Thứ sáu, 30/06/2017 16:40 GMT+7

Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đê đập bằng vật liệu địa phương chịu tải trọng động đất và giải pháp ổn định công trình

Tổng chiều dài đê của nước ta là hơn 13.200 km đê, trong đó có 10.600 km đê sông, 2.600 km đê biển và 2.500 km đê đặc biệt. Để đáp ứng việc phòng chống lũ bão, các tuyến đê này đều cần phải tu bổ, nâng cấp thường xuyên, đặc biệt trước tình hình biến đổi khí hậu, nước biển dâng trong tương lai gần.

Hiện nay, hệ thống đê điều của nước ta chỉ chống chịu được bão cấp 9, với tần suất mức thủy triều tối đa là 5%. Nhiều tuyến đê được xây dựng trên nên cát dày rất dễ hóa lỏng khi chịu động đất mạnh. Ngoài ra còn tồn tại nhiều đọn đê xung yếu được đắp trên nền đất yếu rất dễ mất ổn định, chất lượng đất đắp còn thấp do chủ yếu được đắp bằng phương pháp thủ công. Công tác nghiên cứu hóa lỏng trong nước còn rất nhiều hạn chế. Nguyên nhân có thể do chưa có nhiều trận động đất mạnh gây thiệt hại lớn trên lãnh thổ Việt Nam. Mặt khác có thể thấy rõ khó khăn chủ yếu khi thực hiện các nghiên cứu về động học của đất nói chung và hóa lỏng nói riêng là do sự hạn chế về mạng lưới quan trắc động đất, thiết bị thí nghiệm để xác định các đặc tính động của đất nền. Do đó, nhằm đánh giá được khả năng hóa lỏng một số loại đất nền đê, đập và vật liệu đắp đập chứa hàm lượng hạt thô khi chịu động đất mạnh; Xây dựng quy trình phân tích, phát hiện và đánh giá khả năng hóa lỏng của một số vật liệu địa phương làm nguyên liệu đắp đập và đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê sông và đập vật liệu địa phương khi chịu động đất mạnh, nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Nguyễn Hồng Nam, Trường Đại học Thủy lợi đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đê đập bằng vật liệu địa phương chịu tải trọng động đất và giải pháp ổn định công trình” để có thể tạo ra một số chuyển biến đáng kể về nhận thức và công nghệ trong các lĩnh vực thiết kế kháng chấn với các quy trình đánh giá hóa lỏng, giải pháp thiết kế chống hóa lỏng cho các công trình quan trọng, trong khu vực chịu ảnh hưởng của động đất mạnh. Xây dựng các chính sách đối phó với những kịch bản xấu do hóa lỏng do động đất mạnh gây ra.

Sau hơn 2 năm thực hiện (4/2013 - 12/2015), nhóm nghiên cứu đã thu được các kết quả như sau:

- Thu thập, tổng hợp được ngân hàng dữ liệu khá phong phú về đê đập vật liệu địa phương, địa chấn, động đất, sạt trượt đê đập, khí tượng - thủy văn, vật liệu xây dựng, quy hoạch phát triển kinh tế xã hội và các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm trong lĩnh vực thủy lợi, xây dựng, địa chấn

- Cơ sở dữ liệu địa chấn phục vụ cho nghiên cứu hóa lỏng tại đê Sông Hồng (Hà Nội) và các đập tại Điện Biên được xây dựng dựa trên tập hợp số liệu kiến tạo, động đất tại miền Bắc Việt Nam và lân cận. Từ các số liệu này, nhóm nghiên cứu nhận thấy:

+ Gia tốc nền cực đại PGA chu kỳ động đất T=2475 năm tại đê Sông Hồng nằm trong khoảng 0.18-0.26g. Giá trị PGA từ 0.18-0.26g thấy ở đoạn đê thuộc nội thành. Giá trì PGA từ 0.24-0.26g xuất hiện tại khu vực Thường Tín. Các khu vực còn lại tính từ cầu Trung Hà về Thanh Trì có giá trị PGA = 0.2g-0.24g

+ Tác động của động đất đến khả năng hóa lỏng đê cần chú ý đến các đoạn đê từ Km59 đến Km117 đê Hữu Hồng, nơi nền đê đặt trên lớp hạt bụ dày > 5m, và Km91 - K117 khu vực đê Thường Tín, nơi nền đê đặt trên lớp bùn dày 10-20m. Khu vực này PGA cũng đạt giá trị cao từ 0.24-0.26g

+ Gia tốc nền cực đại PGA chu kỳ động đất T=2475 năm cho đập tại Điện Biên nằm trong khoảng 0.200-0.396g. Giá trị PGA lớn nhất ở đập Hồng Khếnh, đạt tới 0.396g, do đập này nằm tại sườn phía tây, trong đới ảnh hưởng của đứt gãy Lai Châu - Điện Biên và gấn chấn tâm của động đất Điện Biên M5.3 năm 2011. Tác động của động đất đến khả năng hóa lỏng của đập tại khu vực Điện Biên là rất ít do phát triển trên địa hình bào mòn.

- Nhóm nghiên cứu tiến hành phân loại đất đắp và đất nên đê đập dựa trên cấu trúc địa chất công trình, địa chấn và địa chất thủy văn. Phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng được thực hiện theo quy trình đơn giản sử dụng các số liệu xuyên tiêu chuẩn SPT và phân tích phần tử hữu hạn. Kết quả cho thấy, khả năng hóa lỏng là có thể xảy ra đối với đê Hữu Hồng và một số đập khu vực Tây Bắc khi chịu động đất mạnh.

- Căn cứ vào các kết quả của hơn 40 mẫu thí nghiệm, nhóm nghiên cứu xác định được mô đun Young và hệ số giảm chấn của đất cát sông Hồng, đất nền, đất đắp đê tại K73+500 - K74+100 tại các mức biến dạng dọc trục khác nhau với biên độ thay đổi từ 10-4 trở lên. Đối với các mẫu đất rời và mẫu đất dính trạng thái dẻo cứng thì mô đun Young và hệ số giảm chấn của đất ở mức biến dạng nhỏ cỡ 10-5. Đối với các mẫu đất dính ở trạng thái dẻo chảy, dẻo mềm, có thể xác định được mô đun Young và hệ số giảm chất của đất ở mức biến dạng nhỏ khoảng 10-4 có giá trị không đổi. Tại mức biến dạng lớn hơn, các giá trị mô đun đàn hồi giảm dần trong khi hệ số giảm chấn tăng dần khi biến dạng dọc trục tăng. Hệ số giảm chấn của đất thay đổi theo các mức biến dạng, phổ biến ở giá trị 5%, Kết quả thí nghiệm cho thấy mô đun đàn hồi và hệ số giảm chấn của đất phụ thuộc rất nhiều vào loại đất, áp suất cố kết và độ chặt của đất. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi Young tại giai đoạn cố kết đẳng hướng cho thấy mô đun đàn hồi Young tỷ lệ với ứng suất thẳng đứng theo quy luậy hàm mũ. Các kết quả nghiên cứu tương tự cũng nhận được đối với cát chân núi Pú Đồn, Mường Phăng, Điện Biên và cát nền đập Loọng Luông, Mường Phăng, Điện Biên.

- Đường cong hóa lỏng của đất nền đê đập: nghiên cứu thí nghiệm được thực hiện trên máy 3 trục động, sử dụng đất cát tải cạng Hà Nội và đất nên và đất đắp đê Hữu Hồng (đoạn K73+500 -  K74+100). Tại khu vực này, đất nền gồm các loại đất cát 3a ở các độ sâu khác nhau, đất cát 3b, 4c, 4d, 4e. Các mẫu đất rời được chế bị với cùng độ chặt tương đối ở hai trạng thái xốp và chặt vừa. Đất dính gồm lớp đất nền 2a, đất đắp 1d, thí nghiệm trên mẫu nguyên dạng. Thực hiện một loại thí nghiệm trên một số lượng mẫu cùng độ chặt tương đối yêu cầu trong khi thay đổi biển độ lực dọc trục trong điều kiện ứng suất khống chế hiệu quả không đổi.

- Kết quả thí nghiệm 3 trục động xác định được đường cong hóa lỏng của đất nền đê. Các lớp đất cát hạt nhỏ trong nền đê rất dễ xảy ra hóa lỏng khi chịu tải trọng chu kỳ trong điều kiện không thoát nước. Với điều kiện cùng độ chặt tương đối, cùng chịu ứng suất khống chế hiệu quả như nhau, hàm lượng hạt bụi trong cát nhỏ thì khả năng xảy ra hóa lỏng càng cao. Độ chặt tương đối của đất tăng thì số vòng lặp gây hóa lỏng tăng hay đất khó hóa lỏng hơn. Hàm lượng hạt mịn <7% có ảnh hưởng đến đường cong hóa lỏng của đất cát, tùy mức độ ảnh hưởng chưa lớn. Ở các mẫu đất rời khi áp lực lỗ rỗng dư tăng cao, trong mẫu xuất hiện biến dạng lớn, mẫu bị phá hoại ngay sau một vài chu kỳ tải trọng. Các mẫy đất dính khi chịu tác dụng tải trọng chu kỳ thì thường xuất hiện biến dạng lớn sau một số chu kỳ tải trọng trong khi áp lực nước lỗ rỗng dư tăng từ từ, sau đó biến dạng tăng chậm khi số chu kỳ tiếp tục tải trọng tăng lên.

- Kết quả nghiên cứu hiện tại của một loạt các thí nghiệm 3 trục động trong điều kiện không thoát nước trên các mẫu đất cát sông Hồng tại khu vực cảng Hà Nội và đoạn đê K73+500 -  K74+100 cho thấy có thể xác định chính xác các đặc tính hóa lỏng của cát sông Hồng như sự biến thiên áp lực nước lỗ rỗng, biến dạng, điều kiện hóa lỏng theo các chu kỳ, độ lớn tải trọng khác nhau. Từ đó, có thể xây dựng được đường cong hóa lỏng của cát sông Hồng. Nghiên cứu thực nghiệm cung cấp số liệu đầu vào để tính toán dự báo khả năng hóa lỏng nền đê sông Hồng chịu tải trọng động đất mạnh. Các kết quả nghiên cứu tương tự cũng nhận được đối với các mẫu đất cát tại chân núi Pú Đồn, Mường Phăng, Điện Biên và đất nền đập Loọng Luông, Điện Biên. Phân tích mặt cắt của đập Loọng Luông, sử dụng phần mềm QUAKE/W version 7 và 2012 của hãng Geoslope, Canada. Kết quả phân tích cho thấy, với lớp cát của phía thượng lưu đập và dưới đống đá thoát nước, đập Loọng Luông có khả năng hóa lỏng dưới nền với chu kỳ lặp lại động đất 475 năm và 2475 năm, gây nghiên cứu đến đập.

- Từ các kết quả nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đề xuất quy trình phân tích phát hiện và dự đoán hóa lỏng đê đập vật liệu địa phương khi chịu động đất mạnh. Các giải pháp thiết kế phòng chống hóa lỏng là giải pháp đồng bộ, kết hợp sự nghiên cứu dịch chuyển địa chấn của nền đê đập, phương pháp khảo sát thích hợp, các phương pháp phân tích kháng chấn thích hợp cho đê đập, nghiên cứu vật liệu kháng hóa lỏng.

Nhóm nghiên cứu cũng kiến nghị cần xây dựng hệ thống bản đồ hệ số an toàn hóa lỏng cho đê sông và đập vật liệu địa phương để chủ động ứng phó với thảm họa động đất mạnh. Xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, phòng chống hóa lỏng cho đê đập vật liệu địa phương. Cần có các biện pháp phòng tránh mất ổn định đập trong trường hợp có động đất xảy ra như lắp hệ thống quan trắc cảnh báo khả năng động đất để có thể di chuyển người ra khỏi nơi nguy hiểm.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 12592-2016) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Nguồn: Cục Thông tin KH&CN quốc gia

Lượt xem: 3857

Tìm theo ngày :

Đánh giá

(Di chuột vào ngôi sao để chọn điểm)