Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất ứng dụng cho hồ chứa nước an long huyện quế sơn, tỉnh quảng nam

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng với đề tài: “Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng với đề tài:

“Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất ứng dụng cho hồ chứa nước

An Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam” 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

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 Phạm Quang Đông, GS.TS Trịnh Minh Thụ, các thầy cô giáo trong Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, Công ty TNHH một thành viên Khai thác thủy lợi Quảng Nam 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!

Tác giả luận văn

Phạm Luyến

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN CAM KẾT

Kính gửi:

“Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất ứng dụng cho hồ chứa nước

An Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam” dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Phạm Quang Đông, GS.TS Trịnh Minh Thụ

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 năm 2017

Tác giả luận văn

Phạm Luyến

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

6 Kết quả dự kiến đạt được 3

7 Bố cục của luận văn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ ĐẬP ĐẤT VÀ PHÁ HOẠI DO THẤM ĐẬP 4

1.1 Tình hình xây dựng đập đất ở trên thế giới và 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 9

1.1.2.1 Sự phát triển hồ đập ở Việt Nam 9

1.1.2.2 Đập vật liệu địa phương ở Việt Nam 9

1.2 Tổng quan về sự cố công trình đập 12

1.2.1 Nguyên nhân khách quan 12

1.2.2 Nguyên nhân chủ quan 12

1.2.2.1 Nguyên nhân về khảo sát 12

1.2.2.2 Nguyên nhân về thiết kế 13

1.2.2.3 Nguyên nhân về thi công 13

1.2.3 Một số sự cố vỡ đập điển hình trên thế giới 14

1.2.3.1 Sự cố đập Teton 14

1.2.3.2 Sự cố vỡ đập Delhi (bang Iowa, Hoa Kỳ) 15

1.2.3.3 Sự cố đập ở Brazil 16

1.2.3.4 Sự cố đập Situ Gintung (Indonesia) 17

1.2.3.5 Sự cố đập Bản Kiều (Trung Quốc) 17

1.2.4 Một số sự cố công trình đập ở Việt Nam 18

1.2.4.1 Đập tràn hồ chứa nước Dầu Tiếng 18

1.2.4.2 Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa 18

1.2.4.3 Đập Suối Trầu, Ninh Hòa, Khánh Hòa 20

1.3 Tình hình phá hoại do thấm ở thân đập và nền đập 21

1.4 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐẬP ĐẤT DO THẤM 24 2.1 Cơ sở lý thuyết thấm 24

2.1.1 Tầm quan trọng của lý thuyết thấm 24

2.1.2 Nguyên nhân gây ra thấm 24

2.1.3 Phân loại dòng thấm 25

2.1.3.1 Theo trạng thái chảy 25

2.1.3.2 Theo yếu tố thời gian 25

2.1.3.3 Theo đặc điểm, tính chất của biên trên miền thấm 26

2.1.3.4 Theo tính chất không gian của miền thấm 26

2.1.4 Phân loại môi trường thấm 27

2.1.4.1 Theo tính chất của môi trường 27

2.1.4.2 Theo đối tượng nghiên cứu thấm 27

2.1.4.3 Theo tính chất bão hòa của môi trường 27

2.1.5 Định luật thấm cơ bản 28

2.1.5.1 Định luật thấm tuyến tính (định luật Darcy) 28

2.1.5.2 Các định luật thấm phi tuyến 28

2.2 Phương pháp giải bài toán thấm 30

2.2.1 Phương pháp giải tích 30

2.2.1.1 Phương pháp cơ học chất lỏng 30

2.2.1.2 Phương pháp hệ số sức kháng 31

2.2.1.3 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng 34

2.2.2 Phương pháp mô hình 36

2.2.3 Phân tích thấm bằng mô hình số 39

2.2.3.1 Phân tích thấm bằng mô hình sai phân hữu hạn 39

2.2.3.2 Phân tích thấm bằng mô hình phần tử hữu hạn 40

2.3 Giải pháp xử lý thấm cho công trình đập 44

2.3.1 Sân phủ kết hợp với tường nghiêng chống thấm thượng lưu (sân trước) 44

2.3.2 Tường chống thấm bằng các loại vật liệu mới như màng HDPE, thảm sét địa kỹ thuật 45

2.3.3 Chân khay kết hợp với tường nghiêng chống thấm 46

2.3.4 Chân khay kết hợp với lõi giữa chống thấm 47

2.3.5 Giải pháp tường cừ chống thấm 47

2.3.6 Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite 49

2.3.6.1 Vật liệu làm tường hào 50

2.3.6.3 Thiết bị và quy trình thi công tường hào chống thấm 52

2.3.6.4 Ưu khuyết điểm và phạm vi ứng dụng 53

2.3.7 Chống thấm bằng khoan phụt truyền thống 53

2.4 Các giải pháp xử lý sự cố do thấm cho công trình đập 58

2.4.1 Xử lý bằng phương pháp khoan phụt chống thấm 58

2.4.2 Xử lý bằng phương pháp tường hào chống thấm trong thân đập 59

2.4.3 Xử lý bằng phương pháp cọc xi măng - đất 59

2.4.4 Xử lý bằng sân phủ và tường nghiêng chống thấm 60

2.4.5 Xử lý bằng cừ chống thấm 61

2.5 Đánh giá, lựa chọn giải pháp xử lý sự cố do thấm 61

2.6 Kết luận chương 2 62

CH ƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ SỰ CỐ HỒ CHỨA NƯỚC AN LONG 64 3.1 Giới thiệu công trình 64

3.1.1 Điều kiện địa chất công trình 70

3.1.1.1 Địa chất công trình 70

3.1.1.2 Địa chất 71

3.1.2 Điều kiện địa chất thủy văn 73

3.1.2.1 Nước mặt 73

3.1.2.2 Nước ngầm 74

3.1.2.3 Kết quả thí nghiệm tính thấm của đất đắp thân đập và nền đập 74

3.2 Sự cố công trình 75

3.3 Nguyên nhân sự cố 75

3.3.1 Phương pháp khảo sát xác định nguyên nhân 75

3.3.2 Đánh giá hiện trạng 75

3.3.3 Kết quả xác định nguyên nhân 75

3.4 Phân tích lựa chọn giải pháp xử lý sự cố do thấm 76

3.5 Th iết kế phương án xử lý sự cố 76

3.5.1 Cơ sở thiết kế phương án xử lý 76

3.5.2 Yêu cầu chung của thiết kế phương án xử lý 77

3.5.2.1 Tiêu chuẩn gia cường lớp đất yếu và chống thấm 77

3.5.2.2 Biện pháp thi công 77

3.5.2.3 Phương pháp phụt xử lý 78

3.5.2.4 Yêu cầu kỹ thuật 78

3.5.2.5 Vật liệu phụt 79

3.5.2.6 Nước trộn dung dịch 80

3.5.2.7 Thiết bị khoan phụt 80

3.5.3 Khoan phụt thí nghiệm 81

3.5.3.1 Mục đích 81

3.5.3.2 Trình tự tiến hành công tác khoan phụt thí nghiệm 81

3.5.4 Thiết kế khoan phụt xử lý sự cố do thấm 82

3.5.4.1 Phạm vi xử lý thấm giữa vai đập và sườn đồi 82

3.5.4.2 Mạng lưới hố khoan phụt chống thấm 86

3.5.4.3 Trình tự khoan phụt thi công 87

3.5.4.4 Khoan tạo lỗ, rửa hố và đặt nút 89

3.5.4.5 Áp lực phụt 90

3.5.4.6 Điều kiện tăng hoặc giảm nồng độ vữa 90

3.5.4.7 Điều kiện dừng phụt 91

3.5.4.8 Lấp hố 92

3.5.5 Công tác kiểm tra 92

3.5.6 Một số yêu cầu kỹ thuật chi tiết 93

3.5.7 Hồ sơ hoàn công 93

3.5.8 An toàn lao động 94

3.6 Tính toán kiểm tra ổn định thấm trước và sau khoan phụt xử lý sự cố thấm – Công trình Hồ chứa nước An Long huyện Quế Sơn 94

3.6.1 Phân tích lựa chọn mặt cắt 94

3.6.2 Cơ sở số liệu 97

3.6.3 Trường hợp tính toán 98

3.6.4 Kêt quả tính toán 98

3.7 Kết luận chương 3 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC 106

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Bảng 1 1 Thống kê những đập có chiều cao (>165m) trên thế giới (ICOLD) 5

Bảng 1 2 Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện quan trọng 10

Bảng 2 1 Chiều dày tầng thấm 34

Bảng 2 2 Hệ số phụ thuộc tính chất đất nền C 35

Bảng 2 3 Tổng hợp một số công trình ứng dụng giải pháp chống thấm đập bằng tường hào bentonite 49

Bảng 2 4 So sánh các tính năng kỹ thuật của 2 loại tường hào đất – bentonite và cement - bentonite 50

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật chính của hồ chứa An Long 65

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ bản như sau: 73

Bảng 3.3 Tính chất cơ lý của đất nền đất đắp 74

Bảng 3.4 Thành phần vữa xi măng-sét ổn định 79

Bảng 3.5 Chọn nồng độ vữa phụt 80

Bảng 3.6 Số liệu đầu vào 98

Bảng 3.7 Kết quả tính toán thấm qua đập đất công trình 98

Bảng 3.8 Số liệu thời điểm chưa có màng chống thấm và đã có màng chống thấm 99

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Các loại đập trên thế giới 4

Hình 1 2 Đập đất Hirakud, Orissa, India 8

Hình 1 3 Đập đất Nurek, Tajikistan 8

Hình 1 4 Đập Xiaowan, China 8

Hình 1 5 Đập thủy điện Hòa Bình có dung tích 9.450 triệu m3 11

Hình 1 6 Đập Ea- Soup tỉnh Đắck lắk có dung tích 147 triệu m3 11

Hình 1 7 Hồ Tả Trạch tỉnh Thừa Thiên Huế xây dựng 2013 với dung tích 646 triệu m3 11

Hình 1 8 Sự cố vỡ đập Teton, Hoa Kỳ 14

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 17

Hình 1 14 Tràn xả lũ hồ chứa nước Dầu Tiếng 18

Hình 1.15 Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa 19

Hình 1.16 Hồ chứa nước Suối Trầu, Ninh Hòa, Khánh Hòa 20

Hình 1 17 Các loại đập đất 21

Hinh 2 1 Sơ đồ áp lực thấm tác dụng lên bản đáy đặt ngay trên mặt nền 30

Hinh 2 2 Sơ đồ phân miền thấm theo phương pháp hệ số sức kháng 31

Hinh 2 3 Sơ đồ tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng 36

Hinh 2 4 Sơ đồ lưới sai phân 39

Hinh 2 5 Lưới sai phân và các loại ô trong mô hình 40

Hinh 2 6 Sơ đồ phần tử tam giác 41

Hinh 2 7 Minh họa khả năng làm việc của SEEP/W 42

Hình 2.7a Cơ sở lý thuyết của SEEP/W 42

Hình 2.7b Chia phần tử hữu hạn 43

Hinh 2 8 Giải pháp sân phủ kết hợp với tường nghiêng thượng lưu

chống thấm 45

Hinh 2 9 Màng địa kỹ thuật chống thấm GCL và HDPE 45

Hinh 2 10 Giải pháp chân khay kết hợp với tường nghiêng thượng lưu chống thấm 46

Hinh 2 11 Giải pháp chân khay kết hợp với lõi giữa chống thấm 47

Hinh 2 12 Giải pháp tường cừ kết hợp tường nghiêng hoặc tường lỏi chống thấm 48

Hinh 2 13 Hình ảnh thi công cọc cừ BTCT và chi tiết khớp nối cọc 49

Hinh 2 14 Giải pháp tường hào bentonite chống thấm 50

Hinh 2 15 Sơ đồ công nghệ trộn vữa 52

Hinh 2 17 Hình ảnh thi công tường hào bentonite chống thấm 53

Hinh 2.18 Sơ đồ khoan phụt vữa tạo màng chống thấm 54

Hinh 2.19 Nút phụt đơn và nút phụt kép trong công nghệ khoan phụt 55

Hinh 2 20 Sơ đồ công nghệ Jet-grouting làm tường chống thấm 56

Hinh 2 21 Phạm vi ứng dụng hiệu quả trong công nghệ khoan phụt 57

Hinh 2 22 Hình ảnh chống thấm cho đê quai công trình Sơn La 57

Hinh 2.24 Sơ đồ trình tự xử lý sự cố thấm trong đập đất 62

Hình 3.1 Bản đồ hành chính tỉnh Quảng Nam 64

Hình 3.2 Bản đồ ảnh vệ tinh Hồ An Long 65

Hình 3.3 Thấm qua vai đập bờ tả 66

Hình 3.4 Thấm lộ ra mái (sình lầy) và trượt cục bộ 67

Hình 3.5 Thấm lộ ra mái và trượt cục bộ 67

Hình 3.6 Sạt lở lớp gia cố mái thượng lưu 67

Hình 3.7 Hiện trạng vật thoát nước lăng trụ 68

Hình 3.8.Hiện trạng mặt ngưỡng tràn 69

Hình 3.9 Hiện trạng dốc nước (nứt và thấm) sau tràn xả lũ 69

Hình 3.10 Hiện trạng tháp đóng mở của Cống lấy nước 70

Hình 3.11 Hiện trạng cửa ra cống 70

Hình 3.12 Mặt cắt đại diện hiện trạng hồ chứa An Long 74

Hình 3.13 Sơ đồ bố trí khoan phụt thí nghiệm 82

Hình 3.14 Sơ đồ chiều dày màn chống thấm T 83

Hình 3.15 Chiều dày màn phụt chống thấm 85

Hình 3.16 Sơ đồ bố trí mạng lưới hố khoan 86

Hình 3.17 Sơ đồ thứ tự phụt theo phân đợt 89

Hình 3.18 Mặt cắt dọc tuyến đập khi chưa có màn chống thấm 95

Hình 3.19 Mặt cắt ngang tuyến đập khi chưa có màn chống thấm 95

Hình 3.20 Sơ đồ tính toán thấm khi chưa có màn chống thấm 95

Hình 3.21 Sơ đồ tính toán ổn định khi chưa có màn chống thấm 96

Hình 3.22 Mặt cắt dọc tuyến đập khi có màn chống thấm 96

Hình 3.23 Mặt cắt ngang tuyến đập khi có màn chống thấm 96

Hình 3.24 Sơ đồ tính toán thấm khi có màn chống thấm 97

Hình 3.25 Sơ đồ tính toán thấm khi có màn chống thấm 97

MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp xây dựng và phát triển thủy lợi trên thế giới cũng như ở nước ta, thì đập vật liệu địa phương đã có vai trò quan trọng trong việc xây dựng các hồ chứa nước Do có nhiều ưu điểm về mặt kinh tế - kỹ thuật, cho nên loại đập này đã chiếm ưu thế và phát triển mạnh ngay về số lượng cũng như tốc độ xây dựng và quy mô công trình Nhờ có sự phát triển mạnh mẻ của nhiều ngành khoa học cơ sở như: cơ học đất, địa chất thủy văn, địa chất công trình, lý thuyết thấm,… cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơ giới hóa trong thi công, nên tốc độ và số lượng xây dựng đập vật liệu địa phương ngày càng nhiều hơn so với các loại đập khác

Ở nước ta có số lượng lớn hồ chứa nước (hơn 6.080 hồ), hầu hết công trình các hồ chứa sau khi xây dựng đưa vào phục vụ sản xuất đều phát huy hiệu quả tốt Tuy nhiên, trong quá trình khai thác và sử dụng, một số công trình bị hư hỏng, gặp sự cố do nhiều nguyên nhân khác nhau như: do quá trình khảo sát, thiết kế; do quá trình thi công của nhà thầu; do các nguyên nhân chủ quan khác,… Trong đó, phần lớn các hồ chứa bị hư hỏng do nguyên nhân thấm là chủ yếu Vì vậy, cần phải cập nhật những thông tin, kỹ thuật và phương pháp tiên tiến để đưa ra các giải pháp tối ưu trong việc xử lý chống thấm cho đập đất và sự cố các công trình hồ chứa

Hồ chứa nước An Long thuộc địa bàn xã Quế Phong, huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam Công trình được xây dựng từ năm 1985 và hoàn thành đưa vào sử dụng năm

1987 Theo thiết kế công trình có nhiệm vụ tưới nước 250 ha đất sản xuất nông nghiệp của xã Quế Phong, huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam; Công trình hồ chứa nước An Long cách Quốc lộ 1A (Hương An) 40km về phía Tây Nam; có tọa độ địa lý của hồ

Đến nay đã qua 30 năm đưa vào sử dụng, công trình đã góp phần vào việc ổn định sản xuất nông nghiệp, tăng năng suất, sản lượng cây trồng và từng bước nâng cao mức sống người dân trong vùng Đập đất hồ chứa nước An Long có biểu hiện thấm qua thân đập (đường bão hòa lộ ra mái đập) Do đó, việc nghiên cứu, phân tích xác định được nguyên nhân của hiện tượng nói trên từ đó đề ra biện pháp hữu hiệu và kinh tế, đảm bảo an toàn cho việc vận hành đập đất hồ chứa nước An Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam sau này là hết sức cần thiết 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 hồ

chứa nước An Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam” là nhằm giải quyết những

vấn đề nêu trên

Mục đích chính của đề tài là phân tích đánh giá sự cố mất ổn định của công trình đập đất hồ chứa nước An Long, xác định nguyên nhân sự cố, qua đó đề xuất lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp để đảm bảo ổn định công trình

Đề tài sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu những nội dung sau:

huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam

ra sự cố do tác động của dòng thấm

cho hồ chứa nước An Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam

* Cách tiếp cận:

nay còn khoảng 1.200 hồ chứa nước hư hỏng, xuống cấp cần phải được đầu tư nâng cấp, sửa chữa Các nguyên nhân chủ yếu gây ra sự cố cho các đập đất gồm:

+ Nguyên nhân do yếu tố tự nhiên, địa chất, mưa bão, lũ…

+ Nguyên nhân do yếu tố khảo sát, thiết kế

+ Nguyên nhân do yếu tố thi công

+ Nguyên nhân do quản lý vận hành

Trong đó, hiện tượng thấm là một trong những nguyên nhân nêu trên làm cho công trình không phát huy được hiệu quả, gây ảnh hưởng đến sự mất an toàn của hồ chứa Nhiệm vụ đặt ra là “Nghiên cứu giải pháp xử lý sự cố thấm của đập hồ chứa nước An Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam” do Công ty TNHH một thành viên Khai thác thủy lợi Quảng Nam quản lý vận hành và khai thác;

Trong quá trình quản lý, đơn vị đã phát hiện có biểu hiện thấm qua thân đập Để đảm bảo an toàn lâu dài cho đập cần khảo sát kiểm tra, đánh giá xác định rõ nguyên nhân từ

đó có biện pháp xử lý phù hợp

+ Các tiêu chuẩn về thiết kế đập;

+ Các tiêu chuẩn về thấm, ổn định

* Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn này, tác giả sử dụng các phương pháp sau:

liệu thiết kế, tài liệu hoàn công…) để làm rõ nguyên nhân gây sự cố công trình đập đất;

và xử lý sự cố đập đất;

đảm bảo an toàn cho công trình;

Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam

Luận văn dự kiến gồm các chương mục sau:

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

3 Nội dung nghiên cứu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

6 Kết quả đạt được

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ ĐẬP ĐẤT VÀ PHÁ HOẠI DO

THẤM ĐẬP 1.1 Tìn h hình xây dựng đập đất ở trên thế giới và 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 [18]

Hình 1.1 C ác loại đập trên thế giới

Trong đó, đập đất chiếm 61,8% (với 24.395 đập) Lý do đập đất là phổ biến vì nó có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hóa cao trong thi công và trong đa số các trường hợp Ngoài ra, nhờ sự phát triển của nhiều lĩnh vực khoa học như Cơ học đất, lý thuyết thấm, địa chất thủy văn, địa chất công trình,… cũng như ứng dụng rộng rãi của công nghệ chống thấm, cơ giới hóa trong thi công cho nên đập đất ngày càng

có xu hướng phát triển mạnh

Bảng 1 1 Thống kê những đập có chiều cao (>165m) trên thế giới (ICOLD)

Quốc gia

hoàn thành

Sayano-

Đập Quốc gia Sông, Chiều cao

Đập Quốc gia Sông, Chiều cao

Dung tích

thành

Kopperston Tailings

3

Jones Branch, W Va,

Hình 1 2 Đập đất Hirakud, Orissa, India[17]

Hình 1 3 Đập đất Nurek, Tajikistan[21]

Hình 1 4 Đập Xiaowan, China [15]

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

, 10/16

đến 72% 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, hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn,…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

Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tính đến tháng 4 năm

2014, cả nước ta có 6.080 hồ các loại với tổng dung tích (theo thiết kế) hồ chứa thủy

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 [1]

Quảng, Bản Chát, Nậm Na 3 và Lai Châu

Tạo

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

Hình 1 5 Đập thủy điện Hòa Bình có dung tích 9.450 triệu m 3 [2]

Hình 1 6 Đập Ea- Soup tỉnh Đắck lắk có dung tích 147 triệu m 3

[3]

Hình 1 7 Hồ Tả Trạch tỉnh Thừa Thiên Huế xây dựng 2013 với dung tích 646 triệu

m 3 [3]

1.2 Tổng quan về sự cố công trình đập

Việc xây dựng hồ, đập mang lại nhiều lợi ích cuộc sống cho con người Tuy nhiên, cùng với thời gian khai thác, các công trình bị xuống cấp và hư hỏng gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng

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:

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

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:

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

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:

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;

độ chặt dẫn đến hệ số thấm cao hơn hệ số thấm cho phép của thiết kế;

để đắp trong quá trình thi công;

- Thiết kế chọn tổ hợp tải trọng không phù hợp với thực tế, chọn sai sơ đồ tính toán ổn định;

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:

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

cầu; bóc 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;

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

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/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

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

Hình 1 9 Cảnh tượng vỡ đập Teton, Hoa Kỳ 1.2.3.2 Sự cố vỡ đập Delhi (bang Iowa, Hoa Kỳ) [4]

Delhi là đập đất trên sông Maquoketa, một phụ lưu của sông Missisipi, tại Đông Bắc

bang Iowa, Hoa Kỳ Đập cao 18m, dài 215m, được xây dựng từ năm 1922 đến năm

1929 Trạm thủy điện có công suất 1,5MW vận hành trong những năm 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 168.000 người phải chạy lụt, 50 ngôi nhà và 20 cơ sở kinh doanh bị ngập nặng Các nhà máy xử lý nước không hoạt động Thiệt hại đến hàng triệu USD

Hình 1 10 Phần đập đất Delhi bị xói dữ dội 1.2.3.3 Sự cố đập ở Brazil [19]

Ít nhất 4 người chết sau vụ vỡ đập ở thị trấn Cocal da Estacao, miền Đông Bắc bang Piaui, Brazil Vụ vỡ đập đã phá hủy ít nhất 120 ngôi nhà và khiến 2500 người mất nhà cửa, cơ quan chức năng của nhà nước tin rằng nguyên nhân là do mưa lớn trên diện rộng diễn ra trong nhiều tháng Theo báo cáo của chính quyền địa phương, các vết nứt đầu tiên xuất hiện trong đập một tháng trước đó Thảm họa là tồi tệ nhất trong hơn một tháng lũ lụt ở miền bắc Brazil

Hình 1 11 Vỡ đập Cocal da Estacao, Brasil

1.2.3.4 Sự cố đập Situ Gintung (Indonesia) [20]

Thời điểm xảy ra vụ việc vào lúc nhiều người còn đang ngủ Đập SituGintung 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) [5]

Đập hồ chứa nước Bản Kiều 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

Hình 1 13 Đập Bản Kiều sau thảm họa - Ảnh: litverse

1.2.4 Một số sự cố công trình đập ở Việt Nam

1.2.4.1 Đập tràn hồ chứa nước Dầu Tiếng

Công trình có nhiệm vụ:

huyện Tân Biên, Châu Thành, Bến Cầu, Dương Minh Châu, Phú Khương, Gò Dầu, Trảng Bảng, thị xã Tây Ninh

triệu m³

Hình 1 14 Tràn xả lũ hồ chứa nước Dầu Tiếng [3]

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 >

1.2.4.2 Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa

Hệ thống công trình hồ chứa nước Suối Hành gồm có:

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 nước

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

Ngày 30/09/1986 có mưa to nên nước trong hồ dâng lên đến cao trình 23,0m

Hình 1.15 Đập Suối Hành, Cam Ranh, Khánh Hòa [6]

mái đập thượng lưu, thẳng góc với tim đập, cách tim cống 5m về phía lòng sông, từ cao trình 23,0m lên đến cao trình 30,7m, sau đó vết nứt rẽ ngoặt 90 độ chạy về phía lòng sông song song với tim đập và chạy dài tới 30,0m Ngoài ra, trên mặt đập, mái đập thượng lưu cũng đồng thời xuất hiện nhiều hố lún sụt, đặc biệt là 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 phòng 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

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 một đoạn ở sát cống lấy nước Sau đó lại vỡ tiếp một đoạn đập ở phần lòng suối Ngoài hai đoạn đập bị vỡ, còn phát hiện thêm ba 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: 01 hồ chứa nước, 01 đập chính bằng đất, 01 đập phụ bằng đất, 01 tràn xả lũ, 01 cống lấy nước và hệ thống kênh tưới có kênh chính dài 10km để tưới cho 1000 ha

Hình 1.16 Hồ chứa nước Suối Trầu, Ninh Hòa, Khánh Hòa [7]

Từ ngày 06/11/1977, do có mưa lớn nên nước trong hồ dâng cao lên tới cao trình 21,0m, nhưng vẫn còn thấp hơn mực nước dâng bình thường 1,50m (MNDBT = 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 01 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

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 01 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

Vào hồi 4h00 sáng ngày 19/11/1979, sau một trận mưa lớn trước đó 01 ngày, đã xuất hiện 01 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

a) Đập đất đồng chất: Thân đập được đắp bằng một loại đất

b) Đập đất không đồng chất, phần thượng lưu đắp bằng đất ít thấm nước

c) Đập đất không đồng chất, phần giữa đắp bằng đất ít thấm nước hoặc không thấm nước

d) e) Đập có tường nghiêng mềm hoặc cứng

f) g) Đập có tường lõi mềm hoặc cứng

h) Đập hỗn hợp: Phần thân đập thượng lưu đắp bằng một hoặc nhiều loại đất, phần thân đập hạ lưu là khối đá

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 và tác dụng của sinh vật Khi công trình tạo ra

độ chênh cột nước thượng hạ lưu thì sẽ xuất hiện dòng thấm qua thân và nền Nước thấm qua nền sẽ gây nên áp lực lên đáy công trình có phương thẳng góc với mặt đáy,

ta gọi là áp lực thấm Áp lực đó làm giảm khả năng chống trượt của công trình Nước thấm cũng có thể gây nên phản ứng hóa học, làm hòa tan chất muối trong nền và hình thành nên xói ngầm cơ học Đặc biệt tại chỗ ra của dòng thấm ở hạ lưu công trình, phương của dòng thấm hầu như thẳng đứng hướng từ dưới lên, gradient dòng thấm rất lớn có thể đẩy đi cả khối đất, gọi là hiện tượng đẩy trồi đất

Đối với công trình và môi trường xung quanh, dòng thấm gây ra những ảnh hưởng bất lợi như sau:

tổn thất nước của hồ chứa;

chứa và ảnh hưởng đến ổn định của đập đất cụ thể là gây xói ngầm và trượt mái dốc;

thân đập sẽ hình thành những hang thấm tập trung và dẫn đến phá hoại đập;

Ngoài ra thấm còn gây nguy hiểm ở những vùng tiếp xúc của đập với những công trình

trường hợp mực nước trong hồ rút đột ngột;

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

Từ những dấu hiệu rò rỉ nước ra mái hạ lưu đập của công trình hồ chứa nước An Long huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam (đường bão hòa lộ rõ ra vai tả hạ lưu mái đập), gây

ra nguy cơ mất ổn định cho đập đất sau này Vì vậy, cần phải có giải pháp xử lý sự cố thấm đập đất để đảm bảo ổn định cho công trình hồ chứa nước này

1.4 Kết luận chương 1

Hệ thống công trình hồ đập ở trên thế giới cũng như ở nước ta rất phong phú và đa dạng phân bố không đều theo vùng miền Trong đầu tư xây dựng với mỗi thời kỳ phát triển khác nhau của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật thì các hồ đập cũng được đầu tư xây dựng với các loại hình và kết cấu đập khác nhau, nhưng đập đất vẫn chiếm ưu thế; 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, hạ 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 Chính vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp xử lý thấm để đảm bảo ổn định cho công trình phòng, tránh những nguy

cơ sự cố gây tổn thất về tài sản và nhân mạng Vấn đề này được đề cập và nghiên cứu

ở các chương tiếp theo của luận văn

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ 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 hỏng 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 [9]:

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;

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;

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

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

v

g có thể được bỏ qua, khi đó cột nước tổng được tính như sau:

2.1.3.2 Theo yếu tố thời gian

như lưu lượng Q, vận tốc dòng thấm v, áp suất thủy động P, Gradient J không phụ thuộc thời gian mà chỉ phụ thuộc vào các tọa độ không gian Các đường dòng cũng không đổi theo thời gian và trùng với quỹ đạo chuyển động của chất điểm

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

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

(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 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… là các dòng thấm không áp

2.1.3.4 Theo tính chất không gian của miền thấm

hoàn toàn giống nhau Ở đó trên tiết diện có phương vuông góc với phương của vector tốc độ thấm, tại tất cả các điểm không những có chiều song song mà còn có độ dài bằng nhau

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

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

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 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 dưới nền, thấm vòng quanh bờ 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

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

thế kỷ 19, công trình nghiên cứu đầu tiên về vấn đề này phải kể đến định luật thấm Darcy năm 1856

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

2.1.5 Định luật thấm cơ bản

2.1.5.1 Định luật thấm tuyến tính (định luật Darcy) [10]

Năm 1856, Darcy – một kỹ sư người Pháp đã làm thí nghiệm để nghiên cứu quá trình thấm ở trong đất và rút ra định luật: lưu lượng của dòng thấm trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với chênh lệch cột nước, tiết diện dòng thấm và tỷ lệ nghịch với chiều dài dòng thấm:

2.1.5.2 Các định luật thấm phi tuyến

Khi vận tốc dòng thấm lớn xảy ra trạng thái thấm rối, quan hệ giữa vận tốc thấm và gradient áp lực thấm không còn tuyến tính nữa Khi đó sự vận động của nước không còn tuân theo định luật Darcy, mà tuân theo định luật thấm phi tuyến

Giới hạn quá độ từ chảy tầng qua chảy rối có thể dựa vào quan hệ giữa lực quán tính

và lực ma sát Bởi vì, số Reynolds được đặc trưng bằng tỷ số giữa lực quán tính và lực

ma sát cho nên những nhà nghiên cứu về giới hạn này đều dựa vào số Reynolds

Viện sĩ N.N.Pavlovxki là người đầu tiên đề ra việc dùng trị số Reynolds để xác định giới hạn ứng dụng định luật Darcy và theo N N Pavlovxki, định luật Darcy thỏa mãn trong trường hợp khi:

R = 7 ÷ 9 Trong đó, R – số Reynolds tính theo công thức của N N Pavlovxki:

(0, 75 0, 23)

d e

v R

=