Tài liệu “nghiên cứu kích thước hợp lý của chân răng cắt qua tầng thấm mạnh ở nền đập đất

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu kích thước hợp lý của chân răng cắt qua tầng thấm mạnh ở nền đập đất” được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Chiến đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các giảng viên Khoa Công trình – Trường Đại học Thủy Lợi, các đồng nghiệp trong và ngoài ngành đã cung cấp các tài liệu phục vụ cho luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Nhà xuất bản, các tổ chức, cá nhân cho phép sử dụng tài liệu đã công bố. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Trong nội dung của luận văn không thể tránh khỏi những thiết sót. Tác giả rất mong nhận được những nhận xét và đóng góp của các nhà chuyên môn. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả Phạm Minh Tiến LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Phạm Minh Tiến. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Tác giả Phạm Minh Tiến MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ NỀN ..... 4 1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam .................................. 4 1.2. Các giải pháp chống thấm cho đập và nền .......................................................... 8 1.2.1. Đối với kết cấu đập đồng chất .......................................................................... 8 1.2.2. Đối với đập không đồng chất: .......................................................................... 8 1.2.3. Đập có tường lõi mềm: ..................................................................................... 9 1.2.4. Đập có tường nghiêng mềm ........................................................................... 10 1.2.5. Đập đất đồng chất có chân răng ..................................................................... 11 1.2.6. Đập đất có tường nghiêng và sân phủ phía trước mềm .................................. 11 1.2.7. Đập đất có tường nghiêng và chân răng mềm: ............................................... 13 1.2.8. Đập có màng chống thấm ở nền bằng khoan phụt vữa xi măng – bentonie: .. 13 1.2.9. Đập có tường chống thấm cứng:..................................................................... 14 1.3. Tình hình nghiên cứu về thấm ở đập đất và nền .............................................. 15 1.4. Các trường hợp mất an toàn về thấm ở đập và nền ......................................... 17 1.4.1. Hình thành các hang thấm, ống thấm trong thân đập và nền: trường hợp sự cố ở đập Suối Hành[5]..................................................................................................... 17 1.4.2. Thấm mạnh ở phần tiếp giáp với công trình bê tông (tràn, cống lấy nước): trường hợp sự cố tại đập Suối Trầu. ........................................................................... 19 1.4.3. Thấm dị hướng, đường bão hào dâng cao hơn so với tính toán: .................... 20 1.4.4. Thấm mạnh qua nền: ...................................................................................... 21 1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 21 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM QUA ĐẬP ĐẤT CÓ TƯỜNG RĂNG CẮT QUA TẦNG THẤM MẠNH ....................................................... 22 2.1. Tổng quát.............................................................................................................. 22 2.1.1. Các điều kiện và sơ đồ bố trí đập đồng chất có tường tường răng ................. 22 2.1.2. Các yêu cầu tính toán thấm cho bài toán đập có tường tường răng................ 23 2.1.3. Các phương pháp giải bài toán thấm qua đập có tường tường răng ............... 23 2.2. Phương pháp biến đổi tương đương [9](của Nguyễn Xuân Trường) ............. 23 2.2.2. Xác định bề rộng tường tường răng................................................................ 24 2.2.3. Tính lưu lượng thấm: ...................................................................................... 26 2.2.4. Xác định đường bão hòa ................................................................................. 27 2.3. Tính toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..................................... 30 2.3.1. Cơ sở của phương pháp [3] ............................................................................ 30 2.3.2. Lựa chọn phần mềm tính toán ........................................................................ 39 2.4. Kết luận Chương 2............................................................................................... 40 CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA TƯỜNG RĂNG CẮT QUA TẦNG THẤM MẠNH Ở NỀN ĐẬP ĐẤT ............................................................. 42 3.1. Giới hạn các đại lượng nghiên cứu .................................................................... 42 3.2. Tính thấm cho trường hợp điển hình ................................................................ 42 3.2.1. Mô hình tính toán. .......................................................................................... 42 3.2.2. Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán ..................................................... 43 3.3. Xác định bề rộng hợp lý của tường răng khi các số liệu đầu vào thay đổi..... 43 3.3.1. Trình tự tính toán xác định bề rộng hợp lý của tường răng. ........................... 43 3.3.2. Các kết quả tính toán. ..................................................................................... 44 3.3.3. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến chiều rộng yêu cầu của tường răng:67 3.4. Kết luận chương 3: .............................................................................................. 68 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP THƯỢNG TRÍ ..................... 70 4.1. Giới thiệu công trình. .......................................................................................... 70 4.2. Các kích thước cơ bản của đập: ......................................................................... 70 4.3. Xác định các thông số của tường răng ............................................................... 71 4.3.1. Xác định vị trí hợp lý của tường răng:............................................................ 71 4.3.2. Xác định bề rộng tường răng .......................................................................... 71 4.4. Tính toán thấm với bề rộng tường răng đã chọn.............................................. 72 4.4.1. Tính theo phương pháp thuỷ lực: ................................................................... 72 4.4.2. Tính theo phương pháp số: ............................................................................. 74 4.4.3. Nhận xét kết quả tính toán: ............................................................................. 75 4.5. Những vấn đề cần chú ý trong thi công tường răng:........................................ 75 4.6. Kết luận chương 4 ................................................................................................ 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng 1.2: Bảng 3.1: Bảng 3.2: Bảng 3.3: Bảng 3.4: Bảng 3.5: Bảng 3.6: Bảng 3.7: Bảng 3.8: Bảng 3.9: Bảng 3.10: Bảng 3.11: Bảng 3.12: Bảng 3.13: Bảng 3.14: Bảng 3.15: Bảng 3.16: Bảng 3.17: Bảng 3.18: Bảng 3.19: Bảng 3.20: Bảng 3.21: Bảng 3.22: Bảng 3.23: Bảng 4.1: Bảng 4.2: Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới ........................................................ 4 Một số đập đất lớn tại Việt Nam ...................................................................... 6 Trị số 𝐽𝐶𝐷 ứng với loại đất và cấp công trình[10] ......................................... 43 Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 5.10-5 (cm/s) ............................ 44 Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 1.10-4 (cm/s) ............................ 45 Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 1.10-5 (cm/s) ............................ 46 Kết quả tính thủy lực khi chiều cao đập thay đổi. .......................................... 48 Kết quả tính toán xác định chiều rộng đáy tường răng 𝑙′ = 𝜂𝜂. 𝑙 ........................... 48 Trường hợp 1: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 100 .............................................. 49 Trường hợp 2: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 80: ............................................... 50 Trường hợp 3: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 60: ............................................... 51 Trường hợp 4: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 40: ............................................... 52 Trường hợp 5: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 30: ............................................... 53 Trường hợp 6: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 20: ............................................... 54 Trường hợp 7: T = 3,5m; k d = 5.10-5 (cm/s); 𝑘𝑛𝑘𝑑= 18; 17: ......................... 55 Trường hợp 8: T=3,5; 4,5(m); k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 16: ....................... 56 Trường hợp 9: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 15: ............................................... 57 Trường hợp 10: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 14: ............................................. 58 Trường hợp 11: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 13: ............................................. 59 Trường hợp 12: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 12: ............................................. 60 Trường hợp 13: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 11: ............................................. 61 Trường hợp 14: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 10: ............................................. 62 Trường hợp 15: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 9: ............................................... 63 Trường hợp 16: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 8: ............................................... 64 Trường hợp 17: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 7: ............................................... 65 Bảng tính giá trị chiều rộng đáy tường răng ................................................... 71 Bảng tính lưu lượng thấm đập Thượng Trí theo phương pháp thuỷ lực ........ 72 30T DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Hình 1.4: Hình 1.5: Hình 1.6: Hình 1.7: Hình 1.8: Hình 1.9: Hình 1.10: Hình 1.11: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 3.8: Hình 3.9: Hình 3.10: Hình 3.11: Hình 3.12: Hình 3.13: Hình 3.14: Hình 3.15: Hình 3.16: Hình 3.17: Hình 3.18: Hình 3.19: Hình 3.20: Đập đất đồng chất ............................................................................................... 8 Sơ đồ bố trí đất đắp trong thân đập ..................................................................... 8 Đập có tường lõi mềm......................................................................................... 9 Đập có tường nghiêng mềm (đất sét) ................................................................ 10 Đập đất đồng chất có chân răng ........................................................................ 11 Đập đất có tường nghiêng sân phủ mềm ........................................................... 12 Đập đất có tường nghiêng chân răng mềm. ...................................................... 13 Đập đất có màng chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng - bentonite............... 13 Đập có tường chống thấm bằng cừ thép ........................................................... 14 Đập có tường lõi kết hợp cừ (thép hoặc bê tông).............................................. 15 Đập có tường nghiêng kết hợp cừ chống thấm ................................................. 15 Sơ đồ tính toán đập đồng chất xây trên nền thấm nước mạnh .......................... 24 Biểu đồ xác định trị số 𝛼 .................................................................................. 25 Sơ đồ xác định vị trí đường bão hòa ................................................................. 28 Đồ thị xác định vị trí điểm B[9] ........................................................................ 29 Sơ đồ điều kiện biên tính toán thấm qua đập đất. ............................................. 32 Phần tử tam giác phẳng. .................................................................................... 33 Sơ đồ tính điển hình .......................................................................................... 42 Sơ đồ tính trường hợp H đ = 25m. ..................................................................... 47 Sơ đồ tính trường hợp H đ = 20m. ..................................................................... 47 Sơ đồ tính trường hợp H đ = 18m. ..................................................................... 48 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 khi H đ thay đổi ...................................... 49 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 1 .......................................... 50 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 2 .......................................... 51 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 3 .......................................... 52 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 4 .......................................... 53 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 5 .......................................... 54 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 6 .......................................... 55 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 7 .......................................... 56 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 8 .................................................. 57 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 9 .......................................... 58 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 10 ........................................ 59 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 11 ................................................ 60 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 12 ........................................ 61 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 13 ........................................ 62 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 14 ........................................ 63 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 15 ........................................ 64 30T Hình 3.21: Hình 3.22: Hình 3.23: Hình 4.1: Hình 4.2: Hình 4.3: Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 16 ........................................ 65 Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 17 ........................................ 66 Biểu đồ quan hệ 𝜂𝜂 = 𝑓𝑘𝑛𝑘𝑑, 𝑇 ......................................................................... 67 Mặt cắt cơ bản đập Thượng Trí ........................................................................ 70 Đường bão hoà đập Thượng Trí ....................................................................... 74 Mô hình hóa đập Thượng Trí ............................................................................ 74 Kết quả tính Gradient ........................................................................................ 75 30T 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Qua quá trình thi công, vận hành sử dụng các công trình dâng nước thì các ưu điểm của đập đất như: tận dụng được các loại đất hiện có ở vùng xây dựng, có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng thi công cơ giới hóa cao, do đó đập đất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các nước trên thế giới. Đối với nước ta, đập đất là công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa. Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thi công… của nước ta, trong tương lai đập đất còn có triển vọng phát triển hơn nữa. Tuy nhiên đập đất cũng chứa đựng nhiều rủi ro, dễ xảy ra sự cố mất an toàn cho đập nếu công tác thiết kế và thi công không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật trong xử lý nền móng, chọn kết cấu đập, hay đầm nén không đảm bảo độ chặt và độ đồng đều của từng lớp đất đắp. Do đập đất là công trình dâng nước và làm bằng vật liệu xốp lại chịu tác dụng của cột nước, khi có chênh lệch cột nước sẽ hình thành dòng thấm xuyên qua thân đập và nền, nếu không kiểm soát được dòng thấm có thể gây ra hư hỏng, mất nước và ảnh hưởng tới ổn định chung của toàn bộ hệ thống. Vì vậy trong thiết kế và xây dựng đập đất vấn đề nghiên cứu, đánh giá những đặc trưng cơ bản của dòng thấm là một khâu quan trọng và không thể thiếu được. Luận văn đề cập vấn đề thấm qua đập đất xây trên nền thấm mạnh và biện pháp phòng chống thấm bằng tường răng có hệ số thấm bằng hệ số thấm đất đắp đập. Đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao vì nó liên quan trực tiếp tới tính kinh tế và hiệu quả của toàn bộ hệ thống, đồng thời đây cũng là vấn đề cấp thiết trong ngành thủy lợi hiện nay. 2 2. Mục đích đề tài Đề tài nghiên cứu các trường hợp tính toán phòng chống thấm cho đập đồng chất, có biện pháp phòng thấm bằng tường răng được đắp bằng chính vật liệu thân đập. Căn cứ vào chiều cao đập, chiều dày tầng thấm, hệ số thấm của vật liệu đắp đập để xác định vị trí, kích thước của chân răng sao cho hợp lý nhất về phương diện phòng thấm. Đồng thời đánh giá được ảnh hưởng chiều sâu tầng thấm, hệ số thấm đến kết cấu tường răng, đảm bảo an toàn chống thấm. 3. Phương án nghiên cứu của đề tài: − Thu thập, nghiên cứu các phương pháp tính thấm qua đập đất có chân răng cắt qua tầng thấm mạnh đã có, chọn phương pháp tính toán hợp lý; − Mô hình hoá, tính toán xác định chiều rộng của chân răng hợp lý khi số liệu đầu vào thay đổi; − Ứng dụng phương pháp tính toán đã chọn, tiến hành tính toán kích thước hợp lý của chân khay ở đập Thượng Trí. 4. Kết quả đạt được: Nghiên cứu bài toán phòng thấm qua đập đất, xây trên nền thấm mạnh có tường răng với hệ số thấm bằng hệ số thấm đất đắp đập. Kết quả tính toán theo phương pháp thuỷ lực ( Nguyễn Xuân Trường) và phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Seep/w) cho thấy có sự khác nhau về chiều rộng hợp lý của đáy tường răng khi chiều dày tầng thấm T và tỷ số 𝑘𝑛 𝑘𝑑 thay đổi. Kiến nghị lấy theo kết quả của phương pháp phần tử hữu hạn với độ chính xác cao hơn, từ đó đưa ra hệ số hiệu chỉnh 𝜂𝜂 khi xác định bề rộng đáy tường răng theo phương pháp thuỷ lực (Hình 3.23:). Ứng dụng cho đập Thượng Trí, đã xác định được vị trí, chiều rộng đáy hợp lý của tường răng. Ngoài ra cũng xác nhận các kết quả tính toán lưu 3 lượng thấm và đường bão hoà không sai khác nhiều giữa phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thuỷ lực. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ NỀN 1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam Đập đất là một loại đập xây dựng bằng các loại đất hiện có ở vùng xây dựng như: sét, á sét, á cát, cát, sỏi, cuội… Đập đất có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công và trong đa số các trường hợp có giá thành hạ nên loại đập này được ứng dụng rộng rãi nhất ở hầu hết các nước trên thế giới. Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đã được xây dựng nhiều ở Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung Á của Liên Xô với mục đích dâng và giữ nước để tưới hoặc phòng lũ. Về sau đập đất càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước. Theo tư liệu của ASCE ( American Society of Civil Engineering) thì đập lớn nhất bằng đất lẫn đá cổ xưa nhất là đập Sadd – el – Kafura cao khoảng 22m ở Ai Cập vào khoảng năm 2850 trước công nguyên. Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận thấm, địa chất thủy văn và địa chất công trình v.v… cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ. Cho đến nay các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất. Riêng Nhật Bản có 1281 đập đất cao hơn 15m; trong đó có trên 70 đập cao hơn 75m.Một số đập đất lớn trên thế giới.[12] [9]. Bảng 1.1: Tên Đập Stt 1 Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới Oroville Nước Mỹ Chiều cao (m) 224 5 2 Bennett Dam Canada 186 3 Swift Mỹ 156 4 Anderson Banch Mỹ 139 5 Navajo Mỹ 124 6 Serre – Poncon Pháp 122 7 Hicks Mỹ 122 8 Mattmark Thuỵ Sỹ 115 9 Hills Greek Mỹ 105,5 10 Lucky – Peak Mỹ 101 11 Casitas Mỹ 101 12 San Luis Dam Mỹ 93 Canada 88 Syncrude Tailings Dam Mildred 13 Mildred Lake Settling Basin (MLSB) 14 Fort Peck Dam Mỹ 76,4 15 Cochiti Dam Mỹ 76,5 16 Garrison Dam Mỹ 64 17 Fort Randall Dam Mỹ 50,3 Canada 40 Syncrude Tailings Dam Mildred 18 South West Sand Storage (SWSS) Đập đất đắp cao nhất hiện nay là đập Oroville (Mỹ) cao 224m. Trong những năm gần đây, trên phạm vi thế giới đang có xu hướng xây dựng nhiều đập đất cao. Ở Mỹ, tính từ năm 1963 trở lại đây thì đập bằng vật liệu địa 6 phương, trong đó chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ các đập đã xây dựng. Tại Việt Nam: Với ưu điểm nổi bật của đập đất là kinh tế, dễ dàng trong thi công và vật liệu sẵn có nên đập vật liệu địa phương là loại đập phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa ở Việt Nam. Đập đất đã được áp dụng cho nhiều công trình cụ thể như: Cấm Sơn, Yên Lập, Núi Cốc, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Dầu Tiếng… Dưới đây là một số đập vật liệu địa phương tại Việt Nam.[13] Bảng 1.2: Một số đập đất lớn tại Việt Nam Tên đập Stt Chiều cao (m) Năm hoàn thành 1 Tả Trạch 55 Đang thi công 2 Cấm Sơn 40 1972 40 2009 3 Đập phụ Dốc Cáy hồ Cửa Đạt 4 Đập Suối Rộp 40 1991 5 Yên lập 39 1980 6 Kẻ Gỗ 37,4 1979 7 Đập Yaun hạ 36 1998 8 Phú Ninh 36 1982 9 Đập Easúp Thượng 26 2004 10 Đập hồ Núi cốc 25 1978 7 11 Pa Khoang 26 1978 12 Yên Mỹ 26 1980 13 Sông Mực 28 1983 14 Đá Bàn 26,2 1988 Đập chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của các hồ chứa hoặc các công trình dâng nước. Để xây dựng các đập trên sông, suối người ta sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó dùng đất để đắp đập khá phổ biến. Các loại vật liệu đất có sẵn ở địa phương từ các sản phẩm của bồi tích, sườn tích hoặc phong hóa, như: á sét, sét, á cát, cuội, sỏi, … đều có thể dùng cho việc đắp đập. Những ưu điểm của đập đất chúng ta đều đã biết, tuy nhiên trong một số trường hợp đập đất vẫn còn một số tồn tại như: − Do đập đất có khối lớn nên diện tích chiếm đất vĩnh viễn và chiếm đất tạm thời lớn, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và môi trường xã hội; − Ở những sông suối có sự chênh lệch mực nước giữa các mùa lớn, khi xây dựng đập đấp sẽ không kinh tế do chiều cao đập lớn, công trình tràn lớn; − Ảnh hưởng do mực nước công trình rút nhanh đến khả năng ổn định của mái đập; − Đất là vật liệu dễ biến dạng dẫn đến nứt nẻ hay động vật xâm hại hình thành các hang thấm tập trung. 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, thường bị xói trong mùa mưa bão, một số đập đã xẩy ra sự cố thiệt hại đáng kể về kinh tế xã hội ở vùng hạ lưu công trình. 8 1.2. Các giải pháp chống thấm cho đập và nền 1.2.1. Đối với kết cấu đập đồng chất MNDBT MNC Đập đất đồng chất Hình 1.1: Khi đập đồng chất đắp bằng đất có hệ số thấm lớn, để đảm bảo được ổn định thấm, biện pháp thường dùng để đảm bảo ổn định thấm là tăng kích thước mặt cắt đập và khối lượng đất đắp. 1.2.2. Đối với đập không đồng chất: Đập không đồng chất có nhiều 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 do đất gây ra. MNDBT MNC A C B MNDBT III MNC II I Hình 1.2: Sơ đồ bố trí đất đắp trong thân đập I: Vùng thường xuyên bão hòa 9 II: Vùng bị bão hòa từng thời kỳ. III: Vùng khô ướt thay đổi trong năm (A): Khối lăng trụ thượng lưu (B): Khối trung tâm (C): Khối lăng trụ hạ lưu Đất có hệ số thấm K>10-4 cm/s hoặc bị lún ướt lớn, hoặc tan rã mạnh, không được bố trí ở các vùng I và II, có thể bố trí tại vùng III với điều kiện phải có biện pháp cách ly nước thấm và tiêu thoát nước mưa tốt; Đất bị trương nở tự do mạnh, hệ số thấm K>10-4 cm/s không được bố trí tại các 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. 1.2.3. Đập có tường lõi mềm: Trong trường hợp khối trung tâm vùng B bằng đất sét hoặc đất á sét, hệ số thấm nhỏ thì khối này trở thành tường lõi mềm. MNDBT MNC Hình 1.3: Đập có tường lõi mềm Yêu cầu chủ yếu đối với đất sét làm vật liệu chống thấm là ít thấm nước và có tính dẻo. Đồng thời đất làm tường lõi chống thấm phải đủ dẻo, dễ thích ứng với biến hình của thân đập mà không gây nứt nẻ. Tính dẻo biểu thị bằng chỉ số dẻo (Wn ) phải đảm bảo yêu cầu Wn >7 để dễ thi công. Đất sét béo W n >20 là loại vật liệu không thích hợp vì có hàm lượng nước quá lớn khó thi công dễ sinh ra áp lực kè rỗng lớn làm mất ổn định mái đập. 10 Theo cấu tạo bề dày tường lõi đắp bằng đất sét không nhỏ quá 0,8m, độ dày chân tường lõi không nhỏ hơn 1 10 cột nước, người ta dựa vào chỉ số Gradient thấm cho phép [J] để xác định bề dày của tường lõi. Khi xây dựng đập trên nền thấm. Độ cắm sâu tường lõi vào nền đất tốt ít thấm nước. δ≥ 0,5 – 1,25m. Đỉnh tường lõi cao hơn mực nước dâng bình thường Δ = 0,3 – 0,6m. 1.2.4. Đập có tường nghiêng mềm Trong trường hợp khối lăng trụ thượng lưu (vùng A) bằng đất sét chống thấm, khối lăng trụ thượng lưu trở thành tường nghiêng chống thấm trong thân đập. MNDBT MNC Hình 1.4: Đập có tường nghiêng mềm (đất sét) Tường nghiêng đặt ở sát mái thượng lưu đập có ưu điểm hạ thấp đường bão hòa xuống nhanh, làm cho đại bộ phận đất thân đập được khô ráo và tăng thêm tính ổn định của mái hạ lưu. Đập Đá Bàn (Khánh Hòa) và đập Núi Một (Bình Định) … thuộc loại kết cấu này. Bề dày tường nghiêng phụ thuộc các yêu cầu cấu tạo và Gradient thủy lực cho phép của đất đắp tường. Bề dày tường nghiêng tăng từ trên xuống dưới. Bề dày đỉnh tường không nhỏ hơn 0,8m, chân tường nghiêng không nhỏ hơn 1 H (H: cột nước tác dụng) nhưng không nhỏ hơn 2-3m. Độ vượt cao của 10 đỉnh tường nghiêng trên MNDBT ở thượng lưu tùy theo cấp công trình δ=0,5÷0,8m. Đỉnh tường không được thấp hơn mực nước tĩnh gia cường. 11 Trên mặt tường nghiêng có phủ một lớp bảo vệ đủ dày để tránh mưa nắng, sóng gió giữa tường nghiêng và lớp bảo vệ có bố trí tầng lọc ngược. 1.2.5. Đập đất đồng chất có chân răng MNDBT MNC Hình 1.5: Đập đất đồng chất có chân răng Khi có đủ đất đắp với hệ số thấm không lớn thì có thể đắp đập đồng chất. Nhưng nếu nền là các lớp trầm tích có hệ số lớn, với chiều dày tầng thấm không lớn (T< 6 ÷ 7 m) thì có thể làm chân răng ngang toàn bộ tầng thấm. Vật liệu làm chân răng được sử dụng bằng chính đất đắp đập. Khi đó kết cấu đập là loại đập đồng chất có chân răng. 1.2.6. Đập đất có tường nghiêng và sân phủ phía trước mềm Khi đắp đập có tường nghiêng trên nền có lớp đất thấm mạnh có chiều dày lớn, người ta thường xây dựng thêm 1 sân phủ phía trước chống thấm bằng cùng một loại đất với tường nghiêng nối liền với nhau. Sân trước có tác dụng nhiều mặt nhưng chủ yếu là tăng chiều dài đường viền không thấm để giảm áp lực thấm và lưu lượng thấm qua nền. Kết cấu và kích thước sân phủ trước phải thỏa mãn yêu cầu cơ bản sau: ít thấm nước, có tính mềm dẻo dễ thích ứng với biến hình của nền. Chiều dài sân trước được xác định theo các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật phụ thuộc nhiều yếu tố như: chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập, chiều dài sân phủ thường lấy theo kinh nghiệm 12 (1-1) L = (3÷5)H Trong đó: H: chênh lệch cột nước thượng hạ lưu đập. Chiều dài tối đa của sân trước có thể tính theo công thức của Ughintrut 𝑘 𝐿𝑚𝑎𝑥 = 2. � 𝑡𝑡𝑏 𝑇 𝑘𝑛 (1-2) Trong đó: k, k nền : hệ số thấm của vật liệu làm sân trước và nền. t tb : chiều dày trung bình của sân trước. T: bề dày tầng thấm nước trong nền. MNDBT MNC Hình 1.6: Đập đất có tường nghiêng sân phủ mềm Bề dày sân trước t được xác định theo công thức: 𝑡≥ ∆𝐻 [𝐽] (1-3) ∆𝐻: chênh lệch cột nước giữa mặt trên và mặt dưới sân trước tại điểm tính toán [J]: Gradient thấm cho phép đối với vật liệu làm sân trước, đối với đất sét [J]= 4÷6. Bề dày sân trước còn phụ thuộc điều kiện thi công đối với đất sét bề dày nhỏ nhất đầu sân 𝑡𝑑 ≥ 0,5÷1,0m cuối sân chỗ tiếp giáp với tường nghiêng 𝑡𝑐 ≥1,0m