Một số vấn đề về khảo sát địa chất công trình

khi xây dựng đập lớn

PGS.TS. Phạm Hữu Sy

   Đại học Thuỷ lợi

Tóm tắt: Nói chung đập lớn là đập mà khi xảy ra sự cố sẽ gây thiệt hại lớn, vì vậy việc khảo sát, thiết kế, thi công cần phải hết sức cẩn thận để hạn chế khả năng xảy ra sự cố. Cho đến nay ở Việt Nam chưa có quy phạm khảo sát địa chất dành riêng cho đập lớn. Tác giả khuyến cáo, ngoài việc tuân thủ quy phạm hiện hành về khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình thuỷ lợi, để tăng mức độ an toàn cho công trình cần lưu ý đến 7 vấn đề mà trong bài báo đã trình bày tương đối chi tiết, đó là các vấn đề: áp dụng kết hợp nhiều phương pháp khảo sát; độ sâu khảo sát nên đạt đến giá trị lượng mất nước đơn vị nhỏ hơn 0,01 l/ph.m khi thí nghiệm ép nước trong khi khoan; phạm vi đo vẽ địa chất công trình nên mở rộng hơn quy định; chú ý đến động đất kích thích do xây dựng hồ chứa; ổn định mái hố móng do giản ứng suất; ổn định thấm do cột nước cao và vấn đề từ biến của đá, đặc biệt là của vật chất gắn kết trong kẽ nứt của đá.

Abstract: Generally, high dam is that when happen a catastrophe with it will cause serious damage, so, it must be very carefully while conducting geotechnical investigation, design and construction in order minimize risk. Up to now in Vietnam there is not state standard for geotechnical investigation for high dam. The author of the paper advised that, beside of following present investigation standard for irrigation construction it must be pay attention on 7 problems. They are: using many different methods for investigation works; investigation depth deeper than the depth where discharge of water in water compress test in bore hole less than 0,01 l/min.m; geotechnical surveying larger then usual; paying attention on reservoir-induced earthquakes; instability of foundation hole's slope causing by decreasing of stress; permeability due to high hydraulic head and deformation of rock, especially cement in fracture  due to constant load.

Vấn đề "đập lớn" ở Việt Nam mới chỉ được quan tâm gần đây. Hội đập lớn Việt Nam mới chỉ được thành lập năm 2004. Cho đến nay, định nghĩa "đập lớn" vẫn chưa được thống nhất. Theo cách hiểu thông thường, đập lớn phải là đập cấp I, cấp II, tức là lớn về quy mô (chiều cao đập và thể tích trữ nước) mà khi xảy ra sự cố gây thiệt hại lớn về kinh tế và con người. Tuy nhiên, cũng có người cho rằng có những đập không lớn về quy mô nhưng sau đập là các công trình trọng điểm quốc gia mà khi xảy ra sự cố đập gây thiệt hại lớn cho Nhà nước thì cũng phải được xếp vào loại đập lớn. Như vậy, các cách hiểu có thể khác nhau về quy mô công trình nhưng đều đồng nhất với nhau về mức độ thiệt hại do chúng gây ra. Vì vậy, vấn đề khảo sát địa chất công trình mà bài báo này đặt ra ở đây không chỉ liên quan đến quy mô công trình mà là các vấn đề chung cần xem xét lưu ý khi tiến hành khảo sát để bảo đảm tăng độ an toàn cho công trình.

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, công trình lớn được hiểu ngay là nhà cao tầng. Tuy chưa có một văn bản chính thức nào định nghĩa cao bao nhiêu thì được gọi là nhà cao tầng nhưng thông thường được hiểu phổ biến là từ 8 tầng trở lên và đã có một tiêu chuẩn ngành về khảo sát địa chất công trình cho xây dựng nhà cao tầng, đó là tiêu chuẩn TCXD 194:1997 Nhà cao tầng - Công tác khảo sát địa kỹ thuật.

Trong lĩnh vực thuỷ lợi - thuỷ điện, cho đến nay như đã nói, ngay cả thuật ngữ cũng chưa thống nhất nên chưa có một tiêu chuẩn quy phạm nào quy định công tác khảo sát địa chất công trình cho xây dựng đập lớn. Như vậy, rõ ràng, khi lập đề cương và thực hiện công tác khảo sát địa chất công trình cho xây dựng đập lớn chúng ta vẫn phải tuân thủ quy phạm hiện hành "Tiêu chuẩn ngành 14 TCN 115-2000 - Thành phần, nội dung và khối lượng khảo sát địa chất trong các giai đoạn lập dự án và thiết kế công trình thuỷ lợi", thu thập đủ số liệu để kỹ sư thiết kế tính toán lún, ổn định trượt và ổn định thấm, tuy nhiên chúng tôi cho rằng nên lưu ý thêm một số vấn đề sau đây:

1. Về áp dụng các phương pháp khảo sát

Các phương pháp khảo sát địa chất công trình để thu thập thông tin về các điều kiện địa chất công trình thông thường bao gồm:

- Đo vẽ địa chất công trình

- Khoan, đào thăm dò

- Thăm dò địa vật lý

- Thí nghiệm hiện trường (CPT, SPT, xuyên động, nén hông lổ khoan, cắt, nén trong hố đào, đổ nước, hút nước, ép nước trong hố khoan,...)

- Thí nghiệm trong phòng.

Khi khảo sát địa chất cho các công trình thông thường có thể chỉ áp dụng một hoặc hai phương pháp khảo sát nhưng đối với các đập lớn, nên kết hợp nhiều phương pháp để có kết quả bổ sung cho nhau, kiểm tra lẫn nhau. Nên tăng cường thí nghiệm hiện trường và trong phương pháp này nên thực hiện kết hợp nhiều loại thí nghiệm, ví dụ, nén tĩnh với nén hông lổ khoan; xuyên tĩnh với SPT,.... Khi các kết quả khảo sát thu được từ các phương pháp khảo sát khác nhau mà vênh nhau chúng ta nên phân tích kỹ lưỡng để lựa chọn kết quả hợp lý. Ví dụ, khi áp dụng đồng thời cả khoan, xuyên tĩnh, địa vật lý điện và địa chấn để xác định địa tầng mà kết quả không thật phù hợp, hãy phân tích lịch sử phát triển địa chất, các quy luật địa chất để phân lớp. Khi áp dụng đồng thời cả thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định các tính chất cơ lý của đất mà không phù hợp nhau, hãy kết hợp phân tích nguồn gốc hình thành đất để lựa chọn. Chúng tôi có trao đổi với một số chuyên gia thiết kế, một số người thích các kỹ sư địa chất công trình đánh thấp các chỉ tiêu xuống để thiết kế cho an toàn. Chúng tôi nói rằng không phải lúc nào điều đó cũng đúng. ở đây chúng ta không bàn về cơ chế thẩm tra, thẩm định mà chỉ nói thuần tuý về góc độ chuyên môn. Đối với nhiều trường hợp, sau khi có kết quả thí nghiệm mẫu, khi cung cấp cho thiết kế thường đánh thấp xuống thì an toàn hơn nhưng cũng có trường hợp phản tác dụng. Ví dụ, đối với thí nghiệm đất đắp đập. Khi thiết kế với chỉ tiêu thí nghiệm thực, đất trong thân đập sẽ được đầm đủ độ chặt tối đa, sẽ hạn chế khả năng trương nở khi hồ tích nước. Ngược lại, khi người kỹ sư địa chất cung cấp chỉ tiêu g_k nhỏ hơn chỉ tiêu thí nghiệm thực để thiết kế, thi công sẽ chóng đạt yêu cầu nhưng thực tế đất trong thân đập chưa đủ độ chặt tối đa sẽ phát huy trương nở khi tiếp xúc với nước. Đã có công trình nghiên cứu để chứng minh điều đó. Đối với đất nền cũng vậy, khi đào hố móng là đã bóc đi một lượng đất nhất định, tức là đã làm giảm tải ở độ sâu đặt móng. Tải trọng công trình thiết kế có "trách nhiệm" bù lại phần đất đã bóc đi. Nếu lấy nhỏ giá trị g_tn của đất nền, trong trường hợp đất nền có tính trương nở có thể dẫn đến thiết kế sai làm nứt công trình. 18/24 công trình trên cùng một quả đồi đất đỏ basalt ở Hướng Hoá - Quảng Trị mà chúng tôi quan sát được đã chứng tỏ điều đó. Nhà càng nhẹ càng bị nứt nhiều.

2.  Độ sâu khảo sát

Theo tiêu chuẩn ngành 14 TCN 115-2000, độ sâu các công trình thăm dò cho công trình đầu mối ứng với từng giai đoạn khảo sát như sau:

Đối với giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi, khi mà chưa biết địa tầng của khu vực thì xác định độ sâu thăm dò theo kinh nghiệm (2/3¸1)H là hợp lý nhưng đối với các giai đoạn sau, khi đã biết địa tầng thì nên căn cứ vào địa tầng, lượng mất nước đơn vị và mức độ phát triển của các kẽ nứt kiến tạo (nếu có). Thông thường khi khoan ở vị trí dự kiến xây dựng đập bao giờ cũng đồng thời thí nghiệm ép nước trong hố khoan. Vậy thì đối với các giai đoạn sau, nên khoan đến độ sâu mà lượng mất nước đợn vị nhỏ hơn 0,01 l/ph.m liên tục trong 3 đoạn ép (mỗi đoạn ép 5m) thì dừng. Đập lớn trong nhiều trường hợp thường liên quan với cột nước lớn. Nếu quy định (2/3¸1)H có khi không kinh tế nếu nền là đá macma liền khối ít nứt nẻ hoặc không an toàn nếu là đá trầm tích xen kẹp lớp yếu trong những vùng chịu vận động kiến tạo mạnh trong quá khứ. Ngoài ra, khi nền đập có đứt gãy kiến tạo cắt qua và đã có hố khoan bắt gặp ở độ sâu nào đó thì nhất thiết phải nghiên cứu kỹ đới phá huỷ hoặc chiều dài gặp bùn đoạn tầng, căn cứ vào chiều dài bắt gặp và góc nghiêng để quy đổi chiều rộng của đứt gãy. Những thông số này rất quan trọng khi phân tích dự báo khả năng phát sinh động đất kích thích mà sẽ đề cập thêm dưới đây.

Ngoài điều quy định độ sâu (2/3¸1)H, các điều quy định khác đều không rõ ràng, ví dụ, "Tới lớp có khả năng làm nền công trình mà dưới tác dụng của công trình không làm ảnh hưởng tới sự thay đổi trạng thái của chính lớp đất đá nền đó". Người kỹ sư địa chất công trình không phải là nhà thiết kế, không thể tính để kiểm tra khả năng ảnh hưởng của công trình tới sự thay đổi của nền, càng không thể tính ở hiện trường trong thời gian đang khoan để có thể cho dừng khoan được hay chưa. Điều đó chỉ có thể nhận định cảm tính khi nền đá đã chuyển sang một loại cứng hơn hẳn những lớp đã khoan qua. Khi giám sát khoan cho nhà máy xi măng Nghi Sơn, chúng tôi đã gặp trường hợp hố khoan xâm nhập vào đá liền khối liên tục 5m không có một kẽ nứt nào nhưng sau đó lại tiếp tục gặp bùn vì đó chỉ là một khối đá lăn. Nếu quy định khoan vào đá phong hoá vừa 1¸3m trong trường hợp này thật là nguy hiểm.

3. Phạm vi đo vẽ địa chất công trình

Theo tiêu chuẩn ngành 14 TCN 115-2000, phạm vi đo vẽ địa chất công trình đối với hồ chứa và đập dâng trong các giai đoạn khảo sát như sau:

Các số liệu 2H, 4H về phía thượng, hạ lưu và 1H về phía 2 vai đập là dựa trên cơ sở kinh nghiệm tổng kết nhiều năm, từ nhiều công trình. Cho đến nay, cũng chưa có cơ sở nào để có thể thay đổi các mức định lượng phạm vi đo vẽ nêu trên nhưng chúng tôi cho rằng, đối với đập lớn, với quan điểm tăng mức độ an toàn để giảm nguy cơ tai biến nên mở rộng phạm vi đo vẽ vì rằng ngoài mục đích là để phát hiện sớm các khối trượt, nguy cơ lũ quét nó còn giúp đánh giá khả năng mất nước qua các lũng sông bên cạnh vì khi cao trình mực nước dâng lên cao tức là rút ngắn quảng đường thấm sang lũng sông bên cạnh.

4. Vấn đề động đất.

Động đất là một tai biến địa chất mà cho đến nay chưa thể dự báo được một cách chính xác cả về cường độ, vị trí và thời điểm, vì vậy, rất nguy hiểm đối với xây dựng công trình nói chung, hồ chứa nói riêng và đặc biệt đối với các đập lớn. Không những vậy, những năm gần đây người ta phát hiện ra rằng việc xây dựng hồ chứa có thể gây ra động đất (thường được gọi là động đất kích thích). Khi hồ chứa Koyna (ấn độ) tích nước, các trận động đất nông cục bộ đã xảy ra thường xuyên ở vùng mà trước đây hầu như không có chấn động. Sau 5 năm hồ này tích nước, một trận động đất 6,5 độ đã xảy ra, giết chết 177 người và bị thương hơn 2000 người. Người ta đã quan sát được rằng các cơn địa chấn tăng lên theo mùa tăng của mực nước hồ. Như vậy, rõ ràng là việc xây dựng hồ chứa có thể gây ra động đất và động đất có thể tác động trở lại, gây phá huỷ đập và gây nên tai hoạ lớn. Trong khi đó từ trước đến nay, khi khảo sát địa chất, kỹ sư địa chất chỉ căn cứ vào bản đồ phân vùng địa chấn để cung cấp cho nhà thiết kế cấp động đất dự báo của vùng. Người nào cẩn thận hơn, có thể căn cứ thêm vào bản đồ kiến tạo để phân tích thêm một vài thông tin. Vấn đề động đất kích thích đang còn nhiều tranh luận vì rằng ứng suất tăng thêm do trọng lượng cột nước gây ra tại độ sâu phát sinh địa chấn rất không đáng kể nhưng động đất vẫn xảy ra nhưng nói chung khi xây dựng đập lớn, vấn đề xác định cấp động đất để đưa vào tổ hợp lực khi tính toán thiết kế không nên đơn thuần chỉ căn cứ vào bản đồ địa chấn như trước đây.

Động đất còn nguy hiểm hơn đối với trường hợp nền đập có cát. Thông thường khi phải thiết kế đập ở những nơi có lớp bồi tích sông quá dày, người ta chỉ bóc bỏ một phần, phần còn lại chỉ xử lý chống thấm. Khi xảy ra động đất, dưới tác dụng của sóng động đất cát sẽ chuyển sạng trạng thái "hoá lỏng", mất khả năng chịu tải hoàn toàn và đập sẽ bị vỡ.

5. Vấn đề ổn định mái hố móng.

Đập lớn trong nhiều trường hợp là đập cao và đặt trên nền đá. Vì vậy, hố móng thường phải sâu và thời gian phải thi công các công việc trong hố móng cũng lâu hơn. Khi ta bóc đi một khối lượng đất lớn tạo nên một hố lớn, sẽ xảy ra tình trạng giản ứng suất của đất đá ở hai bên bờ. Kỹ sư thiết kế chỉ căn cứ vào các chỉ tiêu cơ lý của đất đá khi khảo sát tức là ở trạng thái độ chặt tự nhiên để thiết kế mái hố móng bảo đảm ổn định nhưng thực tế do quá trình giản ứng suất, các chỉ tiêu g, j, C đều giảm và mái hố móng có thể bị trượt. Đối với các hố móng sâu, mái hố móng càng dễ mất ổn định khi được cấu tạo bởi đá trầm tích có thế nằm bất lợi (đổ ra ngoài) và có xen kẹp các lớp sét kết mỏng.

6. Vấn đề ổn định thấm.

Đập lớn thường có tuổi thọ thiết lế lâu dài. Với những đập lớn đồng thời có cột nước lớn cần phải xem xét khả năng phát triển quá trình xói ngầm, ngay cả trong trường hợp xây dựng trên nền đá. Chúng ta biết rằng xói ngầm là một quá trình tăng tiến. Dưới tác dụng của cột nước thuỷ lực lớn trong thời gian lâu dài, quá trình xói ngầm có thể đạt đến mức nguy hiểm, rửa sạch toàn bộ vật chất lấp nhét trong các kẽ nứt, hậu quả kéo theo là tăng độ lún và làm biến dạng công trình. Vì vậy, đối với các đập lớn có lẽ nên quyết định xử lý chống thấm cho nền đập ngay trong trường hợp lượng mất nước đơn vị nhỏ hơn 0,01 l/ph.m chứ không phải chỉ khi lớn hơn giá trị này.

7. Tính từ biến của đá và sự suy giảm cường độ của đá yếu, vật chất xi măng trong các kẽ nứt.

Đối với các đập lớn nhưng cột nước nhỏ vấn đề này không đặt ra nhưng với các đập lớn mà có chiều cao lớn vấn đề này cấn được xét đến. Đối với các đập thấp, khi tải trọng đập nhỏ hơn nhiều so với sức chịu tải của đất đá nền, việc kiểm tra ổn định trượt của nền tiến hành bình thường và sẽ không có vấn đề gì. Trong trường hợp là đập lớn, tải trọng thân đập gần đạt đến tải trọng giới hạn của nền và tác dụng trong thời gian lâu dài, sẽ phát sinh tính từ biến trong đất đá nền, gây nguy cơ mất ổn định, trượt mái đập thượng hoặc hạ lưu. Điều đó sẽ càng dễ xảy ra khi nền là đá trầm tích gắn kết yếu, các loại đá đã bị phong hoá không đều, phong hoá dạng tuyến, khi nền là đá cứng nhưng có vất chất xi măng gắn kết trong các kẽ nứt không được tốt. Vì vậy, như đã nói ở mục 1, đối với đập lớn nên tăng cường thí nghiệm hiện trường. Nên thí nghiệm nén tĩnh ở hố móng công trình, ở các hầm thăm dò tại độ sâu đáy hố móng. Khi đã mở hố móng, nên lựa chọn vị trí thí nghiệm sao cho mép bàn nén trùng với mặt kẽ nứt để tạo thế bất lợi nhất./.

Đóng góp ý kiến về bài viết này