Nghiên cứu thấm và đề xuất giải pháp xử lý mất ổn định do thấm, đập vật liệu địa phương khu vực Bắc Miền Trung

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu thấm và đề xuất giải pháp xử lý mất ổn định do thấm, đập vật liệu địa phương khu vực Bắc miền Trung.” là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Tên tôi là Đặng Quốc Toản, học viên cao học lớp 22C11, chuyên ngành Xây

dựng công trình thủy Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu thấm và đề xuất giải pháp xử lý mất ổn định do thấm, đập vật liệu địa phương khu vực Bắc miền Trung.” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, tôi không sao chép và kết quả

của luận văn này chưa công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017

Tác giả

Đặng Quốc Toản

L ỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu thấm và đề xuất giải pháp xử lý mất ổn định do thấm, đập vật liệu địa phương khu vực Bắc miền Trung.” đã được tác giả

hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô trong

bộ môn Thủy công, khoa sau Đại học – Trường Đại học Thủy Lợi và bạn bè đồng nghiệp

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Lê Thanh Hùng

người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp thông tin, tài liệu và vạch ra những định hướng khoa học cần thiết để tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thủy công, Khoa công trình, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học cùng toàn thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người đi trước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả về mọi mặt trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, anh chị em và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017

Tác giả

Đặng Quốc Toản

3

M ỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 7

I/ Tính c ấp thiết của đề tài: 7

II/ M ục đích của Đề tài: 7

III/ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 8

IV/ Cách ti ếp cận và Phương pháp nghiên cứu: 8

Chương I TỔNG QUAN VỀ THẤM ĐẬP VLĐP KHU VỰC BẮC MIỀN TRUNG 10

1.1 Tình hình xây d ựng đập đất tại Việt Nam 10

1.2 Hi ện trạng đập đất ở khu vực Bắc Miền Trung và tỉnh Thanh Hóa 15

1.2.1 Hiện trạng đập đất ở khu vực Bắc Miền Trung 15

1.2.2 Hiện trạng đập đất tỉnh Thanh Hóa 20

1.3 Hi ện trạng thấm và khả năng mất ổn định đập do thấm: 21

1.3.1 Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới :Error! Bookmark not defined 1.3.2 Tổng quan về ổn định của đập đất ở Việt Nam.Error! Bookmark not defined. 1.4 K ết luận chương 1 23

Chương II PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN THẤM VÀ MẤT ỔN ĐỊNH ĐẬP DO THẤM, ĐẬP VLĐP KHU VỰC BẮC MIỀN TRUNG 25

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến thấm: 25

2.1.1 Các yếu tố về vật liệu đắp đập 25

2.1.2 Các yếu tố về thi công, xử lý nền, quản lý hồ đập 29

2.1.3 Các yếu tố về địa hình, địa chất và địa chất thủy văn 31

2.1.3.1 Địa hình: 31

2.1.3.2 Địa chất và địa chất thủy văn: 32

2.2 Cơ sở lý thuyết về thấm và mất ổn định đập do thấm: 32

2.2.1 Các định luật thấm cơ bản 33

2.2.1.1 Định luật thấm tuyến tính (định luật Darcy) [1] 33

2.2.1.2 Định luật thấm phi tuyến 34

2.2.2 Tổng quan về phương pháp tính toán thấm 34

2.2.2.1 Sơ lược quá trình phát triển 34

2.2.2.2 Tầm quan trọng của lý thuyết thấm 35

2.2.2.3 Các phương pháp giải bài toán thấm 36

2.2.3 Các phương pháp tính ổn định 38

2.2.3.1 Lý luận tính toán ổn định mái dốc 38

2.2.3.2 Một số phương pháp tính ổn định mái theo phương pháp mặt trượt 39

2.3 Đề xuất giải pháp chống thấm và phòng chống mất ổn định đập do thấm: 44

2.3.1 Tường chống thấm bằng các loại vật liệu mới như màng địa kỹ thuật, thảm

bê tông, thảm sét địa kỹ thuật 45

2.3.1.1 Công nghệ chống thấm bằng màng địa kỹ thuật 45

2.3.1.2 Công nghệ chống thấm bằng thảm bê tông 46

2.3.1.3 Tường nghiêng chống thấm bằng thảm sét địa kỹ thuật 47

2.3.2 Công nghệ khoan phụt chống thấm (khoan phụt truyền thống) 48

2.3.3 Công nghệ phụt cao áp (Jet – grouting) 49

2.3.4 Công nghệ chống thấm bằng tường hào bentonite 50

2.3.5 Tường nghiêng sân phủ thượng lưu chống thấm 51

2.3.6 Phân tích tổng hợp lựa chọn phương án chống thấm cho đập 52

2.4 K ết luận chương 2: 54

Chương III TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO ĐẬP CHÍNH HỒ CHỨA NƯỚC ĐỒNG BỂ – NHƯ THANH – THANH HÓA 55

3.1 Gi ới thiệu công trình hồ chứa nước Đồng Bể – Như Thanh – Thanh Hóa: 55

3.1.1 Vị trí địa lý 55

3.1.2 Quy mô và các thông số kỹ thuật 55

3.2 Tính toán th ấm và đề xuất giải pháp: 57

3.2.1 Hiện trạng thấm và khả năng mất ổn định đập Đồng Bể 57

3.2.2 Giải pháp chống thấm nâng cao tính ổn định đập 58

3.2.3 Tính toán thấm, ổn định đập Đồng Bể 60

3.3 K ết luận chương 3: 72

PHẦN 2: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ : 73

1 K ết quả đạt được của Luận văn: 73

1.1 Về lý thuyết 73

1.2 Về thực nghiệm 73

2 M ột số vấn đề tồn tại: 73

3 Hướng tiếp tục nghiên cứu: 74

Hình 1.4: Hồ chứa nước Khe Xanh - Hà Tĩnh

Hình 1.5: Hồ chứa nước Kim Sơn - Hà Tĩnh

Hình 1.6: Hình ảnh hạ du hồ Tàu Voi và thấm thân, nền đập Tàu Voi – tỉnh Hà Tĩnh Hình 1.7: Vỡ đập Đồng Tráng, Trường Lâm – Tĩnh Gia – Hà Tĩnh

Hình 2.1 : Cấu tạo mặt cắt ngang các loại đập thông dụng

Hình 2.2: sơ đồ tính toán theo phương pháp mặt trượt trụ tròn

Hình 2.3: Chống thấm bằng vải địa kỹ thuật

Hình 2.4: Ứng dụng thảm bê tông chống thấm hồ chứa

Hình 2.5: Công tác khoan phụt chống thấm cho Đập

Hình 2.6: Cọc xi măng đất thi công bằng công nghệ Jet – grouting

Hình 2.7: Tường hào chống thấm bằng bentonite

Hình 2.8: Chống thấm bằng tường nghiêng sân phủ

Hình 2.9: Mặt cắt đập điển hình trường hợp đập đồng chất có thiết bị thoát nước thân đập ống khói kết hợp với lăng trụ thoát nước

Hình 3.1: Vị trí Hồ Đồng Bể

Hình 3.2: Hiện trạng đập chính Hồ Đồng Bể

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Xếp theo thứ tự thời gian đập đất ở Việt Nam

Bảng 1.2: Thống kê một vài sự cố hồ chứa trong 5 năm gần đây ở khu vực Bắc Miền Trung

Bảng 2.1: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý và hình thức một số đập ở tỉnh Thanh Hóa

Bảng 2.2: Phân tính tổng hợp các phương án

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật chủ yếu

Bảng 3.2: Tổng hợp các giá trị lưu lượng thấm đơn vị & gradient trong các trường hợp tính

Bảng 3.3: Tổng hợp trị số K minmin ứng với các trường hợp tính toán cho các mặt cắt đập

Bảng 3.4: Các trường hợp tính toán thấm - ổn định đập đất

7

PH ẦN 1: MỞ ĐẦU I/ Tính cấp thiết của đề tài:

Ở nước ta việc nghiên cứu lý thuyết thấm cũng như kinh nghiệm trong việc giải quyết các vấn đề thấm trong thực tiễn thiết kế, xây dựng và khai thác các đập dâng nước bằng vật liệu địa phương còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu Vì vậy việc nghiên cứu để ứng dụng các tiến bộ khoa học, sử dụng các phần mềm chuyên dụng của các nước tiên tiến trong lĩnh vực này vào Việt Nam là rất cần thiết Khó khăn lớn nhất trong nghiên cứu thấm cho các đập đã xây dựng là xác định đúng chế độ thấm và điều kiện ổn định thấm do những công trình này xây dựng đã lâu, tài liệu thiết kế ít, thiếu hoặc không có Để hạn chế tới mức tối thiểu nhất tác hại do dòng thấm gây ra mà vẫn đảm bảo tính kinh tế kĩ thuật, nhất thiết phải hiểu được bản chất của dòng thấm trong đất cũng như tác động của nó lên thân và nền công trình khi có dòng thấm đi qua Trong thời gian vừa qua, việc thiết kế thi công hàng loạt các hồ chứa nước ở khu vực Bắc Miền Trung đã góp phần rất lớn trong việc cải thiện tình hình thiếu nước sinh hoạt, sản xuất cho nhân dân trong vùng, nâng cao năng suất trong sản xuất kinh tế; Đồng thời cắt, giảm lũ vùng hạ du, cải tạo môi trường sinh thái Tuy nhiên do những đặc tính rất riêng về điều kiện địa hình, địa chất, khí hậu, vật liệu đắp đập, xử lý các lớp trầm tích yếu nền đập chưa triệt để nên đã xảy ra hiện tượng thấm cục bộ, tạo thành vùng sình lầy phía chân đập đồng thời gây tắc hệ thống tiêu thoát nước trong thân đập dẫn tới việc xây dựng, vận hành các hồ chứa nước gặp nhiều sự cố, đặc biệt

là sự cố do dòng thấm qua đập gây ra

Nghiên cứu, phân tích xác định nguyên nhân và đề xuất giải pháp xử lý thấm, đảm bảo

an toàn cho việc sử dụng và vận hành các hồ chứa tại khu vực Bắc Miền Trung nói chung và tỉnh Thanh Hóa nói riêng là việc làm hết sức cần thiết

Vì vậy tác giả đã lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu thấm và đề xuất giải

pháp xử lý mất ổn định đập do thấm, đập VLĐP khu vực Bắc Miền Trung.”, từ đó là

cơ sở nghiên cứu cho các đập ở Thanh Hóa và khu vực Bắc Miền Trung

II/ Mục đích của Đề tài:

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thấm qua nền và thân đập ở tỉnh thanh Hóa và khu vực Bắc miền Trung

Đề xuất các giải pháp chống thấm cho nền và thân đập, tính toán kiểm tra bằng phần mềm Seep/w

Đưa ra kiến nghị về việc sử dụng các biện pháp tổng hợp nhằm đảm bảo an toàn thấm cho đập đất khi xây dựng tại khu vực tỉnh Thanh Hóa nói riêng và khu vực Bắc Trung

Bộ nói chung

III/ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1) Đối tượng nghiên cứu:

Hiện tượng Thấm, sự mất ổn định đập vật liệu địa phương do thấm ở Thanh Hóa và khu vực Bắc Miền Trung

2) Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu một số đập vật liệu địa phương thuộc khu vực Bắc Miền Trung Tập trung vào nghiên cứu giải quyết sự cố thấm cho đập chính hồ chứa nước Đồng Bể – huyện

Như Thanh – tỉnh Thanh Hóa

IV/ Cách tiếp cận và Phương pháp nghiên cứu:

1) Cách tiếp cận:

Thông qua việc nghiên cứu các sự cố về đập, các tài liệu của một số cơ quan Nghiên

cứu, Khảo sát Thiết kế, Thi công và Quản lý xây dựng loại đập đắp bằng vật liệu khu

vực Bắc Miền Trung

Khảo sát, nghiên cứu thực địa tại hồ chứa nước Đồng Bể, huyện Như Thanh, tỉnh Thanh Hóa

2) Phương pháp nghiên cứu:

Điều tra thu thập các đập vật liệu địa phương đã xây dựng xảy sự cố do thấm và thành công trong khu vực nghiên cứu

Tổng hợp các nghiên cứu khoa học, các hội thảo về sự cố đập do thấm đánh giá nguyên nhân và đề xuất các giải pháp công nghệ khắc phục

Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích kiểm tra thấm: Sử dụng phần mềm GEO-SLOPE

9 Nghiên cứu các tài liệu khảo sát, thiết kế, thi công Xin đóng góp ý kiến của các chuyên gia

Theo thời gian, trước năm 1964 việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, có ít hồ chứa được xây dựng trong giai đoạn này Sau năm 1964, đặc biệt từ khi nhà nước thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa phát triển mạnh Từ năm1976 đến nay số hồ chứa xây dựng mới chiếm 67% Không những tốc độ phát triển nhanh, mà cả về quy mô công trình cũng lớn lên không ngừng.Hiện nay, đã có nhiều hồ lớn, đập cao ở những nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp

Tính đến nay, ở nước ta có 6648 hồ chứa thuộc địa bàn của 45/64 tỉnh thành, trong đó,

có gần 100 hồ chứa nước có dung tích trên 10 triệu mét khối, hơn 567 hồ có dung tích

từ 1÷10 triệu mét khối, còn lại là các hồ nhỏ Tổng dung tích trữ nước của các hồ là 35,8 tỷ mét khối, trong đó có 26 hồ chứa thủy điện lớn có dung tích 27 tỷ mét khối nước còn lại là các hồ có nhiệm vụ tưới là chính với tổng dung tích 8,8 tỷ mét khối nước đảm bảo tưới cho 80 vạn hecta

Bảng 1.1: Xếp theo thứ tự thời gian đập đất ở Việt Nam

(m)

Năm hoàn thành

11

23 Cống Khê Thanh Hóa Đất 18,00 1984

24 Mậu Lâm Thanh Hóa Đất 9,50 1984

45 IaM’La Gia Lai Đất 37,00 2009

Hình 1.1 : Hồ chứa nước Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh

13

Hình 1.2 : Hồ chứa nước Bộc Nguyên-Hà Tĩnh

Hình 1.3 : Hồ chứa nước Đá Bạc – Hà Tĩnh

Hình 1.4 : Hồ chứa nước Khe Xanh – Hà Tĩnh

Hình 1.5 : Hồ chứa nước Kim Sơn – Hà Tĩnh

15

1.2 Hiện trạng đập đất ở khu vực Bắc Miền Trung và tỉnh Thanh Hóa

1.2.1 Hiện trạng đập đất ở khu vực Bắc Miền Trung

Bắc Trung Bộ là phần phía bắc của Trung Bộ Việt Nam có địa bàn từ Nam dãy núi Tam Điệp tới Bắc đèo Hải Vân Khu vực Bắc Miền Trung gồm có 6 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế

Đập hồ chứa được đưa vào sử dụng đã đáp ứng được nhu cầu dùng nước rất lớn của người dân cũng như của doanh nghiệp, giúp tăng năng suất, sản lượng trong sản xuất nông nghiệp và công nghiệp, phát triển kinh tế Nhưng bên cạnh

đó, tình hình khai thác vận hành đập hồ chứa đã xảy ra những sự cố mất ổn định, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hạ du của đập đất Nguyên nhân một phần là

do biến đổi mực nước thượng lưu đập, mực nước thượng lưu tăng đột ngột ngoài dự báo, ban quản lý vận hành đập phải mở xả toàn bộ để tránh đập bị vỡ

Đã xảy ra trường hợp, khả năng xả tràn của đập chậm hơn lượng nước đổ, khiến đập bị vỡ như đập Đồng Đáng, huyện Tĩnh Gia, Thanh Hóa

Các Đập hồ chứa chủ yếu được xây dựng từ trước năm 1990 trong điều kiện nền kinh

tế đất nước còn nhiều khó khăn, công tác khảo sát, thiết kế và thi công còn nhiều thiếu sót, các công trình đầu mối không được xây dựng hoàn thiện Thời gian khai thác, sử

dụng các hồ đã lâu, việc quản lý chưa được quan tâm đúng mức, thiếu kinh phí để duy

tu sửa chữa, dẫn đến nhiều hồ chứa nước nhanh chóng bị xuống cấp, gây mất an toàn công trình Trong thời gian qua nhiều hồ chứa có quy mô vừa và nhỏ đã bị vỡ gây thiệt hại đáng kể tới người, tài sản của nhân dân

Đập dâng ở khu vực Bắc Miền Trung 100% là đập vật liệu địa phương, đất đắp thân đập cũ phần lớn đắp bằng thủ công, đầm nén kém, nhiều hồ không được xử lý móng ở lòng khe Một số hồ đắp cao chống lũ bằng đắp vuốt mái làm giảm chiều rộng mặt đập

và không đảm bảo mặt cắt theo tiêu chuẩn kỹ thuật Đối với các hồ được nâng cấp sửa

chữa trong giai đoạn vừa qua, giải pháp chủ yếu là đắp áp trúc mở rộng và tôn cao đập

Do tính chất cơ lý giữa đất đắp cũ và mới khác nhau nhiều và việc xử lý tiếp giáp không tốt dẫn đến công trình bị thấm và mất ổn định tại hầu hết các hồ chứa Để phát huy mặt lợi và đề phòng các diễn biến bất lợi, công tác đầu tư sửa chữa, nâng cấp,

quản lý hồ chứa cần được quan tâm và tăng cường nhằm bảo đảm an toàn công trình

và nâng cao hiệu quả của hồ chứa

Cùng với đó trước tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu mà khu vực Bắc Miền Trung cũng đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng từ biến đổi khí hậu, nước biển dâng, các công trình thuỷ lợi trên địa bàn đã ngày càng lộ rõ nhiều bất cập

Hình 1.6.Hình ảnh hạ du hồ Tàu Voi và thấm thân, nền đập Tàu Voi – tỉnh

Hà Tĩnh

Hiện nay, cả thế giới đang phải đối mặt với các vấn đề biến đổi khí hậu, trong

đó có hiện tượng mưa lũ vượt ra ngoài các quy luật thông thường Đợt lũ lịch

sử đầu tháng 10 năm 2010 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình, Nghệ An là một ví dụ Xảy

ra hiện tượng lũ chồng lên lũ, con lũ trước chưa rút hết thì con lũ sau đã đổ về Thêm vào đó, cường suất của con lũ sau là rất lớn; lượng mưa 1 ngày tại Chu

Lễ (Hương Khê – Hà Tĩnh) đo được là 800mm; tổng lượng mưa 5 ngày lên tới 1300÷1500mm Tổng lượng nước này được dồn vào các thung lũng sông gây nên lũ lụt kinh hoàng Trong điều kiện mưa lũ lớn như vậy, các hồ đập thủy lợi rất dễ bị tổn thương bởi các lý do sau đây:

Các hồ đập thường khống chế một lưu vực nhất định Toàn bộ nước mưa trên lưu vực được dồn vào bụng hồ phía trước đập Lưu vực càng lớn, nước dồn về càng nhiều; rừng bị phá, mặt đệm trơ trọi, nước dồn về càng nhanh làm cho đường tràn xả nước không kịp, gây tràn và vỡ đập

Trong thiết kế và xây dựng đập ở nước ta hiện nay, tiêu chuẩn phòng lũ được xác định theo cấp công trình Ví dụ đập cấp I chống được con lũ thiết kế có chu kỳ xuất hiện lại là 500÷1000 năm; trị số tương ứng của đập cấp II là 200 năm; cấp III: 100 năm; cấp IV: 67 năm; cấp V: 50 năm Như vậy các đập cấp IV, V khả năng chống lũ thấp, khả năng nước tràn dẫn đến vỡ đập là lớn

Ngoài ra, số lượng các đập loại này rất nhiều; việc quản lý, bảo dưỡng các đập nhỏ cũng không được chặt chẽ, bài bản như đối với các đập lớn

Thực tế đã xảy ra ở nước ta trong những năm qua là hư hỏng, sự cố và vỡ đập chỉ xảy ra ở đập vừa và nhỏ Trong trận lũ lịch sử tháng 10 năm 2010 ở Hà Tĩnh vừa qua, đập Khe Mơ bị vỡ là một đập nhỏ, trong khi các đập lớn như Kẻ

Gỗ, Bộc Nguyên, Sông Rác … vẫn an toàn

Đập dù lớn hay nhỏ khi bị vỡ đều gây ra tổn thất nặng nề cho bản thân công trình, và cho vùng hạ du Ở các đập mà hạ du là khu dân cư hoặc kinh tế, văn hóa thì thiệt hại

do vỡ đập gây ra ở hạ du lớn hơn gấp nhiều lần so với thiệt hại đối với bản thân công trình, và phải mất nhiều năm sau mới có thể khắc phục được

Những đặc điểm trên đây cho thấy tầm quan trọng đặc biệt của công tác đảm bảo an toàn hồ - đập thủy lợi, nhất là trong mùa mưa lũ lớn

Với tình hình thực tế về sự xuống cấp của các công trình đập đất và hồ chứa, cũng như những diễn biến phức tạp của biến đổi khí hậu, trong đó các cơn bão hàng năm đang có chiều hướng diễn biến phức tạp và rất khó dự đoán chính xác về lượng mưa,

ảnh hưởng trực tiếp đến chiều cao mực nước thượng lưu của đập Vì vậy, cần thiết phải có những phương án phòng và chống để đập đất và hồ chứa làm việc ổn định, trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu về mối quan hệ giữa chiều cao mực nước thượng lưu đập và sự ổn định của đập đất Những yếu tố tác động đến an toàn đập như mưa lũ kéo dài, mưa rào với lưu lượng nước tăng đột ngột, vượt dự báo, ảnh hưởng trực tiếp đến sự làm việc ổn định của đập đất Từ đó đưa ra phương án an toàn cho đập, giúp quá trình vận hành đập ở mức đảm bảo

Bảng 1.2 : Thống kê một vài sự cố hồ chứa trong 5 năm gần đây ở khu vực Bắc Miền

Dung tích (tri ệu

Mưa lớn làm

m ực nước hồ dâng cao

Khoan ph ụt xi măng

2 Khe Sắn Hà Tĩnh 2007 Đập đất 0.425 Vỡ đập Mưa lớn do ảnh hưởng của cơn

bão số 2 và số 5

Hiện vẫn chưa có kinh phí để khắc phục

5 Tràng Đen Nghệ An 2008

Đập đất 2.8 qua đỉnh đập Nước tràn

Mưa lớn làm mực nước hồ dâng cao

Đắp con trạch đỉnh đập

6 Đồng

Đẻn Nghệ An 2008

Đập đất 0.6 qua đập đất, Thấm mạnh

sạt mái hạ lưu đập

Mưa lớn kéo dài Hạ thấp cao trình ngưỡng tràn tránh

vỡ đập chính

7 Đá Bàn Nghệ

An 2008

Đập đất 0.7

Công trình xây dựng lâu năm trên nền địa chất yếu kết hợp với mưa dầm vai

tả đập đất tiếp giáp tràn bị bão hòa gây xói lở đe dọa

vỡ đập

Mưa lớn làm lũ đến vượt tần suất thiết kế

Xây dựng tràn mới cách tràn cũ 61m về phía vai hữu, với hình thức tràn xả sâu điều tiết bằng van cung vận hành bằng tời điện thay cho tràn t ự do cũ

Từ cả công tác

tư vấn thiết kế, thi công và công tác quản lý đã không kiểm tra

và phát hiện kịp thời nước chảy

19

qua mang cống gây xói l ở và làm vỡ đập

10 Khe Mơ Hà Tĩnh 2010 Đập đất 0.7 Vỡ đập Mưa cực lớn đến 2.000mm

và kéo dài gây

ra lũ lịch sử làm mực nước hồ lên nhanh

11 Vàng

Anh

Hà Tĩnh 2010 Đập đất 0.4 Vỡ đập

Cống lấy nước

bị vỡ nhiều điểm khiến đất đắp đập sụt vào cống, nhưng vì

ch ỉ mới được xử

lý tạm thời,

ph ần đá lát mái thượng lưu bị

xô tụt nhiều chỗ, mái hạ lưu xói lở nhiều điểm

Mới sửa chữa xong chưa bàn giao khai thác sử dụng

Có tổ mối nằm trong thân đập, lõi của đập cũ được đắp thủ công, đất dùng đắp đập có lẫn

cả cỏ, rác và sỏi

đá nhỏ nên đất yếu, không đồng nhất Mặt khác, mực nước trong hồ đạt mực nước thiết

kế mà chưa tiến hành xả tràn, nguồn nước ở thượng lưu tiếp tục đổ về gây áp

l ực lớn lên đập làm đập bị vỡ

Đắp vá lại phần thân đập bị vỡ

Thấm mạnh qua mang cống đe doạ

vỡ đập

Hạ thấp ngưỡng tràn để bảo đảm an toàn cho đập đất

1.2.2 Hiện trạng đập đất tỉnh Thanh Hóa

Thanh Hóa là tỉnh có địa hình phức tạp, số lượng công trình hồ chứa nhiều, với tổng

số 524 công trình hồ chứa vừa và nhỏ Trong đó có 1 hồ chứa quan trọng cấp Quốc gia và 9 hồ chứa quan trọng cấp tỉnh Các Công ty thủy nông quản lý 26 công trình,

Bộ Nông nghiệp và PTNT quản lý 01 công trình còn lại là các địa phương quản lý

Tổng diện tích tưới hàng năm của các công trình hồ chứa theo thiết kế là 114.000 ha,

diện tích tưới thực tế là 71.000 ha

Hiện trạng công trình: Các công trình tiểu vùng này hầu hết là đập dâng, các công trình trong vùng chủ yếu là các công trình loại nhỏ cụ thể như sau:

+ Loại công trình tưới được từ 1÷10ha có 16 công trình Đây chủ yếu là các bai đập

tạm, diện tích nhỏ lẻ tưới tại chỗ, các công trình này thường bị hư hỏng sau mỗi mùa mưa lũ

+ Loại tưới từ 10÷40ha là 39 công trình, trong đó có một số công trình mới được cải

tạo nâng cấp năm 2008-2009 như: Đập Pù Quăn, Đập Bản Cơm, đập Na Tao, đập bản

Sộp, hiện hoạt động tốt Còn lại hầu hết là các công trình tạm hiện đã bị hư hỏng và

xuống cấp

Ngoài ra còn nhiều công trình đầu mối là đập tạm làm bằng đá xếp và đá xây mác thấp

hoặc cọc tre nhiều công trình tạm do dân tự đắp phục vụ tưới tại chỗ, nhiều khi không đảm bảo nhu cầu tưới Nhiều công trình bị lũ phá hỏng, cuốn trôi sau mỗi mùa mưa lũ, các đập tạm như đập Pù Ngùa, Pà Hốc, Na Lầu

Hình 1.7.Vỡ đập Đồng Đáng, Trường Lâm - Tĩnh Gia - Thanh Hóa.

1.3 Hiện trạng thấm và khả năng mất ổn định đập do

Hiện trạng chung các đập đất có thể nhìn nhận như sau:

Chưa an toàn cao về ổn định thấm ở nền và thân công trình, nhất là ở các đập đất Các đập sau một thời gian làm việc đều bị thấm lậu, rò rỉ, uy hiếp an toàn công trình Do thấm gây ra như thấm mạnh, như sủi nước ở nền đập

Thiết bị bảo vệ mái hạ lưu chưa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

Các hư hỏng khác như sạt mái, lún không đều, nứt, tổ mối…

Qua hàng ngàn năm phát triển, đập đất ngày càng phổ biến nhờ những ưu điểm:

Có cấu tạo đơn giản nhưng rất phong phú;

- Cho phép sử dụng các loại đất có sẵn ở khu vực công trình;

- Có thể xây dựng trên mọi loại nền và trong mọi điều kiện khí hậu

- Cho phép cơ giới hóa các công đoạn thi công từ khai thác vật liệu, chuyên chở đắp, đầm nén, v.v

Tuy nhiên đập đất có một số nhược điểm như vật liệu tự nhiên có độ bền vững tương đối thấp, bị ảnh hưởng nhiều bởi thời tiết lúc thi công, quá trình vận hành phải theo dõi sát xao, thường trực để ứng phó với lũ… Các vấn đề ảnh hưởng chính đến sự ổn định của đập đất đó là:

- Yếu tố tự nhiên

- Yếu tố khảo sát, thiết kế

- Yếu tố thi công

- Yếu tố khai thác và quản lý

- Yếu tố chiến tranh

Vấn đề an toàn đập vật liệu địa phương ngày càng trở nên cấp thiết và được quan tâm đúng mực hơn trong thời kì biến đổi khí hậu hiện nay Đã có nhiều nghiên cứu được sử dụng như tài liệu tham khảo để thiết kế, thi công, đánh giá

an toàn đập

Sổ tay an toàn đập được lập ra để đảm bảo tính hệ thống về an toàn đập từ các khâu thiết kế, thi công, quản lý vận hành, bảo trì, kiểm tra đánh giá mức độ an toàn đập theo định kỳ, công tác tổ chức an toàn đập và trách nhiệm đối với an toàn đập từ chủ đập đến các cấp, cơ quan quản lý, các ngành có liên quan đến

an toàn đập theo quy định của Nghị định 72/2007/NĐ-CP

GS.TS Phan Sỹ Kỳ đã thống kê sự cố một số công trình thủy lợi ở Việt Nam, tìm ra nguyên nhân và đề ra biện pháp phòng tránh Nguyễn Văn Mạo và nhóm nghiên cứu (ĐHTL) năm 2010 đã tiến hành nghiên cứu cơ sở khoa học để từ đó

đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng trong điều kiện thiên tai bất thường miền Trung

Nguyễn Phương Mậu và nhóm nghiên cứu (ĐHTL) năm 2009 đã nghiên cứu giải pháp quản lý các hồ chứa vừa và nhỏ miền Trung và Tây Nguyên nhằm chống hạn trong những thời kỳ thiếu nước từ đó đưa ra các kiến nghị quản lý,

sử dụng nguồn nước hồ hợp lý để phục vụ pháp triển nông nghiệp trong những năm hạn

Nguyễn Thế Hùng và nhóm nghiên cứu (ĐHBKĐN) đã sử dụng mô hình số tương tác giữa nước và kết cấu mặt không thẳng đứng ở thượng lưu đập để xác định chính xác áp suất thủy động (áp suất dao động của nước do động đất) tác dụng lên kết cấu đập trong vùng địa chấn Kết quả nghiên cứu nêu lên hình dạng bề mặt thượng lưu của đập ảnh hưởng khá lớn đến độ lớn và sự phân bố

23

của áp lực thủy động Kết quả nghiên cứu này cần được quan tâm và áp dụng đúng mức khi thiết kế đập trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất như sự khuyến cáo của các nhà địa chất trong thời gian gần đây trên các vùng có khả năng động đất cao

1.4 Kết luận chương 1

Đập đất là công trình dâng nước tạo hồ chứa rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam Nhờ những lợi ích thiết thực mà đập hồ chứa mang lại nên trên thế giới và tại Việt Nam được xây dựng và phát triển rất đa dạng, phong phú

Đập đất có một số nhược điểm như vật liệu tự nhiên có độ bền vững tương đối thấp,

bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiều yếu tố chủ quan và khách quan như yếu tố tự nhiên, khảo sát thiết kế, quá trình thi công và trong khâu quản lý khai thác do đó trong trong quá trình thi công, vận hành phải theo dõi sát xao, thường trực để ứng phó với lũ… Việt Nam là một trong những nước có nhiều hồ chứa, đa số các đập đầu mối là đập đất

và được xây dựng từ những năm 70-80, điều kiện và khả năng xây dựng lúc bấy giờ còn khó khăn nên nhiều đập đã xuống cấp nghiêm trọng Đến nay do tác động của biến đổi khí hậu nên có nhiều hiện tượng thiên tai bất thường như bão lũ làm ảnh hưởng trực tiếp đến sự làm việc an toàn của đập

Khu vực Bắc Miền Trung là nơi chịu ảnh hưởng nhiều so với cả nước về mưa bão, lũ lụt Khu vực này các công trình đập tạo hồ chủ yếu là đất Kết cấu đập đất đa dạng, tuy nhiên qua thu thập số liệu thực tế một số hồ chứa ở bắc miền Trung thì kết mặt cắt điển hình có 2 dạng chính: đập đồng chất có thiết bị chống thấm dưới nền là chân khay, thiết bị thoát nước thân đập là lăng trụ thoát nước và đập hai khối có thiết bị chống thấm dưới nền là chân khay, thiết bị thoát nước thân đập ống khói kết hợp với

lăng trụ thoát nước; tầng thấm có chiều dày trung bình từ 0-10m

Do đặc điểm vùng miền núi là vùng cao, xa xôi hẻo lánh, trên những địa hình dốc, nên công trình của vùng chủ yếu thuộc công trình hồ đập loại vừa, nhỏ

Các công trình được xây dựng đã lâu, không đồng bộ Hệ thống đầu mối các đập dâng một số bị hư hỏng nặng do các trận mưa lũ Cao trình đập không đáp ứng đủ chiều cao chống lũ Mặt đập bị rửa trôi mái đập thượng và hạ lưu chưa được gia cố Tràn xả lũ xuống cấp hầu hết các tường bên bị sạt Mặt tràn bị lũ phá hỏng do xả lũ

và kích thước không đảm bảo thoát lũ phần lớn tràn xả lũ chưa được xây dựng kiên

cố như đập Chòm Khằm, đập Pá Quăn, Chòm Mờng, Đập kênh bản Ngố đến nay chưa có kinh phí để sửa chữa kịp thời

Một trong những nguyên nhân mất ổn định đập một phần là do biến đổi mực nước thượng lưu đập, mực nước thượng lưu tăng đột ngột ngoài dự báo, ban quản lý vận hành đập phải mở xả toàn bộ để tránh đập bị vỡ Đã xảy ra trường hợp, khả năng xả tràn của đập chậm hơn lượng nước đổ, khiến đập bị vỡ như đập Đồng Đáng, huyện Tĩnh Gia, Thanh Hóa

25

Chương II PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN THẤM VÀ MẤT ỔN ĐỊNH ĐẬP

DO TH ẤM, ĐẬP VLĐP TỈNH THANH HÓA 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến thấm:

2.1.1 Các yếu tố về vật liệu đắp đập

Theo tài liệu kết quả phân loại đất tỷ lệ 1/50.000 về điều chỉnh, bổ sung hoàn thiện

bản đồ đất phục vụ công tác quản lý tài nguyên môi trường tỉnh Thanh Hóa, đất tỉnh Thanh Hóa có 10 nhóm và 25 đơn vị đất và 60 đơn vị phụ đất sau:

a Phân loại đất:

(i) Nhóm đất cát (C) có 5 loại:

+ Đất cồn cát trắng vàng (Cc) có diện tích 425,00ha, bằng 0,05%;

+ Đất cát trung tính ít chua (C) có diện tích 7966,61ha, bằng 0,89%;

+ Đất cát chua (Cc) có diện tích 2399,61ha, bằng 0,27%;

+ Đất cát có tấng đốm gỉ (Cr) có diện tích 9009,50ha, bằng 0,56%;

+ Đất cát glây (Cg) có diện tích 61,00ha, bằng 0,01% diện tích tự nhiên;

(ii) Nhóm đất mặn (M) có 2 loại:

+ Đất mặn nhiều (Mn) có diện tích 4348,97ha, bằng 0,48%;

+ Đất mặn ít (M) có diện tích 4230,8 ha, bằng 0,47% diện tích tự nhiên;

(iii) Nhóm đất phù sa (P) có 4 loại:

+ Đất phù sa trung tính ít chua (P) có diện tích 39496,11ha, bằng 4,4%;

+ Đất phù sa chua (Pc) có diện tích 44860,05ha, bằng 4,99%

+ Đất phù sa glay (Pg) có diện tích 23997,68ha, bằng 2,67%;

+ Đất phù sa có tầng đốm gỉ (Pr) có diện tích 54929,53ha, bằng 6,11%;

(iv) Nhóm đất Glay (Gl) có 3 loại:

+ Đất glay trung tính ít chua (GL) Diện tích 1405,33a, bằng 0,16% diện tích tự nhiên + Đất glay chua (GLc) Diện tích 2287,08a, bằng 0,25% diện tích tự nhiên

+ Đất glay có tầng đốm gỉ (GLr) có diện tích 227,00ha, bằng 0,03%;

(v) Nhóm đất loang lổ (L) có 1 loại:

+ Đất loang lổ chua (Lc) có diện tích 113,00ha, bằng 0,01%;

(vi) Nhóm đất đen đá vôi (Rv): Có diện tích 5495,11ha, bằng 0,61%;

(vii) Nhóm đất đen SECPENTIN (Rr) có 1 loại:

+ Đất đen glay (Rrg) có diện tích 133,00ha, bằng 0,01%;

(viii) Nhóm đất đỏ (F) có 2 loại:

+ Đất đỏ nâu (Fd) Có diện tích 29660,47ha, bằng 3,30%;

+ Đất nâu vàng (Fx) Có diện tích 11101,82ha, bằng 1,24%;

(ix) Nhóm đất xám (x) có 5 loại:

+ Đất xám điểm hình (Xh) Có diện tích 9011,00ha, bằng 1,0%

+ Đất xám feralit (Xf) Có diện tích 547437,30ha, bằng 60,92%

+ Đất xám glay (Xg) Có diện tích 5694,41ha, bằng 0,63%

+ Đất xám mùn (Xu) Có diện tích 65251,61ha, bằng 7,26%

+ Đất xám kết von (Xfe) Có diện tích 3736,24ha, bằng 042%

(x) Nhóm đất xói mòn trơ sỏi đá (E): Có diện tích 33053,41ha Bằng 3,68%

Ta có thể nhận thấy thành phần các loại đất ở tỉnh Thanh Hóa rất đa dạng, phong phú nhưng tập trung chủ yếu và nhiều nhất là đất xám ở vùng địa hình núi thấp và đồi chiếm khoảng 70% diện tích tỉnh

Mỗi loại đất đều có đặc tính cơ lý khác nhau, tìm hiểu và nghiên cứu kỹ trước khi tiến hành lấy làm vật liệu đắp đập

Theo cấu tạo mặt cắt ngang của đập, đập đất được phân thành các loại thông dụng như trong hình 1 (các dạng mặt cắt này đều chưa xét đến điều kiện thấm nước của nền đập

và được áp dụng đối với trường hợp nền không thấm nước hoặc ít thấm nước) Mỗi

loại đập như vậy sẽ cho một hàm thấm q khác nhau và có khả năng chống thấm khác nhau, tùy vào yêu cầu của từng công trình cụ thể để lựa chọn phương án thiết kế đập cho hiệu quả cao nhất

27

a) Đập đồng chất: đập đắp bằng một loại đất có cùng nguồn gốc có các đặc trưng cơ lý

lực học gần giống nhau (dạng mặt cắt a);

b) Đập không đồng chất: đập đắp bằng nhiều loại đất có các tính chất khác nhau, mỗi

loại được đưa vào một khối đắp riêng biệt và đặt ở vị trí thích hợp trong mặt cắt đập

(dạng mặt cắt b và d);

c) Đập có tường nghiêng: tường nghiêng là vật liệu chống thấm (mềm hoặc cứng) bố

trí ở mặt ngoài mái thượng lưu (dạng mặt cắt c và e);

d) Đập có tường lõi là vật liệu chống thấm: vật liệu chống thấm bố trí ở lõi đập (dạng

mặt cắt f và g);

e) Đập hỗn hợp: phần thân đập phía thượng lưu đắp bằng một loại đất hoặc nhiều loại

đất, phần thân đập phía hạ lưu là khối đá đổ (dạng mặt cắt h) Thông thường với loại

đập này phần đất chiếm quá nửa thể tích đập

g) h)

Hình 2.1 - Cấu tạo mặt cắt ngang các loại đập đất thông dụng

Tính chất của các loại đất dùng để đắp đập ở vùng này đã được nhiều tác giả nghiên cứu như GSTS Nguyễn Văn Thơ, TS Lê Quang Thế Đã tổng hợp được nhiều đặc điểm địa chất công trình và các loại đất thường dùng để đắp đập ở khu

vực này Trong thực tế đắp đập ở một số đập cho thấy việc sử dụng đất đắp đập đối

với khu vực miền trung được sử dụng chủ yếu là đất sườn tàn tích – tàn tích trên đất Bazan cổ, khối lượng tồn tại nhiều, gần các vị trí xây dựng đập Loại đất này có đặc điểm tuy dung trọng không lớn lắm nhưng có sức chống cắt cao, chống thấm tốt nên đã có nhiều công trình sử dụng hiệu quả loại đất này Ngoài ra, đất ở khu

vực miền Trung có các tính chất cơ lý đặc biệt: tính lún ướt, tính trương nở, tính co ngót khi khô và tính tan rã

Theo tài liệu thu thập được (bảng 2.1) và các tài liệu báo cáo có liên quan, nhìn chung ở khu vực Bắc Trung Bộ các công trình sử dụng đập vật liệu địa phương có chiều cao đập trung bình từ 20 ÷ 30m, các loại đập được sử dụng phổ

biến là đập đất đồng chất, một số ít sử dụng đập nhiều khối, đập có màng chống

thấm Do thời gian có hạn, tác giả chỉ thu thập được chỉ tiêu cơ lý của một số đập đất thuộc khu vực bắc miền Trung (bảng 2.2) Đây cũng là cơ sở dùng để tham khảo dùng cho mặt cắt điển hình để tính toán

Bảng 2.1: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý và hình thức một số đập ở Tỉnh Thanh Hóa Tên đập Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập Ghi chú

Trưa

Vân

Lớp đất

γ (KN/m3)

ϕ (độ)

C (KN/m2)

K (m/s)

TBTN lăng trụ kết hợp ống khói

kết hợp ống khói

Chỉ tiêu cơ lý của đất nền

2.1.2 Các yếu tố về thi công, xử lý nền, quản lý hồ đập

2.1.2.1 Các yếu tố về thi công

Các công trình hồ đập tỉnh Thanh Hóa được xây dựng từ lâu năm nên điều kiện thi công và phương pháp thi công cũng lạc hậu Biện pháp thi công chủ yếu là thi công

thủ công

Cụ thể từ năm 1945-1975: Các công trình thủy lợi xây dựng chủ yếu là một số bai đập

nhỏ trên các nhánh sông và thượng nguồn sông Mã nhằm mục đích chính là tưới tiêu

Từ năm 1975 đến nay:

Trong giai đoạn này nhiều công trình được ra đời phục vụ tưới tiêu như hồ Thung

Bằng, hồ Tây Trác, Đồng Ngư, Cống Khê, Bai Manh, Bai Lim, Minh Sơn, Sông Mực, Yên Mỹ, Đồng Bể, Kim Giao II, và đầu tư nâng cấp nhiều công trình đầu mối, kênh mương xuống cấp đã hỗ trợ đắc lực cho phát triển nông nghiệp

Đặc biệt năm 2004 hồ Cửa Đạt là công trình lợi dụng tổng hợp trên nhánh sông Chu được khởi công xây dựng và hoàn thành cuối năm 2009, với nhiệm vụ:

+ Giảm lũ với tần suất 0,6%, bảo đảm mực nước tại Xuân Khánh không vượt quá 13,71m (lũ lịch sử năm 1962)

+ Cấp nước cho công nghiệp và sinh hoạt với lưu lượng 7,715 m3/s

+ Tạo nguồn nước tưới ổn định cho 86.862 ha đất canh tác (trong đó Nam sông Chu là 54.043 ha và Bắc sông Chu-Nam sông Mã là 32.831 ha)

+ Kết hợp phát điện với công suất lắp máy N = (88 - 97) MW

+ Bổ sung nước mùa kiệt cho hạ du để đẩy mặn, cải tạo môi trường sinh thái với lưu lượng Q = 30,42 m3/s

Đến nay trên lưu vực sông Mã và vùng hưởng lợi của nguồn nước sông Mã đã có trên

một nghìn công trình hồ đập

Qua từng thời kỳ thì số lượng Hồ đập tỉnh Thanh Hóa đã được nâng lên cả về số lượng lẫn chất lượng Nhiều kỹ thuật khoa học tiên tiến đã được áp dụng trong việc thi công đập như sử dụng nhiều máy móc hiện đại hơn trong việc đầm nén đất Công việc thiết kế phân đoạn, phân đợt thi công cho công trình cũng đặc biệt được chú trọng Điều này giúp kéo dài tuổi thọ công trình hơn và đảm bảo tính ổn định cũng như an toàn cho công trình

31

2.1.2.2 Xử lý nền

Các vấn đề về chống thấm nền đất không dính như đất cát pha,pha sỏi thì khả năng

chống thấm kém, thường dung các phương pháp xử lý sau:

- Đắp tường răng đất sét cắm sâu tới tầng không thấm Phương pháp này áp dụng khi tầng cát, sỏi T < 10m

- Đắp sân phủ thượng lưu bằng đất sét Phương pháp này áp dụng khi tầng cát, sỏi

T > 10m và công trình có cột nước không lớn lắm

- Tường chống thấm bằng các loại vật liệu mới như màng địa kỹ thuật, thảm bê tông, thảm sét địa kỹ thuật

- Công nghệ khoan phụt chống thấm

- Công nghệ khoan phụt cao áp Jet-Grouting

- Công nghệ chống thấm bằng tường hào xi măng – Bentonite

+ Quản lý hồ đập:

Hiện nay công tác quản lý hồ đập ở địa phương chưa được thực hiện đúng quy trình cũng như còn lơi lỏng trong vấn đề theo dõi tình trạng đập thường xuyên ( Ví dụ: Vẫn còn tình trạng thả bò, gia súc trên đập, hay cỏ mái hạ lưu đập mọc um tùm, hang mối

mọt…) Điều này sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn Đập Chính vì vậy mỗi đập địa phương cần có những quy định rõ ràng trách nhiệm của đơn vị, cá nhân quản

lý Đập Từ những theo dõi sát sao tình trạng đập hàng ngày để có phương án xử lý kịp

thời

2.1.3 Các yếu tố về địa hình, địa chất công trình và địa chất thủy văn

2.1.3.1 Địa hình:

Địa hình tỉnh Thanh Hóa tương đối đa dạng gồm 03 loại địa hình cơ bản là: Trung du

- miền núi (chiểm khoảng 72% tổng diện tích), đồng bằng (chiếm 17%), ven biển (chiếm 11%) Trong đó địa hình Trung du – miền núi có tới trên 60% là địa hình núi cao, còn lại là địa hình núi thấp và đồi

Địa hình tỉnh Thanh Hóa đặc trưng là đồi núi, vì vậy việc nghiên cứu địa hình trong quá trình xây dựng Hồ đập là một việc hết sức quan trọng Nó có tính ảnh hưởng tới

độ bền và an toàn của công trình

Một số ảnh hưởng chính của địa hình tới khả năng chống thấm của đập đất:

- Thứ nhất : Địa hình đồi núi, dốc sẽ làm nước thấm trong nền đập nhanh hơn

- Thứ hai: Đập xây ở khe núi thì dễ xảy ra hiện tượng thấm ở hai bên vai của đập

2.1.3.2 Địa chất công trình và địa chất thủy văn:

a/ Địa chất công trình:

Đoạn thượng nguồn dòng chính sông Mã, sông Chu, sông Bưởi là miền trầm tích lục nguyên, các dòng sông đều nằm trên vết đứt gãy sâu Lòng sông có thềm phủ dày 15÷ 20m, đá Mácma xuất lộ 2 bên bờ sông Đôi chỗ có xen kẹp đá vôi, lớp phong hoá mỏng, nền vững chắc có khả năng xây dựng các đập cao Vật liệu xây dựng khá phong phú

Đoạn hạ du sông có nhiều bãi rộng Đá gốc nằm sâu Công trình xây dựng ở đây chủ yếu làm trên nền mền, cần xử lý lún không đều

Động đất trong lưu vực sông Mã theo phân vùng của Viện Vật Lý Địa Cầu năm 1986 đây là vùng động đất cấp VIII (theo thang độ MSK - 6M) khi xây dựng công trình cần chú ý xem xét tới tác động của loại hoạt động địa chấn này

b/ Địa chất thủy văn:

Trong phạm vi tỉnh Thanh Hóa, nước ngầm tồn tại ở hai dạng: Nước lỗ hổng và nước khe nứt, castơ

- Nước lỗ hổng phân bố chủ yếu ở đồng bằng Thanh Hóa chiếm diện tích rộng tới

1481 km2, với chiều dày hàng chục mét Nước lỗ hổng được chia ra hai tầng chứa nước là tầng chứa Holoxen và tầng chứa Pleixtoxen Nguồn bổ sung cho hạng nước

lỗ hổng này chủ yếu do nước mưa thấm xuống và một phần do nước mặt cung cấp

- Nước khe nứt, castơ được phân bố vào khoảng 60% diện tích toàn tỉnh, chiều dày

tầng chứa nước này phụ thuộc vào mức độ phát triển khe nứt và địa chất Mức độ

2.2.1.1 Định luật thấm tuyến tính (định luật Darcy) [1]

Năm 1856 nhà thuỷ văn học - kĩ sư người Pháp Darcy (H P G Darcy) tìm ra định luật cơ

bản về sự vận động của nước dưới đất trong điều kiện chảy tầng bằng thực nghiệm Nội dung định luật là: lưu lượng nước dưới đất Q chảy qua một mặt cắt thẳng góc với dòng chảy thì tỉ

lệ thuận với diện tích mặt cắt F, với độ chênh mực nước giữa đầu và cuối, đường thấm H và tỉ

lệ nghịch với chiều dài đường thấm L, biểu thị bằng biểu thức (2.1):

L là độ chênh mực nước trên một đơn vị chiều dài đường thấm gọi là građien thuỷ

lực kí hiệu là i Biểu thức trên cũng có thể viết dưới dạng (2.2):

F

V là vận tốc thấm, vì F không phải chỉ có không gian trống mà còn có đất đá chiếm chỗ, do

đó tốc độ thấm nên hiểu là một tốc độ quy ước mà không phải là tốc độ thực Như vậy, Định

luật Darcy còn được phát biểu như sau: tốc độ thấm trong trường hợp chảy tầng có quan hệ

bậc nhất với građien thuỷ lực

Dòng ngầm có phương và chiều trong không gian nên cần phải dùng vectơ để biểu thị, do đó

biểu thức Darcy tổng quát hoá sẽ có dạng (2.3):

V = –k grad

2.2.1.2 Định luật thấm phi tuyến

Đối với môi trường hạt lớn, lỗ rỗng lớn, định luật Darcy đã có những sai lệch đáng kể và không còn thích hợp nữa Trong trường hợp này vận tốc thấm khá lớn và sự chuyển động của chất lỏng là chảy rối Như vậy thấm trong môi trường hạt lớn là thấm phi tuyến

* Công thức G.Cơrôbe:

0,8 0,8 2

V 173

90

d d

d j ++

  (2.4) Trong đó: d là đường kính hạt (cm), d=0,57cm-:-5,63cm

Công thức G.Cơrôbe được viết dưới dạng tổng quát (2.5):

Trong đó: α, β- hằng số đối với loại đất đã chọn

* Công thức pav lôvxki

d

  với d- đường kính của đá (cm)

2.2.2 Tổng quan về phương pháp tính toán thấm

2.2.2.1 Sơ lược quá trình phát triển

Với tác phẩm nổi tiếng “Về các lớp vỏ của Trái đất” – 1750, Lomonosov đã đặt cơ sở đầu tiên để phát triển khoa học về sự vận động của nước dưới đất

35

Hiện tượng thấm của nước dưới đất trong môi trường lỗ hổng 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 năm 1898, sau khi N.E.Jucovxky 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 Jucovxki đã đặt cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển lý thuyết thấm

Năm 1922 N.N.Pavlovxki 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 Boussinesq 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

2.2.2.2 Tầm quan trọng của lý thuyết thấm

“Sự vận động của chất lỏng trong môi trường lỗ hổng gọi là thấm” - định nghĩa này chỉ cho

ta biết sơ lược đối tượng nghiên cứu mà không cho khái niệm vật lý của hiện tượng thấm

Lý thuyết về 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 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…

Đặc biệt trong công trình thủy lợi, lý thuyết thấm có vai trò quan trọng như cần xác định các đặc trưng của dòng thấm qua đập đất, qua 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 nghĩa là giải quyết xong bài toán thấm, khi đó mới đủ điều kiện

để đánh giá ổn định và độ bền của công trình

2.2.2.3 Các phương pháp giải bài toán thấm

a Phương pháp cơ học chất lỏng

Phương pháp cơ học chất lỏng dùng công cụ toán học để xác định những trưng của dòng thấm như lưu lượng, lưu tốc, gradient, áp lực, đường bão hòa tại bất kỳ một vị trí nào trong môi trường thấm Do khi tính toán không đưa vào nhiều những giả thiết cho nên phương pháp này cho kết quả chính xác

Tuy vậy phương pháp này chỉ sử dụng được trong trường hợp bài toán có sơ đồ đơn giản Khi gặp những sơ đồ phức tạp (điều kiện ban đầu và điều kiện biên phức tạp) thì cách giải này gặp nhiều khó khăn về mặt toán học và trong nhiều trường hợp gần như bế tắc Do vậy trong thực tế thiết kế tính toán thấm, phương pháp này ứng dụng rất hạn chế

b Phương pháp thủy lực

Kể từ khi công bố định luật thấm cơ bản Darcy đến khoảng cuối thập niên 80 của thế kỷ 20, phương pháp thủy lực trong lý thuyết thấm phát triển mạnh và đạt đến những thành tựu to lớn, đã ứng dụng giải quyết được nhiều bài toán thấm trong công trình thủy lợi, khai thác nước ngầm và các bài toán thấm ổn định khác

Phương pháp thủy lực giới hạn nghiên cứu dòng thấm biến đổi chậm, thỏa mãn tiền đề puy, khi xem tất cả các đường dòng có đường cong nhỏ, song song với nhau, dẫn đến gradient thủy lực J = const Khi miền thấm có thiết bị thoát nước, cần sử dụng giả thiết Cozeny, mặt khác cần sơ đồ hóa cao độ mặt cắt tính toán

Duy-Phương pháp thủy lực cho lời giải các thông số dòng thấm như dưới dạng biểu thức toán đơn giản dễ tính toán ngay cả đối với bài toán phức tạp trong thực tế Độ chính xác của phương pháp thủy lực đủ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thường thiên về an toàn, do đó phương pháp này được phổ biến và ứng dụng rộng rãi nhất trong thực tế

c Phương pháp thực nghiệm

Trong lý thuyết thấm, phương pháp thực nghiệm đóng vai trò quan trọng Điều này dễ nhận

thấy vì xuất phát từ thực nghiệm, Darcy đã khái quát rút ra định luật thấm cơ bản, bên cạnh

37

đó, nhiều thực nghiệm đã là cơ sở để xây dựng lý thuyết thấm Trong quá trình nghiên cứu,

với nhiều trường hợp điều kiện biên của bài toán khá phức tạp, việc tìm lời giải bằng các phương pháp lý thuyết không đơn giản thì phương pháp thực nghiệm lại tỏ ra chiếm ưu thế hơn

Các hình thức thí nghiệm bằng phương pháp thực nghiệm:

- Thí nghiệm trên mô hình vật lý: đây là mô hình được làm bằng vật liệu ở dòng thấm thực tế

Giữa chúng có sự tương tự về mặt hình học, về vận động của chất lỏng thấm Mô hình có lắp đặt các thiết bị tạo ra các điều kiện biên để đo cột nước áp lực bên trong mô hình Hình thức thí nghiệm này có nhược điểm về kỹ thuật là cồng kềnh, khó chế tạo mô hình, khó khống chế được tính không đồng nhất của mô hình Ưu điểm là có khả năng nghiên cứu trực tiếp bản chất của các quá trình thấm Khả năng này cho phép tiến hành lập mô hình trong trường hợp còn chưa rõ cách mô tả toán học của quá trình

- Thí nghiệm thấm khe hẹp Hele-shaw: trong máng khe hẹp, dòng thấm được mô hình hóa bằng dòng chảy tầng của chất lỏng nhớt trong khe hở nhỏ hẹp Tuy nhiên vì khó khăn về phương pháp và kỹ thuật nên máng khe hẹp không được phổ biến rộng rãi

- Lập mô hình quá trình theo phương pháp tương tự điện thủy động: đây là một mô

hình toán học, là phương pháp mô phỏng dòng thấm thực tế bằng một quá trình vật lý nào đó khác quá trình thấm mà giữa chúng có sự tương tự về toán học, ở đây chính là sự tương tự giữa hiện tượng chuyển động của dòng thấm với sự chuyển dộng của dòng điện Thí nghiệm này cũng có nhược điểm dó là: nếu mô hình làm bằng giấy dẫn điện thì các giấy có điện trở tiêu chuẩn khó có thể đảm bảo giữ được tỷ lệ chính xác; trên mô hình dung dịch chất điện phân tuy khắc được hạn chế của mô hình giấy dẫn điện thì mắc phải sai số trong quá trình thí nghiệm xảy ra hiện tượng điện phân Hiện nay, để khắc phục hiện tượng điện phân, người ta

đã có sự tự động hóa trong thí nghiệm bằng các thiết bị đo hiện đại sao cho quá trình thí nghiệm diễn ra nhanh chóng rút ngắn được thời gian đo đạc Mô hình này có thể ứng dụng

rộng rãi cho nhiều bài toán thấm khác nhau

- Ngoài ra còn rất nhiều thí nghiệm thấm khác đã được sử dụng để xác định hệ số thấm cho

từng loại vật liệu, xác định hệ số dung tích trọng lực, hệ số thoát nước…

d Phương pháp vẽ lưới thấm

Phương pháp vẽ lưới thấm có thể thực hiện cho môi trường đồng nhất và bất đẳng hướng, tuy

nhiên việc vẽ lưới thấm phức tạp nên ít sử dụng, thường sử dụng các mô hình số để giải quyết

cột nước sẽ được tính toán Giá trị cột nước bên trong mỗi phần tử được xác định bằng cách

nội suy các điểm nút

Cơ sở toán học của phương pháp phần tử hữu hạn phức tạp hơn nhiều, các mô hình

phần tử hữu hạn tỏ ra có một số ưu việt hơn so với mô hình sai phân hữu hạn khi các bài toán

có một biên di chuyển, chẳng hạn như khi mực nước ngầm dao động Mô hình phần tử hữu

hạn còn có ưu điểm là linh hoạt hơn trong mô phỏng dạng hình học của môi trường thấm so

với phương pháp sai phân hữu hạn và yêu cầu số nút ít hơn

Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành thông dụng và

là một công cụ mạnh để giải các bài toán thấm khác nhau: có áp và không áp, ổn định và không ổn định, phẳng và không gian SEEP/W là sản phẩm phần mềm phần tử hữu hạn dùng để phân tích dòng thấm của nước dưới đất, sự tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng dư và bài toán cố kết Mô hình sử dụng cho bài toàn thấm ổn định bão hòa đơn giản và các bài toán thấm không ổn định bão hòa – không bão hòa[3]

2.2.3 Các phương pháp tính ổn định

2.2.3.1 Lý luận tính toán ổn định mái dốc

Để tính toán ổn định mái dốc, có thể dùng phương pháp phân tích giới hạn hoặc phương pháp cân bằng giới hạn

Phương pháp cân bằng giới hạn (CBGH) dựa trên cơ sở giả định trước mặt trượt (coi khối trượt như một cố thể) và phân tích trạng thái CBGH của các phân tố đất trên mặt trượt giả định trước Mức độ ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần lực chống trượt (do lực

ma sát và lực dính) của đất nếu được huy động hết so với thành phần lực gây trượt (do trọng