khi mở móng triển khai đắp đập, do độ ẩm tự nhiên tại các mỏ đều cao hơn so với độ ẩm cho phép. Độ ẩm cho phép W=Wopt ± 3%, nên đã áp dụng các biện pháp giảm độ ẩm, chi tiết xem 4.4.2. Tất cả các giải pháp nhằm đạt được độ ẩm cho phép đều không khả thi. Do đó, tại công trình này đã phải thi công đắp đập với độ ẩm cao. 1.5.3 Thi công đắp đập đất trong điều kiện độ ẩm cao a) b) Hình 1.6 Hình ảnh mặt đập Tả Trạch trước và sau lũ a) Ảnh chụp tháng 5/2009 b) Ảnh chụp tháng 10/2009 Trên Hình 1.6 là hình ảnh mặt đập đã chuẩn bị xong vào tháng 5/2009 để đắp đập vượt lũ. Vì đât quá ẩm ướt không thể thi công được, khối lượng đắp đập trong 5tháng khống đáng kể, dẫn đến chịu ngập lụt và phải bóc bỏ khối lượng đã đắp để đắp lại. Khái niệm nhánh ướt của đường quan hệ dung trọng với độ ẩm đầm nện của đất: 25
Hình 1.1 là nhánh ứng với độ ẩm đất khi đầm nện cao W ≥ Wopt. Tương ứng với độ ẩm W là độ chặt đầm nén K - là tỷ số dung trọng khô đầm nén với dung trọng khô lớn nhất. Độ ẩm cho phép khi đắp đập đầm nén là W = Wopt ± W. Theo quy định hiện hành W= 3%. Tương ứng với độ ẩm này có độ chặt cho phép K nhất định. Khi chọn W>3%, nghĩa là đã chọn K nhỏ hơn. Như vậy, các chỉ tiêu cơ lý của đất thay đổi kém đi về chất lượng đắp. Khi đắp đất với độ ẩm W ≥ Wopt + 3% (nhánh ướt) được gọi là thi công đắp đất với độ ẩm cao. Thi công đất trong điều kiện môi trường không khí có độ ẩm cao (độ ẩm tương đối của không khí RH>80% và đắp đất có độ ẩm W ≥ Wopt + 3% được coi là thi công đất trong điều kiện độ ẩm cao. Đồng thời, cũng chỉ cần giới hạn nghiên cứu khi độ chặt K≥0,90 là đủ cho ứng dụng thực tiến đắp đập. 1.6 Kết luận chương Đập vật liệu địa phương, trong đó có đập đất, có lịch sử phát triển lâu đời trên thế giới và Việt Nam do có nhiều ưu điểm. Tuy vậy, đập đất cũng có nhiều nhược điểm trong thiết kế và thi công. Nhờ có có những tiến bộ về khoa học và công nghệ, nên việc xây dựng đập đất ở Việt Nam đã khắc phục được nhiều nhược điểm và xây dựng thành công nhiều đập cao. Trên địa bàn cả nước có trên 6000 hồ đập, đập đất chiếm đa số. Khu vực Bắc Trung bộ có hàng trăm đập đất lớn nhỏ. Yêu cầu về xây dựng mới và sửa chữa nâng cấp trong bối cảnh BĐKH hiện nay luôn là cấp thiết. Đặc điểm điều kiện tự nhiên và đất xây dựng đập của khu vực Bắc Trung bộ có nhiều điểm không tương đồng với các khu vực khác trên cả nước. Thời gian qua, việc xây dựng nhiều đập bị chậm tiến độ do không lường trước được vấn đề lựa chọn độ ẩm với độ chặt trong thi công cũng như khả năng giảm ẩm thích hợp ở khu vực. 26
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 của khu vực; - Xây dựng qui trình 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. 27
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN 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 chủ yếu tập trung 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. 2.1 Đất xây dựng 2.1.1 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; “Đất thuộc lớp vỏ trái đất ở thể mềm, rời đặc trưng; giữa các hạt đất không có hoặc có các liên kết kết tinh hoặc liên kết xi măng không đáng kể. Khái niệm về đất xây dựng được trình bày khá thống nhất trong nhiều tài liệu khoa học và tiêu chuẩn của các quốc gia” [36]. Đất có nguồn gốc trực tiếp hoặc gián tiếp từ quá trình phong hóa của đá gốc (đá macma, đá trầm tích, đá biến chất). Mặc dù quá trình diễn biến phức tạp nhưng nó phụ thuộc vào các yếu tố: - Thành phần đá gốc; - Điều kiện khí hậu, chủ yếu là nhiệt độ và độ ẩm; - Điều kiện địa hình và điều kiện chung của vùng đất, mức độ che phủ thực vật; - Tác động của các yếu tố khác như bão, tai biến lớn, hoạt động của con người; - Cách thức và điều kiện vận chuyển trong quá trình hình thành đất. 2.1.2 Phân loại đất Khi nghiên cứu về tính chất của đất xây dựng, người ta thường chú trọng đến ảnh hưởng của phong hóa, ảnh hưởng của sự chuyển dời, thành phần khoáng vật của đất. 28
Theo mục đích xây dựng, hầu hết các hệ thống phân loại đều chia đất ra ba nhóm: hạt thô, hạt mịn và hữu cơ (xem Bảng 2.1, Bảng 2.2, Bảng 2.3). Việc phân loại đất có thể tham khảo [37]và [38]. Bảng 2.1 Các nhóm đất xây dựng chính [10]; [37] Hạt thô Hạt mịn Hữu cơ Đá tảng Các loại đất Bùn Cuội Than bùn Sét Cát Dạng hạt Tròn đến góc cạnh Bông Thớ Kích thước hạt Thô Mịn - Độ rỗng hay hệ số Thấp Cao Cao rỗng Tính thấm Cao Kém đến không thấm Thay đổi Lực dính giữa các hạt Không có, rất thấp Cao Thấp Ma sát giữa các hạt Cao Thấp Không đến thấp Tính dẻo Không Thấp đến cao Thấp đến trung bình Trung bình đến rất Tính ép co Rất thấp Thường rất cao cao Trung bình đến Tốc độ cố kết Tức thời Trung bình đến chậm nhanh Bảng 2.2 Phân loại hạt đất theo kích thước [38] 0.005 0.05 2 60 200 Đườn g kính 01 02 10 25 50 hạt 5 002 , , , , , 20 , 100 0 0 0 0 0 (mm) 0 2 2 3 1 1 3 1 2 2 1 4 3 Phân G loại Thô Mịn To G Thô S Mịn Mịn S Nhỏ S To Cb Nhỏ Thô M Mịn Mịn M Nhỏ Cb hạt đất TrungS Trung G Trung M Cuội Hạt cát Sỏi (hoặc Hạt sét Hạt bụi (Sand) S (hoặc sạn) dăm) (Clay) C (Silt, Mo) M 0,10 (Gravel) G Cobble Cb Đá Đá tảng Boulder B Tổ hợp hạt mịn (Fine grains) Tổ hợp thô (Coarse grains) Ghi chú: Đường kính hạt qui ước theo đường kính lỗ sàng thí nghiệm. 29
Bảng 2.3 Các nhóm đất xây dựng chính [37] Mịn Thô Rất thô Sét Bụi Cát Cuội sỏi Đá Keo Thô Thô Thô Mịn Mịn Mịn Trung Trung Trung Đá cuội Đá tảng Đá 1 6 20 200 600 6 20 200 2 60 2 60 µm mm Bảng 2.4 Phân loại cỡ hạt theo tiêu chuẩn một số nước [39] Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn Mỹ, Anh, Đức Tiêu chuẩn Pháp Các nhóm hạt Đường kính Đường kính Đường kính Tên nhóm hạt d Tên nhóm nhóm hạt d nhóm hạt d (mm) Tròn Góc nhóm cạnh cạnh (mm) (mm) > 200 Tảng Tảng > 200 Đá tảng > 200 Tảng 200 ~ 20 Cuội Dăm 200 ~ 63 Hạt cuội 200 ~ 20 Cuội 20 ~ 2 Sỏi Sạn 63 ~ 20 Sỏi to 20 ~ 2 Sỏi 20 ~ 6 Sỏi vừa 6 ~ 2 Sỏi nhỏ 2 ~ 1 Cát: Hạt thô 2 ~ 0,6 Cát hạt to 2 ~ 0.02 Cát to 1 ~ 0,5 Hạt to 0,5 ~ 0,25 Hạt trung 0,6 ~ 0,2 Cát hạt vừa 0,25 ~ 0,1 Hạt nhỏ 0,2 ~ 0,06 Cát hạt nhỏ 0,2 ~ 0,02 Cát nhỏ 0,1 ~ 0,05 Hạt mịn 0,05 ~ 0,01 Bụi hạt to 0,06 ~ 0,02 Bụi hạt to 0,02 ~ 0,002 Hạt bụi 0,01 ~ 0,005 Bụi hạt nhỏ 0,02 ~ 0,006 Bụi hạt vừa 0,005 ~ 0,001 Sét hạt to 0,006 ~ 0,002 Bụi hạt nhỏ 0,001 ~ 0,0001 Sét hạt vừa ≤ 0,0001 Sét hạt nhỏ ≤ 0,002 Hạt sét ≤ 0,002 Hạt sét Tiêu chí phân loại đất hạt thô và đất hạt mịn về kích thước hạt và tỉ lệ hạt hiện nay có chút khác biệt giữa tiêu chuẩn Anh và Việt Nam: - Đất hạt thô có vật liệu hạt mịn hơn 0,06mm chiếm dưới 35%; đất hạt mịn có vật liệu hạt mịn hơn 0,06mm chiếm trên 35% [37] ; - Đất hạt thô có vật liệu hạt mịn hơn 0,10mm chiếm dưới 50%; đất hạt mịn có vật liệu hạt mịn hơn 0,10mm chiếm trên 50% [38]. 30
Tương tự như vây, khi phân loại hạt, các tiêu chuẩn Anh và Việt Nam đều thống nhất dải kích cỡ hạt từ hạt keo, sét mịn hơn 0,001mm đến 200mm. Nhưng khác nhau ở ranh giới hạt bụi với cát là 0,05mm [38] và 0,06mm [37]. Đây là điểm lưu ý khi sử dụng công cụ phân tích cấp phối cần nhất quán sử dụng hệ thống tiêu chuẩn. Về bản chất vấn đề không có gì mâu thuẫn và khác biệt nhiều. Có thể tham khảo thêm Bảng 2.4. Phạm vi cỡ hạt từ hạt keo, sét mịn hơn 0,001mm đến 200mm. Khi phân tích thành phần hạt, kết quả thường được thể hiện trên biểu đồ đường cong thành phần hạt với trục tung là % hạt mịn hơn và trục hoành là lg (đường kính hạt) xem Hình 2.1 và Hình 2.2. 100 60 Lượng hạt mịn (%) 30 10 Phan tram hat min hon min Phan hat tram 0 D10 D30 D60 (lg)D (mm) Hình 2.1 Đường cong thành phần hạt (đường cấp phối hạt) Sàng rây thíRay nghiệm thi nghiem theo tieu tiêu chuan chuẩn Anh Anh (m) (mm) 425 212 2.00 20.0 28.0 300 3.35 37.5 63 600 6.30 63.0 5.00 50.0 150 1.18 10.0 100 14.0 90 80 E 70 60 Lượng hạt mịn (%) D C A B 50 40 30 20 Phan tram hat min hon hat min Phan tram 10 0 0.002 0.006 0.02 0.06 0.2 0.6 2 6 20 60mm Min Trung Tho M?n Trung Tho Min Trung Tho Set Bui Cat Cuoi Hình 2.2 Đường cong thành phần hạt [37] 31
Trên Hình 2.2: A- cát hạt trung cấp phối xấu (vì hạt trung chiếm khoảng 65%, phạm vi cỡ hạt là hẹp); B- cát cuội cấp phối tốt (vì cát và cuội đều chiếm khoảng 50%, phạm vi cỡ hạt rộng từ cát mịn đến cuội thô); C- cát chứa nhiều bụi cấp phối tốt (phạm vi cỡ hạt rộng, bụi chiếm khoảng 20%); D- bụi chứa nhiều cát; E-sét chứa bụi. (chữ in thể hiện thành phần chính của đất). 2.1.3 Các đặc trưng cơ lý của đất D10 – Cỡ hạt cực đại chiếm ít nhất 10% mẫu; D30 - Cỡ hạt cực đại chiếm ít nhất 30% mẫu; D60 - Cỡ hạt cực đại chiếm ít nhất 60% mẫu (Hình 2.1). Các giá trị trên đặc trưng cho thành phần hạt, từ đó có các định nghĩa sau: - Kích thước hiệu quả D10 (mm) 60 - Hệ số đồng đều 푛 = 10 2 ( 30) - Hệ số cấp phối C = 60 10 Đất có cùng cỡ hạt, khi Cn 5 biểu thị cấp phối tốt [10]. Đất cấp phối tốt nhất có đường cong thành phần hạt chủ yếu ngang thoải hay lõm chút ít, cho giá trị 0,5 < Cg < 2,0. 2 Hazen đề xuất tính hệ số thấm: = ( 10) (m/s) (2.1) trong đó: Ck - hệ số thay đổi trong khoảng (0,01 ÷ 0,015). Các đặc trưng cơ lý của đất theo 17 chỉ tiêu [36], Bảng 2.5. 2.1.4 Đất dính và một số tính chất đặc trưng Phần lớn đất là hỗn hợp gồm các hạt khoáng vật vô cơ cùng với một phần nhỏ nước và không khí. Do vậy, để thuận tiện trong phân tích, người ta coi mô hình đất gồm 3 pha: - Pha rắn gồm vụn đá, hạt khoáng vật và vật chất hữu cơ; - Pha lỏng gồm nước và các muối hòa tan; - Pha khí gồm không khí và hơi nước. Như trên đã đề cập, đất hạt mịn đi kèm với nó là đặc trưng bởi tính dính. Và tính dính đặc trưng bởi thành phần sét, vì sét có hoạt tính. 32
Bảng 2.5 Các đặc trưng tính chất vật lý của đất [36] Thứ Đặc trưng Ký hiệu Công thức tính Đơn vị tính trong các liên hệ Chú thích tự Khối lượng hạt rắn Xác định 3 3 1 Khối lượng đơn vị s s = s: kg/m ; t/m bằng thí Thể tích hạt rắn nghiệm Khối lượng nước 2 Độ ẩm khối lượng W W = W biểu diễn bằng % khối lượng Như trên Khối lượng đất khô Khối lượng tổng 3 Trọng lượng đơn vị   = : kG/cm3 hoặc t/m3 Như trên Thể tích tổng 3 3 c: kG/cm hoặc t/m  Chỉ tiêu dẫn 4 Trọng lượng đơn vị khô  3 3 c c = : kG/cm hoặc t/m xuất 1 0,01W W: % Vw Wv: Biểu diễn bằng % thể tích 5 Độ ẩm thể tích Wv Wv 100% Như trên Vs e n: Biểu diễn bằng % 6 Độ rỗng n n = 100 Như trên 1 e n e: Không có đơn vị 7 Hệ số rỗng e e Như trên 1 n d d10: Đường kính hiệu quả, mm; 8 Hệ số đồng nhất về thành phần hạt của đất Cn Cn = 60 Như trên d10 d60: Đường kính kiểm tra, mm 2 d10, d30 và d60 thứ tự là đường kính hạt d30 ứng với hàm lượng 10 %, 30 % và 60 9 Hệ số đường cong phân bố thành phần hạt của đất Cg C g d d % trên đường cong phân bố cỡ hạt của 60 10 đất Wsat: Biểu thị bằng % khối lượng Độ ẩm bão hòa, còn gọi là độ ẩm toàn phần (Khối Wsat (hoặc 푤 10 W푠 푡 = 100% Vv Thể tích nước Như trên lượng nước lấp đầy các lỗ rỗng/ khối lượng đất khô) Wbh) 푣 Vv Thể tích lỗ rỗng Vw Sr: biểu thị bằng số thập phân Sr 100 11 Độ bão hòa nước Sr Như trên Vv 33
Thứ Đặc trưng Ký hiệu Công thức tính Đơn vị tính trong các liên hệ Chú thích tự iP: Biểu thị bằng % khối lượng 12 Chỉ số dẻo của đất iP iP = WL - WP WL: Giới hạn chảy, % khối lượng Như trên WP: Giới hạn dẻo, % khối lượng Wa WP iL = iL: Số thập phân WL WP Wa: độ ẩm tự nhiên của thành phần hạt 13 Độ sệt của đất iL (hoặc B) Như trên Wa WP nhỏ hơn 0,5 mm của đất (đã được hiệu = chỉnh) iP e: Hệ số rỗng của đất kết cấu tự nhiên; e e 14 Độ chặt tương đối của đất rời D D = max Như trên e e emin và emax: Hệ số rỗng của đất ứng với max min kết cấu chặt nhất và xốp nhất 3 sat: g/cm 15 Trọng lượng đơn vị bão hòa sat sat =c + n x γw Như trên  16 Hệ số đầm chặt K K = c K: Không có đơn vị Như trên  c.max 34
2.1.4.1 Bản chất cấu trúc của khoáng vật sét Khoáng vật sét được hình thành chủ yếu từ fenspat và mica phong hóa. Chúng là bộ phận của nhóm alumino-silicat phức tạp của natri, magie và sắt, được gọi là khoáng vật dạng lưới-lớp. Chúng có kích thước nhỏ dạng bông với diện tích bề mặt lớn. Hơn nữa bề mặt của chúng mang điện tích âm có ý nghĩa rất lớn đến đặc tính xây dựng của đất sét (Hình 2.3, Hình 2.4, Hình 2.5, Bảng 2.6). a) Khối bốn mặt b) Khối tám mặt Hình không gian = Si4+ = (OH)- 2- Hình chiếu đứng = O = Al3+ hay Mg2+ Hình 2.3 Phân tố đơn vị của khoáng vật sét. a) Khối bốn mặt; b) Khối tám mặt. [10] 4- = (Si4O10) Ký hiệu a) Lớp silic = (Al4(OH)12) Ký hiệu G b) Lớp gipxit = (Mg6(OH)12) Ký hiệu B c) Lớp bruxit G B G B Hai khối tám mặt Ba khối tám mặt Hai khối tám mặt Ba khối tám mặt d) Lưới hai lớp e) Lưới ba lớp 35
Hình 2.4 Cấu trúc lưới-lớp của khoáng vật sét [10] Khả năng trao Tên khoáng Biểu tượng Liên kết giữa Kích thước Bề mặt riêng đổi gần đúng vật cấu trúc các lớp bởi gần đúng (μm) (m2/g) (me/100g) G l=0,20-2,0 Kaolinit H 10-30 5 G t=0,05-0,20 G (ống) Haloizit H2O l=0,5 40-50 15 G t=0,05 G l=0,2-2,0 Ilit K K K+ 50-100 30 t=0,02=0,20 G G Liên kết ngang l=0,1-0,5 Monmorilonit giữa Mg/Al 200-800 100 yếu t=0,001-0,01 G B l=0,15-1,0 Vecmiculit Mg Mg Mg Mg Mg2+ 20-400 150 t=0,01-0,1 B Hình 2.5 Cấu trúc và kích thước các khoáng vật sét chủ yếu [10] Bảng 2.6 Một số khoáng vật sét dạng lưới – lớp [39] Hai khối tám mặt hay lớp gipxit Ba khối tám mặt hay lớp bruxit Kaolinit Secpentin 2 lớp Dickit Crizotin Necrit Pirofilit Tan Muscovit Biotit 3 lớp Mormorilonit Clorit Ilit Vecmiculit 2.1.4.2 Các tính chất quan trọng của khoáng vật sét Về đặc trưng đất xây dựng, xem xét khoáng vật sét theo các đặc trưng: Diện tích bề măt; điện tích và hấp phụ bề mặt; khả năng trao đổi cơ bản; sự kết bông và phân tán; co ngót và trương nở; tính dẻo và tính dính. 36
Bảng 2.7 Các khoáng vật sét [39] 푆𝑖 Tên khoáng vật Thành phần hóa học 2 푅2 3 Alofan vô định hình MAl2O3nSiO2pH2O 1 Caolimit Al4[Si4O10][OH]3 2 Nacrit nt 2 Đickit nt 2 Haluorit Al4[Si4O10][OH]8.4H2O 2 Hydromuscovit K<1.Al2[(Si,Al)4O10][OH]2.nH2O 2 Ilit nt 2 Mônôtecnit nt 2 Xerixit nt 2 Hydrobiotit K<1.(Mg,Fe)3 [(Si,Al)4O10][OH]2.nH2O 2 Glauconit Al2[Si4O10][OH]2.nH2O 2 Beyđenit m{Mg3[Si4O10][OH]2}p{(Al,Fe)2[Si4O10][OH]2}.nH2O 3 Monmorilonit nt 4 Nomtronit nt 4 Diện tích bề mặt: Hạt sét càng nhỏ và càng bông thì diện tích bề mặt càng lớn Diện tích bề mặt: 6d2 (2.2) 3 Khối lượng: d . s (2.3) Trong đó: d – đường kính hạt; s – khối lượng riêng của hạt; Bề mặt riêng: Ss (Tỷ số diện tích bề mặt trên đơn vị khối lượng): 3 −3 6. 10 2 6. 10 2 S푠 = ( ) ℎ표ặ ( ) (2.4) . 푠 . 푠 3 -3 2 Ví dụ: Một hạt thạch anh d=1mm với s=2,65 (g/cm ) thì Ss = 2,3.10 (m /g) trong khi 2 bề mặt riêng của monmorilonit Ss = 800 (m /g). Các hạt bụi, cát có bề mặt riêng như sau: 2 - Bụi (0,002-0,06)mm Ss = 1 đến 0,04 (m /g) 2 - Cát (0,06-2,0)mm Ss = 0,04 đến 0,001 (m /g) 37
Điện tích và hấp phụ bề mặt: Các ion O2- hoặc (OH)- hình thành bề mặt phẳng của khoáng vật sét, vì thế bề mặt mang điện tích âm. Phân tử nước lưỡng cực nên một lớp + phân tử nước được giữ trên mặt khoáng vật sét bởi liên kết hydro (H3O) gọi là lớp nước hấp phụ. Nước hấp phụ có tính chất khác với nước thường: độ nhớt, mật độ và điểm sôi cao hơn, điểm đóng băng thấp hơn. Bề dày lớp hấp phụ vào khoảng 50nm . Độ ẩm hấp phụ mAD gần đúng bằng (Bảng 2.8) mAD = Ss.t.ρw = 0,05Ss (2.5) -9 6 3 Trong đó: t – bề dày 50.10 (m); ρw – khối lượng riêng nước 10 (g/m ). Bảng 2.8 Lượng nước hấp phụ gần đúng [10] 2 Khoáng vật Bề mặt riêng Ss (m /g) Lượng nước hấp phụ (%) Cát thạch anh (0.1mm) 0,02 1.10-3 Kaolinit 20 1 Ilit 80 4 Montmorilonit 800 40 Khả năng trao đổi cơ bản: Sự cân bằng điện tích âm bề mặt không do nội bộ đáp ứng được gọi là khả năng trao đổi của khoáng vật, đơn vị là mili đương lượng cho mỗi 100g (me/100g). Khả năng trao đổi có thể tham khảo Hình 2.5 trên đây. Cân bằng được thiết lập giữa các cation trong lớp hấp phụ với các cation trong nước lỗ rỗng. Khả năng thay thế của các loại cation theo trật tự sau: 3+ + 2+ 2+ + + Al > (H3O) > Ca > Mg > K > Na (2.6) + Vì thế ở khí hậu nhiệt đới có độ ẩm cao, tính axit của đất tăng lên do (H3O) thay thế Ca2+; trong đất bao quanh bê tông mới đổ Ca2+ có xu hướng thay thế Na+. Sự thay thế các cation làm tăng hay giảm bề dày lớp hấp phụ. Ví dụ: Cần một lượng ion hóa trị một (như Na+) nhiều gấp đôi lượng ion hóa trị hai (chẳng hạn Ca2+) để cân bằng, nên tạo lớp hấp phụ dày hơn. Sự kết bông và phân tán: Lực tác động giữa hai hạt gần nhau, ở thể huyền phù trong nước, chịu ảnh hưởng của hai nhóm lực: - Lực liên kết thứ cấp hay lực hấp dẫn Van der Waal; 38
- Lực đẩy do bản chất mang điện tích âm của bề mặt hạt và lớp hấp phụ. Khi lớp hấp phụ đủ mỏng thì lực hấp dẫn chiếm ưu thế và xảy ra tiếp xúc cạnh với cạnh (âm với dương), hình thành nhóm hạt lắng xuống gọi là hiện tượng kết bông. Ngược lại khi lớp hấp phụ dày thì lực đẩy chiếm ưu thế, không tạo thành nhóm hạt và tạo nên cấu trúc phân tán. Một đặc điểm quan trọng là đất sét kết bông có giới hạn chảy cao. Sét kết bông có thể chuyển thành phân tán khi thêm cation từ dung dịch muối thích hợp như hexameta hay photphat natri. Trương nở và co ngót: Lực tương tác giữa các hạt với lớp hấp phụ có thể đạt cân bằng trong điều kiện nhiệt độ và áp lực bao quanh, các phân tử nước vào và ra khỏi lớp hấp phụ bằng nhau. Độ ẩm tương ứng được gọi là độ ẩm cân bằng emc. Nếu thêm nước vào, áp lực trương nở làm tăng thể tích. Co ngót xảy ra khi lớp hấp phụ bị ép, nước thoát ra hoặc do bốc hơi. Khả năng trương nở của monmorilonít rất cao, kaolinit trương nở kém hơn. Tính dẻo và dính: Tính chất đặc trưng nhất của đất sét là tính dẻo (khả năng tạo và duy trì hình dạng mới khi ép hay nặn). Tính chất này được quyết định bởi kích thước và bản chất của hạt khoáng sét cũng như của lớp hấp phụ. Tính dẻo và tính ép co mạnh khi đất có bề mặt riêng trung bình lớn, ví dụ như chứa nhiều khoáng vật monmorilonit. Độ sệt của hỗn hợp sét và nước thay đổi rõ rệt theo độ ẩm. Khi độ ẩm thấp, nước chủ yếu trong lớp hấp phụ, lực hấp dẫn giữa các hạt tăng, tạo ra một dạng ứng suất trong, được gọi là tính dính. Khi độ ẩm tăng thì tính dính giảm dần, đến mức nhất định thì đất đạt giới hạn chảy. 2.1.4.3 Phân loại đất dính Ngoài các đặc trưng phân loại theo thành phần hạt, đất hạt mịn còn được chú ý phân loại theo đặc trưng dính và dẻo. PI – Chỉ số dẻo: PI = LL – PL (2.7) LL – Giới hạn chảy: tại độ ẩm này đất chuyển từ chảy sang dẻo 39
PL – Giới hạn dẻo: tại độ ẩm này đất chuyển sang nửa rắn – dẻo SL – Giới hạn co ngót: tại độ ẩm này đất co ngót do khô khi ứng suất không còn là hằng số. Chỉ số này được nêu trong ASTM D427, chỉ tiêu này ít được sử dụng phổ biến như LL và PL. Hệ thống tiêu chuẩn của các quốc gia đều qui định cụ thể. Ở Việt Nam, các qui định này thể hiện trong [38]. Bảng 2.9 Thành phần hóa học đất sét trầm tích Pleixtoxen, Holoxen ở Việt Nam [39] Hàm lượng thành phần hóa học, % Địa danh Oxit SiO Al O Fe O TiO CaO MgO Na O K O SO 2 2 3 2 3 2 2 2 3 khác Đại Thanh 60,97 20,34 8,3 1,39 1,42 0,31 5,95 Từ Liêm 60,97 20,22 8,56 1,22 1,58 6,36 Bố Sao 67 19,8 7,66 0,88 0,9 2,45 0,93 Vĩnh Phúc, Phú Thọ 65,62 15,17 6,26 0,88 0,75 0,07 1,87 0,37 6,08 T.Nguyên, Bắc Cạn 66,49 16,32 5,97 0,95 0,67 0,19 4,97 Hà Tây, Hòa Bình 63,53 17,15 7,31 0,69 0,94 0,37 2,07 0,63 6,26 Bắc Ninh, Bắc Giang 62,29 16,72 6,85 0,63 0,81 0,18 2,21 0,78 5,93 Quảng Ninh 69,19 15,85 4,15 0,72 0,90 0,24 2,03 0,54 5,73 Thanh Hóa 60,89 17,84 6,06 1,02 0,55 0,8 0,29 2,27 0,16 7,84 Hà Tĩnh, Nghệ An 62,68 16,84 5,95 1,11 0,62 1 0,36 2,43 0,19 6,45 Q.Bình, Q.Trị 63,57 16,95 5,32 1,07 0,44 0,85 0,4 2,58 0,08 2,03 Quảng Nam 62,63 17,23 6,25 1,18 1,59 0,78 0,12 1,53 0,06 6,87 Nghĩa Bình 60,63 18,05 7,51 1,12 1,65 0,70 0,25 1,62 0,07 8,44 Đồng Nai, S.Bé 54,32 21,26 9,13 0,98 1,59 0,78 0,18 1,31 0,38 8,98 Cà Mau 57,57 17,69 6,63 1,03 0,27 1,96 1,01 2,5 0,15 0,76 Bạc Liệu 56,52 18,62 2,97 1,1 1,74 0,72 2,61 0,07 0,16 Rạch Giá 59,3 15,78 3,06 1 0,22 1,06 0,56 2,06 3,44 1,32 2.1.4.4 Đất có tính chất đặc biệt Đất đắp có các tính chất như tính trương nở, tính lún ướt, tính co ngót khi khô và tính tan rã đã được nhiều chuyên gia nghiên cứu, thí nghiệm và phân tích nguyên nhân. Các kết quả nghiên cứu đã nêu lên mối quan hệ và ảnh hưởng của chúng tới độ bền của đất và công trình, [15], [28], [29], [30], [31] và các tác giả khác. a) Tính trương nở Hệ số trương nở phụ thuộc chủ yếu vào độ ẩm ban đầu, dung trọng khô, thành phần hạt. Khi độ ẩm tăng thì đất trương nở, lực dính và góc ma sát trong đều giảm. So sánh 40
đất ở trạng thái độ ẩm tốt nhất và đất ở độ ẩm bão hoà thì các chỉ tiêu này giảm trên 50%. Bảng 2.10 Phân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn Anh USBR Đặc trưng vật lý Thay đổi thể Phân loại đất Hàm lượng Chỉ số dẻo (%) Độ ẩm co ngót tích toàn phần trương nở chất keo (%) ΔV >28 >35 11 >30 Rất mạnh 20-31 25-41 7-12 20-30 Mạnh 13-23 15-28 10-16 10-20 Trung bình 15 12 Trương nở mạnh b) Tính co ngót Nguyên nhân co ngót là độ ẩm của đất bị giảm, nội lực kéo sinh ra lớn hơn khả năng chịu kéo của đất. Vết nứt ban đầu có thể nhỏ xuất hiện tại bề mặt sau đó phát triển rộng và sâu, [31]. c) Tính tan rã Mức độ tan rã phụ thuộc chủ yếu vào loại đất, nguồn gốc thành tạo, môi trường nước, dung trọng khô. Từ kết quả nghiên cứu bản chất của sự tan rã ta đưa ra các phương pháp hoá học phòng chống tan rã cho đất đắp đập. d) Tính lún ướt Mức độ lún ướt phụ thuộc vào dung trọng, độ ẩm và loại đất. Đất đầm nện ở độ ẩm nhỏ hơn nhiều so với độ ẩm tối ưu và độ chặt K < 0,9 thì dễ lún ướt. Nếu K 0,95 và độ ẩm đầm nện nằm trong khoảng trên dưới 2% (nhánh ướt) so với độ ẩm tối ưu thì đất không lún ướt. Nói chung, đất đầm nện với độ ẩm cao hơn độ ẩm tối ưu thì cũng không bị lún ướt [31]. 41
Hiện tượng lún ướt thường xảy ra sau lần bão hoà đầu tiên của đất hoặc sau khi đất được bổ sung nước. Quá trình lún ướt xảy ra sau quá trình trương nở gây biến dạng lớn trong khối đắp trong thời gian ngắn. Đây là nhân tố khá quan trọng gây ảnh hưởng không nhỏ tới ổn định của khối đắp. Trường hợp này đã xảy ra tại đập Am Chúa, đập sông Quao. Các trường hợp thường xảy ra: - Trường hợp đất đã trương nở khi gặp nước sau đó quá trình lún ướt và co ngót xảy ra đã thay đổi trạng thái ứng suất của khối. Nếu đất không có khả năng biến dạng và thay đổi lại trạng thái ứng suất phù hợp thì nứt có thể xảy ra. Đối với khối nằm trong thân đập thì ống dòng phát triển, còn phần nằm trên mái đập có thể bị xói mòn do dòng chảy mặt gây ra; - Trường hợp đất bị trương nở dưới tác dụng của đường bão hoà dâng cao, sau đó đất có hiện tượng tan rã thì quá trình tan rã sẽ xảy ra nhanh do độ chặt sau trương nở giảm xuống và mức độ thấm tăng lên; - Trường hợp đất trương nở sau khi bị co ngót lún sụt. Nếu là phần tiếp giáp với vai đập thì dòng thấm hình thành và phát triển, kết hợp với đất có tính tan rã thì quá trình xói tăng lên rất nhanh. 2.1.5 Tính hút ẩm của đất Hình 2.6 Chỉ số hút ẩm và độ ẩm của đất Áp lực nước lỗ rỗng mao dẫn âm uc, tương ứng là cột nước mao dẫn hc là đặc trưng cho tính hút ẩm của đất. 42
Chỉ số hút ẩm pF = lg(hc), pF=(0 ÷ 7) tùy thuộc vào loại đất và độ ẩm của đất. Áp lực hút ẩm Ss = γw.hc = -uc (2.8) Ứng suất bên ngoài làm giảm độ ẩm và thay đổi sự hút ẩm, vì thế với đất bão hòa: Ss = -uc+αcσz (2.9) σz là thành phần ứng suất thẳng đứng tại độ sâu z; αc là hệ số phụ thuộc độ ép co của đất, 0 ≤ αc ≤ 1 . Với vật liệu cứng như đá, cát không ép co nên αc =0, với sét bão hòa αc =1. Khi đất tiếp xúc không khí, khả năng làm khô mạnh. Khả năng hút ẩm của không khí có thể tính gần đúng: 2 us = -150000(1-RH) (kN/m ) (2.10) 3 RH là độ ẩm tương đối của không khí (là tỉ số khối lượng nước trong 1m không khí/khối lượng nước làm 1m3 không khí bão hòa nước hay điểm sương) đơn vị tính là (%). Như vây, nếu độ ẩm gần 100% thì đất hầu như không thể khô được. Bảng 2.12 Chiều cao hút ẩm (mao dẫn) hc (mm) và đường kính mao quản r (mm) theo cỡ hạt và loại khoáng vật [39] Thạch anh tròn Thạch anh góc Mica Fenpat Cỡ hạt cạnh cạnh d,mm hc r hc r hc r hc r 2÷1 12,3 0,124 9,5 0,169 5,5 0,217 6,8 0,225 1÷0,5 20,8 0,073 14,6 0,104 13,2 0,123 13,3 0,115 0,5÷0,25 32,7 0,046 26,3 0,058 25,7 0,059 23,3 0,066 0,25÷0,1 66,8 0,025 61,8 0,025 26,0 0,027 49,2 0,031 0,1÷0,06 122,4 0,012 82,7 0,018 100,3 0,015 99,3 0,015 0,06÷0,01 0,012 127,7 0,012 205 0,007 Chiều cao mao dẫn phụ thuộc vào thành phần khoáng và hình dạng lỗ rỗng, nó giảm dần từ mica, thạch anh, fenspat. Đối với hạt d < 0,1mm thì chiều cao mao dẫn giảm theo thứ tự sau: mica, thạch anh góc cạnh, thạch anh tròn cạnh. Chiều cao mao dẫn tăng rất nhanh theo mức độ giảm của đường kính hạt. [39] 43
Bảng 2.13 Chiều cao hút ẩm (mao dẫn) hc của các loại đất [40] Loại đất Kích thước hạt, d (mm) hc(cm) Sỏi nhỏ 5÷2 2,5 Cát thô 2÷1 6,5 To 1÷0,5 13,1 Vừa 0,5÷0,25 26,4 Nhỏ 0,25÷0,1 42,8 Mịn 0,1÷0,05 105,5 Bụi 0,05÷0,02 200 Cát pha 30% 400 ÷1200 Các giá trị chiều cao mao dẫn hc trong Bảng 2.12, 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 [10]. 2.1.6 Lý thuyết phá hoại Mohr-Coulomb Trong trường hợp trượt hoặc biến dạng dẻo liên tục, vòng Mohr biểu thị ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên mặt trượt là vòng tròn giới hạn. Các vòng Mohr giới hạn với các ứng suất pháp khác nhau có đường tiếp tuyến chung được gọi là đường bao phá hoại. Terzaghi, 1936 [41] dùng tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Coulomb và khái niệm ứng suất hiệu quả để mô tả cường độ chống cắt của đất bão hòa: Phương trình đường bao phá hoại (thường gọi là biểu thức Coulomb): ′ ′ ′ ′ 휏 = + 𝜎푛푡𝑔휑 (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 Nếu ta có một loạt mẫu của cùng một loại đất đạt tới trạng thái phá hoại trượt hoặc biến dạng dẻo liên tục và đo được ứng suất chính (σ’1 , σ’3) thì vẽ được vòng Mohr – Coulomb để xác định đường phá hoại và từ đó xác định được c’ và φ’. 44
.f 1 F  = 2('1 + '3)sin2 f ) f = c' + 'ntg ' D f ' ' c' 2 f f O A C B 'n Hình 2.7 Lí thuyết phá hoại Mohr – Coulomb 2.1.7 Thấm của nước trong đất Các giả thiết cơ bản - Đất là môi trường đồng nhất và đẳng hướng; - Nước chứa đầy miền thấm và không ép co. Theo giả thiết này, không còn hiện diện của cốt đất trong miền thấm. Ảnh hưởng của cốt đất chỉ thể hiện gián tiếp qua hệ số thấm k. - Dòng thấm chảy tầng tuân theo định luật Darcy: v = k.J (2.13) trong đó: v- lưu tốc thấm bình quân trên mặt cắt ướt; k- hệ số thấm của đất; J- gradien thủy lực. Việc xác định hệ số thấm k gần đúng với các đặc trưng: với D10 theo công thức (2.1). Tuy nhiên, tin cậy nhất vẫn là thí nghiệm hiện trường đổ nước hay hút nước trong hố khoan và thí nghiệm trong phòng. Sơ đồ cơ bản về dòng thấm qua thân đập theo phương pháp thủy lực, phổ biến và lâu đời nhất là phương pháp thủy lực của Duypuy (Dupuit) (1804-1866) người Pháp gốc Ý. Công thức Duypuy áp dụng cho khối đất thấm có đáy nằm ngang, dòng thấm biến dx đổi chậm và đường thế gần đúng là các đường thẳng đứng: J = ; Vận dụng vào định dy luật Darcy ta có v=k.J ta có phương trình cơ bản: 45
h2 − h2 q = k 1 2 (2.14) 2퐿 3 q- lưu lượng thấm đơn vị trên 1m chiều dài đập (m /s/m); k- hệ số thấm (m/s); h1, h2, L- (m), Hình 2.8. Hình 2.8 Sơ đồ thấm phẳng Duypuy Hệ số thấm của đất phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau: - Độ chặt, hay độ rỗng của đất; - Thành phần hạt và phân bố của chúng; - Hình dạng và định hướng của hạt đất; - Độ bão hòa và sự có mặt của không khí; - Loại đất, loại cation và bề dày lớp hấp phụ hút bám với khoáng vật sét (nếu có); - Độ nhớt của nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Đối với công trình thủy lợi việc tính toán ổn định thấm phải đáp ứng các yêu cầu: - Lưu lượng thấm không quá lớn làm mất nước hồ chứa; - Công trình không bị mất ổn định do áp lực đẩy nổi dưới đáy công trình; - Lưu tốc thấm hay gradien thủy lực không vượt quá cho phép của đất. Các qui định về thiết kế chống thấm có thể xem [5]; [42]. 46
Bảng 2.14 Gradient thủy lực cho phép [Jk]cp ở khối đắp thân đập [5] Cấp công trình Loại đất I II III IV - V Sét 1,00 1,10 1,20 1,30 Á sét 0,70 0,75 0,85 0,90 Cát trung bình 0,50 0,55 0,60 0,65 Á cát 0,40 0,45 0,50 0,55 Cát mịn 0,35 0,40 0,45 0,50 Nếu Jk lớn hơn các trị số trên thì phải thiết kế tầng lọc ngược. Bảng 2.15 Gradient trung bình tới hạn [Jk]th ở các bộ phận chống thấm [5] Gradient thủy lực cho phép trung bình đối với Loại đất Tường nghiêng và Thân và các lăng trụ Sân phủ tường tâm của đập Đất sét, bê tông sét 15 12 từ 8 đến 2 Đất á sét 10 8 từ 4 đến 15 Đất á cát 3 2 từ 2 đến 1 Bảng 2.16 Trị số gradient thấm cho phép của đất nền (TCVN 9902-2013) Cấp công trình đê Loại đất nền Cấp đặc biệt và cấp I Cấp II và cấp III Cấp IV và cấp V 1. Đất sét chặt 0,70 0,90 1,10 2. Cát to, sỏi 0,35 0,45 0,54 3. Á sét 0,32 0,40 0,50 4. Cát hạt trung 0,22 0,28 0,25 5. Cát hạt nhỏ 0,18 0,22 0,26 2.1.8 Áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hiệu quả Khi ứng suất bên ngoài truyền lên khối đất bão hòa, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng tức thời. Điều đó làm cho nước lỗ rỗng có xu thế thoát ra, áp lực nước lỗ rỗng giảm đi, ứng suất tác dụng truyền lên kết cấu hạt đất. Tại một thời điểm sau khi đặt tải, ứng suất tổng tác dụng sẽ cân bằng bởi hai thành phần nội ứng suất. - Áp lực nước lỗ rỗng u là áp lực gây ra trong chất lỏng (nước hoặc hơi nước và nước) chứa đầy lỗ rỗng. Chất lỏng chỉ truyền được ứng suất pháp chứ không truyền được ứng suất tiếp, vì thế không tạo được sức chống cắt. 47
- Ứng suất hiệu quả σ’ là ứng suất truyền qua kết cấu đất tại chỗ tiếp xúc giữa các hạt. Thành phần ứng suất này điều khiển cả biến dạng thể tích và sức chống cắt của đất. Đối với đất bão hòa [43]: 𝜎′ = σ − u (2.15) Trong đó: σ - ứng suất tổng; u – áp lực nước lỗ rỗng. Khi xác định hệ số an toàn tối thiểu, có thể phân tích ứng suất tổng trong điều kiện tức thời (không thoát nước); Khi xác địn hệ số an toàn dài ngày, việc phân tích đòi hỏi dựa trên ứng suất hiệu quả. Thường xem xét ba nhóm điều kiện: Cuối thi công; Thấm ổn định; Hạ thấp nhanh mực nước ngầm. 2.1.8.1 Hệ số áp lực nước lỗ rỗng Hệ số áp lực nước lỗ rỗng B dùng để biểu thị sự tăng áp lực nước lỗ rỗng Δuo theo sự tăng của ứng suất tổng Δσ (Bảng 2.17, Bảng 2.18) [10]. - Trường hợp tăng đẳng hướng về ứng suất: (Δσ1 = Δσ2 = Δσ3) Δuo = B. Δσ3 (2.16) - Trường hợp tăng ứng suất một trục: Độ tăng ứng suất một trục là độ chênh lệch ứng suất (Δσ1 - Δσ3) để tạo ra độ tăng áp lực nước lỗ rỗng Δu1 Δu1 = A.B.(Δσ1 - Δσ3) (2.17) Biểu thức tổng quát áp lực nước lỗ rỗng: Δu = Δuo + Δu1 (2.18) Δu = B. Δσ3 + A.B.(Δσ1 - Δσ3) (2.19) 2.1.8.2 Áp lực nước lỗ rỗng cuối thời kỳ thi công Vì thời gian thi công đập đất và các khối đắp lớn thường kéo dài nên áp lực nước lỗ rỗng dư có thể giảm xuống, cho nên việc phân tích theo ứng suất tổng sẽ xê dịch giá trị 48
hệ số ổn định F về phía giảm đi. Nói cách khác, quá trình đắp đất nhanh sẽ gây bất lợi về ổn định do áp lực nước lỗ rỗng gây ra. Bảng 2.17 Giá trị tính toán của hệ số áp lực nước lỗ rỗng B [10] Đá/đất Cs n B 10-4(m2/kN) (%) Đá thấm 0,06 15 0,468 Đá phấn 0,25 30 0,647 Đất cát chặt 15 40 0,988 Đất sét chặt sít 80 42 0,9976 Đất sét yếu 400 55 0,9994 Bảng 2.18 Giá trị của hệ số áp lực nước lỗ rỗng Af [10] Loại đất Af (A khi đất bị phá hoại) Đất sét nhạy cảm cao 1,2 ÷ 2,5 Đất sét cố kết bình thường 0,7 ÷ 1,3 Đất sét quá cố kết nhẹ 0,3 ÷ 0,7 Đất sét quá cố kết nặng -0,5 ÷ 0 Đất cát mịn rất rời xốp 2,0 ÷ 3,0 Đất cát mịn chặt trung bình 0 ÷ 1,0 Đất cát mịn chặt -0,3 ÷ 0 Áp lực nước lỗ rỗng tại một điểm bất kỹ sẽ là: u = uo + Δu (2.20) = 0 + ̅. ∆𝜎1 (2.21) (∆ + ∆ ) ∆𝜎 Trong đó: ̅ = 0 1 − [1 − (1 − ) (1 − 3)] ∆𝜎1 ∆𝜎1 ∆휎 đặt = là tỷ số áp lực nước lỗ rỗng thì = 0 + ̅ 1 nhưng nói chung 훾.ℎ 훾ℎ 훾ℎ Δσ1=훾ℎ. u0 vì thế: r = + B̅ u γh Dùng một kiểu của thí nghiệm ba trục có thể xác định được ̅, trường hợp gần đúng có thể tham khảo các đại lượng ở Bảng 2.17 và Bảng 2.18 để xác định A, B và ̅. 49
Nếu đất đắp có độ ẩm nhỏ hơn độ ẩm tốt nhất (nhánh khô của đường proctor), giá trị uo hầu như bằng không, trong trường hợp này = ̅. Giá trị ru có thể giảm do tăng tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng bằng các giải pháp (các lớp) thoát nước cố kết trong quá trình đắp. 2.1.9 Các nghiên cứu về lún của đất Quá trình lún của công trình là tổ hợp tác động lún của nền và công trình. Khi đắp đập lên cao dần, tải trọng gây lún tăng dần theo thời gian và theo tốc độ nâng cao đập. Quá trình lún của đất chịu tác động của nhiều yếu tố như các thành phần tổ hợp của đất, tính chất của đất, độ chặt của đất, áp lực nước lỗ rỗng . [43]. 2.1.9.1 Các dạng chuyển vị của đất và nguyên nhân gây lún Quan hệ giữa chuyển vị lún của đất và sự ổn định của các công trình có liên quan là một mối quan hệ phức tạp. Trước hết, đất có thể chuyển vị theo một cơ chế và hơn nữa công trình có nhiều loại, mỗi loại có khả năng khác nhau chống chịu hoặc bị phá hoại do chuyển vị. Trạng thái của đất trước, trong và sau khi xây dựng có khuynh hướng biến đổi, có khi là khá lớn, việc dự đoán các thay đổi là nhiệm vụ khó khăn nhất. Để đánh giá độ lún và tốc độ lún của nền và thân đập theo những cơ chế xác định: a) Nén chặt đất Nén chặt là quá trình các hạt đất bị ép chặt hơn cùng với giảm thể tích, nước và khí thoát ra. Quá trình này thường là sự gia tải do trọng lượng bản thân hoặc tải trọng phụ trên mặt đất. Dễ lún nhất là cát hay cát chứa cuội rời, đất đắp không được đầm chặt. b) Cố kết Quá trình thoát nước lỗ rỗng trong đất dính bão hoà do tải trọng tác dụng tăng lên 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. 50
Hình 2.9 Theo dõi lún một số đập [44], [45], 1- Lún 0,2%/năm; 2- Đập Solt-Sprints; 3- Đập Diks-River; 4- Đập Naitakhara; 5- Đập Sirokovska; 6- Đập Svift. [45] Đất nhạy cảm nhất với cố kết là đất bùn và đất sét cố kết bình thường, một số loại đất đắp được bão hoà. Than bùn và đất than bùn có tính ép co khá cao, kết quả là dưới tải trọng mức độ vừa phải bề dày lớp giảm đi nhiều, có thể giảm tới 20%. c) Biến dạng đàn hồi Khi chịu tải trọng thì tất cả vật liệu rắn đều biến dạng. Đất có bản chất riêng biệt, biến dạng một phần là do nén chặt hay cố kết, phần khác là do biến dạng đàn hồi. Trong tất cả các loại đất, biến dạng đàn hồi xảy ra hầu như ngay sau khi tải trọng tác dụng; độ lún gây bởi quá trình này còn gọi là độ lún tức thời. d) Ảnh hưởng của hạ thấp mực nước ngầm Lún có thể sinh ra do hạ thấp mực nước ngầm trong điều kiện thuỷ tĩnh bởi hai quá trình: - Một số loại đất sét giảm độ ẩm sẽ sinh ra giảm thể tích, đất ở trên mực nước ngầm hạ thấp bị co ngót; - Việc giảm áp lực nước lỗ rỗng thuỷ tĩnh làm tăng áp suất hiệu quả của lớp đất phía trên lên các lớp dưới. 51
Vì vậy, đất (đặc biệt là đất hữu cơ, đất sét yếu) nằm dưới mực nước ngầm hạ thấp có thể cố kết do ứng suất hiệu quả tăng lên. 2.1.9.2 Lún tức thời hay lún không thoát nước Trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất bão hoà không thoát nước chịu tác dụng của tải trọng tương tự trạng thái của vật thể đàn hồi và nó có biến dạng tương đối nhỏ. Một số định nghĩa: 𝜎 ứ푛𝑔 푠 ấ푡 ọ 푡 ụ Mô đun đàn hồi (Mô đun Young): E = = 휀 𝑖ế푛 ạ푛𝑔 ọ 푡 ụ ( à𝑖) 휏 ứ푛𝑔 푠 ấ푡 ắ푡 Mô đun cắt (Mô đun cứng): G = = 휀푠 𝑖ế푛 ạ푛𝑔 ắ푡 푃 đẳ푛𝑔 ứ푛𝑔 푠 ấ푡 Mô đun biến dạng thể tích: K = = 휀푣 𝑖ế푛 ạ푛𝑔 푡ℎể 푡í ℎ 𝑖ế푛 ạ푛𝑔 푛𝑔 푛𝑔 (ℎô푛𝑔) Hệ số Poisson: 푣 = 𝑖ế푛 ạ푛𝑔 ọ 2.1.9.3 Chuyển vị (lún) đất có chiều sâu lớn Tải trọng phân bố đều, chuyển vị thẳng đứng bề mặt S của lớp đất có chiều sâu vô hạn được xác định theo trạng thái ứng suất – biến dạng của khối đất bão hòa không thoát nước tương tự vật thể đàn hồi: 푞. S = (1 − 푣2) (2.22) Trong đó: q- cường độ áp suất tiếp xúc; B- kích thước ngang nhỏ nhất (chiều rộng hoặc đường kính); 푣- hệ số Poisson; E- mô đun đàn hồi; Ip- thừa số ảnh hưởng đối với chuyển vị thẳng đứng. (xem thêm Whitlow, 1996, mục 6.15). Bảng 2.19 Các giá trị điển hình của hệ số Poisson [10], [46] Loại đất Hệ số Poisson (푣) Đất sét bão hòa 0,4-0,5 Sét không bão hòa hoặc pha cát 0,2-0,4 Cát: φ = 40o 0,2 φ = 20o 0,5 Đất mảnh vụn 0,27 Đất cát, á cát 0,3 Đất á sét 0,35 Đất sét 0,42 52
2.1.9.4 Chuyển vị (lún) của lớp đất mỏng Với lớp đất có bề dày giới hạn, phía dưới có lớp đất cứng thì có thể dùng biểu thức (Janbu, 1956) để xác định độ lún trung bình dưới một móng mềm với điều kiện chiều dày lớp nhỏ hơn 2B (B- kích thước ngang nhỏ nhất của móng). 푞. 2 s𝑖 = 휇0휇1(1 − 푣 ) (2.23) Các giá trị µ0 và µ1 phụ thuộc vào bề rộng và độ sâu của móng, bề dày của lớp đất nằm dưới móng (Hình 2.10). Trong trường hợp có lớp mỏng dưới lớp đặt móng có thể tính độ lún tức thời bằng lúc đầu lấy giá trị µ1(B) tương ứng với lớp có bề dày HB, rồi lấy giá trị µ1(T) tương ứng với lớp có bề dày HT (Hình 2.11). Rồi dùng phương trình trên tính độ lún tức thời do lớp mỏng gây ra, trong đó µ1 = µ1(B) - µ1(T). (xem thêm Whitlow, 1996, mục 6.15). [47] Hình 2.10 Các hệ số chuyển vị dưới móng mềm [47] Hình 2.11 Sơ đồ tính lún đất lớp mỏng 53
2.1.9.5 Lún do cố kết Trong quá trình trầm tích tự nhiên các loại đất hạt mịn như đất bụi và đất sét đã diễn ra quá trình cố kết hay là nước ở giữa các hạt đất dần dần thoát ra do trọng lượng của các lớp ở trên. Sau một thời gian (có thể nhiều năm), trạng thái cân bằng đạt được và hiện tượng nén dừng lại. Đất được gọi là hoàn toàn cố kết khi thể tích là hằng số ở trạng thái ứng suất không đổi. Đất cố kết thông thường là đất hiện nay ở trạng thái tương ứng với áp lực cố kết cuối cùng. Đất quá cố kết khi áp lực của các lớp trên nhỏ hơn áp lực cố kết cuối cùng đã có trong quá khứ. Điều này dễ thấy khi xem xét nền của của khu đồi bị đào san đi hoặc khai thác vật liệu. Trong khi xem xét cơ chế nén lún của đất, có thể giả thiết là hạt khoáng và nước lỗ rỗng không bị ép co. Vì thế hiệu quả tức thời (lên khối đất) của việc tăng ứng suất tổng là áp lực nước lỗ rỗng tăng lên. Khi nước lỗ rỗng thoát khỏi đất, áp lực nước lỗ rỗng bị tiêu tan dần một cách chậm chạp. Khi toàn bộ độ tăng áp lực nước lỗ rỗng đã bị tiêu tan, đất sẽ hoàn toàn cố kết. Để biểu thị quá trình này, Terzaghi (1963) [40] đã đưa ra mô hình lò xo (Hình 2.12) để thể hiện khung kết cấu của đất. Giả thiết là piston không có ma sát được chống đỡ bởi lò xo và ống trụ chứa đầy nước. Nếu tải trọng tác dụng lên piston mà van bị đóng thì chiều dài của lò xo không thay đổi vì đã giả thiết là nước không ép co. Nếu tải trọng tạo ra độ tăng của ứng suất tổng là ∆σ, thì toàn bộ giá trị này phải nhận được bằng một lượng tăng tương đương của áp lực nước lỗ rỗng. Khi van mở, áp lực nước lỗ rỗng dư làm cho nước thoát ra, áp lực nước lỗ rỗng giảm và piston lún xuống do lò xo bị nén. Như thế, tải trọng truyền dần dần cho lò xo làm cho nó co ngắn lại cho tới khi chịu toàn bộ tải trọng. Do vậy, ở giai đoạn cuối, độ tăng ứng suất hiệu quả bằng độ tăng ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng dư đã giảm tới 0. Tốc độ ép co phụ thuộc rõ ràng vào độ mở của van - tương tự tính thoát nước của đất. 2.1.9.6 Tính nén lún Khi nghiên cứu cố kết, đất được coi như một kết cấu khung có tính ép co của các hạt khoáng vật (bản thân hạt khoáng vật không bị ép co). Hơn nữa nếu giả thiết là trong suốt quá trình cố kết đất luôn bão hoà thì dẫn đến hệ quả là độ giảm thể tích bằng thể 54