Hiệu quả của hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sữa chữa đập đất vừa và nhỏ

“Tường hào chống thấm Cutoff Wall” là tường chắn nước theo chiều dọc trục đập, tường bằng đất-xi măng-bentonite, hoặc ở dạng màn chống thấm bằng khoan phụt, v.v… “Tầng lọc filter” là kế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM _

PHẠM ĐÌNH VĂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC

NƯỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA

ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2019

PHẠM ĐÌNH VĂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC

NƯỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất ký công trình nào khác

Tôi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc và kết quả nghiên cứu của các nhà nghiên cứu đi trước đã được tiếp thu một cách chân thực, cẩn trọng, có trích nguồn dẫn cụ thể trong luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM ĐÌNH VĂN

sửa chữa đập đất vừa và nhỏ” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân với sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và người thân Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các cơ quan, các cá nhân đã giúp đỡ tôi trong

thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, TS Phan Trường Giang đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận án này

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, phòng Đào tạo, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thuỷ công và đặc biệt là Tổng công ty TNHH MTV khai thác công trình Thuỷ lợi sông Chu đã cho phép đặt mô hình thí nghiệm tại Hồ chứa nước Đồng Bể thuộc huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác và gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM ĐÌNH VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU……… vi

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ……… vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU……… x

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ……… xiii

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT… 7

1.1 Thấm là nguyên nhân chính gây mất an toàn đập 7

1.2 Xử lý thấm cho đập đất khi hồ đang tích nước 9

1.2.1Mục tiêu của xử lý thấm 9

1.2.2Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm 9

1.2.3Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nước 10

1.2.4Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nước 12

1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nước thấm hạ lưu đập đất 14

1.3.1Ví dụ ở nước ngoài 15

1.3.2Ví dụ ở Việt Nam 15

1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm và xói ngầm 18

1.4.1Sự hình thành và phát triển của xói ngầm ở đập đất 18

1.4.2Xử lý đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu 19

1.4.3Xử lý hiện tượng xói ngầm và lấp tắc trong tầng lọc 20

1.5 Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế tầng lọc 23

1.5.1Bộ phận thu lọc và thoát nước trong thân đập ở hạ lưu 23

1.5.2Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nước thấm thân đập 23

1.5.3Thành phần của hạt lọc ngược 24

1.5.4Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngược 24

1.6.2Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát 28

1.6.3Khả năng thu và lọc nước của nêm cát 30

1.6.4Chất lượng lọc sau khi qua nêm cát 31

1.7 Kết luận Chương 1 31

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT……… 33

2.1 Đặt vấn đề 33

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1Các phương pháp nghiên cứu trong phân tích thấm đập đất 33

2.2.2Ứng dụng phương pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất có nêm cát 35

2.3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm và kiểm tra an toàn về thấm 37

2.3.1Giới thiệu phần mềm Seep/W 37

2.3.2Giới thiệu phần mềm Midas GTS 38

2.4 Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas 44

2.4.1Xác định vùng an toàn và vùng có nguy cơ mất an toàn về thấm 44

2.4.2Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát 48

2.4.3Ảnh hưởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đường bão hòa 52

2.5 Kết luận Chương 2 55

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƯỚC THẤM TẠI ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA 57

3.1 Đặt vấn đề 57

3.2 Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể 58

3.2.1Giới thiệu công trình 58

3.2.2Mô tả hiện trạng thấm 60

3.3 Thí nghiệm hiện trường xác định hiệu quả của nêm cát 63

3.3.1Sơ đồ bố trí thí nghiệm 63

3.3.2Công tác chuẩn bị và thi công lắp đặt 63

3.3.3Phương pháp đo 68

3.4 Kết quả quan trắc và bình luận 69

3.4.1Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng thấm thoát ra từ nêm cát 69

3.4.2Xác định vị trí (cao độ) của đường bão hoà đổ vào nêm cát 72

3.4.3Kết quả đo chất lượng nước 75

3.5 So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trường 76

3.5.1Số liệu tính toán 76

3.5.2Các trường hợp tính toán thấm 77

3.5.3Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas- bài toán phẳng 78

3.5.4Phân tích thấm qua mô hình Midas 3D 79

3.5.5So sánh kết quả giữa mô hình vật lý và mô hình toán 81

3.6 Kết luận Chương 3 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ……… 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 90

PHỤ LỤC ……….94

Bảng 2-2 Kết quả tính chiều cao điểm ra của đường bão hòa a 0 47

Bảng 2-3 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trong tính toán 48

Bảng 2-4 Hệ số ổn định và gradient thấm khi đào rãnh 20 m, , 1 m 50

Bảng 2-5 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản B (chiều rộng nêm cát là 1 m) 51

Bảng 2-6 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản C (chiều rộng nêm cát là 2 m) 52

Bảng 2-7 Kết quả tính toán độ vồng của nêm cát với kịch bản D 55

Bảng 3-1 Thông số hiện trạng công trình [2] 59

Bảng 3-2 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 70 Bảng 3-3 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng sau một năm lắp đặt nêm, năm 2017 71

Bảng 3-4 Kết quả đo lưu lượng qua các lớp băng trong nêm N 2 73

Bảng 3-5 Bảng kết quả đo độ đục trước và sau nêm cát 75

Bảng 3-6 Thông số của đập đất Đồng Bể 76

Bảng 3-7 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đập và nêm cát 77

Bảng 3-8 Bảng kết quả tính toán lưu lượng và điểm ra của đường bão hòa 79

Bảng 3-9 Cao độ mực nước tính toán tại các vị trí quan trắc so với kết quả đo thực tế 83

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ

Hì nh 1-1 Cấu tạo của đập đất với các kết cấu lọc và thoát nước khác nhau [34] 10

Hì nh 1-2 Tường chống thấm cho thân và nền đập 10

Hì nh 1-3 Tường nghiêng chống thấm + sân phủ 11

Hì nh 1-4 Tường hào tại tim đập 11

Hì nh 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nước 14

Hì nh 1-6 Ví dụ về một công trình xử lý sai lầm ở Mỹ [39] 15

Hì nh 1-7 Bố trí hợp lý kết cấu lọc khi đắp áp trúc theo khuyến cáo của FEMA [36] 15

Hì nh 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập Quý Lộ (Nghệ An) [29] 16

Hì nh 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập Triệu Thượng (Quảng Trị) [29] 17

Hì nh 1-10 Hình ảnh trượt mái hạ lưu Triệu Thượng (Quảng Trị) [29] 17

Hì nh 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29] 17

Hì nh 1-12 Quá trình phá hoại đập đất do dòng thấm 19

Hì nh 1-13 Thấm quá mức ra mái hạ lưu 19

Hì nh 1-14 Ống xói hình thành dọc theo cống lấy nước gây vỡ đập 19

Hì nh 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đường bão hòa [18] 20

Hì nh 1-16 Cơ chế lọc và lấp tắc tầng lọc [36] 22

Hì nh 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14] 27

Hì nh 1-18 Mặt bằng của hệ thống nêm cát bố trí theo dạng ngắt quãng [14] 28

Hì nh 1-19 Miêu tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nước khía rãnh [12] 29

Hì nh 1-20 Ảnh chụp cách thi công lắp đặt băng thu nước khía rãnh [12] 29

Hì nh 1-21 Kết quả thí nghiệm khả năng thu nước của băng [28] 30

Hì nh 2-1 Kết quả tính toán đường bão hòa của các trường hợp khác nhau [17] 36

Hì nh 2-2 So sánh đường bão hòa tính bằng phần mềm Seep/W và Midas GTS [17] 36

Hì nh 2-7 Biểu đồ thống kê hệ số thấm thân đập với chiều cao đập dưới 15 m 45

Hì nh 2-8 Biểu đồ thống kê hệ số thấm nền đập với chiều cao đập dưới 15 m 46

Hì nh 2-9 Đường bão hòa trong thân đập của các trường hợp tính toán 47

Hì nh 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A) 48

Hì nh 2-11 Bức tranh dòng thấm ra mái hạ lưu 49

Hình 2-12 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản A 50

Hì nh 2-13 Trường hợp đào nhiều rãnh cùng lúc (Kịch bản B và C) 51

Hình 2-14 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản B và C 52

Hì nh 2-15 Mặt cắt đập có lắp đặt nêm cát 53

Hì nh 2-16 Trường hợp tính toán với kịch bản D 53

Hì nh 2-17 Sơ họa các kích thước khi dòng thấm bị vồng lên do khoảng cách giữa các nêm cát a) khoảng cách nêm là 3 m; b) khoảng cách nêm là 5 m 54

Hì nh 2-18 Kết quả trích xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng 54

Hì nh 2-19 Đường bão hoà sau khi có nêm cát và so sánh với tiêu chí an toàn 55

Hì nh 3-1 Vị trí hồ Đồng Bể - Thanh Hóa (nguồn google Map) 58

Hì nh 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau khi đắp thêm khối áp trúc (năm 2003) [2] 61

Hì nh 3-3 Mặt bằng các vị trí xuất hiện thấm 61

Hì nh 3-4 Hiện tượng thấm trên cơ hạ lưu, ví trí số 2 (ảnh chụp ngày 14/4/2016) 62

Hì nh 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nước ứ lại ở vùng tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp trúc mà không chảy về đống đá tiêu nước (ảnh chụp tháng 6/2016) 62

Hì nh 3-6 Sơ đồ không gian bố trí lắp đặt nêm cát và giếng quan trắc 65

Hì nh 3-7 Mặt cắt nêm cát và các thiết bị đo 65

Hì nh 3-8 Sơ đồ bố trí các lớp băng trong nêm cát 67

Hì nh 3-9 Ảnh chụp đang quan trắc mực nước và đo lưu lượng (11/2017) 67

Hì nh 3-10 Hình ảnh thi công tại hiện trường a) Đào rãnh; b) Lắp đặt nêm cát; c) Hoàn thành thi công nêm cát 68

Hì nh 3-11 Kết quả quan trắc cột nước trong các giếng, năm 2016 và 2017 72

Hì nh 3-12 Khả năng thu nước tại vị trí nêm N 2 73

Hì nh 3-13 Nước thấm vào chủ yếu ở lớp nêm dưới cùng 74

Hì nh 3-14 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 và năm 2017 74

Hì nh 3-15 Sơ đồ vị trí lấy mẫu đo độ đục trước và sau nêm cát 75

Hì nh 3-16 Mặt cắt ngang đập Đồng Bể tại vị trí tính toán 76

Hì nh 3-17 Sơ đồ các trường hợp tính toán 77

Hì nh 3-18 Đường bão hoà cho các trường hợp TH1 và TH2 78

Hì nh 3-19 Đường bão hoà cho các trường hợp TH2, TH3 và TH4 78

Hì nh 3-20 Mô hình tính toán thấm 3D 80

Hì nh 3-21 Hình ảnh đường bão hoà tại các mặt cắt xem xét 81

Hì nh 3-22 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +36,80 m 81

Hì nh 3-23 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +38,20 m 81

Hì nh 3-24 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,05 m 81

Hì nh 3-25 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,70 m 82

Hì nh 3-26 Hình ảnh độ vồng đường bão hoà do nêm cát tính bằng mô hình 3D 84

Hì nh 3-27 So sánh kết quả tính toán độ vồng bằng lý thuyết với thực nghiệm 84

FEMA Cục ứng cứu khẩn cấp liên bang Hoa Kỳ

USBR Cục khai hoang Hoa Kỳ

Q c Lưu lượng cần thoát, tính bằng lít trên phút, (lít/phút)

L b Chiều dài băng thu nước cần lắp đặt, tính bằng mét (m)

W b Lưu lượng thu được trên 1 m chiều dài băng thu nước (lít/phút/m),

theo kết quả thí nghiệm, tùy thuộc môi trường ngập nước

[K] cp Hệ số ổn định cho phép

[J] cp Gradient thấm cho phép

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

“Đập vừa và nhỏ” Đập vừa có chiều cao từ 10 m đến dưới 15 m hoặc đập có dung

tích toàn bộ từ 500.000 m3 đến dưới 3.000.000 m3, chiều dài đập nhỏ hơn 500 m và có lưu lượng tràn xả lũ thiết kế dưới 2.000 m3/s Đập nhỏ là đập có chiều cao dưới 10 m hoặc hồ chứa nước có dung tích toàn bộ dưới 500.000 m3, theo quy định trong điều 3 nghị định 114/2018/ND-CP về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nước

“Khối lõi (Core)” là khối đất có tính thấm thấp làm tường tâm cản nước trong đập

“Chân khay (Cutoff Trench)” là tường hào chặn ngang tầng thấm nhiều ở nền, được

nối với lõi

“Khối thượng lưu (Upstream Shell)” là khối đất có tính chịu nước tốt Hình dạng,

độ dốc mái của khối thượng lưu còn xét đến điều kiện mực nước thượng lưu rút đột ngột

“Ống khói thoát nước (Chimney Drain)” là tầng lọc bố trí sát mặt hạ lưu của khối lõi (thẳng đứng hoặc nghiêng), nước trong thân đập được thu vào trong ống khói và được

ra thảm tiêu nước Lớp này cũng hoạt động như một lớp chuyển tiếp giữa khối lõi và khối

hạ lưu

“Ống khói lọc (Chimney Filter)” là lớp lõi lọc chống xói ngầm dạng ống khói

Thông thường, lớp này cấu tạo bằng các hạt cát

“Lớp đá lát mái thượng lưu (Riprap) và lớp lót (Bedding)” là lớp đá lát mái

thượng lưu làm nhiệm vụ bảo vệ, chống xói mòn do tác động của sóng hồ chứa Lớp lót bên dưới lớp đá đổ bảo vệ chống sự di chuyển hạt của lớp được bảo vệ sau khi nước hồ chứa rút

“Khối hạ lưu (Downstream Shell)” là khối gia tăng ổn định đập, thường bằng vật

liệu thấm nước trung bình, dung trọng cao

“Thảm tiêu nước nền đập (Blanket Drain)” là kết cấu có nhiệm vụ giảm áp suất

thủy tĩnh nền móng do thấm qua và bảo vệ chống sự di chuyển hạt trong nền móng đất

“Sân phủ thượng lưu (Impervious Blanket)” là kết cấu kéo dài đường viền thấm và

làm tăng tổn thất cột áp thấm khi đập nằm trên nền dễ thấm và xét thấy việc làm tường hào cắt qua tầng thấm là không khả thi Lớp phủ thượng lưu được kết nối với bộ phận chống thấm thân

“Tường hào chống thấm (Cutoff Wall)” là tường chắn nước theo chiều dọc trục

đập, tường bằng đất-xi măng-bentonite, hoặc ở dạng màn chống thấm bằng khoan phụt, v.v…

“Tầng lọc (filter)” là kết cấu được sử dụng để ngăn chặn sự dịch chuyển của hạt đất

từ (hoặc giữa) các đới khác nhau trong thân đập và nền của đập

“Rãnh thoát (drainage)” là một kết cấu tập trung nước để tiêu nước ra khỏi phạm vi

đập

“Băng thu nước” là băng được khía rãnh hình , chúng có hai hình dạng là dạng tấm

và dạng ống, dùng để thay thế cho các vật liệu lọc chuyền thống Băng thu nước có ưu điểm là làm việc theo nguyên lý mao dẫn do vậy sẽ tránh được lấp tắc do các hạt bụi có trong nước không bị cuốn theo dòng nước đi vào rãnh

“Hệ thống nêm cát” là hệ thống kết cấu bao gồm các băng thu khía rãnh gắn trên ống

PVC, đặt trong lớp cát thô để lọc theo nguyên lý mao dẫn nên giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽn kết cấu lọc – gọi tắt là “Nêm cát”

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Đập đắp bằng vật liệu địa phương được xây dựng ở nước ta chiếm đến 90%, nên

dễ bị tổn thương Tình trạng thấm xảy ra rất phổ biến, dẫn đến mất nước hồ chứa, khi thấm lớn việc xử lý khó khăn và gây tổn hại về kinh tế Các sự cố về thấm được thể hiện muôn hình muôn vẻ, mất ổn định do thấm chiếm gần 45% Đập đất vừa và nhỏ có chiều cao đập nhỏ hơn 15 m, thuộc công trình cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012) Loại đập này được xây dựng khá sớm từ những năm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không được sửa chữa định kỳ, thiếu

năng lực dự báo, theo Báo cáo dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015 Đối

với công trình cấp III, IV chỉ trong trường hợp đặc biệt mới bố trí các thiết bị quan trắc nên khó có thể phát hiện sớm các sự cố và thường khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt

là sự cố về thấm

Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vấn đề là thấm không gây ra xói ngầm, mất nước quá mức và làm mất ổn định của mái đập đất Xói ngầm cơ học thường xảy ra tại các mặt tiếp xúc, chuyển đổi từ vật liệu có hạt mịn hơn vào lớp vật liệu có hạt thô, hoặc ra ngoài không khí Để ngăn chặn xói ngầm người ta sử dụng tầng lọc ngược Theo TCVN 8422: 2010, lọc ngược chính là những lớp vật liệu trung gian, nối tiếp đất hạt nhỏ cần bảo vệ với đất hạt to (bộ phận tiêu nước) Chức năng chủ yếu của lọc ngược là ngăn ngừa xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất hạt nhỏ cần bảo vệ Trong trường hợp cá biệt, lọc ngược có thể làm nhiệm vụ gia tải chống hiện tượng đùn đất Lọc ngược có thể là những kết cấu độc lập hoặc là bộ phận của các kết cấu tiêu nước (nghiêng theo mái dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…) Để làm lọc ngược, chỉ được dùng vật liệu thiên nhiên gia công hoặc đã được xử lý, không dính, lấy từ các đá rắn và chắc, không chứa muối hòa tan trong nước Việc bố trí kết cấu lọc ngược cho đập đắp mới do các kỹ sư chủ động, bố trí theo chức năng lọc và thoát nước hay đơn giản chỉ như là một vật cấu tạo

Kết cấu lọc ngược thông dụng trình bày trong các tài liệu sách vở hiện nay có

lắp đặt vật thoát nước có thể gây mất an toàn đập; (iv) thi công rất khó đạt được như bản

vẽ thiết kế, nhiều trường hợp phải hạ mực nước hồ ảnh hưởng đến tưới

Kết cấu “Nêm cát thu lọc nước thấm ở hạ lưu đập đất” là một giải pháp do tác giả cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Thủy công đề xuất, đã được chấp nhận và công bố cấp Bằng độc quyền sáng chế trong công báo số CBA 351- tháng 6/2017 Sáng chế này đề cập đến giải pháp thu lọc nước thấm ở chân mái hạ lưu đập đất, hạ thấp đường bão hòa, nâng cao ổn định và an toàn của đập đất Tuy nhiên, sáng chế chỉ mới dừng ở mức ý tưởng mà chưa chứng minh được hiệu quả, cách bố trí, tính toán thiết kế, minh chứng trong thực tế

Vì vậy, việc nghiên cứu kết cấu nêm cát thu lọc nước thấm thân đập là cần thiết đối với các đập nâng cấp, sửa chữa khi hồ chứa đang vận hành Hiệu quả của giải pháp nêm cát thể hiện qua các yếu tố như: kích thước, khoảng cách hợp lý giữa các nêm, mức

độ hạ thấp đường bão hòa, thi công an toàn khi đập đang tích nước, chất lượng lọc ổn định lâu dài, v.v… đã được nghiên cứu sinh chứng minh trong luận án

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề xuất kết cấu nêm cát thu-lọc-thoát nước thấm ở hạ lưu đập đất vừa và nhỏ thay thế cho kết cấu lọc ngược cát-đá-sỏi truyền thống Kiến nghị phương án bố trí nêm cát

để vừa đảm bảo hiệu quả thu-lọc-thoát nước thấm, vừa bảo đảm an toàn thi công khi hồ đang tích nước

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu:

Đập đất đồng chất vừa và nhỏ (theo định nghĩa trong Nghị định

114/2018/NĐ-CP ngày 14/9/2018 của Chính phủ về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nước) đang tích nước và bị thấm quá mức, cần phải xử lý để bảo đảm an toàn đập kể cả trong quá

trình thi công

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu điểm ra của đường bào hòa khi lắp đặt nêm cát;

- Hệ số ổn định trong quá trình thi công (hệ số an toàn trượt tổng thể và cục bộ; gradient thấm lớn nhất xuất hiện khi thi công);

- Chất lượng thu lọc nước đánh giá qua việc phân tích mẫu nước trên mô hình 1:1

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Nghiên cứu tài liệu: Các nghiên cứu, tài liệu sách vở, tiêu chuẩn kỹ thuật, v.v về thấm ảnh hưởng đến an toàn ổn định đập đất, kết cấu lọc ngược, vật liệu lọc, v.v

- Phương pháp kế thừa: Tiêu chí đánh giá an toàn đập của Phạm Ngọc Quý, kết quả nghiên cứu áp dụng băng khía rãnh để lọc nước của Nguyễn Quốc Dũng, v.v…

- Phương pháp mô hình toán: Sử dụng các phần mềm thương mại (cụ thể là phần mềm địa kỹ thuật Midas GST có bản quyền) để tính toán để xác định các đường bão hòa thấm (2D và 3D), hệ số an toàn tổng thể và cục bộ cho đập hiện trạng, tính khả năng xói ngầm trong quá trình thi công và sau khi hệ thống nêm cát thu lọc nước đã được lắp đặt

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt 3 nêm cát và hệ thống quan trắc cao độ đường bão hòa (4 giếng đo mực nước), đo lưu lượng thấm bằng đồng hồ kết hợp ống khắc vạch, đo chất lượng lọc (thông qua độ đục của nước - chỉ số NTU), v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) Đo đạc quan trắc số liệu trong 2 năm (2016 và 2017)

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Ý nghĩa khoa học: Đề xuất và áp dụng thử nghiệm được hệ thống nêm cát thu lọc

và thoát nước thấm phía hạ lưu đập đất vừa và nhỏ Làm rõ được hiệu quả hạ thấp đường bão hòa, tăng ổn định và hạn chế xói ngầm phía hạ lưu đập đất Hệ thống nêm cát có kết cấu đơn giản, hiệu quả trong sửa chữa khắc phục sự cố thấm khi thiết bị thoát nước truyền thống bị hư hỏng

- Bằng thí nghiệm hiện trường và nghiên cứu trên mô hình toán đề xuất được phương án bố trí hệ thống nêm cát để xử lý thấm cho đập vừa và nhỏ đang tích nước

7 NỘI DUNG VÀ CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN

Luận án có 3 Chương, ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo Nội dung và cấu trúc Luận án có thể tóm tắt như sau:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về thấm và kiểm soát thấm ở đập đất

Thấm là một nguyên nhân chính gây ra sự cố, hư hỏng đập đất Vì vậy, khi thiết kế đập đất cần phải cả kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm Hiện nay trong thiết kết nâng cấp cải tạo đập vừa và nhỏ có vấn đề về thấm, tư vấn thường ưu tiên quan tâm đến kết cấu chống thấm mà coi nhẹ việc thiết kế kết cấu kiểm soát thấm (lọc và thoát nước) Tầng lọc bằng cát-đá-sỏi truyền thống áp dụng trong đập đất được nghiên cứu từ những năm 50 của thế kỷ trước và đã được xây dựng thành tiêu chuẩn Kết cấu thu lọc

và thoát nước thấm trong đập đất (mà bản chất là tầng lọc) trình bày trong tiêu chuẩn và các tài liệu hiện có áp dụng phù hợp cho đập đắp mới Với các đập vừa và nhỏ cần xử lý thấm cần phải có kết cấu phù hợp, hiệu quả về thu-lọc-thoát nước cao, đơn giản, dễ thi công và đặc biệt là đảm bảo an toàn thi công khi hồ đang tích nước

Sáng chế nêm cát thu lọc nước thấm do tác giả cùng nhóm nghiên cứu đề xuất cung cấp một giải pháp mới để thu lọc nước thấm sau đập đất, sử dụng vật liệu mới là băng thu khía rãnh theo nguyên lý mao dẫn Nhờ đó đã làm đơn giản cách tính toán, thi công nhanh có thể áp dụng cho đập vừa và nhỏ đang tích nước Tuy nhiên để có thế áp dụng rộng rãi cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ hiệu quả lý thuyết và thực tế

CHƯƠNG 2: Nghiên cứu cơ sở lý luận về nêm cát

Nêm cát thu-lọc-thoát nước thấm phải đạt được mục tiêu hạ thấp đường bão hòa,

với đập đang bị thấm thì nó phải đưa được đường bão hòa trong đập đất về trong phạm

vi an toàn (theo tiêu chí về thấm thì độ cao điểm ra của đường bão hòa phải nhỏ hơn giá trị giới hạn) Ngoài ra, chất lượng lọc phải đảm bảo ổn định lâu dài để không sinh ra hiện tượng rửa trôi hoặc lấp tắc, trong quá trình đào rãnh để lắp đặt phải tuyệt đối bảo đảm an toàn

Trong Chương này, Luận án đã phân tích và lựa chọn phần mềm Midas GTS để phân tích đường bão hòa thấm cho một đập đất cao 15 m (giới hạn trên của đập loại vừa), bị thấm quá mức giới hạn (điểm ra của đường bão hòa nằm trên giá trị giới hạn), cần xử lý thấm bằng nêm cát

Bằng phần mềm Midas GTS, luận án đã tính toán và kết luận:

- Khi hồ đang tích nước chỉ được phép đào chân đập để lắp đặt nêm cát với chiều

rộng rãnh đào không quá 5 m (W<5 m) Tốt nhất là 1 m để phù hợp với thiết bị

thi công

- Với rãnh đào 1 m (W=1 m) thì khoảng cách rãnh đào không nên quá 4 m (L<4 m),

cho phép đào và để hở 3 rãnh một lúc, lắp đặt xong rãnh nào thì lấp lại, sau đó mới được đào rãnh tiếp theo Làm như vậy để đảm bảo gradient dòng thấm xuất

hiện trên vách hố đào không vượt quá giá trị giới hạn (J max < [J]) và hệ số an toàn

ổn định cho phép (K < [K]);

- Với W=1 m và L=4 m, phần mềm Midas GTS đã cung cấp bức tranh dòng thấm

bị hút vào nêm cát tương tự như hiện tượng hút nước dãy giếng khoan Với L=4

m thì độ vồng của đường mực nước không đáng kể, chứng tỏ khoảng cách bố trí như vậy là phù hợp

Qua kết quả đạt được trong Chương này, luận án kết luận phần mềm Midas GTS làm một phần mềm mạnh trong việc mô phỏng bài toán thi công lắp đặt nêm cát và phân

tích bài toán thấm không gian Điều này sẽ được tiếp tục chứng minh trong Chương tiếp theo, khi so sánh kết quả tính bằng phần mềm với kết quả đo trên mô hình thực tế tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa)

CHƯƠNG 3: Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nước thấm tại đập Đồng Bể, tỉnh Thanh Hóa

đo chất lượng lọc, v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) và quan trắc số liệu trong 2 năm 2016 và năm 2017

Kết quả thực nghiệm hiện trường cho thấy sự phù hợp với kết quả tính toán bằng phần mềm Midas GTS Cụ thể:

- Khi chưa lắp đặt nêm cát, nước thấm ra cơ hạ lưu (số đọc trong giếng h 3 âm)

- Khi lắp đặt nêm cát thì cột nước trước nêm cát giảm (số đọc h 1 dương), năm

2016 là 1,48 m và năm 2017 là 1,12 m Chấm dứt hiện tượng nước thấm ra

cơ hạ lưu

- Xu hướng vận động lên xuống của đường bão hòa tại nêm cát (số đọc h 1),

giữa nêm cát (số đọc h 2 và h 2‟ ) và ngoài xa nêm cát (số đọc h 3) đồng pha và phụ thuộc mực nước hạ lưu Độ vồng của đường bão hòa giữa 2 nêm cát khá phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm

- Qua đó cho thấy việc bố trí khoảng cách nêm cát 4 m là hợp lý

- Kết quả quan trắc cho thấy dòng thấm trong thân đập đã dâng cao và đổ vào lưng nêm cát Điều này dẫn đến kiến nghị: xem xét nên đặt băng lọc bố trí liên tục một lớp ở đáy thay vì bố trí nhiều lớp

- Sau hai năm hoạt động nêm cát vẫn hoạt động bình thường, điều này khẳng định một lần nữa nêm cát hoạt động bền vững, ít có nguy cơ tắc

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TỒN TẠI VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP TỤC

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT

1.1 Thấm là nguyên nhân chí nh gây mất an toàn đập

Theo [29] (Todd Hill, P.E.; Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ; Đập đất- Các dạng hư hỏng tiềm năng; Báo cáo tại Hội thảo ngày 12/07/2016, Hà Nội), tổng kết các dạng hư hỏng của đập đất tại Mỹ như Bảng 1-1

Bảng 1-1 Tổng kết các hư hỏng đập đất tại Mỹ [29]

Dạng hư hỏng

% Tổng hư hỏng (khi phát hiện thấy dạng

hư hỏng)

% Hư hỏng trước năm 1950

% Hư hỏng sau năm 1950

Xói ngầm xuyên qua đập

Tổng số hư hại đập đất (trong thi công)

Tổng số năm vận hành đập đất (cho tới

năm 1986)

Tổng xác suất hư hỏng

124 300.400

4,1 x 104

61 71.000

8,6 x 104

63 229.400

2,7 x 104

Nhận xét: Hư hỏng thường gặp ở đập đất do thấm chiếm khoảng 45%-50%

cửa van, rác, vận hành, phá hoại [1] Nói tóm lại, thấm là nguyên nhân chính (ngoài tràn đỉnh) gây sự cố đập

Việt Nam có 6.648 hồ chứa thủy lợi và phần lớn trong số đó có đập tạo hồ là đập đất [1], [5] Khoảng 6.000 hồ chứa quy mô vừa và nhỏ được xây dựng từ những năm

1960 - 1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết

bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không được sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo [29]

Báo cáo dự án „„Đầu tư sửa chữa và nâng cao an toàn đập“ [29] kết luận: rủi ro liên quan đến hồ chứa hiện hữu ở tất cả mức độ từ nguy cơ đến sự cố, thể hiện ở sự xuống cấp, hư hỏng công trình đầu mối như thấm, biến dạng mái đập, không đủ khả năng xả

lũ, hư hỏng công trình lấy nước trong thân đập, v.v Thấm là một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự cố đập đất, vì vậy xử lý thấm là một biện pháp giảm thiểu rủi

ro về an toàn đập

Luận án tập trung nghiên cứu cho đập đất vừa và nhỏ có chiều cao đập nhỏ hơn 15

m, đập đang bị thấm cần phải xử lý, trong thời gian hồ đang tích nước, thuộc công trình cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012) Loại đập này được xây dựng khá sớm từ những năm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không được sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo, thường sử dụng kết cấu

thoát nước kiểu áp mái kết hợp đống đá tiêu nước ở hạ lưu nên dễ bị tắc, theo Báo cáo

dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015 Đối với công trình cấp III, IV chỉ trong trường hợp đặc biệt mới bố trí các thiết bị quan trắc nên khó có thể phát hiện sớm các sự cố và thường khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt là sự cố về thấm Còn với đập cấp II, cấp I , tức là đập có chiều cao trên 15m có yêu cầu về kỹ thuật rất cao (thiết

bị thoát nước thấm thường có dạng ống khói trong thân đập, thảm tiêu nước nền đập, v.v ) nên hạn chế được lấp tắc

Vì những nguyên nhân trên mà NCS chỉ kết luận áp dụng hệ thống nêm cát trong nâng cấp đập đất vừa và nhỏ Với các hồ lớn cần có nghiên cứu tiếp tục để khẳng định

tính an toàn thêm

1.2 Xử lý thấm cho đập đất khi hồ đang tích nước

1.2.1 Mục tiêu của xử lý thấm

Nói chung, mục tiêu của công tác xử lý thấm cho đập đất đang tích nước bao gồm:

 Ngăn chặn sự xuất hiện và phát triển các mạch đùn, mạch sủi và xói ngầm bằng cách bố trí tầng lọc ngược tại các vị trí có gradient cao, nếu cần thiết phải có thêm lớp gia tải;

 Hạn chế và giảm áp lực nước lỗ rỗng, áp lực đẩy nổi và áp lực thấm bằng cách giải thoát nước thấm ra khỏi thân đập;

 Ngăn ngừa các hiện tượng bong tróc, xói mòn bề mặt đập;

 Hạn chế sự mất nước hồ chứa bằng làm thêm tường nghiêng, tường/hào ở lõi Bốn mục tiêu đầu tiên có thể liên quan đến an toàn đập, trong khi mục tiêu cuối cùng, sự mất nước của hồ chứa, liên quan đến vấn đề vận hành hơn là an toàn đập Các biện pháp xử lý thấm cho đập đất có thể đưa về hai nhóm: 1) nhóm giải pháp vừa chống thấm vừa kiểm soát thấm, và 2) nhóm giải pháp kiểm soát thấm

1.2.2 Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm

Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vì vậy phải có thêm kết cấu chống thấm

và kiểm soát thấm, không để xảy ra xói ngầm, thấm mất nước quá mức và làm mất ổn

định của mái đập Hình 1-1 miêu tả một mặt cắt đập đất với các kết cấu vừa có tác dụng

tăng cường chống thấm, vừa kiểm soát được thấm qua đập [4], [7], [16], [22], [34] Các kết cấu tăng cường chống thấm gồm: Khối lõi, khối thượng lưu, tường răng chống thấm qua nền Kết cấu kiểm soát thấm bao gồm: tầng lọc ngược, ống khói (gồm

cả gối phẳng) Tuy nhiên, không nhất thiết phải đập nào cũng có đầy đủ các bộ phận như trên

Có nhiều nguyên nhân gây thấm như: nền đập xử lý không tốt, đất đắp đập không đạt chất lượng (độ chặt, dung trọng, lỗi trong thi công, do mối làm tổ trong thân đập, v.v và hậu quả là gây ra thấm Trong danh mục 430 hồ đập xuống cấp trong dự án

Hì nh 1-1 Cấu tạo của đập đất với các kết cấu lọc và thoát nước khác nhau [34]

1.2.3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nước

Với các đập đang tích nước mà bị thấm, thiết kế kết cấu chống thấm tăng cường phải căn cứ vào điều kiện cụ thể của từng công trình, xét đến hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật và trình độ thi công hiện có

Ở Việt Nam hiện nay, các phương pháp trình bày dưới đây đang được sử dụng với những điều kiện, ưu nhược điểm nhất định

1.2.3.1 Khoan phụt vữa tạo màng chống thấm

Khoan phụt vữa là một giải pháp được áp dụng khá phổ biến trong xử lý thấm cho đập đất Hình 1-2 minh họa một đập đất được khoan phụt vữa chống thấm Khoan phụt

là giải pháp đưa chất kết dính (bột sét, xi măng, hóa chất, v.v ) lấp đầy kẽ nứt, hang hốc có trong thân đập, nền đập, có tác dụng hạ thấp đường bão hòa phía sau màng khoan phụt

Hì nh 1-2 Tường chống thấm cho thân và nền đập

Về công nghệ, thiết bị khoan phụt có nhiều loại: khoan phụt thuần áp, khoan phụt

tạo nứt nẻ thủy lực, khoan phụt thẩm thấu, khoan phụt jet – grouting, v.v [24], [25], [26] Giải pháp khoan phụt có thể áp dụng được cho đập đang tích nước, tuy nhiên trong quá trình thi công phải tính toán để bảo đảm an toàn

1.2.3.2 Tường nghiêng chống thấm thượng lưu

Tường nghiêng được bố trí trên mặt thượng lưu đập và có thể mở rộng về phía thượng lưu như một sân phủ nhằm kéo dài đường viền thấm qua nền, giảm gradient thấm, giảm lưu lượng thấm và áp lực thấm Hình 1-3 minh họa một đập đất sử dụng giải pháp thảm chống thấm cho thân và nền đập

Hì nh 1-3 Tường nghiêng chống thấm + sân phủ

Vật liệu làm tường nghiêng phải có hệ số thấm nhỏ như đất sét, màng HDPE, thảm sét địa kỹ thuật, v.v Tường nghiêng có thể thực hiện được cho một đập mới, nhưng khó thực hiện trong trường hợp sửa chữa đập đang tích nước [34] Ưu điểm của giải pháp là dễ thi công, tuy nhiên phải tháo cạn hồ trong thời gian xây dựng Giải pháp này không phù hợp với các đập có chiều dày tầng thấm nước lớn [6]

1.2.3.3 Tường hào chống thấm

Hì nh 1-4 Tường hào tại tim đập

Nhờ những tiến bộ trong thiết bị thi công, những năm gần đây đã sử dụng tường hào trong xử lý thấm cho đập đất đang tích nước, nhằm hạ thấp đường bão hòa trong

phương pháp thi công mà có thể yêu cầu tháo cạn hay giảm mực nước hồ chứa [3], [8], [9], [10], [15]

1.2.4 Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nước

Kết cấu dùng để thu lọc và thoát nước thấm (còn có cách gọi tắt là tầng lọc) cho đập đất nhằm kiểm soát dòng thấm có thể bao gồm:

 Tầng lọc ngược để ngăn chặn xói ngầm;

 Hệ thống để thu gom và tiêu thoát lượng nước thấm;

 Đối với nền đập có dạng giếng giảm áp để giảm áp lực đẩy nổi

Những kết cấu này có thể sử dụng độc lập hoặc được kết hợp lại để giải quyết tình trạng thấm của một đập đất cụ thể

Về nguyên tắc thiết kế cũng như bố trí các kết cấu lọc và thoát nước thấm trong thân đập về cơ bản là phải thực hiện các chức năng như: thoát nước thấm qua thân và nền đập về hạ lưu, không cho dòng thấm thoát ra trên mái đập và bờ vai đập hạ lưu; hạ thấp đường bão hòa để nâng cao độ ổn định cho mái đập hạ lưu; ngăn ngừa các biến dạng do thấm

Tiêu chuẩn TCVN 8216-2009 - Thiết kế đập đất đầm nén trình bày 6 loại chủ yếu là: tiêu nước kiểu lăng trụ; kiểu áp mái; kiểu gối phẳng; kiểu ống dọc và dải lọc; kiểu giếng ở chân đập; kiểu ống khói

Trung Quốc có 4 loại theo Tiêu chuẩn SDJ 218-84 - thiết kế đập đất đá kiểu đầm nén là: kết cấu tiêu nước loại A hình lăng thể; tầng thoát nước sát mái loại B; kết cấu thoát nước trong thân đập loại C; kết cấu thoát nước tổng hợp

(a) Kiểu lăng trụ (b) Kiểu áp mái

(f) Kiểu ống khói không hoàn chình

Hì nh 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nước

Sổ tay kỹ thuật tưới tiêu đập đất của Viện tưới tiêu Nhật Bản giới thiệu 6 loại: tiêu nước ở chân phía hạ lưu; ống tiêu nước ngang; ống tiêu nước đứng; ống tiêu nước ghép; ống tiêu nước nền bảo vệ mái; và các loại khác: các ống tiêu dọc mặt phẳng tiếp xúc giữa các bờ và chỗ tiếp giáp [11], [16]

Trong các tài liệu [3], [16] trình bày các dạng kết cấu thu lọc và thoát nước ở hạ lưu đập đất vừa và nhỏ như Hình 1-5

Nhận xét:

 Trong các loại kết cấu trên (trừ kết cấu ở Hình 1-5b, thoát nước áp mái) để thi công được nhất thiết phải đào chân đập Với đập đang tích nước cần hết sức thận trọng, phải tính toán ổn định khi đào chân đập để lắp đặt;

 Vật liệu tầng lọc đều là cấp phối cát – đá/sỏi truyền thống, thiết kế thường theo cấu tạo;

 Một số loại lộ thiên ngoài trời nên rất dễ bị bồi tắc

1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nước thấm hạ lưu đập đất

Bộ phận thu lọc và thoát nước hạ lưu đập là một hạng mục không thể thiếu cho đại

đa số các đập đất (trừ một số trường hợp như đập có chiều cao dưới 5 m; đập không thường xuyên chịu áp lực nước, v.v…) Tuy nhiên, trong thực tế thiết kế biện pháp kiểm soát thấm vẫn có những tồn tại, thậm chí sai lầm đáng tiếc Các ví dụ sau đây ở trong và ngoài nước được trình bày để minh họa cho việc nhận thức về vai trò của kết cấu thu lọc

và thoát nước thấm hạ lưu đập đất

1.3.1 Ví dụ ở nước ngoài

Tại Mỹ năm 2000 cũng đã xảy ra trường hợp ở đập Washakie [39], do cần mở rộng mặt cắt đập đã đắp áp trúc bằng khối đắp có tính chống thấm tốt hơn đập cũ, làm đường bão hòa trong thân đập dâng lên Kết quả, đã phải đào bỏ toàn bộ khối đắp và đắp lại với việc lắp đặt thêm tầng lọc như Hình 1-6

Nhằm nâng cao nhận thức về vai trò của kết cấu lọc/kiểm soát thấm, hạn chế các sai sót của các kỹ sư, năm 2011 Cục ứng cứu khẩn cấp liên bang Hoa Kỳ (Federation Emergency Menagement Agency - FEMA) đã xuất bản cuốn “Kết cấu lọc trong đập đất – Sử dụng cho thiết kế và thi công” (Filter for Embankment Dams- Best Practice for Design and Construction) [36] Trong tài liệu này, yêu cầu khi đắp áp trúc hạ lưu quy định phải đắp bằng loại đất có dung trọng cao, tính chống thấm trung bình và bắt buộc phải có lớp lọc và thoát nước, quy mô khối gia tải bố trí như Hình 1-7

- Sử dụng thoát nước kiểu áp mái lộ thiên ở chân hạ lưu như Hình 1-8 và Hình 1-9, phần áp mái này để lộ thiên, không có lớp đất phủ đè lên trên Việc để lộ kết cấu thoát nước như vậy có nhược điểm là đất cát trôi vào tầng lọc, cỏ và rễ cây sẽ nhanh chóng phát triển trong đống đá, phải làm vệ sinh thường xuyên và nguy cơ tắc là cao

Hì nh 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập Quý Lộ (Nghệ An) [29]

- Khi kết hợp đắp áp trúc và thoát nước kiểu áp mái ở chân hạ lưu như Hình 1-8, thường gặp phải một số sai sót như lựa chọn vật liệu đắp áp trúc có hệ số thấm nhỏ hơn hệ số thấm của thân đập cũ, đây chính là nguyên nhân làm cho đường bão hoà dâng cao và khả năng mất an toàn thấm là rất lớn

Một ví dụ như ở đập Triệu Thượng (tỉnh Quảng Trị): sử dụng đắp áp trúc kết hợp với thoát nước kiểu áp mái ở chân hạ lưu (Hình 1-9) gây sự cố, thậm chí đã gây ra sự cố trượt mái đập như hình ảnh ở Hình 1-10 Trong công trình này, sai lầm ở chỗ xử lý thấm bằng biện pháp đắp áp trúc mái hạ lưu nhưng không có biện pháp thoát nước thấm hợp

lý, đơn giản là làm thêm thoát nước áp mái kết hợp lăng trụ ở hạ lưu Dẫn đến nước thấm bị ứ lại tại mặt tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp trúc làm mới, đường bão hòa dâng cao dẫn đến trượt mái như Hình 1-10

Hoặc như ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) có lắp đặt ống thu nước nước đặt sâu trong chân mái hạ lưu đập đất để không cho đường bão hòa xuất hiện trên mái Tuy

nhiên, do chọn loại ống tiêu nước không đảm bảo yêu cầu về lọc nên sau một thời gian

bị tắc nghẽn ống Hình 1-11 cho thấy hiện tượng ống thu nước bị tắc, dòng thấm thoát

ra ở chân hạ lưu

Hì nh 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập Triệu Thượng (Quảng Trị) [29]

Hì nh 1-10 Hình ảnh trượt mái hạ lưu Triệu Thượng (Quảng Trị) [29]

a) Dòng thấm đổ ra mái do lọc bị tắc b) Bùn đất lọt vào ống thoát nước

Hì nh 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29]

Nói tóm lại, nhận thức không đầy đủ việc kiểm soát thấm ở hạ lưu đập đất dẫn đến việc áp dụng không đúng kết cấu thu và lọc nước, hoặc kết cấu thu lọc nước không làm được chức năng thu – lọc và thoát nước thấm dẫn đến không phát huy hiệu quả, thậm chí còn gây nguy cơ sự cố đập Nhận xét việc thiết kế kết cấu lọc thoát nước khi nâng

phối tầng lọc, hồ sơ thiết kế chỉ có những chỉ dẫn chung chung (ghi là: cát 10 cm,

đá dăm 20 cm, v.v….); hoặc đưa ra chỉ dẫn biện pháp kiểm soát thấm không phù hợp Ví dụ, nếu nguyên nhân thấm là do nền thì biện pháp kiểm soát thấm bằng thoát nước kiểu áp mái là không phù hợp;

 Lạm dụng kết cấu lọc kiểu áp mái và đống đá tiêu nước ở chân Thực tế cho thấy rằng kết cấu này có nhược điểm là nằm lộ thiên, do đó dễ bị tắc do cây cỏ mọc hoặc bùn đất trôi từ mái xuống, hiệu quả hạ thấp đường bão hòa không cao;

 Với các công trình đang tích nước nếu xuất hiện vệt thấm ở mái hạ lưu, các chủ đập thường không chủ động xử lý, thường chờ các tư vấn chuyên nghiệp lập dự

án thiết kế Việc xử lý không kịp thời dẫn đến thấm ngày càng trầm trọng

Nhằm khắc phục các tồn tại, trong năm 2017, Bộ Nông nghiệp và PTNT cho triển khai 3 hướng dẫn kỹ thuật phục vụ chương trình nâng cao an toàn đập, gồm: (1) Hướng dẫn chống thấm đập đất; (2) Hướng dẫn đắp áp trúc mái hạ lưu; (3) Hướng dẫn sửa chữa cống dưới đập Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có tài liệu nào hướng dẫn nào đề cập đến việc cải tạo kết cấu thu lọc nước thấm sau đập đất vừa và nhỏ, phù hợp với điều kiện hồ đang tích nước Các tài liệu hiện có chủ yếu phù hợp khi thiết kế đập đắp mới

1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm và xói ngầm

1.4.1 Sự hì nh thành và phát triển của xói ngầm ở đập đất

Hình 1-12 mô tả quá trình phá hoại đập đất do dòng thấm và xói ngầm [33], [35], [36], [38], [39] Theo đó có thể chia làm 2 nhóm cơ chế:

- Nhóm 1: Đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu, gradient cao tại điểm ra mà bong bật một vài hạt đất, dần lôi kéo theo cả một vùng bề mặt và phát triển lên đỉnh đập, gây sạt lở đỉnh đập dẫn đến tràn đỉnh rồi vỡ đập;

Nhóm 2: Xuất hiện xói ngầm ở chân hạ lưu, hình thành một ống xói phát triển dần

về thượng lưu Ống xói phát triển đến một mức độ nào đó thì gây vỡ đập

a, Sự phát triển của dòng thấm trong đập b, Xói chân hạ lưu

c, Xói mái hạ lưu d, Xói ngầm phát triển dần về thượng lưu

e, Xói mặt phát triển dần về phía thượng

Hì nh 1-12 Quá trình phá hoại đập đất do dòng thấm

Hì nh 1-13 Thấm quá mức ra mái hạ lưu Hì nh 1-14 Ống xói hình thành dọc theo

cống lấy nước gây vỡ đập

1.4.2 Xử lý đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu

Trong phân tích xử lý thấm ta cần phải xác định được các vùng an toàn cao, vùng

an toàn và vùng nguy cơ mất an toàn [18] Để xác định được các vùng này cần tìm ra đường bão hòa giới hạn trên và giới hạn dưới Xác định đường bão hòa trong thân đập ứng với các hệ số thấm của thân và nền đập thay đổi Tìm đường giới hạn trên bằng cách cố định hệ số thấm của nền ứng với đường bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số

thấm của thân đập sao cho hệ ổn định K minmin = [K] cp; Tìm đường giới hạn dưới bằng cách cố định hệ số thấm của nền ứng với đường bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số

thấm của thân đập sao cho hệ ổn định K minmin = 1.2x[K] cp

Hì nh 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đường bão hòa [18]

Nếu điểm ra của đường bão hòa nằm trên mái hạ lưu ở mức a o > [a gh ] (Hình 1-15) thì phải có giải pháp để hạ thấp đường bão hòa bằng cách làm thêm tường chống thấm hoặc cải tạo hệ thống thu lọc nước thấm

1.4.3 Xử lý hiện tượng xói ngầm và lấp tắc trong tầng lọc

Xói ngầm là một dạng phá hoại đất hòn mảnh hoặc chất nhét trong khe nứt và hốc cát tơ ở đá cứng và đá nửa cứng do dòng thấm gây ra Xói ngầm phát triển tương đối chậm (hàng năm, hàng chục năm) nhưng phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên và biểu hiện rất đa dạng Chẳng hạn, nếu ở chân sườn đồi hoặc chân mái dốc quan sát thấy điểm

lộ cát – sỏi bão hòa nước và thấy xói mòn phát triển thì những loại đất này trở nên xốp rời, nhất là trong vùng nước dưới đất thoát ra ngoài, do các hạt nhỏ bị moi chuyển đi bởi thế, độ chặt của đất giảm xuống và độ rỗng tăng lên [16]

Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, đã có nhiều nhà nghiên cứu hiện tượng xói ngầm xảy ra trong đất và xói ngầm xảy ra giữa các lớp vật liệu làm tầng lọc Điển hình như các kết quả nghiên cứu của N.M Bôtskôv (1936), A.N Patrasev (1938, 1945); V.X Ixtomina (1957) cho kết luận: xói ngầm phát triển chủ yếu trong đất có hệ

số không đồng nhất về thành phần hạt lớn hơn 20 và gradient thủy lực lớn hơn 5 [20] TCVN 8422: 2010 [23] trình bày cách xác định đường kính tính toán các hạt tạo vòm tại chỗ tiếp xúc của đất với lọc ngược theo nguyên lý sau:

Sự không rơi vãi các hạt nhỏ của đất vào trong đất có hạt to, được bảo đảm trong trường hợp nếu trong vùng tiếp xúc giữa chúng với nhau có sự tạo vòm ổn định bằng hạt nhỏ Do đó để đảm bảo không rơi vãi các hạt cốt đất được bảo vệ vào trong lớp thứ

nhất của lọc ngược, phải lựa chọn thành phần hạt sao cho trong vùng tiếp xúc có thể

hình thành các vòm ổn định cấu tạo bởi các hạt nhỏ nhất của cốt đất được bảo vệ

Nếu lớp thứ nhất của tầng lọc ngược nằm trên đất thì điều kiện quyết định độ bền

và độ ổn định chỗ tiếp xúc của chúng là sự hình thành những vòm ổn định cấu tạo bởi các hạt của cốt đất Vì vậy các hạt đất không luồn chui vào lớp lọc cũng như các hạt của lớp lọc không chui vào được trong đất Trong các trường hợp như vậy, đôi khi người ta nói rằng tầng lọc ngược không ép lấn vào đất mà nó bảo vệ

Nhiều thí nghiệm với kết cấu lọc ngược đều hạt và dị hạt đã chỉ cho thấy rằng: vòm ổn định được tạo trong trường hợp đường kính các lỗ rỗng của lọc lớn hơn đường

kính các hạt tạo vòm không quá 1,8 lần

Một vấn đề khác cần quan tâm khi thiết kế tầng lọc là phải xét đến hiện tượng lấp tắc tầng lọc Hình 1-16 mô tả cơ chế lấp tắc tầng lọc Dòng thấm đi từ lớp cát sang lớp

dăm sỏi, khi hệ số không đều hạt N = d 60 :d 10 < 20 nhưng J >5 thì có khả năng lôi cuốn các hạt cát nhỏ đi vào lớp dăm sỏi Đầu tiên, gradient cao trong thân đập tạo ra một kẽ nứt, nước thấm theo đó lôi cuốn hạt cát nhỏ chuyển động, có một số hạt hoặc là trôi qua lớp cát, nhưng cũng có một số hạt mắc lại chỗ mặt tiếp xúc Nếu cấp phối hạt tốt thì sẽ

hình thành một lớp lọc tự nhiên tại mặt tiếp xúc, lớp này sẽ giữ lại các hạt đất nhỏ từ thân đập thoát ra ngoài Nhưng cũng có thể tích lũy các hạt nhỏ thành bánh ở mặt tiếp xúc gây hiện tượng lấp tắc tầng lọc

Các nghiên cứu trước đây đã khẳng định rằng một lớp vật liệu được thiết kế đúng cách tại một khu vực đang xảy ra thấm có thể làm ngăn chặn sự dịch chuyển các vật liệu trong thân đập hoặc đất nền trong khi vẫn cho phép để cho nước thấm tiếp tục được thải

ra một cách an toàn

Hầu hết nghiên cứu tầng lọc trước đây đều tìm cách thiết kế lớp vật liệu vừa đủ mịn để ngăn chặn sự di chuyển của các hạt đất và đủ thấm để nước tự do đi qua Những nghiên cứu này tập trung vào xác định cỡ hạt cần thiết của một tầng lọc cho đất cần bảo

vệ Các loại đất được nghiên cứu nhiều nhất là đất có hàm lượng hạt mịn tương đối thấp, cát pha cấp phối kém bởi vì đó là những vật liệu dễ bị xói mòn đối với đùn đất thấm [36]

1994, Ủy hội đập lớn thế giới ra tập Hướng dẫn thiết kế tầng lọc Năm 2001, Foster nghiên cứu tầng lọc tại các vùng tiếp xúc giữa đập và công trình bê tông Năm 2003, Milligan nghiên cứu tầng lọc sau các kết cấu bê tông bị nứt

Từ những năm 1990, vải lọc (Geotextile) bắt đầu được sử dụng Đầu tiên là để phân cách giữa các lớp đất, sau đó được dùng để làm chức năng lọc Quy trình tính toán lựa chọn vải lọc cũng đã tương đối hoàn chình Chính vì sự tiện dụng của vải lọc trong thi công nên có một thời gian dài vải lọc tưởng như có thể khai tử kết cấu lọc truyền thống (dăm, sỏi, cát) Tuy nhiên, khi áp dụng các kỹ sư đã lạm dụng quá mức, chỉ định loại vải theo kinh nghiệm mà không tính toán, thí nghiệm dẫn đến vải lọc bị tắc sau một

thời gian sử dụng Nhiều sự cố công trình đã xảy ra là do nguyên nhân này

Những nghiên cứu về nguyên nhân vải địa kỹ thuật bị tắc đã chỉ ra rằng, khi áp vải địa kỹ thuật lên mặt một lớp dăm sỏi vải bị uốn lượn theo các hạt sỏi mà không hình thành “cầu vòm” như cách mà các hạt cát tự nhiên tạo ra với hạt sỏi để hình thành lớp lọc tự nhiên Chính vì vậy Ban đánh giá an toàn đập Quốc gia cho rằng vải địa kỹ thuật không nên được sử dụng tại các vị trí vừa quan trọng đối với sự an toàn đập và vừa không thể tiếp cận để thay thế” [36]

1.5 Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế tầng lọc

Thiết kế kết cấu thu lọc nước thấm trong đập đất theo các hướng dẫn hiện hành

tìm cách thiết kế lớp vật liệu vừa đủ mịn để ngăn chặn sự di chuyển của các hạt đất và

đủ thấm để nước tự do đi qua Những nghiên cứu này tập trung vào xác định cỡ hạt cần thiết của một tầng lọc cho đất cần bảo vệ và xét đến hiện tượng tạo vòm ổn định vùng tiếp xúc giữa các lớp lọc Tiêu chuẩn thiết kế tầng lọc TCVN 8422- 2010 [23] gồm các nội dung sau:

1.5.1 Bộ phận thu lọc và thoát nước trong thân đập ở hạ lưu

 Thoát nước thấm qua thân và nền đập về hạ lưu, không cho dòng thấm thoát ra trên mái đập và bờ vai đập hạ lưu;

 Hạ thấp đường bão hòa để nâng cao độ ổn định cho mái đập hạ lưu;

 Ngăn ngừa các biến dạng do thấm

1.5.2 Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nước thấm thân đập

 Đủ khả năng thoát nước thấm qua thân đập và nền đập;

 Đảm bảo không cho đường bão hòa chảy ra mái đập;

 Cần thiết kế theo nguyên tắc thoát nước kiểu tầng lọc ngược;

 Không cho phép xói ngầm thân đập và nền đập;

 Không cho phép xói ngầm bản thân bộ phận thấm nước;

 Thuận tiện cho quan trắc và sửa chữa

 Bảo đảm không có sự ứ đọng bồi tắc lọc ngược do các hạt nhỏ được dòng thấm mang từ vùng đất cần bảo vệ qua tầng lọc;

 Ngăn ngừa được xói ngầm cơ học nguy hiểm đối với độ bền và ổn định của lọc ngược trong bản thân lớp lọc;

 Chiều dày các lớp lọc phải được ấn định có xét đến biện pháp thi công

1.5.4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngược

 Xác lập các thông số tính toán (thành phần hạt, khối lượng thể tích, độ rỗng, hệ

số thấm, v.v…) của đất được lọc ngược bảo vệ; đánh giá độ bền và ổn định (độ xói ngầm) của đất và xác định kích thước tính toán của hạt đất tạo vòm theo thành phần đất và những điều kiện thủy động của dòng thấm

 Xác định thành phần hạt của lớp thứ nhất và các lớp tiếp theo của lọc ngược chọn

từ các vật liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo;

 Xác định chiều dày và số lớp của lọc ngược

1.5.5 Các trường hợp tí nh toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngược

 Trường hợp I: đất cần bảo vệ có thành phần hạt không xói ngầm, đối với loại đất này, yêu cầu thiết kế lớp thứ nhất của lọc ngược cũng có thành phần hạt không xói ngầm;

 Trường hợp II: đất cần bảo vệ có thành phần hạt xói ngầm, đối với loại đất này yêu cầu thiết kế lớp thứ nhất của lọc ngược bằng vật liệu có thành phần hạt không xói ngầm

1.5.6 Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngược trong công trì nh thủy công

 Độ thấm nước của lọc ngược phải rất lớn so với độ thấm nước của đất được nó bảo vệ