Nghiên cứu kích thước lõi chống thấm hợp lý cho đập vật liệu địa phương

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đập vật liệu địa phương VLĐP thường được ưu tiên lựa chọn là do loại đập này phù hợp với các loại địa chất nền mà loại đập khác không xây dựng được , khả năng

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài:

“Nghiên cứu kích thước lõi chống thấm hợp lý cho đập vật liệu địa phương” đã

được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của các Thầy giáo, Cô giáo trong Khoa

Công trình, Khoa Sau đại học, Bộ môn thủy công Trường đại học Thủy lợi cùng các

bạn bè và đồng nghiệp

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trịnh Minh Thụ, người đã

dành nhiều tâm huyết, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tác giả trong quá trình thực

hiện luận văn

Với tình cảm chân thành , tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Kỹ thuật tài

nguyên nước, các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước đã tạo

điều kiện cho tác giả về thời gian trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

tốt nghiệp

Sau cùng, tác giả xin cảm ơn Gia đình, Bạn bè & Đồng nghiệp đã đã có những

đóng góp quý báu, động viên về vật chất và tinh thần để tác giả hoàn thành luận văn

này

Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do thời gian và trình độ còn nhiều

hạn chế, vì vậy cuốn luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót Tác giả kính mong

Thầy giáo, Cô giáo, Bạn bè & Đồng nghiệp góp ý để tác giả có thể tiếp tục học tập

và nghiên cứu hoàn thiện đề tài

MỤC LỤC

1T

LỜI CẢM ƠN1T 1 1T

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU1T 6 1T

CÁC KÝ HIỆU1T 9 1T

1.1.TÍNHCẤPTHIẾTCỦAĐỀTÀI1T 10 1T

1.2.MỤCĐÍCHVÀPHẠMVINGHIÊNCỨUCỦAĐỀTÀI1T 10 1T

1.2.1 Mục đích của đề tài1T 10 1T

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài1T 11 1T

1.3.CÁCHTIẾPCẬNVÀPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU1T 11 1T

1.4.BỐCỤCCỦALUẬNVĂN1T 11 1T

CHƯƠNG 11T 12 1T

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM VÀ CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG THẤM.1T 12 1T

1.1.TỔNGQUANVỀTÌNHHÌNHXÂYDỰNGĐẬPVẬTLIỆUĐỊAPHƯƠNG

ỞVIỆTNAM1T 12 1T

1.2.CẤUTẠOCỦAĐẬPVẬTLIỆUĐỊAPHƯƠNG1T 17 1T

1.2.1.Thân đập1T 17 1T

1.2.2 Vật chống thấm1T 18 1T

1.2.3 Thiết bị thoát nước1T 18 1T

1.2.4 Thiết bị bảo vệ mái1T 19 1T

1.3.MỘTSỐSỰCỐDOBIẾNDẠNGTHẤMQUATHÂNĐẬPGÂYRA1T 20 1T

1.4.MỘTSỐGIẢIPHÁPCHỐNGTHẤMCHOĐẬPVLĐP1T 21 1T

1.4.1 Thiết bị chống thấm cho thân đập1T 21 1T

1.4.1.1 Đập chống thấm bằng tường lõi mềm1T 22 1T

1.4.1.2 Đập có tường nghiêng mềm1T 23 1T

1.4.1.3 Đập chống thấm bằng vật liệu dẻo1T 24 1T

1.4.1.4 Đập chống thấm bằng vật liệu cứng1T 25 1T

1.4.2 Thiết bị chống thấm cho nền đập1T 27 1T

1.4.2.1 Làm sân trước chống thấm1T 27 1T

1.4.2.2 Dùng cừ chống thấm1T 28 1T

1.4.2.4 Làm tường răng chống thấm1T 28

CHƯƠNG 21T 32 1T

CƠ SỞ LÝ THUYẾT1T 32 1T

2.1.SƠLƯỢCLỊCHSỬPHÁTTRIỂNCỦALÝTHUYẾTTHẤM1T 32 1T

2.2.MÔITRƯỜNGTHẤMVÀNGUYÊNNHÂNGÂYRATHẤM1T 34 1T

2.2.1 Môi trường thấm1T 34 1T

2.2.2 Nguyên nhân gây ra thấm1T 36 1T

2.3.PHÂNLOẠIDÒNGTHẤM1T 36 1T

2.3.1 Dòng thấm trạng thái ổn định1T 36 1T

2.3.2 Dòng thấm trạng thái không ổn định1T 38 1T

2.4.SƠLƯỢCĐỊNHLUẬTTHẤMCƠBẢN1T 39 1T

2.4.1 Định luật Darcy (1856)1T 39 1T

2.4.2 Định luật Darcy tổng quát1T 40 1T

2.5.1 Các phương pháp tính thấm bằng lý thuyết cổ điển1T 41 1T

2.5.1.1 Phương pháp cơ học chất lỏng1T 41 1T

2.5.1.2 Phương pháp thủy lực1T 41 1T

2.5.1.3 Phương pháp thực nghiệm1T 41 1T

2.5.1.4 Phương pháp số1T 42 1T

2.5.2 Phương pháp tính thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn1T 42 1T

2.6.KẾTLUẬNCHƯƠNG1T 45 1T

CHƯƠNG 31T 46 1T

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THẤM CHO BÀI TOÁN ĐIỂN HÌNH1T 46 1T

3.1.LỰACHỌNPHẦNMỀMTÍNHTOÁN1T 46 1T

3.2.SƠLƯỢCVỀLÝTHUYẾTCỦAMODULSEEP/WCỦAPHẦNMỀMSLOPE1T 47

GEO-1T

3.3.PHÂNTÍCHBÀITOÁNTHẤMQUAĐẬP1T 48 1T

3.3.1 Mục đích tính toán1T 48 1T

3.3.2 Phân tích bài toán thấm1T 49 1T

3.3.2.1 Cơ sở tính toán1T 49

3.4.2.2 Lựa chọn vật liệu đắp đập và lõi đập1T 55 1T

3.4.3 Sơ đồ tính thấm và các trường hợp tính toán1T 56 1T

3.4.3.1 Sơ đồ tính thấm1T 56 1T

3.4.3.2 Các trường hợp tính toán1T 57 1T

3.4.3.3 Điều kiện biên khi tính toán1T 58 1T

3.4.4 Tính toán và phân tích kết quả1T 58 1T

3.6 KẾT LUẬN1T 71 1T

CHƯƠNG 41T 72 1T

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH1T 72 1T

HỒ CHỨA NƯỚC LANH RA TỈNH NINH THUẬN1T 72 1T

4.1.GIỚITHIỆUCHUNGVỀCÔNGTRÌNH HỒCHỨANƯỚCLANHRA1T 72 1T

4.1.1 Vị trí địa lý1T 72 1T

4.1.2 Nhiệm vụ công trình1T 72 1T

4.1.3 Các chỉ tiêu thiết kế1T 73 1T

4.1.3.1 Cấp công trình1T 73 1T

4.1.3.2.Tiêu chuẩn thiết kế1T 73 1T

4.1.3.3.Tổng hợp các thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình1T 73 1T

4.1.4 Đặc điểm địa chất tuyến đập và các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đắp đập1T 75 1T

4.1.4.1 Địa chất tuyến đập chính1T 75 1T

4.1.4.2 Chỉ tiêu cơ lý các bãi vật liệu đất đắp1T 78 1T

4.1.5 Biện pháp xử lý nền đập chính và hình thức đập chính1T 80

4.2.THIẾT KẾ MẶT CẮT LÕI CHỐNG THẤM DỰA VÀO ĐỒ THỊ NGHIÊNCỨU1T 81 1T

4.3.TÍNHTOÁNTHẤMVỚIMẶTCẮTĐÃCHỌN1T 84 1T

CHƯƠNG 51T 86 1T

5.1.KẾTLUẬN1T 86 1T

5.2.NHỮNGTỒNTẠIVÀHẠNCHẾ1T 87 1T

5.3.KIẾNNGHỊ1T 88 1T

TÀI LIỆU THAM KHẢO1T 89 1T

PHỤ LỤC1T 91

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thống kê một số đập VLĐP ở nước ta 13

Bảng 1.2: Độ vượt cao của tường chống thấm so với MNDBT 24

Bảng 3.1: Thống kê thông số hình học một số đập VLĐP đã xây dựng 52

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu của nền đập dùng để tính toán 55

Bảng 3.3: Chỉ tiêu các vật liệu đắp đập dùng để tính toán 56

Bảng 3.4: Bảng kết quả tính toán gradient và lưu lượng thấm với các tổ hợp MR TL R, MR loi Rvà tỷ lệ KR đ R/KR l R 60

Bảng 3.5: Quan hệ giữa tỷ lệ hệ số thấm KR đ R/ KR l Rvới gradient thấm JR xy R khi MR loi R=0,2 62

Bảng 3.6: Quan hệ giữa mái mặt cắt lõi chống thấm với gradient thấm JR xy R khi tỷ lệ hệ số thấm KR đ R/KR l R =50 63

Bảng 3.7: Quan hệ giữa mái thượng lưu đập với gradient thấm JR xy Rcủa các mặt cắt lõi chống thấm 64

Bảng 3.8: Quan hệ mái mặt cắt lõi chống thấm với gradient thấm với MR TL R=3,0 66

Bảng 3.9: Quan hệ mái mặt cắt lõi chống thấm với gradient thấm với MR TL R=3,25 68

Bảng 3.10: Quan hệ mái mặt cắt lõi chống thấm với gradient thấm với MR TL R=3,50 69

Bảng 3.11: Quan hệ mái mặt cắt lõi chống thấm với lưu lượng thấm với MR TL R=3,0 70

Bảng 4.1: Tổng hợp các thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình 73

Bảng 4.2: Chỉ tiêu cơ lý của nền đập chính 78

Bảng 4.3: Bảng thống kê trữ lượng các mỏ vật liệu 79

Bảng 4.4: Bảng các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp từ các mỏ 80

Bảng 4.5: Bảng các chỉ tiêu cơ lý của nền và đất đắp đập chính 81

Bảng 4.6: Bảng các kích thước cơ bản của đập chính hồ Lanh Ra 81

Bảng 4.7: Kết quả tính gradient thấm theo cách tra biểu đồ quan hệ 83

THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đập thủy điện Hòa Bình và đập thủy điện Đa Mi (đập đá đổ,

lõi giữa)……… 15

Hình 1.2: Đập thủy điện Thác Bà (đá đổ, lõi giữa)……… 15

Hình 1.3: Đập chính hồ Gò Miếu (Thái Nguyên) và đập hồ sông Sắt (Ninh Thuận) 16

Hình 1.4: Cấu tạo của đập VLĐP 18

Hình 1.5: Vị trí tường chống thấm trong thân đập 22

Hình 1.6: Nối tiếp thiết bị chống thấm và nền 23

Hình 1.7: Tường nghiêng chống thấm bằng chất dẻo 25

Hình 1.8: Mặt cắt đập đá đổ dùng bản mặt bê tông chống thấm 26

Hình 1.9: Sân trước kết hợp tường nghiêng chống thấm 27

Hình 1.10: Cừ chống thấm 28

Hình 2.1: Biến đổi hệ số thấm trong đất không bão hòa 37

Hình 2.2: Biến thiên thấm trong đất không bão hòa (không đồng nhất và dị hướng) 39

Hình 2.3: Dòng thấm một hướng trong môi trường đất 40

Hình 2.4: Minh họa mặt hàm xấp xỉ H của phần tử 43

Hình 3.1: Mặt cắt đập minh họa 53

Hình 3.2: Mô hình mặt cắt đập tính toán 55

Hình 3.3: Lưới phần tử và điều kiện biên khi tính toán thấm qua đập 58

Hình 3.4: Trường hợp Kđ/Kl=10, mái lõi mR l R=0,25, kết quả tính được J=0,895 59

Hình 3.5: Trường hợp Kđ/Kl=30, mái lõi mR l R=0,25 kết quả tính được J=0,848 59

Hình 3.6: Trường hợp Kđ/Kl=10, mái lõi mR l R=0,50 kết quả tính được J=0,624 59

Hình 3.7: Trường hợp Kđ/Kl=30, mái lõi mR l R=0,50 kết quả tính được J=0,564 59

Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ hệ số thấm KR đ R KR l Rvới gradient thấm JR xy R khi mặt cắt lõi chống thấm không đổi (MR loi R = 0,20) 63 Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ giữa các mặt cắt lõi chống thấm với gradient thấm JR xy R

khi tỷ lệ hệ số thấm K đ/ Kl không đổi (Kđ/ Kl =

50) 64

Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ giữa mái thượng lưu đập MR TL Rvới gradient thấm JR xy R

của các mặt cắt lõi chống thấm 65 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số mái của mặt cắt lõi chống thấm (MR loi R)

và gradient (JR xy R) tại vị trí đường bão hòa ra khỏi lõi khi MR tl R = 3,00 67 Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số mái của mặt cắt lõi chống thấm (MR loi R)

và gradient (JR xy R) tại vị trí đường bão hòa ra khỏi lõi khi MR tl R = 3,25……68 Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số mái mặt cắt lõi chống thấm (MR loi R) và gradient

(JR xy R) tại vị trí đường bão hòa ra khỏi lõi khi MR tl R = 3,50……… 69 Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ KR đ R/ KR l R và lưu lượng thấm (q)ứng với các giá

trị hệ số mái của mặt cắt lõi chống thấm khi MR tl R = 3,00……… 70 Hình 4.1 Mặt cắt đập chính hồ chứa nước Lanh Ra dùng trong tính toán……… 77 Hình 4.2: Kết quả tính gradient thấm hồ chứa nước Lanh Ra, ứng với mái lõi

Jxy=0,609………83

Hình 4.3: Lưới phần tử hữu hạn trong tính toán gradient thấm đập chính hồ chứa

Hình 4.4: Kết quả tính toán gradient và lưu lượng thấm mặt cắt đập chính hồ chứa

MR TL R: Hệ số mái thượng lưu

MR loi R: Hệ số mái lõi chống thấm

δ: Chiều dày trung bình lõi chống thấm

δ1: Chiều dày đỉnh lõi chống thấm

δ2: Chiều dày đáy lõi chống thấm

MNTL: Mực nước thượng lưu

MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đập vật liệu địa phương (VLĐP) thường được ưu tiên lựa chọn là do loại đập này phù hợp với các loại địa chất nền mà loại đập khác không xây dựng được , khả năng cơ giới hóa cao trong thi công dẫn đến đa số trường hợp có giá thành hạ , mang lại hiệu quả kinh tế cao Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như

cơ học đất, địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, thủy văn, lý thuyết thấm, ứng suất

biến dạng, vật liệu cũng như việc ứng dụng các biện pháp thi công tiên tiến sử

dụng các thiết bị hiện đại, ứng dụng rộng rãi cơ giới hoá trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ, có thể xây dựng được cả trong những điều kiện địa chất phức tạp Kết cấu đập VLĐP có thể gồm nhiều khối có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau, để tận dụng được các bãi vật liệu có sẵn tại địa phương … Do các đặc tính ưu việt của đập đất nên đập VLĐP ngày càng được phổ biến rộng rãi ở nước ta cũng như trên thế giới

Tuy nhiên trong những năm gần đây do việc khan hiếm về vật liệu đất đặc bi ệt

là đất sét có tính thấm n hỏ nên trong quá trình thiết kế đập VLĐP thường là đập gồm nhiều khối Khối thượng và hạ lưu thường là vật liệu có tính thấm lớn và có lõi chống thấm bằng vật liệu đất có hệ số thấm nhỏ ở giữa Do vậy sẽ có sự thay đổi về đường bão hòa trong thân đập tại nơi tiếp giáp giữa vật liệu có tính thấm lớn và nhỏ Ngoài ra, vật liệu đất có tính không đồng nhất khó kiểm soát về chất lượng của lõi chống thấm nên việc lựa chọn mặt cắt lõi chống thấm hợp lý đảm bảo công trình làm việc an toàn và kinh tế là đề tài có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao

1.2 MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu, lựa chọn kích thước tường lõi chống thấm trong thân đập VLĐP ứng với các chỉ tiêu cơ lý (ϕ, C, K…), đặc biệt là hệ số thấm K của vật liệu đất đắp đập và vật liệu đắp lõi chống thấm khác nhau

- Thiết lập các quan hệ giữa các yếu tố trên với kích thước của lõi chống thấm dưới dạng bảng biểu, đồ thị để người sử dụng có thể tra cứu một cách dễ dàng, phục

vụ cho thiết kế, vận hành công trình được an toàn

- Khảo sát, đánh giá tình hình các đập VLĐP có sử dụng thiết bị lõi chống thấm

- Tổng quan các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của hệ số thấm đến ổn định của đập VLĐP

- Tính toán thấm với các hệ số thấm khác nhau của tường lõi trong thân đập với

hệ số thấm của đất đắp đập Trên cơ sở đó lập các quan hệ dưới dạng bảng biểu hoặc đồ thị để lựa chọn kích thước lõi chống thấm hợp lý cho đập VLĐP

- Tính toán áp dụng cho đập chính hồ chứa nước Lanh Ra tỉnh Ninh Thuận

1.3 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về tính thấm

- Nghiên cứu các giải pháp chống thấm cho thân đập

- Thu thập tài liệu thực tế các công trình tương tự đã được xây dựng

- Sử dụng phương pháp số để tính thấm cho các trường hợp khác nhau

- Tính toán điển hình

1.4 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Chương 1: Tổng quan về tình hình xây dựng đập ở Việt Nam và các biện pháp

chống thấm

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Nghiên cứu tính toán thấm cho bài toán điển hình

Chương 4: Ứng dụng tính toán cho công trình hồ chứa nước Lanh Ra tỉnh Ninh

Thuận

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Các tài liệu tham khảo

Các phụ lục tính toán kèm theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM VÀ CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG THẤM

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM

Đập vật liệu địa phương (VLĐP) là một loại đập xây dựng bằng các vật liệu địa phương sẵn có trong vùng như: sét, á sét, á cát, cát, cuội, sỏi…Đập có cấu tạo đơn giản, vững chắc có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công và trong đa số các trường hợp có giá thành hạ nên là loại đập được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các nước trong đó có Việt Nam

Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận thấm, địa chất thủy văn và địa chất công trình v.v… cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập VLĐP càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ

Với nhịp độ phát triển kinh tế của đất nước, cũng như tốc độ phát triển của ngành thủy lợi, năng lượng như hiện nay, chắc chắn rằng trong tương lai các đập VLĐP ở các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện sẽ còn được xây dựng nhiều hơn nữa ở nước ta

Đặc điểm chính của các đập VLĐP là thường xuyên chịu áp lực nước tĩnh và động Qua phân tích sự làm việc và tổng kết các công trình đã được xây dựng, khai thác và vận hành người ta nhận thấy rằng các công trình thủy lợi, thủy điện như các đập VLĐP là loại công trình có nhiều vấn đề kỹ thuật hơn cả Sự có mặt thường xuyên của dòng thấm trong thân và nền của chúng đã dẫn đến sự tăng kích thước của mặt cắt ngang của chúng cũng như đòi hỏi quá trình thi công nghiêm ngặt, cho nên giá thành công trình cao hơn rất nhiều giá thành các công trình không chịu tác động của dòng nước (ví dụ như các công trình kiến trúc trên mặt đất…)

Ở nước ta, đập đất - đá là loại công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựng những hồ chứa Những hồ chứa nước đã xây dựng ở nước ta hầu hết là sử dụng đập

VLĐP, trong đó đập đất chiếm đại đa số Một số đập VLĐP ở nước ta được thống

kê như bảng 1-1:

Bảng 1.1 Thống kê một số đập VLĐP ở nước ta

thành

1 Khuôn Thần Bắc Giang Đất, đồng chất 26,00 1963

13 Thác Bà Yên Bái Đá đổ, lõi giữa 45,0

14 Hòa Bình Hòa Bình Đá đổ, lõi giữa 128,00 1994

TT Tên hồ Tỉnh Loại đập hmax (m) Năm hoàn

38 Đa Mi Bình Thuận Lâm Đồng- Đá đổ, lõi giữa 72,00 2001

dựng

TT Tên hồ Tỉnh Loại đập hmax (m) Năm hoàn

Hình 1.1 : Đập thủy điện Hòa Bình và đập thủy điện Đa Mi (đập đá đổ, lõi giữa)

Hình 1.2: Đập thủy điện Thác Bà (đá đổ, lõi giữa)

Hình 1.3 : Đập chính hồ Gò Miếu (Thái Nguyên) và đập hồ sông Sắt (Ninh Thuận)

Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thi công … của nước ta, trong tương lai đập VLĐP còn có triển vọng phát triển rộng rãi hơn nữa Sở dĩ trong những năm gần đây đập VLĐP đang phát triển với một tốc độ nhanh chóng như vậy và hiện có xu hướng phát triển hơn nữa về số lượng cũng như quy mô công trình là do nhiều nguyên nhân, trong đó có những nguyên nhân chủ yếu sau:

Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập VLĐP không cao lắm so với những loại khác Đập VLĐP hầu như có thể xây dựng với bất kỳ điều kiện địa hình, địa chất và khí hậu nào Những vùng có động đất cũng có thể xây dựng được đập VLĐP Ưu điểm này rất cơ bản, bởi vì càng ngày những tuyến hẹp, có địa chất thích hợp cho các loại đập bê tông càng ít cho nên các nước dần dần đi vào khai thác các tuyến rộng, nền yếu, chỉ thích hợp cho sử dụng bằng vật liệu tại chỗ

Với những thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học đất, lý luận thấm, trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp dẻo làm vật liệu chống thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất đá hiện có ở vùng xây dựng để đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng co hẹp lại Do đó giá thành công trình ngày càng hạ thấp và chiều cao đập ngày càng được nâng cao

Sử dụng phương pháp mới để xây dựng những màng chống thấm sâu trong nền thấm nước mạnh Đặc biệt dùng phương pháp phun các chất kết dính khác nhau như

xi măng sét vào đất nền Có thể tạo thành những màng chống thấm sâu đến 200m

Có khả năng cơ giới hóa hoàn toàn các khâu đào đất, vận chuyển và đắp đất với những máy móc có công suất lớn do đó rút ngắn được thời gian xây dựng, hạ giá thành công trình và hầu như dần dần có thể loại trừ hoàn toàn lực lượng lao động thủ công

Giảm xuống đến mức thấp nhất việc sử dụng các loại vật liệu khan hiếm như sắt thép, xi măng…và từ đó giảm nhẹ được các hệ thống giao thông mới và phương tiện giao thông

Do những thành tựu về nghiên cứu và kinh nghiệm xây dựng các loại công trình tháo nước, đặc biệt là do việc phát triển xây dựng đường hầm mà giải quyết được vấn đề tháo nước ngoài thân đập với lưu lượng lớn

Xu hướng hiện nay trong thiết kế và xây dựng người ta thường dùng đập đất đá hỗn hợp và đập bê tông bản mặt

Đập đất đá hỗn hợp có ưu điểm trội hơn về đập đồng chất về việc tận dụng các loại vật liệu ở công trường, nhất là các loại đất đào hố móng và có thể sử dụng đê quai bằng đá ở hạ lưu để làm thân đập, làm cho giá thành công trình rẻ mà vẫn bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật nên loại đập này hiện đang có xu hướng phát triển mạnh, nhất là khi cần xây dựng những đập cao

1.2 CẤU TẠO CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

Đập VLĐP là loại đập được xây dựng bằng các loại đất hiện có ở vùng công trình như: sét, á sét, á cát, cát sỏi, cuội đá… Như các loại công trình thủy lợi khác , đập VLĐP có đặc điểm làm việc trong nước nên chịu mọi tác dụng của nước như tác dụng cơ học , hóa lý , thấm Các bộ phận của đập được xác định dựa vào đặc điểm làm việc của chúng Đập VLĐP thường có các bộ phận sau đây : thân đập, vật chống thấm (tường lõi, tường nghiêng, sân trước…), thiết bị thoát nước, thiết bị bảo

vệ mái đập…Sơ họa cấu tạo của đập VLĐP như hình 1.4

Thân đập là bộ phận chủ yếu đảm bảo ổn định của đập và thường có mặt cắt ngang dạng hình thang, vật liệu đắp đập là đất hoặc đất đá hỗn hợp Tùy theo tình hình vật liệu đắp mà có các phương án bố trí kết cấu thân đập khác nhau Có thể đắp

đồng chất một loại vật liệu , có thể kết hợp giữa đất và các loại vật liệ u khác Tuy nhiên đất đắp thân đập không dùng loại chứa muối clorua hay sunfat clorua trên 5%, muối sunfat trên 2% theo khối lượng hoặc đất có chứa muối hữu cơ chưa phân giải với hàm lượng trên 5% theo khối lượng hay phân giải hoà n toàn ở trạng thái không định hình với hàm lượng trên 8% theo khối lượng Khi sử dụng đất có muối hòa tan hoặc chất hữu cơ quá quy định trên phải có luận chứng chắc chắn hoặc phải

có biện pháp công trình xử lý thích đáng

c¸t läc Th©n ®Ëp ThiÕt bÞ

th¶m c¸t

Th©n ®Ëp chèng thÊm

Thiết bị chống thấm trong đập VLĐP có nhiệm vụ :

- Giảm lưu lượng thấm qua đập và công trình nói chung;

- Hạ thấp đường bão hòa trong thân đập để nâng cao độ ổn đị nh của mái dốc hạ lưu;

- Giảm gradient thấm do đó tránh được hậu quả biến dạng đất do thấm như xói

ngầm, xói tiếp xúc hay đùn đất

Trong thân đập, vật chống thấm được làm dưới dạng l õi giữa, tường nghiêng và sân trước b ằng các vật liệu ít thấm nước như (đất sét, đất á sét , bê tông, đôi khi là đất á cát hoặc than bùn ) hoặc bằng các kết cấu không phải là đất , kiểu màn g và tường chống thấm (như tường bê tông và bê tông cốt thép ), bê tông nhựa đường, tường cừ kim loại, tường cừ bằng gỗ hay chất dẻo Tuy nhiên khi chọn các bộ phận chống thấm không phải là đất phải có lý do xác đáng , cân nhắc các giải pháp xử lý chuyển tiếp, tiếp giáp hợp lý

Thiết bị thoát nước là một bộ phận quan trọng của đập VLĐP có liên quan đến

sự làm việc ổn định của đập Thiết bị thoát nước được đặt trong đập và nền với mục đích sau:

- Thu và thoát nước thấm qua đậ p và nền xuống hạ lưu một cách hiệu quả nhất

để tránh các biến dạng do thấm như xói ngầm, đùn đất, đẩy bục đất

- Giảm nhỏ phạm vi tác động của dòng thấm , thông qua việc hạ thấp đường bão hòa làm tăng ổn định của mái dốc hạ lưu đập;

- Đẩy nhanh quá trình cố kết của đất hạt sét hay đất bùn , giảm áp lực kẽ rỗng trong những khu vực cần thiết của thân đập và nền khi có động đất;

- Với thiết bị thoát nước bố trí ở đáy đập và nền đập – nó còn có chức năng giảm áp lực kẽ rỗng ở nền và thoát nước thấm có áp từ tầng thấm nước dưới nền có lớp phủ bên trên là đất không thấm

Tùy theo chức năng và nhiệm vụ thoát nước , có những loại thiết bị tiêu thoát nước sau:

Thiết bị tiêu nước thân đập;

Thiết bị tiêu nước nền đập;

Thiết bị tiêu nước mái đập

Cấu tạo của thiết bị tiêu nước gồm hai bộ phận : thu nước và thoát nước Bộ phận thu nước làm dưới dạng tầng lọc ngượ c bằng các lớp vật liệu không dính như vải lọc, cát, sỏi, cuội hoặc đá dăm Bộ phận thoát nước được làm bằng các vật liệu

có hệ số thấm lớn như đá đổ, đá tảng hoặc các ống thoát nước

Chủ yếu có tác dụng chống xói lở do sóng , phòng ngừa các tác hại do nhiệt độ thay đổi, do mưa, gió, hoạt động của côn trùng hoặc các động vật sống trong môi trường hang hốc…

Để bảo vệ mái đập thượng lưu thường sử dụng các kết cấu gia cố khác nhau như đá đổ, đá lát khan (không có vữa xây ), tấm bê tông , bê tông cốt thép , bê tông nhựa Phạm vi gia cố mái đập thượng lưu được phân thành 2 vùng:

Giới hạn trên của lớp gia cố cơ bản là từ mực nước dâng bình thường

(MNDBT) cộng với chiều cao sóng leo (hR l R) và độ dâng (∆h) của mực nước tĩnh do

đà gió, nhưng không thấp hơn mực nước dâng gia cường (MNGC) hay mực nước kiểm tra (MNKT) Phía trên lớp gia cố cơ bản là lớp gia cố nhẹ kéo đến đỉnh đập

Giới hạn dưới của lớp gia cố cơ bản lấy thấp hơn mực nước thấp nhất trong hồ chứa (thông thường là mực nước chết – MNC) một đại lượng bằng độ sâu phân giới (hR k R) hoặc bằng 2hR 1% R, trong đó hR 1% R là chiều cao sóng ứng với tần su ất 1% Dưới lớp gia cố cơ bản làm gia cố nhẹ (cấu tạo như tầng lọc ngược) tới độ sâu 3h so với MNC Mái đập hạ lưu được gia cố để bảo vệ chống xói lở do nước mưa Riêng phần chân mái đập đất ở khu vực lòng sông còn được gia cố để chống sạt lở do sóng và ảnh hưởng của mực nước hạ lưu Phần gia cố ở đây thường được kết hợp với vật thoát nước của đập Mái hạ lưu đập đất được gia cố bằng một trong hai hình thức sau: phủ một lớp đá dăm hoặ c cuội sỏi dầy 20cm hoặc phủ một lớp đ ất màu (khoảng 5÷10cm) rồi trồng cỏ Với đập đá đổ hoặc đập đất có mái dốc bằng vật liệu thô thì không cần có lớp bảo vệ bên trên Với đập bằng đất sét hay hạt đất lớn (đất cát) trước khi trồng cỏ cần rải một lớp đất màu

Trong thân và nền đập, những vùng có khả năng xảy ra biến dạng thấm nguy hiểm là nơi dòng thấm đi ra bề mặt đất và nơi tiếp xúc giữa các loại đất có tính chất khác nhau Mặt tiếp xúc có thể nằm ngang, thẳng đứng hoặc nghiêng Hướng chuyển động của dòng thấm có thể trùng với mặt tiếp xúc hoặc vuông góc với mặt tiếp xúc Những biến dạng đối với môi trường đất do dòng thấm gây ra có thể là:

Xói ngầm: quá trình di chuyển hoặc cuốn trôi các hạt đất cỡ nhỏ ra khỏi lớp đất

dưới tác dụng của dòng thấm Nếu trong đất chứa các muối hòa tan thì có thể xảy ra xói ngầm hóa học

Đẩy bục hay gọi là đùn đất: sự phá hủy lớp đất phủ bên trên kéo theo hiện

tượng mang cả một khối lượng đất ra khỏi vị trí của nó Hiện tượng đẩy bục thường xảy ra ở mái hạ lưu của đập đất nơi có dòng thấm tập trung ra hạ lưu

Xói tiếp xúc dọc: sự phá hủy đất ở vùng tiếp giáp với vật liệu cỡ hạt lớn hơn do

tác dụng của dòng thấm hướng dọc theo bề mặt tiếp xúc

Đùn đất tiếp xúc: hiện tượng phá hủy đất hạt nhỏ ở vùng tiếp xúc và cuốn trôi

hạt nhỏ qua kẽ hổng của đất hạt lớn do tác dụng của dòng thấm hướng vuông góc

với bề mặt tiếp xúc

Bồi lấp hay lắng đọng: quá trình các hạt đất cỡ nhỏ bị dòng thấm mang theo

tích tụ lại ở kẽ hổng của khối đất cỡ hạt lớn hơn

Tách lớp: hiện tượng tách bóc các hạt và nhóm hạt đất sét ở trên các kẽ hổng

của lớp lọc dưới tác dụng của dòng thấm đi từ phía lớp lọc qua lớp đất sét

Tất cả những biến dạng thấm kể trên (hoặc tổ hợp các biến dạng) đều nguy hiểm, vì nó có thể gây ra phá hủy từng bộ phận riêng hay toàn bộ công trình

Vật liệu làm thiết bị chống thấm cho thân và nền đập có thể là loại dẻo như sét,

á sét, than bùn, nhựa đường, các loại chất dẻo hoặc loại cứng như kim loại, bê tông cốt thép, gỗ…Tuy nhiên, phổ biến nhất vẫn là vật liệu dẻo Vật liệu chống thấm chỉ hiệu quả khi hệ số thấm của vật liệu chống thấm lớn hơn hệ số thấm của vật liệu thân, nền đập 50 lần trở lên

Với đập VLĐP, thiết bị chống thấm thường là hình thức tường nghiêng nằm dọc theo mái dốc thượng lưu hoặc tường lõi có thể nằm ở tim đập, hay dịch về phía thượng lưu (xem hình 1.5) Đập có tường nghiêng đặt ở sát mái thượng lưu có ưu điểm hạ thấp đường bão hoà xuống rất nhanh, làm cho phần lớn thân đập được khô ráo làm tăng tính ổn định của mái hạ lưu Tuy nhiên, khi nằm sát mái tự nhiên, tường nghiêng chịu ảnh hưởng trực tiếp của các phá hoại do thời tiết, do vậy dễ bị

hư hại hơn

1.4.1.1 Đọ̃p chụ́ng thṍm bằng tường lõi mờ̀m

Rất nhiều đập VLĐP sử dụng thiết bị chống thấm là tường lõi mềm như đập Hoà Bỡnh, đập Thuận Ninh, đập Yali, đập Thanh Lanh…Thiết bị tường lõi chống thấm mềm đặt trong thõn đập cú ưu điểm rõ rệt như chống chấn động tốt, lỳn dễ đều

a) Tường chống thấm nằm giữa đập

b) Tường chống thấm nằm lệch phía thượng lưu

c) Tường chống thấm nằm ở biên mái thượng lưu

Hỡnh 1.5 : Vị trớ tường chống thấm trong thõn đập

Theo cấu tạo, bề dày đỉnh tường lõi đắp bằng đất sét hoặc đất sét pha khụng nờn nhỏ hơn 0,8m Độ dày chõn tường khụng được nhỏ hơn 1/10 cột nước, nhưng phải bảo đảm ≥ 2m Nếu tường lõi đắp bằng đất cú hàm lượng sét lớn khụng lợi cho thi cụng và ổn định thỡ cú thể giảm bớt kớch thước tường lõi Đối với đất ớt dớnh, vớ dụ chỉ số dẻo < 15 ữ 17, người ta dựa vào trị số gradient thấm cho phép [J] để tớnh bề dày của tường

Đỉnh tường lõi phải bảo đảm khụng cho nước phớa thượng lưu vượt quỏ, đồng thời phải cao hơn mực nước mao dẫn trong đất Cao trỡnh đỉnh tường lõi được xỏc định dựa vào mực nước dõng bỡnh thường trong hồ chứa với độ vượt cao d = (0,3 ữ 0,6)m, tuỳ theo cấp cụng trỡnh Trờn đỉnh tường cú đắp một lớp đất bảo vệ cú độ

dày đủ chống lại các ảnh hưởng xấu của thời tiết Nếu đập có làm thêm tường chắn sóng, người ta thường liên kết chặt tường chắn sóng với tường lõi

Phải đặc biệt lưu ý đến việc liên kết giữa tường lõi và nền Độ cắm sâu của tường lõi vào nền đất chặt, ít thấm nước phải lớn hơn từ 0,5m ÷ 1,25m Bộ phận nối tường lõi và nền đá phải làm rất cẩn thận với các hình thức như đế răng, hoặc tường răng cắm sâu vào khối đá tốt 0,6 ÷ 1,2m Những chi tiết cấu tạo nối tiếp tường lõi

và nền đá được trình bày trong hình 1.6 Tường lõi trong đập đá hoặc vật liệu hỗn hợp thường có lớp chuyển tiếp ở mái thượng và hạ lưu

Hình 1.6: Nối tiếp thiết bị chống thấm và nền

1.4.1.2 Đập có tường nghiêng mềm

Tường nghiêng đặt ở sát mái thượng lưu đập có ưu điểm hạ thấp đường bão hoà xuống rất nhanh, làm cho đại bộ phận đất thân đập được khô ráo và tăng thêm tính

ổn định của mái hạ lưu Tường nghiêng có thể đắp bằng đất sét, đất thịt hoặc bêtông đất sét, v.v

Bề dày tường nghiêng tăng từ trên xuống dưới và phụ thuộc vào yêu cầu cấu tạo

và gradient thuỷ lực của đất đắp tường Bề dày đỉnh tường không nên nhỏ hơn

0,8m Bề dày chân tường không nhỏ hơn H/10 (H là cột nước tác dụng) và không nên nhỏ hơn 2 ÷ 3 m Độ vượt cao của đỉnh tường nghiêng trên mực nước dâng bình

thường phụ thuộc vào cấp công trình và được tra theo bảng 1.2 Đỉnh tường không được thấp hơn mực nước tĩnh gia cường

Bảng 1.2: Độ vượt cao của tường chống thấm so với MNDBT

Loại tường

Độ vượt cao của tường chống thấm (m) trên mực nước dâng

bình thường tuỳ cấp công trình

1.4.1.3 Đập chống thấm bằng vật liệu dẻo

Ngày nay, với sự phát triển của công nghiệp hoá chất, đặc biệt là sự tiến bộ của việc sản xuất chất dẻo, nhiều nước phát triển đã sử dụng chất dẻo để làm vật chống thấm cho công trình thuỷ lợi nói chung và cho đập VLĐP nói riêng Để dễ dàng sửa chữa, chất dẻo làm vật chống thấm cho đập thuờng có dạng tường nghiêng và vật liệu chất dẻo thường sản xuất dưới dạng dải hoặc tấm Kết cấu tường nghiêng bằng chất dẻo thường có hai dạng:

Đặt những tấm hoặc dải chất dẻo lên trên một tầng đệm trên mái dốc và bảo bệ bằng một lớp phủ

Đặt chất dẻo vào giữa hai bản bê tông dọc theo mái dốc

Kết cấu chi tiết tường nghiêng bằng chất dẻo đặt trực tiếp lên tầng đệm trên mái dốc có dạng như hình 1.7

5: Bê tông đổ đợt đầu 6: Bê tông đổ đợt sau 4: Tầng đệm

Hỡnh 1.7 : Tường nghiờng chống thấm bằng chất dẻo

Để tăng độ ổn định cho tấm chất dẻo trờn mỏi dốc, ở đỉnh thường xếp tấm chất dẻo cú dạng dớch dắc (xem hỡnh 1.7a), cũn ở gối tựa đỏy cũng cần giữ tấm chất dẻo giữa hai khối bờ tụng mà mặt tiếp xỳc của chỳng cũng khụng phẳng Tường nghiờng chất dẻo được đặt trờn một tầng đệm hạt lớn như cỏt lớn pha cuội sỏi và mặt ngoài được bảo hộ bằng một lớp đất quỏ độ rồi mới gia cố đỏ Để cho tường nghiờng hoạt động tốt, vật liệu làm tầng đệm cần phải lựa chọn cõ̉n thận

1.4.1.4 Đọ̃p chụ́ng thṍm bằng vọ̃t liợ̀u cứng

Thiết bị chống thấm cứng thường được làm bằng bờ tụng, bờ tụng cốt thép, gỗ, thép…Đập cú thiết bị chống thấm bằng vật liệu cứng ớt được sử dụng, ở Việt Nam mới chỉ cú đập Trà Vinh – Quảng Ninh cú sử dụng tường lõi bờ tụng để chống thấm Loại đập đất cú thiết bị chống thấm cứng ớt dựng, vỡ cú nhiều nhược điểm là cấu tạo phức tạp, dễ sinh nứt nẻ khi nhiệt độ thay đổi hoặc thõn đập lỳn, giỏ thành đắt Gỗ vỡ khụng bền và kim loại vỡ quỏ đắt nờn rất ớt được dựng Khi cú đỏ tại chỗ

và xét hợp lý cú thể xõy tường lõi chống thấm

Tường lõi bằng bờ tụng cốt thép cú bề dày khỏ mỏng Thường cú hai hỡnh thức kết cấu lõi cứng: loại nguyờn khối và loại cú khớp nối Lõi cứng nguyờn khối nối tiếp với nền bằng gối quay để khi lõi bị biến dạng cú thể khụng gõy nờn hư hỏng Lõi cứng cú khớp nối gồm nhiều bản nối tiếp nhau bằng những khớp nối gồm nhiều bản nối tiếp nhau bằng những khớp nối ngang nhằm tăng độ biến dạng cho lõi Những khớp nối cần phải chắc chắn và chống thấm tốt Đối với đập vừa và thấp cú thể dựng tường lõi cú kết cấu đơn giản như hỡnh thức cố định v.v

Tường lõi bằng vật liệu cứng phải bảo đảm bề dày thớch đỏng Đối với lõi cứng,

kích thước chính xác của nó phải được xác định trên cơ sở tính toán ổn định và cường độ, chiều dày tại đỉnh lõi không bé hơn 0.5÷1m Đối với lõi bê tông hoặc bê tông ít cốt thép bề rộng ở đỉnh tường không nên nhỏ hơn 0.3m và ở đáy bằng (1/12÷1/15) H hoặc bé hơn một ít, trong đó H là chiều cao của đập Phía mặt thượng lưu của lõi cứng cần có một lớp quá độ bằng nhựa đường hoặc đất sét để đề phòng khi lõi bị nứt nẻ Phía mặt hạ lưu cần có lớp vật liệu thoát nước tốt để đưa nước thấm xuống hạ lưu Để tường lõi bằng bêtông cốt thép không bị nứt gãy, cần bố trí những khe lún thẳng đứng cách nhau (15 ÷ 25)m theo trục đập Tại các khe phải có thiết bị chống thấm như đối với khớp nối ngang

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thiết kế và thi công, một hình thức đập chống thấm bằng tường nghiêng cứng là đập đá đổ kết hợp với tường nghiêng bằng bê tông cốt thép (hay còn gọi là đập đá đổ bê tông bản mặt) ngày càng được ứng dụng nhiều (xem hình 1.8)

1 Bản mặt bê tông, dày 30cm – 60cm

Ưu điểm của loại đập này là có thể xây dựng đập với chiều cao lớn độ ổn định

và chống thấm tốt Tường nghiêng bê tông được nối tiếp với nền bằng chân bê tông hay còn gọi là bản chân, cắm sâu vào đá tốt hơn 1m Khi cần thiết có thể tiến hành phụt vữa làm màng chống thấm dưới bản chân Giữa tường nghiêng và bản chân

cần thiết kế khớp nối để chịu được biến dạng và chống thấm tốt

Tại Việt Nam, đập đỏ đổ bờ tụng bản mặt đang được đưa vào sử dụng, một số đập đang được thi cụng như đập Tuyờn Quang, đặc biệt đập Cửa Đạt – Thanh Hoỏ cú chiều cao lờn tới 128m đã và đang được hoàn thiện để đưa vào sử dụng và khai thỏc

Cho đến nay cú nhiều biện phỏp chống thấm cho đập đã được ứng dụng Với từng điều kiện địa chất cụ thể, chiều cao đập khỏc nhau, người ta cú những biện phỏp chống thấm khỏc nhau

1.4.2.1 Làm sõn trước chụ́ng thṍm

Với nền cú tầng cuội sỏi dầy, phương phỏp làm sõn trước chống thấm thường hay được sử dụng (xem hỡnh 1.9) Phương phỏp này cú ưu điểm là thi cụng trờn diện rộng, kỹ thuật dễ, hiệu quả chống thấm tốt, giảm lưu lượng thấm và đảm bảo

ổn định của nền đập Với cỏc đập tương đối cao thỡ phương phỏp này cũn ớt kinh nghiệm thực tế Đối với loại đập đất tương đối cao thỡ kinh nghiệm thực tế cũn ớt Nhưng theo lý luận vẫn cú thể dựng sõn trước để chống thấm nếu đảm bảo thi cụng tốt Tuy nhiờn do thực tiễn và kinh nghiệm ớt nờn khi định làm sõn trước chống thấm cần nghiờn cứu kỹ cỏc vấn đề sau đõy: kớch thước sõn trước (bề dày, bề dài) trong trường hợp cột nước cao, nối tiếp sõn trước với hai bờ, vấn đề kiểm tra sửa chữa, vấn đề đào mương ở hố múng và dẫn dũng

Sân trước chống thấm

Tường nghiêng

Tầng nền thấm nhiều

Hỡnh 1.9: Sõn trước kết hợp tường nghiờng chống thấm

Người ta đã nghiờn cứu giải quyết về lý luận và tiến hành thớ nghiệm rất nhiều nhằm xỏc định kớch thước sõn trước, lưu lượng thấm Kết quả cho thấy nếu tớnh thấm nước tương đối của sõn trước càng nhỏ thỡ hiệu quả chống thấm càng cao Chiều dài và chiều dày sõn trước phải bảo đảm ổn định thấm của nền và gradient thấm của cửa ra phải nhỏ hơn [J] của nền Ở hạ lưu phải cú tầng lọc ngược

tốt để chống xói ngầm Dùng sân trước chống thấm khi lớp sỏi cuội trong nền dày

có thể tiêu hao lưu lượng thấm lớn Đặc biệt khi cột nước thấm lớn, địa chất nền phức tạp cần xét biện pháp làm tường răng bêtông hoặc màn chống thấm

1.4 2.2 Dùng cừ chống thấm

Cừ thường được đóng tại vị trí chân tường nghiêng, tường lõi chống thấm (xem hình 1.10)

Hình 1.10: Cừ chống thấm

1.4.2.4 Làm t ường răng chống thấm

Tường răng có thể làm bằng đất sét hoặc bêtông Người ta dùng lực xung kích hoặc chấn động để khoan những giếng đường kính 0,5 ÷ 1m và đổ bê tông hoặc đất sét lấp lại để tạo nên một tường răng chống thấm

1.4.2.5 Phụt vữa để tạo nên màng chống thấm

Dùng vữa xi măng hoặc đất sét phun lấp các kẽ hở trong nền đá để chống thấm

Có nền đập đã dùng 8 hàng lỗ khoan phụt vữa đất sét tạo thành một màng chống thấm rộng 30m đã giảm được hệ số thấm xuống mấy trăm lần

Vật liệu thường dùng là vữa xi măng hoặc vữa đất sét khai thác tại chỗ Kinh nghiệm cho thấy dùng loại vật liệu này tương đối rẻ và bảo đảm yêu cầu phòng chống thấm tốt Tuy vậy nếu dùng thuần tuý vữa đất sét thì không bền và có thể chỉ coi là biện pháp chống thấm tạm thời

Khi thiết kế màng chống thấm phải dựa vào yêu cầu phòng chống thấm, phải thông qua thí nghiệm ngoài hiện trường để xác định khoảng cách các lỗ khoan, độ khoan sâu, áp lực phụt vữa, tỷ lệ thành phần vữa, v.v Độ dày màng chống thấm được xác định dựa vào thí nghiệm và gradient thấm cho phép [J]

Phương pháp xử lý này không những thoả mãn các yêu cầu ổn định và chống thấm của nền mà còn tiết kiệm được sức lao động Các nhược điểm của phương pháp này là dùng cơ giới nhiều, tốn vữa xi măng và khó thi công nếu lưu tốc thấm lớn

Như vậy có rất nhiều biện pháp chống thấm cho cả thân đập và nền đập, những nghiên cứu trước đây đã đưa ra các thiết kế cho thiết bị chống thấm, tuy nhiên những thiết kế này chủ yếu là dạng bảng tra, phạm vi ứng dụng, chưa xét đến nhiều các yếu tố ảnh hưởng

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THẤM Ở CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI

Các bài toán lý thuyết thấm của nước trong môi trường đồng nhất và không đồng nhất, về cơ bản đều đưa đến giải quyết phưong trình vi phân cấp 2 đạo hàm riêng dạng eliptic hay parabolic khi biết điều kiện đầu và điều kiện biên tương ứng

Để giải quyết bài toán lý thuyết thấm, người ta đã sử dụng một số nhóm phương pháp sau:

a) Phương pháp thuận, bao gồm các phương pháp phân ly tích số, phương pháp biến đổi tích phân

b) Phương pháp lý thuyết hàm biến phức (phương pháp biến hình bảo giác, đưa đến bài toán Rima-Gianke)

c) Các phương pháp dựa trên lý thuyết giải tích phương trình vi phân tuyến tính, giải tích hàm, phép tính biến phân

d) Các phương pháp số như sai phân, phần tử hữu hạn

e) Các phương pháp biểu đồ, phương pháp mô hình và tương tự điện

Trong đó phương pháp tương tự điện thủy động lực học do Pavolopxki N.N đề

ra đã được xem như phương pháp chuẩn để giải các bài toán thấm thực tế và mức độ tin cậy của các phương pháp khác Phương pháp này đòi hỏi công phu và tốn kém nên những trường hợp thật cần thiết mới được sử dụng Mặc dù vậy, những vấn đề như thấm dị hướng, thấm phi tuyến, phương pháp này vẫn chưa giải quyết được Ngoài phương pháp số, các phương pháp khác cũng chỉ giải cho một lớp các bài toán nhất định, thậm chí, một số công thức giải tích phải dựa trên kết quả phương

pháp tương tự điện thấm mới lập được, song phạm vi ứng dụng cũng còn rất hạn chế Cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, phương pháp số đã chiếm ưu thế trong việc giải quyết các bài toán lý thuyết thấm, nhất là bài toán có biến thay đối và chế độ vận động trong môi trường có cấu tạo địa chất phức tạp Đặc biệt các phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn đang được dùng rộng rãi phổ biến Vì các phương pháp này không những có một cơ sở toán học chặt chẽ, dễ dàng tự động hóa trên máy tính, có khả năng giải được tất cả các bài toán thấm với mức độ chính xác phù hợp thực tế và thỏa mãn trong yêu cầu kỹ thuật Đối với các bài toán lý thuyết thấm trong môi trường có cấu tạo địa chất phức tạp thì phương pháp phần tử hữu hạn tỏ ra ưu việt hơn, có thể giải được các bài toán thấm phi tuyến, thấm không dừng và thấm trong điều kiện trạng thái đàn hồi Phương pháp này ở nước ngoài đã được ứng dụng từ vài chục năm trước đây để giải các bài toán thấm qua đập và công trình thủy công, nhưng việc giải các bài toán thấm không ổn định qua đập và thấm không gian thì kết quả chưa nhiều

Ở Việt Nam phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cũng đã được ứng dụng trong giải các bài toán thấm qua công trình thủy lợi nhưng chưa phổ biến Chủ yếu còn ở mức độ nghiên cứu Năm 1978, Hoàng Thọ Điềm đã dùng phương pháp PTHH để nghiên cứu thấm dưới công trình lấy nước không đập trên nền phân lớp với bài toán thấm ổn định có áp

Đoàn Ngọc Đấu sử dụng để nghiên cứu thấm và ổn định của đập đá đổ trong trường hợp chỉ xét bài toán thấm qua lõi đập Năm 1985, Ngô Văn Lược (Viện toán) đã ứng dụng phương pháp PTHH để giải bài toán thấm qua vùng lõi đập trong thời kỳ thi công với bài toán thấm phẳng ổn định không áp Năm 1986, Đặng Văn

Ba đã mô hình hóa giải bài toán thấm không áp không ổn định qua đập đồng chất trên nền không thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Các kết quả lời giải cũng đã có so sánh với phương pháp tương tự điện thuỷ động lực hay với phương pháp máng khe hẹp, cho thấy khá phù hợp và tin cậy Tuy nhiên những nghiên cứu này vẫn chưa xét đến những khả năng phá vỡ cục bộ điều kiện thấm Darcy và gắn liền với kiểm tra điều kiện ổn định thấm cho công trình

cùng với nền của nó

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này đã nêu được các vấn đề : tổng quan về đập VLĐP , cấu tạo và thiết bị chống thấm cho đập VLĐP , một số sự cố do biến dạng thấm qua thân đập , một số giải pháp kết cấu đập để giảm thấm và một vài ph ương pháp tính thấm qua đập ở nước ta hiện nay

Đập VLĐP là loại công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa nước phù hợp với đặc điểm địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thi công ở nước ta Tuy nhiên đập VLĐP đặc biệt là đập đất thường hay gặp những rủi

ro, sự cố gây mất an toàn cho đập nếu trong công tác thiết kế và thi công không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Do đập làm bằng các VLĐP thường xuyên chịu tác dụng của cột nước, khi có chênh lệch cột nước sẽ hình thành dòng thấm trong thân đập và nền, nếu không kiểm soát tốt dòng thấm có thể gây ra mất nước, hư hỏng công trình, thậm chí còn ảnh hưởng tới sự an toàn cho vùng hạ lưu đập Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp chống thấm là một k hâu quan trọng trong thiết kế và thi công đập VLĐP

Trên cơ sở các lý thuyết nghiên cứu về thấm , các phương pháp tính toán thấm áp dụng vào nghiên cứu một cách định lượng về kích thước của lõi đất chống thấm cho đập VLĐP , từ kết quả nghiên cứu có thể áp dụng giúp cho người thiết kế định dạng được kích thước của lõi đất chống thấm cho đập VLĐP Các vấn đề trên

sẽ được tác giả trình bày ở các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LÝ THUYẾT THẤM

Hiện tượng thấm của đất trong môi trường lỗ rỗng bằng đất đã được H Darcy (Pháp) nghiên cứu từ năm 1852 Trên cơ sở thực nghiệm, năm 1856 ông tìm ra quy luật thấm của nước trong môi trường lỗ rỗng: Tốc độ thấm tỷ lệ với gradient áp lực, được gọi là định luật thấm đường thẳng hay thấm Darcy:

L

H KJ

∆H – Độ chênh cột nước áp lực trong đoạn ∆L

Khi sử dụng định luật Darcy để giải quyết một số bài toán thực tế - năm

1857, Duypuy (một kỹ sư người Pháp) đã đưa ra công thức dạng vi phân:

S

H K v

∂

∂

−

= (2-2)

dùng để xác định lưu lượng của các dòng thấm

Năm 1889, N.K.Giucopski đã đưa ra phương trình vi phân cơ bản về sự vận động của nước trong đất, và năm 1889 đã cho xuất bản tác phẩm "Nghiên cứu lý thuyết vận động cửa nước ngầm", trong đó có đưa vào khái niệm lực cản và lực khối lượng khi thấm Ông là người đầu tiên đặt cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển

lý thuyết thấm

Các tác phẩm của Pavlovxki N.N, Laybenzon Z.S, Gerxeoanov N.M đã hoàn thiện đầy đủ thêm cho cơ sở lý thuyết vận động cửa nước trong đất và đưa ra những điều kiện để sử dụng những định luật thấm Darcy

Từ năm 1904 Butxineet đã nghiên cứu về vấn đề lý thuyết vận động không ổn định của dòng thấm và đã thành lập phương trình vi phân vận động không ổn định của dòng nước trong đất

K

q x

H

∂ '

η (2-3)

Coi hàm cột nước áp lực H chỉ thay đổi theo chiều vận động x

Trong đó : η – Hệ số sức chứa đàn hồi,

q – Lưu lượng bổ sung

Hiện nay phương trình (2-3) vẫn được coi là phương trình vi phân cơ bản vận động không ổn định của nước trong đất

Dựa vào phương trình vi phân chuyển động của môi trường liên tục Ơle, một số tác giả như Pavlopxki N.N, Aravin V.I, Numerop X.N cũng rút ra phương trình vi phân Trugaev R.R dựa trên nguyên tắc D’Alembert, thiết lập đa giác lực thấm cơ bản và đã rút ra hệ phương trình vi của lý thuyết thấm biểu diễn ở dạng khác

Một cách tổng quát nhất, phương trình cơ bản của lý thuyết thấm trong điều kiện thấm Darcy có thể đưa về dạng phương trình Navestoc

Tiếp tục phát triển lý thuyết thấm của Jucopxki N.E, Pavlopxki N.N, Laybenzon

là những công trình nghiên cứu của các tác giả Zamarin E.A, Grisin N.E, Selkatrev V.N, Kamenxki G.N, được công bố và sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực liên quan Bên cạnh xu hướng phân dị, chỉ nghiên cứu sự vận động riêng biệt của nước trong đất, xu hướng nghiên cứu tổng hợp mối liên quan giữa sự vận động của nước dưới đất với quá trình biến dạng của môi trường đất đá cũng đã được chú ý phát

triển Vấn đề này tuy được Pavlopxki N.N và Gerxevanov N.M đưa ra nghiên cứu

từ lâu, song các kết quả nghiên cứu của Mironenko V.A và Sextakov V.M mới là những đóng góp đáng kể đầu tiên Trong tác phẩm của mình, các tác giả đã gắn liền nghiên cứu và phối hợp chặt chẽ những vấn đề cơ bản của cơ học đất đá với quá trình thấm của nước trong nó vào khuôn khổ một môn khoa học: "Thủy-Địa-Cơ" các tác giả như Vaxilep X.V., Verigia A.N., Glayca A.A Cũng nghiên cứu để tính toán giải các bài toán thấm thực tế Khi nghiên cứu tổng hợp, trong hệ phương trình đang xét của mô hình toán học, ngoài các phương trình vi phân của lý thuyết thấm, còn thêm phương trình trạng thái của chất lỏng và trạng thái môi trường đất đá biến dạng

Cùng với sự phát triển và hoàn thiện lý thuyết trên cơ sở các mô hình toán học

và vật lý, các phương pháp để giải bài toán lý thuyết thấm thực tế đặt ra cững không ngừng hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi trong việc giải các bài toán thấm qua đập dâng nước nhất là đập bằng vật liệu địa phương

Tuy nhiên do tính phức tạp và đa dạng của các công trình thủy lợi, môi trường thấm là đập và nền của nó thường là các môi trường không đồng nhất và dị hướng, nên việc giải các hệ phương trình lý thuyết thấm gặp rất nhiều khó khăn về mặt toán học Do đó thực tế chỉ giải quyết được cho một vài trường hợp rất đơn giản như thấm qua đập đồng chất, thấm qua kênh, qua nền đồng chất hoặc được mô hình hóa, tính rút nước trong đập đột ngột với tiền đề là trong đập đã hình thành đường bão hòa ổn định ở mức nước cho trước

Hiện nay có rất nhiều mô hình toán học của lý thuyết thấm đang được sử dụng

để giải các bài toán thấm qua đập và các lĩnh vực liên quan Tùy thuộc vào mức độ yêu cầu và phương pháp giải mà lựa chọn mô hình toán học cho phù hợp

2.2 MÔI TRƯỜNG THẤM VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY RA THẤM

Sự chuyển động của chất lỏng trong môi trường đất , đá nứt nẻ hoặc trong môi trường xốp nói chung , gọi là thấm Khi xây dựng công trình thường xuất hiện hiện tượng thấm trong đất như thấm dưới đáy, thấm vòng quanh công trình; thấm đến

các hố móng thi công v v cho nên tính thấm có tầm quan trọng đặc biệt và là một khâu không thể thiếu được trong thiết kế công trình

Đặc trưng cho tính thấm được biểu hiện qua các đại lượng là hệ số thấm và vận tốc thấm

2.2.1.1 Hệ số thấm K

Hệ số thấm K có thể định nghĩa là vận tốc thấm khi Gradient thuỷ lực bằng đơn

vị Giá trị của hệ số thấm K được dùng để đo sức cản của đất với dòng thấm và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: Độ rỗng của đất, sự phân bố thành phần hạt, hình

2.2.1.2 Vận tốc thấm

Chuyển động của nước qua khối đất nói chung được gọi là thấm Trên tỷ lệ cực nhỏ thì khi qua các lỗ rỗng trong đất, nước sẽ đi theo các đường quanh co Tuy vậy giả định nước thấm theo đường thẳng Trong phương trình Darcy vận tốc V được hiểu là vận tốc bề mặt vì vận tốc liên hệ với diện tích mặt cắt A của đất, vận tốc thực VR s Rqua lỗ rỗng sẽ lớn hơn

A: Diện tích mặt cắt của đất

AR v R: Diện tích mặt cắt của lỗ rỗng

Vận tốc thực VR s R:

n

J k n

v A

A v V

v

Do đất có tính mao dẫn , nó xảy ra giữa các bề mặt nước , các hạt khoáng vật và không khí Khi bề mặt vật liệu đất tiếp xúc với nước , nước sẽ thâm nhập qua các khe hở (lỗ rỗng) ở bề mặt hạt đất, thẩm thấu theo các mao quản vào bên trong (mao dẫn) gây ra hiện tượng thấm

Ngoài ra các tính chất cơ - lý khác của đất như kết cấu hạt , kích thước hạt, các khoáng vật của đất , độ rỗng, độ chặt, độ ẩm, tính co ngót , tính trương nở , tan rã đều có ảnh hưởng đến tính thấm của đất

Chuyển động chậm của nước qua đất thường gọi là thấm hay chiết lọc (ngấm) Phân tích thấm có thể là phần quan trọng của các nghiên cứu về ổn định mái dốc, kiểm tra nhiễm bẩn nước ngầm và thiết kế đập đất Ngoài ra phân tích thấm bao gồm tính tốc độ thấm của dòng nước và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong chế độ thấm

Các nghiên cứu dòng thấm trạng thái ổn định bao gồm hai trạng thái: không đồng nhất, đẳng hướng và không đồng nhất, dị hướng

Ở trạng thái ổn định không đồng nhất, đẳng hướng nếu tại điểm bất kỳ trong khối đất có hệ số thấm theo phương x (kR x R) bằng hệ số thấm theo phương y (kR y R) (xem hình 2.1a) Tuy nhiên độ lớn của hệ số thấm có thể biến đổi từ điểm A đến

điểm B tùy thuộc độ hút dính trong đất

Thấm ở trạng thái ổn định không đồng nhất, dị hướng: tỷ số của hệ số thấm kR x Rtheo hướng x với hệ số thấm ky theo hướng y là hằng số tại điểm bất kỳ (kR x R/kR y R) tại A= (kR x R/kR y R), tại điểm B = const, nhưng khác đơn vị (xem hình 2.1b) Độ lớn của hệ

số thấm kR x R và kR y R cũng có thể biến đổi với độ hút dính từ vị trí này đến vị trí khác , nhưng tỷ số giả thiết của chúng vẫn là hằng số

Trường hợp thứ ba là có biến đổi liên tục của hệ số thấm (hình 2.1c) Tỷ số thấm (kR x R/kR y R) có thể không là hằng số từ vị trí này đến vị trí khác tức (kR x R/kR y R) tại A khác A (kR x R/kR y R) tại B và các hướng khác nhau có thể có các hàm thấm khác nhau

liên tục tính thấm theo không gian

Để tính thấm ở trạng thái ổn định, thường tính cho ba trường hợp: Dòng thấm một hướng, dòng thấm hai hướng và dòng thấm ba hướng

+ Dòng thấm một hướng: với đất không bão hòa hệ số thấm là hàm của độ hút dính biến đổi theo vị trí của dòng thấm theo hướng y (hướng chọn ban đầu của dòng thấm) Khi đất bão hòa, hệ số thấm nước kR wy Rcó thể lấy bằng hệ số thấm bão hòa, khi đất bão hòa là không đồng nhất (đất phân lớp) hệ số thấm kR s Rsẽ biến đổi theo vị trí; + Dòng thấm hai hướng: Thấm qua đập đất là một ví dụ cổ điển hình của dòng thấm hai hướng bao gồm d òng thấm qua các đới bão hòa và không bão hòa Dòng thấm qua đất bão hòa được xem là một trường hợp đặc biệt của dòng thấm qua đất không bão hòa Với phần bão hòa, hệ số thấm nước bằng hệ số thấm bão hòa kR s R Do

dị hướng, hệ số thấm bão hòa k R sx R theo hướng x và k R sy R theo hướng y không bằng nhau Do không đồng nhất, hệ số thấm bão hòa có thể thay đổi vị trí

+ Dòng thấm ba hướng: hệ số thấm tại một điểm biến đổi theo hướng x, y và z Tuy nhiên, các biến đổi tính thấm theo ba hướng sẽ được giả thiết là bị chi phối bởi cùng hàm thấm

Các nghiên cứu dòng thấm trạng thái không ổn định bao gồm dòng thấm hai hướng và ba hướng

- Dòng thấm hai hướng: ví dụ dòng nước thấm qua một đập đất trong khi hồ chứa dâng nước, sự thay đổi mực nước trong hồ chứa tại các thời điểm khác nhau sẽ khởi đầu cho các điều kiện dòng nước thấm trạng thái không ổn định Hơn nữa sự thấm và bốc hơi gây nên điều kiện dòng thấm hầu như thay đổi liên tục Dòng thấm

ở trường hợp này bao gồm thấm không ổn định trong đất đồng nhất và thấm không

Thấm dị hướng: tại một điểm cụ thể (xem hình vẽ 2.2), hệ số thấm lớn nhất hay chính kR w1 Rxảy ra theo phương sR 1 R, nghiêng góc α so với trục x (nghĩa là nằm ngang)

Hệ số thấm nhỏ nhất theo phương vuông góc với hệ số thấm lớn nhất (nghĩa là phương sR 2 R) và được gọi là hệ số thám nhỏ nhất kR w2 R Tỷ số giữa hệ số thấm chính và phụ là một hằng số khác một tại một điểm bất kỳ nào trong khối đất Độ lớn của các

hệ số thấm chính và phụ, kR w1 R và kR w2 R có thể biến đổi theo độ hút dính từ vị trí này sang vị trí khác (nghĩa là không đồng nhất) nhưng tỷ số của chúng giả thiết giữ không đổi tại mọi điểm

Hướng thấm

nhỏ nhất

Hướng thấm lớn nhất

K ở A = K ở Bw1 w1i=1,2, x hay y

Hỡnh 2.2: Biến thiờn thấm trong đất khụng bão hũa (khụng đồng nhất và dị hướng)

- Dũng thấm ba hướng: thường gặp với loại đất khụng bão hũa với pha khớ liờn tục Cỏc quan hệ hợp thành cho kết cấu đất, pha nước và pha khớ là cần phải cú để lập cỏc phương trỡnh cõn bằng và liờn tục và được nghiờn cứu dưới dạng đàn hồi để lập cỏc biểu thức cố kết ba hướng

2.4 SƠ LƯỢC ĐỊNH LUẬT THẤM CƠ BẢN

Thấm được xỏc định là một đặc trưng của mụi trường xốp trong đú cho phép dũng thấm của chất lỏng như nước chảy qua cỏc lỗ rỗng liờn thụng với nhau Dựa vào thớ nghiệm Darcy xỏc định được quan hệ sau :

Δ

=

∆H: Độ chờnh cột nước ỏp lực trờn chiều dài dũng thấm ∆L

Từ đú xỏc định được lưu lượng thấm q qua diện tớch A:

q = V.A = k.J.A (2-8)

Hình 2.3 : Dòng thấm một hướng trong môi trường đất

Phương trình Becnuli: tổng cột nước H tạo ra dòng thấm bằng tổng của ba cột nước thành phần:

g

uh

w z

υ

γ ++

Trong trường hợp tổng quát của bài toàn ba chiều , định luật Darcy được viết như sau:

u

h K