Tài liệu Nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất do tải trọng động đất áp dụng cho đập đất của thủy điện thượng kon tum

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------- NGUYỄN THÀNH HƢNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------- NGUYỄN THÀNH HƢNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: DDK 60580202 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN VĂN HƯỚNG Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác; riêng tài liệu tham khảo được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Nguyễn Thành Hƣng MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài....................................................................................................1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..............................................................................2 6. Cấu trúc luận văn ..................................................................................................2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................3 1.1. Khái quát chung về động đất .............................................................................3 1.1.1. Vị trí Trái Đất ...............................................................................................3 1.1.2. Hình dạng và kích thước Trái Đất ..............................................................3 1.1.3. Cấu trúc Trái Đất .........................................................................................3 1.1.3.1. Vỏ Trái Đất (Crust) ................................................................................4 1.1.3.2. Lớp Manti (Mantle) ................................................................................4 1.1.3.3. Nhân trái đất (Core) ...............................................................................5 1.1.4. Khái quát chung về động đất .......................................................................5 1.1.4.1. Định nghĩa động đất ...............................................................................5 1.1.4.2. Nguyên nhân gây ra động đất ................................................................6 1.1.4.3. Sóng động đất (Seismic waves) ..............................................................7 1.1.4.4. Các đặc trưng cơ bản của động đất .......................................................9 1.1.4.5. Cấp động đất ........................................................................................11 1.2. Đặc điểm của động đất .....................................................................................12 1.2.1. Đặc điểm chung của động đất....................................................................12 1.2.2. Đặc điểm động đất ở Việt Nam ..................................................................12 1.2.3. Các trận động đất điển hình ở Việt Nam...................................................13 1.2.4. Phân vùng động đất ở Việt Nam ................................................................ 15 1.3. Ảnh hƣởng của động đất đến đập đất ............................................................16 1.4. Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hƣởng của động đất đến đập đất và các mô hình tính toán .....................................................................................................17 1.4.1. Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất ......17 1.4.2. Tổng quan về các mô hình tính toán động đất cho đập đất .....................19 1.5. Kết luận .............................................................................................................20 CHƢƠNG 2 ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ........................21 2.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................21 2.2. Phƣơng pháp tính toán ....................................................................................21 2.2.1. Phương pháp tính toán tĩnh .......................................................................21 2.2.2. Phương pháp tính toán động .....................................................................22 2.2.2.1. Phương pháp giải tích ..........................................................................23 2.2.2.2. Phương pháp phổ ứng xử .....................................................................23 2.2.2.3. Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian .....................................27 2.2.2.4. Phương pháp tải trọng ngang thay thế.................................................28 2.2.2.5. Phương pháp động lực .........................................................................29 2.2.2.6. Phương pháp ngẫu nhiên .....................................................................29 2.3. Hiện tƣợng hóa lỏng do động đất ....................................................................30 2.3.1. Giới thiệu chung .........................................................................................30 2.3.2. Cơ chế hình thành hóa lỏng ......................................................................32 2.3.2.1. Hóa lỏng dạng dòng chảy.....................................................................32 2.3.2.2. Hóa lỏng do tính lưu động chu kỳ ........................................................32 2.3.3. Hóa lỏng nền ..............................................................................................33 2.4. Phân tích lực động đất theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn .......................33 2.4.1. Khái quát chung về phương pháp PTHH .................................................33 2.4.2. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH ...............................................34 2.4.3. Điểm chung ứng dụng phương pháp PTHH để gải bài toán kết cấu ......35 2.4.3.1. Ẩn số của bài toán kết cấu ....................................................................35 2.4.3.2. Điều kiện biên của bài toán ..................................................................36 2.4.3.3. Các bước cơ bản giải bài toán theo phương pháp PTHH ...................36 2.4.3.4. Tiêu chuẩn tiếp cận tốt nhất giữa hàm xấp xỉ chuyển vị với hàm chuyển vị thực ................................................................................................................37 2.4.4. Phân tích lực động đất theo phương pháp PTHH đối với đập đất ..........38 2.4.4.1. Sơ đồ tính toán ......................................................................................38 2.4.4.2. Hệ tọa độ, hàm nội suy .........................................................................38 2.4.4.3. Phương trình cơ bản.............................................................................42 2.4.4.4. Giải bài toán phụ thuộc vào thời gian..................................................46 2.5. Kết luận .............................................................................................................48 CHƢƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM DO ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ...............................49 3.1. Thực tế phân tích động đất trong thiết kế đập đất ở Việt Nam ...................49 3.2. Hƣớng tiếp cận và mô phỏng quá trình tính toán của đề tài........................50 3.3. Dữ liệu động đất và trƣờng hợp tính toán .....................................................51 3.3.1. Phân vùng gia tốc nền ................................................................................51 3.3.2. Đỉnh gia tốc nền .........................................................................................52 3.3.3. Gia tốc lịch sử thời gian .............................................................................52 3.3.4. Trường hợp tính toán .................................................................................55 3.4. Giới thiệu về Đập đất của Thủy điện thƣợng Kon Tum ...............................55 3.4.1. Tổng quan về Dự án thủy điện thượng Kon Tum.....................................55 3.4.2. Mô tả đập đất của công trình thủy điện thượng Kon Tum .......................55 3.4.3. Tài liệu địa chất nền và đất đắp đập ..........................................................56 3.4.4. Kết quả tính toán theo hồ sơ thiết kế được duyệt ......................................57 3.5. Kết quả nghiên cứu tính toán của đề tài.........................................................57 3.5.1. Kết quả bài toán phân tích thấm ................................................................ 58 3.5.2. Kết quả bài toán phân tích động đất ..........................................................59 3.5.2.1. Kết quả bài toán tĩnh ............................................................................59 3.5.2.2. Kết quả bài toán động ..........................................................................61 3.5.3. Kết quả tính toán ổn định ..........................................................................65 3.5.3.1. Kết quả tính toán ổn định - Bài toán tĩnh: ...........................................65 3.5.3.2. Kết quả tính toán ổn định - Bài toán động: ..........................................66 3.6. Đánh giá và phân tích kết quả .........................................................................69 3.6.1. Khả năng hóa lỏng nền ..............................................................................69 3.6.2. Chuyển vị ....................................................................................................70 3.6.3. Ổn định đập đất ..........................................................................................70 3.7. Kết luận .............................................................................................................71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................72 1. Kết luận ................................................................................................................72 2. Kiến nghị ..............................................................................................................72 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................73 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM Học viên: Nguyễn Thành Hưng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: DDK 60580202 Khóa: 33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến hệ số ổn định, khả năng hóa lỏng nền, biến dạng, xói ngầm trong thiết kế đập đất là một vấn đề hết sức cần thiết. Đặc biệt, trong lĩnh vực xây dựng công trình Thủy Lợi - Thủy Điện ở nước ta hiện nay thì vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến công trình dường như chưa được quan tâm đúng mức. Trong luận văn thạc sỹ này, tác giả ứng dụng Bộ phần mềm GeoSlope bao gồm Seep/W, Quake/W và Slope/W để tính toán, nghiên cứu hệ số ổn định, khả năng hóa lỏng nền trong trường hợp xảy ra động đất cho công trình Thủy Điện thượng Kon Tum theo phương pháp lịch sử thời gian. Kết quả nhận thấy phần mềm Geo-Slope cho phép tính toán hệ số ổn định và đánh giá khả năng hóa lỏng nền với độ chính xác đáp ứng được yêu cầu trong thực tế thiết kế và kiểm tra sự ổn định của đập đất trong trường hợp xảy ra động đất. Từ khóa: Đập đất; động đất; Hệ số ổn định; Thượng Kon Tum; hóa lỏng; biến dạng; xói ngầm; phương pháp lịch sử thời gian. Abstract - Studying the effects of earthquakes on the stability coefficients, liquefaction, deformation and erosion in earth dam design is a matter of great need. Particularly, in the field of Building Irrigation - Hydropower Projects in our country today, the problem of studying the effects of earthquakes on the construction seems to be not properly attention. This master’s thesis, the author used to the Geo-Slope software package includes Seep/W, Quake/W and Slope/W to calculate, study the stability coefficient, the ability to liquefy the background in the case earthquake occurred for the Thuong Kon Tum Hydropower Project according to the time history method. The results show that the Geo-Slope software allows calculating the stability coefficient and evaluating the floor liquefaction capability with the accuracy required to actually design and test the stability of the dam in the case earthquake occurred. Key words: Earth dam; earthquake; stability coefficients; liquefaction; deformation; erosion; the time history method. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng so sánh thang động đất giữa thang Richter và thang MSK-64 .............12 Bảng 1.2 Động đất và dư chấn của trận động đất Tuần Giáo (Lai Châu) năm 1983 ....13 Bảng 1.3 Phân vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam ........................15 Bảng 2.1 Tọa độ các nút ................................................................................................ 39 Bảng 2.2 Hàm nội suy cho phần tử tứ giác ...................................................................39 Bảng 2.3 Hàm nội suy cho phần tử tam giác .................................................................40 Bảng 2.4 Đạo hàm hàm nội suy cho phần tử tứ giác .....................................................42 Bảng 2.5 Đạo hàm hàm nội suy cho phần tử tam giác ..................................................42 Bảng 3.1 Các thông số gia tốc nền (tỉnh Kon Tum) ......................................................52 Bảng 3.2 Trường hợp tính toán ổn định đập đất............................................................55 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của đập đất của thủy điện thượng Kon Tum ....................55 Bảng 3.4 Ký hiệu, tên đới, đặc điểm chính của đất đá địa chất nền đập .......................56 Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ lý của đất đá dùng trong tính toán .........................................57 Bảng 3.6 Kết quả hệ số ổn định theo các bước thời gian Δt của đập đất của thủy điện thượng Kon Tum (Δt = 0.02 sec)...................................................................................68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Vị trí Trái Đất trong hệ Mặt Trời .....................................................................3 Hình 1.2 Cấu trúc Trái Đất ..............................................................................................4 Hình 1.3 Chấn tiêu và Chấn tâm .....................................................................................5 Hình 1.4 Các mảng kiến tạo lớn của Thạch Quyển .........................................................6 Hình 1.5 Sóng khối (Body waves) và Sóng mặt (Surface waves) ..................................8 Hình 1.6 Các loại sóng địa chấn ......................................................................................8 Hình 1.7 Bản đồ tâm chấn động đất ..............................................................................14 Hình 1.8 Vỡ đập đất Fujinuma ......................................................................................16 Hình 2.1 Sơ đồ tính - Phương pháp phổ ứng xử có một bậc tự do và n bậc tự do ........24 Hình 2.2 Sơ đồ tính - Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian ............................27 Hình 2.3 Đất hóa lỏng ...................................................................................................30 Hình 2.4 Sự phá vỡ hóa lỏng của đập Lower San Fernando sau trận động đất năm 1971 .......................................................................................................................................32 Hình 2.5 Biên tính toán theo phương pháp PTHH ........................................................34 Hình 2.6 Các loại phần tử ..............................................................................................35 Hình 2.7 Điều kiện biên.................................................................................................36 Hình 2.8 Sơ đồ tính theo phương pháp PTHH ..............................................................37 Hình 2.9 Sơ đồ tính lực động đất theo phương pháp PTHH đối với đập đất ................38 Hình 2.10 Hệ tọa độ.......................................................................................................38 Hình 2.11 Tải phân bố vuông góc và tiếp tuyến với cạnh của phần tử .........................45 Hình 3.1 Biểu đồ phân tích lực cột đất trong SLOPE/W ..............................................50 Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng quá trình tính toán của đề tài ...............................................50 Hình 3.3 Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam..........................................51 Hình 3.4 Biểu đồ gia tốc động đất Điện Biên năm 2001...............................................53 Hình 3.5 Biểu đồ gia tốc trận động đất Alkion năm 1981.............................................53 Hình 3.6. Dữ liệu đầu vào cần thiết lập cho mô phỏng động đất bằng Geo-Slope .......54 Hình 3.7 Biểu đồ gia tốc nền tính toán ..........................................................................54 Hình 3.8 Mặt cắt đập đại diện – Mặt cắt D8 .................................................................56 Hình 3.9 Mô hình tính toán bài toán thấm.....................................................................58 Hình 3.10 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng (Pore-Water Presure) .....................................58 Hình 3.11 Kết quả phân tích tổng cột nước (Total Head) .............................................58 Hình 3.12 Kết quả Gradient thấm (XY-Gradients) ........................................................59 Hình 3.13 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương X (kPa) .........................................59 Hình 3.14 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương Y (kPa) .........................................60 Hình 3.15 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng (kPa) ...............................................................60 Hình 3.16 Kết quả tổng cột nước (m) ............................................................................60 Hình 3.17 Kết quả ứng suất tổng theo phương Y (kPa) ................................................61 Hình 3.18 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương X sau động đất (kPa) ....................61 Hình 3.19 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương Y sau động đất (kPa) ....................61 Hình 3.20 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng sau trận động đất (kPa) ...................................62 Hình 3.21 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 2.0 giây........................................62 Hình 3.22 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 2.2 giây........................................62 Hình 3.23 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 11.6 giây......................................63 Hình 3.24 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 20 giây.........................................63 Hình 3.25 Điểm quan sát thứ 24 và 51 ..........................................................................63 Hình 3.26 Biểu đồ chuyển vị theo phương X của điểm nút 24 và 51 ...........................64 Hình 3.27 Kết quả chuyển vị theo phương X(m) tại thời điểm 0.2 giây .......................64 Hình 3.28 Kết quả chuyển vị theo phương X(m) tại thời điểm 20 giây........................64 Hình 3.29 Kết quả chuyển vị theo phương Y(m) tại thời điểm 0.2 giây .......................65 Hình 3.30 Kết quả chuyển vị theo phương Y(m) tại thời điểm 20 giây ........................65 Hình 3.31 Hệ số ổn định Kminmin = 1,416 (bài toán tĩnh) ...............................................66 Hình 3.32 Hệ số ổn định mái hạ lưu đập tại thời điểm t = 1.0 giây (K = 1,448) ..........66 Hình 3.33 Hệ số ổn định mái hạ lưu đập tại thời điểm t = 10 giây (K = 1,467) ...........67 Hình 3.34 Hệ số ổn định mái Hạ lưu đập tại thời điểm t = 20 giây (K = 1,444) ..........67 Hình 3.35 Biểu đồ thể hiện hệ số ổn định mái hạ lưu đập đất của thủy điện thượng Kon Tum theo phương pháp tĩnh và phương pháp động lực ................................................69 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhiều thảm họa do động đất gây ra trên thế giới đã là những lời cảnh tỉnh cho chúng ta về sự mỏng manh của cuộc sống và sự non kém của khoa học kỹ thuật trong thiết kế công trình chịu động đất. Thiệt hại, mất mát về sinh mạng và vật chất càng khiến cho động đất trở nên đáng sợ hơn [1]. Theo công bố của Viện Vật lý địa cầu Việt Nam, mặc dù Việt Nam nằm trong khu vực có động đất ở mức trung bình của thế giới song hàng ngày vẫn xảy ra động đất yếu do những đường đứt gãy kiến tạo địa tầng. Khu vực tập trung nhiều động đất mạnh và thường xuyên nhất là đới Tây Bắc (từ Sơn La đến Thanh Hóa); tiếp theo là đới sông Hồng và sông Cả; ít xuất hiện là đới Cao Bằng - Quảng Ninh, Nam Quảng Trị... Tính chu kỳ khoảng 5÷7 năm lại xảy ra trận động đất cường độ 4÷5 độ Richter, gây động đất cấp 6÷7 lên bề mặt khu vực tâm chấn [2]. Trung bình khoảng 50 năm lại xảy ra động đất có cường độ 6÷6,8 độ Richter gây chấn động cấp 8÷9 trên bề mặt tại khu vực tâm chấn. Khi động đất xảy ra xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm nhất định và lan truyền nhanh chóng theo chiều dài đứt gãy 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, sự thay đổi các tính chất cơ lý của đất đá, hóa lỏng, sự chuyển vị do đứt gãy, trượt đất hay các chuyển động bề mặt khác... Động đất gây ra hậu quả vô cùng to lớn, nhưng nếu động đất gây vỡ đập của các hồ chứa nước thì hậu quả lại rất nghiêm trọng; đa số các hồ chứa nước, đập đất chiếm một tỷ lệ rất lớn; do vậy, việc tính toán ổn định đập đất là một trong những yêu cầu rất quan trọng trong nội dung thiết kế đập đất. Sự ổn định của của đập đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Cấu tạo kích thước mặt cắt ngang đập, địa chất nền đập, vật liệu đắp đập, áp lực thủy tĩnh, áp lực thủy động, áp lực sóng, áp lực động đất... Tuy nhiên, trong thực tế tính toán ở nước ta hiện nay, người ta chưa chú ý đúng mức ảnh hưởng của lực động đất đến việc tính toán ổn định đập đất. Động đất có thể trực tiếp phá hỏng kết cấu và gây mất ổn định công trình hoặc gây ra những bất lợi mà từ đó làm mất ổn định công trình một cách từ từ theo thời gian. Bên cạnh đó, khi xảy ra động đất, nền đất có thể xảy ra hiện tượng hóa lỏng làm thay đổi tính chất cơ lý của đất và ảnh hưởng đến ổn định tổng thể của công trình. Hiện tượng hóa lỏng làm cho đất giảm, thậm chí mất khả năng kháng cắt tạm thời; các hạt đất hầu như không liên kết với nhau và mất hết khả năng chống cắt, vì thế sức chịu tải của nền giảm xuống làm cho công trình mất tính ổn định gây ra các hiện tượng trượt, lở, lún [3]... Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất là rất cấp thiết trong giai đoạn hiện nay và cả trong tương lai. Vì vậy, đề tài luận văn được chọn: “Nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất do tải trọng động đất – Áp dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon Tum” là rất cần thiết. 2 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về ổn định đập đất. - Nghiên cứu ứng xử của đập đất khi có động đất. - Phân tích ổn định của đập đất chịu ảnh hưởng của động đất. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đập đất. - Phạm vi nghiên cứu: Phân tích ổn định đập đất chịu tác động của động đất – áp dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon Tum. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa. - Sử dụng mô hình mô phỏng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến đập đất là rất cần thiết và cấp thiết trong giai đoạn hiện nay và cả trong tương lai. Đề tài luận văn: “Nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất do tải trọng động đất – Áp dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon Tum” sẽ đưa ra kiến nghị về quan điểm tính toán động đất đối với đập đất phù hợp với thực tế và có tính khả thi trong điều kiện thiết kế đập đất ở Việt Nam. 6. Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn gồm: Mở đầu, Chương 1, Chương 2, Chương 3, Kết luận và kiến nghị. Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Ứng xử của đập đất dưới tác động của động đất Chương 3: Áp dụng tính toán ổn định cho đập đất của thủy điện thượng Kon Tum do ảnh hưởng của động đất Kết luận và kiến nghị. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Khái quát chung về động đất 1.1.1. Vị trí Trái Đất Trái Đất là hành tinh thứ ba tính từ Mặt Trời (Hình 1.1) và cũng là hành tinh lớn nhất trong các hành tinh đất đá của hệ Mặt Trời xét về bán kính, khối lượng và mật độ vật chất. Ghi chú: Mercury: Sao Thủy Venus: Sao Kim Earth: Trái đất Mars: Sao Hỏa Jupiter: Sao Mộc Saturn: Sao Thổ Uranus: Sao Thiên Vương Neptune:Sao Hải Vương Pluto: Sao Diêm Vương Hình 1.1 Vị trí Trái Đất trong hệ Mặt Trời (Nguồn: https://dieula.com/2017/05/he-mat-troi-la-gi/) 1.1.2. Hình dạng và kích thước Trái Đất Hình dạng Trái Đất rất gần với hình phỏng cầu là hình cầu bị nén dọc theo hướng từ địa cực tới chỗ phình ra ở xích đạo [4]. Trái đất có bán kính gần bằng 6.378km, đường xích đạo có chiều dài 40.076km và diện tích mặt cầu khoảng 510 triệu km2. 1.1.3. Cấu trúc Trái Đất Trái Đất là hành tinh có tỷ trọng lớn nhất trong hệ Mặt Trời, tỷ trọng trung bình của Trái Đất gấp khoảng 2 lần so với các hành tinh khác. Hiểu biết hiện nay về cấu trúc bên trong của Trái Đất chủ yếu thông qua nghiên cứu sự lan truyền và thay đổi tốc độ truyền sóng địa chấn khi động đất xảy ra. Từ ngoài vào trong, cấu trúc Trái Đất gồm 3 lớp (Hình 1.2): - Lớp vỏ Trái Đất là phần nằm trên cùng, được chia thành hai kiểu chính: + Vỏ lục địa; + Vỏ đại dương. - Lớp Manti (Mantle) nằm dưới lớp vỏ Trái Đất. - Nhân Trái Đất được chia thành nhân ngoài và nhân trong. 4 Hình 1.2 Cấu trúc Trái Đất (Nguồn: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Earth-cutaway-schematic-english.svg) 1.1.3.1. Vỏ Trái Đất (Crust) Vỏ Trái Đất được cấu tạo chủ yếu bằng những vật chất cứng rắn, độ dày dao động từ 5km ở đại dương đến 70km ở lục địa. Vỏ Trái Đất chiếm khoảng 15% về thể tích và khoảng 1% về trọng lượng của Trái Đất nhưng có vai trò rất quan trọng đối với thiên nhiên và đời sống con người. Vỏ Trái Đất được cấu tạo bởi các tầng đá khác nhau: - Trên cùng là tầng đá trầm tích do các vật liệu vụn, nhỏ bị nén chặt tạo thành. Tầng này không liên tục và có nơi dày, nơi mỏng. Trong đá trầm tích tốc độ sóng dọc vào khoảng (4÷5)km/s. - Dưới lớp đá trầm tích là lớp Granit, tầng Granit gồm các loại đá nhẹ tạo nên như đá Granit và các loại đá có tính chất tương tự như đá Granit… được hình thành do vật chất nóng chảy ở dưới sâu của vỏ Trái Đất đông đặc lại. Lớp vỏ lục địa được cấu tạo chủ yếu bằng Granit. Bề dày của lớp Granit thay đổi từ khoảng 40km từ các thể núi tới khoảng 10km ở vùng đồng bằng, ở lòng đại dương lớp Granit không có. Tốc độ sóng dọc trong lớp Granit từ (5,5÷6,5)km/s. - Bên dưới lớp Granit là lớp đá Bazan, tầng Bazan gồm các loại đá nặng hơn như đá Bazan và các loại đá có tính chất tương tự như đá Bazan… được hình thành do vật chất nóng chảy phun trào lên mặt đất rồi đông đặc lại. Lớp vỏ đại dương cấu tạo chủ yếu bằng Badan. Tốc độ sóng dọc trong lớp Bazan từ (6,5÷7,2)km/s. 1.1.3.2. Lớp Manti (Mantle) Dưới vỏ Trái Đất cho tới độ sâu 2.900km là lớp Manti (bao Manti). Lớp này gồm hai tầng chính; càng vào sâu, nhiệt độ và áp suất càng lớn nên trạng thái vật chất của bao Manti có sự thay đổi, quánh dẻo ở tầng trên và rắn ở tầng dưới. 5 Vỏ Trái Đất và phần trên cùng của lớp Manti (đến độ sâu khoảng 100km) vật chất ở trạng thái cứng, người ta thường gộp vào và gọi chung là thạch quyển. Thạch quyển di chuyển trên một lớp mềm, quánh dẻo - quyển mềm của bao Manti, như các mảng nổi trên mặt nước. Quyển mềm của bao Manti có ý nghĩa lớn đối với vỏ Trái Đất. Đây là nơi tích tụ và tiêu hao nguồn năng lượng bên trong, sinh ra các hoạt động kiến tạo làm thay đổi cấu trúc bề mặt Trái Đất như hình thành những dạng địa hình khác nhau, các hiện tượng động đất, núi lửa… 1.1.3.3. Nhân trái đất (Core) Nhân Trái Đất là lớp trong cùng, dày khoảng 3.478km. Ở đây, nhiệt độ và áp suất lớn hơn so với các lớp khác. Thành phần vật chất chủ yếu của nhân Trái Đất là những kim loại nặng như Niken (Ni), Sắt (Fe) nên nhân Trái Đất còn được gọi là nhân Nife. - Từ độ sâu (2.900÷5.100)km là nhân ngoài, nhiệt độ vào khoảng 5.000oC, áp suất từ (1,3÷3,1).106 atm, vật chất tồn tại trong trạng thái lỏng (sóng ngang không đi qua được). - Từ độ sâu (5.100÷6.378)km là nhân trong, áp suất từ (3,1÷3,5).106 atm, vật chất ở trạng thái rắn. 1.1.4. Khái quát chung về động đất 1.1.4.1. Định nghĩa động đất Nói một cách đơn giản, động đất là những rung động của mặt đất, mạnh yếu khác nhau và cảm nhận được trên một vùng rộng lớn. Theo ngôn ngữ khoa học, động đất là sự giải thoát đột ngột một lượng năng lượng lớn tích tụ trong một thể tích nào đó bên trong Trái đất. Thể tích tích tụ năng lượng đó gọi là vùng chấn tiêu và tâm của vùng chấn tiêu gọi là chấn tiêu. Vị trí hình chiếu trên bề mặt của Trái đất, nằm ngay trên chấn tiêu gọi là chấn tâm. Khoảng cách giữa chấn tiêu và chấn tâm gọi là độ sâu chấn tiêu (Hình 1.3). Ghi chú: Focus: Chấn tiêu Epicentre: Chấn tâm Depth: Độ sâu chấn tiêu Surface rupture: Vỡ bề mặt (mặt đất) Hình 1.3 Chấn tiêu và Chấn tâm 6 1.1.4.2. Nguyên nhân gây ra động đất Động đất thường là kết quả của sự chuyển động của các phần hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái Đất. Tuy rất chậm, mặt đất vẫn luôn chuyển động và động đất xảy ra khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng của thể chất Trái Đất. Hầu hết động đất xảy ra tại các đường ranh giới của các mảng kiến tạo là các phần của thạch quyển Trái Đất. Những trận động đất xảy ra tại ranh giới được gọi là động đất xuyên đĩa và những trận động đất xảy ra trong một đĩa (hiếm hơn) được gọi là động đất trong đĩa. Nguyên nhân xảy ra động đất thường do các yếu tố sau: - Nội sinh: Liên quan đến vận động phun trào núi lửa, vận động kiến tạo ở các đới hút chìm, các hoạt động đứt gãy, đá trong vỏ trái đất dưới sâu (≥ 5km) bị tẩm nước làm giảm ma sát dọc khe nứt biên giữa các khối đá gây ra chuyển dịch giữa chúng. - Ngoại sinh: Thiên thạch va chạm vào Trái Đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn, các hang động trong lòng đất bị sập, mưa bão. - Nhân sinh: Sự thay đổi điều kiện tự nhiên như xây dựng các hồ chứa nước lớn, khai thác mỏ gây ra động đất kích thích; hoạt động làm thay đổi ứng suất đất đá gần bề mặt hoặc áp suất chất lỏng, đặc biệt là các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất và các vụ nổ hạt nhân trên mặt đất... Trong đó, sự hoạt động kiến tạo của trái đất (yếu tố nội sinh), đây là nguyên nhân chủ yếu gây ra các trận động đất. Theo thống kê khoảng 95% các trận động đất xảy ra trên thế giới có liên quan trực tiếp đến sự hoạt động kiến tạo, động đất loại này giải phóng năng lượng lớn và tác động trên một diện rộng. Sau đây nghiên cứu kỹ hơn về động đất do hoạt động kiến tạo. Theo thuyết kiến tạo, thạch quyển (vỏ trái đất) tuy bao trùm toàn bộ vỏ trái đất, nhưng không phải là một lớp liên hoàn mà có dạng kiến trúc phân mảng bỡi các vết đứt xuyên thủng. Các vĩ mảng này chuyển động tương đối với nhau (di chuyển với tốc độ khoảng (2÷5)cm/năm); hiện nay đang tồn tại 07 mảng kiến tạo lớn (Hình 1.4), bao gồm: Mảng Thái Bình Dương, mảng Ấn Độ - Ô-xtrây-li-a, mảng Âu – Á, mảng Phi, mảng Bắc Mĩ, mảng Nam Mĩ và mảng Nam Cực. Hình 1.4 Các mảng kiến tạo lớn của Thạch Quyển (Nguồn: Bài 7: Thuyết kiến tạo mảng - SGK Địa Lý 10) 7 Các vĩ mảng lại được phân chia thành các mảng qua các vết đứt gãy nông hơn. Dựa vào quan hệ chuyển động tương đối giữa các mảng, phân làm 05 loại chuyển động cơ bản sau: - Chuyển động phân ly (hai mảng gần nhau tách dần ra). - Chuyển động dũi ngầm (mảng nọ dũi xuống mảng kia). - Chuyển động trườn (mảng nọ trườn lên mảng kia). - Chuyển động va chạm đàn hồi (hai mảng gần nhau thỉnh thoảng va vào nhau rồi sau đó trở lại vị trí ban đầu). - Chuyển động rúc đồng quy (hai mảng gần nhau châu đầu rúc xuống lớp phía dưới). Trong quá trình chuyển động tương đối giữa các khối vật chất, người ta nhận thấy rằng: Sự chuyển động của các khối này không phải chỉ là các chuyển động cơ học đơn giản mà còn kèm theo sự tích lũy thế năng biến dạng, hoặc kèm theo sự chuyển hóa năng lượng từ trạng thái này (rắn) sang trạng thái khác (lỏng, khí,...). Diễn biến trên dẫn đến sự tích tụ năng lượng, sự tích tụ đó theo thời gian tạo ra tăng ứng suất ở từng vùng của trái đất. Những ứng suất đó khi đạt tới cường độ giới hạn sẽ gây ra sự phá hoại tức thời ở từng vùng riêng biệt và gây ra động đất. Trong các chuyển động trên thì chuyển động dũi ngầm và chuyển động trườn có tác dụng gây động đất mạnh hơn cả. 1.1.4.3. Sóng động đất (Seismic waves) Khi động đất xảy ra, năng lượng được giải phóng từ chấn tiêu sẽ được truyền ra môi trường xung quanh dưới dạng các sóng đàn hồi vật lý, đó là: Sóng khối và Sóng mặt. Các sóng này do động đất gây ra nên được gọi là sóng động đất hay sóng địa chấn. - Sóng khối (Body waves): Khi động đất xảy ra, sóng khối (Hình 1.5) di chuyển xuyên qua các lớp đất và truyền lên mặt đất. Sóng khối có tần số cao hơn và vận tốc lan truyền từ tâm chấn nhanh hơn sóng mặt (Surface waves). Có hai dạng sóng khối chính là: Sóng dọc (Primary wave – P Wave) và sóng ngang (Secondary wave – S Wave). + Sóng dọc (P Wave): Sóng dọc (hay sóng sơ cấp) (Hình 1.6a) gây ra sự kéo nén tuần hoàn làm các phần tử đất đá dao động theo chiều của sóng, vận tốc truyền sóng khoảng 6km/s; đây là sóng địa chấn có vận tốc nhanh nhất, vì thế nó được ghi nhận sớm nhất khi có động đất xảy ra (các sóng dọc truyền đến trạm quan trắc đầu tiên). Sóng dọc có thể di chuyển qua các lớp đá rắn và các lớp vật chất lỏng trong vỏ Trái Đất, như lớp: Mắc ma, nước biển hay nước ngầm. Sóng dọc truyền theo phương dọc tương tự như sóng âm thanh. Sóng dọc còn được gọi là sóng nén (compression wave) vì tác dụng đẩy và kéo lên lớp đất đá. Hướng lan truyền của sóng dọc đặc trưng cho hướng phân tán năng lượng địa chấn. 8 Hình 1.5 Sóng khối (Body waves) và Sóng mặt (Surface waves) (Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Seismic_wave) a. Sóng dọc b. Sóng ngang c. Sóng Love d. Sóng Rayleigh Hình 1.6 Các loại sóng địa chấn (Nguồn: https://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/slinky/slinky4.htm) 9 + Sóng ngang (S Wave): Sóng ngang (Hình 1.6b) gây ra dao động tuần hoàn làm các phần tử đất đá dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng, cắt khối đất đá theo mặt bên vuông góc với phương truyền sóng. Tại gần mặt đất, sóng ngang (S) tạo cả chuyển động đứng (SV) và chuyển động ngang (SH). Vận tốc truyền sóng ngang khoảng 4km/s. Vận tốc lan truyền của sóng ngang nhỏ hơn sóng dọc, do đó sóng ngang được ghi nhận sau sóng dọc, và vì thế được gọi là sóng thứ cấp. Sóng ngang chỉ có thể lan truyền trong lớp đá rắn mà không thể di chuyển qua các lớp vật chất lỏng (Chính tính chất này của sóng ngang giúp các nhà địa chấn khẳng định lớp vỏ quả đất có chứa mắc ma). - Sóng mặt (Surface waves): Sóng mặt (Hình 1.5) được tạo nên bỡi sự tương tác giữa sóng khối với bề mặt hoặc các lớp bề mặt Trái Đất, chỉ truyền động dọc theo mặt đất với tốc độ chậm hơn sóng khối nhiều và biên độ giảm theo hàm mũ theo chiều sâu. Sóng này tương tự các gợn sóng trên mặt hồ nên phần lớn chuyển động của sóng ở mặt đất (chỉ di chuyển trong lớp đất phía trên sát mặt đất). Hầu như sóng mặt mới là nguyên nhân chính gây ra phá hoại công trình trong các trận động đất. Khi tâm chấn ở độ sâu lớn, thì cường độ sóng cũng như nguy cơ phá hoại do sóng này gây ra giảm. Sóng mặt có hai loại là: Sóng Love (Love wave) và Sóng Rayleigh. + Sóng Love (Love wave): Sóng Love (Hình 1.6c) là dạng sóng đầu tiên của sóng mặt, được đặt tên theo nhà toán học người Anh A.E.H. Love, là người đầu tiên đề xuất mô hình toán học cho kiểu sóng này vào năm 1911. Sóng Love lan truyền theo phương ngang và có tốc độ nhanh nhất trong các sóng mặt. Sóng Love là nguyên nhân chủ yếu gây nên chuyển động ngang của bề mặt vỏ quả đất. Sóng Love được tạo thành bỡi tương tác giữa sóng SH với mặt mềm yếu và chuyển động của nó tương tự như SH, không có chuyển vị đứng, nó làm dịch chuyển mặt đất theo mặt phẳng ngang song song với mặt đất nhưng vuông góc với phương truyền sóng. + Sóng Rayleigh (Rayleigh wave): Sóng Rayleigh (Hình 1.6d) là dạng thứ hai của sóng mặt, được đặt theo tên của Lord Rayleigh, người đã dùng công thức toán học tiên đoán sự tồn tại của dạng sóng này vào năm 1885. Sóng Rayleigh cuộn tròn dọc theo mặt đất, tương tự như sóng nước cuộn trên mặt biển. Vì thế, mặt đất bị di chuyển lên xuống, qua lại theo phương truyền của sóng này. Phần lớn sự rung lắc cảm nhận được trong các trận động đất là từ sóng Rayleigh, với cường độ lớn hơn tất cả các dạng sóng địa chấn khác. Hiểu biết về sóng địa chấn giúp chúng ta hình dung rõ về cơ chế hoạt động và phá hoại của động đất gây ra đối với con người, nhà cửa, công trình, vật kiến trúc,... 1.1.4.4. Các đặc trưng cơ bản của động đất - Khái niệm: Độ Richter là đơn vị đo năng lượng động đất; cường độ chấn động được đo bằng thang cường độ chấn động. Năng lượng không thay đổi đối với mọi trận động đất, nhưng cường độ chấn động thay đổi từ vị trí này sang vị trí khác trong một 10 trận động đất. Ví dụ: Động đất ở Vũng Tàu mạnh 5,5 độ Richter, gây nên chấn động mạnh cấp 5 ở Phan Thiết, chấn động mạnh cấp 4 ở thành phố Hồ Chí Minh... - Các đặc trưng cơ bản của động đất, gồm: Năng lượng động đất và Độ lớn động đất + Năng lượng động đất (Earthquake energy): Là tổng năng lượng động đất được giải phóng dưới dạng sóng đàn hồi: lgE = 11,8 + 1,5MS Trong đó: E – Energy (Egy) (1 Erg = 10-7Nm) là năng lượng động đất; MS – Độ lớn sóng mặt. + Độ lớn động đất (Earthquake magnitude): Là số đo định lượng độ lớn của một trận động đất hay năng lượng biến dạng được giải phóng trong một trận động đất dưới dạng sóng đàn hồi, được đo bằng quan trắc địa chấn. Hiện dùng bốn loại thang độ lớn: ++ Thang độ lớn địa phương (ML): ML còn được biết đến phổ biến là thang Richter, là thang đại lượng loga. Trong những năm 1930, nhà địa chấn học California Charles F. Richter đã nghĩ ra một thang đơn giản để mô tả kích cỡ của trận động đất ở phía Nam California – Mỹ. ML thu được bằng cách đo biên độ dịch chuyển tối đa ghi lại trên một địa chấn kế Wood–Anderson xoắn ở một khoảng cách lên đến 600km từ tâm chấn trận động đất [5]. ML = lgAmax + 2,56lgD – 1,67. Trong đó: Amax là Biên độ dao động lớn nhất của đất nền (đo bằng µm); D là khoảng cách chấn tâm (đo bằng km). ++ Thang độ lớn sóng bề mặt (Ms): MS = lgA + 1,66lgD + 2. Trong đó: A là biên độ dịch chuyển cực đại (đo bằng µm) trên thành phần nằm ngang của sóng Rayleigh. MS được sử dụng để xác định độ lớn của động đất ở khoảng cách chấn tâm D = (200÷1.600)km và độ sâu chấn tiêu nhỏ hơn 50km. ++ Thang độ lớn sóng khối: MB = 0,5.MS + 2,9 = 0,5lgA + 0,83lgD +3,9 ++ Thang độ lớn mô men (MW): Các thang ML, MS và MB được xây dựng theo các đại lượng dựa trên các đặc trưng dao động của đất. Tuy nhiên, khi tổng năng lượng giải thoát do động đất tăng, các đặc trưng trên không nhất thiết tăng theo cùng tỷ lệ tương ứng, nghĩa là đối với các trận động đất lớn thì các thang ML, MS và MB không nhạy cảm, nó bị bão hòa ở một giá trị nào đó; ML, MB bão hòa ở khoảng 6÷7 và MS bão hòa trên 8; do đó với các trận động đất lớn ta dùng MW để không bị bão hòa. Trong đó: M0 = µ.S. (dyn.cm; 1 dyn.cm = 10-5kG.m) µ - Sức chống phá hủy của vật liệu dọc theo đứt gãy; S - Diện tích mặt đứt gãy;  - Dịch chuyển trung bình mặt đứt gãy.