Một số vấn đề về khảo sát địa chất công trình khi xây dựng đập lớn

Một số vấn đề về khảo sát địa chất công trình
khi xây dựng đập lớn

PGS.TS. Phạm Hữu Sy
Đại học Thuỷ lợi

Tóm tắt: Nói chung đập lớn là đập mà khi xảy ra sự cố sẽ gây thiệt hại lớn, vì vậy
việc khảo sát, thiết kế, thi công cần phải hết sức cẩn thận để hạn chế khả năng xảy
ra sự cố. Cho đến nay ở Việt Nam chưa có quy phạm khảo sát địa chất dành riêng
cho đập lớn. Tác giả khuyến cáo, ngoài việc tuân thủ quy phạm hiện hành về khảo
sát địa chất công trình cho xây dựng công trình thuỷ lợi, để tăng mức độ an toàn
cho công trình cần lưu ý đến 7 vấn đề mà trong bài báo đã trình bày tương đối chi
tiết, đó là các vấn đề: áp dụng kết hợp nhiều phương pháp khảo sát; độ sâu khảo
sát nên đạt đến giá trị lượng mất nước đơn vị nhỏ hơn 0,01 l/ph.m khi thí nghiệm
ép nước trong khi khoan; phạm vi đo vẽ địa chất công trình nên mở rộng hơn quy
định; chú ý đến động đất kích thích do xây dựng hồ chứa; ổn định mái hố móng do
giản ứng suất; ổn định thấm do cột nước cao và vấn đề từ biến của đá, đặc biệt là
của vật chất gắn kết trong kẽ nứt của đá.
Abstract: Generally, high dam is that when happen a catastrophe with it will
cause serious damage, so, it must be very carefully while conducting geotechnical
investigation, design and construction in order minimize risk. Up to now in


Vietnam there is not state standard for geotechnical investigation for high dam.
The author of the paper advised that, beside of following present investigation
standard for irrigation construction it must be pay attention on 7 problems. They
are: using many different methods for investigation works; investigation depth
deeper than the depth where discharge of water in water compress test in bore
hole less than 0,01 l/min.m; geotechnical surveying larger then usual; paying
attention on reservoir-induced earthquakes; instability of foundation hole's slope
causing by decreasing of stress; permeability due to high hydraulic head and

deformation of rock, especially cement in fracture due to constant load.

Vấn đề "đập lớn" ở Việt Nam mới chỉ được quan tâm gần đây. Hội đập lớn Việt
Nam mới chỉ được thành lập năm 2004. Cho đến nay, định nghĩa "đập lớn" vẫn
chưa được thống nhất. Theo cách hiểu thông thường, đập lớn phải là đập cấp I, cấp
II, tức là lớn về quy mô (chiều cao đập và thể tích trữ nước) mà khi xảy ra sự cố
gây thiệt hại lớn về kinh tế và con người. Tuy nhiên, cũng có người cho rằng có
những đập không lớn về quy mô nhưng sau đập là các công trình trọng điểm quốc
gia mà khi xảy ra sự cố đập gây thiệt hại lớn cho Nhà nước thì cũng phải được xếp
vào loại đập lớn. Như vậy, các cách hiểu có thể khác nhau về quy mô công trình
nhưng đều đồng nhất với nhau về mức độ thiệt hại do chúng gây ra. Vì vậy, vấn đề
khảo sát địa chất công trình mà bài báo này đặt ra ở đây không chỉ liên quan đến
quy mô công trình mà là các vấn đề chung cần xem xét lưu ý khi tiến hành khảo
sát để bảo đảm tăng độ an toàn cho công trình.
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, công trình lớn được hiểu ngay là nhà cao tầng.
Tuy chưa có một văn bản chính thức nào định nghĩa cao bao nhiêu thì được gọi là
nhà cao tầng nhưng thông thường được hiểu phổ biến là từ 8 tầng trở lên và đã có
một tiêu chuẩn ngành về khảo sát địa chất công trình cho xây dựng nhà cao tầng,
đó là tiêu chuẩn TCXD 194:1997 Nhà cao tầng - Công tác khảo sát địa kỹ thuật.


Trong lĩnh vực thuỷ lợi - thuỷ điện, cho đến nay như đã nói, ngay cả thuật ngữ
cũng chưa thống nhất nên chưa có một tiêu chuẩn quy phạm nào quy định công tác
khảo sát địa chất công trình cho xây dựng đập lớn. Như vậy, rõ ràng, khi lập đề
cương và thực hiện công tác khảo sát địa chất công trình cho xây dựng đập lớn
chúng ta vẫn phải tuân thủ quy phạm hiện hành "Tiêu chuẩn ngành 14 TCN 1152000 - Thành phần, nội dung và khối lượng khảo sát địa chất trong các giai đoạn
lập dự án và thiết kế công trình thuỷ lợi", thu thập đủ số liệu để kỹ sư thiết kế tính
toán lún, ổn định trượt và ổn định thấm, tuy nhiên chúng tôi cho rằng nên lưu ý
thêm một số vấn đề sau đây:
1. Về áp dụng các phương pháp khảo sát

Các phương pháp khảo sát địa chất công trình để thu thập thông tin về các điều
kiện địa chất công trình thông thường bao gồm:
- Đo vẽ địa chất công trình
- Khoan, đào thăm dò
- Thăm dò địa vật lý
- Thí nghiệm hiện trường (CPT, SPT, xuyên động, nén hông lổ khoan, cắt, nén
trong hố đào, đổ nước, hút nước, ép nước trong hố khoan,...)
- Thí nghiệm trong phòng.
Khi khảo sát địa chất cho các công trình thông thường có thể chỉ áp dụng một hoặc
hai phương pháp khảo sát nhưng đối với các đập lớn, nên kết hợp nhiều phương
pháp để có kết quả bổ sung cho nhau, kiểm tra lẫn nhau. Nên tăng cường thí
nghiệm hiện trường và trong phương pháp này nên thực hiện kết hợp nhiều loại thí
nghiệm, ví dụ, nén tĩnh với nén hông lổ khoan; xuyên tĩnh với SPT,.... Khi các kết
quả khảo sát thu được từ các phương pháp khảo sát khác nhau mà vênh nhau


chúng ta nên phân tích kỹ lưỡng để lựa chọn kết quả hợp lý. Ví dụ, khi áp dụng
đồng thời cả khoan, xuyên tĩnh, địa vật lý điện và địa chấn để xác định địa tầng mà
kết quả không thật phù hợp, hãy phân tích lịch sử phát triển địa chất, các quy luật
địa chất để phân lớp. Khi áp dụng đồng thời cả thí nghiệm trong phòng và hiện
trường để xác định các tính chất cơ lý của đất mà không phù hợp nhau, hãy kết
hợp phân tích nguồn gốc hình thành đất để lựa chọn. Chúng tôi có trao đổi với một
số chuyên gia thiết kế, một số người thích các kỹ sư địa chất công trình đánh thấp
các chỉ tiêu xuống để thiết kế cho an toàn. Chúng tôi nói rằng không phải lúc nào
điều đó cũng đúng. ở đây chúng ta không bàn về cơ chế thẩm tra, thẩm định mà
chỉ nói thuần tuý về góc độ chuyên môn. Đối với nhiều trường hợp, sau khi có kết
quả thí nghiệm mẫu, khi cung cấp cho thiết kế thường đánh thấp xuống thì an toàn
hơn nhưng cũng có trường hợp phản tác dụng. Ví dụ, đối với thí nghiệm đất đắp
đập. Khi thiết kế với chỉ tiêu thí nghiệm thực, đất trong thân đập sẽ được đầm đủ
độ chặt tối đa, sẽ hạn chế khả năng trương nở khi hồ tích nước. Ngược lại, khi

người kỹ sư địa chất cung cấp chỉ tiêu k nhỏ hơn chỉ tiêu thí nghiệm thực để thiết
kế, thi công sẽ chóng đạt yêu cầu nhưng thực tế đất trong thân đập chưa đủ độ chặt
tối đa sẽ phát huy trương nở khi tiếp xúc với nước. Đã có công trình nghiên cứu để
chứng minh điều đó. Đối với đất nền cũng vậy, khi đào hố móng là đã bóc đi một
lượng đất nhất định, tức là đã làm giảm tải ở độ sâu đặt móng. Tải trọng công trình
thiết kế có "trách nhiệm" bù lại phần đất đã bóc đi. Nếu lấy nhỏ giá trị tn của đất
nền, trong trường hợp đất nền có tính trương nở có thể dẫn đến thiết kế sai làm nứt
công trình. 18/24 công trình trên cùng một quả đồi đất đỏ basalt ở Hướng Hoá Quảng Trị mà chúng tôi quan sát được đã chứng tỏ điều đó. Nhà càng nhẹ càng bị
nứt nhiều.
2. Độ sâu khảo sát
Theo tiêu chuẩn ngành 14 TCN 115-2000, độ sâu các công trình thăm dò cho công
trình đầu mối ứng với từng giai đoạn khảo sát như sau:


Giai đoạn khảo sát

Độ sâu thăm dò

Tiền khả thi

(2/31)H, nếu gặp đá nguyên khối thì sâu vào 2-5m

Nghiên cứu khả thi

- Tới lớp có khả năng làm nền công trình mà dưới tác dụng của
công trình không làm ảnh hưởng tới sự thay đổi trạng thái của
chính lớp đất đá nền đó.
- Xác định được giới hạn trên của tầng cách nước (k 510 lần
của lớp trên nó).
-(2/31)H, trường hợp đặc biệt có thể sâu hơn.

Thiết kế kỹ thuật

- Đối với đập bê tông: khoan vào đá phong hoá nhẹ và không
quá 1,5 H.
- Đối với đập không phải là đá: sâu vào phong hoá vừa 13m,
các hố tại tim tuyến sâu (2/31)H.

Bản vẽ thi công

Như trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật

Đối với giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi, khi mà chưa biết địa tầng của khu vực
thì xác định độ sâu thăm dò theo kinh nghiệm (2/31)H là hợp lý nhưng đối với
các giai đoạn sau, khi đã biết địa tầng thì nên căn cứ vào địa tầng, lượng mất nước
đơn vị và mức độ phát triển của các kẽ nứt kiến tạo (nếu có). Thông thường khi
khoan ở vị trí dự kiến xây dựng đập bao giờ cũng đồng thời thí nghiệm ép nước


trong hố khoan. Vậy thì đối với các giai đoạn sau, nên khoan đến độ sâu mà lượng
mất nước đợn vị nhỏ hơn 0,01 l/ph.m liên tục trong 3 đoạn ép (mỗi đoạn ép 5m)
thì dừng. Đập lớn trong nhiều trường hợp thường liên quan với cột nước lớn. Nếu
quy định (2/31)H có khi không kinh tế nếu nền là đá macma liền khối ít nứt nẻ
hoặc không an toàn nếu là đá trầm tích xen kẹp lớp yếu trong những vùng chịu vận
động kiến tạo mạnh trong quá khứ. Ngoài ra, khi nền đập có đứt gãy kiến tạo cắt
qua và đã có hố khoan bắt gặp ở độ sâu nào đó thì nhất thiết phải nghiên cứu kỹ
đới phá huỷ hoặc chiều dài gặp bùn đoạn tầng, căn cứ vào chiều dài bắt gặp và góc
nghiêng để quy đổi chiều rộng của đứt gãy. Những thông số này rất quan trọng khi
phân tích dự báo khả năng phát sinh động đất kích thích mà sẽ đề cập thêm dưới
đây.

Ngoài điều quy định độ sâu (2/31)H, các điều quy định khác đều không rõ ràng,
ví dụ, "Tới lớp có khả năng làm nền công trình mà dưới tác dụng của công trình
không làm ảnh hưởng tới sự thay đổi trạng thái của chính lớp đất đá nền đó".
Người kỹ sư địa chất công trình không phải là nhà thiết kế, không thể tính để kiểm
tra khả năng ảnh hưởng của công trình tới sự thay đổi của nền, càng không thể tính
ở hiện trường trong thời gian đang khoan để có thể cho dừng khoan được hay chưa.
Điều đó chỉ có thể nhận định cảm tính khi nền đá đã chuyển sang một loại cứng
hơn hẳn những lớp đã khoan qua. Khi giám sát khoan cho nhà máy xi măng Nghi
Sơn, chúng tôi đã gặp trường hợp hố khoan xâm nhập vào đá liền khối liên tục 5m
không có một kẽ nứt nào nhưng sau đó lại tiếp tục gặp bùn vì đó chỉ là một khối
đá lăn. Nếu quy định khoan vào đá phong hoá vừa 13m trong trường hợp này thật
là nguy hiểm.
3. Phạm vi đo vẽ địa chất công trình
Theo tiêu chuẩn ngành 14 TCN 115-2000, phạm vi đo vẽ địa chất công trình đối
với hồ chứa và đập dâng trong các giai đoạn khảo sát như sau:


Giai đoạn khảo sát

Hồ chứa

Đập

Tiền khả thi

Cao hơn MNDBT 25m

Về phía thượng, hạ lưu 2H kể từ

(hồ chứa vừa)

chân công trình

Cao tới khu vực có ảnh

Về phía vai 1H nhưng không quá

hưởng tới chủ trương

đỉnh đồi

đầu tư của dự án

Nghiên cứu khả thi

như trong giai đoạn tiền

Về phía thượng, hạ lưu 4H kể từ

khả thi

chân công trình
Về phía vai 1H nhưng không quá
đỉnh đồi

Thiết kế kỹ thuật

Chỉ đo vẽ trong trường

Không đo vẽ

hợp đặc biệt

Bản vẽ thi công

Không đo vẽ

Không đo vẽ

Các số liệu 2H, 4H về phía thượng, hạ lưu và 1H về phía 2 vai đập là dựa trên cơ
sở kinh nghiệm tổng kết nhiều năm, từ nhiều công trình. Cho đến nay, cũng chưa
có cơ sở nào để có thể thay đổi các mức định lượng phạm vi đo vẽ nêu trên nhưng
chúng tôi cho rằng, đối với đập lớn, với quan điểm tăng mức độ an toàn để giảm


nguy cơ tai biến nên mở rộng phạm vi đo vẽ vì rằng ngoài mục đích là để phát
hiện sớm các khối trượt, nguy cơ lũ quét nó còn giúp đánh giá khả năng mất nước
qua các lũng sông bên cạnh vì khi cao trình mực nước dâng lên cao tức là rút ngắn
quảng đường thấm sang lũng sông bên cạnh.
4. Vấn đề động đất.
Động đất là một tai biến địa chất mà cho đến nay chưa thể dự báo được một cách
chính xác cả về cường độ, vị trí và thời điểm, vì vậy, rất nguy hiểm đối với xây
dựng công trình nói chung, hồ chứa nói riêng và đặc biệt đối với các đập lớn.
Không những vậy, những năm gần đây người ta phát hiện ra rằng việc xây dựng
hồ chứa có thể gây ra động đất (thường được gọi là động đất kích thích). Khi hồ
chứa Koyna (ấn độ) tích nước, các trận động đất nông cục bộ đã xảy ra thường
xuyên ở vùng mà trước đây hầu như không có chấn động. Sau 5 năm hồ này tích
nước, một trận động đất 6,5 độ đã xảy ra, giết chết 177 người và bị thương hơn
2000 người. Người ta đã quan sát được rằng các cơn địa chấn tăng lên theo mùa
tăng của mực nước hồ. Như vậy, rõ ràng là việc xây dựng hồ chứa có thể gây ra

động đất và động đất có thể tác động trở lại, gây phá huỷ đập và gây nên tai hoạ
lớn. Trong khi đó từ trước đến nay, khi khảo sát địa chất, kỹ sư địa chất chỉ căn cứ
vào bản đồ phân vùng địa chấn để cung cấp cho nhà thiết kế cấp động đất dự báo
của vùng. Người nào cẩn thận hơn, có thể căn cứ thêm vào bản đồ kiến tạo để
phân tích thêm một vài thông tin. Vấn đề động đất kích thích đang còn nhiều tranh
luận vì rằng ứng suất tăng thêm do trọng lượng cột nước gây ra tại độ sâu phát
sinh địa chấn rất không đáng kể nhưng động đất vẫn xảy ra nhưng nói chung khi
xây dựng đập lớn, vấn đề xác định cấp động đất để đưa vào tổ hợp lực khi tính
toán thiết kế không nên đơn thuần chỉ căn cứ vào bản đồ địa chấn như trước đây.
Động đất còn nguy hiểm hơn đối với trường hợp nền đập có cát. Thông thường khi
phải thiết kế đập ở những nơi có lớp bồi tích sông quá dày, người ta chỉ bóc bỏ
một phần, phần còn lại chỉ xử lý chống thấm. Khi xảy ra động đất, dưới tác dụng


của sóng động đất cát sẽ chuyển sạng trạng thái "hoá lỏng", mất khả năng chịu tải
hoàn toàn và đập sẽ bị vỡ.
5. Vấn đề ổn định mái hố móng.
Đập lớn trong nhiều trường hợp là đập cao và đặt trên nền đá. Vì vậy, hố móng
thường phải sâu và thời gian phải thi công các công việc trong hố móng cũng lâu
hơn. Khi ta bóc đi một khối lượng đất lớn tạo nên một hố lớn, sẽ xảy ra tình trạng
giản ứng suất của đất đá ở hai bên bờ. Kỹ sư thiết kế chỉ căn cứ vào các chỉ tiêu cơ
lý của đất đá khi khảo sát tức là ở trạng thái độ chặt tự nhiên để thiết kế mái hố
móng bảo đảm ổn định nhưng thực tế do quá trình giản ứng suất, các chỉ tiêu , ,
C đều giảm và mái hố móng có thể bị trượt. Đối với các hố móng sâu, mái hố
móng càng dễ mất ổn định khi được cấu tạo bởi đá trầm tích có thế nằm bất lợi (đổ
ra ngoài) và có xen kẹp các lớp sét kết mỏng.
6. Vấn đề ổn định thấm.
Đập lớn thường có tuổi thọ thiết lế lâu dài. Với những đập lớn đồng thời có cột
nước lớn cần phải xem xét khả năng phát triển quá trình xói ngầm, ngay cả trong
trường hợp xây dựng trên nền đá. Chúng ta biết rằng xói ngầm là một quá trình

tăng tiến. Dưới tác dụng của cột nước thuỷ lực lớn trong thời gian lâu dài, quá
trình xói ngầm có thể đạt đến mức nguy hiểm, rửa sạch toàn bộ vật chất lấp nhét
trong các kẽ nứt, hậu quả kéo theo là tăng độ lún và làm biến dạng công trình. Vì
vậy, đối với các đập lớn có lẽ nên quyết định xử lý chống thấm cho nền đập ngay
trong trường hợp lượng mất nước đơn vị nhỏ hơn 0,01 l/ph.m chứ không phải chỉ
khi lớn hơn giá trị này.
7. Tính từ biến của đá và sự suy giảm cường độ của đá yếu, vật chất xi măng
trong các kẽ nứt.


Đối với các đập lớn nhưng cột nước nhỏ vấn đề này không đặt ra nhưng với các
đập lớn mà có chiều cao lớn vấn đề này cấn được xét đến. Đối với các đập thấp,
khi tải trọng đập nhỏ hơn nhiều so với sức chịu tải của đất đá nền, việc kiểm tra ổn
định trượt của nền tiến hành bình thường và sẽ không có vấn đề gì. Trong trường
hợp là đập lớn, tải trọng thân đập gần đạt đến tải trọng giới hạn của nền và tác
dụng trong thời gian lâu dài, sẽ phát sinh tính từ biến trong đất đá nền, gây nguy
cơ mất ổn định, trượt mái đập thượng hoặc hạ lưu. Điều đó sẽ càng dễ xảy ra khi
nền là đá trầm tích gắn kết yếu, các loại đá đã bị phong hoá không đều, phong hoá
dạng tuyến, khi nền là đá cứng nhưng có vất chất xi măng gắn kết trong các kẽ nứt
không được tốt. Vì vậy, như đã nói ở mục 1, đối với đập lớn nên tăng cường thí
nghiệm hiện trường. Nên thí nghiệm nén tĩnh ở hố móng công trình, ở các hầm
thăm dò tại độ sâu đáy hố móng. Khi đã mở hố móng, nên lựa chọn vị trí thí
nghiệm sao cho mép bàn nén trùng với mặt kẽ nứt để tạo thế bất lợi nhất./.