Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp sửa chữa đập đất vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM _ PHẠM ĐÌNH VĂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HàNội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM _ PHẠM ĐÌNH VĂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình thủy Mãsố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Nguyễn Quốc Dũng TS Phan Trƣờng Giang HàNội - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận án làtrung thực chƣa đƣợc công bố bất kýcông trình khác Tơi xin cam đoan luận án đƣợc tiến hành nghiê cứu cách nghiêm túc vàkết nghiê cứu cá nhànghiên cứu trƣớc đƣợc tiếp thu cách chân thực, cẩn trọng, cótrích nguồn dẫn cụ thể luận án HàNội, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN ÁN PHẠM ĐÌNH VĂN ii LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy với đề tài “Nghiên cứu hiệu bố trí hợp lý hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm nâng cấp sửa chữa đập đất vừa nhỏ” kết q trình cố gắng khơng ngừng thân với giúp đỡ, động viên khích lệ thầy, bạn bè đồng nghiệp ngƣời thân Qua trang viết tác giả xin gửi lời cảm ơn tới quan, cá nhân giúp đỡ thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua Tơi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, TS Phan Trƣờng Giang tận tình hƣớng dẫn nhƣ cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận án Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, phòng Đào tạo, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thuỷ công đặc biệt Tổng cơng ty TNHH MTV khai thác cơng trình Thuỷ lợi sơng Chu cho phép đặt mơhình thínghiệm Hồ chứa nƣớc Đồng Bể thuộc huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa, tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Cuối tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác gia đình giúp đỡ, ủng hộ tơi trình học tập thực luận án TÁC GIẢ LUẬN ÁN PHẠM ĐÌNH VĂN iii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU……………………………………………………… .vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ……………………………………………… vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU…………………………………… x GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ………………………………………………………… xiii MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………… CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT… 1.1 Thấm lànguyê nhâ gây an toàn đập .7 1.2 Xử lýthấm cho đập đất hồ tích nƣớc .9 1.2.1 Mục tiêu xử lýthấm 1.2.2 Cấu tạo đập đất với cá kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm 1.2.3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập hồ tích nƣớc .10 1.2.4 Kiểm soát thấm cho đập hồ tích nƣớc 12 1.3 Tồn thiết kế kết cấu thu lọc thoát nƣớc thấm hạ lƣu đập đất 14 1.3.1 Vídụ nƣớc ngồi 15 1.3.2 Vídụ Việt Nam 15 1.4 Cơ chế vỡ đập thấm vàxói ngầm 18 1.4.1 Sự hình thành vàphát triển xói ngầm đập đất 18 1.4.2 Xử lý đƣờng bão hòa thân đập dâng cao mái hạ lƣu 19 1.4.3 Xử lýhiện tƣợng xói ngầm vàlấp tắc tầng lọc 20 1.5 Tiêu chuẩn hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc 23 1.5.1 Bộ phận thu lọc vàthoát nƣớc thân đập hạ lƣu 23 1.5.2 Yêu cầu phận thu lọc thoát nƣớc thấm thân đập .23 1.5.3 Thành phần hạt lọc ngƣợc 24 1.5.4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngƣợc 24 iv 1.5.5 Các trƣờng hợp tính toán thiết kế thành phần hạt lọc ngƣợc 24 1.5.6 Yêu cầu chung kết cấu lọc ngƣợc cơng trình thủy cơng 24 1.6 Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nƣớc thấm hạ lƣu đập đất” 26 1.6.1 Môtả sáng chế 26 1.6.2 Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi băng khía rãnh đặt nêm cát 28 1.6.3 Khả thu lọc nƣớc nêm cát 30 1.6.4 Chất lƣợng lọc sau qua nêm cát 31 1.7 Kết luận Chƣơng 31 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT…………………… 33 2.1 Đặt vấn đề 33 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 33 2.2.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu phân tích thấm đập đất 33 2.2.2 Ứng dụng phƣơng pháp mơ hình số để phân tích thấm đập đất cónêm cát 35 2.3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm vàkiểm tra an toàn thấm 37 2.3.1 Giới thiệu phần mềm Seep/W 37 2.3.2 Giới thiệu phần mềm Midas GTS 38 2.4 Phân tích thấm đập đất phần mềm Midas 44 2.4.1 Xác định vùng an tồn vàvùng cónguy an tồn thấm 44 2.4.2 Xét ổn định thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát 48 2.4.3 Ảnh hƣởng khoảng cách nêm cát đến hiệu hạ thấp đƣờng bão hòa .52 2.5 Kết luận Chƣơng 55 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TẠI ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA 57 3.1 Đặt vấn đề 57 v 3.2 Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể 58 3.2.1 Giới thiệu cơng trình 58 3.2.2 Môtả trạng thấm 60 3.3 Thínghiệm trƣờng xác định hiệu nêm cát 63 3.3.1 Sơ đồ bố tríthínghiệm 63 3.3.2 Công tác chuẩn bị vàthi công lắp đặt 63 3.3.3 Phƣơng pháp đo 68 3.4 Kết quan trắc vàbình luận 69 3.4.1 Kết quan trắc mực nƣớc lƣu lƣợng thấm thoá từ nêm cát 69 3.4.2 Xác định vị trí (cao độ) đƣờng bão hoà đổ vào nêm cát 72 3.4.3 Kết đo chất lƣợng nƣớc 75 3.5 So sánh kết tính phần mềm Midas với kết đo trƣờng .76 3.5.1 Số liệu tính tốn 76 3.5.2 Các trƣờng hợp tính tốn thấm 77 3.5.3 Kết tính tốn thấm phần mềm Midas- tốn phẳng 78 3.5.4 Phân tích thấm qua mơhình Midas 3D 79 3.5.5 So sánh kết mơhình vật lývàmơhình toán 81 3.6 Kết luận Chƣơng 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CƠNG BỐ……………………… 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 90 PHỤ LỤC ……………………………………………………………………………….94 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Tổng kết hƣ hỏng đập đất Mỹ [29] Bảng 1-2 Độ đục nƣớc qua kết cấu lọc công trình xây dựng 31 Bảng 2-1 Hệ số thấm thân vànền đập trƣờng hợp tính tốn .46 Bảng 2-2 Kết tính chiều cao điểm đƣờng bão hòa a0 47 Bảng 2-3 Chỉ tiêu lý vật liệu tính tốn 48 Bảng 2-4 Hệ số ổn định vàgradient thấm đào rãnh 20 m, , m 50 Bảng 2-5 Hệ số ổn định đào với kịch B (chiều rộng nêm cát là1 m) 51 Bảng 2-6 Hệ số ổn định đào với kịch C (chiều rộng nêm cát là2 m) 52 Bảng 2-7 Kết tính tốn độ vồng nêm cát với kịch D 55 Bảng 3-1 Thông số trạng cơng trình [2] 59 Bảng 3-2 Kết quan trắc mực nƣớc lƣu lƣợng sau lắp đặt nêm cát, năm 2016 70 Bảng 3-3 Kết quan trắc mực nƣớc lƣu lƣợng sau năm lắp đặt nêm, năm 2017 71 Bảng 3-4 Kết đo lƣu lƣợng qua cá lớp băng nêm N2 73 Bảng 3-5 Bảng kết đo độ đục trƣớc vàsau nêm cát 75 Bảng 3-6 Thông số đập đất Đồng Bể 76 Bảng 3-7 Bảng tiêu lý đập vànêm cát 77 Bảng 3-8 Bảng kết tính tốn lƣu lƣợng điểm đƣờng bão hòa 79 Bảng 3-9 Cao độ mực nƣớc tính tốn cá vị tríquan trắc so với kết đo thực tế 83 vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1-1 Cấu tạo đập đất với cá kết cấu lọc thoát nƣớc khác [34] .10 Hình 1-2 Tƣờng chống thấm cho thân vànền đập 10 Hình 1-3 Tƣờng nghiêng chống thấm + sân phủ 11 Hình 1-4 Tƣờng hào tim đập 11 Hình 1-5 Các dạng kết cấu lọc thoát nƣớc 14 Hình 1-6 Vídụ cơng trình xử lýsai lầm Mỹ [39] 15 Hình 1-7 Bố tríhợp lýkết cấu lọc đắp áp trúc theo khuyến cáo FEMA [36] .15 Hình 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lƣu đập QuýLộ (Nghệ An) [29] 16 Hình 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lƣu đập Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] .17 Hình 1-10 Hình ảnh trƣợt mái hạ lƣu Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] 17 Hình 1-11 Sử dụng ống đục lỗ đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29] 17 Hình 1-12 Quátrình pháhoại đập đất dòng thấm 19 Hình 1-13 Thấm quámức mái hạ lƣu 19 Hình 1-14 Ống xói hình thành dọc theo cống lấy nƣớc gây vỡ đập 19 Hình 1-15 Tiêu chí an tồn xét đến điểm đƣờng bão hòa [18] 20 Hình 1-16 Cơ chế lọc vàlấp tắc tầng lọc [36] 22 Hình 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14] 27 Hình 1-18 Mặt hệ thống nêm cát bố trítheo dạng ngắt quãng [14] 28 Hình 1-19 Miêu tả chế lọc hạt bụi băng thu nƣớc khía rãnh [12] .29 Hình 1-20 Ảnh chụp cách thi cơng lắp đặt băng thu nƣớc khía rãnh [12] .29 Hình 1-21 Kết thínghiệm khả thu nƣớc băng [28] 30 Hình 2-1 Kết tính tốn đƣờng bão hòa trƣờng hợp khác [17] 36 Hình 2-2 So sánh đƣờng bão hòa tính phần mềm Seep/W vàMidas GTS [17] .36 viii Hình 2-3 Cơ chế chiết giảm , c 42 Hình 2-4 Sơ đồ tính tốn đƣờng bão hoàvàổn định 43 Hình 2-5 Mơphỏng khả hút nƣớc băng lọc 43 Hình 2-6 Sơ đồ tính tốn ổn định đào rãnh để lắp nêm cát với đập H=15m .44 Hình 2-7 Biểu đồ thống kêhệ số thấm thân đập với chiều cao đập dƣới 15 m .45 Hình 2-8 Biểu đồ thống kêhệ số thấm đập với chiều cao đập dƣới 15 m 46 Hình 2-9 Đƣờng bão hòa thân đập trƣờng hợp tính tốn 47 Hình 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác (Kịch A) 48 Hình 2-11 Bức tranh dòng thấm mái hạ lƣu 49 Hình 2-12 Quy luật thay đổi K vàJ đào theo kịch A 50 Hình 2-13 Trƣờng hợp đào nhiều rãnh lúc (Kịch B vàC) .51 Hình 2-14 Quy luật thay đổi K vàJ đào theo kịch B vàC 52 Hình 2-15 Mặt cắt đập cólắp đặt nêm cát 53 Hình 2-16 Trƣờng hợp tính tốn với kịch D 53 Hình 2-17 Sơ họa kích thƣớc dòng thấm bị vồng lên khoảng cách cá nêm cát a) khoảng cách nêm là3 m; b) khoảng cách nêm là5 m 54 Hình 2-18 Kết trích xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng 54 Hình 2-19 Đƣờng bão hồsau cónêm cát vàso sánh với tiêu chían tồn 55 Hình 3-1 Vị tríhồ Đồng Bể - Thanh Hóa (nguồn google Map) 58 Hình 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau đắp thêm khối áp trúc (năm 2003) [2] 61 Hình 3-3 Mặt cá vị tríxuất thấm 61 Hình 3-4 Hiện tƣợng thấm hạ lƣu, ví trí số (ảnh chụp ngày 14/4/2016) 62 Hình 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nƣớc ứ lại vùng tiếp xúc đập cũ khối áp trúc màkhông chảy đống đá tiêu nƣớc (ảnh chụp tháng 6/2016) 62 Q Hình 21 So sánh kết đo đạc thực tế vàtính tốn, MNTL = +38,20 m 119 HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW Hình 22 So sánh kết đo đạc thực tế vàtính tốn, MNTL = +39,05 m HW HW HW HW HW HW HW HW h2' HW Q Hình 23 So sánh kết đo đạc thực tế vàtính tốn, MNTL = +39,70 m Chúthích: ĐBH-HT làkýhiệu đường bão hòa trạng, tính tốn cho mặt cắt qua giếng T3, điểm tính tốn so sánh với số đọc h3; ĐBH-N2 làkýhiệu đường bão hòa tính tốn cho mặt cắt qua nêm cát N2, điểm tính tốn so sánh với số đọc h1; ĐBH-N23 làkýhiệu đường bão hòa tính tốn cho mặt cắt hai nêm cát N2 N3, điểm tính tốn so sánh với số đọc h2; So sánh h3 , h2 , h2‟ ta dựng lên hình ảnh phễu hạ thấp mực nước ảnh hưởng nêm cát mặt phẳng qua giếng đo - theo chiều dọc đập 120 Bố tríhợp lý nêm cát để xử lýthấm 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Lựa chọn mặt cắt tính tốn Luận án lựa chọn đập đất đồng chất chiều cao H = 15 m (đập vừa vànhỏ) để xác định đƣờng bão hòa thân đập ứng với cá hệ số thấm thân vànền đập thay đổi Tìm đƣờng giới hạn cách cố định hệ số thấm ứng với đƣờng bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số thấm thân đập cho hệ ổn định K minmin = [K]cp; Tìm đƣờng giới hạn dƣới cách cố định hệ số thấm ứng với đƣờng bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số thấm thân đập cho hệ ổn định K minmin = 1.2x[K]cp Sau lựa chọn đƣợc hệ số thấm tƣơng ứng với vị trí đƣờng bão hồnằm cao đƣờng bão hồgiới hạn dùng chúng để tính tốn cho trƣờng hợp: (1) Xác định hệ số ổn định, đƣờng bão hoàvàgradient thấm mái đào ứng với bƣớc đào thay đổi từ 20 m, 10 m, m, m, so sánh với trƣờng hợp chƣa đào để tìm khoảng cách hợp lý; (2) Xác định khả thu thoát nƣớc nêm cát độ vồng đƣờng bão hòa cho trƣờng hợp cá khoảng cách nêm khác từ m, m, m a) Mặt cắt vị trítính tốn Hình 24 Sơ đồ mặt cắt ngang tính thấm vàổn định đập Hình 25 Sơ đồ mặt cắt ngang tính thấm lắp đặt nêm cát 121 b) Tài liệu địa chất Hệ số thấm thân vànền đập giả thiết để tìm đƣờng bão hồnằm cao đƣờng bão hồgiới hạn trên, Bảng Tài liệu địa chất sử dụng để tính tốn cho mặt cắt đập cócá lớp đất đƣợc xếp từ xuống dƣới nhƣ Bảng Bảng Hệ số thấm thân vànền đập Trƣờng hợp TH1 TH2 TH3 TH4 Bảng Chỉ tiêu lý đập vàvật liệu Vật liệu Thân đập Nền đập Nêm cát Băng lọc 2.2 Xác định đƣờng bão hòa giới hạn 2.2.1 Xây dựng mơhình Xây dựng mơhình tốn 2D vị trínghiê cứu để kiểm chứng với kết thực tế Mơ hình đƣợc xây dựng có kích thƣớc chiều cao là25 m , chiều dài là85 m Mực nƣớc thƣợng lƣu lấy mực nƣớc hồ thời điểm đào rãnh + 13.5 m, hạ lƣu khơng có nƣớc Mơ hình tính tốn 2D nhƣ Hình 26 Hình 26 Mơhình tính tốn 2D 122 3.2.2 Trình tự tính tốn  Chạy tốn ứng suất ban đầu;  Chạy toán thấm;  Xuất kết tính tốn 3.2.3 Kết tính tốn a) Đường bão hồ Hình 27 Đƣờng bão hồ Hình 28 Gradient thấm b) Gradient thấm c) Ổn định mái hạ lưu Hình 29 Ổn định mái hạ lƣu 2.3 Thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát 2.3.1 Xây dựng mơhình Xây dựng mơhình tốn 3D vị trínghiê cứu để kiểm chứng với kết thực tế Mơ hình đƣợc xây dựng có kích thƣớc chiều cao là25 m, chiều dài là85 m, chiều rộng mơhình là60 m Mực nƣớc thƣợng lƣu lấy mực nƣớc hồ thời điểm đào rãnh + 13.5 m, hạ lƣu nƣớc Mơ hình tính tốn 3D nhƣ Hình 30 123 Hình 30 Mơhình tính tốn 3D 2.3.2 Trình tự tính tốn  Chạy tốn ứng suất ban đầu;  Chạy toán thấm;  Đào rãnh;  Xuất kết tính tốn 2.3.3 Kết tính tốn a) Đường bão hồ Hình 31 Đƣờng bão hồ 124 b) Gradient thấm Hình 32 Gradient thấm c) Tính tốn ổn định mái đào Đào rãnh dài 20 m Hình 33 Ổn định mái đào 125 Hình 34 Xu hƣớng ổn định mái đào Đào rãnh dài 10 m Hình 35 Ổn định mái đào Hình 36 Xu hƣớng ổn định mái đào 126 Đào rãnh dài m Hình 37 Ổn định mái đào Hình 38 Xu hƣớng ổn định mái đào Đào rãnh dài m Hình 39 Xu hƣớng ổn định mái đào 127 Hình 40 Ổn định mái đào Khơng đào Hình 41 Ổn định mái đào Hình 42 Xu hƣớng ổn định mái đào 128 2.4 Ảnh hƣởng khoảng cách nêm cát đến hiệu hạ thấp đƣờng bão hoà 2.4.1 Xây dựng mơhình Xây dựng mơhình tốn 3D vị trínghiê cứu để kiểm chứng với kết thực tế Mơ hình đƣợc xây dựng có kích thƣớc chiều cao là25 m, chiều dài là85 m, chiều rộng mơhình là60 m Mực nƣớc thƣợng lƣu lấy mực nƣớc hồ thời điểm đào rãnh + 13.5 m, hạ lƣu khơng có nƣớc Mơ hình tính tốn 3D nhƣ Hình 43 Hình 43 Mơhình tính tốn 3D 2.4.2 Trình tự tính tốn  Chạy tốn ứng suất ban đầu;  Chạy toán thấm;  Xuất kết tính tốn 2.4.3 Kết tính tốn Khoảng cách nêm cát là3 m a) Đường bão hồ Hình 44 Đƣờng bão hồtại mặt cắt qua đỉnh nêm 129 Hình 45 Mặt hút nƣớc nêm cát b) Gradient thấm Hình 46 Gradient thấm a) Khoảng cách nêm cát là4 m c) Đường bão hồ Hình 47 Đƣờng bão hồtại mặt cắt qua đỉnh nêm 130 Hình 48 Mặt hút nƣớc nêm cát d) Gradient thấm Hình 49 Gradient thấm Khoảng cách nêm cát là5 m e) Đường bão hồ Hình 50 Đƣờng bão hồtại mặt cắt qua đỉnh nêm 131 Hình 51 Mặt hút nƣớc nêm cát f) Gradient thấm Hình 52 Gradient thấm ... sĩ kỹ thu t chuyên ngành Kỹ thu t xây dựng cơng trình thủy với đề tài Nghiên cứu hiệu bố trí hợp lý hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm nâng cấp sửa chữa đập đất vừa nhỏ kết trình cố gắng không... quan thấm vàkiểm soát thấm đập đất Thấm làmột nguyê nhâ gây cố, hƣ hỏng đập đất Vìvậy, thiết kế đập đất cần phải kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm Hiện thiết kết nâng cấp cải tạo đập vừa v nhỏ. .. và3 D), hệ số an tồn tổng thể vàcục cho đập trạng, tính khả xói ngầm qtrình thi cơng vàsau hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc đƣợc lắp đặt Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt nêm cát v hệ thống