Tài liệu Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng tây nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI MAI THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI MAI THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 958 02 02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Trọng Tư HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Mai Thị Hồng i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực hiện luận án, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các nhà khoa học, thầy cô giáo, gia đình và các đồng nghiệp, luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên” đã hoàn thành. Tác giả xin đặc biệt cảm ơn sâu sắc sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Nguyễn Trọng Tư, GS.TS. Lê Kim Truyền, các nhà khoa học, thầy cô giáo trong và ngoài trường đã hướng dẫn, góp ý cho tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, Trường Đại học Thuỷ Lợi; Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi và trường Đại học Hồng Đức đã giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả trong thời gian thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè luôn bên cạnh khích lệ, nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận án. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................3 7. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 3 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP SỬ DỤNG VẬT LIỆU TẠI CHỖ VÀ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN ..................................................................................................5 1.1 Đập đất và những yêu cầu khi thiết kế, thi công................................................5 1.1.1 Tổng quan về đập đất ..................................................................................5 1.1.2 Tổng quan về những yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế và thi công đập đất đầm nén ………………………………………………………………………………..9 1.2 Phân tích những nguyên nhân gây ra sự cố ở đập vật liệu tại chỗ ...................13 1.2.1 Nguyên nhân do giai đoạn lập dự án đầu tư..............................................14 1.2.2 Nguyên nhân do khảo sát, đánh giá tài liệu ..............................................14 1.2.3 Nguyên nhân do thiết kế ...........................................................................16 1.2.4 Nguyên nhân do thi công ..........................................................................17 1.2.5 Nguyên nhân do quản lý khai thác vận hành ............................................17 1.2.6 Một số ví dụ về sự cố đập đất ở Việt Nam do vật liệu đắp .......................17 1.3 Đặc điểm hồ chứa và nhu cầu dùng nước trong những năm tới ở Tây Nguyên …………….. .............................................................................................................19 1.3.1 Đặc điểm hồ chứa và đập đất ở Tây Nguyên ............................................19 1.3.2 Nhu cầu dùng nước trong tương lai ..........................................................20 1.4 Những nghiên cứu về đập vật liệu tại chỗ .......................................................21 1.4.1 Nghiên cứu đập vật liệu tại chỗ trên Thế giới ...........................................21 1.4.2 Nghiên cứu trong nước..............................................................................23 iii 1.5 Những nghiên cứu về sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế giới và Việt Nam....................................................................................................................27 1.5.1 Nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế giới ..............27 1.5.2 Nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất ở Việt Nam ................29 1.6 Những nội dung đặt ra cho nghiên cứu ............................................................ 30 1.7 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 31 CƠ SỞ KHOA HỌC CẢI THIỆN VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN .....32 2.1 Vật liệu đắp đập ở khu vực Tây Nguyên .........................................................32 2.1.1 Đất Aluvi ...................................................................................................32 2.1.2 Sườn tàn tích và tàn tích trên các loại đá khác nhau .................................32 2.2 Bố trí vật liệu đất đắp trong thân đập............................................................... 34 2.2.1 Nguyên tắc bố trí .......................................................................................34 2.2.2 Bố trí vật liệu trong thân đập.....................................................................35 2.3 Một số giải pháp kỹ thuật để cải tạo đất đắp đập .............................................36 2.3.1 Giải pháp thay đổi thành phần cỡ hạt........................................................36 2.3.2 Giải pháp cải tạo đất bằng chất kết dính ...................................................38 2.3.3 Giải pháp cải tạo đất bằng phương pháp trộn Bitum ................................ 39 2.4 Cơ sở khoa học lựa chọn chất kết dính để cải tạo đất có tính thấm lớn và tính tan rã mạnh ................................................................................................................40 2.4.1 Tính thấm của đất ......................................................................................40 2.4.2 Tính tan rã của đất .....................................................................................40 2.4.3 Thành phần khoáng vật của đất .................................................................41 2.4.4 Quá trình hóa lý xảy ra khi trộn ximăng vào đất ......................................45 2.4.5 Quá trình hóa lý xảy ra khi trộn vôi ..........................................................47 2.4.6 Cơ sở khoa học lựa chọn chất kết dính vô cơ để cải tạo đất có tính thấm và tính tan rã ...............................................................................................................48 2.5 Cơ sở khoa học lựa chọn hạt thô để tăng dung trọng khô của đất ...................49 2.6 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 50 NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN ......................51 3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................51 iv 3.2 Lựa chọn mẫu đất và phương pháp nghiên cứu mẫu đất trong khu vực Tây Nguyên.......................................................................................................................51 3.2.1 Lựa chọn mẫu đất nghiên cứu ...................................................................51 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu...........................................................................52 3.2.3 Thời gian và khối lượng mẫu thí nghiệm ..................................................60 3.3 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý và tính chất đặc biệt của mẫu vật liệu sử dụng để nâng cấp đập ................................................................................................ 61 3.3.1 Thành phần hạt của đất .............................................................................61 3.3.2 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu vật lý của đất ..........................................62 3.3.3 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học của đất.........................................63 3.3.4 Kết quả thí nghiệm các tính chất đặc biệt .................................................64 3.3.5 Tổng hợp nhận xét kết quả thí nghiệm......................................................65 3.4 Nghiên cứu giải pháp tăng khả năng chống thấm ............................................65 3.4.1 Chất kết dính vô cơ để cải tạo đất ............................................................. 66 3.4.2 Quy trình chế bị mẫu khi trộn XM và vôi .................................................66 3.4.3 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng chất kết dính để giảm tính thấm của đất …………….. .........................................................................................................67 3.4.4 3.5 Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của đất sau khi trộn 2% XM và 3% vôi ....69 Nghiên cứu giải pháp chống tan rã đất ............................................................ 70 3.5.1 Quy trình chế bị mẫu thí nghiệm khi trộn chất kết dính xi măng .............71 3.5.2 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng ximăng để tăng thời gian tan rã của đất71 3.5.3 Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ học của hỗn hợp đất khi trộn 5% hàm lượng xi măng…. .................................................................................................................74 3.6 Nghiên cứu giải pháp để nâng cao dung trọng khô của đất ............................. 74 3.6.1 Quy trình chế bị mẫu khi trộn dăm sạn .....................................................75 3.6.2 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên dung trọng khô lớn nhất và độ ẩm tốt nhất của đất.......................................................................................................76 3.6.3 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên khả năng kháng cắt của đất .......78 3.6.4 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên tính biến dạng và tính thấm của đất ............. ..................................................................................................................81 3.6.5 3.7 Phân tích lựa chọn tỷ lệ dăm sạn hợp lý ...................................................83 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 83 v ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ NÂNG CẤP, SỬA CHỮA MỘT SỐ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN ..........................................................85 4.1 Lựa chọn công trình nghiên cứu ......................................................................85 4.1.1 Lựa chọn và giới thiệu công trình ............................................................. 85 4.1.2 Đánh giá hiện trạng đập và đề xuất giải pháp nâng cấp ............................ 86 4.2 Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng khối đất đắp để nâng cấp đập ...........90 4.2.1 Giới thiệu phần mềm tính toán ..................................................................90 4.2.2 Tính toán thấm qua thân đập khi đắp áp trúc mái thượng lưu ..................92 4.2.3 Tính toán ổn định mái đập ........................................................................96 4.3 Công nghệ xử lý đất gia cố và thi công đắp áp trúc mái thượng lưu đập ......101 4.3.1 Chuẩn bị máy móc, thiết bị và nhân lực..................................................101 4.3.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu thi công...........................................................101 4.3.3 Quy trình trộn đất theo tỷ lệ hỗn hợp gia cố sử dụng phương pháp dây chuyền 101 4.3.4 4.4 Công nghệ thi công đắp áp trúc mái thương lưu đập ..............................102 Kết luận chương 4 ..........................................................................................104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................105 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................108 1. Bài báo khoa học ............................................................................................108 2. Hội nghị khoa học ..........................................................................................108 3. Đề tài khoa học ..............................................................................................108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................109 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Đập đất Tả Trạch - Thừa Thiên Huế ............................................................7 Hình 1. 2 Quan hệ giữa dung trọng khô và độ ẩm của đất ..........................................12 Hình 1. 3 Mái thượng lưu đập đất hồ Am Chúa, Khánh Hòa sau sự cố......................19 Hình 1. 4 Tương quan giữa lực đầm nén, dung trọng khô và độ ẩm đất .....................22 Hình 2. 1 Bố trí vật liệu đất đắp trong thân đập ..........................................................36 Hình 2. 2 Đường cong thành phần hạt.........................................................................37 Hình 2. 3 Phân tố đơn vị của khoáng vật sét. a) Khối bốn mặt; b) Khối tám mặt ......42 Hình 2. 4 Phân tử nước bị phân cực trong điện trường ...............................................42 Hình 2. 5 Cấu trúc lớp lưới ..........................................................................................43 Hình 2. 6 Cấu tạo lớp khuếch tán đôi quanh hạt sét ....................................................48 Hình 3. 1 Các đặc trưng thành phần hạt ......................................................................54 Hình 3. 2 Các mẫu đất sau khi chế bị ..........................................................................56 Hình 3. 3 Máy cắt phẳng xác định lực dính C và góc ma sát trong  .........................56 Hình 3. 4 Thí nghiệm tính nén lún của đất ..................................................................57 Hình 3. 5 Thí nghiệm xác định các đặc trưng trương nở của đất ................................ 59 Hình 3. 6 Thí nghiệm xác định tính tan rã của đất ......................................................60 Hình 3. 7 Đường cong cấp phối của 3 mẫu đất nghiên cứu ........................................61 Hình 3. 8 Ảnh hưởng của hàm lượng XM và 2% lượng vôi với hệ số thấm ...............68 Hình 3. 9 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi và 2% lượng xi măng với hệ số thấm ........69 Hình 3. 10 Ảnh hưởng của hàm lượng XM đến thời gian tan rã của đất ....................72 Hình 3. 11 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên dung trong khô lớn nhất ............77 Hình 3. 12 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn đến độ ẩm tốt nhất ...........................78 Hình 3. 13 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên góc ma sát trong của đất .............79 Hình 3. 14 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên lực dính đơn vị ..........................79 Hình 3. 15 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên môđun biến dạng .......................81 Hình 3. 16 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên hệ số thấm .................................82 Hình 4. 1 Sơ đồ các lớp đất của đập đất Buôn Sa .......................................................85 Hình 4. 2 Mái hạ lưu đập có nhiều vết nứt và các lỗ rỗng (Ảnh chụp ngày 13/8/2015) .......................................................................................................................................86 vii Hình 4. 3 Kết quả tính thấm với đập hiện trạng ..........................................................87 Hình 4. 4 Kết quả tính ổn định mái TL đập hiện trạng ...............................................87 Hình 4. 5 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập hiện trạng ..........................................87 Hình 4. 6 Sơ đồ đắp áp trúc mái TL để nâng cấp chống thấm cho đập ......................88 Hình 4. 7 Sơ đồ mặt cắt tính toán ................................................................................95 Hình 4. 8 Kết quả tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m .................................95 Hình 4. 9 Kết quả tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m .................................95 Hình 4. 10 Kết quả tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m ............................... 96 Hình 4. 11 Kết quả tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m ..............98 Hình 4. 12 Kết quả tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m ..............99 Hình 4. 13 Kết quả tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m ..............99 Hình 4. 14 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m .........99 Hình 4. 15 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=4.5m .........100 Hình 4. 16 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=5.0m .........100 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên thế giới (H≥15m) ...................6 Bảng 1. 2 Số lượng và phân loại hồ chứa thủy lợi theo dung tích, không kể hồ thủy điện ..................................................................................................................................7 Bảng 1. 3 Giá trị độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất ......................................12 Bảng 1. 4 Tỷ lệ hư hỏng đập đất vừa và nhỏ ở Tây Nguyên .......................................20 Bảng 1. 5 Đặc tính tan rã của đất có nguồn gốc khác nhau.........................................26 Bảng 1. 6 Tỷ lệ xi măng với các loại đất khác nhau ...................................................27 Bảng 3. 1 Phân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn Nga (Snhip) CHИП 2-05-08-1985 .......................................................................................................................................59 Bảng 3. 2 Bảng thống kê thí nghiệm trong phòng .......................................................60 Bảng 3. 3 Thành phần hạt của đất thí nghiệm ............................................................. 61 Bảng 3. 4 Thí nghiệm các chỉ tiêu vật lý của đất .......................................................63 Bảng 3. 5 Các chỉ tiêu cơ học của đất thí nghiệm .......................................................63 Bảng 3. 6 Kết quả thí nghiệm tính co ngót, trương nở và độ tan rã ............................ 64 Bảng 3. 7 Các chỉ tiêu chất lượng XM Vicem Hoàng Thạch PCB30 .........................66 Bảng 3. 8 Kết quả thí nghiệm thấm theo hàm lượng XM và 2% vôi ..........................67 Bảng 3. 9 Kết quả thí nghiệm thấm theo hàm lượng vôi và 2% hàm lượng XM........68 Bảng 3. 10 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất ........................................70 Bảng 3. 11 Kết quả thí nghiệm xác định thời gian tan rã của đất ............................... 72 Bảng 3. 12 Thí nghiệm kiểm chứng các chỉ tiêu cơ học của đất khi trộn 5% XM .....74 Bảng 3. 13 Quan hệ giữa tỉ lệ dăm sạn, độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất ..76 Bảng 3. 14 Quan hệ giữa hàm lượng dăm sạn, góc ma sát trong và lực dính đơn vị .78 Bảng 3. 15 Quan hệ giữa tỷ lệ dăm sạn, môđun biến dạng và hệ số thấm ...................81 Bảng 4. 1 Các thông số cơ bản của đập đất hồ chứa Buôn Sa ....................................85 Bảng 4. 2 Các thông số của của vật liệu trong tính toán ............................................86 Bảng 4. 3 Yêu cầu nâng cấp đập đất Buôn Sa ............................................................. 89 Bảng 4. 4 Quy định trị số gradient cho phép trong thân đập .......................................89 Bảng 4. 5 Hệ số thấm của vật liệu đắp đập và đất nền dùng trong mô hình tính thấm .......................................................................................................................................94 ix Bảng 4. 6 Kết quả tính thấm tính với chiều rộng khối đắp khác nhau ........................96 Bảng 4. 7 Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đắp đập và đất nền ......................................97 Bảng 4. 8 Kết quả tính toán hệ số ổn định mái đập ...................................................100 Bảng 4. 9 Sơ đồ thi công dây chuyền khu vực trộn đất .............................................102 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CKD Chất kết dính CTTL Công trình thủy lợi Đ-XM Đất và ximăng ICOLD Hội đập lớn thế giới MA Mẫu đất tại bãi vật liệu A MB Mẫu đất tại bãi vật liệu B MC Mẫu đất tại bãi vật liệu C TL Thượng lưu TCXD Tiêu chuẩn xây dựng VLTC Vật liệu tại chỗ XM Xi măng xi MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các tỉnh Tây Nguyên có mạng lưới sông suối khá dày, nhiều ghềnh thác, là nơi khởi nguồn của 4 hệ thống sông chính gồm: hệ thống sông Pô Kô - Sê San ở Kon Tum đổ vào sông Mê Kông; hệ thống sông Ba - Ayun ở Gia Lai đổ vào sông Đà Rằng chảy ra biển Đông; hệ thống sông Sêrêpôk ở Đắk Lắk đổ vào sông Mê Kông và hệ thống sông Đồng Nai ở Đắk Nông và Lâm Đồng chảy ra biển Đông. Khu vực Tây Nguyên, tỷ lệ lượng nước yêu cầu nhỏ hơn nhiều so với lượng nước tiềm năng, nhưng hiện tượng thiếu hụt nước phục vụ cho nông nghiệp và các ngành kinh tế khác vẫn diễn ra gay gắt [1]. Như vậy vẫn có một lượng nước dư thừa rất lớn chưa được sử dụng phục vụ cho phát triển đời sống xã hội và dân sinh kinh tế. Khu vực Tây Nguyên có trên 1000 hồ thủy lợi lớn nhỏ, phần lớn sử dụng đập đất được xây dựng bằng phương pháp đầm nén, trong đó có đa số các công trình được xây dựng từ những năm tám mươi, chín mươi với điều kiện thi công và công nghệ xây dựng còn hạn chế, nên nhiều công trình đã xuống cấp, không đảm bảo an toàn cho khai thác, sử dụng như sạt lở mái thượng hạ lưu, thấm qua thân đập. Mặt khác, theo nhu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Tây Nguyên, theo dự báo [2] yêu cầu dùng nước cho nông nghiệp tăng từ 1112%; nước cho công nghiệp tăng 1.71.8 lần, nước cho sinh hoạt tăng 1.92.0 lần so với hiện nay. Nhu cầu dùng nước ngày càng tăng cao, nhưng điều kiện xây dựng các hồ chứa mới rất khó khăn. Vì vậy yêu cầu nâng cấp, sửa chữa các công trình thủy lợi ở Tây Nguyên rất lớn, đặc biệt các hồ chứa loại vừa và nhỏ được xây dựng bằng phương pháp đầm nén, nó thường nằm rải rác phân tán, khối lượng vật liệu sử dụng cho việc nâng cấp hồ đập là không lớn lắm. Ngoài ra, các vùng đất Tây Nguyên đã được quy hoạch thành các khu trồng cây ăn quả, cây công nghiệp nên việc lấy đất để sửa chữa, nâng cấp đập là khó khăn. Nên việc nghiên cứu sử dụng vật liệu tại chỗ tại vùng có công trình xây dựng để nâng cấp, sửa chữa là cần thiết, mang lại giá trị kinh tế và kỹ thuật cao. Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu việc sử dụng đất Tây Nguyên để đắp đập, nhưng chưa có đề tài đi sâu nghiên cứu sử dụng hợp lý các loại vật liệu bồi tích trẻ ở các hồ đập, sông suối để tận dụng sử dụng cho việc nâng cấp, sửa chữa đập. 1 Với những lý do trên, việc nghiên cứu các giải pháp cải tạo vật liệu tại chỗ để phục vụ nâng cấp, xây dựng đập sẽ giúp tiết kiệm kinh phí xây dựng. Do vậy, tôi lựa chọn đề tài của luận án: “Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định hàm lượng dăm sạn hợp lý để tăng dung trọng khô của đất đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất; - Xác định hàm lượng ximăng hợp lý để giảm tính tan rã của đất có chứa nhiều dăm sạn đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất; - Xác định hàm lượng ximăng và vôi hợp lý để giảm tính thấm của đất có chứa nhiều dăm sạn đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng - Các đập đất thủy lợi vừa và nhỏ; - Loại đất nghiên cứu: Đất bồi tích trẻ có khối lượng thể tích khô hay dung trọng khô nhỏ và có tính thấm lớn, tan rã mạnh; - Dăm sạn có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10mm; - Các chất kết dính là xi măng và vôi. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Khu vực nghiên cứu: Các tỉnh thuộc Tây Nguyên; - Xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB 30. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu các tính chất cơ lý và tính chất đặc biệt của một số loại vật liệu tại chỗ ở Tây Nguyên khi sử dụng để đắp đập; 2 - Đề xuất các giải pháp nhằm cải tạo vật liệu tại chỗ phù hợp với yêu cầu theo tiêu chuẩn hiện hành để sử dụng cho việc nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên; - Lựa chọn các tỷ lệ chất kết dịnh và dăm sạn pha trộn hợp lý nhằm khống chế các tính chất đặc biệt của các loại đất đặc thù; - Áp dụng kết quả nghiên cứu mới để nâng cấp đập vật liệu tại chỗ Buôn Sa. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đó tìm ra những vấn đề khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ; - Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo các mẫu đất với các tỷ lệ dăm sạn, xi măng và xi măng kết hợp với vôi khác nhau, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý và tính chất đặc biệt, so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành và đưa ra hàm lượng dăm sạn, xi măng và xi măng kết hợp với vôi hợp lý để sử dụng cho việc nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên; - Phương pháp chuyên gia: Thông qua các hội thảo khoa học để lấy ý kiến đóng góp của các chuyên gia về cách tiếp cận, nghiên cứu, các luận cứ khoa học và các giải pháp; - Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cho công trình đập đất sử dụng vật liệu tại chỗ để nâng cấp, sửa chữa đập. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án đã bổ sung làm sâu sắc thêm các vấn đề khoa học của đất Tây Nguyên để nghiên cứu nhằm xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập vùng Tây Nguyên. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là những cơ sở khoa học để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về đập sử dụng vật liệu tại chỗ và đập đất ở Tây Nguyên 3 Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học cải thiện vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên Chương 3: Nghiên cứu cải thiện một số chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp đập đất ở Tây Nguyên Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cấp một số đập đất ở Tây Nguyên 4 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP SỬ DỤNG VẬT LIỆU TẠI CHỖ VÀ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 1.1 Đập đất và những yêu cầu khi thiết kế, thi công 1.1.1 Tổng quan về đập đất Đập đất được xây dựng ở bằng các loại đất hiện có ở gần vùng xây dựng công trình, là loại đập không cho phép nước tràn qua, có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa. Từ xa xưa đập đất đã được xây dựng, để trữ nước phục vụ cho dân sinh, trồng trọt. Ở Ai Cập đập đất được xây dựng từ 4400 năm trước công nguyên, ở Trung Quốc 2280 năm trước công nguyên [3]. Khi đó đập được xây dựng bằng các biện pháp thủ công, sử dụng đất dính với khối lượng vật liệu lớn và thời gian thi công dài (1015 năm), chiều cao đập không quá 15m [4]. Đập sử dụng đá để đắp gọi là đập đá đổ được xây dựng muộn hơn vào giữa cuối thế kỷ XIX. Đến nửa cuối thế kỷ XIX ở nhiều nước phát triển như Anh, Pháp, Mỹ đã bắt đầu xây dựng các công trình thủy lợi lớn và có nhiều phương pháp tính toán khác nhau về ổn định, thấm,.. để áp dụng cho việc xây dựng đập. Mỹ là nước đầu tiên sử dụng phương pháp thi công cơ giới thủy lực để xây dựng đập đất. Đập đất được xây dựng nhiều nhất vào những năm 19201930, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý thuyết thấm, địa chất thủy văn, địa chất công trình và việc ứng dụng các phương tiện thi công cơ giới hóa, nên đã bắt đầu xây dựng được các đập khá cao và khối lượng lớn, sử dụng nhiều loại vật liệu như sỏi, cát, đá dăm. Ngày nay, có rất nhiều đập cao là đập đất, đất đá hỗn hợp như: Đập Anderson Ranch (Mỹ) xây năm 1950 cao 139m, Đập Orovin (Mỹ) cao 221m; Đập Xerơ Pongxong (Pháp) xây năm 1961 cao 122m; Đập Bariri (Brazin) xây năm 1967 cao 112m... [4]. Hội đập lớn Nhật Bản (JCOLD) thống kê từ năm 400 đến 2009, đập có chiều cao từ 1530m có khoảng 2300 đập; đập cao trên 30m từ năm 700 đến 2009 có khoảng 1120 5 đập chủ yếu là đập đất hoặc đập đất đá hỗn hợp. Do Nhật Bản là quốc gia có động đất thường xuyên diễn ra, đập đất đá chịu động đất tốt, nên loại đập này được ứng dụng phổ biến. Theo Hội đập lớn thế giới (ICOLD) một tổ chức phi chính phủ, là cơ quan đại diện cho hơn 80 nước xây dựng đập. ICOLD có nhiệm vụ trao đổi ý kiến và kinh nghiệm giữa các nước trong việc thiết kế, xây dựng và vận hành, bao gồm cả điều kiện môi trường. Hội đập lớn của nhiều nước đã công bố trên các website của mình danh mục đập và hồ chứa. Theo thống kê của ICOLD trên Thế giới có 58.519 đập, trong đó đập vật liệu tại chỗ chiếm 76%, trong đó 63% là đập đất [5]. Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên Thế giới được thống kê trên Bảng 1. 1 theo [5], trong đó Trung Quốc là quốc gia có số lượng đập nhiều nhất trên Thế giới. Bảng 1. 1 Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên thế giới (H≥15m) TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Tên nước Trung Quốc Mỹ Ấn Độ Nhật Tây Ban Nha Canada Hàn Quốc Thổ Nhĩ Kỳ Brazin Pháp Nam Phi Mexico Italia Vương Quốc Anh Oxtrayliahư Việt Nam Số lượng 22000 6575 4291 2675 1196 793 765 625 594 569 539 537 524 517 486 460 TT 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Tên nước Na Uy CHLB Đức Al-ba-ni Ru-ma-ni Zim-ba-buê Thái Lan Thụy Điển Bulgari Thụy Sĩ Áo Cộng hòa Séc Algerie Bồ Đào Nha Indonesia Nga Số lượng 335 311 306 246 213 204 190 180 156 149 118 107 103 96 91 Ở Việt Nam, đập đất là loại công trình dâng nước và được dùng phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa nước. Những hồ chứa đã xây dựng ở nước ta chủ yếu sử dụng bằng đập vật liệu tại chỗ (VLTC), trong đó đập đất chiếm đại đa số [6]. Trước năm 1945, việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, khi đó nước ta mới chỉ xây dựng được 12 hệ thống thủy lợi như: Đô Lương, Bái Thượng, Thác Huống, Liễn Sơn, Liên Mạc,… Nhưng từ sau năm 6 1945, đặc biệt từ khi đất nước thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa phát triển mạnh về số lượng và quy mô công trình, từ năm 1976 đến nay số hồ chứa xây dựng mới chiếm 67% [7]. Hiện nay, có nhiều hồ lớn, đập cao được xây dựng ở những nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp. Theo thống kê của Tổng cục thủy lợi, cả nước hiện có 6886 hồ chứa, trong đó có 6.648 hồ chứa thủy lợi chiếm 96.5% và 238 hồ chứa thủy điện chiếm 3.5% với tổng dung tích khoảng 63 tỷ m3 nước, được thể hiện trong Bảng 1. 2 [8]. Các hồ chứa vừa và nhỏ chiếm tỷ lệ lớn, các hồ này nằm rải rác khắp nơi tạo nên thế mạnh nhất định, như vốn đầu tư ít, thời gian thi công nhanh, sớm đi vào hoạt động, phục vụ đắc lực cho phát triển nông nghiệp nông thôn và phù hợp với nền sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn ở nước ta. Các hồ chứa lớn tuy ít về số lượng, nhưng lại có vai trò quyết định đến sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, phát điện,…Tổng số hồ chứa nước, các tỉnh từ Nghệ An trở ra đến các tỉnh miền núi phía Bắc là 4224 hồ chiếm 64% số hồ cả nước. Các tỉnh có nhiều hồ chứa là: Nghệ An 629 hồ, Thanh Hóa 610 hồ, Hòa Bình 513 hồ, Bắc Giang 422 hồ, Tuyên Quang 346 hồ. Chủ yếu đập ở các hồ này là đập đất hoặc đập đất đá hỗn hợp. Bảng 1. 2 Số lượng và phân loại hồ chứa thủy lợi theo dung tích, không kể hồ thủy điện Dung tích hồ (triệu m3) Số lượng hồ Hình 1. 1  10 124 3-10 578 1-3 363 0,2-1 2335 ≤ 0,2 3248 Đập đất Tả Trạch - Thừa Thiên Huế 7 Tổng 6648