Tài liệu Nghiên cứu xử lý chống thấm nền đập nậm ngam pú nhi tỉnh điện biên

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn “Nghiên cứu xử lý chống thấm nền đập Nậm Ngam-Pú Nhi-Tỉnh Điện Biên” học viên đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trường Đại Học Thủy Lợi, đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Quang Hùng. Đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ theo đúng kế hoạch đã đề ra. Mong muốn của học viên là góp phần nhỏ bé vào việc nghiên cứu xử lý chống thấm nền đập nói chung và công trình đập Nậm Ngam-Pú Nhi nói riêng. Tuy nhiên vì sự hiểu biết của bản thân và thời gian thực hiện luận văn có hạn cùng với sự thiếu thốn về trang thiết bị nên nội dung của luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy, cô để nâng cao sự hiểu biết và có điều kiện phát triển thêm nội dung nghiên cứu của luận văn sau này. Học viên xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quang Hùng người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, cung cấp các kiến thức khoa học cho tôi trong suốt thời gian qua. Qua đây tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô giáo trong bộ môn , Khoa công trình, Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học trường Đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn Thạc sĩ này. Hà nội, ngày…….tháng…….. năm 2014 Học viên Hồ Khánh Linh LỜI CAM ĐOAN Tôi là Hồ Khánh Linh, học viên cao học lớp 20C21 - Trường Đại học Thủy lợi. Tôi là tác giả của bài luận văn này, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Hồ Khánh Linh MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................................................................................2 1.1. Tình hình xây dựng đập vật liệu địa phương trên thế giới và ở Việt Nam. ................2 1.2 Một số hỏng đập vật liệu địa phương do tác hại của dòng thấm ..........................6 1.3 Nguyên nhân phát sinh dòng thấm dưới đáy móng công trình ............................7 1.3.1 Dòng thấm có áp ................................................................................................7 1.3.2 Dòng thấm không áp ..........................................................................................7 1.4 Những vấn đề cơ bản của dòng thấm dưới đáy móng công trình ........................8 1.5 Những nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến dòng thấm dưới đáy móng công trình ....8 1.6 Xử lý thấm cho nền đập ở một số công trình trên thế giới và Việt Nam ..............9 1.7 Kết luận chương I ...............................................................................................12 CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .....................13 2.1 Mở đầu ................................................................................................................13 2.2 Các mô hình tính toán thấm dưới đáy móng công trình .....................................13 2.2.1 Tính thấm bằng phương pháp giải tích ............................................................13 2.2.2 Tính thấm bằng phương pháp sử dụng lưới thấm ...........................................15 2.2.3 Tính thấm bằng phương pháp số .....................................................................16 2.3 Đặc điểm và phân loại nền đập ..........................................................................32 2.4 Yêu cầu xử lý chống thấm cho nền đập .............................................................32 2.5 Tường chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa........................................33 2.6 Chống thấm bằng sân phủ ...................................................................................34 2.6.1 Chiều dài: .........................................................................................................35 2.6.2 Chiều dày: ........................................................................................................35 2.7 Chống thấm bằng cừ ...........................................................................................37 2.7.1 Bố trí cừ:...........................................................................................................37 2.7.2 Cấu tạo: ............................................................................................................38 2.8 Chống thấm bằng tường nghiêng sân phủ mềm.................................................39 2.9 Chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng .......................................................40 2.10 Chống thấm bằng tường hào Bentonite............................................................41 2.11 Chống thấm bằng cọc xi măng đất ....................................................................43 2.12 Các giải pháp kết hợp khác ..............................................................................46 2.13 Những tiêu chí để lựa chọn phương pháp xử lý chống thấm cho nền đập. .....48 2.14 Kết luận chương II ...........................................................................................48 CHƯƠNG III. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CHỐNG THẤM CHO NỀN ĐẬP NẬM NGAM- PÚ NHI TỈNH ĐIỆN BIÊN .......................................................................49 3.1 Giới thiệu công trình ...........................................................................................49 3.1.1 Tóm tắt nội dung phương án công trình được phê duyệt trong dự án đầu tư .49 3.1.2 Vị trí địa lý vùng công trình, khu hưởng lợi và các đối tượng hưởng lợi .......50 3.2 Đề xuất các phương án xử lý chống thấm cho nền đập hồ chứa Nậm Ngam ...........53 3.2.1. Cơ sở lựa chọn và giải pháp xử lý chống thấm cho nền đập ................................53 3.2.2. Lựa chọn phương án xử lý chống thấm cho nền đập. ..........................................64 3.2.3. Phân tích thấm qua nền sau khi xử lý .................................................................78 3.3 Phân tích lựa chọn phương án xử lý chống thấm ...............................................81 3.3.1 So sánh thiết bị thi công giữa 2 phương án ......................................................85 3.3.2 Tính toán ổn định chung của đập và nền .........................................................87 3.4 Tính toán thiết kế cho phương án lựa chọn :Khoan phụt vữa xi măng và phụ gia tạo màng chống thấm ................................................................................................95 3.4.1 Nhiệm vụ công tác xử lý chống thấm nền đập .................................................95 3.4.2 Phạm vi công tác xử lý nền đập...........................................................................95 3.5 Phương pháp xử lý chống thấm nền đập ............................................................96 3.5.1 Vật liệu phụt ..................................................................................................97 3.5.2 Thiết bị khoan phụt ..........................................................................................97 3.6 Khoan phụt xử lý chống thấm nền đập ..............................................................99 3.6.1 Thiết kế mạng lưới các hố khoan phụt chống thấm nền đập ..........................99 3.6.2 Khoan phụt thí nghiệm ...................................................................................101 3.6.3 Khoan phụt đại trà ..........................................................................................105 3.6.4 Công tác khoan kiểm tra sau khi khoan phụt đại trà ......................................110 3.6.5 Tiến độ thi công khoan phụt xử lý chống thấm nền đập ................................112 3.6.6 Công tác an toàn lao động .............................................................................112 3.6.7 Các tài liệu......................................................................................................113 3.7 Kết luận chương III ...........................................................................................113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................118 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Những đập đất - đá cao hơn 100 m ............................................................2 Bảng 1.2: Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam ......................................4 Bảng 3.1: Tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu của công trình ................51 Bảng 3.2: Các mực nước thiết kế ..............................................................................57 Bảng 3.3: Các kích thước cơ bản của đập .................................................................57 Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đắp đập .....................................................58 Bảng 3.5 Bảng kết quả tính toán thấm phương án chưa xử lý nền ...........................64 Bảng 3.6: Bảng tính toán thấm các tổ hợp khoan phụt vữa xi măng+phụ gia .........79 Bảng 3.7: Bảng tính toán thấm phương án khoan phụt vữa xi măng.......................80 Bảng 3.8: Bảng tính toán thấm phương án tường hào bentonite .............................80 Bảng 3.9: Bảng tổng hợp kết quả tính toán thấm trước và sau khi xử lý nền ..........82 Bảng 3.10. Các trường hợp tính toán ổn định đập đất ..............................................87 Bảng 3.11. Kết quả tính toán ổn định .......................................................................94 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 : Sơ đồ tính thấm bằng phương pháp lưới a) Lưới thấm; b) Biểu đồ gradien thấm Jr .......................................................................................................................15 Hình 2.2: Sơ đồ lưới sai phân....................................................................................19 Hình 2.3: Nối tiếp đập và nền ...................................................................................33 Hình 2.4: Sơ đồ thấm qua đập có tường lõi + chân răng ..........................................33 Hình 2.5: Bố trí sân trước bằng đất sét .....................................................................35 Hình 2.6: Các sơ đồ liên kết giữa cừ chính với công trình .......................................38 Hình 2.7: Cấu tạo các loại cừ thép ............................................................................38 Hình 2.8: Cấu tạo và kích thước một số bản cừ bằng bêtông cốt thép .....................39 Hình 2.9: Kết cấu đập đất có tường nghiêng sân phủ mềm ......................................39 Hình 2.10: Kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa xi măng .....40 Hình 2.11: Tường hào chống thấm bằng Bentonite. .................................................42 Hình 2-12 : Sơ đồ tường cọc xi măng đất .................................................................44 Hình 2-13 : Mô tả quá trình thi công tạo tường chống thấm ....................................45 Hình 2.14: Thi công chống thấm vai đập bằng khoan phụt vữa xi măng .................47 Hình 2.15: Thi công chống thấm thân đập ................................................................47 Hình 3.1: Mặt cắt tính toán D22................................................................................60 Hình 3.3: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm chưa xử lý nền mc D22-Tổ hợp 2 ..........................................................................................................................62 Hình 3.4: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm chưa xử lý nền mc D22-Tổ hợp 3 ..........................................................................................................................63 Hình 3.5: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 1.1A.........................................................................................66 Hình 3.6: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 1.2A.........................................................................................67 Hình 3.7: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 1.3A.........................................................................................68 Hình 3.8: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 2.1A.........................................................................................69 Hình 3.9: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 2.2A.........................................................................................70 Hình 3.10: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 2.3A.........................................................................................71 Hình 3.11: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 3.1A.........................................................................................72 Hình 3.12: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I -Tổ hợp 3.2A.........................................................................................73 Hình 3.13: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án I-Tổ hợp 3.3A..........................................................................................74 Hình 3.14: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án II – Tổ hợp 1B .........................................................................................75 Hình 3.15: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án II – Tổ hợp 2B .........................................................................................76 Hình 3.16: Đường bão hòa thấm và trường gradient thấm đã xử lý nền mc D22 phương án II – Tổ hợp 3B .........................................................................................77 Hình 3.17: Đường quan hệ giữa số hàng khoan phụt và gradient thấm J tiếp xúc ........79 Hình 3.18: Đường quan hệ giữa số hàng khoan phụt và lưu lượng thấm q ..............79 Hình 3.19: Đường quan hệ giữa gradient J tiếp xúc của các phương án trước và sau khi xử lý nền ....................................................................................................................83 Hình 3.20: Đường quan hệ giữa lưu lượng thấm của các phương án trước và sau khi xử lý nền ....................................................................................................................83 Hình 3.21: Đường quan hệ giữa gradient J cửa vào của các phương án trước và sau khi xử lý nền ..............................................................................................................84 Hình 3.22: Đường quan hệ giữa gradient J cửa ra của các phương án trước và sau khi xử lý nền ....................................................................................................................84 Hình 3.23: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 1 ...........................................89 Hình 3.24: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 2 ...........................................89 Hình 3.25: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 3 ...........................................90 Hình 3.26: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 1A ........................................90 Hình 3.27: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 2A ........................................91 Hình 3.28: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 3A ........................................91 Hình 3.29: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 1B.........................................92 Hình 3.30: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 2B.........................................92 Hình 3.31: Tính toán ổn định mái hạ lưu đập-Tổ hợp 3B.........................................93 Hình 3.32 :Đường quan hệ Kminmin giữa các phương án trước và sau khi xử lý nền.... 94 Hình 3.24: Mặt bằng khoan phụt............................................................................106 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ở nước ta việc nghiên cứu lý thuyết thấm cũng như kinh nghiệm trong việc giải quyết các vấn đề thấm trong thực tiễn thiết kế, xây dựng và khai thác các đập dâng nước bằng vật liệu địa phương còn chưa nhiều. Vì vậy việc để nghiên cứu ứng dụng các tiến bộ khoa học thế giới trong lĩnh vực này vào Việt nam là rất cần thiết. Với công trình hồ chứa nước Nậm ngam- Pú Nhi Tỉnh Điện Biên. Đập đất có chiều cao lớn, địa hình bên vai phải đập khá dốc, do vậy công tác thi công cần phải đảm bảo xử lý tốt nền móng, đặc biệt là chân khay đập phải xử lý triệt để, bóc bỏ hoàn toàn tầng cuội sỏi lòng hồ và lớp đất có hệ số thấm lớn. Cần xử lý lớp đắp tiếp giáp với mái ta luy tốt, chặt và tiếp xúc tốt với đất nền ở hai vai đập. Đất là môi trường xốp có chứa nhiều lỗ rỗng, khi có chênh lệch cột nước sẽ hình thành dòng thấm, nếu không kiểm soát được dòng thấm có thể gây ra hư hỏng như : những hư hỏng do các hạt bị cuốn đi và những hư hỏng do không kiểm soát được dòng thấm gây nên. Do vậy chuyên đề nghiên cứu biện pháp xử lý thấm cho đập đất là hết sức cần thiết. 2. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu tổng quan các giải pháp chống thấm cho nền công trình và điều kiện ứng dụng của từng giải pháp. Đề xuất lựa chọn giải pháp chống thấm cho nền đập hồ chứa Nậm ngam- Pu Nhí Tỉnh Điện Biên 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: Tiếp cận thực tế: nền đập đã xử lý chống thấm trên thế giới và ở Việt Nam. Tiếp cận lý thuyết : cơ sở tính toán mặt cắt đập theo tiêu chuẩn về lưu lượng thấm, đường bão hoà trong thân đập, độ bền thấm của đập và nền. Phương pháp nghiên cứu: theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng cách sử dụng phần mềm SEEP/W của hãng GEO-SLOPE Canada 4. Kết quả dự kiến đạt được: Nắm được tổng quan các phương pháp xử lý chống thấm cho nền công trình và điều kiện ứng dụng. Đề xuất giải pháp chống thấm cho nền đập hồ chứa. 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình xây dựng đập vật liệu địa phương trên thế giới và ở Việt Nam. Đập đất (hay đập đất đá) là một loại 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 trường hợp có giá thành hạ nên là loại đập được ứng dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các nước. Đập đất đá là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia nhiệm vụ dâng nước trong các hệ thống thủy lợi hay xây dựng nhằm mục đích chỉnh trị dòng sông. Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đá 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 ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước. 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 - đá càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ. Cho đến nay, các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất - đá (riêng Nhật đã có 1281 đập đất cao hơn 15 m) trong đó có trên 70 đập cao hơn 75 m. Những đập đất cao hơn 100 m giới thiệu trong bảng 1.1 Bảng 1.1: Những đập đất - đá cao hơn 100 m Số Chiều Chiều dài Khối lượng Năm kết cao (m) (m) 1000 (m3) thúc XD Tên đập Tên nước 1 Nurek ( Nurek ) Liên Xô 300 1850 95.000 2 Orovin (Oroville) Mỹ 224 1520 61.000 3 Xitviptơ (Swift) Mỹ 156 640 12.200 TT 1982 1959 3 Số TT 4 Tên đập Anđecxôn Rănsơ (AndersonRanch Tên nước Chiều Chiều dài Khối lượng Năm kết cao (m) (m) 1000 (m3) thúc XD Mỹ 139 412 7.400 1950 5 Navajô (Navajo) Mỹ 124 1160 19.000 1960 6 Xerơ Pôngxông Pháp 122 600 14.500 - 7 Hiks (Hicks) Mỹ 122 8 Matmac (Mattmarh) Thụy sĩ 115 780 10.000 - 9 Benmô Tân Tây Lan 110 1070 12.200 - 10 Đôratlam Pakitxtăng 110 4000 30.000 - 11 Hin coric Mỹ 105 595 8.415 1962 12 Lucky-Peak MỸ 104 519 4.816 1956 13 Caxita (Vasitas) MỸ 101 640 1.997 Đập đất - đá cao nhất hiện nay là đập Nurek (Liên Xô cũ) cao 300 m,tiếp đến là đập Orovin (Mỹ) cao 224 m và đập đất bồi cao nhất là đập Migêtraurơxcơ (Liên xô cũ) cao 80 m. trong những năm gần đây, trên phạm vi thế giới đang có xu hướng xây dựng nhiều đập đất - đá cao. Tổng số những đập đất - đá có chiều cao hơn 75 m xây dựng và thiết kế từ 1960 trở lại đây chiếm 80% trong toàn bộ các loại đập cao, đứng hàng đầu về tốc độ phát triển so với các loại đập khác. Con số đó nói lên xu hướng và triển vọng của đập đất - đá trong sự nghiệp xây dựng công trình thủy lợi- thuỷ điện. Đối với nước ta, đập đất - đá là loại công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựng những hồ chứa. Những hồ chứa nước đã xây dựng ở nước ta hầu hết là sử dụng đập bằng vật liệu địa phương, trong đó đập đất chiếm tuyệt đại đa số. Bảng 1.2: giới thiệu một số đập bằng vật liệu tại chỗ ở nước ta đã xây dưng đến cuối năm 1971. 4 Bảng 1.2: Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam STT Ký hiệu công trình Loại đập Chiều cao (m) 1 Thác Bà đá đổ, lỗi giữa 45, 00 2 Cấm sơn đất, hỗn hợp 42, 00 3 Cẩm ly đá xếp, tường nghiêng 30, 00 4 Tà Keo đất, đồng chất 30, 00 6 Suối Hai đất, tường nghiêng 24, 80 7 Thượng Tuy đất, đồng chất 24, 50 8 Đồng Ngư đất, đồng chất 23, 00 9 Đại Lãi đất, tường nghiêng 20, 00 10 Ngãi Sơn đất, hỗn hợp 20, 00 11 Đồng Mô đất, hỗn hợp 17, 50 12 La Ngà đất, tường nghiêng 17, 00 13 Vân Trục đất, đồng chất 16, 00 14 Đa Nhim (Đơn dương) đất đồng chất 29.00 14 Hoà Bình đá đổ, lỗi giữa 128, 00 15 Trị An (đập chính) đất-đá hỗn hợp 45,00 16 Trị An (Suối rộp) đất, đồng chất 42,00 17 Thác Mơ (đập chính) đất- đá hỗn hợp 48,00 18 Thác Mơ (Đức Hạnh) đất, đồng chất 46,00 19 Đa Nhim (Đ. Dương) đất, đồng chất 43.00 20 Hàm Thuận(đ.chính) đá đổ, lỗi giữa 94.00 21 Hàm Thuận(đập phụ) đất đồng chất 58.00 22 Đa Mi (đập chính) đá đổ, lỗi giữa 72,00 23 Yaly, (đập chính) đá đổ, lõi giữa 75.00 5 Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thi công... của nước ta, trong tương lai đập đất- đá còn có triển vọng phát triển rộng rãi hơn nữa. Sở dĩ trong những năm gần đây đập bằng vật liệu địa phương trong đó có đập đất- đá đang phát triển với một tốc độ nhanh chóng như vậy và hiện đang có xu hướng phát triển nhanh hơn nữa về số lượng cũng như quy mô công trình là do nhiều nguyên nhân, trong đó có những nguyên nhân chủ yếu sau đây : 1. Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập đất không cao lắm so với những loại đập khác. Đập đất hầu như có thể xây dựng được với bất kỳ điều kiện địa chất, địa hình và khí hậu nào. Những vùng có động đất cũng có thể xây dựng được đập đất. Ưu điểm này rất cơ bản, bởi vì càng ngày những tuyến hẹp, có địa chất tốt thích hợp cho các loại đập bê tông càng ít cho nên các nước dần dần đi vào khai thác các tuyến rộng, nền yếu, chỉ thích hợp cho đập bằng vật liệu tại chỗ. 2. Với những thành tựu nghiên cứu trong các lĩnh vực cơ học đất, lý luận thấm, trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp chất dẻo làm vật chống thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất hiện có ở vùng xây dựng để đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng hẹp lại. Do đó giá thành công trình ngày càng hạ thấp và chiều cao đập càng được nâng cao. Người ta đã tính được rằng nếu lựa chọn được loại đất có thành phần hạt thích hợp và đầm nén tốt thì ứng suất cho phép trong thân đập có thể đạt đến 110 kg/cm2 và như vậy có thể xây dựng được đập cao đến 650 m. 3. Sử dụng những phương pháp mới để xây dựng những màng chống thấm sâu trong nền thấm nước mạnh. Đặc biệt dùng phương pháp phun các chất định kết khác nhau như xi măng sét vào đất nền. Có khả năng tạo thành những màng chống thấm sâu đến 200 m. 4. Có khả năng cơ giới hóa hoàn toàn các khâu đào đất, vận chuyển và đắp đất với những máy móc có công suất lớn do đó rút ngắn được thời gian xây dựng, hạ giá thành công trình và hầu như dần dần có thể loại trừ hoàn toàn lực lượng lao động thủ công. 5. Giảm xuống đến mức thấp nhất việc sử dụng các loại vật liệu hiếm như xi măng, sắt, thép v.v... và từ đó giảm nhẹ được các hệ thống giao thông mới và phương tiện giao thông. 6 6. Do những thành tựu về nghiên cứu và kinh nghiệm xây dựng các loại công trình tháo nước, đặc biệt là do phát triển-việc xây dựng đường hầm mà giải quyết được vấn đề tháo nước ngoài thân đập với lưu lượng lớn. 7. Xu hướng hiện nay trong thiết kế và xây dựng người ta thường dùng đập đất đá hỗn hợp (hay còn gọi là đập có vật liệu ngẫu nhiên, không chọn lọc – đào hố móng ra được loại nào thì cứ mang vào đắp đập) và đập bê tông bản mặt. 1.2 Một số hỏng đập vật liệu địa phương do tác hại của dòng thấm Đập ở các hồ chứa nước đã xây dựng hầu hết là đập đắp bằng đất thi công theo phương pháp đầm nén, thường gọi là đập vật liệu địa phương. Đập đất, xét theo các quy định về ổn định và sức bền thì cũng như tất cả mọi CTXD, nhưng nó cần phải thoả mãn các điều kiện đặc biệt là phải giữ được nước . Nước là tác nhân chính gây hư hỏng và sự cố đối với đập từ 3 mặt. Nước mưa, lũ gây xói lở bên ngoài (bằng vận tốc và tràn qua đập). Nước thấm vào đất gây xói lở từ bên trong (bằng gradien thủy lực). Nước bão hoà đất làm giảm sức chống cắt, gây trượt mái (bằng áp suất). Các sự cố và hư hỏng ở đập đất đã và đang xảy ra ở khu vực, phần lớn do tác động mặt thứ hai của nước mà nhiều khi ít được chú ý: Thấm ! Thấm là sự lan truyền của nước trong môi trường xốp từ nơi có áp lực cao đến nơi có áp lực thấp. Đập đất là CT môi trường xốp dễ bị nước tác động thấm nhất để gây hư hỏng và sự cố nếu không có biện pháp phòng chống thích hợp. Theo thống kê chưa đầy đủ, các sự cố do thấm chiếm trên 60% tổng số sự cố và hư hỏng đã xảy ra. Còn các sự cố về xói lở bề mặt, trượt mái đập thượng hạ lưu, nứt nẻ ở đỉnh đập, chiếm dưới 30%. Sự cố nước lũ tràn qua đỉnh đập chỉ xảy ra ở các đập hồ rất nhỏ, như đập Buôn Bông ( ĐakLak, vỡ năm 1994), Phụng Hoàng (Quảng Ngãi, vỡ năm 2001),dưới 1%. Hiện tượng thấm phổ biến ở hầu hết các đập đã xây dựng: thấm ở nền và thân đập, ở vai và mang công trình. Thấm thường xảy ra sau một thời gian khai thác, sau vài ba năm, hoặc hàng chục năm. Có đập chỉ mới một, hai năm, có đập thấm xảy ra ngay trong quá trình thi công hồ chứa tích nước, hoặc tích nước chưa đến MNDBT và đã dẫn đến sự cố vỡ đập. 7 1.3 Nguyên nhân phát sinh dòng thấm dưới đáy móng công trình Khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu hoặc đá phong hóa thường công trình tiếp xúc với nền đất nền, hai bên vai công trình là những bộ phận thường là loại thấm nước, trừ khi công trình đặt trên nền đá tốt và được xử lý phần tiếp giáp theo đúng quy trình kỹ thuật. Để bảo đảm cho công trình ổn định và không bị mất nước chúng ta phải xử lý chống thấm tốt, trước hết phải tìm nguyên nhân phát sinh dòng thấm để có giải pháp phù hợp với điều kiện tự nhiên của nền và đạt yêu cầu kỹ thuật, giá thành hạ. Khi công trình làm việc, sẽ tạo ra sự chênh lệch mực nước giữa thượng và hạ lưu. Nước sẽ di động qua các kẽ rỗng trong đất nền và hai bên vai công trình tạo thành dòng thấm. Đối với công trình và môi trường xung quanh, dòng thấm gây ra những ảnh hưởng bất lợi như sau: - Làm mất nước từ hồ chứa; - Gây áp lực lên các bộ phận công trình giới hạn miền thấm (bản đáy, tường chắn...); - Mất ổn định công trình: xói nền, xói vai đập…; - Có thể làm biến hình đất nền và hai vai, đặc biệt là ở khu vực dòng thấm thoát ra, có thể dẫn đến sụt lún, nghiêng, lật công trình; - Dòng thấm hai bên vai công trình khi thoát ra hạ lưu có thể làm lầy hoá một khu vực rộng, làm ảnh hưởng đến ổn định của bờ và điều kiện đi lại, sản xuất ở hạ lưu công trình. Dòng thấm trong môi trường đất rỗng được chia thành 2 loại: 1.3.1 Dòng thấm có áp Khi nó bị giới hạn từ phía trên bởi biên cứng, dòng thấm không có mặt thoáng; chuyển động của dòng thấm giống như nước chảy trong ống có áp. Đây là trường hợp khi xét dòng thấm dưới đáy các công trình. 1.3.2 Dòng thấm không áp Khi nó không bị giới hạn từ phía trên bởi công trình. Đây là trường hợp dòng thấm hai bên vai công trình, dòng thấm qua đập đất. Giới hạn phía trên của dòng thấm là mặt thoáng hay mặt bão hoà, tại đây có áp suất bằng áp suất khí trời. 8 1.4 Những vấn đề cơ bản của dòng thấm dưới đáy móng công trình Nhiệm vụ của nghiên cứu dòng thấm là tìm ra quy luật chuyển động của nó phụ thuộc vào hình dạng, kích thước các bộ phận công trình là biên của dòng thấm; xác định các đặc trưng phân bố áp lực thấm lên các bộ phận công trình, phân bố gradien thấm trong miền thấm, và trị số lưu lượng thấm. Trên cơ sở các tính toán này, người thiết kế sẽ chọn được hình thức, kích thước, cấu tạo hợp lý của công trình, đảm bảo điều kiện làm việc an toàn của nó ( ổn định về trượt, ngăn ngừa biến hình nền…) và tính kinh tế của phương án chọn. Vấn đề nghiên cứu dòng thấm từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thế giới. Vào thế kỷ 18 đã có các công trình nghiên cứu của Lômônôxôv, Becnoulli, Euler. Từ năm 1856, Darcy đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và tìm ra định thấm tuyến tính mà ngày nay được gọi là định luật thấm Darcy. Những thành tựu nổi bật về lý thuyết thấm đã được công bố trong các tác phẩm của Jucovxki(1898), Pavlovxki(1922). Đóng góp vào sự phát triển phương pháp thủy lực trong lý thuyết thấm có công của Duypuy, Côzeny, Aravin, Numerov, Ughintrux, Trugaev và nhiều nhà khoa học khác. Việc giải bài toán thấm bằng phương pháp thủy lực đã đạt được kết quả phong phú cho các sơ đồ bài toán phẳng của thấm có áp. Với bài toán thấm không có áp mới chỉ giải quyết được cho một số sơ đồ đơn giản. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp số và công cụ máy tính, nói chung có thể giải được bài toán thấm với biên bất kỳ cho bài toán phẳng và bài toán không gian, thấm ổn định và không ổn định… 1.5 Những nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến dòng thấm dưới đáy móng công trình Một trong những vấn đề quan trọng nhất cần phải giải quyết khi thiết kế công trình thủy lợi là dự báo chế độ của hệ thống công trình – nền. Sự phức tạp của bài toán này được thể hiện ở chỗ: cần phải tính đến hàng loạt các yếu tố tác động như: địa hình, các điều kiện địa chất công trình; các đặc thù kết cấu của công trình cũng như các biện pháp và kết cấu chống thấm ở thân và nền công trình; khả năng dao 9 động mực nước ở thượng hạ lưu… Độ chính xác trong xác định các tính chất thấm của các loại đất ở thân và nền của đập đất. Mặc dù, đã có nhiều thành tựu về phát triển các phương pháp và phương tiện kỹ thuật nhằm xác định các tính chất cơ lý của đất, trong nền có kết cấu địa tầng phức tạp, giá trị tính toán các thông số của dòng thấm phụ thuộc vào sự tương tác của các hệ số thấm giữa các lớp đất nền.Việc hoàn thiện nghiên cứu thấm trong nền công trình cần gắn với việc cải thiện phương pháp khảo sát địa chất công trình nói chung và trong việc xác định các tính chất đất nền nói riêng. 1.6 Xử lý thấm cho nền đập ở một số công trình trên thế giới và Việt Nam Sự cố thấm ở một số đập: Đập hồ Hội Sơn (Bình Định) + Xây dựng : năm 1984; + Đập đồng chất, hmax = 28,5m. + Hồ có dung tích : 45,65 x 106 m3. + Cao trình đỉnh đập : + 72,20m. + MNDBT : + 68,60m. Thấm ở nền và thân , vai đập với dòng thấm mạnh, diện rộng. Hạ lưu chân đập có mạch sủi. Mái thượng lưu có nhiều dấu vết lún sụt. • Nguyên nhân : Nền là đất tàn tích granít chưa được xử lý triệt để. Đất đắp thân đập chưa đạt độ chặt cần thiết. • Sửa chữa nâng cấp : năm 2000 ÷ 2001: Tường nghiêng thượng lưu có chân khay chống thấm đặt đến nền không thấm, bổ sung gia tải mái hạ lưu. Cải tạo tràn tự do thành tràn có cửa. Làm cống lấy nước mới thay cống cũ. Đập hồ Phú Ninh (Quảng Nam) • + Xây dựng : 1976 - 1986. + Đập đất đồng chất. Đập chính h max = 40m. L= 620 m. + 5 dập phụ h max : 3 ÷16m. ΣL= 2960m. + Hồ có dung tích: 460 triệu m3. + MNDBT :+32,00m. MNLLN : + 35,4m. + Cao trình đỉnh đập : +37,40m. Tường chắn sóng : +38.50m. • Hư hỏng : Sau gần 20 năm làm việc, qua các trận lũ lớn năm 1999, đã phát sinh thấm ở thân đập chính ( từ cơ đập +20,0 đến 23,0m), hạ lưu chân đập bị 10 lầy và có 3 điểm nước sủi. Hai đập phụ (Long Sơn 2 và Dương Lâm) bị thấm ra chân đập, gây lầy đất nền, phạm vi thấm dài hàng trăm mét. • Nguyên nhân : Đất đắp thân đập hầu hết chưa đạt độ chặt cần thiết. Chỉ có 46% mẫu kiểm tra đạt độ chặt K= 0,93 ( còn rất thấp), còn lại đều dưới 0,93. Nền đập ở hai vai là đất pha tàn tích và tàn tích chứa nhiều dăm sạn trong thi công chưa xử lý trịêt để. Kết cấu mặt cắt đập chưa hợp lý. CT làm việc trên 15 năm, đã bước vào thời kỳ lão hoá [2] • Sửa chữa nâng cấp đập chính : Khoan phụt chống thấm cho nền và thân đập, ở phía vai phải. Gia tải mái hạ lưu đến +33,0m. Cải tạo hệ thống tiêu nước hạ lưu ở chân đập. Hoàn thiện hệ thống tiêu nước mặt. Các đập phụ cũng sửa chữa nâng cấp tương tự. Đập hồ Cà Giây (Bình Thuận) • + Xây dựng : 1996 - 2000. + Đập không đồng chất. h max : 25,4m. Dung tích hồ : 36,63 triệu m3. + MNDBT : +74,70. MNLLN : + 78,20, MNC :+67,50m. + Cao trình đỉnh đập : +78,50m. • Sự cố : Tháng 10/1998 khi đập đắp đến cao trình +77,0m, mực nước hồ dâng dần lên đến +72,90 ( dưới MNDBT 1,8m) bị rò thấm mạnh thành dòng chảy ra hạ lưu ở cao trình 61,0 ÷ 62,0m. Các biện pháp bịt thượng lưu ( ủi đất lấn lấp) và lọc hạ lưu đều không được. Biện pháp cấp cứu : xả cống và mở 1 tràn phụ để hạ mực nước hồ, khoan phụt xi măng + cát ( 20 tấn xi măng + 100 m3 cát). Nhờ mưa ngớt, mực nước hồ hạ, giữ được đập khỏi thảm hoạ . • Nguyên nhân : Ngừng thi công lâu ngày (10 tháng) do phải phân đoạn đập bờ phải ( thi công trước) và bờ trái, khối đất bề mặt bị co ngót và tan rã nhẹ tạo ra các khe nứt sâu và ngày càng rộng, tạo thành khớp thi công nhưng khi đắp tiếp đoạn đập bờ trái đã không xử lý tốt, không đào hết tầng đất có các khe nứt . Khi khai quật đoạn đập có sự cố ( đầu tháng 4/1999) phát hiện 11 hang ngầm ăn thông nhau từ cao trình + 64,50 ÷68,23m, rộng từ 0,3 ÷ 3,2m; cao 0,2 ÷1,65m, trong đó có 4 hang lớn bxh ~ (3 ÷ 3,2) x (1,64 ÷ 1,65)m . 11 • Sửa chữa : Đào ra đắp lại toàn bộ đoạn đập sự cố dài 169,5m, bổ sung dãi tiêu nước kiểu ống khói, khoan phụt chống thấm toàn bộ thân đập. Công trình hoàn thành năm 2000 ( Kể cả bổ sung 1 tràn có cửa ), hiện đang làm việc an toàn. Đập Laphaies ( Bang California-Mỹ) • + Xây dựng : Ngày 16 tháng 8 năm 1927 + Đập đất đầm nén + Đập cao 42,6m , mái hạ lưu là 1: 2,5 đến 1: 3. + Dung tích hồ chứa 13 triệu m3 + Thân đập đắp bằng đất sét lấy từ bờ dòng sông, tường tâm có 70% đất sét, phần thượng lưu thân đập có 45% đất sét, 22% cát cỡ hạt trên 1,8 mm, phần hạ lưu có 20% đất sét. Đập xây trên tầng bồi tích có tạp chất đất sét cứng ở chổ cách đáy đập 15-45m. Phần giữa đáy đập được nối tiếp bằng chân khay và để liên tiếp với nền dưới chân khay có đóng cừ sắt vào đất sét, sâu 13,50 m, đóng xuống tận đất nền. • + Sự cố : Ngày 17 tháng 9 năm 1928 thi công đập đã gần hoàn thành (còn 6-7 m chưa đắp và đầm nện). Lúc đó ở mái hạ lưu có khe nứt, đập bắt đầu lún, đặc biệt phần ở giữa thân lún tới 7,32 m, khu vực lún theo tim đập dài tới 160 m • + Nguyên nhân : Căn cứ kết quả khoan thăm dò và nghiên cứu đã đi đến các ý kiến là sự hư hỏng cục bộ thân đập là do quá trình nền bồi tích có tính dẻo tương đối dày bị tập trung quá tải, mà tính chất này trong khoan thăm dò hoàn toàn không thấy được vi phạm vi rất nhỏ cả khi tiến hành thí nghiệm, đầu tiên đập biến dạng do lún gây bởi nền có độ dính dẻo. • + Sửa chữa : Hạ thấp chiều cao của đập xuống 12,19 m, so với thiết kế cũ, hồ chứa giảm 4,5 triệu m3 , độ thoải mái thượng lưu là 1:5, hạ lưu là 1:7. Đập Apisapa ( Bang Côlôrađô -Mỹ) • + Xây dựng : năm 1921 + Đập đắp bằng cát nhỏ, trong đó có hàm lượng chất keo kết + Đập cao 31,24 m, đỉnh đập dài 183 m, đáy dài khoảng 90 m.