Giải pháp kỹ thuật chống thấm cho đập đất khi được tôn cao mở rộng do nhu cầu sử dụng nước và biến đổi khí hậu

Đề tài luận văn: “Giải pháp kỹ thuật chống thấm cho đập đất khi được tôn cao m ở rộng do nhu cầu sử dụng nước và biến đổi khí hậu ” sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp tính toán thấm, n

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

PHẦN MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích của đề tài: 3

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu : 3

IV Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 3

IV Kết quả đạt được của luận văn: 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT Ở VIỆT NAM 5

1.1 Tổng quan về hồ chứa ở Việt Nam 5

1.2 Thực trạng làm việc của đập đất ở Việt Nam 9

1.3 Vai trò của nước và sự cần thiết để nâng cấp hồ chứa 10

1.3.1.Sự cần thiết nâng cấp hồ chứa 10

1.3.2.Vai trò của nước 11

1.4 Các giải pháp nâng cao hiệu quả làm việc của hồ chứa 12

1.4.1.Giải pháp quản lý khai thác 12

1.4.2.Giải pháp về cơ chế, chính sách 13

1.4.3.Giải pháp về điều kiện tự nhiên kinh tế - xã hội 14

1.5 Kết luận chương 1 14

1.6 Những vấn đề nghiên cứu của luận văn 15

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG THẤM KHI NÂNG CẤP ĐẬP 16

2.1 Sự hình thành dòng thấm 16

2.1.1.Ý nghĩa việc nghiên cứu thấm 16

2.1.2.Sự hình thành dòng thấm 16

2.2 Phương pháp tính thấm 18

2.2.1.Cơ sở lý thuyết 18

2.2.2.Tính thấm qua đập đất theo phương pháp thủy lực 19

2.2.3.Tính thấm qua đập đất theo phương pháp cơ học chất lỏng 20

2.2.4.Tính thấm qua đập đất theo phương pháp thực nghiệm 20

2.2.5.Tính thấm qua đập đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn 21

2.3 Các giải pháp chống thấm cho đập đất 28

2.3.1.Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ 29

2.3.2.Giải pháp chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa 30

2.3.3.Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite 32

2.3.4.Giải pháp chống thấm bằng cọc xi măng đất 34

2.3.5.Giải pháp tường hào chống thấm màng địa kỹ thuật 39

2.3.6.Giải pháp tường nghiêng chống thấm màng địa kỹ thuật 40

2.3.7.Giải pháp tường nghiêng chống thấm bằng màng chống thấm bentonite 42

2.3.8.Giải pháp tường nghiêng chống thấm bằng thảm sét địa kỹ thuật GCL 43

2.3.9.Giải pháp chống thấm bằng thảm bê tông 44

2.4 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC DIÊN TRƯỜNG – QUẢNG NGÃI 48

3.1 Giới thiệu về công trình đập đất 48

3.1.1.Tổng thể công trình 48

3.1.2.Đặc điểm địa chất 50

3.1.3.Đặc điểm khí tượng và thủy văn công trình 53

3.2 Mặt cắt đập hiện trạng 54

3.3 Tính toán dung tích hữu ích 55

3.3.1.Tính toán lượng nước yêu cầu 56

3.3.2.Tính toán dòng chảy đến 66

3.3.3.Kết quả tính toán 67

3.4 Cao trình đỉnh đập 71

3.4.1.Tính toán điều tiết lũ 71

3.4.2.Tính toán cao trình đập 76

3.5 Xác định quy mô và kết cấu đập 79

3.5.1.Giải pháp nâng cấp đập 79

3.5.2.Kết cấu đập 82

3.6 Cấp và thông số kỹ thuật công trình sau khi nâng cấp 86

3.7 Xử lý thấm cho đập 88

3.7.1.Đặt vấn đề cho xử lý thấm 89

3.7.2.Giải pháp chống thấm bằng khoan phụt cho đập 92

3.8 Tính toán ổn định thấm của đập 102

3.8.1.Tài liệu cơ bản 102

3.8.2.Tính toán thấm và ổn định thấm 103

3.8.3.Tính toán ổn định trượt mái 106

3.9 Kết luận chương 3 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 113

HÌNH MINH H ỌA

Tác động nặng nề của biến đổi khí hậu tại Việt Nam 1

Hình 1.1: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc (dung tích >200000m3) 6 Hình 2.1: Dòng thấm ổn định qua đập đất đồng chất (a), và qua tường lõi của đập đất đá (b) 17

Hình 2.2: Dòng thấm không ổn định khi mực nước rút xuống đột ngột 17

Hình 2.3: Minh họa hàm xấp xỉ H của phần tử 22

Hình 2.4: Sơ đồ thấm qua đập 24

Hình 2.5: Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ 29

Hình 2.6: Giải pháp chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa 31

Hình 2.7: Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng chân răng 31

Hình 2.8: Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite 32

Hình 2.9: Thi công tường chống thấm bằng biện pháp đào hào trong dung dịch bentonite hồ Dầu Tiếng 33

Hình 2.10: Biện pháp chống thấm bằng khoan phụt 35

Hình 2.11: Sơ đồ tường cọc xi măng đất 36

Hình 2.12: Công nghệ Jet-Grouting tạo tường chống thấm 37

Hình 2.13: Giải pháp chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng 37

Hình 2.14: Phạm vi ứng dụng hiệu quả trong đất nền của cọc xi măng đất 38

Hình 2.15: Hàng tường cọc XMĐ chống thấm cho công trình Đá Bạc – Hà Tĩnh 39 Hình 2.16: Công nghệ thi công màng chống thấm địa kỹ thuật 40

Hình 2.17: Giải pháp chống thấm bằng HDPE 41

Hình 2.18: Giải pháp màng chống thấm bentonite 43

Hình 2.19: Giải pháp chống thấm bằng thảm sét địa kỹ thuật 44

Hình 2.20: Giải pháp chống thấm bằng thảm bê tông 45

Hình 2.21: Các loại thảm bê tông chống thấm 45

Hình 3.1: Vị trí hồ chứa nước Diên Trường trên Google 48

Hình 3.2: Hiện trạng hồ chứa nước Diên Trường 48

Hình 3.3: Mặt cắt hiện trạng đập Diên Trường 54

Hình 3.4: Đường quá trình lũ đến (hiện tại, BĐKH) 76

Hình 3.5: Đắp áp trúc mái thượng lưu 80

Hình 3.6: Đắp áp trúc mái thượng lưu và hạ lưu 81

Hình 3.7: Đắp áp trúc mái hạ lưu 81

Hình 3.8: Xây dựng tường chắn sóng 81

Hình 3.9: Xây dựng tường chắn sóng kết hợp đắp áp trúc hạ lưu 82

Hình 3.10: Cấu tạo đỉnh đập 83

Hình 3.11: Mặt cắt đập Diên Trường sau khi nâng cấp 85

Hình 3.12: Chân khay chống thấm của đập hiện trạng 88

Hình 3.13: Ổn định của đập ứng ứng với mực nước theo nâng cấp 88

Hình 3.14: Sơ đồ bố trí khu khoan phụt thí nghiệm 93

Hình 3.15: Cắt dọc tuyến khoan phụt 99

Hình 3.16: Mặt bằng bố trí mạng lưới khoan phụt 100

Hình 3.17: Mặt cắt ngang đập đã nâng cấp và xử lý thấm 101

Hình 3.17: Mặt cắt đập nâng cấp N3 - Mặt cắt tính toán N3 105

Hình 3.18: Tính thấm đập nâng cấp N3 – Lưu lượng thấm đơn vị - Trường hợp 4

105

Hình 3.19: Tính thấm đập nâng cấp N3 – Phân bố Gradient thấm - Trường hợp 4

105

BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh trữ lượng nước Miền Bắc và Miền Trung so với toàn quốc 5

Bảng 1.2: Thống kê một số đập đất lớn ở Việt Nam 6

Bảng 2.1: Chiều cao an toàn của tường chống thấm 30

Bảng 3.1: Thay đổi nhiệt độ và lượng mưa đến năm 2050 do BĐKH 56

Bảng 3.2: Diện tích, cơ cấu, thời vụ các loại cây trồng 57

Bảng 3.3: Các yếu tố khí hậu vùng dự án 57

Bảng 3.4: Các đặc trưng khí hậu trong khu tưới do ảnh hưởng BĐKH 58

Bảng 3.5: Lượng mưa tưới thiết kế - khu tưới hồ chứa Diên Trường 58

Bảng 3.6: Tổng hợp lượng nước yêu cầu tưới (Tr.m3) 61

Bảng 3.7: Tổng hợp lượng nước yêu cầu cho sinh hoạt 62

Bảng 3.8: Nhu cầu nước cho thủy sản 63

Bảng 3.9: Tổng hợp nhu cầu cấp nước môi trường (Tr.m3) 64

Bảng 3.10: Tổng hợp nhu cầu cấp nước hiện tại (Tr.m3) 64

Bảng 3.11: Tổng hợp nhu cầu cấp nước do biến đổi khí hậu (Tr.m3) 65

Bảng 3.12: Quan hệ Z ~ V, Z ~ F 66

Bảng 3.13: Phân phối lượng bốc hơi 67

Bảng 3.14: Dòng chảy năm đến hồ (m3/s) 67

Bảng 3.15: Kết quả tính toán dung tích hữu ích hồ Diên Trường 70

Bảng 3.16: Lưu lượng lũ lớn nhất thiết kế lưu vực hồ chứa Diên Trường tính theo công thức cường độ giới hạn 72

Bảng 3.17: Tổng lượng lũ lớn nhất thiết kế lưu vực hồ chứa Diên Trường tính theo lượng mưa ngày lớn nhất 73

Bảng 3.18: Đường quá trình lũ thiết kế theo kịch bản hiện tại 73

Bảng 3.19: Đường quá trình lũ thiết kế theo kịch bản Biến đổi khí hậu 74

Bảng 3.20: Tính toán lũ trên tràn hồ chứa Diên Trường ứng kịch bản BĐKH 76

Bảng 3.21: Xác định cao trình đỉnh đập thiết kế 78

Bảng 3.22: Các thông số chính của đập sau khi nâng cấp 86

Bảng 3.23: Đánh giá trọng số giữa các phương án 91

Bảng 3.24: Nồng độ dung dịch phụt 96

Bảng 3.25: Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đắp đập 102

Bảng 3.26: Chỉ tiêu cơ lý của đất nền đập 103

Bảng 3.27: Các mực nước dùng trong tính toán 103

Bảng 3.28: Lưu lượng thấm và gradient thấm 104

Bảng 3.29: Kết quả phân tích ổn định mái thượng hạ lưu mặt cắt N3 107

1

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Biến đổi khí hậu trái đất là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo Biến đổi khí hậu (BĐKH) là một trong những thách thức

lớn nhất đối với nhân loại trong thế kỷ 21 Biến đổi khí hậu sẽ tác động nghiêm

trọng đến sản xuất, đời sống và môi trường trên phạm vi toàn thế giới Nhiệt độ tăng, mực nước biển dâng gây ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nước, ảnh hưởng đến nông nghiệp, gây rủi ro lớn đối với công nghiệp và các hệ thống kinh tế - xã hội trong tương lai

(a) Môi trường trước đây (b) Môi trường hiện nay

(c) Ngập lụt do triều cường (d) Lúa chết do nhiễm mặn

Tác động nặng nề của biến đổi khí hậu tại Việt Nam

Ở Việt Nam trong khoảng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm đã tăng khoảng 0,5 - 0,7oC, mực nước biển đã dâng khoảng 20cm[7] Biến đổi khí hậu làm

2

xuất hiện nhiều biểu hiện bất thường của thời tiết như thiên tai, đặc biệt là bão, lũ,

hạn hán ngày càng gia tăng về số lượng, cường độ và mức độ ảnh hưởng Thủy lợi

là một trong những lĩnh vực chịu tác động mạnh mẽ nhất của biến đổi khí hậu được

thể hiện rõ nhất về lượng nước, mùa khô nước ít hơn nhưng mùa mưa nước đến nhiều hơn, trong khi đó cùng với quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá thì nhu

cầu dùng nước gia tăng đột biến, nhiều hệ thống thuỷ lợi không đáp ứng được yêu

cầu tiêu, yêu cầu cấp nước

Nhận thức rõ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, Chính phủ Việt Nam đã phê duyệt Chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu Một trong

những nội dung quan trọng của Chương trình là xây dựng và cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu để phù hợp với từng lĩnh vực phát triển trong xã hội Đây là định hướng

để các Bộ, ngành, địa phương đánh giá tác động của biến đổi khí hậu, xây dựng và triển khai kế hoạch hành động ứng phó, trong đó có vấn đề về an toàn hồ đập

An toàn của các hồ chứa bị đe doạ do có sự phân bố lại lượng nước mưa theo không gian và thời gian đã có nhiều thay đổi so với thiết kế ban đầu (bởi các hồ

chứa được xây dựng cách đây đã lâu), đó là hiện tượng những vùng thì mưa rất lớn, vùng ít mưa; thời gian mưa tập trung ngắn, hạn hán kéo dài; xuất hiện nhiều hơn,

phức tạp hơn, cường độ mạnh hơn, nhiều lúc xuất hiện trường hợp vượt mức thiết

kế ban đầu

Nước là tài nguyên quý giá vô cùng quan trọng đối với con người Nước cần cho sản xuất nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và các nghành kinh tế khác Nước còn cần cho phát triển thủy điện và giao thông Nước đóng vai trò quan trọng trong

việc duy trì sự bền vững của môi trường…

Vì vậy một trong những giải phải để sử dụng hiệu quả nguồn nước hiện nay do

biến đổi khí hậu là tăng dung tích hiệu quả hồ chứa để đảm bảo sự phát triển bền

vững của hệ thống đầu mối công trình, phục vụ nhu cầu sử dụng nước sản xuất và sinh hoạt là một vấn đề hết sức quan trọng và đặc biệt có ý nghĩa hiện nay

Nhưng vấn đề đặt ra khi tăng dung tích hiệu quả của hồ chứa làm thay đổi cấp công trình, các chỉ tiêu thiết kế, hệ số an toàn ổn định…ảnh hưởng tới sự làm việc

cầu cấp nước hiện nay, phù hợp với điều kiện của Việt Nam là hết sức cần thiết

Đề tài luận văn: “Giải pháp kỹ thuật chống thấm cho đập đất khi được tôn cao m ở rộng do nhu cầu sử dụng nước và biến đổi khí hậu ” sẽ tập trung nghiên

cứu phương pháp tính toán thấm, những giải pháp chống thấm cho đập khi được nâng cao mở rộng nhằm đảm bảo kinh tế kỹ thuật, mỹ thuật

II M ục đích của đề tài:

- Nghiên cứu các giải pháp chống thấm cho đập đất khi đập được tôn cao mở

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu :

- Đối tương nghiên cứu: đập đất

- Giới hạn khuôn khổ nghiên cứu của luận văn:

Nghiên cứu tổng quan hồ chứa bằng đập đất ở Việt Nam;

Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp tính toán thấm;

Nghiên cứu các giải pháp chống thấm khi nâng cao mở rộng đập đất;

Phân tích điều kiện kỹ thuật để sử lý thấm cho công trình cụ thể;

Kiểm tra đánh giá ổn định tổng thể của công trình

IV Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

4

các tài liệu có liên quan, đo đạc khảo sát thực tế hiện trạng những vị trí đề xuất các

giải pháp, từ đó đề ra phương án cụ thể phù hợp với tình hình điều kiện làm việc

của đập khi nâng cấp mở rộng

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán và các phần mềm ứng dụng

+ Phương pháp chuyên gia

+ Phương pháp phân tích, tổng hợp

IV Kết quả đạt được của luận văn:

Tổng quan về tình hình hồ chứa bằng đập đất hiện nay ở Việt Nam;

Phương pháp tính toán thấm cho đập đất, đặc biệt là phương pháp phần tử

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT Ở VIỆT NAM

1.1 Tổng quan về hồ chứa ở Việt Nam

Hồ chứa nước có một vị trí quan trọng trong điều chỉnh dòng chảy phục vụ các yêu cầu dùng nước khác nhau, mặt khác hồ chứa nước còn là công trình phòng

chống lũ, giảm nhẹ thiên tai Vì vậy, an toàn hồ chứa mang một ý nghĩa đặt biệt,

nhất là hiện nay vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra theo hướng tăng bất

lợi cho an toàn hồ đập

Việt Nam là một trong những nước có nhiều hồ chứa Theo điều tra của dự án UNDP 7/2002 thì Việt Nam có khoảng 10.000 hồ chứa lớn nhỏ, trong đó hồ đập lớn

có khoảng 180 hồ đứng vào hàng thứ 24 trong các nước có số liệu thống kê của ICOLD (Ủy hội Đập lớn Thế giới) Theo con số thống kê của Bộ Nông nghiệp

&PTNT năm 2002 cả nước ta đã có 1967 hồ (dung tích mỗi hồ trên 2.105x103m3);

trong đó có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích 19 tỷ m3 còn lại là 1957 hồ thủy nông

với dung tích 5,84 tỷ m3

Nếu chỉ tính các hồ có dung tích từ 1 triệu m3nước trở lên thì hiện nay có 587 hồ có nhiệm vụ tưới là chính Các hồ chứa phân bố không đều trên phạm vi toàn quốc, trong số 61 tỉnh thì có 41 tỉnh thành có hồ chứa nước Các tỉnh miền Bắc và miền Trung có diện tích tự nhiên chiếm 64,3%, dân số chiếm 60,3% của toàn quốc nhưng số hồ chiếm tới 88,2% số hồ của toàn quốc Các hồ được xây dựng trong từng thời kỳ phát triển của đất nước, số hồ xây dựng từ năm

1960 trở về trước chiếm khoảng 6%, từ 1960 đến 1975 chiếm 44% và từ 1975 đến nay chiếm 50%.[13]

Bảng 1.1: So sánh trữ lượng nước Miền Bắc và Miền Trung so với toàn quốc

6

Hình 1.1: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc (dung tích >200000m3)

Hiện nay đập vật liệu địa phương đóng vai trò chủ yếu, tương đối đa dạng và được đắp bằng vật liệu khác nhau, chủ yếu là đập đất

Bảng 1.2: Thống kê một số đập đất lớn ở Việt Nam

7

Vai trò h ồ chứa nước:

Tài nguyên nước luôn biến động theo thời gian, không gian và trong quản lý khai thác nó luôn tồn tại hai mặt: mặt lợi và gây hại Để hạn chế tối đa tính gây hại

8

và phát huy mặt lợi của tài nguyên nước không chỉ cần giải pháp hợp lý mà còn cần

một chế độ quản lý, kiểm soát quá trình hoạt động của nước Vì thế cần thiết lập và

sử dụng “Quy hoạch quản lý khai thác trong suốt quá trình hoạt động của tài nguyên nước” cho hoạt động của con người

Việt Nam là nước có nhiều tiềm năng về nguồn nước Tuy nhiên nguồn nước

bị chi phối mạnh mẽ bởi các yếu tố khí hậu nhiệt đới gió mùa cũng như địa hình

phức tạp, bị chia cắt nhiều nên sự phân bố của nó rất không đồng đều theo không gian và thời gian Sự phân bố mưa không đồng đều trên lãnh thổ dẫn đến tình trạng nơi này có nguồn nước dồi dào, mật độ sông suối lớn, nơi khác lại khan hiếm nguồn nước, đất đai khô cằn Hàng năm dòng chảy trong các sông suối của nước ta tập trung chủ yếu vào các mùa mưa, một số sông suối trong mùa khô nguồn nước hầu như không có Chính sự phân bố không đồng đều của nguồn nước là nguyên nhân gây khó khăn, làm phát sinh mâu thuẫn giữa tiềm năng nguồn nước và nhu cầu sử

dụng nó để phát triển sản xuất và đời sống của con người

Để giải quyết mâu thuẫn này, ngay từ thời tiền sử con người đã biết dùng biện pháp công trình thủy lợi để chế ngự khai thác nguồn nước phục vụ lợi ích của mình

Ở Việt Nam công tác thủy lợi trong sự nghiệp chinh phục các dòng sông phục vụ

nền kinh tế quốc phòng toàn dân luôn được coi trọng và đánh giá cao Trong hệ

thống công trình thủy lợi, hồ chứa nước được coi là bộ phận chủ yếu nhất vì chúng

có khả năng điều tiết dòng chảy cả theo thời gian và không gian, là một trong những

giải pháp hiệu quả nhất, nhằm giảm tối đa tính gây hại và nâng cao đáng kể lợi ích

của tài nguyên nước trong nhiệm vụ khai thác tài nguyên này phục vụ kinh tế xã

hội Bởi vậy không chỉ ở Việt Nam mà hầu hết các nước trên thế giới, hồ chứa nước được xem là một giải pháp chủ yếu trong khoa học thủy lợi

Hồ chứa vừa và lớn không chỉ với nhiệm vụ cấp nước cho sản xuất nông nghiệp, phát điện, thủy sản, du lịch… mà còn có vai trò quan trọng trong phòng

chống lũ, góp phần đáng kể trong việc giảm tác hại của thiên tai hàng năm Việc sử

dụng vận hành liên hồ chứa có tác dụng rất lớn trong việc điều tiết nguồn nước đặc

biệt về mùa khô nhằm đảm bảo an sinh xã hội

9

1.2 Thực trạng làm việc của đập đất ở Việt Nam

Đập thường chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của các

hồ chứa hoặc các công trình đập dâng Ở nước ta, đập đất được xây dựng rất phổ

biến do đặc điểm an toàn, kinh tế và đảm bảo vệ sinh môi trường 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…

Hiện nay nước ta đã xây dựng và đưa vào khai thác trên 6648 hồ chứa các

loại, với tổng dung tích theo thiết kế là 49,88 tỷ m3 nước Trong tổng số 2198 hồ

chứa có dung tích lớn hơn 200 nghìn m3 nước, nhiều hồ có dung tích từ vài chục đến vài trăm triệu m3 nước Hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước tưới phục vụ cho sản

xuất trong mùa khô, cấp nước sinh hoạt cho con người và vật nuôi, điều tiết lũ để phòng, tránh, giảm nhẹ thiên tai, đảm bảo an toàn tính mạng và tài sản nhân dân vùng hạ lưu, cải tạo môi trường sinh thái Các hồ chứa phân bố không đều trên phạm vi toàn quốc, tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Bắc và miền Trung Việt Nam

Đa số các đập đất được xây dựng từ những năm 60-80 (Các đập được xây

dựng thời kỳ trước năm 1960 khoảng 6%, từ 1960 đến 1975 khoảng 44%, từ 1975 đến nay khoảng 50% - Theo chiều cao đập có khoảng 20% số đập là cấp ba, hơn 70% đập là cấp bốn và cấp năm, còn lại khoảng 10% là đập từ cấp hai trở lên) của

thế kỷ trước bằng đất pha tàn tích sườn đồi, đất Bazan, đất ven biển miền Trung; đến nay do thời gian sử dụng lâu năm và tác động của thời tiết nên các công trình đã

bị xuống cấp nghiêm trọng Hiện nay có khoảng 1200 hồ chứa bằng đập đất đã đến thời kỳ xuống cấp, đồng thời do biến đổi khí hậu làm thay đổi chế độ thủy văn dòng

chảy nên cần phải được tu bổ nâng cấp sửa chữa (Bô ̣Nông nghiệp và PTNT) Phân tích 100 hồ chứa đã có dự án sửa chữa cải tạo hoặc nâng cấp thì 71 hồ có hiện tượng

hư hỏng ở đập.[12]

Các hư hỏng ở đập thường xảy ra là:

+ Do thấm gây ra như thấm mạnh, sủi bọt nước ở nền đập: như Đồng Mô- Hà Tây, Suối Gai- Sông Bé, Vân Trục- Vĩnh Phúc Thấm mạnh, sủi bọt ở vai đập như Khe Chè- Quảng Ninh, Ba Khoang- Lai Châu, Sông Mây- Đồng Nai Thấm mạnh

đổ tại chỗ Số đập có hư hỏng kết cấu bảo vệ mái chiếm 35,4%

+ Các hư hỏng khác như sạt mái, lún không đều, nứt, tổ mối, chiếm khoảng 35,4%

Hư hỏng của đập đất chủ yếu do dòng thấm gây ra, những hư hỏng này dễ dẫn

tới nguy cơ sự cố vỡ đập, ảnh hưởng tới kinh tế xã hội Chính vì vậy cần có kế

hoạch sửa chữa, nâng cấp các đập đất không chỉ đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế

mà còn thích ứng với điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay

1.3 Vai trò của nước và sự cần thiết để nâng cấp hồ chứa

1.3.1. Sự cần thiết nâng cấp hồ chứa

Nước là một yếu tố sinh thái không thể thiếu đối với sự sống và là nguồn tài nguyên có khả năng tự tái tạo vô cùng quý giá đối với con người Nguồn nước quyết định ít nhiều đến sự phát triển của mỗi quốc gia, mỗi dân tộc

Nước là mắt xích đầu tiên của chuỗi dài dinh dưỡng chủ yếu của sự sống sinh

vật, do đó ảnh hưởng của nước đến sức khỏe là rất lớn

Tài nguyên nước là nguồn tài nguyên mà con người sử dụng cho sự phát triển

xã hội hoặc có thể sử dụng vào những mục đích khác nhau Nước được dùng trong các hoạt động nông nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và môi trường

Trong phát triển nông nghiệp, nước đóng vai trò quan trọng nhất, quyết định đến năng suất cây trồng và vật nuôi Đặc biệt đối với các quốc gia nghèo, nơi sản

xuất nông nghiệp đóng vai trò chủ đạo trong nền kinh tế quốc dân thì nước lại càng

11

Trong sinh hoạt hàng ngày, nước sạch là một nhu cầu cấp thiết của sự sống Thiếu nước sẽ ảnh hưởng xấu đến chất lượng cuộc sống và là nguyên nhân phát triển nhiều căn bệnh nguy hiểm

Nước còn là môi trường sống của nhiều loại sinh vật từ thực vật, động vật đến

vi sinh vật

Nước còn được xem là nguồn khoáng sản và năng lượng to lớn của nhân loại Đây là một nguồn tài nguyên cần được con người khai thác và sử dụng hợp lý

1.3.2. Vai trò của nước

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, có lượng mưa bình quân hàng năm lớn (1800 – 2000 mm) và có một hệ thống sông ngòi chằng chịt, tạo nên nguồn nước rất phong phú Nếu tính các sông có độ dài trên 10km thì có tới 2500 con sông, với tổng chiều dài lên tới 52000 km Trong đó hai hệ thống sông lớn nhất của

cả nước là sông Hồng và sông Cửu Long đã tạo nên hai vùng đất trù phú nhất cho phát triển nông nghiệp Việt Nam Bên cạnh đó, hệ thống sông ngòi ở miền Trung cũng rất phong phú, tạo nên các đồng bằng ven biển, tuy nhỏ hẹp nhưng rất quan

trọng trong việc phát triển nông nghiệp khu vực miền Trung

Tuy nhiên, do lượng mưa phân bố không đều giữa các tháng trong năm; tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mưa, từ tháng 4-5 đến tháng 9-10, trừ vùng duyên

hải miền Trung, mùa mưa đến muộn và kết thúc muộn 2-3 tháng nên thường gây ra úng lụt trong mùa mưa và khô hạn trong mùa khô đặc biệt ở các tỉnh miền Trung, nơi có địa hình dốc và hệ thống sông ngòi ngắn Hơn thế nữa, phía thượng nguồn cũng xây dựng các hồ chứa nước thuộc nước bạn làm ảnh hưởng đến nguồn nước

chảy vào lãnh thổ nước ta, đặc biệt vào mùa khô

Trong khi đó lượng nước cần với lượng mưa mùa kiệt mức độ sử dụng ở Bắc

Bộ là 79,6%, ở Bắc Trung Bộ là 46,5%, ở Nam Trung Bộ là 98,7%, ở Tây Nguyên

là 97%, ở Đông Nam Bộ là 72%, ở đồng bằng sông Cửu Long là 34,7% Đặc biệt là tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy năm rất khác nhau giữa các vùng/ hệ thống sông trên lãnh thổ Việt Nam Theo kịch bản biến đổi khí hậu trung bình B2, dòng chảy năm trên các sông ở Bắc Bộ, phần phía bắc của Bắc Trung Bộ có xu

12

hướng tăng phổ biến dưới 2% vào thời kỳ 2040-2059 và lên tới 2% đến 4% vào thời

kỳ 2080–2099 Trái lại, từ phần phía nam Bắc Trung Bộ đến phần phía bắc của Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ (hệ thống sông Đồng Nai), dòng chảy năm lại có

xu thế giảm, thường dưới 2% ở sông Thu Bồn, Ngàn Sâu, nhưng giảm mạnh ở hệ thống sông Đồng Nai, sông Bé từ 4% đến 7% vào thời kỳ 2040-2059 và 7% đến 9% vào thời kỳ 2080–2099 Biến đổi khí hậu có xu hướng làm suy giảm dòng chảy mùa cạn, so với hiện tại dòng chảy mùa cạn phổ biến giảm từ 2% đến 9% vào thời kỳ 2040-2059 và từ 4% đến 12% vào thời kỳ 2080–2099.[8]

Vì vậy để thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội thì một số

giải pháp cần lập:

+ Lập quy hoạch phát triển bền vững tài nguyên nước các lưu vực sông, các vùng trên cơ sở gắn kết với quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội của cả nước Trước tiên rà soát, xây dựng các hồ thuỷ lợi, thuỷ điện; hệ thống đê điều…có tính đến biến đổi khí hậu

+ Củng cố, nâng cấp, hoàn thiện và xây dựng bổ xung các hệ thống công trình khai thác, sử dụng các nguồn nước như: đập dâng, hồ chứa thuỷ lợi và thuỷ điện, hệ thống kênh mương tưới tiêu, giếng lấy nước ngầm, bể chứa…nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên nước của các công trình và đảm bảo vận hành an toàn Như vậy để có trữ lượng nước dồi dào thì giải pháp hiệu quả nhất đối với sử

dụng nguồn nước là nâng cấp và tôn cao các hồ chứa đảm bảo yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội

1.4 Các giải pháp nâng cao hiệu quả làm việc của hồ chứa

1.4.2. Giải pháp quản lý khai thác

Lập và thực hiện kế hoạch phân phối tài nguyên nước một cách khoa học, hợp

lý trên hệ thống Cần kiểm tra rà soát thống kê các loại diện tích được cấp nước để

lập kế hoạch dùng nước cụ thể chính xác hơn Thực hiện theo dõi và đánh giá hiệu

quả tưới tiêu và cấp thoát nước thường xuyên qua các năm khai thác công trình thủy

lợi Các cấp kênh nội đồng đã giao cho địa phương trực tiếp quản lý cần có các cán

bộ có chuyên môn Việc điều hành quản lý hồ chứa cần chặt chẽ, cần lập và thực

1.4.3.1. Củng cố, cụ thể hóa các cơ chế chính sách hiện tại

Rà soát lại hệ thống cơ chế chính sách đang được áp dụng tại hệ thống thủy lợi

để tìm ra những mâu thuẫn, bất cập từ đó có cơ sở để hoàn thiện, đổi mới cơ chế Chính sách mới ban hành cần được tham khảo từ các địa phương và cần lấy ý kiến

từ đơn vị quản lý, tổ chức, cá nhân dùng nước trước khi ban hành Việc cụ thể hóa các chủ trương, chính sách của Nhà nước về quản lý hệ thống thủy nông cần căn cứ vào tình hình thực tế để có những văn bản hướng dẫn đi kèm khi triển khai thực

hiện

Ở cấp Trung ương : Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (Bộ NN&PTNT)

là cơ quan giúp Chính phủ thực hiện chức năng quản lý nhà nước về an toàn các đập thuộc Bộ quản lý trên phạm vi toàn quốc Tổng Cục Thủy lợi (trước đây là Cục

Thủy lợi) là cơ quan trực tiếp tham mưu giúp Bộ NN&PTNT thực hiện chức năng

năng nói trên Hiện nay trong cơ cấu tổ chức bộ máy của Tổng Cục có “Tổ An toàn đập “ là bộ phận chuyên trách về An toàn đập, thuộc Tổng Cục Thủy lợi tham mưu

giúp Bộ NN&PTNT thực hiện chức năng quản lý nhà nước về An toàn đập

Đối với hồ có quy mô lớn, tưới và cấp nước cho nhiều tỉnh, thành phố; Bộ NN&PTNT quyết định thành lập Công ty TNHHNN một thành viên để quản lý khai thác, bảo vệ hồ Đây là đơn vị quản lý trực thuộc Bộ NN&PTNT

Ở cấp Địa phương: UBND Tỉnh thực hiện chức năng quản lý nhà nước về an

toàn các đập thuộc địa bàn Tỉnh Sở NN&PTNT là cơ quan tham mưu giúp UBND

tỉnh thực hiện chức năng quản lý nhà nước về An toàn đập thuộc địa bàn tỉnh Ở các

Tỉnh, Thành phố có đập Sở NN&PTNT hầu hết đều có Chi Cục Thủy lợi là cơ quan giúp Sở tham mưu UBND tỉnh thực hiện chức năng quản lý Nhà nước về An toàn

14

đập Tùy theo tình hình cụ thể của từng tỉnh thành phố Chi Cục Thủy lợi bố trí các

bộ phận chuyên trách về an toàn đập hoặc lồng ghép với bộ phận quản lý công trình nói chung

1.4.2.2 Nâng cao năng lực của đội ngũ thực thi cơ chế chính sách tại địa phương

Tổ chức các lớp tập huấn nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng của đội ngũ cán bộ quản lý tại cơ sở, phát triển tổ chức PIM (quản lý thủy nông có sự tham gia

của người dân) Đây là đội ngũ trực tiếp làm việc với các hộ dùng nước, sự nắm

vững cơ chế chính sách của họ sẽ góp phần vào việc tuyên truyền, vận động người dân hiểu rõ và thực hiện tốt các cơ chế chính sách

1.4.4. Giải pháp về điều kiện tự nhiên kinh tế - xã hội

1.4.3.1.Gi ải pháp điều kiện tự nhiên

Ngăn chặn sự chặt phá rừng đầu nguồn để hạn chế suy thoái bề mặt lưu vực làm cho lượng nước mưa thấm xuống đất được giữ lại nhiều hơn trên lưu vực, tăng lưu lượng mùa kiệt về hồ chứa đồng thời giảm sự thiệt hại do lũ quét

1.4.3.2.Gi ải pháp điều kiện kinh tế - xã hội

Hạn chế việc phát triển các khu công nghiệp trên diện tích đất nông lâm nghiệp để diện tích rừng không bị ảnh hưởng, đồng thời tăng diện tích phát triển

rừng bằng cách giao khoán cho các hộ gia đình không chỉ đảm bảo về mặt mở rộng

diện tích rừng mà còn phát triển kinh tế rừng một cách có hiệu quả

1.5 Kết luận chương 1

Qua tình hình tổng quan chung thấy rằng nước ta có số lượng hồ đập khá lớn,

hầu hết các đập của nước ta là đập đất, xây dựng đã lâu nhưng các công trình này làm việc đã xuống cấp nghiêm trọng, đặc biệt là các hồ chứa vừa và nhỏ

Hơn nữa, nước ta có nguồn tài nguyên nước khá dồi dào nhưng phân bố không đều về không gian và thời gian, mùa lũ thì lưu lượng rất lớn nhưng mùa cạn thì rất ít nên giải pháp sử dụng và kiểm soát nguồn tài nguyên nước là xây dựng hồ chứa đã được ứng dụng Hiện nay do sự phát triển kinh tế xã hội, đồng thời biến đổi khí hậu đang diễn ra rất mạnh mẽ làm cho tài nguyên nước ngày càng cạn kiệt nên để tăng

15

hiệu quả sử dụng tài nguyên nước thì giải pháp gia cố nâng cấp tôn cao các hồ chứa

hiện có là một trong các giải pháp hiệu quả nhất

Tuy nhiên để hồ chứa làm việc hiệu quả, an toàn cần có những giải pháp hiệu

quả về cơ chế chính sách và đào tạo nhân lực nhằm phát huy làm việc tối đa của

mỗi hồ chứa và của liên hồ

Như vậy, có thể nói việc nâng cấp hồ chứa trong điều kiện hiện này là cần thiết để sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên nước phục vụ phát triển kinh tế xã

hội và thích ứng với biến đổi khí hậu Sự phân tích, đánh giá và tổng quan đập đất ở nước ta có ý nghĩa quan trọng và là tiền đề cho việc nghiên cứu, đề xuất các giải pháp xử lý thấm cho nền khi đập đất được mở rộng tôn cao

1.6 Những vấn đề nghiên cứu của luận văn

Trên cơ sở phân tích vai trò quan trọng của nước, nhu cầu dùng nước và biến đổi trong thời kỳ hiện nay nên việc nâng cấp tôn cao mở rộng hồ chứa là cần thiết không chỉ đảm bảo phát triển kinh tế xã hội mà còn đảm bảo an toàn hồ chứa Trong

phạm vi luận văn này, tác giả tập trung đi sâu vào nghiên cứu một số nội dung sau đây:

+ Nghiên cứu các phương pháp chống thấm cho đập đất;

+ Nghiên cứu và lựa chọn giải pháp kỹ thuật chống thấm cho đập khi được tôn cao mở rộng trong các điều kiện khác nhau;

+ Nghiên cứu ứng dụng giải pháp chống thấm cho công trình thực tế khi được tôn cao mở rộng

16

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ CÁC GIẢI

PHÁP CHỐNG THẤM KHI NÂNG CẤP ĐẬP 2.7 Sự hình thành dòng thấm

2.7.1. Ý nghĩa việc nghiên cứu thấm

Dòng thấm luôn hình thành trong môi trường lỗ rỗng khi có sự chênh lệch

mực nước, dòng thấm mạnh hay yếu phụ thuộc vào các yếu tố như: môi trường

thấm, cột nước thấm Đánh giá thấm được xem xét thông qua ảnh hưởng của nó tới

ổn định và hiệu quả làm việc của công trình

Đối với công trình thủy lợi, mục đích xây dựng đập nhằm tạo đầu nước vùng thượng lưu của hồ chứa, nhưng lại tạo ra chênh lệch cột nước giữa thượng lưu và hạ lưu nên vấn đề thấm cần kiểm toán tỷ mỉ Đối với đập đất, nếu không kiểm soát được dòng thấm có thể gây ra một số hư hỏng:

- Các hạt đất dịch chuyển cùng dòng thấm, dẫn đến hiện tượng xói ngầm, hình thành hang thấm tập trung trong thân và nền đập

- Làm bão hòa, tạo ra áp lực đẩy ngược, lực thấm nên các công trình bảo vệ đập

Như vậy nghiên cứu thấm là tìm ra quy luật chuyển động của dòng thấm, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước các bộ phận công trình là biên dòng thấm, địa chất

nền công trình; xác định các đặc trưng phân bố áp lực thấm lên bộ phận công trình, phân bố gradient thấm trong miền thấm và trị số lưu lượng thấm Trên cơ sở này, thiết kế bộ phận chống thấm, đảm bảo điều kiện làm việc an toàn của công trình và tính kinh tế của phương án [16]

17

Chuyển động chậm của nước qua đất thường được gọi là thấm và sự chuyển động đó cứ liên tục sẽ tạo thành dòng thấm trong lòng đất

Dòng thấm trong môi trường đập vật liệu địa phương được chia:

+ Dòng thấm ổn định qua thân đập đất đồng chất và nền đất (hình 2.1a) hoặc qua thiết bị chống thấm (ví dụ như tường lõi) của đập đất đá (hình 2.1b), được xác định bởi biên cố định (3) và (4) (không thay đổi theo thời gian)

Hình 2.1: Dòng thấm ổn định qua đập đất đồng chất (a), và qua tường

ngột từ vị trí (I) xuống vị trí (II) (hình 2.2), khi đó nước bắt đầu thoát ra từ trong lỗ

rỗng của các vật liệu ít thấm nước, đường bão hoà sẽ thay đổi theo thời gian Trong

lớp vật liệu thấm nước (2) thực tế nước sẽ rút đồng thời với mực nước rút trong hồ

chứa

Hình 2.2: Dòng thấm không ổn định khi mực nước rút xuống đột ngột

(1) vật liệu ít thấm nước; (2) vật liệu thấm nước; (3) đường bão hoà ban đầu, thay đổi theo

thời gian

18

c Dòng thấm không ổn định trong trường hợp môi trường thấm thay đổi theo

thời gian Môi trường thấm có thể thay đổi theo thời gian do sự nén chặt của đất sét dưới ảnh hưởng của lực hoặc do sự làm chặt của đất cát rời sau khi chúng được xáo

trộn, ví dụ như do một vài tải trọng động

Dòng thấm ổn định hoặc không ổn định được tính toán xác định thông qua các

phương trình vi phân tổng quát về thấm:

mw : Hệ số góc đường cong lượng chứa nước với áp lực lỗ rỗng;

γw : Trọng lượng đơn vị của nước

Chuyển động dòng thấm chính là chuyển động của các dòng nước trong đất có

chứa các lỗ rỗng, phụ thuộc vào đất nền và chênh lệch cột nước thượng hạ lưu Quy luật cơ bản về sự chuyển động của dòng thấm biểu thị định luật Darcy:

h k Vx

Với φ = -k.h hàm thế, trong đó φ và h là những hàm điều hòa

Thông thường trong tính toán thấm cho bài toán 2 chiều:

Phương trình liên tục của bài toán phẳng :

y

h x

h y

Vy x

2.8.3. Tính thấm qua đập đất theo phương pháp thủy lực

Phương pháp thủy lực cho kết quả tính toán là những đặc trưng trung bình của dòng thấm

Ưu điểm: Có thể giải được những trường hợp phức tạp trong thực tế Mặt khác, độ chính xác đáp ứng đuợc yêu cầu kỹ thuật, nên được áp dụng rộng rãi Nhược điểm: Do phải dựa vào một số tiên đề, giả thiết nhất định Nên phương pháp này kém chính xác

20

2.8.4. Tính thấm qua đập đất theo phương pháp cơ học chất lỏng

Phương pháp này dùng toán học làm công cụ để xác định những đặc trưng của dòng thấm như lưu lượng, lưu tốc, gradient, áp lực, đường bão hòa tại bất kỳ một

vị trí nào trong môi trường thấm Do khi tính toán không đưa nhiều vào những giả thiết cho nên phương pháp cơ học chất lỏng cho kết quả chính xác

Ưu điểm: Phương pháp cơ học chất lỏng chủ yếu có tầm quan trọng về mặt lý thuyết, trên cơ sở đó người ta có thể đưa ra các giải quyết gần đúng Ứng dụng

những lời giải của cơ học chất lỏng ta có thể lập được những biểu đồ tính toán để dùng trong thực tế

Nhược điểm: Phương pháp này chỉ sử dụng được trong trường hợp bài toán có

sơ đồ đơn giản Khi gặp những sơ đồ phức tạp (điều kiện ban đầu và điều kiện biên

phức tạp) thì cách giải này gặp nhiều khó khăn về mặt toán học và trong nhiều trường hợp gần như bế tắc Do vậy trong thực tế thiết kế tính toán thấm, phương pháp này ứng dụng rất hạn chế

2.8.5. Tính thấm qua đập đất theo phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm là dùng mô hình để xác định những đặc trưng của dòng thấm Phương pháp này bao gồm những loại chính sau:

- Thí nghiệm bằng máng kính: Việc thí nghiệm được tiến hành trên mô hình trong máng kính để xác định lưu lượng, áp lực, đường bão hòa

- Thí nghiệm khe hẹp: Dựa vào sự tương tự giữa chuyển động của chất lỏng có

độ nhớt lớn (các loại dầu nhờn) trong khe hẹp vơi sự chuyển động của nước trong môi trường rỗng (chảy tầng) mà xác định những đặc trưng dòng thấm trên cơ sở đo đạc những đặc trưng của dòng chảy của dầu trong khe hẹp

- Phương pháp tương tự điện – thủy động (EGDA): Dùng tính tương tự giữa dòng điện và dòng thấm để giải quyết những bài toán thấm trên mô hình dòng điện

Ưu điểm: Được ứng dụng rộng rãi vì khá tiện lợi, có thể giải quyết được

những sơ đồ thấm phức tạp

Nhược điểm: Giá thành thí nghiệm cao, kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào điều

kiện thí nghiệm cũng như chủ quan của người làm thí nghiệm

21

2.8.6. Tính thấm qua đập đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng sự gần đúng về mặt vật lý của môi trường Việc giải bài toán chính xác trong môi trường liên tục được xấp xỉ bằng tập hợp hữu hạn các phần tử liên kết với nhau ở các điểm nút Theo phương pháp này, miền thấm được chia thành những miền con gọi là các phần tử Các phần tử thường được sử dụng trong bài toán phẳng là phần tử tam giác và phần tử tứ giác Trong miền thấm, các phần tử có kích thước và hình dạng khác nhau để phù hợp với các điều kiện biên hình học và tính chất của dòng thấm tại các khu vực khác nhau (khu vực có cường độ thấm mạnh thì chia thành các phần tử có kích thước nhỏ và ngược lại) Giá trị cột nước thấm tại một vị trí bất kỳ ở trong phần tử được xác định

dựa vào giá trị cột nước tại các điểm nút của phần tử

2.8.6.1. Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH

+ Chia miền tính toán thành nhiều 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

của các phần tử, cũng có thể là một số điểm đuợc quy ước trên cạnh của phần tử 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 nước áp lực dưới đập, gradient thấm và tổng lưu lượng dòng thấm Ở đây cột nuớc áp lực được xem là hàm chưa biết H Mặt trơn của hàm H được xấp xỉ bằng một bộ các mảnh mặt

phẳng tam giác dạng i’, j’, k’ như hình II-15 xác định trên miền con tam giác i, j, k thuộc miền nghiên cứu trong mặt phẳng xy

Vị trí mặt phẳng trong không gian được xác định đơn trị bằng 3 điểm không

nằm trên một đường thẳng Hiển nhiên là để xấp xỉ hàm trơn H bằng các mảnh mặt

phẳng thì các PTHH i, j, k phải là phần tử tam giác

22

Hình 2.3: Minh họa hàm xấp xỉ H của phần tử

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 dày 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 là đảm bảo đưa ra bài toán tích phân phương trình vi phân song điều hòa về phép giải hệ thống các phương trình đại số tuyến tính, trong đó giá trị cột áp tại các nút phần tử hiện diện như là các ẩn

số

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

L

H K V

Cơ sở của phương pháp PTHH để giải bài toán thấm dựa trên nguyên lý biến phân mà phiến hàm được chọn là:

H K L

2 2

2

1

(2.9) Trong đó Kx, Ky lần lượt là các hệ số thấm theo phương x,y

+ 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 của hàm xấp xỉ phải 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 của bài toán thấm đuợc chọn phải được đảm bảo tuân theo định luật Darcy Song để thỏa 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

+ Dựa vào phương trình cơ bản của bài toán nghiên cứu để tìm các đại lượng khác Đối với bài toán sử dụng định luật Darcy để tìm trường lưu tốc thấm, trường gradien thấm, lưu lượng thấm, vv

2.8.6.2. Giải bài toán thấm bằng phương pháp PTHH

Do đặc thù của đập đất thường có chiều dài lớn so với chiều cao Do vậy việc nghiên cứu bài toán thấm trong phạm vi luận văn chỉ dừng lại ở mô hình bài toán

phẳng, thấm ổn định Lúc đầu có thể cắt một đoạn đập dài bằng đơn vị để nghiên

j j

i i e

y x

y x

y x M

1;α ;αα

α =

T : Véc tơ chuyển trí;

Giải hệ phương trình tuyến tính đối với véc tơ α :

e e e

M 1 =

= −αTrong đó :

k j i

k j i e

c c c

b b b

a a a

j k i

jk i

y k k j i

x S c

y S b

y x y x S a

2 1

2 1

)

( 2 1

jk j

j k k j j

x S c

y S b

y x y x S a

2 1

2 1

)

.(

2 1

jk k

k k k j k

x S c

y S b

y x y x S a

2 1

2 1

)

.(

2 1

=

++

=

++

=

y c x b a c

y c x b a N

y c x b a N

k k k j

j j j j

i i i i

k j i

e e

k j i

H c H c c c x H

H b H b b b x H

L L

1

(2.15)

n : Số phần tử trong miền xét

K K

F F

23 22 21

13 12 11

k k k

k k k

k k k

F F

21

)(

21

)(

21

)(

21

)(

21

).(

21

2 23 2

23 33

23 32

13 31

21 31 12

31 23

2 13 2

31 22

12 21

12 32 12

23 13

21 32 31

23 12

2 23 2

23 11

x k y k S K

K K

K K

x x k y y k S K

x k y k S K

K K

x x k y y k S K

x x k y y k S K

x k y k S K

y x

y x

y x

y x

y x

y x

(2.18)

27

Véc tơ Fe chỉ được xác định các nút trên biên

Điều kiện biên: Các điều kiện biên trong bài toán thấm không áp

Biên S1: H H1

IAB = Biên S2: H H2

n

H k

Biên S5: H Z (x)

BCD =Điều kiện trên biên (S1), (S2) xử lý như kiểu gán 0 hoặc vô cùng lớn như đã trình bày ở trên Riêng biên BC: Đường bão hòa cần thõa mãn điều kiện (S4) và (S5) Điều kiện (S4) đã tự thõa mãn trong quá trình thiết lập hệ phương trình cơ bản bài toán Còn điều kiện (S5) chưa thể xác định được vì đường bão hòa chưa xác định, nó còn là một ẩn số cần tìm Trong tính toán phải dùng phương pháp lặp để xác định đường này Trình tự tiến hành như sau:

+ Đầu tiên xác định đường bão hòa thấm bằng một phương pháp đơn giản nào

đó hoặc tự giả thiết Như vậy ta tạm thời xác định được miền tính toán Tiếp tục rời

rạc hóa miền tính toán này bằng lưới các phần tử Giải bài toán với lưới phần tử này xác định véc tơ H tại các điểm nút của các phần tử Kiểm tra điều kiện biên (S5)

bằng cách so sánh giá trị Hi tại các điểm nút trên đuờng bão hòa, với tọa độ Zi của điểm đó Nếu chúng thõa mãn điều kiện biên (S5) với sai số cho trước là được, tức là:

Nếu chưa thõa mãn yêu cầu trên ta lại giả thiết lại đuờng bão hòa thấm và lặp

lại quá trình trên cho đến khi thỏa mãn

Sau khi xác định đuợc vị trí đường bão hòa, có thể xác định được các thông số

của dòng thấm như gradien thấm, lưu lượng thấm Gọi Jx, Jy là gradien dòng thấm theo phương x và y ta có:

Với: - n: Phương pháp tuyến tại tiết diện đang xét

- Jn: Gradient thấm tại tiết diện đang xét theo phương n

2.9 Các giải pháp chống thấm cho đập đất

Do những tác hại của dòng thấm có thể gây ra những tổn thất to lớn nên khi nâng cấp tôn cao đập đất cần phải nghiên cứu kỹ bài toán thấm và đề ra các biện pháp làm giảm tác hại do dòng thấm gây ra

Chống thấm trong thân đập có nhiệm vụ:

+ Hạ thấp đường bão hòa trong thân đập để nâng cao độ ổn định;

+ Giảm gradient thấm trong thân đập và vùng cửa ra, đề phòng các hiện tượng

biến dạng của đất do tác dụng của dòng thấm làm phát sinh thấm tập trung trong thân đập, nền đập, trong phần đất tự nhiên tiếp giáp hai vai đập và hạ lưu, dẫn đến phá vỡ công trình và nền;

+ Giảm lưu lượng thấm qua thân và nền đập, bờ vai đập nằm trong phạm vi cho phép

Chống thấm cho đập bao gồm 2 loại: Ngăn cản dòng thấm và cho nước thoát

ra hạ lưu

+ Biện pháp thứ nhất bao hàm việc làm giảm lưu lượng thấm bằng cách tạo ra

một miền có hệ số thấm nhỏ (tường lõi, tường nghiêng) trong đập: Chân khay, phụt

vữa, tường cừ, tường hào hoặc sân phủ chống thấm, thường là các kết cấu được lựa

chọn để xử lý thấm của nền

+ Biện pháp thứ 2 đề cập đến việc làm sao cho dòng thấm đi ra mái hạ lưu được an toàn Yêu cầu đối với biện pháp thứ 2 là tạo nên một hệ thống thoát nước

29

đảm bảo lực thấm không thể làm các hạt đất dịch chuyển Đồng thời độ lớn và phương chiều của lực thấm không đủ gây ra trượt mái, lầy hóa hoặc đùn đất ở nền

2.9.1. Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ

Khi xây dựng đập đất trên nền thấm nước mạnh mà chiều dày tầng nền thấm nước mỏng và vật liệu làm thân đập có hệ số thấm lớn thì hình thức chống thấm hợp

lý nhất là tường nghiêng nối tiếp với sân phủ

Hình 2.5: Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ

+ Chiều dày sân trước: phải đủ để loại trừ hiện tượng xói ngầm do gradient

thấm sân trước gây ra

Trong đó:

∆H : Chênh lệch cột nước giữa hai mặt trên và mặt dưới sân trước;

h1: Cột nước trước đập (cột nước trên tường nghiêng);

h: Cột nước mặt dưới của tường nghiêng (cột nước thay đổi theo từng mặt cắt

của tường nghiêng);

[J]: Gradient thấm cho phép và lấy

Ưu điểm:

- Vật liệu chống thấm chủ yếu bằng đất sét nền sẵn có, giá thành xây dựng

thấp, thiết bị thi công thông dụng nên hiệu quả kinh tế;

- Thi công trên nền cát cuội sỏi có hệ thấm lớn

Nhược điểm:

- Giải pháp chống thấm không triệt để do tính thấm xem tường nghiêng sân

phủ là hoàn toàn không thấm;

- Chỉ thi công ở nơi có địa hình rộng;

- Không thi công được khi nền là đá lăn, đá tảng

Ứng dụng:

- Chống thấm cho các đập đất có nền thấm nước sâu hoặc vô hạn

2.9.2. Giải pháp chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa

Khi đập đất có lõi giữa xây dựng trên nền thấm nước và chiều dày tầng thấm nước không lớn thì biện pháp chống thấm cho nền thường là kéo dài lõi giữa xuống

tận tầng không thấm

Với tường lõi chống thấm bằng đất thì chiều dày tối thiểu đỉnh lõi được chọn theo điều kiện thi công cơ giới, không nhỏ hơn 3m Chiều rộng ở đáy không nhỏ

- Vật liệu chống thấm chủ yếu bằng đất sét nên rất sẵn có, giá thành xây dựng

thấp, thiết bị thi công thông dụng;

- Thi công trên nền có hệ số thấm lớn;

- Chống thấm theo phương pháp này hiệu quả cao

Nhược điểm:

- Chống thấm theo phương pháp này phải thi công các loại đất giữa phần lõi

và nền có tính chất tương tự nhau tránh phân lớp giữa tường lõi và đất nền gây thấm

do phân lớp;

- Thi công địa hình xây dựng rộng;

- Không thi công được khi nền là đá lăn, đá tảng

Ph ạm vi ứng dụng:

- Chống thấm cho các đập đất có nền thấm nước nông

Hình 2.7: Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng chân răng

32

2.9.3. Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite

Tường thi công bằng biện pháp đào hào trong dung dịch bentonite là giải pháp

kết cấu hiệu quả và giải quyết được bài toán thấm đối với nền cát, cuội sỏi, đất có chiều sâu tới 60m

Tường hào chống thấm là loại tường chống thấm được thi công bằng biện pháp chung là đào hào trong dung dịch Bentonite trước, sau đó sử dụng hỗn hợp các

loại vật liệu: Xi măng + Bentonite + Phụ gia, sau thời gian nhất định đông cứng lại

tạo thành tường chống thấm cho thân và nền đập

Hào được thi công trong dung dịch Bentonite- gọi tắt là hào Bentonite là hố móng có mái dốc đứng, hẹp, sâu được thi công trong điều kiện luôn có dung dịch Bentonite Hào thường có chiều rộng 0,6÷1,2m, đáy tường cắm vào sâu vào nền đá

có đới thấm ít 0,5m÷1,0m

Hình 2.8: Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite

Để có thể đào hào rất sâu và duy trì mái dốc thẳng đứng, trong quá trình thi công phải duy trì liên tục hỗn hợp nước và sét Bentonite đầy trong hào giữ cho vách hào luôn được ổn định Sau khi hào được thi công sẽ bơm hỗn hợp vật liệu Xi măng + Bentonite + phụ gia tạo nên tường chống thấm Yêu cầu khả năng chống thấm của tường K< 10-6cm/s, kết cấu mềm phù hợp với biến dạng của đập

Thành phần vật liệu làm tường chống thấm (tính cho 1 vữa) bao gồm:

- Phụ gia chậm đông cứng Sika : 1,5kg

Tính chất của phụ gia chậm đông cứng Sika:

- Thời gian kết thúc ngưng kết : 12 giờ

- Thi công trên nền cát có hệ số thấm lớn, tầng thấm nằm sâu;

- Khi địa hình xây dựng chật hẹp vẫn áp dụng được công nghệ thi công này

Hình 2.9: Thi công tường chống thấm bằng biện pháp đào hào trong

dung dịch bentonite hồ Dầu Tiếng Nhược điểm:

- Máy móc thi công quá cồng kềnh, phức tạp