Luận văn thạc sỹ nghiên cứu ổn định mái đập khi mực nước rút nhanh, lập biểu đồ vận hành hồ chứa nước Dầu Tiếng

Nghiên cứu, tìm hiểu các phương pháp tính ổn định cho mái dốc thượng lưu khi mực nước thượng lưu rút nhanh. Phân tích ảnh hưởng của tốc độ rút nước, chiều cao rút nước, các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập ( , C) đến ổn định của mái. Thiết lập các quan hệ giữa các yếu tố trên với hệ số ổn định của mái dốc thượng lưu dưới dạng bảng biểu, đồ thị để người sử dụng có thể tra cứu một cách dễ dàng, phục vụ cho việc vận hành công trình an toàn. Lập biểu đồ vận hành hồ chứa nước Dầu Tiếng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÔ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

=======  =======

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI ĐẬP THƯỢNG LƯU

LUẬN V N THẠC S Ỹ THUẬT

HÀ NỘI - 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÔ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

=======  =======

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI ĐẬP THƯỢNG LƯU LẬP BIỂU ĐỒ VẬN HÀNH HỒ CHỨA NƯỚC DẦU TIẾNG

LUẬN V N THẠC S Ỹ THUẬT Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN HOA HỌC

GS.TS Trần Thị Thanh

HÀ NỘI - 2012

CHƯƠNG I Tổng quan về hiện trạng, nguyên nhân hư hỏng và

tình hình nghiên cứu ổn định mái dốc thượng lưu đập đất

5

I.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập ở Việt Nam 5

I.3.1 Nguyên nhân từ công tác khảo sát, thiết kế : 14

I.4 Tình hình sửa chữa, nâng cấp các hồ chứa trong

thời gian gần đây

16

I.5 Sự cố sạt mái thượng lưu đập đất do nước rút nhanh 17

CHƯƠNG II Cơ sở lý thuyết các phương pháp tính ổn định mái

20

II.2.1 Đối với đất đắp không nén được: 20

II.2.3 Áp dụng của một số cơ quan thiết kế thế giới 23 II.3 Phương pháp tính thấm trong trường hợp mực nước

thượng lưu rút nhanh (đất không nén được):

II.4 Tóm tắt phương pháp tính ổn định theo Bishop: 37

CHƯƠNG III Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của

mái thượng lưu khi mực nưức hồ rút nhanh

III.2.3 Lựa chọn chương trình phần mềm để tính toán 45

III.2.4.1 Tính thấm cho thời điểm ban đầu (bắt đầu hạ thấp

III.3.2 Trường hợp xây dựng biểu đồ vận hành hạ thấp mực

nước hồ chứa

46

III.3.3 Khái niệm nước rút nhanh và rút nước chậm 47

III.3.4 Xây dựng biểu đồ vận hành hạ thấp mực nước hồ: 47

CHƯƠNG IV Tính toán lập biểu đồ vận hành hạ thấp mực nước hồ

IV.1.4 Thành phần và quy mô hệ thống công trình Dầu

Tiếng:

56

IV.2.1 Mặt cắt đập Dầu Tiếng và các chỉ tiêu cơ lý 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Sạt lở hạ lưu cống lấy nước số 1 kênh chính Đông, hệ

thống thuỷ lợi Dầu Tiếng – Tây Ninh

2

Hình 1-2: Sạt lở tại K13 bờ kênh chính Tây, hệ thống thuỷ lợi Dầu

Tiếng – Tây Ninh

3

Hình 1-3: Sạt lở mái đập phụ tại K19, hồ Dầu Tiếng – Tây Ninh 3

Hình 1-7: Sạt lở mái đập thượng lưu hồ Cóm 1 - tỉnh Hoà Bình 14 Hình 1-8: Sạt lở mái đập thượng lưu hồ Cầu Cau - tỉnh Nghệ An 14 Hình 1-9: Sạt trượt mái đập thượng lưu hồ Bản Chành – Lạng Sơn 18 Hình 2-1: Áp lực kẽ rỗng khi nước rút đột ngột, đất nén được

(theo Bishop)

21

Hình 2-2: So sánh áp lực kẽ rỗng khi nước rút nhanh giữa phương

pháp Bishop và phương pháp vẽ lưới

Hình 3-4: Chênh lệch mực nước hồ từng thời đoạn tính toán ứng

với mặt cắt điển hình loại I

49

Hình 3-5: Chênh lệch mực nước hồ từng thời đoạn tính toán ứng

với mặt cắt điển hình loại II

52

Hình 4-1: Bản đồ hệ thống thủy lợi Dầu Tiếng – Tây Ninh 55

Hình 4-5 Quan hệ thời gian và cao trình tháo cạn hồ (t~z) 66 Hình 4-6: Sự di chuyển của đường bão hoà trong quá trình rút nước 67 Hình 4-7: Biểu đồ quan hệ K ôđ ~ t (quá trình rút nước) 69

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Tổng hợp số lượng các hồ chứa nước tại Việt Nam 7 Bảng 1-2: Một số hồ đập lớn ở Việt Nam (không kể các hồ

thủy điện) (Theo thứ tự chiều cao đập)

7

Bảng 1-6 Các hồ chứa nước lớn đã được sửa chữa trong thời

gian gần đây

16

Bảng 3-2: Kết quả tính toán quá trình hạ đường bão hòa trong

thân đập theo mặt cắt điển hình loại I

48

Bảng 3-3: Kết quả tính toán quá trình hạ đường bão hòa trong

thân đập theo mặt cắt điển hình loại II

50

Bảng 4-1: Các chỉ tiêu thiết kế của hồ chứa nước Dầu Tiếng 57

Bảng 4-4: Tung độ điểm đường phòng phá hoại và dung tích hồ

lăng trụ thóat nước hồ chứa nước Dầu Tiếng

68

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay, ở nước ta có khoảng 1967 hồ chứa nước có dung tích từ 0,2 triệu m 3

trở lên Trong tổng số các hồ chứa, có 89 hồ có dung tích lớn hơn 10 triệu m 3 , 66 hồ có dung tích từ 5  10 triệu m 3 , 442 hồ có dung tích

từ 1  5 triệu m 3 , 1370 hồ có dung tích từ 0,2  1 triệu m 3

Hầu hết các đập dâng của các hồ chứa là đập đất (hiện nay, một số

hồ có đập dâng là đập bê tông trọng lực như đập Tân Giang (Ninh Thuận), đập đá đổ ) Trong quá trình quản lý khai thác, vận hành, nhiều hồ chứa phải hạ thấp mực nước để tránh gây ra sự cố, bảo đảm an toàn công trình khi có nguy cơ vỡ đập (đặc biệt về mùa mưa lũ) hoặc tháo cạn hồ để sửa chữa các hạng mục công trình đầu mối Trong quá trình hạ thấp mực nước

hồ thì tốc độ rút nước ảnh hưởng đến ổn định của mái đập thượng lưu, nếu tốc độ rút nước nhanh sẽ gây sạt mái thượng lưu Khi tháo cạn hồ Bản Chành (Lạng Sơn) để sửa chữa cống lấy nước, do tốc độ tháo nước nhanh nên mái thượng lưu đã xẩy ra sạt trượt Nhiều đập đất của các hồ chứa, mái thượng lưu bị lồi lõm, bị sạt trượt cục bộ, ngoài nguyên nhân do sóng và các nguyên nhân khác thì nguyên nhân chủ yếu là do mực nước hồ hạ thấp

nhanh gây ra

Hồ chứa nước Dầu Tiếng là công trình thủy nông mang tầm vóc quốc gia, với dung tích khoảng 1,58 tỷ m 3

Cụm công trình đầu mối gồm: Đập chính, đập phụ, đập tràn xả lũ, cống dẫn dòng, cống lấy nước số 1, số

2, số 3 Hệ thống kênh chính dẫn nước gồm: kênh chính Đông, kênh chính Tây, kênh chính Tân Hưng; hệ thống kênh tiêu Phước Hội Bến Đình thuộc kênh chính Tây

Hồ chứa nước Dầu Tiếng có nhiệm vụ cung cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và cải tại môi trường cho các tỉnh Tây Ninh, Bình Dương, Long An và thành phố Hồ Chí Minh

Hồ Dầu Tiếng có đập chính là đập đất đồng chất, chiều cao đập 28m, chiều dài đập 1,1Km; đập phụ là đập đất đồng chất chiều cao trung bình từ 6-8m, chiều dài 27,2Km

Hồ chứa nước Dầu Tiếng hiện nay đang được vận hành theo “Quy

trình vận hành điều tiết tạm thời hồ chứa nước Dầu Tiếng Tây Ninh”

ban hành theo Quyết định số 137/2000/QĐ-BNN-QLN, ngày 18/12/2000 của Bộ Trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn)

Trong quá trình quản lý khai thác, hàng năm hồ nhiều lần phải vận hành tràn xả lũ để xả nước qua tràn hạ thấp mực nước hồ bảo đảm an toàn công trình khi có lũ về hoặc tháo cạn hồ để phục vụ công tác sửa chữa Trong Quy trình vận hành điều tiết tạm thời hồ chứa nước Dầu Tiếng

Tây Ninh chưa xây dựng biểu đồ vận hành hồ ứng với các tốc độ hạ thấp

mực nước, chưa đề cập đến tốc độ hạ thấp mực nước thượng lưu giới hạn, làm cho đơn vị quản lý vận hành gặp nhiều khó khăn, lúng túng trong việc vận hành công trình bảo đảm an toàn

Do vậy, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của mái dốc thượng lưu hồ chứa nước Dầu Tiếng khi mực nước thượng lưu rút nhanh là rất cần thiết để phục vụ cho công tác quản lý vận hành công trình bảo đảm an toàn

Hình 1-1: Sạt lở hạ lưu cống lấy nước số 1 kênh chính Đông, hệ thống

thuỷ lợi Dầu Tiếng – tỉnh Tây Ninh [10]

Hình 1-2: Sạt lở tại K13 bờ kênh chính Tây, hệ thống thuỷ lợi Dầu

Tiếng – tỉnh Tây Ninh [10]

Hình 1-3: Sạt lở mái đập phụ tại K19, hồ chứa nước Dầu Tiếng

tỉnh Tây Ninh [10]

II Mục đích của đề tài :

- Nghiên cứu, tìm hiểu các phương pháp tính ổn định cho mái dốc thượng lưu khi mực nước thượng lưu rút nhanh

- Phân tích ảnh hưởng của tốc độ rút nước, chiều cao rút nước, các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập (  , C) đến ổn định của mái

- Thiết lập các quan hệ giữa các yếu tố trên với hệ số ổn định của mái dốc thượng lưu dưới dạng bảng biểu, đồ thị để người sử dụng có thể tra cứu một cách dễ dàng, phục vụ cho việc vận hành công trình an toàn

III Phương pháp nghiên cứu :

Sử dụng phương pháp số ( phương pháp phần tử hữu hạn) để tính thấm, ổn định cho các trường hợp khác nhau

IV Phạm vi nghiên cúu:

Đập hồ chứa nước Dầu Tiếng, tỉnh Tây Ninh

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG, NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG

VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI DỐC THƯỢNG

LƯU ĐẬP ĐẤT

I.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP Ở VIỆT NAM:

Từ xa xưa, đập đã được xây dựng nhiều ở các nước như Ai Cập,

ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung á với mục đích dâng và giữ nước

để tưới; điển hình như đập Moris ở Ai Cập được xây dựng cách đây khoảng 5000 năm, tạo ra hồ chứa dung tích 12 tỷ m 3

nước Sau này, đập càng đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác lợi dụng tổng hợp tài nguyên nước ( như cấp nước tưới, sinh hoạt, công nghiệp, phòng lũ cho

hạ du, phục vụ phát điện, nuôi trồng thủy sản, du lịch )

Từ những năm 1950 trở lại đây, với sự trợ giúp mạnh của khoa học kỹ thuật, với sự đòi hỏi yêu cầu ngày càng nhiều về nguồn nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, phát điện và nước sinh hoạt ; số lượng các đập trên Thế giới được xây dựng ngày càng nhiều, chiều cao đập được nâng lên, tính an toàn các đập ngày càng hoàn thiện Hiện nay có khoảng trên 400.000

đập đã được xây dựng trên thế giới

Trong số các đập đã được xây dựng thì hầu hết là đập đất Do những tính năng ưu việt như: có cấu tạo đơn giản, có thể phù hợp với các điều kiện địa chất nền mà các loại đập khác không thể xây dựng được; đập được xây dựng chủ yếu từ vật liệu địa phương, khả năng cơ giới hoá cao trong thi công dẫn đến đa số trường hợp có giá thành hạ, mang lại hiệu quả kinh tế cao, nên đập đất là loại đập được ứng dụng

rộng rãi nhất trong hầu hết các nước Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, thủy văn, lý thuyết thấm, ứng suất biến dạng, vật liệu cũng như việc ứng dụng các biện pháp thi công tiên tiến sử dụng các thiết bị hiện đại, ứng dụng rộng rãi cơ giới hoá trong thi công cho nên đập đất càng

có xu hướng phát triển mạnh mẽ, có thể xây dựng được cả trong những điều kiện địa chất phức tạp Kết cấu đập đất có thể gồm nhiều khối có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau, để tận dụng được các bãi vật liệu có sẵn tại địa phương Cho đến nay, các nước đã xây dựng được hàng nghìn đập đất trong các hệ thống thủy lợi tạo nên cơ sở hạ tầng góp phần phát triển

Trong những thập kỷ qua, đặc biệt sau ngày thống nhất đất nước, được sự quan tâm của Đảng và Chính phủ đã đầu tư xây dựng được rất nhiều hồ chứa Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, cả nước ta đã có 1967 hồ chứa có dung tích trên 2 triệu m 3

đã được xây dựng với tổng dung tích trữ của các hồ là 24,82 tỷ m 3 , trong đó có 10

hồ thuỷ điện có tổng dung tích trữ thiết kế 19 tỷ m 3

và 1957 hồ chứa thuỷ nông với tổng dung tích trữ trên 5,82 tỷ m 3 Các hệ thống thuỷ lợi của nước ta có thể kể đến như hệ thống thuỷ lợi Đại Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dầu Tiếng hay các công trình sử dụng tổng hợp

nguồn nước như Thuỷ điện Hoà Bình, Thác bà, Đa Nhim, Trị An, Yaly, Yazun Hạ, Vĩnh Sơn, Thác Mơ, Sơn La…

Trong số 63 tỉnh, thành phố, nước ta có 43 tỉnh và thành phố có hồ chứa nước (chỉ trừ các tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long và một số tỉnh của đồng bằng Bắc bộ như Thái Bình, Nam Định) Các tỉnh có số lượng hồ chứa nhiều là Nghệ An (249 hồ); Hà Tĩnh (166 hồ); Thanh Hoá (123 hồ); Phú Thọ (118 hồ); Đăk Lăk (116 hồ); Bình Định (108 hồ); Vĩnh Phúc (96 hồ) [1]

Hầu hết các hồ chứa đều có các đập dâng là đập đất ( một số hồ có đập dâng là đập bê tông trọng lực như đập Tân Giang (Ninh Thuận), hồ có đập dâng là đập đá đổ như cửa đạt (Thanh Hóa), hiện nay đập dâng thủy điện Sơn La là đập bê tông đầm lăn…)

Bảng 1-1: Tổng hợp số lượng các hồ chứa nước tại Việt Nam [1]

446

890

571

Bảng 1-2: Một số hồ đập lớn ở Việt Nam (không kể các hồ thủy điện)

(Theo thứ tự chiều cao đập) [2]

TT Tên hồ Tỉnh Dung tích (10 6

m 3 )

H max (m)

4 Yên Lập Quảng Ninh 118.10 40.00 1976 1980

5 Phú Ninh Quảng Nam 414.40 39.40 1977 1982

6 Đa Nhim Lâm Đồng 165.00 38.00 1960 1963

7 Kẻ Gỗ Hà Tĩnh 345.00 37.50 1976 1983

8 Tà Keo Lạng Sơn 14.00 35.00 1967 1972

9 Sông Mực Thanh Hoá 314.00 33.40 1977 1983

10 Tiên Lang Quảng Bình 17.90 32.30 1976 1978

11 Tuyền Lâm Lâm Đồng 10.60 32.00 1980 1987

12 Núi Một Bình Định 111.50 30.00 1978 1986

13 Cẩm Ly Quảng Bình 42.00 30.00 1963 1965

14 Vực Tròn Quảng Bình 52.80 29.00 1979 1986

15 Hội Sơn Bình Định 30.50 29.00 1982 1985

16 Liệt Sơn Quảng Ngãi 28.60 29.00 1977 1981

17 Dầu Tiếng Tây Ninh 1,580.80 28.00 1979 1985

18 Núi Cốc Thái Nguyên 175.50 26.00 1972 1978

19 Pa Khoang Lai Châu 45.90 26.00 1974 1978

20 Khuôn Thần Bắc Giang 20.10 26.00 1960 1963

21 Hoà Trung Đà Nẵng 10.30 26.00 1979 1984

22 Khe Chè Quảng Ninh 11.50 25.20 1986 1990

23 Yên Mỹ Thanh Hoá 66.20 25.00 1978 1980

29 Quất Động Quảng Ninh 11.30 22.60 1978 1983

30 Khe Tân Quảng Nam 43.50 22.40 1985 1989

31 Đồng Mô Hà Tây 84.50 21.00 1970 1974

32 Biển Hồ Gia Lai 41.50 21.00 1980 1985

33 Kinh Môn Quảng Trị 16.70 21.00 1985 1989

Một số hình ảnh về hồ chứa ở Việt Nam

Hình 1-4: Hồ chứa nước Dầu Tiếng tỉnh Tây Ninh [10]

Hình 1-6: Hồ chứa nước Núi Cốc tỉnh Thái Nguyên [4]

Chiều cao đập chính: 26 m;

Dung tích tổng cộng: 175,5 triệu m3;

Năm xây dựng: 1972;

Năm hoàn thành: 1978

I.2 HIỆN TRẠNG CÁC HỒ CHỨA HIỆN NAY Ở NƯỚC TA

Năm 2002, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã tổ chức điều tra thực trạng các hồ chứa nước trong toàn quốc và đã có những đánh giá trong Chương trình Bảo đảm an toàn các hồ chứa nước, cụ thể như sau:

Một số cống lấy nước của các hồ chứa do chất lượng thi công kém cũng đã bị hư hỏng như cống hồ EaChu Cáp, Ea Bông, Ea Knốp (Đăk lăk)

Cống lấy nước của nhiều hồ chứa nước nhỏ và vừa có kết cấu bất hợp lý, sử dụng ống bê tông lắp ghép ( phổ biến ở các tỉnh miền Trung và Tây nguyên)

Theo kết quả điều tra năm 2002 [1], số lượng các hồ chứa cần sửa chữa nâng cấp cống theo bảng 1-4:

Bảng 1-4: Các hồ cần sửa chữa cống lấy nước [1]

TT Loại hồ (theo dung tích) Số hồ cần sửa chữa cống/tổng số hồ

3 W trữ = 1  5 triệu m 3 160/442

I.2.3 Về năng lực thoát lũ chất lượng tràn xả lũ :

Nhiều hồ chứa còn thiếu năng lực xả lũ do tính toán lũ thiết kế thiếu tài liệu, tính thiên nhỏ, mô hình thiết kế lũ không phù hợp với tình hình mưa lũ trên lưu vực, rừng đầu nguồn bị tàn phá nên lũ tập trung về hồ nhiều hơn và nhanh hơn, dẫn đến đập luôn làm việc trong điều kiện nguy hiểm, bị de doạ mất an toàn

Trong 25 hồ chứa lớn được Bộ Nông nghiệp và PTNT cho sửa chữa gần đây có 14 hồ chứa đã phải mở rộng tràn xả lũ, một số hồ phải tăng 1,5  2 lần quy mô tràn như các hồ Pa Khoang (Lai Châu), Chúc Bài Sơn (Quảng Ninh), Núi Một, Hội Sơn (Bình Định), Phú Ninh (Quảng Nam)… (theo số liệu của Bộ NN &PTNT)

Về hiện trạng tràn xả lũ của các hồ : Nhiều hồ chứa có tràn xả lũ chỉ

là tràn tạm không được gia cố, dễ gây mất an toàn cho công trình Nhiều tràn được gia cố bằng đá xây, bê tông chất lượng đã xuống cấp

Bảng 1-5: Các hồ cần sửa chữa cống lấy nước [1]

TT Loại hồ

(theo dung tích)

Số hồ còn thiếu năng lực xả lũ / tổng số hồ

Số hồ cần sửa chữa tràn / tổng

năng lực xả lũ và cần sửa chữa nâng cấp tràn như bảng 1-5:

I.2.4 Về hiện trạng mái thượng lưu đập đất :

- Hầu hết các hồ chứa có dung tích hồ dưới 1 triệu m 3 , đập thấp, do địa phương tự làm, mái thượng lưu đều không được gia cố Phần lớn mái thượng lưu của các đập này đều bị sạt lở cục bộ

- Tình trạng lớp gia cố mái thượng lưu đập đất bị xô tụt là phổ biến

ở các hồ chứa nước, mái đập thượng lưu bị sạt lở, dễ gây mất an toàn cho công trình; có 12 trong số 25 hồ chứa nước lớn do Bộ Nông nghiệp và PTNT sửa chữa gần đây đã phải thực hiện nâng cấp lớp gia cố chống sóng bảo vệ mái thượng lưu

Theo số liệu thống kê năm 2002 [1], tống số hồ có mái thượng lưu đập đất không được gia cố là 631 hồ, số hồ có mái thượng lưu đập bị hư hỏng là 757 hồ

Hình 1-7: Sạt lở mái đập thượng lưu hồ Cóm 1 - tỉnh Hoà Bình [2]

Hình 1-8: Sạt lở mái đập thượng lưu hồ Cầu Cau - tỉnh Nghệ An [2]

I.3 NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG :

Hồ chứa ở nước ta được xây dựng nhiều từ sau giải phóng miền Nam; trước sức ép về phát triển kinh tế, an toàn lương thực, nhiều hồ chứa đã được xây dựng gấp, trong điều kiện kinh phí hạn hẹp, dẫn đến công tác khảo sát, thiết kế, thi công có nhiều thiếu sót Phân tích hiện trạng và các

sự cố, hư hỏng của các hồ chứa, có các nguyên nhân chính như sau:

I.3.1 Nguyên nhân từ công tác khảo sát, thiết kế :

Khảo sát, đánh giá địa chất nền, đất đắp đập không đầy đủ, thiếu chính xác

Kết cấu mặt cắt đập chưa hợp lý; biện pháp chống thấm cho đập không phù hợp, hoặc không triệt để (như đập Dầu Tiếng, Am Chúa ) Trong tính toán thiết kế chưa kiểm tra đầy đủ các điều kiện an toàn về thấm, ổn định.

Tài liệu khí tượng, thủy văn phục vụ cho công tác thiết kế hồ chứa thiếu dẫn đến việc tính toán thủy văn không sát thực với thực tế Mặt khác rừng đầu nguồn bị tàn phá nghiêm trọng dẫn đến cạn kiệt nguồn nước và

lũ về hồ tập trung nhanh hơn, lớn hơn

I.3.2 Nguyên nhân từ công tác thi công :

Do thiết bị thi công thiếu, nhiều đập đất nhỏ ở các địa phương được thi công bằng thủ công ( thường huy động nhân công nghĩa vụ) dẫn đến chất lượng thi công không bảo đảm thiết kế Hầu hết các đập đất bị thấm

đã xử lý, khi xác định nguyên nhân đều do dung trọng đất đắp đập chưa đạt thiết kế, độ chặt không đồng đều, đất đắp đập không bảo đảm, chứa nhiều dăm sạn, hệ số thấm lớn

Do kinh phí xây dựng công trình thiếu nên nhiều hạng mục công trình không được đầu tư xây dựng đầy đủ; nhiều hồ chứa tràn xả lũ không được gia cố hoặc gia cố tạm thời (như hồ Vân Trục (Vĩnh Phúc), Thạch Khê (Bình Định) ), mái thượng lưu không được bảo vệ (như hồ Giăng Gié, CưĐRăm (Đắk Lắk), Cầu Cau (Nghệ An) )

I.3.3 Nguyên nhân từ công tác quản lý :

Công tác quản lý chưa được chú trọng, năng lực cán bộ kỹ thuật, cán bộ quản lý còn yếu

Thiếu kinh phí duy tu bảo dưỡng công trình dẫn đến tính trạng công trình không được sửa chữa ngay khi có những hư hỏng nhỏ; chỉ khi có nguy cơ đổ vỡ mới được cấp kinh phí để sửa chữa

Do vận hành công trình không đúng kỹ thuật, như: tháo cạn hồ quá nhanh gây sạt trượt mái thượng lưu đập đất

I.4 TÌNH HÌNH SỬA CHỮA, NÂNG CẤP CÁC HỒ CHỨA TRONG THỜI GIAN GẦN ĐÂY:

Qua kết quả điều tra và đánh giá về hiện trạng các hồ chứa, phản ánh một thực tế là các hồ chứa ở nước ta có độ an toàn không cao Trong mấy năm gần đây Bộ Nông nghiệp và PTNT đã cho sửa chữa, nâng cấp 25 hồ chứa nước lớn và hiện đang cho lập các Dự án Sửa chữa, nâng cấp một loạt các hồ chứa khác

Bảng 1-6 Các hồ chứa nước lớn đã được sửa chữa trong thời gian

gần đây [1]

TT Tên hồ Địa điểm Nội dung sửa chữa, nâng cấp

3 Yên Lập Quảng Ninh Sửa chữa cống lấy nước, tràn xả lũ

4 Cấm Sơn Bắc Giang Tràn xả lũ sự cố, nâng cấp đường quản lý

7 Chúc Bài Sơn Quảng Ninh Xử lý thấm đập, mở rộng tràn

8 Núi Cốc Thái Nguyên Xử lý thấm đập, mở rộng tràn

10 Pa Khoang Lai Châu Sửa chữa đập, cống lấy nước, mở rộng tràn

12 Vực Tròn Quảng Bình Sửa chữa đập, cống lấy nước

13 Kinh Môn Quảng Trị Sửa chữa cống lấy nước, tràn xả lũ

16 Liệt Sơn Quảng Ngãi Sửa chữa đập, cống lấy nước, mở rộng tràn

17 Hội Sơn Bình Định Sửa chữa đập, cống lấy nước, tràn xả lũ

18 Núi Một Bình Định Sửa chữa đập, cống lấy nước, mở rộng tràn

19 Am Chúa Khánh Hoà Sửa chữa đập, cống lấy nước, mở rộng tràn

20 Dầu Tiếng Tây Ninh Sửa chữa đập, cống lấy nước, tràn xả lũ

Các hồ phải sửa chữa cống lấy nước, gia cố mái thượng lưu đập đất, chống thấm cho đập bằng biện pháp tường nghiêng đều phải tháo cạn hồ

để sửa chữa Tốc độ rút nước, chiều cao rút nước ảnh hưởng rất nhiều đến

ổn định của mái thượng lưu đập

I.5 SỰ CỐ SẠT MÁI THƯỢNG LƯU ĐẬP ĐẤT DO NƯỚC RÚT NHANH

Sự cố tiêu biểu, khi tháo cạn hồ Bản Chành (Lạng Sơn) vào tháng 9/1999 để sửa chữa cống lấy nước, mực nước thượng lưu trước khi tháo cách MNDBT (+319m) khoảng 0,5m; khi mực nước hồ xuống gần đến MNC (+305m) thì xuất hiện cung trượt nằm ở giữa mái thượng lưu, rộng khoảng 60m, đỉnh cung trượt gần sát với tường chắn sóng và đáy sâu đến chân đập, mái đập trượt sâu xuống khoảng 1m Chi tiết xem các ảnh về sự

cố mái thượng lưu đập Bản Chành hình 1-9 [5]

Nguyên nhân :

Do tốc độ rút nước trong hồ nhanh và chiều cao cột nước hạ thấp lớn; nước thấm trong thân đập thoát ra mái thượng lưu, đất đắp mái thượng lưu trong tình trạng bão hoà, khối nước trên mái thượng lưu có tác dụng làm tăng ổn định cho mái thượng lưu đã mất đi, gây ra mất ổn định cho mái thượng lưu.

Hình 1-9: Sạt trượt mái đập thượng lưu hồ Bản Chành – Lạng Sơn [5]

I.6 KẾT LUẬN:

Trong những thập kỷ qua đặc biệt sau ngày thống nhất đất nước được

sự quan tâm của Đảng và Chính phủ đã đầu tư xây dựng được hệ thống công trình thuỷ lợi đồ sộ: 1967 hồ chứa, 10.000 trạm bơm, 8.000 km đê sông đê biển phục vụ phát triển các ngành kinh tế, phát triển nông nghiệp, phòng tránh giảm nhẹ thiên tai do vậy góp phần quan trọng đưa Việt nam từ chỗ thiếu lương thực trở thành quốc gia xuất khẩu gạo lớn thứ hai trên thế giới Bộ mặt nông thôn mới không ngừng đổi thay, an ninh lương thực, an toàn trước thiên tai, ổn định xã hội, sử dụng nước sạch và vệ sinh môi trường được cải thiện [3]

Hồ chứa nước đã là loại hình công trình thuỷ lợi phổ biến nhất ở nước

ta, chỉ trừ các tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long và một số tỉnh của đồng bằng Bắc bộ như Thái Bình, Nam Định và Hà Nam còn tất cả các tỉnh khác đều có hồ chứa

Tuy nhiên, Cũng như các công trình xây dựng khác, công trình thuỷ lợi, đặc biệt là những hồ chứa có đập dâng là đập đất thường vẫn xảy ra những sự cố ở những thời gian, mức độ và tính chất khác nhau gây nên những tổn thất về người và của , huỷ hoại môi trường Trong hàng loạt các nguyên nhân gây ra sự cố công trình thì nguyên nhân mực nước hồ rút nhanh làm sạt lở mái thượng lưu đập cần phải có sự nghiên cứu, đánh giá nghiêm túc, lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp để duy trì ổn định mái đập, nâng cao độ an toàn cho công trình, trách sự cố đáng tiếc xảy ra

về hai phía thượng, hạ lưu Đối với mái hạ lưu trường hợp này ít nguy hiểm hơn so với trường hợp thấm ổn định Đối với mái thượng lưu trong trường hợp nước rút nhanh, dòng thấm ngược từ trong thân đập ra có thể

làm mái thượng lưu bị sạt lở, có khi bị trượt sâu gây mất an toàn cho đập II.2 TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỦ YẾU ĐỂ TÍNH ÁP LỰC Ẽ RỖNG TRONG TRƯỜNG HỢP MỰC NƯỚC THƯỢNG LƯU RÚT NHANH:

II.2.1 Đối với đất đắp không nén được: [6]

Đối với loại vật liệu như: cát, hạt bụi và đất sét; đây là loại đất có hệ

số nén nhỏ, áp lực kẽ rỗng có thể được xác định bằng vẽ lưới thấm cho trường hợp nước rút (đường dòng, đường thế )

II.2.2 Đối với đất đắp nén được: [6]

Trong đất nén được sự thay đổi thể tích đáng kể xảy ra trong lõi do điều kiện ứng suất thay đổi sau khi nước rút, giá trị áp lực kẽ rỗng gây ra bởi

sự thay đổi thể tích thông thường cao hơn rất nhiều so với giá trị xác định từ

vẽ lưới thấm không ổn định

Phương pháp thường dùng để tính toán áp lực kẽ rỗng trong trường hợp nước rút đột ngột cho đất nén được do Bishop đề ra

Hình 2-1 Áp lực kẽ rỗng khi nước rút đột ngột, đất nén được (theo

Bishop) [6]

Xét một điểm nằm trong tường lõi và trên mặt cung trượt (hình 2-1), gọi: h c : là chiều cao của đất của tường lõi

h r : là chiều cao lớp vỏ phía trên vị trí đang xét

h w : chiều cao của nước phía trên mái tại mặt cắt thẳng đứng đang xét

h’: là thế năng bị giảm trong điều kiện thấm ổn định

Áp lực kẽ rỗng ban đầu tại điểm đang xét khi dòng thấm đạt trạng thái ổn định

U o =  w (h c + h r + h w – h’) (2-1) Tổng ứng suất chính  1 giả thiết bằng trọng lượng cột đất thẳng đứng phía trên điểm đang xét

 1o =  c h c +  r h r +  w h w (2-2) Trong đó  c ,  r : là trọng lượng bão hoà của đất tưòng lõi và lớp vỏ thoát nước tự do

Sau khi nước rút ứng suất chính sẽ là:

 1 =  c h c +  rd h r (2-3)

x h h

c r w

Trong đó  rd : là trọng lưọng của lớp vỏ ( đá) có kể đến mọtt phần nước đẫ thoát ra ngoài,  rd =  r – N S  w

Sự thay đổi ứng suất chính là:

 1 =  1 -  1o = - (  r -  rd )h r -  w h w (2-4) Thay  rd =  r – N S  w vào phương trình (2-4) ta có:

) '

Δσ Δσ

Δσ Δσ

phương pháp vẽ lưới thấm không ổn định so với kết quả tính toán bằng phương pháp Bishop được thể hiện trong hình 2-2

Theo BISHOP Theo PP vÏ l-íi

Hình 2-2 So sánh áp lực kẽ rỗng khi nước rút nhanh giữa phương

pháp Bishop và phương pháp vẽ lưới [6]

II.2.3 Áp dụng của một số cơ quan thiết kế thế giới [6]

- USBR thường vẽ lưới thấm trong điều kiện nước rút cho loại đất có

hệ số thấm nhỏ để xác định áp lực kẽ rỗng

- Tiêu chuẩn Ấn Độ: lớp vỏ sẽ đặt áp lực kẽ rỗng lớn nếu k < 10 -4 cm/s, nếu k > 10 -2

cm/s thì không có áp lực kẽ rỗng Đề nghị sử dụng phương pháp Bishop để xác định áp lực kẽ rỗng trong lõi

- Ngoài ra còn một số tiêu chuẩn

- Đất sét có độ nén lún lớn cần dùng phương pháp Bishop để xác định

áp lực kẽ rỗng

B có thể xác định từ thí nghiệm hoặc chọn B = 1

II.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH THẤM TRONG TRƯỜNG HỢP MỰC NƯỜC THƯỢNG LƯU RÚT NHANH (ĐẤT HÔNG NÉN ĐƯỢC):

II.3.1 Trường hợp tính toán:

Thấm ổn định: Tại bất cứ điểm nào trong miền thấm có vận tốc thấm

(hướng, độ lớn) không đổi

Thấm không ổn định: do điều kiện biên thay đổi, khi đó vận tốc thấm

thay đổi theo thời gian

Ở thời điểm ban đầu cột nước thượng lưu H, dòng thấm về hạ lưu đạt trạng thái ổn định Tại thời điểm này bài toán thấm được tính theo bài toán thấm ổn định trong môi trường bão hoà

Khi hạ thấp mực nước thượng lưu, dòng thấm ra cả mái thượng lưu

và hạ lưu, đường bão hoà thay đổi Phương pháp tính thấm được tính theo bài toán thấm không ổn định trong môi trường bão hoà, phi bão hoà

II.3.2 Phương trình cơ bản của dòng thấm không ổn định: [7]

Tóm tắt cơ sở lý thuyết bài toán thấm không ổn định trong môi trường phi bão hoà:

Định luật bảo toàn khối lượng cho dòng thấm không ổn định yêu cầu:

Lượng nước vào - lượng nước ra = lượng nước trữ lại

Vy +

y ( ) Vy y Vx

Vz

Vy

x Vx ( )

Vx +

x

Vz ( )

Ta có:

) ( )

( )

( )





 

Mức độ biến đổi khối lượng chất lỏng trên một đơn vị thể tích theo thời gian

t

h n h

n n

nở ra, đối với môi trường bão hòa, nước chỉ có thể chui vào thể tích đơn vị đang xét khi:

- Độ rỗng tăng lên  0





h n

- Khối lượng riêng tăng  0

dn    (2-11) + Độ ép của chất lỏng đƣợc định nghĩa là

du v

n h

v x

v x

Giả thiết  không phụ thuộc hệ tọa độ

t

h S z

v y

v x

h k z y

h k y x

h k

) (

S z

h y

h x

   ' : độ bão hòa (2-21) Khối lượng nước ở trong đơn vị thể tích là:

 n  ' (bão hòa =>  n ) Thay giá trị trên vào chỗ  n ở phương trình (2-6) ta có

) ' ( ) ( )

( )

t v

v y

n t

n n

' )

t n v v

v

z y

y x

h p k z y

h p k y x

h p k

) ( ( )

) (

Theo địng nghĩa về độ ẩm thể tích  :  = n  ’

=>

t t

p p k z y

p p k y x

p p

)(

( )

( )

II.3.3 Giải bài toán thấm bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH):

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi sự chính xác, an toàn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu công trình Thuỷ lợi, Xây dựng dân dụng, Giao thông, v.v Đến các bài toán của lý thuyết trường như: Lý thuyết truyền nhiệt, Cơ học chất lỏng, Thuỷ đàn hồi, Khí đàn hồi, Điện - Từ trường v.v Với sự giúp đỡ của ngành Công nghệ Tin học nhiều bài toán phức tạp như tính toán trạng thái ứng suất biến dạng trong đập đất đá đổ có nhiều vật liệu khác nhau, nền có nhiều lớp, với điều kiện biên phức tạp cũng đã được giải quyết

II.3.3.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH: [8]

a/ Chia miền tính toán thành nhiều các miền nhỏ gọi là các phần tử

Các phần tử được nối với nhau bằng một số hữu hạn các điểm nút Các nút này có thể là đỉnh các phần tử, cũng có thể là một số điểm được quy ước trên cạnh của phần tử

Rời rạc hoá miền xác định:

Trình tự tính toán của phương pháp PTHH được nghiên cứu đầy đủ trong bài toán thấm ổn định phẳng Cần phải xác định sự phân bố cột áp dưới đập, gradient thấm và tổng lưu lượng dòng thấm ở đây cột áp được xem là hàm chưa biết H Mặt trơn của hàm H được xấp xỉ bằng một bộ các mảnh mặt phẳng tam giác i’, j’, k’ như hình 2-4 xác định trên miền con tam giác i, j, k thuộc miền nghiên cứu trong mặt phẳng XY

Vị trí mặt phẳng không gian được xác định đơn trị bằng 3 điểm không nằm trên một đường thẳng

Độ sai lệch của mặt phân mảnh xấp xỉ so với mặt trơn thực tế sẽ càng lớn khi độ cong của mặt trơn càng lớn và kích thước phần tử càng lớn Từ đó rút ra quy tắc cơ bản xây dựng lưới các phần tử là làm dầy đặc lưới tại những nơi có gradient hàm cần tìm cao, chẳng hạn như các cột áp

Công cụ toán học của phương pháp PTHH đảm bảo đưa ra bài toán tích phân phương trình vi phân song điều hoà về phép giải hệ thống các phương trình đại số tuyến tính, trong đó giá trị cột áp tại các nút phần tử hiển diện như là các ẩn số

X

Y Z

I

K J

I'

J'

K'

Hình 2- 4 Minh hoạ mặt hàm xấp xỉ H của phần tử

Do giới hạn lời giải bài toán là bài toán thấm dừng trên cơ sở định luật Darcy

H Kx

2

1

(2-28)

Trong đó Kx, Ky lần lượt là các hệ số thấm theo phương X, Y

b/ Trong phạm vi của mỗi phần tử giả thiết một dạng phân bố xác định nào đó của hàm cần tìm

Đối với bài toán thấm thì hàm xấp xỉ có thể là hàm cột nước

Thường giả thiết hàm xấp xỉ là những đa thức nguyên mà hệ số của

nó được gọi là các thông số Trong phương pháp PTHH, các thông số này được biểu diễn qua các trị số của hàm và có thể là trị số của đạo hàm của

nó tại các điểm nút của phần tử Dạng đa thức nguyên hàm xấp xỉ phải được chọn đảm bảo để bài toán hội tụ Nghĩa là khi tăng số phần tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm cận đến kết quả chính xác

Ngoài ra hàm xấp xỉ còn phải chọn sao cho đảm bảo một số yêu cầu nhất định, định luật Darcy (bài toán thấm) Song để thoả mãn chặt chẽ tất

cả các yêu cầu thì sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toán giải Do đó trong thực tế người ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn đảm bảo được nghiệm đạt độ chính xác yêu cầu

c/ Dựa vào phương trình định luật Darcy để tìm trường lưu tốc thấm, trường gradient thấm, lưu llượng thấm v.v…

II.3.3.2 Nội dung giải bài toán thấm bằng phương pháp PTHH : [8]

Do đặc thù của đập vật liệu địa phương, thường có chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều cao do vậy, việc nghiên cứu bài toán thấm trong phạm

vi luận văn này chỉ dừng lại ở mô hình bài toán phẳng, thấm ổn định và không ổn định Lúc đó có thể cắt một đoạn đập dài bằng đơn vị để nghiên cứu như hình 2-5 dưới đây

Ma trận độ cứng của phần tử và của hệ thống các phần tử:

Mảnh mặt phẳng xấp xỉ hàm cột nước trên 1 phần tử có phương trình dạng đa thức tuyến tính:

Trong đó  1 ,  2 ,  3 là các hằng số

Tại các điểm nút i, j, k của các phần tử, các giá trị cột áp bằng Hi, Hj,

Hk và chúng được xác định bằng phương trình (2-29) khi x, y lần lượt bằng x i , y i , x j , ỵ j , x k , y k Hệ thức này có thể viết dưới dạng ma trận:

Trong đó: He = {Hi, Hj, Hk} – là véc tơ cột áp trên điểm nút của phần tử