NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG THẤM CHO NỀN ĐẬP ĐẤT

Cho đến hiện nay, các vấn đề xử lý chống thấm cho nền các công trình thủy công đã được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến ở Việt Nam, tuy nhiên mỗi phương pháp chống thấm thường chỉ phù

-

LƯƠNG VĂN NGƯ

NGHI£N CøU §¸NH GI¸ C¸C GI¶I PH¸P CHèNG THÊM

CHO NÒN §ËP §ÊT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI -

LƯƠNG VĂN NGƯ

NGHI£N CøU §¸NH GI¸ C¸C GI¶I PH¸P CHèNG THÊM

CHO NÒN §ËP §ÊT

Mã số : 60 – 58 – 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.H ồ Chí Minh - 2012

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 7

CHƯƠNG MỞ ĐẦU : TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 8

I SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẬP 8

II NHỮNG VẤN ĐỀ ĐẶT RA CẦN GIẢI QUYẾT 8

III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 9

IV NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP Ở VIỆT NAM VÀ CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG THẤM 10

1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập ở Việt Nam 10

1.2 Đặc điểm chung của nền đập dâng nước ở Miền Nam 12

1 3 Khái quát về các vấn đề sự cố gây hư hỏng đập trên thế giới và Việt Nam 19

1.3.1 Khái quát về sự cố công trình thủy lợi 19

1.3.2 Đặc điểm làm việc của đập đất 21

1.3.3 Đặc điểm về sự cố của đập đất 21

1.3.4 Một số sự cố về đập đất đã xẩy ra ở Việt Nam 25

1.4 Tình hình sự cố đập do biến dạng thấm gây ra 27

1.4.1 Các biến hình thấm của đất và biện pháp phòng chống 27

1.4.2 Sự cố đập do biến dạng thấm gây ra ở nước ta 29

1.5 Các phương pháp tính toán thấm qua nền thủy công hiện nay 30

1.5.1 Thấm qua nền đồng chất dưới đáy công trình 30

1.5.2 Thấm qua nền không đồng nhất dưới đáy công trình, 31

2 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 32

2.1 Lịch sử phát triển của nghiên cứu thấm 32

2.1.1 Giới thiệu chung 32

2.1.2 Tầm quan trọng của lý thuyết thấm 33

2.2 Môi trường thấm và nguyên nhân gây ra thấm 33

2.2.1 Môi trường thấm 33

2.2.2 Nguyên nhân gây thấm 34

2.3 Phân loại dòng thấm 35

2.3.1 Theo trạng thái chảy 35

2.3.2 Theo thời gian 36

2.3.3 Theo tính chất môi trường thấm 37

2.3.4 Theo đặc điểm, tính chất của biên miền thấm 37

2.3.5 Theo tính chất không gian của miền thấm 38

2.4 Các định luật thấm cơ bản 39

2.4.1 Định luật thấm đường thẳng 39

2.4.2 Định luật thấm phi tuyến 39

2.5 Các phương pháp giải bài toán thấm bằng lý thuyết cổ điển 40

2.5.1 Phương pháp cơ học chất lỏng 40

2.5.2 Phương pháp thủy lực 41

2.5.3 Phương pháp thực nghiệm 41

2.5.4 Phương pháp số 42

2.6 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 42

2.6.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH 42

2.6.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp PTHH 45

3 CHƯƠMG 3: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG THẤM CHO NỀN 51

3.1 Giới thiệu chung 51

3.2 Giải pháp chống thấm bằng tương nghiêng và sân phủ 51

3.3 Giải pháp tường răng kết hợp lõi giữa 53

3.4 Giải pháp tường hào Bentonite : 54

3.5 Giải pháp khoan phụt 56

3.6 Giải pháp cọc đất – xi măng 59

4 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC CẦU MỚI TUYẾN VI TỈNH ĐỒNG NAI 62

4.1 Giới thiệu chung về công trình 62

4.1.1 Vị trí địa lý 62

4.1.2 Đặc điểm địa hình 63

4.1.3 Điều kiện địa chất 64

4.1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của dự án 69

4.1.5 Các thông số kỹ thuật chủ yếu và quy mô công trình 69

4.2 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Geo – Slope 71

4.2.1 Giới thiệu phần mềm Geo – Slope 71

4.2.2 Cơ sở lý thuyết thấm của Modul SEEP/W 72

4.3 Phân tích thấm qua nền và thân đập 73

4.3.1 Các trường hợp tính toán 73

4.3.2 Mô hình hóa và điều kiện biên bài toán 73

4.3.3 Phân tích kết quả tính toán 75

4.3.4 Nhận xét đánh giá kết quả 98

4.4 So sánh lựa chọn giải pháp xử lý nền đảm bảo về kinh tế và kỹ thuật 104

5 CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

5.1 Kết luận 106

5.2 Những tồn tại và hạn chế 108

5.3 Kiến nghị 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Thống kê một số đập đất, đá lớn ở Việt Nam 11

Bảng 1-2: Bảng thống kê một số sự cố đập ở Việt Nam 25

Bảng 3-1: Một số công trình xử lý nền bằng phương pháp khoan phụt 57

Bảng 4-1: Đặc trung lưu vực tuyến công trình 64

Bảng 4-2: Các chỉ tiêu cơ lý đề nghị tính toán của đất nền đập 67

Bảng 4-3: Các chỉ tiêu cơ lý đề nghị tính toán của đất đắp đập 68

Bảng 4-4: Các thông số cơ bản của hồ chứa Cầu Mới tuyến VI 69

Bảng 4-5: Các thông số cơ bản của tràn xả lũ và cống lấy nước 70

Bảng 4-6: Các thông số chính của đập đất tuyến VI 70

Bảng 4-7: Hệ số thấm các khối đất đắp và đất nền 74

Bảng 4-8 : Kết quả lưu lượng thấm đơn vị qua đập 98

Bảng 4-9 : Kết quả tính toán lượng mất nước của hồ 101

Bảng 4-10 : Kết quả tính Jra và Jxt 101

Bảng 4-11 : Kết quả tính tổn thất nước hồ khi độ sâu khoan phụt 10m 104

Bảng 4-12 : Kết quả tính tổn thất nước hồ khi độ sâu khoan phụt 15m 104

Bảng 4-13 : Kết quả tính tổn thất nước hồ khi độ sâu khoan phụt 20m 105

THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc 10

Hình 2- 1 : Minh họa mặt hàm xấp xỉ H của phần tử 43

Hình 2- 2 : Sơ đồ thấm qua đập 45

Hình 3- 1: Sơ đồ thấm qua đập có tường nghiêng + sân phủ 52

Hình 3- 2 : Sơ đồ tính thấm qua đập có tường lỡi + chân răng 53

Hình 3- 3 : Tường hào chống thấm bằng Bentonite 54

Hình 3- 4 : Kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa xi măng 56

Hình 3- 5 : Sơ đồ tường cọc xi măng đất 59

Hình 3- 6 : Mô tả quá trình thi công tạo tường chống thấm 60

Hình 4- 1: Cấu tạo mặt cắt ngang đập 62

Hình 4- 2 : Bản đồ vị trí công trình hồ chứa nước Cầu Mới 63

Hình 4- 3 : Mặt cắt địa chất tuyến dập 65

Hình 4- 4 : Mặt cắt tính toán và điều kiện biên 74

Hình 4- 5 : Mặt cắt khoan phụt sâu 20m 75

Hình 4- 6 : Sơ đồ lưới phần tử tính toán tại mặt cắt lòng suối 75

Hình 4- 7 : Kết quả tính lưu lượng thấm qua đập, mặt cắt lòng suối 76

Hình 4- 8 : Kết quả tính lưu lượng thấm qua đập, mặt cắt vai đập 77

Hình 4- 9 : Đường đẳng gradient thấm tại mặt cắt lòng suối 78

Hình 4- 10 : Kết quả tính thấm trường hợp 1a, mặt cắt lòng suối 78

Hình 4- 11 : Kết quả tính thấm trường hợp 1a, mặt cắt vai đập 79

Hình 4- 12 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 1a, mặt cắt lòng suối 80

Hình 4- 13 : Đồ thị trường phân bố gradient trong màng thấm TH 1a 81

Hình 4- 14 : Kết quả tính thấm trường hợp 1b, mặt cắt lòng suối 82

Hình 4- 15 : Kết quả tính thấm trường hợp 1b, mặt cắt vai đập 82

Hình 4- 16 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 1b, mặt cắt lòng suối 83

Hình 4- 17 : Đồ thị trường phân bố gradient trong màng thấm TH 1b 84

Hình 4- 18 : Kết quả tính thấm trường hợp 1c, mặt cắt lòng suối 85

Hình 4- 19 : Kết quả tính thấm trường hợp 1c, mặt cắt vai đập 85

Hình 4-20 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 1c, mặt cắt lòng suối 86

Hình 4- 21 : Đồ thị trường phân bố gradient trong màng thấm TH 1c 87

Hình 4- 22 : Kết quả tính thấm trường hợp 2a, mặt cắt lòng suối 88

Hình 4- 23 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 2a, mặt cắt lòng suối 89

Hình 4- 24 : Kết quả tính thấm trường hợp 2b, mặt cắt lòng suối 90

Hình 4- 25 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 2b, mặt cắt lòng suối 91

Hình 4- 26 : Kết quả tính thấm trường hợp 2c, mặt cắt lòng suối 91

Hình 4- 27 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 2c, mặt cắt lòng suối 92

Hình 4- 28 : Kết quả tính thấm trường hợp 3a, mặt cắt lòng suối 93

Hình 4- 29 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 3a, mặt cắt lòng suối 94

Hình 4- 30 : Kết quả tính thấm trường hợp 3b, mặt cắt lòng suối 95

Hình 4- 31 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 3b, mặt cắt lòng suối 96

Hình 4- 32 : Kết quả tính thấm trường hợp 3c, mặt cắt lòng suối 97

Hình 4- 33 : Đường đẳng gradient thấm trường hợp 3c, mặt cắt lòng suối 98

Hình 4- 34 : Quan hệ lưu lượng thấm qua nền đập với chiều sâu khoan phụt 100

Hình 4- 35 : Quan hệ lưu lượng thấm qua thân đập với chiều sâu khoan phụt 100

Hình 4- 36 : Quan hệ lưu lượng thấm qua nền với chiều dày màng khoan phụt 101

Hình 4- 37 : Quan hệ giữa Gradient cửa ra với chiều sâu khoan phụt 102

Hình 4- 38 : Quan hệ giữa Gradient cửa ra với chiều dày màng khoan phụt 103

Hình 4- 39 : Quan hệ giữa Gradient xuyên thủng với chiều sâu khoan phụt 103

LỜI CẢM ƠN

Luận văn "Nghiên cứu đánh giá các giải pháp chống thấm cho nền đập đất" được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình

Có được thành quả này là nhờ sự truyền thụ kiến thức của các thầy, cô giáo trực tiếp giảng dạy và công tác tại Trường Đại học Thủy lợi… trong suốt thời gian tác giả học tập tại trường

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo Trường Đại học Thủy lợi trong thời gian học tập tại đây, sự quan tâm giúp đỡ của Ban Lãnh đạo Công ty cổ phần đầu tư và xây 40, gia đình, bạn bè đồng nghiệp trong công tác và học tập để hoàn thành luận án này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS – TS Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo và cung cấp các tài liệu cần thiết cho luận văn này

TP.HCM, ngày 27 tháng 8 năm2012

Lương Văn Ngư

CHƯƠNG MỞ ĐẦU : TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đập thường chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của các hồ chứa hoặc các công trình dâng nước Ở nước ta, đập đất được xây dựng rất phổ biến do đặc điểm an toàn, kinh tế và đảm bảo vệ sinh môi trường xây dựng Đập đất có thể xây dựng trên nhiều loại nền, dễ thích ứng với độ lún của nền, ít bị nứt nẻ gây phá hoại đập…Do các đặc tính ưu việt đó nên đập đất ngày càng được phổ biến rộng rãi ở nước ta cũng như trên thế giới

Trong thời gian gần đây hàng loạt các công trình mất ổn định do vấn đề biến dạng thấm gây nên (Đập Suối Hành, Đập Phú Ninh, Đập Cà Giây, đập Ngãi Sơn Đồng Mô…) Cho đến hiện nay, các vấn đề xử lý chống thấm cho nền các công trình thủy công đã được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến ở Việt Nam, tuy nhiên mỗi phương pháp chống thấm thường chỉ phù hợp và mang lại những hiệu quả nhất định ứng với từng kiểu cấu trúc đất nền Do đó việc nghiên cứu các biện pháp chống thấm cho các công trình thủy công nói chung và cho đập đất nói riêng là vấn đề hết sức cấp bách có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Để giải quyết được các vấn đề cấp bách đã đặt ra, đề tài tập trung nghiên cứu các giải pháp chống thấm nền các công trình thuỷ công đã, đang được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới Tính toán chống thấm xử lý nền cho công trình cụ thể, trên cơ sở đó phân tích những ưu nhược điểm của mỗi phương pháp từ đó kiến nghị giải pháp chống thấm xử lý nền hữu hiệu đảm bảo an toàn

và kinh tế

Cho đến nay, các vấn đề xử lý nền các công trình thủy công đã được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến ở Việt Nam, tuy nhiên mỗi phương pháp

thường chỉ phù hợp và mang lại những hiệu quả nhất định ứng với từng kiểu cấu trúc đất nền

Trong tương lai, các công trình đập đất xây dựng mới sẽ yêu cầu về tiến

độ, hiệu quả kinh tế và chất lượng công trình ngày một càng cao Bên cạnh đó, các đập đất đã và đang được xây dựng cũng cần được nghiên cứu, đánh giá về

tình trạng hoạt động, điều kiện địa chất nền, các biện pháp xử lý nền đã chọn (nếu có) để dự báo và chủ động ứng xử kịp thời với các sự cố mất an toàn công trình

Qua phân tích ở trên cho thấy vấn đề đặt ra cần giải quyết là: Cần thiết phải tiến hành việc nghiên cứu các biện pháp xử lý nền đập đất mang tính tổng hợp, chuyên sâu đối với công tác xây dựng đập đất, công tác dự báo sự cố nền đập và lựa chọn biện pháp xử lý nền đập nói riêng

- Nêu cơ sở khoa học và thực tiễn của mỗi phương pháp chống thấm

- Tính toán thấm qua nền đập đất cho mỗi phương pháp xử lý nền Phân tích tính ổn định và tính kinh tế cho mỗi phương án tính toán Tìm ra các giải pháp xử lý chống thấm nền hữu hiệu

- Kiến nghị phương pháp xử lý nền đập hợp lý cho công trình hồ chứa nước Cầu Mới tuyến VI, huyện Long Thành, Cẩm Mỹ tỉnh Đồng Nai

1 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về tính thấm qua nền và thân đập

+ Các phương pháp xử lý chống thấm cho nền thấm nước mạnh

+ Tính toán thấm qua nền thấm nước mạnh bằng phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn ứng với từng giải pháp chống thấm xử lý nền + Phân tích về mặt kinh tế và kỹ thuật của từng phương án xử lý nền, kiến nghị giải pháp xử lý nền hữu hiệu cho công trình tiêu biểu

2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu và áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể đó

là hồ chứa nước Cầu Mới tuyến VI, tại tỉnh Đồng Nai nơi có tầng đá phong hóa nứt nẻ, thấm nước mạnh dưới nền công trình đập đất

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP Ở VIỆT

NAM VÀ CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG THẤM 1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập ở Việt Nam

Theo con số thống kê của Bộ NN&PTNT năm 2002 cả nước ta đã có 1.967

hồ (dung tích mỗi hồ trên 0,2.106

m3) Trong đó có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích 19 tỷ m3 còn lại là 1.957 hồ thủy nông với dung tích 5,842 tỷ m3

Nếu chỉ tính các hồ có dung tích từ 1triệu m3 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 (xem hình 1-1) Các hồ xây dựng không đều trong từng thời kỳ phát triển của đất nước Tính từ năm 1960 trở về trước khu vực miền Bắc và miền Trung xây dựng khoảng 6% Từ năm

1960 đến năm 1975 xây dựng được khoảng 44% Từ năm 1975 đến nay xây dụng khoảng 50%

Hình 1-1: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc

Ở nước ta đập vật liệu địa phương đóng vai trò chủ yếu Đập vật liệu địa phương tương đối đa dạng Đập đất được đắp bằng các loại đất: Đất pha tàn tích sườn đồi, đất Bazan, đất ven biển miền Trung Phần lớn các đập ở miền Bắc và

miền Trung được xây dựng theo hình thức đập đất đồng chất hoặc nhiều khối Một số năm gần đây, công tác thiết kế, xây dựng đập đất đã sử dụng một số công nghệ mới như tường lõi chống thấm bằng các tấm bê tông cốt thép liên kết

khớp ở đập Tràng Vinh, thảm sét bentonite cho đập Núi Một, hào bentonite cho đập Eaksup - Đăk Lắc…Vùng Tây Nguyên và Nam Trung Bộ phải sử dụng đất

có hàm lượng sét cao, sử dụng nhiều loại đất không đồng chất, sử dụng các hình thức đập nhiều khối có bố trí thiết bị thoát nước kiểu ống khói đã cải thiện được tình hình dòng thấm qua đập

Bảng 1-1: Thống kê một số đập đất, đá lớn ở Việt Nam

TT Tên hồ Tỉnh Loại Đập Hmax (m) Năm hoàn thành

13 Hòa Bình Hòa Bình Đất/đá 128 1978(XD)

46

Easoupe

47 Lòng Sông Bình Thuận Bê tông 35 2006

48 Tân Giang Ninh Thuận Bê tông 38 2006

50 Sông Sào Nghệ An Đất 30 Đang xây dựng

51 Hà Động Quảng Ninh Đất 30 Đang xây dựng

52 Cửa Đạt Thanh Hóa Đá đổ 118,5 Đang xây dựng

53 Tả Trạch T.T Huế Đất 56 Đang xây dựng

54 Nước Trong Quảng Ngãi đầm lăn Bê tông 72 Đang xây dựng

55 Hoa Sơn Khánh Hòa Đất 29 Đang xây dựng

56 Định Bình Bình Định đầm lăn Bê tông 50 Đang xây dựng

1.2 Đặc điểm chung của nền đập dâng nước ở Miền Nam

Nam Trung Bộ, Đông Nam Bộ và Tây Nguyên thuộc khu vực Trường Sơn Nam, có cấu trúc địa hình, địa mạo khá phức tạp, bao gồm một hệ thống núi và cao nguyên với những thung lũng và đồng bằng giữa núi Địa hình cao nguyên nhiều bậc là dạng đặc trưng nhất của bộ mặt khu vực này, từ độ cao trên 1.500m của sườn tây dãy Trường Sơn như cao nguyên Đà Lạt với đỉnh Ngọc Linh cao

tới 3.143m và thấp dần về phía Đông giáp với biển Đông, thuận chiều đón gió Tây Nam

Mạng sông suối phát triển dày đặc và có quá trình xâm thực mạnh, do độ dốc địa hình đáng kể Dãy núi Trường Sơn Nam là phân thủy giữa lưu vực sông

Mê Kông và các hệ thống sông đổ về Biển Đông như Sông Ba, Sông Đà Rằng, Sông Đồng Nai, còn dòng sông chính đổ về phía Tây nhập với sông Mê Kông là sông Sê Rê Pok (Sê San) Đặc điểm cơ bản của hệ thống sông suối trong khu vực nghiên cứu là trắc diện dọc chưa đạt được trạng thái cân bằng, lòng sông có dạng phân bậc rõ ràng và nhiều ghềnh thác Sông thường được chia thành ba đoạn chính có độ dốc khác nhau : đoạn miền núi, đoạn qua miền cao nguyên và đoạn qua vùng đồng bằng bóc mòn Pediment Ở chân vách các bề mặt san bằng chuyển xuống Pediment thường tạo thành hồ, đầm lầy

Các thung lũng sông miền núi thường hẹp và có sườn dốc, đáy sông trơ đá gốc, đá tảng, cuội sỏi, nhưng khi đổ ra bề mặt cao nguyên hay bề mặt đồng bằng thì thung lũng sông thường mở rộng, tạo vùng bồi tích rộng nhưng thường

là không dày, phủ trực tiếp lên trên các bề mặt bóc mòn phong hóa cổ, đôi khi phủ trên trầm tích Neogene hay Basalt

Các cao nguyên và bình sơn nguyên phân bố ở nhiều độ cao khác nhau, từ

300 - 400m đến 1.500 ÷ 1.700m và có tuổi khác nhau từ Paleogen đến Đệ Tứ Chúng là mặt bán bình nguyên Peneplain hoặc tiền sơn nguyên Pediment có vỏ phong hóa dày tới 50m Nhìn chung các cao nguyên thuộc khối tảng nâng cao chủ yếu có Basalt tuổi cổ hơn, còn các khối tảng nâng yếu là Basalt trẻ hơn Cao nguyên Đà Lạt được giới hạn ở tất cả các phía bởi vách dốc, gồm hai bề mặt có cao độ 1.700 ÷ 1.900m và 1.300 ÷ 1.600m được thành tạo từ cuối Paleogen đến Miocene Còn các cao nguyên khác, mà thực chất chưa phải là cao nguyên điển hình, thường là các bề mặt Basalt được tích tụ trong các thung lũng, hồ cổ hoặc Pediment Các bề mặt đó được hoạt động tân kiến tạo nâng lên dạng vòm hoặc bậc và đều bị chia cắt mạnh Về hình thái chúng có thể được chia thành hai kiểu: kiểu thứ nhất là các bề mặt nằm ngang được giới hạn một phía là sườn núi

bậc cao hơn và một phía là sườn vách chuyển xuống bậc thấp hơn như cao nguyên Di Linh, Kon Plông, Ma Drak; kiểu thứ hai có bề mặt dạng vòm, nổi cao ở giữa và dốc thoải dần ở xung quanh như Pleiku, Buôn Mê Thuột, Đăk Nông

Về địa tầng thì trừ phần đồng bằng ven biển, khu vực nghiên cứu gồm hai khối địa chất lớn là khối nâng Kontum với đặc điểm phân bổ phần lớn là các đá

cổ và khối hoạt hóa Mezozoi muộn- Kainozoi sớm Đà Lạt với đặc điểm phân bổ rộng rãi trầm tích lục nguyên J1-2 và các đá trẻ hơn

Theo đặc điểm cấu tạo địa tầng, nền địa chất miền Đông Nam Bộ có thể chia ra các loại chủ yếu theo nguồn gốc là đất Aluvi và đất sườn tàn tích hoặc đất tàn tích trên các loại đá gốc khác nhau Các loại đất thường gặp ở Miền Nam có thể chia ra làm 6 nhóm sau:

Nhóm 1: Đất trầm tích sông cổ và trẻ (aQ) phân bố ở các thung lũng sông :

Gồm Aluvi cổ phân bố ở các thung lũng sông lớn: Sông Pô Cô, Sông Đồng Nai… ; Aluvi hiện đại gồm các trầm tích lòng sông bãi bồi và các bậc thềm, Chúng thường cấu tạo bởi các loại đất sét hoặc á sét phân bố trên các bậc thềm sông với độ dày thường nhỏ hơn 5m Hàm luợng sét thường từ (15÷35)%

có thể sử dụng để đắp đập đồng chất hoặc lõi của đập không đồng chất Trong thực tế , đất Aluvi phát triển ở các bậc thềm dọc sông suối miền núi rất hẹp, trữ lượng ít Phần lớn diện tích được canh tác nên chỉ khai thác được một ít trong

lòng hồ trước khi ngập nước

Các trầm tích sông hiện đại phân bố ở lòng sông và bãi bồi, chúng chưa được cố kết tự nhiên tốt Thành phần chính là bùn sét, bùn sét pha, cát rời kém chặt Khảo sát từ lớp mặt trở xuống, tính chất cơ lý của các lớp như sau:

* Lớp 1: Bùn sét, bùn á sét, Với các chỉ tiêu cơ lý như sau:

Phần dưới của lớp 2 là các trầm tích cổ hơn và cố kết tốt hơn

Nhóm 2 : Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá Bazan trẻ (BQ II-IV );

Phân bố rộng rãi ở Xuân Lộc, Long Khánh, Vĩnh Cửu … tỉnh Đồng Nai, lớp này thường có chiều dày khá mỏng (nhỏ hơn 5m) và thường có lẫn đá tảng chưa phong hóa hết bên trong Vì thời gian phong hóa ngắn nên đá chưa bị phong hóa triệt để thành đất, do đó lớp đất này thường có lẫn đá dăm sạn, đá cục với mức độ rắn chắc không đều, phần dưới lớp phủ này là đá Bazan lỗ rỗng xen kẹp đặc xít có chiều dày phân bố không đều Tính chất cơ lý của tầng địa phủ (edQ không phân chia) như sau:

Nhóm 3 : Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá Bazan cổ (BN 2 -Q 1 );

Có nhiều ở tỉnh Bình Phước và hầu hết Tây Nguyên, xuất hiện rải rác ở Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu, bề dày phong hoá thường khá lớn, từ 10 đến 30m, tuỳ thuộc vào vị trí địa lý và địa hình Đá gốc thường là đá Bazan đặc xít xen ít Bazancó lỗ rỗng Các đơn nguyên theo thứ tự từ trên xuống

- Lớp 1 (edQ): Sét màu nâu đỏ lẫn khoảng 5% sạn Laterit, dạng hình cầu cứng chắc, chiều dày trung bình từ (2 ÷ 5)m, ở dạng tự nhiên đất có độ ẩm và hệ

số rỗng cao, độ chặt thấp, có các chỉ tiêu cơ lý như sau :

- Dung trọng tự nhiên: γw = (1,5÷1,6) T/m3

là nếu phân bố trên những vùng đồi thoải thì lớp mặt (edQ) có lẫn nhiều dăm sạn laterit, nếu phân bố trên vùng sườn núi dốc thì hàm lượng laterite không đáng kể Tổng chiều dày trên toàn mặt cắt từ (8 ÷ 15)m Mặt cắt đại diện bao

gồm các lớp như sau :

+ Lớp 1 (edQ): Sét màu nâu đỏ, ít đốm trắng lẫn (30 ÷ 70)% dăm sạn laterit, chiều dày trung bình từ (2 ÷ 3)m

Chỉ tiêu cơ lý của lớp đất

Phân bố rộng rãi và khá liên tục tạo thành các khoảng rộng lớn (Bảo Lộc, Định Quán, Bình Thuận…) Trong lớp edQ của đất này thường có các tảng lăn, dung trọng khô thiên nhiên của đất không cao Các đơn nguyên theo thứ tự từ trên xuống và tính chất có lý của khu vực như sau:

* Lớp 1 (edQ): Sét xám vàng, nâu đỏ, Chỉ tiêu cơ lý của lớp đất:

1.3.1 Khái quát về sự cố công trình thủy lợi

Khi tìm hiểu các vấn đề về sự cố hư hỏng đập chúng ta cần quan tâm tới đặc điểm của các công trình thủy lợi Các công trình đó có những đặc điểm quan trọng sau:

- Cải tạo thiên nhiên, khai thác các mặt lợi và khắc phục các mặt có hại để

phục vụ cho nhu cầu của con người

- Phải thường xuyên đối mặt trực tiếp với sự tàn phá của thiên nhiên, trong

đó có sự phá hoại thường xuyên và sự phá hoại bất thường

- Là kết quả tổng hợp và có quan hệ mật thiết về lao động của rất nhiều người trong nhiều lĩnh vực, bao gồm từ công tác quy hoạch, nghiên cứu khoa học, khảo sát, thiết kế, chế tạo, thi công, đến quản lý khai thác, v.v…

- Chưa đựng rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật xây dựng khác nhau

- Vốn đầu tư thường rất lớn

- Thời gian để ra đời một công trình thủy lợi phải mất nhiều năm, và hàng chục năm đối với công trình lớn Tuổi thọ công trình là hàng chục đến hàng trăm năm tùy theo cấp công trình

Những đặc điểm trên có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của công trình thủy lợi, vì thế nếu để xảy ra kém chất lượng ở bất kỳ khâu nào, trong thời gian nào cũng có thể dẫn tới sự cố lớn hoặc nhỏ Điều đó cũng có nghĩa là sự cố các công trình thủy lợi thủy lợi có quan hệ mật thiết với những đặc điểm đã nêu trên

Sự cố các công trình thủy lợi có những đặc điểm:

- Do một hoặc nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó có khảo sát (địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, thủy văn công trình), thiết kế (thủy công,

cơ khí, điện), chế tạo lắp đặt, thi công và quản lý khai thác Tuy nhiên thực tế nguyên nhân phổ biến là: Khảo sát, thiết kế, thi công

- Sự cố lớn thường xảy ra đối với các công trình thủy công (đập đất, cống lấy nước, tràn xả lũ)

- 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 và trong quá trình thi công (vỡ đập Sông Mực – Thanh Hóa,

sự cố 3 lần vỡ đập Suối Trầu - Khánh Hòa, đập Cà Giây - Bình Thuận)

- Những sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra rất đột ngột, trong một thời gian rất ngắn, không kịp ứng phó

- Hậu quả do sự cố gây ra thường là nghiêm trọng, việc xử lý rất tốn kém

gây ra tổn thất lớn về tính mạng, tài sản của nhân dân và tài sản quốc gia có ảnh hưởng xấu về kinh tế và tình hình xã hội

1.3.2 Đặc điểm làm việc của đập đất

Đập đất là công trình dâng nước, xây dựng bằng các vật liệu địa phương (đất, đá) nên trong quá trình khai thác đập đất mang những đặc tính sau:

- Đập đất là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập khác tham gia nhiệm vụ dâng nước trong hệ thống thủy lợi

- Có khối lượng lớn và chịu tác dụng của ngoại lực khá phức tạp, nên thân đập cần đảm bảo điều kiện chịu lực Đặc biệt phải đảm bảo điều kiện ổn định chống trượt của hai mái dốc và nền

- Mái đập thượng lưu thường xuyên chịu tác động của gió, sóng trong hồ, mưa gây sạt lở làm giảm khả năng ổn định của công trình Vì vậy mái đập đất thường có các biện pháp gia cố để bảo vệ

- Dòng thấm trong thân đập không chỉ làm giảm khả năng ổn định chống trượt của mái mà nó còn có thể gây ra xói ngầm làm hư hỏng công trình Dòng thấm xuất hiện ở cả trong thân đập, nền đập và vai đập, tại các vị trí tiếp giáp cửa ra do gradient của dòng thấm lớn thường gây ra hiện tượng trôi đất, vì vậy kết cấu đập phải bố trí các thiết bị lọc ngược trong thân đập hoặc mái hạ lưu đập

- Theo thời gian đập còn bị lún xuống do tác dụng của tải trọng bản thân đập và do quá trình cố kết thấm

1.3.3 Đặc điểm về sự cố của đập đất

1 Lũ tràn qua đỉnh đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Tính toán thủy văn sai

- Cửa đập tràn bị kẹt

- Lũ vượt tần suất thiết kế, không có tràn dự phòng

- Đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế

2 Sạt mái thượng lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Tính sai cấp bão

- Biện pháp gia cố mái không đủ sức chịu đựng sóng do bão gây ra

- Thi công lớp gia cố kém chất lượng

- Đất mái thượng lưu đầm nện không chặt hoặc không bạt mái

3 Thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Đánh giá sai tình hình địa chất nền, để sót lớp thấm nước mạnh không được xử lý

- Biện pháp xử lý nền không đảm bảo chất lượng

- Chất lượng xử lý nền kém: Khoan phụt không đạt yêu cầu; bóc không sạch lớp bồi tích; thi công chân khay, sân phủ kém dẫn đến thủng lớp cách nước

- 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

4 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

5 Thấm mạnh hoặc sủi nước mang công trình

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Thiết kế 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

6 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

- Chọn dung trọng khô thiết kế quá thấp, nên đất sau khi đầm vẫn tơi xốp,

bở rời

- 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 dải 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

8 Nứt dọc đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Nước hồ dâng cao đột ngột gây ra tải trọng trên mái thượng lưu tăng đột biến

- Nước hồ rút đột ngột gây ra giảm tải đột ngột trên mái thượng lưu,

- Nền đập bị lún trên chiều dài dọc tim đập

- Đất đắp đập khối thượng lưu có tính lún ướt hoặc tan rã mạnh nhưng không khảo sát phát hiện ra hoặc có phát hiện ra nhưng thiết kế kết cấu đập không hợp lý

9 Nứt nẻ sâu mặt hoặc mái đập

Do đất đắp đập thuộc loại trương nở tự do mạnh

10 Trượt sâu mái thượng lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Bão lớn sóng to kéo dài, đầu tiên phá hỏng lớp gia cố, tiếp đó phá khối đất ở phần thượng lưu thân đập

- Nước hồ rút đột ngột ngoài dự kiến thiết kế

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

- Thiết kế chọn tổ hợp tải trọng không phù hợp với thực tế

- Thiết kế chọn sai sơ đồ tính toán ổn định

- Chất lượng thi công đắt đắp đập không đảm bảo yêu cầu thiết kế

- Địa chất nền đập xấu không được xử lý

11 Trượt sâu mái hạ lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Địa chất nền xấu hơn dự kiến của thiết kế do khảo sát đánh giá không đúng với thực tế

- Sức bền của đất đắp đập kém hơn so với dự kiến của thiết kế do đánh giá sai các chỉ tiêu về chất lượng đất đắp đập

- Nền đập bị thoái hóa sau khi xây dựng đập nhưng khi khảo sát và thiết kế

đã không dự kiến được

- Thiết kế chọn sai tổ hợp tải trọng

- Thiết kế chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính toán

- Chất lượng thi công đất đắp đập không đảm bảo

- Thiết bị tiêu nước bị tắc làm dâng cao đường bão hòa

- Tiêu thoát nước mưa trên mái hạ lưu không tốt, khi mưa kéo dài toàn thân đập bị bão hòa nước ngoài dự kiến của thiết kế

1.3.4 Một số sự cố về đập đất đã xẩy ra ở Việt Nam

Bảng 1-2: Bảng thống kê một số sự cố đập ở Việt Nam

Công trình Địa điểm Sự cố (năm) Nguyên nhân Biện pháp

- Vỡ 180m đập đất phía cống lấy nước bờ tả

- Năm 196

Chủ yếu do khảo sát thiết kế không hợp

lý, thiếu kinh nghiệm

- Khoan phụt xử lý thấm nền đập

- Lựa chọn lại kết cấu đập

- 3 lần sự cố vỡ đập chính, 1 lần

vỡ đập phụ

- Năm 1977,

1978, 1980 và năm 1983

Do thiết kế và thi công

- Thiết kế chưa đạt yêu cầu chỉ tiêu đất đắp, biện pháp xử lý tiếp giáp mang cống

và đập

- Thi công chưa đảm bảo chất lượng

- Chọn lại đất đắp đập, kết cấu đập

- Sủi nước mạnh

ở đập chính

- Năm 1979

- Thiết kế: Khảo sát chưa đánh giá hết khả năng thấm nước nền đập

- Thi công: Chân khay chống thấm có một số đoạn thi

Lần1: Thiết kế bổ sung tầng lọc ngược tốt phía ngoài phạm

vi chân đập hạ lưu, chạy suốt chân đập Lần 2: Làm 2 dải lọc xuyên qua lớp

công không đảm bảo chất lượng

bồi tích ở nền đập dọc 2 bên bờ để dẫn nước ngầm từ trong lớp bồi tích ở nền đập chảy vào lăng trụ tiêu nước

Hồ

sông Mực

(Đập đất)

Huyện Như Xuân tỉnh Thanh Hóa

- Vỡ đập đất trong quá trình thi công

- Năm 1978

Do đơn vị thi công thay đổi phương án dẫn dòng, để nước tràn qua đập đất gây

- Thấm đập chính (1984)

- Sạt lớp gia cố mái thượng lưu (1984)

- Đơn vị thi công sử dụng đất đắp đập không đúng quy hoạch vật liệu

- Thi công lớp gia

cố mái không đúng theo thiết kế: đường kính lớp đá, cường

độ đá

- Khoan phụt vữa xi măng sét vào thân đập

- Gia cố lại mái thượng lưu

Hồ

Cà Giây

(Đập đất)

Huyện Bắc Bình tỉnh Bình Thuận

- Thấm qua đập chính

- Năm 1998

- Lũ thiết kế tính nhỏ

- Do lún nền và sập nền

- Thẩm lậu qua tiếp giáp các lớp đất qua các năm thi công

- Xây dựng 1 đập tràn sự cố

- Khai quật và đắp lại đoạn đập bị sự

cố

- Khoan phụt xi măng sét thân đập trên toàn tuyến

- Vỡ đoạn đập chính phía bờ hữu,

- 10/2007

Bộ NN&PTNT đang điều tra nguyên nhân (nhận định sơ

bộ do lũ dẫn dòng thi công vượt quá tần suất thiết kế)

Đang chờ ý kiến kết luận về nguyên nhân

1.4 Tình hình sự cố đập do biến dạng thấm gây ra

1.4.1 Các biến hình thấm của đất và biện pháp phòng chống

a) Xói ngầm cơ học

- Hiện tượng: Khi lưu tốc vượt quá một giới hạn nào đó thì xảy ra các hiện

tượng các hạt nhỏ bị đẩy lọt qua các khe hở giữa các hạt lớn Khi đó độ rỗng của đất nền tăng lên, lưu tốc thấm tăng lên và có khả năng cuốn theo các hạt đất lớn Hiện tượng này tiếp tục phát triển sẽ làm tăng nhanh lưu lượng thấm và làm tăng độ rỗng của đất nền, sinh ra lún không đều và dẫn tới làm mất ổn định công trình

- Xử lý chống xói ngầm cơ học: Vùng nguy hiểm về xói ngầm là chỗ dòng

thấm thoát ra hạ lưu Để chống xói ngầm cơ học cần phải làm thiết bị thoát nước dạng tầng lọc ngược

b) Xói tiếp xúc

- Hiện tượng: Khi dòng thấm chảy song song với mặt phân cách các lớp

vật liệu hạt rời, nếu cấp phối hạt của các lớp không hợp lý và gradient thấm đủ lớn thì sẽ xảy ra hiện tượng các hạt của lớp nhỏ bị cuốn trôi vào khe hở của lớp hạt lớn và bị trôi theo dòng thấm

- Để đề phòng xói tiếp xúc, cần chọn hệ số chuyển tiếp cỡ hạt của các lớp

kề nhau Thường chọn hệ số ξ≤ 3÷10 (Phụ thuộc vào tỷ số đường kính bình quân của lớp hạt lớn (D50) và đường kính bình quân của lớp hạt nhỏ (d50))

c) Đùn đất do thấm (Đẩy trồi đất)

- Hiện tượng: Đẩy trồi đất xảy ra trên nền đất dính, tại vùng cửa ra của

dòng thấm, khi áp lực đẩy ngược của dòng thấm vượt quá lực giữ khối đất (trọng lượng bản thân, lực dính và ma sát với các khối xung quanh)

Trị số gradient thấm giới hạn của đẩy trồi đất: Jgh = 2 − ( 1 −n)

γ

γ

(1-1) Trong đó: - γ2: Trọng lượng riêng của đất khô

- γ: Trọng lượng riêng của nước

- n: Độ rỗng của đất nền

Trong thực tế tại vùng cửa ra của dòng thấm nếu Jra > Jgh thì khối đất sẽ bị đẩy trồi từ dưới lên trên, làm công trình bị mất ổn định

- Phòng chống đẩy trồi đất: Giảm Jra và có thể trực tiếp làm tầng gia trọng

ở khu vực cửa ra

d) Đùn đất tiếp xúc

- Hiện tượng: Đối với đất dính, khi thiết kế tầng gia trọng để tránh hiện

tượng đẩy trồi đất cả mảng lớn ở hạ lưu Nếu tầng gia trọng cấu tạo bằng vật liệu hòn lớn và giữa các hòn có khe hở thì dòng thấm có thể đẩy bong từng phần đất nền tại các vị trí khe hở Đó là hiện tượng đùn đất tiếp xúc

- Phòng chống hiện tượng đùn đất tiếp xúc: Cần hạn chế khe hở giữa các

hòn của tầng gia trọng bằng cách đặt một lớp đệm trung gian bằng cuội hoặc dăm dạng tầng lọc ngược

e) Các biến hình thấm đặc biệt

Ngoài các biến hình thấm thông thường, trong môi trường thấm còn có thể xảy ra các biến hình thấm đặc biệt do tồn tại khe hở, khuyết tật trong đó, Các khe hở khuyết tật này được hình thành do nhiều nguyên nhân khác nhau: (xói ngầm, lún không đều, vết nứt trong đất, rễ cây mục nát, động vật đào hang )

Vị trí các khuyết tật có thể ở bất cứ chỗ nào trong miền thấm và nói chung không thể dự kiến được

Khi trong nền hay công trình có tồn tại các khe hở, khuyết tật như vậy, dưới tác dụng của cột nước thấm sẽ hình thành các hang thấm tập trung Dòng thấm sẽ đi theo con đường ngắn nhất nối các hang thấm tập trung, khi đó chiều dài đường thấm bị rút ngắn, gradient thấm tăng nhanh, khả năng phá hoại của dòng thấm là rất lớn Dạng phá hoại này của dòng thấm gọi là phá hoại đặc biệt, không thể dự kiến được vị trí, quy mô và mức độ hư hỏng của nền và công trình

Để kiểm tra khả năng phá hoại đặc biệt của nền và công trình, chỉ có thể sử dụng các đại lượng gradient thấm trung bình cho toàn miền, gọi là độ bền thấm đặc biệt hay độ bền thấm chung:

JK < KKCP (1-2) Trong đó: - JK: gradient thấm chung của nền hay công trình

- JKCP: gradient thấm chung cho phép của nền hay công trình (phụ thuộc vào loại đất và cấp công trình, có bảng tra)

Trị số JK đối với nền đất công trình có thể xác định theo phương pháp do Viện nghiên cứu khoa học Thủy lợi toàn liên bang – VNIIG (Liên Xô cũ) đề nghị:

JK =

∑ i tt

- Ttt: Chiều sâu tính toán của nền

- Σξi: Tổng hệ số sức cản tại các bộ phận của miền thấm

1.4.2 Sự cố đập do biến dạng thấm gây ra ở nước ta

Theo thống kê của GS,TS Phan Sỹ Kỳ về sự cố một số công trình thủy lợi

ở Việt Nam thì sự cố do thấm chiếm 15,06 % (xét riêng những hồ chứa lớn chiếm tới 31,11%)

Bảng 1-2 thống kê một số sự cố đập ở Việt Nam cho thấy sự cố do nguyên nhân thấm ảnh hưởng rất lớn tới an toàn đập đất Đơn cử như sau:

+ Hồ suốiTrầu:

- Sự cố lần thứ nhất do dòng thấm chảy men theo vách cống làm vỡ một đoạn đập dài trung bình 18m

- Sự cố lần thứ hai dòng thấm chảy qua lớp đất ở cao trình +22 do thiết kế chọn dung trọng khô thiết kế không đúng và thi công đầm nện không đảm bảo làm vỡ đoạn đập dài 50m

- Sự cố lần thứ ba do hình thành tuyến hang thấm từ thượng lưu về hạ lưu

ở vùng tiếp giáp giữa sườn đồi bên phải và thân đập Rất may là sự cố sảy ra trong quá trình thi công và ở phía sườn đồi cao trình gần đỉnh đập nên không gây vỡ đập nhưng phải đào toàn bộ phần đập phía vai đắp lại

+ Hồ Phú Ninh:

- Sự cố sủi nước mạnh ở đập chính do một mạch nước từ kẽ nứt trong nền

đá, mạch nước này liên thông với nước trong hồ Quá trình khảo sát đã không phát hiện được để xử lý nền

+ Hồ Vực Tròn:

- Sự cố thấm qua đập chính làm ướt sũng mái hạ lưu với chiều dài 630m

Để an toàn cho đập phải tiến hành khoan phụt thân đập đất

Ngoài ra còn nhiều sự cố do thấm đối với công trình tràn xả lũ, cống lấy nước cũng gây ảnh hưởng đến đập, trong phạm vi của luận văn tác giả không trình bày hết được Với đặc thù công trình thủy lợi luôn luôn tiếp xúc với nước

vì vậy mà yếu tố dòng thấm phải được quan tâm xem xét, tính toán ổn định thấm được đặt lên hàng đầu

1.5 Các phương pháp tính toán thấm qua nền thủy công hiện nay

1.5.1 Thấm qua nền đồng chất dưới đáy công trình

Các phương pháp tính toán thấm

1.5.1.1 Tính thấm bằng phương pháp giải tích

+ Phương pháp cơ học chất lỏng + Phương pháp cơ học chất lỏng gần đúng + Phương pháp thủy lực

+ Phương pháp tỷ lệ đường thẳng (phương pháp Len)

1.5.1.2 Phương pháp thực nghiệm

+ Phương pháp tương tự Darcy – Poison + Phương pháp thí nghiệm máng kính trên mô hình cát + Phương pháp thí nghiệm trên mô hình khe hẹp Hele – Shaw + Phương pháp thí nghiệm tương tự thủy động

1.5.1.3 Tính thấm bằng phương pháp sử dụng lưới thấm

1,4,1,3, Tính thấm bằng phương pháp sử dụng lưới thấm,

Lưới thấm được hình thành bởi hai họ đường cong trực giao nhau Các đường cong này thể hiện hình ảnh chuyển động của các hạt nước trong môi trường thấm

- Đường dòng: Biểu diễn quỹ đạo của các phần tử chuyển động trong miền thấm

- Đường thế: (đường đẳng cột nước) tập hợp các điểm có cùng cột nước thấm

Tại các vị trí đường dòng, đường thế gần sát với nhau là nơi có dòng thấm mạnh (gradient lớn), ngược lại tại vị trí các đường dòng, đường thế thưa là nơi

có dòng thấm yếu

Có thể sử dụng các phương pháp khác nhau để xây dựng lưới thấm:

+ Phương pháp giải tích + Phương pháp thí nghiệm + Phương pháp vẽ lưới bằng tay

1.5.1.4 Tính th ấm bằng phương pháp số

+ Phương pháp sai phân + Phương pháp phần tử hữu hạn

1.5.2 Thấm qua nền không đồng nhất dưới đáy công trình,

Việc giải bài toán này có thể sử dụng một trong số sơ đồ sau đã cho kết quả khả quan

Hệ số thấm trung bình

+ Dòng thấm chảy dọc theo các lớp + Dòng thấm chảy thẳng góc với các lớp

2 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lịch sử phát triển của nghiên cứu thấm

2.1.1 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 1902, 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

2.1.2 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…

Với 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, gradient… 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

2.2 Môi trường thấm và nguyên nhân gây ra thấm

2.2.1 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

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 tư

* 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

2.2.2 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 Gradient cột nước thấm Nguyên nhân gây thấm trong đất không bão hòa ngoài tác nhân chính là Gradient cột nước thủy lực (bao gồm Gradient áp lực và Gradient cao trình) còn do Gradient độ ẩm

Gradient 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

g

V g P

2 3

U y

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

2.3 Phân loại dòng thấm

Tùy theo các yếu tố khác nhau mà người ta tiến hành phân loại dòng thấm

2.3.1 Theo trạng thái chảy

Dòng thấm được phân loại như sau:

* Dòng thấm chảy rối:

Khi nước vận động trong các lỗ rỗng và khe nứt lớn của đá thì có dạng chảy rối, tức là không tuân theo định luật thấm đường thẳng Loại dòng thấm này xảy ra trong môi trường đất rời hòn lớn, môi trường cuội sỏi, đá hộc, đá dăm và môi trường đá nứt nẻ

* Dòng thấm chảy tầng:

Tương tự thủy lực, lý thuyết thấm cũng dùng hệ số Raynôn giới hạn diễn

ra trạng thái chảy tầng Lúc đó dòng thấm tuân theo định luật Dacry “ Lưu lượng thấm tỷ lệ bậc nhất với Gradient thủy lực” theo Pavlôpxki thì:

th

vde n

23 , 0 75 , 0

2.3.2 Theo thời gian

Dòng thấm được phân loại như sau:

a, Dòng thấm ổn định

Dòng thấm được coi là ổn định khi các đặc trưng của dòng thấm như lưu lượng Q, lưu tốc V, áp suất thủy động P, Gradient J không phụ thuộc vào thời gian mà chỉ phụ thuộc vào các tọa độ không gian Các đường dòng cũng không đổi theo thời gian và trùng với quỹ đạo chuyển động của chất điểm

b, Dòng thấm không ổn định

Dòng thấm được coi là không ổn định khi các yếu tố đặc trưng của dòng thấm không những phụ thuộc vào tọa độ không gian mà còn phụ thuộc vào thời gian Khi dòng thấm chuyển động không ổn định, ở mỗi điểm trong dòng thấm véc tơ tốc độ thay đổi theo thời gian, nên các đường dòng cũng thay đổi theo thời gian Các đường dòng này cho biết hướng và các trị số của tốc độ ở những thời điểm khác nhau trên nó tại một thời điểm cho trước (t1) Còn quỹ đạo vận động của chất điểm là đường cong di chuyển của chất điểm ở những thời điểm khác nhau (t1, t2 )

Do đó khi chuyển động không ổn định đường dòng không trùng với đường quỹ đạo

2.3.3 Theo tính chất môi trường thấm

Theo tính chất của môi trường thấm, có dòng thấm trong môi trường đồng nhất, không đồng nhất, đẳng hướng, không đẳng hướng Môi trường thấm có thể được xác định là tổ hợp của hai tính chất đồng nhất và đẳng hướng Ví dụ môi trường thấm đồng nhất đẳng hướng, đồng nhất không đẳng hướng, không đồng nhất đẳng hướng, không đồng nhất không đẳng hướng

Khái niệm không đồng nhất để chỉ mức độ thấm nước theo một phương pháp xác định, không giống nhau theo tọa độ không gian trong môi trường thấm Khái niệm đẳng hướng để chỉ mức độ thấm nước theo các hướng là không giống nhau

2.3.4 Theo đặc điểm, tính chất của biên miền thấm

Dòng thấm được phân loại như sau:

b Dòng thấm không áp

Khi biên trên của miền thấm là mặt bão hòa hoặc mặt đất thì dòng thấm không bị giới hạn và là dòng thấm không áp Giao tuyến của mặt phẳng thẳng đứng với mặt bão hòa tạo nên đường bão hòa Trên mặt bão hòa áp lực nước thấm bằng áp lực khí trời (áp suất trên mặt bão hòa bằng áp suất khí quyển, thuật ngữ không áp được hiểu theo nghĩa không có áp lực dư) Trong trường hợp dòng thấm ổn định thì đường bão hòa chính là đường đầu tiên thấm qua đê, qua thân đập đất, thấm qua bờ kênh, thấm vòng quanh bờ các công trình thủy lợi là các dòng thấm không áp