Tài liệu Nghiên cứu giải pháp móng hợp lý cho công trình xây dựng khu vực thành phố sóc trăng

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Xuân Khương Học viên lớp: 22C11 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 Nguyễn Xuân Khương i LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường đại học Thủy lợi Hà Nội; được sự dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các bộ môn trong và ngoài trường, sự cộng tác của các cơ quan chuyên môn và các bạn bè cộng sự; với sự nổ lực phấn đấu của bản thân tác giả đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thuỷ với nội dung:“Nghiên cứu xử lý đảm bảo an toàn đập hồ Núi Cốc”. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cán bộ hướng dẫn khoa học là thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết để tác giả hoàn thành luận văn. Xin cảm ơn sự giúp đỡ chân thành và nhiệt tình của các thầy cô giáo khoa công trình, các thầy cô giáo và đồng nghiệp ở nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau đã cung cấp cho tác giả những kiến thức quý báu để hoàn thành luận văn. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả như ngày hôm nay. Do điều kiện thời gian còn hạn chế nên trong luận văn này không tránh khỏi những khiếm khuyết, tác giả mong nhận được những góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh hơn. Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Xuân Khương ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 I. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 1 II. Mục đích của đề tài ..................................................................................................... 2 III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ................................................................ 3 1. Cách tiếp cận ............................................................................................................... 3 2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3 IV. Kết quả đạt được ....................................................................................................... 3 CHƯƠNG I...................................................................................................................... 4 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT .................................................................. 4 VÀ CÁC VẤN ĐỀ AN TOÀN ĐẬP .............................................................................. 4 1.1. Tổng quan về tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam ............................................ 4 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất ............................................................... 8 1.3. Các nguy cơ mất an toàn đập do thấm[2] ................................................................. 8 1.3.1. Sự cố thấm trong thân và nền đập ......................................................................... 9 1.3.2. Sự cố thấm ở mang công trình............................................................................. 12 1.3.3. Sự cố thấm qua bờ vai đập .................................................................................. 13 1.4. Các biện pháp xử lý thấm qua thân đập ................................................................. 13 1.4.1. Tăng kích thước mặt cắt và khối lượng đất đắp với đập đất đồng chất .............. 14 1.4.2. Bố trí tường nghiêng mềm ở mái thượng lưu để chống thấm[3] ........................ 14 1.4.3. Tạo màng chống thấm bằng cách khoan phụt vữa ximăng đất ........................... 15 1.4.4. Xử lý thấm bằng biện pháp sử dụng tường hào đất +Bentonite .......................... 19 1.4.5. Sử dụng màng địa kỹ thuật (Geomembrane)....................................................... 25 1.4.6. Sử dụng thảm bê tông (Concret Matts) ............................................................... 26 1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 27 1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 27 CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 29 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM VÀ ........................................... 29 BIỆN PHÁP XỬ LÝ THẤM ĐỂ ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO ĐẬP ĐẤT................ 29 2.1. Các phương pháp tính ổn định thấm ...................................................................... 29 2.1.1. Phương pháp phần tử hữu hạn[4] ....................................................................... 29 iii 2.1.2. Giới thiệu phần mềm Seep/w .............................................................................. 30 2.2. Các phương pháp tính ổn định mái dốc ................................................................. 33 2.2.1. Phương pháp phân tích giới hạn[4] .................................................................... 33 2.2.2. Phương pháp cân bằng giới hạn .......................................................................... 36 2.3. Ảnh hưởng của dòng thấm đến ổn định mái đập đất ............................................. 43 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 45 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 46 ÁP DỤNG CHO VIỆC ĐÁNH GIÁ AN TOÀN .......................................................... 46 VÀ XỬ LÝ THẤM ĐẬP CHÍNH HỒ NÚI CỐC ........................................................ 46 3.1. Giới thiệu công trình ............................................................................................. 46 3.1.1. Tổng quan về công trình[6] ................................................................................ 46 3.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo khu vực đập chính[7] ............................................ 48 3.1.3. Địa chất tuyến đập chính[8] ............................................................................... 48 3.2. Các vấn đề liên quan đến an toàn đập chính hồ Núi Cốc do dòng thấm................ 52 3.3. Kiểm tra an toàn đập chính hồ Núi Cốc trong điều kiện hiện tại ........................... 56 3.3.1. Lựa chọn mặt cắt tính toán .................................................................................. 56 3.3.2. Các trường hợp tính toán ..................................................................................... 58 3.3.3. Kết quả tính toán về thấm ................................................................................... 58 3.3.4. Kết quả tính toán ổn định trượt mái hạ lưu ......................................................... 62 3.3.5. Đánh giá kết quả .................................................................................................. 63 3.4. Đề xuất các giải pháp xử lý thấm đập chính hồ Núi Cốc ....................................... 64 3.5. Tính toán thấm, ổn định, lựa chọn kích thước hợp lý ............................................ 65 3.5.1. Lựa chọn kích thước cho các giải pháp ............................................................... 65 3.5.2. Lựa chọn mặt cắt tính toán .................................................................................. 66 3.5.3. Trường hợp tính toán........................................................................................... 66 3.5.4. Kết quả tính toán thấm, ổn định theo giải pháp 1 ............................................... 67 3.5.5. Kết quả tính toán thấm, ổn định theo giải pháp 2 ............................................... 71 3.5.6. Tổng hợp đánh giá kết quả các giải pháp đề xuất ............................................... 76 3.6. Phân tích, so sánh, lựa chọn giải pháp tối ưu ......................................................... 77 3.7. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 78 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 79 iv I. Các kết quả đạt được trong luận văn .......................................................................... 79 II. Một số vấn đề tồn tại................................................................................................. 80 III. Hướng tiếp tục nghiên cứu ...................................................................................... 80 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 - Đập đất đồng chất hồ chứa nước Liệt Trì, tỉnh Quảng Ngãi ......................... 7 Hình 1.2 - Đập đất đồng chất hồ chứa nước đập Làng, tỉnh Hà Tĩnh (2014) ................. 8 Hình 1.3 - Mô phỏng dòng thấm phát triển trong nền đập đất Am Chúa ..................... 10 Hình 1.4 - Mái hạ lưu đập Núi Cốc bị xói lở do dòng thấm ra mái (2002) .................. 11 Hình 1.5 - Dòng thấm ra mái hạ lưu đập đất Nà Vàng, tỉnh Tuyên Quang .................. 11 Hình 1.6 - Sự cố vỡ đập Thủy điện Ia Krêl 2 (Gia Lai) do thấm ở mang cống ............ 12 Hình 1.7 - Sự cố vỡ đập Z20 tỉnh Hà Tĩnh do thấm ở vai đập và mang cống .............. 13 Hình1.8 - Đập có tường nghiêng mềm chống thấm ở thượng lưu ................................ 14 Hình 1.9 - Minh họa khoan phụt xử lý thấm cho đập đất ............................................. 15 Hình 1.10 - Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt chống thấm cho công trình thuỷ lợi ....................................................................................................................................... 15 Hình 1.11 - Hình ảnh cọc xi măng đất thi công bằng công nghệ Jet-Grouting............. 17 Hình 1.12 - Mặt cắt thiết kế tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh) ................. 18 Hình 1.13 - Hình ảnh thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh) ............. 18 Hình 1.14 - Quy trình xây dựng hào đất – bentonite..................................................... 20 Hình 1.15 - Hình ảnh đào hào trong dung dịch bentonite ............................................. 20 Hình 1.16 - Hình ảnh quá trình trộn khô vật liệu .......................................................... 21 Hình 1.17 - Hình ảnh quá trình trộn ướt hỗn hợp ......................................................... 21 Hình 1.18 - Quá trình phát triển lấp đầy lỗ rỗng trong đất của bentonite ..................... 23 Hình 1.19 - Quá trình hình thành màng “Filter cake” ................................................... 23 Hình 1.20 - Sơ đồ tính thấm khi có kể đến màng “Filter cake” .................................... 23 Hình 1.21 - Mặt cắt ngang thiết kế xử lý thấm bằng tường hào bentonite ở đập dâng Vũ Quang (tỉnh Hà Tĩnh) .............................................................................................. 24 Hình 1.22 – Hình ảnh đập dâng Vũ Quang (tỉnh Hà Tĩnh) sau khi thi công ................ 25 Hình 1.23- Hồ chứa nước chống thấm bằng màng địa kỹ thuật (Geomembrane-HDPE) ....................................................................................................................................... 26 Hình 1.24 - Sử dụng thảm bê tông chống thấm cho đập hồ chứa ................................. 27 Hình 2.1 - Sơ đồ phần tử tam giác ................................................................................ 29 Hình 2.2 - Sơ đồ dòng thấm trong đất tuân theo định luật Darcy ................................. 31 Hình 2.3 - Ví dụ mô phỏng đập và nền trong phần mềm Seep/w ................................. 32 vi Hình 2.4 - Ví dụ minh hoạ tính thấm qua thân và nền đập đất bằng Seep/w ................33 Hình 2.5 - Xác định góc ma sát và lực dính huy động ..................................................34 Hình 2.6 - Xác định mô men chống trượt, gây trượt với mặt trượt trụ tròn ..................37 Hình 2.7 - Các lực tác dụng vào mỗi thỏi đất ................................................................39 Hình 3.1 - Vị trí công trình hồ Núi Cốc ........................................................................47 Hình 3.2 - Mặt cắt dọc tuyến đập chính hồ Núi Cốc .....................................................52 Hình 3.3 - Hình ảnh mái thượng lưu và hạ lưu đập chính hồ Núi Cốc (năm 2012) ......52 Hình 3.4 - Các biểu hiện thấm ở đập hồ Núi Cốc (6/2017)...........................................55 Hình 3.5 - Mặt cắt C6 hiện trạng đập chính hồ Núi Cốc ...............................................56 Hình 3.6 - Mặt cắt C8 hiện trạng đập chính hồ Núi Cốc ...............................................56 Hình 3.7 - Mặt cắt C5 hiện trạng hồ Núi Cốc ...............................................................57 Hình 3.8 - Kết quả tính toán thấm mặt cắt C6 ...............................................................58 Hình 3.9 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng A .................................58 Hình 3.10 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng B................................59 Hình 3.11 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng C................................59 Hình 3.12 - Kết quả tính toán thấm mặt cắt C8 .............................................................60 Hình 3.15 - Kết quả tính toán thấm mặt cắt C5 .............................................................61 Hình 3.17 - Kết quả tính toán ổn định mặt cắt C6 - K minmin =1,621...............................62 Hình 3.20 - Mặt cắt C6 - Mặt cắt giữa lòng sông ..........................................................66 Hình 3.21 - Mặt cắt C8 - Mặt cắt sườn đồi phải............................................................66 Hình 3.22 - Mặt cắt C5 - Mặt cắt sườn đồi trái .............................................................66 Hình 3.23 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C6 - giải pháp 1 ...67 Hình 3.24 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C6 - giải pháp 1 (J max =2,57) .........67 Hình 3.25 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng khoan phụt ................67 Hình 3.26 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C6 - giải pháp 1 (K minmin =1,84) ................................................................................................................68 Hình 3.27 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C8 - giải pháp 1 ...68 Hình 3.28 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C8 - giải pháp 1 (J max =1,12) .........68 Hình 3.29 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng khoan phụt ................69 Hình 3.30 - Kết quả ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C8 - giải pháp 1 (K minmin =2,00) ................................................................................................................69 vii Hình 3.31 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C5 - giải pháp 1 ... 70 Hình 3.32 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C5 - giải pháp 1 (J max =2,1) ........... 70 Hình 3.33- Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng khoan phụt ................. 70 Hình 3.34 - Kết quả ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C5 - giải pháp 1 (K minmin =1,76) ................................................................................................................ 71 Hình 3.35 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C6 - giải pháp 2 ... 71 Hình 3.36 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C6 - giải pháp 2 (J max =2,7) ........... 71 Hình 3.37 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng tường hào .................. 72 Hình 3.38 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C6 - giải pháp 2 (K minmin =1,83) ................................................................................................................ 72 Hình 3.39 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C8 - giải pháp 2 ... 73 Hình 3.40 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C8 - giải pháp 2 (J max =1,17) ......... 73 Hình 3.41 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng tường hào ................... 73 Hình 3.42 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C8 - giải pháp 2 (K minmin =2,01) ................................................................................................................ 74 Hình 3.43 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C5 - giải pháp 2 ... 74 Hình 3.44 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C5 - giải pháp 2 (J max =1,45) ......... 74 Hình 3.45 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng tường hào ................... 75 Hình 3.46 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C5 - giải pháp 2 (K minmin =1,78) ................................................................................................................ 75 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 - Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam[1] ...................................4 Bảng 2.1 - Tóm tắt số lượng ẩn trong việc tìm hệ số an toàn .......................................41 Bảng 2.2 - Tóm tắt số lượng các đại lượng đã biết trong tìm hệ số an toàn .................42 Bảng 2.3 - Tóm tắt các phương pháp tính toán .............................................................43 Bảng 3.1 - Các thông số chính của hồ chứa nước Núi Cốc ...........................................47 Bảng 3.2 - Các thông số đập chính hồ Núi Cốc ............................................................47 Bảng 3.3 - Các chỉ tiêu cơ lý tính toán của các lớp đất .................................................50 Bảng 3.4 - Các chỉ tiêu cơ lý lớp 6 dùng trong tính toán ..............................................51 Bảng 3.5 - Các chỉ tiêu cơ lý lớp 7 dùng trong tính toán ..............................................51 Bảng 3.6 - Kết quả gradient tại các điểm vùng A trước khi xử lý thấm .......................58 Bảng 3.7 - Kết quả gradient tại các điểm vùng B trước khi xử lý thấm........................59 Bảng 3.8 - Kết quả gradient tại các điểm vùng C trước khi xử lý thấm........................59 Bảng 3.9 - Kết quả gradient tại các điểm vùng D trước khi xử lý thấm .......................60 Hình 3.13 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng D ...............................60 Bảng 3.10 - Kết quả gradient tại các điểm vùng E trước khi xử lý thấm ......................61 Hình 3.14 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng E ................................61 Bảng 3.11 - Kết quả gradient tại các điểm vùng E trước khi xử lý thấm ......................62 Hình 3.16 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng E ................................62 Bảng 3.12 - Kết quả gradient tại các điểm vùng khoan phụt sau khi xử lý thấm .........67 Bảng 3.13 - Kết quả gradient tại các điểm vùng khoan phụt sau khi xử lý thấm .........69 Bảng 3.13 - Kết quả gradient tại các điểm vùng khoan phụt sau khi xử lý thấm .........70 Bảng 3.14 - Kết quả gradient tại các điểm vùng tường hào sau khi xử lý ....................72 Bảng 3.15 - Kết quả gradient tại các điểm vùng tường hào sau khi xử lý ....................73 Bảng 3.15 - Kết quả gradient tại các điểm vùng tường hào sau khi xử lý ....................75 Bảng 3.16 - Tổng hợp kết quả các giải pháp xử lý thấm đề xuất ..................................76 Bảng 3.17 - So sánh các giải pháp .................................................................................77 ix MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ở Việt Nam có rất nhiều hồ chứa nước với quy mô khác nhau, trong đó đập vật liệu địa phương là loại đập trong công trình đầu mối chiếm số lượng nhiều nhất. Đập vật liệu địa phương gồm nhiều loại loại như: đập đất, đập đất đá hỗn hợp, … Do có nhiều ưu điểm nên đập đất là loại được sử dụng nhiều nhất so với các loại đập vật liệu địa phương khác. Theo cấu tạo, đập đất được phân thành các loại: đập đồng chất, đập không đồng chất, đập có tường nghiêng mềm hoặc cứng, đập có tường lõi mềm hoặc cứng, đập hỗn hợp. Đập đất có các đặc điểm làm việc chính như: - Thấm qua thân đập và nền; - Mái đập chịu ảnh hưởng của mực nước thượng hạ lưu; - Chịu ảnh hưởng của các yếu tố: sóng, gió, mưa và nhiệt độ; - Biến dạng của nền đập và thân đập. Trong số các đặc điểm trên thì thấm qua thân đập và nền là đặc điểm vô cùng quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn của đập. Về cơ bản thì nền và thân đập đều có sự thấm nước. Dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu trong thân đập được hình thành khi có sự chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Dòng thấm là nguyên nhân gây nên các hiện tượng xói ngầm trong thân và nền đập, sũng ướt mái hạ lưu đập làm mất ổn định mái hạ lưu đậy; là tác nhân chính làm cho đập bị hư hỏng. Vì vậy, đảm bảo an toàn về thấm là vô cùng quan trọng trong thiết kế đập đất để công trình hoạt động bình thường và ổn định. Hồ chứa nước Núi Cốc là công trình đầu mối có quy mô khá lớn, có nhiều hạng mục được kết hợp với nhau mang nhiều mục đích tổng hợp. Trong đó, đập chính có thể coi là đập đất lớn nhất trong số các đập đất đã được xây dựng ở khu vực miền bắc Việt Nam. Mặt hồ rộng và có hơn 89 hòn đảo lớn nhỏ. Đây là công trình đầu mối quan trọng của khu vực phía bắc bao gồm các hạng mục: 1 đập chính, 7 đập phụ, 2 tràn xả 1 lũ, 1 cống ngầm, 1 nhà máy thủy điện. Hạ du hồ Núi Cốc là trung tâm thành phố Thái Nguyên;một trong những thành phố lớn nhất ở miền Bắc, chỉ sau Hà Nội và Hải Phòng về dân số. Thành phố Thái Nguyên là trung tâm của vùng trung du và miền núi phía Bắc, được thành lập vào năm 1962 và là một thành phố công nghiệp. Ngoài ra, thành phố Thái Nguyên được cả nước biết đến là một trung tâm đào tạo nguồn nhân lực lớn và là một trung tâm quân sự - quốc phòng quan trọng của vùng, nơi đóng trụ sở của Bộ tư lệnh và nhiều cơ quan khác của Quân khu 1. Tháng 06 năm 2017, đập chính hồ Núi Cốc xảy ra hiện tượng thấm nước ở vai đập, phía bờ hữu cao trình +45,00m đến +46,00m; một số vị trí thấm ở khu vực giữa mái hạ lưu đập chính. Tại cao trình từ +42,00m đến +44,00m bờ tả có hiện tượng nước thấm nhiều; nước chảy ra bị đục, mang theo các hạt rắn và có lẫn gỉ sắt; rãnh thoát nước hạ lưu của đập tại cơ +32,00m và +42,00m bị gãy đổ chiều dài 200m làm tụt tấm lát mái và rãnh thoát nước chân mái hạ lưu bị đổ dài khoảng 8m; mái lát thượng lưu có một số vị trí bị lún sụt hư hỏng cục bộ. Thực trạng đó cho thấy đập chính hồ Núi Cốc đang trong tình trạng rất nguy hiểm; nguy cơ vỡ đập và mất an toàn hồ chứa là rất cao. Nếu sự cố vỡ đập chính hồ Núi Cốc xảy ra sẽ gây thiệt hại khó lường cho vùng hạ du; ảnh hưởng lớn các khu công nghiệp trên địa bàn. Vì vậy, việc nghiên cứu, tính toán và đánh giá cụ thể đối với đập chính hồ chứa nước Núi Cốc là việc làm cấp thiết và mang tính thực tiễn cao. II. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất. - Nghiên cứu các nguy cơ mất an toàn do ảnh hưởng của dòng thấm và các biện pháp xử lý thấm qua thân đập đất. - Nghiên cứu đánh giá an toàn và đề xuất biện pháp xử lý thấm cho đập chính hồ chứa nước Núi Cốc. 2 III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1. Cách tiếp cận - Từ thực tế: Các trường hợp đập đất bị mất an toàn thấm khi đi vào sử dụng. - Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện ổn định và kinh tế. - Tiếp cận hiện đại: Ứng dụng các phương pháp tính toán tiên tiến, phần mềm hiện đại để kiểm tra ổn định cho đập. 2. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập thông tin, kế thừa các nghiên cứu đã có. - Thu thập tài liệu phục vụ đánh giá an toàn về thấm cho đập đất. - Từ các tài liệu đã có, xây dựng mô hình bài toán, áp dụng các phần mềm thích hợp để tính toán, kiểm tra thấm, ổn định công trình. - Ứng dụng cho công trình thực tế. IV. Kết quả đạt được - Đánh giá được các nguyên nhân gây mất an toàn đập đất. - Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của dòng thấm đến an toàn đập đất. - Giải pháp an toàn cho đập đất khi bị thấm. - Kết quả tính cho đập chính hồ Núi Cốc. 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÀ CÁC VẤN ĐỀ AN TOÀN ĐẬP 1.1.Tổng quan về tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều hồ chứa, trong đó đa số các đập đầu mối đều là đập đất. Đập được xây dựng bằng các loại đất có tác dụng dâng nước và giữ nước nhưng không cho phép để nước tràn qua được gọi là đập đất. Đập đất là loại đập sử dụng vật liệu địa phương. Tính đến nay, nước ta đã xây dựng được trên 6500 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tích trữ nước khoảng 11 tỷ m3 . Trong đó có 560 hồ chứa có dung tích trữ nước lớn hơn 3 triệu m3 hoặc đập cao trên 15m, 1752 hồ có dung tích từ 0,2 triệu đến 3 triệu m3 nước, còn lại là những hồ đập nhỏ có dung tích dưới 0,2 triệu m3 nước. Đặc điểm chung của các hồ chứa thủy lợi là đập chính ngăn sông tạo hồ, đại đa số là đập đất. Nhìn nhận chung, hơn một nửa trong tổng số hồ đã được xây dựng và đưa vào sử dụng trên 25 ÷ 30 năm, nhiều hồ đã bị xuống cấp. Một số đập đất ở Việt Nam được thống kê như bảng 1.1 dưới đây: Bảng 1.1 - Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam[1] STT Tên công trình Loại đập Chiều cao (m) 1 Hàm Thuận(đập phụ) đất, đồng chất 58,00 2 Thác Mơ (đập chính) đất- đá hỗn hợp 48,00 3 Thác Mơ (Đức Hạnh) đất, đồng chất 46,00 4 Trị An (đập chính) đất-đá hỗn hợp 45,00 5 Đa Nhim (Đơn Dương) đất, đồng chất 43,00 6 Trị An (Suối Rộp) đất, đồng chất 42,00 7 Cấm Sơn (Bắc Giang) đất 42, 00 8 Sông Sắt (Ninh Thuận) đất, đồng chất 34,00 9 Tân Sơn (Gia Lai) đất, đồng chất 27, 50 10 Thượng Tuy (Hà Tĩnh) đất, đồng chất 24, 50 11 Đồng Ngư (Thanh Hóa) đất, đồng chất 23, 00 12 Đại Lải (Vĩnh Phúc) đất, tường nghiêng 20, 00 13 Đồng Mô (Sơn Tây) đất, hỗn hợp 17, 50 4 Đập đất rất đa dạng, và việc lựa chọn biện pháp thi công hay lựa chọn kết cấu mặt cắt ngang hoặc chọn biện pháp chống thấm đều ảnh hưởng đến an toàn thấm cũng như an toàn đập. Theo phương pháp thi công, đập có thể phân thành: - Đập đất đầm nén là loại đập mà thân đập được làm chặt bằng cách đầm nén theo từng lớp. - Đập đất bồi là loại đập mà tất cả các khâu khai thác, vận chuyển và bồi đất lên thân đập được tiến hành theo phương pháp cơ giới thủy lực. - Đập đất đắp bằng cách đổ đất trong nước được thi công bằng cách cho nước vào trong các ô trên mặt đập rồi đổ đất vào các ô đó. - Đập đất đắp bằng phương pháp nổ mìn định hướng, tức là cho nổ mìn theo hướng định trước để đưa những khối đất lớn ở hai bên bờ vào lấp sông và tạo thành đập. Theo kết cấu mặt cắt ngang, đập đất có thể phân làm 4 loại: - Đập đất đồng chất: đập được xây dựng bằng một loại đất như cát, á cát, á sét v.v... - Đập hỗn hợp (đập nhiều khối): đập xây dựng bằng nhiều loại đất có tính chất cơ lý khác nhau. Đối với đập hỗn hợp có thể bố trí các loại đất trong thân đập như sau: đất có tính chống thấm tốt đặt ở phía thượng lưu, hoặc ở giữa thân đập. Đập đất hỗn hợp đất đá là vật liệu gồm đất và đá. - Đập có tường nghiêng: đập có thiết bị chống thấm nằm nghiêng theo mái dốc thượng lưu. Thiết bị chống thấm có thể làm bằng loại vật liệu dẻo như sét, á sét hoặc làm bằng vật liệu cứng như bê tông cốt thép, thép, gỗ v.v... - Đập có lõi giữa: đập có thiết bị chống thấm nằm giữa thân đập. Thiết bị chống thấm có thể là vật liệu dẻo, hoặc cứng. Theo thiết bị chống thấm ở nền đập được chia thành các loại sau: - Đập có tường răng: trường hợp tầng nền thấm nước không sâu lắm thì có thể xây dựng tường răng làm vật chống thấm trong nền đập. Thân đập là đồng chất hoặc có 5 tường nghiêng hay lõi giữa, đều có thể dùng tường răng để chống thấm cho nền. Tường răng có thể làm bằng loại vật liệu xây dựng thân đập hoặc các vật liệu có tính chống thấm tốt hơn. - Đập có bản cọc: bản cọc dùng trong trường hợp nền thấm nước không phải là đá. Nếu tầng thấm nước tương đối sâu và có hạn thì bản cọc có thể cắm xuống tận tầng không thấm còn nếu tầng thấm nước rất sâu hoặc vô hạn thì bản cọc chỉ đóng xuống một giới hạn nhất định. - Đập được khoan phụt tạo màng xi măng chống thấm: dùng màng xi-măng để chống thấm trong trường hợp nền đá bị nứt nẻ. Tùy theo độ sâu của tầng đá bị nứt nẻ và khả năng thi công màng xi-măng, màng xi-măng có thể cắm xuống tận tầng đá chắc hoặc chỉ sâu một giới hạn nhất định. - Đập có sân trước: trong trường hợp nền thấm nước rất dày thì có thể dùng hình thức chống thấm cho nền là sân trước. Sân trước có thể làm bằng vật liệu xây dựng đập đồng chất hoặc vật liệu như tường nghiêng, lõi giữa. Hiện nay, chúng ta đang phải rà soát và đánh giá an toàn rất nhiều đập đất của các hồ chứa nước, đặc biệt là công trình đã được xây dựng trong giai đoạn từ năm 1960 đến năm 1975. Thực trạng hiện nay, phần nhiều chưa thật an toàn về chống thấm qua thân đập và qua nền đập hoặc qua các vai đập. Nhiều đập sau một thời gian làm việc thường bộc lộ các hiện tượng thiếu ổn định thấm dẫn đến rò rỉ, mạch lùng, như Núi Một (năm 1996 – 1998), Phú Ninh (sau lũ tháng 12/1999), đập hồ Núi Cốc (2017). Có công trình mới xây dựng đã rò thấm dẫn đến sự cố như Suối Hành (1986), Am Chúa (1993), Cà Giây (1998), Sông Trâu (2005), Sông Sắt (2008). Thực tế một số công trình đã đánh giá cho thấy việc nâng cấp sữa chữa là cần thiết vì hầu hết các công trình này đều xuất hiện các hiện tượng bất thường và thông qua tính toán có thể mất an toàn nếu không được xử lý. Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và PTNT thì hiện nay đang có khoảng 1200 hồ chứa có đập đất đã đến thời kỳ xuống cấp cần phải được tu bổ, nâng cấp sửa chữa. Một trong những tiềm ẩn chính ở các đập đất cần nâng cấp sữa chữa là việc nguy cơ mất an toàn về thấm dẫn đến mất an toàn về đập. Việc đánh giá an toàn thấm hết sức quan trọng, tuy nhiên lại rất khó để đánh giá hết được, vì vậy việc nghiên 6 cứu an toàn thấm để ứng dụng trong thiết kế thi công đập đất mới và nâng cấp sữa chữa là hết sức cần thiết. Xu thế về việc lựa chọn sử dụng đập đất ở Việt Nam vẫn rất tiềm năng vì đập đất có nhiều ưu điểm phù hợp với điều kiện hoàn cảnh của nước ta. Đặc biệt, hiện nay bằng nguồn vốn trái phiếu chính phủ, Bộ NN&PTNT tiếp tục đầu tư xây dựng mới nhiều hồ chứa có qui mô lớn và vừa. Đồng thời ở các địa phương, UBND tỉnh cũng đầu tư xây dựng các hồ chứa vừa có dung tích từ (1 ÷ 10) triệu m3 nước. Các hồ nhỏ phần lớn do huyện, xã, hợp tác xã, nông trường tự bỏ vốn xây dựng và quản lý kỹ thuật. Để có sự bền vững về an toàn hồ chứa lâu dài thì ngay những bước đầu tiên khi tiến hành thiết kế, thi công đập đất mới, chúng ta cần quan tâm và chú trọng nghiêm túc trong việc đánh giá an toàn thấm cũng như an toàn đập, đặc biệt các hồ chứa vừa và nhỏ trước nay vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Dưới đây là một số hình ảnh về các công trình đập đất đã xây dựng ở nước ta: Hình 1.1 -Đập đất đồng chất hồ chứa nước Liệt Trì, tỉnh Quảng Ngãi 7 Hình 1.2-Đập đất đồng chất hồ chứa nước đập Làng, tỉnh Hà Tĩnh (2014) 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất. Có thể kể đến các yếu tố chính như mực nước thượng, hạ lưu; bùn cát bồi lắng phía thượng lưu; mưa, sóng, gió, nhiệt độ, vật nổi, động đất, địa chất vai và nền đập, địa hình lòng sông... Khi tính toán thiết kế đập đất cần tính hết các yếu tố và tổ hợp ảnh hưởng của chúng đối với công trình. 1.3.Các nguy cơ mất an toàn đập do thấm[2] Thấm gây ra hư hỏng cục bộ trong đập và nền là hiện tượng thường gặp ở phần lớn các đập đất đang hoạt động. Chúng thuộc loại nguy cơ tiềm ẩn mà lâu dài có thể dẫn đến sự cố về đập. Sự phá huỷ ngầm của thấm diễn ra ở bên trong (không phát hiện được) một cách lặng lẽ, thường kéo dài trong nhiều năm nên khi bùng phát ra sự cố thường rất khó khắc phục. Tuy nhiên, nếu quản lý chặt chẽ, thường xuyên quan sát thì có thể 8 nhận biết được bằng mắt thường qua các biểu hiện như: mái hạ lưu bị ướt, vùng thềm sau đập bị lầy hoá các hố sụt, võng trên mặt đập, sự phát sinh các dòng chảy có mang theo đất,... để tiến hành ngăn chặn ngay từ đầu. Có thể kể đến các nguy cơ mất an toàn đập do thấm điển hình như sau: 1.3.1. Sự cố thấm trong thân và nền đập Nền đập và thân đập nói chung đều thấm nước. Sự cố thấm trong thân và nền đập bắt nguồn từ sự phát triển dòng thấm tuân theo định luật Đacxi chuyển dần sang sự hình thành dòng chảy tự do (chảy rối). Chịu áp lực của cột nước thượng lưu, dòng chảy này ngày càng tăng lên cả lưu lượng lẫn lưu tốc vì quá trình chảy luôn cuốn theo các thành phần hạt nhỏ làm cho đường chảy luôn mở rộng. Sự phát triển đường chảy gây sập lở vùng chuyển tiếp đắp bằng các vật liệu thô tạo nên các hang rỗng và đến một thời điểm khi vận tốc, lưu lượng nước đủ mạnh thì phávỡ cửa ra ở hạ lưu, lấn dần vào thân đập. Nếu không xử lý kịp thời có thể dẫn đến vỡ đập. Trong thiết kế cần quan tâm một số vấn đề sau: - Cần xem xét kỹ gradien thấm trên toàn mặt cắt đập ứng với các trường hợp bình thường và bất lợi. Cần lưu ý xem xét gradien thấm ở một số vị trí đặc biệt so với gradien cho phép (vùng tiếp xúc của các khối, vùng dòng thấm bị đổi hướng, vùng ra của đường thấm trên mái hoặc vào lọc, ...). - Bài toán thấm hiện nay thường đưa ra kết quả thiên về an toàn. Hầu như đường bão hòa trong đập đều rất thấp và nước đều được thu về thiết bị lọc. Thực tế thấm của các đập đã xây dựng xấu hơn nhiều. Phần lớn đập đều xảy ra tình trạng đường thấm ra ngay trên mái hạ lưu, thậm chí là ra rất cao. Điều đó có nghĩa là thiết bị lọc trong đập không làm việc hoặc không đạt hiệu quả mong muốn hoặc chất lượng đất trong thân đập không đúng với các chỉ tiêu thiết kế. Trong thực tế, hệ số ổn định mái hạ lưu đều thấp hơn tính toán thiết kế. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên là do bài toán thấm hiện nay chỉ dùng một hệ số thấm, xem tính thấm trong đất giống nhau ở mọi hướng. Hệ số thấm tính toán lấy theo kết quả thí nghiệm thấm đứng (đường thấm đi vuông góc với mẫu). Đập đất được hình thành từ các lớp đắp, vì vậy mặt tiếp xúc giữa 2 lớp đắp luôn có độ chặt kém hơn. Kết quả là thấm theo phương ngang trong đập luôn phát 9 triển mạnh hơn phương đứng. Theo tiêu chuẩn Mỹ thì tỷ số hệ số thấm ngang so với hệ số thấm đứng tùy thuộc hàm lượng sét của khối đắp, có thể chênh nhau từ một chục đến vài chục lần. Ở đê quây đắp trong nước thì hệ số này có thể lên đến hàng trăm lần. Điều này cho thấy phương pháp tính thấm coi hệ số thấm là đồng nhất với mọi hướng chính là nguyên nhân dẫn đến hình ảnh sai lạc về thấm trong đập. - Công tác đắp nếu không quản lý chặt chẽ chất lượng đất, chiều dày lớp đổ, số lần đầm, ... cùng với việc xử lý tiếp giáp giữa các lớp đắp dễ phát sinh thành các dòng thấm ngang lớn trong đập. Tất cả các yếu tố nói trên là nguyên nhân chính tiềm ẩn tạo ra sự hình thành cácdòng chảy trong thân và nền đập. Ngoài ra, chất lượng đất đắp thuộc loại kém bền, loại đất bị xói ngầm có nguồn gốc tàn tích thường tạo ra các vùng yếu trong đập. Hình 1.3 - Mô phỏng dòng thấm phát triển trong nền đập đất Am Chúa 10