Tài liệu ứng dụng mô hình toán kiểm tra ổn định đập đất hồ chứa nước trong, tỉnh quảng ngãi

ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ: “Ứng dụng mô hình toán kiểm tra ổn định đập đất Hồ chứa Nƣớc Trong, tỉnh Quảng Ngãi” đã đƣợc tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cƣơng đƣợc phê duyệt. Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của quý thầy, cô giáo trong Khoa Xây dựng Thủy lợi-Thủy điện, Trƣờng Đại Học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng, các công ty tƣ vấn và đồng nghiệp, tác giả đã hoàn thành luận văn này. Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo – TS. Lê Văn Thảo - Giảng viên trƣờng Đại học Bách khoa, ĐHĐN đã tận tình hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu và giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn. Mong rằng các kết quả trong luận văn sẽ đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong quá trình kiểm tra ổn định đập đất trong thời gian tới. Do điều kiện thời gian và kiến thức còn hạn chế, bản thân đã cố gắng song luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót, còn tồn tại một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, tác giả mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của quý thầy cô giáo, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp. Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ đƣợc tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất. HỌC VIÊN Nguyễn Hải Long iii TÓM TẮT LUẬN VĂN “ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN KIỂM TRA ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC TRONG, TỈNH QUẢNG NGÃI” Học viên : Nguyễn Hải Long Chuyên nghành : Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Khóa : K35 Trƣờng đại học Bách khoa, Đại Học Đà Nẵng. Tóm tắt: Việc tính toán thấm trong đập đất hiện nay thƣờng sử dụng mô hình toán hai chiều đứng (2D) còn gọi là thấm phẳng, giải theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (fem), để tính toán cho các mặt cắt đại diện đập đất [3]. Tuy nhiên, việc tính toán thấm theo mô hình hai chiều đứng trong một số trƣờng hợp điều kiện địa hình, địa chất nào đó thì mô hình này chƣa phản ánh đúng dòng thấm thực tế, nhất là khi đập cao, có tỷ số giữa chiều dài (l) và chiều cao (h) từ 1 ÷ 5 [4]. Kết quả tính toán để thiết kế có khả năng gây ra sự cố công trình, hoặc lãng phí. Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu dòng thấm không gian qua đập đất (3D) trong một số trƣờng hợp đập đất có điều kiện về địa hình, địa chất đặc biệt, để đánh giá ảnh hƣởng của dòng thấm đến an toàn của đập đất. Trong luận văn, tác giả đã sử dụng mô hình SEEP 3D để mô phỏng dòng thấm trong đập đất của hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong. Kết quả thấm của mô hình thể hiện chính xác đập thực tế. Một sự so sánh kết quả từ mô hình 3D với kết quả từ mô hình 2D đƣợc chỉ ra. APPLICATION THE MODEL TO CHECK THE STABILITY OF EARTH DAM OF NUOC TRONG RESERVOIR, QUANG NGAI PROVINCE Abstract: Seepage calculation in the earth dam is normally simulated with two dimensional vertical model (2DV), which is solved based on finite element method (FEM) to compute the typical cross sections of earth dam [3]. However, this model has not reflexed correctly the real seepage yet, especially with high earth dam with the ratio between the dam length (L) and the dam height (H) from one to five [4]. The result of design calculation can cause the incidents or increasing the budget. So, it is necessary to simulate the seepage in the earth dam with 3D model in some special cases which will help assess the seepage influence to safety of earth dam. In the thesis, the author used 3D seepage model to simulate seepage in the earth dam of Nuoc Trong reservoir. The seepage results from the model is showed exactly of the real earth dam. A comparison the results fom 3D model with the results from 2D model are showed.s iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ......................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ..............................................x MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................3 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.....................................................................4 6. Cấu trúc luận văn .........................................................................................................4 Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH HỒ CHỨA .................................................................................6 1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phƣơng (VLĐP) ........................................................6 1.1.2 Tổng quan đập đất, hồ chứa ở Việt Nam. .......................................................... 6 1.1.3 Hiện trạng đập đất ở Việt Nam. .........................................................................7 1.1.4 Tình hình xây dựng đập ở Việt Nam. ................................................................ 8 1.2 Ảnh hƣởng của dòng thấm đối với đập đất ............................................................... 8 1.2.1 Thấm phẳng và thấm không gian qua đập đất ........................................................9 .1.3 Các loại sự cố đập VLĐP .......................................................................................10 1.3.1 Nguyên nhân khách quan. ................................................................................10 1.3.2. Nguyên nhân chủ quan ........................................................................................ 11 1.4 Một số sự cố vỡ đập điển hình ở Việt Nam ............................................................. 12 1.4.1. Vỡ đập Suối Hành ở Khánh Hoà .........................................................................12 1.4.2. Vỡ đập Suối Trầu ở Khánh Hoà ..........................................................................14 1.4.3. Vỡ đập Am Chúa ở Khánh Hoà ..........................................................................16 1.4.4. Đập tràn hồ chứa nƣớc Dầu Tiếng .....................................................................18 1.5. Các phƣơng pháp xử lý thấm nâng cao ổn định đập đất và điều kiện ứng dụng ...18 1.5.1 Mục đích của việc xử lý thấm .............................................................................18 1.5.2 Giải pháp xử lý thấm cho công trình đập ............................................................. 19 a) Sân phủ kết hợp với tƣờng nghiêng chống thấm thƣợng lƣu (sân trƣớc) .................19 b) Chân khay kết hợp với tƣờng nghiêng chống thấm ..................................................21 v c) Chân khay kết hợp với lõi giữa chống thấm ............................................................. 22 Hinh 1. 13. Giải pháp chân khay kết hợp với lõi giữa chống thấm .............................. 23 1.5.3. Chống thấm bằng khoan phụt truyền thống ........................................................ 26 KHOAN ......................................................................................................................... 27 RỮA HỐ KHOAN ........................................................................................................27 ĐẶT NÚT ......................................................................................................................27 ñaàm neùn hieän tröôøng............................................................................................... 27 ÉP NƢỚC ......................................................................................................................27 PHỤT VỮA ...................................................................................................................27 LẤP HỐ ......................................................................................................................... 27 THÁO MÁY KHOAN ..................................................................................................27 Chống thấm bằng cọc xi măng - đất (XMĐ) .................................................................28 1.6 Tình hình giải bài toán thấm ....................................................................................31 1.6.1 Tình hình giải bài toán thấm ở nƣớc ngoài ......................................................... 31 1.6.2 Tình hình giải bài toán thấm ở trong nƣớc ......................................................... 31 1.7 Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................32 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SEEP3D – GIẢI BÀI TOÁN ...................33 THẤM KHÔNG GIAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN .................33 2.1 Giới thiệu mô hình Seep3D. ....................................................................................33 2.2 Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn. ...................................................................34 2.2.1 Hàm số hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích .................................................................34 2.2.2 Hàm số thấm .........................................................................................................36 2.2.3 Quy luật dòng chảy ............................................................................................. 37 2.2.4 Các phƣơng trình tổng quát ..................................................................................38 2.2.5 Hệ tọa độ .............................................................................................................39 2.2.6 Các hàm nội suy .................................................................................................41 2.2.7 Các hàm số đạo hàm của hàm nội suy:............................................................... 43 2.3 Giải bài toán thấm 3 chiều theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn ............................... 45 2.3.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn ..............................................................................45 2.3.2 Phép tích phân theo thời gian .............................................................................46 2.3.3 Tích phân số........................................................................................................47 2.3.4 Ma trận dẫn thuỷ lực ............................................................................................ 49 2.3.5 Ma trận khối lƣợng ............................................................................................. 50 2.3.6 Lƣu lƣợng biên ...................................................................................................51 2.3.7 Sắp xếp và giải các phƣơng trình tổng quát .......................................................52 2.3.8 Sơ đồ giải lặp ......................................................................................................53 vi 2.3.9 Gradient và vận tốc ............................................................................................. 54 2.3.10 Lƣu lƣợng dòng thấm ........................................................................................ 55 2.3.11 Hàm vật liệu ......................................................................................................55 2.4 Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................56 Chƣơng 3. ỨNG DỤNG SEEP3D TÍNH THẤM KHÔNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT HỒ NƢỚC TRONG .............................................................................................................57 3.1 Mô tả công trình. .....................................................................................................57 3.3 Địa chất nền đập đất ................................................................................................ 58 3.4 Các chỉ tiêu thiết kế công trình: ...............................................................................59 3.5 Các bƣớc thiết lập mô hình và khai thác kết quả chạy mô phỏng ........................... 61 3.5.1 Trƣờng hợp tính toán ............................................................................................ 61 3.5.2 Thiết lập mô hình tính thấm Seep3D của đập đất Hồ Nƣớc Trong ......................61 3.5.3 Chia lƣới miền tính toán .......................................................................................62 3.5.4 Điều kiện biên .....................................................................................................62 3.5.5 Xem kết quả ..........................................................................................................63 3.6 Kết quả tính thấm 2D của một số mặt cắt điển hình gian qua đập đất Hồ Nƣớc Trong (Kế thừa từ tính toán ổn định và thấm của công ty Hec 1) .................................66 3.7 So sánh giữa mô hình Seep3D và mô hình 2D (Seep/W) .......................................70 3.8 Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................71 1.KẾT LUẬN ................................................................................................................71 2.KIẾN NGHỊ ................................................................................................................71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................72 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Tổng hợp một số công trình ứng dụng giải pháp chống thấm đập bằng tƣờng hào bentonite .......................................................................................................25 Bảng 2. 1: Hệ thống số nút và các tọa độ địa phương của phần tử hình lục giác: ........40 Bảng 2. 2: Các hàm nội suy cho các phần tử hình lục giác ...........................................42 Bảng 2. 3: Vị trí các điểm mẫu và trọng số đối với phần tử lục giác 8 điểm. ...............48 Bảng 2. 4: Vị trí các điểm mẫu và trọng số đối với phần tử lục giác 27 điểm. ..............48 Bảng 3. 1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền ......................................................................59 Bảng 3. 2: Các chỉ tiêu thiết kế công trình ....................................................................59 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1: ản v ng nghi n cứu ................................................................................1 Hình 1. 2 : H chứa nước Nước Trong - Tỉnh Quảng Ngãi (Ảnh chụp từ vệ tinh) .........2 Hình 1. 3: Đường bão hòa và khu mao dẫn ....................................................................9 Hình 1.4: Sơ thấm không gian trong ập ất. ............................................................ 9 Hình 1.5 Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa........................................................ 13 Hình 1.6. H chứa nước Suối Trầu, Ninh Hòa, Khánh Hòa .........................................15 Hình 1.7 Đập Am Chúa ở Khánh Hoà .........................................................................16 Hình 1. 8 . H chứa nước Dầu Tiếng ............................................................................18 Hinh 1. 9. Giải pháp sân phủ kết hợp với tường nghi ng thượng lưu chống thấm.......20 Hinh 1. 10. Tường chống thấm bằng các loại vật liệu mới như màng HDPE, thảm sét ịa kỹ thuật ....................................................................................................................20 Hinh 1. 11. Màng ịa kỹ thuật chống thấm GCL và HDPE ..........................................20 Hinh 1. 12. Giải pháp chân khay kết hợp với tường nghi ng thượng lưu chống thấm .22 Giải pháp tường cừ chống thấm ....................................................................................23 Hinh 1.14. Giải pháp tường cừ kết hợp tường nghiêng hoặc tường lỏi chống thấm ....24 Hinh 1. 15. Hình ảnh thi công cọc cừ BTCT và chi tiết khớp nối cọc Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite ....................................................................................24 Hinh 1. 16. Giải pháp tường hào bentonite chống thấm ...............................................25 Hinh 1. 17. Hình ảnh thi công tường hào bentonite chống thấm. .................................26 Hinh 1.18. Sơ khoan phụt vữa tạo màng chống thấm. .............................................27 Hinh 1.19. Nút phụt ơn và nút phụt kép trong công nghệ khoan phụt. .......................28 Hinh 1. 20. Sơ công nghệ Jet-grouting làm tường chống thấm. .............................. 29 Hinh 1. 21. Phạm vi ứng dụng hiệu quả trong công nghệ khoan phụt.......................... 30 Hinh 1. 21. Hình ảnh chống thấm cho quai công trình Sơn La ................................ 30 Hình 2. 1: Dạng tổng quát của hàm số hàm lượng chứa nước thể tích ........................ 35 Hình 2. 2: Dạng tổng quát của hàm số hàm lượng chứa nước thể tích ........................ 36 Hình 2. 3:Quan hệ giữa hàm dẫn thủy lực và áp lực nước lỗ rỗng. ............................. 37 Hình 2. 4: Các hệ tọa ộ ịa phương và tổng thể của phần tử hình lục giác ...............40 Hình 2. 5: Định nghĩa các tham số ma trận dẫn thủy lực .............................................50 Hình 2. 6: Tính toán mw .................................................................................................51 ix Hình 3. 1: Mặt Cắt H35 ngang ập hiện trạng ............................................................. 60 Hình 3. 2: Cắt dọc Hố móng ập ất ............................................................................61 Đập ược chia lưới trong mô hình SEEP 3D ược thể hiện trong hình 3.2 Hình 3. 2: Chia lưới mô hình Sleep 3D ập ất H Nước Trong .................................62 Hình 3. 3: Kết quả chạy mô hình SEEP 3D ..................................................................63 Hình 3. 4:Tổng cột nước tại mặt cặt giữa thân ập ......................................................63 Hình 3. 5: Hệ số thấm theo phương x............................................................................64 Hình 3. 6: Hệ số thấm theo phương y............................................................................64 Hình 3. 7: Mặt cắt dọc thân ập....................................................................................65 Hình 3. 8: Kết quả của mặt cắt ứng ............................................................................65 Hình 3. 9: Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua mặt cắt giữa ập-TH1 ..................66 Hình 3. 10: Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua mặt cắt giữa ập-TH2 ................66 Hình 3. 11: Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua mặt cắt giữa ập-TH3 ................67 Hình 3. 12: Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua mặt cắt giữa ập-TH4 ................67 Hình 3. 13: Hệ số ổn ịnh mái hạ lưu -Tổ hợp cơ bản TL (MNDBT) HL(MN<0.2H ập) .......................................................................................................................................68 Hình 3. 14: Hệ số ổn ịnh mái HL –TH2 Tổ hợp cơ bản TL (MNLTK) HL(MN ~QTK)68 Hình 3. 15: Hệ số ổn ịnh mái HL –TH3 Tổ hợp ặc biệt TL (MNLKT); HL(MN ~QTK) .......................................................................................................................................69 Hình 3. 16: Hệ số ổn ịnh mái HL –TH4 Tổ hợp ặc biệt TL(MNDBT); HL(MN ~QTK) .......................................................................................................................................69 Hình 3. 17: Kết quả tính ổn ịnh mái hạ lưu ập tại MC-H35 (theo mô hình 2D) ......70 x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ MNLTK Mực nƣớc lũ thiết kế MNDBT Mực nƣớc dâng bình thƣờng MNDGCKT Mực nƣớc dâng gia cƣờng kiểm tra MNDGCTK Mực nƣớc dâng gia cƣờng thiết kế MNTL Mực nƣớc thƣợng lƣu MNHL Mực nƣớc hạ lƣu MNC Mục nƣớc chết 2D Thấm hai chiều 3D MC PT PTHH TH HEC Thấm ba chiều Mặt cắt Phƣơng trình Phần tử hữu hạn Trƣờng hợp Công ty xây dựng công trình thủy lợi Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm qua Nhà nƣớc đã đầu tƣ hàng chục nghìn tỷ đồng để xây dựng các công trình thủy lợi lớn và nhỏ phục vụ tƣới tiêu cho hàng triệu ha đất canh tác, ngăn mặn, cải tạo đất, giảm nhẹ thiên tai, cấp nƣớc cho các ngành kinh tế quốc dân. Đối với các công trình thủy lợi, đập chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của các hồ chứa hoặc các công trình dâng nƣớc. Ở nƣớc ta, đập đất đƣợc xây dựng rất phổ biến do đặc điểm an toàn, kinh tế và đảm bảo vệ sinh môi trƣờng xây dựng. Đập đất có thể xây dựng trên nhiều loại nền, dễ thích ứng với độ lún của nền, ít bị nứt nẻ gây phá hoại đập. Ngoài ra còn tận dụng đƣợc vật liệu địa phƣơng, giảm giá thành, thi công đơn giản…Do các đặc tính ƣu việt đó nên đập đất ngày càng đƣợc phổ biến rộng rãi ở nƣớc ta cũng nhƣ trên thế giới. Hình 1. 1: ản v ng nghi n cứu 2 Hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong đƣợc xây dựng trên sông Nƣớc Trong thuộc phụ lƣu tả ngạn sông Trà Khúc (Hình 1.2). Công trình nằm trên địa bàn xã Sơn Bao huyện Sơn Hà, cách thị xã Quảng Ngãi khoảng 50 Km về phía Tây, cách thị trấn Sơn Hà khoảng 10 Km về phía Tây - Tây Bắc. Vùng lòng hồ chứa gồm 2 xã huyện Sơn Hà (Di Lăng và Sơn Bao) và 4 xã của huyện Tây Trà mới thành lập (Trà Phong, Trà Xinh, Trà Trung và Trà Thọ). Hồ chứa nƣớc Nƣớc Hình 1. 2 : H chứa nước Nước Trong - Tỉnh Quảng Ngãi (Ảnh chụp từ vệ tinh) Vùng hƣởng lợi của dự án là vùng hạ du sông Trà Khúc, bao gồm các huyện thuộc khu tƣới hệ thống thủy lợi Thạch Nham, khu công nghiệp Dung Quất, thành phố Vạn Tƣờng, thành phố Quảng Ngãi và vùng Bắc tỉnh Quảng Ngãi (Hình 1.1). Nhiệm vụ hồ chứa Nƣớc Trong phục vụ đa mục tiêu cho các ngành kinh tế quốc dân. Kết hợp giảm lũ cho hạ du, phát triển du lịch, giảm xâm nhập mặn và cải tạo môi trƣờng sinh thái vùng. Các lợi ích mang lại là rất lớn nên việc xây dựng hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong là rất cần thiết, để cấp nƣớc ngọt cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của ngƣời dân, điều tiết lũ, giảm thiểu thiên tai trong mùa mƣa, đảm bảo tính an toàn và tài sản của nhân dân, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên đặc thù ở khu vực miền trung nói chung và tỉnh Quảng Ngãi nói 3 riêng gặp rất nhiều thiên tai hàng năm, bão lũ thƣờng xuyên xảy ra mà Hồ chứa nƣớc Trong lại là hồ có dung tích 289,5 triệu m3 (Hồ chứa có dung tích lớn nhất tỉnh Quảng Ngãi). Vì vậy việc ứng dụng mô hình toán kiểm tra ổn định đập đất Hồ chứa nƣớc nƣớc Nƣớc Trong là việc làm rất cần thiết nhằm đảm bảo cho công trình tuyệt đối an toàn không có sự cố nào đáng tiết cho hạ du là việc đƣợc các cơ quan quản lý rất quan tâm và cần thiết. Dòng thấm ở đập đất nói chung rất phức tạp, nhất là các vị trí tiếp giáp với sƣờn đồi thƣờng là các dòng thấm không gian. Dòng thấm liên quan mật thiết đến điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn. Trong tính toán, thiết kế đập đất hiện nay, việc tính toán thấm thƣờng sử dụng mô hình toán hai chiều đứng (2D) còn gọi là thấm phẳng, giải theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM), để tính toán cho các mặt cắt đại diện đập đất [3] . Tuy nhiên, việc tính toán thấm theo mô hình hai chiều đứng trong một số trƣờng hợp điều kiện địa hình, địa chất nào đó thì mô hình này chƣa phản ánh đúng dòng thấm thực tế, nhất là khi đập cao, có tỷ số giữa chiều dài (L) và chiều cao (H) từ 1 ÷ 5 [4]. Kết quả tính toán để thiết kế có khả năng gây ra sự cố công trình, hoặc lãng phí. Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu dòng thấm không gian qua đập đất (3D) trong một số trƣờng hợp đập đất có điều kiện về địa hình, địa chất đặc biệt, để đánh giá ảnh hƣởng của dòng thấm đến an toàn công trình cũng nhƣ hiệu quả kinh tế; từ đó để các đơn vị chức năng đề xuất phƣơng án nhằm đảm bảo ổn định cho đập đất. 2. Mục đích nghiên cứu Tính toán thấm ổn định không gian qua đập đất Hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong bằng mô hình Seep3D của GEO-SLOPE international Ltd, nhằm xác định đƣờng bão hòa và ảnh hƣởng của dòng thấm đối với ổn định mái đập đất. Từ đó đƣa ra nhận xét và kiến nghị. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Đập đất Hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong nằm trên địa bàn xã Sơn Bao huyện Sơn Hà, tỉnh Quảng Ngãi. Phạm vi nghiên cứu: Dòng thấm không gian, ổn định qua đập đất Hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong. 4 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Khảo sát thực tế hiện trƣờng, thu thập phân tích các tài liệu đã có kết hợp với nghiên cứu các phƣơng pháp kỹ thuật phần mềm, đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp (nếu có). Ứng dụng phần mềm mô hình Seep3D tính thấm không gian và ổn định cho cho mặt cắt đại diện đập đất hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc giải bài toán thấm thƣờng sử dụng mô hình toán hai chiều đứng (2DV), chỉ xoay quanh sơ đồ phẳng không phản ánh đúng tình hình thủy lực của dòng thấm trong thực tế. Nhất là các vị trí đặc biệt nhƣ mặt cắt tại vai đồi chẳng hạn, chúng ta sẽ khó khăn khi chọn biên MNHL. Điều này dẫn đến việc lựa chọn mặt cắt chƣa hợp lý, dẫn đến sự cố công trình hoặc lãng phí. Mô hình Seep3D của GEO-SLOPE international Ltd, đƣợc xây dựng dựa trên phƣơng pháp PTHH với khả năng mô hình hoá dòng thấm ổn định theo không gian ba chiều; nên kết quả tiệm cận với dòng thấm thực tế hơn, qua đó hàng loạt các vấn đề về thiết kế đập đất sẽ đƣợc cải thiện. Việc xây dựng ngày càng nhiều các công trình thủy lợi, thủy điện nhằm đáp ứng nhu cầu về năng lƣợng và cấp nƣớc là điều tất yếu đã và đang xảy ra, nhất là trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc. Trong tất cả các công trình đã, đang và sẽ xây dựng đó hầu nhƣ tuyến dâng nƣớc (hay gọi là đập) chủ yếu làm bằng đất. Theo thống kê 93 hồ chứa nƣớc lớn trong nƣớc đang bị thấm [2] thì lẽ đƣơng nhiên là có nguyên nhân do sơ đồ tính không phù hợp. Nói tóm lại bài toán tính thấm theo mô hình toán hai chiều đứng (2DV) đã đến lúc cần phải thay thế bằng thấm không gian (3D) nhất là các đập có chiều cao lớn, chiều dài bé (tỉ chiều cao/chiều dài = H/L= 1/4 ÷ 1/1). Qua những điều trình bày trên đây cho thấy đề tài luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ rệt. 6. Cấu trúc luận văn Chƣơng 1 - Tổng quan: 5 Chƣơng 2 - Cơ sở lý thuyết của SEEP3D - Giải bài toán thấm không gian bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn: Chƣơng 3 - Ứng dụng mô hình Seep3D tính thấm không gian qua đập đất Hồ chứa nƣớc Trong Kết luận và kiến nghị 6 Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH HỒ CHỨA 1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phƣơng (VLĐP) 1.1.1 Tổng quan đập đất trên thế giới Đập đất nhỏ là loại công trình thuỷ lợi đơn giản nhất. Chỉ cần dùng sức ngƣời và những phƣơng tiện rất thô sơ là có thể xây dựng đƣợc những đập đất rất nhỏ. Vì thế, chắc chắn là đập đất đã có từ xa xƣa. Tuy nhiên, do vật liệu đất tự nhiên rất dễ bị huỷ hoại theo thời gian nên đến nay hầu nhƣ không còn di tích của những đập đất từ thời cổ đại. Việc mới phát hiện di tích đập đất cổ ở Thổ Nhĩ Kỳ quả là rất hiếm, nếu chƣa nói là duy nhất. Những công trình xây dựng từ thời cổ đại còn lƣu lại đến ngày nay, nhƣ Kim Tự Tháp ở Ai Cập chẳng hạn, đều bằng đá. Mặc dầu vậy, các nhà khảo cổ cũng đã thu thập đƣợc một số chứng tích. Theo tƣ liệu của ASCE (American Society of Civil Engineering – Hội Xây dựng Hoa Kỳ) thì đập lớn bằng đất lẫn đá cổ xƣa nhất là đập Sadd - el - Kafura cao khoảng 22m ở Ai Cập khoảng năm 2850 trƣớc Công nguyên (cách chúng ta gần 5000 năm). Từ thế kỷ XIX, đập đất rất phát triển với những công nghệ ngày càng tiên tiến trong thiết kế và thi công. Những đập đất vào loại lớn nhất thế giới nhƣ Nurek (Tajikistan, cao 315m), Oroville (Mỹ, cao 262,5m). Theo thống kê năm 1996 từ 63 nƣớc thành viên của ICOLD (International Commission on Large Dams - Hội Đập lớn Thế giới) thì 80% đập lớn (cao trên 15m) là đập đất. Tuy vậy, đập đất có một số nhƣợc điểm nhƣ vật liệu tự nhiên có độ bền vững tƣơng đối thấp, bị ảnh hƣởng nhiều bởi thời tiết lúc thi công,... nên gần đây, các loại đập đá và đập bê tông - nhất là bê tông đầm lăn (RCC – Roller Compacted Concrete) thƣờng là phƣơng án đƣợc lựa chọn khi cần xây đập rất cao (trên 100m). Tại Hội nghị thƣờng niên của USSD (United States Society on Dams - Hội Đập Hoa Kỳ) năm 2000, nhiều chuyên gia đã khuyến nghị dùng RCC khi sửa chữa, nâng cấp các đập đất lớn (website Hội đập lớn và phát triển nguồn nƣớc việt nam). 1.1.2 Tổng quan đập đất, hồ chứa ở Việt Nam. Việt Nam là một trong những nƣớc có nhiều hồ chứa. Theo điều tra của dự án UNDP VIE 97/2002 thì Việt Nam có khoảng 10.000 hồ 180 cái đứng vào hàng thứ 24 7 trong các nƣớc có số liệu thống kê của ICOLD. Theo con số thống kê của Bộ Nông nghiệp PTNT năm 2002 cả nƣớc ta đã có 1967 hồ (dung tích mỗi hồ trên 2.105 m3). Trong đó có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích 19 tỷ m3 còn lại là 1957 hồ thủy nông với dung tích 5,842 tỷ m3. Nếu chỉ tính các hồ có dung tích từ 1 triệu m3 nƣớc trở lên thì hiện nay có 587 hồ có nhiệm vụ tƣới là chính.Các hồ chứa phân bố không đều trên phạm vi toàn quốc. Trong số 61 tỉnh thành nƣớc ta có 41 tỉnh thành có hồ chứa nƣớc. Các tỉnh miền Bắc và miền Trung có diện tích tự nhiên chiếm 64,3%, dân số chiếm 60,3% của toàn quốc nhƣng số hồ chiếm tới 88,2% số hồ của toàn quốc. Các hồ đƣợc xây dựng trong từng thời kỳ phát triển của đất nƣớc. Tính ở khu vực miền Bắc và miền Trung Việt Nam số hồ xây dựng từ năm 1960 trở về trƣớc chiếm khoảng 6%, từ 1960 đến 1975 chiếm 44% và từ 1975 đến nay chiếm 50%. Hầu hết các đập đã đƣợc xây dựng ở nƣớc ta là đập đất. Đất đắp đập đƣợc lấy tại chỗ gồm các loại đất: đất pha tàn tích sƣờn đồi, đất Bazan, đất ven biển miền Trung. Phần lớn các đập đất đƣợc xây dựng theo hình thức đập đất đồng chất, mái thƣợng lƣu đƣợc bảo vệ bằng đá xếp, mái hạ lƣu trồng cỏ trong các ô đổ sỏi. (website Hội đập lớn và phát triển nguồn nƣớc việt nam) 1.1.3 Hiện trạng đập đất ở Việt Nam. Theo chiều cao đập có khoảng 20% số đập là cấp ba, hơn 70% là đập cấp bốn và cấp năm, còn lại khoảng 10% là đập từ cấp hai trở lên. Các đập đƣợc xây dựng thời kỳ trƣớc 1960 khoảng 6%, từ 1960 đến 1975 khoảng 44%, từ 1975 đến nay khoảng 50%. Phân tích 100 hồ đã có dự án sửa chữa cải tạo hoặc nâng cấp thì 71 hồ có hiện tƣợng hƣ hỏng ở đập. Nhƣ vậy đập là loại công trình đầu mối có hƣ hỏng chiếm tỷ lệ cao nhất. Các hƣ hỏng xảy ra ở đập thƣờng là: Do thấm gây ra nhƣ thấm mạnh, sủi nƣớc ở nền đập Đồng Mô-Hà Tây, Suối Giai-Sông Bé, Vân Trục-Vĩnh Phúc… Thấm mạnh, sủi nƣớc ở vai đập Khe Ch Quảng Ninh, Ba Khoang-Lai Châu, Sông Mây-Đồng Nai… Thấm mạnh ở nơi tiếp giáp với tràn hoặc cống nhƣ đập Vĩnh Trinh- Đà Nẵng, Dầu Tiếng-Tây Ninh… Loại hƣ hỏng biểu hiện do thấm chiếm khoảng 44,9%. 8 Hƣ hỏng thiết bị bảo vệ mái thƣợng lƣu. Khoảng 85% các đập đã xây dựng đƣợc bảo vệ mái bằng đá lát hoặc đá xây còn lại là tấm bê tông lắp ghép hoặc bê tông đổ tại chỗ. Số đập có hƣ hỏng kết cấu bảo vệ mái chiếm 35,4%. Các hƣ hỏng khác nhƣ sạt mái, lún không đều, nứt, tổ mối,… chiếm khoảng 19,7%. Có thể nói đập là hạng mục công trình quan trọng nhất ở công trình hồ chứa, những hƣ hỏng nặng ở đập dễ dẫn tới nguy cơ sự cố vỡ đập. 1.1.4 Tình hình xây dựng đập ở Việt Nam. Hầu hết đập đất ở Việt Nam đƣợc xây dựng từ năm 1954 ở miền Bắc và từ sau năm 1975 trên cả nƣớc. Hiện chƣa có thống kê thật đầy đủ về số đập đất ở Việt Nam. Theo “Át lát công trình thuỷ lợi tiêu biểu ở Việt Nam” (do Bộ Nông nghiệp & PTNT ấn hành năm 2003) thì tính đến năm 2000, nƣớc ta có ”... gần 500 hồ đập lớn với dung tích trên 1 triệu m3 nƣớc hoặc đập cao trên 10m hoặc công trình xả lũ trên 2000 m3/s...”. Tại thời điểm đó, đập chắn nƣớc (embankment dam) đều là đập đất, chỉ có đập Hoà Bình là đập đá đổ lõi sét. Mấy năm sau mới có các đập bêtông thông thƣờng (conventional concrete) Tân Giang (Ninh Thuận), Lòng Sông (Bình Thuận), các đập đá đổ lõi sét Hàm Thuận – Đa Mi (Lâm Đồng), Yaly (Gia Lai), đập đá đầm nén có bản mặt bêtông cốt thép Quảng Trị, Tuyên Quang, đập RCC Plei Krong, các đập RCC Định Bình (Bình Định), Bản Vẽ (Nghệ An), Sơn La,..., đập đá đầm nén có bản mặt bêtông cốt thép Cửa Đạt (Thanh Hoá). Các đập đất lớn hoặc tạo ra hồ chứa có dung tích lớn là Dầu Tiếng (Tây Ninh), Trị An (Đồng Nai), Núi Cốc (Thái Nguyên), Yên Lập (Quảng Ninh), Cấm Sơn (Bắc Giang), Sông Mực (Thanh Hoá), Kẻ Gỗ (Hà Tĩnh), An Mã (Quảng Bình), Phú Ninh (Quảng Nam), Núi Một (Bình Định), Nƣớc Trong (Quảng Ngãi). 1.2 Ảnh hƣởng của dòng thấm đối với đập đất Đập đất thƣờng là loại không tràn nƣớc. Để đảm bảo tháo lũ, lấy nƣớc tƣới hoặc cung cấp nƣớc cho sinh hoạt, phải xây dựng những công trình riêng nhƣ đƣờng tràn tháo lũ, cống lấy nƣớc. 9 Hình 1. 3: Đường bão hòa và khu mao dẫn Nền đập và thân đập nói chung thấm nƣớc. Khi mực nƣớc thƣợng lƣu dâng cao trong thân đập sẽ hình thành dòng thấm từ thƣợng lƣu về hạ lƣu. Trong thân đập, có mặt đƣờng bão hòa (1). Phía trên đƣờng bão hòa có khu nƣớc mao dẫn (2) (Hình 1.3). Dƣới đƣờng bão hòa đất chịu đẩy nổi của nƣớc và chịu lực thủy động do thấm. Lực thấm thủy động do dòng thấm phát sinh trong khối đất khi có dòng thấm trong đất gặp lực cản của đất. Phƣơng của lực thủy động trùng với phƣơng của dòng thấm, điểm đặt tại trọng tâm khối đất, độ lớn tỷ lệ thuận với gradien thấm. Dƣới tác dụng của lực thấm thủy động, mái đất càng dễ mất ổn định. 1.2.1 Thấm phẳng và thấm không gian qua đập đất Đối với các đập xây dựng ở sông đồng bằng thƣờng có chiều cao nhỏ, chiều dài lớn, do đó chuyển động thấm trong phạm vi phần lớn chiều dài đập là thấm gần nhƣ phẳng, nghĩa là dòng thấm gần vuông góc với trục dọc của đập. Trong các đập cao xây dựng ở vùng núi, hoặc trong các đập xây dựng trên các sông suối hẹp thì chuyển động của dòng thấm có tính không gian rõ rệt. Hình 1.4: Sơ a) ình thấm không gian trong ập ất. ập và các ường dòng thấm ặc trong trên bình diện; b) Các mặt cắt i qua các ường dòng ặc trưng 10 Bản thân lòng sông trong đa số trƣờng hợp làm chức năng thoát nƣớc thấm không gian. Riêng đoạn mặt cắt qua khu vực lòng sông ngập nƣớc ở hạ lƣu, các dòng thấm có phƣơng vuông góc với trục đập (mặt cắt A-A trên hình 1.4) và chuyển động thấm ở đây đƣợc xem là phẳng. Tại hai vai đập, ở phạm vi bãi bồi và sƣờn dốc của hai bên bờ, các đƣờng dòng thấm có dạng cong và kéo dài trên bình diện (các mặt cắt B-B và C-C (nhƣ hình 1.4)[6] .1.3 Các loại sự cố đập VLĐP Việc xây dựng hồ, đập mang lại nhiều lợi ích cuộc sống cho con ngƣời. Tuy nhiên, cùng với thời gian khai thác, các công trình bị xuống cấp và hƣ hỏng gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng. Trong lịch sử xây dựng đập đất trên thế giới, cũng nhƣ Việt Nam đến nay đã chứng kiến nhiều sự cố do thấm gây thiệt hại lớn về ngƣời và của. Những sự cố thƣờng gặp và nguyên nhân gây ra sự cố ở đập đất nhƣ sau: 1.3.1 Nguyên nhân khách quan. Những nguyên nhân khách quan có thể gây ra sự cố cho đập đất phải kể đến các đặc điểm về khí hậu, địa hình, địa chất… Các nguyên nhân khách quan sau thƣờng đƣợc đề cập đến trong các sự cố thƣờng gặp ở đập đất: - Lũ vƣợt tần suất thiết kế, không có tràn xả lũ dự phòng; - Cửa đập tràn bị kẹt; - Hỏng khớp nối của công trình; - Cống bị thủng; - Thiết bị tiêu nƣớc bị tắc; - Lún đột biến do chất lƣợng nền kém; - Nƣớc hồ chứa dâng cao đột ngột gây ra tải trọng trên mái đập thƣợng lƣu tăng đột biến; - Nƣớc hồ rút xuống nhanh gây ra giảm tải đột ngột trên mái thƣợng lƣu; - Nền đập bị lún trên chiều dài dọc tim đập; - Địa chất nền đập xấu, không xử lý đƣợc; - Thiết bị tiêu nƣớc bị tắc làm dâng cao đƣờng bão hòa; 11 - Tiêu thoát nƣớc mƣa trên mặt mái hạ lƣu không tốt, khi mƣa kéo dài toàn thân đập bị bão hòa nƣớc ngoài dự kiến của thiết kế. 1.3.2. Nguyên nhân chủ quan a) Nguyên nhân về khảo sát Công tác khảo sát địa hình, địa chất đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tài liệu cho thiết kế, thi công. Công tác khảo sát địa chất công trình nhằm đánh giá điều kiện địa chất công trình khu vực xây dựng và đề xuất các giải pháp xử lý các vấn đề địa chất công trình có thể gặp trong quá trình thiết kế, thi công. Một số sai sót trong quá trình khảo sát địa chất công trình có thể dẫn đến các sự cố nhƣ: Đánh giá sai tình hình địa chất nền, để sót lớp thấm mạnh không đƣợc xử lý; Kết quả khảo sát sai với thực tế, cung cấp sai các chỉ tiêu cơ lý, do khảo sát sơ sài, khối lƣợng khảo sát thực hiện ít, không thí nghiệm đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý cần thiết, từ đó đánh giá sai chất lƣợng đất đắp, đất đắp đập có tính chất đặc biệt (tính trƣơng nở tự do mạnh, lún ƣớt lớn hoặc tan rã mạnh) nhƣng khi khảo sát không phát hiện ra, hoặc có phát hiện ra nhƣng thiết kế kết cấu đập không hợp lý; Đắp đất công trình không đảm bảo chất lƣợng: chất lƣợng đất đắp không đƣợc lựa chọn kỹ, không dọn vệ sinh sạch sẽ để loại bỏ các tạp chất trƣớc khi đắp đất, đầm nện không kỹ; hàm lƣợng cát, bụi dăm sạn nhiều, hàm lƣợng sét ít, đất bị tan rã mạnh. b) Nguyên nhân về thiết kế Một trong những nguyên nhân trong các sự cố công trình đập là sai sót trong khâu tính toán thiết kế công trình: Tính toán thủy văn sai: Mƣa gây ra lũ tính nhỏ, lƣu lƣợng đỉnh lũ nhỏ; tổng lƣợng lũ nhỏ hơn thực tế; các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; thiếu khu vực; lập đƣờng cong dung tích hồ W = f(H) lệch về phía lớn, lập đƣờng cong khả năng xả lũ của đập tràn Q = f(H) sai lệch với thực tế; Chọn dung trọng khô thiết kế quá thấp, nên đất sau khi đầm, đất vẫn chƣa đảm bảo độ chặt dẫn đến hệ số thấm cao hơn hệ số thấm cho phép của thiết kế; Tính sai cấp bão;