Nghiên cứu giải pháp móng hợp lý cho công trình xây dựng khu vực thành phố sóc trăng

LỜI CẢM ƠNSau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường đại học Thủy lợi Hà Nội; được sựdạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các bộ môn trong và ngoài trường, sựcộng tác c

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Xuân Khương

Học viên lớp: 22C11

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kếtquả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ côngtrình khoa học nào

Tác giả

Nguyễn Xuân Khương

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường đại học Thủy lợi Hà Nội; được sựdạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các bộ môn trong và ngoài trường, sựcộng tác của các cơ quan chuyên môn và các bạn bè cộng sự; với sự nổ lực phấn đấucủa bản thân tác giả đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật

xây dựng công trình thuỷ với nội dung:“Nghiên cứu xử lý đảm bảo an toàn đập hồ

Núi Cốc”.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cán bộ hướng dẫn khoa học là thầy giáoPGS.TS Nguyễn Cảnh Thái đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thôngtin khoa học cần thiết để tác giả hoàn thành luận văn

Xin cảm ơn sự giúp đỡ chân thành và nhiệt tình của các thầy cô giáo khoa công trình,các thầy cô giáo và đồng nghiệp ở nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau đã cung cấpcho tác giả những kiến thức quý báu để hoàn thành luận văn

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình

đã động viên, khích lệ tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả như ngày hômnay

Do điều kiện thời gian còn hạn chế nên trong luận văn này không tránh khỏi nhữngkhiếm khuyết, tác giả mong nhận được những góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo, cácbạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Hà Nội, tháng năm 2017

Tác giả

Nguyễn Xuân Khương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích của đề tài 2

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

1 Cách tiếp cận 3

2 Phương pháp nghiên cứu 3

IV Kết quả đạt được 3

CHƯƠNG I 4

TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT 4

VÀ CÁC VẤN ĐỀ AN TOÀN ĐẬP 4

1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam 4

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất 8

1.3 Các nguy cơ mất an toàn đập do thấm[2] 8

1.3.1 Sự cố thấm trong thân và nền đập 9

1.3.2 Sự cố thấm ở mang công trình 12

1.3.3 Sự cố thấm qua bờ vai đập 13

1.4 Các biện pháp xử lý thấm qua thân đập 13

1.4.1 Tăng kích thước mặt cắt và khối lượng đất đắp với đập đất đồng chất 14

1.4.2 Bố trí tường nghiêng mềm ở mái thượng lưu để chống thấm[3] 14

1.4.3 Tạo màng chống thấm bằng cách khoan phụt vữa ximăng đất 15

1.4.4 Xử lý thấm bằng biện pháp sử dụng tường hào đất +Bentonite 19

1.4.5 Sử dụng màng địa kỹ thuật (Geomembrane) 25

1.4.6 Sử dụng thảm bê tông (Concret Matts) 26

1.5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 27

1.6 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 29

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM VÀ 29

BIỆN PHÁP XỬ LÝ THẤM ĐỂ ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO ĐẬP ĐẤT 29

2.1.1 Phương pháp phần tử hữu hạn[4] .29

2.1.2 Giới thiệu phần mềm Seep/w 30

2.2 Các phương pháp tính ổn định mái dốc 33

2.2.1 Phương pháp phân tích giới hạn[4] 33

2.2.2 Phương pháp cân bằng giới hạn 36

2.3 Ảnh hưởng của dòng thấm đến ổn định mái đập đất 43

2.4 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 46

ÁP DỤNG CHO VIỆC ĐÁNH GIÁ AN TOÀN 46

VÀ XỬ LÝ THẤM ĐẬP CHÍNH HỒ NÚI CỐC 46

3.1 Giới thiệu công trình 46

3.1.1 Tổng quan về công trình[6] 46

3.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo khu vực đập chính[7] 48

3.1.3 Địa chất tuyến đập chính[8] 48

3.2 Các vấn đề liên quan đến an toàn đập chính hồ Núi Cốc do dòng thấm 52

3.3 Kiểm tra an toàn đập chính hồ Núi Cốc trong điều kiện hiện tại 56

3.3.1 Lựa chọn mặt cắt tính toán 56

3.3.2 Các trường hợp tính toán 58

3.3.3 Kết quả tính toán về thấm 58

3.3.4 Kết quả tính toán ổn định trượt mái hạ lưu 62

3.3.5 Đánh giá kết quả 63

3.4 Đề xuất các giải pháp xử lý thấm đập chính hồ Núi Cốc 64

3.5 Tính toán thấm, ổn định, lựa chọn kích thước hợp lý 65

3.5.1 Lựa chọn kích thước cho các giải pháp 65

3.5.2 Lựa chọn mặt cắt tính toán 66

3.5.3 Trường hợp tính toán 66

3.5.4 Kết quả tính toán thấm, ổn định theo giải pháp 1 67

3.5.5 Kết quả tính toán thấm, ổn định theo giải pháp 2 71

3.5.6 Tổng hợp đánh giá kết quả các giải pháp đề xuất 76

3.6 Phân tích, so sánh, lựa chọn giải pháp tối ưu 77

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 79

I Các kết quả đạt được trong luận văn 79

II Một số vấn đề tồn tại 80 III Hướng tiếp tục nghiên cứu 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 - Đập đất đồng chất hồ chứa nước Liệt Trì, tỉnh Quảng Ngãi 7

Hình 1.2 - Đập đất đồng chất hồ chứa nước đập Làng, tỉnh Hà Tĩnh (2014) 8

Hình 1.3 - Mô phỏng dòng thấm phát triển trong nền đập đất Am Chúa 10

Hình 1.4 - Mái hạ lưu đập Núi Cốc bị xói lở do dòng thấm ra mái (2002) 11

Hình 1.5 - Dòng thấm ra mái hạ lưu đập đất Nà Vàng, tỉnh Tuyên Quang 11

Hình 1.6 - Sự cố vỡ đập Thủy điện Ia Krêl 2 (Gia Lai) do thấm ở mang cống 12

Hình 1.7 - Sự cố vỡ đập Z20 tỉnh Hà Tĩnh do thấm ở vai đập và mang cống 13

Hình1.8 - Đập có tường nghiêng mềm chống thấm ở thượng lưu 14

Hình 1.9 - Minh họa khoan phụt xử lý thấm cho đập đất 15

Hình 1.10 - Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt chống thấm cho công trình thuỷ lợi .15

Hình 1.11 - Hình ảnh cọc xi măng đất thi công bằng công nghệ Jet-Grouting 17

Hình 1.12 - Mặt cắt thiết kế tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh) 18

Hình 1.13 - Hình ảnh thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh) 18

Hình 1.14 - Quy trình xây dựng hào đất – bentonite 20

Hình 1.15 - Hình ảnh đào hào trong dung dịch bentonite 20

Hình 1.16 - Hình ảnh quá trình trộn khô vật liệu 21

Hình 1.17 - Hình ảnh quá trình trộn ướt hỗn hợp 21

Hình 1.18 - Quá trình phát triển lấp đầy lỗ rỗng trong đất của bentonite 23

Hình 1.19 - Quá trình hình thành màng “Filter cake” 23

Hình 1.20 - Sơ đồ tính thấm khi có kể đến màng “Filter cake” 23

Hình 1.21 - Mặt cắt ngang thiết kế xử lý thấm bằng tường hào bentonite ở đập dâng Vũ Quang (tỉnh Hà Tĩnh) 24

Hình 1.22 – Hình ảnh đập dâng Vũ Quang (tỉnh Hà Tĩnh) sau khi thi công 25

Hình 1.23- Hồ chứa nước chống thấm bằng màng địa kỹ thuật (Geomembrane-HDPE) .26

Hình 1.24 - Sử dụng thảm bê tông chống thấm cho đập hồ chứa 27

Hình 2.1 - Sơ đồ phần tử tam giác 29

Hình 2.2 - Sơ đồ dòng thấm trong đất tuân theo định luật Darcy 31

Hình 2.3 - Ví dụ mô phỏng đập và nền trong phần mềm Seep/w 32

Hình 2.4 - Ví dụ minh hoạ tính thấm qua thân và nền đập đất bằng Seep/w 33

Hình 2.5 - Xác định góc ma sát và lực dính huy động 34

Hình 2.6 - Xác định mô men chống trượt, gây trượt với mặt trượt trụ tròn 37

Hình 2.7 - Các lực tác dụng vào mỗi thỏi đất 39

Hình 3.1 - Vị trí công trình hồ Núi Cốc 47

Hình 3.2 - Mặt cắt dọc tuyến đập chính hồ Núi Cốc 52

Hình 3.3 - Hình ảnh mái thượng lưu và hạ lưu đập chính hồ Núi Cốc (năm 2012) 52

Hình 3.4 - Các biểu hiện thấm ở đập hồ Núi Cốc (6/2017) 55

Hình 3.5 - Mặt cắt C6 hiện trạng đập chính hồ Núi Cốc 56

Hình 3.6 - Mặt cắt C8 hiện trạng đập chính hồ Núi Cốc 56

Hình 3.7 - Mặt cắt C5 hiện trạng hồ Núi Cốc 57

Hình 3.8 - Kết quả tính toán thấm mặt cắt C6 58

Hình 3.9 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng A 58

Hình 3.10 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng B 59

Hình 3.11 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng C 59

Hình 3.12 - Kết quả tính toán thấm mặt cắt C8 60

Hình 3.15 - Kết quả tính toán thấm mặt cắt C5 61

Hình 3.17 - Kết quả tính toán ổn định mặt cắt C6 - Kminmin=1,621 62

Hình 3.20 - Mặt cắt C6 - Mặt cắt giữa lòng sông 66

Hình 3.21 - Mặt cắt C8 - Mặt cắt sườn đồi phải 66

Hình 3.22 - Mặt cắt C5 - Mặt cắt sườn đồi trái 66

Hình 3.23 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C6 - giải pháp 1 67

Hình 3.24 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C6 - giải pháp 1 (Jmax=2,57) 67

Hình 3.25 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng khoan phụt 67

Hình 3.26 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C6 - giải pháp 1 (Kminmin=1,84) 68

Hình 3.27 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C8 - giải pháp 1 68

Hình 3.28 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C8 - giải pháp 1 (Jmax=1,12) 68

Hình 3.29 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng khoan phụt 69 Hình 3.30 - Kết quả ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C8 - giải pháp 1

(Kminmin=2,00) 69

Hình 3.31 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C5 - giải pháp 1 70Hình 3.32 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C5 - giải pháp 1 (Jmax=2,1) 70Hình 3.33- Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng khoan phụt 70Hình 3.34 - Kết quả ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C5 - giải pháp 1(Kminmin=1,76) 71Hình 3.35 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C6 - giải pháp 2 71Hình 3.36 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C6 - giải pháp 2 (Jmax=2,7) 71Hình 3.37 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng tường hào 72Hình 3.38 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C6 - giải pháp 2(Kminmin=1,83) 72Hình 3.39 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C8 - giải pháp 2 73Hình 3.40 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C8 - giải pháp 2 (Jmax=1,17) 73Hình 3.41 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng tường hào 73Hình 3.42 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C8 - giải pháp 2 (Kminmin=2,01) 74Hình 3.43 - Kết quả về đường bão hòa và lưu lượng thấm mặt cắt C5 - giải pháp 2 74Hình 3.44 - Kết quả về Gradient thấm của mặt cắt C5 - giải pháp 2 (Jmax=1,45) 74Hình 3.45 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ Y tại vùng tường hào 75Hình 3.46 - Kết quả về ổn định mái hạ lưu của đập mặt cắt C5 - giải pháp 2(Kminmin=1,78) 75

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam[1] .4

Bảng 2.1 - Tóm tắt số lượng ẩn trong việc tìm hệ số an toàn 41

Bảng 2.2 - Tóm tắt số lượng các đại lượng đã biết trong tìm hệ số an toàn 42

Bảng 2.3 - Tóm tắt các phương pháp tính toán 43

Bảng 3.1 - Các thông số chính của hồ chứa nước Núi Cốc 47

Bảng 3.2 - Các thông số đập chính hồ Núi Cốc 47

Bảng 3.3 - Các chỉ tiêu cơ lý tính toán của các lớp đất 50

Bảng 3.4 - Các chỉ tiêu cơ lý lớp 6 dùng trong tính toán 51

Bảng 3.5 - Các chỉ tiêu cơ lý lớp 7 dùng trong tính toán 51

Bảng 3.6 - Kết quả gradient tại các điểm vùng A trước khi xử lý thấm 58

Bảng 3.7 - Kết quả gradient tại các điểm vùng B trước khi xử lý thấm 59

Bảng 3.8 - Kết quả gradient tại các điểm vùng C trước khi xử lý thấm 59

Bảng 3.9 - Kết quả gradient tại các điểm vùng D trước khi xử lý thấm 60

Hình 3.13 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng D 60

Bảng 3.10 - Kết quả gradient tại các điểm vùng E trước khi xử lý thấm 61

Hình 3.14 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng E 61

Bảng 3.11 - Kết quả gradient tại các điểm vùng E trước khi xử lý thấm 62

Hình 3.16 - Biểu đồ quan hệ gradient J theo toạ độ X tại vùng E 62

Bảng 3.12 - Kết quả gradient tại các điểm vùng khoan phụt sau khi xử lý thấm 67

Bảng 3.13 - Kết quả gradient tại các điểm vùng khoan phụt sau khi xử lý thấm 69

Bảng 3.13 - Kết quả gradient tại các điểm vùng khoan phụt sau khi xử lý thấm 70

Bảng 3.14 - Kết quả gradient tại các điểm vùng tường hào sau khi xử lý 72

Bảng 3.15 - Kết quả gradient tại các điểm vùng tường hào sau khi xử lý 73

Bảng 3.15 - Kết quả gradient tại các điểm vùng tường hào sau khi xử lý 75

Bảng 3.16 - Tổng hợp kết quả các giải pháp xử lý thấm đề xuất 76

Bảng 3.17 - So sánh các giải pháp 77

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay ở Việt Nam có rất nhiều hồ chứa nước với quy mô khác nhau, trong đó đậpvật liệu địa phương là loại đập trong công trình đầu mối chiếm số lượng nhiều nhất.Đập vật liệu địa phương gồm nhiều loại loại như: đập đất, đập đất đá hỗn hợp, … Do

có nhiều ưu điểm nên đập đất là loại được sử dụng nhiều nhất so với các loại đập vậtliệu địa phương khác

Theo cấu tạo, đập đất được phân thành các loại: đập đồng chất, đập không đồng chất,đập có tường nghiêng mềm hoặc cứng, đập có tường lõi mềm hoặc cứng, đập hỗn hợp.Đập đất có các đặc điểm làm việc chính như:

- Thấm qua thân đập và nền;

- Mái đập chịu ảnh hưởng của mực nước thượng hạ lưu;

- Chịu ảnh hưởng của các yếu tố: sóng, gió, mưa và nhiệt độ;

- Biến dạng của nền đập và thân đập

Trong số các đặc điểm trên thì thấm qua thân đập và nền là đặc điểm vô cùng quantrọng và có ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn của đập Về cơ bản thì nền và thân đậpđều có sự thấm nước Dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu trong thân đập được hìnhthành khi có sự chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu Dòng thấm là nguyênnhân gây nên các hiện tượng xói ngầm trong thân và nền đập, sũng ướt mái hạ lưu đậplàm mất ổn định mái hạ lưu đậy; là tác nhân chính làm cho đập bị hư hỏng Vì vậy,đảm bảo an toàn về thấm là vô cùng quan trọng trong thiết kế đập đất để công trìnhhoạt động bình thường và ổn định

Hồ chứa nước Núi Cốc là công trình đầu mối có quy mô khá lớn, có nhiều hạng mụcđược kết hợp với nhau mang nhiều mục đích tổng hợp Trong đó, đập chính có thể coi

là đập đất lớn nhất trong số các đập đất đã được xây dựng ở khu vực miền bắc Việt

Nam Mặt hồ rộng và có hơn 89 hòn đảo lớn nhỏ Đây là công trình đầu mối quantrọng của khu vực phía bắc bao gồm các hạng mục: 1 đập chính, 7 đập phụ, 2 tràn xả

lũ, 1 cống ngầm, 1 nhà máy thủy điện Hạ du hồ Núi Cốc là trung tâm thành phố TháiNguyên;một trong những thành phố lớn nhất ở miền Bắc, chỉ sau Hà Nội và HảiPhòng về dân số Thành phố Thái Nguyên là trung tâm của vùng trung du và miền núiphía Bắc, được thành lập vào năm 1962 và là một thành phố công nghiệp Ngoài ra,thành phố Thái Nguyên được cả nước biết đến là một trung tâm đào tạo nguồn nhânlực lớn và là một trung tâm quân sự - quốc phòng quan trọng của vùng, nơi đóng trụ sởcủa Bộ tư lệnh và nhiều cơ quan khác của Quân khu 1.

Tháng 06 năm 2017, đập chính hồ Núi Cốc xảy ra hiện tượng thấm nước ở vai đập,phía bờ hữu cao trình +45,00m đến +46,00m; một số vị trí thấm ở khu vực giữa mái hạlưu đập chính Tại cao trình từ +42,00m đến +44,00m bờ tả có hiện tượng nước thấmnhiều; nước chảy ra bị đục, mang theo các hạt rắn và có lẫn gỉ sắt; rãnh thoát nước hạlưu của đập tại cơ +32,00m và +42,00m bị gãy đổ chiều dài 200m làm tụt tấm lát mái

và rãnh thoát nước chân mái hạ lưu bị đổ dài khoảng 8m; mái lát thượng lưu có một số

vị trí bị lún sụt hư hỏng cục bộ Thực trạng đó cho thấy đập chính hồ Núi Cốc đangtrong tình trạng rất nguy hiểm; nguy cơ vỡ đập và mất an toàn hồ chứa là rất cao Nếu

sự cố vỡ đập chính hồ Núi Cốc xảy ra sẽ gây thiệt hại khó lường cho vùng hạ du; ảnhhưởng lớn các khu công nghiệp trên địa bàn Vì vậy, việc nghiên cứu, tính toán vàđánh giá cụ thể đối với đập chính hồ chứa nước Núi Cốc là việc làm cấp thiết và mangtính thực tiễn cao

II Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất

- Nghiên cứu các nguy cơ mất an toàn do ảnh hưởng của dòng thấm và các biện pháp

xử lý thấm qua thân đập đất

- Nghiên cứu đánh giá an toàn và đề xuất biện pháp xử lý thấm cho đập chính hồ chứanước Núi Cốc

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

1 Cách tiếp cận

- Từ thực tế: Các trường hợp đập đất bị mất an toàn thấm khi đi vào sử dụng

- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện ổn định và kinh tế

- Tiếp cận hiện đại: Ứng dụng các phương pháp tính toán tiên tiến, phần mềm hiện đại

để kiểm tra ổn định cho đập

2 Phương pháp nghiên cứu

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

- Thu thập tài liệu phục vụ đánh giá an toàn về thấm cho đập đất

- Từ các tài liệu đã có, xây dựng mô hình bài toán, áp dụng các phần mềm thích hợp đểtính toán, kiểm tra thấm, ổn định công trình

- Ứng dụng cho công trình thực tế

IV Kết quả đạt được

- Đánh giá được các nguyên nhân gây mất an toàn đập đất

- Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của dòng thấm đến an toàn đập đất

- Giải pháp an toàn cho đập đất khi bị thấm

- Kết quả tính cho đập chính hồ Núi Cốc

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÀ CÁC VẤN ĐỀ

AN TOÀN ĐẬP

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

Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều hồ chứa, trong đó đa số các đập đầu mối đều là đậpđất Đập được xây dựng bằng các loại đất có tác dụng dâng nước và giữ nước nhưngkhông cho phép để nước tràn qua được gọi là đập đất Đập đất là loại đập sử dụng vậtliệu địa phương

Tính đến nay, nước ta đã xây dựng được trên 6500 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tíchtrữ nước khoảng 11 tỷ m3 Trong đó có 560 hồ chứa có dung tích trữ nước lớn hơn 3triệu m3 hoặc đập cao trên 15m, 1752 hồ có dung tích từ 0,2 triệu đến 3 triệu m3 nước,còn lại là những hồ đập nhỏ có dung tích dưới 0,2 triệu m3 nước Đặc điểm chung củacác hồ chứa thủy lợi là đập chính ngăn sông tạo hồ, đại đa số là đập đất Nhìn nhậnchung, hơn một nửa trong tổng số hồ đã được xây dựng và đưa vào sử dụng trên 25 ÷

30 năm, nhiều hồ đã bị xuống cấp Một số đập đất ở Việt Nam được thống kê nhưbảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1 - Một số đập đất đá đã được xây dựng ở Việt Nam[1]

3 Đồn đhỗn17

Đập đất rất đa dạng, và việc lựa chọn biện pháp thi công hay lựa chọn kết cấu mặt cắtngang hoặc chọn biện pháp chống thấm đều ảnh hưởng đến an toàn thấm cũng như antoàn đập.

Theo phương pháp thi công, đập có thể phân thành:

- Đập đất đầm nén là loại đập mà thân đập được làm chặt bằng cách đầm nén theo từnglớp

- Đập đất bồi là loại đập mà tất cả các khâu khai thác, vận chuyển và bồi đất lên thânđập được tiến hành theo phương pháp cơ giới thủy lực

- Đập đất đắp bằng cách đổ đất trong nước được thi công bằng cách cho nước vàotrong các ô trên mặt đập rồi đổ đất vào các ô đó

- Đập đất đắp bằng phương pháp nổ mìn định hướng, tức là cho nổ mìn theo hướngđịnh trước để đưa những khối đất lớn ở hai bên bờ vào lấp sông và tạo thành đập.Theo kết cấu mặt cắt ngang, đập đất có thể phân làm 4 loại:

- Đập đất đồng chất: đập được xây dựng bằng một loại đất như cát, á cát, á sét v.v

- Đập hỗn hợp (đập nhiều khối): đập xây dựng bằng nhiều loại đất có tính chất cơ lýkhác nhau Đối với đập hỗn hợp có thể bố trí các loại đất trong thân đập như sau: đất

có tính chống thấm tốt đặt ở phía thượng lưu, hoặc ở giữa thân đập Đập đất hỗn hợpđất đá là vật liệu gồm đất và đá

- Đập có tường nghiêng: đập có thiết bị chống thấm nằm nghiêng theo mái dốc thượnglưu Thiết bị chống thấm có thể làm bằng loại vật liệu dẻo như sét, á sét hoặc làm bằngvật liệu cứng như bê tông cốt thép, thép, gỗ v.v

- Đập có lõi giữa: đập có thiết bị chống thấm nằm giữa thân đập Thiết bị chống thấm

có thể là vật liệu dẻo, hoặc cứng

Theo thiết bị chống thấm ở nền đập được chia thành các loại sau:

- Đập có tường răng: trường hợp tầng nền thấm nước không sâu lắm thì có thể xâydựng tường răng làm vật chống thấm trong nền đập Thân đập là đồng chất hoặc có

tường nghiêng hay lõi giữa, đều có thể dùng tường răng để chống thấm cho nền.Tường răng có thể làm bằng loại vật liệu xây dựng thân đập hoặc các vật liệu có tínhchống thấm tốt hơn.

- Đập có bản cọc: bản cọc dùng trong trường hợp nền thấm nước không phải là đá.Nếu tầng thấm nước tương đối sâu và có hạn thì bản cọc có thể cắm xuống tận tầngkhông thấm còn nếu tầng thấm nước rất sâu hoặc vô hạn thì bản cọc chỉ đóng xuốngmột giới hạn nhất định

- Đập được khoan phụt tạo màng xi măng chống thấm: dùng màng xi-măng để chốngthấm trong trường hợp nền đá bị nứt nẻ Tùy theo độ sâu của tầng đá bị nứt nẻ và khảnăng thi công màng xi-măng, màng xi-măng có thể cắm xuống tận tầng đá chắc hoặcchỉ sâu một giới hạn nhất định

- Đập có sân trước: trong trường hợp nền thấm nước rất dày thì có thể dùng hình thứcchống thấm cho nền là sân trước Sân trước có thể làm bằng vật liệu xây dựng đậpđồng chất hoặc vật liệu như tường nghiêng, lõi giữa

Hiện nay, chúng ta đang phải rà soát và đánh giá an toàn rất nhiều đập đất của các hồchứa nước, đặc biệt là công trình đã được xây dựng trong giai đoạn từ năm 1960 đếnnăm 1975 Thực trạng hiện nay, phần nhiều chưa thật an toàn về chống thấm qua thânđập và qua nền đập hoặc qua các vai đập Nhiều đập sau một thời gian làm việcthường bộc lộ các hiện tượng thiếu ổn định thấm dẫn đến rò rỉ, mạch lùng, như NúiMột (năm 1996 – 1998), Phú Ninh (sau lũ tháng 12/1999), đập hồ Núi Cốc (2017) Cócông trình mới xây dựng đã rò thấm dẫn đến sự cố như Suối Hành (1986), Am Chúa(1993), Cà Giây (1998), Sông Trâu (2005), Sông Sắt (2008) Thực tế một số công trình

đã đánh giá cho thấy việc nâng cấp sữa chữa là cần thiết vì hầu hết các công trình nàyđều xuất hiện các hiện tượng bất thường và thông qua tính toán có thể mất an toàn nếukhông được xử lý Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và PTNT thì hiện nay đang cókhoảng 1200 hồ chứa có đập đất đã đến thời kỳ xuống cấp cần phải được tu bổ, nângcấp sửa chữa Một trong những tiềm ẩn chính ở các đập đất cần nâng cấp sữa chữa làviệc nguy cơ mất an toàn về thấm dẫn đến mất an toàn về đập Việc đánh giá an toàn

cứu an toàn thấm để ứng dụng trong thiết kế thi công đập đất mới và nâng cấp sữachữa là hết sức cần thiết.

Xu thế về việc lựa chọn sử dụng đập đất ở Việt Nam vẫn rất tiềm năng vì đập đất cónhiều ưu điểm phù hợp với điều kiện hoàn cảnh của nước ta Đặc biệt, hiện nay bằngnguồn vốn trái phiếu chính phủ, Bộ NN&PTNT tiếp tục đầu tư xây dựng mới nhiều hồchứa có qui mô lớn và vừa Đồng thời ở các địa phương, UBND tỉnh cũng đầu tư xâydựng các hồ chứa vừa có dung tích từ (1 ÷ 10) triệu m3 nước Các hồ nhỏ phần lớn dohuyện, xã, hợp tác xã, nông trường tự bỏ vốn xây dựng và quản lý kỹ thuật Để có sựbền vững về an toàn hồ chứa lâu dài thì ngay những bước đầu tiên khi tiến hành thiết

kế, thi công đập đất mới, chúng ta cần quan tâm và chú trọng nghiêm túc trong việcđánh giá an toàn thấm cũng như an toàn đập, đặc biệt các hồ chứa vừa và nhỏ trướcnay vẫn chưa được quan tâm đúng mức

Dưới đây là một số hình ảnh về các công trình đập đất đã xây dựng ở nước ta:

Hình 1.1 -Đập đất đồng chất hồ chứa nước Liệt Trì, tỉnh Quảng Ngãi

Hình 1.2-Đập đất đồng chất hồ chứa nước đập Làng, tỉnh Hà Tĩnh (2014)

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập đất Có thể kể đến các yếu tố chính nhưmực nước thượng, hạ lưu; bùn cát bồi lắng phía thượng lưu; mưa, sóng, gió, nhiệt độ,vật nổi, động đất, địa chất vai và nền đập, địa hình lòng sông

Khi tính toán thiết kế đập đất cần tính hết các yếu tố và tổ hợp ảnh hưởng của chúngđối với công trình

1.3.Các nguy cơ mất an toàn đập do thấm[2]

Thấm gây ra hư hỏng cục bộ trong đập và nền là hiện tượng thường gặp ở phần lớn cácđập đất đang hoạt động Chúng thuộc loại nguy cơ tiềm ẩn mà lâu dài có thể dẫn đến

sự cố về đập Sự phá huỷ ngầm của thấm diễn ra ở bên trong (không phát hiện được)một cách lặng lẽ, thường kéo dài trong nhiều năm nên khi bùng phát ra sự cố thườngrất khó khắc phục Tuy nhiên, nếu quản lý chặt chẽ, thường xuyên quan sát thì có thể

nhận biết được bằng mắt thường qua các biểu hiện như: mái hạ lưu bị ướt, vùng thềmsau đập bị lầy hoá các hố sụt, võng trên mặt đập, sự phát sinh các dòng chảy có mangtheo đất, để tiến hành ngăn chặn ngay từ đầu.

Có thể kể đến các nguy cơ mất an toàn đập do thấm điển hình như sau:

1.3.1 Sự cố thấm trong thân và nền đập

Nền đập và thân đập nói chung đều thấm nước Sự cố thấm trong thân và nền đập bắtnguồn từ sự phát triển dòng thấm tuân theo định luật Đacxi chuyển dần sang sự hìnhthành dòng chảy tự do (chảy rối) Chịu áp lực của cột nước thượng lưu, dòng chảy nàyngày càng tăng lên cả lưu lượng lẫn lưu tốc vì quá trình chảy luôn cuốn theo các thànhphần hạt nhỏ làm cho đường chảy luôn mở rộng Sự phát triển đường chảy gây sập lởvùng chuyển tiếp đắp bằng các vật liệu thô tạo nên các hang rỗng và đến một thờiđiểm khi vận tốc, lưu lượng nước đủ mạnh thì phávỡ cửa ra ở hạ lưu, lấn dần vào thânđập Nếu không xử lý kịp thời có thể dẫn đến vỡ đập Trong thiết kế cần quan tâm một

số vấn đề sau:

- Cần xem xét kỹ gradien thấm trên toàn mặt cắt đập ứng với các trường hợp bìnhthường và bất lợi Cần lưu ý xem xét gradien thấm ở một số vị trí đặc biệt so vớigradien cho phép (vùng tiếp xúc của các khối, vùng dòng thấm bị đổi hướng, vùng racủa đường thấm trên mái hoặc vào lọc, )

- Bài toán thấm hiện nay thường đưa ra kết quả thiên về an toàn Hầu như đường bãohòa trong đập đều rất thấp và nước đều được thu về thiết bị lọc Thực tế thấm của cácđập đã xây dựng xấu hơn nhiều Phần lớn đập đều xảy ra tình trạng đường thấm rangay trên mái hạ lưu, thậm chí là ra rất cao Điều đó có nghĩa là thiết bị lọc trong đậpkhông làm việc hoặc không đạt hiệu quả mong muốn hoặc chất lượng đất trong thânđập không đúng với các chỉ tiêu thiết kế Trong thực tế, hệ số ổn định mái hạ lưu đềuthấp hơn tính toán thiết kế Nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên là do bài toán thấmhiện nay chỉ dùng một hệ số thấm, xem tính thấm trong đất giống nhau ở mọi hướng

Hệ số thấm tính toán lấy theo kết quả thí nghiệm thấm đứng (đường thấm đi vuông

góc với mẫu) Đập đất được hình thành từ các lớp đắp, vì vậy mặt tiếp xúc giữa 2 lớpđắp luôn có độ chặt kém hơn Kết quả là thấm theo phương ngang trong đập luôn phát

triển mạnh hơn phương đứng Theo tiêu chuẩn Mỹ thì tỷ số hệ số thấm ngang so với

hệ số thấm đứng tùy thuộc hàm lượng sét của khối đắp, có thể chênh nhau từ một chụcđến vài chục lần Ở đê quây đắp trong nước thì hệ số này có thể lên đến hàng trăm lần.Điều này cho thấy phương pháp tính thấm coi hệ số thấm là đồng nhất với mọi hướngchính là nguyên nhân dẫn đến hình ảnh sai lạc về thấm trong đập

- Công tác đắp nếu không quản lý chặt chẽ chất lượng đất, chiều dày lớp đổ, số lầnđầm, cùng với việc xử lý tiếp giáp giữa các lớp đắp dễ phát sinh thành các dòngthấm ngang lớn trong đập

Tất cả các yếu tố nói trên là nguyên nhân chính tiềm ẩn tạo ra sự hình thành cácdòngchảy trong thân và nền đập Ngoài ra, chất lượng đất đắp thuộc loại kém bền, loại đất

bị xói ngầm có nguồn gốc tàn tích thường tạo ra các vùng yếu trong đập

Hình 1.3 - Mô phỏng dòng thấm phát triển trong nền đập đất Am Chúa

Hình 1.4 - Mái hạ lưu đập Núi Cốc bị xói lở do dòng thấm ra mái (2002)

Hình 1.5 - Dòng thấm ra mái hạ lưu đập đất Nà Vàng, tỉnh Tuyên Quang

1.3.2 Sự cố thấm ở mang công trình

Khi trong đập đất có bố trí công trình bê tông (cống, tràn, ) thì ở vị trí tiếp giáp củacông trình với đất đắp đập là nơi thường gây ra sự cố về thấm Yêu cầu xử lý tiếp giápgiữa công trình và đập rất cao, bao gồm việc tạo ra đường thấm dài hơn bằng cácđai(gân) bao quanh công trình, quét bitum dày phủ mặt bê tông tiếp giáp, đất đắpquanh mang được dùng có tính sét cao và được đầm nén bằng những công cụ đặc biệt.Tuy nhiên, vùng tiếp giáp này chỉ có thể ổn định khi vấn đề lún ở đây được khống chếchặt chẽ Cụ thể là phải đảm bảo sao cho ở cùng một vị trí, lún của công trình bê tôngluôn nhỏ hơn rất nhiều so với lún của đập Tốt nhất là công trình bê tông có độ lún rấtnhỏ hoặc không lún Điều này cho phép tạo ra sự nén ép thường xuyên của đất đắp đậplên công trình bê tông, bù kín và giảm thiểu bề rộng khe tiếp giáp Những giải phápnêu trên không đòi hỏi có kỹ thuật phức tạp gì nhưng nếu không thực hiện nghiêm túc,

tỷ mỷ thì cũng có thể dẫn đến hình thành đường chảy gây ra sự cố đập

Hình 1.6-Sự cố vỡ đập Thủy điện Ia Krêl 2 (Gia Lai)do thấm ở mang cống

1.3.3 Sự cố thấm qua bờ vai đập

Hiện tượng mất ổn định do thấm dẫn đến hư hỏng bờ vai đập thường xảy ra ở vùng bờvai là đất có độ rỗng lớn, xốp và đất bụi có tính dính kết yếu, các đá nứt nẻ lớn Xử lýtiếp giáp giữa đập đắp và đập bê tông với bờ vai không đúng cách cũng tạo ra sự cốnày

Thông thường, vùng tiếp giáp với vai đập đất đều được san bạt giảm bớt độ dốc, đánhbậc rộng và xử lý chống thấm ăn sâu vào vai nhằm tạo ra đường thấm vòng trên mặtbằng đủ dài để gradien thấm trong đất và cửa ra nhỏ hơn gradien cho phép

Hình 1.7- Sự cố vỡ đập Z20 tỉnh Hà Tĩnh do thấm ở vai đập vàmang cống

1.4.Các biện pháp xử lý thấm qua thân đập

Các loại đập đất đã được xây dựng rất phong phú và đa dạng về chủng loại, tùy thuộcvào điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, Trước khi lựa chọn biện pháp xử lý thấmthì xác định mục đích phòng chống thấm cho đập là: hạn chế lượng nước thấm, giảm

áp lực thấm dưới bản đáy để tăng ổn định công trình, giảm gradient thấm ở cửa ra đểtránh các biến hình thấm cho đất nền, … Tùy theo đặc điểm công trình có thể đặt rađồng thời cả 3 mục tiêu trên hoặc chỉ một trong số đó Bên cạnh đó, việc lựa chọnphương án xử lý thấm cho công trình còn phụ thuộc lớn vào 2 yếu tố là kỹ thuật vàkinh tế Sau đây là một số biện pháp chống thấm phù hợp cho các đập đã xây dựng và

bị thấm

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

Đập được đắp bằng một loại vật liệu địa phương sẵn có tại chỗ Đập đồng chất đắpbằng đất có hệ số thấm tương đối lớn, để đảm bảo được ổn định thấm, biện phápthường dùng là tăng kích thước mặt cắt đập và khối lượng đất đắp Với biện pháp này

có ưu điểm là kết cấu đập đơn giản, sử dụng vật liệu tại chỗ, thi công dễ dàng và nhanhchóng Tuy nhiên, kích thước mặt cắt đập lớn dẫn đến khối lượng đất đắp và chi phíđền bù cao

1.4.2 Bố trí tường nghiêng mềm ở mái thượng lưu để chống thấm[3]

Trong trường hợp khối lăng trụ thượng lưu bằng đất sét chống thấm thì nó trở thànhtường nghiêng chống thấm trong thân đập Tường nghiêng đặt sát ở mái thượng lưuđập có ưu điểm hạ thấp đường bão hòa xuống nhanh, làm cho đại bộ phận đất thân đậpđược khô ráo và tăng tính ổn định cho mái hạ lưu Trên mặt tường nghiêng có phủ mộtlớp bảo vệ đủ dày để tránh mưa nắng, giữa tường nghiêng và lớp bảo vệ có bố trí tầnglọc ngược

Hình1.8 - Đập có tường nghiêng mềm chống thấm ở thượng lưu

Tường nghiêng đặt ở sát mái thượng lưu đập có ưu điểm hạ thấp đường bão hòa xuốngnhanh, làm cho đại bộ phận đất thân đập dược khô ráo và tăng thêm tính ổn định củamái hạ lưu

1.4.3 Tạo màng chống thấm bằng cỏch khoan phụt vữa ximăng đất

Hỡnh 1.9 - Minh họa khoan phụt xử lý thấm cho đập đất a) Giới thiệu về vữa xi măng đất

Vật liệu kết dớnh được sử dụng trong biện phỏp khoan phụt chống thấm là: Xi măng, ximăng - sột, xi măng - vụi - sột

Để phụt xi măng vào đỏ phải sử dụng xi măng Pooclăng mỏc Pc30, Pc40 Khi cú đủluận chứng kinh tế kỹ thuật thớch hợp cho phộp sử dụng cỏc loại xi măng đặc biệt như

xi măng bền sun-phỏt, loại xi măng trỏm hố khoan, loại húa dẻo, v.v

Chỉ cho phộp sử dụng loại xi măng Pooclăng xỉ, xi măng puzụlan, xi măng nở thể tớch,

xi măng alumin, v.v khi đó thớ nghiệm trong phũng để xỏc định thời gian ninh kếtcủa xi măng trong cỏc điều kiện cụ thể của cụng trỡnh

b) Phõn loại khoan phụt theo phương phỏp đưa chất kết dớnh vào trong đất

Khoan phụt truyền thống Khoan phụt kiểu ép đất Khoan phụt thẩm thấu Khoan phụt grouting (KPCA)

Jet-* Khoan phụt áp lực (khoan phụt truyền thống):

Là sử dụng áp lực phụt để ép vữa xi măng hoặc xi măng - đất sét để lấp đầy các lỗrỗng của nền đất đá bị nứt nẻ Phương pháp này khá hiệu quả với nền đất đá bị nứt nẻ,nhưng với đất cát hay đất bùn yếu, mực nước ngầm hoặc nước có áp thì khó có thểkiểm soát dòng chảy của vữa do đó hiệu quả chống thấm không cao

* Khoan phụt kiểu ép đất:

Biện pháp này sử dụng vữa phụt với áp lực, ép vữa chiếm chỗ của đất Được sử dụngvới nền đất yếu

* Khoan phụt thẩm thấu:

Ép vữa (thường là hóa chất hoặc xi măng cực mịn) với áp lực nhỏ để vữa tự đi vào các

lỗ rỗng Biện pháp này ít được sử dụng do giá thành vật liệu khá cao

* Khoan phụt cao áp (Jet-grouting):

Biện pháp này được áp dụng phổ biến khi cải tạo nền đất yếu Nguyên lý của biệnpháp này là cắt nham thạch, trộn đất tại chỗ với chất kết dính, sử dụng chính dòngnước áp lực tạo thành các cọc xi măng đất Khi thi công các cọc chồng lấn lên nhau tạothành tường có tác dụng chống thấm

Hình 1.11 - Hình ảnh cọc xi măng đất thi công bằng công nghệ Jet-Grouting c)Một số công trình thực tế áp dụng khoan phụt vữa xi măng đất để chống thấm

Biện pháp khoan phụt vữa xi măng mang lại hiệu quả khá cao và được áp dụng kháphổ biến trong thực tế hiện nay để tạo màng chống thấm Đặc biệt biện pháp này rấthữu hiệu khi nâng cấp sữa chữa Tác giả xin được giới thiệu hai công trình có áp dụngbiện pháp khoan phụt trong việc chống thấm như sau:

* Đập Đá Bạc (Hà Tĩnh):

Đập Đá Bạc nằm trên nền cát thấm nước, hệ số thấm knền = 10-2 cm/s; dày từ 3m (haivai) đến 18m (lòng suối) Ở đoạn lòng suối xuất hiện nước ngầm có áp, trong nền cólẫn các tảng đá mồ côi Phương án đầu tiên được đưa ra xem xét là làm tường hàoBentonite Tuy nhiên, khi đi sâu phân tích thấy rằng, với nền cát và đặc biệt là trong

án Jet-grouting khắc phục được những trở ngại mà công nghệ tường hào Bentonite gặp khó khó khăn Đồng thời có thể tiết kiệm khoảng 20% kinh phí Vì vậy phương án này

đã được chọn và đã đạt được hiệu quả cao khi công trình đưa vào sử dụng

Hình 1.12-Mặt cắt thiết kế tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh)

Hình 1.13-Hình ảnh thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh)

* Chống thấm cho đê quai giai đoạn II – Nhà máy thủy điện Sơn La:

Để chống thấm cho lớp cát lẫn sỏi từ hố khoan PV258 đến DH4 (chiều dài theo timkhoảng 35m) của đê quai giai đoạn II – Nhà máy thủy điện Sơn La, sử dụng tường ximăng đất thi công bằng công nghệ trộn khô kết hợp Jet-grouting Kết quả thí nghiệm

đổ nước cũng như sau khi bơm khô hố móng cho thấy khả năng chống thấm đạt yêucầu Qua công trình này cho thấy, công nghệ cọc xi-măng đất có tính hiệu quả cao

1.4.4 Xử lý thấm bằng biện pháp sử dụng tường hào đất +Bentonite

a) Giới thiệu về Bentonite

Bentonite là một loại đất sét mịn hình thành trong điều kiện thời tiết tro núi lửa thườngxuyên tiếp xúc với nước Các loại bentonite phổ biến gồm natri-bentonite, canxi-bentonite Bentonite khi trộn với nước thì sẽ tạo thành dung dịch phân cực, các phân tửbentonite phân cực đặc trưng là các catrion sẽ hấp phụ nước trong dung dịch bentonitetạo thành màng nước khuếch tán làm tăng thể tích phân tử Đây là sự trương nở củabentonite trong nước Nhờ có đặc tính trương nở này mà bentonite thường được sửdụng như một vật liệu có tác dụng ổn định mái đào, ngăn cản dòng thấm và các sự cốgây ra do dòng thấm quá lớn Tuy nhiên, nhược điểm của bentonite chính là khi trương

nở thì cường độ sẽ giảm không đảm bảo cường độ yêu cầu Để khắc phục nhược điểmnày người ta trộn bentonite với đất hoặc bentonite + đất + xi măng để được hỗn hợpvừa đạt yêu cầu về cường độ, vừa đạt yêu cầu về giảm hệ số thấm

b) Nguyên lý công nghệ tường hào đất + bentonite

Quy trình xây dựng tường hào đất + bentonite bắt đầu bằng việc đào một hào thẳngđứng trong dung dịch bentonite Sau đó đổ hỗn hợp đất được lấy ra từ hố đào và trộnthêm với bentonite khô theo tỷ lệ thích hợp và được đổ lại vào hào để thay thế chodung dịch bentonite, tường hào được hình thành sau khi hỗn hợp đất + bentonite cố kết

ổn định Quy trình xây dựng tường hào đất + bentonite được mô tả như hình 1.14

Hình 1.14 - Quy trình xây dựng hào đất – bentonite

Hình 1.15-Hình ảnh đào hào trong dung dịch bentonite