Khi gần đến cuối tuổi thọ vận hành đập, khả năng xảy ra các thay đổi về trường ứng suất và biến dạng vỏ trái đất - cũng như tác động cộng dồn của nó lên đặc tính đập - trở nên rõ rệt hơn.



Nhiều khi còn cần phải quan sát đập để theo dõi đặc tính của đập và phát hiện những sai lệch có thể có, ngay từ giai đoạn thiết kế và trong suốt thời gian sống của đập. Điều đặc biệt quan trọng là phải sớm nhận ra được những thay đổi, nhận diện nguồn gốc của chúng, chẩn đoán chiều hướng phát triển tiếp theo, và tác động tới độ an toàn của đập.

Xác định được nguyên nhân thực dẫn đến những thay đổi về đặc tính đập - đặc biệt khi quan sát được ở giai đoạn sớm - là nhiệm vụ phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều chuyên ngành.

Những thay đổi xảy ra trong đập có thể liên quan tới:

· Thay đổi các đặc tính vật lý và cơ học của đập, nền đá bên dưới đập hoặc cả hai.

· Các quá trình nội sinh xảy ra trong thạch quyển và sau đó qua nền đá bên dưới đập truyền đến bản thân đập (hoạt động kiến tạo).

Trong cả hai trường hợp nêu trên, những thay đổi hoặc dị thường trong đặc tính đập có thể là như nhau - và cả hai vấn đề đều được đề cập trong tài liệu này.

Bởi vì các dị thường về đặc tính móng đập liên quan tới các hoạt động nội sinh thường phát triển và xảy ra một cách gián đoạn nên thường thì người ta chỉ nhận diện được chúng sau một thời gian sử dụng đập - khi mà đập hoặc các kết cấu phụ trợ của đập đã bị hư hại.

Bài viết này nhằm giúp phát hiện và nhận diện sớm hiện tượng thứ hai nêu trên, và tác động của nó lên đặc tính móng đập. Ngoài ra, bài viết cũng nhằm khuyến khích việc nâng cấp và hiện đại hoá các hệ thống theo dõi, và các phương pháp giải thích dữ liệu.

Thay đổi trường ứng suất và biến dạng vỏ trái đất

Bản phân tích này coi vỏ trái đất như một nửa không gian (half-space) không đồng nhất được phân chia thành các khối đá mẹ (matrix block) bởi các gián đoạn lưới. Các gián đoạn chủ yếu được thể hiện bởi các đứt gãy gây ra bởi các hoạt động kiến tạo và các tải trọng khác, hoặc các thay đổi của chúng. Cả hai yếu tố của nửa không gian này (các đá mẹ và các gián đoạn) được đặc trưng bởi các đặc tính địa chất cơ học riêng ảnh hưởng tới biến dạng và trường ứng suất của vỏ trái đất, tức là đáp ứng của chúng đối với tác động của các quá trình ngoại sinh và nội sinh.

Trong vỏ trái đất, các trường ứng suất bề mặt có thể không đồng đều và chịu ảnh hưởng của các thay đổi về hình thái học, nhiệt độ, v.v. Thay đổi của các biến dạng trong vỏ trái đất hoặc đất đá do thay đổi tải trọng gây ra có quan hệ với biến dạng của các khối đá mẹ và của hệ thống các gián đoạn mà sau đây được gọi là các mối nối (joint). Đối với trường hợp hệ thống các mối nối, biến dạng của các gián đoạn có thể xảy ra theo hai hướng, hoặc là vuông góc với mặt phẳng gián đoạn, kể cả lỗ hở (aperture), hoặc là có thể trượt dọc theo vùng gián đoạn. Thậm chí có thể xảy ra đồng thời. Biến dạng loại trước là hàm phi tuyến của sự thay đổi ứng suất vuông góc với mặt phẳng các mối nối. Trường hợp lỗ hở nứt thì có nghĩa, là đã xảy ra đứt gãy cục bộ ở nửa mặt phẳng của thạch quyển. Lỗ hở gián đoạn xảy ra khi ứng suất hướng vuông góc với vùng gián đoạn có xu hướng trở nên chịu căng, do kết quả của sự thay đổi ứng suất.

Trường ứng suất trong phần trên của vỏ trái đất được tạo ra do trọng lực, các hoạt động kiến tạo (kể cả hiện tượng đá trồi), và các thay đổi về nhiệt độ. Trường ứng suất được thể hiện bởi các ứng suất chính và đường đẳng tà (trajectory) của các ứng suất cực đại chính. Nhìn chung, ứng suất chính trong thạch quyển tăng theo chiều sâu.

Trường ứng suất trong vùng hoạt động kiến tạo của vỏ trái đất thay đổi theo thời gian, ngoài tầm kiểm soát của chúng ta. Vị trí, phạm vi và tốc độ thay đổi này trong một vùng thạch quyển cụ thể và các đặc tính địa chất cơ học của nó tuỳ thuộc vào các quá trình kiến tạo cũng như sự thay đổi của các yếu tố ngoại sinh có thể tác động lên nó (xói mòn đất, tan băng hà, thay đổi áp lực thuỷ tĩnh, trượt lở đất, tải trọng các hồ chứa nhân tạo, v.v.).

Kèm theo những thay đổi về trường ứng suất trong vỏ trái đất là những biến dạng và dịch chuyển tương ứng (kể cả vùng trên của nó) cũng như các thay đổi (cục bộ) có thể xảy ra các đặc tính biến dạng của nó. Những thay đổi của các đặc tính biến dạng này có thể xảy ra ở qui mô địa phương hoặc qui mô vùng, sự phân bố dọc theo các gián đoạn có thể đồng đều hoặc không đồng đều (hoặc cả hai). Các dịch chuyển trong vỏ trái đất cũng có thể xảy ra mà không hề có thay đổi đáng kể về trường ứng suất (hiện tượng trườn, trượt, v.v.).

Những thay đổi về trường ứng suất xảy ra không theo qui luật với cường độ biến thiên, có hoặc không có những hiệu ứng động học có thể nhận thấy (động đất). Tại các vùng cắt qua các đường đẳng tà của các lực kiến tạo chủ đạo, sự thay đổi của trường ứng suất cùng các biến dạng có liên quan có thể đi chệch hướng nhau khá nhiều và không lường trước được.

Những thay đổi về trường ứng suất và biến dạng xảy ra trong vùng trên của vỏ trái đất có thể bị thay đổi bởi hình thái học tuyến đập. Sự thay đổi này có thể bao gồm việc giảm ứng suất dư cùng với các biến dạng và hiệu ứng động học liên quan. Những thay đổi này có thể xảy ra do các quá trình nội sinh và/hoặc ngoại sinh.

Trường hợp có sự trùng hợp giữa thay đổi tải trọng bên ngoài (ngoại sinh) của vỏ trái đất và các hoạt động kiến tạo thì có thể xảy ra các hiệu ứng bổ sung liên quan với tương tác giữa chúng. Dâng nước và tháo nước hồ chứa nhân tạo, hoặc mực nước ngầm thăng giáng nhiều đều có thể gây ra chuyển dịch so lệch (differential movement) dọc theo vùng gián đoạn. Trường hợp sau liên quan tới việc giảm ứng suất tiếp xúc.

Thay đổi trường ứng suất và biến dạng vỏ trái đất xảy ra, có hoặc không có những dịch chuyển so lệch dọc theo các vùng biến dạng sẵn có hoặc mới phát triển. Kèm theo các thay đổi và biến dạng này có thể có các hiệu ứng động học. Trong các vùng mà điều kiện trường ứng suất không ổn định, tải trọng bên ngoài (ngoại sinh) thay đổi có thể gây ra các hiệu ứng kiến tạo bổ sung, kèm theo đó là biến dạng và hiệu ứng động học.

Trừ trường hợp động đất qui mô lớn, thay đổi biến dạng trong vỏ trái đất nhiều khi khó nhận ra. Có thể quan sát được chúng chủ yếu ở những công trình xây dựng kéo dài, ví dụ như đường bộ và đường hầm, tuy nhiên nhiều khi người ta lại coi đó là do đất không ổn định, nhiệt độ thay đổi và các tác động khác. Các phương pháp trắc địa tiêu chuẩn, trừ phép thủy chuẩn ra, nhiều khi không có tác dụng trong việc nhận diện các biến dạng trong vỏ trái đất có nguồn gốc nội sinh.

Các dịch chuyển thẳng đứng trong vùng bề mặt của vỏ trái đất có thể có quan hệ với thay đổi tải trọng bên ngoài, có hoặc không gây tác động kiến tạo tới thay đổi tải trọng kiến tạo.

Biến đổi cột áp thuỷ tĩnh

Đối tượng của bản nghiên cứu này là những biến đổi của trường cột áp thuỷ tĩnh (piezometric head field) trong phạm vi tầng chứa nước (aquifer) gắn liền với những biến đổi của trường ứng suất và các biến dạng trong vỏ trái đất. Ở đây, tầng chứa nước là một phần của vỏ trái đất có độ xốp chứa đầy nước, có tiềm năng hoạt động thuỷ lực, tức là một vùng đất đá thấm nước đã bão hoà nước và độ thấm nước ở mức có thể rút nước ra hoặc đưa thêm nước vào.

Những thay đổi nhất thời về trường cột áp thuỷ tĩnh có thể là kết quả của các quá trình kiến tạo đang hoạt động, các biến động về áp lực khí quyển, trọng lực cũng như ảnh hưởng của các tải trọng khác lên thạch quyển.

Với một mức thay đổi tải trọng đã cho, những biến đổi của các trường cột áp thuỷ tĩnh phụ thuộc vào loại tầng chứa nước cũng như loại và đặc tính xốp hoạt động thuỷ lực của tầng chứa nước.

Về mặt này, có thể phân biệt các loại tầng chứa nước sau:

· Tầng chứa nước hở hoặc nửa hở, bề mặt trên của tầng chứa nước tiếp xúc trực tiếp với áp lực khí quyển.

· Tầng chứa nước hoàn toàn kín, không tiếp xúc trực tiếp với áp lực khí quyển.

Khi có sự thay đổi về tải trọng kiến tạo, nước ngầm trong tầng chứa nước nhận lấy một phần tải trọng. Nước giữ lại trong các mối nối nhận lấy một phần tải trọng của hệ thống mối nối, trong khi đó nước chứa trong các kẽ hở xốp thay thế một phần của tải trọng của đá mẹ. Tại các tầng chứa nước hở, việc nhận lấy một phần các ứng suất kiến tạo khác nhau chỉ mang tính tạm thời.

Tại các tầng chứa nước hở, sự thay đổi tải trọng kiến tạo trong vùng tầng chứa nước dẫn đến thay đổi tạm thời građien cột áp thuỷ tĩnh và sự dịch chuyển nước về phía bề mặt tự do, hoặc ngược lại, và thông qua độ xốp hoạt động thuỷ lực. Sự dịch chuyển của nước thông qua độ xốp hoạt động thuỷ lực sẽ kéo dài cho đến khi trạng thái thay đổi ban đầu của trường cột áp thuỷ tĩnh bên trong độ xốp hoạt động thuỷ lực được xác lập. Trong quá trình này, trường ứng suất trong đá mẹ và ứng suất tiếp xúc trong hệ thống mối nối cuối cùng được xác lập. Ở đây, giả định là không có sự thay đổi về điều kiện thuỷ văn (nước chảy vào hoặc chảy ra) trong tầng chứa nước.

Biên độ và khoảng thời gian thay đổi tạm thời của trường cột áp thuỷ tĩnh phụ thuộc vào:

· Độ lớn và tiến trình thay đổi tải trọng kiến tạo theo thời gian (tốc độ).

· Hình dạng kích thước hình học, đặc điểm thuỷ lực và điều kiện biên của tầng chứa nước.

· Đặc tính biến dạng của độ xốp của hệ thống mối nối.

Trong trường hợp động đất, trường cột áp thuỷ tĩnh có thể có những thay đổi ngắn hạn tốc độ nhanh.

Biến dạng thuận nghịch bổ sung (cục bộ) trong thạch quyển xảy ra do sự biến đổi nhất thời của trường cột áp thuỷ tĩnh. Sự dịch chuyển sẽ kéo dài cho đến khi xác lập trạng thái tĩnh của trường cột áp thuỷ tĩnh và xảy ra biến dạng cuối cùng của thạch quyển liên quan tới một sự thay đổi về tải trọng kiến tạo của nửa không gian đứt gãy.

Trong các tầng chứa nước kín, thay đổi tải trọng kiến tạo đồng thời kéo theo sự thay đổi vĩnh viễn trường cột áp thuỷ tĩnh, trừ trường hợp lớp không thấm nước bên trên bị chọc thủng. Điều này có thể xảy ra trong trường hợp tải trọng kiến tạo tăng khi áp lực thuỷ tĩnh trong tầng chứa nước đè lên địa tầng bên trên vượt quá áp lực địa tĩnh.

Piêzomét điểm loại kín có bộ phận ghi tự động liên tục áp suất là phương tiện được ưa chọn để theo dõi tác động có thể xảy ra của các biến đổi của trường ứng suất. Trong một số trường hợp nhất định, theo dõi ở nhiều độ sâu (tại các độ sâu lỗ khoan khác nhau) là phương pháp thích hợp để ghi cột áp thuỷ tĩnh.

Piêzomét nên đặt ở cả hai bên của kết cấu cần theo dõi các đứt gãy có tiềm năng hoạt động. Tại các tầng chứa nước đá vôi, cũng cần đặt piêzomét thấp hơn miền karstơ hoá mạnh. Đối với các tầng chứa nước kín hoặc nửa kín, có thể sử dụng piêzomét loại thông với không khí hoặc piêzomét có ống nối càng nhỏ càng tốt (đặt bên trên lớp phủ của tầng chứa nước) để giảm quán tính của piêzomét.

Khi sử dụng các piêzomét nói trên cần nhận diện được và tiên đoán các biến đổi của trường ứng suất trong thạch quyển tại những vùng xốp hiệu quả thuỷ lực chứa đầy nước. Điều này cũng bao gồm việc ghi lại tự động liên tục cột nước thuỷ tĩnh và bỏ qua các ảnh hưởng thủy văn.

Trước khi xảy ra động đất luôn có sự biến đổi về trường ứng suất trong các phần liên quan của thạch quyển. Tuỳ thuộc vào tốc độ thay đổi này trong tầng chứa nước, kèm theo động đất là những thay đổi về trường cột áp thuỷ tĩnh, trong khi động đất cũng như trong thời gian sau động đất khi những thay đổi xảy ra với cường độ mạnh nhất. Điều này có nghĩa là sự biến thiên trường cột áp thuỷ tĩnh có thể được coi như điềm báo trước và/hoặc hậu quả của động đất.

Khi có sự thay đổi cột áp thuỷ tĩnh gắn liền với thay đổi tải trọng kiến tạo, các ứng suất tiếp xúc tạo ra dọc theo một số vùng gián đoạn có thể, theo thời gian, tạm thời làm giảm hoặc xảy ra sau các thay đổi này. Trường hợp xảy ra sau có thể tiếp tục dẫn đến những dịch chuyển so lệch dọc theo các vùng gián đoạn, có hoặc không gây ra các hiệu ứng động học rõ ràng.

Dị thường nguồn gốc ngoại sinh

Nước, thông qua áp lực thuỷ tĩnh, tác động lên nền đá bên dưới đập. Phân bố tải trọng mà đập truyền lên nền đá tuỳ thuộc vào loại đập, cấu trúc và cách bố trí đập, các đặc tính địa chất cơ học của bản thân nền đá và trạng thái ban đầu của ứng suất trong nền đá bên dưới đập. Tải trọng thuỷ lực trực tiếp đặt lên móng tuỳ thuộc vào trường cột áp thủy tĩnh xác lập, mà trường này có thể chịu ảnh hưởng đáng kể của công tác chèn kín và thoát nước trong nền đá móng đập và các hiệu ứng thuỷ lực của chúng.

Biến dạng vĩnh viễn móng đập

Biến dạng vĩnh viễn móng cũng có thể có quan hệ với đá gốc. Theo thời gian, các biến dạng vĩnh viễn của đá đứt gãy, dưới tác động của tải trọng biến đổi theo chu kỳ, sẽ tăng lên cùng với hiện tượng đàn hồi giảm dần (trừ trường hợp vỡ đập).

Trong hệ thống các mối nối trường hợp đã biết tải trọng ngoài của đập, biến dạng vĩnh viễn tuỳ thuộc vào hình thái học của mối nối, việc mối nối bị lấp kín và các đặc tính địa chất kỹ thuật của mối nối. Gia tăng biến dạng vĩnh viễn cũng có thể xảy ra trong trường hợp vật liệu lấp kín mối nối bị rửa trôi, kết quả là các chỗ nứt gãy bị ép chặt vĩnh viễn.

Sự biến đổi vĩnh viễn trường cột áp thuỷ tĩnh

Trường cột áp thuỷ tĩnh thay đổi có thể liên quan đến:

· Hệ thống mối nối bị lấp kín.

· Màn chống thấm và hệ thống mối nối trong nền đá bên dưới đập bị xuống cấp.

· Hoà tan hoặc xói mòn đá gốc của móng đập.

· Hệ thống thoát nước bị lấp kín (trong nền đá bên dưới đập).

Nói chung, các thay đổi vĩnh viễn của trường cột áp và hiện tượng nước thấm qua nền đá bên dưới đập xảy ra từ từ và có thể khởi đầu bất cứ lúc nào trong thời gian vận hành đập.

Màn chống thấm bị xuống cấp liên quan với việc chất chống thấm bị rửa trôi khỏi hệ thống mối nối hoặc chỗ lấp nguyên thuỷ trong vùng màn chắn. Trong một số trường hợp, khả năng chống rửa trôi của khối chống thấm có thể kém ngay từ ban đầu hoặc bị giảm theo thời gian do các quá trình lý hoá có liên quan.

Dị thường do yếu tố nội sinh

Trong trường hợp này, các dị thường có thể có tuỳ thuộc vào các biến đổi về trường ứng suất và biến dạng thạch quyển trong vùng đập rộng lớn hơn, cũng như vào các biến đổi liên quan trong tương tác giữa kết cấu đập và nền đá bên dưới đập. Đặc điểm chung của các dị thường trong trường hợp này là thường chúng xảy ra mà không có quan hệ với tải trọng đập. Các dị thường này nói chung hiếm khi xảy ra và có thể khởi nguồn ngay trong thời gian xây dựng đập. Thường thì chúng chỉ được nhận diện khi đã tiến triển đến mức độ nào đó.