Nghiên cứu cơ sở khoa học về hiện tượng phá huỷ cục bộ đập vật liệu địa phương trong quá trình vận hành

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam Bảng 1-2: Quy mô các hồ chứa nước ở Hà Tây cũ Bảng 3-1: Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất thân đập phụ A Bảng

LỜI CẢM ƠN

trình trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ

kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu cơ

sở khoa học về hiện tượng phá huỷ cục bộ đập vật liệu địa phương trong quá trình vận hành” đã được hoàn thành

nhân đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cho tác giả

Khánh, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này

những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, Tháng 12 năm 2010

Nguyễn Thị Thanh Huyền

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG CỤC BỘ CỦA ĐẬP

3.3.1 Mục đích 64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Chương Mỹ, Hà Tây

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam

Bảng 1-2: Quy mô các hồ chứa nước ở Hà Tây (cũ)

Bảng 3-1: Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất thân đập phụ A

Bảng 3-3: Bảng thống kê hệ số ổn định và cao trình điểm ra của đường bão

hoà trên mái hạ lưu đập ứng với mỗi trường hợp tính toán

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong nhiều năm qua, công tác thuỷ lợi đã thu được những thành tựu to lớn trong công cuộc điều hoà, khai thác tài nguyên nước, phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, dân sinh, giảm nhẹ thiệt hại do lũ lụt, góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế của xã hội Đập đất là loại công trình dâng nước, tạo hồ chứa nước phổ biến nhất ở nước ta hiện nay (chiếm trên 90% trong tổng số đập tạo hồ chứa)

Một đặc điểm quan trọng của vật liệu đất đắp đập là tính thấm nước và

dễ biến dạng Trong quá trình xây dựng và vận hành các công trình thuỷ lợi

nhân: khảo sát, thiết kế, thi công, chế tạo lắp đặt Như khi khảo sát địa chất

sủi ở mái hạ lưu đập Đối với các đập sử dụng vật liệu đắp đập không đồng nhất, bố trí các khối vật liệu không hợp lý thì khi đập làm việc (ngăn nước) dễ phát sinh dòng thấm mạnh, len lỏi qua các khu vực dễ thấm nhất, có thể dẫn

đến mất nước hồ hoặc gây xói ngầm nguy hiểm cho thân đập Trong quá trình

xốp, chất lượng thi công không đảm bảo, thiết bị tiêu thoát nước bị tắc làm

Vì vậy việc xác định nguyên nhân của hiện tượng phá huỷ cục bộ đập vật liệu địa phương trong quá trình vận hành là cấp thiết có ý nghĩa khoa học

và thực tiễn cao

2 Mục đích của đề tài:

Nghiên cứu cơ sở khoa học của hiện tượng phá huỷ cục bộ khi vận hành của đập vật liệu địa phương, từ đó có các biện pháp thích hợp đối với đập xây

dựng mới và sửa chữa nâng cấp đập đã xây dựng đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc của công trình

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

nước có liên quan đến đề tài

đại – phương pháp phần tử hữu hạn cùng với phần mềm phù hợp áp dụng vào bài toán cụ thể

CHƯƠNG 1

1.1 Tình hình xây dựng đập vật liệu địa phương [1,2,11,12,16]

Trong sự nghiệp xây dựng thuỷ lợi trên thế giới cũng như ở nước ta, đập đất đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng những hệ thống công trình dâng nước Do có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh thế cho nên trong những năm gần đây đập đất ngày càng chiếm ưu thế và đang có xu hướng phát triển mạnh về số lượng và quy mô công trình cũng như tốc độ xây dựng Riêng đối với nước ta, đập đất đã được xây dựng nhiều và trong tương lai chắc chắn còn giữ vài trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống công trình đầu mối (hồ chứa nước)

Đập đất là một loại đập xây dựng bằng các loại đất hiện có ở vùng xây dựng, có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hoá cao khi thi công và trong đa số trường hợp có giá thành hạ nên là loại đập được ứng dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các nước Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đã được xây dựng nhiều ở Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung Á của Liên Xô với mục đích dâng và giữ nước để tưới hoặc phòng lũ

Về sau đập đất ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thuỷ lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước Theo tư liệu của ASCE thì đập lớn bằng đất lẫn đá cổ xưa nhất là đập Sadd-el-Kafura cao khoảng 22m ở

Ai Cập khoảng năm 2850 trước công nguyên

Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ đất, lý luận thấm, địa chất thuỷ văn, địa chất công trình… Cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơ giới hoá và thuỷ cơ hoá trong thi công cho phép đập đất càng có

xu hướng phát triển mạnh mẽ Cho đến nay, các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất Những đập đất vào loại lớn nhất thế giới như đập Nurek được xây dựng trên sông Vakhsh ở Tajikistan cao 310m, thể tích đập là 54 triệu m3, hồ

nước được tạo thành bởi đập Nurek là hồ nhân tạo có dung tích lớn nhất Tajikistan (10,5 tỷ m3) Chiều dài lớn nhất của hồ là 70km, diện tích mặt hồ

Trong những năm gần đây, trên phạm vi thế giới đang có xu hướng xây dựng nhiều đập đất cao Tổng số những đập đất có chiều cao hơn 75m xây dựng và thiết kế từ năm 1960 trở lại đây chiếm 80% trong toàn bộ các loại đập cao, đứng hàng đầu về tốc độ phát triển so với các loại đập khác

Tại Việt Nam, đập đất - đá là loại công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựng những hồ chứa Hầu hết đập đất được xây dựng từ năm 1954 ở miền Bắc và từ sau năm 1975 trên cả nước Tính đến năm 2000 nước ta có

1971

công của nước ta, trong tương lai đập đất- đá còn có triển vọng phát triển rộng rãi hơn nữa

đang có xu hướng phát triển nhanh hơn nữa về số lượng cũng như quy mô

sau đây

loại đập khác Đập đất hầu như có thể xây dựng được với bất kỳ điều kiện địa chất, địa hình và khí hậu nào Những vùng có động đất cũng có thể xây dựng được đập đất Ưu điểm này rất cơ bản, bởi vì càng ngày những tuyến hẹp, có địa chất tốt thích hợp cho các loại đập bê tông càng ít cho nên các nước dần

dần đi vào khai thác các tuyến rộng, nền yếu, chỉ thích hợp cho đập bằng vật liệu tại chỗ

Bảng 1-1: Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam

20 Hàm Thuận(đ.chính) đá đổ, lõi giữa 94.00

thấm, trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp chất dẻo làm vật chống thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất hiện có ở vùng xây dựng để đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng hẹp lại Do

đó giá thành công trình ngày càng hạ thấp và chiều cao đập càng được nâng cao Người ta đã tính được rằng nếu lựa chọn được loại đất có thành phần hạt thích hợp và đầm nén tốt thì ứng suất cho phép trong thân đập có thể đạt đến

2

sâu trong nền thấm nước mạnh Đặc biệt dùng phương pháp phun các chất

màng chống thấm sâu đến 200 m

đất với những máy móc có công suất lớn do đó rút ngắn được thời gian xây dựng, hạ giá thành công trình và hầu như dần dần có thể loại trừ hoàn toàn lực lượng lao động thủ công

và phương tiện giao thông

công trình tháo nước, đặc biệt là do phát triển-việc xây dựng đường hầm mà giải quyết được vấn đề tháo nước ngoài thân đập với lưu lượng lớn

- Xu hướng hiện nay trong thiết kế và xây dựng người ta thường dùng đập đất đá hỗn hợp (hay còn gọi là đập có vật liệu ngẫu nhiên, không chọn lọc – đào hố móng ra được loại nào thì cứ mang vào đắp đập) và đập bê tông bản mặt

các loại vật liệu ở công trường, nhất là các loại đất đào hố móng và có thể sử dụng đê quai bằng đá ở hạ lưu để làm thân đập, làm cho giá thành công trình

rẻ mà vẫn bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật nên loại đập này hiện đang có xu hướng phát triển mạnh

được lát kín ở mái thượng lưu đập Đập bê tông bản mặt có ưu điểm mặt chống thấm tốt, độ bền và độ ổn định cao vì vậy loại đập này hiện cũng đang

có xu hướng phát triển mạnh, nhất là khi cần xây dựng những đập cao

1.2 Tình hình hệ thống hồ chứa tỉnh Hà Tây [9]

Từ năm 1960 cho đến nay, được sự quan tâm của Đảng và nhà nước, cùng với sự đóng ghóp công sức của nhân dân trong tỉnh, Hà Tây đã triển khai xây dựng hàng loạt các hồ chứa nước, trong đó có những hồ chứa loại vừa như Đồng Mô - Ngải Sơn, Suối Hai, Đồng Sương, Quan Sơn, Mèo Gù, Miễu, Văn Sơn, Xuân Khanh, đồng thời cải tạo, nâng cấp các hồ chứa nhỏ ở

đời Hiện nay trên địa bàn Hà Tây đã có 28 hồ chứa nước loại vừa và nhỏ với dung tích trữ hữu ích khoảng 160 triệu khối nước, đảm bảo tưới cho 10.137

ha (bằng 10% diện tích canh tác của tỉnh) Các hồ chứa nước hiện có trong nhiều năm qua thực sự đã đóng ghóp không nhỏ đến sự phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh Ngoài việc cấp nước tưới và nước sinh hoạt cho dân, đặc biệt ở những vùng trước đây thường chỉ cấy 1 vụ, nay đã trồng cấy 3 vụ có năng

suất cây trồng cao, các hồ chứa nước còn làm nhiệm vụ cắt lũ cho hạ du, hạn chế thiệt hại do lũ quét, giữ nguồn sinh thuỷ, tạo điều kiện khôi phục và phát triển diện tích rừng, tạo cảnh quan môi trường, phát triển du lịch, nuôi trồng thuỷ sản, góp phần cải thiện đời sống nhân dân trong tỉnh và các địa phương vùng hưởng lợi

Việc thi công xây dựng (kể cả các hồ chứa lớn ) trong những thập kỷ 60

chỗ (ví dụ: xây dựng hồ Đồng Mô - Ngải Sơn, tỉnh Hà Tây đã huy động hàng

3

P đất, 1 triệu mP

3

năm từ năm 1970-1974) Do thi công chủ yếu bằng thủ công, nên chất lượng các công trình không thể đảm bảo đầm nén theo yêu cầu thiết kế

nay

Bảng 1-2: Quy mô các hồ chứa nước ở Hà Tây (cũ)

Năm xây dựng

Dung tích hữu ích (tr.m3)

Diện tích tưới thực

Các hồ chứa nước hiện có ở Hà Tây hầu hết đã được xây dựng 30-40 năm Sau nhiều năm quản lý, vận hành, khai thác các công trình đầu mối như:

cấp Qua báo cáo của các cơ quan quản lý, những hư hỏng của công trình tập trung theo các dạng sau:

Do đắp bằng thủ công, chất lượng đất đắp không đảm bảo, thường xảy ra các sự cố sau:

hồ Tân Xã, sau hơn 20 năm đập đã bị lún thấp hơn 1m Hiện tượng này xảy

ra khá phổ biến ở các đập nhỏ ở khu vực miền núi Ba Vì

nay vẫn còn chưa xử lý được triệt để ở các tuyến đập chính Ngải Sơn, đập phụ A và đập phụ B (hồ Đồng Mô - Ngải Sơn) cụ thể: tại đập chính Ngải Sơn, mái hạ lưu vai phải xuất hiện thấm mạnh có nơi thành dòng ở cao trình +17,0 đến +19,0 khi mực nước hồ lớn hơn +22,0 với chiều dài 120m Mặc dù

đã xử lý bằng thoát nước làm khô mái đập nhưng cho đến nay cũng chưa giải quyết được triệt để Tại mái đập vai trái, hiện tượng thấm rò rỉ vẫn còn mặc

dù năm 1990 đã được gia cố bằng đắp cơ phản áp Tại 2 đập phụ A và B, khi mực nước hồ lên cao phía hạ lưu có hiện tượng sủi mạnh thành vòi, nền hạ lưu đập và chân đập nhiều khu vực bị sình lầy Qua nhiều năm khai thác nhận thấy dòng thấm chảy ra mái hạ lưu cứ cao dần lên đặc biệt nhiều đống đá thu nước bị mất tác dụng, điều này chứng tỏ thiết bị thoát nước trong thân đập bị hỏng, đường bão hoà vùng mái hạ lưu bị dâng cao và cùng với thời gian dòng thấm đang ngày càng đe doạ đến ổn định mái đập

Hình 1-2: Thấm gây ra sạt trượt sình lầy trên mái hạ lưu đập hồ Văn Sơn,

Chương Mỹ, Hà Tây

CHƯƠNG II MỘT SỐ HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ SƠ BỘ ĐÁNH GIÁ

NGUYÊN NHÂN 2.1 Một số hư hỏng, sự cố thường xảy ra đối với đập vật liệu địa phương trong quá trình vận hành [15][16]

Năm 1945 cả nước ta chỉ có 13 hệ thống công trình thuỷ lợi, tổng năng lực tưới vào khoảng 30 vạn ha, tiêu úng 8 vạn ha, một số hệ thống kênh trục ở Nam Bộ để khai hoang và gieo trồng lúa một vụ Năm được mùa tổng sản lượng lương thực quy thóc đạt 6,2 đến 6,4 triệu tấn Từ năm 1955 dưới sự lãnh đạo của Đảng và Chính phủ, với sự nỗ lực của các ngành, các địa phương, đặc biệt là sự đóng góp to lớn về công sức của nhân dân trong cả nước, đến nay ngành Thuỷ lợi nước ta đã xây dựng và đưa vào phục vụ sản xuất hàng nghìn công trình thuỷ lợi Thuỷ lợi đã thực sự là biện pháp kỹ thuật hàng đầu trong nông nghiệp, góp phần quan trọng trong chiến lược đảm bảo

xuất khẩu gạo đứng thứ 2 trên thế giới

Từ thập kỷ 60 của thiên niên kỷ 20, đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật của ngành Thuỷ lợi cũng đã trưởng thành, đã tự lực đảm nhiệm được toàn bộ các khâu từ đào tạo, nghiên cứu khoa học, điều tra khảo sát, quy hoạch, thiết

kế, xây dựng, chế tạo quản lý vận hành các công trình thuỷ lợi ở nước ta Tuy nhiên so với các nước tiên tiến, rõ ràng là trình độ cán bộ công nhân của chúng ta chưa cao, còn thiếu kinh nghiệm, công trình thuỷ lợi còn lạc hậu, cùng với việc thiếu tinh thần trách nhiệm của một số cán bộ và công nhân, nên đã xảy ra sự cố ở một số công trình thuỷ lợi, gây nên tổn thất không nhỏ

về tài sản của Nhà nước, tài sản và tính mạng của nhân dân, đối với sự cố lớn

và nghiêm trọng còn ảnh hưởng xấu đến tình hình xã hội Hầu hết các công

trình đều có sự cố lớn hoặc nhỏ Do một hoặc nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó có khảo sát (địa hình, địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, thuỷ văn công trình), thiết kế (thuỷ công, cơ khí, điện), chế tạo, lắp đặt, thi công, quản

lý khai thác Thực tế về sự cố đã xảy ra ở các công trình thuỷ lợi ở nước ta cho thấy trong các nguyên nhân đó các nguyên nhân phổ biến là : khảo sát, thi công, thiết kế và chế tạo lắp đặt

Các hạng mục công trình xảy ra sự cố có cả các công trình đầu mối, hệ thống kênh, công trình thuỷ công cũng như cơ điện Sự cố xảy ra không phải chỉ có ngay sau khi hoàn thành công trình, mà thường là sau nhiều năm Tuy nhiên sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra khi gặp lũ cực lớn (như vỡ đập

Vệ Vừng ở tỉnh Nghệ An và rất nhiều đập nhỏ khác) trong quá trình thi công ( như sự cố sạt kênh dẫn và vỡ đập Sông Mực tỉnh Thanh Hoá, sự cố đập Suối Trầu ở tỉnh Khánh Hoà, sự cố đập Cà Giây tỉnh Bình Thuận ) Những sự cố nghiêm trọng khác là do sự cố nhỏ xảy ra từ từ nhưng không được xử lý, để

thường xảy ra rất đột ngột trong thời gian rất ngắn, không kịp ứng phó (vỡ đập Suối Trầu lần 1, lần 2, vỡ đập Đáy cũ )

địa phương.[15]

Do các nguyên nhân sau gây ra :

tổng lượng lũ nhỏ hơn thực tế, các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi, thiếu lưu vực, lập đường cong dung tích hồ W=f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả lũ của đập tràn Q=f(H) sai lệch với thực tế

- Đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế

Do các nguyên nhân sau gây ra :

ra

nhỏ hơn thiết kế, chất lượng đá hoặc bê tông kè, đá lát đặt nằm, không chèn chặt các hòn đá

Do các nguyên nhân sau gây ra

xử lý

sạch lớp bồi tích, thi công chân khay sân phủ kém dẫn đến thủng lớp cách nước

pháp xử lý hoặc do khi thi công không thực hiện tốt biện pháp xử lý

Do các nguyên nhân sau gây ra

tốt

e Thấm mạnh hoặc sủi nước ở mang công trình

Do các nguyên nhân sau gây ra

đắp không được lựa chọn kỹ, không dọn vệ sinh sạch sẽ để vứt bỏ các tạp chất trước khi đắp đất, đầm nện không kỹ

sạn nhiều, hàm lượng sét ít, đất bị tan rã mạnh

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

bở rời

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

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

không phát hiện ra, hoặc có phát hiện ra nhưng thiết kế kết cấu đập không hợp lý

Do các nguyên nhân sau gây ra

tăng đột biến

khảo sát không phát hiện ra hoặc có phát hiện ra nhưng thiết kế kết cấu đập không hợp lý

Do đất đắp đập thuộc loại trương nở tự do mạnh

Do các nguyên nhân sau gây ra

đất ở phần thượng lưu thân đập

- Sức bền của đất đắp đập không đảm bảo các yêu cầu của thiết kế

Do các nguyên nhân sau gây ra

đúng với thực tế

các chỉ tiêu về chất lượng đất đắp đập

kế đã không dự kiến được

toàn thân đập bị bão hoà nước ngoài dự kiến của thiết kế

Đập South Fork ở Mỹ được khởi công xây dựng vào năm 1857 để cung cấp nước sinh hoạt và dùng làm hồ vui chơi cho câu lạc bộ những người đánh

3

P

, bộ phận thượng lưu đập bằng đất không thấm nước có lát mái bảo vệ, hạ lưu có lăng trụ đá và lớp lọc bằng cát sỏi Trong đập không có tường tâm và các hình thức

chống thấm khác Ngay từ năm 1862 nhân dân gần đó đã lo lắng về hiện tượng thấm qua cống thoát nước ở đáy đập, đã tiến hành lấp hố xói hình thành

do dòng thấm và lấp bịt cống thoát nước Khi xảy ra sự cố vùng gần đập có

3

P

/s Do đập tràn xả lũ bé không đủ thoát lưu lượng nước về nên nước lũ đã tràn qua đỉnh đập trên chiều dài 92,0m Đập vỡ giống như rãnh xói, phần trên rộng khoảng 130m, phần

3

P

Uỷ ban điều tra cho rằng nguyên nhân xảy ra sự cố là do chiều dài đường tràn xả lũ không đủ (chỉ bằng một nửa chiều dài thiết kế ) Nước trong hồ tháo cạn qua chỗ vỡ trong

lên đến 9,5m có sóng to cao tới 10-12m Xe máy lấy quặng nặng 60 tấn cũng

bị sóng cuốn trôi Số người bị chết qua điều tra có khoảng 2500 người

b Đập Chalm

Đập Chalm ở Pháp bằng đất xây năm 1905, cao 26m, đáy rộng 64,19m dài ở đỉnh 523,5m Đất sét trong đập đắp thành lớp dày, trong đất xen lẫn cát thô 5% Hàm lượng đất sét trong thân đập không tới 60% Vật liệu đắp đập được đầm nện cẩn thận bằng cơ giới Mái thượng lưu có phủ tường nghiêng bằng tấm bê tông lớn dày 0,2m, độ dốc 1 :1 đến 1 : 1,5 Ngày 20 tháng 10 năm 1909 tường nghiêng bắt đầu bị hư hỏng, mái thượng lưu bị trượt Nguyên nhân là do nước từ trong các kẽ hở của mặt bảo vệ bằng bê tông thấm vào trong đập, dần dần làm cho đất sét ẩm ướt bão hoà, và làm cho đất sét từ mặt thượng lưu dần dần trở thành trạng thái lỏng, từ đó hình thành mặt trượt, làm

tiên của sự phá hoại là mặt đập xuất hiện khe nứt phẳng dài tới 58m rộng mấy

cm Sau đó khe nứt mở rộng rất nhanh, quá trình xảy ra trước đêm bị hư hỏng không những làm cho toàn bộ phần mái đập bị trượt mà còn làm cho mực nước trong hồ chứa thay đổi càng thêm nghiêm trọng trong những ngày sau

đó Thí dụ này thể hiện đặc tính vật lý không tốt cho đất sét ngậm nước

Công trình thuỷ lợi Vực Tròn tại xã Quảng Châu, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình được xây dựng từ năm 1983 đến 1989 Đập chính bằng đất cao 29m dài 1040m, sau khi được thi công xong năm 1986, viện KSTKTL khi khoan kiểm tra đã phát hiện trong thân đập đã đắp 1 lớp dày 2,5m bằng

-3

P

cm/s nên

đã có văn bản gửi Vụ quản lý XDCB nhưng vụ không xử lý Tháng 3 năm

1986 khi hồ tích nước lên cao đến cao trình 14,5 thì đập chính xuất hiện 4 lỗ

rò nước Lưu lượng mỗi lỗ rò q = 5-10 l/s làm ướt sũng mái hạ lưu trên một băng dài 630m theo tim đập Bộ đã cho khoan phụt thân đập 270m chiều dài

vì không có kinh phí để phụt toàn bộ Tháng 10/1994 vẫn xuất hiện 3 vùng

thấm mạnh Cùng đó năm 1994 xảy ra trận bão lớn tại vùng công trình làm phần lớn lớp gia cố mái thượng lưu đã bị sạt lở nghiêm trọng (tổng diện tích

2

P

vữa xi măng sét vào thân đập Nguyên nhân sạt lở lớp gia cố mái thượng lưu

là đường kính lớp đá chỉ có 0,2-0,25m thay vì thiết kế là 0,3m, đá lát lẫn khá nhiều đá phong hoá, đá lát không được chèn chặt Các cơ quan chức năng đã phải có biện pháp để khắc phục sự cố trên

2.2 Cơ sở khoa học đánh giá ổn định đập vật liệu địa phương

Đập vật liệu địa phương là loại công trình dâng nước được sử dụng phổ biến nhất ở tất cả các nước trên thế giới Trong tương lai nó vẫn được lựa chọn làm đập dâng nước ở các đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện sẽ được xây dựng

ở nước ta

Đặc điểm chính của các công trình này là thường xuyên chịu áp lực nước tĩnh và động Qua phân tích sự làm việc và tổng kết các quá trình xây dựng, khai thác đã thừa nhận rằng đập dâng nước bằng đập vật liệu địa phương là loại công trình có nhiều vấn đề kỹ thuật hơn cả Sự có mặt thường xuyên của dòng thấm trong thân và nền đập đã dẫn đến sự tăng kích thước mặt cắt ngang đập cũng như đòi hỏi quá trình thi công nghiêm ngặt nên giá thành công trình cao hơn rất nhiều giá thành các công trình đất không chịu tác dụng của dòng thấm Để hạn chế tới mức tối thiểu nhất tác hại do dòng thấm gây ra mà vẫn đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật, nhất thiết phải hiểu được bản chất của dòng thấm trong đất cũng như tác động của nó lên thân và nền công trình khi có dòng thấm đi qua Sự ra đời và phát triển của lý thuyết thấm đang từng bước đáp ứng các yêu cầu của kỹ thuật đòi hỏi này

Ở nước ta việc nghiên cứu lý thuyết thấm cũng như kinh nghiệm trong việc giải quyết các vấn đề thấm trong thực tiễn thiết kế, xây dựng và khai thác các đập dâng nước bằng vật liệu địa phương còn chưa nhiều Vì vậy việc

nghiên cứu để ứng dụng các tiến bộ khoa học thế giới trong lĩnh vực này vào Việt Nam là rất cần thiết Khó khăn lớn nhất trong nghiên cứu thấm cho đập

là xác định đúng chế độ thấm và điều kiện ổn định thấm của các loại vật liệu Mục tiêu nghiên cứu trong phần thấm và ổn định thấm chủ yếu tập trung giải quyết hai vấn đề trên Chế độ thấm trong đập được xác định bằng các mô hình toán học theo lý thuyết thấm Để giải quyết các bài toán lý thuyết thấm phức tạp trong kỹ thuật như thấm phi tuyến, thấm không ổn định có mặt tự do

có thể sử dụng các phương pháp tính tiên tiến Ngoài việc đảm bảo tính chính xác khi thiết lập chương trình trên máy vi tính, còn cần chứng minh tính đúng đắn của phương pháp tính toán qua so sánh với tài liệu thực nghiệm và so sánh với số liệu thực tế Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán các bài toán lý thuyết thấm phục vụ thiết kế, xây dựng và khai thác các công trình dâng nước không những thay thế phương pháp thí nghiệm tương tự điện thuỷ động lực học, tiết kiệm được thời gian và kinh phí, mà còn giải quyết được rất nhiều các bài toán lý thuyết thấm phức tạp khác mà các phương pháp khác không giải quyết được hoặc khó có thể đạt được

Các kết quả nghiên cứu cho biết mức độ ổn định thấm của toàn bộ công trình không dùng trị số gradient trung bình, mà đánh giá theo điều kiện ổn định thấm cục bộ theo các khả năng có thể xảy ra xói ngầm cục bộ, xói ngầm tiếp xúc…, phương pháp này chính xác và tin cậy hơn, rất tiện lợi khi giải bài toán lý thuyết thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn Những kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong sản xuất để giải quyết các bài toán lý thuyết thấm phức tạp và đánh giá ổn định thấm công trình Việc giải bài toán thấm

có vai trò quan trọng trong thực tế, trong khai thác nước ngầm, khai thác dầu

mỏ, nhiễm mặn, rửa mặn bằng tiêu nước, tổn thất nước do thấm, nước mưa, nước tưới thấm vào mặt đất, thấm qua nền và các công trình ngăn nước, thấm vào hố móng Trong thiết kế công trình thuỷ lợi chỉ sau khi xác định được các

đặc trưng của dòng thấm và biện pháp chống thấm thì mới có điều kiện để đánh giá sự ổn định và độ bền của công trình

2.3 Tình hình nghiên cứu thấm ở nước ngoài và ở Việt Nam

Các bài toán lý thuyết thấm của nước trong môi trường đồng nhất và không đồng nhất, về cơ bản đều đưa đến giải quyết phương trình vi phân cấp

2 đạo hàm riêng khi biết điều kiện đầu và điều kiện biên tương ứng

Để giải quyết bài toán lý thuyết thấm, người ta đã sử dụng một số nhóm phương pháp sau :

pháp biến đổi tích phân

đưa đến bài toán Rima-Gianke)

tính giải tích hàm, phép tính biến phân

Trong đó phương pháp tương tự điện thuỷ động lực học do

toán thấm thực tế và mức độ tin cậy của các phương pháp khác Phương pháp này đòi hỏi công phu và tốn kém nên những trường hợp thật cần thiết mới được sử dụng Mặc dù vậy, những vấn đề như thấm dị hướng, thấm phi tuyến phương pháp này vẫn chưa giải quyết được Cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, phương pháp số đã chiếm ưu thế trong việc giải quyết các bài toán lý thuyết thấm nhất là bài toán có biến thay đổi, chế độ vận động trong môi trường có cấu tạo địa chất phức tạp Đặc biệt các phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn đang được dùng rộng rãi phổ biến

dàng tự động hoá trên máy tính, có khả năng giải được tất cả các bài toán thấm với mức độ chính xác phù hợp với thực tế và thoả mãn yêu cầu trong kỹ thuật Đối với các bài toán lý thuyết thấm trong môi trường có cấu tạo địa chất phức tạp thì phương pháp phần tử hữu hạn tỏ ra ưu việt hơn, có thể giải được các bài toán thấm phi tuyến, thấm không dừng và thấm trong điều kiện trạng thái đàn hồi

Tại Việt Nam, TSKH Nguyễn Xuân Trường đã sử dụng phương pháp thuỷ lực để tính toán thấm qua đập đất có các kiểu thiết bị chống thấm tường nghiêng, tường răng, bản cọc, màng xi măng PGS.TS Đỗ Khang sử dụng phương pháp đại số để nghiên cứu xác định các yếu tố dòng thấm cho bài toán đập đất trên nền không thấm nước nằm ngang có thiết bị thoát nước kiểu gối phẳng PGS.TS Nguyễn Hữu An đã sử dụng phương pháp thuỷ lực để xác định phạm vi bảo vệ đê sông TS Nguyễn Đình Bảo dùng phương pháp thuỷ lực để xét sự trao đổi nước thấm giữa thân và nền đập , giải bài toán thấm qua đập đất khi dùng hai dãy hào bentonite làm thiết bị chống thấm TS Đặng Văn

Ba đã giải bài toán thấm qua đập đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

thông nước với sông bằng thực nghiệm khe hẹp và phương pháp phần tử hữu hạn

a Phương pháp cơ học chất lỏng

Phương pháp cơ học chất lỏng chủ yếu dựa vào công cụ toán học để xác định những đặc trưng của dòng thấm như lưu lượng, lưu tốc, gradient, áp lực, đường bão hoà… tại bất kỳ một vị trí nào trong môi trường thấm

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 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 theo phương pháp này ứng dụng rất hạn chế

thấm là đập và nền của nó thường là các môi trường không đồng nhất và dị hướng, nên việc giải các hệ phương trình lý thuyết thấm gặp rất nhiều khó khăn về mặt toán học Do đó thực tế phương pháp thuỷ lực chỉ giải quyết được một vài trường hợp rất đơn giản như thấm qua đập đồng chất, thấm qua kênh, qua nền đồng chất hoặc được mô hình hoá, tính rút nước trong đập đột ngột với tiền đề là trong đập đã hình thành đường bão hoà ổn định ở mức nước cho trước Độ chính xác của phương pháp thuỷ lực có thể đáp ứng yêu cầu của bài toán kỹ thuật trong các trường hợp tương đối đơn giản, và thường thiên về an toàn, nên phương pháp này vẫn được phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Phương pháp thực nghiệm cũng được chia thành nhiều phương pháp khác nhau :

a Phương pháp thí nghiệm máng kính

Phương pháp này có nhiều nhược điểm về mặt kỹ thuật : cồng kềnh, khó chế tạo mô hình, khó khống chế được tính không đồng nhất về thấm của mô hình Ưu điểm có tính nguyên tắc của máng thấm là khả năng nghiên cứu trực tiếp bản chất của các quá trình thấm Khả năng này cho phép tiến hành lập mô hình trong trường hợp còn chưa rõ cách mô tả toán học của quá trình

Ưu điểm đặc biệt của phương pháp này là có thể dùng máng thấm để lập mô hình thấm không áp trong không gian

Vì có khó khăn về phương pháp và kỹ thuật, máng khe hẹp không được phổ biến rộng rãi Hợp lý nhất là sử dụng máng khe hẹp để nghiên cứu dòng chảy không áp, hoặc tác dụng tương hỗ giữa nước mặn và nước ngọt

Phương pháp này thuộc loại mô hình toán học Tuỳ bài toán nghiên cứu

và điều kiện kết cấu công trình để chọn các tỷ lệ mô hình cho phù hợp Loại

mô hình này cũng có một số nhược điểm Nếu mô hình làm bằng giấy dẫn

được chính xác Còn nếu làm mô hình dung dịch chất điện phân có thể khắc phục được hạn chế của mô hình giấy dẫn điện thì lại mắc phải sai số trong quá

phân, ngày nay đã có sự tự động hoá trong thí nghiệm bằng các thiết bị đo hiện đại sao cho quá trình thí nghiệm diễn ra nhanh chóng rút ngắn được thời gian đo đạc

nhau như : mô hình không gian, mô hình phẳng đứng, mô hình phẳng ngang

có xét đến sự cấp nước theo mặt ( mưa, bốc hơi), mô hình phẳng ngang không áp

2.4.3 Phương pháp vẽ lưới thấm

Bằng phương pháp này có thể giải hàng loạt các bài toán thấm ổn định bằng lưới thấm Có thể vẽ lưới thấm bằng phương pháp cơ học chất lỏng, phương pháp tương tự điện thuỷ động, phương pháp mô hình số, cũng có thể

vẽ lưới thấm bằng tay Lưới thấm vẽ bằng tay cẩn thận có thể đảm bảo đủ độ chính xác cần thiết khi thiết kế sơ bộ

Phương pháp này chỉ ứng dụng cho chế độ thấm ổn định, môi trường đồng nhất đẳng hướng Vì vậy phương pháp này chỉ còn được dùng trong tính toán thiết kế các công trình thuỷ lợi nhỏ

là phương pháp phần tử hữu hạn sẽ được trình bày kỹ ở phần sau

Như vậy có nhiều phương pháp để giải bài toán ổn định thấm nhưng mỗi phương pháp có ưu điểm riêng và ứng dụng trong những phạm vi nhất định Trong các phương pháp tính toán thấm thì phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý tỏ ra có nhiều thuận lợi Vì vậy trong luận văn tác giả sẽ đi sâu và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

để giải bài toán thấm phẳng phục vụ cho việc tìm nguyên nhân hiện tượng đường bão hoà leo dần lên cao ở mái hạ lưu gây mất ổn định cục bộ cho đập

2.5 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán thấm [13,14]

Trước khi xem xét các phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng trong bài toán thấm, chúng ta tìm hiểu mô hình nghiên

cứu lý thuyết thấm của nước trong đất để làm sáng rõ các phương trình cơ bản

mà ta sẽ sử dụng vào bài toán

trường lỗ rỗng Nước vận động trong môi trường đó rất đa dạng và phức tạp, phụ thuộc vào nhiếu yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chế độ vận động của nước là thành phần hạt của cốt đất và trạng thái biến dạng của nó Ngược lại, trạng thái biến dạng cũng phụ thuộc vào áp lực thấm

do chế độ thấm gây nên.Môi trường của đất mà trong đó có nước vận động là môi trường 3 pha Sự vận động của nước trong đất là do các thành phần lực quyết định Một điều hiển nhiên là ta không thể nghiên cứu sự vận động của nước trong các lỗ rỗng hay khe nứt riêng biệt không có quy luật của môi trường đất, ta chỉ có thể xét cho dòng chất lỏng tượng trưng chứa đầy trong toàn bộ thể tích lỗ rỗng và cốt rắn Những đặc trưng của dòng thấm được thay bằng những giá trị trung bình của dòng chảy như lưu tốc, áp lực, lưu lượng trong mô hình môi trường liên tục Trong đó lưu tốc trung bình v mang giá trị tượng trưng và nhỏ hơn giá trị thực trung bình trong lỗ rỗng 1/n lần (với n là

độ rỗng của môi trường), còn áp lực và lưu lượng có giá trị thực

Dưới tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài (như ngoại lực, sự thay đổi nhiệt độ, chuyển vị cưỡng bức v.v ) bên trong kết cấu sẽ phát sinh nội lực

và biến dạng Phân tích trạng thái ứng suất (nội lực) và biến dạng của một kết cấu bất kỳ dưới tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài là nhiệm vụ của môn

cơ học kết cấu (theo nghĩa rộng)

Nếu xem kết cấu bất kì (ví dụ đập đất đá) là một môi trường liên tục bao gồm vô hạn một số phần tử có kích thước vô cùng bé ghép lại với nhau thì việc phân tích hiện tượng thấm trong đập trở nên thuận tiện hơn Do giả thiết như vậy (xem kết cấu là gồm nhiều phần tử ghép lại) nên có thể biến đổi các

phương trình phi tuyến phức tạp cho các hệ thành những phương trình tuyến tính đơn giản trong mỗi một phần tử

Việc rời rác hoá kết cấu như vậy hoàn toàn có thể thực hiện được khi sử dụng máy tính

Nhằm đơn giản hóa tính toán mà vẫn đảm bảo đủ mức tính toán yêu cầu, người ta xây dựng phương pháp phần tử hữu hạn (viết tắt là PP PTHH) là một phương pháp gần đúng để tính kết cấu với nội dung sau:

Thay thế kết cấu thực tế bằng một mô hình dùng để tính toán, bao gồm một số hữu hạn phần tử riêng lẻ liên kết với nhau chỉ ở một số hữu hạn điểm nút, tại các đểm nút tồn tại các lực tương tác biểu thị tác động qua lại của các phần tử kề nhau Quan niệm như vậy có nghĩa là thay bài toán tính hệ liên tục (hệ thực tế) có bậc tự do vô hạn bằng bài toán tính hệ có bậc tự do hữu hạn Chỗ phân cách giữa các phần tử hữu hạn gọi là biên của phần tử hữu hạn Tùy từng trường hợp cụ thể, biên của các phần tử hữu hạn có thể là các điểm, các đường hoặc các mặt Trong thực tế kết cấu là một môi trường liên tục cho nên ở tại mọi điểm trên biên của mỗi phần tử đều có các lực tương tác giữa các phần tử Tại mọi điểm trên biên của các phần tử hữu hạn, ứng lực (hoặc cột nước) cũng như chuyển vị đều phải thỏa mãn điều kiện liên tục khi

ta chuyển từ phần tử này sang phần tử kế cận (điều này sẽ nói kỹ về sau ) Trái lại, ở trong mô hình thay thế, kết cấu được quan niệm là chỉ gồm một số phần tử riêng lẻ liên kết với nhau ở một số điểm nút, cho nên giữa các phần tử lân cận chỉ có các lực tương tác đặt tại các điểm nút

Dĩ nhiên quan niệm như trên chỉ là gần đúng Trong khi thay thế kết cấu thực tế (hệ liên tục) bằng một tập hợp phần tử rời rạc chỉ liên kết lại với nhau

ở các điểm nút, người ta thừa nhận rằng, năng lượng bên trong mô hình thay thế phải bằng năng lượng trong kết cấu thực Nếu ta xác định được chính xác

các lực tương tác giữa các phần tử lân cận, và nếu ở trên các biên của các phần tử lân cận, điều kiện liên tục về lực và về chuyển vị đảm bảo được thỏa mãn khi ta chuyển từ phần tử này sang phần tử lân cận thì mô hình thay thế hoàn toàn giống với kết cấu thực tế Trái lại, nếu khi xác định lực tương tác qua lại giữa các phần tử lân cận ta phải dựa vào những giả thiết gần đúng nào

đó, hoặc điều kiện liên tục về lực và về chuyển vị ở trên các biên của các phần tử không đảm bảo được thỏa mãn thì mô hình thay thế chỉ phản ánh được gần đúng sự làm việc của kết cấu thực tế

Sau này ta sẽ thấy rằng, nói chung nếu mô hình thay thế càng nhiều phần

tử hữu hạn thì kết quả tính toán sẽ càng chính xác.Tuy nhiên vần đề không phải lúc nào cũng chỉ đơn giản như vậy Mức độ chính xác của các kết quả tính toán theo PP PTHH, và vấn đề nếu ta tăng số phần tử hữu hạn của các hệ

có chắc đảm bảo sẽ có kết quả tính ngày càng gần với lời giải chính xác hay không phụ thuộc vào nội dung vấn đề độ chính xác và các tiêu chuẩn hội tụ của PP PTHH

Trên toàn kết cấu, không phải lúc nào ta cũng chỉ dùng cùng một loại phần tử hữu hạn Tại những chỗ có hiện tượng tập trung ứng suất hoặc có hiện tượng thay đổi ứng suất đột ngột ta nên giảm bớt kích thước của các phần tử hữu hạn để có được kết quả tính với độ chính xác cao hơn

Cần chú ý là cũng với một điểm nút giống nhau, ta lại có thể sử dụng các

sơ đồ tính khác nhau và được kết quả tính khác nhau Tiếc rằng hiện nay chưa

thì sơ đồ nào sẽ cho được kết quả tính tốt nhất (chính xác hơn cả) Cho nên việc phân chia các phần tử hữu hạn trên sơ đồ tính sao cho tính toán được đơn giản nhất mà lại có được kết quả tính chính xác hơn cả phụ thuộc vào kinh nghiệm và trình độ của người thiết kế

2.5.3 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán thấm [14]

Như đã nêu, ngày nay với tiến bộ của công nghệ tin học nhiều bài toán

đã được giải và cho kết quả rất khả quan, điều quan trọng là chúng nhanh chóng đáp ứng được nhu cầu thực tiễn trong xây dựng công trình hiện đại cũng như thị trường khoa học công nghệ

Ở đây xin giới thiệu phần giải bài toán thấm dừng và trên cơ sở định luật thấm Darcy V= -K

Cơ sở phương pháp là dựa vào nguyên lý biến phân mà phiếm hàm được chọn là:

q dV

H K

H K

x y x

x v

2 2

2

1

Sơ đồ tính toán qua đập đất (xem hình 2-2):

x o

Ω

d Hl K

q

Trong đó :

trung bình trong miền tính toán

Q: lưu lượng thấm bổ sung vào miền tính toán

V,Ω là thể tích và đường biên của miền tính toán

Tiến hành rời rạc hóa miền tính toán bằng các phần tử tam giác (xem

Chọn hàm xấp xỉ là cột nước H dưới dạng đa thức bậc nhất:

H H

α α α

k k

j j

i i

y x l

y x l

y x l

α α

α

= MP

-1

PR e RHR e R = AR e RHR e R(2.5)

k j i

k j i

c c c

b b b

a a a

; ,y y y m n i j k m n x

2 1

R

Đặt (2.5) và (2.6) vào (2.2) ta được :

H = N.H R e R (2.9) Trong đó N là ma trận hàm tọa độ:

2 2

L

(2.14) Thay (2.12) vào (2.14) tao có :

KH + F = 0 (2.15) Phương trình (2.18) là phương trình cơ bản của bài toán , trong đó :

K đóng vai trò như ma trận cứng hệ, còn F đóng vai trò như véctơ tải của hệ :

23 22 21

13

K K K

K K K

K K K

F F

F

ω

d L N K

23 11

2

1

x K y K S