Đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định đập đất hồ chứa nước diên trường, tỉnh quảng ngãi

LỜI CẢM ƠN Qua quá trình nỗ lực phấn đấu học tập và nghiên cứu của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa và bạn bè đồng nghiệp, Luận văn Thạ

- -

LÊ VĂN HẬU

ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC

DIÊN TRƯỜNG - TỈNH QUẢNG NGÃI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2019

- -

LÊ VĂN HẬU

ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC

DIÊN TRƯỜNG TỈNH QUẢNG NGÃI

Chuyên Ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THUỶ

Mã Số: 858.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ VĂN THẢO

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực và kết quả của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Văn Hậu

LỜI CẢM ƠN

Qua quá trình nỗ lực phấn đấu học tập và nghiên cứu của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa và bạn bè đồng

nghiệp, Luận văn Thạc sỹ “Đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp nâng cao ổn

định đập đất hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi” đã được hoàn thành Để

có được kết quả này, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Văn Thảongười đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Xây dựng Thuỷ lợi - Thuỷ điện, Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập

và thực hiện luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến Công ty TNHH một thành viên Khai thác công trình thuỷ lợi Quảng Ngãi, Trạm Quản lý thuỷ nông số 6 - Đức Phổ đã cung cấp số liệu dự án, thông tin cần thiết về công trình và góp ý cho các giải pháp tác giả đưa ra nghiên cứu; Cảm ơn tất cả anh chị em cơ quan đang công tác, gia đình, bạn bè

đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khoá học và luận văn này Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học và kinh nghiệm trong việc áp dụng các công nghệ mới hiện nay nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự góp ý kiến và trao đổi chân thành của quý thầy cô để tác giả hoàn thiện hơn đề tài của luận văn Xin chân thành cảm ơn./.

Đà Nẵng, tháng 8 năm 2019

Tác giả

Lê Văn Hậu

TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC DIÊN TRƯỜNG, TỈNH QUẢNG NGÃI

Học viên: Lê Văn Hậu; Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 858.02.02; Khóa: 2017 – 2019; Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Công trình hồ chứa nước Diên Trường có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo

cấp nước dân sinh và tưới ổn định cho 500ha lúa, hoa màu của nhân dân xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi Hiện trạng mất ổn định hiện nay là thấm qua thân đập đất tại khu vực lòng suối; xuất hiện vết nứt ở thân đập đất phía gần tràn

xã lũ, vị trí vết nứt nằm ở giữa mặt đập và dọc theo chiều dài thân đập

Hiện nay toàn tỉnh Quảng Ngãi có 123 hồ chứa nước với tổng dung tích thiết kế trên 407 triệu m3 Qua kiểm tra, rà soát hiện có 38 hồ chứa nước bị hư hỏng, xuống cấp nặng, mất ổn định cần được ưu tiên sửa chữa, nâng cấp Vì vậy, đánh giá hiện trạng

và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định đập đất hồ chứa nước Diên Trường - Tỉnh Quảng

Ngãi là đề tài nghiên cứu có phạm vi sâu rộng, mang tính ứng dụng thực tế cao, hy

vọng sẽ được đưa vào áp dụng vào triển khai rộng rãi cho đập đất tại các hồ chứa nước trên địa bàn toàn tỉnh Quảng Ngãi trong thời gian đến

Dùng phần mềm Flaxis để xác định các hệ số ổn định của đập theo các trường hợp khác nhau của hiện trạng đập đất và đề xuất giải pháp xử lý

Từ khóa: Lưu vực hồ Diên Trường; Thấm; Ổn định; Phần mềm tính toán; Flaxis

ABSTRACT EVALUATION OF CURRENT STATUS AND PROPOSAL SOLUTIONS TO IMPROVE EARTH DAM STABILITY FOR DIEN TRUONG RESERVIOR IN

QUANG NGAI PROVINCE

Student: Le Van Hau Major: Hydraulic Engineering

Code: 858.02.02; Year: 2017 - 2019 University of Science and Technology – The University of Danang

Abstract: The Dien Truong reservoir project plays an important role in ensuring the

supply of residential water and stable irrigation for 500ha of rice, crops for people in Pho Khanh commune, Duc Pho district, Quang Ngai province The current situation of instability is seeping through the earth dam body located at the watercourse; cracks appear in the body of the earth dam near the flood spillway, the position of the crack is located between the dam face and along the length of the dam body

Currently, Quang Ngai province has 123 reservoirs with a total design capacity of over 407 million m3 Through checking and reviewing, there are currently 38 damaged reservoirs, seriously degraded and destabilized, which should be prioritized to repair and upgrade Therefore, evaluation of current situation and proposing solutions to improve the earth dam stability of Dien Truong reservoir for Quang Ngai province is

a research topic which brings a wide range and high practical applications, this study hope to deploy widely for earth dams of reservoirs in Quang Ngai province in the coming time

Using Flaxis software to determine the stability coefficients of the dam for the different cases of the earth dam current situation and proposing a reasonable treatment solution

Keywords: Basin of Dien Truong reservoir; seep; stability; Calculation software;

Flaxis Software

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC BẢNG VIII DANH MỤC CÁC HÌNH IX

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

6 Cấu trúc luận văn 3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ CHỨA NƯỚC 4

1.1 Lý thuyết về thấm 4

1.1.1 Sự ảnh hưởng của các loại đất đắp đập đến dòng thấm 4

1.1.2 Tác hại của dòng thấm 5

1.1.3 Phân loại dòng thấm 6

1.2 Lý thuyết ổn định 7

1.2.1 Đặt vấn đề 7

1.2.2 Điều kiện làm việc của đập đất 9

1.2.3 Các trường hợp tính toán ổn định mái đập 10

1.2.4 Đánh giá ổn định mái dốc đập 11

1.3 Tổng quan về đập đất trên thế giới 12

1.4 Tổng quan về đập đất ở Việt Nam 14

1.4.1.Tình hình chung 14

1.4.2 Một số nhận xét, đánh giá 16

1.5 Những khả năng mất an toàn đập đất 17

1.5.1 Điều kiện làm việc của đập đất 17

1.5.2 Nước tràn qua đỉnh đập 17

1.5.3 Sạt trượt thiết bị bảo vệ mái đập thượng lưu 18

1.5.4 Thấm vượt quá giới hạn, sủi nước ở nền đập 19

1.5.5 Thấm vượt giới hạn, sủi nước ở vai đập 19

1.5.6 Thấm vượt giới hạn, sủi nước ở bên công trình 20

1.5.7 Thấm vượt giới hạn, sủi nước trong thân đập 20

1.5.8 Nứt ngang đập 22

1.5.9 Nứt dọc đập 22

1.5.10 Nứt nẻ sâu mặt đập hoặc mái đập 23

1.5.11 Trượt sâu mái đập thượng lưu 23

1.5.12 Trượt sâu mái đập hạ lưu 24

1.5.13 Hư hỏng do mối gây ra 25

1.6 Phân loại sự cố và phân tích nguyên nhân gây ra sự cố đập đất 25

1.6.1 Phân loại sự cố 25

1.6.2 Phân tích nguyên nhân gây ra sự cố 26

1.7 Điều kiện làm việc của hồ đập hiện nay và các hướng nghiên cứu đảm bảo an toàn hồ đập 28

1.7.1 Điều kiện làm việc của hồ, đập hiện nay 28

1.7.2 Các hướng nghiên cứu để đảm bảo an toàn hồ đập 29

1.8 Những kết quả nghiên cứu về an toàn đập đất trong nước 30

1.9 Những kết quả nghiên cứu về an toàn đập đất trên thế giới 31

1.10 Phần mềm tính toán ổn định 32

1.11 Tổng hợp chương 1 32

CHƯƠNG 2 - LỊCH SỬ VÀ HIỆN TRẠNG THẤM CỦA ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC DIÊN TRƯỜNG, TỈNH QUẢNG NGÃI 34

2.1 Giới thiệu dự án hồ chứa nước Diên Trường 34

2.1.1 Vị trí địa lý 34

2.1.2 Địa hình, sông suối 34

2.1.3 Đặc điểm khí hậu 34

2.1.4 Đặc điểm thuỷ văn 38

2.2 Lịch sử mất ổn định của công trình 41

2.3 Hiện trạng công trình 44

2.3.1 Hồ chứa 44

2.3.2 Đập đất 44

2.3.3 Tràn xả lũ 46

2.3.4 Cống lấy nước: 48

2.3.5 Kênh và công trình trên kênh: 48

2.4 Tổng hợp chương 2 49

CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT VÀ KIẾN NGHỊ GIẢI PHÁP XỬ LÝ 50

3.1 Mô phỏng số với phần mềm Flaxis 50

3.2 Tính ổn định hiện trạng cho đập đất 50

3.2.1 Tài liệu tính toán 50

3.2.2 Các trường hợp tính toán 52

3.2.3 Phương pháp tính toán 52

3.2.4 Kết quả tính toán 52

3.3 Giải pháp xử lý nâng cao ổn định đập đất hồ Diên Trường 55

3.3.1 Giải pháp xử lý thấm cho hồ Diên Trường 55

3.3.2 Thiết kế phương án tạo tường chống thấm bằng Jet-grouting 73

3.3.3 Thiết kế thi công tạo tường chống thấm bằng Jet-grouting 75

3.4 Kiểm tra ổn định đập đất sau khi áp dụng phương pháp xử lý thấm và nứt bằng Jet-grouting 78

3.4.1 Tài liệu tính toán 78

3.4.2 Các trường hợp tính toán 80

3.4.3 Phương pháp tính toán 80

3.4.4 Kết quả tính toán 80

3.5 Tổng hợp chương 3 83

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

1 Kết luận 84

2 Kiến nghị 84

3 Hướng phát triển của đề tài 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

Tiếng Việt 86

Tiếng Anh 88

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Hệ số thấm của các loại đất đá khác nhau (theo N.M Maxiov) 5

Bảng 1.2: Các trường hợp tính toán ổn định đập đất 10

Bảng 1.3: Hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất của mái đập [Kcp] 11

Bảng 1.4: Một số đập đất cao hơn 100m 12

Bảng 1.5: Thống kê một số đập đất lớn ở Việt Nam 15

Bảng 1.6: Thống kê sự cố ở các loại hồ chứa 26

Bảng 2.1: Nhiệt độ Trạm Quảng Ngãi (giai đoạn 1977 ÷ 2017) 37

Bảng 2.2: Độ ẩm tương đối trung bình Trạm Quảng Ngãi giai đoạn (1977 ÷ 2017) 37

Bảng 2.3: Lượng bốc hơi ống Zpiche Trạm Quảng Ngãi thời kỳ 1977 ÷ 2017 38

Bảng 2.4: Số giờ nắng trung bình Trạm Quảng Ngãi (giờ/ngày) 38

Bảng 2.5: Tình hình các Trạm quan trắc khí tượng khu vực tỉnh Quảng Ngãi 39

Bảng 2.6: Các Trạm thuỷ văn lân cận khu vực hồ chứa 40

Bảng 2.7: Các thông số kỹ thuật cơ bản của hồ chứa nước Diên Trường 40

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập 51

Bảng 3.2: Các mực nước dùng trong tính toán 52

Bảng 3.3: Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and Freitag, 1959) 70

Bảng 3.4: Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) 70

Bảng 3.5: Bảng kiểm tra điều kiện bề dày tường lõi cọc Jet – grouting 75

Bảng 3.6: Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập 79

Bảng 3.7: Các mực nước dùng trong tính toán 79

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ vùng thấm mao dẫn (a), biểu đồ áp lực nước trong đập đất (b) 6

Hình 1.2: Mặt trượt dạng cung tròn (a), Mặt trượt dạng là một mặt phẳng gãy khúc (b) và (c) 8

Hình 1.3: Đập Oroville - Hoa kỳ 13

Hình 1.4: Hình ảnh một số đập đất lớn ở Việt Nam 16

Hình 1.5: Sự cố vỡ đập Bản Kiều - Trung Quốc 18

Hình 1.6: Trượt mái thượng lưu đập Từ Phổ (Trung Quốc) 19

Hình 1.7: Sự cố vỡ đập Ia karel 2 - Gia Lai 20

Hình 1.8: Sự cố vỡ đập Teton - Mỹ 21

Hình 1.9: Sự cố vỡ đập Am Chúa - Khánh Hòa 22

Hình 1.10: Vết nứt dọc trên mái đập EaSoup thượng – Đắk Lắk 23

Hình 1.11: Vùng thấm sình lầy mái hạ lưu trên hồ Kim Sơn 25

Hình 1.12: Hư hỏng do mối gây ra tại Đập thuỷ điện Azun Hạ, Gia Lai 25

Hình 2.1: Bảng đồ vị trí Hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi 35

Hình 2.2: Nứt dọc thân đập (ảnh chụp ngày 25/9/2018) 45

Hình 2.3: Thấm làm hỏng đá thoát nước hạ lưu (ảnh chụp ngày 25/9/2018) 45

Hình 2.4: Thấm làm xói lở hạ lưu (ảnh chụp ngày 25/9/2018) 46

Hình 2.5: Tràn xả lũ (ảnh chụp ngày 25/9/2018) 47

Hình 2.6: Hạ lưu Tràn xả lũ (ảnh chụp ngày 25/9/2018) 47

Hình 2.7: Cống lấy nước (ảnh chụp ngày 25/9/2018) 48

Hình 3.1: Mô hình hình học 53

Hình 3.2: Phân tích thấm 53

Hình 3.3: Mặt trượt nguy hiểm 54

Hình 3.4: Phân tích ứng suất ban đầu 54

Hình 3.5: Hệ số ổn định K=1.085 55

Hình 3.6: Chống thấm Hồ chứa nước bằng màng HDPE 56

Hình 3.7: Ứng dụng thảm bê tông FS bảo vệ bờ cho đập hồ chứa 58

Hình 3.8: Ứng dụng cừ bê tông cốt thép ứng suất trước chống thấm 59

Hình 3.9: Ứng dụng cừ bản nhựa chống thấm và chống sạt lở công trình 59

Hình 3.10: Thi công tường hào bentonite chống thấm 60

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Jet – Grouting 62

Hình 3.12: Cần khoang nòng đơn Jet-grouting, công nghệ đơn pha (Single Jet) 63

Hình 3.13: Cần khoan nòng đôi Jet-grouting, công nghệ hai pha (Twin Jet) 63

Hình 3.14: Hình ảnh cấu tạo chi tiết công nghệ hai pha (Twin Jet) 64

Hình 3.15: Cần khoan nòng ba Jet-grouting, công nghệ ba pha (Triple Jet) 64

Hình 3.16: Hình ảnh cấu tạo chi tiết công nghệ ba pha (Triple Jet) 65

Hình 3.17: Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt chống thấm 66

Hình 3.18: Công nghệ thi công cọc Xi măng đất theo kiểu cơ khí ( trộn khô) 67

Hình 3.19: Trình tự thi công cọc xi măng đất bằng công nghệ trộn khô 67

Hình 3.20: Công nghệ thi công Jet - Grouting (trộn ướt) 68

Hình 3.21: Mặt cắt điển hình đập 73

Hình 3.22: Sơ đồ bố trí một hàng cọc XMĐ D80 74

Hình 3.23: Sơ đồ bố trí hai hàng cọc XMĐ D60 75

Hình 3.24: Sơ đồ bố trí cọc Xi măng - đất 76

Hình 3.25: Sơ đồ bố trí lỗ khoang 76

Hình 3.26: Mặt bằng tạo tường chống thấm sau khi khoang phụt 77

Hình 3.27: Mô hình hình học 80

Hình 3.28: Phân tích thấm 81

Hình 3.29: Phân tích ứng suất ban đầu 81

Hình 3.30: Mặt trượt nguy hiểm 82

Hình 3.31: Trường vận tốc 82

Hình 3.32: Hệ số ổn định K=1.299 83

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Công trình hồ chứa nước Diên Trường thuộc địa phận thôn Diên Trường, xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi Công trình được khởi công xây dựng từ năm 1988 và hoàn thành đưa vào khai thác sử dụng cuối năm 1994 với dung tích toàn

bộ là 2,239 triệu mét khối, cung cấp nước tưới cho 200 ha đất nông nghiệp của xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ Trong quá trình khai thác sử dụng từ năm 1995 – 2009, hiện trạng công trình bị hư, xuống cấp như: Đập đất bị thấm lớn, Tràn xả lũ bị xói lở hạ lưu,

hệ thống kênh mương chưa hoàn chỉnh, chỉ tưới đủ 75 ha lúa 3 vụ trong khi năng lực thiết kế công trình đầu mối là 200 ha Đường giao thông phục vụ quản lý công trình chưa có, cho nên vào mùa mưa lũ không có đường xe ô tô vào ứng cứu công trình khi

có lũ vượt tần suất thiết kế

Mặt khác, theo báo cáo của Chủ đập là Công ty Khai thác công trình Thuỷ lợi Quảng Ngãi cho thấy vùng hưởng lợi đang thiếu nguồn nước tưới nghiêm trọng, hơn

300 ha đất canh tác của xã Phổ Khánh chưa được tưới, đời sống của nhân dân trong vùng gặp rất nhiều khó khăn, vùng hưởng lợi có nhiều tiềm năng về nuôi trồng thuỷ sản, nhu cầu dùng nước tăng lên Vì vậy, năm 2010, UBND tỉnh Quảng Ngãi đã bố trí kinh phí giao cho Sở Nông Nghiệp và Phát triển nông thôn Quảng Ngãi làm chủ đầu tư

Dự án sửa chữa, nâng cấp hồ chứa nước Diên Trường để đảm bảo an toàn hồ chứa, sau khi nâng cấp dung tích toàn bộ của hồ sẽ tăng lên là 4,429 triệu mét khối, cung cấp nước tưới ổn định cho 500 ha đất canh tác nông nghiệp, 150 ha đất mặt nước cho nuôi trồng thủy sản và cấp nước sinh hoạt cho 4.500 hộ dân xã Phổ Khánh

Sau thời gian nâng cấp từ năm 2010 đến năm 2016, công trình hoạt động ổn định, tích trữ nước đảm bảo tưới ổn định cho 500ha lúa và hoa màu của nhân dân xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi Nhưng đến năm đầu năm 2017 công trình có hiện tượng thấm lớn khu vực ở giữa thân đập đất (mặc dù trong thiết kế sữa chữa nâng cấp vào năm 2010 đã dùng giải pháp chống thấm cho thân và nền đập đoạn lòng suối là khoan phụt dung dịch vữa xi măng, bentonit với tổng chiều dài khoan phụt là 88,5m) Đặc biệt, hiện tượng mất ổn định nhất của công trình hiện nay là xuất hiện vết nứt ở thân đập đất phía gần tràn xã lũ, vị trí vết nứt nằm ở giữa mặt đập và

dọc theo chiều dài thân đập, vết nứt dài nhất có chiều dài L=30m, chiều rộng vết nứt từ 1-3 cm và còn nhiều vết nứt cục bộ dài từ 2-4m

Theo tham khảo từ đơn vị quản lý hồ là Trạm Quản lý thuỷ nông số 6, Đức Phổ, với hiện tượng nứt bất thường của công trình, năm 2017 đơn vị đã gửi báo cáo lên cấp trên và đoàn công tác của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Quảng Ngãi đã vào thực tế để kiểm tra đánh giá nhưng chưa tìm ra nguyên nhân gây nứt Đoàn công tác đã chỉ đạo cho chủ đập phải thường xuyên theo dõi hiện tượng trên nhất là vào mùa mưa lũ và khi hồ tích đầy nước để báo cáo kịp thời lên cấp trên chỉ đạo xử lý

Đối với hiện tượng thấm, đơn vị quản lý hồ cho biết khi hồ tích nước từ cao trình 17.0 trở lên thì xảy ra hiện tượng thấm lớn ở khu vực giữa đập đất, làm hỏng đống đá đổ thoát nước hạ lưu đập

Mặt khác, Hiện nay hồ chứa nước trên thế giới được xây dựng và phát triển rất

đa dạng, phong phú Mặt tích cực của hồ chứa là những công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước và mang tính đa chức năng Mặt hạn chế khi xây dựng hồ là: nếu có sơ xuất trong thiết kế, xây dựng, vận hành khai thác hoặc trình độ kỹ thuật quản lý sử dụng chưa cao không đáp ứng đòi hỏi của thực tế thì có thể gây ra sự cố dẫn đến những hậu quả khôn lường Với tốc độ phát triển xây dựng hồ chứa nước nhanh đã đem lại nhiều lợi ích khác nhau Nhưng những sự cố, hư hỏng, cũng tăng theo Sự cố,

hư hỏng có thể diễn ra ở tổng thể cụm đầu mối, có thể ở một công trình hoặc một bộ phận công trình, hoặc do hư hỏng, sự cố công trình vùng lân cận Song dù sự cố diễn

ra ở đâu, chỗ nào trong cụm công trình đầu mối cũng đều dẫn đến an toàn kỹ thuật của

hồ chứa không đảm bảo, có thể gây thảm họa cho hạ lưu và như thế an toàn thực thi nhiệm vụ của hồ chứa nước cũng không còn Nghĩa là tạo nên thiệt hại kép khi đầu mối hồ chứa mất an toàn Nguyên nhân gây ra sự cố có thể do thấm vượt quá giới hạn; sạt trượt lớp bảo vệ mái; trượt mái; nước tràn qua đỉnh đập chắn; công trình tràn xả lũ

bị hỏng; cống lấy nước bị lún, gãy; cửa van trên tràn xả lũ bị gãy Do vậy đề tài

“ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC DIÊN TRƯỜNG, TỈNH QUẢNG NGÃI” và đề

xuất các giải pháp an toàn cho đập đất là rất cần thiết

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

- Đánh giá hiện trạng đập đất của hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi

- Phân tích ổn định của đập đất dưới tác dụng của dòng thấm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Ổn định đập đất hồ chứa nước Diên Trường

- Phạm vi nghiên cứu: Đập đất

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết mục tiêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau:

- Điều tra, thu thập số liệu, tài liệu địa hình, địa chất thủy văn, lịch sử của đập đất và hiện trạng của công trình

- Sử dụng mô hình số Flaxis của Hà Lan để phân tích ổn định dưới tác dụng của dòng thấm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định phân đập đất hồ Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi có ý nghĩa thực tiễn trong quản lý an toàn đập Kết quả của

đề tài là cơ sở có tính khoa học để các đơn vị chức năng đề xuất phương án nhằm đảm bảo ổn định cho đập

6 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn gồm:

- Phần mở đầu;

- Chương 1: Tổng quan về đập đất của hồ chứa nước;

- Chương 2: Lịch sử và hiện trạng thấm của đập đất hồ chứa nước Diên Trường, Tỉnh Quảng Ngãi;

- Chương 3: Phân tích ổn định của đập đất và kiến nghị giải pháp xử lý;

- Phần kết luận và kiến nghị

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ CHỨA NƯỚC

1

1.1 Lý thuyết về thấm

Thấm là sự chuyển động của chất lỏng ( nước, dầu, hơi nước…) trong đất, trong

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

Tính thấm nước của đất đá phụ thuộc nhiều nhân tố, quan trọng nhất là đường cong, thành phần hạt, kích thước, hình dạng lỗ rỗng và độ rỗng, nó được quyết định bởi độ phân tán và thành phần khoáng vật của đất đá Vì vậy mà đất sét có tính thấm nước không đáng kể so với cuội sỏi và khi chứa monmorilonit sẽ làm giảm kích thước

lỗ rỗng của đất Do tính thấm nhỏ nên đất sét thường dùng để làm lõi hoặc tường chống thấm trong thân đập, nền công trình và kênh dẫn…

Sự xuất hiện của dòng thấm qua đập đất gây nên những tác hại nhiều lúc rất lớn

về mặt tổn thất lượng nước cũng như tính bền vững của công trình Do đó, trong thiết

kế và xây dựng đập đất vấn đề nghiên cứu, đánh giá những đặc trưng của dòng thấm là một khâu quan trọng không thể thiếu [8]

1.1.1 Sự ảnh hưởng của các loại đất đắp đập đến dòng thấm

Đất đá có thành phần hạt không đồng nhất thường có tính thấm nước lớn hơn đất đá có thành phần hạt đồng nhất, sự có mặt của nhóm hạt sét sẽ làm cho tính thấm của cát giảm Cấu trúc của đất ảnh hưởng đến tính thấm của nó Cấu tạo lớp, dải, gơnai…làm cho tính thấm của đất đá không đẳng hướng Khả năng thấm nước lớn nhất theo phương song song với mặt lớp, phương kéo dài của dải Sự có mặt của các lớp kẹp không thấm nước có tính dị hướng rõ rệt Khi phá hoại kết cấu của đất cũng như sự đầm chặt nhân tạo có khả năng thay đổi lớn tính thấm của đất Ngoài ra, nồng

độ điện phân trong nước và các cation trao đổi có ảnh hưởng rất lớn đến tính thấm

nước của đất sét [15]

Dựa theo nghiên cứu của N.M Maxiov, hệ số thấm của một số loại đất phổ biến như ở bảng 1.1

Bảng 1.1: Hệ số thấm của các loại đất đá khác nhau (theo N.M Maxiov)

k (m/ngđ)

Đặc điểm của đất đá theo tính thấm nước Đất sét, đá cứng liền khối

Đất sét pha, cát pha nặng, cát kết không

đến 0,5 đến 5 đến 50

> 50

thực tế không thấm nước thấm nước rất yếu

thấm nước yếu thấm nước thấm nước tốt thấm nước mạnh

1.1.2 Tác hại của dòng thấm

Trong thời gian làm việc bình thường của công trình sẽ tạo ra sự chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu Nước di chuyển qua các khe rỗng trong đất đắp, nền và hai bên vai công trình tạo thành dòng thấm Đối với công trình và môi trường xung quanh, dòng thấm sẽ gây ra những ảnh hưởng bất lợi như sau [10]:

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

- Lún, sập cục bộ ở mặt đập

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

- Thấm hoặc sủi bọt nước ở mái đập

- Thấm hoặc sủi bọt nước ở vai đập

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

- Lún hoặc chênh lệch quá mức cho phép

- Có hiện tượng chuyển vị về phía hạ lưu

- Nứt thân đập: bao gồm các hiện tượng nứt ngang và nứt dọc

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

h : cột nước thấm kể từ đường bão hòa đến đáy đập (m)

hm : chiều cao mao dẫn (m)

a: hệ số kể đến mức độ chứa nước trong lớp mao dẫn lấy bằng 0,3÷0,4 [3]

Dưới góc độ đảm bảo sự làm việc tin cậy của đập đất thì nghiên cứu thấm không ổn định có một vai trò quan trọng Đáng chú ý là trường hợp chuyển động thấm không ổn định ở khu vực mái thượng lưu của đập và ở mái dốc hai bờ phía thượng lưu khi mực nước trong hồ chứa hạ đột ngột với vận tốc lớn

b) Dòng thấm có áp và thấm không áp

Dòng thấm có áp: Khi nó bị giới hạn từ phía trên bởi biên cứng, dòng thấm không có mặt thoáng, chuyển động của dòng thấm giống như nước chảy trong ống có

áp Đây là trường hợp khi xét dòng thấm dưới đáy công trình [3]

Dòng thấm không áp: Khi nó không bị giới hạn từ phía trên bởi công trình Đây

là trường hợp dòng thấm hai bên vai công trình, dòng thấm qua thân đập đất Giới hạn phía trên của dòng thấm là mặt thoáng hay mặt bão hòa, tại đây có áp suất bằng áp suất khí trời

c) Dòng thấm phẳng và thấm không gian

Đối với các đập xây dựng ở sông đồng bằng thường có chiều cao nhỏ, chiều dài lớn, do đó chuyển động thấm trong phạm vi phần lớn chiều dài đập là thấm gần như phẳng, nghĩa là dòng thấm gần vuông góc với trục dọc của đập Các đập cao xây dựng ở vùng núi, hoặc trên các sông suối hẹp thì chuyển động của dòng thấm có tính không gian rõ rệt [3]

d) Hiện tượng mao dẫn trong thấm không áp

Dòng thấm qua đập đất đá là thấm không áp có mặt bão hòa là mặt thoáng tự

do, vì vậy phía trên mặt bão hòa hình thành vùng đất có độ ẩm giảm dần dưới tác dụng của lực mao dẫn Chiều cao mao dẫn và sự phân bố độ ẩm của đất ở vùng mao dẫn phụ thuộc vào kích thước lổ rỗng giữa các hạt đất đá [3]

1.2 Lý thuyết ổn định

1.2.1 Đặt vấn đề

Theo tài liệu về ổn định [8], đưa ra vấn đề ổn định trượt mái dốc đập như sau: 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 và trượt theo mặt nền như các loại công trình trọng lực bằng bê tông khác

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

Tính chất cơ lý của vật liệu làm thân đập là những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến 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 lổ rổng xuất hiện trong quá trình cố kết vv…Do

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

Vì vậy, mục đích của việc tính toán ổn định là trên cơ sở tính toán mà xác định một cách hợp lý nhất có nghĩa là lựa chọn một mặt cắt đập sao cho đảm bảo ổn định trong mọi điều kiện và kinh tế nhất

Tính toán ổn định mái dốc đập đất thường tiến hành trong những trường hợp sau đây:

- Trường hợp xây dựng: Khi công trình đã xây dựng xong và thượng lưu có chứa nước

- Trường hợp chứa nước: khi công trình đã xây dựng xong và cột nước trước đập đã dâng lên một mức nào đấy

- Trường hợp khai thác:

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

+ Khi mực nước thượng lưu hạ thấp đột ngột

Thực tế tính toán cho thấy rằng trường hợp nguy hiểm nhất đối với mái dốc thượng lưu khi mực nước trước đập chỉ dâng cao ở mức lưng chừng nào đó và khi mực 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 trong trường hợp chiều sâu nước trước đập chỉ bằng 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

Hình 1.2: Mặt trượt dạng cung tròn (a), Mặt trượt dạng là một mặt phẳng gãy

khúc (b) và (c)

Đối với mái dốc hạ lưu trường hợp bất lợi nhất về mặt ổn định là khi mực 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 nghiên ) làm bằng vật liệu

hạt bé thì trong quá trình cố kết có thể gây nên mất ổn định cho cả hai mái dốc thượng

và hạ lưu (do xuất hiện áp lực lổ rỗng)

Về hình dạng mặt trượt của mái dốc hiện nay có rất nhiều giả thiết nhưng trong tính toán thực tế thông thường dựa vào hai giả thiết sau đây:

+ Mặt trượt dạng cung tròn (Hình 1.2a);

+ Mặt trượt có dạng là một mặt phẳng gãy khúc (Hình 1.2b và Hình 1.2c) Qui phạm thiết kế đập đất của nhiều nước trên thế giới đều công nhận hai giả thiết này để tính toán

Giả thiết mặt trượt có dạng hình cung tròn do học giả Thụy Điển K.E.Pettecxơn

đề nghị từ năm 1916 Về sau, các nhà nghiên cứu về ổn định mái dốc xác nhận giả thiết này là phù hợp với thực tế, nhất là đối với những mái dốc đồng nhất Mái dốc bị trượt theo mặt phẳng gãy khúc thường xảy ra khi mái dốc gồm nhiều lớp đất có tính chất cơ lý khác nhau (hình1.2b) hoặc khi trong nền có lớp đất chịu lực yếu (hình 1.2c)

Ngoài hai giả thiết cơ bản về mặt trượt trên đây, trong một số trường hợp tính toán đối với một số đập hỗn hợp gồm nhiều loại đất khác nhau, còn có giả thiết mặt trượt trong lõi giữa có dạng hình cung tròn còn trượt ở phần lăng trụ bên có dạng mặt phẳng v.v Đối với đập đất, trong tuyệt đại đa số trường hợp đều thích hợp với điều kiện mặt trượt có dạng hình cung tròn cho nên trong trường hợp này chỉ đề cập các phương pháp tính toán ổn định của mái dốc đến khi mặt trượt là cung tròn

1.2.2 Điều kiện làm việc của đập đất

Trong quá trình thi công, sửa chữa và vận hành, sự làm việc của đập đất được chia thành 2 điều kiện làm việc như sau [10]

a) Làm việc bình thường

Thời kỳ thấm ổn định, ứng với mực nước hồ nằm trong phạm vi từ mực nước dâng bình thường (MNDBT) đến mực nước chết (MNC);

- Hồ ở mực nước lớn nhất thiết kế có xét đến điều kiện rút nước nhanh phát sinh

do khai thác bình thường

b) Làm việc không bình thường

Xét một trong các trường hợp sau:

- Thời kỳ thi công;

- Hồ ở mực nước lũ kiểm tra lớn nhất có thể hình thành thấm ổn định

- Mực nước hồ giảm nhanh từ mực nước lũ kiểm tra hoặc từ mực nước dâng bình thường xuống đến mực nước đảm bảo an toàn cho đầu mối khi hồ có nguy cơ sự

cố vỡ đập nhưng không được thấp hơn mực nước chết

- Các thiết bị tiêu nước trong thân đập làm việc không theo thiết kế (hư hỏng một phần) khi ở mực nước dâng bình thường

- Có động đất khi ở mực nước dâng bình thường

1.2.3 Các trường hợp tính toán ổn định mái đập

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 thi công, thi công xong, tích nước đến xả lũ, do đó cần lần lượt tính toán cho từng mái đập thượng lưu và

Đặc biệt

Cơ bản Hạ lưu

3 Ở thượng lưu là MNLNTK, ở hạ lưu là mực

nước ứng với Qxả thiết kế

Cơ bản Hạ lưu

4 Ở thượng lưu là MNLNTK, ở hạ lưu là mực

nước ứng với Qxả kiểm tra

Đặc biệt Hạ lưu

5

Ở thượng lưu là MNDBT, ở hạ lưu là mực nước trung bình thời kỳ cấp nước Bộ phận tiêu nước trong đập làm việc không bình thường

Đặc biệt Hạ lưu

Thượng lưu

Thượng lưu

Thượng lưu

9 Động

đất

Ở thượng lưu là MNDBT, ở hạ lưu là mực nước trung bình trong thời kỳ cấp nước, có xét đến động đất

Đặc biệt

Thượng,

hạ lưu

1.2.4 Đánh giá ổn định mái dốc đập

Hệ số an toàn về ổn định của mái đập không được nhỏ hơn hệ số an toàn cho

phép (K cp) theo cấp công trình và theo điều kiện làm việc của đập quy định ở bảng 1.3,

cụ thể như sau [10]

Hệ số ổn định của mái đập, mái bờ vai tính được trong điều kiện làm việc bình thường không được vượt quá 15 % đối với đập cấp III trở xuống, và không được vượt quá 20 % đối với đập cấp I, II so với các trị số quy định ở bảng 1.3

Bảng 1.3 cũng áp dụng để kiểm tra hệ số an toàn cho tường nghiêng, lớp bảo vệ

và gia cố mái đập hoặc các mặt trượt bất kỳ khác

Bảng 1.3: Hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất của mái đập [Kcp] Điều kiện làm việc

- Do vậy trong quá trình thiết kế và thi công đập đất, công tác tính toán dòng thấm qua thân và nền đập là rất quan trọng, nó làm cơ sở tính ổn định mái, kết cấu chống thấm, kết cấu các bộ phận tiêu nước hợp lý và kinh tế nhất, có tính quyết định đến sự ổn định cũng như tính lâu dài của đập

- Phương pháp tính toán thấm và ổn định đập hiện nay có rất nhiều phương pháp tính toán như phương pháp giải tích, phương pháp số Phương pháp Phần tử hửu hạn là một phương pháp số giải bài toán gần đúng về cơ học chất lỏng và đặc biệt là bài toán tính thấm và ổn định đập rất có hiệu quả

1.3 Tổng quan về đập đất trên thế giới

Đập đất là một loại đập xây dựng bằng vật liệu chủ yếu là các loại đất hiện có ở vùng xây dựng như: Sét, á sét, á cát, cát, sỏi, cuội… Đập đất có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công và có giá thành hạ, nên là loại đập được ứng dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các nước

Đập đất thường là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia nhiệm vụ dâng nước trong các hệ thống thủy lợi hay xây dựng nhằm mục đích chỉnh trị dòng sông Những thành tựu nghiện cứu về tràn nước qua đập đất cho đến nay chưa hoàn chỉnh nên chưa ứng dụng được

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 … Cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ Cho đến nay, các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất (riêng Nhật đã có 1.281 đập đất cao hơn 15m) trong đó có trên 70 đập cao hơn 75m theo bảng 1.4 [38]

Khối lượng 100m3

Năm hoàn thành

Số

cao (m)

Chiều dài (m)

Khối lượng 100m3

Năm hoàn thành

sự nghiệp xây dựng công trình thủy lợi

Ở Mỹ nếu tính từ năm 1963 trở lại đây thì đập bằng vật liệu địa phương, trong

đó chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ những đập đã xây dựng trong cùng thời gian Ở Anh từ 1964 lại đây đã nâng tỷ số lên 67% Trong các nước xã hội chủ nghĩa cũ đặc biệt là ở Liên Xô cũ, Trung Quốc đập đất hiện đang phát triển mạnh mẽ

Hiệu quả của hồ chứa nước là to lớn trên nhiều lĩnh vực nhưng nếu gặp rủi ro

vỡ đập, thiệt hại cũng sẽ thật khủng khiếp Hiện tượng vỡ đập không phải chỉ trên lý thuyết mà thực tế đã xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới và trong nước Trên thế giới: Theo

số liệu thống kê (Lemperiere-2000) số đập lớn bị vỡ đã lên đến 204/17.200 đập và số nạn nhân là 17.000 người, hình 1.3 [37]

Hình 1.3: Đập Oroville - Hoa kỳ

1.4 Tổng quan về đập đất ở Việt Nam

1.4.1.Tình hình chung

Đối với nước ta, đập đất là loại công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựng những hồ chứa Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thi công… của nước ta, trong tương lai đập đất còn nhiều triển vọng phát triển rộng rãi hơn nữa

Sở dĩ trong những năm gần đây đập đất đang phát triển với một tốc độ nhanh chóng như vậy cả về số lượng cũng như quy mô công trình là do nhiều nguyên nhân, trong đó có những nguyên nhân chủ yếu sau đây:

- Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập đất không cao lắm so với những loại đập khác Đập đất hầu như có thể xây dựng được với bất kỳ điều kiện địa chất địa hình

và khí hậu nào Những vùng có động đất cũng có thể xây dựng được đập đất Ưu điểm này rất cơ bản vì ngày ít những tuyến hẹp, có địa chất tốt 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

- Với những thành tựu nghiên cứu trong các lĩnh vực cơ học đất, lý luận thấm, trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp chất dẻo làm vật chống thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất hiện có ở vùng xây dựng để đắp đập Người ta đã tính được rằng nếu lựa chọn loại đập có thành phần hạt thích hợp và đầm nén đất thì ứng suất cho phép trong thân đập có thể đạt đến 110kg/cm2 và như vậy có thể xây dựng được đập cao đến 650m

- Sử dụng những phương pháp mới để xây dựng những màng chống thấm sâu trong nền thấm nước mạnh Đặc biệt, dùng phương pháp phun cao chất dính kết khác nhau như: Xi măng sét vào đất nền Có khả năng tạo thành những màng chống thấm sâu đến 200m

- Có khả năng cơ giới hóa hoàn toàn các khâu đào đất làm đất với những máy móc có công suất lớn, rút ngăn được thới gian xây dựng, hạ giá thành công trình

- Giảm xuống đến mức thấp nhất việc sử dụng các loại vật liệu hiếm như xi măng, sắt, thép

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

Việt Nam có điều kiện địa hình, địa chất, sông ngòi thuận lợi nên việc xây dựng các hồ chứa, được phát triển mạnh Nhiều năm qua Nhà nước và nhân dân đã đầu tư nhiều tiền của, công sức để xây dựng hồ chứa Tính đến tháng 10/2016, trong cả nước xây dựng khoảng 6.886 hồ chứa nước trong đó có 6.648 hồ chứa thủy lợi (chiếm 96,5%) và 238 hồ chứa thủy điện (chiếm 3,5%) với tổng dung tích khoảng 63 tỷ m3 nước, bảo đảm tưới cho 803.180 ha đất canh tác Các hồ lớn được xây dựng như hồ Hòa Bình, Thác Bà, Núi Cốc, Cấm Sơn, Cửa Đạt, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Dầu Tiếng…, đã mang lại hiệu ích to lớn, số liệu cụ thể theo bảng 1.5 và hình 1.4 [18]

Bảng 1.5: Thống kê một số đập đất lớn ở Việt Nam

Hồ Đa Nhim - Lâm Đồng Đập Cấm Sơn - Bắc Giang

Hình 1.4: Hình ảnh một số đập đất lớn ở Việt Nam

1.4.2 Một số nhận xét, đánh giá

a) Hồ chứa là loại công trình chủ yếu cấp nước tưới: Việt Nam có lượng mưa

trung bình hàng năm từ 1.800mm ÷ 2.000mm nhưng phân bố không đều; mùa khô kéo dài 6 ÷ 7 tháng, lượng mưa chỉ chiếm 15% ÷ 20% tổng lượng mưa cả năm, còn lại 80% ÷ 85% tập trung trong các tháng mùa mưa Những đặc điểm trên rất thuận lợi và cần thiết để xây dựng các hồ chứa Hồ nhỏ chiếm đa số nhưng chủ yếu xây dựng trong những năm trước, thời gian gần đây hồ lớn được xây dựng nhiều hơn

b) Hồ chứa là công trình thủy lợi tổng hợp: Cấp nước nông nghiệp, công

nghiệp, sinh hoạt, phát điện và phát triển các ngành kinh tế quốc dân khác, cải tạo cảnh quan môi trường sinh thái; điều tiết lũ để giảm nhẹ thiên tai Số lượng hồ nhỏ chiếm tỉ

lệ lớn, nhưng nguy cơ xảy ra sự cố cao vì chỉ tiêu thiết kế thấp, ít được quan tâm quản

lý, tu sửa

c) Hồ chứa có nhiều lợi ích song cũng luôn tiềm ẩn nguy cơ sự cố đe doạ đến

an toàn của công trình và hạ du: Thời gian qua một số hồ bị vỡ gây thiệt hại đáng kể

người và tài sản Các hồ vỡ nguyên nhân do chất lượng thi công không bảo đảm, mưa

lũ quá lớn vượt tần suất thiết kế, công tác quản lý, duy tu bảo dưỡng chưa được quan tâm đúng mức Cho nên cần phải có giải pháp tăng cường nhằm bảo đảm an toàn công trình trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu như hiện nay

1.5 Những khả năng mất an toàn đập đất

1.5.1 Điều kiện làm việc của đập đất

- Khi mực nước trong hồ dâng cao, nước có thể tràn qua đỉnh đập có nguy cơ dẫn tới sự cố vỡ đập

- Khi hồ tích nước, thượng hạ lưu đập có chênh lệch đầu nước, trong thân đập hình thành dòng thấm, thấm qua đập gây mất nước của hồ

- Dòng thấm qua đập có độ dốc (J) lớn làm cho đất trong thân, nền đập, các mặt tiếp xúc giữa các khối bị phá hoại theo độ bền thấm

- Đập được đắp theo từng lớp, chất tải theo thời gian, bản thân đập và nền đập

bị lún theo thời gian

- Kết cấu bảo vệ mái thượng lưu bị phá hoại do sóng tác động lên mái

- Nước trong hồ rút nhanh hình thành dòng thấm ngược từ đập về hồ làm giảm khả năng duy trì ổn định của mái thượng lưu

Ví dụ: Đập Bản Kiều - Trung Quốc vỡ do mưa lũ vượt tần xuất nước lũ tràn lên mặt đập rồi leo lên vượt tường chắn sóng 0,3m, như hình 1.5 [20]

Hình 1.5: Sự cố vỡ đập Bản Kiều - Trung Quốc

1.5.3 Sạt trượt thiết bị bảo vệ mái đập thượng lưu

Nguyên nhân sạt trượt mái đập:

- 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 bê tông nhỏ hơn thiết kế, chất lượng đá hoặc bê tông kém, đá lát đặt nằm, không chèn chặt các hòn

đá

- Đất mái đập thượng lưu đầm nện không chặt, hoặc không xén mái

- Hiện tượng này xảy ra ở hầu hết các hồ thiết kế đá lát khan Đặt biệt là khu vực Miền Trung và Tây Nguyên do gió bảo to, do hiện tượng đất trương nở Hiện tượng này được thể hiện theo hình 1.6

Hình 1.6: Trượt mái thượng lưu đập Từ Phổ (Trung Quốc)

1.5.4 Thấm vượt quá giới hạn, sủi nước ở nền đập

Nguyên nhân gây ra:

- Đánh giá sai tình hình địa chất nền, để sót lại lớp thấm mạnh nhưng không được xử lý

Biện pháp thiết kế xử lý nền không đảm bào chất lượng

- Chất lượng xử lý nền kém: Khoan phụt không đạt yêu cầu; hốt 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

Ví dụ : Đập Lafruit được xây dựng năm 1930 thuộc bang Texas (Mỹ), Nền đập

là lớp bồi tích dày 27 ÷ 34m, dưới là tầng sét có kẹp lớp cát đá chưa được khảo sát xác định độ dày Do không xử lý tốt nên thấm đã làm phá hoại nền, nước chảy qua khe nứt làm phá hỏng đập [37]

1.5.5 Thấm vượt giới hạn, sủi nước ở vai đập

Nguyên nhân gây ra:

- Thiết kế không đề ra biện pháp xử lý hoặc biệp pháp xử lý đề ra không tốt

- Không bóc hết lớp thảo mộc ở các vai đập

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

- Thi công biện pháp xử lý tiếp giáp không tốt

Ví dụ: Hồ Cà Giây do đơn vị thi công đã không xử lý tốt khớp nối do phân đoạn thi công giữa 2 phần đập bờ trái và bờ phải trong nên xảy ra sự cố thấm phải dừng thi công xử lý

1.5.6 Thấm vượt giới hạn, sủi nước ở bên công trình

Nguyên nhân gây ra:

- Thiết kế không đề ra biện pháp xử lý hoặc biện pháp 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 đất, đầm nện không kỹ

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

- Hỏng khớp nối của công trình, Cống bị thủng

Ví dụ: Đập thủy điện Ia Krel 2 bị vỡ tháng 6/2013 do nước rò rỉ qua mang cống tại vị trí tiếp giáp giữa cống dẫn dòng thi công và đập đất như hình 1.7 [7]

Hình 1.7: Sự cố vỡ đập Ia karel 2 - Gia Lai

1.5.7 Thấm vượt giới hạn, sủi nước trong thân đập

Nguyên nhân 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, cung cấp sai các chỉ tiêu cơ lý lực học

- Chọn dung trọng khô thiết kế thấp, 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 đắp không đều, đất sau khi đắp có chỗ chặt có chỗ vẫn rời rạc tơi xốp

- Đất được đầm nện không đảm bảo được độ chặt yêu cầu do: Lớp đất rải dày quá qui định, số lần đầm ít, nên đất sau khi đắp có độ chặt không đồng đều, phân lớp, không đạt độ chặt qui định, hình thành từng lớp đất yếu nằm ngang

- Thiết kế và thi công không có biện pháp xử lý khớp nối thi công do phân đoạn đập để đắp trong quá trình thi công, Thiết bị tiêu nước bị tắc

Đập đất Teton của Hoa Kỳ bị thấm gây xói ngầm mạnh và bị vỡ tháng 6/1976 như hình 1.8 [37]

Hình 1.8: Sự cố vỡ đập Teton - Mỹ Đập Am Chúa - Khánh Hòa: Bị vỡ, do khảo sát xác định sai chỉ tiêu của đất đắp đập, không xác định được tính chất tan rã, lún ướt và trương nở của đất Thiết kế không nghiên cứu kỹ sự không đồng nhất của các bãi vật liệu nên vẫn cho rằng đây là đập đất đồng chất để rồi khi dâng nước các bộ phận của đập làm việc không đều gây nên nứt nẻ, sụt lún, tan rã, hình thành các vết nứt và các lỗ rò Đồng thời thi công không đảm bảo chất lượng, đầm đất không đạt dung trọng nên khi hồ bắt đầu chứa

nước, đất không được cố kết chặt, gặp nước thì tan rã như hình 1.9 [29]

hồ chảy qua cống rất mạnh, với cột nước rất lớn tới 24m, làm rung động toàn bộ cống

và đoạn đập đất lân cận, làm cho đập chính nứt rạn tại 25 vết nứt với chiều rộng kẽ nứt

từ 1,5  3 cm, sụt lớp gia cố mái thượng lưu [18]

1.5.9 Nứt dọc đập

Nguyên nhân:

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

- Nước hồ rút xuống đột ngột gây ra giảm tải đột ngột trên mái thượng lưu

- Đất đắp đập khối thượng lưu có tính lún ướt hoặc tan rã mạnh nhưng khi khảo sát không phát hiện ra hoặc có phát hiện ra nhưng thiết kế kết cấu đập không hợp lý Nền đập bị lún trên chiều dài tim đập Như đập đất EaSoup thượng-Đắk Lắk như hình 1.10 [18]

Hình 1.10: Vết nứt dọc trên mái đập EaSoup thượng – Đắk Lắk

1.5.10 Nứt nẻ sâu mặt đập hoặc mái đập

* Nguyên nhân: Do đất đắp đập thuộc loại trương nở tự do mạnh Mặt đập không xử lý thấm để ngấm nước, tiêu thoát nước mặt mái hạ lưu không có hoặc không tiêu hết nước mặt, mái hạ lưu không được trồng cỏ bảo vệ

Ví dụ: Hồ Đu Đủ -Bình Thuận Công trình thi công hoàn thành năm 2009 Hàng năm vào mùa mưa nước thấm gây lún sụt hàng chục lỗ sâu từ 1m  2m trên mái đập và mặt đập, phải xử lý nhiều lần vẫn chưa ổn định [18]

1.5.11 Trượt sâu mái đập thượng lưu

- 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 đất đắp đập không đảm bảo yêu cầu thiết kế

- Địa chất nền đập xấu không được xử lý

1.5.12 Trượt sâu mái đập hạ lưu

- Thiết kế chọn sai tổ hợp tải trọng

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

- Chất lượng thi công đất đắp đập không đảm bảo

- Tiêu thoát nước mưa trên mặt mái hạ lưu không tốt, khi mưa kéo dài toàn thân đập bị bão hòa nước ngoài dự kiến của thiết kế

* Ví dụ: Hồ Kim Sơn - Hà Tĩnh thi công hoàn thành vào năm 1993, hiện tượng thấm xuất hiện ở hai vai và mái hạ lưu đập chính, mức độ thấm tăng dần nước thấm trên hai vai đập và vùng cơ hạ lưu chảy thành dòng, lưu lượng thấm khoảng 1012 l/s, như hình 1.11 [18]

Hình 1.11: Vùng thấm sình lầy mái hạ lưu trên hồ Kim Sơn

1.5.13 Hư hỏng do mối gây ra

Các nguyên nhân có mối trong đập:

- Do không xử lý các tổ mối có sẵn trong nền đập trước khi thi công (kể cả những đập sẽ tôn cao)

- Do mối cánh bay vào làm tổ khi mùa bay giao hoan phân đàn

- Do mối di cư vào trong đập

- Do hoạt động của con người Theo hình 1.12

Hình 1.12: Hư hỏng do mối gây ra tại Đập thuỷ điện Azun Hạ, Gia Lai

1.6 Phân loại sự cố và phân tích nguyên nhân gây ra sự cố đập đất

1.6.1 Phân loại sự cố

a) Theo phạm vi sự cố hư hỏng

- Hư hỏng, sự cố tổng thể (toàn bộ hồ chứa)

- Hư hỏng, sự cố công trình (trong cụm công trình đầu mối)

- Hư hỏng, sự cố hạng mục, bộ phận (trong một công trình)

- Hư hỏng, sự cố công trình vùng lân cận (có ảnh hưởng đến an toàn hồ chứa)

b) Theo trạng thái kỹ thuật

- Thân và thiết bị tiêu năng của tràn bị xói, cửa tràn bị gẫy bị kẹt

- Cống lấy nước bị lún, gãy, xói tấm đáy, trần và thành cống bị thấm, khớp nối

bị hỏng hay đứt

- Cửa van của tràn xả lũ bị gãy, bị kẹt Được thống kê theo bảng 1.6

Bảng 1.6: Thống kê sự cố ở các loại hồ chứa

TT Loại sự cố (Theo nguyên nhân) Số lượng hồ Tỷ lệ %

d) Phân theo mức độ làm việc có (số liệu thống kê của Tổng cục thủy lợi [18])

- Hồ chứa nước làm việc bình thường : 39,1%

- Hồ chứa có sự cố nhỏ : 38,7 %

- Hồ chứa có sự cố lớn : 22,2%

1.6.2 Phân tích nguyên nhân gây ra sự cố

a) Yếu tố tự nhiên

Toàn bộ hồ chứa, cụm công trình đầu mối cũng như một hạng mục đều chịu tác động trực tiếp của tự nhiên… Đặc điểm địa lý, địa hình, địa chất, thủy văn, khí hậu…

đã được con người tính đến trong đầu tư xây dựng hồ chứa Nhưng sự quan tâm đó ở mức độ nhất định, hơn nữa tự nhiên lại thay đổi ngẫu nhiên Tự nhiên ở vùng này thay đổi ngẫu nhiên lại chịu tác động của sự thay đổi ngẫu nhiên của tự nhiên ở vùng khác

Do vậy, hồ chứa có thể chịu ảnh hưởng bất thường, không lường trước đó là: Dòng chảy đặc biệt lớn, bão to, động đất, lở núi, sạt mái, hoạt động địa chất ngấm ngầm

b) Yếu tố kinh tế - xã hội

Con người là chủ thể trong việc xây dựng hồ chứa Để chế ngự thiên nhiên, điều chỉnh thiên nhiên phục vụ lợi ích cho nhân loại, con người cần có kiến thức Mà nhận thức là một quá trình Cho nên lý thuyết xây dựng hồ chứa, tính toán thiết kế, đo đạc khảo sát, kỹ thuật thi công, quy trình khai thác… không phải phản ánh đúng hoặc phù hợp tối ưu với thực tế khác quan

Hơn nữa trong quá trình xây dựng và sử dụng con người vô tình do không hiểu biết đã xâm phạm hoặc phá hoại công trình vì lợi ích cục bộ mà quên đi lợi ích toàn cục Địch họa cũng là một yếu tố ảnh hưởng mạnh đến an toàn hồ chứa

c) Yếu tố khảo sát, quy hoạch và thiết kế

Điều tra nghiên cứu điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội không đầy đủ; quyết định chủ trương đầu tư, quy mô đầu tư không đúng, tính toán quy hoạch, thiết kế sai sót đều có thể dẫn đến làm mất an toán hồ chứa

d) Yếu tố thi công

Làm sai thiết kế, quy cách chất lượng vật liệu không đảm bảo, công nghệ thi công không phù hợp, xử lý phát sinh, xử lý nối tiếp giữa các giai đoạn thi công không chỉnh thể, nhật ký thi công hồ sơ hoàn công làm chưa đủ hoặc không bàn giao cho quản lý

đ) Yếu tố sử dụng và quản lý

Sử dụng vượt khả năng: Thiếu quan trắc, nghiên cứu thực địa; không thực hiện đúng chế độ, duy tu bảo dưỡng; không kịp thời sửa chữa, bảo vệ những hư hỏng nhỏ; nhân viên không thực hiện theo quy trình; quản lý sử dụng không có quy trình hoặc quy trình không đúng đều ảnh hưởng đến an toán công trình

Đặc biệt một hư hỏng sự cố có thể do một nguyên nhân hoặc cũng do tổ hợp nhiều nguyên nhân Nhưng rõ ràng, không có thiết bị quan trắc khách quan, không phân tích tài liệu quan trắc… Dẫn đến không làm chủ được công trình Không phát hiện và khắc phục sự suy thoái của vật liệu, của kết cấu Không dự báo được những bất trắc trong tương lai…là một loại các khía cạnh, các vấn đề của yếu tố sử dụng và quản lý ảnh hưởng đến an toán công trình

1.7 Điều kiện làm việc của hồ đập hiện nay và các hướng nghiên cứu đảm bảo an toàn hồ đập

1.7.1 Điều kiện làm việc của hồ, đập hiện nay

Hồ, đập hiện nay trong điều kiện biến đổi khí hậu đã cho thấy rất dễ bị tổn thương Việt Nam và cả thế giới đang phải đối mặt với các vấn đề biến đổi khí hậu [29], trong đó có hiện tượng mưa lũ vượt ra ngoài các quy luật thông thường Đợt lũ lịch sử năm 2011 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình, Nghệ An là một ví dụ Đã xảy ra hiện tượng

lũ chồng lên lũ cường suất của con lũ sau là rất lớn; lượng mưa 1 ngày tại Chu Lễ (Hương Khê - Hà Tĩnh) đo được là 800mm Tổng lượng mưa 5 ngày lên tới 1300÷1500mm Trong điều kiện mưa lũ lớn như vậy, các hồ đập thủy lợi rất dễ bị tổn thương bởi các lý do sau đây:

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

- Hơn 90% số đập tạo hồ ở nước ta hiện nay là đập đất Loại đập này có điểm yếu là khi nước tràn qua thì dễ gây xói, moi sâu vào thân dẫn đến bị vỡ Ngoài ra, khi cường suất mưa lớn và kéo dài, đất thân đập bị bão hòa nước làm giảm khả năng chống đỡ, dẫn đến trượt mái và hư hỏng đập

- Trong thiết kế và xây dựng đập ở nước ta hiện nay, tiêu chuẩn phòng lũ được xác định theo cấp công trình Như vậy các đập cấp III, IV khả năng chống lũ thấp, khả năng nước tràn dẫn đến vỡ đập là lớn Ngoài ra, số lượng các đập loại này rất nhiều; việc quản lý, bảo dưỡng các đập nhỏ cũng không được chặt chẽ, bài bản như đối với các đập lớn Thực tế đã xảy ra ở nước ta trong những năm qua là hư hỏng ,sự cố và vỡ