Đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp sửa chữa hồ chứa nước Tuyền Tung – tỉnh Quảng Ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUANG NHỰT ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬA CHỮA HỒ CHỨA NƯỚC TUYỀN TUNG - TỈNH QUẢNG NGÃI Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 858 02 02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN HƯỚNG Phản biện 1: TS Huỳnh Ngọc Hào Phản biện 2: TS Nguyễn Thanh Hải Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp Trường đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường đại học Bách khoa - Thư viện Khoa xây dựng thủy lợi - thủy điện, Trường đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hồ chứa nước Tuyền Tung thuộc địa phận thôn Thọ An, xã Bình An (Bình Sơn) Theo thiết kế, hồ chứa nước Tuyền Tung có diện tích gần 21ha có khả tưới tiêu cho 400ha ruộng lúa khởi công xây dựng năm 2003 đến năm 2008 cơng trình hồn thành, đưa vào sử dụng mang lại niềm vui cho người dân xã khu Tây huyện Bình Sơn Tuy nhiên, đến mùa mưa bão năm 2009 hai vai thân đập xuất nhiều vết nứt điểm rò rỉ nước thấm qua thân đập chảy mạnh suối, số hạng mục (đập đất, tràn xả lũ, cống lấy nước, đường quản lý…) xuống cấp nghiêm trọng; diện tích tưới thực tế khơng đảm bảo u cầu Do đó, việc nghiên cứu, phân tích xác định nguyên nhân đề xuất giải pháp xử lý thấm, đảm bảo an toàn cho việc vận hành hồ chứa nước Tuyền Tung cần thiết Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá tổng thể trạng đập tràn hồ chứa nước Tuyền Tung; - Nghiên cứu nguyên nhân thấm, ổn định đề xuất giải pháp sửa chữa đập Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa nước Tuyền Tung; - Phạm vi nghiên cứu: Đập tràn hồ chứa nước Tuyền Tung Phương pháp nghiên cứu - Khảo sát thực tế trường, thu thập phân tích tài liệu có kết hợp với nghiên cứu phương pháp kỹ thuật nhằm đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp; - Ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật GEO STUDIO (Canada) để tính tốn, xác định kiểm tra thơng số, đảm bảo tính hợp lý nghiên cứu thực tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đánh giá tổng thể trạng hồ chứa nước Tuyền Tung từ xây dựng phương án, giải pháp khắc phục; - Căn đề xuất sửa chữa, nâng cấp, đảm bảo an toàn đập điều kiện nay; - Kết sở lý luận giải số vấn đề bất cập trạng thấm cơng trình thực tế tảng cho việc xây dựng dự án nghiên cứu tương lai Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương 1: Đánh giá trạng cơng trình đập Tuyền Tung Chương 2: Đề xuất giải pháp nâng cấp sửa chữa đập Tuyền Tung Chương 3: Nghiên cứu tính tốn ổn định thấm cho cơng trình Chương 4: Xây dựng tốn thấm sử dụng mơ hình Geo Studio 2012 Kết luận kiến nghị CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CƠNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC TUYỀN TUNG 1.1 Tổng quan cơng trình 1.1.1 Vị trí xây dựng Hồ chứa nước Tuyền Tung: cụm cơng trình đầu mối thuộc địa phận thơn Thọ An, xã Bình An, huyện Bình Sơn khu hưởng lợi thuộc xã Bình An, Bình Khương, Bình Minh, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng ngãi Cơng trình xây dựng vào năm 2003, có nhiệm vụ tưới cho 200 đất sản xuất Hồ có diện tích lưu vực 20,0km2, tổng dung tích 0,4 triệu m3 nước Hình 1.2: Cơng trình hồ chứa nước Tuyền Tung Bảng 1.1 Các thơng số đặc trưng cơng trình TT THƠNG SỐ A NHIỆM VỤ, CẤP CƠNG TRÌNH ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ HIỆN TRẠNG Cấp cơng trình đầu mối Mức bảo đảm tưới % 75% Tần suất lũ kiểm tra % 0,50 Tần suất lũ thiết kế % 1,50 B III THÔNG SỐ THIẾT KẾ HỒ Mực nước chết m 163,60 Mực nước dâng bình thường m 165,50 Mực nước lũ thiết kế m 168,18 Dung tích chết 103m3 207,345 Dung tích tồn 103m3 422,882 Dung tích ứng với MNLTK 103m3 1.031,806 Dung tích hữu ích 103m3 215,537 1.1.2 Đặc điểm địa hình địa mạo Khu vực dự án thuộc địa hình đồi, núi thấp, xen kẽ đồng nhỏ hẹp Sườn địa hình dốc, độ dốc từ 100 đến 200, đỉnh núi vùng thường tròn, rộng Bề mặt sườn phủ nhiều đá lăn, đặc biệt sườn múi bên vai tả đập phủ nhiều tảng lăn kích thước lớn, cá biệt có tảng từ 1.0 m đến 3.0m Địa tầng cấu tạo nên dạng địa mạo chủ yếu đất sét pha, cát pha lẫn nhiều dăm sạn, màu vàng nhạt, vàng nâu, nguồn gốc sườn tích tàn tích (edQ) 1.1.3 Đặc điểm khí hậu Khí hậu tỉnh Quảng Ngãi nói chung, chịu ảnh hưởng chung khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, năm có hai mùa rõ rệt: mùa nắng từ tháng đến tháng 8; mùa mưa tháng đến tháng năm sau 1.1.4 Đặc điểm địa chất thủy văn Trong khu vực nghiên cứu, mạng lưới thủy văn phát triến mạnh, đặc trưng nhiều khe suối nhỏ; khe suối nhỏ có dòng chảy chủ yếu đổ vào dòng chảy suối Nước Lạnh, làm cho suối Nước Lạnh có nước thường xuyên năm Qua kết khảo sát địa chất cơng trình hồ chứa nước Tuyền Tung, địa chất thủy văn cơng trình xuất tầng thấm: Nước lỗ hổng (Lớp 2); Đới nứt nẻ mạnh (Lớp 3); Đới nứt nẻ yếu (Lớp 4) 1.2 Đánh giá trạng thấm ổn định qua đập Tuyền Tung 1.2.1 Hiện trạng Đập Tuyền Tung - Đập đá xây: Hình thức đập trọng lực, cao trình đỉnh đập 168,50, chiều dài đỉnh đập L= 64,0m, chiều rộng đỉnh đập B= 2,0m, chiều cao đập H= 12,5m Kết cấu đá xây đắp đất phía hạ lưu + Tả đập: Thượng lưu đập phần bê tơng ốp mặt có tượng rổ có lỗ rỗng, hạ lưu đập phần gia cố đá xây trạng có nhiều cỏ mọc mái thân Hệ thống lan can thép xuống hạ lưu đập bị hư hỏng Tại vị trí tiếp xúc với tường biên bị sụp lún + Đỉnh đập rộng B=2,0m, mặt đập đá xây, bố trí lan cang bảo vệ thượng hạ lưu ống thép cao 80cm Lan can thép bị hư hỏng + Tường biên hạ lưu đập xuất nhiều vị trí thấm, có nhiều vị trí nước chảy thành vòi - Hữu đập: Thượng lưu đập đá xây, mạch hồ bị bong tróc Tại vị trí tiếp giáp với tràn bị hư hỏng nặng bị sạt lở mảng lớn, nước chảy qua tạo thành dòng làm sạt lở phía hạ lưu đập + Hạ lưu đập bề mặt gia cố đá xây, trạng có nhiều bụi mọc Đặt biệt xuất rảnh sụt lún chạy theo tường biên tiếp giáp với tràn Tường biên hạ lưu đá xây bị hư hỏng nặng, mạch vữa bị thối khơng có tác dụng liên kết nên xuất nhiều hàm ếch hồ tích nước tạo dòng thấm qua thân đập chảy thành dòng, gây ổn định cho cơng trình - Tràn xả lũ: + Hình thức tràn tự do, mặt cắt thực dụng, cao trình ngưỡng tràn 165,50, bề rộng ngưỡng tràn 60,0m, chiều cao đập H=10,0m, hình thức tiêu mặt Kết cấu đá xây bọc lớp bê tông cốt thép bên + Ngưỡng tràn vị trí cắt khớp thi cơng bị hư hỏng + Hạ lưu tràn bị nứt nhiều đường theo phương dọc phương ngang với độ rộng vết nứt từ -:- 5cm với chiều dài vết nứt khoảng 50m theo phương dọc đập Tại chân mũi phun có nhiều vị trí bị hỏng nước thấm qua chảy thành vòi + Lớp bê tông mặt tràn bị hư hỏng xuất nhiều điểm vở, vị trí cắt khớp thi cơng bị bong tróc, khớp nối bị hỏng Nhiều vị trí nước thấm qua thân tràn 1.2.2 Hình ảnh trạng đập Tuyền Tung 1.2.3 Đánh giá nguyên nhân nước hồ Theo quan sát hạ thượng lưu đập kết khoan địa chất, nguyên nhân nước hồ thấm qua thấm qua thân đập - Thấm qua nền: Đập nằm đá nứt nẻ vừa mạnh chân khay cắt thấm không qua hết phần nứt nẻ, dẫn đến xuất dòng thấm qua Thấm qua với nguyên nhân sau: Về điều kiện địa chất: Địa chất có cấu tạo từ xuống gồm lớp: + Lớp 1: Xuất thượng lưu tràn, hỗn hợp cát sỏi bụi lớp bồi lắng trước tràn, thấm mạnh, xuất lỗ khoan số số + Lớp 2: Xuất thượng lưu đập, lớp sét pha, chứa nhiều dăm sạn, màu vàng nâu, trạng thái ẩm, cứng kết cấu chặt, hệ số thấm k=4,2x10-5 ( lỗ khoan 1,3,4,5,7) + Lớp 3: Xuất thượng lưu đập tràn, lớp đá Granitognais, đá nứt nẻ mạnh, khe nút tách, mặt khe nứt có vết bám xít sắt có màu nâu đỏ; phong hóa yếu, đá có mầu xám đục, phớt màu vàng nhạt, hệ số thấm k=6,285m/ngày + Lớp 4: Xuất thượng lưu đập tràn, lớp đá Granitognais, đá nứt nẻ ít, tươi màu trắng xám, xám xanh, đá có cấu tạo khối, tỷ lệ nỗn khoan 100% Hệ số thấm k=0,280m/ngày ( lỗ khoan 1,2,3,4,5,6) Với số liệu địa chất phân bố địa tầng đập nằm lớp tràn nằm chủ yếu lớp Đây lớp có hệ số thấm cao (lớp thấm mạnh) nên dẽ phát sinh dòng thấm chịu tác động cột nước lớn ( hồ tích nước) Tại hạng mục tràn nằm lớp lớp với độ chênh cao đỉnh tràn cao trình 165,5m so với đáy tiêu 155,5m chiều dài 13,0m nên gradient thấm lớn + Thấm qua thân đập với nguyên nhân sau: Chất lượng thi công không tốt;Phạm vi đập tràn xuất nhiều vết nứt chạy dọc đập với khe nứt từ (1 đến 5)cm, vị trí khớp nối vật liệu chống thấm bị hỏng;t iếp xúc đập bê tông M150 dày 50cm khả dòng thấm xảy cao (vì chất lượng kiểm sốt thi cơng); Hiện trạng vai hữu đập đá xây xuất nhiều vết nứt mạch vữa bị bong tróc, đặc biệt vị trí tiếp giáp với tràn xuất vết sạt lở lớn, tạo dòng thấm qua thân đập gây sụp lún phía hạ lưu đập, xuất thành dòng + CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP VÀ SỬA CHỮA ĐẬP TUYỀN TUNG 2.1 Tuyến công trình Việc nâng cấp sửa chữa cơng trình Hồ chứa nước Tuyền Tung khơng có vùng tuyến cụm đầu mối khác ngồi vùng tuyến cụm đầu mối cơng trình xây dựng 2.2 Giải pháp nâng cấp sửa chữa Qua mơ tả trạng cơng trình tượng thấm qua thân cơng trình với lưu lượng lớn gây ổn định đe dọa đến an tồn cơng trình Theo giải pháp xây dựng chọn tiến hành nâng cấp, sửa chữa chống thấm cho cơng trình 2.3 Phân tích chọn biện pháp cơng trình Căn vào nhiệm vụ, điều kiện tự nhiên, địa hình, địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu; trạng nguyên nhân hư hỏng cơng trình, tác giả nhận định số phương án sửa chữa đập sau: - Phương án 1: Làm vai Hữu đập, sửa chữa xử lý chống thấm vai Tả đập tràn xả lũ, cống lấy nước sử dụng lại + Hữu đập: Làm bê tông, chống thấm lớp BTCT M300 dày 1m phía thượng lưu, hạ lưu bê tơng M150 độn đá hộc Chân khay đập cắt qua lớp cắm vào lớp khoảng 100cm, đáy chân khay B=1,0m Với chiều dài L= 41,20m, mặt đập rộng B=2,0m, có lan can bảo vệ thượng hạ lưu ống thép; + Tả đập: Xử lý chống thấm giải pháp khoan tạo màng chống thấm Tiến hành khoan hàng phía thượng lưu đập Phạm vi khoan phụt: Điểm đầu cách mép tràn xả lũ tràn 3m, đến vào hết vai Tả đập, L= 27m Dung dịch hỗn hợp xi măng + sét qua đất vữa xi măng qua đá đến cao trình (151,00 153,50)m, chiều sâu hố khoan từ H = (5,50 - 13,00)m + Sân phủ BTCT M300 dày 50cm rộng 4,20m, kết hợp với mặt thượng lưu đập trạng ốp lớp BTCT M300, liên kết với lớp đập cũ thép neo D16, dùng sika để liên kết thép neo bê tông cũ - Tràn: Làm sân phủ thượng lưu rộng 3,5m BTCT M300, dày 50cm kết hợp với chân khay cắt thấm BTCT M300 cắm vào lớp khoảng 100cm, đáy chân khay B=1,0m Tràn trạng bọc lớp BTCT M300, dày 100cm phía thượng lưu ngưỡng tràn, mặt hạ lưu tràn bọc lớp BTCT M300 dày 30cm - Phương án 2: Làm vai Hữu, Tả đập, sửa chữa xử lý chống thấm tràn xả lũ, làm cống lấy nước Nam ống thép D50cm + Hữu, Tả đập: Làm bê tông, chống thấm lớp BTCT M300 dày 1,0m phía thượng lưu, hạ lưu bê tơng M150 độn đá hộc Chân khay đập cắt qua lớp cắm vào lớp khoảng 100cm, đáy chân khay b=1,0m + Tràn: Làm sân phủ thượng lưu dài 3,5m BTCT M300, dày 50cm kết hợp với chân khay cắt thấm BTCT M300 cắm vào lớp khoảng 100cm, đáy chân khay b=1,0m Tràn trạng bọc lớp BTCT M300, dày 100cm phía thượng lưu ngưỡng tràn, mặt hạ lưu tràn bọc lớp BTCT M300 dày 30cm + Cống lấy nước Nam: Làm ống thép D50cm, bọc bên BTCT M300 Kết luận: Qua phân tích ưu nhược điểm dựa theo tiêu chí, mục tiêu dự án tư vấn chọn Phương án 1: Làm phương án thiết kế Đây phương án đảm bảo chống thấm gần triệt cơng trình với điều kiện u cầu kỹ thuật khơng q phức tạp, dễ dàng việc kiểm sốt chất lượng cơng trình 2.4 Phương án kỹ thuật 2.4.1 Đập a Xác định cao trình đỉnh đập: Với cao trình MN lũ kiểm tra: 169,15m để đảm bảo yêu cầu khơng cho lũ tràn qua, chọn cao trình đỉnh đập: 169,20m (lấy tròn) b Lựa chọn thơng số thiết kế mặt cắt ngang đập: - Đập bê tông trọng lực, mái thượng lưu m=0; Cao trình đỉnh đập: 169,20m; Bề rộng đỉnh đập chọn B = 2,0m Bố trí hạ lưu đập đồng thời tăng khối đắp kết hợp chống thấm Hệ số mái hạ lưu đập m=1,0 Cao trình hạ lưu đập 163,0m, mặt hạ lưu đập gia cố bê tông M150 dày 15cm c Hình thức nâng cấp sửa chữa Giải pháp khoan chống thấm: Khoan chống thấm đập hỗn hợp xi măng sét xi măng đến cao trình (151,0 153,5)m, chiều sau hố khoan H = (5,5 - 13,0)m Giải pháp chân khay chống thấm: Nền đập thấm mạnh qua lớp 2&3, đào chân khay chống thấm cắt qua lớp cắm sâu vào lớp (lớp đá tươi) khoảng 100cm; đồng thời làm sân phủ thượng lưu ốp lớp áo BTCT M300 mặt thân đập thượng lưu để tăng chống thấm qua thân đập Chiều rộng chân khay B = 1,0m; cao trình đáy chân khay 10 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH THẤM CHO CƠNG TRÌNH ĐẬP BÊ TÔNG 3.1 Khái niệm thấm Thấm chuyển động chất lỏng đất, đá nứt nẻ mơi trường (rỗng, xốp) nói chung đất diễn tác dụng lực trọng trường có chênh lệch cột nước điểm khác mơi trường xốp Tính thấm nước đất đá phụ thuộc nhiều nhân tố, quan trọng kích thước, hình dạng lỗ rỗng độ rỗng, định độ phân tán thành phần khoáng vật đất đá 3.1.1 Nguyên nhân gây thấm Nguyên nhân gây thấm chuyển động dòng thấm Gradient cột nước thấm Nguyên nhân gây thấm vật liệu khơng bão hòa nước ngồi tác nhân Gradient cột nước thủy lực (bao gồm Gradient áp lực Gradient cao trình) Gradient độ ẩm, Gradient hút dính Ua-Uw Trong Ua áp lực khí lỗ rỗng, Uw lực nước lỗ rỗng Tổng lượng điểm biểu thị lượng trọng lượng đơn vị gọi vị hay cột nước thủy lực U3 V hw = y + w + w Pw g 2g 3.1.2 Phân loại dòng thấm Trong vấn đề nghiên cứu dòng thấm, người ta chia dòng thấmthành loại sau: - Thấm ổn định thấm không ổn định - Thấm có áp thấm khơng áp - Dòng thấm phẳng thấm không gian - Hiện tượng mao dẫn thấm không áp 3.2 Vấn đề nghiên cứu dòng thấm Nhiệm vụ nghiên cứu dòng thấm tìm quy luật chuyển 11 động phụ thuộc vào hình dạng, kích thước phận cơng trình biên dòng thấm; xác định đặc trưng phân bố áp lực thấm lên phận cơng trình, phân bố gradien thấm miền thấm, trị số lưu lượng thấm Trên sở tính tốn này, người thiết kế chọn hình thức, kích thước, cấu tạo hợp lý cơng trình, đảm bảo điều kiện làm việc an tồn (ổn định trượt, ngăn ngừa biến hình ) tính kinh tế phương án chọn 3.3 Phương pháp tính tốn thấm 3.3.1 Các giả thiết Lời giải lý thuyết tốn thấm có áp đưa sở số giả thiết đơn giản hố mơi trường thấm dòng thấm Các giả thiết sau: - Đất môi trường đồng đẳng hướng; - Nước chứa đầy miền thấm không ép co được; - Dòng thấm ổn định; - Dòng thấm chảy tầng tn theo định luật Darcy Những kết tính tốn thu dựa vào giả thiết nêu phù hợp với thực tiễn, có độ xác đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Đối với tốn thấm có áp nêu đây, đưa thêm giả thiết bổ sung là: - Trong miền thấm khơng có điểm tiếp nước điểm rút nước; - Bài toán thấm phẳng Các giả thiết sở lý luận để đơn giản hoá điều kiện tốn, từ thiết lập phương trình tính tốn để tìm thơng số dòng thấm là: cột nước thấm h, lưu lượng thấm, phân bố gradien vận tốc thấm toàn miền 3.3.2 Tính thấm phương pháp giải tích - Phương pháp học chất lỏng - Phương pháp học chất lỏng gần - Phương pháp tỷ lệ đường thẳng 3.3.3 Tính thấm phương pháp sử dụng lưới thấm 12 a Khái niệm lưới thấm Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, lưới thấm hình thành hai họ đường cong trực giao Các đường cong thể hình ảnh chuyển động hạt nước mơi trường thấm - Đường dòng: biểu diễn quỹ đạo phần tử nước chuyển động miền thấm; - Đường (gọi tắt đường đẳng hay đường đẳng cột nước): tập hợp điểm có cột nước thấm Lưới thấm phụ thuộc vào dạng hình học miền thấm mà khơng phụ thuộc vào hệ số thấm, cột nước, chiều dòng thấm, kích thước tuyệt đối cơng trình b Các phương pháp xây dựng lưới thấm Để xây dựng lưới thấm, sử dụng phương pháp khác nhau: - Phương pháp giải tích - Phương pháp thí nghiệm tương tự điện (EGĐA) - Phương pháp thí nghiệm mơ hình khe hẹp - Phương pháp vẽ lưới tay c Sử dụng lưới thấm để xác định đặc trưng dòng thấm - Cột nước thấm điểm cuối dải thứ i: hi=i.H/n - Lưu lượng thấm ống dòng là: H q = k.J TB S.l = k .S n.L m - Lưu lượng thấm toàn miền: q = m.q = k.H n - Trị số gradien thấm bình quân mắt lưới là: H H J= = L L n 3.3.4 Tính thấm phương pháp số Xuất phát từ phương trình điều kiện biên, sử dụng phương pháp số để tìm đặc trưng dòng thấm Thường sử dụng phương pháp phương pháp sai phân phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 13 a Phương pháp sai phân Miền thấm chia thành hình chữ nhật có kích thước a x b Hình 3.9 Sơ đồ lưới sai phân Các đại lượng vi phân dh, dx, dy chuyển thành đại lượng sai phân tương ứng h, x, y Những đạo hàm riêng cấp cấp hai h h  h  h , , , chuyển sang tỷ sai phân theo x y x y công thức sau: h h ( x + a, y ) − h ( x, y ) = x a  h h ( x + a, y ) − 2h ( x, y ) + h ( x − a, y ) = x a2 h h ( x, y + b ) − h ( x, y ) = y b  h h ( x, y + b ) − 2h ( x, y ) + h ( x, y − b ) = y b2 Trong x, y tọa độ điểm nút cần xét thuộc lưới Việc tìm nghiệm phương trình h = chuyển thành việc giải hệ phương trình đại số tuyến tính để tìm giá trị h(x, y) điểm nút Phương pháp sai phân đơn giản dùng để giải tốn thấm có điều kiện biên phức tạp nhược điểm kỹ thuật chia lưới b Phương pháp phần tử hữu hạn Theo phương pháp này, miền thấm chia thành hình tam giác có kích thước hình dạng khác phù hợp với biên tính chất dòng thấm khu vực khác (khu vực có cường độ thấm mạnh chia thành phần tử có kích thước nhỏ ngược lại) 14 Trong toán thấm phẳng, ổn định cột nước h ( x, y ) điểm xác định biết giá trị cột nước h đỉnh i, j, m phần tử hi h c =  Ni N j N m  h j hm Theo nguyên lý biến phân, việc tìm nghiệm tốn thấm cho hồn tồn tương đương với việc tìm cực tiểu phiếm hàm: p E ( h ) =  Ee Trong đó: p - số phần tử chia miền;   h   h   E e =   k   + k   .dxdy     x   y    - diện tích phần tử Cuối cần giải hệ phương trình đại số: p E e =0  i =1 h i Các ẩn số phải tìm trị số cột nước h điểm nút lưới Với hỗ trợ máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn trở thành thông dụng công cụ mạnh để giải loại tốn thấm khác nhau: có áp không áp, ổn định không ổn định, phẳng không gian 3.3.5 Kết luận Trong nghiên cứu này, phương pháp tác giả lựa chọn để tính tốn đánh giá tượng dòng thấm đáy ven bờ cơng trình đập Tun Tung phương án mơ hình số dựa sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn Nội dung phương pháp tác giả thể chi tiết Chương 3.4 Cơ sở lý luận thực tiễn thiết kế chống thấm cho đập bê tơng Tính chống thấm bê tông vấn đề quan trọng đối 15 với bê tơng có tiếp xúc với nước lẽ sau đây: - Nó coi ngun nhân ăn mòn bê tơng tiếp xúc với mơi trường nước có tính chất ăn mòn Nước thấm vào bê tơng, phá hoại bê tơng từ ngồi gây ăn mòn cốt thép nguy hiểm; tính chống thấm liên quan với tính bền vững bê tơng tính ổn định cơng trình đập dâng; - Nếu thấm nhiều làm nước hồ chứa, kênh mương, bể nước; Nhiều cơng trình xây dựng trước khơng quan tâm đến vấn đề chống thấm mà dựa vào cường độ bê tông yêu cầu để thiết kế thành phần bê tông Việc khống chế tỷ lệ N/X không vượt tỷ lệ N/X tối đa lượng xi măng khơng lượng xi măng tối thiểu khơng đủ để đảm bảo bê tơng có khả chống thấm u cầu, lại khơng thí nghiệm kiểm tra khơng có biện pháp chống thấm cho bê tơng cơng trình Vì sau thời gian nhiều cơng trình bê tơng cốt thép nước đất bắt đầu bị ăn mòn hư hỏng Biểu rõ vấn đề cơng trình đập dâng Tuyền Tung mà tác giả nghiên cứu Vật liệu bê tông thi cơng đặc chắc, có hệ số thấm nhỏ (k=10-8 – 10-11cm/s) tùy theo Mac bê tông cấp phối vật liệu Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn thiết kế đập bê tông Việt Nam nước khác quy định bố trí hành lang nước hệ thống thu nước gần phía mặt thượng lưu đập để tập trung nước vào hành lang, từ bố trí đường nước hạ lưu Quy định nước thấm khơng xun qua tồn mặt cắt đập lý cho sau: - Để giảm áp lực thấm đẩy ngược lên thân đập, mà tăng ổn định chống trượt cải thiện trạng thái ứng suất thân đập (hạn chế phát sinh ứng suất kéo); - Về lâu dài, nước thấm làm giảm chất lượng bê tơng tượng xâm thực hòa tan, tiết vơi vị trí nước thấm 16 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI TOÁN THẤM - ỨNG SUẤT NỀN SỬ DỤNG MƠ HÌNH GEO STUDIO 4.1 Mơ tả cơng trình đập Tuyền Tung Như chương giới thiệu, đập Tuyền Tung cơng trình dâng nước nằm đại bàn xã Thọ An, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi Nhiệm vụ hồ cung cấp nước phục vụ phát triển nông nghiệp dân sinh Hiện nhiều hạng mục cơng trình bị xuống cấp Nhằm đáp ứng nhu cầu nước, Đập Tuyền Tung sau sửa chữa đáp ứng nhiệm vụ sau: - Đảm bảo an toàn hồ chứa, giảm thiểu nguy vỡ đập, bảo vệ người tài sản hạ lưu cơng trình; - Đảm bảo cấp nước tưới cho 245 đất sản xuất nông nghiệp; diện tích lúa 120,0ha diện tích màu 125,0ha; - Nâng tần suất bảo đảm tưới từ 75% lên 85%; Sau thời gian dài vào khai thác sử dụng, nay, Cơng trình bị thấm qua thân mạnh, điều dẫn đến hồ chứa nước nhanh không đảm bảo công tác vận hành khai thác thời gian qua 4.2 Mục đích việc tính tốn thấm cho đập Tuyền Tung Căn vào trạng đập Tuyền Tung Hai vấn đề cần quan tâm việc đánh giá phân tích ổn định dòng thấm nghiên cứu bao gồm tượng thấm qua thân đập tràn tượng thấm qua vai hữu đập Như vậy, việc tính tốn thấm đập bê tông Tuyền Tung cần thực nhằm xác định yếu tố sau: + Áp lực ngược nước thấm tác dụng vào đế đập; + Các Gradient trung bình cột nước áp lực; + Các Gradient cục lớn cột nước áp lực; + Vị trí đường bão hòa dòng thấm vùng bờ tiếp giáp với đập; + Tổn thất nước từ hồ chứa thấm; 17 + Các thông số thiết bị tiêu nước chống thấm cho cơng trình 4.3 Phương pháp tính tốn Tính tốn thấm cho đập bê tông Việt Nam vấn đề khó khăn sở lý thuyết phương pháp thực Các công tác tính tốn, đánh giá chủ yếu dựa cơng thức thực nghiệm, phương pháp giải tích số học Các phương pháp hoàn toàn thực phương pháp thủ cơng, khó tránh khỏi sai số Nhận thấy vấn đề bất cập đó, nghiên cứu này, tác giả kiến nghị xây dựng phương án tính tốn thấm cho đập Tun Tung sử dụng phương pháp sau: - Phương pháp đánh giá trạng thấm cơng trình thơng qua việc khảo sát, đánh giá, đo đạc lưu lượng thấm; - Phương pháp sử dụng công thức kinh nghiệm, lý thuyết tính tốn dòng thấm thân đập theo TCVN 9137: 2012 thiết kế đập bê tông bê tơng cốt thép; - Phương pháp mơ hình tốn dựa lý thuyết phần tử hữu hạn mô đánh giá tượng thấm qua nền, qua vai đập 4.4 Lựa chọn mơ hình tính tốn Về nghiên cứu tính tốn thấm, giới có nhiều phương trình lý thuyết mơ hình tính toán đảm bảo việc đánh giá tác động tượng dòng thấm thân đập Kể đến số có phần mềm địa kỹ thuật Geo Studio (Canada), phần mềm ứng suất nhiệt bê tơng ANSYS mơ hình tính tốn dòng thấm dị hướng chiều SEEP3D Tất mơ hình cơng cụ hỗ trợ hữu ích cho người dùng việc tính tốn, đánh giá dòng thấm qua thân đập Trong nhiên cứu này, tác giả kiến lựa chọn sử dụng phần mềm địa kỹ thuật GEOSTUDIO 2012 (8 Module tính toán) làm để nghiên cứu Bộ phần mềm GEOSTUDIO 2012 bao gồm Module tính tốn kể đến Slope/W (tính ổn định); Seep/W (tính thấm); Sigma/W (tính ứng st, biến dạng); Quake/W (tính tốn ổn định đập có động đất) 18 4.5 Xây dựng mơ hình tính thấm 4.5.1 Trường hợp tính tốn Trường hợp tính tốn bất lợi trường hợp mực nước thượng lưu hồ chứa đạt mực nước ngưỡng tràn hạ lưu khơng có nước Khi đó, áp lực thấm thân đập đạt giá trị lớn 4.5.2 Phương pháp tính tốn - Tính thấm theo chương trình SEEP/W phần mềm Geo SLOPE (Canada) sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn; - Bài toán 1: Xây dựng toán thấm trạng cơng trình đập - Bài tốn 2: Đánh giá ổn định thấm cho cơng trình sau nâng cấp, sửa chữa đập 4.5.3 Mặt cắt tính tốn a Lựa chọn mặt cắt Việc lựa chọn mặt cắt tính tốn cho mơ hình quan trọng, ảnh hưởng lớn đến kết tính thực tế cơng trình Trong phạm vi đề tài này, tác giả kiến nghị lựa chọn tính tốn cho mặt cắt: Lòng sơng (MC6) ven bờ (MC2) số lý sau: - Căn vào trạng thấm cơng trình hồ chứa nước Tuyền Tung + Vấn đề thấm qua thân vai hữu đập Tuyền Tung biểu rõ rệt lưu lượng thấm sau thân đập tạo thành vòi với lưu lượng thấm lớn (Chi tiết xem Phụ lục 2) + Qua chuyến khảo sát thực tế đập Tuyền Tung vào ngày 08/01/2019, nhận thấy vị trí xuất tập trung lưu lượng thấm lớn vị trí bờ phải đập vị trí lòng sơng chếch phía vai tả tầm khoảng m Thực đo đạc quan trắc số vị trí, ta có mặt cắt tương ứng MC6 (lòng sơng) MC2 (ven bờ) - Bờ phải đập xuất tình trạng sụt lún, hư hỏng chân đập, đó, nhận thấy vấn đề thi cơng tường chắn phía bờ phải chưa đảm bảo yêu cầu thiết kế kỹ thuật b Mô tả mặt cắt Mặt cắt tính tốn thấm đập Tun Tung chọn mặt cắt lòng sơng ven bờ với trường hợp mặt cắt đập trạng mặt 19 cắt đập nâng cấp Các thông số mặt cắt đập Tuyên Tung mô tả Hình 4.3 Hình 4.3 Mặt cắt lòng sơng MC6 đập tràn Tuyền Tung Hình 4.6 Mặt cắt ven bờ MC2 vai hữu đập Tuyền Tung 4.5.4 Chỉ tiêu lý đất Đập nằm đá nứt nẻ vừa mạnh chân khay cắt thấm không qua hết phần nứt nẻ, dẫn đến xuất dòng thấm qua Qua kết khảo sát địa chất, xây dựng bảng tiêu lý tính tốn đất sau: Bảng 4.1 Chỉ tiêu lý đến đập Tuyền Tung TT Lớp đất Loại đất K Khối lượng riêng Lực cắt C Góc ma sát Hệ số rỗng m/s g/cm Đất đắp Sét pha 2.90E-05 1.97 Lớp Sét pha 4.50E-07 1.91 Lớp Đá 7.27E-05 2.73 Lớp Đá 3.24E-06 2.737 kN/m kG/cm kPa 19.7 0.181 17.75 19.1 0.175 17.16 27.3 0.203 19.91 27.37 0.508 49.82 18.9 17.65 26.6 33 ε0 0.663 0.814 Độ rỗng Độ bão hòa G Độ hút nước n % % % 39.9 88.4 0.28 44.9 96.4 0.231 0.3 0.27 Với số liệu địa chất phân bố địa tầng đập nằm lớp tràn nằm chủ yếu lớp Đây lớp có hệ số thấm cao (lớp thấm mạnh) nên dẽ phát sinh dòng thấm chịu tác động cột nước lớn (khi hồ tích nước) Trong mơ hình, tiêu lý đất khai báo theo 20 hàm vật liệu tương đương hình sau: Hình 4.9 Hydrailic Conductivity Fn Hình 4.10: Estimate Vol Water Content Fn Hình 4.11: Khai báo hàm lượng nước Hình 4.12: Khai báo hàm dẫn thủy lực (Vol Water Content Functions) (Hydraulic Conductivity Fn) 4.5.4 Khai báo điều kiện biên Điều kiện biên toán xác định theo phương pháp ổn định dòng thấm với Mực nước thượng lưu tương ứng cao trình ngưỡng tràn (165.5m) điều kiện hạ lưu bề mặt thấm (Q = m3/s) (theo kết khảo sát trạng) 4.5.5 Chạy mơ Sau hồn thành việc xây dựng khai báo điều kiện cần thiết cho mơ hình thấm áp dụng cho mặt cắt lòng sơng ven bờ Tiến hành kiểm tra “lỗi” mơ tốn thấm ổn định cho cơng trình đập Tuyền Tung 21 4.5.6 Kết tính tốn thấm a Bài tốn trạng Hình 4.14.: Biểu đồ Gradient thấm MC6 Hình 4.15: Biểu đồ áp lực thấm MC6 Hình 4.17: Biểu đồ Gradient thấm MC2 Hình 4.18: Biểu đồ áp lực thấm MC6 – nâng cấp 22 Hình 4.19: Biểu đồ Gradient thấm MC6 – nâng cấp Hình 4.20 Biểu đồ áp lực thấm MC2 – nâng cấp Hình 4.21 Biểu đồ Gradient thấm MC2 – nâng cấp Tổng hợp kết tính tốn thấm cho tốn thấm lòng sơng ven bờ sử dụng mơ hình Seep/W thống kê bảng đây: Bảng 3: Tổng hợp kết tính tốn thấm TT Bài tốn Mặt cắt q (m3/s/m) Lòng sơng 1.253 x 10-4 Hiện trạng Ven bờ 2.6287 x 10-5 Lòng sông 4.6240 x 10-6 Nâng cấp Ven bờ 4.5036 x 10-6 4.5.7 Đánh giá nhận xét a Bài toán trạng - Với kết toán trạng, ta nhận thấy rõ rệt tượng thấm ảnh hưởng lớn đến thân cơng trình đập Tuyên Tung với giá trị lưu lượng thấm qua thân đập tràn lớn (0.0001078 m3/s) Điều xấp xỉ gần với giá trị lưu lượng tính tốn thực nghiệm sử dụng cơng thức tính tốn lưu lượng qua đỉnh tràn (tràn đỉnh rộng) q = 23 0.000108 m3/s (Phụ lục 2) - Biểu đồ vector dòng thấm cơng trình lớn lớp với đặc điểm địa chất mỏng, dòng thấm lớn dễ tạo hình thức xói dạng ống Điều cần đặc biệt lưu ý xem xét tránh tượng xói ngầm cho cơng trình; - Cao độ đường bão hòa lớn, đặc biệt mặt cắt lòng sơng vật liệu làm đập đá xây Vấn đề cần đánh giá xem xét kỹ việc phân tích giải pháp thi cơng đập, vật liệu làm đập dòng thấm qua mạch vữa thi cơng b Bài tốn nâng cấp - Với tốn đập nâng cấp, tượng ổn định thấm có gia tăng rõ rệt giá trị lưu lượng lẫn gradient thấm Việc nâng cấp lớp bọc bê tông M300 phần đáp ứng yêu cầu chống thấm cho cơng trình việc hạ thấp đường bão hòa thân đập, giảm giá trị lưu lượng đơn vị trị số biểu đồ gradient thấm; - Đặc biệt với thiết kế sân trước kiên cố, tốn ngăn chặn vector dòng thấm lớn lớp thứ 3, biểu làm giảm tượng xói ngầm đập, góp phần đảm bảo an tồn cho cơng trình; - Gia cố bọc bê tông giúp kéo dài đường viền thấm cơng trình, hạ thấp đường bão hòa thân đập, củng cố giá trị gradient thấm, đảm bảo tốt mục đích chống thấm cho cơng trình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận a Bài toán trạng Như vậy, dựa vào kết phân tích đánh giá trạng đập bê tông Tuyền Tung, tác giả có số kết luận sau: - Về trạng cơng trình, nay, đập Tun Tung gặp vấn đề nghiêm trọng tượng thấm qua vai đập Khác với trường hợp thơng thường khác, đây, giá trị dòng thấm vai đập tương đối lớn, lưu lượng dòng thấm chảy thành dòng 24 Điều gây mát tăng khả ổn định cho cơng trình đập, làm giảm hiệu sử dụng, …; - Là đập bê tơng với tuổi thọ ngắn, nhiên, bề mặt trạng cơng trình xuất nhiều vết nứt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến q trình di chuyển dòng thấm ổn định cho cơng trình; - Lưu lượng dòng thấm qua toán trạng đập tương ứng cho trường hợp mặt cắt lòng sơng ven bờ lớn, đặc biệt tượng thấm qua thân đập (thi công gạch đá xây) vấn đề cần xem xét b Bài toán nâng cấp - Giá trị lưu lượng thấm qua mặt cắt đập giảm hẳn giá trị dòng thấm; - Hiện tượng thấm qua lớp đập cũ giảm hẳn, lớp bê tơng bọc ngồi phát huy tác dụng chống thấm cho cơng trình việc hạ thấp đường bão hòa, kéo dài đường viền thấp đập; - Kết toán nâng cấp ổn định, vậy, mục tiêu nâng cấp sửa chữa đập Tuyên Tung đạt yêu cầu thiết kế II Kiến nghị Căn vào kết phân tích mơ hình đặc điểm trạng khu vực nhiên cứu, tác giả đến số kiến nghị sau: - Việc đầu tư nâng cấp sửa chữa đập Tuyên Tung việc làm cần thiết, làm tăng hiệu sử dụng hồ chứa công tác tưới tiêu ruộng đồng đặc biệt hết đảm bảo điều kiện ổn định hồ chứa cho vùng hạ du cơng trình; - Cần tập trung phân tích đánh giá nguyên nhân, tác động làm an toàn ổn định thấm; xây dựng, lên kế hoạch, phương án bổ sung, sửa chữa nâng cấp công trình đập đảm bảo điều kiện thấm, ổn định, khắc phục tượng thấm nay, tăng quy mơ, hiệu làm việc cơng trình ... vận hành hồ chứa nước Tuyền Tung cần thiết Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá tổng thể trạng đập tràn hồ chứa nước Tuyền Tung; - Nghiên cứu nguyên nhân thấm, ổn định đề xuất giải pháp sửa chữa đập... tiễn đề tài - Đánh giá tổng thể trạng hồ chứa nước Tuyền Tung từ xây dựng phương án, giải pháp khắc phục; - Căn đề xuất sửa chữa, nâng cấp, đảm bảo an toàn đập điều kiện nay; - Kết sở lý luận giải. .. lưu đập, xuất thành dòng + CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP VÀ SỬA CHỮA ĐẬP TUYỀN TUNG 2.1 Tuyến cơng trình Việc nâng cấp sửa chữa cơng trình Hồ chứa nước Tuyền Tung khơng có vùng tuyến cụm đầu