Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất, ứng dụng cho công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng với đề tài: “Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất, ứng dụng cho công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La” được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Công trình, Trường đại học Thủy lợi cùng các bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo, Gia đình, Bạn bè & Đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đế n TS. Bùi Văn Trường, các thầy cô giáo là đồng nghiệp của tác giả trong Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, các nhà chuyên môn đang công tác tại Hội đập lớn Việt Nam, Viện Thủy công – Viện khoa học thủy lợi Việt Nam, Công ty tư vấn địa kỹ thuật – Tổng công ty xây dựng thủy lợi Việt Nam (HEC) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiệ n thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế, vì vậy cuốn luận văn này 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. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 08 năm 2014 Tác gi ả luận văn Nguyễn Trung Kiên CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN CAM KẾT  Kính gửi: Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học – Trường Đại học Thủy lợi Tên tôi là: Nguyễn Trung Kiên Học viên cao học lớp: 21ĐKT Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã học viên: 128580204028 Theo Quyết định số 116/QĐ – ĐHTL ngày 23/01/2014 của Hiệu trường Trường Đại học Thủy lợi, về việc giao đề tài luận vă n và cán bộ hướng dẫn cho học viên cao học đợt 1 năm 2014, tôi đã được nhận đề tài “Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất, ứng dụng cho công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La” dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Bùi Văn Trường. Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có tham khả o và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tài liệu và các trang website theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn. Hà Nội, ngày tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Trung Kiên MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ ĐẬP ĐẤT VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THẤM CÔNG TRÌNH ĐẬP 4 1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam 4 1.1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới 4 1.1.2. Tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam 7 1.2. Tổng quan về sự cố công trình đập 10 1.2.1. Nguyên nhân khách quan 11 1.2.2. Nguyên nhân chủ quan 11 1.2.3. Một số sự cố vỡ đập điển hình trên thế giới 13 1.2.4. Một số sự cố công trình đập ở Việt Nam 18 1.3. Tình hình nghiên cứu về thấm ở thân và nền đập 22 1.4. Kết luận chương 1 24 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ ĐẬP ĐẤT DO THẤM25 2.1. Cơ sở lý thuyết thấm 25 2.1.1. Tầm quan trọng của lý thuyết thấm 25 2.1.2. Nguyên nhân gây ra thấm 26 2.1.3. Phân loại dòng thấm 26 2.1.4. Phân loại môi trường thấm 29 2.1.5. Định luật thấm cơ bản 30 2.2. Ph ương pháp giải bài toán thấm 32 2.2.1. Phương pháp giải tích 32 2.2.2. Phương pháp mô hình 36 2.2.3. Phân tích thấm bằng mô hình số 39 2.3. Giải pháp phòng chống thấm cho công trình đập 42 2.3.1. Sân phủ chống thấm thượng lưu (sân trước) 42 2.3.2. Tường chống thấm bằng các loại vật liệu mới như màng HDPE, thảm sét địa kỹ thuật 43 2.3.3. Giải pháp chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa 44 2.3.4. Chân khay chống thấm 45 2.3.5. Cừ chống thấm 46 2.3.6. Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite 47 2.3.7. Chống thấm bằng khoan phụt truyền thống 48 2.3.8. Giải pháp chống thấm bằng cọc xi măng - đất(XMĐ)[9] 50 2.4. Các giải pháp xử lý sự cố do thấm cho công trình đập 51 2.4.1. Xử lý bằng phương pháp khoan phụt chống thấm[15] 52 2.4.2. Xử lý b ằng phương pháp thi công tường hào chống thấm trong thân đập[11]52 2.4.3. Xử lý bằng phương pháp thi công cọc xi măng đất 53 2.4.4. Xử lý bằng sân phủ và tường nghiêng chống thấm 54 2.4.5. Xử lý bằng cừ chống thấm 55 2.5. Đánh giá, lựa chọn giải pháp xử lý sự cố do thấm 55 2.6. Kết luận chương 2 56 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ XỬ LÝ SỰ CỐ ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MUÔNG – THÀNH PHỐ SƠN LA 58 3.1. Giới thiệu công trình 58 3.1.1. Điều kiện địa chất công trình 59 3.1.2. Điều kiện địa chất thủy văn 65 3.1.3. Kết quả đo địa vật lý 67 3.1.4. Đánh giá điều kiện địa chất công trình 70 3.2. Sự cố công trình 71 3.3. Nguyên nhân sự cố 72 3.3.1. Phương pháp khảo sát xác định nguyên nhân 72 3.3.2. Kết quả xác định nguyên nhân 73 3.3.3. Đánh giá nguyên nhân 74 3.4. Phân tích lựa chọn giải pháp xử lý sự cố do thấm 74 3.5. Thiế t kế phương án xử lý sự cố 75 3.5.1. Cơ sở thiết kế phương án xử lý 75 3.5.2. Yêu cầu chung của thiết kế phương án xử lý 75 3.5.3. Khoan phụt thí nghiệm 80 3.5.4. Thiết kế khoan phụt xử lý sự cố do thấm 82 3.5.5. Công tác kiểm tra 88 3.5.6. Một số yêu cầu kỹ thuật chi tiết 89 3.5.7. Hồ sơ hoàn công 89 3.5.8. An toàn lao động 90 3.6. Xử lý khớp nối cống và bê tông thành cống 90 3.6.1. Giải pháp kỹ thuật và phương án xử lý 90 3.6.2. Biện pháp kỹ thuật sửa chữa chi tiết của phương án 91 3.7. Tính toán kiểm tra ổn định thấm trước và sau khoan phụt xử lý sự cố thấm – Công trình Hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La 92 3.7.1. Giới thiệu Module SEEP/W trong phân tích thấm 92 3.7.2. Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn[7] 94 3.7.3. Phân tích lựa chọn mặt cắt và trường hợp tính toán 95 3.7.4. Cơ sở số liệu 96 3.7.5. Xây dựng mô hình bài toán 96 3.7.6. Phân tích kết quả tính toán 97 3.8. Kết luận chương 3 100 KẾT LUẬN 101 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1 Hình 1.1. Các loại đập trên thế giới 4 Hình 1.2. Đập đất Hirakud, Orissa, India[24] 6 Hình 1.3. Đập đất Nurek, Tajikistan[28] 6 Hình 1.4. Đập đất Oroville, California, United States[29] 7 Hình 1.5. Đập thủy điện Hòa Bình[2] 9 Hình 1.6. Đập Ea súp – Đắc Lắk[10] 10 Hình 1.7. Đập Núi Cốc – Thái Nguyên[10] 10 Hình 1.8. Sự cố vỡ đập Teton, Hoa Kỳ 13 Hình 1.9. Cảnh tượng vỡ đập Teton, Hoa Kỳ 15 Hình 1.10. Phần đập đất Delhi bị xói dữ dội 16 Hình 1.11. Vỡ đập Cocal da Estacao, Brasil 16 Hình 1.12. Vỡ đập Situ Gintung 17 Hình 1.13. Đập Bản Kiều sau thảm họa - Ảnh: litverse 18 Hình 1.14. Tràn xả lũ Dầu Tiếng[10] 18 Hình 1.15. Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa[22] 19 Hình 1.16. Hồ chứa nước Suối Trầu, Ninh Hòa, Khánh Hòa[23] 21 Hình 1.17. Các loại đập đất[21] 22 CHƯƠNG 2 Hình 2.1. Sơ đồ áp lực thấm tác dụng lên bản đáy đặt ngay trên mặt nền…………32 Hình 2.2. Sơ đồ phân miền thấm theo phương pháp hệ số sức kháng 33 Hình 2.3. Sơ đồ tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng 36 Hình 2.4. Sơ đồ lưới sai phân 39 Hình 2.5. Lưới sai phân và các loạ i ô trong mô hình 40 Hình 2.6. Sơ đồ phần tử tam giác 40 Hình 2.7. Minh họa khả năng làm việc của SEEP/W 42 Hình 2.8. Bố trí sân trước bằng đất sét 43 Hình 2.9. Giải pháp đắp sân phủ thượng lưu 43 Hình 2.10. Màng địa kỹ thuật chống thấm GCL và HDPE[14] 44 Hình 2.11. Sơ đồ thấm qua đập có tường lõi + chân răng 44 Hình 2.12. Các hình thức bố trí chân khay 46 Hình 2.13. Cấu tạo và kích thước một số bản cừ bằng bê tông cốt thép 46 Hình 2.14. Tường hào chống thấm bằng Bentonite 47 Hình 2.15. Thi công tường chống thấm bằng biện pháp đào hào trong 48 Hình 2.16. Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt chống thấm cho 49 Hình 2.17. Nút phụt đơn và nút phụt kép[5] 49 Hình 2.18. Sơ đồ tường cọc xi măng đất 51 Hình 2.19. Sơ đồ giải pháp xử lý sự cố do thấm trong đập đất 56 Hình 2.20. Sơ đồ trình tự xử lý sự cố thấm trong đập đất 56 CHƯƠNG 3 Hình 3.1. Đập Bản Muông – Thành phố Sơn La 58 Hình 3.2. Đổ chất chỉ thị màu trong hố khoan 66 Hình 3.3. Chất chỉ thị từ hố khoan chảy qua hang thấm, 66 Hình 3.4. Đo địa vật lý tìm vùng dị thường ở thân đập và nền đập 68 Hình 3.5. Sơ đồ đo sâu điện bằng thiết bị kiểu Slumbeger 68 Hình 3.6. Mặt cắt đẳng ôm tuyến dọc bên trái cống ngầm 69 Hình 3.7. Mặt cắt điện ngang cống ngầm tuyến T1 (cắt qua hố khoan KM2) 69 Hình 3.8. Mặt cắt điện ngang cống ngầm tuyến T2 (cắt qua hố khoan KM3) 69 Hình 3.9. Mặt cắt điện ngang cống ngầm tuyến T3 (cắt qua hố khoan KM4) 70 Hình 3.10. Mặt c ắt điện ngang cống ngầm tuyến T4 (cắt qua điểm đo sâu ds14) 70 Hình 3.11. Sự cố tại vị trí tháp van công trình Hồ chứa nước Bản Muông 72 Hình 3.12. Mặt cắt địa chất công trình dọc tuyến bên trái cống ngầm 73 Hình 3.13. Kiểm tra, đánh giá hiện trạng tại vị trí khớp nối thứ 2 kể từ tháp van 74 Hình 3.14. Sơ đồ bố trí các hố khoan phụt thí nghiệm 81 Hình 3.15. Sơ đồ khoan phụt 84 Hình 3.16. Các sơ đồ của bài toán thấm trong SEEP/W[13] 93 Hình 3.17. Cơ sở lý thuyết của SEEP/W 93 Hình 3.18. Chia phần tử hữu hạn 94 Hình 3.19. Mô hình tính toán ổn định thấm dọc mang bên trái cống ngầm 96 Hình 3.20. Mô hình tính toán ổn định thấm dọc mang bên phải cống ngầm 96 Hình 3.21. Mô hình tính toán ổn định thấm dọc mang bên trái cống ngầm 96 Hình 3.22. Mô hình tính toán ổn định thấm dọc mang bên phải cống ngầm 97 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1 Bảng 1.1. Thống kê đập đất cao trên thế giới (ICOLD) 5 Bảng 1.2. Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện quan trọng[6] 8 CHƯƠNG 2 Bảng 2.1. Hệ số phụ thuộc tính chất đất nền C 35 CHƯƠNG 3 Bảng 3.1. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 (tuyến cống ngầm) 60 Bảng 3.2. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 3 (tuyến cống ngầm) 61 Bảng 3.3. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 4 (tuyến cống ngầm) 62 Bảng 3.4. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 (tuyến tim ngang đập) 64 Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm thấm đất đắp thân đập và nền đập 67 Bảng 3.6. Thành phần vữa xi măng-sét ổn định 78 Bảng 3.7. Chọn nồng độ vữ a phụt 78 Bảng 3.8. Kết quả tính toán thấm trước và sau khi khoan phụt 99 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU h : Cột nước tổng u : Áp lực nước lỗ rỗng w γ : Trọng lượng riêng của nước v : Vận tốc dòng thấm g : Gia tốc trọng trường Z : Cột nước thế ' σ : Ứng suất hiệu quả σ : Ứng suất tổng Q : Lưu lượng dòng thấm K : hệ số thấm hΔ : Chênh lệch cột nước l : Chiều dài dòng thấm F : Tiết diện ướt của dòng thấm J : Độ dốc thủy lực (Gradient thấm) R : Hệ số Reynolds d : Đường kính hiệu dụng của hạt đất e : Hệ số rỗng của đất ν : Hệ số nhớt động học ξ i : Hệ số sức kháng q : Lưu lượng thấm đơn vị L tt : Chiều dài tính toán của dòng thấm L đ : Chiều dài tổng cộng của các đoạn đường viền thấm đứng hoặc nghiêng góc >45 o so với phương ngang L n : Chiều dài tổng cộng của các đoạn đường viền nằm ngang, hoặc nghiêng góc α < 45 0 so với phương ngang H : Độ chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu C : Hệ số phụ thuộc tính chất đất nền J đ : Gradient thấm theo phương đứng v đ : Vận tốc thấm theo phương đứng [...]... và giải pháp phù hợp xử lý sự cố thấm đập đất, từ đó ứng dụng cho công trình cụ thể Hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La 3 Nội dung nghiên cứu Đề tài sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu những nội dung sau: - Sự cố và các nguyên nhân gây sự cố công trình đập; - Cơ sở lý thuyết thấm và phương pháp giải bài toán thấm; - Các giải pháp xử lý sự cố do thấm cho công trình đập đất; - Nguyên nhân gây ra và giải. .. và giải pháp xử lý sự cố công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sự cố thấm của đập đất, công nghệ chống thấm và ứng dụng công nghệ chống thấm cho Hồ chứa nước Bản Muông – thành phố Sơn La 5 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu thực tế (tài liệu khảo sát địa chất, tài liệu thiết kế, tài liệu hoàn công )... ra biện pháp xử lý hữu hiệu và kinh tế Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu của luận văn được đặt ra là: Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất, ứng dụng cho công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La cũng nhằm giải quyết những vấn đề trên 2 Mục đích nghiên cứu Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu nguyên nhân gây ra sự cố và cơ sở lý thuyết thấm để lựa chọn, đề xuất phương pháp tính... Đề xuất phương pháp tính toán và giải pháp phù hợp xử lý sự cố thấm đập đất theo hướng trước mắt và lâu dài đảm bảo an toàn công trình; - Kết quả ứng dụng thiết kế giải pháp xử lý sự cố do thấm cho công trình thực tế: Hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La 7 Cơ sở tài liệu luận văn - Báo cáo kết quả khảo sát, kiểm tra, đánh giá hiện trạng sự cố công trình; - Bài giảng Thấm và công trình đất – Bộ... gây sự cố thấm qua đập, để nghiên cứu đề ra những giải pháp, công nghệ xử lý chống thấm hiệu quả, nhằm khắc phục, hạn chế những sự cố xảy ra Hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phê duyệt thiết kế kỹ thuật, tổng dự toán theo Quyết định số 2390/QĐ-BNN/ĐTXDCB ngày 01/7/1999 Công trình đã xây dựng hoàn thành và đưa vào sử dụng từ năm 2004 Ngày 25/6/2013, Công. .. nguyên nhân gây sự cố công trình đập đất; - Phân tích và tính toán lý thuyết để lựa chọn phương pháp tính toán, giải pháp hợp lý xử lý sự cố thấm đập đất; 3 - Phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp mô hình số với việc sử dụng phần mềm Geo-slope để phân tích bài toán thấm, xác định nguyên nhân, kiểm tra ổn định thấm của đập 6 Kết quả đạt được - Chỉ rõ nguyên nhân dẫn đến sự cố công trình đập đất; - Đề... thân đập, vai đập, mang công trình; nứt dọc, ngang đập; nứt nẻ sâu mặt hoặc mái đập và trượt mái đập thượng và hạ lưu 25 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ ĐẬP ĐẤT DO THẤM 2.1 Cơ sở lý thuyết thấm 2.1.1 Tầm quan trọng của lý thuyết thấm Sự vận động của chất lỏng trong môi trường lỗ hổng hoặc kẽ nứt gọi là thấm Lý thuyết về sự vận động của chất lỏng (nước, dầu mỏ, hơi nước ) trong đất đá nứt... loại đập đất[21] a) Đập đất đồng chất d) e) Đập có tường b) Đập đất không đồng chất, phần thượng lưu đắp nghiêng mềm hoặc cứng bằng đất ít thấm nước e) c) mềm hoặc cứng Đập đất không đồng chất, phần giữa đắp bằng đất ít thấm nước hoặc không thấm nước g) Đập có tường lõi h) Đập hỗn hợp Đặc điểm của công trình thủy lợi là làm việc trong nước nên chịu mọi tác dụng của nước như tác dụng cơ học, hóa lý, thấm. .. chung, gọi là lý thuyết thấm Việc nghiên cứu vận động của chất lỏng trong môi trường đất, đá có ý nghĩa quan trọng trong thực tế Nhiều vấn đề cần giải quyết bằng lý thuyết thấm như: khai thác nước ngầm, khai thác dầu mỏ, rửa mặn bằng tiêu nước, tổn thất nước do thấm, nước mưa, nước tưới thấm vào mặt đất, thấm qua nền các công trình ngăn nước Đặc biệt trong công trình thủy lợi, lý thuyết thấm có vai... cách thành phố Nha Trang 40km về phía Bắc Hệ thống công trình thủy lợi Suối Trầu gồm có: 1 hồ chứa nước, 1 đập chính bằng đất, 1 đập phụ bằng đất, 1 tràn xả lũ, 1 cống lấy nước và hệ thống kênh tưới có kênh chính dài 10km để tưới cho 1000 ha 21   Hình 1.16 Hồ chứa nước Suối Trầu, Ninh Hòa, Khánh Hòa[23] - Sự cố lần thứ nhất Từ ngày 06/11/1977, do có mưa lớn nên nước trong hồ dâng cao lên tới cao trình . cố công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sự cố thấm của đập đất, công nghệ chống thấm và ứng dụng công nghệ chống thấm cho Hồ chứa. vậy, đề tài nghiên cứu c ủa luận văn được đặt ra là: Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất, ứng dụng cho công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La cũng nhằm giải quyết những. thuật xây dựng với đề tài: Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất, ứng dụng cho công trình hồ chứa nước Bản Muông, thành phố Sơn La được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của các