Phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định của đập đất iakrel ii gia lai

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Tổng quan về xây dựng đập, các hư hỏng thường gặp và nguyên nhân gây sự cố của đập đất  Cơ sở lý thuyết tính toán thấm và ổn định của đập đất - Tính toán cống dẫn

ĐẶNG NGỌC TOÀN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BIỆN PHÁP THI CÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

Mã số: 60.58.02.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Minh Tâm

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Châu Ngọc Ẩn

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Dương Hồng Thẩm

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày

14 tháng 08 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐẶNG NGỌC TOÀN MSHV: 13090102

Ngày, tháng, năm sinh: 30/10/1987 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm Mã số : 60.58.02.04

I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BIỆN PHÁP THI CÔNG ĐẾN

ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT IAKREL II – GIA LAI

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tổng quan về xây dựng đập, các hư hỏng thường gặp và nguyên nhân gây sự cố của đập đất

 Cơ sở lý thuyết tính toán thấm và ổn định của đập đất - Tính toán cống dẫn dòng

 Ứng dụng tính toán kiểm tra nguyên nhân gây vỡ đập công trình IaKrel II – Gia Lai và giải pháp xử lý

 Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18.08.2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08.06.2015

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN MINH TÂM

Tp HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KTXD

TS Nguyễn Minh Tâm TS Lê Bá Vinh

TS Nguyễn Minh Tâm

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn Quý Thầy Cô trong bộ môn Địa cơ nền móng, Quý Thầy

Cô đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và sâu sắc trong hai học kỳ vừa qua

Tôi xin chân thành cám ơn Thầy TS Nguyễn Minh Tâm – Trưởng khoa Kỹ Thuật

Xây Dựng, trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh – dù rất bận rộn với công việc và gia đình, song vẫn dành cho tôi sự quan tâm rất lớn trong suốt quá trình thực hiện

đề tài này Thầy là người hỗ trợ tài liệu, kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu, luôn theo sát và kịp thời giúp tôi đi theo đúng mục tiêu đề ra

Một lần nữa tôi xin chân thành cám ơn các Thầy PGS.TS Võ Phán, PGS TS Châu Ngọc Ẩn, TS Lê Bá Vinh, TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Trần Tuấn Anh, TS Đỗ Thanh Hải đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho nhiều kiến thức chuyên ngành, giúp tôi có được phương pháp và nền tảng trong quá trình thực hiện đề tài Ngoài ra, gia đình và bạn bè đã tạo động lực và điều kiện giúp tôi an tâm và tập trung trong thời gian thực hiện đề tài

Tất cả đã giúp tôi hoàn tất đề tài luận văn theo một cách tốt nhất có thể

Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè lòng biết ơn sâu sắc Cuối cùng, kính chúc quý Thầy Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý

Chân thành cám ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 08 năm 2015

Học viên thực hiện

Đặng Ngọc Toàn

TÓM TẮT TÊN ĐỀ TÀI

Phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn dịnh của đập đất Iakrel

II – Gia Lai

TÓM TẮT

Sự hư hỏng của đập đất trong công trình thủy lợi là vô cùng nguy hiểm, uy hiếp nghiêm trọng đến tính mạng và tài sản của người dân vùng hạ lưu Đồng thời việc tu sửa, gia cố hoặc phục hồi các đập đất hồ chứa nước của công trình thủy lợi, trong nhiều trường hợp là rất khó khăn phức tạp và tốn kém

Để ngăn ngừa những tai nạn có thể xảy ra ở vùng hạ lưu các đập đất hồ chứa nước, đồng thời nghiên cứu những nguyên nhân hư hỏng, sập vỡ đập đất, yêu cầu phải tính toán, phân tích đánh giá nhiều mặt như: Thông số thiết kế kỹ thuật, đất đai, thổ nhưỡng,… đặc biệt là nghiên cứu tính toán thấm, ổn định thấm qua đập đất, ổn dịnh mái dốc, ổn định kết cấu cống dẫn dòng thi công Đây là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến an toàn hồ chứa Bên cạnh những tính toán thiết kế thì việc thi công ngoài công trường phải hết sức tuân thủ quy trình do thiết kế đưa ra để đảm bảo kết cấu làm việc theo như tính toán, tuy nhiên cũng có một số trường hợp tùy theo tiến độ, tài chính,…

mà quy trình thi công, biện pháp thi công có sự thay đổi, gây ra tổn thất lớn vì chưa có giải pháp hợp lý Vì vậy, việc “Phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định của đập đất Iakrel II – Gia Lai” góp phần đưa ra nguyên nhân gây ra sự cố do biện pháp thi công chưa hợp lý cũng như đề xuất các giải pháp xử lý trước khi tiến hành theo biện pháp thi công thực tế để tránh được sự cố của công trình

Bằng cách phân tích, tính toán ổn định thấm, ổn định mái dốc và ứng suất tác dụng lên cống dẫn dòng tại thời điểm đập bị vỡ, tác giả đã tìm ra nguyên nhân gây sự cố vỡ đập, từ đó đưa ra các giải pháp xử lý và bài học kinh nghiệm

ABSTRACT NAME OF THESIS

Analysing the influence of construction methods to the stability of earth dams Iakrel II - Gia Lai

ABSTRACT

Damage of earth dams in the irrigation work is extremely dangerous and seriously that threatens the life and property of downstream people Concurrent the repair, strengthening or rehabitilitation of dam reservoirs of irrigation works have been destroyed, in many cases would be also extremely difficult, comples and expensive

To prevent accidents that may occor at downstream of earth dam of reservoir, and research causes damage, brocken down dam required to calculate, analyze and assess various aspects such as: Technical parameter, land and soil,… Especially studying on the stability of the seepage from reservoir, slope stability, reinforced concrete box culvert stability These are affected directly or indicrectly to the safety of reservoir Besides the design, the construction at the site in addition to best comply with the execution sequences made by the designer to ensure the structure is worked the same as the design, however, there are some cases, depending on general construction schedule, or finance,…that the execution sequences, construction methods are changed, causing big

damage for project because of there is no logical solution Therefor, Analysing the influence of construction methods to the stability of earth dams Iakrel II - Gia Lai contribute to give us the causes of the damages due to the irrational construction method

as well as propose processing solution before constructing at the site to avoid the problem

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Đặng Ngọc Toàn, xin cam đoan luận văn “Phân tích ảnh hưởng của biện pháp

thi công đến độ ổn dịnh của đập đất Iakrel II – Gia Lai” là công trình nghiên cứu khoa

học của riêng tôi, được thực hiên dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Minh Tâm Những số liệu, trích dẫn phục vụ cho việc phân tích, tính toán, nhận xét, đánh giá được tham khảo từ các nguồn khác được ghi chú dẫn và liệt kê chi tiết trong phần tài liệu tham khảo

Nếu có bất kỳ sự gian lận nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng về kết quả luận văn của mình

TP.HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2015

Học viên thực hiện

Đặng Ngọc Toàn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Nội dung nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Tính thực tiễn của đề tài 2

5 Giới hạn của đề tài 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP, TÌNH HÌNH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC 4

Tổng quan về tình hình xây dựng đập 4

Phân loại đất đắp đập [2] 5

Loại đất thuận lợi 5

Loại đất không thuận lợi 6

Một số tính chất của đất đắp đập khi thấm nước [2] 6

Tính tan rã 6

Tính lún ướt 6

Tính trương nở 6

Tính co ngót 7

Tính xói rữa 7

Đặc điểm làm việc của đập và tài liệu cần xem xét khi đánh giá an toàn đập 8 Đặc điểm làm việc của đập 8

Các tài liệu quan trọng cần xem xét khi đánh giá an toàn của đập 8

Tổng quan về sự cố và nguyên nhân gây sự cố 9

Tổng quan về sự cố đập đất 9

Nguyên nhân gây sự cố đập đất 9

Các nguyên nhân mất ổn định do dòng thấm 10

Các nguyên nhân do mất ổn định nền 11

Lũ tràn qua đỉnh đập 13

Một số sự cố về đập đất trên thế giới 13

Nguyên nhân hư hỏng đập đất Chalm ở Pháp 13

Nguyên nhân hư hỏng đập đất Horse Creek ở Mỹ 14

Một số sự cố về đập đất ở trong nước 15

Nguyên nhân hư hỏng đập thủy lợi Khe Mơ – Hà Tĩnh 15

Nguyên nhân hư hỏng đập thủy lợi KE 2/20 REC – Hà Tĩnh [12] 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

Lý thuyết tính toán ổn định mái dốc 17

Mở đầu 17

Phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt [1;5;13] 21

Các giả thuyết tính toán 21

Công thức tính toán 24

Phương pháp Fellenius (1936) 26

Phương pháp Bishop’s 27

Phương pháp Janbu’s 27

Phương pháp Morgenstern-Price (1965) 27

Phương pháp Spencer (1967) 29

Phương pháp Corps and Engineer 30

Phương pháp Low-Karafiath 31

Phương pháp Sarma 31

Tổng kết các phương pháp tính toán ổn định mái dốc 32

Cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn Plaxis V8.6 33

Mô hình sử dụng mô phỏng trong phần tử hữu hạn 33

Phần tử tiếp xúc 33

Mô hình Morh-Coulomb cho tính toán PTHH sử dụng plaxis 34

Thông số mô đun E và hệ số poison  38

Hệ số thấm k 39

Cơ sở lý thuyết tính thấm: 39

Khái niệm chung về hiện tượng thấm trong đất 39

Mục đích và phương pháp tính thấm 40

Định luật thấm tuyến tính và các phương trình cơ bản: 40

Thấm qua đập đất trên nền không thấm 41

Theo phương pháp cơ học chất lỏng 41

Theo phương pháp thủy lực 42

Thấm có áp qua nền đất đồng nhất dưới đáy công trình 42

Phương pháp giải tích 42

Các phương pháp thực nghiệm 43

Các phương pháp số: 44

Thấm có áp qua nền đất không đồng nhất dưới đáy công trình 44

Hệ số thấm trung bình 45

Góc gãy của đường dòng khi vượt qua hai lớp đất khác nhau 45

Thấm qua đập đất trên nền thấm nước 45

Thấm qua đập và nền đồng chất 46

Thấm qua đập có tường nghiêng sân phủ 46

Thấm qua đập có tường nghiêng và tường răng 46

Thấm quanh bờ và bên vai công trình 46

Trường hợp tầng không thấm nằm ngang 47

Thấm quanh vai đập sau lưng tường bên 47

Tính thấm quanh bờ đập đất 47

Phần mềm Geostudio – SEEP/W 47

Khả năng của SEEP/W 47

Phương pháp tính toán thấm bằng mô hình toán 48

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN NGUYÊN NHÂN GÂY VỠ ĐẬP IAKREL II – GIA LAI 49

Tổng quan về đập thủy điện Iakrel 2 – Gia Lai 49

Công trình đập thủy điện Iakrel 2 – Gia Lai 49

Quá trình khảo sát hiện trường và quá trình xảy ra sự cố 49

Kết quả thử nghiệm cường độ thép tại hiện trường 52

Kết quả thử nghiệm cường độ bêtông tại hiện trường 53

Thống kê số liệu từ thực tế khảo sát : 55

Nội dung phân tích, tính toán: 57

Phân tích, tính toán thấm qua đập đất: 57

Trường hợp 1: Tính toán tại vị trí đập dâng 58

Trường hợp 2: Tính toán tại vị trí cống dẫn dòng 59

Phân tích, tính toán ổn định mái dốc: 60

Trường hợp 1: Tính toán tại vị trí đập dâng 61

Trường hợp 2: Tính toán tại vị trí cống dẫn dòng 62

Tính toán, kiểm tra cống dẫn dòng: 63

Trường hợp 1: Kiểm tra khả năng chịu lực của cống dẫn dòng khi đập mới thi công xong, đơn vị thi công bịt cống và hồ chưa tích nước 64

Trường hợp 2: Kiểm tra khả năng chịu lực của cống dẫn dòng khi xảy ra sự cố, bịt cống dẫn dòng và hồ chứa tích nước bằng 65% chiều cao đập 67 Kết luận nguyên nhân gây vỡ đập: 77

Đề xuất giải pháp xử lý: 78

Thay đổi kết cấu cống dẫn dòng: 78

Sử dụng các giải pháp chống thấm để hạ chiều cao đường bão hòa trong thân đập: 78

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

Kết luận 81

Kiến nghị 82

Hướng nghiên cứu tiếp theo 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các trường hợp tính toán kiểm tra ổn định đập đất [17] 18

Bảng 2.2: Tổng hợp các thành phần đã biết trong việc xác định hệ số an toàn 24

Bảng 2.3: Bảng tổng hợp phương trình cân bằng tĩnh 32

Bảng 2.4: Bảng giả định các phương pháp cân bằng khác nhau của tưng phương pháp tính toán hệ số ổn định 32

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm kéo thép 53

Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm cường độ bêtông cống dẫn dòng 53

Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm các thống số đất tại hiện trường 56

Bảng 3.4: Các thông số mặt cắt đập 56

Bảng 3.5: Trị số gradient cho phép [J k ] cp ở đầu khối thân đập 57

Bảng 3.6: Trị số građient trung bình tới hạn [J k ] th ở các bộ phận chống thấm 57

Bảng 3.7: Hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất của mái đập [K cp ] 60

Bảng 3.8: Bảng tổng hợp các lực tác dụng lên cống 65

Bảng 3.9: Bảng tính toán thép (TH1) 66

Bảng 3.10: Áp lực đất lên đỉnh cống (TH2) 67

Bảng 3.11: Vị trí đường bão hòa 68

Bảng 3.12: Áp lực đất tại vị trí đỉnh cống và đáy cống (TH2) 71

Bảng 3.13: Áp lực đất tại vị trí đỉnh cống và đáy cống (tính từ kết quả xuất ra trong plaxis) 75

Bảng 3.14 : Tổng hợp các lực tính toán tác dụng lên 1m dài cống 75

Bảng 3.15: Bảng tính toán thép (TH2) 77

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Vỡ đập thủy lợi Khe Mơ (Hà Tĩnh) 15

Hình 1.2: Vỡ đập KE 2/20 REC (Hà Tĩnh) 16

Hình 2.1: Mặt cắt ngang một mái dốc 17

Hình 2.2: Lực tác dụng lên slice trong trường hợp mặt trượt tròn 22

Hình 2.3: Lực tác dụng lên slice trong trường hợp mặt trượt kết hợp 22

Hình 2.4: Mối quan hệ giữa  F 26

Hình 2.5: Các lực tác dụng vào slice 28

Hình 2.6: Các dạng hàm lực của slice 29

Hình 2.7: Hệ số an toàn theo phương pháp Morgenstern-Price 29

Hình 2.8: Hệ số an toàn theo phương pháp Spencer 30

Hình 2.9: Hệ số an toàn của Bishop’s, Janbu’s, Morgenstern-Price và Spencer 30

Hình 2.10: Độ dốc giả định theo phương pháp Corps and Engineers 1 31

Hình 2.11: Độ dốc giả định theo phương pháp Corps and Engineers 2 31

Hình 2.12: Biến dạng mẫu đất 34

Hình 2.12: Xác định E 0 & E 50 từ biểu đồ thí nghiệm nén 3 trục thoát nước 35

Hình 2.14: Ðồ thị thể hiện các thông số dẻo 36

Hình 2.15: Hình ảnh minh họa bản chất các thông số dẻo 36

Hình 2.16: Hình ảnh cơ học minh họa bản chất góc giãn nở và đồ thị quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 37

Hình 2.17: Mối quan hệ vi phân biến dạng cắt của phân tố đất 37

Hình 3.1: Tổng thể đập Iakrel 2 bị phá hoại 49

Hình 3.2 Mặt cắt ngang của đập dâng bị vỡ (mái thượng lưu chưa hoàn chỉnh lớp 50

gia cố bêtông và mái hạ lưu chưa trồng cỏ) 50

Hình 3.3 Tổn thất của cống dẫn dòng nhìn từ hạ lưu công trình 50

Hình 3.4 Một phần đoạn cống bị trôi về phía hạ lưu 51

Hình 3.5 Thép chịu lực của cống dẫn dòng (14 xen kẽ 12a200) 51

Hình 3.6 Thử cường độ bê tông tại hiện trường 52

Hình 3.7 Lấy mẫu thép tại hiện trường 52

Hình 3.8 Mô hình trong SEEP/W 58

Hình 3.9 Kết quả tính thấm (Pressure head) 58

Hình 3.10 Kết quả tính thấm (Total head) 59

Hình 3.8 Mô hình trong SEEP/W 59

Hình 3.9 Kết quả tính thấm (Pressure head) 60

Hình 3.10 Kết quả tính thấm (Total head) 60

Hình 3.11 Mô hình đập đất trong Slope/W (Chuyển từ mô hình Seep/W) 61

Hình 3.12 Kết quả tính ổn định đập đất (K=1.571) 61

Hình 3.13 Hệ số ổn định đập đất theo phương pháp Bishop 62

Hình 3.14 Mô hình đập đất trong Slope/W (Chuyển từ mô hình Seep/W) 62

Hình 3.15 Kết quả tính ổn định đập đất (K=2.655) 63

Hình 3.16 Hệ số ổn định đập đất theo phương pháp Bishop 63

Hình 3.17 Đường quan hệ K ~ H/B 64

Hình 3.18 Mô hình và tải trọng tác dụng lên cống 66

Hình 3.19 Biểu đồ moment và lực cắt tác dụng lên cống 66

Hình 3.19 Mô hình mô phỏng bài toán xác định áp lực thẳng đứng tác dụng lên đỉnh cống 68

Hình 3.20 Vận tốc đường thấm sau khi khi cửa cống dẫn dòng bị khóa lại và mực nước trước thân đập dâng lên (65% chiều cao đập) 69

Hình 3.21 Áp lực nước tác dụng lên đỉnh cống suốt chiều dài cống dẫn nước 69

Hình 3.22 Áp lực đất hữu hiệu tác dụng lên đỉnh cống suốt chiều dài cống dẫn nước 70

Hình 3.23 Tổng áp lực tác dụng lên đỉnh cống suốt chiều dài cống dẫn nước 70

Hình 3.24 Mô hình mô phỏng bài toán xác định áp lực ngang tác dụng lên đỉnh cống và đáy cống 71

Hình 3.25 Áp lực nước (cắt ngang tại vị trí đỉnh đập) 72

Hình 3.26 Áp lực nước tác dụng lên đỉnh và đáy cống suốt tại vị trí đỉnh đập 72

Hình 3.27 Ứng suất hữu hiệu tại vị trí đỉnh cống và đáy cống (cắt ngang tại vị trí đỉnh đập) 73

Hình 3.28 Ứng suất tổng tại vị trí đỉnh cống và đáy cống tại (cắt ngang tại vị trí đỉnh đập) 73

Hình 3.29 Áp lực nước tại vị trí mực nước dâng 73

Hình 3.30 Áp lực nước tác dụng lên đỉnh và đáy cống (cắt ngang tại vị trí mực nước dâng) 74

Hình 3.31 Ứng suất hữu hiệu tại vị trí đỉnh cống và đáy cống (cắt ngang tại vị trí mực nước dâng) 74

Hình 3.32 Ứng suất tổng tại vị trí đỉnh cống và đáy cống (cắt ngang tại vị trí mực nước dâng) 75

Hình 3.33 Mô hình và tải trọng tác dụng lên cống 76

Hình 3.34 Biểu đồ moment và lực cắt tác dụng lên cống 77

Hình 3.35 Sơ đồ thấm qua đập có tường nghiêng + sân phủ 79

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Thuật ngữ

Bộ NN&PTNN Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn

MNDBT Mực nước dâng bình thường

MNLTK Mực nước lũ thiết kế

MNLKT Mực nước lũ kiểm tra

MNDGC Mực nước dâng gia cường

MNTL Mực nước thượng lưu

MNHL Mực nước hạ lưu

PTHH Phần tử hữu hạn

GLE General Limit Equilibrium - Cân bằng giới hạn

tổng quát

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu Thứ nguyên Chú giải ký hiệu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có hệ thống công trình thủy lợi rất phong phú và đa dạng, trong đó các công trình đê, đập chiếm tỷ lệ lớn và phân bố không đồng đều theo vùng lãnh thổ Theo thống kê từ ban chỉ đạo Tây Nguyên (6/2013), hiện toàn vùng có 287 dự án thủy điện với tổng công suất hơn 6991MW Trong đó có 244 dự án thủy điện vừa và nhỏ Hiện còn có 163 dự án thủy điện đang trong quá trình đầu tư xây dựng

Giữa năm 2012, liên tiếp đập thủy điện xảy ra sự cố vỡ đập như: Thủy điện Đắk Rông 3 – Tỉnh Quảng Trị (10/2012), thủy điện Đắk Mek 3 – Tỉnh Kon Tum (11/2012), thủy điện Iakrel 2 – Tỉnh Gia Lai(6/2013), đến tháng 9/2013 Thủy điện Đắk Rông 3 – Tỉnh Quảng Trị lại bị thủng thân đập,… cuốn trôi sự bình yên của người dân sống quanh khu vực thủy điện Điều đáng lưu tâm là hầu hết những vụ vỡ đập đều rơi vào những công trình thủy điện vừa và nhỏ, công suất vài MW Phong trào nhà nhà, người người đua nhau làm thủy điện cũng như việc phê duyệt một số

dự án quá dễ dàng đã để lại hậu quả là nhiều công trình thủy điện vừa và nhỏ được thi công cẩu thả, chất lượng kém

Nguyên nhân các sự cố vỡ đập có thể xảy ra trong quá trình khảo sát thiết kế, thiết kế, thi công, giám sát thi công và nghiệm thu Biện pháp thi công và chất lượng thi công ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định của đập đất, chẳng hạn như: Thi công lớp gia cố kém chất lượng (Kích thước đá lát hoặc tấm bêtông nhỏ hơn thiết kế, chất lượng đá hoặc bêtông kém) gây sạt mái thượng lưu; việc lu lèn giữa phần giáp nối ở đất thân đập và ống dẫn dòng không kỹ, dẫn đến nước thấm sâu vào bên trong, chạy theo các khe ống dẫn dòng và gây xói lở; xử lý tiếp giáp nền và thân đập không tốt

do thi công không thực hiện tốt biện pháp xử lý gây thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập, vai đập; đất được đầm nén không đảm bảo độ chặt yêu cầu do: Lớp đất rải dày quá quy định, số lần đầm ít, nên đất sau khi đầm có độ chặt không đồng đều, phân lớp, trên mặt thì chặt phía dưới vẫn còn tơi xốp không đạt độ chặt quy định, hình thành từng lớp đất yếu nằm ngang trong suốt bề mặt thân đập, biện pháp xử lý khớp nối thi công do phân đoạn để đắp trong quá trình thi công không tốt, dẫn đến thấm

mạnh ở thân đập, gây xói lở; chặn dòng để thi công làm mực nước hồ chứa dâng cao đột ngột gây ra tải trọng trên mái thượng lưu tăng đột biến, gây nứt và vỡ đập Việc phân tích các nguyên nhân gây ra sự cố, sự ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định của đập đất nhằm đưa ra những khuyến cáo giúp cho nhà thầu, giám sát thi công có sự chú ý đúng mức trong thi công để đảm tính ổn định của kết cấu đập

2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung của luận văn tập trung vào các vấn đề trên, bao gồm các nhiệm vụ chủ yếu sau đây:

i) Nghiên cứu, thu thập tài liệu thí nghiệm, lựa chọn các chỉ tiêu thí

nghiệm dùng để tính toán thiết kế

ii) Phân tích ổn định thấm, ổn định mái dốc và ứng suất trong cống dẫn

dòng tại thời điểm vỡ đập IaKrel II để tìm ra nguyên nhân gây sự cố và biện pháp xử lý

iii) Rút ra kết luận và kiến nghị các biện pháp thi công hợp lý để tăng độ

ổn định cho đập đất

3 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:

i) Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết dòng thấm qua đập đất,

ổn định mái dốc, tải trọng tác dụng lên cống dẫn dòng

ii) Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích nguyên nhân gây vỡ đập thủy điện

IAKREL 2 – Tỉnh Gia lai do biện pháp thi công gây ra, từ đó rút ra bài học kinh nghiệm

iii) Nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Geoslope và Plaxis 2D

để mô phỏng tính toán và phân tích kết quả

4 Tính thực tiễn của đề tài

Với việc xác định ảnh hưởng của dòng thấm đến độ ổn định của đập, ổn định mái dốc và nội lực trong cống dẫn dòng theo từng giai đoạn thi công, đề tài đã đưa ra một

bài học kinh nghiệm về sự cố của đập đất liên quan đến việc mực nước dâng quá cao

và bất ngờ, làm tăng lưu lượng thấm và áp lực nước lỗ rỗng tác dụng lên cống dẫn dòng, gây vỡ đập Từ đó đưa ra các biện pháp thi công thích hợp

5 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu cho đập đất, không xét đến các cấu tạo đập khác như đập đá, đập dạng vòm, đập bê tông trọng lực

Đề tài chỉ xét các điều kiện tại thời điểm gây vỡ đập theo thực tế, chưa xét đến toàn bộ các trường hợp nguy hiểm có thể xảy ra

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP, TÌNH HÌNH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC

Tổng quan về tình hình xây dựng đập

Việt Nam có hệ thống công trình thủy lợi rất phong phú và đa dạng, trong đó các công trình đê, đập chiếm tỷ lệ lớn và phân bố không đồng đều theo vùng lãnh thổ Theo thống kê của Bộ trưởng Bộ NN&PTNN (11/2013), chúng ta đã xây dựng được trên 7000 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tích trữ nước hơn 11 tỷ m3 trong đó:

 Đập cao từ 50m trở lên: 35 Trong đó:

Các tỉnh đã xây dựng nhiều hồ chứa là:

ngăn sông tạo hồ, tuyệt đại đa số là đập đất chỉ có 04 hồ có đập bê tông là: Tân Giang (Ninh Thuận); Lòng Sông (Bình Thuận); Định Bình (Bình Định); Nước Trong (Quảng Ngãi) Nhận định chung:

+ Hơn một nửa trong tổng số hồ đã được xây dựng và đưa vào sử dụng trên 25

÷ 30 năm nhiều hồ đã bị xuống cấp

+ Những hồ có dung tích từ 1 triệu m3 nước trở lên đều được thiết kế và thi công bằng những lực lượng chuyên nghiệp trong đó những hồ có dung tích từ 10 triệu

m3 trở lên phần lớn do Bộ Thủy lợi (trước đây) và Bộ NN&PTNT hiện nay quản lý vốn, kỹ thuật thiết kế và thi công

+ Các hồ có dung tích từ 1 triệu ÷ 10 triệu m3 nước phần lớn là do UBNN tỉnh quản lý vốn, kỹ thuật thiết kế thi công

+Các hồ nhỏ phần lớn do huyện, xã, HTX, nông trường tự bỏ vốn xây dựng và quản lý kỹ thuật

+ Những hồ tương đối lớn được đầu tư tiền vốn và kỹ thuật tương đối đầy đủ thì chất lượng xây dựng đập đạt được yêu cầu Còn những hồ nhỏ do thiếu tài liệu cơ bản như: Địa hình, địa chất, thủy văn, thiết bị thi công, lực lượng kỹ thuật và nhất là đầu tư kinh phí không đủ nên chất lượng đập chưa tốt, mức độ an toàn rất thấp

Phân loại đất đắp đập [2]

Loại đất thuận lợi

- Đất Aluvi cổ: Có thể sử dụng làm vật liệu đắp đập tốt, nhưng dọc theo thung lũng sông ở Tây Nguyên và Nam Trung Bộ loại trầm tích này nằm khá sâu, khó khai thác nên trữ lượng dùng để đắp đập không lớn

- Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền Bazan cổ: Loại đất này có nhiều ở vùng Tây Nguyên và Nam Trung Bộ Loại đất này có sức chống cắt khá cao, hầu như không thuộc loại đất trương nở, tính chống thấm tương đối tốt, dung trọng khô nhỏ

- Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền đá xâm nhập sâu (granite, granodiorit,…): Loại đất này tùy thuộc vào thành phần khoáng vật của đá gốc và điều kiện phong hóa

mà có sức chống cắt cũng như khả năng thấm nước thay đổi nhiều

Loại đất không thuận lợi

- Đất Aluvi trẻ dọc theo thung lũng sông, suối: Đây là loại đất yếu, độ ẩm tự nhiên trong đất khá lớn, thường phần lớn ở trạng thái nhão, đôi khi phải bóc bỏ để xử lý nền đập

- Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền đá bazan trẻ: Dung trọng khô thấp, tính thấm nước cao, chiều dày mỏng và thường lẫn với các tảng đá Loại đất này không hiệu quả cho việc đắp đập

Một số tính chất của đất đắp đập khi thấm nước [2]

Tính lún ướt của đất là tính chất mà khi khối đất bị ướt thì độ lún của đất tăng lên

so với ban đầu dù tải trọng tác dụng không thay đổi

Khi bị ướt thì trọng lượng nước tự do trong đất tăng lên, các phần tử nước lưỡng cực và các ion dương có điều kiện tích tụ xung quanh hạt đất mang sẵn điện tích âm, lớp nước màng mỏng bao quanh hạt đấy dày lên, lực hút giữa các hạt giảm, các hạt đất sẽ trơn hơn, ma sát giữa chúng giảm, sức chống cắt giảm và do đó đất sẽ bị lún nhiều hơn so với mẫu đất không bị ướt khi xét cùng điều kiện nén lún

Tính lún ướt của đất phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Độ bão hòa của đất: Độ bão hòa càng nhở thì tính lún ướt của đất càng lớn + Độ chặt ban đầu của đất: Các mẫu đất có dung trọng khô lớn nhất và có độ

ẩm tối ưu thì độ lún ướt không xảy ra khi đầm nén

Tính trương nở

Tính lún trương nở của đất là tính chất khi đất bị ướt thì thể tích của đất tăng lên

Vì khi bị ướt, lớp nước màng mỏng bao quanh hạt đất dày lên, kết hợp với sự đẩy xa hơn của các hạt mang điện tích cùng dấu âm, làm thể tích khối đất tăng lên

Tính trương nở phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Thành phần khoáng vật: Các thành phần khoáng vật ảnh hưởng đến sự trương

nở của đất là Kalionite, Illite và Montmorllonite

+ Kết cấu của đất: Đất có kết cấu tự nhiên lúc nào cũng có hệ số trương nở nhỏ hơn so với đất đã bị phá hủy và chế bị lại

+ Độ ẩm ban đầu: Độ ẩm ban đầu của đất lơn hơn độ ẩm giới hạn dẻo thì hiện tượng trương nở không xảy ra

+ Độ chặt, áp lực nén và áp lực trương nở: Dung trọng khô của mẫu đất càng lớn thì hệ số trương nở càng lớn

Tính co ngót

Tính co ngót của đất là tính chất mà khi đất bị khô, độ ẩm giảm thì thể tích mẫu đất giảm nhỏ đi Nguyên nhân là do nước trong đất bị bốc hơi, các hạt sét bị co cụm lại dưới tác dụng của sức căng bề mặt Tại các điểm xung yếu, khi sức căng bề mặt nhỏ hơn sức kéo các khối đất do co ngót thì vết nứt bề mặt xuất hiện

Tính xói rữa

Tính xói rữa của đất là tính chất các hạt đất hoặc nhóm hát đất bị tách rời ra khỏi

bề mặt khi có dòng nước chuyển động tác dụng lên mặt đất

Tính xói rữa của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố có quan hệ lẫn nhau mà chủ yếu

là thành phần và đặc tính của các liên kết kiến trúc trong đất

Sự xói rữa của các loại đất dính có tính tan rã phụ thuộc rất nhiều vào tính tan rã của bản thanh loại đất đó Tính tan rã và xói rữa của đất sét có quan hệ tương đối chặt chẽ với nhau Tính tan rã nhanh sẽ có tính xói rữa cao, tuy nhiên có 1 số trường hợp không tăng theo quy luật này

Tính xói rửa của đất dính phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm ban đầu của nó trước khi chịu lực tác dụng của dòng chảy

Trong đập đất, hiện tượng xói rữa xảy ra trên bề mặt và mái dốc của đập vào cuối mùa khô và đầu mùa mưa, hoặc tại những vị trí tiếp giáp giữa khối đất đắp và công

trình bê tông Nếu bề mặt mái đập không được bảo vệ tốt thì sự xói rửa bề mặt tạo thành mương xói, dẫn đếm sự mất ổn định của đập đất

Đặc điểm làm việc của đập và tài liệu cần xem xét khi đánh giá an toàn đập Đặc điểm làm việc của đập

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

+ Đập đất là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các

hồ chứa hoặc cùng với các loại đập khác tham gia nhiệm vụ dâng nước trong hệ thống thủy lợi

+ Có khối lượng lớn và chịu tác dụng của ngoại lực khá phức tạp, nên thân đập cần đảm bảo điều kiện chịu lực Đặc biệt phải đảm bảo điều kiện ổn định chống trượt của hai mái dốc và nền trong giai đoạn làm việc và ngay cả trong giai đoạn thi công + Gió tạo sóng trong hồ, tác động lên mái đập phụ thuộc vào độ rộng của bề mặt lòng hồ, mưa gây sạt lở làm giảm khả năng ổn định của công trình Vì vậy đối với đập đất mái đập thường có các biện pháp gia cố để bảo vệ mái

+ Đập đất phải được đảm bảo điều kiện ổn định trong nền đập, thân đập, hai vai đập vùng bờ tiếp giáp và mang các công trình đặt trong đập để không gây ra thấm vượt quá lưu lượng và vận tốc cho phép, gây xói ngầm, bóc cuốn trôi vật liệu uy hiếp tính bền vững và tuổi thọ công trình

+ Theo thời gian đập còn bị lún xuống do tác dụng của tải trọng bản thân đập

và do quá trình cố kết thấm

Các tài liệu quan trọng cần xem xét khi đánh giá an toàn của đập

Khi đánh giá mức độ an toàn của một đập, cần xem xét các tài liệu quan trọng sau:

+ Tài liệu về thủy văn công trình: Lưu lượng lũ, tổng lượng lũ, các dạng lũ bất lợi, gió bão

+ Địa chất nền đập

+ Biện pháp xử lý nền

+ Đất đắp đập

+ Tiếp giáp thân đập và các công trình xây đúc

+ Tiếp giáp đập với nền và các vai đập

+ Các khớp nối thi công

Tổng quan về sự cố và nguyên nhân gây sự cố

Tổng quan về sự cố đập đất

Những đặc điểm làm việc của đập đất như đã nêu trên có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của đập đất, vì thế nếu để xảy ra kém chất lượng ở bất kỳ khâu nào, trong thời gian nào cũng có thể dẫn tới sự cố lớn hoặc nhỏ Vì vậy sự cố của đập đất có quan hệ mật thiết với những đặc điểm đã nêu trên

Sự cố của đập đất có những đặc điểm:

+ Do một hoặc nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó có khảo sát (địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, thủy văn công trình), thiết kế (thủy công, cơ khí, điện), thi công và quản lý khai thác Tuy nhiên thực tế nguyên nhân phổ biến là: Khảo sát, thiết kế, thi công

+ Sự cố lớn thường xảy ra đối với các công trình đầu mối trong đó có đập đất + Sự cố xảy ra không chỉ ngay sau khi hoàn thành công trình mà thường là sau nhiều năm Tuy nhiên sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra khi gặp lũ cực lớn và trong quá trình thi công

+ Những sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra rất đột ngột, trong một thời gian rất ngắn, không kịp ứng phó (Do mưa to kéo dài, nước hồ dâng lên nhanh đột ngột, xuất hiện nhiều lỗ rò rỉ, thấm mạnh qua thân đập; mực nước hồ rút nhanh gây mất ổn định đập đất;….)

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

ra tổn thất lớn về tính mạng, tài sản của nhân dân và tài sản quốc gia

Nguyên nhân gây sự cố đập đất

Đập đất là hạng mục quan trọng nhất đối với đầu mối công trình thủy lợi Sự cố

về đập đất rất nghiêm trọng và không lường hết được hậu quả Những sự cố của đập đất thường do nhiều nguyên nhân được liệt kê dưới đây Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả chỉ đi sâu vào các nguyên nhân do mất ổn định nền và thấm

Các nguyên nhân mất ổn định do dòng thấm

a) Thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Đánh giá sai tình hình địa chất nền, để sót lớp thấm mạnh không được xử lý + Biện pháp thiết kế xử lý nền không đảm bảo chất lượng

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

+ Xử lý tiếp giáp nền và thân đập không tốt do thiết kế không đề ra biện pháp

xử lý hoặc do khi thi công không thực hiện tốt biện pháp xử lý

b) Thấm mạnh hoặc sủi nước ở vai đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Thiết kế không đề ra biện pháp xử lý hoặc do biện pháp xử lý đề ra không tốt + Không bóc hết lớp tầng phủ ở các vai đập

+ Đầm đất trên đoạn tiếp giáp ở các vai đập không tốt

+ Thi công biện pháp xử lý tiếp giáp không tốt

c) Thấm mạnh hoặc sủi nước ở mang công trình

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Thiết kế không đề ra biện pháp xử lý hoặc do biện pháp xử lý đề ra không tốt + Đắp đất ở mang công trình không đảm bảo chất lượng: Chất lượng đất đắp không được lựa chọn kỹ, không dọn vệ sinh sạch sẽ để vứt bỏ các tạp chất trước khi đắp, đầm nện không kỹ

+ Thực hiện biện pháp xử lý không đảm bảo chất lượng

+ Hỏng khớp nối công trình

+ Cống bị thủng

d) Thấm mạnh hoặc sủi nước ở thân đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Bản thân đất đắp đập có chất lượng không tốt: Hàm lượng cát, bụi, dăm sạn nhiều, hàm lượng sét ít, đất bị tan rã mạnh

+ Kết quả khảo sát sai với thực tế, khối lượng khảo sát không đủ, không thí nghiệm đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý lực học cần thiết, từ đó đánh giá sai chất lượng đất đắp

+ Hệ số đầm chặt không đảm bảo yêu cầu thiết kế, nên đất sau khi đầm vẫn tơi xốp, bở rời

+ Không có biện pháp thích hợp để xử lý độ ẩm, do đó độ ẩm của đất không đều, chỗ khô chỗ ẩm, làm cho đất sau khi đắp có chỗ chặt có chỗ vẫn còn rời rạc, tơi xốp

+ Đất được đầm nện không đảm bảo độ chặt yêu cầu do: lớp đất rải dày quá quy định, số lần đầm ít, nên đất sau khi đầm có độ chặt không đồng đều, phân lớp, trên mặt thì chặt phía dưới vẫn còn tơi xốp không đạt độ chặt quy định, hình thành từng lớp đất yếu nằm ngang trong suốt bề mặt đầm

+ Thiết kế và thi công không có biện pháp xử lý khớp nối thi công do phân đoạn để đắp trong quá trình thi công

+ Thiết bị tiêu nước bị tắc (Rãnh tiêu nước; đống đá tiêu nước sau đập; ống tiêu nước và dải tiêu nước trong thân đập; giếng tiêu nước và hào tiêu nước;….)

Các nguyên nhân do mất ổn định nền

a) Nứt dọc nền đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

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

+ Nước hồ chứa rút xuống đột ngột gây ra giảm tải đột biến trên mái thượng lưu

+ Nền đập bị lún trên chiều dài dọc tim đập

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

+ Nứt nẻ sâu mặt đập hoặc mái đập

+ Do đất đắp đập thuộc loại trương nở tự do mạnh

b) Nứt ngang đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

c) Sạt mái thượng lưu đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Tính sai cấp bão

+ Biện pháp thiết kế gia cố mái không đủ sức chịu đựng sóng do bão gây ra + Thi công lớp gia cố kém chất lượng: kích thước đá lát hoặc tấm bêtông nhỏ hơn thiết kế; Chất lượng đá hoặc bêtông kém; Đá lát đặt nằm, không chèn chặt các hòn đá

+ Đất mái đập thượng lưu đầm không chặt hoặc không xén mái

d) Trượt sâu mái đập thượng lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

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

+ Nước hồ chứa rút đột ngột ngoài dự kiến thiết kế

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

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

+ Thiết kế chọn sai sơ đồ tính toán ổn định

+ Chất lượng thi công không đảm bảo yêu cầu thiết kế

+ Địa chất nền đập xấu không được xử lý

e) Trượt sâu mái đập hạ lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

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

+ Sức bền của đất đắp đập kém hơn dự kiến của thiết kế do đánh giá sai chỉ tiêu

về chất lượng đất đắp đập

+ Nền đập bị thoái hoá sau khi xây dựng nhưng khi khảo sát và thiết kế đã không

dự kiến được

+ Thiết kế chọn sai tổ hợp tải trọng

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

+ Chất lượng thi công không đảm bảo

+ Thiết bị tiêu nước bị tắc làm dâng cao đường bão hoà

+ Tiêu thoát nước mưa trên mặt hạ lưu không tốt, khi mưa kéo dài toàn thân đập

bị bão hoà nước ngoài dự kiến của thiết kế

Lũ tràn qua đỉnh đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Tính toán thuỷ văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ; Tổng lưu lượng lũ nhỏ hơn thực tế; Các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; Lập đường cong dung tích hồ W= f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả của đập tràn Q= f(H) sai lệch thực tế

+ Cửa tràn bị kẹt

+ Lũ vượt tần suất thiết kế, không có tràn xả lũ dự phòng

+ Đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế

Một số sự cố về đập đất trên thế giới

Trong lịch sử xây dựng công trình đập, đập đất là một loại cổ xưa nhất, số lượng xây nhiều nhất Theo tài liệu ghi nhận lại thì đập đất xây dựng sớm nhất là đập Morris

ở Ai Cập xây dựng cách đây 5.000 năm dung tích hồ chưa có khoảng 12 tỷ m3

Về nguyên nhân sự cố đập đất thì có nhiều, trong đó có những nguyên nhân như sau: Vật liệu đất đắp đập không tốt; Khảo sát vật liệu không đúng với thực tế; Thí nghiệm sai các chỉ tiêu cơ lý của đất; Không có biện pháp xử lý thích hợp đối với độ

ẩm của đất; Thi công đầm nén không đảm bảo kỹ thuật; Thiết bị tiêu nước qua thân đập không làm việc, đã được các nhà thiết kế và thi công đặc biệt chú trọng

Nguyên nhân hư hỏng đập đất Chalm ở Pháp

Theo [8], đập đất Chalm xây dựng năm 1905, cao 26m, đáy rộng 64.19m, đỉnh rộng 5.45m, dài 523.5m

Đất sét trong đập đắp thành từng lớp dày, trong đất xen lẫn cát thô 5% Hàm lượng đất sét trong thân đập không tới 60% Vật liệu đắp đập được đầm bằng cơ giới Mái thượng lưu có bố trí cơ đập, mái dốc phần trên là 1:1 và phần dưới là 1:1.5 Mái thượng lưu có phủ tường nghiêng bằng tấm bê tông lớn dày 0.2m Mái hạ lưu là một đường cong lõm hơi hướng vào giữa, có độ dốc gần như nhau

Ngày 20/10/1909 tức 4 năm sau khi xây dựng xong đập, tường nghiêng bắt đầu

hư hỏng, mái thượng lưu bị trượt mái

Nguyên nhân hư hỏng là do nước trong các khe hở của mặt bảo vệ bằng bê tông thấm vào trong đập, dần dần làm cho đất sét ẩm ướt bão hòa, và làm cho đất sét từ mặt thượng lưu trở nên dần dần trở thành trạng thái lỏng, do đó hình thành mặt trượt, làm cho mái thượng lưu mất ổn định rất nhanh

Nguyên nhân hư hỏng đập đất Horse Creek ở Mỹ

Theo [8], đập đất Horse Creek ở Mỹ xây dựng năm 1912 Đập này ở bang Colorado cách thành phố Danfi khoảng 48hm Đập dài 2012m, chiều cao lớn nhất của đập là 19.8m, đỉnh rộng 4.9m, mái thượng lưu có mặt bằng bảo vệ bằng tường nghiêng bê tông, độ dốc mái là 1:1.5; phần còn lại là 1:2.5 Khối lượng đất thân đập khoảng 545,000m3 Trong đập không có tường tâm Dung tích hồ chứa khoảng 21 triệu m3, dung tích có ích là 18 triệu m3

Vật liệu đắp nền đập là 1 loại đất pha cát có ngậm rất nhiều đất sét, hố khoan chứng tỏ chiều dày lớp phủ khoảng 4.5 ÷ 5.5m, dưới là đá do diệp thạch và sa thạch cấu tạo thành

Nguyên nhân hư hỏng đập này là:

+ Thân đập và nền có tính thấm nước tương đối lớn Do đá nền ở vị trí đập bị hỏng gần mặt đất hơn so với nơi khác, nâng cao thêm đường bão hòa trong đập, do

đó làm cho đất đắp của bộ phận chân đập hạ lưu bị bão hòa Từ đó gây nên mạch sủi

và phá hỏng ống thoát nước

+ Do thiết kế cẩu thả, chất lượng thi công không đúng tiêu chuẩn, như chất lượng tấm bê tông ở thượng lưu đập kém, tác dụng ngăn nước nhỏ Đất đắp cũng chưa đầm nền thật tốt, nhất là đầm nền ở gàn đường ống, do đó đã hình thành dòng

thấm men theo đường ống

đã được nhiều phương thiện thông tin đại chúng đưa tin Nguyên nhân chủ yếu là do tài liệu khảo sát sai, công tác thiết kế chon sai sơ đồ tính toán ổn định, tổ hợp tải trọng,…

Nguyên nhân hư hỏng đập thủy lợi Khe Mơ – Hà Tĩnh

Đập Khe Mơ được xây dựng trên con suối cùng tên tại xóm 1, xã Sơn Hàm, huyện Hương Sơn, tỉnh Hà Tĩnh là loại đập đất nhỏ tạo hồ chứa gần 1 triệu m3 để cấp nước sinh hoạt và tưới tại chỗ Đập đang được sửa chữa thì lũ lớn đổ về tràn qua đập Đập

bị vỡ vào lúc 7h sáng 16/10/2010

Nguyên nhân: Hiện tượng thấm xuất hiện ngay từ những năm đầu tích nước do

không dọn sạch rễ cây ở nền đập Đã tiến hãnh sửa chữa vào các năm 2002 và 2008 Sửa mái thượng lưu từ tháng 9/2010, chưa xong trước khi vỡ đập

Hình 1.1: Vỡ đập thủy lợi Khe Mơ (Hà Tĩnh)

Nguyên nhân hư hỏng đập thủy lợi KE 2/20 REC – Hà Tĩnh [12]

Hồ chứa KE 2/20 REC được xây dựng tại huyện Hương Khê - Hà Tĩnh, được đưa vào sử dụng từ năm 2008 Thành phần công trình gồm 1 đập đất cao 12,5m; một đường tràn tự do rộng 11,2m và một cống lấy nước dưới đập, loại cống tròn bằng BTCT (ống cống đúc sẵn) có D =0,6m, van điều khiển phía thượng lưu Đây là một công trình loại nhỏ do địa phương (xã) quản lý

Sự cố xảy ra vào hồi 4h00 ngày 05 tháng 06 năm 2009: đập bị vỡ tại vị trí cống lấy nước; thân cống bị gãy ngang và bị nước cuốn trôi về hạ lưu; nền cống bị xói sâu

có chỗ đến 3m

Nguyên nhân: Theo hướng dọc thân cống làm xói sâu nền cống từ vị trí cống

gãy xuống đến hạ lưu Phần cống còn lại có xu thế nghiêng về phía bờ trái do xói biên trái diễn ra mạnh hơn biên phải cống, ngoài ra do thấm mạnh trong lớp đá nền, dòng thấm từ bờ trái tuôn ra thúc ngang vào sườn cống

Hình 1.2: Vỡ đập KE 2/20 REC (Hà Tĩnh)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết tính toán ổn định mái dốc

Mở đầu

Mái dốc là khối đất có mặt giới hạn là mặt dốc (hình 1) Mái dốc được hình thành hoặc do tác nhân tự nhiên (sườn núi, bờ sông v.v ) hoặc do tác động nhân tạo (ví dụ : taluy nền đường đào, nền đắp, hố móng, thân đập đất, đê )

Hình 2.1: Mặt cắt ngang một mái dốc

Tất cả các mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại Đối với nền đường đào là do khi chọn kích thước, hình dạng của mái dốc chưa hợp lý Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực

Như chúng ta đã biết mái dốc càng thoải thì độ ổn định sẽ càng cao, nhưng khối lượng công tác đất, diện tích chiếm dụng sẽ càng lớn, điều này sẽ dẫn đến trái với quan điểm kinh tế hiện nay Vì vậy, mục tiêu cuối cùng của việc tính toán ổn định mái dốc là xác định được độ dốc mái taluy thoã mãn yêu cầu kinh tế và kỹ thuật Đập đất là một loại công trình dâng nước trọng lực làm bằng vật liệu địa phương

có khối lượng lớn, cho nên không có khả năng mất ổn định về lật đổ như các loại công trình trọng lực bằng bê tông khác

Đối với đập đất, vấn đế mất ổn định thường chỉ xảy ra dưới dạng trượt mái dốc thượng và hạ lưu khi việc lựa chọn kích thước mặt cắt đập chưa thật hợp lý

Tính chất cơ lý của vật liệu làm thân đập là những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến tính ổn định của mái dốc đập Tuy nhiên, đó không phải là nguyên nhân duy nhất mà

độ ổn định của đập còn phụ thuộc vào các ngoại lực tác dụng khác như áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm, lực động đất, áp lực lỗ rỗng xuất hiện trong qúa trình cố kết… Do

đó khi tính toán ổn định của đập đất cần xét đến đầy đủ các nội, ngoại lực tác dụng lên mái dốc đập

Chúng ta đã biết, đối với những mái dốc có hệ số dốc càng lớn (mái thoải) thì độ

ổn định càng cao nhưng trong trường hợp này khối lượng vật liệu làm thân đập cũng càng lớn cho nên điều này trái với quan điểm kinh tế Vì vậy, mục đích của việc tính toán là xác định được một cách hợp lý nhất mặt cắt đập sao cho bảo đảm ổn định trong mọi điều kiện và rẻ tiền nhất

Theo TCVN [17], đập đất chịu các tải trọng khác nhau, và đất đắp trong thân đập cũng có cường độ chống cắt khác nhau trong các thời kỳ làm việc khác nhau từ giai đoạn thi công, thi công xong, tích nước đến xả lũ, do đó cần tính toán ổn định mái dốc đập trong từng thời kỳ đó:

a) Thời kỳ thi công: Khi công trình đã xây dựng xong và thượng lưu có chứa

nước Kiểm tra cho cả mái thượng lưu và hạ lưu

b) Thời kỳ thấm ổn định: Khi công trình đã xây dựng xong và nước trước

đập đã dâng lên một mức nào đó Kiểm tra cho cả mái thượng lưu và hạ lưu

c) Trường hợp khai thác :

+ Khi ở thượng lưu có mức nước cao nhất và hạ lưu có mức nước ứng với lưu lượng tháo lũ tương ứng với mức nước cao nhất ở thượng lưu

+ Khi mức nước thượng lưu hạ thấp đột ngột

Bảng 2.1: Các trường hợp tính toán kiểm tra ổn định đập đất [17]

Đặc biệt

Thượng lưu,

hạ lưu

đắp hoàn thành đập nhưng chưa đưa vào khai thác và chế

độ mực nước bất lợi, tương ứng tiến hành kiểm tra ổn định mái thượng lưu

Cơ

3

Ở thượng lưu là MNLNTK, ở hạ lưu là mực nước ứng với Qxả thiết kế

Cơ

4

Ở thượng lưu là MNLNKT, ở hạ lưu là mực nước ứng với Qxả kiểm tra

Đặc biệt Hạ lưu

6

Mực nước rút

Ở thượng lưu là MNLNTK rút xuống đến mực nước khai thác ổn định phải giữ trong thiết kế Mực nước

ở hạ lưu là mực nước ứng với

Qxả thiết kế

Cơ bản Thượng lưu

MNLNKT rút xuống đến mực

Đặc biệt Thượng lưu

nước khai thác ổn định phải giữ trong thiết kế Mực nước

ở hạ lưu là mực nước ứng với

Qxả kiểm tra

8

Ở thượng lưu là MNDBT rút xuống đến mực nước đảm bảo an toàn cho đập khi có nguy cơ sự cố, mực nước ở hạ lưu tương ứng với Qxả max khi tháo nước từ hố

Đặc biệt Thượng lưu

Thượng lưu,

hạ lưu

Theo [22], trường hợp nguy hiểm nhất đối với mái dốc thượng lưu là khi mức nước trước đập chỉ dâng cao ở một mức lưng chừng nào đó và khi mức nước trước đập hạ xuống đột ngột Kinh nghiệm thiết kế đập đất của nhiều nước trên thế giới cho biết đối với mái dốc thượng lưu hệ số ổn định nhỏ nhất là trường hợp chiều sâu nước trước đập chỉ bằng chừng 1/3 - 1/2 chiều cao đập Do đó khi tính toán ổn định mái dốc thượng lưu cần lưu ý đến trường hợp này

Đối với mái dốc hạ lưu trường hợp bất lợi nhất về mặt ổn định là khi mức nước thượng lưu cao nhất cho nên nhất thiết phải tính toán hoặc kiểm tra lại với trường hợp này khi thiết kế

Đối với những đập (thân đập, hoặc lõi giữa, tường nghiêng ) làm bằng vật liệu hạt bé thì trong qúa trình cố kết có thể gây nên mất ổn định cho cả hai mái dốc thượng

hạ lưu (do xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng)

Để đánh giá ổn định của mái dốc, ta dùng Phương pháp theo lý thuyết cân bằng

giới hạn của khối đất trượt [13] (giả thiết trước hình dạng của mặt trượt): Đặc điểm

của nhóm phương pháp dùng mặt trượt giả định là không căn cứ trực tiếp vào tình

hình cụ thể của tải trọng và tính chất cơ lý của đất đắp để quy định mặt trượt cho mái dốc, mà xuất phát từ kết quả quan trắc lâu dài các mặt trượt của mái dốc trong thực

tế để đưa ra giả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt rồi từ đó nêu lên phương pháp tính toán, đồng thời xem khối trượt như là một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn

Phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt [1;5;13]

Các giả thuyết tính toán

Để lập phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt các tác giả như K.E.Pettecxơn, W Fellenius, Bishop, Sokolovski, K Terzaghi đều dựa vào công thức nổi tiếng của A.C Coulomb ( Định luật Mohr - Coulomb) để xác định ứng suất cắt tới hạn (sức chống cắt của đất):

c' - Lực dính đơn vị của đất ở trạng thái giới hạn

' - Góc ma sát trong của đất ứng với trạng thái giới hạn của đất

u - Áp lực nước lỗ rỗng

Khi tính toán độ ổn định, mặt trượt giả định trước có thể là tròn, hỗn hợp (tổ hợp các cung trượt tròn và thẳng) hoặc hình dạng bất kỳ được xác định bởi hàng loạt những đường thẳng Chia khối đất trượt ra thành nhiều cột thẳng đứng, mỗi cột đất được giới hạn bởi hai mặt phẳng thẳng đứng và được xem như một vật rắn nguyên khối tựa lên trên cung trượt Có nhiều phương pháp tính toán như Ordinary, Fellenius, Bishop, Janbu, Spencer, Morgenstern – Price, Corps of Engineers – 1, Corps of Engineers – 2, Lowe-Karafiath, Janbu Generalized, Sarma – vertical slices Điểm

khác nhau cơ bản giữa các phương pháp của các tác giả nêu trên chính là việc giả thiết phương, vị trí tác dụng và giá trị của các lực tác dụng tương hỗ giữa các slice bao gồm lực cắt và lực xô ngang giữa các mảnh, phương trình cân bằng lực hay moment

Phương trình cân bằng giới hạn được xác định dựa trên các giả thiết :

+ Đất được xem như vật liệu tuân theo định luật Mohr - Coulomb

+ Hệ số ổn định (hệ số an toàn) như nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt + Trạng thái cân bằng chỉ xảy ra trên mặt trượt

Hình 2.2: Lực tác dụng lên slice trong trường hợp mặt trượt tròn

Hình 2.3: Lực tác dụng lên slice trong trường hợp mặt trượt kết hợp

Trong đó:

W - Trọng lượng của slice với bề rộng b và chiều cao trung bình h

N - Tổng lực pháp tuyến tại đáy mặt trượt của phân tố đất

S - Lực cắt di chuyển (lực cắt hoạt động) tại đáy mặt trượt của phân tố đất, hoặc

là Sm khi mặt trượt có hình dạng bất kỳ

EL, ER - Lực pháp tuyến bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất

XL, XR - Lực cắt bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất

f - khoảng cách từ tâm quay đến phương của lực pháp tuyến N

x - Khoảng cách theo phương ngang từ đường trọng tâm của mỗi phân tố đất đến tâm cung trượt tròn hay tâm mômen (khi cung trượt có hình dạng bất kỳ )

e - Khoảng cách theo phương đứng từ tâm của mỗi phân tố đất đến tâm cung trượt tròn hay tâm mômen (khi cung trượt có hình dạng bất kỳ )

d - Khoảng cách vuông góc từ đường tác dụng của tải trọng ngoài đến tâm cung trượt tròn hay tâm mômen

h - Chiều cao trung bình của mỗi phân tố đất

b - Chiều rộng theo phương ngang của mỗi phân tố đất

 - Chiều dài đáy mặt trượt

a - Khoảng cách từ hợp lực nước bên ngoài (nước ngập hai bên taluy) tới

tâm quay hay tâm mômen

AL, AR - Hợp lực tác dụng của nước

- góc nghiêng của đường tải trọng ngoài so với phương ngang

α - Góc hợp giữa tiếp tuyến tại đáy mỗi mặt trượt với phương nằm ngang

Hệ số ổn định của mái dốc có thể được xác định từ điều kiện cân bằng

mômen hoặc cân bằng lực hoặc điều kiện cân bằng giới hạn tổng quát

Độ lớn của lực tiếp tuyến thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn là:

lực pháp tuyến tại đáy cột đất, N

2 Tổng các lực theo hướng nằm ngang đối với mỗi cột đất dùng để tính toán lực pháp tuyến giữa các cột đất, E Công thức áp dụng thống nhất cho toàn khối trượt (tức là: Từ trái qua phải)

3 Tổng mômen đối với tâm trượt Công thức dùng trong việc xác định hệ số an toàn cân bằng mômen

4 Tổng các lực theo hướng nằm ngang đối với tất cả các cột đất, dùng để xác định hệ số an toàn cân bằng lực

Vấn đề vẫn chưa trở nên xác định, cần giả thiết thêm về hướng của lực giữa các cột đất Hướng được giả thiết để mô tả hàm lực giữa các cột đất Đến đây, hệ số an toàn có thể được tính toán dựa trên cân bằng mô men và cân bằng lực Hệ số an toàn

có thể khác nhau phụ thuộc vào tỉ lệ % của hàm lực dùng trong tính toán Hệ số an toàn thoả mãn cả hai diều kiện cân bằng mômen và cân bằng lực gọi là hệ số an toàn của phương pháp GLE (cân bằng giới hạn tổng quát – General Limit Equilibrium)

Sử dụng cùng một cách tiếp cận vấn đề như phương pháp GLE, có thể chỉ cần thoả mãn một trong các điều kiện cân bằng mômen hoặc cân bằng lực, khi đó ta có các phương pháp khác nhau từ các tác giả

2.1.2.2.1 Phương trình cân bằng mômen

Điều kiện cân bằng giới hạn về mômen là tổng mômen của các lực đối với tâm trượt phải bằng 0 hay nói cách khác là hệ số ổn định mômen là tỷ số giữa tổng mômen chống trượt và tổng mômen gây trượt: