Nghiên cứu ảnh hưởng của thấm dị hướng trong thân đập đất đầm nén, áp dụng cho một số đập ở tỉnh bình định

1 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập làm luận văn, nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, nỗ lực cố gắng học tập, nghiên cứu tìm tịi, tích lũy kinh nghiệm thực tế thân đến đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng thấm dị hướng thân đập đất đầm nén, áp dụng cho số đập tỉnh Bình Định” tác giả hồn thành thời hạn quy định Trong khuôn khổ hạn chế luận văn, tác giả làm rõ tồn môi trường thấm dị hướng, ảnh hưởng thấm dị hướng đến an toàn, ổn định đập đất Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo GS.TS Nguyễn Chiến tận tình hướng dẫn, bảo cung cấp thông tin khoa học cần thiết trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo cán cơng nhân viên Phịng Đào tạo Đại học & Sau đại học, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả suốt trình thực luận văn Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện đào tạo & Khoa học ứng dụng miền Trung – nơi tác giả cơng tác; gia đình, bạn bè & đồng nghiệp động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn thời hạn Do hạn chế thời gian, kiến thức khoa học kinh nghiệm thực tế thân tác giả cịn nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện đề tài luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Ninh Thuận, tháng 03 năm 2012 HỌC VIÊN Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy BẢN CAM KẾT Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trích dẫn, kết nghiên cứu Luận văn trung thực, chưa người cơng bố cơng trình khác HỌC VIÊN Phạm Quang Mạnh Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 BẢN CAM KẾT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .7 MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài II Mục đích đề tài .9 III Cách tiếp cận phương pháp thực IV Kết đạt 10 Chương 11 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA THẤM 11 ĐẾN ỔN ĐỊNH ĐẬP 11 1.1 Tổng quan xây dựng đập đất Việt Nam 11 1.2 Hiện trạng thấm qua thân đập ảnh hưởng thấm đập & hồ chứa 14 1.2.1 Hiện trạng thấm qua thân đập đất 14 1.2.2 Ảnh hưởng thấm đập & hồ chứa 15 1.3 Vấn đề thấm dị hướng qua thân đập [7] .16 1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 19 1.5 Kết luận chương .19 Chương .20 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ THẤM QUA ĐẬP ĐẤT .20 2.1 Lý thuyết thấm .20 2.1.2 Các loại dòng thấm 22 2.1.2.1 Dòng thấm ổn định 22 2.1.2.2 Dịng thấm khơng ổn định 22 2.1.2.3 Dòng thấm chảy tầng .22 2.1.2.4 Dòng thấm chảy rối 23 2.1.2.5 Dịng thấm khơng áp 23 2.1.2.6 Dịng thấm có áp 23 2.1.2.7 Dòng thấm chiều .23 2.1.2.8 Dòng thấm hai chiều 24 2.1.2.9 Dịng thấm khơng gian (ba chiều) 24 2.1.3 Định luật thấm .24 2.1.3.1 Định luật thấm Darcy 25 2.1.3.2 Các định luật thấm phi tuyến [3] 25 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy 2.2 Phương pháp tính thấm qua đập đất .26 2.2.1 Phương pháp học chất lỏng 26 2.2.2 Phương pháp thủy lực .27 2.2.3 Phương pháp mơ hình số phần tử hữu hạn 29 2.3 Nghiên cứu thấm dị hướng qua đập đất 31 2.3.1 Tình hình thực tế .31 2.3.2 Phân tích nguyên nhân 37 2.3.2.1 Do đặc điểm q trình thi cơng đập 37 2.3.2.2 Do vật liệu đắp đập khảo sát đánh giá địa chất 37 2.3.2.3 Thiếu sót thiết kế 38 2.3.2.4 Chất lượng thi công 38 2.3.2.5 Thiếu sót quản lý vận hành tu bảo dưỡng 38 2.3.3 Phương pháp tính tốn thấm dị hướng 39 2.3.3.1 Phương trình 39 2.3.3.2 Giải toán 41 2.3.3.3 Trình tự bước giải 48 2.4 Kết luận chương 49 Chương .50 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHO ĐẬP HỘI SƠN, ĐẬP CỰ LỄ .50 3.1 Giới thiệu công trình 50 3.1.1 Giới thiệu cơng trình hồ chứa nước Hội Sơn [4] .50 3.1.1.1 Vị trí cơng trình 50 3.1.1.2 Nhiệm vụ cơng trình 50 3.1.1.3 Quy mơ cơng trình 50 3.1.2 Giới thiệu cơng trình hồ chứa nước Cự Lễ [6] 52 3.1.2.1 Vị trí cơng trình 52 3.1.2.2 Nhiệm vụ cơng trình 52 3.1.2.3 Quy mơ cơng trình 52 3.2 Tình hình thấm qua đập 53 3.2.1 Tình hình thấm qua đập Hội Sơn [4] 53 3.2.2 Tình hình thấm qua đập Cự Lễ [6] 55 3.3 Phân tích thấm dị hướng thân đập 55 3.3.1 Hiện trạng địa chất đập 55 3.3.1.1 Địa chất đập Hội Sơn [5] .55 3.3.1.2 Địa chất đập Cự Lễ [6] 56 3.3.2 Sơ đồ tính tốn 56 3.3.2.1 Sơ đồ tính tốn đập Hội Sơn 56 3.3.2.2 Sơ đồ tính tốn đập Cự Lễ .57 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy 3.3.3 Số liệu tính tốn 57 3.3.3.1 Chỉ tiêu lý đất đắp đập 57 3.3.3.2 Hệ số thấm dị hướng 58 3.3.4 Kết tính tốn thấm 59 3.3.4.1 Kết tính thấm đập Hội Sơn 59 3.3.4.2 Kết tính thấm đập Cự Lễ 60 3.4 Ổn định mái đập có thấm dị hướng thân đập 61 3.4.1 Ảnh hưởng thấm dị hướng đến thơng số dịng thấm 61 3.4.1.1 Trường hợp tính tốn [2] 61 3.4.1.2 Phương pháp tính tốn 61 3.4.1.3 Kết tính tốn 61 3.4.2 Ảnh hưởng thấm dị hướng đến khả ổn định cho mái hạ lưu đập 66 3.4.3 Đánh giá mức độ dị hướng môi trường thấm thân đập 67 3.5 Giải pháp đảm bảo an toàn ổn định cho đập 68 3.5.1 Các yếu tố gây an toàn 68 3.5.2 Đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn đập đất 68 3.5.2.1 Đối với đập Hội Sơn .68 3.5.2.2 Đối với đập Cự Lễ 70 a Sơ đồ tính tốn 70 b Số liệu tính toán 70 c Kết tính tốn .71 3.6 Kết luận chương 75 Chương 77 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 77 4.1 Các kết đạt luận văn .77 4.2 Hướng tiếp tục nghiên cứu 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO .80 PHỤ LỤC 81 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Hiện tượng dị hướng cấu trúc hạt Hình 1-2: Ảnh hưởng độ dị hướng đến đường bão hịa thân đập Hình 2-1: Sơ đồ điều kiện biên tính tốn thấm qua đập đất Hình 2-2: Phần tử tam giác phẳng Hình 2-3: Xử lý điều kiện biên Hình 2-4: Xử lý tự động “ép”, “giãn” lưới phần tử, xác định đường bão hịa Hình 3-1: Sơ đồ tính tốn mặt cắt C6 đập Hội Sơn (vị trí K0+703) Hình 3-2: Sơ đồ tính tốn mặt cắt D61 đập Cự Lễ (vị trí K0+394) Hình 3-3: Đồ thị quan hệ (q~A) mặt cắt C6 đập Hội Sơn 10 Hình 3-4: Đồ thị quan hệ (Kmin~A) mặt cắt C6 đập Hội Sơn 11 Hình 3-5: Đồ thị quan hệ (q~A) mặt cắt D61 đập Cự Lễ 12 Hình 3-6: Đồ thị quan hệ (Kmin~A) mặt cắt D61 đập Cự Lễ 13 Hình 3-7: Sơ đồ tính tốn mặt cắt D61 đập Cự Lễ Trường hợp thiết kế 14 Hình 3-8: Đồ thị quan hệ (q~A) đập Cự Lễ Trường hợp thiết kế 15 Hình 3-9: Đồ thị quan hệ (q~A) cho trường hợp đập Cự Lễ 16 Hình 3-10: Đồ thị quan hệ (Kmin~A) đập Cự Lễ Trường hợp thiết kế 17 Hình 3-11: Đồ thị quan hệ (Kmin~A) mặt cắt D61 đập Cự Lễ cho trường hợp Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Một số hồ đập lớn xây dựng Việt Nam Bảng 1-2: Một số tỉnh, thành có số lượng hồ chứa nhiều Bảng 3-1: Chỉ tiêu lý đất đắp đập Hội Sơn Bảng 3-2: Chỉ tiêu lý đất đắp đập Cự Lễ Bảng 3-3: Hệ số thấm dị hướng Kx=A.Ky cho trường hợp đập Hội Sơn Bảng 3-4: Hệ số thấm dị hướng Kx=A.Ky cho trường hợp đập Cự Lễ Bảng 3-5: Kết tính tốn thấm cho mặt cắt C6 đập Hội Sơn Bảng 3-6: Bảng so sánh đường bão hịa tính tốn quan trắc đập Hội Sơn Bảng 3-7: Kết tính tốn thấm cho mặt cắt D61 đập Cự Lễ 10 Bảng 3-8: Bảng so sánh đường bão hịa tính toán quan trắc đập Cự Lễ 11 Bảng 3-9: Kết tính tốn ổn định thấm dị hướng mặt cắt C6 đập Hội Sơn 12 Bảng 3-10: Tổng hợp kết tính tốn mặt cắt C6 đập Hội Sơn 13 Bảng 3-11: Kết tính tốn ổn định thấm dị hướng mặt cắt D61 đập Cự Lễ 14 Bảng 3-12: Tổng hợp kết tính tốn mặt cắt D61 đập Cự Lễ 15 Bảng 3-13: Đánh giá mức độ giảm ổn định mái có thấm dị hướng 16 Bảng 3-14: Chỉ tiêu lý đất đắp đập Cự Lễ Trường hợp thiết kế 17 Bảng 3-15: Hệ số thấm dị hướng Kx=A.Ky cho trường hợp đập Cự Lễ Trường hợp thiết kế 18 Bảng 3-16: Kết tính tốn thấm mặt cắt D61 đập Cự Lễ Trường hợp thiết kế 19 Bảng 3-17: So sánh kết tính tốn đập Cự Lễ trước sau sửa chữa 20 Bảng 3-18: Kết tính tốn ổn định mặt cắt D61 đập Cự Lễ Trường hợp thiết kế Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Vùng duyên hải Nam Trung Bộ nơi chịu ảnh hưởng thường xuyên từ thiên tai Thực tế thập kỷ gần cho thấy điều Mặc dù vậy, Nam Trung Bộ khu vực đánh giá có tiềm kinh tế lớn Để khai thác mạnh vấn đề then chốt chủ động giải vấn đề nước cho yêu cầu phát triển dân sinh, kinh tế trọng trách ngành thủy lợi phối hợp hữu hiệu với ngành kinh tế khác Số lượng cơng trình hồ đập lớn, vừa nhỏ xây dựng vùng năm qua nhiều Sau hồn tất xây dựng, hầu hết cơng trình hồ chứa khu vực đưa vào phục vụ sản xuất kịp thời phát huy tác dụng tốt Tuy nhiên trình sử dụng, nhiều nguyên nhân khác tổng hợp ngun nhân có số cơng trình xảy cố Trong thời gian qua có nhiều đề tài khoa học tiến hành nghiên cứu đánh giá làm việc an tồn cơng trình thủy lợi nói chung đập đất hồ chứa nói riêng như: - Nghiên cứu khả chống thấm qua thân đập, giải pháp đảm bảo an toàn thấm - Nghiên cứu ổn định mái đập điều kiện bất lợi mưa lớn làm toàn đất thân đập bị bão hòa nước; thiết bị chống thấm bị thủng; thiết bị thoát nước bị tắc; trường hợp mực nước hồ rút nhanh sau lũ… - Nghiên cứu khả xói giải pháp bảo vệ mái hạ lưu đập có nước tràn đỉnh Nguyên nhân chủ yếu gây hư hỏng đập đất dịng thấm thân đập Các đập đất phần nhiều chưa thật an toàn chống thẩm thấu qua thân đập qua đập qua vai đập Nhiều đập sau thời gian làm việc thường bộc lộ tượng thiếu ổn định thấm rò rỉ, mạch lùng, Núi Một (năm 1996 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy – 1998), có cơng trình xây dựng rò thấm dẫn đến cố Suối Hành (1986), Am Chúa (1993), Cà Giây (1998), Sơng Trâu (2005) Trong q trình tính tốn thiết kế trước thường giải toán thấm qua đập theo sơ đồ thấm môi trường đồng nhất, đẳng hướng Thực tế khai thác cho thấy có nhiều trường hợp dịng bão hịa thơng mái hạ lưu cao trình lớn so với tính tốn Điều nhiều nguyên nhân khác nhau, có vấn đề thấm dị hướng, hệ số thấm theo phương ngang lớn nhiều so với phương đứng Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng thấm dị hướng ổn định đập đất nhằm đưa mức độ ảnh hưởng để có giải pháp bảo đảm an toàn cho đập đất thấm gây nên II Mục đích đề tài - Nghiên cứu tình hình thấm dị hướng đập đất khu vực Nam Trung Bộ (đặc biệt tỉnh Bình Định) - Ảnh hưởng thấm dị hướng với an toàn đập (ổn định thấm, ổn định mái đập) III Cách tiếp cận phương pháp thực - Tổng hợp số liệu lưu trữ đập đất - Đo đạc trực tiếp dòng thấm lộ số cơng trình khu vực nghiên cứu (Hội Sơn, Cự Lễ…) - Phân tích định tính định lượng cơng thức, phương pháp tính tốn thấm, tính tốn ổn định trượt mái hạ lưu Lựa chọn công thức, phương pháp tính tốn phù hợp - Tính tốn ứng dụng, phân tích so sánh rút kết luận - Nghiên cứu đề tài dựa nguồn tài liệu khảo sát, đo đạc phân tích học viên trực tiếp thực vùng nghiên cứu Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy 10 IV Kết đạt - Làm rõ tồn môi trường thấm dị hướng đập đất ảnh hưởng thấm dị hướng đến an toàn, ổn định mái đập - Xác định phạm vi biến đổi trị số Kx/Ky đập đất đầm nén - Tính tốn cụ thể cho đập hồ Hội Sơn, Cự Lễ, cảnh báo khả ổn định dòng thấm biện pháp xử lý Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.14 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp trạng (A=8) 1.246 MC D61 Cao (m) 28 MNDBT: 25.00m 24 20 16 12 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.15 Kết tính thấm mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=1) Kết quả: Jmaxđập = 0,70 Jmaxnền = 0,25 qđ.vị = 2,7775e-5 MC D61 MNDBT +27.80M 26 2.7775e-005 Cao (m) 31 21 16 11 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.16 Kết tính thấm mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=3) Kết quả: Jmaxđập = 0,69 Jmaxnền = 0,25 qđ.vị = 2,8476e-5 MC D61 MNDBT +27.80M 26 2.8476e-005 Cao (m) 31 21 16 11 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.17 Kết tính thấm mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=4) Kết quả: Jmaxđập = 0,68 Jmaxnền = 0,25 qđ.vị = 2,8788e-5 MC D61 MNDBT +27.80M 26 2.8788e-005 Cao (m) 31 21 16 11 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.18 Kết tính thấm mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=5) Kết quả: Jmaxđập = 0,66 Jmaxnền = 0,25 qđ.vị = 2,9085e-5 MC D61 MNDBT +27.80M 26 2.9085e-005 Cao (m) 31 21 16 11 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.19 Kết tính thấm mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=6) Kết quả: Jmaxđập = 0,65 Jmaxnền = 0,25 qđ.vị = 2,9360e-5 MC D61 MNDBT +27.80M 26 2.9360e-005 Cao (m) 31 21 16 11 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.20 Kết tính thấm mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=7) Kết quả: Jmaxđập = 0,63 Jmaxnền = 0,25 qđ.vị = 2,9622e-5 MC D61 MNDBT +27.80M 26 2.9622e-005 Cao (m) 31 21 16 11 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.21 Kết tính thấm mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=8) Kết quả: Jmaxđập = 0,62 Jmaxnền = 0,25 qđ.vị = 2,9870e-5 MC D61 MNDBT +27.80M 26 2.9870e-005 Cao (m) 31 21 16 11 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Phụ lục 3.2.22 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=1) 1.377 Cao (m) MC D61 31 MNDBT +27.80M 26 21 16 11 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.23 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=3) 1.375 Cao (m) MC D61 31 MNDBT +27.80M 26 21 16 11 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Phụ lục 3.2.24 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=4) 1.372 Cao (m) MC D61 31 MNDBT +27.80M 26 21 16 11 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.25 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=5) 1.370 Cao (m) MC D61 31 MNDBT +27.80M 26 21 16 11 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Phụ lục 3.2.26 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=6) 1.367 Cao (m) MC D61 31 MNDBT +27.80M 26 21 16 11 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Phụ lục 3.2.27 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=7) 1.365 Cao (m) MC D61 31 MNDBT +27.80M 26 21 16 11 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Phụ lục 3.2.28 Kết tính ổn định mặt cắt D61 Trường hợp thiết kế (A=8) 1.364 Cao (m) MC D61 31 MNDBT +27.80M 26 21 16 11 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Khoang cach (m) Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy ... có giải pháp bảo đảm an tồn cho đập đất thấm gây nên II Mục đích đề tài - Nghiên cứu tình hình thấm dị hướng đập đất khu vực Nam Trung Bộ (đặc biệt tỉnh Bình Định) - Ảnh hưởng thấm dị hướng với... trường thấm dị hướng đập đất ảnh hưởng thấm dị hướng đến an toàn, ổn định mái đập - Xác định phạm vi biến đổi trị số Kx/Ky đập đất đầm nén - Tính tốn cụ thể cho đập hồ Hội Sơn, Cự Lễ, cảnh báo... giải pháp ổn định tầng phủ, thiết kế biện pháp giảm áp, phản áp cần thiết Thấm qua thân đập thấm khơng áp thấm qua mang tính chất thấm có áp, nghiên cứu thấm qua đập đất khơng ứng dụng định luật