Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

TRƢỜNG 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 cơng trình thủy
Mã số: 62 58 40 01

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016


Cơng trình được hồn thành tại Truờng Ðại học Thủy Lợi

Nguời hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Văn Hùng
Nguời hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Lê Kim Truyền

Phản biện 1: PGS.TS Vũ Hữu Hải
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Phƣơng
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Bỉnh Thìn

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại:
ROOM 5 - K.1 - Trường Ðại học Thủy lợi địa chỉ số 175 Tây Sơn - Đống Đa Hà Nội - Việt Nam. Vào hồi 14h ngày 16 tháng 12 năm 2016

Có thể tìm hiểu Luận án tại:

- Thư viện Quốc Gia
- Thư viện Trường Ðại học Thủy lợi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đập đất là cơng trình quan trọng chắn ngang sơng suối để dâng nước tạo thành
hồ chứa. Đập đất vẫn được sử dụng rộng rãi ở nước ta bởi vì đập đất có ưu
điểm là tận dụng được nguồn vật liệu địa phương nên chi phí xây dựng thấp, kỹ
thuật thi cơng đơn giản, cơng tác xử lý nền móng u cầu khơng phức tạp…
Q trình xây dựng đập đất ln chịu tác động của dịng chảy. Sau khi ngăn
sơng chúng ta phải xử lý hàng loạt vấn đề như bơm nước hố móng, xử lý nền…
phải thi cơng đắp đập nhanh để vượt lũ trong điều kiện thời gian thi cơng có
hạn thường là một mùa khô.
Những năm gần đây, khi xây dựng các đập đất thuộc khu vực Bắc miền Trung,
chúng ta gặp phải vấn đề nan giải là đất dính đắp đập trong điều kiện mưa nhiều
kéo dài và khí hậu ẩm ướt. Những cơng trình đầu mối ở các tỉnh miền Trung từ
Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế như: Truồi, Tả Trạch, Ngàn Trươi, Thủy YênThủy Cam, Đá Hàn, Bản Mồng… nằm trong khu vực độ ẩm khơng khí luôn
luôn cao, thời gian mưa kéo dài về mùa mưa. Nhiều tháng độ ẩm khơng khí lớn
hơn 80%. Do đó, việc bảo đảm chất lượng cơng trình theo đồ án thiết kế, như
thi cơng đầm nén đất dính đạt độ chặt K≥0,97 tương ứng độ ẩm của đất
W=Wopt 3% là rất khó khăn. Điều này khiến cho thời gian thi công kéo dài,
không đáp ứng được tiến độ cũng như mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội; làm
cho hiệu quả vốn đầu tư giảm, thời gian thu hồi vốn kéo dài.
Việt Nam đã có nhiều bài học kinh nghiệm và thành tựu về khoa học công nghệ
xây dựng đập đất đá nhưng cũng phải trải qua nhiều bài học đắt giá.
Hiện tại và những năm tới đây, theo qui hoạch và định hướng phát triển kinh tế
đến 2030 và tầm nhìn 2050, khu vực Bắc miền Trung sẽ phải xây dựng nhiều

đập đất đá trong điều kiện độ ẩm cao. Để đáp ứng được mục tiêu hoàn thành
xây dựng cơng trình, đảm bảo chất lượng, thi cơng đúng tiến độ, giá thành hợp
1


lý và giảm thiểu hậu quả, thiệt hại kinh tế và tác động xấu đến an sinh xã hội,
chúng ta cần phải có giải pháp chủ động trong q trình thiết kế, thi công đập
đất bằng phương pháp đầm nén phù hợp trong điều kiện độ ẩm cao. Điều đó
thơi thúc tác giả nghiên cứu đề xuất giải pháp kịp thời nhằm đáp ứng được yêu
cầu của lý luận và thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án nghiên cứu đất và các chỉ tiêu của đất đắp đập khu vực Bắc Trung bộ
và và đề xuất giải pháp về thiết kế, thi công xây dựng đập đất đầm nén hợp lý
và an toàn để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng
của đất nước.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu đất và các chỉ tiêu của đất đắp đập, giải pháp về thiết kế, thi
công xây dựng đập đất đầm nén khu vực Bắc Trung bộ (từ Thanh Hóa đến
Thừa Thiên Huế). Cụ thể luận án tập trung vào nghiên cứu về lý thuyết và thực
nghiệm cho đất đắp đập của Bắc Trung bộ; Sau đó ứng dụng kết quả nghiên
cứu vào lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý để xây dựng đập đất.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên đây, tác giả sẽ tập trung vào nghiên cứu các nội dung
chính như sau:
a) Nghiên cứu về vật liệu đắp đập và điều kiện tự nhiên của khu vực Bắc Trung
bộ (từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế), đánh giá đặc trưng đất xây dựng của
khu vực khi sử dựng đắp đập;
b) Đề xuất giải pháp giảm ẩm thích hợp đối với đất đắp đập của khu vực;
c) Nghiên cứu thực nghiệm để lựa chọn độ chặt hợp lý khi đắp đập trong điều
kiện độ ẩm cao của khu vực;

d) Xây dựng qui trình xác định tốc độ đắp đập phù hợp với độ chặt và độ ẩm
lựa chọn;
2


e) Áp dụng kết quả nghiên cứu mới vào đánh giá an tồn trong thi cơng của
đập Đá Hàn và đập Tả Trạch.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan đến
việc xây dựng đập đất theo phương pháp đầm nén đã được công bố trong và
ngoài nước;
- Phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết có sử dụng một số
phần mềm hỗ trợ;
- Phương pháp quan sát và phân tích tổng kết kinh nghiệm thực tế;
- Phương pháp chuyên gia, hội thảo.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm giàu thêm tư liệu cho nghiên cứu
và thực tiễn xây dựng đập đất đầm nén.
Về lý thuyết: Luận án tổng hợp được những nội dung cơ bản khi đánh giá và
lựa chọn vật liệu cũng như phương án xây dựng đập đất đầm nén, trên cơ sở
tổng hợp, kế thừa và phát triển những nghiên cứu về đập đất khi ứng dụng ở các
vùng miền có điều kiện khác nhau hoặc tương tự. Diễn biến theo các chỉ tiêu cơ
lý gồm độ chặt và độ ẩm của đất đắp đập vùng Bắc Trung bộ.
Về thực tiễn: Luận án xây dựng được dữ liệu cơ bản, các giải pháp cũng như
ứng dụng cụ thể cho cơng trình thực tế trong phạm vi nghiên cứu từ Thanh Hóa
đến Thừa Thiên Huế. Đề xuất quy trình để lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý
đắp đập cho khu vực và giải pháp giảm ẩm hiệu quả.
7. Những đóng góp mới của luận án
(1) Đất đắp đập ở khu vực tồn tại chủ yếu là đất trầm tích và đất tàn tích trên đá

gốc trầm tích. Đã đánh giá một cách khoa học về tính chất cơ lý của đất dính

3


(trầm tích) ở Bắc Trung bộ khơng trương nở hoặc trương nở yếu, không tan rã
hoặc tan rã yếu;
(2) Đã lựa chọn độ chặt đắp đập đối với: Khối chống thấm là đất trầm tích, chọn
K≥0,94 với độ ẩm W=Wopt + (4÷6)%; Khối chịu lực, thường là đất tàn tích và
hỗn hợp đào móng các hạng mục khác, chọn K≥0,97;
(3) Đã đề xuất được giải pháp giảm ẩm khi đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao,
sử dụng đệm cát có chiều dày 50cm cho bãi trữ đất dính phù hợp với thực tiễn
khu vực Bắc Trung bộ, Việt Nam;
(4) Đã xây dựng được qui trình xác định tốc độ đắp đập khi đắp với đất có độ
ẩm cao nhằm đem lại hiệu quả cao, đẩy nhanh tiến độ thi công các đập đất
trong vùng nghiên cứu.
8. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương chính:
Chương 1. Tổng quan về xây dựng đập đất đầm nén
Chương 2. Cơ sở khoa học và thực tiễn xây dựng đập đất đầm nén
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng đập đất đầm nén trong điều kiện
độ ẩm cao
Chương 4. Lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý cho vùng bắc trung bộ trong điều
kiện độ ẩm cao
CHƢƠNG 1
1.1
1.1.1

TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN

Tổng quan về tình hình xây dựng đất đá
Sự phát triển xây dựng đập đất đá trên thế giới

Đập đất có lịch sử phát triển lâu đời ở Ai Cập, Trung Quốc, Ấn Độ và một số
nước khác nhờ các ưu điểm vượt trội như sử dụng vật liệu tại chỗ. Đến nay,
ngày càng được ứng dụng nhiều hơn. Theo thống kê của ICOLD, đập vật liêu
4


địa phương đã tăng từ 75% năm 1977 lên 82,9% năm 1998 trên tổng các loại
đập được xây dựng.
1.1.2

Sự phát triển xây dựng đập đất đá ở Việt Nam

Ở Việt Nam, trước năm 1964 việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, có ít hồ
chứa được xây dựng trong giai đoạn này. Sau năm 1964, đặc biệt từ khi đất
nước thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa phát triển mạnh. Theo thống kê của
TCTL quản lý đến 2015: Số đập cao 30m trở lên là 63 đập; Số đập cao từ 15m
đến dưới 30m là 492 đập; Trong đó có 44 đập đất và 19 đập đất đá hỗn hợp.
1.2

Những nghiên cứu về đập đất ở Việt nam

Sau năm 1975, nhờ nghiên cứu các nhà khoa học đã xử lý thành cơng đất có
tính chất cơ lý đặc biệt. Nên xây dựng một loạt hồ chứa khu vực Nam Trung bộ
và Tây Nguyên. Tuy nhiên, khi triển khai xây dựng đập đất tại khu vực Bắc
Trung bộ như Hồ Tả Trạch, Ngàn Trươi, Truồi… đã gặp vấn đền nan giải độ
ẩm của đất đắp và khơng khí rất cao. Không sử dụng các giải pháp thông
thường để hạ độ ẩm đất đáp ứng yêu cầu đắp đập, dẫn đến chậm tiến độ thi

cơng gây lãng phí rất lớn cho xã hội. Vì vậy, nghiên cứu giải pháp lựa chọn độ
ẩm độ chặt hợp lý cho khu vực này là vấn đề thời sự ơ khu vực này.
1.3

Kết luận chƣơng 1

Thông qua các nghiên cứu tổng quan trên đây, tác giả thấy rằng cần phải nghiên
cứu xây dựng các đập đất đầm nén trong điều kiện độ ẩm cao cho khu vực Bắc
Trung bộ. Việc thi công đập đất trong điều kiện độ ẩm cao sẽ có nhiều thay đổi
về tốc độ đắp đập cũng như các chỉ tiêu cơ lý của đất đăp đập. Để lượng hóa
các thay đổi trên cần được tiến hành nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu về vật liệu đắp đập và điều kiện tự nhiên của khu vực Bắc
Trung bộ, từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế, đánh giá đặc trưng đất xây dựng
của khu vực khi sử dựng đắp đập;
- Đề xuất giải pháp giảm ẩm thích hợp đối với đất đắp đập của khu vực;
- Lựa chọn độ chặt hợp lý khi đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao;
5


- 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.
CHƢƠNG 2
2.1

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÂY DỰNG ĐẬP
ĐẤT ĐẦM NÉN

Đặt vấn đề

Từ kết quả nghiên cứu ở phần tổng quan, luận án thấy rằng cơ sở khoa học và
thực tiễn của khu vực Bắc Trung bộ đang còn tồn tại vấn đề “xây dựng đập
trong điều kiện độ ẩm tự nhiên cao” cần nghiên cứu tiếp. Trong chương này, tác
giả nghiên cứu cơ sở khoa học đất xây dựng đập trong điều kiện độ ẩm tự nhiên
cao và trong mơi trường khơng khí thực tiễn khu vực Bắc Trung bộ.
2.2
2.2.1

Đất xây dựng
Nguồn gốc hình thành

Đất là các lớp vật liệu rời, hình thành do đá phong hóa và phân vụn ra, không
cố kết và phân bố từ mặt đất đến đá cứng.
2.2.2

Cường độ chống cắt của đất - Lý thuyết Mor-Coulomb

Theo, Terzaghi, 1936 [41] cường độ chống cắt của đất bão hòa xác định qua
tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Coulomb và ứng suất hiệu quả như sau:
Phương trình đường bao phá hoại (thường gọi là biểu thức Coulomb):
(2.11)
Trong đó: φ’ – góc ma sát hoặc sức kháng cắt; c’ – lực dính đơn vị.
Từ quan hệ của vịng Mohr và đường bao phá hoại ta có góc của mặt phá hoại:
(

)

6

(2.12)

2.2.3

Tính hút ẩm của đất

Đất có tính hút ẩm và chiều cao hút ẩm (mao dẫn) phụ thuộc vào thành phần
khống và hình dạng lỗ hổng, 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 trịn cạnh. Chiều cao mao dẫn tăng rất nhanh theo mức độ giảm
của đường kính hạt.[39]
Bảng 2.13 Chiều cao hút ẩm (mao dẫn) hc của các loại đất [39]
Loại đất
Sỏi nhỏ
Cát thơ
To
Vừa
Nhỏ
Mịn
Bụi
Cát pha

Kích thước hạt, d (mm)
5÷2
2÷1
1÷0,5
0,5÷0,25
0,25÷0,1
0,1÷0,05
0,05÷0,02

<2m chiếm 3 ÷ 10%
<2m chiếm 10÷ 30%
<2m chiếm > 30%

Sét pha
Sét

hc(cm)
2,5
6,5
13,1
26,4
42,8
105,5
200
100 ÷300
300 ÷400
400 ÷1200

Các giá trị chiều cao mao dẫn hc trong Bảng 2.13 cho thấy, đối với đất thô, đặc
biệt là cát sỏi, hc rất nhỏ và không quá 30cm. Đối với cát nói chung hc<50cm.
[39]
2.2.4

Tính cố kết

Đất tồn tại tự nhiên dưới dạng 3 pha (rắn, lỏng, khí). Do vậy, khi tác dụng tải
trọng lên đất làm khí và nước thoát ra đất chặt lại gọi là quá trình cố kết. Thể
tích giảm dần dần cho tới khi áp lực nước lỗ rỗng ở bên trong đạt cân bằng, việc
giảm tải trọng có thể gây ra trương nở làm cho đất duy trì bão hồ. Để q trình

cố kết được bắt đầu thì phải gia tải và có thể phải mất nhiều năm mới đạt được
độ lún cuối cùng.

7


2.3

Tính đầm chặt và lựa chọn độ ẩm đắp đất dính

2.3.1

Lý thuyết về tính đầm chặt

Như chúng ta đã biết: Vật liệu đất gồm ba thể, đó là thể rắn của hạt đất, thể lỏng
của nước và thể khí của khơng khí. Thơng thường thể rắn và thể nước khơng
thể nén lại được, cho nên thực chất đầm chặt đất làm cho các hạt đất có nước
bao bọc xung quanh ép đầy vào các khe hở của các hạt đất, từ đó đẩy khơng khí
ra khỏi khối đất, làm cho hệ số độ rỗng của đất giảm nhỏ, độ chặt (mật độ) của
đất tăng. Rõ ràng quá trình đầm chặt đất là một quá trình sắp xếp lại ba thể của
đất dưới tác động của ngoại lực. Khi đất được đập chặt các tính chất cơ lý của
nó tốt hơn rất nhiều so với trạng thái rời. Mục đích nghiên cứu với cơng năng
đầm chặt nhỏ nhất có thể thu được hiệu quả đầm chặt lớn nhất đã thúc đẩy sự
phát triển lý luận và kỹ thuật thi công về đầm chặt đất.
2.3.2
•

Lựa chọn độ chặt và độ ẩm đất dính
Hệ số đầm nén yêu cầu nhằm tránh lún sụt khi tích nước:
- Khi đất khơ W≤Wopt :

γk≥0,95γk.max

- Khi đất quá ẩm W>Wopt:

γk≥0,90γk.max

•

Chọn γk theo yêu cầu chống thấm: Khi đất quá ẩm W>Wopt

•

Lựa chọn theo yêu cầu chống các chỉ tiêu cơ lý đặc biệt:
K≥0,95 và W≤Wopt 3%

•

Theo qui chuẩn: Đối với cơng trình cấp II trở lên K≥0,97, cơng trình
cấp III trở xuống chọn K≥0,95, và Wđắp = Wotp  3%

2.4

Kết luận chƣơng

Nội dung chương 2 đã tập trung phân tích bản chất vật lý, thành phần khống
vật, chỉ tiêu cơ lý cơ bản của sét và đất dính. Những nghiên cứu về cơ sở khoa
học và bản chất vật lý, hóa học liên quan mật thiết đến ứng dụng của đất dính
trong xây dựng cơng trình đất. Những nghiên cứu có tính chất kinh điển của các
nhà khoa học đi trước trên thế giới và Việt Nam cho thấy rõ yếu tố tự nhiên, địa

8


lý, khí hậu và lịch sử hình thành của đất phải nghiên cứu cụ thể do tính đặc thù
của chúng.
Hệ thống tiêu chuẩn giữa Nga, Việt Nam và các nước phương tây tuy có đơi
chỗ khác nhau về phân loại đất nhưng về bản chất là thống nhất. Trong luận án
tác giả không muốn thay đổi mà để nguyên bản có chú thích. Vấn đề này dần
dần sẽ được khắc phục trong hệ thống TCVN.
Điểm rõ ràng nhất chỉ ra khi nghiên cứu ứng dụng là sự phụ thuộc của sức
kháng cắt vào độ chặt của đất và loại đất. Khi thiết kế và thi công cũng như ứng
dụng công nghệ cần xem xét vận dụng vào điều kiện cụ thể khu vực và điều
kiện tự nhiên, vật liệu.
Nội dung chương 2 cũng đã cập nhật đầy đủ thành tựu nghiên cứu cho đất Nam
Trung bộ, Tây Nguyên và Đông Nam bộ của các nhà khoa học Việt Nam để
vận dụng kế thừa trong nghiên cứu ứng dụng.
Các nghiên cứu từ trước đến nay cho thấy, đất có tính đầm chặt, chỉ tiêu cơ lý
phục vụ xây dựng tốt lên theo độ chặt; đất dính có tính hút ẩm và mao dẫn cao;
tính thốt nước và cố kết theo thời gian khi gia tải.
Khi lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đất đắp đập: Đối với đất có các chỉ
tiêu cơ lý đặc biệt (trương nở, co ngót, tan rã lún ướt mạnh) cần tuân thủ qui
định hiện hành; Đối với đất không phải đặc biệt, nên lựa chọn tối ưu hóa các
chỉ tiêu nội tại của loại đất sử dụng và có tính khả thi.
Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam hiện nay đang tiếp cận theo hướng sử dụng
độ chặt đầm nén trong thiết kế và thi công, nên đã phù hợp trong ứng xử với vật
liệu đất đắp đập. Tuy nhiên, khi đồng nhất một độ chặt như nhau cho mọi loại
đất khi đắp, sẽ dẫn đến lãng phí lớn và khó khăn trong q trình thi cơng.
Đối với đất khu vực nghiên cứu khơng phải đất có tính chất cơ lý đặc biệt, nên
cần phải tiếp cận lựa chọn tối ưu hóa các chỉ tiêu nội tại của loại đất sử dụng và
có tính khả thi.

9


CHƢƠNG 3
3.1

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT
ĐẦM NÉN TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO

Đặt vấn đề

Trong chương này, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục đích
xác định các tương quan giữa độ ẩm (W) với hệ số đầm chặt (K): W ~ K và
tương quan giữa các chỉ tiêu cơ lý: góc ma sát (φ), lực dính (c ) và hệ số thấm k
với hệ số đầm chặt: (φ, c, k) ~ K. Từ đó, tìm ra giá trị độ chặt khả thi mà các chỉ
tiêu của đất đắp ứng với độ ẩm tự nhiên thỏa mãn yêu cầu thiết kế. Đồng thời,
tác giả cũng nghiên cứu các giải pháp giảm ẩm cho đất để đắp đập.
3.2

Nội dung thí nghiệm

Tác giả tập trung phân tích thực nghiệm trong phịng và hiện trường cho hai
loại đất đại diện cho khu vực: trầm tích Aluvi thềm sơng, cát kết và tàn tích trên
đá trầm tích sét kết. Thí nghiệm trong phịng để xác định đổ ẩm của đất tại bãi
vật liệu ở các thời điểm đặc trưng trong năm, 17 chỉ tiêu cơ lý, các chỉ tiêu về
trương nở, tan rã và lún ướt. Thí nghiệm hiện trường để xác định thành phần
hạt, hệ số thấm, lực dính c và góc ma sát φ sau khi khối đất đã được đắp vào
đập đạt các yêu cầu của thiết kế. Kết quả thí nghiệm hiện trường sẽ được so
sánh và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm trong phịng.

STT
1
2
3

Bảng 3.3 Bảng thống kê khối lượng thí nghiệm trong phịng
C. trình
Cơng tác
Đơn vị
Khối lượng
Tả Trạch
TN 17 chỉ tiêu
Tổ mẫu
427
TN tương quan K, k, φ, c, W
Tổ mẫu
68
Ngàn Trươi
TN 17 chỉ tiêu
Tổ mẫu
4
TN tương quan K, k, φ, c, W
Tổ mẫu
11
Thủy Yên
TN 17 chỉ tiêu
Tổ mẫu
11
TN tương quan K, k, φ, c, W
Tổ mẫu

110

Các thí nghiệm được thực hiện từ 8/2010 đến 02/2016 cho loại đất trầm tích và
tàn tích ở các cơng trình Tả Trạch, Thủy n và Ngàn Trươi. Khối lượng thí
nghiệm được tổng hợp ở Bảng 3.3.

10


3.3
3.3.1

Kết quả thí nghiệm trong phịng
Đất trầm tích

Kết quả thí nghiệm ở Bảng 3.4 cho thấy đất trầm tích khu vực nghiên cứu là đất
có chỉ tiêu trương nở yếu hoặc không trương nở và tan rã yếu hoặc không tan
rã.
Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý về trương nở và tan rã của đất trầm tích
TT

Chỉ tiêu

1
2
3
4

Trữ lượng khai thác (m3)
Độ trương nở tương đối N (%)

Áp lực trương nở P (kG/cm2)
Tính tan rã

Mỏ đất ở cơng trình Tả Trạch
VĐ1
VĐ2
1 583 016
3 552 660
1,8
7,6
0,08
0,15
yếu-Không tan rã yếu-Không tan rã

Thông qua nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, tác giả xây dựng được tương
quan giữa [độ chặt đầm nén (K) và độ ẩm tương ứng (W)] với [các chỉ tiêu góc
ma sát (φ), lực dính (c), hệ số thấm (k) và dung trọng khơ] như Hình 3.9, Hình
3.10, Hình 3.11.

Hình 3.9 Tương quan hệ số thấm với độ chặt đầm nén (k~K) của đất trầm tích
11


Hình 3.10 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất trầm tích

Hình 3.11 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất trầm tích
Biểu đồ Hình 3.9 cho thấy, khi độ chặt tăng thì hệ số thấm giảm. Nhưng khi
K≥0,94 thì hệ số thấm k 3.10-5(cm/s) và hầu như không giảm tiếp khi tăng độ
chặt K.
12

Biểu đồ Hình 3.10 cho thấy φ đồng biến với K và khi K≥0,93 thì φ tăng nhẹ và
tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất, phù hợp qui luật chung. Nếu tăng độ chặt K,
hiệu quả tăng của φ khơng nhiều.
Biểu đồ Hình 3.11 cho thấy c đồng biến với độ chặt K và khi K≥0,98 thì giá trị
c tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất, phù hợp qui luật chung. Khi độ chặt K=1 thì
c tăng thêm 3,4% so với giá trị của c ứng với K=0,98, tăng khơng đáng kể.
3.3.2

Đất tàn tích

Thơng qua nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, tác giả cũng xây dựng được
tương quan giữa [độ chặt đầm nén (K) và độ ẩm tương ứng (W)] với [các chỉ
tiêu góc ma sát (φ), lực dính (c), hệ số thấm (k) và dung trọng khơ] như Hình
3.12, Hình 3.13, Hình 3.14.
Trên Hình 3.12, khi độ chặt K tăng từ 0,90 đến 0,96 thì hệ số thấm k giảm
mạnh từ 10-4 (cm/s) đến 5.10-5 (cm/s). Sau đó, khi K tăng thì k hầu như khơng
giảm nữa.

Hình 3.12 Tương quan hệ số thấm với độ chặt đầm nén (k~K) của đất tàn tích

13


Biểu đồ Hình 3.13 cho thấy φ đồng biến với K và khi K≥0,96 thì φ tăng nhẹ và
tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất.
Biểu đồ Hình 3.14 cho thấy c đồng biến với độ chặt K và khi K≥0,98 thì giá trị
c tiệm cận dần đến giá trị lớn nhất.

Hình 3.13 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất tàn tích

Hình 3.14 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất tàn tích
14


3.4

Kết quả thí nghiệm hiện trƣờng

Kết quả đã thí nghiệm hiện trường được thể hiện ở Bảng 3.13.
Bảng 3.13 Tả Trạch-Bảng giá trị trung bình các chỉ tiêu thí nghiệm đất trầm
tích
TT

Năm

W (%)

γw (T/m3)

γk (T/m3)

k (cm/s)

φ (o)

c (kG/cm2)

K

1

2010

17,42

2,02

1,72

6,91E-06

21,12

0,22

≥0,97

2

2011

20,00

2,02

1,68

4,89E-06

22,73

0,24

≥0,95

3

2012

16,98

1,99

1,70

2,87E-06

21,51

0,22

≥0,95

4

2013

19,53

1,98

1,66

4,50E-06

19,22

0,22

≥0,95

So sánh với kết quả thí nghiệm trong phịng, tác giả thấy rằng:
Đối với hệ số thấm k thu được từ thí nghiệm hiện trường khi đắp với độ chặt
K=0,97 và K=0,95, không có sự khác biệt ở khối đắp chống thấm bằng đất trầm
tích. Kết quả này phù hợp với phân tích kết quả thí nghiệm trong phịng;
Đối với góc ma sát φ, lực dính c của các mẫu lấy từ hố khoan thân đập lớn hơn
của các mẫu lấy từ mỏ, nhưng sự khác biệt này không nhiều.
3.5

Giải pháp giảm ẩm cho đất trầm tích đắp khối chống thấm

Hình 3.21 Cấu tạo hệ thống thoát nước và cắt nước mao dẫn
Đệm cát dày 50cm; 2. Cuội sỏi tăng khả năng thoát nước; 3. Đất trữ để đắp
Thông qua nghiên cứu các giải pháp giảm ẩm truyền thống và nghiên cứu thực
tiễn công trường, tác giả đề xuất giải pháp giảm ẩm bằng bãi trữ có đệm cát dày
50cm (phương án 2) như Hình 3.21 và độ ẩm đất khi đắp đập W=Wopt+ (4÷6)%
cho đất trầm tích dùng đắp khối chống thấm. Giải pháp này giúp giảm được độ
15

ẩm của đất trầm tích đến Wopt+(4÷6)% và giảm chi phí giảm ẩm đến gàn 50%
so với phương án truyền thống (phương án 1).
3.6

Kết luận chƣơng 3

Hệ số thấm k giảm khi độ chặt K tăng. Khi độ chặt K = (0,93÷0,94) tương ứng
với độ ẩm W =Wopt + 5,6%, thì k = 2.10-5 (cm/s), tiệm cận với giá trị nhỏ nhất.
Khi áp dụng độ chặt K=0,95, thì hệ số thấm hiện trường tương ứng là
k=3,63.10-6 (cm/s);
Góc ma sát φ và lực dính c đồng biến với độ chặt K và các giá trị này tiến đến
gần giá trị lớn nhất khi K=0,93 (đối vơi φ), K=0,98 (đối với c). Kết quả thu
được các giá trị của góc ma sát φ, lực dính c của các mẫu lấy từ hố khoan thân
đập lớn hơn của các mẫu lấy từ mỏ, nhưng sự khác biệt này không nhiều.
Đối với khối chống thấm bằng đất trầm tích thì chọn độ chặt K≥0,94 tương ứng
với độ ẩm W =Wopt + 5,6% là tối ưu về mặt chống thấm.
Đối với đất tàn tích đắp khối chịu lực, chọn hệ số đầm nén cho loại đất này
K=0,97, sẽ đáp ứng tốt nhất cho ổn định đập.
Giải pháp giảm ẩm bằng bãi trữ có đệm cát dày 50cm và độ ẩm đất khi đắp đập
W=Wopt + (4÷6)% tương ứng với độ chặt K=0,95.
CHƢƠNG 4 LỰA CHỌN ĐỘ CHẶT ĐẮP ĐẬP HỢP LÝ CHO VÙNG
BẮC TRUNG BỘ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO
Kết quả nghiên cứu ở chương 3 cho thấy rằng có thể đắp đập với độ chặt
K≥0,95 thì có thể đảm bảo tiêu chí chống thấm của đập và các chỉ tiêu cơ lý φ,
c. Khi đó, đất đắp đập sẽ có độ ẩm cao gần với độ ẩm tự nhiên hơn nhưng dễ
sinh ra hiện tượng áp lực nước lỗ rỗng và thoát nước cố kết của đất dính, giảm
khả năng ổn định khi thi cơng của khối đắp. Vì vậy, cần phải xem xét tốc độ
đắp sao cho phù hợp, không gây mất ổn định.

Trong chương này, tác giả sẽ nghiên cứu xác định tốc độ đắp đập ứng với các
độ chặt khác nhau cho 2 loại đập điển hình: đập đất đồng chất và đập đất nhiều
16


khối. Đồng thời, sử dụng kết quả để kiểm chứng cho đập Đá Hàn và đập Tả
Trạch có mặt cắt điển hình như Hình 4.12 và Hình 4.17. Phương pháp phân tích
ổn định khối đắp phù hợp là phương pháp tăng giảm chỉ số lực dính c và góc
ma sát trong φ dựa trên phần mềm thương mại Plaxis V8.5.
4.1 Nghiên cứu tốc độ thi công đập đất đầm nén
Sử dụng kết quả chỉ tiêu cơ lý của đất đã được thí nghiệm ở Chương 3. Tác giả
xác định tốc độ đắp đập ứng với hệ số đầm chặt K=0,90; 0,95, 0,97 và 0,98.
Tốc độ đắp đập được tính tốn theo các kịch bản ở Bảng 4.3 và Bảng 4.9.
4.1.1

Đập đất đồng chất

Bảng 4.3 Đập đồng chất - Các phương án nghiên cứu về tốc độ đắp đập

Phương án
1
2
3

Tốc độ nâng đập
Thời gian
Thời gian
Chiều cao
đắp (ngày
giãn cách

nâng đập (m)
đêm)
(ngày đêm)
1,5
10
5
3,0
10
5
4,5
10
5

Tốc độ
trung bình
m/tháng
3,0
6,0
9,0

Hình 4.12 Mặt cắt ngang đập đồng chất Đá Hàn
1. Khối đá phản áp (đê quai thượng lưu); 2. Khối đất đắp đập; 3. Lớp đất nền
4a; 4. Lớp đất nền 4b; 5. Lớp đất nền 1c
Kết quả tính toán cho đập đồng chất thấy rằng:
Đập đồng chất, nếu chọn tốc độ 3m/tháng (tương ứng 3 ngày mới được 1 lớp
đầm) thì thỏa mãn mọi điều kiện K≥0,90 nhưng tốc độ này quá chậm;
17


Đập đồng chất, nếu chọn tốc độ 6m/tháng (tương ứng 1,5 ngày đắp được 1 lớp),

tốc độ này phù hợp với hầu hết các công trường hiện nay và phải chọn K≥0,95.
4.1.2

Đập đất nhiều khối

Bảng 4.9 Đập nhiều khối - Các phương án nghiên cứu về tốc độ đắp đập

Phương án
1
2
3

Tốc độ nâng đập
Thời gian
Thời gian
Chiều cao
đắp (ngày
giãn cách
nâng đập (m)
đêm)
(ngày đêm)
3,0
10
5
4,5
10
5
6,0
10
5

Tốc độ
trung bình
m/tháng
6,0
9,0
12,0

Kết quả tính tốn cho đập nhiều khối cũng thấy rằng:
Sử dụng đập nhiều khối tăng nhanh được tốc độ đắp đập, so với đập đồng chất
thi tốc độ nâng đập tăng 2 lần;
Với K=0,95, tốc độ nâng đập 9m/tháng thích hợp nhất trong tổ chức thi công
(mỗi ngày đắp 1 lớp), cũng như đắp đập vượt lũ. Khơng nên chọn tốc độ nâng
đập nhanh hơn;
Trong tính toán đã chọn đồng nhất hệ số đầm chặt cho các khối. Nhưng nếu
chọn độ chặt K≥0,97 cho các khối thượng và hạ lưu, thì kết quả sẽ an tồn hơn
cho đập trong suốt q trình thi cơng.

Hình 4.17 Mặt cắt ngang đập nhiều khối Tả Trạch
1. Khối đá phản áp; 2. Khối đất đắp đập PH 5&6; 3. Khối đất đắp đập 3b&5;
4. Khối đất đắp đập 2b; 5. Khối đất đắp đập 3b; 6. Khối cát thô; 7. Lớp đất nền
1A; 8. Lớp đất nền 6; 9. Lớp đất nền 5C; 10. Lớp đất nền 5B; 11. Lớp đất nền
7; 12. Lớp đất nền 8
18


4.1.3

Các bước tính tốn giải bài tốn xác định tốc độ đắp đập

Thông qua nghiên cứu tốc độ thi công đập đất đầm nén, tác giả đề xuất các
bước tính toán giải bài toán xác định tốc độ đắp đập như sau:
Bước 1: Khởi động Plaxis version 8.5;
Bước 2: Mô hình hóa các chỉ tiêu cơ lý của từng khối đất đắp đập và nền;
Bước 3: Chia lưới các phần tử của đất đắp và nền;
Bước 4: Mô tả mực nước ngầm;
Bước 5: Mô tả các điều kiện biên ban đầu;
Bước 6: Mô tả thời gian đắp các khối đất, thời gian giãn cách giữa các lần đắp;
Bước 7: Tính toán hệ số ổn định mái dốc của mái đập, lún và ứng suất cố kết
theo thời gian;
Bước 8: Xem kết quả.
Chú ý: Nếu mái dốc đắp đập không ổn định thì quay lại bước 6 để điều chỉnh
chiều cao các khối đắp hoặc điều chỉnh thời gian đắp từng khối hoặc thời gian
giãn cách giữa các khối đắp.
4.1.4

Các bước tính tốn giải bài tốn xác định tốc độ đắp đập

Thông qua nghiên cứu tốc độ thi công đập đất đầm nén, tác giả cũng đề xuất
các qui trình xác định tốc độ đắp đập thông qua 4 bước như sau:
Bước 1: Dự định tốc độ đắp đập;
Bước 2: Tính toán kiểm tra ổn định cố kết của nền;
Bước 3: Tính tốn kiểm tra ổn định mái của khối đất đắp đập dự kiến;
Bước 4: So sánh với điều kiện thực tế thi công để quyết định tốc độ đắp đập.
Chú ý: Khi thực hiện các bước trên, ứng với các độ chặt K khác nhau thì c, φ và
k thay đổi theo. Việc tính tốn ổn định nền và mái dốc của đập trong q trình
thi cơng nên sử dụng phần mềm Plaxis V8.5 hoặc các phương pháp khác tương
19

đương với mục tiêu xác định được ổn định lún cố kết của nền và ổn định của
mái dốc theo thời gian.
4.2 Kiểm chứng cho đập đồng chất Đá Hàn và cho đập nhiều khối Tả
Trạch
4.2.1

Đập Đá Hàn

Theo tiến độ thực tế của phương án thi cơng được duyệt thì mặt cắt lịng sơng
chính của đập Đá Hàn được thi cơng như sau:
- Đợt 1: Đắp đập chính từ cao trình 12,28m (vị trí thấp nhất) đến cao trình
30,00m từ ngày 10/4/2012 đến ngày 10/5/2012 (30 ngày);
- Đợt 2: Đắp tiếp đập chính từ cao trình 30,00m đến cao trình thiết kế
44,20m từ ngày 01/6/2012 đến ngày 15/8/2012 (75 ngày).
Như vậy, trong q trình đắp đã có thời gian giãn cách (nghỉ đắp) từ ngày
11/5/2012 đến ngày 30/5/2012, tổng cộng là 20 ngày.
Bảng 4.15 Đập đồng chất - Tốc độ lên đập Đá Hàn ứng với độ đầm chặt K
TT

Khối
đắp

Thời

Thời gian

gian đắp

giãn cách

(ngày)

(ngày)

K=0,97

K=0,95

K=0,90

Hệ số ổn định mái

Chiều cao
đắp (m)

1

Khối 1

30

20

1,413

1,415

1,434

18

2

Khối 2

75

0

1,122

1,121

1,087

14

Kết quả tính tốn như Bảng 4.15 cho thấy: Thực tế thi công đắp đập đất Đá Hàn
với K=0,97 là rất an toàn, nhưng để đáp ứng K=0,97, đã chậm tiến độ 1 năm do
phải chờ đất khô hơn cùng với các giải pháp tốn kém khác về thời gian và tiền
của. Giá như chúng ta xem xét K=0,95, thi cơng với đất ẩm hơn u cầu ban
đầu 2-3% thì có thể kịp tiến độ và giảm chi phí.
4.2.2

Đập Tả Trạch

Theo tiến độ thi công thực tế của đập Tả Trạch đã được duyệt thì mặt cắt lịng
sơng chính (vị trí đập có chiều cao lớn nhất) được thi cơng như sau:
20

- Đợt 1: Đắp đập chính từ cao trình -5,00m (vị trí thấp nhất) đến cao trình
26,90m từ ngày 15/01/2011 đến ngày 30/4/2011 (105 ngày);
- Đợt 2: Đắp tiếp đập chính từ cao trình 26,90m đến cao trình thiết kế 36,10m
từ ngày 01/5/2011 đến ngày 31/8/2011 (120 ngày);
- Đợt 3: Đắp tiếp đập chính từ cao trình 36,10m đến cao trình thiết kế 55,00m
từ ngày 01/01/2012 đến ngày 31/8/2012 (240 ngày).
Như vậy, trong q trình đắp đã có thời gian giãn cách (nghỉ đắp) từ ngày
01/9/2011 đến ngày 30/12/2012, tổng cộng là 120 ngày.
Bảng 4.19 Đập nhiều khối - Tốc độ lên đập thực tế của Tả Trạch
TT Khối đắp

T.gian

T.gian

đắp

g. cách

(ngày)

(ngày)

Hệ số ổn định mái

C. cao

K=0,98 K=0,97 K=0,95 K=0,90

1

Khối 1

105

0

1,884

1,872

1,790

1,864

2

Khối 2

120

120

1,682

1,675

1,619

1,641

3

Khối 3

240

0

1,551

1,542

1,536

1,469

đã đắp
(m)

Kết quả tính tốn như Bảng 4.19 cho thấy: Thực tế thi công đắp đập Tả Trạch
với K=0,97 rất an tồn, nhưng để đáp ứng K=0,97 thì khơng khả thi, do không
giảm được ẩm của đất đắp khối chống thấm. Vì thế, tiến độ chậm 2 năm, do tìm
kiếm các giải pháp giảm ẩm. Cuối cùng đã phải điều chỉnh độ chặt khối chống
thấm về K=0,95. Sau khi điều chỉnh, thì đã thi cơng hồn thành cơng trình an
toàn và đưa vào vận hành được 3 năm. Giá như chúng ta xem xét K=0,95, đắp
đất có độ ẩm W= Wopt + (4÷6)%, thì có thể kịp tiến độ và giảm chi phí.
4.3

Kết luận chƣơng 4

Việc tính tốn ổn định nền và mái dốc của đập trong quá trình thi công nên sử
dụng phần mềm Plaxis V8.5 hoặc các phương pháp khác tương đương với mục
tiêu xác định được ổn định lún cố kết của nền và ổn định của mái dốc theo thời
gian.

21


- Đối với đập đồng chất có chiều cao (15÷30)m thì chọn độ chặt K≥0,95 là
phù hợp cho thi cơng ở khu vực này;
- Đối với đập nhiều khối với các khối 2 bên lõi là đất có tính thấm lớn, nếu
K=0,90 thì tốc độ đắp tương đương như đập đồng chất đắp với K=0,95. Ở khu
vực này, đập nhiều khối thi công thuận lợi hơn nhiều so với đập đồng chất về
mặt đáp ứng yêu cầu tiến độ khẩn trương;
- Nên áp dụng độ chặt đầm nén khác nhau cho các khối đắp trên cùng mặt cắt.
Đối với các khối chịu lực, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị φ, c lớn nhất,
khi đó K≥0,97; Đối với khối chống thấm, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị
hệ số thấm nhỏ nhất, khi đó K≥0,94.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt đƣợc của luận án
1) Trong phần nghiên cứu tổng quan: Luận án đã nghiên cứu các nội dung đặt
ra cho vùng Bắc Trung bộ, từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế về lựa chọn độ
chặt và độ ẩm hợp lý khi xây dựng đập đất và các giải pháp thích hợp.
2) Kết quả nghiên cứu lý thuyết:
+ Khí hậu Bắc Trung bộ nóng ẩm, độ ẩm tương đối của khơng khí cao, độ ẩm
gần bão hòa thường kéo dài nhiều tháng trong năm. Việc giảm ẩm để thi cơng
đập là rất khó khăn;
+ Đất dính ở khu vực này khơng có các tính chất đặc biệt (trương nở, tan rã,

lún ướt) như đất ở Nam Trung bộ, Đông Nam bộ và Tây Nguyên.
3) Kết quả nghiên cứu thực nghiệm:
+ Thơng qua thí nghiệm trong phịng và hiện trường tại các cơng trình thuộc
Bắc Trung bộ, tác giả đã xây dựng được tương quan (K, W, γ) ~ (c, φ, k). Từ
đó, phân tích và tìm ra được các chỉ số tốt nhất của c, φ, k theo (K, W, γ), làm
cơ sở cho việc lựa chọn độ chặt K cùng với độ ẩm W hợp lý để đắp đập.
22


+ Đề xuất được giải pháp làm giảm độ ẩm cho đất trầm tích hiệu quả và khả
thi.
4) Kết quả nghiên cứu thực tiễn, ứng dụng:
+ Đối với đập đồng chất có chiều cao (15÷30)m thì chọn độ chặt đắp đập
K≥0,95 là phù hợp cho thi công ở khu vực này;
+ Đối với đập nhiều khối với các khối 2 bên lõi là đất có tính thấm lớn, nếu
K=0,90 thì tốc độ đắp tương đương như đập đồng chất đắp với K=0,95; Ở khu
vực này, đập nhiều khối thi công thuận lợi hơn nhiều so với đập đồng chất;
+ Đối với đập nhiều khối nếu chọn độ chặt đắp các khối khác nhau thì nên
chọn như sau: Đối với các khối chịu lực, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị
φ, c lớn nhất, khi đó K≥0,97; Đối với khối chống thấm, thì chọn độ chặt tương
ứng với giá trị hệ số thấm nhỏ nhất, khi đó K≥0,94.
2. Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu tiếp
1) Về phân tích thành phần khống vật của đất tại khu vực, tác giả phân tích kế
thừa nhưng chưa làm thí nghiệm để khẳng định thêm;
2) Về thiết kế thủy công và thiết kế thi cơng sẽ ứng dụng kết quả đóng góp của
luận án để giải quyết bài tốn tối ưu trong thiết kế mặt cắt đập.
3. Kiến nghị
1) Ưu tiên sử dụng đập nhiều khối khi xây dựng đập đất trong khu vực.
2) Lựa chọn độ chặt đắp đập đối với: Khối chống thấm là đất trầm tích, chọn
K≥0,94 với độ ẩm W=Wopt + (4÷6)%; Khối chịu lực, thường là đất tàn tích và

hỗn hợp đào móng các hạng mục khác, chọn K≥0,97.
3) Giải pháp giảm ẩm, sử dụng đệm cát có chiều dày 50cm cho bãi trữ đất
dính.

23