Nghiên cứu nguyên nhân gây lún và chênh lệch lún đập tràn Dương Thiện - Quy Nhơn và đề xuất giải pháp xử lý

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 65 NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN GÂY LÚN VÀ CHÊNH LỆCH LÚN ĐẬP TRÀN DƯƠNG THIỆN - QUY NHƠN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ HOÀNG VIỆT HÙNG* Settlement and diferent settlement of Duong Thien-Quy Nhon spillway and treatment solution. Abstract: Duong Thien-Quy Nhon structure is a local spillway belonging to Dong dike in Binh Dinh province. Duong Thien spillway was built in 1978. In 2009, the settlement of this structure is about 83 cm at northern and 28 cm at southern. In order to find the settlement cause and propose suitable treatment methods, this paper shows the content of research including investigation of geology engineering, modeling of the structure to find the settlement values with many loading levels so that these settlement values coincide monitoring values at the field. Based on modeling analyses, the treatment of structure foundation will be proposed. Keywords: Duong Thien-Quy Nhon, spillway, settlement, treatment, modeling. I. MỞ ĐẦU * Đập tràn Dƣơng Thiện-Quy Nhơn là đập tràn lớn với chiều dài 326 m, cao trình đỉnh tràn + 0,5m, chiều dài ngƣỡng tràn là 6.0 m, kết hợp làm đƣờng giao thông thuộc tuyến đê Đông của tỉnh Bình Định, đƣợc xây dựng năm 1978. Sau 22 năm xây dựng, vào năm 2000, đầu phía Bắc của tràn bị lún 43 cm, đầu phía Nam lún 15cm, phải tiến hành đổ bù đến cao trình thiết kế. Sau 9 năm xử lý đổ bù lún, quan trắc lại, cho thấy, đầu Bắc tiếp tục lún 40cm và đầu Nam lún 13cm. Tổng cộng hai lần quan trắc độ lún của tràn Dƣơng Thiện là 83 cm ở đầu Bắc và 28 cm ở đầu Nam. Nếu không đánh giá đƣợc nguyên nhân gây lún của tràn và có giải pháp xử lý chống lún hiệu quả, công trình sẽ có nguy cơ càng ngày càng chìm sâu xuống nền. Tràn hoạt động không hiệu * Trường Đại học Thủy lợi DĐ: 0912723376 Email:hoangviethung@tlu.edu.vn quả trong việc ngăn mặn giữ ngọt, gây nguy hại cho 3000 ha đất canh tác phía trong đê, đồng thời cắt đứt tuyến giao thông chiến lƣợc ven biển. Để có phƣơng án thiết kế sửa chữa thỏa đáng, đảm bảo ổn định lâu dài của công trình, việc đánh giá đúng nguyên nhân gây lún và dự báo đƣợc độ lún của công trình để có giải pháp xử lý phòng lún lâu dài cho đập tràn Dƣơng Thiện là cấp thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiến. Công tác nghiên cứu xác định nguyên nhân lún và lún không đều của đập tràn bao gồm Khảo sát thực nghiệm hiện trƣờng đánh giá lại điều kiện địa chất công trình, đặc biệt các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và mô phỏng bằng mô hình số theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Trên cơ sở số liệu đã khảo sát bổ xung, phân tích đánh giá sơ bộ nguyên nhân gây lún. Mô phỏng bài toán tính lún đập tràn Dƣơng Thiện bằng phần mềm PLAXIS và đối chiếu so sánh kết quả tính toán, dự báo thời gian lún còn lại và đề xuất biện pháp xử lý. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 66 II. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ LẠI CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA ĐẤT NỀN Theo các kết quả khảo sát bổ sung, đất nền gồm 4 lớp: trên cùng là lớp đất đắp, bên dƣới là các lớp đất bùn sét ở trạng thái dẻo chảy và phân bố không đều ở hai đầu đập. Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền đƣợc trình bày ở bảng 1 Ở đầu Bắc, đất nền có 2 lớp (lớp 2 và lớp 3), đầu Nam tràn có 3 lớp (lớp 1, lớp 2 và lớp 3). Sự phân bố địa tầng không đều ở hai đầu đập tràn là một trong các nguyên nhân gây ra lún lệch của công trình. Theo phân tích sơ bộ, lún đập tràn Dƣơng Thiện có thể do các nguyên nhân: (1) Đất bị ép trồi đất hai bên tràn, hoặc (2) có sự dịch chuyển ngang của tràn từ thƣợng lƣu về hạ lƣu hoặc (3) do đất nền có độ rỗng lớn cộng với tải trọng gia tăng do bù lún và tải trọng giao thông. Các kết quả quan trắc hiện trƣờng và quan sát phía sân bể tiêu năng không thấy có hiện tƣợng ép trồi vì thế cho phép loại bỏ nguyên nhân (1) và (2) chỉ còn nguyên nhân thứ (3). Để khẳng định đƣợc nguyên nhân lún do đất nền và gia tăng tải trọng giao thông thì việc thiết lập các thời đoạn mô phỏng bài toán tính lún và dò tìm tải trọng gây lún để độ lún tính đƣợc bằng độ lún quan trắc ở các thời điểm thực tế là nhiệm vụ trọng tâm của nghiên cứu này. III. MÔ PHỎNG BÀI TOÁN TÍNH LÚN ĐẬP TRÀN DƢƠNG THIỆN 3.1. Tính toán kiểm tra mặt cắt tràn đầu Bắc a) Sơ đồ tính toán Sơ đồ hình học mặt cắt tràn đầu Bắc đƣợc mô phỏng trong tính toán theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis nhƣ hình 1, sơ đồ lƣới phần tử ở hình 2. Hình 1 Mô phỏng mặt cắt tràn đầu Bắc Hình 2: Lưới PTHH mặt cắt tràn đầu Bắc Hình 1 mô phỏng mặt cắt tràn Dƣơng Thiện- đầu Bắc công trình, chiều cao tổng cộng của công trình là 2,7 m, nhƣng quá trình lún của tràn sau hai lần quan trắc là 83 cm. Tức là quá trình lún xảy ra tới 30% chiều cao công trình, nếu không xử lý kịp thời sẽ có khả năng dẫn đến công trình chìm hẳn xuống nền. Sơ đồ lƣới phần tử ở hình 2 với điểm quan trắc lún là điểm giữa đỉnh tràn. Quá trình tính đƣợc tách làm 7 thời đoạn, trong đó có thời đoạn 4 và thời đoạn 7 tƣơng ứng với hai thời điểm quan trắc năm 2000 và năm 2009. Quá trình gia tải đƣợc thay đổi ở thời đoạn 6. b) Các thông số vật liệu sử dụng trong mô hình tính toán: Các lớp đất đƣợc mô phỏng bằng mô hình Mohr-Coulomb và sử dụng kiểu phân tích không thoát nƣớc. Các đặc trƣng tính toán của bê tông đƣợc lấy theo TCVN. Điểm quan trắc lún ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 67 Bảng 1: Các thông số của vật liệu sử dụng trong mô hình tính toán Thông số Đơn vị Lớp D Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Bê tông Đá xây Chiều dày m 0.6 0 3.5 8.0 - - T.lƣợng riêng kN/m3 15.6 17.5 16.6 17.0 25.0 24.0 Mô đun biến dạng kN/m2 1600 780 1650 1580 2e6 2e5 Hệ số nở hông - 0.25 0.25 0.25 0.15 0.15 Lực dính kN/m2 13.7 3.9 2.0 7.5 - - Góc ma sát trong Độ 10.5 7.5 12.4 5.6 - - Kiểu p tích - Undrained Und Und Und Non-Pr Non-Pr Mô hình PT - M-C M-C M-C M-C LE LE Hệ số thấm m/s 3.5e-6 2.4e-7 8.6e-7 6.5e-8 - - c) Kết quả tính toán và phân tích Kết quả tính toán đƣợc trình bày trong các hình 3, 4, 5 và 6 Hình 3: Chuyển vị đứng (lún) của tràn Hình 4: Lưới biến dạng của nền Hình 3 thể hiện chuyển vị đứng của tràn tại thời điểm năm 2000 (tƣơng ứng với giai đoạn 4 của quá trình thiết lập mô phỏng bài toán). Chuyển vị đứng lớn nhất tại điểm quan trắc lún (điểm A) là 0.443 m. Kết quả này rất sát với kết quả quan trắc tại hiện trƣờng là 0.43 m. Hình 4 thể hiện lƣới biến dạng của nền sau giai đoạn 7, tức là giai đoạn phân tích cố kết đất nền cho tới năm 2009. Nhƣ vậy sau khi bù lún cho công trình vào năm 2000 thì công trình vẫn tiếp tục lún cho đến năm 2009 thì lún thêm 40 cm nữa. Thực tế tiếp tục bù lún bằng bê tông cho đến cao trình thiết kế thì có thể coi là gia tải thêm và công trình còn thƣờng xuyên có tải trọng giao thông trên mặt tràn. Dẫn đến tràn lại tiếp tục lún, và nguy cơ chìm hẳn trong nền vì đập tràn này cao chỉ có 2,7 m. Hình 5 thể hiện chuyển vị đứng (lún) của tràn sau giai đoạn 7, tức là thời điểm năm 2009, sau 9 năm bù lún. Trị số chuyển vị lớn nhất tại điểm quan trắc là 0.4 m, kết quả này phù hợp với kết quả quan trắc ngoài thực tế. Tràn còn tiếp tục lún sau bao lâu nữa và trị số lún lớn nhất có thể là bao nhiêu. Tuy nhiên do cao độ ngƣỡng tràn không đạt thiết kế nên lại phải đỏ bù, đổ bù thì lại tiếp tục lún. Quá trình này đƣợc mô phỏng thêm quá trình 8 và quá trình 9. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 68 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 Time (year) D is p la c e m e n t (c m ) Hình 5: Chuyển vị đứng (lún) của tràn Hình 6: Lún theo thời gian của điểm A Hình 6 biểu diễn quá trình lún theo thời gian của điểm quan trắc A trên mặt tràn. Kết quả tính toán cho thấy diễn tiến lún của nền tràn chƣa dừng lại, nhƣ vậy cần thiết phải có xử lý nền sau khi đắp bù cao độ ngƣỡng tràn 3.2. Tính toán kiểm tra mặt cắt tràn đầu Nam a) Sơ đồ tính toán Tƣơng tự nhƣ trên, sơ đồ hình học của mặt cắt tràn đầu Nam đƣợc mô phỏng trong tính toán theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis nhƣ hình 7, sơ đồ lƣới phần tử đƣợc thể hiện ở hình 8. Hình 7 mô phỏng mặt cắt tràn Dƣơng Thiện- đầu Nam công trình, chiều cao tổng cộng của công trình là 2,7 m, nhƣng quá trình lún của tràn sau hai lần quan trắc là 28 cm. So với độ lún ở đầu Bắc thì mức độ chênh lệch lún ở hai đầu tràn là 55 cm. b) Kết quả tính toán Kết quả tính toán đƣợc trình bày trong các hình 9, 10, 11 và 12. Hình 7: Mô phỏng MC tràn đầu Nam Hình 8: Lưới PTHH mặt cắt tràn đầu Nam Hình 9 thể hiện chuyển vị đứng của tràn tại thời điểm năm 2000 (tƣơng ứng với giai đoạn 4 của quá trình thiết lập mô phỏng bài toán). Chuyển vị đứng lớn nhất tại điểm quan trắc lún (điểm A) là 0.153 m. Kết quả này rất sát với kết quả quan trắc tại hiện trƣờng là 0.15 m. Hình 10 thể hiện lƣới biến dạng của nền sau giai đoạn 7, tức là giai đoạn phân tích cố kết đất nền cho tới năm 2009. Nhƣ vậy sau khi bù lún cho công trình vào năm 2000 thì công trình vẫn tiếp tục lún cho đến năm 2009 thì lún thêm 13 cm nữa. Nếu tiếp tục bù lún bằng bê tông cho đến cao trình thiết kế thì có thể coi là gia tải thêm và còn thƣờng xuyên có tải trọng giao thông trên mặt tràn. Điểm quan trắc lún ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 69 Hình 9: Chuyển vị đứng (lún) của tràn Hình 10: Lưới biến dạng của nền Hình 12 biểu diễn quá trình lún theo thời gian của điểm quan trắc A trên mặt tràn. Kết quả tính toán cho thấy diễn tiến lún của nền tràn chƣa dừng lại, nhƣ vậy cần thiết phải có xử lý nền để phòng lún sau khi đắp bù cao độ ngƣỡng tràn. Hình 11 thể hiện chuyển vị đứng (lún) của tràn sau giai đoạn 7, tức là thời điểm năm 2009, sau 9 năm bù lún. Trị số chuyển vị lớn nhất tại điểm quan trắc là 0.13 m, kết quả này phù hợp với kết quả quan trắc ngoài thực tế. -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 Time (year) D is p la c e m e n t (c m ) Hình 11: Chuyển vị đứng (lún) của nền Hình 12: Lún theo thời gian của điểm A IV. GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN CHỐNG LÚN Giải pháp khoan phụt vữa xi măng bằng áp lực cao đƣợc đề xuất. Sau khi áp dụng giải pháp khoan phụt vữa xi măng áp lực cao, các thông số đất nền biến đổi và các chỉ tiêu của nền tƣơng đƣơng dùng trong tính toán đƣợc trình bày ở bảng 2. Bảng 2: Các thông số của vật liệu sử dụng tính nền xử lý cọc xi măng đất Thông số Đơn vị Lớp D Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Bê tông Đá xây Chiều dày m 0.6 0 3.5 8.0 - - Trọng lƣợng riêng kN/m3 15.6 17.5 16.6 17.0 25.0 24.0 Mô đun biến dạng kN/m2 1600 780 1650 1580 2e6 2e5 Hệ số nở hông - 0.25 0.25 0.25 0.15 0.15 Lực dính kN/m2 13.7 3.9 2.0 7.5 - - ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 70 Thông số Đơn vị Lớp D Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Bê tông Đá xây Góc ma sát trong Độ 10.5 7.5 12.4 5.6 - - Kiểu phân tích - Undrained Und Und Und Non-Pr Non-Pr Mô hình Ph tích - M-C M-C M-C M-C LE LE Hệ số thấm m/s 3.5e-6 2.4e-7 8.6e-7 6.5e-8 - - Mô đun Etd kN/m 2 2628 2698 2704 2599 - - Lực dính Ctd kN/m 2 29.62 4.76 2.48 9.14 - - 4.1. Tính toán kiểm tra mặt cắt tràn đầu Bắc sau xử lý Sơ đồ hình học của mặt cắt tràn đầu Bắc đƣợc mô phỏng trong tính toán theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis, sơ đồ lƣới phần tử đƣợc minh hoạ ở hình 13. Hình 13: Mô phỏng nền tràn đầu Bắc Hình 14: Lưới phần tử hữu hạn Hình 13 mô phỏng mặt cắt tràn Dƣơng Thiện-đầu Bắc sau khi xử lý nền, vùng vật liệu màu nâu là vùng xử lý cọc vữa xi măng áp lực cao đƣợc tính với cƣờng độ tƣơng đƣơng. Hình 14 là sơ đồ lƣới phần tử hữu hạn mặt cắt tràn đầu phia Bắc với điểm quan trắc trên đỉnh tràn. Điểm này cũng là điểm biểu diễn kết quả tính trong bài toán mô phỏng. Hình 15 là kết quả tính lún của nền tràn đầu Bắc sau xử lý. Nhƣ vậy với nền đƣợc xử lý sau khoan phụt thì độ lún của nền tràn giảm nhiều, độ lún tổng cộng là 3,2 cm. Hình 15: Kết quả tính lún của nền tràn đầu Bắc sau xử lý Hình 16: Chuyển vị tổng tại mặt cắt tràn đầu Nam, độ lún tổng cộng của nền tràn là 2.7 cm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 71 4.2. Tính toán kiểm tra mặt cắt tràn đầu Nam Hình 16 thể hiện chuyển vị tổng tại mặt cắt tràn đầu Nam sau khi xử lý nền bằng khoan phụt tren diện tích thiết kế, độ lún tổng cộng của nền tràn là 2.7 cm. Nhƣ vậy sau khi xử lý thì nền tràn Dƣơng Thiện đã đạt đƣợc mức độ đồng nhất giữa hai đầu tràn phía Bắc và phía Nam. Chênh lệch lún của đầu tràn Bắc –Nam là 5 mm. V. KẾT LUẬN -Lún và lún không đều giữa hai đầu của đập tràn Dƣơng Thiện là do sự bất đồng nhất về địa tầng của chúng. -Mô phỏng bài toán dự báo lún trên cơ sở tách giai đoạn và dò tìm tải trọng của các giai đoạn, kết quả tính toán cho thấy mức độ lún ở các giai đoạn khá sát với thực tế quan trắcvà tràn Dƣơng Thiện vẫn tiếp tục lún. - Giải pháp khoan phụt vữa áp lực cao để xử lý nền là hợp lý. Kết quả tính lún cho mặt cắt đập tràn đầu phía Bắc có độ lún 3,2 cm, mặt cắt tràn phía Nam là 2,7 cm đảm bảo đƣợc sự ổn định lún lâu dài cho công trình. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Quốc Dũng (2012)-Gia cố và xử lý nền móng-Bài giảng Cao học Địa kỹ thuật Xây dựng-Đại học Thủy lợi 2012. 2. Phan Trƣờng Phiệt (1976) –Tính toán nền các loại công trình thủy lợi theo trạng thái giới hạn-Nhà xuất bản Nông thôn-1976. 3. TCVN-4253-2012- Tiêu chuẩn thiết kế nền Công trình Thủy công-Nhà xuất bản xây dựng 2012. 4. Viện thiết kế nền và công trình ngầm- Viện thiết kế móng (Liên Xô) -Sổ tay thiết kế Nền móng-Bản dịch-Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật-1975 5. Hsai-Yang Fang (1998)– Foundation Engineering Handbook- Second Edition – Van Nostrand Reinhold-New York-1998. 6. Donald P. Coduto (1999) Geotechnical Engineering Principle and Practices-Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ 07458. 7. John-Krahn (2004)-Stress and Deformation Modeling with SIGMA/W-An Engineering Methodology. Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƢỜNG