Nghiên cứu sử dụng số liệu quan trắc trong đánh giá an toàn đập đất, ứng dụng cho đập sông Hinh

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài “ Nghiên cứu sử dụng số liệu quan trắc trong đánh giá an toàn đập đất, ứng dụng cho đập sông Hinh ” được hoàn thành ngoài sự cố gắng không ngừng của bản thân , tôi còn được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, cô, bạn bè đồng nghiệp và người thân. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua. Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo GS.TS Nguyễn Chiến đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho Luận văn này và các thầy tham gia giảng dạy Cao học trường Đại học Thủy lợi đã truyền đạt cho tôi những tri thức khoa học vô cùng quý giá. Xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo trường Đại học Thủy lợi, khoa Công trình và Bộ môn Thủy công đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do thời gian có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế, vì vậy Luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Tác giả kính mong các Thầy, Cô giáo, Bạn bè và đồng nghiệp góp ý để Tác giả có thể tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 06 tháng 08 năm 2014 TÁC GIẢ Dương Văn Thủy LỜI CAM KẾT Tên tôi là: Dương Văn Thủy Học viên lớp: 20C21 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, những nội dung, kết quả trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào./. Hà nội, ngày 06 tháng 08 năm 2014 TÁC GIẢ Dương Văn Thủy MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 1 3. Phương pháp nghiên cứu 1 4. Kết quả đạt được 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC ĐẬP ĐẤT 3 1.1.Tổng quan về xây dựng đập đất 3 1.1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới 3 1.1.2. Tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam 4 1.1.3. Các vấn đề mất an toàn của đập đất ở Việt Nam hiện nay 5 1.2. Những kiến thức về quan trắc 8 1.2.1. Các nội dung quan trắc 8 1.2.2. Phương pháp quan trắc 10 1.2.3. Xử lý số liệu quan trắc 10 1.3. Các yêu cầu lắp đặt thiết bị quan trắc đập đất 11 1.3.1. Các yêu cầu về quan trắc thấm trong đập đất 12 1.3.2. Các yêu cầu quan trắc biến dạng và chuyển vị 12 1.3.3. Các yêu về quan trắc ứng suất trong đập đất 13 1.4. Tình hình lắp đặt và sử dụng hệ thống quan trắc đập đất 13 1.4.1. Nhận thức về vấn đề quan trắc trong đập đất 14 1.4.2. Về đội ngũ làm công tác quan trắc 14 1.4.3. Về chất lượng thiết bị đo 14 1.4.4. Về quản lý sử dụng thiết bị đo 15 1.4.5. Về xử lý, sử dụng số liệu đo 15 1.5. Giới hạn phạm vi trong nghiên cứu 15 1.6. Kết luận chương 1 16 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG TÀI LIỆU QUAN TRẮC TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐẬP ĐẤT. 17 2.1. Các nội dung quan trắc trong đập đất 17 2.1.1.Quan trắc thấm 17 2.1.2. Quan trắc chuyển vị 17 2.1.3. Quan trắc ứng suất trong thân đập và nền đập 17 2.2.Các tiêu chí đánh giá tình trạng làm việc của đập đất từ số liệu quan trắc. 18 2.2.1. Quan trắc lưu lượng thấm 18 2.2.2. Sử dụng số liệu quan trắc về đường bão hòa và áp lực thấm 19 2.2.3. Các tiêu chí đánh giá về biến dạng và chuyển vị 23 2.3. Các nội dung tính toán đánh giá 25 2.3.1. Mở đầu. 25 2.3.2. Tính toán thấm có sử dụng số liệu quan trắc 25 2.3.3. Tính toán ổn định với việc sử dụng với việc sử dụng số liệu quan trắc 29 2.4. Kết luận chương 2 37 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG CHO ĐẬP CHÍNH CỦA HỒ THỦY ĐIỆN SÔNG HINH 38 3.1. Giới thiệu công trình thủy điện sông Hinh 38 3.2. Hệ thống quan trắc đập chính sông Hinh 40 3.2.1. Hệ thống quan trắc chuyển vị 40 3.2.2. Hệ thống quan trắc thấm 40 3.3. Đánh giá về thấm qua đập sông Hinh 42 3.3.1. Tài liệu sử dụng trong tính toán 42 3.3.2. Kiểm tra mức độ thấm dị hướng 43 3.3.3. Kiểm tra gradien thấm trong thân đập. 49 3.4. Đánh giá ổn định mái đập sông Hinh. 50 3.4.1. Trường hợp tính toán: 50 3.4.2. Phương pháp tính toán 50 3.4.3. Kết quả tính toán 50 3.4.4. Kết luận về ổn định mái của đập chính sông Hinh 51 3.5. Về ứng suất, biến dạng và các vấn đề khác. 51 3.6. Đánh giá tổng quan về an toàn đập sông Hinh. 52 3.7. Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu hiệu quả của thiết bị quan trắc. 52 3.8. Kết luận chương 3. 53 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 54 I – Kết quả đạt được của Luận văn 54 II – Một số điểm tồn tại. 54 III – Hướng tiếp tục nghiên cứu 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Toàn cảnh đập Anderson Ranch 4 Hình 1-2: Đập Trinity tại Lewiston, California xây dựng năm1957 4 Hình 1-3: Đập Đa Nhim khánh thành năm 1964 , dài 1460 m, cao 38m. 5 Hình 1-4: Đập chính hồ Đầm Hà Động cao 31,5m, dài 244m do Công ty Tư vấn & CGCN – ĐH ThủyLợi thiết kế 5 Hình 1-5: Vỡ đập thủy điện IaKrel 2 thuộc địa phận xã Ia Dom, H.Đức Cơ, Gia Lai, (bị vỡ ngày 12/6/2013) 7 Hình 1-6: Dòng chảy lớn dưới chân đập Am Chúa –Diên Khánh,Khánh Hòa 8 Hình 1-7: Mái đập Am Chúa bị sạt do hiện tượng thấm 8 Hình 1-8: Hệ thống giám sát hình ảnh ở đập Kamasat ( Nhật) 10 Hình 1-9: Thiết bị đo lưu lượng tại hồ Vĩnh Sơn A 14 Hình 1-10: Thiết bị quan trắc ở đập Vĩnh Sơn B 14 Hình 1-11: Số liệu quan trắc ở đập Tân Giang được ghi thủ công 15 Hình 2-1. Sơ đồ bố trí cụm 2 thiết bị đo 18 Hình 2-2. Sơ đồ bố trí cụm 9 thiết bị đo 18 Hình 2-3: Hình dạng của hạt đất khi thấm 24 Hình 2-4: Phần tử chữ nhật 26 Hình 2-5: Phần tử tam giác 26 Hình 2-6: Tại vị trí quan trắc PĐ1 cao độ đường bão hòa thực đo thấp hơn cao độ đường bão hòa tính toán 28 Hình 2-7: Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tròn 30 Hình 2-8: Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tổ hợp 31 Hình 2-9: Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt gẫy khúc 31 Hình 3-1: Vị trí địa lý của đập Sông Hinh 38 Hình 3-2: Hình ảnh tràn chính thủy điện sông Hinh 39 Hình 3-3: Hình ảnh đập tràn sự cố thủy điện sông Hinh 39 Hình 3-4: Hình ảnh đập chính thủy điện sông Hinh 40 Hình 3-5: Các thiết bị quan trắc đường bão hòa thân đập của đập chính sông Hinh 41 Hình 3-6: Các thiết bị đo lưu lượng thấm của hồ sông Hinh 41 Hình 3-8: Sơ đồ tính: mặt cắt lòng sông – đập chính hồ thủy điện sông Hinh 44 Hình 3-9: Sơ đồ chia lưới phần tử 45 Hình 3-10: Sơ đồ gán điều kiện biên 46 Hình 3-11: Hình ảnh các tổ mối trên mái đập sông Hinh 51 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Các đập đất lớn trên thế giới 3 Bảng 2-1: Trị số građient cho phép [J k ] cp ở khối đắp thân đập 20 Bảng 2-2: Trị số građient trung bình tới hạn [J k ] th ở các bộ phận chống thấm 20 Bảng 2-3: Hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất của mái đập [K cp ] 21 Bảng 2-4: Các trường hợp tính toán ổn định đập đất 22 Bảng 3-1: Số liệu quan trắc đường đo áp trong thân đập sông Hinh tại mặt cắt lòng sông ( hình 3-8).[4] 42 Bảng 3-2: Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và đất đắp đập chính Sông Hinh [3] 43 Bảng 3-3: Kết quả chiều cao đường bão hòa tại PĐ 1 và PĐ 2 ứng với hệ số thấm dị hướng K=1của đập chính hồ sông Hinh 47 Bảng 3-4: Kết quả chiều cao đường bão hòa tại PĐ 1 và PĐ 2 ứng với hệ số thấm dị hướng K=2 của đập chính hồ sông Hinh 48 Bảng 3-5: Kết quả chiều cao đường bão hòa tại PĐ 1 và PĐ 2 ứng với hệ số thấm dị hướng K=3 của đập chính hồ sông Hinh 48 Bảng 3-6: Tổng hợp kết quả gradient thấm thân đập ứng với hệ số thấm dị hướng K=1 của đập chính hồ sông Hinh 49 Bảng 3-7: Các trường hợp tính toán ổn định mái của đập chính hồ sông Hinh 50 Bảng 3-8: Kết quả tính toán ổn định mái của đập chính hồ sông Hinh 50 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đập đất là dạng đập phổ biến nhất ở nước ta hiện nay. Đất là vật liệu chính dùng để đắp đập. Do tính thấm nước và do tính dễ biến dạng của đất, nên các vấn đề về thấm và biến dạng của đập cần phải được quan tâm trong thiết kế cũng như trong quá trình vận hành, khai thác đập. Các thiết bị quan trắc được bố trí trong đập để cung cấp số liệu nhằm đánh giá an toàn đập trong vận hành. Tuy nhiên, nước ta trong thời gian qua do nhiều lý do khác nhau mà việc bố trí các thiết bị quan trắc ở nhiều đập chưa được chú trọng. Nhưng điều đáng lưu ý hơn là ở nhiều đập, mặc dù đã đầu tư lắp đặt thiết bị quan trắc theo quy định chung, nhưng việc quan trắc thường xuyên, tiến hành lưu trữ các số liệu quan trắc lại không được quan tâm đúng mức. Nhiều thiết bị quan trắc đã không được bảo dưỡng kịp thời và dần mất tác dụng. Như vậy, vấn đề lắp đặt, bảo dưỡng, khai thác hệ thống quan trắc đập đất nói chung hiện nay còn có những bất cập. Do đó, việc nghiên cứu về hệ thống quan trắc trong đập đất và ứng dụng chúng trong đánh giá an toàn đập là cấp thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu - Làm rõ vai trò và tác dụng của hệ thống quan trắc trong việc đánh giá an toàn của đập đất. - Chỉ rõ hiện trạng của hệ thống quan trắc đập đất ở nước ta hiện nay. - Nghiên cứu điển hình ở một công trình cụ thể. - Đưa ra những khuyến cáo về lắp đặt, quản lý và sử dụng số liệu quan trắc đập đất. 3. Phương pháp nghiên cứu - Điều tra và thu thập số liệu thực tế. - Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có. - Ứng dụng các phần mềm tính toán thấm, ổn định và biến dạng trong phân tích đánh giá an toàn đập. - Nghiên cứu điển hình trong công trình thực tế. 2 4. Kết quả đạt được - Tổng quan về xây dựng đập đất và hệ thống thiết bị quan trắc đập đất. - Sử dụng số liệu quan trắc để đánh giá an toàn đập đất. - Ứng dụng cho đập chính hồ thủy điện sông Hinh. - Đưa ra những khuyến cáo về quản lý và khai thác hệ thống thiết bị quan trắc đập đất. [...]... được xử lý và sử dụng kịp thời cho công tác quản lý đập Luận văn hướng tới làm rõ việc sử dụng số liệu quan trắc để đánh giá an toàn đập và ứng dụng cho một công trình cụ thể trong thực tế 17 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG TÀI LIỆU QUAN TRẮC TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐẬP ĐẤT 2.1 Các nội dung quan trắc trong đập đất Các nội dung quan trắc đập đất được thể chế hóa trong tiêu chuẩn Việt Nam: “Công... trắc và xử lý đập cần phải được quan tâm đầy đủ hơn Hình 1-11: Số liệu quan trắc ở đập Tân Giang được ghi thủ công 1.5 Giới hạn phạm vi trong nghiên cứu Trong Luận văn này tập trung nghiên cứu về quan trắc đập đất , cụ thể là việc bố trí thiết bị quan trắc và sử dụng số liệu quan trắc để đánh giá khả năng làm việc an toàn của đập Trên cơ sở lý luận chung, Luận văn sẽ áp dụng nghiên cứu cho một công... độ an toàn về biến dạng thấm ( J ), về ổn định mái đập cùng với nền (Kt) Vì vậy phần này trình bày các nội dung tính toán về thấm và ổn định của đập đất với việc sử dụng số liệu quan trắc 2.3.2 Tính toán thấm có sử dụng số liệu quan trắc 2.3.2.1 Tài liệu phục vụ tính toán a) Tài liệu thu thập từ quan trắc: Nguồn tài liệu thu thập được do quan trắc như: Số liệu quan trắc đo áp thân đập, số liệu quan trắc. .. 2.1.2 Quan trắc chuyển vị Nội dung quan trắc chuyển vị gồm : - Quan trắc lún mặt, lún của từng lớp đất trong thân khối đắp và nền (lún sâu); - Quan trắc chuyển vị ngang, nghiêng, lệch; - Quan trắc độ mở rộng hay thu hẹp của khớp nối, khe hở Để quan trắc được chuyển vị có thể dùng thước, dùng máy để đo sự dịch chuyển của đất thân đập 2.1.3 Quan trắc ứng suất trong thân đập và nền đập - Quan trắc ứng suất... vậy trong thời gian lắp đặt thiết bị cần phải đảm bảo bê tông chèn có đủ cường độ Trong thực tế , tùy theo loại và quy mô công trình để quy định nội dung và mức độ quan trắc 1.2.2 Phương pháp quan trắc Có 2 phương pháp quan trắc đó là: Quan trắc trực quan và quan trắc tự động hóa 1.2.2.1 Quan trắc trực quan: Số liệu được quan trắc ghi chép bằng thủ công Cách làm này thường mất nhiều thời gian, số liệu. .. chí đánh giá số liệu quan trắc về đường bão hòa và áp lực thấm 2.2.2.1 Tiêu chí đánh giá về hình ảnh thấm trong đập và nền: Đối với đập đất thì biến hình về thấm là nguyên nhân chủ yếu để phá hoại đập, chính vì vậy khi sử dụng số liệu quan trắc để đánh giá an toàn đập phải xác định được chính xác hình ảnh thấm trong thân đập và nền đập ( cụ thể là vị trí của đường bão hòa trong thân và nền đập ).Từ số. .. chính xác khách quan và kịp thời Hình 1-8: Hệ thống giám sát hình ảnh ở đập Kamasat ( Nhật) 1.2.3 Xử lý số liệu quan trắc Công nghệ quan trắc được áp dụng cho công trình để kiểm soát sự cố có thể xảy ra trong quá trình thi công, điều chỉnh thiết kế trong quá trình thi công, cung cấp số 11 liệu về ứng xử của công trình trong quá trình sử dụng và cung cấp số liệu cho mục đích nghiên cứu Tuy nhiên, mức... gian, số liệu bằng trực quan không đủ chính xác, thiếu khách quan 1.2.2.2 Quan trắc tự động: Ở những nước phát triển hệ thống quan trắc tự động được sử dụng cho những đập lớn Ở Việt Nam hiện nay cũng có một số công trình sử dụng hệ thống quan trắc tự động: Hệ thống Scada ở các hồ lớn như Dầu Tiếng, Kẻ Gỗ, Cấm Sơn Hiện nay ở một số nước phát triển sử dụng nhiều hệ thống quan trắc tự động hiện đại, giúp... chí đánh giá về biến dạng và chuyển vị Số liệu quan trắc về biến dạng và chuyển vị của đập đất chủ yếu là số liệu đo lún và chuyển vị ngang 2.2.3.1 Số liệu đo lún ( chuyển vị ứng ) Điều kiện an toàn là cao trình đỉnh đập không được thấp hơn trị số thiết kế Zđ ≥ Ztk (2-3) Trong đó: Ztk là trị số cao trình đỉnh đập theo tính toán thiết kế; Zđ là trị số cao trình đỉnh đập thực đo, sử dụng các máy trắc. .. bị đo - Trong trường hợp ứng suất 2 hướng vuông góc với nhau thì chỉ cần bố trí 2 thiết bị đo cho một điểm quan trắc 2.2 Các tiêu chí đánh giá tình trạng làm việc của đập đất từ số liệu quan trắc 2.2.1 Tiêu chí đánh giá số liệu quan trắc lưu lượng thấm Nhờ thiết bị đo lưu lượng ở hạ lưu ( thường là các đập hàn hình thang hay tam giác bố trí ở hạ lưu đập) , xác định được lưu lượng thấm (Qthấm ) ứng với . trắc. 1.2.2. Phương pháp quan trắc Có 2 phương pháp quan trắc đó là: Quan trắc trực quan và quan trắc tự động hóa 1.2.2.1. Quan trắc trực quan: Số liệu được quan trắc ghi chép bằng thủ công - Sử dụng số liệu quan trắc để đánh giá an toàn đập đất. - Ứng dụng cho đập chính hồ thủy điện sông Hinh. - Đưa ra những khuyến cáo về quản lý và khai thác hệ thống thiết bị quan trắc đập. chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài “ Nghiên cứu sử dụng số liệu quan trắc trong đánh giá an toàn đập đất, ứng dụng cho đập sông Hinh ” được hoàn thành ngoài sự cố gắng không ngừng