Mở đầu: Đập đất là loại đập làm bằng vật liệu địa phương được xây dựng phổ biến ở nước ta và trên thế giới. Đây là một loại đập tận dụng được vật liệu tại chỗ, cấu tạo đơn giản, công nghệ thi công không phức tạp, trên mọi loại nền đều có thể xây dựng đập đất, vì vậy giá thành thường rẻ. Khu vực Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ trong 25 năm qua đã xây dựng trên 200 đập hồ chứa lớn, vừa và nhỏ mà công trình dâng nước chủ yếu là đập đất làm bằng vật liệu địa phương. Đa số các công trình làm việc an toàn phát huy hiệu quả phục vụ phát triển thủy điện, cung cấp nước cho sinh hoạt, phục vụ sản xuất nông nghiệp – công nghiệp tạo ra những biến đổi sâu sắc về đời sống và xã hội.
Tuy nhiên tình trạng chung hiện nay nhiều đập đã xuống cấp nghiêm trọng, hiện tượng thấm qua thân đập khá phổ biến. Mái thượng lưu các đập đa số đều hư hỏng, đá lát long rời, xói lở; mái hạ lưu các đập có hệ thống tiêu thoát nước mặt xây dựng chưa tốt, thiết bị thoát nước chưa tối ưu thường bị xói trong mùa mưa bão, một số đập đã xảy ra sự cố gây thiệt hại đáng kể về kinh tế xã hội ở vùng hạ lưu công trình.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định đập đất Đập đất là công trình dâng nước được làm bằng vật liệu địa phương khối lớn vì vậy không có khả năng mất ổn định về lật và trượt theo mặt nền. Dưới tác dụng của tải trọng đập thường mất ổn định theo hình thức trượt mái thượng và hạ lưu khi chọn mặt cắt đập không hợp lý. Độ ẩm thay đổi (tăng độ ẩm đối với các loại đất dính, giảm độ ẩm đối với các loại đất rời) là yếu tố quan trọng.
Các điểm trượt lở có quy mô lớn đều 7 có liên quan đến nước dưới đất mà trong đó có chế độ mưa đóng vai trò quan trọng. Trượt mái đập xảy ra khi xuất hiện mưa lớn và gia tăng vào mùa mưa, dẫn đến: + Trọng lượng khối đất bên trên từ trạng thái chưa bão hòa trở thành trạng thái bão hòa. + Độ ẩm tăng dẫn đến độ hút chân không giảm nên lực dính C giảm + Đường bão hòa dâng cao dẫn đến trọng lượng khối đất tăng. Tính chất cơ lý của vật liệu là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến ổn định mái dốc, tuy nhiên đó không phải là nguyên nhân duy nhất mà còn phụ thuộc vào ngoại lực tác dụng như áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm, lực động đất, áp lực kẽ rỗng trong quá trình cố kết.3 Mặt trượt phá hoại mái đất Một khối đất có mặt ngoài nghiêng một góc nghiêng nào đó so với mặt ngang được quy ước gọi là mái đất.
Mái dốc đứng được gọi là vách; chiều cao của vách đá rất lớn nhưng vách đất thường không quá vài mét và không ổn định lâu dài. Nguyên nhân hình thành mái đất hoặc do thiên nhiên (vận động của vỏ quả đất, bào mòn, tích tụ.) hoặc do nhân tạo (đập, đê, mái kênh, mái hố đào v. Mái đập đất thuộc loại mái đất nhân tạo, các tính chất địa kỹ thuật là đã biết rõ ràng và kích thước có thể chọn sơ bộ hoặc theo kinh nghiệm hoặc theo các phương pháp đơn giản nhất.1: Các bộ phận của mái đất 8 Để tiện phân tích, một mái đất (hoặc mái dốc) được phân làm các bộ phận: Đỉnh mái, chân mái, mái dốc, cơ mái, góc dốc, độ cao của mái, nền mái đất. Nền mái dốc là bộ phận đất đá nằm dưới mặt phẳng ngang đi qua chân mái dốc.
Cơ chế phá hoại của mái đất Sự phá hỏng mái đất có thể xảy ra từ từ, khó nhận biết trong một thời gian dài, phải quan trắc lâu dài hoặc quan sát độ cong thân cây mọc trên sườn dốc (Hình 1-2a) hoặc xảy ra đột ngột không lường trước được theo một mặt trượt có dạng hình học rõ rệt (Hình 1-2b).2: Cơ chế phá hoại mái đất và nền dốc Nguyên nhân chính của sự phá hỏng mái đất là sự chênh lệch áp lực do trọng lượng bản thân đất của mái đất theo phương của trọng lực. Khi ứng suất cắt phát sinh do sự chênh lệch áp lực ấy lớn lên và phát triển trong khối đất đến một trị số nào đó hoặc trong một miền nào đó trong khối đất mà cường độ chống cắt của bản thân đất không chịu nổi thì sự phá hỏng sẽ xảy ra. 9 Khi mái đất bị phá hỏng, mặt trượt hình thành và phân mái đất làm hai phần, phần đất đứng yên ở dưới mặt trượt và phần đất trượt trên mặt trượt (hình 1. Lớp đất mỏng dọc theo mặt trượt bị xáo động mạnh do ứng suất cắt phát sinh vượt quá cường độ chống cắt của đất.
Hình dạng mặt trượt Dù bị phá hoại ở dạng nào, sự phá hoại khối đất là một hiện tượng cơ học dẫn khối đất trượt ở vị thế ổn định hơn trên mặt trượt đã hình thành (Hình 1. Do vậy, mọi tác nhân thiên nhiên hoặc nhân tạo gây ảnh hưởng đến sự chênh áp suất trong khối đất đều được coi là những yếu tố gây nên sự hình thành mặt trượt trong khối đất. Sự thay đổi các điều kiện khí hậu thuỷ văn như mưa nhiều sau thời kỳ nắng hạn (nứt nẻ, sũng nước); sự biến đổi về điều kiện thoát nước, cấp nước (tắc lọc, mất thảm thực vật; tăng tải ở đỉnh, giảm tải ở chân; động đất .) đều là những động lực thúc đẩy sự hình thành mặt trượt phá hoại khối đất. Các thay đổi nêu trên có thể tác động ngay hoặc kéo dài trong một thời gian dài rồi đột biến gây sự cố: khối đất trượt trên mặt trượt đến vị trí cân bằng hơn.
Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt trượt có dạng của mặt cong hai chiều hoặc mặt trụ. Để đơn giản tính toán mà thiên về an toàn, sự phân tích ổn định của khối đất thường được xét như bài toán phẳng với mặt trượt dạng trụ tròn. Kết luận về mặt trượt phá hoại khối đất Từ những điều trình bày trên, có những điều cần quan tâm khi phân tích ổn định mái đất và nền đất. Sự phá hoại khối đất (mái đất, nền dốc) là sự phá hoại cắt trượt theo một mặt trượt nhất định - mặt trượt nguy hiểm nhất.
Khi phân tích ổn định khối đất, giả thiết mọi điểm thuộc mặt trượt đều ở trạng thái cân bằng giới hạn giả định là chấp nhận được, tức công 10 nhận đẳng thức : τ = τ 0m (1.1) Trong đó: τ - Ứng suất cắt tại điểm đang xét (kN/m hay kPa) 2 τ 0m - Cường độ chống cắt huy động của đất nơi đang xét (kN/m hay 2 kPa), xác định theo công thức Coulomb 1 τ 0m = .2) F Trong đó: F- Hệ số huy động cường độ chống cắt của đất nền thuộc mặt trượt. σ - Ứng suất tổng vuông góc với mặt trượt nơi đang xét (kN/m hay kPa). 2 u- Áp lực nước lỗ rỗng nơi đang xét (kN/m2 hay kPa). ϕ ', c ' - Góc ma sát (độ) và lực dính đơn vị (kN/m hay kPa) của đất nơi 2 đang xét, xác định theo phương pháp cắt thoát nước.
Nếu gặp đất sét có tính thấm nước rất kém thì thường dùng công thức sau để tính: 1 =τ 0m .3) F Trong đó: ϕ , c - Góc ma sát và lực dính đơn vị của đất nơi đang xét, xác định theo phương pháp cắt không thoát nước. Trong cả hai công thức trên, trị số σ được tính với trọng lượng đất no nước γ bh và cả trọng lượng cột nước mặt nếu có trên khối đất trượt. Đất thuộc khối đất trượt hầu như không bị xáo động do trượt. Do đó khi phân tích ổn định mái đất, nền đất, giả thiết khối đất trượt ứng xử như vật thể rắn là chấp nhận được.
Kết cấu đập đất và điều kiện vật liệu xây dựng đập 1. Kết cấu đập đồng chất: Kết cấu đập đồng chất là loại đập được xây dựng khá phổ biến ở nhiều địa phương. Đập được đắp bằng một loại vật liệu địa phương sẵn có tại chỗ như đất đỏ Bazan, đất trầm tích, đất tàn tích, sườn tàn tích có tính trương nở co ngót mạnh [7]. Đập đồng chất đắp bằng đất có hệ số thấm lớn, để đảm bảo được ổn định thấm biện pháp thường dùng là tăng mặt cắt kích thước đập và khối lượng đất đắp đập Ưu điểm kết cấu đập đồng chất: + Kết cấu đập đơn giản + Sử dụng vật liệu tại chỗ + Thi công dễ dàng và nhanh chóng Nhược điểm: + Kích thước mặt cắt đập thường lớn + Khối lượng đất đắp và chi phí đền bù cao Hình 1.3: Kết cấu đập đất đồng chất 1.
Kết cấu đập không đồng chất Trong thực tế đất đắp đập không đồng chất một loại, có nhiều bãi vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau. Trong trường hợp đó phải nghiên cứu kết cấu đập để sử dụng hợp lý các loại đất nhằm khắc phục các mặt bất lợi và phát huy được các mặt lợi của chúng để phòng tránh sự cố đập do đất gây ra. Mặt khác cũng để tận dụng tối đa các vật liệu sẵn có tại chỗ giảm chi phí đầu tư [7]. 12 Đập không đồng chất có mặt cắt hỗn hợp nhiều khối được xây dựng phổ biến trong khu vực đặc biệt là vùng Nam Trung Bộ, nguyên tắc bố trí đất đắp trong các vùng của thân đập như sau: + Đất có hệ số thấm K< 1*10-4 cm/s không bị ướt lún, không tan rã mạnh, không bị trương nở tự do mạnh có thể bố trí bất kỳ vùng nào trong thân đập.
+ Đất có hệ số thấm K> 1*10-4 cm/s hoặc bị lún ướt lớn, hoặc tan rã mạnh không được bố trí ở các vùng I và vùng II, có thể bố trí tại vùng III với điều kiện phải có biện pháp cách ly nước thấm và tiêu thoát tốt nước mưa. + Đất trương nở tự do mạnh, hệ số thấm K> 1*10-4 cm/s không được bố trí tại vùng A, B, III, có thể bố trí ở vùng C nhưng phải có biện pháp hạ thấp đường bão hòa và cách ly, tiêu thoát nước mưa tốt. Ưu điểm kết cấu đập không đồng chất, nhiều khối đất đắp: + Tận dụng được các loại vật liệu tại chỗ của địa phương + Kết cấu ổn định, khả năng chống thấm tốt Nhược điểm: + Kết cấu phức tạp + Thi công khó khăn Hình 1.