Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT" pps

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
1
ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
STABILITY OF EARTH DAM IN CASE OF EARTHQUAKE

Nguyễn Thế Hùng – Nguyễn Văn Hướng
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Tính toán ổn định đập đất là một trong những phần quan trọng nhất khi thiết kế đập đất.
Đối với những công trình đập quan trọng, khi bị sự cố sẽ gây ra thiệt hại lớn về người và của
cho xã hội, người ta cần phải tính toán đầy đủ các lực tác dụng lên nó. Động đất là một trong
những tác nhân gây nên sự mất ổn định cho đập đất. Bài báo này phân tích, so sánh lựa chọ
n
loại lực động đất tác dụng lên đập đất, để đưa ra kiến nghị về quan điểm tính toán lực động đất;
cho thấy việc lựa chọn loại lực động tác dụng lên đập đất hợp lý hơn là lực tĩnh; vì nó phù hợp
với sự ứng xử của đập đất khi có động đất xảy ra. Áp dụng tính toán ổn định cho một công trình
cụ thể
để minh chứng cho các nhận xét lý thuyết.
ABSTRACT
Stability calculation is the most important factor in the design of an earth dam. In the
construction of any major dam, its failure can cause losses to human life and social property.
Therefore, it is necessary for us to calculate all its body forces. Earthquake is one of the factors
which causes instability to the dam. This article analyses, compares and selects the influences
of earthquake forces acting on such a dam. As a suggestion on the calculation of an earth
dam’s design, we prove that a dynamic force is a more rational than a static one because it is
appropriate for any earth dam’s conditions when earthquake occurs. A case study on a real
earth dam’s stability is an indication of theoretical studies.


1. Đặt vấn đề

Động đất là một trong những thảm họa khốc liệt của tự nhiên. Nhiều thảm họa
do động đất gây ra trên thế giới đã là lời cảnh tỉnh cho chúng ta về sự mỏng manh của
cuộc sống và sự non kém của khoa học – nhất là khoa học xây dựng. Có thể kể ra làm ví
dụ một số thiệt hại do động đất gây ra như: Trận động đất ở Messina ở Italia năm 1909
đã làm chết 160.000 người, trận động đất San Fernando ở California năm 1971 phá hủy
nhiều cầu trên đường cao tốc và phá hỏng đập đất Lower San Fernando, trận động đất ở
Côbê – Nhật Bản 17/01/1995 làm chết 5.502 người, trận động đất ở Ấn Độ 26/01/2001
làm chết 20.023 người, trận động đất ỏ Đông Bắc Iran 26/12/2004 làm chết 31.884
người, trận động đất ở Bắc Sumtra, Inđônêxia, Thái Lan, Sri Lanka, Ấn Độ, Bănglađét
26/12/2004 làm chết 280.000 người, trận động đất ở Pakixtan, Ấn Độ 08/10/2005 làm
chết hơn 54.000 người, trận động đất kinh hoàng ở Tứ Xuyên – Trung Quốc 12/05/2008
làm chết gần 10.000 người, gần đây nhất trận động đất ở Abruzzo Italia ngày 05/4/2009
làm chết hơn 280 người,… Ở Việt Nam động đất chưa gây thiệt hại to lớn. Tuy nhiên,
trong thời gian gần đây thường xuyên xảy ra động đất gây sợ hải cho dân chúng như:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
2
trận động đất xảy ra ở Tuần Giáo – Lai Châu 24/6/1983, trận động đất ngày 5 và
6/8/2005 ngoài khơi biển Vũng Tàu gây ảnh hưởng ở Thành phố Hồ Chí Minh, Nha
Trang, Vũng Tàu, Đồng Nai. Trận động đất ở Vân Nam – Trung Quốc gây ảnh hưởng
đến Lào Cai 16/8/2005 và gần đây nhất là trận động đất tại Lai Châu đầu tháng 3/2008.
Đứng về mặt sự kiện thông thường thì thiệt hại do động đất gây ra ít hơn so với một số
thảm họa khác của thiên nhiên; nhưng đứng về mặt thảm họa lịch sử thì nó được xếp
hàng đầu.
Nói chung, động đất gây ra hậu quả vô cùng to lớn; nhưng nếu động đất gây vỡ
đập của hồ chứa nước thì hậu quả lại càng nghiêm trọng hơn. Để minh chứng điều này
ví dụ như động đất gây vỡ đập Sơn La thì chiếc xe tăng 4 tấn ở Sơn Tây có thể bị thổi
bay như một chiếc lá, và trầm trọng nhất sau 30 phút toàn bộ đồng bằng Bắc Bộ sẽ chìm
sâu dưới 4÷60m, cướp đi sinh mạng 15 triệu người.
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, nên để đảm bảo nguồn nước
phục vụ sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt, phát điện và các ngành kinh tế khác thì nhu

cầu xây dựng hồ chứa nước là rất lớn. Để tạo nên hồ chứa nước phải xây dựng đập giữ
nước như: đập đất, đập đá đổ, đập bê tông trọng lực, đập bê tông cốt thép,…trong đó
đập đất chiếm một tỷ lệ khá lớn.
Ở nước ta, các nghiên cứu kháng chấn rất hiếm hoi, các kết quả nghiên cứu gần
như vẫn nằm trong các báo cáo hoặc sách vở chứ chưa được ứng dụng trong thực tiễn
nên gây rất nhiều khó khăn cho các kỹ sư thiết kế. Đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng
công trình thủy lợi – thủy điện vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến công
trình chưa được quan tâm đúng mức.
2. Ảnh hưởng của động đất đến đập đất
Khi động đất xảy ra sẽ xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm nhất định và lan
truyền nhanh chóng dưới dạng sóng địa chấn. Dưới ảnh hưởng của sóng địa chấn có thể
làm hư hại công trình do hình thành các ứng xử động đất như: lực quán tính, lửa, sự
thay đổi tính chất của khối đất đá, hóa mềm, hóa lỏng, chuyển vị, trượt đất hay các
chuyển vị bề mặt khác, sự hình thành sóng nước…
Đập đất là loại đập được xây dựng bằng các loại đất trên nền đất hay đá. Do đó,
khi xảy ra động đất có thể bị hư hỏng dưới các dạng sau:
+ Nhất thời làm tăng các lực đứng và lực ngang gây sụt lở, trượt mái;
+ Do sự rung lắc gây lún thân và nền đập;
+ Đối với cát bão hòa có thể gây ra hiện tượng hóa dẻo hay hóa lỏng tạm thời, từ
đó làm giảm hay mất khả năng chống cắt của đất, do đó có thể gây trượt mái;
+ Chuyển động cắt gây ra đứt gãy trên mặt đập và ăn sâu vào trong thân đập;
+ Hình thành sóng nước trong hồ, tác động vào mái đập gây mất ổn định.
Như vậy khi có động đất xảy ra, nó sẽ ảnh hưởng xấu đến sự làm việc bình
thường của đập, có thể gây vỡ đập. Tuy nhiên, nếu người khảo sát thiết kế quan tâm
nghiên cứu về vấn đề dự báo và thiết kế kháng chấn phù hợp thì đập đất có thể làm việc
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
3
an toàn khi có động đất xảy ra.
3. Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán đập đất khi chịu ảnh hưởng động đất
3.1. Các phương pháp phân tích động đất

Một trong những nhiệm vụ chủ yếu của kỹ thuật chống động đất là xây dựng các
phương pháp xác định các ứng xử động lực của công trình khi chịu động đất. Để xác
định ứng xử của công trình chịu tác dụng của động đất, người ta sử dụng phương pháp
tính toán tĩnh lực và phương pháp tính toán động lực.
3.1.1. Phương pháp tính toán tĩnh
Theo phương pháp này, toàn bộ hay bộ phận công trình được xem như một vật
tuyệt đối cứng đặt trên nền với gia tốc động đất x”
0
(t), lực động đất tác dụng lên công
trình có trị số:
F =
Q
g
x”
0
(t) = K
s
.Q
Q: trọng lượng toàn bộ hay bộ phận công trình;
K
s
= hệ số động đất; g: gia tốc trọng trường.
Ưu điểm của phương pháp này là tính toán đơn giản, có thể áp dụng cho công
trình có hình dạng bất kỳ. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là không chú ý đến biến dạng
của công trình và đặc biệt là nó không phản ảnh được trạng thái chịu lực thực của công
trình khi động đất xảy ra. Chính vì vậy, vào những năm 40 của thế kỷ XX, phương pháp
tính toán tĩnh đã nhanh chóng nhường chỗ cho phương pháp tính toán động lực.
3.1.2. Phương pháp tính toán động
Nội dung cơ bản của phương pháp động lực trong bài toán kháng chấn là xem
công trình như một hệ cơ học có số bậc tự do hữu hạn hoặc vô hạn, bị di chuyển theo

nền đất x
0
(t), các tính chất cơ lý của công trình được biểu diễn qua độ cứng K và hệ số
cản C của từng bộ phận riêng rẽ. Sau đó mô hình hóa kết cấu công trình chịu tác dụng
động đất bằng hệ phương trình vi phân toán học, và kết quả sẽ tìm được ứng xử của
công trình. Trong phương pháp tính toán động gồm các phương pháp: phương pháp giải
tích, phương pháp phổ ứng xử, phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian, phươ
ng
pháp tải trọng ngang thay thế, phương pháp động lực, phương pháp ngẫu nhiên.
3.2. Phân tích lựa chọn phương pháp tính lực động đất tác dụng lên đập đất
3.2.1. Thực tế phân tích động đất trong thiết kế đập đất ở Việt Nam
Ở nước ta hiện nay, để kể đến động đất trong tính toán thiết kế ta dùng phương
pháp tĩnh lực. Theo phương pháp này chỉ cần dùng đặc trưng động đất là gia tốc giao
động ngang của nền.
Để tính theo phương pháp này, chủ yếu dùng phần mềm SLOPE/W, nó chỉ xét
ảnh hưởng của lực quán tính ngang theo phương pháp cân bằng giới hạn có thể.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
4
3.2.2. Phân tích động đất theo phương pháp động lực
Phương trình cơ bản về ứng xử của động đất, được thiết lập theo phương pháp
phần tử hữu hạn:
[M]{x”} + [D]{x’} + [K]{x} = {F}
[M]: ma trận tổng khối lượng; [D]: ma trận cản do dẻo và nhớt;
[K]: ma trận độ cứng; {F}: vec tơ lực nút;
{x”}, {x’}, {x}:lần lược là vec tơ gia tốc, vec tơ vận tốc và vec tơ chuyển vị nút.
Phương trình cơ bản này được tích phân trực tiếp theo thời gian theo thuật toán
Wilson.
Để tính toán theo phương pháp động lực, trong bài báo nầy dùng phần mềm
QUAKE/W; nó cho phép phân tích động lực chủ yếu cho các công trình đất và môi
trường địa kỹ thuật, với giả thiết là mô hình đàn hồi tuyến tính và tuyến tính tương

đương theo phương pháp phần tử hữu hạn.
Các bước tiến hành tính ổn định đập đất bằng phần mềm QUAKE/W:
Bước 1: Dùng phần mềm QUAKE/W để phân tích động lực;
Bước 2: Ghép đôi phần mềm QUAKE/W với phần mềm SLOPE/W.
3.2.3. Kết quả tính toán ổn định
Đập được chọn để tính toán là đập đất của hồ chứa nước Hoa Sơn tỉnh Khánh
Hòa. Theo bản đồ phân vùng động đất của Viện Vật lý Địa cầu, đập Hoa Sơn được tính
với động đất cấp 7 theo thang 12 cấp động đất.

a) Kết quả theo phương pháp tĩnh
Với động đất cấp 7 tương ứng với hệ số động đất là K=0.025, tiến hành tính toán
ổn định theo phần mềm SLOPE/W kết quả hệ số ổn định mái hạ lưu là k=1.353.
b) Kết quả theo phương pháp động lực
Với động đất cấp 7 tương ứng với gia tốc dao động ngang lớn nhất của nền
a
max
=60cm/s
2
. tiến hành phân tích động đất bằng phần mềm QUAKE/W sau đó ghép đôi
với SLOPE/W để tính ổn định, ta được hệ số ổn định cho mái hạ lưu theo các bước thời
gian t=0.02s trong suốt quá trình động đất như ở bảng sau:


Hình 2. Kết quả theo phương pháp động

Hình 1. Kết quả theo phương pháp tĩnh
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
5
Bước thời
gian thứ

Hệ số
ổn định
Bước thời
gian thứ
Hệ số
ổn định
Bước thời
gian thứ
Hệ số
ổn định
Bước thời
gian thứ
Hệ số
ổn định
10 1.536 140 1.503 260 1.354 390 1.560
20 1.537 150 1.541 270 1.428 400 1.541
30 1.530 160 1.595 280 1.586 410 1.533
50 1.540 170 1.370 290 1.572 420 1.544
60 1.529 180 1.485 300 1.562
430 1.303
70 1.566 190 1.582 310 1.537 440 1.533
80 1.573 200 1.604 320 1.535 450 1.580
90 1.521 210 1.548 340 1.524 460 1.515
100 1.572 220 1.452 350 1.580 470 1.467
110 1.566 230 1.527 360 1.553 480 1.519
120 1.541 240 1.585 370 1.542 490 1.508
130 1.572 250 1.551 380 1.515 500 1.529
3.2.4. Phân tích kết quả
Từ kết quả tính toán theo phương pháp tĩnh lực và phương pháp động lực, ta vẽ
chúng trên cùng một biểu đồ (hình 3), có các nhận xét sau:

 Theo phương pháp tĩnh lực hệ số ổn định k=1.353 không đổi trong suốt quá
trình động đất, bởi vì chỉ xét ứng xử của động đất là lực quán tính theo hệ số
động đất không đổi.
 Theo phương pháp động lực hệ số ổn định thay đổi theo thời gian, đặc biệt hệ số

Hình 3. Biểu đồ thể hiện hệ số ổn định theo phương pháp tĩnh lực và động lực
Kết quả tính
theo phương
pháp động lực
Kết quả tính
theo phương
pháp tĩnh lực
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
6
ổn định nhỏ nhất tìm được là k=1.303 nhỏ hơn hệ số ổn định theo phương pháp
tĩnh. Bởi vì:
o Ứng xử của lực quán tính thay đổi tương ứng với gia tốc dao động của
nền; mà gia tốc này thay đổi trong suốt quá trình động đất;
o Khi có động đất sẽ sinh ra hiện tượng hóa mềm, hóa lỏng do đó bất lợi

cho ổn định.
4. Kết luận
Phân tích động đất theo phương pháp tĩnh lực cho thấy không phù hợp với ứng
xử thực tế của đập đất, đặc biệt nguy hiểm là theo phương pháp này cho kết quả không
an toàn cho ổn định trượt mái đập đất.
Phân tích động đất theo phương pháp động lực đánh giá đầy đủ hơn các thông số
ứng xử động đất. Do đó, phân tích động đất theo phương pháp này phù hợp với thực tế
hơn, đảm bảo công trình làm việc an toàn khi có động đất xảy ra.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Hướng (2006), Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất ở
Việt Nam, Luận văn thạc sỹ, Đại học Đà Nẵng.
[2] Vũ Quốc Khánh (2005), Thảm họa động đất và sóng thần, Nxb Thông tấn, Hà Nội.
[3] Phạm Gia Lộc (1985), Cơ sở của động đất và tính toán công trình chịu tải trọng
động đất, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
[4] Xí Nghiệp Tư vấn Thiết kế Thủy lợi 3 (2005), Hồ sơ thiết kế kỹ thuật Hồ chứa
nước Hoa Sơn tỉnh Khánh Hòa, Nha Trang.
[5] Bathe (1982), Finite Element Procedures in Engineerng Analysis, Prentice-Hall.
[6] Kramer (1996), Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall.