Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng tây nguyên

Khu vực Tây Nguyên có trên 1000 hồ thủy lợi lớn nhỏ, phần lớn sử dụng đập đất được xây dựng bằng phương pháp đầm nén, trong đó có đa số các công trình được xây dựng từ những năm tám mươi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

MAI THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ

ĐỂ NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

MAI THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ

ĐỂ NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 958 02 02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Trọng Tư

HÀ NỘI, NĂM 2019

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Mai Thị Hồng

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian thực hiện luận án, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình

của các nhà khoa học, thầy cô giáo, gia đình và các đồng nghiệp, luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên” đã

hoàn thành

Tác giả xin đặc biệt cảm ơn sâu sắc sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Trọng Tư, GS.TS Lê Kim Truyền, các nhà khoa học, thầy cô giáo trong và ngoài trường

đã hướng dẫn, góp ý cho tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành luận án

Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, Trường Đại học Thuỷ Lợi; Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi và trường Đại học Hồng Đức đã giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả trong thời gian thực hiện luận

án

Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè luôn bên cạnh khích

lệ, nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận án

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7 Cấu trúc của luận án 3

TỔNG QUAN VỀ ĐẬP SỬ DỤNG VẬT LIỆU TẠI CHỖ VÀ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 5

1.1 Đập đất và những yêu cầu khi thiết kế, thi công 5

1.1.1 Tổng quan về đập đất 5

1.1.2 Tổng quan về những yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế và thi công đập đất đầm nén ……… 9

1.2 Phân tích những nguyên nhân gây ra sự cố ở đập vật liệu tại chỗ 13

1.2.1 Nguyên nhân do giai đoạn lập dự án đầu tư 14

1.2.2 Nguyên nhân do khảo sát, đánh giá tài liệu 14

1.2.3 Nguyên nhân do thiết kế 16

1.2.4 Nguyên nhân do thi công 17

1.2.5 Nguyên nhân do quản lý khai thác vận hành 17

1.2.6 Một số ví dụ về sự cố đập đất ở Việt Nam do vật liệu đắp 17

1.3 Đặc điểm hồ chứa và nhu cầu dùng nước trong những năm tới ở Tây Nguyên ……… 19

1.3.1 Đặc điểm hồ chứa và đập đất ở Tây Nguyên 19

1.3.2 Nhu cầu dùng nước trong tương lai 20

1.4 Những nghiên cứu về đập vật liệu tại chỗ 21

1.4.1 Nghiên cứu đập vật liệu tại chỗ trên Thế giới 21

1.4.2 Nghiên cứu trong nước 23

iv

1.5 Những nghiên cứu về sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế giới và

Việt Nam 27

1.5.1 Nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế giới 27

1.5.2 Nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất ở Việt Nam 29

1.6 Những nội dung đặt ra cho nghiên cứu 30

1.7 Kết luận chương 1 31

CƠ SỞ KHOA HỌC CẢI THIỆN VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN 32

2.1 Vật liệu đắp đập ở khu vực Tây Nguyên 32

2.1.1 Đất Aluvi 32

2.1.2 Sườn tàn tích và tàn tích trên các loại đá khác nhau 32

2.2 Bố trí vật liệu đất đắp trong thân đập 34

2.2.1 Nguyên tắc bố trí 34

2.2.2 Bố trí vật liệu trong thân đập 35

2.3 Một số giải pháp kỹ thuật để cải tạo đất đắp đập 36

2.3.1 Giải pháp thay đổi thành phần cỡ hạt 36

2.3.2 Giải pháp cải tạo đất bằng chất kết dính 38

2.3.3 Giải pháp cải tạo đất bằng phương pháp trộn Bitum 39

2.4 Cơ sở khoa học lựa chọn chất kết dính để cải tạo đất có tính thấm lớn và tính tan rã mạnh 40

2.4.1 Tính thấm của đất 40

2.4.2 Tính tan rã của đất 40

2.4.3 Thành phần khoáng vật của đất 41

2.4.4 Quá trình hóa lý xảy ra khi trộn ximăng vào đất 45

2.4.5 Quá trình hóa lý xảy ra khi trộn vôi 47

2.4.6 Cơ sở khoa học lựa chọn chất kết dính vô cơ để cải tạo đất có tính thấm và tính tan rã 48

2.5 Cơ sở khoa học lựa chọn hạt thô để tăng dung trọng khô của đất 49

2.6 Kết luận chương 2 50

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 51

3.1 Đặt vấn đề 51

v

3.2 Lựa chọn mẫu đất và phương pháp nghiên cứu mẫu đất trong khu vực Tây

Nguyên 51

3.2.1 Lựa chọn mẫu đất nghiên cứu 51

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu 52

3.2.3 Thời gian và khối lượng mẫu thí nghiệm 60

3.3 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý và tính chất đặc biệt của mẫu vật liệu sử dụng để nâng cấp đập 61

3.3.1 Thành phần hạt của đất 61

3.3.2 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu vật lý của đất 62

3.3.3 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học của đất 63

3.3.4 Kết quả thí nghiệm các tính chất đặc biệt 64

3.3.5 Tổng hợp nhận xét kết quả thí nghiệm 65

3.4 Nghiên cứu giải pháp tăng khả năng chống thấm 65

3.4.1 Chất kết dính vô cơ để cải tạo đất 66

3.4.2 Quy trình chế bị mẫu khi trộn XM và vôi 66

3.4.3 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng chất kết dính để giảm tính thấm của đất ……… 67

3.4.4 Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của đất sau khi trộn 2% XM và 3% vôi 69

3.5 Nghiên cứu giải pháp chống tan rã đất 70

3.5.1 Quy trình chế bị mẫu thí nghiệm khi trộn chất kết dính xi măng 71

3.5.2 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng ximăng để tăng thời gian tan rã của đất71 3.5.3 Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ học của hỗn hợp đất khi trộn 5% hàm lượng xi măng… 74

3.6 Nghiên cứu giải pháp để nâng cao dung trọng khô của đất 74

3.6.1 Quy trình chế bị mẫu khi trộn dăm sạn 75

3.6.2 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên dung trọng khô lớn nhất và độ ẩm tốt nhất của đất 76

3.6.3 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên khả năng kháng cắt của đất 78

3.6.4 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên tính biến dạng và tính thấm của đất 81

3.6.5 Phân tích lựa chọn tỷ lệ dăm sạn hợp lý 83

3.7 Kết luận chương 3 83

vi

ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ NÂNG CẤP, SỬA

CHỮA MỘT SỐ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 85

4.1 Lựa chọn công trình nghiên cứu 85

4.1.1 Lựa chọn và giới thiệu công trình 85

4.1.2 Đánh giá hiện trạng đập và đề xuất giải pháp nâng cấp 86

4.2 Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng khối đất đắp để nâng cấp đập 90

4.2.1 Giới thiệu phần mềm tính toán 90

4.2.2 Tính toán thấm qua thân đập khi đắp áp trúc mái thượng lưu 92

4.2.3 Tính toán ổn định mái đập 96

4.3 Công nghệ xử lý đất gia cố và thi công đắp áp trúc mái thượng lưu đập 101

4.3.1 Chuẩn bị máy móc, thiết bị và nhân lực 101

4.3.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu thi công 101

4.3.3 Quy trình trộn đất theo tỷ lệ hỗn hợp gia cố sử dụng phương pháp dây chuyền 101 4.3.4 Công nghệ thi công đắp áp trúc mái thương lưu đập 102

4.4 Kết luận chương 4 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 108

1 Bài báo khoa học 108

2 Hội nghị khoa học 108

3 Đề tài khoa học 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Đập đất Tả Trạch - Thừa Thiên Huế 7

Hình 1 2 Quan hệ giữa dung trọng khô và độ ẩm của đất 12

Hình 1 3 Mái thượng lưu đập đất hồ Am Chúa, Khánh Hòa sau sự cố 19

Hình 1 4 Tương quan giữa lực đầm nén, dung trọng khô và độ ẩm đất 22

Hình 2 1 Bố trí vật liệu đất đắp trong thân đập 36

Hình 2 2 Đường cong thành phần hạt 37

Hình 2 3 Phân tố đơn vị của khoáng vật sét a) Khối bốn mặt; b) Khối tám mặt 42

Hình 2 4 Phân tử nước bị phân cực trong điện trường 42

Hình 2 5 Cấu trúc lớp lưới 43

Hình 2 6 Cấu tạo lớp khuếch tán đôi quanh hạt sét 48

Hình 3 1 Các đặc trưng thành phần hạt 54

Hình 3 2 Các mẫu đất sau khi chế bị 56

Hình 3 3 Máy cắt phẳng xác định lực dính C và góc ma sát trong  56

Hình 3 4 Thí nghiệm tính nén lún của đất 57

Hình 3 5 Thí nghiệm xác định các đặc trưng trương nở của đất 59

Hình 3 6 Thí nghiệm xác định tính tan rã của đất 60

Hình 3 7 Đường cong cấp phối của 3 mẫu đất nghiên cứu 61

Hình 3 8 Ảnh hưởng của hàm lượng XM và 2% lượng vôi với hệ số thấm 68

Hình 3 9 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi và 2% lượng xi măng với hệ số thấm 69

Hình 3 10 Ảnh hưởng của hàm lượng XM đến thời gian tan rã của đất 72

Hình 3 11 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên dung trong khô lớn nhất 77

Hình 3 12 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn đến độ ẩm tốt nhất 78

Hình 3 13 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên góc ma sát trong của đất 79

Hình 3 14 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên lực dính đơn vị 79

Hình 3 15 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên môđun biến dạng 81

Hình 3 16 Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên hệ số thấm 82

Hình 4 1 Sơ đồ các lớp đất của đập đất Buôn Sa 85

Hình 4 2 Mái hạ lưu đập có nhiều vết nứt và các lỗ rỗng (Ảnh chụp ngày 13/8/2015) 86

viii

Hình 4 3 Kết quả tính thấm với đập hiện trạng 87

Hình 4 4 Kết quả tính ổn định mái TL đập hiện trạng 87

Hình 4 5 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập hiện trạng 87

Hình 4 6 Sơ đồ đắp áp trúc mái TL để nâng cấp chống thấm cho đập 88

Hình 4 7 Sơ đồ mặt cắt tính toán 95

Hình 4 8 Kết quả tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 95

Hình 4 9 Kết quả tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m 95

Hình 4 10 Kết quả tính thấm với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m 96

Hình 4 11 Kết quả tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 98

Hình 4 12 Kết quả tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 4.5m 99

Hình 4 13 Kết quả tính ổn định mái TL với chiều rộng đỉnh đập B = 5.0m 99

Hình 4 14 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B = 4.0m 99

Hình 4 15 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=4.5m 100

Hình 4 16 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu với chiều rộng đỉnh đập B=5.0m 100

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên thế giới (H≥15m) 6

Bảng 1 2 Số lượng và phân loại hồ chứa thủy lợi theo dung tích, không kể hồ thủy điện 7

Bảng 1 3 Giá trị độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất 12

Bảng 1 4 Tỷ lệ hư hỏng đập đất vừa và nhỏ ở Tây Nguyên 20

Bảng 1 5 Đặc tính tan rã của đất có nguồn gốc khác nhau 26

Bảng 1 6 Tỷ lệ xi măng với các loại đất khác nhau 27

Bảng 3 1 Phân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn Nga (Snhip) CHИП 2-05-08-1985 59

Bảng 3 2 Bảng thống kê thí nghiệm trong phòng 60

Bảng 3 3 Thành phần hạt của đất thí nghiệm 61

Bảng 3 4 Thí nghiệm các chỉ tiêu vật lý của đất 63

Bảng 3 5 Các chỉ tiêu cơ học của đất thí nghiệm 63

Bảng 3 6 Kết quả thí nghiệm tính co ngót, trương nở và độ tan rã 64

Bảng 3 7 Các chỉ tiêu chất lượng XM Vicem Hoàng Thạch PCB30 66

Bảng 3 8 Kết quả thí nghiệm thấm theo hàm lượng XM và 2% vôi 67

Bảng 3 9 Kết quả thí nghiệm thấm theo hàm lượng vôi và 2% hàm lượng XM 68

Bảng 3 10 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất 70

Bảng 3 11 Kết quả thí nghiệm xác định thời gian tan rã của đất 72

Bảng 3 12 Thí nghiệm kiểm chứng các chỉ tiêu cơ học của đất khi trộn 5% XM 74

Bảng 3 13 Quan hệ giữa tỉ lệ dăm sạn, độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất 76

Bảng 3 14 Quan hệ giữa hàm lượng dăm sạn, góc ma sát trong và lực dính đơn vị 78 Bảng 3 15 Quan hệ giữa tỷ lệ dăm sạn, môđun biến dạng và hệ số thấm 81

Bảng 4 1 Các thông số cơ bản của đập đất hồ chứa Buôn Sa 85

Bảng 4 2 Các thông số của của vật liệu trong tính toán 86

Bảng 4 3 Yêu cầu nâng cấp đập đất Buôn Sa 89

Bảng 4 4 Quy định trị số gradient cho phép trong thân đập 89

Bảng 4 5 Hệ số thấm của vật liệu đắp đập và đất nền dùng trong mô hình tính thấm 94

x

Bảng 4 6 Kết quả tính thấm tính với chiều rộng khối đắp khác nhau 96

Bảng 4 7 Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đắp đập và đất nền 97

Bảng 4 8 Kết quả tính toán hệ số ổn định mái đập 100

Bảng 4 9 Sơ đồ thi công dây chuyền khu vực trộn đất 102

ICOLD Hội đập lớn thế giới

MA Mẫu đất tại bãi vật liệu A

MB Mẫu đất tại bãi vật liệu B

MC Mẫu đất tại bãi vật liệu C

TCXD Tiêu chuẩn xây dựng

VLTC Vật liệu tại chỗ

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các tỉnh Tây Nguyên có mạng lưới sông suối khá dày, nhiều ghềnh thác, là nơi khởi nguồn của 4 hệ thống sông chính gồm: hệ thống sông Pô Kô - Sê San ở Kon Tum đổ vào sông Mê Kông; hệ thống sông Ba - Ayun ở Gia Lai đổ vào sông Đà Rằng chảy ra biển Đông; hệ thống sông Sêrêpôk ở Đắk Lắk đổ vào sông Mê Kông và hệ thống sông Đồng Nai ở Đắk Nông và Lâm Đồng chảy ra biển Đông

Khu vực Tây Nguyên, tỷ lệ lượng nước yêu cầu nhỏ hơn nhiều so với lượng nước tiềm năng, nhưng hiện tượng thiếu hụt nước phục vụ cho nông nghiệp và các ngành kinh tế khác vẫn diễn ra gay gắt [1] Như vậy vẫn có một lượng nước dư thừa rất lớn chưa được

sử dụng phục vụ cho phát triển đời sống xã hội và dân sinh kinh tế Khu vực Tây Nguyên

có trên 1000 hồ thủy lợi lớn nhỏ, phần lớn sử dụng đập đất được xây dựng bằng phương pháp đầm nén, trong đó có đa số các công trình được xây dựng từ những năm tám mươi, chín mươi với điều kiện thi công và công nghệ xây dựng còn hạn chế, nên nhiều công trình đã xuống cấp, không đảm bảo an toàn cho khai thác, sử dụng như sạt lở mái thượng

hạ lưu, thấm qua thân đập Mặt khác, theo nhu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Tây Nguyên, theo dự báo [2] yêu cầu dùng nước cho nông nghiệp tăng từ 1112%; nước cho công nghiệp tăng 1.71.8 lần, nước cho sinh hoạt tăng 1.92.0 lần so với hiện nay Nhu cầu dùng nước ngày càng tăng cao, nhưng điều kiện xây dựng các hồ chứa mới rất khó khăn Vì vậy yêu cầu nâng cấp, sửa chữa các công trình thủy lợi ở Tây Nguyên rất lớn, đặc biệt các hồ chứa loại vừa và nhỏ được xây dựng bằng phương pháp đầm nén, nó thường nằm rải rác phân tán, khối lượng vật liệu sử dụng cho việc nâng cấp hồ đập là không lớn lắm Ngoài ra, các vùng đất Tây Nguyên đã được quy hoạch thành các khu trồng cây ăn quả, cây công nghiệp nên việc lấy đất để sửa chữa, nâng cấp đập là khó khăn Nên việc nghiên cứu sử dụng vật liệu tại chỗ tại vùng có công trình xây dựng để nâng cấp, sửa chữa là cần thiết, mang lại giá trị kinh tế và kỹ thuật cao Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu việc sử dụng đất Tây Nguyên để đắp đập, nhưng chưa có

đề tài đi sâu nghiên cứu sử dụng hợp lý các loại vật liệu bồi tích trẻ ở các hồ đập, sông suối để tận dụng sử dụng cho việc nâng cấp, sửa chữa đập

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định hàm lượng dăm sạn hợp lý để tăng dung trọng khô của đất đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất;

- Xác định hàm lượng ximăng hợp lý để giảm tính tan rã của đất có chứa nhiều dăm sạn đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất;

- Xác định hàm lượng ximăng và vôi hợp lý để giảm tính thấm của đất có chứa nhiều dăm sạn đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng

- Các đập đất thủy lợi vừa và nhỏ;

- Loại đất nghiên cứu: Đất bồi tích trẻ có khối lượng thể tích khô hay dung trọng khô nhỏ và có tính thấm lớn, tan rã mạnh;

- Dăm sạn có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10mm;

- Các chất kết dính là xi măng và vôi

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Khu vực nghiên cứu: Các tỉnh thuộc Tây Nguyên;

- Xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB 30

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các tính chất cơ lý và tính chất đặc biệt của một số loại vật liệu tại chỗ ở Tây Nguyên khi sử dụng để đắp đập;

- Áp dụng kết quả nghiên cứu mới để nâng cấp đập vật liệu tại chỗ Buôn Sa

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đó tìm ra những vấn đề khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ;

- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo các mẫu đất với các tỷ lệ dăm sạn, xi măng và xi măng kết hợp với vôi khác nhau, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý và tính chất đặc biệt, so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành và đưa ra hàm lượng dăm sạn, xi măng và xi măng kết hợp với vôi hợp lý để sử dụng cho việc nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên;

- Phương pháp chuyên gia: Thông qua các hội thảo khoa học để lấy ý kiến đóng góp của các chuyên gia về cách tiếp cận, nghiên cứu, các luận cứ khoa học và các giải pháp;

- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cho công trình đập đất sử dụng vật liệu tại chỗ để nâng cấp, sửa chữa đập

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Luận án đã bổ sung làm sâu sắc thêm các vấn đề khoa học của đất Tây Nguyên để nghiên cứu nhằm xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập vùng Tây Nguyên

- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là những cơ sở khoa học để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về đập sử dụng vật liệu tại chỗ và đập đất ở Tây Nguyên

Đến nửa cuối thế kỷ XIX ở nhiều nước phát triển như Anh, Pháp, Mỹ đã bắt đầu xây dựng các công trình thủy lợi lớn và có nhiều phương pháp tính toán khác nhau về ổn định, thấm, để áp dụng cho việc xây dựng đập Mỹ là nước đầu tiên sử dụng phương pháp thi công cơ giới thủy lực để xây dựng đập đất

Đập đất được xây dựng nhiều nhất vào những năm 19201930, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý thuyết thấm, địa chất thủy văn, địa chất công trình và việc ứng dụng các phương tiện thi công cơ giới hóa, nên đã bắt đầu xây dựng được các đập khá cao và khối lượng lớn, sử dụng nhiều loại vật liệu như sỏi, cát, đá dăm

Ngày nay, có rất nhiều đập cao là đập đất, đất đá hỗn hợp như: Đập Anderson Ranch (Mỹ) xây năm 1950 cao 139m, Đập Orovin (Mỹ) cao 221m; Đập Xerơ Pongxong (Pháp) xây năm 1961 cao 122m; Đập Bariri (Brazin) xây năm 1967 cao 112m [4]

Hội đập lớn Nhật Bản (JCOLD) thống kê từ năm 400 đến 2009, đập có chiều cao từ

1530m có khoảng 2300 đập; đập cao trên 30m từ năm 700 đến 2009 có khoảng 1120

6

đập chủ yếu là đập đất hoặc đập đất đá hỗn hợp Do Nhật Bản là quốc gia có động đất thường xuyên diễn ra, đập đất đá chịu động đất tốt, nên loại đập này được ứng dụng phổ biến

Theo Hội đập lớn thế giới (ICOLD) một tổ chức phi chính phủ, là cơ quan đại diện cho hơn 80 nước xây dựng đập ICOLD có nhiệm vụ trao đổi ý kiến và kinh nghiệm giữa các nước trong việc thiết kế, xây dựng và vận hành, bao gồm cả điều kiện môi trường Hội đập lớn của nhiều nước đã công bố trên các website của mình danh mục đập và hồ chứa Theo thống kê của ICOLD trên Thế giới có 58.519 đập, trong đó đập vật liệu tại chỗ chiếm 76%, trong đó 63% là đập đất [5] Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên Thế giới được thống kê trên Bảng 1 1 theo [5], trong đó Trung Quốc là quốc gia có

số lượng đập nhiều nhất trên Thế giới

Bảng 1 1 Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên thế giới (H≥15m)

TT Tên nước Số lượng TT Tên nước Số lượng

5 Tây Ban Nha 1196 21 Zim-ba-buê 213

14 Vương Quốc Anh 517 30 Indonesia 96

Ở Việt Nam, đập đất là loại công trình dâng nước và được dùng phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa nước Những hồ chứa đã xây dựng ở nước ta chủ yếu sử dụng bằng đập vật liệu tại chỗ (VLTC), trong đó đập đất chiếm đại đa số [6] Trước năm 1945, việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, khi đó nước ta mới chỉ xây dựng được 12 hệ thống thủy lợi như: Đô Lương, Bái Thượng, Thác Huống, Liễn Sơn, Liên Mạc,… Nhưng từ sau năm

7

1945, đặc biệt từ khi đất nước thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa phát triển mạnh về

số lượng và quy mô công trình, từ năm 1976 đến nay số hồ chứa xây dựng mới chiếm 67% [7] Hiện nay, có nhiều hồ lớn, đập cao được xây dựng ở những nơi có điều kiện

tự nhiên phức tạp Theo thống kê của Tổng cục thủy lợi, cả nước hiện có 6886 hồ chứa, trong đó có 6.648 hồ chứa thủy lợi chiếm 96.5% và 238 hồ chứa thủy điện chiếm 3.5% với tổng dung tích khoảng 63 tỷ m3 nước, được thể hiện trong Bảng 1 2 [8] Các hồ chứa vừa và nhỏ chiếm tỷ lệ lớn, các hồ này nằm rải rác khắp nơi tạo nên thế mạnh nhất định, như vốn đầu tư ít, thời gian thi công nhanh, sớm đi vào hoạt động, phục vụ đắc lực cho phát triển nông nghiệp nông thôn và phù hợp với nền sản xuất nông nghiệp chiếm

tỷ trọng lớn ở nước ta Các hồ chứa lớn tuy ít về số lượng, nhưng lại có vai trò quyết định đến sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, phát điện,…Tổng số hồ chứa nước, các tỉnh từ Nghệ An trở ra đến các tỉnh miền núi phía Bắc là 4224 hồ chiếm 64% số hồ

cả nước Các tỉnh có nhiều hồ chứa là: Nghệ An 629 hồ, Thanh Hóa 610 hồ, Hòa Bình

513 hồ, Bắc Giang 422 hồ, Tuyên Quang 346 hồ Chủ yếu đập ở các hồ này là đập đất hoặc đập đất đá hỗn hợp

Bảng 1 2 Số lượng và phân loại hồ chứa thủy lợi theo dung tích, không kể hồ thủy

hồ chứa được tuân thủ theo [10]

Đập VLTC được sử dụng rộng rãi vì có những lợi thế sau:

- Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập không cao so với các loại đập khác, do vậy đập có thể xây dựng trên hầu hết các loại địa chất nền và điều kiện khí hậu, kể cả những vùng có động đất;

- Với những kết quả nghiên cứu trong các lĩnh vực Cơ học đất; Vật liệu xây dựng; Kỹ thuật chống thấm;…vì vậy có thể sử dụng được tất cả các loại đất để đắp đập;

- Khi thi công có khả năng cơ giới hóa cao, rút ngắn thời gian thi công, hạ giá thành công trình;

- Tổ chức công trường xây dựng và giám sát kỹ thuật không phức tạp;

- Đập có cấu tạo đơn giản, dễ quản lý, dễ tôn cao, đắp dày khi sửa chữa, nâng cấp Đập VLTC là công trình chắn nước, trong quá trình làm việc thường có những đặc tính sau: Chịu tác động trực tiếp của sóng, gió, dòng nước và các ngoại lực phức tạp nên yêu cầu đảm bảo về chịu lực như ổn định về thân, nền đập, ổn định chống trượt của mái thượng, hạ lưu đập trong mọi điều kiện làm việc của đập và đảm bảo yêu cầu chống thấm theo tiêu chuẩn thiết kế của nền đập, thân đập, thấm vòng quanh bờ,…

Bên cạnh những ưu điểm, đập VLTC còn tồn tại những nhược điểm như:

- Do đập thường là khối lớn nên diện tích chiếm đất vĩnh viễn và chiếm đất tạm thời lớn, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và môi trường xã hội;

- Đập không cho nước tràn qua nên phải xây dựng những công trình xả nước riêng, trong trường hợp nền đá tốt có thể không kinh tế;

1.1.2 Tổng quan về những yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế và thi công đập đất đầm nén

1.1.2.1 Yêu cầu về thiết kế

Khi thiết kế đập đất phải đảm bảo các yêu cầu theo [11], cụ thể: Đập và nền đập phải ổn định trong thời gian thi công và khai thác; Thấm qua nền và thân đập không gây mất nước quá lớn từ hồ chứa, không gây xói ngầm; Không cho phép nước tràn qua; Có các thiết bị bảo vệ đập khỏi bị tác hại của sóng, gió, mưa, nắng ; Lựa chọn loại đập đất, cấu tạo các bộ phận, thời gian và phương pháp thi công hợp lý, sử dụng và quản lý thuận lợi, giá thành rẻ

1.1.2.2 Yêu cầu về kỹ thuật thi công

- Khi đắp đập phải đắp đất đều trên phạm vi đập từ thấp đến cao Trong trường hợp cần thiết, được sự đồng ý của thiết kế cho phép đắp dật cấp phải chú ý xử lý tốt chỗ tiếp giáp;

- Khi sử dụng nhiều loại đất khác nhau để đắp đập, cần phải tuân thủ theo thiết kế về vị trí đắp của từng loại đất trong thân đập, với vật liệu ít thấm nước phải được đắp ở vị trí trung tâm khối đập, còn với vật liệu thấm nước lớn hơn được đắp ở vị trí ở hạ lưu đập;

- Mỗi lớp đắp phải đạt dung trọng khô thiết kế và hệ số đầm chặt K Để đầm nén đạt

dung trọng khô thiết kế, cần phải thực hiện đúng các quy định về: độ ẩm của đất; chiều dày lớp đất rải; số lần đầm Các thông số này được lựa chọn từ kết quả thí nghiệm đầm nén hiện trường;

- Khi thay đổi máy đầm cần phải kiểm tra lại chiều dày lớp đất rải và số lần đầm Chiều dày lớp rải đất trước khi đầm thường chọn trong phạm vi 0.250.5 m, nếu chiều dày lớp dải là 0.25m và số lần đầm là 12 lượt mà không đạt dung trọng khô thiết kế thì phải thay đổi máy đầm, không nên tăng số lần đầm, hiệu quả sẽ kém và thời gian đầm sẽ kéo dài

và đầm đều trong hàng và tiến lên cho tới khi xong, các vết đầm phải chồng lên nhau khoảng 1/3 chiều rộng của quả đầm;

- Khi thi công đắp đập phải cố gắng cao đều, tránh tạo nên quá nhiều mặt nối tiếp, các lớp đắp liên tiếp phải liền khối Khu trung tâm khối đập phải được đắp trước và cao hơn một chút nhằm tạo ra độ dốc thoải từ 12% để thoát nước khi mưa Nếu gặp trời mưa khi thi công, yêu cầu mặt lớp đất đắp phải được đầm nhẵn để tăng khả năng thoát nước

và tăng độ kín nước trên bề mặt

1.1.2.3 Yêu cầu về lựa chọn vật liệu đắp đập khi thi công đập đất đầm nén

Lựa chọn vật liệu đắp đập khi thi công đập đất đầm nén, phải đảm bảo các yêu cầu sau [12]:

- Đất đắp vào thân đập thường phải thoả mãn các yêu cầu: Sức kháng cắt (C, ) cao; Hệ

số thấm (K) nhỏ; Hàm lượng chất hữu cơ, tạp chất nhỏ hơn 5%, hàm lượng muối tan < 0,3%; Chỉ số dẻo I P = W L - W P = (720)%;

- Thành phần hạt C c = d 60 / d 10 < (30100), khi thiết kế đã chỉ ra đường bao cấp phối cho phép; Đất không bị biến chất, phong hoá hoặc gây biến dạng lớn sau khi đầm nện; Hàm lượng hạt sét không chiếm nhiều hơn (5060)%, tốt nhất nằm trong khoảng (1025)%;

1.1.2.4 Yếu tố quyết định đến hiệu quả đầm nén

Khi thi công đập đất đầm nén cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đầm chặt như: Dung trọng khô c ; Độ ẩm W; Áp lực đầm nén (loại đầm); Loại đất (thành phần

hạt, hàm lượng các hạt sét, chiều dày rải đất …)

dung trọng khô tăng, khi độ ẩm đạt đến một trị số nào đó thì dung trọng khô đạt lớn nhất, độ ẩm lúc này được gọi là độ ẩm tốt nhất của đất ứng với công năng đầm nhất định Sau khi vượt quá độ ẩm tốt nhất, dung trọng khô sẽ giảm dần Khi thi công, người

ta cố gắng có được đất có độ ẩm tốt nhất Tuy nhiên, thực tế thường phải có giải pháp tăng hoặc giảm ẩm cho đất tự nhiên

12

Hình 1 2 Quan hệ giữa dung trọng khô và độ ẩm của đất Theo TCVN 8297-2009, có thể tham khảo giá trị độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất đạt được khi đầm Proctor ở Bảng 1 3 [12]

Bảng 1 3 Giá trị độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất

Loại đất Độ ẩm tốt nhất, % Dung trọng khô lớn nhất có thể đạt

được khi đầm Proctor, g/cm3

13

b/ Ảnh hưởng của loại đất và thành phần hạt

- Đối với loại đất dính (đất sét, đất thịt) lực keo kết lớn, lực ma sát nhỏ, nên dưới tác dụng của lực đầm nén đất dễ bị co ép hoặc giãn nở nhưng do tính thấm nước nhỏ, thoát nước khó khăn nên quá trình co ép tương đối chậm, khó đầm chặt

- Đối với đất không dính, lực keo kết nhỏ, ma sát lớn, tính co ép và giãn nở tương đối nhỏ, nhưng tính thấm nước lớn, nên dưới tác dụng của lực đầm nén nước thoát ra nhanh,

dễ đầm chặt

- Đối với đất có cấu tạo hạt to nhỏ khác nhau, hay thành phần hạt phân bố không đồng đều thì khi đầm nén những hạt nhỏ dễ dàng chui vào kẽ rỗng giữa các hạt làm cho tỷ lệ rỗng giảm xuống, độ chặt tăng lên Ngược lại, khi thành phần hạt phân bố đều, thì dung trọng khô đạt được nhỏ

Do đó, trong thi công đập đất để lựa chọn các yếu tố phù hợp với điều kiện yêu cầu kỹ thuật, điều kiện tự nhiên và công nghệ thi công, cần phải thí nghiệm đất đắp đập để có những giải pháp thi công hợp lý

1.2 Phân tích những nguyên nhân gây ra sự cố ở đập vật liệu tại chỗ

Theo các thống kê khác nhau trên Thế giới, chỉ ra rằng những hư hỏng xuất hiện ở đập VLTC chiếm phần lớn trong tổng số các hư hỏng đập Ở Trung Quốc từ năm 1954 đến năm 2006 cho thấy có 3498 đập bị hư hỏng, trong đó các hư hỏng của đập VLTC chiếm 90%, trong số đó 85% các hư hỏng xuất hiện ở đập đất đồng chất [13] hoặc tổng kết của hơn 900 hư hỏng đập trên Thế giới có đến 65% các hư hỏng này xuất hiện ở đập VLTC [14]

14

thân đập không tốt; Đất đắp đập có chất lượng không tốt; Chọn dung trọng khô thiết kế quá thấp; Đất đầm nện không đảm bảo độ chặt yêu cầu; Có các hang chuột, tổ mối trong thân đập không được phát hiện và xử lý kịp thời;

- Sạt mái thượng lưu đập, do các nguyên nhân: Tính sai cấp bão, thi công lớp gia cố kém chất lượng, đất mái đập thương lưu đầm nện không chặt hoặc không xén mái, chế độ bả dưỡng duy tu, sửa chữa không được tuân thủ;

- Nứt trong thân đập, có nứt ngang và nứt dọc đập Các vết nứt ngang do lún không đều, đất đắp đập có tính lún ướt hoặc tan rã mạnh, phân đoạn thi công và xử lý nối tiếp các đoạn đập không tốt Các vết nứt dọc do nước trong hồ dâng cao đột ngột, nền đập bị lún trên chiều dài dọc tim đập, đất đắp đập khối thượng lưu có tính chất đặc biệt như lún ướt, tan rã mạnh hay trương nở lớn

Nguyên nhân gây ra sự cố ở đập đất được bắt nguồn từ nhiều khía cạnh, thể hiện từ khâu khảo sát, đánh giá tài liệu, đến thiết kế, thi công và quản lý vận hành Từ thực tế, người

ta đã rút ra được các nguyên nhân gây nên sự cố đập theo thứ tự xuất hiện như sau [15], [16]:

1.2.1 Nguyên nhân do giai đoạn lập dự án đầu tư

Đã có nhiều sự cố công trình xảy ra mà nguyên nhân gián tiếp là do sai phạm từ các bước trong giai đoạn lập dự án đầu tư, Một số bước có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng công trình như:

- Lựa chọn sai các phương án đầu tư;

- Lựa chọn vị trí xây dựng công trình không đúng

1.2.2 Nguyên nhân do khảo sát, đánh giá tài liệu

Công tác khảo sát, đánh giá tài liệu là khâu cơ bản phục vụ cho công tác thiết kế, đóng vai trò rất quan trọng để xác định quy mô, kích thước, kết cấu công trình và quyết định lớn đến phương án thi công, công nghệ thi công Tài liệu khảo sát bao gồm khảo sát địa chất, địa chất thuỷ văn, dòng chảy và địa hình

15

a/ Khảo sát địa chất

Công tác khảo sát đánh giá điều kiện địa chất công trình và vật liệu xây dựng là một trong những công đoạn khó và phức tạp trong các giai đoạn thiết kế công trình, đặc biệt giai đoạn thiết kế kỹ thuật Công tác khảo sát tốt, sẽ giúp cho nhà thiết kế chọn giải pháp công trình phù hợp, quy mô, kết cấu hợp lý nhằm thoả mãn điều kiện kinh tế kỹ thuật theo đúng các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành

Qua các sự cố của các đập đã xảy ra, xem xét lại nguyên nhân gây ra sự cố, xét ở góc độ khảo sát cơ bản, nhận thấy công tác khảo sát còn hạn chế do những yếu tố sau:

- Công tác khảo sát phục vụ cho tài liệu báo cáo chưa đảm bảo đúng trình tự, quy trình, quy phạm Chủ nhiệm dự án chưa làm đủ, làm đúng các yêu cầu kỹ thuật trong khảo sát, còn xem nhẹ, tài liệu thăm dò ít, sơ sài;

- Do hạn chế của điều kiện thiết bị, từ khoan đến dụng cụ thí nghiệm, nên độ chính xác của các thông số thí nghiệm còn hạn chế;

- Công tác khảo sát vật liệu đắp đập còn hạn chế, có những bãi vật liệu gồm nhiều loại đất, nhưng khi khảo sát coi như là một loại đất đồng chất;

- Do cấu trúc địa tầng thay đổi và ngay cả trong cùng một lớp cũng thay đổi Vì vậy nếu công tác khảo sát không chi tiết, không phân vùng, phân lớp, tài liệu thí nghiệm lấy từ trị số bình quân thì rõ ràng kết quả lựa chọn trong đầm nện càng sai khác nhiều so điều kiện thực tế

b/ Tài liệu cơ bản phục vụ cho tính toán thuỷ văn công trình

Tài liệu thuỷ văn đóng vai trò rất quan trọng trong tính toán dòng chảy Để kết quả tính toán lũ đảm bảo độ tin cậy thì chuỗi số liệu cơ bản phải đủ dài và tính đại biểu phải cao Tuy nhiên, đa số các hồ đập ở khu vực Tây Nguyên được xây dựng từ những năm 1980,

1990 đều thiếu tài liệu thủy văn, một số hồ chứa do không có trạm đo nên phải dùng tài liệu tương tự của vùng lân cận, khi mượn tài liệu tính thì phải đưa ra những chỉ số hiệu chỉnh, điều này bị hạn chế khi tài liệu cơ sở cho tính toán cũng thiếu

16

c/ Tài liệu khảo sát địa hình chưa đủ hoặc độ chính xác không đảm bảo

Tài liệu khảo sát địa hình là cơ sở cho việc xác định kích thước, chọn tuyến và kết cấu công trình, công tác khảo sát chính xác thì phần nối tiếp công trình sẽ hợp lý, công trình làm việc bình thường với dòng chảy thiết kế Thực tế cho thấy công tác khảo sát công trình loại vừa và nhỏ còn có những tồn tại, ảnh hưởng không ít đến việc lựa chọn kết cấu công trình, đặc biệt là công trình bê tông, công trình đá xây

1.2.3 Nguyên nhân do thiết kế

Do điều tra đánh giá không hết các yếu tố bất lợi, nên không xử lý triệt để các bất lợi hoặc xử lý không hết phạm vi cần xử lý; Sử dụng không đúng tiêu chuẩn thiết kế; Bố trí các khối đất đắp không hợp lý, lấy mẫu không đúng hay không phù hợp các chỉ tiêu thiết

kế Có thể kể một số nguyên nhân sau:

- Việc lựa chọn dung trọng khô thiết kế cho đập đất là một chỉ tiêu quan trọng cần được nghiên cứu lựa chọn để quá trình thi công có thể đạt được để đảm bảo các yêu cầu của thiết kế, bảo đảm an toàn đập trong quá trình sử dụng khai thác Thông thường các bãi vật liệu có lớp cấu trúc địa chất khác nhau, tính chất cơ lý ở các bãi khác nhau và sự sai khác đó lại diễn ra ngay trên cùng một bãi Như vậy lựa chọn dung trọng khô thiết kế và

tổ hợp bố trí khối đắp nhằm giảm khả năng xảy ra sự cố đối với đập VLTC Trong trường hợp đất các bãi có đặc trưng cơ lý thay đổi, khi thiết kế cần phân vùng sử dụng vật liệu, tại kết cấu quan trọng, lún ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện ổn định công trình thì nên được ưu tiên trong thi công, nên sử dụng vật liệu đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của thiết kế đặt ra Những phần có tầm quan trọng nhỏ hơn được phép sử dụng vật liệu thông thường, nhằm tránh khỏi biến cố cục bộ xảy ra ở những vị trí cá biệt của công trình

- Không có biện pháp xử lý độ ẩm cho đất đắp đập, vì có nhiều loại đất khác nhau yêu cầu về độ ẩm cũng khác nhau, độ ẩm đất thay đổi theo thời tiết, nên trong công tác thiết

kế cần đưa ra giải pháp xử lý độ ẩm thích hợp để không ảnh hưởng đến hiệu quả đầm nén và dung trọng của đất

- Bố trí các khối đắp không hợp lý, khi đất đắp đập có nhiều loại, việc xem đập đất đồng chất là sai lầm, đây là một nguyên nhân chính gây nên sự cố vỡ đập

17

1.2.4 Nguyên nhân do thi công

Trong thi công cũng có rất nhiều sai sót như: Lựa chọn phương pháp thi công không hợp lý; không đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật như dung trọng khô, hệ số đầm chặt; xử lý nối tiếp giữa đập với công trình trong đập; xử lý nối tiếp giữa đập với thiết bị thoát nước, thiết bị chống thấm, giữa đập với nền, giữa thân đập với bờ vai, giữa các lớp đắp trước, đắp sau,…, không tạo nên một chỉnh thể Bên cạnh đó, thiếu sự giám sát kỹ thuật chặt chẽ, công tác kiểm định chất lượng vật liệu không nghiêm ngặt cũng là nguyên nhân gây

hư hỏng đập đất

1.2.5 Nguyên nhân do quản lý khai thác vận hành

Công tác quản lý vận hành chưa được chú trọng, chưa quan tâm đúng mức, thậm chí có

cả những công trình không có người quản lý vận hành, do vậy không phát hiện được sự

cố ngay từ khi mới có hiện tượng sự cố ban đầu;

Thiếu sự quan trắc kiểm tra thường xuyên, định kỳ; Không xử lý kịp thời các hư hỏng nhỏ như các bộ phận bảo vệ mái đập, bộ phận chống thấm, bộ phận vận hành tháo lũ,… Không có số liệu quan trắc trong quá trình quản lý vận hành, để phân tích sự cố công trình; Công tác quản lý vận hành chưa đưa ra các tình huống đối phó để có kinh nghiệm khi tình huống xảy ra;

Đa số công trình vừa và nhỏ ở Tây Nguyên giao cho địa phương quản lý, năng lực của cán bộ quản lý còn yếu, không có cán bộ chuyên trách, thậm chí có cả cán bộ quản lý không có chuyên môn nghiệp vụ về kỹ thuật thủy lợi

Nghiên cứu phân tích một số nguyên nhân gây nên sự cố là những bài quý giá và sâu sắc để cảnh báo cho các nhà tư vấn, thiết kế luôn phải nghĩ tới để phòng ngừa những sự

cố có thể xảy ra, đặc biệt với những công trình nâng cấp, sửa chữa có những đặc điểm riêng của công trình như khối đắp trước, đắp sau

1.2.6 Một số ví dụ về sự cố đập đất ở Việt Nam do vật liệu đắp

1.2.6.1 Sự cố đập Suối Hành

Hồ chứa nước Suối Hành nằm ở xã Cam Phước Đông, huyện Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa, do Công ty Xây dựng Thuỷ lợi 7 thuộc Bộ Thuỷ lợi thi công Đập được khởi công

rã và lún ướt mạnh Khi thiết kế không có biện pháp xử lý độ ẩm cho đất đắp đập, do độ

ẩm của đất ở các bãi vật liệu rất khác nhau, có loại đất phải tưới ẩm, có loại đất phải phơi khô, trong khi đó khi thiết kế lựa chọn độ ẩm tốt nhất W = 18% chung cho cả hai loại đất là sai lầm Đây là lý do dẫn đến sự cố vỡ đập xảy ra ngày 03/12/1986

1.2.6.2 Đập Suối Trầu

Đập Suối Trầu được xây dựng tại xã Ninh Xuân, huyện Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa Công trình khởi công vào ngày 02 tháng 4 năm 1977, hoàn công dự kiến ngày 19 tháng

12 năm 1977, nhưng công trình chưa hoàn công thì đập chính bị vỡ một lần vào ngày

12 tháng 11 năm 1977, sau đó đập bị vỡ tiếp hai lần nữa vào ngày 05 tháng 11 năm 1978

và ngày 19 tháng 11 năm 1979 Nguyên nhân gây ra sự cố do chọn dung trọng khô thiết

kế không hợp lý, cụ thể chọn dung trọng khô thiết kế là 1.5 T/m3, trong khi đó dung trọng khô đất tự nhiên là 1.651.80 T/m3, còn đất chế bị đạt 1.821.84 T/m3 Qua kiểm tra đất đắp khi thi công đập, dung trọng khô của đất đắp đạt được quá thấp, có 68% mẫu đất kiểm tra đạt dung trọng khô 1.5 T/m3 và 32% mẫu đất chỉ đạt 1.301.40 T/m3 [17]

1.2.6.3 Đập đất Am Chúa

Đập đất Am Chúa được xây dựng năm 1987 và cơ bản hoàn thành vào năm 1992 Đập đất dài 330 m, cao 24.5 m, cao trình đỉnh đập 37.0 m Sự cố đập xảy ra vào tháng 10 năm 1989 và tháng 10 năm 1992, do mưa to kéo dài, nước hồ dâng lên nhanh đột ngột, xuất hiện nhiều lỗ rò rỉ, thấm mạnh qua thân đập Nguyên nhân gây ra sự cố do khảo sát sai chỉ tiêu của đất đắp đập, không xác định các tính chất đặc biệt của đất đắp đập, khi thiết kế không xem xét kỹ về sự không đồng nhất của các bãi vật liệu, nên cho rằng đây

là đập đồng chất, nên khi dâng nước các bộ phận của thân đập làm việc không đều gây nên nứt nẻ, sụt lún dẫn đến hình thành các vết nứt và các lỗ rò

19

Hình 1 3 Mái thượng lưu đập đất hồ Am Chúa, Khánh Hòa sau sự cố

1.3 Đặc điểm hồ chứa và nhu cầu dùng nước trong những năm tới ở Tây Nguyên

1.3.1 Đặc điểm hồ chứa và đập đất ở Tây Nguyên

Hiện tại toàn vùng Tây Nguyên đã xây dựng được 2352 công trình thủy lợi (CTTL), trong đó 1190 hồ chứa, 970 đập dâng, 130 trạm bơm, 62 công trình khác [18] Với diện tích tưới thiết kế 289604 ha, diện tích tưới thực tế là 215.765 ha, trong đó: i) Diện tích tưới thực tế cho lúa là 83465 ha; ii) Diện tích tưới thực tế cho cây trồng khác: Cây hoa màu là 14565 ha, cây công nghiệp là 117735 ha Trong khi đó tổng diện tích cần tưới là

772189 ha, so với diện tích cây trồng cần tưới, diện tích tưới được bằng CTTL mới chỉ đạt 27.94%

Phần lớn các hồ chứa ở Tây Nguyên là hồ chứa vừa và nhỏ, có dung tích nhỏ hơn 3 triệu

m3 và nằm rải rác trên phạm vi rộng, cơ sở hạ tầng giao thông chưa phát triển nên việc

đi lại rất khó khăn [19] Các hồ chứa được xây dựng từ 30 đến 40 năm trước, nên đã bị xuống cấp nghiêm trọng, không còn đảm bảo nhiệm vụ tưới và an toàn phòng chống lũ bão hiện nay

Đa số các đập của hồ chứa vừa và nhỏ ở Tây Nguyên là đập đất, đập này thường xảy ra các hiện tượng hư hỏng như thấm ở nền, thân, vai đập, hư hỏng phần mái, mặt đập… Theo số liệu thống kê 732 hồ đập ở Tây Nguyên, có các hư hỏng do các nguyên nhân được thể hiện trong Bảng 1 4 [7]:

- Chưa thiết lập và thực hiện nghiêm túc quy trình vận hành, điều tiết hồ chứa;

- Không thực hiện thường xuyên việc kiểm tra, giám sát, quan trắc các thông số cần thiết

để đánh giá trạng thái, năng lực hoạt động của công trình do đó không phát hiện kịp thời các hư hỏng để có kế hoạch sửa chữa phù hợp, kịp thời;

- Nhận thức về bảo vệ, sử dụng, quản lý CTTL còn sai lầm như: Xem CTTL chỉ để sử dụng khai thác mà ít chú ý trách nhiệm bảo vệ, duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa, nâng cấp, phòng chống thiên tai cho công trình;

- Lực lượng cán bộ quản lý và công nhân vận hành còn thiếu và yếu về chuyên môn, nghiệp vụ nhất là ở cấp xã, huyện; ngoài ra lại không được đào tạo, cập nhật các kiến thức mới, dẫn đến hiệu quả phục vụ của công trình rất kém,

- Ứng dụng công nghệ thông tin vào quản lý các CTTL vừa và nhỏ hầu như chưa có

- Ngoài ra, tình trạng lấn chiếm lòng hồ do người dân tự ý canh tác gây hư hại mái đập, gây tổn hại nghiêm trọng đến an toàn, năng lực phục vụ của hồ chứa

1.3.2 Nhu cầu dùng nước trong tương lai

Theo số liệu thống kê từ Viện Quy hoạch Thủy lợi, tổng nhu cầu dùng nước cho phát triển kinh tế, xã hội và môi trường trên toàn vùng Tây Nguyên vào khoảng 11 tỷ m3/năm

2015 và sẽ tăng lên khoảng 12 tỷ m3/năm vào năm 2030 Với nhu cầu dùng nước hiện tại ở khu vực Tây Nguyên, nhu cầu dùng nước chỉ chiếm 23% lượng nước đến hàng năm ở khu vực, nhưng lượng nước đến phân bố không đồng đều theo thời gian nên tình trạng thiếu nước vào mùa khô vẫn xảy ra gay gắt, mùa mưa lại gây ra lũ lụt Vì vậy, ở

- Nước dùng cho sinh hoạt tăng 6070% so với hiện nay;

- Nước dùng cho công nghiệp tăng 4050% so với hiện nay;

- Nước dùng cho chăn nuôi tăng 2530% so với hiện nay;

- Nước dùng cho các ngành khác như du lịch, môi trường,…, cũng tăng trên 1015% so với hiện nay

Nhu cầu dùng nước tăng cao đòi hỏi phải có biện pháp sử dụng tiết kiệm nước, đồng thời cần phải nâng cấp, xây dựng mới các công trình điều tiết nước ở khu vực Tây Nguyên, nhằm đáp ứng được nhu cầu dùng nước

1.4 Những nghiên cứu về đập vật liệu tại chỗ

1.4.1 Nghiên cứu đập vật liệu tại chỗ trên Thế giới

Theo Nhichiporovich nghiên cứu đất sử dụng chung cho đắp đập trên toàn hành tinh của chúng ta thông thường có các loại: Đất trầm tích - Aluvi; Đất sườn tàn tích, tàn tích; Đất hoàng thổ [4]

Khi nghiên cứu hiện tượng vỡ đập đối với đất có tính tan rã của Shearard, J.L cho thấy

số lượng vỡ đập xảy ra đối với đập sau lần tích nước đầu tiên chiếm tỷ lệ khá lớn, còn

số đập vỡ xảy ra sau nhiều năm khai thác sử dụng thì ít hơn [20]

Để khắc phục tính tan rã của đất, Shearard, J.L., Decker R.S., & Ryker, N.L., nghiên cứu sử dụng phương pháp trộn vôi bột có hiệu quả ngay khi bổ sung lượng vôi vào đất Trước khi tiến hành trộn vôi cần làm thí nghiệm để xác định hàm lượng pha trộn và kiểm tra độ tan rã bằng thí nghiệm Pinhole test [21]

Nghiên cứu của Nelson, J.D., & Miller, D.J (1992) cho thấy rằng tính trương nở của đất phụ thuộc cơ bản vào thành phần chất keo có trong đất Kích thước hạt keo được giới

22

hạn bởi kích thước hạt có đường kính nhỏ hơn 0,0001mm [22] Như vậy thì hạt sét được xem là chất keo vì có hình dạng không thuần nhất và có diện tích bề mặt rất lớn Theo Fell (1992) các hạt keo cơ chế liên kết khác với các hạt thô, lực bề mặt quan trọng hơn lực trọng trường [23] Lực bề mặt có thể là lực hút bám qua các hạt, lực tĩnh điện, lực liên kết ion Các thành phần này quyết định không những đến khả năng trương nở

mà ngay cả trong trường hợp tan rã

Theo Cepreeb E.M và một số tác giả, khả năng trương nở có quan hệ tới tính hút nước của các khoáng vật sét có trong đất dính và tỷ diện lớn của đất dính Vỏ nước liên kết được hình thành xung quanh các hạt keo, sét, làm giảm lực dính giữa các hạt và gây ra hiện tượng tăng thể tích

Nghiên cứu chất lượng thi công đập đất đầm nén phụ thuộc vào các yếu tố: i) Thành phần hạt của đất đắp; ii) Độ ẩm đất; iii) Chiều dày dải đất đầm; iv) Loại đầm và số lần đầm [24]

Wightman nghiên cứu mối quan hệ giữa công đầm, dung trọng khô và độ ẩm đất được thể hiện Hình 1 4 [25] Khi công năng đầm tăng, giá trị dung trọng khô lớn nhất tăng tương ứng với độ ẩm tốt nhất giảm dần

Hình 1 4 Tương quan giữa lực đầm nén, dung trọng khô và độ ẩm đất

23

1.4.2 Nghiên cứu trong nước

1.4.2.1 Nghiên cứu sử dụng vật liệu tại chỗ để đắp đập

VLTC dùng để đắp đập là các loại đất trầm tích aluvi, tàn tích, sườn tàn tích trên các nền đá gốc khác nhau, như đá bazan, bột kết, cát kết,…

a/ Những nghiên cứu về đất đỏ bazan

Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Thơ và Phạm Văn Thìn nghiên cứu đất đỏ bazan là sản phẩm phong hóa từ đá gốc bazan được phân bổ rộng khắp ở khu vực Tây Nguyên

và Đông Nam Bộ Đất bazan có tính đặc biệt so với một số loại đất khác Đối với lớp đất không bị kết vón laterit thì thành phần hạt có chứa 6070% hạt bụi và sét (tính theo trọng lượng của đất) Các độ ẩm giới hạn chảy và giới hạn dẻo đều cao Ở trạng thái tự nhiên, khi đất chưa được nén chặt, có dung trọng khô c nhỏ, độ rỗng n lớn trong khoảng

55.065.0% Khi ở trạng thái khô, độ bão hòa G ≤ 50% đất có sức chống cắt lớn, nhưng khi ngấm nước, độ bão hòa G > 70%, sức chống cắt giảm trên 50% Đây là nguyên nhân

gây ra sự lún ướt của đất đỏ bazan để đắp đập [26], [27]

Phạm Văn Thìn nghiên cứu đất đỏ bazan ở khu vực Tây Nguyên có những đặc tính khác nhau, loại bazan không chứa kết von laterit có dung trọng khô lớn nhất trong khoảng 1.281.41 (g/cm3), trong khi đó loại đất bazan chứa kết von laterit có thể đạt dung trọng khô lớn nhất 1.551.94 (g/cm3), tăng 2137.8% so với loại đất bazan không chứa kết von laterit [28]

Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh nghiên cứu đất đỏ bazan khu vực Tây Nguyên có hàm lượng sét bụi lớn, dung trọng khô nhỏ từ 1.01.2 T/m3, khi đầm nện tiêu chuẩn dung trọng khô lớn nhất đạt được không cao từ 1.31.4 T/m3, nếu tăng công đầm cũng chỉ đạt khoảng 1.6 T/m3 Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, khi tăng dung trọng khô của đất, sức chống cắt của đất tăng và tính nén lún đạt giá trị trung bình, vì vậy có thể sử dụng đất đỏ bazan làm vật liệu đắp đập [29]

Nguyễn Văn Thơ, Phạm Văn Thìn và một số tác giả khác nghiên cứu khi đầm nén đất

đỏ bazan, nếu đảm bảo độ ẩm thích hợp thì dung trọng khô của đất tăng và khi ở trạng thái bão hoà nước đất có sức chống cắt tương đối cao Đây là điểm lợi của việc sử dụng

b/ Nghiên cứu về đất có chứa hàm lượng hạt thô

Nguyễn Văn Thơ và Phạm Văn Thìn [27], [28], [32], [33], [34], [35], [36]; Nguyễn Văn Chiển [37]; Nguyễn Công Mẫn [38] nghiên cứu về tính chất khoáng hóa, tính chất cơ lý của đất bazan có chứa kết von laterit trong việc sử dụng làm vật liệu đắp đập và nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt thô đến tính chất cơ lý của đất kết luận rằng hàm lượng hạt thô và đặc tính vật lý của đất như hình dạng và cấu tạo hạt có ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất xây dựng của đất

Nguyễn Văn Thơ nghiên cứu đối với đất kết von laterit, khi hàm lượng hạt thô (N) thay

đổi thì dung trọng khô, cường độ chống cắt và hệ số thấm cũng thay đổi, hệ số thấm của

đất hầu như không thay đổi khi hàm lượng hạt thô N = (0  50)%, khi hàm lượng hạt thô tăng hơn 50% thì hệ số thấm bắt đầu tăng [32]

Phạm Văn Thìn đã xây dựng một số công thức xác định các chỉ tiêu cơ học và hệ số thấm của đất bazan có chứa kết von laterit dạng tròn đặc sít, không cần phải tiến hành thí nghiệm trên các thiết bị cỡ lớn mà vẫn phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế [28] Phạm Văn Cơ và Nguyễn Hữu Ký nghiên cứu sơ bộ về các loại đất có nguồn gốc khác nhau cho thấy khi hàm lượng hạt thô trong đất tăng thì các cường độ chống cắt , C tăng, nhưng hệ số thấm k giảm [39], [40], [41], [42]

Lê Thanh Bình nghiên cứu sự thay đổi hàm lượng hạt thô N lên các tính chất cơ lý của

đất theo chiều hướng có lợi hoặc bất lợi cho công trình, khi cần nâng cao độ chặt và độ

bền của khối đất đắp, nếu không yêu cầu về chống thấm dùng hàm lượng hạt thô N =

(70  80)%, nhưng phải đảm bảo yêu cầu độ chặt tránh hiện tượng lún và sụn lún khi

25

tiếp xúc với nước, còn khi hàm lượng hạt thô N < 50% thích hợp cho công trình yêu cầu

chống thấm nước [43]

Lê Thanh Bình nghiên cứu khả năng đầm chặt của các loại đất, khi tăng hàm lượng hạt

thô N, dung trọng khô lớn nhất c của hỗn hợp đất thô – mịn tăng [44]

1.4.2.2 Nghiên cứu về bố trí các khối đất đắp

Nghiên cứu của Hoàng Minh Dũng chỉ ra rằng, đối với có đặc tính trương nở ở khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên giải pháp đắp đập nhiều khối là hợp lý hơn cả [45] Trần Văn Hiển nghiên cứu bố trí đập hai khối: i) Khối chống thấm được đắp bằng đất

trầm tích chọn độ chặt K ≥ 0.94 tương ứng với độ ẩm W = W opt + 56% là độ ẩm tối ưu

về mặt chống thấm; ii) Khối chịu lực, thường là đất tàn tích và hỗn hợp đào móng các

hạng mục khác, chọn hệ số đầm nén cho loại đất này K = 0.97 đáp ứng tốt nhất cho ổn

định đập [46]

Đối với đất có tính chất đặc biệt như trương nở và tan rã mạnh, Phạm Vũ Dậu đề xuất giải pháp về bố trí khối đắp loại đất này, cụ thể đắp vào giữa đập và trên đó cần có một lớp đất gia tải có áp lực lớn hơn áp lực trương nở [47]

Các nghiên cứu trên phần lớn tập trung về bố trí hợp lý các khối đất đắp và lựa chọn độ

ẩm, dung trọng khô để đảm bảo sự ổn định, chống thấm của đập và tăng thời gian thi công

1.4.2.3 Nghiên cứu về đất tan rã

Nguyễn Văn Thơ nghiên cứu về đất tan rã miền Trung cho thấy đất có nguồn gốc từ đá bazan, đá phong hoá biến chất và đất sườn đồi đều có khả năng bị tan rã cao Bảng 1 5 [48] thể hiện kết quả nghiên cứu đặc tính tan rã của một số loại đất có nguồn gốc khác nhau

26

Bảng 1 5 Đặc tính tan rã của đất có nguồn gốc khác nhau Loại đất Mức độ tan rã (%) Thời gian tan rã (phút) Đất phong hoá trên nền đá bazan

Đất phong hóa trên nền đá granite

100

100

5  10

3  7 Đất trầm tích (a Q2 IV)

Trầm tích sông biển (m Q2 IV)

Trầm tích sông biển (m Q2 III)

1.4.2.4 Nghiên cứu xử lý cải tạo các đặc tính cơ lý của đất

Lê Xuân Roanh nghiên cứu các giải pháp xử lý để hạn chế những tính bất lợi của đất có tính cơ lý đặc biệt, cụ thể là đối với đất có tính tan rã mạnh, cần bổ sung thêm hàm lượng vôi [49]

Nguyễn Văn Thơ [29], [50], Trần Thị Thanh [29], [31], Lê Xuân Roanh [49] đề xuất lựa chọn các chỉ tiêu, thông số đầm nén và một số giải pháp nhằm khống chế tính trương nở của đất trong thiết kế và thi công đập

1.4.2.5 Nghiên cứu về công nghệ thi công để nâng cao chất lượng đất đắp đập theo

phương pháp đầm nén

Lê Quang Thế nghiên cứu lựa chọn công nghệ đầm nén trong điều kiện môi trường, địa chất vùng Tây Nguyên, lựa chọn dung trọng khô thiết kế và độ ẩm phù hợp để thi công đạt được dung trọng khô đảm bảo chất lượng công trình [51]

Nghiên cứu của Trần Văn Hiển về phân khối đắp hợp lý để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và tiến độ thi công trong điều kiện độ ẩm cao, đồng thời đưa ra một số kiến nghị

về giải pháp giảm độ ẩm đất đắp đập khi vượt quá độ ẩm cho phép để đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật và tiến độ thi công [46] Tác giả chủ yếu nghiên cứu trong điều kiện tự nhiên

27

liên quan đến độ ẩm của đất, của không khí mà chưa nghiên cứu liên quan đến các tính chất khác của đất như độ dính, cấp phối hạt,…, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất Nhìn chung, các nghiên cứu trên chỉ tập trung nghiên cứu các loại đất đắp đập có nguồn gốc là đất nguyên thổ, được hình thành do sự phong hóa của đá gốc, có phạm vi rộng và

có quá trình phong hóa hình thành lâu đời, nên tương đối ổn định về các chỉ tiêu cơ lý, nhưng các loại đất này hầu hết đã được sử dụng vào các mục đích khác nhau như đắp đập, canh tác,

1.5 Những nghiên cứu về sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế giới và Việt Nam

1.5.1 Nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế giới

Đã có nhiều công trình nghiên cứu trên Thế giới về việc sử dụng xi măng (XM), vôi, hỗn hợp XM - vôi để cải tạo đất Lượng XM, vôi hoặc hỗn hợp XM - vôi được tính theo

tỷ lệ phần trăm của khối lượng đất khô cần gia cố

Mitchell và Freitag nghiên cứu đối đất có tính dẻo thấp, đất cát hàm lượng xi măng (XM) sử dụng để gia cố đất từ 5÷14% so với trọng lượng của đất; Lượng XM yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia cố; Tỷ lệ XM với đất tối ưu (so với trọng lượng khô của đất cần gia cố) phụ thuộc vào các loại đất khác nhau, cụ thể từng loại đất theo Bảng 1 6 [52]

Bảng 1 6 Tỷ lệ xi măng với các loại đất khác nhau

1 Đất chứa sỏi, cát hạt thô, cát hạt mịn, có ít

hoặc không có lượng nhỏ bùn hay sét 5% hoặc ít hơn

4 Đất chứa bùn không dẻo hoặc dẻo vừa phải 10%

Như vậy, nếu hàm lượng sét tăng thì hàm lượng XM yêu cầu cũng tăng, có thể do với các hạt nhỏ thì diện tích bề mặt lớn và lượng tiếp xúc giữa XM và các hạt đất sẽ tăng