BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN VĂN HIỂN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ĐỘ CHẶT ĐẮP ĐẬP HỢP LÝ TRONG
ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO CHO VÙNG BẮC TRUNG BỘ VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 62 58 40 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016


Công trình được hoàn thành tại Truờng Ðại học Thủy Lợi

Nguời hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Văn Hùng
Nguời hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Lê Kim Truyền

Phản biện 1: PGS.TS Vũ Hữu Hải
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Phƣơng
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Bỉnh Thìn

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại:
ROOM 5 - K.1 - Trường Ðại học Thủy lợi địa chỉ số 175 Tây Sơn - Đống Đa Hà Nội - Việt Nam. Vào hồi 14h ngày 16 tháng 12 năm 2016


đập đất đá trong điều kiện độ ẩm cao. Để đáp ứng được mục tiêu hoàn thành
xây dựng công trình, đảm bảo chất lượng, thi công đúng tiến độ, giá thành hợp
1


lý và giảm thiểu hậu quả, thiệt hại kinh tế và tác động xấu đến an sinh xã hội,
chúng ta cần phải có giải pháp chủ động trong quá trình thiết kế, thi công đập
đất bằng phương pháp đầm nén phù hợp trong điều kiện độ ẩm cao. Điều đó
thôi thúc tác giả nghiên cứu đề xuất giải pháp kịp thời nhằm đáp ứng được yêu
cầu của lý luận và thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án nghiên cứu đất và các chỉ tiêu của đất đắp đập khu vực Bắc Trung bộ
và và đề xuất giải pháp về thiết kế, thi công xây dựng đập đất đầm nén hợp lý
và an toàn để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng
của đất nước.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu đất và các chỉ tiêu của đất đắp đập, giải pháp về thiết kế, thi
công xây dựng đập đất đầm nén khu vực Bắc Trung bộ (từ Thanh Hóa đến
Thừa Thiên Huế). Cụ thể luận án tập trung vào nghiên cứu về lý thuyết và thực
nghiệm cho đất đắp đập của Bắc Trung bộ; Sau đó ứng dụng kết quả nghiên
cứu vào lựa chọn độ chặt và độ ẩm hợp lý để xây dựng đập đất.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên đây, tác giả sẽ tập trung vào nghiên cứu các nội dung
chính như sau:
a) Nghiên cứu về vật liệu đắp đập và điều kiện tự nhiên của khu vực Bắc Trung
bộ (từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế), đánh giá đặc trưng đất xây dựng của
khu vực khi sử dựng đắp đập;
b) Đề xuất giải pháp giảm ẩm thích hợp đối với đất đắp đập của khu vực;
c) Nghiên cứu thực nghiệm để lựa chọn độ chặt hợp lý khi đắp đập trong điều
kiện độ ẩm cao của khu vực;

gốc trầm tích. Đã đánh giá một cách khoa học về tính chất cơ lý của đất dính

3


(trầm tích) ở Bắc Trung bộ không trương nở hoặc trương nở yếu, không tan rã
hoặc tan rã yếu;
(2) Đã lựa chọn độ chặt đắp đập đối với: Khối chống thấm là đất trầm tích, chọn
K≥0,94 với độ ẩm W=Wopt + (4÷6)%; Khối chịu lực, thường là đất tàn tích và
hỗn hợp đào móng các hạng mục khác, chọn K≥0,97;
(3) Đã đề xuất được giải pháp giảm ẩm khi đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao,
sử dụng đệm cát có chiều dày 50cm cho bãi trữ đất dính phù hợp với thực tiễn
khu vực Bắc Trung bộ, Việt Nam;
(4) Đã xây dựng được qui trình xác định tốc độ đắp đập khi đắp với đất có độ
ẩm cao nhằm đem lại hiệu quả cao, đẩy nhanh tiến độ thi công các đập đất
trong vùng nghiên cứu.
8. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương chính:
Chương 1. Tổng quan về xây dựng đập đất đầm nén
Chương 2. Cơ sở khoa học và thực tiễn xây dựng đập đất đầm nén
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng đập đất đầm nén trong điều kiện
độ ẩm cao
Chương 4. Lựa chọn độ chặt đắp đập hợp lý cho vùng bắc trung bộ trong điều
kiện độ ẩm cao
CHƢƠNG 1
1.1
1.1.1

TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT ĐẦM NÉN


công gây lãng phí rất lớn cho xã hội. Vì vậy, nghiên cứu giải pháp lựa chọn độ
ẩm độ chặt hợp lý cho khu vực này là vấn đề thời sự ơ khu vực này.
1.3

Kết luận chƣơng 1

Thông qua các nghiên cứu tổng quan trên đây, tác giả thấy rằng cần phải nghiên
cứu xây dựng các đập đất đầm nén trong điều kiện độ ẩm cao cho khu vực Bắc
Trung bộ. Việc thi công đập đất trong điều kiện độ ẩm cao sẽ có nhiều thay đổi
về tốc độ đắp đập cũng như các chỉ tiêu cơ lý của đất đăp đập. Để lượng hóa
các thay đổi trên cần được tiến hành nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu về vật liệu đắp đập và điều kiện tự nhiên của khu vực Bắc
Trung bộ, từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế, đánh giá đặc trưng đất xây dựng
của khu vực khi sử dựng đắp đập;
- Đề xuất giải pháp giảm ẩm thích hợp đối với đất đắp đập của khu vực;
- Lựa chọn độ chặt hợp lý khi đắp đập trong điều kiện độ ẩm cao;
5


- Xác định tốc độ đắp đập phù hợp với độ chặt và độ ẩm lựa chọn;
- Áp dụng kết quả nghiên cứu mới vào đánh giá an toàn trong thi công của
đập Đá Hàn và đập Tả Trạch.
CHƢƠNG 2
2.1

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÂY DỰNG ĐẬP
ĐẤT ĐẦM NÉN

Đặt vấn đề




2.2.3

Tính hút ẩm của đất

Đất có tính hút ẩm và chiều cao hút ẩm (mao dẫn) phụ thuộc vào thành phần
khoáng và hình dạng lỗ hổng, nó giảm dần từ mica, thạch anh, fenspat. Đối với
hạt d
cố kết được bắt đầu thì phải gia tải và có thể phải mất nhiều năm mới đạt được
độ lún cuối cùng.

7


2.3

Tính đầm chặt và lựa chọn độ ẩm đắp đất dính

2.3.1

Lý thuyết về tính đầm chặt

Như chúng ta đã biết: Vật liệu đất gồm ba thể, đó là thể rắn của hạt đất, thể lỏng
của nước và thể khí của không khí. Thông thường thể rắn và thể nước không
thể nén lại được, cho nên thực chất đầm chặt đất làm cho các hạt đất có nước
bao bọc xung quanh ép đầy vào các khe hở của các hạt đất, từ đó đẩy không khí
ra khỏi khối đất, làm cho hệ số độ rỗng của đất giảm nhỏ, độ chặt (mật độ) của
đất tăng. Rõ ràng quá trình đầm chặt đất là một quá trình sắp xếp lại ba thể của
đất dưới tác động của ngoại lực. Khi đất được đập chặt các tính chất cơ lý của
nó tốt hơn rất nhiều so với trạng thái rời. Mục đích nghiên cứu với công năng
đầm chặt nhỏ nhất có thể thu được hiệu quả đầm chặt lớn nhất đã thúc đẩy sự
phát triển lý luận và kỹ thuật thi công về đầm chặt đất.
2.3.2
•

Lựa chọn độ chặt và độ ẩm đất dính
Hệ số đầm nén yêu cầu nhằm tránh lún sụt khi tích nước:
- Khi đất khô W≤Wopt :

8


lý, khí hậu và lịch sử hình thành của đất phải nghiên cứu cụ thể do tính đặc thù
của chúng.
Hệ thống tiêu chuẩn giữa Nga, Việt Nam và các nước phương tây tuy có đôi
chỗ khác nhau về phân loại đất nhưng về bản chất là thống nhất. Trong luận án
tác giả không muốn thay đổi mà để nguyên bản có chú thích. Vấn đề này dần
dần sẽ được khắc phục trong hệ thống TCVN.
Điểm rõ ràng nhất chỉ ra khi nghiên cứu ứng dụng là sự phụ thuộc của sức
kháng cắt vào độ chặt của đất và loại đất. Khi thiết kế và thi công cũng như ứng
dụng công nghệ cần xem xét vận dụng vào điều kiện cụ thể khu vực và điều
kiện tự nhiên, vật liệu.
Nội dung chương 2 cũng đã cập nhật đầy đủ thành tựu nghiên cứu cho đất Nam
Trung bộ, Tây Nguyên và Đông Nam bộ của các nhà khoa học Việt Nam để
vận dụng kế thừa trong nghiên cứu ứng dụng.
Các nghiên cứu từ trước đến nay cho thấy, đất có tính đầm chặt, chỉ tiêu cơ lý
phục vụ xây dựng tốt lên theo độ chặt; đất dính có tính hút ẩm và mao dẫn cao;
tính thoát nước và cố kết theo thời gian khi gia tải.
Khi lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đất đắp đập: Đối với đất có các chỉ
tiêu cơ lý đặc biệt (trương nở, co ngót, tan rã lún ướt mạnh) cần tuân thủ qui
định hiện hành; Đối với đất không phải đặc biệt, nên lựa chọn tối ưu hóa các
chỉ tiêu nội tại của loại đất sử dụng và có tính khả thi.
Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam hiện nay đang tiếp cận theo hướng sử dụng
độ chặt đầm nén trong thiết kế và thi công, nên đã phù hợp trong ứng xử với vật
liệu đất đắp đập. Tuy nhiên, khi đồng nhất một độ chặt như nhau cho mọi loại
đất khi đắp, sẽ dẫn đến lãng phí lớn và khó khăn trong quá trình thi công.
Đối với đất khu vực nghiên cứu không phải đất có tính chất cơ lý đặc biệt, nên
cần phải tiếp cận lựa chọn tối ưu hóa các chỉ tiêu nội tại của loại đất sử dụng và
có tính khả thi.

STT
1
2
3

Bảng 3.3 Bảng thống kê khối lượng thí nghiệm trong phòng
C. trình
Công tác
Đơn vị
Khối lượng
Tả Trạch
TN 17 chỉ tiêu
Tổ mẫu
427
TN tương quan K, k, φ, c, W
Tổ mẫu
68
Ngàn Trươi
TN 17 chỉ tiêu
Tổ mẫu
4
TN tương quan K, k, φ, c, W
Tổ mẫu
11
Thủy Yên
TN 17 chỉ tiêu
Tổ mẫu
11
TN tương quan K, k, φ, c, W
Tổ mẫu

Áp lực trương nở P (kG/cm2)
Tính tan rã

Mỏ đất ở công trình Tả Trạch
VĐ1
VĐ2
1 583 016
3 552 660
1,8
7,6
0,08
0,15
yếu-Không tan rã yếu-Không tan rã

Thông qua nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, tác giả xây dựng được tương
quan giữa [độ chặt đầm nén (K) và độ ẩm tương ứng (W)] với [các chỉ tiêu góc
ma sát (φ), lực dính (c), hệ số thấm (k) và dung trọng khô] như Hình 3.9, Hình
3.10, Hình 3.11.

Hình 3.9 Tương quan hệ số thấm với độ chặt đầm nén (k~K) của đất trầm tích
11


Hình 3.10 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất trầm tích

Hình 3.11 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất trầm tích
Biểu đồ Hình 3.9 cho thấy, khi độ chặt tăng thì hệ số thấm giảm. Nhưng khi
K≥0,94 thì hệ số thấm k 3.10-5(cm/s) và hầu như không giảm tiếp khi tăng độ
chặt K.
12

Hình 3.13 Tương quan góc ma sát với độ chặt đầm nén (φ~K) của đất tàn tích

Hình 3.14 Tương quan lực dính với độ chặt đầm nén (c~K) của đất tàn tích
14


3.4

Kết quả thí nghiệm hiện trƣờng

Kết quả đã thí nghiệm hiện trường được thể hiện ở Bảng 3.13.
Bảng 3.13 Tả Trạch-Bảng giá trị trung bình các chỉ tiêu thí nghiệm đất trầm
tích
TT

Năm

W (%)

γw (T/m3)

γk (T/m3)

k (cm/s)

φ (o)

c (kG/cm2)

K


22,73

0,24

≥0,95

3

2012

16,98

1,99

1,70

2,87E-06

21,51

0,22

≥0,95

4

2013

19,53



ẩm của đất trầm tích đến Wopt+(4÷6)% và giảm chi phí giảm ẩm đến gàn 50%
so với phương án truyền thống (phương án 1).
3.6

Kết luận chƣơng 3

Hệ số thấm k giảm khi độ chặt K tăng. Khi độ chặt K = (0,93÷0,94) tương ứng
với độ ẩm W =Wopt + 5,6%, thì k = 2.10-5 (cm/s), tiệm cận với giá trị nhỏ nhất.
Khi áp dụng độ chặt K=0,95, thì hệ số thấm hiện trường tương ứng là
k=3,63.10-6 (cm/s);
Góc ma sát φ và lực dính c đồng biến với độ chặt K và các giá trị này tiến đến
gần giá trị lớn nhất khi K=0,93 (đối vơi φ), K=0,98 (đối với c). Kết quả thu
được các giá trị của góc ma sát φ, lực dính c của các mẫu lấy từ hố khoan thân
đập lớn hơn của các mẫu lấy từ mỏ, nhưng sự khác biệt này không nhiều.
Đối với khối chống thấm bằng đất trầm tích thì chọn độ chặt K≥0,94 tương ứng
với độ ẩm W =Wopt + 5,6% là tối ưu về mặt chống thấm.
Đối với đất tàn tích đắp khối chịu lực, chọn hệ số đầm nén cho loại đất này
K=0,97, sẽ đáp ứng tốt nhất cho ổn định đập.
Giải pháp giảm ẩm bằng bãi trữ có đệm cát dày 50cm và độ ẩm đất khi đắp đập
W=Wopt + (4÷6)% tương ứng với độ chặt K=0,95.
CHƢƠNG 4 LỰA CHỌN ĐỘ CHẶT ĐẮP ĐẬP HỢP LÝ CHO VÙNG
BẮC TRUNG BỘ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỘ ẨM CAO
Kết quả nghiên cứu ở chương 3 cho thấy rằng có thể đắp đập với độ chặt
K≥0,95 thì có thể đảm bảo tiêu chí chống thấm của đập và các chỉ tiêu cơ lý φ,
c. Khi đó, đất đắp đập sẽ có độ ẩm cao gần với độ ẩm tự nhiên hơn nhưng dễ
sinh ra hiện tượng áp lực nước lỗ rỗng và thoát nước cố kết của đất dính, giảm
khả năng ổn định khi thi công của khối đắp. Vì vậy, cần phải xem xét tốc độ
đắp sao cho phù hợp, không gây mất ổn định.

nâng đập (m)
đêm)
(ngày đêm)
1,5
10
5
3,0
10
5
4,5
10
5

Tốc độ
trung bình
m/tháng
3,0
6,0
9,0

Hình 4.12 Mặt cắt ngang đập đồng chất Đá Hàn
1. Khối đá phản áp (đê quai thượng lưu); 2. Khối đất đắp đập; 3. Lớp đất nền
4a; 4. Lớp đất nền 4b; 5. Lớp đất nền 1c
Kết quả tính toán cho đập đồng chất thấy rằng:
Đập đồng chất, nếu chọn tốc độ 3m/tháng (tương ứng 3 ngày mới được 1 lớp
đầm) thì thỏa mãn mọi điều kiện K≥0,90 nhưng tốc độ này quá chậm;
17


Đập đồng chất, nếu chọn tốc độ 6m/tháng (tương ứng 1,5 ngày đắp được 1 lớp),


Tốc độ
trung bình
m/tháng
6,0
9,0
12,0

Kết quả tính toán cho đập nhiều khối cũng thấy rằng:
Sử dụng đập nhiều khối tăng nhanh được tốc độ đắp đập, so với đập đồng chất
thi tốc độ nâng đập tăng 2 lần;
Với K=0,95, tốc độ nâng đập 9m/tháng thích hợp nhất trong tổ chức thi công
(mỗi ngày đắp 1 lớp), cũng như đắp đập vượt lũ. Không nên chọn tốc độ nâng
đập nhanh hơn;
Trong tính toán đã chọn đồng nhất hệ số đầm chặt cho các khối. Nhưng nếu
chọn độ chặt K≥0,97 cho các khối thượng và hạ lưu, thì kết quả sẽ an toàn hơn
cho đập trong suốt quá trình thi công.

Hình 4.17 Mặt cắt ngang đập nhiều khối Tả Trạch
1. Khối đá phản áp; 2. Khối đất đắp đập PH 5&6; 3. Khối đất đắp đập 3b&5;
4. Khối đất đắp đập 2b; 5. Khối đất đắp đập 3b; 6. Khối cát thô; 7. Lớp đất nền
1A; 8. Lớp đất nền 6; 9. Lớp đất nền 5C; 10. Lớp đất nền 5B; 11. Lớp đất nền
7; 12. Lớp đất nền 8
18


4.1.3

Các bước tính toán giải bài toán xác định tốc độ đắp đập


đương với mục tiêu xác định được ổn định lún cố kết của nền và ổn định của
mái dốc theo thời gian.
4.2 Kiểm chứng cho đập đồng chất Đá Hàn và cho đập nhiều khối Tả
Trạch
4.2.1

Đập Đá Hàn

Theo tiến độ thực tế của phương án thi công được duyệt thì mặt cắt lòng sông
chính của đập Đá Hàn được thi công như sau:
- Đợt 1: Đắp đập chính từ cao trình 12,28m (vị trí thấp nhất) đến cao trình
30,00m từ ngày 10/4/2012 đến ngày 10/5/2012 (30 ngày);
- Đợt 2: Đắp tiếp đập chính từ cao trình 30,00m đến cao trình thiết kế
44,20m từ ngày 01/6/2012 đến ngày 15/8/2012 (75 ngày).
Như vậy, trong quá trình đắp đã có thời gian giãn cách (nghỉ đắp) từ ngày
11/5/2012 đến ngày 30/5/2012, tổng cộng là 20 ngày.
Bảng 4.15 Đập đồng chất - Tốc độ lên đập Đá Hàn ứng với độ đầm chặt K
TT

Khối
đắp

Thời

Thời gian

gian đắp

giãn cách



2

Khối 2

75

0

1,122

1,121

1,087

14

Kết quả tính toán như Bảng 4.15 cho thấy: Thực tế thi công đắp đập đất Đá Hàn
với K=0,97 là rất an toàn, nhưng để đáp ứng K=0,97, đã chậm tiến độ 1 năm do
phải chờ đất khô hơn cùng với các giải pháp tốn kém khác về thời gian và tiền
của. Giá như chúng ta xem xét K=0,95, thi công với đất ẩm hơn yêu cầu ban
đầu 2-3% thì có thể kịp tiến độ và giảm chi phí.
4.2.2

Đập Tả Trạch

Theo tiến độ thi công thực tế của đập Tả Trạch đã được duyệt thì mặt cắt lòng
sông chính (vị trí đập có chiều cao lớn nhất) được thi công như sau:
20


1

Khối 1

105

0

1,884

1,872

1,790

1,864

2

Khối 2

120

120

1,682

1,675

1,619


Kết luận chƣơng 4

Việc tính toán ổn định nền và mái dốc của đập trong quá trình thi công nên sử
dụng phần mềm Plaxis V8.5 hoặc các phương pháp khác tương đương với mục
tiêu xác định được ổn định lún cố kết của nền và ổn định của mái dốc theo thời
gian.

21


- Đối với đập đồng chất có chiều cao (15÷30)m thì chọn độ chặt K≥0,95 là
phù hợp cho thi công ở khu vực này;
- Đối với đập nhiều khối với các khối 2 bên lõi là đất có tính thấm lớn, nếu
K=0,90 thì tốc độ đắp tương đương như đập đồng chất đắp với K=0,95. Ở khu
vực này, đập nhiều khối thi công thuận lợi hơn nhiều so với đập đồng chất về
mặt đáp ứng yêu cầu tiến độ khẩn trương;
- Nên áp dụng độ chặt đầm nén khác nhau cho các khối đắp trên cùng mặt cắt.
Đối với các khối chịu lực, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị φ, c lớn nhất,
khi đó K≥0,97; Đối với khối chống thấm, thì chọn độ chặt tương ứng với giá trị
hệ số thấm nhỏ nhất, khi đó K≥0,94.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt đƣợc của luận án
1) Trong phần nghiên cứu tổng quan: Luận án đã nghiên cứu các nội dung đặt
ra cho vùng Bắc Trung bộ, từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế về lựa chọn độ
chặt và độ ẩm hợp lý khi xây dựng đập đất và các giải pháp thích hợp.
2) Kết quả nghiên cứu lý thuyết:
+ Khí hậu Bắc Trung bộ nóng ẩm, độ ẩm tương đối của không khí cao, độ ẩm
gần bão hòa thường kéo dài nhiều tháng trong năm. Việc giảm ẩm để thi công
đập là rất khó khăn;
+ Đất dính ở khu vực này không có các tính chất đặc biệt (trương nở, tan rã,

hỗn hợp đào móng các hạng mục khác, chọn K≥0,97.
3) Giải pháp giảm ẩm, sử dụng đệm cát có chiều dày 50cm cho bãi trữ đất
dính.

23