Đánh giá hiện trạng và đề xuất phương án sửa chữa đập đất hồ chứa nước An Phong, tỉnh Quảng Ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN THÀNH NGÂN ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC AN PHONG, TỈNH QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUN NGÀNH 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 Thanh Hải TS Nguyễn Văn Hướng Phản biện 1: TS Huỳnh Ngọc Hào Phản biện 2: TS Ngô Văn Dũng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Chun ngành Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy họp Trường đại học Bách khoa vào ngày … 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 Cơng trình hồ chứa nước An Phong xây dựng hoàn thành đưa vào sử dụng từ năm 1984 xã Bình Mỹ, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi với tổng chiều dài đỉnh đập 740,43m (Trong đập dài 341,64m đập phụ dài 398,99m) Cơng trình có dung tích hữu ích 0,265.106 m3 diện tích lưu vực 3,15km2; lực thiết kế tưới cho 82ha Từ cơng trình đưa vào sử dụng góp phần cải thiện sinh kế, xóa đói giảm nghèo cho người dân vùng dự án thông qua việc đảm bảo diện tích canh tác, tăng sản lượng nơng nghiệp Đồng thời, đảm bảo an ninh lương thực chỗ, nâng cao đời sống, ổn định sản xuất khai thác có hiệu tiềm đất đai nguồn nước khu vực Tuy nhiên, với tình hình biến đổi khí hậu ngày khắc nhiệt năm gần đây, thêm vào phát triển kinh tế - xã hội địa phương nhu cầu sử dụng nước ngày tăng, cơng trình xây dựng lâu, qua thời gian sử dụng 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 đập đất hồ chứa nước An Phong cần thiết tình hình Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá tổng thể trạng đập đất hồ chứa nước An Phong; - Nghiên cứu nguyên nhân thấm, ổn định đề xuất giải pháp sửa chữa Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa nước An Phong; - Phạm vi nghiên cứu: Đập đất hồ chứa nước An Phong 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 SLOPE (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 đập đất An Phong 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 cơng trình đập đất An Phong thực tế tảng cho việc xây dựng dự án nghiên cứu tương lai CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu Bình Sơn huyện thuộc vùng đồng ven biển, nằm phía Bắc tỉnh Quảng Ngãi, có tọa độ địa lý từ 15011' đến 15025' vĩ độ Bắc từ 108034 đến 108056' kinh độ Đơng 1.2 Tình hình kinh tế - xã hội 1.2.1 Về phát triển kinh tế 1.2.2 Tình hình phát triển văn hóa - xã hội 1.3 Giới thiệu hồ chứa nước An Phong 1.3.1 Vị trí cơng trình Hình Bình đồ vị trí hồ chứa nước An Phong, tỉnh Quảng Ngãi 1.3.2 Mục tiêu nhiệm vụ cơng trình a Mục tiêu - Đảm bảo an toàn hồ chứa, giảm thiểu nguy vỡ đập, bảo vệ người dân tài sản hạ lưu cơng trình; - Nâng cao chất lượng sống nhân dân, cải thiện môi trường sản xuất; - Góp phần cải thiện sinh kế, xóa đói giảm nghèo cho người dân vùng dự án thông qua việc đảm bảo diện tích canh tác, tăng sản lượng nông nghiệp; - Đảm bảo an ninh lượng thực chỗ, nâng cao đời sống, ổn định sản xuất; - Khai thác có hiệu tiềm năng, đất đai nguồn nước khu vực b Nhiệm vụ - Đảm bảo an toàn hồ đập; - Cung cấp nước tưới cho 82ha đất nông nghiệp (lúa 65ha, màu 17ha); - Nâng tần suất bảo đảm tưới từ 75% đến 85% 1.3.3 Các thông số kỹ thuật chủ yếu hồ chứa 1.4 Đánh giá trạng hồ chứa nước An Phong CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT BÀI TOÁN THẤM DƯỚI NỀN CỐNG 2.1 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 môi trường xốp 2.1.1 Nguyên nhân gây thấm 2.1.2 Mơi trường thấm 2.1.3 Phân loại dịng thấm - Thấm ổn định thấm không ổn định - Thấm có áp thấm khơng áp - Dịng thấm phẳng thấm không gian - Hiện tượng mao dẫn thấm khơng áp 2.1.4 Tính chất đẳng hướng dị hướng vật liệu Khi tính thấm, cần phân tích khả tồn vùng vật liệu có hệ số thấm dị hướng với khác biệt lớn để có biện pháp khắc phục hậu bất lợi biến dạng thấm Nếu đất bị nén mạnh ứng suất trung bình khác thân đập có khác đáng kể giá trị, có tượng thấm khơng đồng nhất, độ rỗng đất thay đổi phụ thuộc vào ứng suất Theo V.P Nedriga, hệ số thấm lõi đập cao siêu cao khác đến 10 lần vật liệu vùng đáy lõi so với vùng đỉnh lõi Thậm chí kx = ky , lưu lượng thấm tính chất lưới thấm cịn phụ thuộc vào thay đổi hệ số thấm (kt) theo tọa độ 2.1.5 Ảnh hưởng loại đất đắp đập đến dòng thấm 2.2 Các tác nhân gây an toàn đập đất 2.2.1 Các tác nhân gây an tồn cơng trình đầu mối a Các yếu tố cơng trình - Đập khơng đủ cao độ chống lũ, bố trí cơng trình đầu mối chưa tn thủ theo tiêu chuẩn hành, đảm bảo thích ứng với điều kiện biến đổi khí hậu; - Thấm qua nền, vai đập thân đập gây xói ngầm sạt trượt mái hạ lưu; thấm hai bên mang cống; - Sóng lớn gió bão làm sạt trượt mái thượng lưu; - Tràn không đủ lực xả lũ, điều kiện bị ảnh hưởng biến đổi khí hậu, chặt phá rừng phòng hộ đầu nguồn làm đường trình lũ diễn biến bất lợi; - Thiết bị đóng mở cửa tràn bị cố, chí bị cố an tồn cửa van - Khơng có số liệu quan trắc trình quản lý vận hành để phân tích đánh giá Sự cố cơng trình (đập, tràn, cống lấy nước) khơng có đủ độ kiên cố cần thiết vận hành khơng quy trình kỹ thuật (đặc biệt với cơng trình có cửa xả sâu); - Tổ mối các hang hốc không phát xử lý kịp thời; - Trong tác nhân lũ thấm hai tác nhân thường trực gây an toàn, đồng thời cơng tác xử lý khó khăn tốn b Các yếu tố quản lý: - Công tác quản lý vận hành chưa quan tâm mức (thậm chí hồ nhỏ khơng có người quản lý vận hành) Do khơng phát cố gây an tồn cơng trình từ có tượng ban đầu; - Về thể chế: có Nghị định số 72/NĐ-CP ngày 7/5/2007 “Quản lý an toàn đập” chưa có quy định khác đồng để thực chưa có chế tài bắt buộc nên thực chất năm vừa qua chưa triển khai công việc này; - Công tác quản lý nhà nước xây dựng địa phương yếu, đặc biệt cơng trình khơng sử dung nguồn vốn nhà nước c Các yếu tố tự nhiên Chế độ thủy văn, dòng chảy thay đổi phức tạp không tuân theo quy luật thông thường Ngày xuất nhiều trận mưa có cường độ lớn làm thay đổi đường trình lũ bất lợi cho cơng trình 2.2.2 Các cố cơng trình thường gặp dịng thấm gây đập đất Trong thời gian làm việc bình thường cơng trình tạo chênh lệch mực nước thượng lưu hạ lưu Nước di chuyển qua khe rỗng đất đắp, hai bên vai cơng trình tạo thành dịng thấm Đối với đập đất, dòng thấm gây ảnh hưởng bất lợi sau: - Sạt, trượt mái đập (thượng hạ lưu) đập; - Lún, sập cục mặt đập; - Thấm mạnh trôi đất đập, phần tiếp giáp với hạ lưu đập; - Thấm sủi bọt nước mái đập; - Thấm sủi bọt nước vai đập; - Thấm sủi bọt nước phần tiếp giáp đập mang cơng trình (Cống, Tràn xả lũ); - Lún chênh lệch mức cho phép; - Có tượng chuyển vị phía hạ lưu; - Nứt thân đập: bao gồm tượng nứt ngang nứt dọc (Hình 3.8); - Vỡ đập: Đập bị phá hoại khơng có khả giữ nước nữa; - Làm nước từ hồ chứa; - Gây áp lực lên phận cơng trình giới hạn miền thấm (bản đáy, tường chắn, ) 2.2.3 Nguyên nhân gây an tồn cơng trình - Trong q trình khảo sát ban đầu, đơn vị khảo sát không tuân thủ thực quy định quy chuẩn, tiêu chuẩn khảo sát địa hình, địa mạo, địa chất thủy văn cơng trình dẫn đến số liệu thiết kế đập sai lệch - Sử dụng vật liệu đất đắp khơng tiêu chuẩn, tính thấm cao so với giới hạn cho phép, khơng đủ tính bền để đảm bảo ổn định chống trượt mái đập (tính bền thể tiêu lý như: cường độ chống cắt, góc ma sát trong, lực dính),…Vùng vật liệu đất đắp có tính trương nở, tan rã vùng đất có hàm lượng sét cao dẫn đến độ ẩm lớn thiết kế không rõ biện pháp xử lý đắp có nguy gây nứt đập, thấm lớn; - Xử lý kỹ thuật vùng tiếp giáp vai đập: Vùng vai đập có độ dốc lớn không xử lý kỹ thuật dễ gây tượng trượt đất đắp đất cũ nên đắp xong dễ gây thấm Hoặc vẽ quy định mái dốc đợt đắp trước để dốc, đắp tiếp đợt sau gây trượt khối đắp; - Thi công xử lý tiếp giáp khối đắp trước sau chuyển tiếp vật kiến trúc bên thân đập với đập không quan tâm mức, thường có chất lượng kém, tạo điều kiện cho phá hoại thấm tiếp xúc; - Trong trình quản lý vận hành hồ chứa đơn vị chủ quản chưa làm hết trách nhiệm khâu kiểm tra chống mối, bảo quản trâu bò chăn thả bề mặt taluy hồ đập; - Do hư hỏng khớp nối cống: Khớp nối cống bị hỏng, dòng chảy có áp phun xung quanh gây thấm dọc theo cống; - Do bị tắc nghẽn vật thoát nước hạ lưu đâp: Trong trình vận hành đập hạt đất chui vào kết cấu thoát nước (lăng thể đá hạ lưu, ống khói nước đập, ) làm tắc tầng lọc ngược Vì đường bão hịa thân đập dâng cao, dòng thấm lộ mái hạ lưu đập 2.3 Tính tốn thấm qua đập đất 2.3.1 Mục đích việc tính tốn thấm qua đập đất - Xác định lưu lượng thấm qua thân đập qua Trên sở tìm lượng nước tổn thất hồ thấm gây có biện pháp phịng chống thấm thích hợp; - Xác định vị trí đường bão hồ, từ tìm áp lực thấm dùng tính tốn ổn định mái đập; - Xác định građien thấm ( lưu tốc thấm ) dòng chảy thân, đập, chỗ dịng thấm hạ lưu để kiểm tra tượng xói ngầm, chảy đất xác định kích thước cấu tạo tầng lọc ngược 2.3.2 Nghiên cứu tính tốn thấm Tính tốn thấm qua thân đập đập cần tương ứng với điều kiện làm việc đập tổ hợp tải trọng tác động Tùy trường hợp cụ thể đập mà lựa chọn mặt cắt tính tốn phù hợp Thơng qua việc nghiên cứu tính toán thấm, cần xác định thống số sau dòng thấm thân đập, bờ vai đập: - Vị trí bề mặt dịng thấm (đường bão hòa) thân đập bờ vai đập Cần xét đến tượng mao dẫn phần thân đập; - Lưu lượng nước thấm qua thân, bờ vai đập; - Građient thấm dòng thấm thân đập nền, chỗ dòng thấm vào phận tiêu nước phía hạ lưu đập, chỗ tiếp xúc lớp đất có đặc trưng khác nhau, mặt tiếp xúc kết cấu chống thấm, vị trí dòng thấm 2.3.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu thấm qua đập đất trường hợp nghiên cứu thấm nước mơi trường rỗng nói chung thường hai phương pháp: lý luận thực nghiệm a Nghiên cứu lý luận Nghiên cứu lý luận sử dụng định luật thấm liên hệ lý thuyết để xác định đặc trưng dòng thấm Dùng lý luận để nghiên cứu thấm có hai phương pháp: học chất lỏng thủy lực học - Phương pháp học chất lỏng - Phương pháp thủy lực học b Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm dùng mơ hình để xác định đặc trưng dòng thấm Phương pháp dùng loại mơ hình nghiên cứu sau: - Thí nghiệm máng kính - Thí nghiệm khe hẹp - Phương pháp tương tự điện – thủy động (ECDA) c Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp số đặc biệt có hiệu để giải tốn biểu diễn phương trình đạo hàm riêng; miền tính tốn rời rạc hố cách chia miền xét làm nhiều miền nhỏ đơn giản có hình dạng tuỳ ý gọi phần tử hữu hạn, phần tử gồm số điểm nút, hàm xấp xỉ tìm phần tử; phương pháp thích hợp với tốn có miền xác định phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc trưng hình học, tính chất vật lý khác nhau, điều kiện biên khác d Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho toán thấm - Phương trình dịng chảy ổn định mơi trường đất bão hịa nước Phương trình dịng nước ngầm chảy ổn định mơi trường thấm bão hịa không gian ba chiều viết sau:   h    h    h   Ky  +  Kz  Kx + +q =0 x  x  y  y  z  z  - Phương trình dịng chảy khơng ổn định mơi trường đất bão hịa Phương trình dịng nước ngầm thấm khơng ổn định mơi trường bão hịa nước khơng gian ba chiều viết sau:   h    h    h  h  Ky  +  Kz  Kx +  + q = s0 x  x  y  y  z  z  t CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG THẤM VÀ ỔN ĐỊNH CHO CƠNG TRÌNH ĐẬP ĐẤT AN PHONG 3.1 Phương pháp tính tốn Việc tính tốn thấm ổn định cho cơng trình đề tài nghiên cứu phát triển rộng rãi giới từ nhiều năm Đặc biệt với tiến khoa học kỹ thuật, việc tính tốn thấm ổn định đơn giản hóa việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mơ hình máy tính điện tử phần 10 Hình 6: Các loại phần tử nút b Module tính tốn ổn định SLOPE/W SLOPE/W module phần mềm Geo SLOPE (Canada) SLOPE/W phân tích ổn định mái đất – đá theo phương pháp cân giới hạn khối đất bão hịa khơng bão hịa như: + Mái đồng nhất, khơng đồng đá; + Mái dốc chịu tải trọng có cốt gia cố; + Tích hợp với SEEP/W phân tích ổn định mái dốc điều kiện áp lực nước lỗ rỗng phức tạp; + Tích hợp với SIGMA/W phân tích ổn định theo phần tử giới hạn; + Phân tích ổn định mái dốc theo xác xuất - Mục đích nhiệm vụ tính tốn ổn định: Xác định hệ số ổn định nhỏ mái đập, từ chọn hệ số mái, kích thước đập hợp lý kỹ thuật thi công - Phương pháp tính tốn ổn định Phần mềm SLOPE/W cho phép tính tốn với nhiều phương pháp khác phương pháp Morgenstern, PP GLE, PP BISOP, JANBU, PP SNIP 3.1.2 Giới thiệu phần mềm ANSYS ANSYS phần mềm CAE phổ biến sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hồn tồn để mơ phỏng, tính tốn thiết kế cơng nghiệp ANSYS Mechanical Workbench (WB) mơi trường chung, có tích hợp nhiều module xử lý liên quan đến kết cấu, nhiệt, va chạm, lưu chất, … WB ngày phát triển , hướng tưới giao diện thân thiện 3.1.3 Phương án tính tốn Trong giới hạn nghiên cứu này, tác giả kiến nghị lựa chọn mơ hình tình tốn thấm ổn định cho đập đất An Phong sử dụng mơ hình tính tốn Geostudio với module tính tốn SEEP/W (phân tích thấm) SLOPE/W (tính tốn ổn định) 3.2 Mơ tả cơng trình đập An Phong 11 Cơng trình đập An Phong cơng trình thủy lợi nằm địa bàn tỉnh Quảng Ngãi với nhiệm vụ cấp nước tưới cho 82 diện tích đất nơng nghiệp - Đập đất: Đập xây dựng loại đất có tác dụng dâng nước giữ nước không cho phép để nước tràn qua - Tràn xả lũ: Điều tiết lũ, nước đầy hồ dâng cao trình ngưỡng tràn (mực nước dâng bình thường) nước tự chảy qua ngưỡng tràn hạ lưu Sau qua bể tiêu năng, lượng dòng nước bị triệt tiêu dẫn vào kênh dẫn đổ vào suối - Cống lấy nước: Điều tiết dòng chảy để tưới cho mùa vụ trồng, cần nước tưới mở cống để dẫn vào kênh, khơng cần tưới đóng cống lại 3.3 Xây dựng tốn thấm ổn định sử dụng mơ hình Geo Studio 2012 3.3.1 Trường hợp tính tốn Căn vào trạng sử dụng cơng trình đập An Phong tỉnh Quảng Ngãi TCVN 8216: 2019 tính tốn thiết kế đập đất đầm nén, tác giả tiến hành mơ tốn trạng thấm ổn định cho trường hợp Bảng 4.2 Bảng 3: Các trường hợp tính tốn thấm ổn định đập đất An Phong Trường hợp tính tốn Tổ hợp A Trường hợp mặt cắt đập trạng Trường hợp 1: MNTL: 21.70 hạ lưu Cơ / 1,3 khơng có nước Trường hợp 2: MNLTK: 23.81 hạ lưu Đặt biệt / khơng có nước 1,1 Phương pháp tính tốn: - Tính thấm theo chương trình SEEP/W phần mềm Geo SLOPE (Canada) phương pháp phần tử hữu hạn; - Tính ổn định theo chương trình SLOPE/W phần mềm Geo SLOPE (Canada) phương pháp Bishop, đường bão hòa chuyển tiếp từ kết tính thấm phần mềm SEEP/W 3.3.2 Mơ tả mặt cắt tính tốn 12 Hình 7: Mặt cắt trạng lịng sơng 3.3.3 Chỉ tiêu lý tính tốn Bảng 4: Chỉ tiêu lý tính toán đất C E w  Nền  đập (KN/m3) (độ) kPa (KG/cm2) K (m/s) 3.10E07 2.10ELớp 18.8 15.42 21.57 104.01 0.24 06 2.00ELớp 21 26.6 49.82 10000 0.3 07 6.00ELớp 18 15.5 21.57 86 0.35 06 Việc khai báo tiêu lý vật liệu làm đập xác định đựa vào hàm tính tốn xây dựng module SEEP/W, chi tiết hình sau: Lớp 18.4 15.65 23.14 Hình 8: Hàm lượng nước bão hịa 90.69 0.17 Hình 9: Hàm dẫn thủy lực Fn 13 Hình 10: Khao báo hàm lượng nước (Vol Water Content Functions) Hình 11: Khai báo hàm dẫn thủy lực (Hydraulic Conductivity Fn) 3.3.4 Điều kiện biên toán - Biên thượng lưu tương ứng MNDBT = 21.7m MNLTK = 23.81m; - Biên hạ lưu khơng có nước; đó, vào trạng toán, khai báo mái hạ lưu dạng mặt thấm Q = m3/s 3.3.5 Miền lưới tính tốn Lưới tính tốn áp dụng toán thấm ổn định lưới phần tử tam giác kết hợp với lưới phần tử hình chữ nhật Kích thước lưới chọn 1m x 1m 3.3.6 Kết tính tốn Bảng 5: Tổng hợp kết tính tốn thấm ổn định cho tốn trạng Trường hợp tính tốn Trường hợp Tổ hợp 1: Cơ Lưu Gradient lượng thấm lớn Hệ số ổn định K thấm q (m3/s) 1.099x10-6 0.22 Hạ lưu 1.244 14 MNTL: 21.70 hạ lưu nước 1.3 Trường hợp 2: Cơ 2.6659x10MNLTK: 23.81 hạ lưu khơng có nước 1.3 0.34 Thượng lưu 2.459 Hạ lưu 1.147 Thượng lưu 3.229 3.3.7 Đánh giá nhận xét a Bài toán thấm - Đường bão hòa thân đập cao với vector dòng thấm tập trung lớn phần đất đắp thân đập, đặc biệt xuất hiện tượng thấm qua mái hạ lưu, lượng thấm lớn, khả gây tượng xói cục sau đập Kết kiểm chứng qua kết khảo sát đập An Phong vào 06/01/2019 - Giá trị Gradient thấm mặt thấm trạng có giá trị khơng lớn (0.22 Trường hợp 0.34 trường hợp 2), đảm bảo nằm phạm vi cho phép với đất đắp thân đập đất cát (0.5 với đập cấp III) b Bài toán ổn định - Trong hai trường hợp, hệ số ổn định mái hạ lưu đập không đảm bảo điều kiện an toàn theo TCVN 8216:2009; cụ thể trường hợp 1, hệ số ổn định mái hạ lưu 1.244 trường hợp 1.147 nhỏ hệ số ổn định cho phép 1.3 (Tổ hợp bản); Như vậy, vào kết tính tốn thấm ổn định cho tốn trạng sử dụng phần mềm tính tốn Geostudio 2012, theo TCVN 8216: 2009 thiết kế đập đất đầm nén, đập đất An Phong không đảm bảo điều kiện thấm ổn định Do vậy, việc đề xuất giải pháp sửa chữa nâng cấp đập đất An Phong cần thiết giai đoạn CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT AN PHONG 15 4.1 Lý cần nâng cấp, sửa chữa đập - Mái thượng hạ lưu đập đất trạng bụi xuất nhiều; nhiều đoạn bị gãy khúc; thấm qua mái hạ lưu; tượng sụt lún, rơi đổ tự phổ biến gây an toàn đập; - Đỉnh đập thường xuyên bị đọng nước, lầy lội tạo thành vũng ổ gà dọc theo đỉnh đập; - Cơng trình xây dựng vận hành từ năm 80 kỷ trước, vậy, điều kiện thiết kế thi cơng đập khơng cịn phù hợp với điều kiện nay; - Nhu cầu dùng nước hạ du có xu hướng tăng cao, để đáp ứng nhu cầu phục vụ tưới từ 75% lên 85%, giải pháp nâng cấp, sửa chữa đập cần thiết 4.2 Đề xuất giải pháp kỹ thuật Trong phạm vi đề tài, vào điều kiện có q trình phân tích nêu trên, tác giả kiến nghị đề xuất sửa chữa nâng cấp đập đất An Phong số phương án sau: Phương án - Giữ ngun cao trình đỉnh đập, bố trí vật nước chân mái hạ lưu - Chống thấm phương pháp khoan vữa xi măng vào thân đập Phương án - Cần nâng cao cao trình đập để đảm bảo an tồn sử dụng phương án áp mái hạ lưu đập, cao trình đỉnh đập: +25.1m Theo yêu cầu dự án “Chính sách an toàn đập” nhà đầu tư WB nhu cầu dùng nước cho hạ du Đỉnh đập nâng cao so với trạng 0.77cm; - Chống thấm phương pháp khoan vữa ximăng vào thân đập chính, đập phụ gia cố chống thấm thượng lưu; - Bố trí vật nước chân mái hạ lưu đập Phương án - Cần nâng cao cao trình đập để đảm bảo an tồn, cao trình đỉnh đập: +25.1m Theo yêu cầu dự án “ Chính sách an tồn đập “ nhà đầu tư WB Đỉnh đập nâng cao so với trạng 0.77cm - Chống thấm cho thân đập đập phương pháp áp trúc mái thượng lưu kết hợp với chân khay qua đập, xem lớp đất 16 chống thấm cho thân đập Chân khay tường thượng lưu cắm xuống đến lớp đất thấm, hạ thấp đường bão hòa Phương án - Nâng cao cao trình đỉnh đập thiết kế phưng án chống thấm cho thân đập Phương án 3; - Kết hợp bố trí vật thoát nước chân mái hạ lưu đập 4.3 Phân tích so sánh phương án kỹ thuật 4.3.1 Giải pháp chống thấm cho thân đập a) Phương án: Khoan chống thấm thân Khoan chống thấm thân đập hỗn hợp xi măng sét Ưu điểm giải pháp: - Đảm bảo chống thấm cho thân đập, giảm lượng nước thấm qua thân đập kiểm soát chất lượng thi công; - Đất đắp đập không yêu cầu chống thấm nên chất lượng đất không yêu cầu cao khối lượng đất giảm so với phương án chống thấm chân khây; - Thời gian thi công nhanh; - Không phải tháo cạn hồ để thi công Nhược điểm giải pháp: - Phạm vi khoan theo dọc tuyến đập dài diện rộng, chi phí khoan lớn so với đắp đất chống thấm chân khây; - Khó kiểm sốt chất lượng khoan chống thấm mặt thi công lớn, kỹ thuật thi cơng phức tạp Chưa có tiêu chuẩn thiết kế khoan vào đất - Không khắc phục triệt để vấn đề bất lợi móng b) Chân khay chống thấm Nền đập thấm mạnh qua lớp 2, k=2.1x10-4cm/s, đào chân khay chống thấm cắt qua lớp đắp trả lớp đất đắp chống thấm có hệ số chống thấm k=3.1x10-6cm/s; đồng thời áp trúc mái hạ lưu để kéo dài đường viền, tăng chống thấm qua thân đập Chiều rộng chân khay B=3,0m; cao trình đáy chân khay +13.30m Nhược điểm giải pháp: - Khối lượng đất đắp lớn yêu cầu chống thấm nên khó khăn cơng tác quy hoạch bãi vật liệu đất đắp; - Thời gian thi công dài phụ thuộc vào tình hình thời tiết cơng trình; 17 - Phải tháo cạn hồ để thi công Ưu điểm giải pháp: - Thi công quản lý chất lượng đơn giản; - Thuận lợi kiểm soát chất lượng đất đắp đảm bảo chất lượng cơng trình 4.3.2 Giải pháp nâng cao cao trình đỉnh đập a Phương án áp trúc mái hạ lưu Việc áp trúc mái hạ lưu vừa có tác dụng nâng cao cao trình đỉnh đập lên +25.1m vừa có tác dụng vật thu nước cho thân đập Ưu điểm phương án: - Thu nước thấm hạ lưu đập; - Việc thi công không cần phải rút nước thượng lưu hồ chứa; - Phù hợp với đập nước hạ lưu Nhược điểm phương án: - Khơng thể hạ thấp đường bão hịa thân đập; - Không thể đảm bảo ổn định đập trường hợp đặc biệt b Phương án áp trúc mái thượng lưu Ưu điểm phương án: - Thuận lợi việc kiểm sốt chất lượng cơng trình, đất đắp trở thành lớp vật liệu chống thấm tốt cho thân đập; - Việc áp mái thượng lưu phù hợp trường hợp kết hợp với chân khay chống thấm, đảm bảo hiệu chống thấm cho công trình; Nhược điểm phương án: - Cần phải tháo cạn hồ chứa để thi công đắp đập Điều ảnh ảnh hưởng khơng nhỏ đến an tồn cơng trình thiệt hại kinh tế với nhà quản lý - Khối lượng đất đắp đập lớn, khó khăn quy hoạch bãi vật liệu đất đắp; - Thời gian thi công dài phụ thuộc vào thời tiết cơng trình 4.4 Tính tốn thấm ổn định cho phương án đề xuất 4.4.1 Trường hợp tính tốn Trường hợp tính tốn áp dụng theo TCVN 8216: 2009 thiết kế đập đất đầm nén 4.4.2 Mơ tả mặt cắt tính tốn Mặt cắt tính tốn chọn mặt cắt lịng sơng theo phương án đề xuất nâng cấp sửa chữa đập với thơng số Vật nước 18 thiết kế nâng cấp Việc mô thể hình 4.1; 4.2; 4.3 & 4.4 Hình 12: Mặt cắt tính tốn theo Phương án Áp mái hạ lưu Hình 13: Mặt cắt tính tốn theo phương án Chân khay Áp mái thượng lưu Hình 14: Mặt cắt tính tốn theo phương án Áp mái thượng lưu V 19 Chân khay Vật nước Hình 15: Mặt cắt tính tốn theo phương án 4.5.3 Khai báo vật liệu Bảng 6: Chỉ tiêu lý tính toán w  C E (KN/m3) (độ) kPa (KG/cm2) Đất đắp 19.5 15.6 24.03 Lớp 18.4 15.65 Lớp 18.8 Lớp 21 Nền đập  K (m/s) 86.98 0.36 3.80E-06 23.14 90.69 0.17 3.10E-07 15.42 21.57 104.01 0.24 2.10E-06 26.6 49.82 10000 0.3 2.00E-07 Lớp 18 15.5 21.57 86 0.35 6.00E-06 Đống đá 21 35 0.00 60000 0.25 1.00E-03 tiêu nước 4.5.4 Điều kiện biên toán Bảng 7: Điều kiện biên toán mực nước hồ rút nhanh Q xa Thời gian TT TH tính tốn (m3/s) (h) Mực nước hồ rút nhanh từ MNDBT t = 0.402 183,14 đến MNC Mực nước hồ rút nhanh từ MNLKT t = 0.878 183,14 đến MNDBT 20 4.5.7 Đánh giá nhận xét a Bài toán thấm Nhận xét chung: - Lưu lượng dòng thấm tương ứng với phương án đề xuất nâng cấp nhỏ nhiều với giá trị toán thấm trạng đập Như vậy, phương án đề xuất phần góp phần làm giảm lưu lượng thấm qua thân đập; Đặc biệt, với phương án Áp mái thượng lưu kết hợp với chân khay chống thấm, giá trị lưu lượng dòng thấm nhỏ nhiều so với phương án khác; - Các phương án thiết kế vật thoát nước sau thân đập (Phương án 1, 4) đảm bảo yêu cầu Gradient cho phép cửa mái hạ lưu [Jk]th = - Tuy nhiên với phương án áp mái thượng lưu kết hợp với chân khay, giá trị không đảm bảo có 4/6 trường hợp lớn giá trị cho phép [Jk]cp = 0.5 - Cơ phương án đề xuất làm giảm đường bão hòa thân đập, giải vấn đề thấm qua mái hạ lưu, nâng cao ổn định toán thấm cho cơng trình Nhận xét chi tiết: - Phương án 1: Giảm nhẹ lưu lượng dòng thấm qua thân đập; đảm bảo điều kiện Gradient thấm; hạ thấp đường bão hòa; - Phương án 2: Giảm nhẹ lưu lượng dòng thấm qua thân đập; đảm bảo điều kiện Gradient thấm; hạ thấp đường bão hòa; - Phương án 3: Lưu lượng dịng thấm nhỏ nhất; nhiên khơng đảm bảo điều kiện Gradient thấm, không hạ thấm đường bão hòa; - Phương án 4: Giảm nhẹ lưu lượng dòng thấm qua thân đập; đảm bảo điều kiện Gradient thấm; hạ thấp đường bão hịa b Bài tốn ổn định - Hệ số ổn định trường hợp thỏa mãn yêu cầu thiết kế theo TCVN 8216: 2009 tổ hợp (1.3) đặc biệt (1.1) tương ứng trường hợp đập đất cấp III; - Trong điều kiện toán mực nước hồ rút nhanh, trường hợp, hệ số ổn định mái thượng lưu đập đảm bảo điều kiện theo tiêu chuẩn thiết kế Tuy nhiên trường hợp mực nước hồ rút từ MNDBT đến MNC, thời gian ngắn 0.4 giá trị hệ số ổn định mái thượng lưu đập có hạ thấp nhanh so với trường hợp mực nước hồ rút từ MNLTK đến MNDBT Điều cần 21 đặc biệt ý trường hợp tháo cạn hồ nhằm nâng cấp, sửa chữa đập Như vậy, qua đánh giá sơ kết tính tốn thấm ổn định cơng trình đập đất An Phong sử dụng mơ hình tính Geo Studio (Canada), bước đầu nhận định 2/4 phương án hồn tồn có khả đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chống thấm đảm bảo an tồn cho cơng trình đập đất An Phong Cụ thể sau: Phương án + Nâng cao cao trình đập để đảm bảo an toàn sử dụng phương án áp mái hạ lưu đập, cao trình đỉnh đập: +25.1m; + Chống thấm phương pháp khoan vữa ximăng vào thân đập chính, đập phụ gia cố chống thấm thượng lưu; + Bố trí vật nước chân mái hạ lưu đập Phương án + Nâng cao cao trình đập để đảm bảo an toàn sử dụng phương án áp mái hạ lưu đập, cao trình đỉnh đập: +25.1m; + Chống thấm phương pháp chân khay chống thấm kết hợp với ám mái thượng lưu đập; + Kết hợp bố trí vật nước chân mái hạ lưu đập 4.5 Giải pháp nâng cấp đập đất An Phong 4.5.1 Lựa chọn hình thức kết cấu đập Xem khối đập cũ phần thân đập mới, ta có hình thức đập nhiều khối: - Khối 1: Khối áp trúc mới; - Khối 2: Khối đập cũ Các tiêu đất đắp đập thiết kế: - Đất đắp đầm nén đạt dung trọng khô thiết kế:  k  1.75T / m3 ; - Đất đắp đầm chặt K  0.95 ; - Độ ẩm đầm thích hợp: W = 18.68% - Chỉ tiêu lý tính toán:  = 15 36 ; C = 0.245kG / cm2 ; K = 3.8E − 6m / s 4.5.2 Biện pháp xử lý Nền đập tim đập trạng theo thứ tự từ xuống có lớp: lớp đất đắp đập cũ (cát bụi sét lẫn sỏi, dẻo thấp, thấm ít), lớp (Cát bụi lẫn sét, dẻo thấp, thấm vừa) lớp (Đới phong hóa ' 22 mạnh nứt nẻ mạnh, thấm mạnh); lớp (Đá granit biotit phong hóa nhẹ, thấm yếu) Căn vào đặc điểm biện pháp xử lý chọn: - Trên toàn đập bóc bỏ lớp đất hữu dày trung bình t = 20cm, sau bóc bỏ lớp đất hữu phát đá mồ cơi nhỏ, đá phong hóa cần đào bỏ, chuyển khỏi phạm vi đập tiến hành san chỗ gồ ghề cục bộ; đá lát khan mái thượng lưu sau bóc bỏ đổ tập trung vị trí định để tận dụng - Làm chân khay cắt qua nền, tim chân khay nằm chân mái thượng lưu: Chân khay có bề rộng đáy B = 3.0m, hệ số mái m =1.0 Độ sâu chân khay thay đổi theo địa chất chiều cao đập, cụ thể: + Tại lòng suối: cao độ đáy chân khay cao trình 13.3m, đáy chân khay cắm sâu vào lớp - Như vậy, sau tiến hành nâng cấp đập đất An Phong phù hợp theo TCVN 8216: 2009, có mặt cắt đập vị trí lịng sơng mơ tả đây: Hình 16: Mặt cắt thân đập vị trí lịng sơng đập An Phong - sau nâng cấp 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua việc đánh giá phân tích tốn trạng đập đất An Phong, tỉnh Quảng Ngãi kết hợp sử dụng mơ hình Geostudio phân tích tốn thấm ổn định đập đất, tác giả đến số kết luận sau: - Với trạng đập đất An Phong, tượng thấm qua thân đập tượng nghiêm trọng, gây nguy hại khả sử dụng ổn định cơng trình Kết mơ tốn thấm ổn định sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn cho thấy lưu lượng dòng thấm qua thân đập lớn, xuất hiện tượng thấm qua mái hạ lưu đập; - Cơng trình đập đất thiết kế từ năm 80 kỷ trước, việc không thiết kế phận thoát nước sau mái hạ lưu ảnh hưởng nghiêm trọng đến vấn đề thấm ổn định mái đập điều kiện nay; - Trong toán mực nước hồ rút nhanh, phần lòng hồ nhỏ, dòng thấm thâm đập thay đổi lớn; cần đặc biệt lưu ý đến khả nước từ vật liệu đắp đập, an tồn mái thượng lưu trường hợp tháo cạn hồ để nâng cấp, sửa chữa; - Điều kiện ổn định mái hạ lưu đập không đảm bảo việc xây dựng toán trạng, trị số K nhỏ giá trí K cho phép; - Trong điều kiện biến đổi khí hậu yêu cầu dùng nước nay, cơng trình hồ chứa An Phong khơng đảm bảo điều kiện thấm ổn định Hệ mang đến tổn thất lượng nước từ hồ chứa, gây an toàn đập ảnh hưởng lớn đến sống nhân dân vùng hạ du; Do vậy, việc thiết kế nâng cấp đập đất An Phong cần thiết giai đoạn nay; việc nâng cấp phần đáp ứng vướng mắc, bất cấp như: đảm bảo điều kiện thấm ổn định, hạ thấp đường bão hòa thân đập, giảm nhỏ lưu lượng thấm qua thân đập, đồng thời nâng cao hiệu sử dụng nước cho hạ du việc nâng cao cao trình đỉnh đập (tăng lượng nước sử dụng) Kiến nghị - Căn vào kết đánh giá trạng mơ tốn thấm ổn định cho trạng nâng cấp sửa chữa; việc đề xuất 24 nâng cấp sửa chữa đập đất An Phong cần thiết cấp bách Các quan ban ngành, quyền địa phương, cần có kế hoạch triển khai xây dựng, nâng cấp sửa chữa, đảm bảo an toàn đập, hạ du hồ chứa, phục vụ tốt công tác sản xuất nông nhiệp, nâng cao hiệu sử dụng nguồn nước - Trong công tác triển khai xây dựng, nâng cấp an toàn đập đất, việc bố trí phận tiêu nước thân đập cần thiết, góp phần đảm bảo an toàn thấm ổn định cho mái hạ lưu đập, hạ thấp đường bão hòa thân đập Tiếp theo, cần cân nhắc việc gia cố mái thượng lưu việc thi công đắp đất thân đập, nâng cao cao trình đỉnh đập Cơng việc có nhiều lợi ích song vướng mắc số bất cập sau: - Việc đắp đất mái thượng lưu đòi hỏi cần thiết phải hạ thấp mực nước thượng lưu để thi cơng cơng trình Điều khả gây ảnh hưởng lớn đến ổn định mái thượng lưu cơng trình, cần xem xét kỹ; - Ảnh hưởng đến công tác hoạt động sản xuất kinh doanh phía hạ du hồ chứa; Như vậy, Ban quản lý dự án xây dựng cơng trình Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn tỉnh Quảng Ngãi quyền địa phương cần cân nhắc phương án thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất An Phong đảm bảo điều kiện kỹ thuật kinh tế, tập trung khai thác sử dụng tốt nguồn tài nguyên nước địa bàn; góp phẩn ổn định đời sơng cho toàn thể nhân dân vùng thượng hạ lưu hồ chứa ... nhân đề xuất giải pháp xử lý thấm, đảm bảo an toàn cho việc vận hành đập đất hồ chứa nước An Phong cần thiết tình hình Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá tổng thể trạng đập đất hồ chứa nước An Phong;... Do vậy, việc đề xuất giải pháp sửa chữa nâng cấp đập đất An Phong cần thiết giai đoạn CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT AN PHONG 15 4.1 Lý cần nâng cấp, sửa chữa đập - Mái thượng... nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đánh giá tổng thể trạng đập đất An Phong 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