Nghiên cứu giải pháp đảm bảo an toàn thấm cho đập đất không đồng chất được xây dựng bằng công nghệ đầm nén ở vùng Tây nguyên Việt Nam

Các đập đất không đồng chất xây dựng ở Tây nguyên Việt Nam với các thành phần đất giàu hàm lượng sét, có tính trương nở và tan rã thường có độ an toàn về thấm không cao. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết Nghiên cứu giải pháp đảm bảo an toàn thấm cho đập đất không đồng chất được xây dựng bằng công nghệ đầm nén ở vùng Tây nguyên Việt Nam để hiểu hơn về vấn đề này.

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN THẤM CHO ĐẬP ĐẤT KHÔNG ĐỒNG CHẤT ĐƯỢC XÂY DỰNG BẰNG CÔNG NGHỆ ĐẦM NÉN Ở VÙNG TÂY NGUYÊN VIỆT NAM Nguyễn Quang Hùng, Mai Văn Công, Nguyễn Văn Mạo Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Các đập đất khơng đồng chất xây dựng Tây nguyên Việt Nam với thành phần đất giàu hàm lượng sét, có tính trương nở tan rã thường có độ an tồn thấm khơng cao Để đảm bảo an tồn cho đập cần phải tiến hành nghiên cứu để lựa chọn giải pháp kết cấu công nghệ xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng đập q trình thi cơng Bài báo bình luận điều kiện xây dựng đập vùng Tây nguyên nước ta Đồng thời báo trình bày phân tích tổng hợp để lựa chọn phương án chống thấm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích cố kết thấm làm sở khoa học để lựa chọn giải pháp kết cấu, công nghệ thi công đánh giá chất lượng đập ĐăkYên Kontum thuộc vùng Tây Nguyên Việt Nam I Một số vấn đề có liên quan đến xây dựng đập đất Tây Nguyên Đất dùng để đắp đập Tây Nguyên phổ biến loại sét, sét đất đỏ bazan Đất sét thuộc loại Aluvi có hàm lượng sét 15÷25%, độ ẩm tự nhiên 20÷25% dung trọng khơ ‫ﻻ‬k = 1,4÷1,6 T/m3 Đất có nguồn gốc Bazan; đặc trưng đất đỏ Bazan có hàm lượng hạt bụi sét chiếm 60÷70%, độ ẩm tự nhiên thay đổi theo mùa W = 20÷40%, mùa khơ W = 20÷25% dung trọng khơ ‫ﻻ‬k = 1÷1,19 T/m3 Thực tế sử dụng loại đất để xây dựng đập Tây Ngun thấy số khó khăn tính chất đất gây nên là: - Đất giàu hàm lượng sét nên nhạy cảm với nước gây khó khăn cơng tác đầm nén - Tính chất lý đất thay đổi nhiều theo vị trí địa hình Ngay lớp đất có thay đổi Đặc điểm khơng khó khăn cho người thiết kế chọn tiêu thiết kế mà khó khăn cho việc thi cơng khai thác đất có tiêu qui định Vì khối đất đắp có chênh lệch lớn ‫ﻻ‬k dẫn đến không đồng độ chặt - Các mỏ vật liệu thường có qui mơ nhỏ phân tán nên cự ly vận chuyển vật liệu đất đắp xa, diện tích giải phóng mặt lớn - Xen lẫn loại đất dùng để đắp đập gặp phải loại đất có tính trương nở từ trung bình đến mạnh Để lường trước ảnh hưởng xấu đất có tính trương nở bị lẫn vào khối đất đắp cần có biện pháp cơng trình ứng xử thích hợp Tây Nguyên nằm vùng nhiệt đới gió mùa, có hai mùa rõ rệt Mùa mưa từ tháng đến tháng 12, mùa khô từ tháng đến tháng Gió thịnh hành vào mùa mưa gió mùa Tây Nam, lượng mưa mùa chiếm khoảng 75% lượng mưa năm, độ ẩm 87%90%, lượng bốc thấp, tháng thấp tháng Playku 37mm Gió thịnh hành vào mùa khơ gió Đơng Bắc, độ ẩm 74%-81%, lượng bốc lớn Tây Nguyên xẩy mùa 252mm ( tháng Bn Ma Thuột) Đặc điểm khí hậu điều kiện không thuận lợi cho việc xây dựng đập Tây Nguyên, đập sử dụng đất có hàm lượng sét cao [1] Do tính chất đất đặc điểm khí hậu Tây Ngun khơng thuận lợi cho việc xây dựng đập đất đầm nén nên có nhiều nghiên cứu chuyên sâu sử dụng đất chỗ để đắp đập.[1,2], sử dụng đất đỏ Bazan để đắp đập.[3,4], nghiên cứu kết cấu đập giải pháp thi cơng đập Tây Ngun.[5,6,10] Tuy có nhiều nghiên cứu chuyên sâu đập đất đầm nén Tây Nguyên áp dựng kết nghiên cứu vào thực tế hạn chế Cơng tác thi công đập đất Tây Nguyên thường bị động đất Tính phổ biến nhận thấy đập đất đắp Tây Nguyên độ chặt khối đất đắp không đồng dẫn tới độ tin cậy ổn định thấm đập đất không cao Nghiên cứu trạng đập đất xây dựng Tây Nguyên đưa kết luận số đập hư hỏng thấm gây chiếm 75% số đập phải sửa chữa [7] II Xây dựng đập đất Đắk Yên Giới thiệu chung Đập Đắk Yên đập đất tạo thành hồ chứa Đắk Yên thuộc xã Hoà Bình, thị xã Kontum, cách trung tâm thị xã 5km phía Tây Nam có chiều dài đỉnh đập L = 1275m chiều cao mặt cắt lớn Hđ = 25m Đập có khối lượng đất đắp gần triệu m3 Đập xây dựng có nhiều lớp đất xen kẹp, khả chống thấm Đặc biệt khu vực lòng suối có thấu kính cát tầng phủ mềm yếu dày 6÷8m Tại khu vực lòng suối dài 300m cần phải xử lý chống thấm xử lý cường độ cho Đất đắp dự kiến khai thác mỏ vật liệu gọi tên mỏ số 1, 2, 3, 4a, 5, 6, 7, 8, mỏ 1,2,3,4a có cự ly vận chuyển nhỏ 2km, mỏ 5, 6, 7, có cự ly vận chuyển từ 5÷7 km Đất sử dụng để đắp đất Đắk Yên gồm bốn loại: - Loại thứ đất sét màu nâu vàng có hàm lượng sét biến đổi từ 44%÷53%, ‫ﻻ‬k = 1,51÷1,55 T/m3 có hệ số thấm K = 2.106 ÷1.10-5 cm/s (gọi lớp đất 5a) - Loại đất thứ đất sét màu nâu đỏ, nâu vàng, hàm lượng sét biến đổi từ 20÷30%, ‫ﻻ‬k = 1,55÷1,65 T/m3; có hệ số thấm K = 1.106 ÷5.10-5 cm/s (gọi lớp đất 5b) - Loại thứ ba đất sét màu nâu đỏ lẫn nhiều sỏi sạn, hàm lượng sét 25÷35%, ‫ﻻ‬k = 1,45÷1,7 T/m3; có hệ số thấm K = 5.105 ÷1.10-4 cm/s - Loại thứ tư đất sét màu vàng lẫn sỏi sạn hàm lượng sét 18÷26%, ‫ﻻ‬k = 1,65÷1,75 T/m3; có hệ số thấm K = 1.10-5÷5.10-4 cm/s Loại đất thứ có mỏ 4a, loại thứ hai, thứ ba có tập trung mỏ số rải rác mỏ 6, số Loại đất thứ có mỏ 1, 5, 6, 7, Sư phân bố loại đất mỏ vật liệu đất khơng rõ ràng Tính chất tiêu lý thay đổi nhiều Ngay lớp có thay đổi lớn Do tính khơng đồng lớp đất đắp nên nghiên cứu lựa chọn giải pháp chống thấm cho đập coi trọng cách mức Lựa chọn phương án xử lý chống thấm đập Đăk Yên 2.1 Đề xuất phương án chống thấm (a) (b) ®ÊT ®ÊT (c) (d) ®ÊT ®ÊT sÐt (e) Hình Các phương án mặt cắt đập đập khối có chân khay sân phủ chống * Phương án I Lựa chọn đất thuộc lớp tám mỏ vật liệu thấm (hình 1c) đất đắp khối có chân khay căm sâu xuống *Phương án IV sân phủ thượng lưu đất thuộc lớp Sử dụng đất hai mỏ vật liệu 4a đắp đất thân đập.Tuy đất có hệ số thấm đập nhiều khối, khối đất lớp mỏ số có nhỏ nhưng khả lựa chọn để tạo K=1.10-5÷5.10-5 cm/s, khối (giữa) đất sét thành đập đồng khó khăn, để đảm bảo mỏ 4a có K= 1.10-5÷1.10-6 cm/s, khối hạ lưu an tồn thấm phương án hợp lí kĩ thuật dùng đá khai thác chỗ (hình 1d) xây tường nghiêng chống thấm thượng lưu * Phương án V -6 màng bentonite (hình 1a) có K = 1.10 Sử dụng đất ba mỏ vật liệu số 1, số cm/s 4a đắp đập theo nhiều khối Khối đất có K=1.10-5÷5.10-5 cm/s; Khối đất có K=1.10* Phương án II Lựa chọn đất lớp tám mỏ vật liệu đắp 5÷5.10-6 cm/s; Khối đất có K=1.10-5 ÷5.10-4 đập khối.Cũng phương án I, đất có cm/s (hình 1e) hệ số thấm nhỏ nhưng khả lựa 2.2 Phân tích tổng hợp lựa chọn phương chọn để tạo thành đập đồng khó khăn, án kết cấu đập để đảm bảo an tồn thấm phương án hợp lí Dựa tiêu chí điều kiện xây kĩ thuật xây tường nghiêng Xử lý chống dựng, kinh tế, kĩ thuật phân tích tổng hợp thấm màng Bentonite (hình 1b) bảng lựa chọn phương án để thiết kế kĩ thuật * Phương án III Lựa chọn đất lớp tám mỏ vật liệu đắp Bảng 1: Phân tích tổng hợp phương án kết cấu đập TT Tiêu chí Hạn chế ảnh hưởng xấu lẫn đất không đảm bảo chất lượng Hạn chế ảnh hưởng xấu độ đầm chặt không đồng PAI + PAII + PAIII +- + + +- PAIV PAV +++- +- TT Tiêu chí PAI PAII Tận dụng vật liệu chỗ ++4 Diện tích giải phóng mặt mỏ vật liệu Thuận tiện kiểm sốt chất lượng thi cơng Phù hợp với kiện xây dựng Việt Nam ++7 Đầu tư tài Tổng hợp Ghi chú: Tốt + , Rất tốt ++ , Trung bình +- , Xấu - , Rất xấu – Từ kết phân tích bảng chọn phương án III phương án V để thiết kế kĩ thuật vẽ thi công Chỉ tiêu thiết kế đất đắp phương án III phương án V Đập Đắk Yên thiết kế vào năm 2000 Khi Việt Nam sử dụng tiêu chuẩn thiết kế đập đất TCVN 11-77 sau: Phương án III : γKTK = 1,6 T/ m3 , W = 17±2 %, φ = 20 , C = 0,21 kg/ cm2, K ≤5.10-5 cm/s Phương án V , Khối1: γKTK =1,65-1,7 T/ m3, W = 16±2 %, φ = 15 , C = 0,20 kg/ cm2, K≤5.10-5 cm/s Khối2: γKTK =1,44-1,49 T/ m3, W = 25±2 %, φ = 13 , C = 0,24 kg/ cm2, K≤1.10-5 cm/s Khối3: γKTK =1,5-1, 63 T/ m3, W = 17±2 %, φ = 15 , C = 0,17kg/ cm2, K≤1.10-4cm/s Nhận thấy tính phức tạp đất đắp, thiết kế đề nghị sử dụng thêm tiêu chuẩn độ đầm  chặt cho hai phương án I  K ≥ 0,97 để  max đánh giá chất lượng đập đất Đắc Yên Mãi đến năm 2005 tiêu chuẩn thiết kế đập đất đầm nén 14 TCN 157-2005 ban hành Trong độ đầm chặt I đưa vào thành tiêu thiiết kế để đánh giá đất đắp đập Vì suốt thời kỳ xây dựng từ năm 2000 – 2005 việc đánh giá chất lượng đất đắp đập Đắk Yên vào giá trị γKTK (là giá trị trung bình) nên xảy nhiều tranh cãi ảnh hưởng đến tiến độ thi công đập Kết phân tích thấm ổn định mái phần mềm GEO SLOPE bảng Kết tính tốn phần mềm GEO SLOPE cho lượng nước tổn thất thấm qua đập phương án III 873 m3/ng.đêm, phương án PAIII ++ + + PAIV PAV + ++ + ++++ + +++ V 894 m3/ng.đêm, hệ số ổn định trường hợp thiết kế phương án III K= 1,26, phương án V K= 1,24; trường hợp kiểm tra phương án III K= 1,152, phương án V K= 1,15 Như khả chống thấm an toàn ổn định trượt mái hai phương án tương đồng Khi tuân thủ theo định giai đoạn lập dự án khả thi nên chọn phương án III làm phương án xây dựng .[9] Theo phương án III, đất đắp chân khay, sân phủ thân đập loại đất (được gọi đất lớp 5) khai thác mỏ vật liệu Do cơng tác giải phóng mặt khơng đáp ứng tiến độ nên lúc khai thác đất mỏ số 3.Vì đất đắp vào chân khay sân phủ (15.000 m3) bao gồm loại sét không lẫn dăm sạn loại sét lẫn dăm sạn Hai loại đất có giá trị dung trọng khơ khác nhiều Trong tiêu đánh giá chất lượng lấy giá trị γTK làm tiêu Kết chất lượng 15.000 m3 đất đắp trở thành chủ đề tranh cãi thời gian dài Thực tế xây dựng đập thấy rõ khả chọn loại đất mỏ vật liệu khó khăn nên sử dụng phương án V thay phương án III Phương án V so với phương án III kích thước, kết cấu bên ngồi khối lượng đất đắp khơng có khác Phương án V tận dụng đất ba mỏ vật liệu 1, 4a đắp thành khối Tuy q trình thi cơng tn thủ theo tiêu chuẩn cũ, lấy giá tri γTK trung bình làm tiêu đánh giá chất lượng trình thi cơng Báo cáo kết kiểm tra γ đất đắp quan tư vấn tham gia kiểm tra theo yêu cầu chủ đầu tư không thống nhất, báo cáo quan khác lần báo cáo.Ý kiến đạo từ phía quản lý muốn bổ sung thêm vào phương án V hào chống thấm bentonite Chính khác kết kiểm tra γ đất đắp ý tưởng bổ sung hào Bentonite làm cho tranh cãi chất lượng đập Đăk Yên lúc trở nên phức tạp Mãi đến năm 2005 tiêu chuẩn thiết kế đập đất đầm nén 14 TCN 157-2005 ban hành, lấy giá tri độ chặt làm tiêu đánh giá chất lượng q trình thi cơng, việc thi công đập Đăk Yên theo phương án V tiến hành cách bình thường hồn thành đưa vào sử dụng năm 2008 Đập ĐăkYên có nhiều khối để lại lo ngại tượng lún không Tư vấn thiết kế tiến hành phân tích lún để kiểm sốt tượng Phân tích ổn định lún đập nhiều khối từ toán cố kết giải FEM, sử dụng bước thời gian tự thích ứng Khi sử dụng FEM giải tốn cố kết có xét đến bước thời gian tự thích ứng áp dụng lý thuyết cố kết thấm hai chiều Biot có sử dụng sai số Euclid để khống chế bước thời gian trình giải tốn cố kết Bước thời gian tính tốn ∆t khống chế dựa điều kiện khống chế tốc độ thay đổi ứng suất tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng: u t new   tu  u t old p t new    p  t old Trong : p t new : bước thời gian xác định từ sai số ứng suất u t new : bước thời gian xác định từ sai số áp lực nước lỗ rỗng Bước thời gian khống chế xác định giá trị nhỏ hai giá trị trên.[8,9] Hình Phân bố vật liệu đắp đập ĐăkYên Hình 3.Sơ đồ lưới phần tử tính tốn Trong tính tốn đập chia thành 26 lớp, lớp dày 0,746m , bước thời gian tự thích ứng với lớp khác , nhỏ 1,473 ngày lớp thứ 3, thời gian trung bình 15,938 – 16,712 ngày xẩy lớp lớp 22 , thời gian dài 29,396 – 33,782 xẩy lớp 12 13 Kết lún sau thể hình Hình Quá trình biến đổi áp lực nước lỗ rỗng đáy đập theo thời gian Hình Quá trình lún đỉnh đập theo thời gian trình vận hành Một số biện pháp để đáp ứng yêu cầu chất lượng q trình xây dựng 5.1 Thực thí nghiệm trường Trong q trình thi cơng đập Đắk n, nhà thầu thi cơng thực thí nghiệm trường để đưa thông số kỹ thuật đầm nén đất nhằm đạt độ chặt thiết kế I = 0,97 Kết thí nghiệm đầm nén trường loại máy đầm, độ dày lấp đất (hm), số lần đầm cần thiết (n), độ ẩm thích hợp bảng Bảng 5: Các thông số đầm nén đất đập Đắk Yên Vật liệu đất Công cụ DYNAPAC (25T _ Tĩnh) DYNAPAC (25T _ Rung) Mỏ vật liệu Mỏ vật liệu 4a h (cm) n (lượt) W (%) h (cm) n (lượt) W (%) h (cm) n (lượt) W (%) 30 ≥ 14 11 ÷ 15 30 ≥ 13 16 ÷ 18 30 ≥ 18 22 ÷ 25 30 ≥ 16 10 ÷ 14 5.2 Kiểm tra chất lượng trình thi công Thi công đắp đập giám sát chất lượng theo thông số đầm nén đất bảng Từng lớp đất đắp lấy mẫu thí nghiệm để kiểm tra, độ chặt (I = γK/γmax) coi tiêu để đánh giá chất lượng khối đất đắp Từng khối đất tiến hành thí nghiệm thấm trường để đánh giá tiêu chuẩn thấm thiết kế thông qua hệ số thấm K 5.3 Kiểm định chất lượng nghiệm thu Nghiệm thu giai đoạn nghiệm thu hồn cơng dựa kết kiểm định chất lượng Công tác kiểm định chất lượng đập Đắk Yên bao gồm công việc kiểm tra trường tính tốn kiểm định Các cơng việc kiểm tra chất lượng đất đắp trường bao gồm việc khoan lấy mẫu đất khối đập Các mẫu đưa phòng thí nghiệm phân tích xác định độ đầm chặt đất Tại trường tiến hành thí nghiệm thấm Báo cáo kết kiểm tra hồn cơng 97% số mẫu đạt độ chặt I ≥ ITK = 0,97, khối có hệ số thấm K ≤ KTK ITK, KTK độ chặt hệ số thấm thiết kế Căn vào tiêu lý, lực học mẫu đất báo cáo hồn cơng, tính tốn thực để kiểm tra an toàn 10 Mỏ vật liệu 30 ≥ 18 16 ÷ 18 - - - thấm an toàn ổn định mái dốc Các kết tính tốn kiểm định cho thấy đập đảm bảo yêu cầu Gradien thấm J hệ số ổn định mái dốc Kôđ ≥ [Kôđ] III Kết luận Tây Nguyên nơi xây dựng nhiều đập đất theo công nghệ đầm nén Tính khơng đồng đất với thay đổi yếu tố khí hậu cách mạnh mẽ theo mùa Tây Nguyên gây khó khăn cho cơng tác xây dựng đập đất đầm nén vùng Nhiều đập xây dựng phải xử lý gia cố chống thấm Bài báo khái quát khó khăn công tác xây dựng đập đất công nghệ đầm nén Tây nguyên đồng thời báo trình bày nghiên cứu trình xây dựng đập Đăkn để làm ví dụ điển hình Các nghiên cứu trình xây dựng đập ĐăcYên số đập khác nghiên cứu biện pháp gia cố chống thấm cho số đập xây dựng Tây Nguyên học kinh nghiệm cho công tác khảo sát thiết kế, thi công, quản lý chất lượng xây dựng đập đất đầm nén vùng Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh, Sử dụng đất chỗ để đắp đập Tây Nguyên, Nam Trung Bộ & Đông Nam Bộ, Nhà xuất Nông Nghiệp TP Hồ Chí Minh 2001 [2] Lê Thanh Bình, Nghiên cứu sử dụng hợp lí loại đất lẫn hạt thơ vùng Nam Trung Bộ, Tây Nguyên & Nam Bộ làm vật liệu đắp đập, LATS , 1977 [3] Vụ kĩ thuật Thủy lợi, Một số vấn đề nghiên cứu đất Bazan xây dựng thủy lợi, Tuyển tập hội thảo Đăk Lắc 1979 [4] Nguyễn Cơng Mẫn, Sự hình thành đất đỏ Bazan số tính chất xây dựng, Tập san Thủy Lợi 9/1978 [5] Hoàng Minh Dũng, Nghiên cứu trạng đập vật liệu địa phương miền Trung đề xuất kết cấu đập hợp lí, LVTSKT, ĐHTL , 3/2000 [6 ] Lê Quang Thế, Nghiên cứu lựa chọn công nghệ đầm nén đập đất điều kiện địa chất môi trường tỉnh Tây Nguyên & Trung Bộ, LVTSKT- ĐHTL 3/2000 [7] Tăng Đức Thắng, Nghiên cứu giải pháp đảm bảo an tồn hồ chứa vừa lớn tỉnh đơng Nam Bộ & Tây Nguyên, Đề tài KHCN cấp bộ, Hà Nội 9/2006 [8] Nguyen Quang Hung Fem on Geotechnical Structure Doctor thesys Wuhan University 2004 [9] Nguyen Quang Hung, Fu Shao Jun, Chen Sheng Hong Study on adaptive time step of consolidation geotechnical problems by finite element method Rock and Soil Mechanichs of China 2005 Vol.26 No.4 P.591-595,599 [10] Nguyễn Quang Hùng “Nghiên cứu lựa chọn thiết bị thi công hợp lý đắp đập vật liệu địa phương có sử dụng đất có hàm lượng sét cao” Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp sở Đại học Thủy Lợi 2007 Abtract: RESEARCH SOLUTIONS TO ENSURE SEEPAGE SAFETY FOR THE HOMOGENEOS EARTH DAMS CONSTRCTED IN THE WESTERN PLATEAU OF VIETNAM BY COMPACTION TECHNOLOGY Hung Nguyen Quang, Cong Mai Van, Mao Nguyen Van Water Resources University of VietNam In the Western plateau of Vietnam there has been constructed number of homogennous earth dams with rich clay content soil This high clay content soil is often swollen and dissolved sensitively with water content and, therefore, the dams have relatively low seepage safety coefficient In order to ensure safety for the dams, researches are needed in selections of structure solutions; constructed methods; and quality appraisal of execution methods In this paper, firstly comments are given for the conditions of earth dam construction in the Western plateau of Vietnam by compaction technology Secondly, focus is paid on synthesis analysis in selecting water-proof measures for the dam system In addition, Finite Element method (FEM) is applied to analyze consolidation process, creating scientific basis for choosing structure solutions, construction technology and quality appraisal of execution methods Application is done for the Dak Yen dam, in Kontum province, Vietnam 11 ... Tây Nguyên gây khó khăn cho cơng tác xây dựng đập đất đầm nén vùng Nhiều đập xây dựng phải xử lý gia cố chống thấm Bài báo khái quát khó khăn cơng tác xây dựng đập đất công nghệ đầm nén Tây nguyên. .. thường bị động đất Tính phổ biến nhận thấy đập đất đắp Tây Nguyên độ chặt khối đất đắp không đồng dẫn tới độ tin cậy ổn định thấm đập đất không cao Nghiên cứu trạng đập đất xây dựng Tây Nguyên đưa... Tây Ngun khơng thuận lợi cho việc xây dựng đập đất đầm nén nên có nhiều nghiên cứu chuyên sâu sử dụng đất chỗ để đắp đập. [1,2], sử dụng đất đỏ Bazan để đắp đập. [3,4], nghiên cứu kết cấu đập giải