Nghiên cứu phân tích đánh giá và đề xuất giải pháp khắc phục sự cố hồ chứa nước vực mấu huyện quỳnh lưu – nghệ an

1 MỞ ĐẦU I.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ở nước ta hiện nay có rất nhiều hồ chứa nước vừa và lớn, trong đó các đập trong công trình đầu mối có số lượng lớn nhất là đập vật liệu địa phương.

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

I.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

II.MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2

III Phương pháp nghiên cứu 2

IV Kết quả dự kiến đạt được 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tình hình xây dựng đập vật liệu đia phương ở Việt Nam và Nghệ An 3

1.1.1 Tình hình xây dựng đập vật liệu đia phương ở Việt Nam 3

1.1.2 Tình hình xây dựng đập vật liệu đia phương ở Nghệ An 4

1.2 Các nguy cơ mất an toàn của đập đất do ảnh hưởng của các dòng thấm 6

1.2.1 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập 7

1.2.2 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở vai đập 7

1.2.3 Thấm mạnh hoặc sủi nước mang công trình 7

1.2.4 Thấm mạnh hoặc sủi nước trong phạm vi thân đập 8

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng chống thấm của đập đất 8

1.4 Các kết quả nghiên cứu về thấm và xử lý thấm qua thân đập và ưu nhược điểm 10

1.4.1 Tăng kích thước mặt cắt đập và khối lượng đất đắp đối với đập đất đồng chất 11

1.4.2 Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ 11

1.4.3 Giải pháp tường răng kết hợp lõi giữa 13

1.4.4 Tạo màng chống thấm bằng cách khoan phụt vữa ximăng – Bentonite 14

1.4.5 Sử dụng tường hào chống thấm 15

1.5 Kết luận chương 16

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 17

2.1.Các phương pháp nghiên cứu phân tích thấm 17

2.1.1 Lịch sử phát triển của nghiên cứu thấm 17

2.1.2 Môi trường thấm và nguyên nhân gây ra thấm 18

2.1.3 Các giả thiết cơ bản trong tính thấm 20

2.1.4 Các phương pháp tính thấm 21

2.2 Các phương pháp nghiên cứu ổn định đập đất 26

2.2.1 Lịch sử phát triển 26

2.2.3 Một số phương pháp tính ổn định mái theo phương pháp mặt trượt 29

2.2.4 Phân tích và so sánh kết quả các phương pháp tính ổn định 34

2.3.Các công nghệ hiện đang sử dụng để chống thấm cho đập đất 35

2.3.1 Tường nghiêng, sân phủ bằng đất sét 35

2.3.2 Tường nghiêng bằng các loại vật liệu mới như màng HDPE, thảm bêtông (Concret Matts), thảm sét ĐKT 35

2.3.3 Tường Lõi giữa (bằng đất sét, pha sét hoặc vật liệu khác) 40

2.3.4 Tường hào Bentonite (hoặc ximăng-sét), tường hào chống thấm màng địa kỹ thuật (Geolock) 40

2.3.5 Chống thấm bằng cừ BTCT ứng suất trước; cừ bản nhựa (Vinyl sheet piling) 42

2.3.6 Chống thấm bằng khoan phụt (khoan phụt truyền thống) 44

2.4 Kết luận chương 45

CHƯƠNG III : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÙ HỢP ÁP DỤNG CHO HIỆN TƯỢNG THẤM CỦA ĐẬP VỰC MẤU HUYỆN QUỲNH LƯU- NGHỆ AN 46

3.1 Giới thiệu công trình 46

3.1.1 Vị trí địa lý 46

3.1.2 điều kiện dân sinh kinh tế, địa hình, địa chất, thủy văn 47

3.1.3 Các thông số kỹ thuật của công trình 51

3.2 Hiện trạng đập Vực Mấu 52

3.3 Tính toán đánh giá hiện trạng công trình 53

3.4 Kết luận kiến nghị các biện pháp xử lý 67

3.5 Phân tích đánh giá hiệu quả các giải pháp chống thấm và lựa chọn giải pháp phù hợp 68

3.5.1.Phân tích đánh giá kết quả giải pháp 1 68

v

3.5.2.Phân tích đánh giá kết quả giải pháp 2 78

3.6 Đánh giá lựa chọn phương án cho công trình 87

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 : Hồ Xuân Dương – Diễn Châu 6

Hình 1.2 : Đập đồng chất 11

Hình 1.3: Sơ đồ thấm qua đập có tường nghiêng sân phủ 12

Hình 1.4: Sơ đồ tính thấm qua đập có tường lõi chân răng 13

Hình 1.5 : kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa XM 14

Hình 1.6: Tường hào chống thấm bằng bentonite 15

Hình 2.1: Sơ đồ sai phân 24

Hình 2.2: Sơ đồ phân tử tam giác 25

Hình 2.3: Mặt cắt ngang mái dốc 27

Hình 2.4: Sơ đồ tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp mặt trượt 29

Hình 2.5: Hồ chứa nước chống thấm bằng màng địa kỹ thuật - HDPE 36

Hình 2.6: Ứng dụng thảm bêtông chống thấm hồ chứa 37

Hình 2.8: Tường chống thấm bằng màng địa kỹ thuật (Geolock) 42

Hình 2.9: Đập có tường chống thấm bằng cừ BTCT ứng suất trước 43

Hình 2.10: Đập có tường nghiêng mềm kết hợp với cừ bản nhựa chống thấm 44

Hình 2.11: Đập có tường lõi mềm kết hợp với cừ bản nhựa chống thấm 44

Hình 3.1: Vị trí công trình 46

Hình 3.2: Đập Vực Mấu 47

Hình 3.3 : Mặt cắt hiện trạng công trình 60

Hình 3.4: Mặt cắt tính toán mô hình trong phần mềm Geoslop, tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường 60

Hình 3.5 Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường – Áp lực nước lỗ rỗng 61

Hình 3.6 Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Cột nước áp 61

Hình 3.7 : Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Cột nước tổng 62

Hình 3.8 : Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Gradient 62

vii

Hình 3.9 : Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường – hệ số ổn định mái

hạ lưu 63 Hình 3.10 Mặt cắt tính toán mô hình trong phần mềm Geoslop, tổ hợp đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m 63 Hình 3.11: Tổ hợp đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m – Áp lực nước

lỗ rỗng 64 Hình 3.12 : Tổ hợp đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m - Cột nước

áp 64 Hình 3.13 Tổ hợp đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m - Cột nước tổng 65 Hình 3.14 Tổ hợp cơ đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m - Gradient 65 Hình 3.15 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m – hệ số

ổn định mái hạ lưu 66 Hình 3.16 :Mặt cắt tính toán mô hình trong phần mềm Geoslop, tổ hợp cơ bản:

MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường; 69 Hình 3.17: Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường – Áp lực nước lỗ rỗng 69 Hình 3.18: Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Cột nước áp 70 Hình 3.19: Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Cột nước tổng 70 Hình 3.20 : Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Gradient 71 Hình 3.21: Tổ hợp cơ bản 1: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường – hệ số ổn định mái hạ lưu 71 Hình 3.22 : Mặt cắt tính toán mô hình trong phần mềm Geoslop, tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m 72 Hình 3.23 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m – Áp lực nước lỗ rỗng 72 Hình 3.24 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m - Cột nước áp 73 Hình 3.25 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m - Cột nước tổng 73

Hình 3.26 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m -

Gradient 74 Hình 3.27: Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m – hệ số ổn định mái hạ lưu 74 Hình 3.28: Mặt cắt tính toán mô hình trong phần mềm Geoslop, tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m 75 Hình 3.29 : Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m – Áp lực nước lỗ rỗng 75 Hình 3.30: Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m - Cột nước áp 76 Hình 3.31: Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m - Cột nước tổng 76 Hình 3.32: Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m -

Gradient 77 Hình 3.33: Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m – hệ số ổn định mái hạ lưu 77 Hình 3.34 :Mặt cắt tính toán mô hình trong phần mềm Geoslop, tổ hợp cơ bản:

MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường 78 Hình 3.35: Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường – Áp lực nước lỗ rỗng 78 Hình 3.36: Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Cột nước áp 79 Hình 3.37: Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Cột nước tổng 79 Hình 3.38 : Tổ hợp cơ bản: MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường - Gradient 80 Hình 3.39: Tổ hợp cơ bản : MNTL=MNDBT; hạ lưu bình thường – hệ số ổn định mái

hạ lưu 80 Hình 3.40 : Mặt cắt tính toán mô hình trong phần mềm Geoslop, tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m 81 Hình 3.41 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m – Áp lực nước lỗ rỗng 81 Hình 3.42 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m - Cột nước áp 82

ix

Hình 3.43 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m - Cột nước tổng 82 Hình 3.44 : Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m -

Gradient 83 Hình 3.45: Tổ hợp đặc đặc biệt 1: MNTL=MNLKT=22,21m; MNHL=6,8m – hệ số ổn định mái hạ lưu 83

HÌNH 3.46:MẶT CẮT TÍNH TOÁN MÔ HÌNH TRONG PHẦN MỀM GEOSLOP,

TỔ HỢP ĐẶC ĐẶC BIỆT 2: MNTL=MNPMF=25,85M; MNHL=8,5M 84 Hình 3.47 : Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m – Áp lực nước lỗ rỗng 84 Hình 3.48: Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m - Cột nước áp 85 Hình 3.49 : Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m - Cột nước tổng 85 Hình 3.50: Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m -

Gradient 86 Hình 3.51: Tổ hợp đặc đặc biệt 2: MNTL=MNPMF=25,85m; MNHL=8,5m – hệ số ổn định mái hạ lưu 86 Hình 3.52 : Hệ số ổn định ứng với các tổ hợp tính toán của phương án 1 và 2 87 Hình 3.53: Đồ thị quan hệ giữa các tổ hợp tính toán và lưu lượng thấm qua đập của phương án 1 và 2 88 Hình 3.54 : Đồ thị quan hệ giữa các tổ hợp tính toán và Gradient của phương án 1 và 2 88

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp thông số vật liệu 54Bảng 3.2 : Kết quả tính toán phương án 1 chống thấm bằng bê tông bản mặt 87Bảng 3.3: Kết quả tính toán phương án 2 chống thấm bằng khoan phụt 87

1

MỞ ĐẦU

I.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ở nước ta hiện nay có rất nhiều hồ chứa nước vừa và lớn, trong đó các đập trong công trình đầu mối có số lượng lớn nhất là đập vật liệu địa phương.Do có nhiều ưu điểm và lợi thế nên đập đất càng được sử dụng nhiều so với các loại đạp khác nhau như đập bê tông, đá xây Tuy nhiên việc xây dựng đập vật liệu ở Việt Nam trải qua nhiều thời gian khác nhau với chất lượng không đồng đều nhau Và đặc biệt là đặc tính không đồng đều của vật liệu dưới nhiều yếu tố chủ quan và khách quan đã dẫn đến chất lượng của đập không đạt được như mong muốn

Theo cấu tạo, đập đất được phân thành các loại như sau: đập đất đồng chất, đập đất không đồng chất, đập có tường nghiêng mềm hoặc cứng, đập có tường lõi mềm hoặc cứng, đập đất hỗn hợp Những đặc điểm làm việc chủ yếu của đập đất

- Thấm qua thân đập và nền;

- Ảnh hưởng của mực nước thượng hạ lưu đối với mái đập;

- Chịu ảnh hưởng của nước mưa và nhiệt độ;

- Biến dạng của nền và thân đập;

Trong số các đặc điểm trên thì yếu tố thấm qua đập và nền là quan trọng nhất đối với đập đất Nền đập và thân đập nói chung đều thấm nước.Khi có chênh lệch mực nước thượng hạ lưu sẽ hình thành dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu trong đập.Dòng thấm

có thể gây nên các hiện tượng xói ngầm trong thân và nền đập, sũng ướt mái hạ lưu đập gây mất ổn định cho mái hạ lưu, phá hoại đập Nhất là đối với những đập được xây dựng trên nền không đồng nhất và có nhiều lớp địa chất xen kẹp xấu Chính vì vậy việc nghiên cứu các giải pháp chống thấm nhằm đảm bảo an toàn kĩ thuật cũng như kinh tế của công trình đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học

Hồ chứa nước Vực Mấu thuộc huyện Quỳnh Lưu – Tỉnh Nghệ An là loại hồ đập lớn nhất tỉnh Nghệ An Đập Vực Mấu thuộc loại đập cao ( vị trí cao nhất 33,9 m) nền đập

có các lớp địa chất phân bố không đều Do công nghệ trình độ khảo sát, thiết kế, thi

công trước đây còn lạc hậu nên việc xử lý tiếp giáp giữa nền đập và thân đập chưa tốt, nên 2 phía vai đập xuất hiện nhiều dòng thấm.Chất lượng thi công đập, lớp bảo vệ và tầng lọc mái thượng lưu, hạ lưu không đảm bảo nên không còn có tác dụng của tầng lọc ngược Vì vậy đập đất kém ổn định, nếu không kịp thời xử lý sửa chữa thì nguy cơ

vỡ đập sẽ xảy ra là rất lớn

Chính vì vậy đề tài:“Nghiên cứu phân tích đánh giá và đề xuất giải pháp khắc phục sự

cố hồ chứa nước Vực Mấu huyện Quỳnh Lưu – Tỉnh Nghệ An” tập trung nghiên cứu

quy trình đánh giá an toàn đập và biện pháp xử lý thấm cho đập Vực Mấu

II MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

Mục đích: Nghiên cứu phân tích đánh giá và đề xuất giải pháp khắc phục sự cố hồ

chứa nước Vực Mấu huyện Quỳnh Lưu – Tỉnh Nghệ An

Nhiệm vụ:

- Đánh giá thực trạng của hồ Vực Mấu huyện Quỳnh Lưu - Tỉnh Nghệ An

- Nghiên cứu các nguy cơ mất an toàn của đập đất do ảnh hưởng của dòng thấm và các biện pháp xử lý thấm cho đập

- Đề xuất một số giải pháp khắc phục sự cố thấm của đập Vực Mấu

III Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết

- Thu thập thông tin, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có

- Ứng dụng cho việc xử lý thấm của đập Vực Mấu

IV Kết quả dự kiến đạt được

Đề tài “: Nghiên cứu phân tích đánh giá và đề xuất giải pháp khắc phục sự cố hồ chứa

nước Vực Mấu huyện Quỳnh Lưu – Tỉnh Nghệ An” tập trung đi sâu nghiên cứu về

nguyên nhân, các biện pháp khắc phục sự cố về thấm nhằm bảo đảm an toàn cho đập

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình xây dựng đập vật liệu đia phương ở Việt Nam và Nghệ An

1.1.1 Tình hình xây dựng đập vật liệu đia phương ở Việt Nam

Đập đất là công trình dâng nước tạo hồ chứa rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam.Những lợi ích mà đập hồ chứa mang lại là rất lớn, như có tác dụng giúp giảm nhẹ

lũ trên sông, cung cấp nước cho vùng hạ du cũng như cho khu vực lân cận, cấp nước tưới ổn định cho sản xuất nông nghiệp, tạo nguồn nước sinh hoạt cho khu dân cư Ngoài ra đập đất còn tạo ra những hồ chứa với dung tích lớn, tùy vào điều kiện địa hình, địa chất, dân sinh kinh tế và nhu cầu của khu vực để tiến tới xây dựng nhà máy thủy điện, phát huy sức mạnh của nước, tạo ra điện năng, phục vụ nhu cầu thiết yếu của nhân dân cũng như của đất nước

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 hóa 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 thủy 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 hóa 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 sãn tại địa phương

Hồ chứa ở Việt Nam là biện pháp công trình chủ yếu để chống lũ cho các vùng hạ du; cấp nước tưới ruộng, công nghiệp, sinh hoạt, phát điện, phát triển du lịch, cải tạo môi trường nuôi trồng thủy sản, phát triển giao thông, thể thao, văn hóa

Việt Nam là một trong những nước có nhiều hồ chứa Theo điều tra của dự án UNDP VIE 97/2002 thì Việt Nam có khoảng 10.000 hồ chứa lớn nhỏ Trong đó hồ đập lớn có khoảng 180 cái đứng vào hàng thứ 24 trong các nước có số liệu thống kê của ICOLD Theo con số thống kê của Bộ Nông nghiệp &PTNT năm 2002 cả nước ta đã có 1967

hồ (dung tích mỗi hồ trên 2.105 m 3 ) Trong đó có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích

19 tỷ m 3 còn lại là 1957 hồ thủy nông với dung tích 5,842 tỷ m 3 Nếu chỉ tính các hồ

có dung tích từ 1 triệu m 3 nước 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 thành nước ta 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 Tính ở khu vực miền Bắc và miền Trung Việt Nam 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%

1.1.2 Tình hình xây dựng đập vật liệu đia phương ở Nghệ An

Hiện nay trên địa bàn tỉnh Nghệ An có 625 hồ chứa nước lớn nhỏ, với tổng dung tích

hơn 387 triệu m³, trong đó:

+ Số hồ có dung tích từ 10 triệu m³ trở lên có 6 hồ (Vực Mấu, Vệ Vừng, Khe Đá, Sông Sào, Xuân Dương, Bàu Da)

+ Số hồ có dung tích trừ từ 5 đến 10 triệu m³ có 12 hồ

+ Số hồ có dung tích trừ từ 1 đến 5 triệu m³ có 68 hồ

+ Số hồ có chiều cao đập từ 10 m trở lên có 111 hồ

Các hồ nước này ngoài nhiệm vụ cung cấp nước cho 39 nghìn ha đất sản xuất, phục vụ dân sinh và kinh tế thì còn có nhiệm vụ điều tiết lũ bảo vệ vùng hạ du mất an toàn công trình Số liệu mới nhất của các ngành chức năng tại Nghệ An cho biết hiện có đến 500 trên tổng số 625 hồ chứa hư hỏng, xuống cấp, nếu mưa lũ lớn sẽ có nguy cơ

vỡ hồ chứa

+ Về thiết kế: Các hồ do nhà nước đầu tư xây dựng được khảo sát, thiết kế theo quy trình, quy phạm kỹ thuật của ngành, nhưng phần lớn mức phòng lũ được tính với tài

liệu thủy văn ngắn, mô hình lũ đơn, tần suất phòng lũ thấp 5-10%

Các hồ do nhà nước và nhân dân cùng làm : tài liệu thủy văn thương thiếu, hoặc phải tính theo phương pháp tương quan có độ chính xác không cao

5

Các hồ do dân tự xây dựng: thường có dung tích từ 0,3 đến dưới 1 triệu m³ nước, nhiều

hồ không có khảo sát thiết kế

+ Về thi công: thi công không đồng bộ các hạng mục công trình và bằng nhiều phương

tiện kỹ thuật khác nhau

+ Về đập đất: Phần lớn đắp bằng thủ công, đầm nên kém, nhiều hồ không được xử lý móng ở lòng khe Một số hồ đắp cao chống lũ bằng đắp vuốt mái làm giảm chiều rộng

mặt đắp và không đảm bảo mặt cắt theo tiêu chuẩn kỹ thuật

+ Tình hình quản lý: Các công ty, xí nghiệp thủy lợi ( nay là công ty TNHH thủy lợi)

quản lý 50 hồ (thường hồ có dung tích 1,5 triệu m³ nước trở lên) Hàng năm được duy

tu, sửa chữa, hồ thiết kế ban đầu và quá trình quản lý khai thác được cập nhật, lưu giữ

tương đối đầy đủ, trường hợp thiếu thì được đo đạc khôi phục bổ sung, nhưng hầu hết còn thiếu quy trình vận hành (cả trong mùa tưới và trong phòng chống lụt bão).Xã, HTX quản lý 575 hồ Là các hồ nhỏ, tưới gọn xã, dung tích thường dưới 1 triệu m³

nước, công tác quản lý còn nhiều tồn tại như là: Việc duy trì, sửa chữa thường không được thường xuyên hoặc chưa tương xứng với tài sane nên công trình bị xuống cấp, rò

nước, tổn thất nước lớn Nhiều địa phương quản lý nhưng không có hồ sơ công trình, tài liệu thiết kế ban đầu mất mát, thất lạc, không có quy trình kỹ thuật quản lý, công tác đo đạc, quan trắc (quan trắc mức nước lũ, quan trắc lún, xê dịch) thực hiện không đầy đủ Đang coi nhẹ quản lý hồ, chưa chú ý xây dựng nề nếp quản lý kỹ thuật và quản

lý kinh tế

Các tác nhân chính gây mất an toàn cho hồ chứa do lũ lớn tràn qua đỉnh đập đất gây

vỡ đập, thấm lớn qua nền và thân đập gây xói ngầm hoặc trượt máu hạ lưu, sóng do bão làm trượt mái thượng lưu hoặc vận hành không đúng kỹ thuật (tháo cạn hồ quá nhanh gây sạt trượt mái thượng lưu đập đất) Các tổ mối, hang hốc không được phát

hiện, xử lý kịp thời Nhiều hồ chứa còn thiếu năng lực xả lũ do khi thiết kế tính toán lỹ 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 nhanh hơn, nhiều hơn Hầu hết các hồ

chứa nhỏ có dung tích dưới 1 triệu m³ mái thượng lưu không được gia cố, thường bị

sạt trượt nghiêm trọng, ảnh hưởng đến an toàn công trình Một số hồ chứa được gia cố mái thượng lưu bằng đá lát hoặc bê tông, do gia cố lâu nên lớp gia cố bị xô tụt

Hình 1.1 : Hồ Xuân Dương – Diễn Châu

1.2 Các nguy cơ mất an toàn của đập đất do ảnh hưởng của các dòng thấm

Đặc điểm của công trình thủy lợi là làm việc trong nước nên chịu mọi tác dụng của nước như tác dụng cơ học, hóa lý, thấm và tác dụng của sinh vật

Nền đập, thân đập và hai bên vai công trình nói chung đều thấm nước Khi có chênh lệch mực nước thượng hạ lưu sẽ hình thành dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu trong thân đập hoặc thấm vòng qua vai đập Dòng thấm trong môi trường đất rỗng được chia làm hai loại Thứ nhất là dòng thấm có áp: khi nó bị giới hạn từ phía trên bởi biên cứng, dòng thấm không có mặt thoáng, chuyển động của dòng thấm giống như nước chảy trong ống có áp Đây là trường hợp khi xét dòng thấm dưới đáy các công trình Thứ hai là dòng thấm không áp: khi nó không bị giới hạn từ phía trên của công trình Đây là trường hợp dòng thấm hai bên vai công trình, dòng thấm qua đập đất Giới hạn phía trên của dòng thấm là mặt thoáng hay mặt bão hòa, tại đây có áp suất bằng áp

Một số hình thức thấm và nguyên nhân gây mất ổn định trong đập đó là :

1.2 1 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập

- Do đánh giá sai tình hình địa chất nền, để sót lớp thấm nước mạnh không được xử lý hoặc biện pháp chống thấm cho nền không đảm bảo chất lượng

- Xử lý tiếp giáp nền và thân đập không tốt do thiết kế không đề ra biện pháp xử lý, hoặc do khi thi công không thực hiện tốt biện pháp xử lý

1.2 2 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở vai đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Thiết kế không đề ra các biện pháp xử lý hoặc biện pháp xử lý đề ra không tốt

- Không bóc hết lớp phong hóa ở vai đập

- Đầm nện đất trên đoạn tiếp giáp ở vai đập không tốt

- Thi công biện pháp xử lý tiếp giáp không tốt

1.2 3 Thấm mạnh hoặc sủi nước mang công trình

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Thiết kế không đề ra biện pháp xử lý hoặc biện pháp không tốt

- Đất đắp ở mang công trình không đảm bảo chất lượng: Chất lượng đất đắp không được lựa chọn kỹ, không dọn dẹp vệ sinh sạch sẽ để vứt bỏ các tạp chất trước khi đắp, đầm nện không

kỹ

- Thực hiện biện pháp xử lý không đảm bảo chất lượng

- Hỏng khớp nối công trình

- Cống bị thủng

1.2 4 Thấm mạnh hoặc sủi nước trong phạm vi thân đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Bản thân đất đắp đập có chất lượng không tốt: hàm lượng cát, bụi dăm sạn nhiều, hàm lượng sét ít, đất bị tan rã mạnh

- Kết quả khảo sát sai với thực tế, cung cấp sai các chỉ tiêu cơ lý, lực học do khảo sát sơ sài, khối lượng khảo sát thực hiện ít, không thí nghiệm đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý lực học cần thiết,

từ đó đánh giá sai chất lượng đất đắp

- Không có biện pháp thích hợp để xử lý độ ẩm, do đó độ ẩm đất đắp không đều, chỗ khô chỗ

ẩm, làm cho đất sau khi đắp có chỗ chặt có chỗ vẫn rời rạc tơi xốp

- Đầm nện không đủ độ chặt yêu cầu do: Lớp rải dày quá quy định, số lần đầm ít, nên đất sau khi đắp có độ chặt không đồng đều, phân lớp, trên mặt thì chặt phía dưới vẫn còn tơi xốp không đạt độ chặt quy định, hình thành từng lớp đất yếu nằm ngang trong suốt cả bề mặt lớp đầm

- Thiết kế và thi công không có biện pháp xử lý khớp nối thi công do phân đoạn đập để đắp trong quá trình thi công

- Thiết bị tiêu nước bị tắc

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng chống thấm của đập đất

Có rất nhiều những biện pháp chống thấm cho thân đập đất, có những biện pháp xử lý thấm ngay từ khi thiết kế đập mới như làm tường nghiêng, lõi chống thấm, sân phủ hay là những biện pháp xử lý thấm sau một thời gian công trình hoạt động mới tiến hành thi công, xử lý đã

9

làm việc như: khoan phụt vữa xi măng, làm hào chống thấm Tuy nhiên, có một thực tế là không phải hiệu quả chống thấm luôn luôn đạt được như trong kết quả tính toán bởi vì khi công trình làm việc thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng, tác động làm cho khả năng chống thấm của công trình không đạt được yêu cầu đề ra Sau đây, tác giả xin đánh giá qua một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chống thấm của đập đất sau khi thi công

- Đối với các biện pháp chống thấm ngay từ lúc thiết kế đập mới như là làm tường lõi, chân khay, sân phủ thì việc quan trọng nhất là đảm bảo được hệ số thấm của vật liệu đắp đạt được như thiết kế là khó Có nhiều lý do ảnh hưởng đến hệ số thấm của vật liệu như: quá trình khai thác vật liệu đắp không tốt, không bảo dưỡng, đảm bảo độ ẩm cho phép của vật liệu đắp; quá trình vận chuyển, thi công cũng ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu, nhất là các bãi vật liệu

ở xa công trình Hệ số thấm của vật liệu làm thiết bị chống thấm theo lý thuyết luôn yêu cầu rất cao, tuy nhiên cũng có thể xảy ra sai số trong quá trình thí nghiệm, dẫn đến việc hệ số thấm thực tế của vật liệu không được như kết quả thí nghiệm, tính toán thiết kế

Bên cạnh đó, khi thi công cũng không đảm bảo được hệ số đầm chặt của các thiết bị chống thấm đạt được như thiết kế đề ra Việc phải thi công một khối lượng đắp lớn nhưng không cùng lúc, mà phải chia thành nhiều các đợt đắp nhỏ cũng làm cho sự liên kết giữa các khối đắp của thiết bị chống thấm không được đồng nhất, liên tục

Đối với các biện pháp xử lý thấm sau khi công trình đã hoạt động được một thời gian, xảy ra hiện tượng thấm cũng có nhiều vấn đề ảnh hưởng làm giảm hiệu quả của phương pháp xử lý

đó Cụ thể, đối với các biện pháp xử lý bằng khoan phụt chống thấm, thì khả năng lấp nhét được hết các lỗ rỗng, túi xốp ở trong thân đập là không cao Khi thi công, nếu khoan phụt bằng áp lực lớn quá thì có nguy cơ phá vỡ cục bộ thân đập, còn nếu khoan phụt với áp lực nhỏ quá sẽ có phạm vi ảnh hưởng hạn chế đòi hỏi số hố khoan phải dày, khối lượng công tác khoan và phụt lớn Mặt khác, kinh nghiệm xử lý thấm bằng khoan phụt cho thấy thời gian hiệu lực của biện pháp này không dài, sau một số năm làm việc thì tình trạng thấm mạnh có thể tái diễn

Đối với các biện pháp làm tường hào chống thấm bằng Bentonite, Đất – Bentonite dọc theo thân đập thì thời gian chờ đợi cố kết rất lâu, thường phải chờ 1 đến 2 năm mới hoàn thiện được mặt đập, tránh nứt dọc theo tuyến hào Việc phải đào hào dọc theo tim tuyến đập để làm tường hào chống thấm cũng là một hạn chế của phương pháp này

Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng chống thấm của đập đó là toàn bộ tính toán thiết kế về chống thấm gần như được mô phỏng bằng các phần mềm nên việc sai số giữa thực

tế làm việc của đập với phần mềm là không thể tránh khỏi, chỉ có thể khống chế để sai lệch không vượt quá giới hạn cho phép, nên kết quả thực tế nhiều khi không đạt được như trong kết quả thiết kế

Một số biện pháp chống thấm bằng các tiến bộ kỹ thuật về công nghệ của các nước tiên tiến trên thế giới như: kết cấu chống thấm bằng màng địa kỹ thuật; kết cấu chống thấm bằng thảm

bê tông; kết cấu chống thấm bằng cừ bê tông ứng suất trước hay như tường chống thấm bằng

cừ bản nhựa đều cho những báo cáo kết quả với các ưu điểm lớn, hiệu quả cao Tuy nhiên các biện pháp này chưa được ứng dụng nhiều ở Việt Nam, các vật liệu, kinh nghiệm thiết kế, thi công ở nước ta còn hạn chế cũng như điều kiện tự nhiên khác so với nước ngoài nên chưa áp dụng thi công chống thấm rộng rãi cho các đập

Như vậy, ta thấy là việc chống thấm cho đập là rất cấp thiết và quan trọng Tuy nhiên, để áp dụng thực tiễn thi công cần nghiên cứu, tính toán thật cụ thể cho từng trường hợp, đưa ra được các phương án chống thấm hợp lý cho từng kết cấu đập để phát huy được hiệu quả cao nhất của các biện pháp chống thấm

1.4 Các kết quả nghiên cứu về thấm và xử lý thấm qua thân đập và ưu nhược điểm

Nhiệm vụ của nghiên cứu dòng thấm là tìm ra các quy luật chuyển động của nó phụ thuộc vào hình dạng, kích thước các bộ phận công trình là biên của dòng thấm; xác định các đặc trưng phân bố áp lực thấm lên các bộ phận công trình, phân bố gradient thấm trong miền thấm, và trị số lưu lượng thấm Trên cơ sở các tính toán này, người thiết kế sẽ chọn được hình thức, kích thước, cấu tạo hợp lý của công trình, đảm bảo điều kiện làm việc an toàn của nó (ổn định về trượt, ngăn ngừa biến hình nền…) và tính kinh tế của phương án chọn

Vấn đề nghiên cứu dòng thấm từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thế giới Vào thế kỷ 18 đã có các công trình nghiên cứu của Lomonoxop, Becnoulli, Euler Từ năm 1856, Darcy đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và tìm ra định luật thấm tuyến tính mà ngày nay được gọi là định luật thấm Darcy

Những thành tựu nổi bật về lý thuyết thấm đã được công bố trong các tác phẩm của Jucovxi (1898), Pavlovxki (1922) Đóng góp vào sự phát triển phương pháp thủy lực

11

trong lý thuyết thấm có công của DuyPuy, Cozeny, Aravin, Numerov, Ughintrux, Trugaev và nhiều nhà khoa học khác Việc giải bài toán thấm bằng phương pháp thủy lực đã đạt được kết quả phong phú cho các sơ đồ bài toán phẳng của thấm có áp Với bài toán thấm không có áp mới chỉ giải quyết được cho một số sơ đồ đơn giản

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp số và công cụ máy tính, nói chung có thể giải được bài toán thấm với biên bất kỳ cho bài toán phẳng và bài toán không gian, thấm ổn định và không ổn định…

Các loại đập đất đã được xây dựng rất phong phú và đa dạng về chủng loại, tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn Để lựa chọn loại kết cấu đập và biện pháp chống thấm phù hợp, sau đây là một số biện pháp xử lý thấm qua thân đập

1.4.1 T ăng kích thước mặt cắt đập và khối lượng đất đắp đối với đập đất đồng chất

Đập được đắp bằng một loại vật liệu địa phương sẵn có tại chỗ Đập đồng chất đắp bằng đất

có hệ số thấm lớn, để đảm bảo được ổn định thấm, biện pháp thường dùng là tăng kích thước

Kích thước mặt cắt đập lớn dẫn đến khối lượng đất đắp và chi phí đền bù cao

1.4.2 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 khá dày và vật liệu làm thân đập có hệ số thấm lớn thì hình thức chống thấm hợp lý nhất thường là tường nghiên nối tiếp sân phủ Người đầu tiên đặt cơ sở tính thấm qua loại đập này là viện sĩ N.N Pavlôvxki về sau giáo sư E.A.Zamarin bổ sung Khi tính thấm theo phương pháp này xem tường nghiêng và sân phủ là hoàn toàn không thấm cho nên kết quả chỉ là gần đúng

Hình 1.3 : Sơ đồ thấm qua đập có tường nghiêng sân phủ

Cao trình đỉnh tường nghiêng: Chọn không thấp hơn MNDGC ở thượng lưu

Chiều dài sân phủ (Ls) : Trị số hợp lý của Ls xác định theo điều kiện khống chế lưu

lượng thấm qua đập và nền và điều kiện không cho phép phát sinh biến dạng thấm nguy hiểm của đất nền Sơ bộ có thể lấy Ls = (3-:-5)H, trong đó H là cột nước lớn

nhất

a) Ưu điểm:

- Vật liệu chống thấm chủ yếu bằng đất sét nên rất sẵn có, giá thành xây dựng thấp, thiết bị thi công thông dụng như máy đào, máy lu,máy ủi, vì vậy phương pháp này cho hiệu quả kinh tế cao

- Thi công trên nền cát cuội sỏi có hệ số thấm nhỏ

b) Nhược :

13

-Chống thấm theo phương pháp này không triệt để được do khi tính thấm xem tường nghiêng và sân phủ là hoàn toàn không thấm cho nên cho kết quả chỉ là gần đúng

- Chỉ thi công ở nơi có địa hình xây dựng rộng

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

1.4.3 Giải pháp tường răng kết hợp lõi giữa

Vật liệu làm tường lõi cũng tương tự như làm tường nghiêng, tường lõi có dạng thẳng đứng nằm chính giữa hoặc gần giữa đập Theo cấu tạo bề dày đỉnh tường không nhỏ hơn 0,8m và chân tường không nhỏ hơn 1/10 cột nước nhưng phải đảm bảo >=2m

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

Hình 1.4: Sơ đồ tính thấm qua đập có tường lõi chân răng

a) Ưu điểm:

- Vật liệu chống thấm chủ yếu bằng đất sét nên rất sẵn có, giá thành xây dựng thấp, thiết bị thi công thông dụng như máy đào, máy lu,máy ủi, vì vậy phương pháp này cho hiệu quả kinh tế cao

- Thi công trên nền cát cuội sỏi có hệ số thấm nhỏ

- Chống thấm theo phương pháp này cho hiệu quả tương đối cao

b) Nhược:

- Chống thấm theo phương pháp này phải thi công các loại đất giữa phần lỏi và nền có tính chất tương tự tránh phân lớp giữa tường lỏi và đất nền gây thấm do phân lớp

- Chỉ thi công ở nơi có địa hình xây dựng rộng

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

1.4.4 T ạo màng chống thấm bằng cách khoan phụt vữa ximăng – Bentonite

Hình 1.5 : kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa XM

Khoan phụt truyền thống còn được gọi là khoan phụt có nút bịt (một nút, 2 nút); nguyên lý của nó là bơm dung dịch chất kết dính (ximăng, đất sét, hoá chất, ) vào trong đất dưới một áp lực phù hợp (thường từ vài at đến vài chục at tùy thuộc đối tượng xử lý, loại đất và thiết bị công nghệ) Nút bịt có tác dụng bịt không cho dung dịch trào lên miệng hố khoan

Đầu tiên, khoan phụt truyền thống là để lấp bịt các kẽ nứt trong nền đá, sau đó đã có những cải tiến để khoan phụt cho đập đất Để khoan phụt được trong nền đất, người ta

đã có những cải tiến về nút bịt và điều chỉnh tăng áp suất: sử dụng nút bịt kép (ống măng-sét, công nghệ tuần hoàn ngược) Với các tầng cuội sỏi cũng đã dùng bằng cách

bổ sung thêm công đoạn bồi tường

15

Trường hợp đất nền là lớp bồi tích dày hơn 10m, phía dưới là đá phong hóa nứt nẻ mạnh, hoặc trong lớp bồi tích có lẫn đá lăn, đá tảng lớn Để xử lý thấm qua nền đập, hiện nay thường dùng biện pháp khoan phụt Ciment tạo màng chống thấm kết hợp với mạng lưới các hố khoan tiêu nước dọc thân đập

a) Ưu điểm

- Công nghệ không phức tạp, dễ triển khai

- Có thể hoàn thành trong thời gian không dài

- Sau khi hoàn thành có thể đi lại bình thường trên mặt đập

b) Nhược điểm

- Khả năng lấp nhét hết các túi xốp, lỗ rỗng trong thân đập thấp

- Nếu áp lực phụt lớn sẽ có nguy cơ phá vỡ cục bộ thân đập, còn áp lực phụt nhỏ sẽ có phạm

vi ảnh hưởng hạn chế, đòi hỏi số hố khoan phải dày, khối lượng công tác khoan và phụt lớn

1.4.5 S ử dụng tường hào chống thấm

Hình 1.6 : Tường hào chống thấm bằng bentonite

+ Tường hào chống thấm trong thân đập có thể làm bằng bê tông, bê tông cốt thép, betonite,

hỗn hợp bentonite + đất, hỗn hợp ximăng + đất

+ Tường chống thấm bằng các loại cừ: cừ gỗ, cừ bê tông cốt thép, cừ thép, cừ bằng chất

dẻo…

- Không lấp nhét được hết các túi xốp, lỗ rỗng trong thân đập

- Vật liệu bentonite có thời gian cố kết lâu, phải chờ 1 - 2 năm sau mới được hoàn thiện mặt đập để tránh nứt dọc theo tuyến hào

1.5 Kết luận chương

Trong chương 1 tác giả đã giới thiệu được tổng quan về tình hình xây dựng đập, vấn

đề an toàn hồ chứa và đề cập các nguyên nhân dẫn đến vấn đề mất an toàn đập vật liệu địa phương nói riêng và an toàn hồ chứa nói chung

Kết quả nghiên cứu khái quát hiện trạng hồ chứa nước, cũng như an toàn đập vật liệu địa phương từ đó nhận thấy các nguyên nhân dẫn đến sự làm việc mất an toàn của đập

và từ đó thấy rõ tính cấp thiết cho việc nghiên cứu về an toàn đập và hồ chứa để đảm bảo công trình làm việc an toàn góp phần làm phát triển kinh tế - xã hội, đời sống của

người dân Vì vậy việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu phân tích đánh giá và đề xuất giải pháp khắc phục sự cố hồ chứa nước Vực Mấu huyện Quỳnh Lưu – Nghệ An” nhằm

cung cấp cơ sở khoa học thực tế cho việc sửa chữa nâng cấp, xây dựng mới các hồ chứa tại tỉnh Nghệ An mang tính khoa học và thực tiễn

17

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Các phương pháp nghiên cứu phân tích thấm

2.1.1 Lịch sử phát triển của nghiên cứu thấm

2.1.1 1 Giới thiệu chung

Những hiểu biết đầu tiên về sự vận động của nước dưới đất phát sinh vào thế kỷ 18 và liên quan đến tên tuổi của các nhà khoa học Nga như M.V.Lômônôxôp, D.Becnoulli, Euler Trong tác phẩm nổi tiếng “ Về các lớp vỏ trái đất” - 1750 Lômônôxôp đã viết “ Nước dưới đất liên hệ chặt chẽ với đất đá vây quanh Nước dưới đất là dung dịch tự nhiên ở trạng thái tuần hoàn liên tục” Chính ông đã đặt cơ sở đầu tiên để phát triển khoa học về sự vận động của nước dưới đất

Hiện tượng thấm của nước dưới đất trong môi trường lỗ rỗng được Darcy nghiên cứu

từ năm 1856, trên cơ sở thực nghiệm Darcy đã xác định quy luật thấm của nước trong môi trường lỗ hổng, đó là định luật thấm đường thẳng

Lý thuyết suy rộng về sự vận động của nước dưới đất xuất hiện vào đầu năm 1898, sau khi N.E.Jucôvxky công bố tác phẩm “ Nghiên cứu lý thuyết vận động của nước ngầm” Ông đã đưa ra khái niệm lực cản, lực khối lượng khi thấm và lần đầu tiên ông đã đưa

ra phương trình vi phân về sự vận động của nước dưới đất Chính Jucôvxky đã đặt cơ

sở khoa học để tiếp tục phát triển lý thuyết thấm

Năm 1904 Boussinesque đã lập ra hệ phương trình vi phân không ổn định và biện pháp tuyến tính hóa phương trình

Năm 1992 N.N.Pavlôpvxky đã đề nghị dùng phương pháp điện – thủy động lực tương

tự để xác định các thông số của dòng thấm mà cho đến nay nó vẫn là một trong những phương pháp hiện đại nhất áp dụng cho bão hòa đất

Những vấn đề về lý thuyết vận động không ổn định đã được Boussinesque nghiên cứu đầu tiên (1904) Phương trình vi phân vận động không ổn định do ông thành lập cho đến ngày nay vẫn được coi như là phương trình vi phân cơ bản của vận động không ổn định của nước dưới đất

Ngày nay lý thuyết thấm vẫn không ngừng phát triển và được ứng dụng vào nhiều chuyên ngành khác nhau

2.1.1.2 Tầm quan trọng của lý thuyết thấm

Sự vận động của chất lỏng trong môi trường lỗ hổng hoặc khe nứt gọi là thấm Cách định nghĩa này quá chung chung chỉ cho ta biết sơ lược đối tượng nghiên cứu mà không cho ta khái niệm vật lý của hiện tượng thấm

Lý thuyết vê sự vận động của chất lỏng (nước, dầu mỏ, hơi nước ) trong đất, đá nứt

nẻ hoặc trong môi trường xốp nói chung, gọi là lý thuyết thấm Việc nghiên cứu vận động của chất lỏng trong môi trường đất đá có ý nghĩa quan trọng trong thực tế Nhiều vấn đề cần giải quyết bằng lý thuyết thấm như: Khai thác nước ngầm, khai thác dầu

mỏ, rửa mặn bằng tiêu nước, tổn thất nước do thấm, nước mưa, nước tưới thấm vào mặt đất, thấm qua nền các công trình ngăn nước

Công trình thủy lợi lý thuyết thấm đóng vai trò quan trọng như cần xác định các đặc trưng của dòng thấm qua đập đất, đê quai thi công hố móng, thấm vào hố móng, thấm dưới đáy công trình bê tông, thấm vòng qua vai đập, thấm vòng quanh bờ Trong thiết kế công trình thủy lợi phải tính toán xác định các đặc trưng của dòng thấm như áp lực thấm, lưu lượng thấm, Gradien cũng có nghĩa là giải quyết xong bài toán thấm, khi đó mới có đủ điều kiện để đánh giá ổn định và độ bền công trình

2.1.2 Môi trường thấm và nguyên nhân gây ra thấm

2.1.2.1 Môi trường thấm

Môi trường đất và trạng thái của nước:

Môi trường đất là đối tượng chủ yếu được đề cập trong luận văn

Môi trường đất là hỗn hợp nhiều pha: pha rắn là các hạt cốt đất, pha lỏng là nước, pha khí là không khí trong lỗ rỗng giữa các hạt cốt đất

Nước trong đất có thể ở những trạng thái khác nhau: nước ở thể hơi, nước ở thể bám chặt, nước ở thể màng mỏng, nước mao dẫn, nước trọng lực

19

Nước mao dẫn chứa đầy ở các khe rỗng của đất, chịu tác động của sức căng mặt ngoài

và trọng lực Nước mao dẫn có thể chuyển động trong đất và có thể truyền áp lực Nước trọng lực (nước ngầm) là nước tự do chứa đầy ở tất cả các khe rỗng của đất từ các thể tích rất nhỏ có thể chứa không khí Nước trọng lực chịu tác dụng của trọng lực

và nước ngầm, chuyển động được là do tác dụng của trọng lực Nước trọng lực có thể truyền được áp lực

Nước trong đất có trạng thái liên tục chuyển động tạo thành dòng nước ngầm, hay còn gọi là dòng thấm Cũng giống như chuyển động của nước mặt, chuyển động của nước ngầm có thể coi là chuyển động có áp hay không áp Trong chuyển động không áp ở phía trên được giới hạn bởi mặt tự do còn gọi là mặt bão hòa, áp suất tại các điểm trên mặt đó bằng hằng số và bằng áp suất khí quyển (chưa xét hiện tượng mao dẫn)

Không khí trong lỗ rỗng của đất ngoài tương tác với nước ở dạng hơi, không khí còn hòa tan ở trong nước, khoảng 2% thể tích nước

Theo tính chất bão hòa nước, môi trường nước thấm chia ra làm hai loại: đất bão hòa nước và đất không bão hòa

Đất bão hòa, là môi trường chỉ bao gồm hai pha là cốt đất và nước chứa đầy trong các

lỗ rỗng Đất không bão hòa là hỗn hợp nhiều pha Ngoài ba pha: cốt đất, nước, không khí thì mặt phân cách khí nước nơi diễn ra sức căng mặt ngoài, còn được xem là một pha độc lập thứ tự

Nước thấm qua môi trường đá nứt nẻ hoặc môi trường đất đá hòn lớn là dòng thấm chảy rối không tuân theo quy định luật Darcy Trong luận văn này chỉ điểm qua mà không đi sâu khảo sát

2.1.2.2 Nguyên nhân gây thấm

Nguyên nhân chính gây thấm trong đất bão hòa nước là do thế chuyển động của dòng thấm hay chính là Gradien cột nước thấm Nguyên nhân gây thấm trong đất không bão hòa ngoài tác nhân chính là Gradien cột nước thủy lực (bao gồm Gradien áp lực và Gradien cao trình) còn do Gradien độ ẩm, Gradien hút dính là Ua – Uw Trong đó Ua

chính là áp lực khí lỗ rỗng, Uw là áp lực nước lỗ rỗng

* Thế chuyển động của dòng nước thấm

Tổng năng lượng tại điểm A có thể biểu thị năng lượng trên trọng lượng đơn vị được gọi là vị thế hay cột nước thủy lực

V g P

2 3

++

- g

V w

.2

2: Cột nước tốc độ trong đất

Nước sẽ thấm từ nơi có cột nước cao đến nơi có cột nước thấp hơn, bất kể áp lực nước

lỗ rỗng là dương hay âm

2.1.3 Các giả thiết cơ bản trong tính thấm

Lời giải lý thuyết của bài toán thấm được đưa ra trên cơ sở một số giả thiết cơ bản đơn

giản giữa môi trường thấm và dòng thấm Các giả thiết đó như sau:

- Đất là môi trường đồng nhất và đẳng hướng

- Nước chứa đầy miền thấm và không ép co được

21

- Đối với bài toán thấm có áp, còn đưa thêm 2 giả thiết bổ sung là:

- Trong miền thấm không có điểm tiếp nước và điểm rút nước

y h

cơ sở đó mà có thể tính được áp lực và lưu tốc thấm

Từ những phương trình cơ bản này về thấm và các giả thiết cơ bản các tác giả khác nhau đã đưa ra các phương pháp khác nhau để giải quyết bài toán thấm

2.1.4.1 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, gradien, 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

- 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

2.1.4.4 Phương pháp sai phân

Miền thấm được chia thành những ô hình chữ nhật có kích thước bằng nhau axb như hình 2.1

x, y-b

y+bx,

x+a, y

Hình 2.1: Sơ đồ sai phân

Các đại lượng vi phân ∂h, ∂x, ∂y được chuyển thành các đại lượng sai phân tương ứng:

Δh, Δx, Δy Những đạo hàm riêng cấp một và cấp hai: h, h, 2h2 , 2h2

Trong đó: x,y là tọa độ của điểm nút cần xét thuộc lưới

Việc tìm nghiệm của phương trình ∇ =h 0 chuyển thành việc giải một hệ phương trình đại số tuyến tính để tìm các giá trị h(x,y) tại các điểm nút

Phương pháp sai phân tuy đơn giản nhưng ít được sử dụng để giải các bài toán có điều kiện biên phức tạp do những nhược điểm về kỹ thuật chia lưới

2.1.4.5 Phương pháp phần tử hữu hạn

Theo phương pháp này, miền thấm được chia thành những miền con, các miền còn có thể là hình tam giác, tứ giác Mỗi miền con này được gọi là phần tử, một phần tử được hình thành bởi các nút gọi là nút phần tử

Hình 2.2: Sơ đồ phân tử tam giác

Trong bài toán thấm phẳng, ổn định, cột nước h(x,y) tại một điểm bất kỳ được xác định khi biết giá trị cột nước tại 3 đỉnh i, j, m của phần tử (hình 2.7):

Trong đó: Nk (k = i, j, m) là các hầm phụ thuộc vào tọa độ điểm xét (x, y)

hk là giá trị cột nước thấm tại đỉnh thứ k của phần tử (k = i, j, m) Theo nguyên lý biến phân, việc tìm nghiệm của bài toán thấm đã cho hoàn toàn tương đương với việc tìm cực tiểu của phiếm hàm:

( )

1

p e i

E h E

=

=∑ (2.10) Trong đó: p – số phần tử được chia trong miền tính toán

2 2

E h

Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành thông dụng và là một công cụ mạnh mẽ để giải các bài toán thấm khác nhau: có áp và không

áp, ổn định và không ổn định, phẳng và không gian

Để tính toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn hiện nay có rất nhiều phần mềm

hỗ trợ tính toán như: Geostudio, Plaxis, Visul modflow, thấm dị hướng, ansys Nhưng thông dụng và được sử dụng phổ biến là chương trình Geostudio của hãng Geoslop international, đây là chương trình tính toán các bài toán địa kỹ thuật có độ ổn định cao, trong đó có modul Seep/W cho phép giải bài toán thấm không ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn Trong phạm vi luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm modul Seep/W để phục vụ cho tính toán thấm

2.2 Các phương pháp nghiên cứu ổn định đập đất

- Collin (1860-1890) thực hiện những khảo sát chi tiết ở một số mái dốc bị phá hoại và

kết luận mặt trượt có dạng gần như mặt trụ tròn

- Khoảng năm 1916, các nhà khoa học Thụy Điển lại phát hiện mặt trượt xấp xỉ dạng

trụ tròn và phát triển phương pháp gọi là phương pháp Thụy Điển

- Frontard và Risal (1920) đề nghị dùng mặt trượt dạng xoắn logarit Dạng này thích

hợp khi mái dốc có độ dốc lớn và chỉ có một loại đất

- Bishop (1950) sử dụng bề mặt trượt trụ tròn và chỉ áp dụng phương trình cân bằng

mô men đối với khối trượt và phương trình cân bằng lực theo phương đứng

- Jan bu (1950-1960) sử dụng bề mặt trượt dạng bất kỳ và chỉ dùng phương trình cân

bằng lực đối với khối trượt

27

- Morgensten-Priece (1960) sử dụng bề mặt trượt dạng bất kỳ và áp dụng cả 2 phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mô men

- Fredlund (1970) sử dụng bề mặt trượt hỗn hợp và áp dụng cả 2 phương trình cân

bằng lực và phương trình cân bằng mô men Mặt trượt hỗn hợp gồm một phần là mặt tròn và một phần là mặt phẳng

- Boutrups và Siegel (19700 đề nghị sử dụng lý thuyết xác suất để tìm hình dạng bề

mặt trượt (nghĩa là tìm bề mặt trượt ngẫu nhiên) và chỉ áp dụng phương trình cân bằng

lực

- Baker và Garber (1977) dùng bề mặt trượt dạng đường cong logarit và áp dụng cả 2

phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mô men

- Celestino và Duncan (1981) đã sử dụng cực tiểu của hàm nhiều biến để tìm bề mặt

trượt nguy hiểm nhất, nó gồm một số các đoạn thẳng

- Kopaccy (1957) lần đầu tiên đề nghị phương pháp vi tích phân biến đổi để xác định hình dạng và vị trí mặt trượt nguy hiểm nhất

2.2.2.Tổng quan về tính toán ổn định của đập đất

Mái dốc là khối đất có mặt giới hạn là mặt dốc Mái dốc được hình thành do tác nhân

tự nhiên (sườn núi, bờ sông ) hoặc do tác động nhân tạo (taluy nền đường đào, nền đắp, hố móng, thân đập đất, đê )

trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực

Như chúng ta đã biết mái dốc càng thoải thì độ ổn định càng cao, nhưng khối lượng công tác đất, diện tích chiếm dụng sẽ càng lớn, điều này sẽ dẫn đến trái với quan điểm về kinh tế hiện nay Vì vậy, mục tiêu cuối cùng của việc tính toán ổn định mái dốc là xác định được độ dốc mái taluy thỏa mãn yêu cầu kinh tế và kỹ thuật

Đập đất là công trình chắn nước có mặt trượt hình thang, mái dốc tương đối thoải, trọng lượng đập lớn, khó có thể bị nước đẩy trượt theo phương ngang Sự mất ổn định về trượt của đập chỉ có thể là trượt mái hoặc mái cùng với một phần của nền Trong tính toán ổn định của đập đất cần xét đến các trường hợp:

- Đập trong thời kỳ thi công và khi vừa đắp xong

- Khi hồ đã chứa nước với các mực nước thượng hạ lưu khác nhau

- Khi mực nước trong hồ rút nhanh

Khi xem xét ổn định trượt của mái đập, hoặc mái đập cùng với nền, cũng như ổn định của lớp bảo hộ trên mái, thì xem xét các tải trọng tác dụng lên đập gồm các tải trọng sau:

Trong đó: ω – diện tích mặt cắt ngang của khối đất

J – gradien thấm trung bình trong diện tích đó

29

Lực thấm có phương chiều trùng với phương chiều của dòng thấm tại điểm tính toán Dưới tác dụng của lực thấm mái đập càng dễ mất ổn định

- Áp lực nước lỗ rỗng của đất

- Áp lực gây ra do nước mao dẫn

- Lực sinh ra khi có động đất: Lực quán tính động đất của khối trượt và của khối nước

trước đập

2.2.3 Một số phương pháp tính ổn định mái theo phương pháp mặt trượt

2.2.3.1 Ph ương pháp mặt trượt trụ tròn bỏ qua các lực tương tác Phương pháp Fellenius với hệ số an toàn chung

Phương pháp công nhận các thỏi của khối đất trượt làm việc độc lập:

t t

T E

T E

Hệ số an toàn ổn định K của khối đất được xác định theo định nghĩa:

K = Tổng momen chống trượt/ Tổng momen gây trượt

Hình 2.4: Sơ đồ tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp mặt trượt

Các momen được lấy với tâm O, bán kính R của cung trượt đang tính như hình trên

Trọng lượng của thỏi đất W được phân làm 2 thành phần:

- Thành phần tiếp tuyến T tính theo công thức : T = Wsinα tạo nên sự trượt của thỏi theo mặt đáy thỏi

- Thành phần vuông góc N tính theo công thức N = Wcosα tạo nên lực chống trượt thông qua lực chống cắt T0 = Ntgα + cl = Wcosαtgα + cl

Ứng với một thỏi, lực chống trượt là T0, lực gây trượt là T Vậy đối với khối đất trượt

n thỏi thì hệ số an toàn K xác định theo công thức sau:

1

1 0

T

T TR

I

n

Nói chung phương pháp Fellenious đối với mái đất cũng như đối với nền đất, hiện nay

chỉ còn giá trị về mặt lịch sử môn học, trong thực tế không dùng nữa vì quá thô sơ về

lý thuyết

2.2.3.2 Phương pháp mặt trượt bất kỳ và bỏ qua các lực tương tác Phương pháp dùng

hệ số huy động cường độ chống cắt của đất

Hệ lực tác dụng vào thỏi đất được trình bày như hình

bên trong đó W là trọng lượng của thỏi đất N và To là phản

lực của khối đất nền lên thỏi đất Hai thành phần phản lực

này có quan hệ với nhau theo định luật Mohr - Coulomb và

có xét đến hệ số huy động cường độ chống cắt của đất F:

l

W α

Ep = 0

Et = 0

F

cl ltg F

l c tg l

α sin

1 cos

W

m cl

Wtg F

với: mα α Fsinαtgϕ

1 cos +

Theo phương pháp phân thỏi, sơ đồ tổng quát các lực tác

dụng lên thỏi thứ i như hình bên Trong đó:

- Pi, Pi+1 - lực đẩy ở hai mặt bên thỏi thứ i

- Hi, Hi+1 - Lực ma sát ở hai mặt bên thỏi thứ i

- Ni - phản lực pháp tuyến lên đáy thỏi thứ i

- Ti - phản lực tiếp tuyến lên đáy thỏi thứ i

iHi

Hi+1

li

NiTi

Wi

α

Pi+1Pi

Để đơn giản tính toán, Terzaghi giả thiết hợp lực của Pi, Hi và hợp lực của Pi+1, Hi+1

có giá trị bằng nhau, tác dụng trên cùng phương và ngược chiều Có nghĩa là chỉ có lực

Wi, Ni, Titác dụng lên thỏi đất thứ i:

Ni = Wicosαi; Ti = Wisinαi (2-16) Tổng momen gây trượt đối với tâm cung trượt O:

∑

∑T i R= (W isinαi)R (2-17)

Tổng momen chống trượt đối với tâm cung trượt O:

∑

Trong đó:

τfi - Cường độ chống cắt tại đáy thỏi thứ i

ci - Lực dính đơn vị tại đáy thỏi thứ i

ϕi - Góc ma sát trong của đất tại đáy thỏi thứ i

Hệ số ổn định của khối trượt được xác định theo công thức:

i i i i

i i

i i i

Ogt

Oct

W

l c tg W

R W

R l c tg N M

M F

α

ϕαα

ϕ

sin

)cos

()

sin(

)(

(2-19)

Đây là công thức Terzaghi đề xuất năm 1936 được sử dụng rộng rãi Kinh nghiệm tính toán cho thấy với công thức không xét lực bên cho hệ số ổn định F thấp (thiên về an toàn) nhưng không sai quá 15%

2.2.3.4 Phương pháp mặt trượt trụ tròn có xét đến lực tương tác ngang (Ei ≠ 0) - Phương pháp Bishop

Terzaghi không xét đến thành phần lực giữa 2 thỏi liền kề nhau đã có nhiều tranh luận trong thực tiễn xây dựng Nhiều tác giả đã xét các lực đó với những phương pháp tính toán khác nhau Dưới đây là phương pháp Bishop:

Wi

Hi+1-Hi i

Pi+1-Pi Ni

Ti

αi

i α

Khi mái dốc ổn định (F > 1), cường độ chống cắt trên phạm vi cung trượt của mỗi khối chỉ phát huy một phần và bằng: