Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp sửa chữa đập đất vừa và nhỏ

“Tường hào chống thấm Cutoff Wall” là tường chắn nước theo chiều dọc trục đập, tường bằng đất-xi măng-bentonite, hoặc ở dạng màn chống thấm bằng khoan phụt,v.v… “Tầng lọc filter” là kết

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quảtrình bày trong luận án làtrung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kýcông trìnhnào khác

Tôi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiê cứu một cách nghiêm túc vàkếtquả nghiê cứu của cá nhànghiên cứu đi trước đã được tiếp thu một cách chân thực, cẩntrọng, cótrích nguồn dẫn cụ thể trong luận án

HàNội, ngày tháng năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM ĐÌNH VĂN

LỜI CẢM ƠN

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy với đề tài

“Nghiên cứu hiệu quả và bố trí hợp lý hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấpsửa chữa đập đất vừa và nhỏ” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thânvới sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và người thân Quatrang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các cơ quan, các cá nhân đã giúp đỡ tôi trongthời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, TS PhanTrường Giang đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cầnthiết cho luận án này

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, phòng Đàotạo, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thuỷ công và đặc biệt là Tổng công ty TNHH MTVkhai thác công trình Thuỷ lợi sông Chu đã cho phép đặt môhình thínghiệm tại Hồ chứanước Đồng Bể thuộc huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa, tạo điều kiện cho tôi hoàn thànhtốt công việc nghiên cứu khoa học của mình

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác và gia đình đãgiúp đỡ, ủng hộ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM ĐÌNH VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU……… vi

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ……… vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU……… x

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ……… xiii

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT… 7

1.1 Thấm lànguyê nhâ chính gây mất an toàn đập 7

1.2 Xử lýthấm cho đập đất khi hồ đang tích nước 9

1.2.1 Mục tiêu của xử lýthấm 9

1.2.2 Cấu tạo đập đất với cá kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm 9

1.2.3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nước 10

1.2.4 Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nước 12

1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nước thấm hạ lưu đập đất 14

1.3.1 Vídụ ở nước ngoài 15

1.3.2 Vídụ ở Việt Nam 15

1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm vàxói ngầm 18

1.4.1 Sự hình thành vàphát triển của xói ngầm ở đập đất 18

1.4.2 Xử lý đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu 19

1.4.3 Xử lýhiện tượng xói ngầm vàlấp tắc trong tầng lọc 20

1.5 Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế tầng lọc 23

1.5.1 Bộ phận thu lọc vàthoát nước trong thân đập ở hạ lưu 23

1.5.2 Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nước thấm thân đập 23

1.5.3 Thành phần của hạt lọc ngược 24

1.5.4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngược 24

1.5.5 Các trường hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngược 24

1.5.6 Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngược trong công trình thủy công 24

1.6 Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nước thấm hạ lưu đập đất” 26

1.6.1 Môtả sáng chế 26

1.6.2 Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát 28

1.6.3 Khả năng thu và lọc nước của nêm cát 30

1.6.4 Chất lượng lọc sau khi qua nêm cát 31

1.7 Kết luận Chương 1 31

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT……… 33

2.1 Đặt vấn đề 33

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1 Các phương pháp nghiên cứu trong phân tích thấm đập đất 33

2.2.2 Ứng dụng phương pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất cónêm cát 35

2.3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm vàkiểm tra an toàn về thấm 37

2.3.1 Giới thiệu phần mềm Seep/W 37

2.3.2 Giới thiệu phần mềm Midas GTS 38

2.4 Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas 44

2.4.1 Xác định vùng an toàn vàvùng cónguy cơ mất an toàn về thấm 44

2.4.2 Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát 48

2.4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đường bão hòa .52

2.5 Kết luận Chương 2 55

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƯỚC THẤM TẠI ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA 57

3.1 Đặt vấn đề 57

3.2 Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể 58

3.2.1 Giới thiệu công trình 58

3.2.2 Môtả hiện trạng thấm 60

3.3 Thínghiệm hiện trường xác định hiệu quả của nêm cát 63

3.3.1 Sơ đồ bố tríthínghiệm 63

3.3.2 Công tác chuẩn bị vàthi công lắp đặt 63

3.3.3 Phương pháp đo 68

3.4 Kết quả quan trắc vàbình luận 69

3.4.1 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng thấm thoá ra từ nêm cát 69

3.4.2 Xác định vị trí (cao độ) của đường bão hoà đổ vào nêm cát 72

3.4.3 Kết quả đo chất lượng nước 75

3.5 So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trường 76

3.5.1 Số liệu tính toán 76

3.5.2 Các trường hợp tính toán thấm 77

3.5.3 Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas- bài toán phẳng 78

3.5.4 Phân tích thấm qua môhình Midas 3D 79

3.5.5 So sánh kết quả giữa môhình vật lývàmôhình toán 81

3.6 Kết luận Chương 3 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ……… 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 90

PHỤ LỤC ……….94

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Tổng kết các hư hỏng đập đất tại Mỹ [29] 7

Bảng 1-2 Độ đục của nước khi đã qua kết cấu lọc ở các công trình đã xây dựng 31

Bảng 2-1 Hệ số thấm của thân vànền đập trong các trường hợp tính toán 46

Bảng 2-2 Kết quả tính chiều cao điểm ra của đường bão hòa a 0 47

Bảng 2-3 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trong tính toán 48

Bảng 2-4 Hệ số ổn định vàgradient thấm khi đào rãnh 20 m, , 1 m 50

Bảng 2-5 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản B (chiều rộng nêm cát là1 m) 51

Bảng 2-6 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản C (chiều rộng nêm cát là2 m) 52

Bảng 2-7 Kết quả tính toán độ vồng của nêm cát với kịch bản D 55

Bảng 3-1 Thông số hiện trạng công trình [2] 59

Bảng 3-2 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 70

Bảng 3-3 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng sau một năm lắp đặt nêm, năm 2017 71 Bảng 3-4 Kết quả đo lưu lượng qua cá lớp băng trong nêm N 2 73

Bảng 3-5 Bảng kết quả đo độ đục trước vàsau nêm cát 75

Bảng 3-6 Thông số của đập đất Đồng Bể 76

Bảng 3-7 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đập vànêm cát 77

Bảng 3-8 Bảng kết quả tính toán lưu lượng và điểm ra của đường bão hòa 79

Bảng 3-9 Cao độ mực nước tính toán tại cá vị tríquan trắc so với kết quả đo thực tế 83

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1-1 Cấu tạo của đập đất với cá kết cấu lọc và thoát nước khác nhau [34] 10

Hình 1-2 Tường chống thấm cho thân vànền đập 10

Hình 1-3 Tường nghiêng chống thấm + sân phủ 11

Hình 1-4 Tường hào tại tim đập 11

Hình 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nước 14

Hình 1-6 Vídụ về một công trình xử lýsai lầm ở Mỹ [39] 15

Hình 1-7 Bố tríhợp lýkết cấu lọc khi đắp áp trúc theo khuyến cáo của FEMA [36] 15

Hình 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập QuýLộ (Nghệ An) [29] 16

Hình 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập Triệu Thượng (Quảng Trị) [29] 17

Hình 1-10 Hình ảnh trượt mái hạ lưu Triệu Thượng (Quảng Trị) [29] 17

Hình 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29] 17

Hình 1-12 Quátrình pháhoại đập đất do dòng thấm 19

Hình 1-13 Thấm quámức ra mái hạ lưu 19

Hình 1-14 Ống xói hình thành dọc theo cống lấy nước gây vỡ đập 19

Hình 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đường bão hòa [18] 20

Hình 1-16 Cơ chế lọc vàlấp tắc tầng lọc [36] 22

Hình 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14] 27

Hình 1-18 Mặt bằng của hệ thống nêm cát bố trítheo dạng ngắt quãng [14] 28

Hình 1-19 Miêu tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nước khía rãnh [12] 29

Hình 1-20 Ảnh chụp cách thi công lắp đặt băng thu nước khía rãnh [12] 29

Hình 1-21 Kết quả thínghiệm khả năng thu nước của băng [28] 30

Hình 2-1 Kết quả tính toán đường bão hòa của các trường hợp khác nhau [17] 36

Hình 2-2 So sánh đường bão hòa tính bằng phần mềm Seep/W vàMidas GTS [17] 36

Hình 2-3 Cơ chế chiết giảm , c 42

Hình 2-4 Sơ đồ tính toán đường bão hoàvàổn định 43

Hình 2-5 Môphỏng khả năng hút nước của băng lọc 43

Hình 2-6 Sơ đồ tính toán ổn định khi đào rãnh để lắp nêm cát với đập H=15m 44

Hình 2-7 Biểu đồ thống kêhệ số thấm thân đập với chiều cao đập dưới 15 m 45

Hình 2-8 Biểu đồ thống kêhệ số thấm nền đập với chiều cao đập dưới 15 m 46

Hình 2-9 Đường bão hòa trong thân đập của các trường hợp tính toán 47

Hình 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A) 48

Hình 2-11 Bức tranh dòng thấm ra mái hạ lưu 49

Hình 2-12 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản A 50

Hình 2-13 Trường hợp đào nhiều rãnh cùng lúc (Kịch bản B vàC) 51

Hình 2-14 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản B vàC 52

Hình 2-15 Mặt cắt đập cólắp đặt nêm cát 53

Hình 2-16 Trường hợp tính toán với kịch bản D 53

Hình 2-17 Sơ họa các kích thước khi dòng thấm bị vồng lên do khoảng cách giữa cá nêm cát a) khoảng cách nêm là3 m; b) khoảng cách nêm là5 m 54

Hình 2-18 Kết quả trích xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng 54

Hình 2-19 Đường bão hoàsau khi cónêm cát vàso sánh với tiêu chían toàn 55

Hình 3-1 Vị tríhồ Đồng Bể - Thanh Hóa (nguồn google Map) 58

Hình 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau khi đắp thêm khối áp trúc (năm 2003) [2] 61

Hình 3-3 Mặt bằng cá vị tríxuất hiện thấm 61

Hình 3-4 Hiện tượng thấm trên cơ hạ lưu, ví trí số 2 (ảnh chụp ngày 14/4/2016) 62

Hình 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nước ứ lại ở vùng tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp trúc màkhông chảy về đống đá tiêu nước (ảnh chụp tháng 6/2016) 62

Hình 3-7 Mặt cắt nêm cát vàcá thiết bị đo 65

Hình 3-8 Sơ đồ bố trícá lớp băng trong nêm cát 67

Hình 3-9 Ảnh chụp đang quan trắc mực nước và đo lưu lượng (11/2017) 67

Hình 3-10 Hình ảnh thi công tại hiện trường a) Đào rãnh; b) Lắp đặt nêm cát; c) Hoàn thành thi công nêm cát 68

Hình 3-11 Kết quả quan trắc cột nước trong cá giếng, năm 2016 và 2017 72

Hình 3-12 Khả năng thu nước tại vị trínêm N 2 73

Hình 3-13 Nước thấm vào chủ yếu ở lớp nêm dưới cùng 74

Hình 3-14 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 và năm 2017 74

Hình 3-15 Sơ đồ vị trílấy mẫu đo độ đục trước vàsau nêm cát 75

Hình 3-16 Mặt cắt ngang đập Đồng Bể tại vị trítính toán 76

Hình 3-17 Sơ đồ các trường hợp tính toán 77

Hình 3-18 Đường bão hoà cho các trường hợp TH1 vàTH2 78

Hình 3-19 Đường bão hoà cho các trường hợp TH2, TH3 vàTH4 78

Hình 3-20 Môhình tính toán thấm 3D 80

Hình 3-21 Hình ảnh đường bão hoàtại cá mặt cắt xem xét 81

Hình 3-22 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +36,80 m 81

Hình 3-23 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +38,20 m 81

Hình 3-24 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +39,05 m 81

Hình 3-25 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +39,70 m 82

Hình 3-26 Hình ảnh độ vồng đường bão hoàdo nêm cát tính bằng môhình 3D 84

Hình 3-27 So sánh kết quả tính toán độ vồng bằng lýthuyết với thực nghiệm 84

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

theo kết quả thínghiệm, tùy thuộc môi trường ngập nước

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

“Đập vừa vànhỏ” Đập vừa cóchiều cao từ 10 m đến dưới 15 m hoặc đập códung tích

toàn bộ từ 500.000 m3 đến dưới 3.000.000 m3, chiều dài đập nhỏ hơn 500 m và có lưulượng tràn xả lũ thiết kế dưới 2.000 m3/s Đập nhỏ là đập cóchiều cao dưới 10 m hoặc hồchứa nước códung tích toàn bộ dưới 500.000 m3, theo quy định trong điều 3 nghị định114/2018/ND-CP về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nước

“Khối lõi (Core)” là khối đất cótính thấm thấp làm tường tâm cản nước trong đập.

“Chân khay (Cutoff Trench)” là tường hào chặn ngang tầng thấm nhiều ở nền,

được nối với lõi

“Khối thượng lưu (Upstream Shell)” là khối đất cótính chịu nước tốt Hình dạng, độ

dốc mái của khối thượng lưu còn xét đến điều kiện mực nước thượng lưu rút đột ngột

“Ống khói thoát nước (Chimney Drain)” là tầng lọc bố trísát mặt hạ lưu của khối

lõi (thẳng đứng hoặc nghiêng), nước trong thân đập được thu vào trong ống khói vàđược ra thảm tiêu nước Lớp này cũng hoạt động như một lớp chuyển tiếp giữa khối lõivàkhối hạ lưu

“Ống khói lọc (Chimney Filter)” là lớp lõi lọc chống xói ngầm dạng ống khói.

Thông thường, lớp này cấu tạo bằng cá hạt cát

“Lớp đá lát mái thượng lưu (Riprap) và lớp lót (Bedding)” là lớp đá lát mái

thượng lưu làm nhiệm vụ bảo vệ, chống xói mòn do tác động của sóng hồ chứa Lớp lótbên dưới lớp đá đổ bảo vệ chống sự di chuyển hạt của lớp được bảo vệ sau khi nước hồchứa rút

“Khối hạ lưu (Downstream Shell)” là khối gia tăng ổn định đập, thường bằng vật

liệu thấm nước trung bình, dung trọng cao

“Thảm tiêu nước nền đập (Blanket Drain)” là kết cấu cónhiệm vụ giảm áp suất

thủy tĩnh nền móng do thấm qua vàbảo vệ chống sự di chuyển hạt trong nền móng đất

Nó cũng tạo một lối thoát cho nước thấm được thu gom bởi ống khói thoát nước.

“Rãnh thoát nước chân đập (Drainage Ditch)” là rãnh đào ở chân mái hạ lưu đập

để thu gom nước thấm Hiệu quả nhất khi rãnh cắt qua hoàn toàn lớp nền thấm nước.Cũng có thể được sử dụng để thu gom nước từ giếng tiêu nước

“Sân phủ thượng lưu (Impervious Blanket)” là kết cấu kéo dài đường viền thấm và

làm tăng tổn thất cột áp thấm khi đập nằm trên nền dễ thấm vàxét thấy việc làm tường hàocắt qua tầng thấm làkhông khả thi Lớp phủ thượng lưu được kết nối với bộ phận chốngthấm thân

“Tường hào chống thấm (Cutoff Wall)” là tường chắn nước theo chiều dọc trục

đập, tường bằng đất-xi măng-bentonite, hoặc ở dạng màn chống thấm bằng khoan phụt,v.v…

“Tầng lọc (filter)” là kết cấu được sử dụng để ngăn chặn sự dịch chuyển của hạt đất

từ (hoặc giữa) các đới khác nhau trong thân đập vànền của đập

“Rãnh thoá (drainage)” là một kết cấu tập trung nước để tiêu nước ra khỏi phạm vi

đập

“Băng thu nước” là băng được khía rãnh hình , chúng cóhai hình dạng làdạng tấm

vàdạng ống, dùng để thay thế cho cá vật liệu lọc chuyền thống Băng thu nước có ưu điểmlàlàm việc theo nguyê lýmao dẫn do vậy sẽ tránh được lấp tắc do cá hạt bụi có trong nướckhông bị cuốn theo dòng nước đi vào rãnh

“Hệ thống nêm cát” là hệ thống kết cấu bao gồm các băng thu khía rãnh gắn trên ống

PVC, đặt trong lớp cát thô để lọc theo nguyê lýmao dẫn nê giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽnkết cấu lọc – gọi tắt là “Nêm cát”

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Đập đắp bằng vật liệu địa phương được xây dựng ở nước ta chiếm đến 90%, nên

dễ bị tổn thương Tình trạng thấm xảy ra rất phổ biến, dẫn đến mất nước hồ chứa, khithấm lớn việc xử lý khó khăn và gây tổn hại về kinh tế Các sự cố về thấm được thểhiện muôn hình muôn vẻ, mất ổn định do thấm chiếm gần 45% Đập đất vừa vànhỏcóchiều cao đập nhỏ hơn 15 m, thuộc công trình cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012).Loại đập này được xây dựng khásớm từ những năm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sáthạn chế, thiếu cá tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu

kĩ thuật, thiếu hoặc không cóquy trình vận hành và không được sửa chữa định kỳ, thiếu

năng lực dự báo, theo Báo cáo dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015 Đối

với công trình cấp III, IV chỉ trong trường hợp đặc biệt mới bố trícá thiết bị quan trắc nêkhócóthể phát hiện sớm cá sự cố và thường khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt làsự

cố về thấm

Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vấn đề làthấm không gây ra xói ngầm,mất nước quámức vàlàm mất ổn định của mái đập đất Xói ngầm cơ học thường xảy ratại cá mặt tiếp xúc, chuyển đổi từ vật liệu cóhạt mịn hơn vào lớp vật liệu cóhạt thô, hoặc

ra ngoài không khí Để ngăn chặn xói ngầm người ta sử dụng tầng lọc ngược

Theo TCVN 8422: 2010, lọc ngược chính lànhững lớp vật liệu trung gian, nối tiếpđất hạt nhỏ cần bảo vệ với đất hạt to (bộ phận tiêu nước) Chức năng chủ yếu của lọcngược là ngăn ngừa xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất hạt nhỏ cần bảo vệ Trongtrường hợp cábiệt, lọc ngược cóthể làm nhiệm vụ gia tải chống hiện tượng đùn đất.Lọc ngược cóthể lànhững kết cấu độc lập hoặc làbộ phận của cá kết cấu tiêu nước(nghiêng theo mái dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…) Để làm lọc ngược, chỉ được dùng vậtliệu thiên nhiê gia công hoặc đã được xử lý, không dính, lấy từ các đá rắn vàchắc,không chứa muối hòa tan trong nước Việc bố tríkết cấu lọc ngược cho đập đắp mới do

cá kỹ sư chủ động, bố trítheo chức năng lọc và thoát nước hay đơn giản chỉ như là mộtvật cấu tạo

Kết cấu lọc ngược thông dụng trình bày trong cá tài liệu sách vở hiện nay có

nhiều loại, chủ yếu áp dụng phùhợp cho đập đắp mới Sử dụng kết cấu lọc ngược cóhình thức cấu tạo như cho đấp đắp mới vào trong nâng cấp cải tạo cá hồ đập vừa và nhỏđang tích nước khóthực hiện vìcá lýdo sau đây: (i) kỹ thuật tính toán tầng lọc phức tạp,

cá kỹ sư thiết kế thường lấy theo cấu tạo; (ii) vật liệu làm tầng lọc không có sẵn, hoặckhông đạt được chỉ tiêu về thành phần cấp phối hạt; (iii) việc đào chân mái để lắp đặt vậtthoát nước cóthể gây mất an toàn đập; (iv) thi công rất khó đạt được như bản vẽ thiết

kế, nhiều trường hợp phải hạ mực nước hồ ảnh hưởng đến tưới

Kết cấu “Nêm cát thu lọc nước thấm ở hạ lưu đập đất” là một giải phá do tác giảcùng nhóm nghiê cứu tại Viện Thủy công đề xuất, đã được chấp nhận vàcông bố cấpBằng độc quyền sáng chế trong công báo số CBA 351- tháng 6/2017 Sáng chế này đềcập đến giải phá thu lọc nước thấm ở chân mái hạ lưu đập đất, hạ thấp đường bão hòa,nâng cao ổn định vàan toàn của đập đất Tuy nhiên, sáng chế chỉ mới dừng ở mức ýtưởng mà chưa chứng minh được hiệu quả, cách bố trí, tính toán thiết kế, minh chứngtrong thực tế

Vìvậy, việc nghiê cứu kết cấu nêm cát thu lọc nước thấm thân đập làcần thiết đốivới các đập nâng cấp, sửa chữa khi hồ chứa đang vận hành Hiệu quả của giải phá nêmcát thể hiện qua cá yếu tố như: kích thước, khoảng cách hợp lýgiữa cá nêm, mức độ hạthấp đường bão hòa, thi công an toàn khi đập đang tích nước, chất lượng lọc ổn địnhlâu dài, v.v… đã được nghiê cứu sinh chứng minh trong luận án

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề xuất kết cấu nêm cát thu-lọc-thoát nước thấm ở hạ lưu đập đất vừa vànhỏ thaythế cho kết cấu lọc ngược cát-đá-sỏi truyền thống Kiến nghị phương án bố trínêm cát

để vừa đảm bảo hiệu quả thu-lọc-thoát nước thấm, vừa bảo đảm an toàn thi công khi hồđang tích nước

Đối tượng nghiê cứu:

Đập đất đồng chất vừa vànhỏ (theo định nghĩa trong Nghị định 114/2018/NĐ-CPngày 14/9/2018 của Chính phủ về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nước) đang tíchnước vàbị thấm quámức, cần phải xử lý để bảo đảm an toàn đập kể cả trong quá

trình thi công.

Phạm vi nghiê cứu:

- Nghiên cứu điểm ra của đường bào hòa khi lắp đặt nêm cát;

- Hệ số ổn định trong quátrình thi công (hệ số an toàn trượt tổng thể vàcục bộ;gradient thấm lớn nhất xuất hiện khi thi công);

- Chất lượng thu lọc nước đánh giá qua việc phân tích mẫu nước trên môhình1:1

Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Nghiên cứu tài liệu: Các nghiê cứu, tài liệu sách vở, tiêu chuẩn kỹ thuật, v.v về

thấm ảnh hưởng đến an toàn ổn định đập đất, kết cấu lọc ngược, vật liệu lọc, v.v

- Phương pháp kế thừa: Tiêu chí đánh giá an toàn đập của Phạm Ngọc Quý, kết quả

nghiê cứu áp dụng băng khía rãnh để lọc nước của Nguyễn Quốc Dũng, v.v…

- Phương pháp mô hình toán: Sử dụng cá phần mềm thương mại (cụ thể làphầnmềm địa kỹ thuật Midas GST cóbản quyền) để tính toán để xác định các đường bão hòathấm (2D và3D), hệ số an toàn tổng thể vàcục bộ cho đập hiện trạng, tính khả năng xóingầm trong quátrình thi công vàsau khi hệ thống nêm cát thu lọc nước đã được lắp đặt

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt 3 nêm cát vàhệ thống quan trắc

cao độ đường bão hòa (4 giếng đo mực nước), đo lưu lượng thấm bằng đồng hồ kếthợp ống khắc vạch, đo chất lượng lọc (thông qua độ đục của nước - chỉ số NTU), v.v…tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) Đo đạc quan trắc số liệu trong 2 năm (2016

và 2017)

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Ý nghĩa khoa học: Đề xuất và áp dụng thử nghiệm được hệ thống nêm cát thu lọc

và thoát nước thấm phía hạ lưu đập đất vừa và nhỏ Làm rõ được hiệu quả hạ thấpđường bão hòa, tăng ổn định và hạn chế xói ngầm phía hạ lưu đập đất Hệ thống nêm

nước truyền thống bị hư hỏng.

Ý nghĩa thực tiễn: Bổ sung thêm một giải pháp đơn giản vàhiệu quả để thu lọc

và

thoát nước thấm phía hạ lưu, tăng tính an toàn cho đập đất vừa vànhỏ

- Đề xuất vàthiết lập cơ sở lýluận kết cấu nêm cát thu lọc nước thấm ở mái hạ lưu đập đất vừa vànhỏ

- Bằng thínghiệm hiện trường và nghiê cứu trên mô hình toán đề xuất đượcphương án bố tríhệ thống nêm cát để xử lýthấm cho đập vừa vànhỏ đang tíchnước

Luận án có 3 Chương, ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục tài liệutham khảo Nội dung vàcấu trúc Luận án cóthể tóm tắt như sau:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về thấm vàkiểm soát thấm ở đập đất

Thấm làmột nguyê nhâ chính gây ra sự cố, hư hỏng đập đất Vìvậy, khi thiết kếđập đất cần phải cả kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm Hiện nay trong thiết kết nângcấp cải tạo đập vừa vànhỏ cóvấn đề về thấm, tư vấn thường ưu tiên quan tâm đến kếtcấu chống thấm màcoi nhẹ việc thiết kế kết cấu kiểm soát thấm (lọc và thoát nước).Tầng lọc bằng cát-đá-sỏi truyền thống áp dụng trong đập đất được nghiê cứu từnhững năm 50 của thế kỷ trước và đã được xây dựng thành tiêu chuẩn Kết cấu thu lọc

và thoát nước thấm trong đập đất (màbản chất làtầng lọc) trình bày trong tiêu chuẩn và

cá tài liệu hiện cóáp dụng phùhợp cho đập đắp mới Với các đập vừa vànhỏ cần xử lýthấm cần phải cókết cấu phùhợp, hiệu quả về thu-lọc-thoát nước cao, đơn giản, dễ thicông và đặc biệt là đảm bảo an toàn thi công khi hồ đang tích nước

Sáng chế nêm cát thu lọc nước thấm do tác giả cùng nhóm nghiê cứu đề xuất cung cấp một giải pháp mới để thu lọc nước thấm sau đập đất, sử dụng vật liệu mới là băng thu khía rãnh theo nguyên lý mao dẫn Nhờ đó đã làm đơn giản cách tính toán, thi công nhanh cóthể áp dụng cho đập vừa vànhỏ đang tích nước Tuy nhiên để cóthế áp dụng rộng rãi cần tiếp tục nghiê cứu làm rõhiệu quả lýthuyết vàthực tế CHƯƠNG 2: Nghiên cứu cơ sở lýluận về nêm cát

Nêm cát thu-lọc-thoát nước thấm phải đạt được mục tiêu hạ thấp đường bão hòa,

với đập đang bị thấm thìnóphải đưa được đường bão hòa trong đập đất về trong phạm

vi an toàn (theo tiêu chívề thấm thì độ cao điểm ra của đường bão hòa phải nhỏ hơn giátrị giới hạn) Ngoài ra, chất lượng lọc phải đảm bảo ổn định lâu dài để không sinh rahiện tượng rửa trôi hoặc lấp tắc, trong quá trình đào rãnh để lắp đặt phải tuyệt đối bảođảm an toàn

Trong Chương này, Luận án đã phân tích và lựa chọn phần mềm Midas GTS đểphân tích đường bão hòa thấm cho một đập đất cao 15 m (giới hạn trên của đập loạivừa), bị thấm quámức giới hạn (điểm ra của đường bão hòa nằm trên giátrị giới hạn),cần xử lýthấm bằng nêm cát

Bằng phần mềm Midas GTS, luận án đã tính toán và kết luận:

- Khi hồ đang tích nước chỉ được phép đào chân đập để lắp đặt nêm cát với

chiều rộng rãnh đào không quá 5 m (W<5 m) Tốt nhất là 1 m để phùhợp với thiết

bị thi công

- Với rãnh đào 1 m (W=1 m) thìkhoảng cách rãnh đào không nên quá 4 m (L<4 m), cho phép đào và để hở 3 rãnh một lúc, lắp đặt xong rãnh nào thìlấp lại,

sau đó

mới được đào rãnh tiếp theo Làm như vậy để đảm bảo gradient dòng thấm xuất

hiện trên vách hố đào không vượt quágiátrị giới hạn (J max < [J]) vàhệ số an toàn

ổn định cho phé (K < [K]);

- Với W=1 m vàL=4 m, phần mềm Midas GTS đã cung cấp bức tranh dòng

thấm bị hút vào nêm cát tương tự như hiện tượng hút nước dãy giếng khoan Với

L=4 m thì độ vồng của đường mực nước không đáng kể, chứng tỏ khoảng cách bố

trí như vậy làphùhợp

Qua kết quả đạt được trong Chương này, luận án kết luận phần mềm Midas GTSlàm một phần mềm mạnh trong việc môphỏng bài toán thi công lắp đặt nêm cát vàphântích bài toán thấm không gian Điều này sẽ được tiếp tục chứng minh trong Chươngtiếp theo, khi so sánh kết quả tính bằng phần mềm với kết quả đo trên mô hình thực tếtại đập Đồng Bể (Thanh Hóa)

CHƯƠNG 3: Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nước thấm tại đập Đồng Bể,tỉnh Thanh Hóa

Trong Chương 2 việc khai báo băng khía rãnh như một loại vật liệu cóhệ số thấm

K= 1,5x10-3 m/s cũng chỉ theo kinh nghiệm của người tính mà chưa được kiểm chứng,

Đặc biệt, chất lượng lọc của nêm cát, cũng như hoạt động của nêm cát có được ổn địnhlâu dài hay không thìkhông thể tính bằng phần mềm được Vìvậy, Luận án đã tiến hànhlắp đặt 3 nêm cát vàhệ thống quan trắc cao độ đường bão hòa, đo lưu lượng thấm, đochất lượng lọc, v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) vàquan trắc số liệu trong

- Xu hướng vận động lên xuống của đường bão hòa tại nêm cát (số đọc

h 1 ), giữa nêm cát (số đọc h 2 vàh 2‟ ) vàngoài xa nêm cát (số đọc h 3) đồng pha

và phụ thuộc mực nước hạ lưu Độ vồng của đường bão hòa giữa 2 nêm cát khá phùhợp giữa lýthuyết vàthực nghiệm

- Qua đó cho thấy việc bố tríkhoảng cách nêm cát 4 m làhợp lý

- Kết quả quan trắc cho thấy dòng thấm trong thân đập đã dâng cao và

đổ vào lưng nêm cát Điều này dẫn đến kiến nghị: xem xét nên đặt băng lọc

bố trí liên tục một lớp ở đáy thay vì bố trínhiều lớp

- Sau hai năm hoạt động nêm cát vẫn hoạt động bình thường, điều này khẳng định một lần nữa nêm cát hoạt động bền vững, ít có nguy cơ tắc

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TỒN TẠI VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP TỤC

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT

1.1 Thấm lànguyên nhân chính gây mất an toàn đập

Theo [29] (Todd Hill, P.E.; Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ; Đập đất- Các dạng hư hỏngtiềm năng; Báo cáo tại Hội thảo ngày 12/07/2016, HàNội), tổng kết cá dạng hư hỏngcủa đập đất tại Mỹ như Bảng 1-1

Tổng số hư hại đập đất (trong thi công)

Tổng số năm vận hành đập đất (cho tới

năm 1986)

Tổng xác suất hư hỏng

Theo báo cáo của Hội đập lớn Mỹ, ASCE/USCOLD (năm 1975), có 4 nguyên nhânchính gây sự cố cho đập như sau: (1) Tràn đỉnh (38%): do sự cố khi mở cửa, năng lựctràn không đủ; (2) Thấm, xói ngầm (33%): do thấm qua nền, thấm qua thân đập, thấmvai, thấm tiếp xúc giữa đất đắp vàcông trình; (3) Mất ổn định (23%): do mất ổn địnhnền móng của đập trọng lực; trượt mái ở đập đất; (4) Nguyên nhân khác (6%): hư hỏngcửa van, rác, vận hành, pháhoại [1] Nói tóm lại, thấm lànguyên nhân chính (ngoài trànđỉnh) gây sự cố đập.

Việt Nam có6.648 hồ chứa thủy lợi vàphần lớn trong số đó có đập tạo hồ là đập đất [1], [5] Khoảng 6.000 hồ chứa quy môvừa vànhỏ được xây dựng từ những năm 1960 -

1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu cá tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không cóquy trình vận hành và không được sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo [29]

Báo cáo dự án „„Đầu tư sửa chữa và nâng cao an toàn đập“ [29] kết luận: rủi ro liênquan đến hồ chứa hiện hữu ở tất cả mức độ từ nguy cơ đến sự cố, thể hiện ở sự xuốngcấp, hư hỏng công trình đầu mối như thấm, biến dạng mái đập, không đủ khả năng xả

lũ, hư hỏng công trình lấy nước trong thân đập, v.v Thấm làmột trong những nguyênnhâ chủ yếu dẫn đến sự cố đập đất, vìvậy xử lýthấm làmột biện phá giảm thiểu rủi

ro về an toàn đập

Luận án tập trung nghiê cứu cho đập đất vừa vànhỏ cóchiều cao đập nhỏ hơn 15 m,đập đang bị thấm cần phải xử lý, trong thời gian hồ đang tích nước, thuộc công trìnhcấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012) Loại đập này được xây dựng khásớm từ nhữngnăm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu cá tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế,thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vậnhành và không được sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo, thường sử dụng kết cấu

thoát nước kiểu áp mái kết hợp đống đá tiêu nước ở hạ lưu nên dễ bị tắc, theo Báo cáo

dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015 Đối với công trình cấp III, IV chỉ

trong trường hợp đặc biệt mới bố trícá thiết bị quan trắc nê khócóthể phát hiện sớm cá

sự cố và thường khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt làsự cố về thấm Còn với đậpcấp II, cấp I , tức là đập cóchiều cao trên 15m cóyêu cầu về kỹ thuật rất cao (thiết bịthoá nước thấm thường códạng ống khói trong thân đập, thảm tiêu nước nền đập,.v.v ) nê hạn chế được lấp tắc

Vìnhững nguyê nhâ trên màNCS chỉ kết luận áp dụng hệ thống nêm cát trong

nâng cấp đập đất vừa vànhỏ Với cá hồ lớn cần cónghiê cứu tiếp tục để khẳng định

tính an toàn thêm.

1.2 Xử lýthấm cho đập đất khi hồ đang tích nước

1.2.1 Mục tiêu của xử lýthấm

Nói chung, mục tiêu của công tác xử lýthấm cho đập đất đang tích nước bao gồm:

 Ngăn chặn sự xuất hiện vàphát triển cá mạch đùn, mạch sủi vàxói ngầm bằngcách bố trítầng lọc ngược tại cá vị trícó gradient cao, nếu cần thiết phải có thêm lớp gia tải;

 Hạn chế vàgiảm áp lực nước lỗ rỗng, áp lực đẩy nổi vàáp lực thấm bằng cách giải thoát nước thấm ra khỏi thân đập;

 Ngăn ngừa cá hiện tượng bong tróc, xói mòn bề mặt đập;

 Hạn chế sự mất nước hồ chứa bằng làm thêm tường nghiêng, tường/hào ở lõi

Bốn mục tiêu đầu tiên cóthể liên quan đến an toàn đập, trong khi mục tiêu cuốicùng, sự mất nước của hồ chứa, liên quan đến vấn đề vận hành hơn là an toàn đập.Các biện pháp xử lýthấm cho đập đất cóthể đưa về hai nhóm: 1) nhóm giải phá vừachống thấm vừa kiểm soát thấm, và2) nhóm giải phá kiểm soát thấm

1.2.2 Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm

Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vìvậy phải cóthêm kết cấu chống thấmvàkiểm soát thấm, không để xảy ra xói ngầm, thấm mất nước quámức vàlàm mất ổnđịnh của mái đập Hình 1-1 miêu tả một mặt cắt đập đất với cá kết cấu vừa cótác dụngtăng cường chống thấm, vừa kiểm soát được thấm qua đập [4], [7], [16], [22], [34].Các kết cấu tăng cường chống thấm gồm: Khối lõi, khối thượng lưu, tường răngchống thấm qua nền Kết cấu kiểm soát thấm bao gồm: tầng lọc ngược, ống khói (gồm

cả gối phẳng) Tuy nhiên, không nhất thiết phải đập nào cũng có đầy đủ cá bộ phận nhưtrên

Cónhiều nguyê nhân gây thấm như: nền đập xử lýkhông tốt, đất đắp đập không đạtchất lượng (độ chặt, dung trọng, lỗi trong thi công, do mối làm tổ trong thân đập, v.v vàhậu quả làgây ra thấm Trong danh mục 430 hồ đập xuống cấp trong dự án

WB8 đang triển khai, có đến 40% đập phải xử lý thấm [29], trong đó 90% là hồ đập vừa

và nhỏ đang tích nước Vì vậy, nghiên cứu các giải pháp chống thấm, kiểm soát thấmphù hợp với các hồ đập vừa và nhỏ là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn cấp bách

Hình 1-1 Cấu tạo của đập đất với cá kết cấu lọc vàthoá nước khác nhau [34]

1.2.3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nước

Với các đập đang tích nước màbị thấm, thiết kế kết cấu chống thấm tăng cườngphải căn cứ vào điều kiện cụ thể của từng công trình, xét đến hiệu quả về kinh tế - kỹthuật và trình độ thi công hiện có

Ở Việt Nam hiện nay, các phương pháp trình bày dưới đây đang được sử dụng với những điều kiện, ưu nhược điểm nhất định

1.2.3.1 Khoan phụt vữa tạo màng chống thấm

Khoan phụt vữa làmột giải pháp được áp dụng kháphổ biến trong xử lýthấm chođập đất Hình 1-2 minh họa một đập đất được khoan phụt vữa chống thấm Khoan phụtlàgiải pháp đưa chất kết dính (bột sét, xi măng, hóa chất, v.v ) lấp đầy kẽ nứt, hang hốc

có trong thân đập, nền đập, có tác dụng hạ thấp đường bão hòa phía sau màng khoanphụt

Hình 1-2 Tường chống thấm cho thân vànền đập

Về công nghệ, thiết bị khoan phụt cónhiều loại: khoan phụt thuần áp, khoan phụt

tạo nứt nẻ thủy lực, khoan phụt thẩm thấu, khoan phụt jet – grouting, v.v [24], [25],

[26].Giải pháp khoan phụt cóthể áp dụng được cho đập đang tích nước, tuy nhiê trong quátrình thi công phải tính toán để bảo đảm an toàn

1.2.3.2 Tường nghiêng chống thấm thượng lưu

Tường nghiêng được bố trítrên mặt thượng lưu đập vàcóthể mở rộng về phíathượng lưu như một sân phủ nhằm kéo dài đường viền thấm qua nền, giảm gradientthấm, giảm lưu lượng thấm vàáp lực thấm Hình 1-3 minh họa một đập đất sử dụng giảiphá thảm chống thấm cho thân vànền đập

Hình 1-3 Tường nghiêng chống thấm + sân phủ

Vật liệu làm tường nghiêng phải cóhệ số thấm nhỏ như đất sét, màng HDPE, thảmsét địa kỹ thuật, v.v Tường nghiêng cóthể thực hiện được cho một đập mới, nhưngkhóthực hiện trong trường hợp sửa chữa đập đang tích nước [34] Ưu điểm của giảiphá làdễ thi công, tuy nhiê phải tháo cạn hồ trong thời gian xây dựng Giải phá nàykhông phùhợp với các đập cóchiều dày tầng thấm nước lớn [6]

1.2.3.3 Tường hào chống thấm

Hình 1-4 Tường hào tại tim đập

Nhờ những tiến bộ trong thiết bị thi công, những năm gần đây đã sử dụng tườnghào trong xử lýthấm cho đập đất đang tích nước, nhằm hạ thấp đường bão hòa trong

thân đập, giảm lượng nước thấm, gradient vàáp lực thấm Vật liệu làm tường hào cóthể

là bentonite + xi măng (tường hào bentonite), đất + xi măng + bentonite, đất + xi măng(cọc đất xi măng trộn sâu), đất đầm nện (cọc đất đầm nện), v.v…

Tường hào cóthể được bố tríại cá vị trí: tim đập, cơ thượng lưu tùy thuộc vàohiện trạng thấm của từng đập cụ thể Khi xây dựng tường hào, tùy thuộc vào vị trí,phương pháp thi công mà có thể yêu cầu tháo cạn hay giảm mực nước hồ chứa [3], [8],[9], [10], [15]

1.2.4 Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nước

Kết cấu dùng để thu lọc và thoát nước thấm (còn cócách gọi tắt làtầng lọc) chođập đất nhằm kiểm soát dòng thấm cóthể bao gồm:

 Tầng lọc ngược để ngăn chặn xói ngầm;

 Hệ thống để thu gom và tiêu thoát lượng nước thấm;

 Đối với nền đập códạng giếng giảm áp để giảm áp lực đẩy nổi

Những kết cấu này cóthể sử dụng độc lập hoặc được kết hợp lại để giải quyết tình trạng thấm của một đập đất cụ thể

Về nguyê tắc thiết kế cũng như bố trícá kết cấu lọc và thoát nước thấm trong thânđập về cơ bản làphải thực hiện cá chức năng như: thoát nước thấm qua thân và nền đập

về hạ lưu, không cho dòng thấm thoát ra trên mái đập vàbờ vai đập hạ lưu; hạ thấpđường bão hòa để nâng cao độ ổn định cho mái đập hạ lưu; ngăn ngừa cá biến dạng dothấm

Tiêu chuẩn TCVN 8216-2009 - Thiết kế đập đất đầm né trình bày 6 loại chủ yếulà: tiêu nước kiểu lăng trụ; kiểu áp mái; kiểu gối phẳng; kiểu ống dọc vàdải lọc; kiểugiếng ở chân đập; kiểu ống khói

Trung Quốc có4 loại theo Tiêu chuẩn SDJ 218-84 - thiết kế đập đất đá kiểu đầm nélà: kết cấu tiêu nước loại A hình lăng thể; tầng thoát nước sát mái loại B; kết cấu thoátnước trong thân đập loại C; kết cấu thoát nước tổng hợp

Trong cá tài liệu [3], [16] trình bày cá dạng kết cấu thu lọc và thoát nước ở hạ lưuđập đất vừa vànhỏ như Hình 1-5.

Nhận xét:

 Trong cá loại kết cấu trên (trừ kết cấu ở Hình 1-5b, thoát nước áp mái) để thicông được nhất thiết phải đào chân đập Với đập đang tích nước cần hết sức thậntrọng, phải tính toán ổn định khi đào chân đập để lắp đặt;

 Vật liệu tầng lọc đều làcấp phối cát – đá/sỏi truyền thống, thiết kế thường theo cấu tạo;

 Một số loại lộ thiên ngoài trời nên rất dễ bị bồi tắc

1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nước thấm hạ lưu đập đất

Bộ phận thu lọc và thoát nước hạ lưu đập làmột hạng mục không thể thiếu cho đại

đa số các đập đất (trừ một số trường hợp như đập cóchiều cao dưới 5 m; đập khôngthường xuyên chịu áp lực nước, v.v…) Tuy nhiên, trong thực tế thiết kế biện phá kiểmsoát thấm vẫn cónhững tồn tại, thậm chísai lầm đáng tiếc Các vídụ sau đây ở trong vàngoài nước được trình bày để minh họa cho việc nhận thức về vai tròcủa kết cấu thu lọc

và thoát nước thấm hạ lưu đập đất

1.3.1 Vídụ ở nước ngoài

Tại Mỹ năm 2000 cũng đã xảy ra trường hợp ở đập Washakie [39], do cần mở rộngmặt cắt đập đã đắp áp trúc bằng khối đắp cótính chống thấm tốt hơn đập cũ, làm đườngbão hòa trong thân đập dâng lên Kết quả, đã phải đào bỏ toàn bộ khối đắp và đắp lại vớiviệc lắp đặt thêm tầng lọc như Hình 1-6

Nhằm nâng cao nhận thức về vai tròcủa kết cấu lọc/kiểm soát thấm, hạn chế cá saisót của cá kỹ sư, năm 2011 Cục ứng cứu khẩn cấp liên bang Hoa Kỳ (FederationEmergency Menagement Agency - FEMA) đã xuất bản cuốn “Kết cấu lọc trong đập đất– Sử dụng cho thiết kế và thi công” (Filter for Embankment Dams- Best Practice forDesign and Construction) [36] Trong tài liệu này, yêu cầu khi đắp áp trúc hạ lưu quyđịnh phải đắp bằng loại đất códung trọng cao, tính chống thấm trung bình vàbắt buộcphải cólớp lọc vàthoát nước, quy môkhối gia tải bố trí như Hình 1-7

- Chống thấm: Đắp áp trúc thượng lưu, khoan phụt vữa chống thấm, tường hào, v.v…

- Kiểm soát thấm: kết cấu thoát nước áp mái

Cách hiểu và cách làm máy móc như trên nhiều khi dẫn đến tốn kém màkhông hiệu quả, thậm chícòn phản khoa học, vídụ như:

- Sử dụng thoát nước kiểu áp mái lộ thiên ở chân hạ lưu như Hình 1-8vàHình 1-9, phần áp mái này để lộ thiên, không cólớp đất phủ đè lên trên Việc

để lộ kết cấu thoát nước như vậy có nhược điểm là đất cát trôi vào tầng lọc, cỏvàrễ cây sẽ nhanh chóng phát triển trong đống đá, phải làm vệ sinh thườngxuyên và nguy cơ tắc làcao

Hình 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập QuýLộ (Nghệ An) [29]

- Khi kết hợp đắp áp trúc vàthoát nước kiểu áp mái ở chân hạ lưu như Hình1-8, thường gặp phải một số sai sót như lựa chọn vật liệu đắp áp trúc cóhệ sốthấm nhỏ hơn hệ số thấm của thân đập cũ, đây chính là nguyên nhân làm chođường bão hoàdâng cao vàkhả năng mất an toàn thấm làrất lớn

Một vídụ như ở đập Triệu Thượng (tỉnh Quảng Trị): sử dụng đắp áp trúc kết hợpvới thoát nước kiểu áp mái ở chân hạ lưu (Hình 1-9) gây sự cố, thậm chí đã gây ra sự

cố trượt mái đập như hình ảnh ở Hình 1-10 Trong công trình này, sai lầm ở chỗ xửlýthấm bằng biện pháp đắp áp trúc mái hạ lưu nhưng không có biện pháp thoát nướcthấm hợp lý, đơn giản là làm thêm thoát nước áp mái kết hợp lăng trụ ở hạ lưu Dẫnđến nước thấm bị ứ lại tại mặt tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp trúc làm mới, đường bãohòa dâng cao dẫn đến trượt mái như Hình 1-10

Hoặc như ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) cólắp đặt ống thu nước nước đặt sâutrong chân mái hạ lưu đập đất để không cho đường bão hòa xuất hiện trên mái Tuy

nhiên, do chọn loại ống tiêu nước không đảm bảo yêu cầu về lọc nên sau một thời gian

bị tắc nghẽn ống Hình 1-11 cho thấy hiện tượng ống thu nước bị tắc, dòng thấm thoá

ra ở chân hạ lưu

Hình 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lưu ở đập Triệu Thượng (Quảng Trị) [29]

Hình 1-10 Hình ảnh trượt mái hạ lưu Triệu Thượng (Quảng Trị) [29]

a) Dòng thấm đổ ra mái do lọc bị tắc b) Bùn đất lọt vào ống thoát nước

Hình 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29]

Nói tóm lại, nhận thức không đầy đủ việc kiểm soát thấm ở hạ lưu đập đất dẫn đếnviệc áp dụng không đúng kết cấu thu vàlọc nước, hoặc kết cấu thu lọc nước không làmđược chức năng thu – lọc vàthoá nước thấm dẫn đến không phát huy hiệu quả, thậm chícòn gây nguy cơ sự cố đập Nhận xét việc thiết kế kết cấu lọc thoát nước khi nâng

cấp chống thấm đập đất vừa vànhỏ ở Việt Nam hiện nay cóthể tóm tắt như sau:

 Các kỹ sư ít quan tâm đến việc phân tích nguyên nhâ thấm để áp dụng kếtcấu kiểm soát thấm phùhợp, cá giải pháp thường nghiêng về chọn giải phá chốngthấm;

 Chưa quan tâm đúng mức đến việc thiết kế tầng lọc hoặc không tính toáncấp phối tầng lọc, hồ sơ thiết kế chỉ cónhững chỉ dẫn chung chung (ghi là: cát 10cm,

đá dăm 20 cm, v.v….); hoặc đưa ra chỉ dẫn biện phá kiểm soát thấm không phù hợp Vídụ, nếu nguyên nhâ thấm làdo nền thìbiện phá kiểm soát thấm bằng thoát nước kiểu áp mái làkhông phùhợp;

 Lạm dụng kết cấu lọc kiểu áp mái vàđống đá tiêu nước ở chân Thực tế chothấy rằng kết cấu này có nhược điểm lànằm lộ thiên, do đó dễ bị tắc do cây cỏmọc hoặc bùn đất trôi từ mái xuống, hiệu quả hạ thấp đường bão hòa không cao;

 Với các công trình đang tích nước nếu xuất hiện vệt thấm ở mái hạ lưu, cácchủ đập thường không chủ động xử lý, thường chờ các tư vấn chuyên nghiệplập dự án thiết kế Việc xử lýkhông kịp thời dẫn đến thấm ngày càng trầm trọng.Nhằm khắc phục cá tồn tại, trong năm 2017, Bộ Nông nghiệp vàPTNT cho triển khai

3 hướng dẫn kỹ thuật phục vụ chương trình nâng cao an toàn đập, gồm: (1) Hướng dẫnchống thấm đập đất; (2) Hướng dẫn đắp áp trúc mái hạ lưu; (3) Hướng dẫn sửa chữa cốngdưới đập Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có tài liệu nào hướng dẫn nào đề cập đến việccải tạo kết cấu thu lọc nước thấm sau đập đất vừa vànhỏ, phùhợp với điều kiện hồ đang tíchnước Các tài liệu hiện cóchủ yếu phùhợp khi thiết kế đập đắp mới

1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm vàxói ngầm

1.4.1 Sự hình thành vàphát triển của xói ngầm ở đập đất

Hình 1-12 môtả quátrình pháhoại đập đất do dòng thấm vàxói ngầm [33], [35],[36], [38], [39] Theo đó có thể chia làm 2 nhóm cơ chế:

- Nhóm 1: Đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu, gradient cao tại

điểm ra màbong bật một vài hạt đất, dần lôi kéo theo cả một vùng bề mặt và phát triển lên đỉnh đập, gây sạt lở đỉnh đập dẫn đến tràn đỉnh rồi vỡ đập;

về thượng lưu Ống xói phát triển đến một mức độ nào đó thì gây vỡ đập.

lưu

Hình 1-12 Quátrình pháhoại đập đất do dòng thấm

Hình 1-13 Thấm quámức ra mái hạ lưu Hình 1-14 Ống xói hình thành dọc theo

cống lấy nước gây vỡ đập

1.4.2 Xử lý đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu

Trong phân tích xử lýthấm ta cần phải xác định được cá vùng an toàn cao, vùng antoàn và vùng nguy cơ mất an toàn [18] Để xác định được cá vùng này cần tìm rađường bão hòa giới hạn trên vàgiới hạn dưới Xác định đường bão hòa trong thân đậpứng với cá hệ số thấm của thân vànền đập thay đổi Tìm đường giới hạn trên bằng cách

cố định hệ số thấm của nền ứng với đường bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số thấm

của thân đập sao cho hệ ổn định K minmin = [K] cp; Tìm đường giới hạn dưới bằng cách

cố định hệ số thấm của nền ứng với đường bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số thấm

của thân đập sao cho hệ ổn định K minmin = 1.2x[K] cp

Hình 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đường bão hòa [18]

Nếu điểm ra của đường bão hòa nằm trên mái hạ lưu ở mức a o > [a gh ] (Hình 15) thìphải cógiải pháp để hạ thấp đường bão hòa bằng cách làm thêm tường chốngthấm hoặc cải tạo hệ thống thu lọc nước thấm

1-1.4.3 Xử lýhiện tượng xói ngầm vàlấp tắc trong tầng lọc

Xói ngầm làmột dạng pháhoại đất hòn mảnh hoặc chất nhét trong khe nứt vàhốccát tơ ở đá cứng và đá nửa cứng do dòng thấm gây ra Xói ngầm phát triển tương đốichậm (hàng năm, hàng chục năm) nhưng phổ biến rộng rãi trong thiên nhiê vàbiểu hiệnrất đa dạng Chẳng hạn, nếu ở chân sườn đồi hoặc chân mái dốc quan sát thấy điểm lộcát – sỏi bão hòa nước vàthấy xói mòn phát triển thìnhững loại đất này trở nê xốp rời,nhất là trong vùng nước dưới đất thoá ra ngoài, do cá hạt nhỏ bị moi chuyển đi bởi thế,

độ chặt của đất giảm xuống và độ rỗng tăng lên [16]

Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, đã có nhiều nhànghiê cứu hiện tượngxói ngầm xảy ra trong đất vàxói ngầm xảy ra giữa cá lớp vật liệu làm tầng lọc Điểnhình như các kết quả nghiên cứu của N.M Bôtskôv (1936), A.N Patrasev (1938, 1945);V.X Ixtomina (1957) cho kết luận: xói ngầm phát triển chủ yếu trong đất cóhệ số khôngđồng nhất về thành phần hạt lớn hơn 20 và gradient thủy lực lớn hơn 5 [20]

TCVN 8422: 2010 [23] trình bày cách xác định đường kính tính toán cá hạt tạovòm tại chỗ tiếp xúc của đất với lọc ngược theo nguyê lýsau:

Sự không rơi vãi các hạt nhỏ của đất vào trong đất cóhạt to, được bảo đảm trongtrường hợp nếu trong vùng tiếp xúc giữa chúng với nhau cósự tạo vòm ổn định bằng hạtnhỏ Do đó để đảm bảo không rơi vãi các hạt cốt đất được bảo vệ vào trong lớp thứ