Đánh giá hiện trạng và đề xuất phương án sửa chữa đập đất hồ chứa nước An Phong, tỉnh Quảng Ngãi

Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá tổng thể về hiện trạng đập đất hồ chứa nước An Phong; - Nghiên cứu nguyên nhân thấm, mất ổn định và đề xuất các giải pháp sửa chữa.. Ý nghĩa khoa học và t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN THÀNH NGÂN

ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC AN PHONG, TỈNH QUẢNG NGÃI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng – Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Hải

TS Nguyễn Văn Hướng

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

− Thư viện Khoa Xây dựng Thủy Lợi – Thủy điện, Trường Đại học Bách

khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công trình hồ chứa nước An Phong được xây dựng hoàn thành

và đưa vào sử dụng từ năm 1984 tại xã Bình Mỹ, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi với tổng chiều dài đỉnh đập là 740,43m (Trong đó đập chính dài 341,64m và đập phụ dài 398,99m) Công trình có dung tích hữu ích là 0,265.106 m3 và diện tích lưu vực là 3,15km2; năng lực thiết kế tưới cho 82ha Từ khi công trình đưa vào sử dụng đã góp phần cải thiện sinh kế, xóa đói giảm nghèo cho người dân trong vùng

dự án thông qua việc đảm bảo diện tích canh tác, tăng sản lượng nông nghiệp Đồng thời, đảm bảo an ninh lương thực tại chỗ, nâng cao đời sống, ổn định sản xuất và khai thác có hiệu quả tiềm năng đất đai và nguồn nước trong khu vực

Tuy nhiên, với tình hình biến đổi khí hậu ngày càng khắc nhiệt như các năm gần đây, thêm vào đó sự phát triển kinh tế - xã hội của địa phương thì nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng, trong khi công trình xây dựng đã lâu, qua thời gian sử dụng một số hạng mục (đập đất, tràn xả lũ, cống lấy nước, đường quản lý…) đã xuống cấp nghiêm trọng; diện tích tưới thực tế không đảm bảo yêu cầu Do đó, việc nghiên cứu, phân tích xác định nguyên nhân và đề xuất giải pháp xử lý thấm, đảm bảo an toàn cho việc vận hành đập đất hồ chứa nước An Phong là hết sức cần thiết trong tình hình hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá tổng thể về hiện trạng đập đất hồ chứa nước An Phong;

- Nghiên cứu nguyên nhân thấm, mất ổn định và đề xuất các giải pháp sửa chữa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa nước An Phong;

- Phạm vi nghiên cứu: Đập đất hồ chứa nước An Phong

4 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát thực tế hiện trường, thu thập phân tích các tài liệu đã

có kết hợp với nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật mới nhằm đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp;

- Ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật GEO SLOPE (Canada) để tính toán, xác định và kiểm tra các thông số, đảm bảo tính hợp lý cả

về nghiên cứu và thực tế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đánh giá tổng thể hiện trạng đập đất An Phong từ đó xây dựng các phương án, giải pháp khắc phục;

- Căn cứ đề xuất sửa chữa, nâng cấp, đảm bảo an toàn đập trong điều kiện hiện nay;

- Kết quả là cơ sở lý luận giải quyết một số vấn đề bất cập về hiện trạng công trình đập đất An Phong trong thực tế và là nền tảng cho việc xây dựng các dự án nghiên cứu trong tương lai

CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu

Bình Sơn là huyện thuộc vùng đồng bằng ven biển, nằm ở phía Bắc tỉnh Quảng Ngãi, có tọa độ địa lý từ 15011' đến 15025' vĩ độ Bắc

và từ 108034 đến 108056' kinh độ Đông

1.2 Tình hình kinh tế - xã hội

1.2.1 Về phát triển kinh tế

1.2.2 Tình hình phát triển văn hóa - xã hội

1.3 Giới thiệu về hồ chứa nước An Phong

1.3.1 Vị trí công trình

Hình 1 Bình đồ vị trí hồ chứa nước An Phong, tỉnh Quảng Ngãi

1.3.2 Mục tiêu và nhiệm vụ công trình

- Đảm bảo an ninh lượng thực tại chỗ, nâng cao đời sống, ổn định sản xuất;

- Khai thác có hiệu quả tiềm năng, đất đai và nguồn nước trong khu vực

b Nhiệm vụ

- Đảm bảo an toàn hồ đập;

- Cung cấp nước tưới cho 82ha đất nông nghiệp (lúa 65ha, màu 17ha);

- Nâng tần suất bảo đảm tưới từ 75% đến 85%

1.3.3 Các thông số kỹ thuật chủ yếu của hồ chứa

1.4 Đánh giá hiện trạng hồ chứa nước An Phong

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT BÀI TOÁN THẤM DƯỚI NỀN CỐNG

2.1 Khái niệm về thấm

Thấm là sự chuyển động của chất lỏng trong đất, trong đá nứt

nẻ hoặc trong môi trường (rỗng, xốp) nói chung của đất được diễn ra dưới tác dụng của lực trọng trường khi có sự chênh lệch cột nước giữa các điểm khác nhau trong môi trường xốp

2.1.1 Nguyên nhân gây thấm

- Hiện tượng mao dẫn trong thấm không áp

2.1.4 Tính chất đẳng hướng và dị hướng của vật liệu

Khi tính thấm, cần phân tích khả năng tồn tại các vùng vật liệu

có hệ số thấm dị hướng với sự khác biệt lớn để có biện pháp khắc phục hậu quả bất lợi của biến dạng thấm

Nếu đất bị nén mạnh và ứng suất trung bình khác nhau trong thân đập có sự khác nhau đáng kể về giá trị, thì sẽ có hiện tượng thấm không đồng nhất, bởi vì độ rỗng của đất thay đổi phụ thuộc vào ứng suất Theo V.P Nedriga, hệ số thấm trong lõi giữa của đập cao

và siêu cao có thể khác nhau đến 10 lần đối với vật liệu ở vùng dưới đáy lõi so với vùng trên đỉnh lõi Thậm chí nếu kx = ky , thì lưu lượng thấm và tính chất lưới thấm còn phụ thuộc vào sự thay đổi hệ số thấm (kt) theo tọa độ

2.1.5 Ảnh hưởng của các loại đất đắp đập đến dòng thấm

2.2 Các tác nhân gây mất an toàn đập đất

2.2.1 Các tác nhân chính gây mất an toàn công trình đầu mối

a Các yếu tố công trình

- Đập không đủ cao độ chống lũ, bố trí công trình đầu mối chưa tuân thủ theo các tiêu chuẩn hiện hành, đảm bảo thích ứng với điều kiện biến đổi khí hậu;

- Thấm qua nền, vai đập và thân đập gây xói ngầm hoặc sạt trượt mái hạ lưu; thấm hai bên mang cống;

- Sóng lớn do gió bão làm sạt trượt mái thượng lưu;

- Tràn không đủ năng lực xả lũ, nhất là trong điều kiện bị ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, chặt phá rừng phòng hộ đầu nguồn làm đường quá trình lũ diễn biến bất lợi;

- Thiết bị đóng mở cửa tràn bị sự cố, hoặc thậm chí bị sự cố an toàn cửa van

- Không có số liệu quan trắc trong quá trình quản lý vận hành để phân tích đánh giá Sự cố công trình (đập, tràn, cống lấy nước) do không có đủ độ kiên cố cần thiết hoặc vận hành không đúng quy trình kỹ thuật (đặc biệt với các công trình có cửa xả sâu);

- Tổ mối hoặc các các hang hốc không được phát hiện và xử lý kịp thời;

- Trong các tác nhân trên thì lũ và thấm là hai tác nhân thường trực gây mất an toàn, đồng thời công tác xử lý cũng hết sức khó khăn

và tốn kém

b Các yếu tố quản lý:

- Công tác quản lý vận hành chưa được quan tâm đúng mức (thậm chí các hồ nhỏ không có người quản lý vận hành) Do vậy không phát hiện được các sự cố gây mất an toàn công trình ngay từ khi mới có các hiện tượng ban đầu;

- Về thể chế: mặc dù đã có Nghị định số 72/NĐ-CP ngày

7/5/2007 về “Quản lý an toàn đập” nhưng chưa có các quy định

khác đồng bộ để thực hiện và cũng chưa có chế tài bắt buộc nên thực chất trong những năm vừa qua chưa triển khai công việc này;

- Công tác quản lý nhà nước về xây dựng tại các địa phương còn yếu, đặc biệt là đối với các công trình không sử dung nguồn vốn nhà nước

c Các yếu tố về tự nhiên

Chế độ thủy văn, dòng chảy thay đổi phức tạp không tuân theo các quy luật thông thường Ngày càng xuất hiện nhiều trận mưa có cường độ rất lớn làm thay đổi đường quá trình lũ bất lợi cho công trình

2.2.2 Các sự cố công trình thường gặp do dòng thấm gây ra đối với đập đất

Trong thời gian làm việc bình thường của công trình sẽ tạo ra

sự chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu Nước di chuyển qua các khe rỗng trong đất đắp, nền và hai bên vai công trình tạo thành dòng thấm Đối với đập đất, dòng thấm sẽ gây ra những ảnh hưởng bất lợi như sau:

- Sạt, trượt mái đập (thượng hạ lưu) và nền đập;

- Lún, sập cục bộ ở mặt đập;

- Thấm mạnh hoặc trôi đất ở nền đập, ở một phần nền tiếp giáp với hạ lưu đập;

- Thấm hoặc sủi bọt nước ở mái đập;

- Thấm hoặc sủi bọt nước ở vai đập;

- Thấm hoặc sủi bọt nước ở phần tiếp giáp giữa đập và mang công trình (Cống, Tràn xả lũ);

- Lún hoặc chênh lệch quá mức cho phép;

- Có hiện tượng chuyển vị về phía hạ lưu;

- Nứt thân đập: bao gồm các hiện tượng nứt ngang và nứt dọc (Hình 3.8);

- Vỡ đập: Đập bị phá hoại không có khả năng giữ nước được nữa;

- Làm mất nước từ hồ chứa;

- Gây áp lực lên các bộ phận công trình giới hạn miền thấm (bản đáy, tường chắn, )

2.2.3 Nguyên nhân gây mất an toàn công trình

- Trong quá trình khảo sát ban đầu, đơn vị khảo sát không tuân thủ thực hiện đúng các quy định về quy chuẩn, tiêu chuẩn trong khảo sát địa hình, địa mạo, địa chất thủy văn công trình dẫn đến các số liệu thiết kế đập sai lệch

- Sử dụng vật liệu đất đắp không đúng tiêu chuẩn, tính thấm cao

so với giới hạn cho phép, không đủ tính bền để đảm bảo ổn định chống trượt của mái đập (tính bền đó thể hiện ở các chỉ tiêu cơ lý như: cường độ chống cắt, góc ma sát trong, lực dính),…Vùng vật liệu đất đắp có tính trương nở, tan rã hoặc vùng đất có hàm lượng sét quá cao dẫn đến độ ẩm lớn nhưng thiết kế không chỉ rõ biện pháp xử

lý khi đắp cũng có nguy cơ gây nứt đập, thấm lớn;

- Xử lý kỹ thuật vùng tiếp giáp vai đập: Vùng vai đập có độ dốc lớn nếu không xử lý đúng kỹ thuật cũng dễ gây ra hiện tượng trượt giữa đất đắp mới và nền đất cũ nên khi đắp xong dễ gây ra thấm Hoặc bản vẽ quy định mái dốc của đợt đắp trước để quá dốc, khi đắp tiếp đợt sau cũng gây trượt giữa 2 khối đắp;

- Thi công xử lý tiếp giáp giữa các khối đắp trước sau và chuyển tiếp giữa vật kiến trúc bên trong thân đập với đập không được quan tâm đúng mức, thường có chất lượng kém, tạo điều kiện cho sự phá hoại do thấm tiếp xúc;

- Trong quá trình quản lý và vận hành hồ chứa của đơn vị chủ quản đã chưa làm hết trách nhiệm các khâu kiểm tra chống mối, bảo quản trâu bò chăn thả trên bề mặt taluy hồ đập;

- Do hư hỏng khớp nối cống: Khớp nối cống bị hỏng, dòng chảy

có áp phun ra xung quanh gây thấm dọc theo cống;

- Do bị tắc nghẽn vật thoát nước hạ lưu đâp: Trong quá trình vận hành đập các hạt đất chui vào các kết cấu thoát nước (lăng thể đá

hạ lưu, ống khói thoát nước giữa đập, ) làm tắc tầng lọc ngược Vì vậy đường bão hòa trong thân đập dâng cao, dòng thấm lộ ngay trên mái hạ lưu đập

2.3 Tính toán thấm qua đập đất

2.3.1 Mục đích của việc tính toán thấm qua đập đất

- Xác định lưu lượng thấm qua thân đập và qua nền Trên cơ sở

đó tìm lượng nước tổn thất của hồ do thấm gây ra và có biện pháp phòng chống thấm thích hợp;

- Xác định vị trí đường bão hoà, từ đó sẽ tìm được áp lực thấm dùng trong tính toán ổn định của mái đập;

- Xác định građien thấm ( hoặc lưu tốc thấm ) của dòng chảy trong thân, nền đập, nhất là ở chỗ dòng thấm thoát ra ở hạ lưu để kiểm tra hiện tượng xói ngầm, chảy đất và xác định kích thước cấu tạo của tầng lọc ngược

2.3.2 Nghiên cứu tính toán thấm

Tính toán thấm qua thân đập và nền đập cần tương ứng với các điều kiện làm việc của đập và tổ hợp tải trọng tác động Tùy từng trường hợp cụ thể của đập mà lựa chọn mặt cắt tính toán phù hợp Thông qua việc nghiên cứu tính toán thấm, cần xác định được các thống số sau của dòng thấm ở thân đập, nền và bờ vai đập:

- Vị trí bề mặt dòng thấm (đường bão hòa) trong thân đập và các bờ vai đập Cần xét đến hiện tượng mao dẫn nhất là ở các phần thân đập;

- Lưu lượng nước thấm qua thân, nền và các bờ vai đập;

- Građient thấm của dòng thấm trong thân đập và nền, ở chỗ dòng thấm đi vào bộ phận tiêu nước phía hạ lưu của đập, ở chỗ tiếp xúc giữa các lớp đất có các đặc trưng khác nhau, ở mặt tiếp xúc của các kết cấu chống thấm, ở vị trí đi ra của dòng thấm

2.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thấm qua đập đất cũng như trường hợp nghiên cứu thấm nước trong môi trường rỗng nói chung thường bằng hai phương pháp: lý luận và thực nghiệm

a Nghiên cứu lý luận

Nghiên cứu lý luận là sử dụng định luật cơ bản về thấm cùng những liên hệ lý thuyết để xác định những đặc trưng của dòng thấm Dùng lý luận để nghiên cứu thấm có hai phương pháp: cơ học chất lỏng và thủy lực học

- Phương pháp cơ học chất lỏng

- Phương pháp thủy lực học

b Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm là dùng mô hình để xác định những đặc trưng của dòng thấm Phương pháp này là dùng những loại mô hình nghiên cứu sau:

ra làm nhiều miền nhỏ đơn giản có hình dạng tuỳ ý được gọi là các phần

tử hữu hạn, mỗi phần tử gồm một số điểm nút, hàm xấp xỉ được tìm trên từng phần tử; do đó phương pháp này rất thích hợp với các bài toán có miền xác định phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc trưng hình học, tính chất vật lý khác nhau, điều kiện biên khác nhau

d Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán thấm

- Phương trình dòng chảy ổn định trong môi trường đất bão hòa nước

Phương trình của dòng nước ngầm chảy ổn định trong môi trường thấm bão hòa trong không gian ba chiều được viết như sau:

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG THẤM VÀ ỔN ĐỊNH

CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP ĐẤT AN PHONG

3.1 Phương pháp tính toán

Việc tính toán thấm và ổn định cho công trình là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới từ nhiều năm nay Đặc biệt với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, việc tính toán thấm và ổn định được đơn giản hóa bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với các mô hình máy tính điện tử như phần

mềm địa kỹ thuật Geostudio (Canada) và phần mềm ANSYS có tính đến nhiệt trong thân đập Để có thể nghiên cứu rõ hơn, dưới đây, tác giả sẽ giới thiệu qua về 2 mô hình nghiên cứu này

3.1.1 Giới thiệu về phần mềm tính toán GeoStudio

Bộ phần mềm GeoStudio được xây dựng bởi GEO-SLOPE International Ltd – Canada, là phần mềm thương mại đã được quốc

tế hóa qua khá nhiều phiên bản như 2004, 2007, 2012 và hiện nay là phiên bản mới nhất 2019 Phần mềm gồm có 8 module tính toán chính có khả năng mô phỏng các bài toán về địa kỹ thuật và địa môi trường Nhằm phục vụ cho việc tính toán trong luận văn này, ở đây, tác giả chỉ giới thiệu 2 module tính toán chính là SEEP/W và SLOPE/W

a Module tính thấm SEEP/W

- Nguyên lý cơ bản của bài toán thấm:

Dòng thấm trong đất bão hòa và không bão hòa tuân theo định luật Darcy

q = k.j.w hoặc có thể viết dưới dạng v = k.j

Hình 6: Các loại phần tử nút

b Module tính toán ổn định SLOPE/W

SLOPE/W cũng là 1 trong 8 module của bộ phần mềm Geo SLOPE (Canada) SLOPE/W phân tích ổn định mái đất – đá theo phương pháp cân bằng giới hạn khối trong đất bão hòa và không bão hòa như:

+ Mái đồng nhất, không đồng nhất trên nền đá;

+ Mái dốc chịu tải trọng ngoài và có cốt gia cố;

+ Tích hợp với SEEP/W phân tích ổn định mái dốc trong điều kiện áp lực nước lỗ rỗng phức tạp;

+ Tích hợp với SIGMA/W phân tích ổn định theo phần tử giới hạn;

+ Phân tích ổn định mái dốc theo xác xuất

- Mục đích và nhiệm vụ tính toán ổn định: Xác định hệ số ổn định nhỏ nhất của mái đập, từ đó chọn hệ số mái, kích thước đập hợp lý về kỹ thuật và thi công

- Phương pháp tính toán ổn định

Phần mềm SLOPE/W cho phép tính toán với nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp Morgenstern, PP GLE, PP BISOP, JANBU, PP SNIP

3.1.2 Giới thiệu về phần mềm ANSYS

ANSYS là phần mềm CAE khá phổ biến hiện nay về sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hoàn toàn để mô phỏng, tính toán thiết

kế công nghiệp

ANSYS Mechanical Workbench (WB) là một môi trường nền chung, trong đó có tích hợp rất nhiều module xử lý liên quan đến kết cấu, nhiệt, va chạm, lưu chất, … WB ngày càng phát triển , hướng tưới một giao diện thân thiện

3.1.3 Phương án tính toán

Trong giới hạn của nghiên cứu này, tác giả kiến nghị lựa chọn

mô hình tình toán thấm và ổn định cho đập đất An Phong sử dụng

mô hình tính toán Geostudio với 2 module tính toán chính đó là SEEP/W (phân tích thấm) và SLOPE/W (tính toán ổn định)

3.2 Mô tả về công trình đập An Phong

Công trình đập An Phong là công trình thủy lợi nằm trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi với nhiệm vụ cấp nước tưới cho 82 ha diện tích đất nông nghiệp

- Đập đất: Đập được xây dựng bằng các loại đất có tác dụng dâng nước và giữ nước nhưng không cho phép để nước tràn qua

- Tràn xả lũ: Điều tiết lũ, khi nước đầy hồ và dâng hơn cao trình ngưỡng tràn (mực nước dâng bình thường) thì nước tự chảy qua ngưỡng tràn về hạ lưu Sau khi qua bể tiêu năng, năng lượng dòng nước bị triệt tiêu được dẫn vào kênh dẫn và đổ vào suối

- Cống lấy nước: Điều tiết dòng chảy để tưới cho các mùa vụ cây trồng, khi cần nước tưới thì mở cống để dẫn vào kênh, không cần tưới thì đóng cống lại

3.3 Xây dựng bài toán thấm và ổn định sử dụng mô hình Geo Studio 2012

3.3.1 Trường hợp tính toán

Căn cứ vào hiện trạng sử dụng công trình đập An Phong tỉnh Quảng Ngãi và TCVN 8216: 2019 về tính toán thiết kế đập đất đầm nén, tác giả tiến hành mô phỏng bài toán hiện trạng thấm và ổn định cho 2 trường hợp như Bảng 4.2

Bảng 3: Các trường hợp tính toán thấm và ổn định đập đất An Phong

3.3.2 Mô tả mặt cắt tính toán