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 L

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 đến 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 kiện 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 giả 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

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 khảo 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 Phương 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 bằng 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 Thiết 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 loại 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 cắt 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 vữa phụt 78

Bảng 3.8 Kết quả tính toán thấm trước và sau khi khoan phụt 99

q : Lưu lượng thấm đơn vị

Ltt : Chiều dài tính toán của dòng thấm

Lđ : Chiều dài tổng cộng của các đoạn đường viền thấm

đứng hoặc nghiêng góc >45o so với phương ngang

Ln : Chiều dài tổng cộng của các đoạn đường viền nằm

ngang, hoặc nghiêng góc α < 450 so với phương ngang

H : Độ chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu

C : Hệ số phụ thuộc tính chất đất nền

Jđ : Gradient thấm theo phương đứng

vđ : Vận tốc thấm theo phương đứng

Jn : Gradient thấm theo phương ngang

vn : Vận tốc thấm theo phương đứng

T : Chiều dài bình quân của tầng thấm

m : Hệ số mái của đập ở thượng, hạ lưu

Qxả : Lưu lượng thiết kế của tràn xả lũ

ρ : Khối lượng thể tích tự nhiên

ρk : Khối lượng thể tích khô

Δ : Khối lượng riêng

E1-2 : Mô đun biến dạng tổng

Ptkế : Áp lực phụt thiết kế tối đa cho đoạn phụt

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đập đất là một loại đập xây dựng bằng 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 trong đa số trường hợp có giá thành hạ nên là loại đập được ứng dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các nước[18]

Đập đất là loại đập có ưu điểm tận dụng được vật liệu tại chỗ, sẵn có ở nơi xây dựng công trình, giá thành xây dựng rẻ so với các loại đập khác có cùng quy

mô Tuy nhiên, đập đất cũng chứa đựng nhiều rủi ro, dễ xảy ra sự cố mất an toàn cho đập nếu công tác thiết kế và thi công không đảm bảo các yêu cầu trong xử lý nền móng, chọn kết cấu đập, quy hoạch vật liệu đất đắp hợp lý, đầm nén đảm bảo

độ chặt và độ đồng đều của từng lớp đắp… Nguyên nhân gây mất an toàn hồ chứa xây dựng bằng đập vật liệu địa phương theo thống kê do thấm gây ra chiếm một tỷ

lệ khá lớn

Trên cả nước có gần 7.000 hồ chứa thủy lợi, thủy điện đang hoạt động, các

hồ chứa này đã phát huy hiệu quả, góp phần quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, đặc biệt là phát triển nông nghiệp, ổn định đời sống nhân dân[17] Qua nhiều năm trong công tác khảo sát, thiết kế, thi công, quản lý vận hành công trình và khắc phục các sự cố, cùng với sự phát triển của công nghệ mới… đã rút được nhiều kinh nghiệm trong công tác xây dựng đập đất, cho nên đã khắc phục được những tồn tại

và thiếu sót trước đây và không ngừng phát triển lớn mạnh về mọi mặt Tuy nhiên, chúng ta cũng cần phải xem xét đánh giá nguyên nhân 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 ty Cổ phần khai thác công trình thủy lợi tỉnh Sơn La (đơn vị quản lý vận hành) báo cáo đã phát hiện một hố sụt tiếp giáp với tháp cống

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 toán 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 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…) để làm rõ 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 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 môn Địa kỹ thuật - Trường đại học Thuỷ lợi;

- Hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công hồ chứa nước Bản Muông do Trung tâm khoa học & Triển khai kỹ thuật Thuỷ lợi – Trường đại học Thuỷ lợi;

- Một số sự cố công trình thủy lợi ở Việt Nam và các biện pháp xử lý;

- Quy trình xác định độ thấm nước của đá bằng phương pháp thí nghiệm đổ nước và ép nước vào hố khoan;

- Quy phạm kỹ thuật an toàn trong xây dựng TCVN 5308-91;

- Tiêu chuẩn kỹ thuật khoan phụt xi măng vào nền đá TCVN 8645:2011;

- Công trình thủy lợi – Yêu cầu kỹ thuật khoan phụt vữa gia cố đê TCVN 8644:2011;

- Tiêu chuẩn ngành 14TCN72 – 2002: Nước dùng cho bê tông thủy công – Các yêu cầu kỹ thuật

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ ĐẬP ĐẤT VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THẤM

CÔNG TRÌNH ĐẬP

1.1 Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới

Theo thống kê của Hội đập lớn thế giới (ICOLD), trên thế giới có khoảng 39.188 đập[25]

5 Bảng 1.1 Thống kê đập đất cao trên thế giới (ICOLD)

7

 

Hình 1.4 Đập đất Oroville, California, United States[29]

1.1.2 Tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam

1.1.2.1 Sự phát triển hồ đập ở Việt Nam

Việt Nam có hơn 2.360 con sông có chiều dài từ 10 km trở lên, trong đó có

109 sông chính Toàn quốc có 16 lưu vực sông với diện tích lưu vực lớn hơn 2.500

km2, 10/16 lưu vực có diện tích trên 10.000 km2 Tổng diện tích các lưu vực sông trên cả nước lên đến trên 1.167.000 km2, trong đó, phần lưu vực nằm ngoài diện tích lãnh thổ chiếm đến 72%[16] Tiềm năng khai thác hợp lý về thủy điện của cả nước ước khoảng 60 tỷ KWh Có các hệ thống sông như sông Đồng Nai, sông Hồng, sông Đáy, sông Mê Kông, sông Cả, sông Mã…Điều kiện tự nhiên này thuận lợi trong việc xây dựng và khai thác các hồ chứa nước để đáp ứng nhu cầu nước và năng lượng cho dân sinh và các ngành kinh tế

8

Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tính đến năm 2002,

cả nước ta có 1967 hồ (dung tích mỗi hồ trên 2.105 m3) Trong đó có 10 hồ thủy điện có dung tích 19 tỷ m3, còn lại là 1957 hồ thủy nông với dung tích 5.842 tỷ m3[16]

1.1.2.2 Đập vật liệu địa phương ở Việt Nam

Đập vật liệu địa phương của Việt Nam tương đối đa dạng Đập đất được đắp bằng các loại đất: Đất pha tàn tích, đất bazan, đất ven biển Phần lớn các đập ở miền Bắc và miền Trung được xây dựng theo hình thức đập đất, đồng chất hoặc đập nhiều khối có thiết bị chống thấm tường nghiêng, tường tâm, chân khay… Một số năm gần đây sử dụng một công nghệ mới như tường lõi chống thấm bằng các tấm

bê tông cốt thép liên kết khớp ở đập Tràng Vinh, thảm sét Bentonite ở đập Núi Một, hào Bentonite ở đập Eaksup Đắk Lắk, Hồ Dầu Tiếng, Hồ Đá Đen…

Bảng 1.2 Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện quan trọng[6]

STT Lưu vực

sông

Số lượng

1 Hồng 8 Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang,

Huổi Quảng, Bản Chát, Nậm Na 3 và Lai Châu

2 Mã 5 Cửa Đạt, Hủa Na, Trung Sơn, Pa Ma và Huổi

Tạo

3 Cả 4 Bản Vẽ, Khe Bố, Bản Mồng và Ngàn Trươi

4 Hương 4 Bình Điền, Hương Điền, Tả Trạch và A Lưới

(trên sông A Sáp thuộc lưu vực sông Sê Kông)

9

STT Lưu vực

sông

Số lượng

9 Sê San 5 Plêy Krông, Ialy, Sê San 4, Thượng Kon Tum

 

Hình 1.5 Đập thủy điện Hòa Bình[2]

Trong lịch sử xây dựng đập đất trên thế giới, cũng như Việt Nam đến nay đã chứng kiến nhiều sự cố do thấm gây thiệt hại lớn về người và của Những sự cố thường gặp và nguyên nhân gây ra sự cố ở đập đất như sau[12]:

11

1.2.1 Nguyên nhân khách quan

Những nguyên nhân khách quan có thể gây ra sự cố cho đập đất phải kể đến các đặc điểm về khí hậu, địa hình, địa chất… Các nguyên nhân khách quan sau thường được đề cập đến trong các sự cố thường gặp ở đập đất:

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

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

- Nền đập bị lún trên chiều dài dọc tim đập;

- Địa chất nền đập xấu, không xử lý được;

- Thiết bị tiêu nước bị tắc làm dâng cao đường bão hòa;

- 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

1.2.2 Nguyên nhân chủ quan

1.2.2.1 Nguyên nhân về khảo sát

Công tác khảo sát địa hình, địa chất đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tài liệu cho thiết kế, thi công

Công tác khảo sát địa chất công trình nhằm đánh giá điều kiện địa chất công trình khu vực xây dựng và đề xuất các giải pháp xử lý các vấn đề địa chất công trình

có thể gặp trong quá trình thiết kế, thi công Một số sai sót trong quá trình khảo sát địa chất công trình có thể dẫn đến các sự cố như:

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

- Kết quả khảo sát sai với thực tế, cung cấp sai các chỉ tiêu cơ lý, do khảo sát

sơ sài, khối lượng khảo sát thực hiện ít, không thí nghiệm đầy đủ các chỉ tiêu

12

cơ lý cần thiết, từ đó đánh giá sai chất lượng đất đắp, đất đắp đập có tính chất đặc biệt (tính trương nở tự do mạnh, lún ướt lớn 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;

- Đắp đất công trình không đảm bảo chất lượng: chất lượng đất đắp không được lựa chọn kỹ, không dọn vệ sinh sạch sẽ để loại bỏ các tạp chất trước khi đắp đất, đầm nện không kỹ; hàm lượng cát, bụi dăm sạn nhiều, hàm lượng sét ít, đất bị tan rã mạnh

1.2.2.2 Nguyên nhân về thiết kế

Một trong những nguyên nhân trong các sự cố công trình đập là sai sót trong khâu tính toán thiết kế công trình:

- Tính toán thủy văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ; tổng lượng lũ nhỏ hơn thực tế; các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; thiếu khu vực; lập đường cong dung tích hồ W = f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả lũ của đập tràn Q = f(H) sai lệch với thực tế;

- Chọn dung trọng khô thiết kế quá thấp, nên đất sau khi đầm, đất vẫn chưa đảm bảo độ chặt dẫn đến hệ số thấm cao hơn hệ số thấm cho phép của thiết kế;

1.2.2.3 Nguyên nhân về thi công

Đây là nguyên nhân quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến an toàn đập Có nhiều yếu tố trong quá trình thi công có liên quan đến chất lượng đập, cũng như khả năng xảy ra các sự cố, như:

- Đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế;

- Biện pháp thiết kế gia cố mái không đủ sức chịu đựng sóng do bão gây ra;

13

- 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;

- Biện pháp thi công xử lý nền không đảm bảo chất lượng: khoan phụt không đạt yêu cầu; hót không sạch lớp bồi tích; thi công chân khay, sân phủ kém dẫn đến thủng lớp cách nước; không bóc hết lớp thảo mộc ở các vai đập;

- Thi công đắp đập không đúng thiết kế, như: Chiều dày lớp đắp lớn hơn so với thiết kế, số lần đầm ít hơn thiết kế Phần tiếp giáp giữa các lớp đắp, các khối đắp và phần mang cống thường thi công không đảm bảo, độ chặt kém

1.2.3 Một số sự cố vỡ đập điển hình trên thế giới

1.2.3.1 Sự cố đập Teton[10]

Đập đất Teton được xây dựng trên sông Teton, bang Idaho, Tây Bắc nước

Mỹ Đập có chiều cao 93m, chiều dài ở đỉnh 940m, đáy rộng 520m

Hình 1.8 Sự cố vỡ đập Teton, Hoa Kỳ Đập Teton là một đập đất ở Idaho, Hoa Kỳ, được xây dựng bởi Cục khai hoang, một trong 08 cơ quan Liên bang có thẩm quyền để xây dựng đập Đập nằm trên sông Teton ở phía đông của bang, giữa Fremont và Madison, nó đã xảy ra sự cố thảm khốc ngày 05/06/1976 khi nó đang được đắp lần đầu tiên

Đập được xây dựng phía đông sông Snake trong nhiều năm, để điều tiết dòng chảy và cung cấp nước phục vụ sinh hoạt vào mùa hè

14

Địa tầng khu vực xây dựng đập bao gồm đá bazan và đá ryolite, cả hai đều được coi là không phù hợp cho việc xây dựng đập vì tính thấm cao Điều này đã được đánh giá bằng kết quả thí nghiệm địa chất thủy văn Kết quả khoan khảo sát địa chất công trình cũng chỉ ra nõn khoan của đá ở đập có nhiều khe nứt và không

ổn định, đặc biệt là phía bên phải của thung lũng Các kẽ nứt rộng nhất được xác định lên đến 4,3cm Đơn vị thi công đã tiến hành khoan phụt tạo màn chống thấm trong đá

Đập được hoàn thành vào tháng 11 năm 1975, và quá trình đắp đập được thi công với lớp dày 0,3m/ngày Tuy nhiên, tuyết rơi nặng vào mùa đông, và 05 tháng sau đó, nhà thầu yêu cầu cho phép đắp với khối lượng gấp đôi mỗi ngày, trong khi tiếp tục kiểm tra các vết rò rỉ và quan trắc mực nước ngầm Một tháng sau, mặc dù quan trắc chỉ ra rằng mực nước ngầm đang chảy nhanh hơn tốc độ ban đầu đến

1000 lần, quá trình đắp vẫn được thi công với chiều dày các lớp đắp lên đến 1,2m/ngày

Ngày 03 và 04/06/1976, ba dòng chảy nhỏ được phát hiện ở hạ lưu của đập, mặc dù nước chảy qua các vết rò rỉ là khá rõ ràng Ở thời điểm đó, hồ chứa hầu như

đã tích nước hết công suất Trường hợp khẩn cấp đã được thông báo khi nó có thể mang 24m3 nước/giây

7 giờ 30 phút sáng ngày 05/06/1976, qua những vết rò rỉ xuất hiện bùn được cuốn theo, nhưng những người kỹ sư cho rằng đó là vấn đề không đáng quan tâm Lúc 9 giờ 30 phút, dòng chảy bề mặt ở hạ lưu của đập đã phát triển một điểm ẩm ướt bắt đầu xả nước với tốc độ 0,57-0,85m3/giây và vật liệu đắp bắt đầu bị rửa trôi Lúc 11 giờ 55 phút, đỉnh đập cong võng và sụp đổ mang theo 57.000 m3 nước và đất đá đi mỗi giây

Sự sụp đổ của đập dẫn đến cái chết của 11 người và 13.000 đầu gia súc Đập chi phí khoảng 100 triệu USD để xây dựng, và chính phủ liên bang phải trả hơn 300 triệu USD trong khắc phục những sự cố liên quan nó Tổng số ước tính thiệt hại lên đến 2 tỷ USD

1929 ~ 1973 Hồ chủ yếu có nhiệm vụ cấp nước và nghỉ dưỡng Ngày 24/7/2010, sau trận mưa lớn 250mm trong 12 giờ liền, nước sông dâng cao trên thượng lưu đập tới 3m cao hơn mức lũ thiết kế tràn qua đường giao thông tại đỉnh đập Đập bị vỡ, dòng lũ và nước trong hồ xói trôi toàn bộ đập đất Tuy là đập nhỏ nhưng khi bị vỡ

đã gây thiệt hại dưới hạ du, nhất là hai thành phố Hopkinton và Monticello Khoảng

Hình 1.11 Vỡ đập Cocal da Estacao, Brasil

17

1.2.3.4 Sự cố đập Situ Gintung (Indonesia)[27]

Thời điểm xảy ra vụ việc vào lúc nhiều người còn đang ngủ Đập Situ Gintung cao 10m được xây dựng từ năm 1993 Chính quyền địa phương cho rằng, thảm họa là do áp lực nước quá lớn sau nhiều ngày mưa to kéo dài Tuy nhiên, người dân địa phương và các nhà bảo vệ môi trường khẳng định, đập bị vỡ do không được bảo trì phù hợp

 

Hình 1.12 Vỡ đập Situ Gintung

1.2.3.5 Sự cố đập Bản Kiều (Trung Quốc)[3]

Đập hồ chứa nước Bản Kiều (板桥水库大坝) là một đập trên sông Nhữ ở địa cấp thị Trú Mã Điếm của tỉnh Hà Nam, Trung Quốc Đập này bị vỡ năm 1975, khiến 171.000 người chết

Đập Bản Kiều được xây dựng vào thập niên 1950, sau đó được các kỹ

sư Liên Xô gia cố lại Năm 1975, con đập này đã bị cơn bão Nina tấn công với lượng mưa lớn, lên tới 63 inch

Con đập Thạch Mạn Than ở thượng nguồn sông Hoài đã bị vỡ trước, tạo ra một bức tường nước khổng lồ dội vào đập Bản Kiều Nửa giờ sau, đập Bản Kiều đã

bị đổ sụp và cột nước cao tới 6m, với tốc độ chảy gần 30 dặm một giờ, cuốn phăng

60 con đập khác dọc đường đi, khiến hơn 171.000 người thiệt mạng, giao thông bị phá hủy hoàn toàn, làm hàng triệu người bị cô lập

18

 

Hình 1.13 Đập Bản Kiều sau thảm họa - Ảnh: litverse

1.2.4 Một số sự cố công trình đập ở Việt Nam

Gò Dầu, Trảng Bảng, thị xã Tây Ninh

- Cấp nước cho nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp trong vùng hằng năm khoảng 100 triệu m³

- Tận dụng diện tích mặt nước và dung tích hồ chứa để nuôi cá

19

Vào lúc 0h50’ ngày 09 tháng 01 năm 1986, tại gối đỡ cửa số 3 và cửa số 4 (Hai cửa này đang ở tư thế đóng kín) bị đứt rời khỏi khung càng néo, đồng thời khối bê tông của trụ pin phía sau gối bị cắt đứt khỏi phần thượng lưu theo phương gần như thẳng đứng và bị đẩy văng về hạ lưu Một đoạn cầu công tác đặt trên khoang cửa số 3 và số 4 cũng bị sập và bị đẩy trôi về hạ lưu Nước hồ chảy tràn qua

2 khoang cửa bị sự cố với Q > 500 m3/s gây ra lũ nhân tạo trong mùa khô ở hạ du sông Sài Gòn

1.2.4.2 Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa

Hệ thống công trình đầu mối gồm có:

- 1 hồ chứa nước;

- 1 đập đất có chiều cao lớn nhất là 24m, chiều dài 440m;

- 1 cống lấy nước nằm dưới đập đất, có kích thước B x H = 1,0 x 1,25 m;

- 1 đập tràn xả mặt không có cửa, rộng 30,0m

 

Hình 1.15 Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa[22]

Công trình được hoàn thành vào ngày 10/09/1986; vào lúc đó là mùa khô, do lưu vực rất nhỏ không có sinh thủy, công trình chưa tích nước nên nước trong hồ chưa có

Ngày 29/09/1986 có mưa nhỏ trên lưu vực Suối Hành nên nước trong hồ chứa dâng lên đến ngưỡng cống tại cao trình 21,80m

ở cao trình từ 24,0 m đến 26,0m ở mái thượng lưu bờ phải đã có tới 8 hố sụt dưới

đá lát mái

Khi xuất hiện vết nứt, bên thi công (B) và Ban quản lý xây dựng công trình (A) đã báo cáo với Ban chỉ huy chống bão lụt tỉnh, nhưng không báo cho cơ quan thiết kế biết Ban chỉ huy phòng chống lụt bão tỉnh chỉ ra lệnh theo dõi mà không

đề ra biện pháp xử lý vì cho là không nghiêm trọng

Ngày 03 – 06/10/1986 có mưa nhỏ Nước mưa xói đất cát trên phần cao của mái đập chảy xuống lấp kín các kẽ nứt

Cán bộ bên A và bên B thấy kẽ nứt bị bịt kín đã không đào ra để khảo sát cẩn thận, mà tin rằng các kẽ nứt đã tự khép kín, tự hàn lại rồi nên rất yên tâm, đồng thời lập biên bản hủy bỏ lệnh theo dõi

Vào lúc 2h15’ đêm 03/12/1986 sau 1 tiếng nổ lớn, đập bị vỡ 1 đoạn ở sát cống lấy nước Sau đó lại vỡ tiếp 1 đoạn đập ở phần lòng suối Ngoài 2 đoạn đập bị

vỡ, còn phát hiện thêm 3 hang ngầm ở vai phải đập có đường kính 20 – 30cm từ mái hạ lưu ăn sâu vào thân đập

1.2.4.3 Đập Suối Trầu, Ninh Hòa, Khánh Hòa

Hồ chứa nước Suối Trầu được xây dựng trên Suối Trầu là chi lưu bên phải của sông Cái Ninh Hòa, tại xã Ninh Xuân, huyện Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa; cách thị trấn Ninh Hòa 10km về phía Tây, cách quốc lộ 21 vào khoảng 1km, 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

= 22,5m) và thấp hơn mực nước lũ thiết kế là 2,86m (MNmax = 23,86m)

Vào lúc 12h30’ ngày 11/11/1977, xuất hiện 1 lỗ rò nhỏ có nước đục chảy ra

ở hạ lưu đập bên phải tường đầu cạnh mang cống hạ lưu, cách tim cống 1,5m, ở cao trình vào khoảng 16,70 – 16,80m, nằm cao hơn tường đầu 0,50m Đến 17h00 đã hình thành xoáy nước lớn ở cửa lỗ rò thượng lưu, cách tim cống 4 – 5m về bên trái, nằm trùng với cơ đập, tức là mang cống thượng lưu Mái đập thượng lưu bị sụt lở nhanh chóng Đến 2h00 ngày 12/11/1977 thì đỉnh đập bị sập xuống và đập bị vỡ

- Sự cố lần thứ hai

Sau khi đắp lại đập, trong mùa mưa 1978 hồ Suối Trầu được tích nước Đến 4h15’ sáng ngày 05/11/1978, đỉnh đập sập xuống sau 1 tiếng nổ lớn, nước bắn tung tóe lên cao, sau đó đập bị vỡ, nước chảy qua chỗ vỡ như thác đổ và phá đứt đập thành 2 đoạn, nước hồ nhanh chóng bị tháo cạn

- Sự cố lần thứ ba

Vào hồi 4h00 sáng này 19/11/1979, sau một trận mưa lớn trước đó 1 ngày,

đã xuất hiện 1 lỗ rò trên mái hạ lưu đập, ở cao trình 16,0m, phía bên phải cống, cách tim cống 6m, lưu lượng nước chảy ra lúc đầu vào khoảng 19 lít/giây, sau đó tăng lên 20 lít/giây Đến chiều ngày hôm đó đã tìm được miệng lỗ rò ở thượng lưu nằm cách tim cống 12,0m, ở cao trình 16,50m, đường kính lỗ D = 80 – 100cm

22

- Sự cố lần thứ tư

Mùa lũ năm 1982, đập Suối Trầu lại bị sự cố lần thứ 4 Lần này sự cố xảy ra tại đập phụ

1.3 Tình hình nghiên cứu về thấm ở thân và nền đập

Đập đất được xây dựng bằng các loại đất, mặt cắt ngang có dạng hình thang (hình 1.17) Thân đập đắp bằng một loại đất gọi là đập đất đồng chất (hình 1.17a), đắp bằng nhiều loại đất khác nhau gọi là đập đất không đồng chất (hình 1.17b,c,d,e,f,g,h)

Để làm giảm áp lực thấm lên đáy công trình và chống hiện tượng xói ngầm, đẩy trồi đất, người ta áp dụng các biện pháp kéo dài đường viền thấm như làm sân phủ ở thượng lưu (sân trước), cừ chống thấm, hoặc màng chống thấm

Nhiệm vụ của nghiên cứu dòng thấm là tìm ra các quy luật chuyển động của

nó phụ thuộc vào hình dạng, kích thước các bộ phận công trình là biên của dòng thấm; xác định các đặc trưng phân bố áp lực thấm lên các bộ phận công trình, phân

bố gradient thấm trong miền thấm, và trị số lưu lượng thấm Trên cơ sở các tính toán này, người thiết kế sẽ chọn được hình thức, kích thước, cấu tạo hợp lý của công trình, đảm bảo điều kiện làm việc an toàn của nó (ổn định về trượt, ngăn ngừa biến hình nền…) và tính kinh tế của phương án chọn

Vấn đề nghiên cứu dòng thấm từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thế giới Vào thế kỷ 18 đã có các công trình nghiên cứu của Lomonoxop, Becnoulli, Euler Từ năm 1856, Darcy đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và tìm

ra định luật thấm tuyến tính mà ngày nay được gọi là định luật thấm Darcy

Những thành tựu nổi bật về lý thuyết thấm đã được công bố trong các tác phẩm của Jucovxi (1898), Pavlovxki (1922) Đóng góp vào sự phát triển phương pháp thủy lực trong lý thuyết thấm có công của DuyPuy, Cozeny, Aravin,

24

Numerov, Ughintrux, Trugaev và nhiều nhà khoa học khác Việc giải bài toán thấm bằng phương pháp thủy lực đã đạt được kết quả phong phú cho các sơ đồ bài toán phẳng của thấm có áp Với bài toán thấm không có áp mới chỉ giải quyết được cho một số sơ đồ đơn giản

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp số và công cụ máy tính, nói chung có thể giải được bài toán thấm với biên bất kỳ cho bài toán phẳng và bài toán không gian, thấm ổn định và không ổn định…

1.4 Kết luận chương 1

- Đập đất có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công, do đó đập đất là loại đập được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các nước trên thế giới;

- Bên cạnh những lợi ích về cuộc sống cho con người, theo thời gian khai thác, các công trình bị xuống cấp và hư hỏng gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng;

- Các sự cố về công trình đập ở Việt Nam thường gặp do lũ tràn qua đỉnh đập; sạt mái đập thượng lưu; thấm mạnh hoặc sủi nước ở nền đập, 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 nẻ hoặc trong môi trường xốp nói 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 trò quan trọng như cần xác định các đặc trưng của dòng thấm qua đập đất, qua đê quai thi công hố móng, thấm vào hố móng, thấm dưới đáy công trình bê tông, thấm vòng qua vai đập, thấm qua bờ mỏng giữa hai sông…

Mục đích của nghiên cứu thấm qua đập đất nhằm giải quyết những vấn đề sau[18]:

1 Xác định lưu lượng nước thấm qua thân đập, nền và bờ để đánh giá tổn thất nước trong tính toán kinh tế và cân bằng hồ chứa Đồng thời trên cơ sở tính toán, quyết định những hình thức chống thấm cho thân đập và nền;

2 Xác định vị trí của đường bão hòa để bố trí vật liệu xây dựng thân đập và đánh giá sự ổn định của mái dốc hạ lưu Việc xác định vị trí của đường bão hòa còn có mục đích lựa chọn hình thức thoát nước thích hợp cùng kích thước của nó nhằm nâng cao ổn định mái dốc hạ lưu;

26

3 Tính toán gradient thấm để đánh giá mức độ xói ngầm chung và xói ngầm cục bộ nhằm mục đích xác định kích thước hợp lý của thân đập, của những kết cấu chống thấm, thoát nước và thành phần của tầng lọc ngược

2.1.2 Nguyên nhân gây ra thấm

Nguyên nhân gây thấm trong đất bão hòa nước là chênh lệch cột nước thủy lực (Gradient áp lực thấm) Nguyên nhân gây thấm trong đất không bão hòa ngoài tác nhân chính là Gradient cột nước thủy lực, còn do gradient độ ẩm, gradient lực hút dính Ua – Uw Trong đó Ua là áp lực khí lỗ rỗng, còn Uw là áp lực nước lỗ rỗng

Theo công thức Bernoulli, tổng cột nước ở một điểm trong môi trường thấm được tính bằng tổng của cột nước áp lực, cột nước vận tốc và cột nước thế:

(2.1)

γ - trọng lượng riêng của nước

Do vận tốc dòng thấm v qua môi trường lỗ rỗng của đất nhỏ, nên thành phần

Cột nước vận tốc

Cột nước thế

• Dòng thấm không ổn định

Dòng thấm được coi là không ổn định khi các yếu tố đặc trưng của dòng thấm không những phụ thuộc vào tọa độ không gian mà còn phụ thuộc vào thời gian Khi dòng thấm chuyển động không ổn định, ở mỗi điểm trong dòng thấm, vector tốc độ thay đổi theo thời gian, nên các đường dòng cũng thay đổi theo thời gian Các đường dòng này cho biết hướng và các trị số của tốc độ ở những điểm khác nhau trên nó tại một thời điểm cho trước (t1) Còn quỹ đạo vận động của chất điểm là đường cong di chuyển của chất điểm ở những thời điểm khác nhau

Do đó khi chuyển động không ổn định đường dòng không trùng với đường quỹ đạo

2.1.3.3 Theo đặc điểm, tính chất của biên trên miền thấm

• Dòng thấm có áp

Khi biên trên của dòng thấm bị chặn bởi đáy các công trình, tầng phủ không thấm nước hoặc thấm nước rất yếu, dòng thấm bị giới hạn là dòng thấm có áp Tại các điểm khác nhau trên mặt giới hạn, áp lực nước thấm khác nhau và lớn hơn áp lực khí trời (áp suất ở biên trên của miền đất thấm lớn hơn áp suất khí quyển) Thấm qua đáy công trình thủy lợi, qua tầng cát dưới đê thông nước trực tiếp với sông thuộc loại dòng thấm có áp

• Dòng thấm không áp

28

Khi biên trên của miền thấm là mặt bão hòa hoặc mặt đất thì dòng thấm không bị giới hạn và là dòng thấm không áp Giao tuyến của mặt phẳng thẳng đứng với mặt bão hòa tạo nên đường bão hòa Trên mặt bão hòa áp lực nước thấm bằng

áp lực khí trời (áp suất trên mặt bão hòa bằng áp suất khí quyển) Trong trường hợp dòng thấm ổn định thì đường bão hòa chính là đường dòng đầu tiên thấm qua đê, qua thân đập đất thấm qua bờ kênh, thấm vòng quanh bờ các công trình thủy lợi…

• Dòng thấm hai hướng

Khi nước vận động trong môi trường lỗ hổng mà tất cả các vector tốc độ của chất điểm đều vận động song song với một mặt phẳng cho trước ta sẽ có dòng thấm hai chiều

Dòng thấm phẳng: thấm trong tầng chứa có kích thước theo mặt cắt ngang rất lớn nhưng theo chiều dày (phương đứng) không lớn Biến dạng của dòng chủ yếu xảy ra trong mặt bằng còn trên mặt thẳng đứng dòng chảy có tính chất song song

Hiện tượng thấm qua thân đê, đập đất có chiều dài lớn là ví dụ điển hình cho dòng thấm thẳng đứng

• Dòng thấm không gian

Khi nước dưới đất vận động trong môi trường là lỗ hổng mà các đường dòng không song song với bất kỳ mặt phẳng cho trước nào thì vận động đó gọi là dòng thấm không gian ba chiều Để xác định các yếu tố dòng chảy cần dùng đến tọa độ không gian Trong thực tế công trình thủy công, dòng thấm trong thân đập có chiều dài đập ngắn, dòng thấm vòng quanh vai đập, dòng thấm tiếp xúc tại những nơi tiếp xúc giữa đập đất và công trình bê tông là ví dụ về dòng thấm ba hướng

29

2.1.4 Phân loại môi trường thấm

2.1.4.1 Theo tính chất của môi trường

Theo tính chất của môi trường thấm, có dòng thấm trong môi trường đồng nhất, không đồng nhất, đẳng hướng, không đẳng hướng[19] Môi trường thấm có thể được xác định là tổ hợp của hai tính chất đồng nhất và đẳng hướng Ví dụ môi trường thấm đồng nhất đẳng hướng, đồng nhất không đẳng hướng, không đồng nhất đẳng hướng, không đồng nhất không đẳng hướng

2.1.4.2 Theo đối tượng nghiên cứu thấm

• Thấm qua công trình thủy lợi

Thấm qua bản thân công trình như thân đê, đập đất, thấm dưới nền, thấm vòng quanh bờ[21] Trong thiết kế, quản lý vận hành các công trình, loại thấm này được đặc biệt chú ý và hoạt động của nó có thể làm giảm thậm chí làm mất ổn định mái dốc, mất ổn định công trình… Chỉ trên cơ sở xác định được các yếu tố đặc trưng của dòng thấm thì mới có thể quyết định được hình thức và kết cấu công trình

• Thấm trong môi trường đất đá tự nhiên

Nghiên cứu thấm trong môi trường đất đá tự nhiên nhằm đánh giá, dự báo quy luật của nước ngầm, lún bề mặt và trượt lở đất

2.1.4.3 Theo tính chất bão hòa của môi trường

• Dòng thấm trong đất bão hòa

Dòng thấm trong đất bão hòa đã được nghiên cứu từ thế kỷ 19, công trình nghiên cứu đầu tiên về vấn đề này phải kể đến định luật thấm Darcy năm 1856

• Dòng thấm trong đất không bão hòa

Dòng thấm trong đất không bão hòa được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong nhiều thế kỷ qua (Buckingham 1907, Richard 1931, Dorey 1940…) Khoảng 20 năm trở lại đây, những nghiên cứu về đất không bão hòa thu được những thành tự đáng kể như việc nghiên cứu của Freeze 1971, Papagiannakis

và D G Fredlund 1984 đã chỉ rõ có một dòng nước thấm liên tục giữa đất bão hòa

và không bão hòa