Tài liệu đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định đập đất hồ chứa nước diên trường, tỉnh quảng ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------- LÊ VĂN HẬU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƢỚC DIÊN TRƢỜNG - TỈNH QUẢNG NGÃI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------- LÊ VĂN HẬU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƢỚC DIÊN TRƢỜNG TỈNH QUẢNG NGÃI Chuyên Ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THUỶ Mã Số: 858.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ VĂN THẢO Đà Nẵng - Năm 2019 II LỜI CẢM ƠN Qua quá trình nỗ lực phấn đấu học tập và nghiên cứu của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa và bạn bè đồng nghiệp, Luận văn Thạc sỹ “Đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định đập đất hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi” đã được hoàn thành. Để có được kết quả này, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Văn Thảo người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Xây dựng Thuỷ lợi - Thuỷ điện, Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến Công ty TNHH một thành viên Khai thác công trình thuỷ lợi Quảng Ngãi, Trạm Quản lý thuỷ nông số 6 - Đức Phổ đã cung cấp số liệu dự án, thông tin cần thiết về công trình và góp ý cho các giải pháp tác giả đưa ra nghiên cứu; Cảm ơn tất cả anh chị em cơ quan đang công tác, gia đình, bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khoá học và luận văn này. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học và kinh nghiệm trong việc áp dụng các công nghệ mới hiện nay nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý kiến và trao đổi chân thành của quý thầy cô để tác giả hoàn thiện hơn đề tài của luận văn. Xin chân thành cảm ơn./. Đà Nẵng, tháng 8 năm 2019 Tác giả Lê Văn Hậu III TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƢỚC DIÊN TRƢỜNG, TỈNH QUẢNG NGÃI Học viên: Lê Văn Hậu; Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 858.02.02; Khóa: 2017 – 2019; Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Công trình hồ chứa nước Diên Trường có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cấp nước dân sinh và tưới ổn định cho 500ha lúa, hoa màu của nhân dân xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi. Hiện trạng mất ổn định hiện nay là thấm qua thân đập đất tại khu vực lòng suối; xuất hiện vết nứt ở thân đập đất phía gần tràn xã lũ, vị trí vết nứt nằm ở giữa mặt đập và dọc theo chiều dài thân đập. Hiện nay toàn tỉnh Quảng Ngãi có 123 hồ chứa nước với tổng dung tích thiết kế trên 407 triệu m3. Qua kiểm tra, rà soát hiện có 38 hồ chứa nước bị hư hỏng, xuống cấp nặng, mất ổn định cần được ưu tiên sửa chữa, nâng cấp. Vì vậy, đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định đập đất hồ chứa nước Diên Trường - Tỉnh Quảng Ngãi là đề tài nghiên cứu có phạm vi sâu rộng, mang tính ứng dụng thực tế cao, hy vọng sẽ được đưa vào áp dụng vào triển khai rộng rãi cho đập đất tại các hồ chứa nước trên địa bàn toàn tỉnh Quảng Ngãi trong thời gian đến. Dùng phần mềm Flaxis để xác định các hệ số ổn định của đập theo các trường hợp khác nhau của hiện trạng đập đất và đề xuất giải pháp xử lý. Từ khóa: Lưu vực hồ Diên Trường; Thấm; Ổn định; Phần mềm tính toán; Flaxis. IV ABSTRACT EVALUATION OF CURRENT STATUS AND PROPOSAL SOLUTIONS TO IMPROVE EARTH DAM STABILITY FOR DIEN TRUONG RESERVIOR IN QUANG NGAI PROVINCE Student: Le Van Hau Major: Hydraulic Engineering Code: 858.02.02; Year: 2017 - 2019 University of Science and Technology – The University of Danang. Abstract: The Dien Truong reservoir project plays an important role in ensuring the supply of residential water and stable irrigation for 500ha of rice, crops for people in Pho Khanh commune, Duc Pho district, Quang Ngai province. The current situation of instability is seeping through the earth dam body located at the watercourse; cracks appear in the body of the earth dam near the flood spillway, the position of the crack is located between the dam face and along the length of the dam body. Currently, Quang Ngai province has 123 reservoirs with a total design capacity of over 407 million m3. Through checking and reviewing, there are currently 38 damaged reservoirs, seriously degraded and destabilized, which should be prioritized to repair and upgrade. Therefore, evaluation of current situation and proposing solutions to improve the earth dam stability of Dien Truong reservoir for Quang Ngai province is a research topic which brings a wide range and high practical applications, this study hope to deploy widely for earth dams of reservoirs in Quang Ngai province in the coming time. Using Flaxis software to determine the stability coefficients of the dam for the different cases of the earth dam current situation and proposing a reasonable treatment solution. Keywords: Basin of Dien Truong reservoir; seep; stability; Calculation software; Flaxis Software. V MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. I LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... II MỤC LỤC ........................................................................................................... V DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. VIII DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. IX MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ..............................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................................3 6. Cấu trúc luận văn .........................................................................................................3 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ CHỨA NƢỚC ............... 4 1.1. Lý thuyết về thấm .....................................................................................................4 1.1.1. Sự ảnh hưởng của các loại đất đắp đập đến dòng thấm ........................................4 1.1.2. Tác hại của dòng thấm ........................................................................................... 5 1.1.3. Phân loại dòng thấm .............................................................................................. 6 1.2. Lý thuyết ổn định ......................................................................................................7 1.2.1. Đặt vấn đề ..............................................................................................................7 1.2.2. Điều kiện làm việc của đập đất..............................................................................9 1.2.3. Các trường hợp tính toán ổn định mái đập .......................................................... 10 1.2.4. Đánh giá ổn định mái dốc đập .............................................................................11 1.3. Tổng quan về đập đất trên thế giới .........................................................................12 1.4. Tổng quan về đập đất ở Việt Nam..........................................................................14 1.4.1.Tình hình chung ....................................................................................................14 1.4.2. Một số nhận xét, đánh giá....................................................................................16 1.5. Những khả năng mất an toàn đập đất .....................................................................17 1.5.1. Điều kiện làm việc của đập đất............................................................................17 1.5.2. Nước tràn qua đỉnh đập ....................................................................................... 17 1.5.3. Sạt trượt thiết bị bảo vệ mái đập thượng lưu ....................................................... 18 1.5.4. Thấm vượt quá giới hạn, sủi nước ở nền đập ......................................................19 1.5.5. Thấm vượt giới hạn, sủi nước ở vai đập .............................................................. 19 1.5.6. Thấm vượt giới hạn, sủi nước ở bên công trình ..................................................20 1.5.7. Thấm vượt giới hạn, sủi nước trong thân đập .....................................................20 1.5.8. Nứt ngang đập .....................................................................................................22 1.5.9. Nứt dọc đập .........................................................................................................22 1.5.10. Nứt nẻ sâu mặt đập hoặc mái đập ......................................................................23 1.5.11. Trượt sâu mái đập thượng lưu ...........................................................................23 1.5.12. Trượt sâu mái đập hạ lưu ...................................................................................24 1.5.13. Hư hỏng do mối gây ra ......................................................................................25 1.6. Phân loại sự cố và phân tích nguyên nhân gây ra sự cố đập đất ............................ 25 VI 1.6.1. Phân loại sự cố .....................................................................................................25 1.6.2. Phân tích nguyên nhân gây ra sự cố ....................................................................26 1.7. Điều kiện làm việc của hồ đập hiện nay và các hướng nghiên cứu đảm bảo an toàn hồ đập ............................................................................................................................ 28 1.7.1. Điều kiện làm việc của hồ, đập hiện nay ............................................................. 28 1.7.2. Các hướng nghiên cứu để đảm bảo an toàn hồ đập .............................................29 1.8. Những kết quả nghiên cứu về an toàn đập đất trong nước .....................................30 1.9. Những kết quả nghiên cứu về an toàn đập đất trên thế giới ...................................31 1.10. Phần mềm tính toán ổn định .................................................................................32 1.11. Tổng hợp chương 1............................................................................................... 32 CHƢƠNG 2 - LỊCH SỬ VÀ HIỆN TRẠNG THẤM CỦA ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƢỚC DIÊN TRƢỜNG, TỈNH QUẢNG NGÃI .............................. 34 2.1. Giới thiệu dự án hồ chứa nước Diên Trường ......................................................... 34 2.1.1. Vị trí địa lý ...........................................................................................................34 2.1.2. Địa hình, sông suối .............................................................................................. 34 2.1.3. Đặc điểm khí hậu .................................................................................................34 2.1.4. Đặc điểm thuỷ văn ............................................................................................... 38 2.2. Lịch sử mất ổn định của công trình ........................................................................41 2.3. Hiện trạng công trình .............................................................................................. 44 2.3.1. Hồ chứa................................................................................................................44 2.3.2. Đập đất .................................................................................................................44 2.3.3. Tràn xả lũ .............................................................................................................46 2.3.4. Cống lấy nước: ....................................................................................................48 2.3.5. Kênh và công trình trên kênh: .............................................................................48 2.4. Tổng hợp chương 2.................................................................................................49 CHƢƠNG 3 - PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT VÀ KIẾN NGHỊ GIẢI PHÁP XỬ LÝ .......................................................................................... 50 3.1. Mô phỏng số với phần mềm Flaxis ........................................................................50 3.2. Tính ổn định hiện trạng cho đập đất .......................................................................50 3.2.1. Tài liệu tính toán ..................................................................................................50 3.2.2. Các trường hợp tính toán .....................................................................................52 3.2.3. Phương pháp tính toán ......................................................................................... 52 3.2.4. Kết quả tính toán .................................................................................................52 3.3. Giải pháp xử lý nâng cao ổn định đập đất hồ Diên Trường ...................................55 3.3.1. Giải pháp xử lý thấm cho hồ Diên Trường ......................................................... 55 3.3.2. Thiết kế phương án tạo tường chống thấm bằng Jet-grouting ............................ 73 3.3.3. Thiết kế thi công tạo tường chống thấm bằng Jet-grouting.................................75 3.4. Kiểm tra ổn định đập đất sau khi áp dụng phương pháp xử lý thấm và nứt bằng Jet-grouting ....................................................................................................................78 3.4.1. Tài liệu tính toán ..................................................................................................78 3.4.2. Các trường hợp tính toán .....................................................................................80 3.4.3. Phương pháp tính toán ......................................................................................... 80 3.4.4. Kết quả tính toán .................................................................................................80 3.5. Tổng hợp chương 3.................................................................................................83 VII PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 84 1. Kết luận......................................................................................................................84 2. Kiến nghị ...................................................................................................................84 3. Hướng phát triển của đề tài ....................................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 86 Tiếng Việt ......................................................................................................................86 Tiếng Anh ......................................................................................................................88 VIII DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Hệ số thấm của các loại đất đá khác nhau (theo N.M. Maxiov). ...................5 Bảng 1.2: Các trường hợp tính toán ổn định đập đất ....................................................10 Bảng 1.3: Hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất của mái đập [Kcp].......................................11 Bảng 1.4: Một số đập đất cao hơn 100m ......................................................................12 Bảng 1.5: Thống kê một số đập đất lớn ở Việt Nam ....................................................15 Bảng 1.6: Thống kê sự cố ở các loại hồ chứa ............................................................... 26 Bảng 2.1: Nhiệt độ Trạm Quảng Ngãi (giai đoạn 1977 ÷ 2017) ..................................37 Bảng 2.2: Độ ẩm tương đối trung bình Trạm Quảng Ngãi giai đoạn (1977 ÷ 2017) ...37 Bảng 2.3: Lượng bốc hơi ống Zpiche Trạm Quảng Ngãi thời kỳ 1977 ÷ 2017 ..........38 Bảng 2.4: Số giờ nắng trung bình Trạm Quảng Ngãi (giờ/ngày) .................................38 Bảng 2.5: Tình hình các Trạm quan trắc khí tượng khu vực tỉnh Quảng Ngãi ............39 Bảng 2.6: Các Trạm thuỷ văn lân cận khu vực hồ chứa ...............................................40 Bảng 2.7: Các thông số kỹ thuật cơ bản của hồ chứa nước Diên Trường ....................40 Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập ......................................................................51 Bảng 3.2: Các mực nước dùng trong tính toán ............................................................. 52 Bảng 3.3: Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and Freitag, 1959) ..........................................................................................................70 Bảng 3.4: Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959).............................................................................70 Bảng 3.5: Bảng kiểm tra điều kiện bề dày tường lõi cọc Jet – grouting....................... 75 Bảng 3.6: Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập ......................................................................79 Bảng 3.7: Các mực nước dùng trong tính toán ............................................................. 79 IX DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ vùng thấm mao dẫn (a), biểu đồ áp lực nước trong đập đất (b) ...........6 Hình 1.2: Mặt trượt dạng cung tròn (a), Mặt trượt dạng là một mặt phẳng gãy khúc (b) và (c). ............................................................................................................................... 8 Hình 1.3: Đập Oroville - Hoa kỳ ..................................................................................13 Hình 1.4: Hình ảnh một số đập đất lớn ở Việt Nam .....................................................16 Hình 1.5: Sự cố vỡ đập Bản Kiều - Trung Quốc .......................................................... 18 Hình 1.6: Trượt mái thượng lưu đập Từ Phổ (Trung Quốc) ........................................19 Hình 1.7: Sự cố vỡ đập Ia karel 2 - Gia Lai .................................................................20 Hình 1.8: Sự cố vỡ đập Teton - Mỹ .............................................................................21 Hình 1.9: Sự cố vỡ đập Am Chúa - Khánh Hòa ........................................................... 22 Hình 1.10: Vết nứt dọc trên mái đập EaSoup thượng – Đắk Lắk ................................ 23 Hình 1.11: Vùng thấm sình lầy mái hạ lưu trên hồ Kim Sơn .......................................25 Hình 1.12: Hư hỏng do mối gây ra tại Đập thuỷ điện Azun Hạ, Gia Lai .....................25 Hình 2.1: Bảng đồ vị trí Hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi ....................35 Hình 2.2: Nứt dọc thân đập (ảnh chụp ngày 25/9/2018) ..............................................45 Hình 2.3: Thấm làm hỏng đá thoát nước hạ lưu (ảnh chụp ngày 25/9/2018) ..............45 Hình 2.4: Thấm làm xói lở hạ lưu (ảnh chụp ngày 25/9/2018) ....................................46 Hình 2.5: Tràn xả lũ (ảnh chụp ngày 25/9/2018) ......................................................... 47 Hình 2.6: Hạ lưu Tràn xả lũ (ảnh chụp ngày 25/9/2018) .............................................47 Hình 2.7: Cống lấy nước (ảnh chụp ngày 25/9/2018) ..................................................48 Hình 3.1: Mô hình hình học.......................................................................................... 53 Hình 3.2: Phân tích thấm .............................................................................................. 53 Hình 3.3: Mặt trượt nguy hiểm .....................................................................................54 Hình 3.4: Phân tích ứng suất ban đầu ...........................................................................54 Hình 3.5: Hệ số ổn định K=1.085 .................................................................................55 Hình 3.6: Chống thấm Hồ chứa nước bằng màng HDPE.............................................56 Hình 3.7: Ứng dụng thảm bê tông FS bảo vệ bờ cho đập hồ chứa ............................... 58 Hình 3.8: Ứng dụng cừ bê tông cốt thép ứng suất trước chống thấm .......................... 59 Hình 3.9: Ứng dụng cừ bản nhựa chống thấm và chống sạt lở công trình ...................59 Hình 3.10: Thi công tường hào bentonite chống thấm .................................................60 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Jet – Grouting ............................. 62 X Hình 3.12: Cần khoang nòng đơn Jet-grouting, công nghệ đơn pha (Single Jet) ........63 Hình 3.13: Cần khoan nòng đôi Jet-grouting, công nghệ hai pha (Twin Jet) ..............63 Hình 3.14: Hình ảnh cấu tạo chi tiết công nghệ hai pha (Twin Jet) ............................. 64 Hình 3.15: Cần khoan nòng ba Jet-grouting, công nghệ ba pha (Triple Jet)................64 Hình 3.16: Hình ảnh cấu tạo chi tiết công nghệ ba pha (Triple Jet) ............................. 65 Hình 3.17: Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt chống thấm ............................... 66 Hình 3.18: Công nghệ thi công cọc Xi măng đất theo kiểu cơ khí ( trộn khô) ............67 Hình 3.19: Trình tự thi công cọc xi măng đất bằng công nghệ trộn khô......................67 Hình 3.20: Công nghệ thi công Jet - Grouting (trộn ướt) .............................................68 Hình 3.21: Mặt cắt điển hình đập .................................................................................73 Hình 3.22: Sơ đồ bố trí một hàng cọc XMĐ D80 ........................................................ 74 Hình 3.23: Sơ đồ bố trí hai hàng cọc XMĐ D60 .......................................................... 75 Hình 3.24: Sơ đồ bố trí cọc Xi măng - đất....................................................................76 Hình 3.25: Sơ đồ bố trí lỗ khoang. ...............................................................................76 Hình 3.26: Mặt bằng tạo tường chống thấm sau khi khoang phụt. .............................. 77 Hình 3.27: Mô hình hình học........................................................................................ 80 Hình 3.28: Phân tích thấm ............................................................................................ 81 Hình 3.29: Phân tích ứng suất ban đầu .........................................................................81 Hình 3.30: Mặt trượt nguy hiểm ...................................................................................82 Hình 3.31: Trường vận tốc ........................................................................................... 82 Hình 3.32: Hệ số ổn định K=1.299 ...............................................................................83 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Công trình hồ chứa nước Diên Trường thuộc địa phận thôn Diên Trường, xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi. Công trình được khởi công xây dựng từ năm 1988 và hoàn thành đưa vào khai thác sử dụng cuối năm 1994 với dung tích toàn bộ là 2,239 triệu mét khối, cung cấp nước tưới cho 200 ha đất nông nghiệp của xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ. Trong quá trình khai thác sử dụng từ năm 1995 – 2009, hiện trạng công trình bị hư, xuống cấp như: Đập đất bị thấm lớn, Tràn xả lũ bị xói lở hạ lưu, hệ thống kênh mương chưa hoàn chỉnh, chỉ tưới đủ 75 ha lúa 3 vụ trong khi năng lực thiết kế công trình đầu mối là 200 ha. Đường giao thông phục vụ quản lý công trình chưa có, cho nên vào mùa mưa lũ không có đường xe ô tô vào ứng cứu công trình khi có lũ vượt tần suất thiết kế. Mặt khác, theo báo cáo của Chủ đập là Công ty Khai thác công trình Thuỷ lợi Quảng Ngãi cho thấy vùng hưởng lợi đang thiếu nguồn nước tưới nghiêm trọng, hơn 300 ha đất canh tác của xã Phổ Khánh chưa được tưới, đời sống của nhân dân trong vùng gặp rất nhiều khó khăn, vùng hưởng lợi có nhiều tiềm năng về nuôi trồng thuỷ sản, nhu cầu dùng nước tăng lên. Vì vậy, năm 2010, UBND tỉnh Quảng Ngãi đã bố trí kinh phí giao cho Sở Nông Nghiệp và Phát triển nông thôn Quảng Ngãi làm chủ đầu tư Dự án sửa chữa, nâng cấp hồ chứa nước Diên Trường để đảm bảo an toàn hồ chứa, sau khi nâng cấp dung tích toàn bộ của hồ sẽ tăng lên là 4,429 triệu mét khối, cung cấp nước tưới ổn định cho 500 ha đất canh tác nông nghiệp, 150 ha đất mặt nước cho nuôi trồng thủy sản và cấp nước sinh hoạt cho 4.500 hộ dân xã Phổ Khánh. Sau thời gian nâng cấp từ năm 2010 đến năm 2016, công trình hoạt động ổn định, tích trữ nước đảm bảo tưới ổn định cho 500ha lúa và hoa màu của nhân dân xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi. Nhưng đến năm đầu năm 2017 công trình có hiện tượng thấm lớn khu vực ở giữa thân đập đất (mặc dù trong thiết kế sữa chữa nâng cấp vào năm 2010 đã dùng giải pháp chống thấm cho thân và nền đập đoạn lòng suối là khoan phụt dung dịch vữa xi măng, bentonit với tổng chiều dài khoan phụt là 88,5m). Đặc biệt, hiện tượng mất ổn định nhất của công trình hiện nay là xuất hiện vết nứt ở thân đập đất phía gần tràn xã lũ, vị trí vết nứt nằm ở giữa mặt đập và 2 dọc theo chiều dài thân đập, vết nứt dài nhất có chiều dài L=30m, chiều rộng vết nứt từ 1-3 cm và còn nhiều vết nứt cục bộ dài từ 2-4m. Theo tham khảo từ đơn vị quản lý hồ là Trạm Quản lý thuỷ nông số 6, Đức Phổ, với hiện tượng nứt bất thường của công trình, năm 2017 đơn vị đã gửi báo cáo lên cấp trên và đoàn công tác của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Quảng Ngãi đã vào thực tế để kiểm tra đánh giá nhưng chưa tìm ra nguyên nhân gây nứt. Đoàn công tác đã chỉ đạo cho chủ đập phải thường xuyên theo dõi hiện tượng trên nhất là vào mùa mưa lũ và khi hồ tích đầy nước để báo cáo kịp thời lên cấp trên chỉ đạo xử lý. Đối với hiện tượng thấm, đơn vị quản lý hồ cho biết khi hồ tích nước từ cao trình 17.0 trở lên thì xảy ra hiện tượng thấm lớn ở khu vực giữa đập đất, làm hỏng đống đá đổ thoát nước hạ lưu đập. Mặt khác, Hiện nay hồ chứa nước trên thế giới được xây dựng và phát triển rất đa dạng, phong phú. Mặt tích cực của hồ chứa là những công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước và mang tính đa chức năng. Mặt hạn chế khi xây dựng hồ là: nếu có sơ xuất trong thiết kế, xây dựng, vận hành khai thác hoặc trình độ kỹ thuật quản lý sử dụng chưa cao không đáp ứng đòi hỏi của thực tế thì có thể gây ra sự cố dẫn đến những hậu quả khôn lường. Với tốc độ phát triển xây dựng hồ chứa nước nhanh đã đem lại nhiều lợi ích khác nhau. Nhưng những sự cố, hư hỏng, cũng tăng theo. Sự cố, hư hỏng có thể diễn ra ở tổng thể cụm đầu mối, có thể ở một công trình hoặc một bộ phận công trình, hoặc do hư hỏng, sự cố công trình vùng lân cận. Song dù sự cố diễn ra ở đâu, chỗ nào trong cụm công trình đầu mối cũng đều dẫn đến an toàn kỹ thuật của hồ chứa không đảm bảo, có thể gây thảm họa cho hạ lưu và như thế an toàn thực thi nhiệm vụ của hồ chứa nước cũng không còn. Nghĩa là tạo nên thiệt hại kép khi đầu mối hồ chứa mất an toàn. Nguyên nhân gây ra sự cố có thể do thấm vượt quá giới hạn; sạt trượt lớp bảo vệ mái; trượt mái; nước tràn qua đỉnh đập chắn; công trình tràn xả lũ bị hỏng; cống lấy nước bị lún, gãy; cửa van trên tràn xả lũ bị gãy....Do vậy đề tài “ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƢỚC DIÊN TRƢỜNG, TỈNH QUẢNG NGÃI” và đề xuất các giải pháp an toàn cho đập đất là rất cần thiết. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu - Đánh giá hiện trạng đập đất của hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi. 3 - Phân tích ổn định của đập đất dưới tác dụng của dòng thấm. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Ổn định đập đất hồ chứa nước Diên Trường. - Phạm vi nghiên cứu: Đập đất. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Để giải quyết mục tiêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau: - Điều tra, thu thập số liệu, tài liệu địa hình, địa chất thủy văn, lịch sử của đập đất và hiện trạng của công trình. - Sử dụng mô hình số Flaxis của Hà Lan để phân tích ổn định dưới tác dụng của dòng thấm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Việc đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định phân đập đất hồ Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi có ý nghĩa thực tiễn trong quản lý an toàn đập. Kết quả của đề tài là cơ sở có tính khoa học để các đơn vị chức năng đề xuất phương án nhằm đảm bảo ổn định cho đập. 6. Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn gồm: - Phần mở đầu; - Chương 1: Tổng quan về đập đất của hồ chứa nước; - Chương 2: Lịch sử và hiện trạng thấm của đập đất hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi; - Chương 3: Phân tích ổn định của đập đất và kiến nghị giải pháp xử lý; - Phần kết luận và kiến nghị. 4 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ CHỨA NƢỚC 1. 1.1. Lý thuyết về thấm Thấm là sự chuyển động của chất lỏng ( nước, dầu, hơi nước…) trong đất, trong đá nứt nẻ hoặc trong môi trường (rỗng, xốp) nói chung của đất được diễn ra dưới tác dụng của lực trọng trường khi có sự chênh lệch cột nước giữa các điểm khác nhau trong môi trường xốp. Tính thấm nước của đất đá phụ thuộc nhiều nhân tố, quan trọng nhất là đường cong, thành phần hạt, kích thước, hình dạng lỗ rỗng và độ rỗng, nó được quyết định bởi độ phân tán và thành phần khoáng vật của đất đá. Vì vậy mà đất sét có tính thấm nước không đáng kể so với cuội sỏi và khi chứa monmorilonit sẽ làm giảm kích thước lỗ rỗng của đất. Do tính thấm nhỏ nên đất sét thường dùng để làm lõi hoặc tường chống thấm trong thân đập, nền công trình và kênh dẫn… Sự xuất hiện của dòng thấm qua đập đất gây nên những tác hại nhiều lúc rất lớn về mặt tổn thất lượng nước cũng như tính bền vững của công trình. Do đó, trong thiết kế và xây dựng đập đất vấn đề nghiên cứu, đánh giá những đặc trưng của dòng thấm là một khâu quan trọng không thể thiếu [8]. 1.1.1. Sự ảnh hưởng của các loại đất đắp đập đến dòng thấm Đất đá có thành phần hạt không đồng nhất thường có tính thấm nước lớn hơn đất đá có thành phần hạt đồng nhất, sự có mặt của nhóm hạt sét sẽ làm cho tính thấm của cát giảm. Cấu trúc của đất ảnh hưởng đến tính thấm của nó. Cấu tạo lớp, dải, gơnai…làm cho tính thấm của đất đá không đẳng hướng. Khả năng thấm nước lớn nhất theo phương song song với mặt lớp, phương kéo dài của dải. Sự có mặt của các lớp kẹp không thấm nước có tính dị hướng rõ rệt. Khi phá hoại kết cấu của đất cũng như sự đầm chặt nhân tạo có khả năng thay đổi lớn tính thấm của đất. Ngoài ra, nồng độ điện phân trong nước và các cation trao đổi có ảnh hưởng rất lớn đến tính thấm nước của đất sét [15]. Dựa theo nghiên cứu của N.M. Maxiov, hệ số thấm của một số loại đất phổ biến như ở bảng 1.1. 5 Bảng 1.1: Hệ số thấm của các loại đất đá khác nhau (theo N.M. Maxiov). Loại đất đá Đất sét, đá cứng liền khối Hệ số thấm Đặc điểm của đất đá theo k (m/ngđ) tính thấm nước < 5.10-5 Đất sét pha, cát pha nặng, cát kết không đến 5.10-3 thực tế không thấm nước thấm nước rất yếu có khe nứt Cát pha, đá phiến, cát kết, đá vôi nứt nẻ đến 0,5 thấm nước yếu vừa. Cát hạt mịn và hạt nhỏ, đá cứng nứt nẻ. đến 5 thấm nước đến 50 thấm nước tốt > 50 thấm nước mạnh Cát hạt trung, đá cứng nứt nẻ tương đối nhiều. Cát lẫn cuội, sỏi; đá cứng nứt nẻ mạnh. 1.1.2. Tác hại của dòng thấm Trong thời gian làm việc bình thường của công trình sẽ tạo ra sự chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Nước di chuyển qua các khe rỗng trong đất đắp, nền và hai bên vai công trình tạo thành dòng thấm. Đối với công trình và môi trường xung quanh, dòng thấm sẽ gây ra những ảnh hưởng bất lợi như sau [10]: - Sạt, trượt mái đập (thượng hạ lưu) và nền đập. - Lún, sập cục bộ ở mặt đập. - Thấm mạnh hoặc trôi đất ở nền đập, ở một phần nền tiếp giáp với hạ lưu đập. - Thấm hoặc sủi bọt nước ở mái đập. - Thấm hoặc sủi bọt nước ở vai đập. - Thấm hoặc sủi bọt nước ở phần tiếp giáp giữa đập và mang công trình (Cống, Tràn xả lũ). - Lún hoặc chênh lệch quá mức cho phép. - Có hiện tượng chuyển vị về phía hạ lưu. - Nứt thân đập: bao gồm các hiện tượng nứt ngang và nứt dọc. - Vỡ đập: Đập bị phá hoại không có khả năng giữ nước được nữa. 6 - Làm mất nước từ hồ chứa. - Gây áp lực lên các bộ phận công trình giới hạn miền thấm (bản đáy, tường chắn,...). Hình 1.1: Sơ đồ vùng thấm mao dẫn (a), biểu đồ áp lực nước trong đập đất (b) Nước mao dẫn tham gia chuyển động thấm ở vùng bão hòa như hình 1.1. Nếu kể tới chuyển động mao dẫn thì cột nước thấm được tính như sau: Ht = h + hm.a (m) (1.1) Trong đó: Ht : cột nước thấm có kể đến mao dẫn (m) h : cột nước thấm kể từ đường bão hòa đến đáy đập (m) hm : chiều cao mao dẫn (m) a: hệ số kể đến mức độ chứa nước trong lớp mao dẫn lấy bằng 0,3÷0,4 [3] 1.1.3. Phân loại dòng thấm a) Dòng thấm ổn định và không ổn định Dòng thấm có thể là ổn định hoặc không ổn định tương ứng với các điều kiện tác động bình thường của chúng là hằng số hoặc biến đổi theo thời gian [3]. Những tính toán chính đối với công trình về thấm được tiến hành cho trường hợp thấm ổn định, trong đó cho trước các đại lượng mực nước thượng hạ lưu không đổi và điều kiện tác động bình thường của chúng đến lưu lượng thấm cũng như vị trí đường bảo hòa thấm. Dưới góc độ đảm bảo sự làm việc tin cậy của đập đất thì nghiên cứu thấm không ổn định có một vai trò quan trọng. Đáng chú ý là trường hợp chuyển động thấm không ổn định ở khu vực mái thượng lưu của đập và ở mái dốc hai bờ phía thượng lưu khi mực nước trong hồ chứa hạ đột ngột với vận tốc lớn. 7 b) Dòng thấm có áp và thấm không áp 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 công trình [3]. 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 thân đập đất. Giới hạn phía trên của dòng thấm là mặt thoáng hay mặt bão hòa, tại đây có áp suất bằng áp suất khí trời. c) Dòng thấm phẳng và thấm không gian Đối với các đập xây dựng ở sông đồng bằng thường có chiều cao nhỏ, chiều dài lớn, do đó chuyển động thấm trong phạm vi phần lớn chiều dài đập là thấm gần như phẳng, nghĩa là dòng thấm gần vuông góc với trục dọc của đập. Các đập cao xây dựng ở vùng núi, hoặc trên các sông suối hẹp thì chuyển động của dòng thấm có tính không gian rõ rệt [3]. d) Hiện tượng mao dẫn trong thấm không áp Dòng thấm qua đập đất đá là thấm không áp có mặt bão hòa là mặt thoáng tự do, vì vậy phía trên mặt bão hòa hình thành vùng đất có độ ẩm giảm dần dưới tác dụng của lực mao dẫn. Chiều cao mao dẫn và sự phân bố độ ẩm của đất ở vùng mao dẫn phụ thuộc vào kích thước lổ rỗng giữa các hạt đất đá [3]. 1.2. Lý thuyết ổn định 1.2.1. Đặt vấn đề Theo tài liệu về ổn định [8], đưa ra vấn đề ổn định trượt mái dốc đập như sau: Đập đất là một loại công trình dâng nước trọng lực làm bằng vật liệu địa phương có khối lượng lớn, cho nên không có khả năng mất ổn định về lật đổ và trượt theo mặt nền như các loại công trình trọng lực bằng bê tông khác. Đối với đập đất, vấn đề mái ổn định thường chỉ xảy ra dưới dạng trượt mái dốc thượng và hạ lưu khi chọn kích thước mặt cắt đập chưa thật sự hợp lý. Tính chất cơ lý của vật liệu làm thân đập là những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến ổn định của mái dốc đập. Tuy nhiên, đó không phải là nguyên nhân duy nhất mà độ ổn định của đập còn phụ thuộc vào các ngoại lực tác dụng khác như áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm, lực động đất, áp lực lổ rổng xuất hiện trong quá trình cố kết vv…Do 8 đó khi tính toán ổn định của đập đất cần xét đến đầy đủ các ngoại lực tác dụng lên mái dốc đập. Vì vậy, mục đích của việc tính toán ổn định là trên cơ sở tính toán mà xác định một cách hợp lý nhất có nghĩa là lựa chọn một mặt cắt đập sao cho đảm bảo ổn định trong mọi điều kiện và kinh tế nhất. Tính toán ổn định mái dốc đập đất thường tiến hành trong những trường hợp sau đây: - Trường hợp xây dựng: Khi công trình đã xây dựng xong và thượng lưu có chứa nước. - Trường hợp chứa nước: khi công trình đã xây dựng xong và cột nước trước đập đã dâng lên một mức nào đấy. - Trường hợp khai thác: + Khi ở thượng lưu có nước ứng với lưu lượng tháo lũ tương ứng với mức nước cao nhất ở thượng lưu. + Khi mực nước thượng lưu hạ thấp đột ngột. Thực tế tính toán cho thấy rằng trường hợp nguy hiểm nhất đối với mái dốc thượng lưu khi mực nước trước đập chỉ dâng cao ở mức lưng chừng nào đó và khi mực nước trước đập hạ xuống đột ngột. Kinh nghiệm thiết kế đập đất của nhiều nước trên thế giới cho biết đối với mái dốc thượng lưu hệ số ổn định nhỏ nhất trong trường hợp chiều sâu nước trước đập chỉ bằng 1/3-1/2 chiều cao đập. Do đó khi tính toán ổn định mái dốc thượng lưu cần lưu ý đến trường hợp này. Hình 1.2: Mặt trượt dạng cung tròn (a), Mặt trượt dạng là một mặt phẳng gãy khúc (b) và (c). 9 Đối với mái dốc hạ lưu trường hợp bất lợi nhất về mặt ổn định là khi mực nước thượng lưu cao nhất cho nên nhất thiết phải tính toán hoặc kiểm tra lại với trường hợp này khi thiết kế. Đối với những đập (thân đập, hoặc lõi giữa, tường nghiên..) làm bằng vật liệu hạt bé thì trong quá trình cố kết có thể gây nên mất ổn định cho cả hai mái dốc thượng và hạ lưu (do xuất hiện áp lực lổ rỗng). Về hình dạng mặt trượt của mái dốc hiện nay có rất nhiều giả thiết nhưng trong tính toán thực tế thông thường dựa vào hai giả thiết sau đây: + Mặt trượt dạng cung tròn (Hình 1.2a); + Mặt trượt có dạng là một mặt phẳng gãy khúc (Hình 1.2b và Hình 1.2c). Qui phạm thiết kế đập đất của nhiều nước trên thế giới đều công nhận hai giả thiết này để tính toán. Giả thiết mặt trượt có dạng hình cung tròn do học giả Thụy Điển K.E.Pettecxơn đề nghị từ năm 1916. Về sau, các nhà nghiên cứu về ổn định mái dốc xác nhận giả thiết này là phù hợp với thực tế, nhất là đối với những mái dốc đồng nhất. Mái dốc bị trượt theo mặt phẳng gãy khúc thường xảy ra khi mái dốc gồm nhiều lớp đất có tính chất cơ lý khác nhau (hình1.2b) hoặc khi trong nền có lớp đất chịu lực yếu (hình 1.2c). Ngoài hai giả thiết cơ bản về mặt trượt trên đây, trong một số trường hợp tính toán đối với một số đập hỗn hợp gồm nhiều loại đất khác nhau, còn có giả thiết mặt trượt trong lõi giữa có dạng hình cung tròn còn trượt ở phần lăng trụ bên có dạng mặt phẳng v.v.. Đối với đập đất, trong tuyệt đại đa số trường hợp đều thích hợp với điều kiện mặt trượt có dạng hình cung tròn cho nên trong trường hợp này chỉ đề cập các phương pháp tính toán ổn định của mái dốc đến khi mặt trượt là cung tròn. 1.2.2. Điều kiện làm việc của đập đất Trong quá trình thi công, sửa chữa và vận hành, sự làm việc của đập đất được chia thành 2 điều kiện làm việc như sau [10]. a) Làm việc bình thường Thời kỳ thấm ổn định, ứng với mực nước hồ nằm trong phạm vi từ mực nước dâng bình thường (MNDBT) đến mực nước chết (MNC);